AVL与Ricardo：汽车机电一体化控制系统的先进解决方案

在本章中，对美国汽车工程师学会（SAE）和电气与电子工程师协会（IEEE）的数据库进行了文献检索。大学、研究所和汽车咨询公司进行研发工作。得出的一个主要结论是，由汽车咨询公司发表的论文，如AVL或Ricardo，常常既希望公开又希望保护自身和客户的利益。而很多的结果由于研发工作是在汽车公司内部进行的，因此并没有公布。

进行的研发工作通常是通过赞助或与汽车公司紧密合作完成的。提供的结果常常是故意模糊的，在结果的细节中通常描述方法和物理及数学模型而不是解释。五个不同的研发机构被查明【ANDERSSON AND JOHNSSON 1998】。接下来没有给出很多由这五个机构提交的截至1998年的有意思的论文【PERSSON 2004】。

目前，很难看出在集成动力系统机电一体化控制（integrated powertrain mechan-ic control，IPMC）中谁是最突出的研究人员。今天，研究机构所研发内容都比较广泛，特别区分某些机构比较困难。比如关于轰响（shunt）和喘震（shuffle）的研发工作在过去五年间增加了一倍多【PERSSON 2004】。

有的汽车科学家和工程师发表了论文，但他们却不是任何已查明研究机构中的一员。这是一种现象，相比1988年的情况，现在研发工作正在更多的地区进行。

很难决定如何对研发工作结果分类，这意味着汽车科学家和工程师从很多角度来应付轰响和喘震。这也意味着传统的研发工作必须与一个标准化轰响和喘震研究结果的方法的开发相结合，以便能够比较进展和实现成果的可能途径。

在检索中发现，大多数机构没有发表任何公开的出版物。一个典型的例子是日立公司【ANDERSSON AND JOHANSSON 1998】，看起来它似乎停止了研究工作。经联系，得知该公司依然是活跃的，但它既没有发表任何出版物，也没有任何官方的网站。

在大学中的研发机构要开放些，但由于各汽车生产商经常是赞助商，所有依然有着双重的利益。对于生产商来说研发是战略性的。这就暗示了，虽然还不到可以公开检索的时间，但一些结果可以专利的形式出现。对IPMC的研究的理由，包括客户的相关需求如下：改善操纵性能；降低SFC；符合有关尾气排放的环保法规；减少动力系统零件磨损。在一个越来越具挑战性的市场中，必须尽可能满足客户的需求。

为了留住老客户并吸引新的客户，汽车制造商必须能够推出高质量和最好的产品。要想成为市场中成功的玩家，汽车制造商必须管理好以下领域：

短的交货周期结合创新思维：在今天日益激烈的国际竞争中，需要一个改进的产品开发方法。为了维持或提高市场位置，需要几种不同的方法，其目标是把短的交货周期与创新思维结合起来【MAGNUSSON AND BERGGREN 2001】。

为了获得改进并找到IPMC新的、先进的概念，就必须质疑显而易见的解决方法。鼓励创新时，就是希望新的解决方案能够带来竞争优势。

另一个重要因素是不断增加的复杂性。复杂性涉及可以在现代汽车中分析的变量数量，以及在轰响和喘震领域中大量研究。当需要在多方面的背景下考虑大量参数的时候，人类心智是非常有限的。当可以通过更多的参数对驾驶性能特性进行调整时，也可能是一个时间和成本的问题。必须开发和实现应付这一复杂性的研发方法和策略。

为了获得更高的效率和更短的交货周期，就必须更大程度地使用如计算机辅助工程（CAE）这样的工具。

在人体是如何受全身振动影响方面的知识：晕动病、不适和疲劳等可能是处理不当的动力系统所带来的结果。为了满足客户的期望，就需要充分学习人体生理方面的知识。通过有组织的和结构化的数学方法来确定人体受到的影响是一件很难的事情，但设计变更或控制器策略带来的结果是一个竞争优势。

精确的物理和数学模型与仿真：一个非常明显的趋势是，与传统的DMC截然不同的基于数学模型的动力传动系统的机电一体化控制（driveline mechatronic con-trol，DMC），近年来得到了发展。物理和数学模型很重要，通常其物理模型参数是保密的。没有主要的开放模型库可用，也没有一般公认的物理和数学模型。动力系统物理建模似乎主要是在2～3包块的大小中完成的。想要更精确的物理模型，则选用5～15包块。

结合为物理和数学模型与仿真：实验和仿真结果必须转换为相关因素。在物理建模研究中，在测量值如何能被解释为驾驶性能标志上，通常只有非常少的信息提供。驾驶性能是一个高度主观的测量。很多的评定法要不基于驾驶人/专门小组，要不基于通过这些训练的神经网络。

两个主要的厂商，即Ricardo和AVL公司，提供将数字值转换为驾驶性能评级的解决方案。然而，为了在驾驶性能方面更具效果，物理和数学模型与仿真方法必须和数值驾驶性能方法一起开发。AVL似乎是今天领先的驾驶性能评估解决方案提供者。AVL的方法很显然试图在其软件DRIVE中应用他们的知识，并试图将咨询工作与DRIVE软件联系起来。物理和数学建模与影响参数之间，一个好的协作是必不可少的。物理和数学建模及仿真是改善驾驶性能必要的一步，但要想完全成功，则必须实现一个更好的耦合。标准化的方法，如英国标准（BS）6841（1987）和ISO 2631（1997）是指南，同时，为了建立阈值，仿真应该能够产生所需的测量值。

