电动汽车多电机独立驱动技术研究综述_张多
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多电机独立驱动电动汽车已成为各国汽车厂商及 科研机构关注的研究热点，国内外研究所取得的成果也 证明了 4WID 电动汽车的优越性[2]。但迄今为止，4WID 电动汽车尚未实现产业化，除受其生产成本偏高、可靠 性需求高、电池技术水平问题等因素外，更重要的原因 是多电机驱动系统能量优化及协调控制等方面的研究 还未成熟，所采用的理论及方法在经济性、可靠性、实用 性等方面存在不足。
3 电子差速研究
传统汽车依靠行星轮的自转实现左、右车轮转向时 的差速行驶，而多电机独立驱动电动汽车则必须采用电 子差速系统实现各轮的转速协调，以保证转向时各车轮 不发生拖动或滑移，实现差速行驶，保证电动汽车转向 的稳定性。
根据驱动电机被控变量的不同，多电机驱动电动汽
-2-
车的电子差速系统分为以下 2 类。
【Abstract】The four-wheel-independent-drive (4WID) electric vehicles (EVs) have become one of the most important trends for EVs. However, it suffers from the problems of the multi-motor coordinated control and reliability. In this paper, the research on the electric differential, active safety control, multi-motor coordinated control and fault tolerant control are reviewed. Finally, some problems existing in 4WID electric vehicle are pointed out, and the developing direction and trend of the 4WID technology is investigated.
2 4WID 电动汽车研究现状
电动汽车多电机分布式独立驱动结构如图 1 所示。 与 单 电 机 中 央 驱 动 型 的 电 动 汽 车 相 比 ，分 布 式 4WID 电动汽车在底盘结构、传动效率和控制性能等方
面更具优势与潜力，体现在以下几方面。
动力电池 电动助力单元 逆变器
轮毂电机 逆变器
车载传感器
文献[7]依据车辆横摆速率及纵向速度与驱动电机 转速之间的关系，分别对前两轮驱动、后两轮驱动及四 轮驱动的电子差速进行了比较研究，表明在低速情况 下，无论采取哪种差速系统均能实现电动轮的差速行 驶，且性能无明显差异；而车辆在附着极限工况下行驶
汽车技术
·专题综述· 时，此类以车轮转速为控制目标的电子差速系统很难满 足整车对差速及稳定性的要求。
针对车辆非线性特征，模糊理论与神经网络也被用 于多电机独立驱动的电动汽车的控制中，以提高电动汽 车的操控性和鲁棒性。文献[12]对全轮独立驱动电动 汽车设计了一个多层动力学控制系统，牵引控制层采用 模糊推理实现各电机目标滑移率的调整。模糊控制虽 能一定程度上改善车辆的性能，但模糊规则的建立主要 依赖于经验，其应用受到车辆复杂多变的行驶工况的极 大限制。神经网络用于四轮转向车辆控制中，能够克服 车辆非线性带来的不利影响，提高车辆的稳定性 。 [13,14] 文献[14]针对后两轮独立驱动电动汽车的横向及横摆 运动的耦合进行可逆性分析，在构造车辆质心侧偏角的 神经网络左逆观测器的基础上，设计神经网络联合逆控 制器，实现横摆角速度与质心侧偏角解耦的同时减小电 机输出，提高了整车效率。其不足之处在于神经网络训 练样本的采集与获取受到限制，导致对车辆复杂工况的 适应性差，且实时性略显不足。 4.2 集成控制研究
一类是以车轮转速为控制变量的转速型电子差速
系统，是在 Ackerman 稳态转向模型（图 2）基础上推导出
各驱动轮的转速。
δin Vfin
δout Vfout
lf
Rfin Rf
d
Rfout
CG
O
δout
δ δin Rrin Rr
Rrout
Vrin
Vrout
图 2 Ackerman 转向模型
图 2 中，Vfin、Vfout、Vrin、Vrout 分别为各轮转速；δfin、δfout 为 左、右前轮转向角，且在转向角较小时，δfin=δfout=δ；Rf、Rr 为前、后轴中心处的转向半径；Rfin、Rfout、Rrin、Rrout 分别为 前、后、左、右各轮的转向半径。如文献[4]中根据该模 型推导计算获得了各驱动轮的转速并对其实施控制，实 现了车辆转向时各轮速度的协调。
Key words:Electric vehicles, Multi-motor independent drive, Coordinated control, Reliability
1 前言
面对能源和环境的双重压力和重大需求，电动汽车 已无可争议地成为 21 世纪汽车工业发展的主流方向， 而以多台轮毂电机驱动和线控技术为特征的分布式四 轮独立驱动（4WID）电动汽车也成为电动汽车发展中的 主要方向之一。4WID 电动汽车的 4 台轮毂电机分别置 于各轮毂之内，分别驱动汽车的 4 个车轮，车轮之间没 有机械传动环节。由于各轮的驱动力/制动力均独立可 控，从而为改善电动汽车的动力性、稳定性及安全性提 供了更大的技术支持。
4.1 DYC 的理论与方法 为提高电动车辆安全性及操控稳定性性，最优控
