羅　劍　羅禹貢　張書瑋　李克強(qiáng)

清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100084

智能分布式電動車輛柔性化系統(tǒng)平臺

羅劍羅禹貢張書瑋李克強(qiáng)

清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100084

為解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺車可擴(kuò)展和可升級性能不強(qiáng)、對智能技術(shù)與電動汽車技術(shù)集成程度不高的問題，提出了一種可擴(kuò)展、柔性化電動汽車系統(tǒng)平臺建立方法。該柔性化平臺具有開放式結(jié)構(gòu)、模塊化部件，容易實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展和部件的升級,使得機(jī)械參數(shù)的改變和電氣設(shè)備的接入都變得更容易，有助于快速實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，具備新型結(jié)構(gòu)的電動車平臺滿足基本性能要求，能夠方便地配置成各種系統(tǒng)形態(tài)，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

純電動汽車；智能環(huán)境友好型車輛；分布式驅(qū)動電動汽車；柔性化平臺設(shè)計(jì)

0　引言

為更好地解決汽車節(jié)能與安全問題,電動汽車和智能汽車的交叉與集成研究受到了重視[1-2]。李克強(qiáng)等[3]提出了智能環(huán)境友好型車輛(intelligent environment-friendly vehicle,i-EFV)的概念并做了大量研究工作。隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展和智能技術(shù)的進(jìn)步，分布式電驅(qū)動、自動駕駛、車-車(路)通信等技術(shù)愈發(fā)受到重視，搭建一個純電動智能平臺來開展電機(jī)驅(qū)動車輛主動安全控制、智能技術(shù)以及車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究是十分必要的。

由于實(shí)驗(yàn)平臺需求的特殊性及復(fù)雜性，在現(xiàn)有汽車上改造的難度與工作量較大，因此很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)選用桁架結(jié)構(gòu)作為車輛主體。Nagai等[4]應(yīng)用豐田開發(fā)的后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車NOVLE,研究驅(qū)動力分配,提高了車輛操控性與穩(wěn)定性，并在車輛前部安裝激光雷達(dá)等傳感器，實(shí)現(xiàn)主動避障等功能。Sumiya等[5]開發(fā)了四輪獨(dú)立電驅(qū)動平臺車FPEV2-Kanon,來研究節(jié)能駕駛、車輛狀態(tài)估計(jì)、穩(wěn)定性控制。Gerdes等[6]搭建P1、X1平臺來研究線控轉(zhuǎn)向、極限工況操穩(wěn)性、自動駕駛。日本NTN公司基于桁架結(jié)構(gòu)開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺車來驗(yàn)證輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。國內(nèi)，同濟(jì)大學(xué)開發(fā)了“春暉”系列微型電動車，進(jìn)行了路面附著系數(shù)與四輪獨(dú)立驅(qū)動電動車車輛狀態(tài)估計(jì)的研究[7]。中國科學(xué)院深圳研究院開發(fā)了四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動車輛，研究了基于四輪驅(qū)動力矩分配的節(jié)能控制方法[8]?；阼旒芙Y(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺空間開放，便于安裝設(shè)備和實(shí)驗(yàn)操作。另外，桁架平臺車設(shè)計(jì)難度適中，且不依賴復(fù)雜的加工設(shè)備，成本較低，其開發(fā)逐漸成為一種趨勢。

上述平臺在滿足動力學(xué)實(shí)驗(yàn)、智能汽車功能驗(yàn)證方面做了大量工作，但在設(shè)計(jì)之初對柔性、可擴(kuò)展和可升級性能考慮不足。結(jié)合分布式驅(qū)動、分布式液壓制動、車-車(路)通信等功能的平臺尚不存在，即集成清潔能源動力、信息交互與電控化底盤的新型結(jié)構(gòu)還不存在。因此將智能控制技術(shù)和電驅(qū)動技術(shù)結(jié)合在一起進(jìn)行系統(tǒng)集成化創(chuàng)新的研究還有待深入。

本文致力于搭建一個開放式、可擴(kuò)展、可升級、柔性化的分布式電驅(qū)動智能平臺，綜合考慮i-EFV清潔能源動力、電控化底盤和智能信息交互集成的特性,使機(jī)械參數(shù)的改變和電氣設(shè)備的接入都變得更容易，從而有助于驗(yàn)證新功能，不斷提升車輛性能。為此，首先對可擴(kuò)展柔性試驗(yàn)平臺進(jìn)行需求分析，基于現(xiàn)有i-EFV架構(gòu)的四輪獨(dú)立電驅(qū)動車輛開放式總體結(jié)構(gòu)和車載總線技術(shù)，提出了柔性可擴(kuò)展電氣方案。在此基礎(chǔ)上，開展模塊的研制工作，包括分布式驅(qū)動、分布式液壓制動、電控轉(zhuǎn)向、智能傳感器、車-車(路)通信等各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試制。最終，搭建了四輪獨(dú)立電驅(qū)動智能車輛系統(tǒng)平臺,并進(jìn)行了面向信息融合與控制協(xié)同技術(shù)的軌跡跟蹤、制動/驅(qū)動協(xié)調(diào)、車-車通信等功能的仿真與實(shí)驗(yàn)。

