高性能分布式驱动电动汽车关键基础问题研究

项目名称： 高性能分布式驱动电动汽车关键基础问题研究 首席科学家： 余卓平 同济大学 起止年限： 2010.9至2015.9 依托部门： 上海市科委 二、预期目标 3.1 总体目标 本项目以分布式驱动电动汽车的节能与主动安全性能为突破点，建立基于分布式驱动电机特性的轮胎动态模型、车辆多体耦合动力学模型和动力电源—电驱动系统多场耦合动力学模型，构建分布式驱动电动汽车多体多场复杂耦合动力学系统；研究电源与电驱动系统能耗规律、车辆空气/热动力学特性及其能耗规律，提出分布式电源与能量管理系统的分析与设计理论、车身空气动力造型设计及整车结构设计方法与整车热管理方法；探索无非驱动轮工况下车辆关键动力学参数自适应辨识方法；研究复杂耦合系统能耗优化与动力学协调控制理论，创立高性能分布式驱动电动汽车设计与控制的新理论、新方法。 通过该重大基础研究项目的支持，可以培养一支以高性能分布式驱动电动汽车核心技术为研究背景的科研团队，产生一批具有国际影响力的中青年学术专家和具有自我创新能力的高水平骨干人才，提高我国汽车工业的自主研发水平，为我国电动汽车开发提供基础理论支持，推动我国汽车工业的跨越式发展。 3.2 五年预期目标 （1）理论研究成果： ➢ 揭示分布式驱动电机转矩与转速快速变化时的轮胎－路面的瞬态作用机理；揭示分布式驱动型式对电动汽车整车动力学的影响规律及多物理场的耦合作用对分布式驱动电动汽车动力学的影响规律。 ➢ 揭示电源系统在全生命周期和全工作范围内的能量效率变化规律；建立适用于分布式驱动系统的电池状态估计理论模型，提出电池状态估计方法；揭示多样工况条件下不同拓扑结构电源与轮边电驱/制动系统能耗内在规律，提出电源及分布式电驱/制动系统拓扑结构理论及能量管理方法。 ➢ 揭示分布式驱动电动汽车的流场规律、空气阻力形成机理，探索适应于分布式驱动结构的最佳空气动力学汽车外形特征；揭示分布式驱动电动汽车在轮边驱动单元区域的特殊流动及传热规律，探索适应于该区域的特有的气动外型特征和热管理途径。 ➢ 初步建立起高性能分布式驱动电动汽车多源信息融合的车辆状态估计与参数辨识方法及技术体系，并在路面特征参数辨识方法以及车辆行驶状态参数估计的自适应方法方面取得突破。 ➢ 建立适用于分布式电驱动模式的汽车驱动/制动控制的理论，阐明分布式驱动电动汽车能量管理与汽车动力学控制间的作用关系，形成分布式驱动电动汽车复杂耦合系统能量管理与动力学协调控制理论。 （2）技术创新与应用成果： ➢ 建立轮胎高频动态模型及多物理场耦合作用下分布式驱动电动汽车复杂多体系统动力学模型，提出分布式驱动电动汽车复杂耦合动力学建模方法。 ➢ 建立一套用于分布式电驱动系统的电源系统综合设计、优化方法体系，建立不同拓扑结构电源与分布式电驱/制动系统的能耗特性模型，提出分布式电源系统充电及优化的能量管理模式。 ➢ 针对分布式驱动电动汽车结构特征，提出分布式驱动电动汽车的车身设计方法；提出适合分布式驱动电动汽车的高效散热技术和热管理控制策略；阐明系统结构和空气流动特性的关系、空气动力学特性和热能综合利用的关系，形成以空气动力学主导汽车设计的全新汽车设计理论。 ➢ 研发高性能分布式驱动电动车辆动力学参数估计系统，开发通过硬件在环仿真或者实车试验来验证车辆状态估计与参数辨识方法的评价体系。 ➢ 开发分布式驱动电动汽车驱动防滑技术、制动防抱技术、整车稳定性控制技术；实现分布式驱动电动汽车复杂耦合系统动力学协调控制，并加以验证。 在 SCI/EI 收录的国内外著名学术刊物上发表论文 200 篇以上，出版学术专著 1 部以上、申报省部级与国家级奖励 2项以上，申请国家发明专利 14－25 项。培养本领域的拔尖人才以及学术带头人 2－3 人，培养博士、硕士研究生 50 名以上。 三、研究方案 4.1 学术思路 本项目的学术思想是瞄准国家对汽车工业发展的需求，针对高性能分布式驱动电动汽车的技术难点，提出三个基础科学问题，设立五个研究课题。具体思路如下：

