燕山大学电动汽车智能驱动与协同控制课题组介绍

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燕山大学电动汽车智能驱动与协同控制课题成立于2016年，依托河北省特种运载装备重点实验室开展理论与技术研究。课题组现有教授1人、副教授/高级实验师3人、讲师/实验师2人、在读研究生10余人，团队成员分别具有车辆工程、电气工程、机械工程、信息工程等学科背景，图1为团队部分成员合影。该课题组面向汽车智能化与电动化发展需求，以智能电动汽车为主要研究对象，围绕其中涉及的动力学与控制、复合传动、驾驶员行为认知与人机共驾等核心技术，开展了深入的理论与试验研究，并逐渐在电动轮驱动汽车集成设计与底盘协同控制、纯电驱动系统创新设计与优化控制两个方向形成了一定特色。

图1 课题组成员合影

研究特色

1.电动轮驱动汽车集成设计与底盘协同控制

电动轮驱动汽车具有结构紧凑、控制灵活和传动高效的优点，是自动驾驶技术的绝佳搭载平台，而相关的底盘集成设计与多智能体协同控制技术已经成为国内外智能电动汽车领域的研究热点，该课题组在该领域开展了下列研究：

（1）专用悬架系统设计与馈能平顺性控制

针对轮毂电机侵占轮内空间造成的现有悬架系统无法布置和非悬挂质量增加导致的车辆平顺性下降问题，完成了电动轮驱动汽车专用悬架导向机构多目标优化设计，并进一步基于馈能型主动悬架实现了平顺性控制；研制了匹配轮毂电机、电子机械式制动系统和电动助力转向系统的四轮分布式驱动纯电动试验样车，完成了实车操纵稳定性道路试验和平顺性台架试验，所设计悬架系统可以有效提升车辆的稳定性和平顺性，并具备一定的振动能量回收效果，大幅提升了整车性能，相关研究如图2所示。

图2 电动轮驱动汽车专用悬架设计与馈能平顺性控制

（2）不平路面空间失稳解析与侧倾稳定性控制

为提高电动轮驱动汽车不平路面上瞬态转向驱/制动过程的空间稳定性，建立了动载激励作用下电动轮及整车的非线性动力学模型，明确了外界激励与车轮跳动和轮胎附着力衰减之间的耦合关系；揭示了电动轮驱动汽车的空间失稳演化机理，建立了其由平面失稳向空间失稳进行动/势能转化的可控域判据，将电动轮驱动汽车的稳定性分析从平面维度拓展到了空间维度；提出了利用轮毂电机力矩进行前馈补偿的地面驱/制动力控制方法，实现了基于分布式驱动与电液复合制动协调分配的侧倾稳定性解耦控制，提升了电动轮驱动汽车的主动安全性，相关研究如图3所示。

图3 不平路面空间失稳解析与侧倾稳定性控制

（3）单侧驱动系统失效的机电耦合控制

针对电动轮驱动汽车单侧驱动系统失效导致的车辆失稳问题，该课题组提出了基于轮毂电机再生制动和电子机械式制动系统并联叠加的机电耦合制动控制方案，在发生驱动失效瞬间协调各轮驱动电机和制动系统的制动力矩分配，实现横摆稳定性实时控制，使车辆快速恢复稳定，从而保障了行车安全。目前已经完成了机电耦合制动系统执行机构设计与试制、各系统台架试验、驱动失效车辆稳定性分析和实车道路试验的相关研究，实现了电动轮前驱车辆单侧驱动系统失效工况的稳定性控制，相关研究如图4所示。

图4 单侧驱动系统失效的机电耦合控制

（4）高机动无人特种车辆研发与底盘协同控制

为充分发挥轮毂电机驱动在改善车辆动力学性能方面的优势，从而应对军事领域轻小型地面无人作战平台和灾难救护/资源勘探领域无人特种车辆对稳定性、机动性、动力性和自主性等方面的需求，推动军民融合，搭建了集成轮毂电机驱动系统、轮边独立转向系统和主动悬架系统的高机动无人特种车辆半实物仿真平台，开展了四轮独立驱动/全方位转向/主动悬架系统集成设计、动力系统智能切换控制、基于环境感知的智能底盘协同控制以及多模式人机交互与编队协同作战系统等关键技术研究，目前已经实现了其动力性、稳定性和机动性控制功能，正在开展自主性控制理论与试验研究，相关内容如图5所示。

图5 高机动无人特种车辆底盘协同控制

2. 纯电驱动系统创新设计与优化控制

我国已将新能源汽车限定为纯电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池电动汽车。纯电驱动系统作为新能源汽车的动力核心，对整车性能起到了决定性作用。高性价比纯电驱动系统的创新设计和优化控制具有重要意义，该课题组在本领域开展了下列研究：