1　面向研究的可擴(kuò)展柔性平臺設(shè)計(jì)

柔性包含兩層意思，即機(jī)械系統(tǒng)柔性和電氣系統(tǒng)柔性。柔性平臺的搭建使得機(jī)械參數(shù)的改變和電氣設(shè)備的接入都變得更容易,從而有助于設(shè)計(jì)的快速實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。智能分布式電動平臺作為柔性系統(tǒng)平臺,應(yīng)能易于進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整和設(shè)備擴(kuò)展，完成智能安全控制相關(guān)實(shí)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)上述要求，設(shè)計(jì)車輛的總體布置方案與電氣系統(tǒng)方案。

1.1總體方案與布置

柔性平臺車在主體結(jié)構(gòu)上,采用桁架結(jié)構(gòu)車身(整車空間開放,便于安裝設(shè)備、布線及連接操作);在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，采用模塊化設(shè)計(jì)(方便部件替換與升級)。為此設(shè)計(jì)圖1所示的柔性底盤機(jī)械系統(tǒng)。

上述設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)與功能上至少(但不限于)支持以下功能擴(kuò)展與升級:

(1)機(jī)械轉(zhuǎn)向與線控轉(zhuǎn)向的切換。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)向與線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的切換，轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向拉桿之間的機(jī)械連接部分設(shè)計(jì)成方便拆卸的同步帶傳動結(jié)構(gòu)(圖1a)。電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，將轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器掛載在CAN總線上，修改系統(tǒng)控制軟件即可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

(2)被動懸架升級為主動懸架。常規(guī)車輛,從被動懸架升級為主動懸架,改造工作量是極大的。但對于柔性平臺，在設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)為懸架改造預(yù)留了空間，在機(jī)械接口一致的情況下，只需要將減震彈簧與阻尼器替換掉，接入主動式空氣或液壓彈簧即可實(shí)現(xiàn)升級(圖1b)。

(3)前輪轉(zhuǎn)向升級為四輪轉(zhuǎn)向。為將前輪轉(zhuǎn)向升級為四輪轉(zhuǎn)向，前后輪模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)保持一致，即選用相同的懸架、羊角。為使底盤容易模塊化并且緊湊，采用雙橫臂獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)，輪轂電機(jī)通過羊角連接在懸架上(圖1c)。這樣只需在兩后輪間添加相同的轉(zhuǎn)向拉桿即可構(gòu)成四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(圖1d)。模塊化設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)共用的同時，方便功能擴(kuò)展。

(a)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

(b)懸架系統(tǒng)(c)驅(qū)動輪模塊

(d)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)圖1　柔性底盤機(jī)械系統(tǒng)示意圖

此外，柔性平臺作為動力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，尤其是四輪獨(dú)立電驅(qū)動實(shí)驗(yàn)平臺，至少應(yīng)具備四輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩獨(dú)立控制、轉(zhuǎn)向主動控制、四輪制動力獨(dú)立控制等功能。由于存在高速轉(zhuǎn)彎、側(cè)滑等試驗(yàn)工況，所以質(zhì)量中心應(yīng)盡量貼近地面，防止車輛側(cè)翻。此外，柔性平臺對車速、加速度、制動距離、安全性等有一定要求,因此設(shè)計(jì)車輛的基本參數(shù)與性能指標(biāo)如下：最高車速70 km/h,0～40 km/h加速時間小于12 s,50 km/h制動距離小于20 m。

1.2電氣系統(tǒng)方案

電氣上,對應(yīng)柔性平臺的要求,設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)(圖2)，設(shè)備采用總線連接，以便于信息共享與融合。圖2中的…為擴(kuò)展點(diǎn),設(shè)備接入時，只需連接2根電源線、2根通信線即可完成。

圖2　電氣系統(tǒng)連接示意圖

電氣系統(tǒng)采用獨(dú)立模塊化設(shè)計(jì),包括整車控制器、傳感器局域網(wǎng)和執(zhí)行器局域網(wǎng)。傳感器局域網(wǎng)包括智能攝像頭、智能雷達(dá)等部件；執(zhí)行器局域網(wǎng)主要包括輪轂電機(jī)控制器和輪轂電機(jī)、制動控制器和電磁閥、轉(zhuǎn)向控制器和轉(zhuǎn)向電機(jī)等部件。

