机械工程学报

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序言

机械工程学报. 2019, 55(22): 1-4. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.001

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电动汽车用高性能直驱轮毂电机研制

应红亮, 黄苏融, 张琪, 郑阳, 李振

机械工程学报. 2019, 55(22): 5-10. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.005

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直驱轮毂电机因其作为分布式驱动电动汽车一种动力构型的诸多优点而广受关注。然而轮毂电机技术要求高，且多物理域深度强耦合，设计及制造难度大，我国尚无比肩国际的高性能轮毂电机标杆产品。对标国际一流产品，提出采用机、电、热、磁多物理域联合设计的方法应用于直驱轮毂电机的设计，结合拼块铁心工艺、一体注塑混合绝缘骨架技术、精密排绕线技术、高导热灌封胶及一体化灌封工艺、轻量化结构等先进制造工艺技术研制了一款高性能直驱轮毂电机。该电机的转矩密度和功率密度分别达到了21.3 N·m/kg和2.2 kW/kg，基本接近国际一流水平，验证了所提方法及相关技术的有效性。

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面向机动性与操纵稳定性的轮边集成底盘系统设计

田萌健, 李伟锋, 孟德乐, 庞博, 庄晔, 高炳钊, 陈虹

机械工程学报. 2019, 55(22): 11-20. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.011

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配备独立转向系统的分布式驱动电动汽车在底盘动力学控制及机动性能方面具有突出的优势，然而悬架几何运动学特性与车轮大转向角之间的矛盾使得常规悬架系统结构已经无法满足分布式驱动电动汽车操纵稳定性与高机动性的双重需求。论文提出轮边集成底盘系统新型悬架结构方案，对悬架系统进行刚度、几何运动学以及零部件结构设计，并为其匹配转向系统和轮内驱动系统。通过运动干涉检查验证轮边集成底盘系统能够满足高机动性需求。对照常规双横臂悬架，考察了新型悬架的几何运动学特性与整车的侧向动力学特性，仿真验证了轮边集成底盘系统能够满足操纵稳定性需求。

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汽车分层耦合电驱动构型、参数匹配与能效分析

陈仙宝, 舒红宇, 宋义彤, 张富森

机械工程学报. 2019, 55(22): 21-32. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.021

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提出一种由上层的前后轴转矩耦合与下层的电动轮内双子电机转速耦合构成的新型汽车分层耦合电驱动方案，以实现整车在较宽的转矩和车速范围内保持高效驱动。详细阐述该分层耦合电驱动的构型及其工作模式；以动力性指标和循环工况为基础，对整车峰值/常规动力需求进行统计分析，继而确定了分层耦合电驱动系统的峰值/额定工作特性；基于能量效率最优的模式切换策略，获得了分层耦合电驱动的整车等效MAP特性；对比分析分层耦合电驱动与传统单电机减速轮毂驱动的整车能效特性。结果表明，新型的汽车分层耦合电驱动方案能有效地拓宽整车高效运行区间，实现在更宽的转矩-车速范围内高效（宽域高效）驱动，明显地提升了整车经济性。

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基于Preisach模型的永磁同步轮毂电机损耗及温度场建模与分析

张立军, 徐杰, 孟德建

机械工程学报. 2019, 55(22): 33-40,51. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.033

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针对永磁同步轮毂电机运行过程中发热明显，严重影响永磁体性能和电机寿命的问题。开展电机铁心材料磁滞特性试验，测试一维磁化条件下的磁滞回线，考虑不同磁场强度和磁场高频特性对磁滞特性的影响。考虑到经典Preisach理论无法解释磁场频率过高的现象，基于对称小回环（Symmetric minor loops， SML）的密度函数离散化方法建立高频磁场强度变化的磁滞特性模型，通过与试验结果的对比发现该方法预测结果准确，对于在不同频率下的磁化特性有很好的模拟效果。根据铁心损耗的影响因素分析，提出考虑旋转磁化影响、磁密谐波影响的铁心损耗旋-交系数计算铁心损耗。最后建立电机三维温度场模型，仿真计算不同工况下各个部件的温升情况及危险点，并在试验台上进行电机温升试验，与仿真结果进行对比验证。仿真结果电机温度最大值为73.2℃，试验最高温度为72.6℃，证明电机损耗计算以及温度场仿真的准确性。研究结果表明，考虑磁场强度和磁场频率对铁心磁化特性的影响，能有效改善电机电磁计算中的缺陷，提高电机电磁场、损耗及温度预测的准确性。

