下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
i-EFV作为一种融合ITS与清洁能源系统，利用车辆结构优化设计、车辆及环境信息融合识别以及多目标多系统协同控制等技术，实现最优综合性能的新概念车辆，其研究内涵广泛，涉及机械设计、数据处理以及优化控制等多方面的理论，也涉及智能混合动力汽车（intelligent-Hybrid Electric Vehicle, i-HEV）与智能纯电动汽车（intelligent-Battery Electric Vehicle, i-BEV）等不同车型产品在不同领域的广泛应用。
混合动力汽车能够提高车辆燃油经济性、降低排放性，在一定程度上解决当前能源与环境的问题，已逐渐进入产业化阶段。然而，目前混合动力汽车缺少有效的交通信息识别，仅基于当前车辆状态进行能量管理与分配，较难实现全工况下系统燃油经济性的优化。另一方面，综合车辆主动安全性与驾驶舒适性的混合动力系统智能主动安全控制技术有待进一步研究。基于以上混合动力汽车存在的问题，提出融合混合动力系统与ITS各自优势与特点，设计智能混合动力汽车（i-HEV），以实现安全、舒适、节能与环保的车辆综合性能。
相比常规智能汽车，i-HEV的特征在于：整车具有传统内燃机与电机电池动力组两个独立工作而又相互联系的动力系统；发动机、电机通过CAN总线进行转矩直接控制。因此，智能混合动力汽车更容易实现车辆的驾驶辅助控制，而不用单独设计加速踏板、制动踏板等底层控制器与执行器 [9] 。相比常规智能汽车与传统混合动力汽车，i-HEV具有更安全、更经济的特点，主要体现在以下两方面：与常规智能汽车相比，i-HEV融合混合驱动系统的快速响应、精确可控等特点，可以进一步提高整车驱动、制动响应速度，提高整车安全性，尤其是紧急制动下的安全性；与传统混合动力汽车相比，i-HEV在综合实现车辆主动安全控制的同时，依靠识别的交通环境信息，优化动力系统能量分配策略，可进一步提高整车燃油经济性。
相比常规汽车，i-HEV集成了发动机与电机电池耦合的多能源动力系统，其优势主要体现在纵向运动过程中的燃油经济性与动力性方面，故本书主要研究i-HEV纵向运动控制所涉及的关键技术。设计的i-HEV系统整体结构如图1.7所示，其主要包含智能信息交互、混合动力与电控化底盘等三大系统。其中，智能信息交互系统用于识别车辆运动状态、车间运动状态以及交通道路环境等信息，包含雷达、摄像头、GPS、GIS以及DSRC车-路通信模块等。混合动力系统用于提供车辆运动所需动力，包含发动机、驱动电机、发电机以及5档自动变速器（AMT），发动机通过离合器与AMT连接，驱动电机布置在变速器后端，发电机通过传动带与发动机连接，系统可以工作在发动机单独工作、发动机驱动同时发电、发动机与驱动电机联合驱动、电机单独驱动等不同工作模式之下。电控化底盘在纵向运动控制中主要包含电子真空助力（Electronic Vacuum Booster, EVB）液压制动系统以及电机制动能量回收系统，将根据总需求制动力矩进行分配 [10] 。
图1.7 智能混合动力汽车系统结构
不同驾驶模式均要求对驱动、制动系统进行实时控制，基于线控系统特点，提出双CAN结构的i-HEV执行及控制系统架构，如图1.8所示。
基于双CAN网络通信结构，将i-HEV分为动力系统子CAN网以及传感系统子CAN网。其中动力系统子CAN网包含发动机、电机、液压制动、AMT及其相关的动力系统节点；传感系统包含雷达、摄像头、GPS/GIS、DSRC车-路通信以及包含横摆角速度、侧向加速度、纵向加速度、转向盘转角及部件的传感器节点。