為了保證電源電壓對不同電器的兼容性，提供5 V、12 V、48 V等的電壓。為了避免總線負(fù)載過高的情況發(fā)生，將整車劃分為傳感器局域網(wǎng)、執(zhí)行器局域網(wǎng)及其與控制器構(gòu)成的總線網(wǎng)。傳感設(shè)備掛載在總線上，傳感器局域網(wǎng)負(fù)責(zé)內(nèi)部設(shè)備信息的采集、處理，在信息來源上保證信息融合的便捷性，并將結(jié)果打包通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送給控制器。執(zhí)行器局域網(wǎng)接受控制器的信號，將信號解析為可執(zhí)行命令發(fā)送給各執(zhí)行器。子網(wǎng)之間通過CAN總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息共享。整車控制器包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分,上位機(jī)將Simulink編寫的控制算法程序進(jìn)行編譯，生成可執(zhí)行文件并下載到下位機(jī)。下位機(jī)采用dSPACE公司的Micro-Autobox實(shí)時控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)時,先將程序由上位機(jī)編譯下載到下位機(jī),然后整車控制器根據(jù)期望目標(biāo)、車輛及環(huán)境狀態(tài)對電動車轉(zhuǎn)向電機(jī)、輪轂電機(jī)及制動電磁閥進(jìn)行控制。

2　平臺子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述方案，進(jìn)行子系統(tǒng)選型與設(shè)計(jì)。本文主要討論分布式驅(qū)動系統(tǒng)、分布式液壓制動系統(tǒng)、電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)和基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息交互系統(tǒng)。

2.1分布式驅(qū)動系統(tǒng)

永磁無刷電機(jī)具有功率密度高、效率高、體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大、可控性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。從驅(qū)動方式上看,永磁無刷電機(jī)可分為永磁同步電機(jī)(PMSM)和永磁無刷直流電機(jī)(BLDC)。PMSM由正弦波驅(qū)動，需要連續(xù)位置反饋實(shí)現(xiàn)控制。BLDC由方波驅(qū)動，需要離散位置反饋實(shí)現(xiàn)控制，控制更為簡單。選用4個額定功率為2 kW、額定轉(zhuǎn)矩為30 N·m、峰值轉(zhuǎn)矩為100 N·m的BLDC輪轂電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。通過經(jīng)驗(yàn)公式，推算電機(jī)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

電機(jī)扭矩與輸入電壓的關(guān)系為[9]

(1)

式中,Tm為電機(jī)扭矩;Kt為電機(jī)常數(shù);Rm為電機(jī)電阻;Lm為電機(jī)電感;Um為輸入電壓。

測量電機(jī)的輸入電壓,采用電壓反饋即可精確控制動/驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。

2.2分布式液壓制動系統(tǒng)

分布式制動系統(tǒng)一般由電子機(jī)械制動(EMB)實(shí)現(xiàn)。限于技術(shù)水平,目前EMB尚未成熟,本平臺采用4個車載液壓控制單元(electro-hydraulic brakes,EHB)模擬分布式制動系統(tǒng),參考文獻(xiàn)[10]中的制動力控制方法,對圖3所示的系統(tǒng)建模并簡化，以實(shí)現(xiàn)對液壓制動力的主動控制。

圖3　液壓制動系統(tǒng)

2.3電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

在平臺車上實(shí)現(xiàn)圖1a所示的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)連接?？刂葡到y(tǒng)開發(fā)時,為了達(dá)到快速開發(fā)的目的，需要在Simulink環(huán)境下搭建相應(yīng)的模型。待軟件功能仿真驗(yàn)證后,下載到Micro-Autobox系統(tǒng)來執(zhí)行控制。

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制的原理是,輸入模塊負(fù)責(zé)采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號，控制模塊負(fù)責(zé)根據(jù)采集的轉(zhuǎn)角信號計(jì)算得到電機(jī)控制脈寬調(diào)制信號,輸出模塊使能脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)端口,輸出相應(yīng)占空比的PWM方波來驅(qū)動電機(jī)[11]。

2.4環(huán)境感知系統(tǒng)

環(huán)境感知系統(tǒng)由(但不限于)雷達(dá)、超聲波距離傳感器、智能攝像頭、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)構(gòu)成。

各系統(tǒng)掛載在總線上，雷達(dá)、超聲波傳感器將距離信息發(fā)送至總控制器，智能攝像頭將車道線、車輛與行人識別結(jié)果發(fā)送至總控制器，車輛位置從GPS獲取。

2.5信息交互系統(tǒng)

信息交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)系統(tǒng),包括車-車網(wǎng)、車-路網(wǎng)甚至車輛與手機(jī)的聯(lián)網(wǎng)。專用短程通信(dedicated short range communications，DSRC)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)車-車(路)通信的手段之一。DSRC發(fā)送和接收本車與旁車、本車與道路的交互信息，其聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如圖4所示。搭建的短程通信系統(tǒng)總體硬件包括車載通信單元(OBU)、GPS模塊、路側(cè)通信單元(RSU)以及顯示與處理設(shè)備，使用DSRC達(dá)到整個系統(tǒng)互通的目的[12]。

