第1章 车辆状态观测方法导论

1.1 概述

2009年后，我国汽车产销量已经连续多年世界第一，汽车工业已成长为我国制造业中的龙头产业和国民经济的重要支柱。但迅速增长的汽车保有量也导致我国能源紧缺、环境污染和交通安全等问题日益突出。减小或者消除燃油汽车所带来的能源和安全问题是汽车工业面临的重要课题。发展节能安全环保的电动汽车被认为是最有可能解决上述问题的方法之一。目前，电动汽车已经在全球范围内得到了政府企业和科研机构的广泛关注，我国的《汽车产业发展政策》和《汽车产业调整和振兴规划》均明确支持和鼓励发展电动汽车，“十二五”规划将新能源汽车（主要指电动汽车）产业定位为七大战略性新兴产业。《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》 更是将推进电动汽车的产业化作为主要目标，由此可见，发展电动汽车已成为体现我国能源安全、自主创新和可持续发展战略的国家需求。

广义上说，电动汽车是以电驱动为基础的机动车辆，按照使用能源的不同，可以分为纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车及其他采用电力驱动形式的汽车^[1，2]。按照动力系统布局形式的不同，电动汽车可以划分为集中式驱动和分布式驱动两种驱动形式。集中式驱动的设计理念源自于传统车辆，是内燃机汽车最常用的形式，其动力传递需要经过离合器、变速器、传动轴、差速器、半轴等部件，最终作用于车轮。这种设计方案最大程度地保留了电动汽车与传统内燃机汽车的兼容度，是混合动力汽车的主要构型之一。但由于受到传统汽车设计理念的束缚，集中式驱动设计方案传动部件多、传动效率低、控制复杂的缺点逐渐显现。而随着电动汽车设计理念的不断深入以及电驱动系统的不断进步，纯电动汽车电力驱动机械环节少、传动链短、布置灵活的特点逐步被挖掘出来。分布式驱动形式取消了离合器、变速器、传动轴、差速器、半轴等传动部件，将驱动电机直接安装在驱动轮内或驱动轮附近。这种依据电机特点全新设计的电动汽车底盘形式为汽车结构的变革营造了极大的空间，逐步成为了研究和设计领域的热点。

相对于集中式驱动汽车，分布式驱动电动汽车具有以下几个方面的优势。第一，控制执行单元的响应快速、准确。传统内燃机汽车动力系统由内燃机、离合器、变速器、差速器、半轴、驱动轮组成，其动力传动链长，动力响应速度慢，实际的延时可以达到100ms。并且内燃机输出力矩误差相对较大，实时控制精度低。而分布式电驱动车辆驱动传动链短，电机响应速度快，可轻易实现快速准确的控制。第二，传动系统高效节能。由于取消了诸多的传动部件，分布式电驱动车辆传动效率大大提高。同时，分布式电机可以产生制动力，结合制动能量回收系统后，可以减少能源消耗。第三，整车结构紧凑，模块化设计。采用电驱动轮作为模块化的设计方案，大大简化了整车的结构。取消了复杂的传动设备后，不仅降低了故障率，而且获得了更好的车内空间利用率。第四，具有多个信息单元。分布式驱动电机可以通过电压、电流等状态特性表征其物理特性，因此分布式驱动电机既是执行单元，也是信息单元。该信息单元可以准确反馈当前的轮边速度和驱动力矩，为车辆的多信息单元融合提供了良好的基础条件。最后，具有多动力单元冗余配置的结构。分布式电驱动车辆具有多个独立可控的动力单元，可相对独立地实现各自控制功能，这种冗余配置的结构十分有助于进行失效控制及各种不稳定状况下各轮驱动力协调控制。综上可知，分布式驱动电动汽车能够很好地体现节能、安全、环保的汽车设计理念，代表着未来电动汽车发展的重要方向。

驱动形式的改变、控制执行单元的快速精确独立控制和多信息融合的特点，将会极大地改善分布式电驱动车辆的动力学控制。与传统内燃机汽车和电动汽车相比，在车辆状态参数观测和驱动力协调控制的领域内，分布式电驱动车辆将会形成巨大优势，这方面渐成研究热点。本书将就车辆状态参数观测进行深入探究。

车辆状态参数的观测是车辆动力学控制的基础，其准确度很大程度上决定了车辆动力学控制的效果^[3]。由于分布式驱动电机既是快速反应的执行控制单元（可实现驱动力和制动力的快速准确调节），又是车辆的信息单元（可实时反馈当前驱动力矩和驱动轮转速信息），将该信息单元所反馈的信息应用于车辆状态参数观测中，将会进一步提升车辆状态参数观测的精度。因此，分布式电驱动车辆的出现，打破了传统车辆动力学控制系统只能依靠惯性传感器（INS）和参考轮速进行车辆参数估计的基本方式，如果再配合以全球卫星定位系统（GPS），将会形成一套新型的车辆关键参数估计理论和方法。将这种新型的状态观测系统应用于分布式电驱动车辆的动力学控制中，会大幅度改善和提高车辆动力学控制的效果^[4-7]。