i-HEV各系统部件采用分布式分层执行与集总控制结构，整车功能依靠三层协调工作实现。上层为多系统协调整车控制器，用于根据驾驶员操作、行驶环境以及车辆当前状态，制定最优控制命令。中层为分布式执行系统控制器，执行部件包含发动机执行部件、电机执行部件、液压制动执行部件以及AMT执行部件，执行系统控制器统一接受来自CAN总线控制指令，驱动执行系统动作。下层为各系统执行部件，采用统一接口定义，根据中层控制器指令进行相应操作。
图1.8 i-HEV“集总-分布式”双CAN系统拓扑结构
为实现i-HEV综合的安全、经济与舒适的车辆性能，基于i-HEV系统功能，分为以下3大子系统：考虑安全、经济与舒适多目标协调的i-HEV自适应巡航控制系统；基于实时交通环境信息的i-HEV整车控制系统；基于发动机、电机与液压制动多系统协调的车辆稳定性控制系统。
（1）考虑安全、经济与舒适多目标协调的i-HEV自适应巡航控制系统
对于i-HEV系统，其复合的动力系统为经济性的优化提供了足够的空间，融合巡航控制过程中车辆驱动/制动功率与多能源动力的能量分配的协同优化，i-HEV自适应巡航控制可获取更优的系统安全、经济与舒适的综合性能。重点研究的内容包括：基于雷达、摄像头多传感器融合的前车运动识别算法；考虑系统非线性动力学与车间动力学耦合特性的i-HEV自适应巡航广义纵向动力学建模；混合动力系统电池等效燃油消耗特性估算；考虑安全、经济与舒适多目标协调的i-HEV自适应巡航性能指标设计；i-HEV自适应巡航多目标、多能源系统协调的非线性控制算法设计。
（2）基于实时交通环境信息的i-HEV整车控制系统
基于实时的交通环境信息，可对i-HEV混合动力系统进行优化的能量分配，提高整车燃油经济性。重点研究的内容包括：基于雷达、摄像头、GPS/GIS及车载传感系统等多信息融合的交通运行工况与前车运动特征识别；基于局部车间相对运动信息与全局交通工况特征信息的i-HEV混合动力系统能量优化分配算法；混合动力系统发动机、电机、AMT与液压制动模式切换的多系统动态协调控制算法。
（3）基于发动机、电机与液压制动多系统协调的车辆稳定性控制系统
由于电机驱动系统具有响应快速、准确等特点，基于发动机、电机与液压制动多系统协调工作的车辆稳定性控制系统，能够提高车辆失稳情况下系统的控制效果，进一步优化车辆行驶稳定性。重点研究的内容包括：基于发动机、电机与液压制动的i-HEV驱动防滑控制系统；基于发动机、电机与液压制动的i-HEV制动防抱死控制系统；基于发动机、电机与液压制动的i-HEV车辆电子稳定性控制系统。
纯电动汽车直接利用电池存储的电能驱动车辆，具有零燃油消耗与零排放的特点，在清洁发电技术日益成熟的时代，已成为下一代汽车的发展趋势。事实上，由于纯电动汽车采用电机进行驱动，其动力系统具有响应速度快、精度高、噪声低等特点，对于四轮独立电驱动车辆，更具有多轮驱、制动力独立可控的优势，这为车辆提供了获取更加优异的加速性、操纵稳定性以及舒适性的潜在可能。目前，纯电动汽车的发展存在以下几个挑战：电池能量密度低，电池重量占整车质量比重较大，迫切要求纯电动汽车进行轻量化，进而使得整车安全性降低；由于电池存储容量有限，车辆行驶过程中迫切要求系统对于电池荷电状态、车辆行驶路径及车辆充电路径进行监控与规划，实现车辆行驶过程中优化的经济性与可持续性。