（1）纯电动汽车多挡变速集中式驱动系统设计与控制

为了提高集中式驱动纯电动汽车的动力性和经济性并降低对驱动电机的性能要求，提升驱动系统性价比，该课题组发明了基于多挡机械式自动变速器的集中式纯电驱动系统，开发了驱动系统原理样机与功能样机，研究了基于驱动电机主动调速和选换挡执行机构拟人控制的无离合器自动变速控制机理和换挡冲击抑制方法，根据特定工况开发了自学习动态换挡控制策略并实现了研究成果转化，相关研究情况如图6所示。

图6纯电动汽车多挡变速集中式驱动系统研发

（2）纯电动汽车双模耦合驱动系统设计与控制

为充分利用集中式驱动系统的自动变速能力和分布式驱动系统的动力学控制优势并克服系统结构缺陷，该课题组发明了一种既可实现集中式驱动又可实现分布式驱动且具有两挡自动变速能力的双模耦合驱动系统。该系统针对同一车型可以在电机自身性能不变的前提下大幅提升整车动力性和经济性，且不依赖外界辅助控制系统即可实现驱动防滑、横摆稳定性控制和差动助力转向功能。目前已完成了该驱动系统的样机研制、变摸换挡控制和动力学稳定性控制研究，并与企业初步实现了技术合作，相关研究情况如图7所示。

图7 双模耦合驱动系统研制与变模换挡控制

（3）插电式混合动力汽车多模耦合驱动系统设计与控制

受到现有动力电池技术的限制，纯电动汽车还存在续驶里程短这一通病，为提高车辆续航能力，该课题组将混合动力技术与双模耦合驱动系统相结合，发明了同轴混联多模耦合驱动系统，其具备串/并联混合驱动、并联分布式混合驱动、集中式/分布式纯电驱/制动等多种工作模式。系统结构新颖，回避了国外公司的技术保护，可以根据车辆复杂行驶工况需求进行更多模式的机电耦合驱动，大幅提高整车的动力性、经济性和主动安全性，具有明显的技术优势。该课题组开展了系统的构型设计、驱动模式分析、参数优化以及能量管理研究，通过与其它混合动力系统的对比，证明了该系统具备优越的动力性和经济性。课题组目前正在开展该系统的样机研制以及瞬态动力学控制机理研究，所完成的相关研究工作如图8所示。

8 多模耦合驱动系统设计与控制

（4）插电式混合动力汽车发动机增速离合器设计与控制

由于发动机与驱动电机的转速和转矩特性存在很大差异，直接利用离合器进行同轴耦合时二者的高效工作区间重合度太低。为了提高整套混合动力系统的驱动效率，该课题组设计了一种适用于插电式混合动力汽车的发动机增速离合器并制定了控制策略。该离合器一方面能够控制发动机动力的接入和断开，另一方面可以提高发动机与电机耦合时的转速，使发动机和驱动电机的高效区间尽量重合。在将增速离合器替换多模耦合驱动系统的电动离合器后，该课题组基于动态规划算法进行了系统参数优化，并基于实际工况的驾驶意图解析实现了整车能量的优化管理，相关研究如图9所示。

图9 增速离合器优化设计与基于驾驶意图的整车能量管理

研究条件

该课题组拥有计算机仿真工作站、程序设计与仿真分析软件、虚拟样机软件、PXI测试系统、MicroAutoBox快速原型系统、带双路测功机的变速器试验台、振动试验台，能够完成驱动系统及整车的建模、仿真和台架试验工作；另外，还拥有双模耦合驱动纯电动汽车和轮毂电机四轮驱动纯电动汽车各1辆，拥有包括方向盘转角和转矩传感器、轮速传感器、陀螺仪、GPS惯性导航仪、DEWE-43和DEWE 101数据采集仪、数据分析软件等组成的整车道路试验设备，可满足实车道路试验需求，相关设备情况如图10所示。

图10 拥有试验设备情况

团队负责人简介

张利鹏，教授，2011年博士毕业于北京理工大学电动车辆国家工程实验室，2017年清华大学汽车安全与节能国家重点实验室博士后出站，主要从事智能车辆动力学与控制、新能源汽车复合传动、驾驶员认知与人机共驾等领域的理论和技术研究。在相关领域发表学术论文60余篇，其中SCI收录18篇，EI收录33篇；申请专利17项，已获授权发明专利7项，实用新型专利3项，软件著作权1项；作为项目负责人承担国家自然科学基金2项、国家博士后科学基金2项、河北省和山东省自然科学基金各1项，其它科技计划和企业横向课题10余项；获得省部级科技奖励3项；2017年度获得机械工程学报首届高影响力论文奖；2017、2018年度《机械工程学报》优秀审稿专家。

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