智能分布式电动车辆柔性化系统平台

罗　剑　罗禹贡　张书玮　李克强

清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084

智能分布式电动车辆柔性化系统平台

罗剑罗禹贡张书玮李克强

清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084

为解决现有实验平台车可扩展和可升级性能不强、对智能技术与电动汽车技术集成程度不高的问题，提出了一种可扩展、柔性化电动汽车系统平台建立方法。该柔性化平台具有开放式结构、模块化部件，容易实现功能的扩展和部件的升级,使得机械参数的改变和电气设备的接入都变得更容易，有助于快速实现和验证设计。仿真和实验表明，具备新型结构的电动车平台满足基本性能要求，能够方便地配置成各种系统形态，并进行相关实验。

纯电动汽车；智能环境友好型车辆；分布式驱动电动汽车；柔性化平台设计

0　引言

为更好地解决汽车节能与安全问题,电动汽车和智能汽车的交叉与集成研究受到了重视[1-2]。李克强等[3]提出了智能环境友好型车辆(intelligent environment-friendly vehicle,i-EFV)的概念并做了大量研究工作。随着电动汽车技术的发展和智能技术的进步，分布式电驱动、自动驾驶、车-车(路)通信等技术愈发受到重视，搭建一个纯电动智能平台来开展电机驱动车辆主动安全控制、智能技术以及车联网技术的研究是十分必要的。

由于实验平台需求的特殊性及复杂性，在现有汽车上改造的难度与工作量较大，因此很多大学和研究机构选用桁架结构作为车辆主体。Nagai等[4]应用丰田开发的后轮轮毂电机驱动电动汽车NOVLE,研究驱动力分配,提高了车辆操控性与稳定性，并在车辆前部安装激光雷达等传感器，实现主动避障等功能。Sumiya等[5]开发了四轮独立电驱动平台车FPEV2-Kanon,来研究节能驾驶、车辆状态估计、稳定性控制。Gerdes等[6]搭建P1、X1平台来研究线控转向、极限工况操稳性、自动驾驶。日本NTN公司基于桁架结构开发实验平台车来验证轮毂电机驱动系统。国内，同济大学开发了“春晖”系列微型电动车，进行了路面附着系数与四轮独立驱动电动车车辆状态估计的研究[7]。中国科学院深圳研究院开发了四轮轮毂电机驱动车辆，研究了基于四轮驱动力矩分配的节能控制方法[8]。基于桁架结构的实验平台空间开放，便于安装设备和实验操作。另外，桁架平台车设计难度适中，且不依赖复杂的加工设备，成本较低，其开发逐渐成为一种趋势。

上述平台在满足动力学实验、智能汽车功能验证方面做了大量工作，但在设计之初对柔性、可扩展和可升级性能考虑不足。结合分布式驱动、分布式液压制动、车-车(路)通信等功能的平台尚不存在，即集成清洁能源动力、信息交互与电控化底盘的新型结构还不存在。因此将智能控制技术和电驱动技术结合在一起进行系统集成化创新的研究还有待深入。

本文致力于搭建一个开放式、可扩展、可升级、柔性化的分布式电驱动智能平台，综合考虑i-EFV清洁能源动力、电控化底盘和智能信息交互集成的特性,使机械参数的改变和电气设备的接入都变得更容易，从而有助于验证新功能，不断提升车辆性能。为此，首先对可扩展柔性试验平台进行需求分析，基于现有i-EFV架构的四轮独立电驱动车辆开放式总体结构和车载总线技术，提出了柔性可扩展电气方案。在此基础上，开展模块的研制工作，包括分布式驱动、分布式液压制动、电控转向、智能传感器、车-车(路)通信等各子系统的设计和试制。最终，搭建了四轮独立电驱动智能车辆系统平台,并进行了面向信息融合与控制协同技术的轨迹跟踪、制动/驱动协调、车-车通信等功能的仿真与实验。

1　面向研究的可扩展柔性平台设计

柔性包含两层意思，即机械系统柔性和电气系统柔性。柔性平台的搭建使得机械参数的改变和电气设备的接入都变得更容易,从而有助于设计的快速实现和验证。智能分布式电动平台作为柔性系统平台,应能易于进行结构调整和设备扩展，完成智能安全控制相关实验，为实现上述要求，设计车辆的总体布置方案与电气系统方案。

1.1总体方案与布置

柔性平台车在主体结构上,采用桁架结构车身(整车空间开放,便于安装设备、布线及连接操作);在机械结构上，采用模块化设计(方便部件替换与升级)。为此设计图1所示的柔性底盘机械系统。

上述设计在结构与功能上至少(但不限于)支持以下功能扩展与升级:

(1)机械转向与线控转向的切换。结构设计上，为实现机械转向与线控转向系统的切换，转向盘与转向拉杆之间的机械连接部分设计成方便拆卸的同步带传动结构(图1a)。电气系统设计上，将转角与转矩传感器、转向电机控制器挂载在CAN总线上，修改系统控制软件即可实现扩展。