制、模糊控制、滑模变结构等各种控制方度控制结构，将前馈—反馈相结 合，前馈补偿器将车辆的质心侧偏角控制在一个比较小 的范围内，采用线性二次最优获得反馈系数，消除受控 变量的稳态误差。从本质上讲，线性二次最优法属于线 性控制范畴，对于车辆这种具有很强非线性特征且存在 参数不确定的动力学系统来说，鲁棒性不能得到保证。
辅助电源 轮毂电机
控制计算机
图 1 多电机分布式独立驱动结构
a. 轮毂电机直接驱动车轮，省去离合器、变速器、 传动轴等机械环节，减轻了整车质量，提高了传动效率 及能源利用率。
b. 利用各驱动轮转矩响应快速、精确可控的特
������基金项目:国家自然科学基金(51077066，61273154)、教育部博士点基金（20123227110012），江苏高校优势学科建设工程 （苏政办发 2011-6）、江苏大学研究生创新工程（CX10B_014X）资助。
另一类电子差速系统是以控制各驱动轮的附着力 或滑移率相等为目标的转矩型电子差速。文献[8]根据 车辆垂直载荷的变化动态分配各驱动轮的输出力矩，控 制电动汽车两侧驱动车轮的滑移率相等，从而起到电子 差速的作用，以提高电动汽车转向的稳定性。存在的问 题是：小滑移率的实时检测和复杂行驶工况下最优滑移 率的识别均较难实现。另外，这类电子差速系统的研究 与驱动防滑的研究紧密结合，随着研究的深入，此类研 究将逐渐融入车辆主动安全控制技术的研究中。
由于多电机独立驱动电动汽车驱动结构的特殊性 和复杂性，成为限制 4WID 电动汽车发展的瓶颈之一。 若多电机协调控制不当，会出现电动轮间相互拖拽的现 象，不仅增加功率损耗，而且严重时会破坏电动汽车的 稳定性，导致车祸的发生。因此，多电机协调控制的优 劣直接影响车辆的经济性、可靠性、安全性和舒适性[1]。 目前，多电机协调控制的研究主要分为两类，一是实现 各驱动轮在转向行驶时内外轮差速行驶的电子差速[3]研 究；二是以车辆行驶稳定性和操控性为目标的电动汽车 主动安全控制技术研究。
主题词:电动汽车 多电机独立驱动 协调控制 可靠性 中图分类号:U469.72 文献标识码:A 文章编号:1000-3703（2015）10-0001-06
Overview of Multi-motor Independent Drive of Electric Vehicles
Zhang Duo, Liu Guohai, Zhao Wenxiang, Miao Penghu, Ye Hao （Jiangsu University）
方转向盘转角 加速踏板 制动踏板
整车控制层
控制分配层 底层控制层
侧向需求
牵引控制 前轮转向
纵向需求
直接横摆力矩控制 横摆力矩需求
转矩 控制 分配
主动 前轮 转向
四轮 独立 驱动 电机
4WID 电动汽车
路面附着系数
质心侧偏角 状态观测 及故障监测
四轮转速、转矩
车速、横摆角速度、加速度等
图 4 4WID 电动汽车主动安全控制系统结构示意
f 模型 nf 2
TLf
PI PI
虚拟 主电机
f K2
n1 TL1
TL2
f 电动汽车 轮毂电机
n2
图 3 主从式多电机结构的电子差速系统
针对 Ackerman 稳态转向模型中各轮转速的非线 性，也有学者利用神经网络拟合获取当前工况下的各车 轮转速[6]，以提高电动车中低速行驶时的平稳性，但其工 况适应性较差，通用性不强。
·专题综述·
电动汽车多电机独立驱动技术研究综述*
张多 刘国海 赵文祥 缪鹏虎 叶浩
（江苏大学）
【摘要】多电机独立驱动电动汽车是电动汽车发展中的重要方向之一，其多电机驱动系统的协调控制及可靠性问题是 亟待解决的首要问题。针对由多台轮毂电机驱动及线控技术为特征的分布式四轮独立驱动（4WID）电动汽车，介绍了其驱 动系统在电子差速、主动安全控制、多电机转矩协调、容错控制等方面的研究现状，指出了多电机独立驱动电动汽车研究尚 存的问题，并探索了该领域今后的研究方向与趋势。
Perez-Pinal F J 等人[5]采用主从式多电机结构建立 虚拟主电机，将两驱动轮电机作为从电机，跟据稳态转 向模型计算各轮转速并进行闭环控制（图 3），在车辆 受到外部扰动或驱动轮负载变化时，对驱动轮的驱动 力进行预判和调整，提高了电子差速系统的响应速度 和鲁棒性。
3 电子差速研究
传统汽车依靠行星轮的自转实现左、右车轮转向时 的差速行驶，而多电机独立驱动电动汽车则必须采用电 子差速系统实现各轮的转速协调，以保证转向时各车轮 不发生拖动或滑移，实现差速行驶，保证电动汽车转向 的稳定性。
根据驱动电机被控变量的不同，多电机驱动电动汽
-2-
车的电子差速系统分为以下 2 类。
【Abstract】The four-wheel-independent-drive (4WID) electric vehicles (EVs) have become one of the most important trends for EVs. However, it suffers from the problems of the multi-motor coordinated control and reliability. In this paper, the research on the electric differential, active safety control, multi-motor coordinated control and fault tolerant control are reviewed. Finally, some problems existing in 4WID electric vehicle are pointed out, and the developing direction and trend of the 4WID technology is investigated.
