电动汽车分布式驱动控制技术

本书对电动汽车分布式驱动控制技术进行了详细介绍，主要介绍了分布式驱动电动汽车行驶状态估计、稳定性转矩控制、电机驱动的转矩控制、实现电子差速转向的基本要求和设计方法等。内容涵盖分布式驱动电动汽车总体设计、结构原理、参数及匹配计算方法、车辆行驶状态估计、驱动防滑控制、驱动转矩控制技术、电子差速控制技术、节能性驱动转矩控制策略、驱动故障补偿控制和轮毂电机热分析等。
本书内容深入浅出，结合实际，便于读者学习，可供大专院校车辆工程等专业师生和科研单位、工厂等有关工程技术人员参考使用。

田晋跃，江苏大学汽车与交通工程学院车辆工程系，教授，1982 年2 月至1999 年4 月,在机械工业部天津工程机械研究所路面机械研究室，高 级工程师；液力机械传动研究室副主任，高级工程师。
1999 年5 月调入江苏大学工程机械研究所,任所长，教授。兼任中国工程机械学会理事、中国工程机械液压传动技术分会副理事长、中国公路学会筑路机械分会理事、江苏公路学会筑路机械委员会副主任，《中国工程机械学报》和《工程机械与维修》杂志编委。
多年来,完成30项科研项目,其中9 项为国家及机械部项目，修定、制定4 项行业标准,主管完成科研项目15 项,共有6 项获国家、部省及局级科技奖,并在各类行业期刊上发表了60多篇论文。
现从事工程机械模块教学与科研工作。重点研究机电液一体化控制车辆，实现行走工程车辆装备的复合作业，研究行走工程车辆装备及其控制操纵系统，使行走工程车辆装备达到节能、高效、操作简便、舒适的技术水平。

《电动汽车分布式驱动控制技术》是是一本难得的实用技术专著。专注于电动汽车分布式驱动的核心和关键技术进行了较系统和深入的介绍，包括分布式驱动电动汽车行驶状态估计、稳定性转矩控制、电机驱动的转矩控制、实现电子差速转向的基本要求和设计方法等。
《电动汽车分布式驱动控制技术》紧密结合工程应用的基本要求，内容完整系统、重点突出，所用资料能够更新、更准确地解读问题点。在注重电动汽车分布式驱动控制技术知识的同时，强调知识的应用性，具有较强的针对性。适合汽车研发设计、教学科研等相关人员使用。

本书是为车辆工程及相关专业方向的从业人员编写的。
电动汽车分布式驱动取消了传统汽车复杂的传动系统，大大简化了底盘结构，具备更多可控自由度，但各驱动轮协调控制的难度增加。本书的编写目的是使相关行业从业人员了解分布式驱动电动汽车的基本工作原理，基于车辆动力学基本理论，帮助读者掌握和运用分布式驱动电动汽车的控制技术。
本书详细介绍了分布式驱动电动汽车行驶状态估计、稳定性转矩控制、电机驱动的转矩控制、实现电子差速转向的基本要求和设计方法等。内容涵盖分布式驱动电动汽车总体设计、结构原理、参数及匹配计算方法、车辆行驶状态估计、驱动防滑控制、驱动转矩控制技术、电子差速控制技术、节能性驱动转矩控制策略、驱动故障补偿控制和轮毂电机热分析等。
本书共11章。第1章主要介绍电动汽车分布式驱动控制技术的产生与发展，以及电动汽车分布式驱动的分类。第2章介绍电动汽车的动力学基础，以及分布式驱动电动汽车的主要技术性能和相关参数指标。第3章介绍分布式电驱动系统的集中布置驱动桥和轮毂/轮边电驱动系统的结构和工作原理。第4章介绍电动汽车驱动电机、动力电池参数匹配的思路和方法。第5章主要介绍基于卡尔曼滤波的分布式驱动电动汽车状态估计的方法。第6章介绍分布式驱动电动汽车通过独立、精确地控制各个电机的驱动和制动转矩，为车辆实现操纵稳定性控制提供硬件基础。第7章介绍分布式驱动电动汽车差速实现的机理，以及控制方法。第8章介绍分布式驱动电动汽车驱动防滑控制方案，以及控制方法。第9章介绍利用四轮转矩独立控制的特点，减少系统能量消耗的方法。第10章介绍分布式驱动电动汽车执行器故障分类，以及发生单个执行器未知故障的控制原则和执行器故障补偿设计思路。第11章简单介绍电动汽车轮毂电机热损耗，以及轮毂电机温度场分析。
本书的编写特点如下：紧密结合工程应用的基本要求，内容完整系统、重点突出，所用资料力求更新、更准确地解读问题点；在注重电动汽车分布式驱动控制技术知识的同时，强调知识的应用性，具有较强的针对性。
笔者近年来一直从事车辆工程的实用技术研究，本书系统分析并论述了电动汽车分布式驱动技术，希望本书可以为推动我国汽车工程行业的技术进步贡献一份力量，并对广大读者有所帮助。
在本书编写过程中，引用了研究生郑师虔和孟腾飞的研究论文的部分数据，并参考了相关国内外文献资料，在此一并表示深深的谢意。