(2)被动悬架升级为主动悬架。常规车辆,从被动悬架升级为主动悬架,改造工作量是极大的。但对于柔性平台，在设计之初就已经为悬架改造预留了空间，在机械接口一致的情况下，只需要将减震弹簧与阻尼器替换掉，接入主动式空气或液压弹簧即可实现升级(图1b)。

(3)前轮转向升级为四轮转向。为将前轮转向升级为四轮转向，前后轮模块的设计应保持一致，即选用相同的悬架、羊角。为使底盘容易模块化并且紧凑，采用双横臂独立悬架设计，轮毂电机通过羊角连接在悬架上(图1c)。这样只需在两后轮间添加相同的转向拉杆即可构成四轮转向系统(图1d)。模块化设计在实现结构共用的同时，方便功能扩展。

(a)转向系统

(b)悬架系统(c)驱动轮模块

(d)四轮转向系统图1　柔性底盘机械系统示意图

此外，柔性平台作为动力学实验平台，尤其是四轮独立电驱动实验平台，至少应具备四轮驱动转矩独立控制、转向主动控制、四轮制动力独立控制等功能。由于存在高速转弯、侧滑等试验工况，所以质量中心应尽量贴近地面，防止车辆侧翻。此外，柔性平台对车速、加速度、制动距离、安全性等有一定要求,因此设计车辆的基本参数与性能指标如下：最高车速70 km/h,0～40 km/h加速时间小于12 s,50 km/h制动距离小于20 m。

1.2电气系统方案

电气上,对应柔性平台的要求,设计电气系统连接结构(图2)，设备采用总线连接，以便于信息共享与融合。图2中的…为扩展点,设备接入时，只需连接2根电源线、2根通信线即可完成。

图2　电气系统连接示意图

电气系统采用独立模块化设计,包括整车控制器、传感器局域网和执行器局域网。传感器局域网包括智能摄像头、智能雷达等部件；执行器局域网主要包括轮毂电机控制器和轮毂电机、制动控制器和电磁阀、转向控制器和转向电机等部件。

为了保证电源电压对不同电器的兼容性，提供5 V、12 V、48 V等的电压。为了避免总线负载过高的情况发生，将整车划分为传感器局域网、执行器局域网及其与控制器构成的总线网。传感设备挂载在总线上，传感器局域网负责内部设备信息的采集、处理，在信息来源上保证信息融合的便捷性，并将结果打包通过网关发送给控制器。执行器局域网接受控制器的信号，将信号解析为可执行命令发送给各执行器。子网之间通过CAN总线进行通信，实现信息共享。整车控制器包括上位机和下位机两部分,上位机将Simulink编写的控制算法程序进行编译，生成可执行文件并下载到下位机。下位机采用dSPACE公司的Micro-Autobox实时控制系统。实验时,先将程序由上位机编译下载到下位机,然后整车控制器根据期望目标、车辆及环境状态对电动车转向电机、轮毂电机及制动电磁阀进行控制。

2　平台子系统设计

为实现上述方案，进行子系统选型与设计。本文主要讨论分布式驱动系统、分布式液压制动系统、电控转向系统、环境感知系统和基于车联网技术的信息交互系统。

2.1分布式驱动系统

永磁无刷电机具有功率密度高、效率高、体积小、输出转矩大、可控性好等一系列优点。从驱动方式上看,永磁无刷电机可分为永磁同步电机(PMSM)和永磁无刷直流电机(BLDC)。PMSM由正弦波驱动，需要连续位置反馈实现控制。BLDC由方波驱动，需要离散位置反馈实现控制，控制更为简单。选用4个额定功率为2 kW、额定转矩为30 N·m、峰值转矩为100 N·m的BLDC轮毂电机作为驱动电机。通过经验公式，推算电机转矩，实现转矩闭环控制。

电机扭矩与输入电压的关系为[9]

(1)

式中,Tm为电机扭矩;Kt为电机常数;Rm为电机电阻;Lm为电机电感;Um为输入电压。

测量电机的输入电压,采用电压反馈即可精确控制动/驱动转矩。

2.2分布式液压制动系统

分布式制动系统一般由电子机械制动(EMB)实现。限于技术水平,目前EMB尚未成熟,本平台采用4个车载液压控制单元(electro-hydraulic brakes,EHB)模拟分布式制动系统,参考文献[10]中的制动力控制方法,对图3所示的系统建模并简化，以实现对液压制动力的主动控制。

图3　液压制动系统

2.3电控转向系统

在平台车上实现图1a所示的结构与系统连接。控制系统开发时,为了达到快速开发的目的，需要在Simulink环境下搭建相应的模型。待软件功能仿真验证后,下载到Micro-Autobox系统来执行控制。

转向盘转角闭环控制的原理是,输入模块负责采集转向盘转角传感器信号，控制模块负责根据采集的转角信号计算得到电机控制脉宽调制信号,输出模块使能脉宽调制(pulse width modulation,PWM)端口,输出相应占空比的PWM方波来驱动电机[11]。

