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，