著者

第1章　绪论 001
1.1　分布式驱动电动汽车简介 002
1.2　分布式驱动电动汽车驱动的关键技术 005
1.2.1　车辆行驶状态估计技术 005
1.2.2　轮毂电机技术 006
1.2.3　电子差速控制 008
1.2.4　稳定性控制 009
1.2.5　驱动防滑控制 010
1.2.6　节能控制 011
1.3　目前存在的问题 011

第2章　汽车的动力学基础及基本性能 013
2.1　汽车的动力学 014
2.2　汽车的行驶原理 018
2.2.1　汽车行驶时的受力分析 018
2.2.2　车轮滑转与附着特性 019
2.3　分布式驱动电动汽车的转向性能 021
2.3.1　两轮转向时的阿克曼转向几何关系 022
2.3.2　四轮转向时的阿克曼转向几何关系 023
2.3.3　实际的阿克曼转向几何关系 024
2.4　汽车的操纵稳定性 025
2.4.1　轮胎纵滑、侧偏联合工况下的滑转理论 025
2.4.2　轮胎滑转率和轮心速度 026
2.4.3　驾驶员模型 027
2.4.4　横摆角速度及质心侧偏角 028
2.5　分布式驱动电动汽车的制动性能 029
2.5.1　汽车制动过程 029
2.5.2　汽车制动性能评价指标 030
2.5.3　分布式驱动电动汽车四轮制动力分配 031

第3章　分布式驱动电动汽车的驱动系统结构 033
3.1　分布式驱动系统结构概述 034
3.1.1　集中对置的轮边电机结构 036
3.1.2　轮毂电机结构 038
3.2　电机结构原理 041
3.2.1　直流电机 041
3.2.2　交流三相感应电机 043
3.2.3　永磁同步电机 044
3.3　行星轮系传动特性 047
3.4　集中驱动桥的结构与传动分析 049
3.5　分布式驱动的整车控制结构 051

第4章　分布式驱动电动汽车参数匹配 053
4.1　纯电动汽车动力性能及试验工况规定 054
4.2　纯电动汽车参数匹配 055
4.2.1　电机转速与转矩匹配 056
4.2.2　传动比参数匹配 057
4.2.3　动力电池匹配 058
4.3　电机选型匹配 059
4.3.1　电机功率确定 059
4.3.2　电机转速设定 059
4.3.3　电机转矩确定 060
4.4　分布式驱动电动汽车驱动功率动态匹配 060
4.4.1　驱动功率动态匹配的必要性 061
4.4.2　驱动功率动态匹配的方法 062
4.4.3　基于效率最佳的转矩控制分配模型 062
4.4.4　基于效率最佳的转矩控制分配原则 064

第5章　车辆行驶状态估计 066
5.1　基于卡尔曼滤波的车辆行驶状态估计 067
5.1.1　卡尔曼滤波理论 067
5.1.2　离散系统的卡尔曼滤波基本方程 068
5.1.3　连续系统的卡尔曼滤波基本方程 069
5.2　卡尔曼滤波在MATLAB 中的实现 071
5.3　车辆质心侧偏角的估计方法 072
5.3.1　车辆模型的动力学方程 072
5.3.2　混合观测器的系统组成 073
5.3.3　车辆稳定性判别 076
5.3.4　模糊控制器权值计算 078
5.4　分布式电动汽车的质心侧偏特性与电机电流的关系 079