2.4环境感知系统

环境感知系统由(但不限于)雷达、超声波距离传感器、智能摄像头、全球定位系统(global positioning system,GPS)构成。

各系统挂载在总线上，雷达、超声波传感器将距离信息发送至总控制器，智能摄像头将车道线、车辆与行人识别结果发送至总控制器，车辆位置从GPS获取。

2.5信息交互系统

信息交互系统是实现车联网的基础系统,包括车-车网、车-路网甚至车辆与手机的联网。专用短程通信(dedicated short range communications，DSRC)系统是实现车-车(路)通信的手段之一。DSRC发送和接收本车与旁车、本车与道路的交互信息，其联网系统如图4所示。搭建的短程通信系统总体硬件包括车载通信单元(OBU)、GPS模块、路侧通信单元(RSU)以及显示与处理设备，使用DSRC达到整个系统互通的目的[12]。

图4　信息交互系统构成

3　功能与性能测试

搭建完成的平台车如图5所示，通过仿真与实验来验证平台车功能。

图5　智能环境友好型电动平台车

3.1基本性能测试

对车辆进行基本性能测试,得到如下结果:最高车速为70 km/h，0～40 km/h加速时间为10 s，最小转向半径为6 m，最大爬坡度为10%,续驶里程为50 km。

3.2轨迹跟踪测试

激活GPS、驱动自动控制系统、制动自动控制系统、电控转向系统,就可以将车辆配置成一个最简单的自动驾驶车辆。

在开阔的场地,设计弧形轨迹，验证基于GPS的车辆轨迹跟踪系统功能。系统首先获取车辆位置，通过计算当前位置与期望轨迹的偏差,计算出车辆下一时刻的行进方向，从而控制转向、驱动与制动系统，实现轨迹跟踪，结果如图6所示。从图6可以看出，整体跟踪效果良好，但由于GPS信号有跳动，轨迹会有一定的偏差和抖动。

图6　轨迹跟踪实验结果

3.3制动/驱动协调控制

四轮独立电驱动汽车具备四轮驱动力和制动力独立控制的特点，可以实现常规车辆无法实现的控制，进一步提升车辆稳定性。

转向过程车辆失稳时,需要对制动/驱动进行协调控制，此时激活四轮独立驱动系统、分布式制动系统、自车姿态传感系统就可以实现先进的稳定性控制系统。

图7对应转向盘转角正弦输入工况仿真结果，即转向盘转角连续在-90°～90°之间以正弦规律变化。

(a)横摆角速度

(b)质心侧偏角

(c)制动/驱动转矩图7　制动/驱动协调控制结果

通过横摆角速度响应(图7a)可以看出，进行制动/驱动控制时，横摆响应更加精确和快速，能较好地跟随驾驶员输入；不进行控制时，角速度有20%左右的偏差，且有明显滞后。质心侧偏角(图7b)在有控制时更小。

3.4车车通信

城市环境中，驾驶员视线经常被交叉路口盲点遮挡，因此在交叉路口引入基于DSRC的安全警示系统非常必要。激活DSRC系统、开放整车总线信息，就可以实现一个基本的车-车(路)通信系统。

设计实验,测试交叉路口DSRC数据通信质量,交叉路口为图8中圆点区域,车辆与基站处于路口两侧，但互相不在可视范围之内。实验取设备与交叉口的距离分别为5 m、10 m、15 m[12]。

图8　DSRC实验路况

通过设备监测信号丢包率与强度,并统计结果,如表1所示。从表中数据可以看出,搭建的信息交互系统具有信号传输延迟低、丢包率低的特性，能够达到车-车(路)信息交互与车辆控制的要求。

表1　DSRC测试结果

4　结论

①搭建的开放式、可扩展、柔性化纯电动平台体现了i-EFV所应具备的清洁能源动力、信息交互与电控化底盘配置。②柔性平台的搭建使得机械参数的改变和电气设备的接入都变得更容易，有助于验证新功能，不断提升性能。③具备分布驱动、分布液压制动、智能传感器等新型结构的系统平台，能够方便地配置成各种系统形态，进行智能车、底盘集成控制、车-车(路)通信相关实验。

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(编辑张洋)

Intelligent Flexible Distributed Electric Vehicle Platform

Luo JianLuo YugongZhang ShuweiLi Keqiang

State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing,100084

In order to improve the scalable performance and the level of integration of the existing intelligent electric vehicle platforms,this paper proposed the overall structure of an electric drive flexible vehicle platform.Because of the open structure and modular part configuration,it was easy to change system parameters,to add new components and to upgrade parts,so fast realization and verification was possible.Simulation and experiments show that,the platform can be configured into many types to fulfill related experiments.

electric vehicle;intelligent environment-friendly vehicle;distributed electric drive vehicle;flexible platform design

2014-05-16

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB711204)

U462.2DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.08.009

罗剑,男,1986年生。清华大学汽车工程系博士研究生。主要研究方向为车辆智能控制。罗禹贡,男,1974年生。清华大学汽车工程系副研究员。张书玮,男,1988年生。清华大学汽车工程系博士研究生。李克强,男,1963年生。清华大学汽车工程系教授。