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轮毂直驱电动车轮胎刚度及滚阻匹配研究

朱成伟, 陈强, 庄晔, 高学亮, 高炳钊, 田萌健

机械工程学报. 2019, 55(22): 41-51. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.041

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研究轮毂直驱电动车轮胎垂向刚度与滚阻特性相匹配问题，揭示轮毂直驱电动汽车非簧载质量负效应产生机理，提出利用胎压改变轮胎垂向刚度进而改善悬架特性的方法。设计出四组不同胎压的轮胎垂向刚度试验，并将轮胎实际垂向刚度应用到悬架特性分析上。结果表明，通过调节轮胎垂向刚度改变了悬架特性的二阶共振频率使其远离人体敏感振动频率，并在一定程度上抑制其振动幅值。为解决轮毂直驱电动汽车轮胎刚度与滚阻特性匹配问题，研究胎压对轮胎滚阻特性和能量损耗的影响，并对四组胎压的轮胎进行滚阻特性及滞回特性试验。试验结果表明，胎压对轮胎滚动阻力有很大影响，胎压升高，轮胎滚动阻力系数和能量损耗变小。进一步表明，胎压与轮胎滚阻系数的关系及能量损耗的关系两者之间基本是一致的，揭示了轮胎滚动阻力产生机理。因此，利用胎压调节轮胎垂向刚度抑制了电动汽车非簧载质量负效应，兼顾了胎压对轮胎滚阻及能耗的影响，实现了轮胎垂向刚度与滚阻特性的匹配，为轮胎与悬架的相互作用机理提供了理论依据。

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轮毂电机无位置传感器控制注入高频信号非线性分析与补偿

唐辉, 殷德军, 张楠, 张金龙

机械工程学报. 2019, 55(22): 52-59. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.052

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轮毂电机受电动汽车复杂的运行工况影响，使用位置传感器会存在降低系统可靠性和安全性的风险。为此，该文针对无位置传感器旋转高频电压注入法进行研究。传统的高频注入法需要对理想注入电压进行积分以获取高频响应电流表达式，并从响应电流负序分量中提取转子位置信息。研究发现，由于系统受载波频率的限制，实际高频注入电压为非线性信号且与理想注入电压存在偏差，从而产生较大的估计误差和系统振荡。针对这一问题，该文提出一种新的位置角提取方法。通过提前注入信号相位以增大注入电压重合度，并根据三相电压模型，结合载波周期从连续两次高频响应电流的差值中提取转子位置信息。取代了传统的直接积分方法，有效提高了位置角跟踪精度及系统动态性能。理论分析与试验结果表明，该方法具有更好的启动性能和可靠性。

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分布式电驱动车辆状态感知与控制研究综述

徐坤, 骆媛媛, 杨影, 徐国卿

机械工程学报. 2019, 55(22): 60-79. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.060

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分布式电驱动车辆转矩响应快、全轮独立可控、制动能量可回收且可大幅度提升整车能效，对增强车辆安全性、操纵稳定性和运行节能性具有重要的意义。但须研究解决过驱动系统复杂性、非线性耦合、轮路接触非线性和不确定性等核心问题，这依赖于研究先进的状态感知和控制方法。从控制和状态感知的角度，基于功能目标对现有研究进行分类，综述分布式电驱动车辆的最新研究进展。状态感知为控制系统提供准确、可靠、快速的运动状态反馈信号，但面临车速估计难、传统检测方法带宽受限、复杂未知路面影响等挑战。控制系统首要目标是车辆安全稳定性，进而提升整车能效，并可通过多目标优化拓展其他复合功能，但面临多目标耦合干涉、异构多尺度执行系统同步协调、附着条件未知不确定、在线实时计算与全工况测试等关键挑战。充分利用分布式电驱动系统机电信号测量准确、简便、带宽高的优势，协同利用智能车体系的多源异构传感信息，是状态感知技术发展的重要思路；进一步挖掘分布式电驱动转矩响应快、全轮电制动能量回馈等优势，突破复杂、全工况、不确定条件下的多目标优化控制方法，是解决控制系统所面临挑战的重要思路。

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四轮独立驱动汽车多工况路面附着系数识别研究

平先尧, 李亮, 程硕, 王恒阳

机械工程学报. 2019, 55(22): 80-92. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.080