圖4　信息交互系統(tǒng)構(gòu)成

3　功能與性能測試

搭建完成的平臺車如圖5所示，通過仿真與實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證平臺車功能。

圖5　智能環(huán)境友好型電動平臺車

3.1基本性能測試

對車輛進(jìn)行基本性能測試,得到如下結(jié)果:最高車速為70 km/h，0～40 km/h加速時間為10 s，最小轉(zhuǎn)向半徑為6 m，最大爬坡度為10%,續(xù)駛里程為50 km。

3.2軌跡跟蹤測試

激活GPS、驅(qū)動自動控制系統(tǒng)、制動自動控制系統(tǒng)、電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),就可以將車輛配置成一個最簡單的自動駕駛車輛。

在開闊的場地,設(shè)計(jì)弧形軌跡，驗(yàn)證基于GPS的車輛軌跡跟蹤系統(tǒng)功能。系統(tǒng)首先獲取車輛位置，通過計(jì)算當(dāng)前位置與期望軌跡的偏差,計(jì)算出車輛下一時刻的行進(jìn)方向，從而控制轉(zhuǎn)向、驅(qū)動與制動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，整體跟蹤效果良好，但由于GPS信號有跳動，軌跡會有一定的偏差和抖動。

圖6　軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3制動/驅(qū)動協(xié)調(diào)控制

四輪獨(dú)立電驅(qū)動汽車具備四輪驅(qū)動力和制動力獨(dú)立控制的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)車輛無法實(shí)現(xiàn)的控制，進(jìn)一步提升車輛穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)向過程車輛失穩(wěn)時,需要對制動/驅(qū)動進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，此時激活四輪獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)、分布式制動系統(tǒng)、自車姿態(tài)傳感系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。

圖7對應(yīng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角正弦輸入工況仿真結(jié)果，即轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角連續(xù)在-90°～90°之間以正弦規(guī)律變化。

(a)橫擺角速度

(b)質(zhì)心側(cè)偏角

(c)制動/驅(qū)動轉(zhuǎn)矩圖7　制動/驅(qū)動協(xié)調(diào)控制結(jié)果

通過橫擺角速度響應(yīng)(圖7a)可以看出，進(jìn)行制動/驅(qū)動控制時，橫擺響應(yīng)更加精確和快速，能較好地跟隨駕駛員輸入；不進(jìn)行控制時，角速度有20%左右的偏差，且有明顯滯后。質(zhì)心側(cè)偏角(圖7b)在有控制時更小。

3.4車車通信

城市環(huán)境中，駕駛員視線經(jīng)常被交叉路口盲點(diǎn)遮擋，因此在交叉路口引入基于DSRC的安全警示系統(tǒng)非常必要。激活DSRC系統(tǒng)、開放整車總線信息，就可以實(shí)現(xiàn)一個基本的車-車(路)通信系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),測試交叉路口DSRC數(shù)據(jù)通信質(zhì)量,交叉路口為圖8中圓點(diǎn)區(qū)域,車輛與基站處于路口兩側(cè)，但互相不在可視范圍之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)取設(shè)備與交叉口的距離分別為5 m、10 m、15 m[12]。

圖8　DSRC實(shí)驗(yàn)路況

通過設(shè)備監(jiān)測信號丟包率與強(qiáng)度,并統(tǒng)計(jì)結(jié)果,如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出,搭建的信息交互系統(tǒng)具有信號傳輸延遲低、丟包率低的特性，能夠達(dá)到車-車(路)信息交互與車輛控制的要求。

表1　DSRC測試結(jié)果

4　結(jié)論

①搭建的開放式、可擴(kuò)展、柔性化純電動平臺體現(xiàn)了i-EFV所應(yīng)具備的清潔能源動力、信息交互與電控化底盤配置。②柔性平臺的搭建使得機(jī)械參數(shù)的改變和電氣設(shè)備的接入都變得更容易，有助于驗(yàn)證新功能，不斷提升性能。③具備分布驅(qū)動、分布液壓制動、智能傳感器等新型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)平臺，能夠方便地配置成各種系統(tǒng)形態(tài)，進(jìn)行智能車、底盤集成控制、車-車(路)通信相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

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(編輯張洋)

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

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB711204)

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

羅劍,男,1986年生。清華大學(xué)汽車工程系博士研究生。主要研究方向?yàn)檐囕v智能控制。羅禹貢,男,1974年生。清華大學(xué)汽車工程系副研究員。張書瑋,男,1988年生。清華大學(xué)汽車工程系博士研究生。李克強(qiáng),男,1963年生。清華大學(xué)汽車工程系教授。