第6章　分布式驱动电动汽车操纵稳定性的驱动转矩控制 081
6.1　车辆稳定性控制目标参数分析 082
6.1.1　车辆稳定性表征参数 082
6.1.2　非线性车辆参考模型的建立 082
6.1.3　约束目标横摆角速度的确定 084
6.2　基于改进滑模控制算法的横摆力矩控制器设计 085
6.2.1　滑模控制理论分析 085
6.2.2　横摆力矩控制器设计 087
6.2.3　基于RBF 神经网络的横摆力矩控制器的改进 088
6.3　驱动力矩分配控制策略设计 090
6.4　转向工况下稳定性转矩控制仿真分析 091
6.4.1　仿真平台 091
6.4.2　仿真试验设计与分析 092

第7章　分布式驱动电动汽车的电子差速控制 100
7.1　电子差速方案分析 101
7.1.1　差速的重要性 101
7.1.2　机械差速器原理 102
7.1.3　电子差速方案 103
7.2　电子差速控制策略 104
7.2.1　总体设计思路 104
7.2.2　车速估算 104
7.2.3　基于载荷的分配原则 105
7.2.4　基于转速约束的滑转修正 106
7.2.5　转矩分配模块 107
7.3　差速算法的建模 107
7.4　电子差速的设计 109
7.4.1　电子差速控制器硬件设计 110
7.4.2　电子差速控制器软件设计 111
7.4.3　系统软件架构 111
7.4.4　控制流程 112
7.4.5　底层开发与模型代码生成 113
7.5　电子差速仿真分析 114
7.5.1　50km/h 双移线工况 114
7.5.2　120km/h 双移线工况 115

第8章　基于车轮打滑状态估计的车辆驱动防滑控制 117
8.1　分布式驱动电动汽车驱动防滑控制方案 118
8.2　模型跟踪控制 119
8.3　车轮滑转状态判断原理 121
8.3.1　基于车轮角加速度的车轮滑转状态判断原理 121
8.3.2　车轮滑转状态判断 122
8.4　基于车轮滑转状态以及车轮角加速度的模糊控制算法 124
8.4.1　车轮角加速度控制阈值的选择 124
8.4.2　基于参数dFd/dFm 的车轮滑转状态观测器 126
8.4.3　基于参数dFd/dFm 和车轮角加速度的驱动防滑模糊控制器设计 129
8.5　基于电动轮车纵向行驶安全性的驱动防滑控制系统的仿真试验 131
8.5.1　低附着路面的仿真分析 131
8.5.2　中高附着路面的仿真分析 133
8.5.3　对接路面仿真分析 134
8.6　双参数输入模糊控制算法鲁棒性仿真试验 136
8.6.1　不同质量参数车辆在低附着路面上的仿真结果 136
8.6.2　不同质量参数车辆在对接路面工况条件下的仿真结果 137

第9章　分布式驱动电动汽车节能性驱动转矩控制策略 139
9.1　轮毂电机电动汽车系统能耗分析 140
9.2　轮毂电机台架试验 141
9.2.1　轮毂电机试验台架工作原理 141
9.2.2　轮毂电机特性试验设计 142
9.3　转矩节能优化分配算法研究 142
9.3.1　优化目标选择 143
9.3.2　约束条件确定 143
9.3.3　节能优化分配算法求解 144
9.4　直线工况下节能性转矩控制仿真分析 146
9.4.1　基于D2P 快速原型的底盘测功机台架试验介绍 147
9.4.2　试验结果分析 149

第10章　分布式驱动电动汽车驱动故障补偿控制 152
10.1　分布式驱动电动汽车执行器故障分析 153
10.1.1　单电机故障 153
10.1.2　双电机故障 154
10.2　电机故障模型 155
10.2.1　电机故障分析 155
10.2.2　发生单个执行器未知故障的控制原则 157
10.3　执行器故障补偿设计 157
10.3.1　Backstepping 控制设计 158
10.3.2　自适应故障补偿设计 158
10.3.3　性能分析 162

第11章　电动汽车轮毂电机热分析 164
11.1　轮毂电机热损耗分析 165
11.2　轮毂电机温度场 168
11.2.1　轮毂电机温度场传热分析 169
11.2.2　轮毂电机温度场分析 170
11.3　轮毂电机冷却分析 172
11.4　轮毂电机液冷结构分析 174
11.4.1　轮毂电机液冷管道结构 174
11.4.2　液体冷却结构进、出口压差分析 175
11.4.3　冷却管道冷却液流速确定 175
11.4.4　冷却系统流场模型 176

参考文献 177