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四轮独立驱动（Four-wheel independent drive， 4WID）电动汽车具有较好的动力学稳定性协调控制潜力，轮胎-路面附着系数的识别是汽车操纵性能控制的基础。基于视觉传感器的路面识别方案成本高，传统卡尔曼滤波算法观测精度低且难以适应含有时变结构的非线性系统。众多研究已详细介绍均一路面附着系数的估计方法，尚未充分考虑对接和对开路面的观测方案。本研究将强跟踪理论（Strong tracking theory， STT）引入无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman filter， UKF）算法，构造强跟踪无迹卡尔曼滤波（Strong tracking unscented Kalman filter， STUKF）观测器，提高识别算法的识别精度，以及对时变附着系数的适应能力。考虑多重渐消因子计算过程的复杂性，本研究降低四轮路面识别模型的维数，构造两个含单重渐消因子矩阵的二维观测器，实时观测四个轮胎-路面附着系数。仿真和试验结果表明，与传统四维UKF算法相比，改进的并联STUKF算法能够更加有效地追踪转向或直行工况下均一路面、对接路面和对开路面的四轮附着系数。

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分布式驱动电动汽车双无迹卡尔曼滤波状态参数联合观测

金贤建, 杨俊朋, 殷国栋, 王金湘, 陈南, 卢彦博

机械工程学报. 2019, 55(22): 93-102. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.093

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为实时观测分布式驱动电动汽车行驶过程中的车身质心侧偏角等状态及车辆惯性参数如车辆质量、横摆转动惯量等信息，针对车辆惯性参数估计易敏感于载荷参数变化的挑战，发展面向载荷参数不确定（乘客或货物加载）的纵向、侧向、横摆运动的四轮车辆非线性动力学系统估计模型，在融合轮毂转矩等车载多传感器信息的基础上，将能适应强非线性系统的无迹卡尔曼滤波引入到车辆惯性参数估计中，设计车辆并联双无迹卡尔曼滤波状态参数联合观测系统，其中一个无迹卡尔曼滤波器观测车辆速度、车身质心侧偏角等状态，而另一个无迹卡尔曼滤波器观测车辆惯性参数。在CarSim/Matlab高保真环境中使用双移线、正弦工况对观测器在不同的载荷加载条件的可行性和有效性进行仿真验证，结果表明：该观测系统能实时观测车辆运行的状态及车辆惯性参数，即使在重载荷加载条件下仍具有较高的观测精度。

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基于NACKF的分布式驱动电动汽车轮胎侧向力与质心侧偏角估计

汪, 殷国栋, 耿可可, 董昊轩, 卢彦博, 张凤娇

机械工程学报. 2019, 55(22): 103-112. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.103

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针对传统容积卡尔曼滤波算法在进行车辆关键状态估计时要求噪声统计特性已知的问题，提出一种噪声自适应容积卡尔曼滤波（Noise adaptive cubature Kalman filter， NACKF）算法来进行车辆关键状态的估计。基于次优无偏极大后验估计器对量测噪声协方差进行实时更新并将其嵌入到标准容积卡尔曼算法中实现自适应容积卡尔曼滤波。针对车辆不同子系统间耦合特性对滤波精度的影响，构建双重自适应容积卡尔曼滤波器分别进行侧向力与质心侧偏角的估计，两者在估计过程中互为输入构成闭环反馈，利用分布式模块化结构弱化系统耦合特性对估计精度的影响，实现轮胎侧向力与质心侧偏角的实时准确估计。利用Simulink-Carsim联合仿真平台进行仿真验证和实车试验验证。结果表明，基于双重自适应容积卡尔曼滤波的估计算法相对标准容积卡尔曼滤波估计精度更高，较好地改善了传统容积卡尔曼滤波器在噪声先验统计特性未知条件下非线性滤波精度下降的问题。

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复杂动态路面的电动轮附着状态识别与稳定控制策略研究

徐国卿, 王玉琴, 杨影, 徐坤

机械工程学报. 2019, 55(22): 113-122. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.113

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复杂动态路面条件下的轮胎-路面附着稳定性识别与控制对电驱动车辆的安全行驶具有重要意义，但目前仍缺少有效的分析和判定方法。针对复杂动态路面切换的情形，从驱动力-附着力传递特性的角度，分析了路面切换过程中力传递因子的动态行为，提出了基于力传递因子的附着状态识别方法，分析讨论了路面切换后的车辆稳定控制策略。基于CarSim联合仿真对比验证了基于电气参数的力传递因子估计方法的正确性与有效性，结果表明利用力传递因子可以检测出路面附着特性的变化；采用降转矩稳定性控制策略，提高了车辆在路面附着特性变化时的附着稳定性。研究结果对提升电动车辆在复杂路面附着情形的安全性具有重要意义。