2 4WID 电动汽车研究现状
电动汽车多电机分布式独立驱动结构如图 1 所示。 与 单 电 机 中 央 驱 动 型 的 电 动 汽 车 相 比 ，分 布 式 4WID 电动汽车在底盘结构、传动效率和控制性能等方
面更具优势与潜力，体现在以下几方面。
动力电池 电动助力单元 逆变器
轮毂电机 逆变器
车载传感器
文献[7]依据车辆横摆速率及纵向速度与驱动电机 转速之间的关系，分别对前两轮驱动、后两轮驱动及四 轮驱动的电子差速进行了比较研究，表明在低速情况 下，无论采取哪种差速系统均能实现电动轮的差速行 驶，且性能无明显差异；而车辆在附着极限工况下行驶
汽车技术
·专题综述· 时，此类以车轮转速为控制目标的电子差速系统很难满 足整车对差速及稳定性的要求。
针对车辆非线性特征，模糊理论与神经网络也被用 于多电机独立驱动的电动汽车的控制中，以提高电动汽 车的操控性和鲁棒性。文献[12]对全轮独立驱动电动 汽车设计了一个多层动力学控制系统，牵引控制层采用 模糊推理实现各电机目标滑移率的调整。模糊控制虽 能一定程度上改善车辆的性能，但模糊规则的建立主要 依赖于经验，其应用受到车辆复杂多变的行驶工况的极 大限制。神经网络用于四轮转向车辆控制中，能够克服 车辆非线性带来的不利影响，提高车辆的稳定性 。 [13,14] 文献[14]针对后两轮独立驱动电动汽车的横向及横摆 运动的耦合进行可逆性分析，在构造车辆质心侧偏角的 神经网络左逆观测器的基础上，设计神经网络联合逆控 制器，实现横摆角速度与质心侧偏角解耦的同时减小电 机输出，提高了整车效率。其不足之处在于神经网络训 练样本的采集与获取受到限制，导致对车辆复杂工况的 适应性差，且实时性略显不足。 4.2 集成控制研究
一类是以车轮转速为控制变量的转速型电子差速
系统，是在 Ackerman 稳态转向模型（图 2）基础上推导出
各驱动轮的转速。
δin Vfin
δout Vfout
lf
Rfin Rf
d
Rfout
CG
O
δout
δ δin Rrin Rr
Rrout
Vrin
Vrout
图 2 Ackerman 转向模型
图 2 中，Vfin、Vfout、Vrin、Vrout 分别为各轮转速；δfin、δfout 为 左、右前轮转向角，且在转向角较小时，δfin=δfout=δ；Rf、Rr 为前、后轴中心处的转向半径；Rfin、Rfout、Rrin、Rrout 分别为 前、后、左、右各轮的转向半径。如文献[4]中根据该模 型推导计算获得了各驱动轮的转速并对其实施控制，实 现了车辆转向时各轮速度的协调。
Key words:Electric vehicles, Multi-motor independent drive, Coordinated control, Reliability
1 前言
面对能源和环境的双重压力和重大需求，电动汽车 已无可争议地成为 21 世纪汽车工业发展的主流方向， 而以多台轮毂电机驱动和线控技术为特征的分布式四 轮独立驱动（4WID）电动汽车也成为电动汽车发展中的 主要方向之一。4WID 电动汽车的 4 台轮毂电机分别置 于各轮毂之内，分别驱动汽车的 4 个车轮，车轮之间没 有机械传动环节。由于各轮的驱动力/制动力均独立可 控，从而为改善电动汽车的动力性、稳定性及安全性提 供了更大的技术支持。
4.1 DYC 的理论与方法 为提高电动车辆安全性及操控稳定性性，最优控
制、模糊控制、滑模变结构等各种控制方度控制结构，将前馈—反馈相结 合，前馈补偿器将车辆的质心侧偏角控制在一个比较小 的范围内，采用线性二次最优获得反馈系数，消除受控 变量的稳态误差。从本质上讲，线性二次最优法属于线 性控制范畴，对于车辆这种具有很强非线性特征且存在 参数不确定的动力学系统来说，鲁棒性不能得到保证。
辅助电源 轮毂电机
控制计算机
