第1章 車輛狀態觀測方法導論

1.1 概述

2009年后，我國汽車產銷量已經連續多年世界第一，汽車工業已成長為我國制造業中的龍頭產業和國民經濟的重要支柱。但迅速增長的汽車保有量也導致我國能源緊缺、環境污染和交通安全等問題日益突出。減小或者消除燃油汽車所帶來的能源和安全問題是汽車工業面臨的重要課題。發展節能安全環保的電動汽車被認為是最有可能解決上述問題的方法之一。目前，電動汽車已經在全球范圍內得到了政府企業和科研機構的廣泛關注，我國的《汽車產業發展政策》和《汽車產業調整和振興規劃》均明確支持和鼓勵發展電動汽車，“十二五”規劃將新能源汽車（主要指電動汽車）產業定位為七大戰略性新興產業?！豆澞芘c新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》 更是將推進電動汽車的產業化作為主要目標，由此可見，發展電動汽車已成為體現我國能源安全、自主創新和可持續發展戰略的國家需求。

廣義上說，電動汽車是以電驅動為基礎的機動車輛，按照使用能源的不同，可以分為純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車及其他采用電力驅動形式的汽車^[1，2]。按照動力系統布局形式的不同，電動汽車可以劃分為集中式驅動和分布式驅動兩種驅動形式。集中式驅動的設計理念源自于傳統車輛，是內燃機汽車最常用的形式，其動力傳遞需要經過離合器、變速器、傳動軸、差速器、半軸等部件，最終作用于車輪。這種設計方案最大程度地保留了電動汽車與傳統內燃機汽車的兼容度，是混合動力汽車的主要構型之一。但由于受到傳統汽車設計理念的束縛，集中式驅動設計方案傳動部件多、傳動效率低、控制復雜的缺點逐漸顯現。而隨著電動汽車設計理念的不斷深入以及電驅動系統的不斷進步，純電動汽車電力驅動機械環節少、傳動鏈短、布置靈活的特點逐步被挖掘出來。分布式驅動形式取消了離合器、變速器、傳動軸、差速器、半軸等傳動部件，將驅動電機直接安裝在驅動輪內或驅動輪附近。這種依據電機特點全新設計的電動汽車底盤形式為汽車結構的變革營造了極大的空間，逐步成為了研究和設計領域的熱點。

相對于集中式驅動汽車，分布式驅動電動汽車具有以下幾個方面的優勢。第一，控制執行單元的響應快速、準確。傳統內燃機汽車動力系統由內燃機、離合器、變速器、差速器、半軸、驅動輪組成，其動力傳動鏈長，動力響應速度慢，實際的延時可以達到100ms。并且內燃機輸出力矩誤差相對較大，實時控制精度低。而分布式電驅動車輛驅動傳動鏈短，電機響應速度快，可輕易實現快速準確的控制。第二，傳動系統高效節能。由于取消了諸多的傳動部件，分布式電驅動車輛傳動效率大大提高。同時，分布式電機可以產生制動力，結合制動能量回收系統后，可以減少能源消耗。第三，整車結構緊湊，模塊化設計。采用電驅動輪作為模塊化的設計方案，大大簡化了整車的結構。取消了復雜的傳動設備后，不僅降低了故障率，而且獲得了更好的車內空間利用率。第四，具有多個信息單元。分布式驅動電機可以通過電壓、電流等狀態特性表征其物理特性，因此分布式驅動電機既是執行單元，也是信息單元。該信息單元可以準確反饋當前的輪邊速度和驅動力矩，為車輛的多信息單元融合提供了良好的基礎條件。最后，具有多動力單元冗余配置的結構。分布式電驅動車輛具有多個獨立可控的動力單元，可相對獨立地實現各自控制功能，這種冗余配置的結構十分有助于進行失效控制及各種不穩定狀況下各輪驅動力協調控制。綜上可知，分布式驅動電動汽車能夠很好地體現節能、安全、環保的汽車設計理念，代表著未來電動汽車發展的重要方向。

驅動形式的改變、控制執行單元的快速精確獨立控制和多信息融合的特點，將會極大地改善分布式電驅動車輛的動力學控制。與傳統內燃機汽車和電動汽車相比，在車輛狀態參數觀測和驅動力協調控制的領域內，分布式電驅動車輛將會形成巨大優勢，這方面漸成研究熱點。本書將就車輛狀態參數觀測進行深入探究。

車輛狀態參數的觀測是車輛動力學控制的基礎，其準確度很大程度上決定了車輛動力學控制的效果^[3]。由于分布式驅動電機既是快速反應的執行控制單元（可實現驅動力和制動力的快速準確調節），又是車輛的信息單元（可實時反饋當前驅動力矩和驅動輪轉速信息），將該信息單元所反饋的信息應用于車輛狀態參數觀測中，將會進一步提升車輛狀態參數觀測的精度。因此，分布式電驅動車輛的出現，打破了傳統車輛動力學控制系統只能依靠慣性傳感器（INS）和參考輪速進行車輛參數估計的基本方式，如果再配合以全球衛星定位系統（GPS），將會形成一套新型的車輛關鍵參數估計理論和方法。將這種新型的狀態觀測系統應用于分布式電驅動車輛的動力學控制中，會大幅度改善和提高車輛動力學控制的效果^[4-7]。