➢ 国家重大需求：汽车行业是我国国民经济的支柱产业，在《国家中长期 科学和技术发展规划纲要》和《中国汽车产业振兴规划》中，都将电动 汽车等新能源汽车作为发展的重点。高性能分布式驱动电动汽车在节能、环保和主动安全性具有显著优势，但是相关理论尚不成熟，因而需要通过项目研究，为我国电动汽车开发提供基础理论支持，推动我国汽车工业的跨越式发展，使其在未来激烈的国际竞争中立于不败之地。 ➢ 三个科学问题：根据国家节能减排的要求和目前分布式驱动电动汽车还存 在较大效率提升空间，针对提高分布式驱动电动汽车性能的关键因素，凝练出三个基础科学问题：“分布式驱动电动汽车复杂耦合系统动力学”、“多变环境与工况下分布式驱动电动汽车能耗规律”、“复杂工况下分布式驱动电动汽车耦合系统动力学协调控制机理”。 ➢ 五个研究课题：根据所需解决的科学问题，设置了分布式驱动电动汽车复杂耦合系统动力学特性与建模、分布式驱动电动汽车电源与电驱动系统能耗规律与能量管理、分布式驱动电动汽车空气与热动力学系统能耗规律与优化设计、车辆动力学系统关键状态估计与参数辨识、分布式驱动电动汽车整车耦合系统动力学控制等五个研究课题。 ➢ 研究成果：本项目以分布式驱动电动汽车节能与主动安全性能提高为研究目标，研究成果须在理论、方法、机理、机制等基础研究方面有所突破。同时，还包括各种控制芯片、仿真软件平台和试验平台等实用成果。 4.2 技术路线 本项目研究的技术路线是：建立基于分布式驱动电机特性的轮胎动态模型、路面—轮胎—悬架—车身多体耦合动力学模型和动力电源—电驱动系统多场耦合动力学模型，以此为基础建立分布式驱动电动汽车多体多场复杂耦合动力学

模型；以提高能量利用率为目标，根据分布式驱动的使用环境和工况，研究电

源系统的能量效率特性，分析分布式驱动/制动系统的能耗规律，研究分布式驱动电动汽车拓扑结构及能量管理优化方法；研究分布式驱动电动汽车的空气动力学及流场特性，探索空气动力/热动力能量消耗规律，优化分布式驱动电动汽车车身空气动力设计及热管理流场设计；利用分布式驱动电动汽车多源信息特征，设计在变参数和复杂工况下的高精度、实时车辆关键状态估计和参数辨识方

法；研究分布式驱动电动汽车独特的驱/制动动力学和防滑、防抱稳定性控制，探索分布式驱动电动汽车的整车动力学稳定与节能协调控制方法。 具体的技术途径见图 1， 轮边驱动电动汽车复杂耦合动力学模型电源与电驱动系统拓扑结构优化

空气动力学特性与与热动力耗散规律

电源系统能量管理整车动力系

统热管理

车辆动力学系统关键状态估计与参数辨识

路面附着系数

车

速

质心侧

偏

角

能量传递、转换与耗散链路各耦合系统作用机制

动力链路各耦合系统作用机制

复杂耦合系统动力学最优节能协调控制理论复杂耦合系统动力学稳定性协调控制理论

复杂耦合系统动力学与能量耦合作用机制与控制

横摆角

速

度

驱动状态下电驱动系统能耗规律内流场规律外流场规律制动状态下电驱动系统能耗规律

分布式电源系统能耗规律

仿真技术试验技术

动力学、热力学、电化学及控制理论

图 1 技术方案框图 4.3 特色与创新 特色： 项目设置特色：项目所针对的汽车工业是我国装备制造业的龙头产业、国民经济的重要支柱。在国际汽车工业面临的节能减排严峻挑战的形势下, 项目设置紧密结合我国能源安全、自主创新和可持续发展战略的国家需求，力求抓住新一代电动汽车技术发展的历史机遇，拟解决高性能分布式驱动电动汽车的关键基础理论问题, 占据汽车技术发展的制高点, 为实现我国汽车产业的跨越式和可持续自主发展提供科学支撑。 技术路线特色：技术路线从分布式驱动电动汽车的系统动力学特性与能耗特性入手，建立该复杂耦合系统的动力学理论，揭示该多场系统的能量耗散机理，在此基础上，进一步提出能耗优化的动力学协调控制理论与极限工况下车辆动力学稳定性协调控制理论。采用理论研究、计算机仿真和试验研究相结合。理论研究揭示系统本质，计算机仿真在理论研究基础上对理论进行修正，试验研究结合实际验证理论研究结果准确性，并最终形成实际应用成果。 研究内容特色：项目研究内容围绕汽车节能与安全两大目标，针对开发电动汽车面临的系统复杂性问题、环境与工况的多样性问题，综合归纳到分布式驱动电动汽车复杂耦合系统动力学、多变环境与工况下分布式驱动电动汽车能耗规律与复杂工况下分布式驱动电动汽车耦合系统动力学协调控制机理这三大研究内容。三大研究内容层层递进环环相扣，最终形成高性能分布式驱动电动汽车的基础理论，为电动汽车发展提供有力支撑。 创新： 理论创新：建立分布式驱动电动汽车的复杂耦合系统动力学模型；提出能量管理、整车结构和外形的设计理论；复杂耦合系统能量管理与动力学协调控制理论，创立高性能分布式驱动电动汽车设计与控制的新理论、新方法。 方法创新：本项目以理论研究、试验研究和应用研究为基本研究手段，研究