图 1 多电机分布式独立驱动结构
a. 轮毂电机直接驱动车轮，省去离合器、变速器、 传动轴等机械环节，减轻了整车质量，提高了传动效率 及能源利用率。
b. 利用各驱动轮转矩响应快速、精确可控的特
������基金项目:国家自然科学基金(51077066，61273154)、教育部博士点基金（20123227110012），江苏高校优势学科建设工程 （苏政办发 2011-6）、江苏大学研究生创新工程（CX10B_014X）资助。
另一类电子差速系统是以控制各驱动轮的附着力 或滑移率相等为目标的转矩型电子差速。文献[8]根据 车辆垂直载荷的变化动态分配各驱动轮的输出力矩，控 制电动汽车两侧驱动车轮的滑移率相等，从而起到电子 差速的作用，以提高电动汽车转向的稳定性。存在的问 题是：小滑移率的实时检测和复杂行驶工况下最优滑移 率的识别均较难实现。另外，这类电子差速系统的研究 与驱动防滑的研究紧密结合，随着研究的深入，此类研 究将逐渐融入车辆主动安全控制技术的研究中。
由于多电机独立驱动电动汽车驱动结构的特殊性 和复杂性，成为限制 4WID 电动汽车发展的瓶颈之一。 若多电机协调控制不当，会出现电动轮间相互拖拽的现 象，不仅增加功率损耗，而且严重时会破坏电动汽车的 稳定性，导致车祸的发生。因此，多电机协调控制的优 劣直接影响车辆的经济性、可靠性、安全性和舒适性[1]。 目前，多电机协调控制的研究主要分为两类，一是实现 各驱动轮在转向行驶时内外轮差速行驶的电子差速[3]研 究；二是以车辆行驶稳定性和操控性为目标的电动汽车 主动安全控制技术研究。
主题词:电动汽车 多电机独立驱动 协调控制 可靠性 中图分类号:U469.72 文献标识码:A 文章编号:1000-3703（2015）10-0001-06
Overview of Multi-motor Independent Drive of Electric Vehicles
Zhang Duo, Liu Guohai, Zhao Wenxiang, Miao Penghu, Ye Hao （Jiangsu University）
方转向盘转角 加速踏板 制动踏板
整车控制层
控制分配层 底层控制层
侧向需求
牵引控制 前轮转向
纵向需求
直接横摆力矩控制 横摆力矩需求
转矩 控制 分配
主动 前轮 转向
四轮 独立 驱动 电机
4WID 电动汽车
路面附着系数
质心侧偏角 状态观测 及故障监测
四轮转速、转矩
车速、横摆角速度、加速度等
图 4 4WID 电动汽车主动安全控制系统结构示意
f 模型 nf 2
TLf
PI PI
虚拟 主电机
f K2
n1 TL1
TL2
f 电动汽车 轮毂电机
n2
图 3 主从式多电机结构的电子差速系统
针对 Ackerman 稳态转向模型中各轮转速的非线 性，也有学者利用神经网络拟合获取当前工况下的各车 轮转速[6]，以提高电动车中低速行驶时的平稳性，但其工 况适应性较差，通用性不强。
·专题综述·
电动汽车多电机独立驱动技术研究综述*
张多 刘国海 赵文祥 缪鹏虎 叶浩
（江苏大学）
【摘要】多电机独立驱动电动汽车是电动汽车发展中的重要方向之一，其多电机驱动系统的协调控制及可靠性问题是 亟待解决的首要问题。针对由多台轮毂电机驱动及线控技术为特征的分布式四轮独立驱动（4WID）电动汽车，介绍了其驱 动系统在电子差速、主动安全控制、多电机转矩协调、容错控制等方面的研究现状，指出了多电机独立驱动电动汽车研究尚 存的问题，并探索了该领域今后的研究方向与趋势。
Perez-Pinal F J 等人[5]采用主从式多电机结构建立 虚拟主电机，将两驱动轮电机作为从电机，跟据稳态转 向模型计算各轮转速并进行闭环控制（图 3），在车辆 受到外部扰动或驱动轮负载变化时，对驱动轮的驱动 力进行预判和调整，提高了电子差速系统的响应速度 和鲁棒性。