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双电机后驱车辆操纵稳定性分层混杂模型预测控制

林程, 曹放, 梁晟, 高翔, 董爱道

机械工程学报. 2019, 55(22): 123-130. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.123

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为改善车辆在复杂工况下的操纵稳定性，解决低附着路面易失稳的问题，针对后驱双电机轮边驱动电动汽车提出一种结合直接横摆控制与主动转向控制的操纵稳定性控制策略。控制策略采用分层控制结构：上层控制器采用多输入多输出系统的模型预测控制，对目标附加横摆力矩与前轮主动转向角进行求解；下层转矩分配控制器采用混杂模型预测控制（hMPC），将轮胎纵向力的非线性特征简化为分段的混杂系统，在分配驱动转矩时考虑车轮在不同工况下的滑转情况。搭建了基于dSPACE实时仿真系统的仿真平台，在高附着、低附着路面下进行半实物仿真试验。仿真结果表明，与二次规划（QP）转矩分配算法相比，高附着路面工况下平均相对误差减小了17.64%，方均根误差减小了42.86%，最大偏离误差相对减少了7.64%；低附着路面工况下可以有效防止车辆失稳，改善操纵稳定性。

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分布式电驱动车辆线控转向系统MFAC主动容错控制

罗禹贡, 陈锐, 胡云

机械工程学报. 2019, 55(22): 131-139. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.131

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为解决分布式电驱动车辆线控转向系统容错控制大多需要故障诊断与隔离模块，以及过于依赖精确车辆动力学模型问题，提出基于多输入多输出无模型自适应线控容错控制方法。通过分析车辆3自由度模型确定无模型自适应控制的输入输出关系，建立面向线控转向系统的多输入多输出无模型自适应主动容错控制器（Multi-input multi-output model free adaptive control， MIMO-MFAC）并进行求解，并通过理论推导证明了控制器单调收敛。在此基础上基于Matlab/Simulink和CarSim对该容错控制方法进行了仿真验证，仿真结果表明当转向系统发生故障时，容错控制方法能协同驱动系统产生额外的横摆力矩进行补偿，保证车辆既能维持期望车速也不偏离既定轨迹行驶。最后，通过驾驶模拟器试验验证了该容错控制算法的实时性。

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DCT变速四驱HEV混动至纯电动模式切换优化控制

赵治国, 倪润宇, 姜斯文, 雷丹

机械工程学报. 2019, 55(22): 140-152. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.140

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双离合自动变速器（Dual clutch transmission，DCT）变速四轮分布式驱动混合动力汽车（Hybrid electric vehicle，HEV）直线行驶非紧急制动停车时，车辆常由发动机参与的前轮混合驱动模式切换至后轮轮毂电机纯电驱动模式，以提高整车能量转化效率。但该模式切换过程伴随着驱动转矩的前后轴转换和轴荷的前后转移，既涉及多动力源的转矩协调控制，也与车辆纵向动力学状态有关。若控制不当，常引起较大的车辆纵向冲击。针对DCT变速四驱HEV直线行驶工况混合动力至纯电动模式切换过程，基于5自由度车辆纵向动力学模型，利用ISG电机和轮毂电机转矩/转速快速响应的优势以补偿发动机转矩响应滞后以及离合器转矩波动，提出并开发了动力前后端多阶段切换过程模型预测优化控制策略。离线仿真及硬件在环试验结果表明，所开发的直线行驶工况模式切换模型预测控制策略不仅能较柔顺地完成动力由前轴向后轴的平滑过渡，将整车纵向冲击度限制在5 m/s³以内，而且也对整车参数摄动和传感器量测噪声具有较好的鲁棒抑制作用。

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轮毂电机驱动汽车侧向稳定性底盘协同控制

张利鹏, 任晨辉, 李韶华

机械工程学报. 2019, 55(22): 153-164. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.153