另一方面，将纯电动汽车的运动抽象为流动的能量点，交通系统内大规模的能量流与电力系统的供给能量流相互作用、相互影响，构成了密不可分的一个能量供给的整体。相比常规内燃机汽车，纯电动汽车的最大特点是车辆的运动不仅涉及车辆自身的控制问题，由此产生的大规模的电能流动对相应的电网的配送、电网运行安全与运行效率都将产生严重的影响。
综上所述，要实现大规模纯电动汽车安全、经济、舒适与可持续的行驶，必须从车辆集群、ITS系统与电网系统整体的角度，对纯电动汽车行驶全过程进行综合管理与优化控制。基于此思想，提出基于车-路-网交互的智能纯电动汽车（i-BEV）。i-BEV是融合大规模电动汽车集群、ITS系统与电网系统，基于电网能量流与交通网能量流的时空分布及信息交互、协同电力系统能量调度，优化控制电动车辆智能驾驶，最终实现大规模电动汽车集群的安全、经济、舒适与可持续运行的系统。从以上对于i-BEV的定义可以看出，i-BEV不仅包含车辆自身的控制，同时也要求从交通系统和电网系统电力管理协同的角度进行电动汽车的智能控制，这是纯电动汽车大规模应用后所带来的新的需求与挑战。
为对i-BEV涉及的关键技术进行全面的探索和研究，基于四轮独立电驱动结构，设计出i-BEV总体结构如图1.9所示。其中，i-BEV智能信息交互系统由包含雷达、摄像头的车载环境感知系统、GPS/GIS交通道路感知系统以及基于DSRC的车-路通信系统组成。通过车-路通信系统，行驶中的i-BEV集群、ITS中心以及电网调度中心构成了交互协同的一体化系统。清洁能源动力系统由高压电池组以及由四轮独立驱动电机组成的分布式电驱动系统构成。电控化底盘系统主要由电控液压制动（Electro-Hydraulic Brake, EHB）系统以及用于制动的电机系统构成。智能信息交互系统、电机控制器、高压电池组、液压制动系统（EHB）以及整车控制器通过CAN总线进行通信。
图1.9 智能纯电动汽车系统结构
图1.9所示的i-BEV系统具有如下特点：电机驱动/制动系统结构共用，且具有响应快速、精确，四轮独立可控的特点；搭载全面的环境识别传感器与通信系统，能够实时获取交通环境以及局部行车环境信息。从系统控制功能的角度划分，i-BEV综合控制主要包含三大系统：基于行车环境识别的i-BEV驾驶辅助系统；基于分布式电动化底盘的i-BEV主动安全控制系统；基于大规模电动汽车集群、ITS交通网与智能电网等多网融合的综合管理与控制系统。
（1）基于行车环境识别的i-BEV驾驶辅助系统
i-BEV驾驶辅助系统主要包含纵向驾驶辅助与横向驾驶辅助。
1）i-BEV纵向驾驶辅助系统。基于分布式电驱动底盘系统响应特性及驱动系统动力分布特性，综合考虑电动汽车纵向跟踪性、系统经济性以及驾驶舒适性，设计电动汽车协调式低速起-停控制、高速巡航控制以及自适应巡航控制系统。重点研究内容包括：基于纵向跟踪性、系统经济性以及驾驶舒适性的车辆期望加速度制定方法；基于分布式电驱动特性的车速跟踪动力学控制方法；电动汽车低速起-停、高速巡航及自适应巡航等多模式切换原理与方法。
2）i-BEV横向驾驶辅助系统。基于智能信息交互系统多源信息融合，识别车辆与车道线位置，当车辆偏离目标车道时，向驾驶员提出预警；危险持续，协调控制前轮线控转向系统与分布式驱动系统，主动纠正驾驶员操作，保持车辆在车道内运动。重点研究内容包括：基于多源信息融合的车道线与车辆车道内位置识别方法；基于电动车动力学特性的车道偏离预警及主动干预模式切换特性；基于前轮线控转向及直接横摆力矩控制的分布式电驱动系统协调的车道保持控制方法。