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轮毂电机驱动汽车可以通过差动驱动抑制车辆横摆和侧倾运动，从而提高车辆侧向稳定性，但受轮毂电机力矩和地面附着力约束的限制，作用效果薄弱。为提升车辆侧向稳定性控制效果，提出综合差动驱动、主动转向和主动悬架的车身横摆与侧倾稳定性底盘协同控制方法。根据轮毂电机驱动汽车特点，对其侧向失稳机理进行分析，基于模型预测控制设计前轮主动转向控制器；利用所提出的变系数指数趋近率求解期望横摆控制力矩，基于最优控制算法计算侧倾控制力矩；最后，构建集成差动驱动、主动转向和主动悬架的侧向稳定性控制器并完成整车侧向稳定性协同控制仿真验证。研究表明，所提出的底盘协同侧向稳定性控制方法可以有效控制车辆的横摆和侧倾运动，使其收敛于理想控制域，为轮毂电机驱动车辆的主动安全性控制提供了理论支持。

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线控转向系统的前轮转角跟踪策略研究

罗建南, 朱光钰, 杨浩瀚, 喻凡, 陈俐

机械工程学报. 2019, 55(22): 165-173. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.165

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研究通过对线控转向系统进行主动控制，可靠并准确地得到期望的前轮转角。基于建立的线控转向系统数学模型，使用非线性自回归模型确定其系统参数，设计内模控制器跟踪车辆的期望运动状态。通过开环和闭环试验，对控制器在典型的驾驶工况下的有效性进行了验证。通过与PID控制器的结果对比，证明所设计的内模控制器能提供更好的控制性能。为减少驾驶员的操纵负担并确保车辆在不同行驶条件下的稳定性，根据不同工况下的测试结果提出基于增益不变的变角传动比控制策略，并设计了滑模控制器跟踪期望横摆角以实现主动转向。通过对内模和滑模控制器的联合仿真结果表明，所设计的控制器可实现期望横摆角度的精确跟踪，显著提高车辆的操纵灵活性和稳定性。

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四轮独立驱动汽车驱动系统故障诊断与容错控制

周洪亮, 贾凤娇, 刘志远, 刘海峰

机械工程学报. 2019, 55(22): 174-182. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.174

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针对四轮独立驱动电动汽车驱动系统故障的危险工况，给出一种基于车载传感器信号和无迹卡尔曼滤波器的故障诊断方法。进而，针对在车辆驱动系统部分电机故障情况下，在低附着系数路面上横摆稳定控制中，仍采用跟踪期望横摆率和侧向速度的横摆控制方法会导致车辆失稳的问题，设计出一种基于障碍李雅普诺夫函数的容错控制方法，该方法通过选取障碍李雅普诺夫函数约束车辆横摆率和侧向速度，以解决现有通过跟踪横摆率和侧向速度的横摆容错控制方法仍存在失稳风险的问题。给出的故障诊断和容错控制方法，能够实时诊断车辆驱动系统电机故障，通过车轮转矩的重新分配，可使车辆较快回到稳定状态，提高汽车行驶稳定性。通过不同车轮电机故障工况的仿真，验证了所提出故障诊断与容错控制方法的有效性。

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基于能量法的分布式驱动电动汽车防侧翻控制

祁炳楠, 王胜, 张思龙, 任晨辉, 张利鹏

机械工程学报. 2019, 55(22): 183-192. https://doi.org/10.3901/JME.2019.22.183

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分布式驱动电动汽车具有优越的侧倾稳定性控制功能，但基于横向载荷转移率评价进行控制并不能充分发挥其技术优势。为提升该类车型恶劣工况下的防侧翻控制能力，针对当前侧翻评价指标的不足，开展基于能量转化评价的稳定性控制研究。针对该类车型的结构特点，建立车辆系统坐标系，借助欧拉旋转角法推导了整车在侧翻运动过程中动能、势能和耗散能的表达方程；通过计算车辆失稳能量阈值与车辆实时失稳能量，提出综合多因素的车辆稳定性评价指标；基于侧翻动力学模型设计出防侧翻滑模控制器；通过在分布式驱动系统力矩阈值范围内开展基于驱动轮力矩分配的差动驱动，实现了整车的防侧翻控制。研究表明，基于能量法制定的空间失稳评价指标相较于横向载荷转移率而言，更能准确、灵敏地反映整车侧倾运动状态的变化趋势，基于其设计的防侧翻控制方法通过主动分配两侧驱动力矩，削弱了相关能量转化，有效抑制了整车侧倾运动，显著提高了侧倾稳定性。

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2019年, 第55卷, 第22期　
刊出日期：2019-11-20

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