（2）基于分布式电动化底盘的i-BEV主动安全控制系统
综合ITS智能主动安全控制、车辆动力学稳定性控制以及电动汽车高压安全控制，i-BEV主动安全控制系统主要分为整车高压安全主动控制、纵向紧急防撞与综合“人-车-路”预期安全状态的主动控制等。
1）基于“人-车-路”状态信息的电池高压安全主动控制系统。基于智能信息交互系统获取的车-车、车-路相对运动信息以及高压电池组状态信息，识别及预测车辆高压安全及碰撞风险，控制高压电池组与整车各动力部件，实现预期车辆碰撞与电池高压故障状态的车内高压安全控制。重点研究内容包括：高压电池绝缘、漏电等安全状态监测方法；基于车-行人、车-车、车-路相对运动信息的车辆碰撞安全状态识别及预测方法；基于车辆预期碰撞安全状态与高压安全状态的电池组、分布式电驱动系统协调的车辆主动安全控制。
2）基于分布式驱动电动化底盘的纵向防撞系统。基于车辆前后方物体及车辆相对运动信息，识别车辆碰撞危险，向驾驶员提出预警并控制驱动、制动系统，防止车与车、车与障碍物和倒车碰撞。重点研究内容包括：驾驶员纵向驾驶行为特征识别，包含纵向距离与纵向相对速度安全裕度；不同安全等级下预警及车辆干预措施以及驾驶员接受程度；紧急制动下，基于稳定性的电机与制动系统协调控制算法。
3）基于预期安全状态的车辆底盘一体化安全控制系统。基于前车运动状态、前方道路曲率、路面附着系数、车速、加速度、横摆角速度等车辆状态与行驶环境信息，预测未来车辆运动轨迹，预期车辆运动安全状态，并在出现危险状况时控制车辆驱动/制动/转向系统，实现车辆一段时间内的纵向和横向的行驶安全。重点研究内容包括：基于GPS、雷达、机器视觉与车载传感系统等多传感器信息融合的车辆状态与行车环境识别算法；基于车辆状态与驾驶员操作的车辆预期运动轨迹与安全状态监测方法；基于车辆预期安全状态的车辆运动目标优化计算；基于分布式电驱动底盘、线控转向与液压制动等多系统底盘一体化协调控制算法。
（3）基于大规模电动汽车集群、ITS交通网与智能电网等多网融合的综合管理与控制系统
随着电动汽车的大规模运行，所带来的充电需求将对电网的运行负荷、运行安全以及运行效率产生较大的影响。因此，需要将大规模电动汽车集群、ITS交通网与智能电网视为一个有机的整体，基于系统综合优化理论，进行大规模电动汽车集群、ITS交通网与智能电网的综合优化管理与实时控制。从车辆系统调度及动力学控制的角度，主要包含：车辆-路网-电网智能交互的一体化通信平台及信息交互系统设计；基于车辆-路网-电网信息交互的电动汽车充电管理系统设计。
1）车辆-路网-电网智能交互的一体化通信平台及信息交互系统设计。建立标准、可靠与柔性的车辆、路网与电网的通信平台，实现车辆、路网以及智能电网实时、快速与可靠的信息交互。重点研究内容包括：电动汽车与ITS系统、电网、充电站的一体化通信方式，各组成部分通信接口及协议标准；考虑信息冗余、信息传输安全的电动车辆、电网、ITS多源信息融合方法；基于人机交互的电动汽车车载智能综合信息管理系统。
2）基于车辆-路网-电网信息交互的电动汽车充电管理系统设计。通过实时车辆-路网-电网交互信息，实现ITS中心对大规模电动车辆行驶状态远程监控、管理和充电引导。重点研究内容包括：电动车辆行驶安全状态远程监测及预警技术；基于实时交通运行特征的电动汽车剩余里程估算；基于大规模电动汽车运行的能量流动及充电需求估算；考虑车辆可持续运行、电网安全以及交通效率的电动汽车充电引导。