潜在的改进驾驶性能的解决方案：一些研究机构提出了不同的纵向振动问题的解决方案。然而，许多这些解决方案似乎依然处于原型或试验阶段，或者很少能够实现。本节提出了很多消除该问题的建议，但很少能找到来自可直接用于汽车生产的结果。一个明显的原因是，汽车制造商不希望这成为常识。在公开的论文中，可以注意到一个趋势，即许多的努力都投入到如何定位一个瞬态情况中的噪声和振动的起源上。

在有些文献中，介绍了物理和数学建模以及调查一个“补篮”（tip-in）仿真的结果【CAPITANI ET AL. 2000，2001；BALFOUR ET AL. 2000；HWANT ET AL. 1998；COUDREC ET AL. 1998】，而在其他的参考文献中，提出了控制器解决方案【BEST ET AL.1998；RICHARD ET AL. 1999；ZAVALA ET AL. 2002】，也提出了建设性的建议【REBEIH ET AL. 2002；WANG ET AL. 2000；KAZENI ET AL. 2002】。

在一些论文中也介绍了对噪声和振动源的研发工作。在一个例子中，可以调查：如何预测和控制反冲并顺利通过，从而避免轰响和喘震问题【LAGERBERG ET AL. 2001，2002】。系统性处理和解决轰响（clonk）问题的论文也已经找到。

由美国MDI公司分发的机械系统的自动动力学分析（Automatic dynamics analy-sis of mechanical systems，ADAMS）计算机软件包，可以使仿真整车动力学广泛用于汽车行业。

实现成果的能力：当仿真显示令人满意的结果时，必须有一种方法来在最终产品中实现解决方案。如果需要一个转矩传感器，或者假定了一个应用转矩，则必须能够在现实生活中以一种足够精确的方法来复现。建议的控制器可能需要一个转矩的精确处理，而这用目前的传感器技术是不可能实现的，这就是有些结果被认为还处于实验阶段的原因。

因为在实际汽车上控制器技术所需要的转矩传感器并不多，所以ECE/ICE诊断法和测定是轰响和喘震研究的重要部分。测量和控制汽车的首选方法是利用已存在的传感器和发射器。在未来的产品开发中，为实现研究成果而分析和使用信号的能力会是非常重要的。因为理想环境是不存在的，所以很难说结果会是什么。当能够提供执行机构和传感器时，成果可以在下一代的汽车中实现。

未来的挑战：擅长技术研发工作并实现研究成果通常是不够的。对于一个成功的车辆制造商而言，对未来业务的一个清晰的战略，以及对战略问题快而深思熟虑的决策也是必要的条件。有了英明的决策，才可能会带来实现的目标：提高的驾驶性能；降低的SFC；满足尾气排放的环境法规；更少的动力系统零件磨损等。

另外的优势

• 设计自由度：

■采用一个综合的DBW AWD驱动机电一体化控制系统，使得几乎随意的驾驶舱设计成为可能。

■输入能减少为手控制器；这对于残疾驾驶人可能有用。

• 适应性：

■能对控制装置编程来适应驾驶人不同的喜好；比如，节气门/制动压力、转向轮角度等。

■驾驶人位置不需要固定。控制装置可以被设计得容易适应不同的国家。

安全性方面

• 大量的安全性改进是可能的。

• 万一发生事故，传统的转向柱和踏板对驾驶人而言是危险的。

• E-M系统有比传统的F-M系统更为可靠的潜力。

• 增加的控制允许引入更多的安全性系统，如防撞系统。

• 可靠的信息传输是关键的，故需要健壮（robust）的网络。

网络问题

• 汽车中已使用网络来减少接线成本和质量。

• 使用的事件驱动的网络，如打开车灯或打开车窗，在处理安全攸关信号的传输时还不够健壮（robust）。

• 需要基于时间触发的协议（TTP）。

• 也需要可靠的网络硬件：可以在飞机中使用冗余；有些战斗机带有四冗余的FBW系统。

困难

• 强调了DBW AWD技术的许多优势。

• 几乎没有优势与保留现有技术有关。

• 劣势：成本。

• 汽车中系统严格受限于单位成本。

• 相比传统的方法，DBW系统的每单位价格很可能贵得多。

• 此外，大多数安全攸关的系统（如制动）需要获得安全认证。

通过对欧洲经济共同体中的汽车事故分析进行调查，发现通过将驾驶人辅助系统（能够容易与动力传动连接）和智能技术平台（PEIT）有效集成，以避免事故非发生为目标，可以开发专注于最常发生和最严重的交通事故的解决方案【PEIT 2001-2004】。(www.xing528.com)

可以将认证方面（homologation aspects）定义为那些配置有充当一个平台的架构的汽车未来认证的基础。在这个架构上，可以在有保证的协同环境下很容易访问应用。这一协同环境就是中央动力系统控制器（powertrain controller，PTC）。在这项目内，可以开发出所有以一个优化的“宽容自由”方式控制驾驶人的运动意愿所需的全部动力系统功能，比如，作为一个汽车动态稳定性功能的带转向机电一体化控制的电子稳定程序（ESP），以此演示对制动、转向、ECE/ICE和TM（齿轮箱）、SAT、FAT或CVT的协同和有保证的访问。

开发一个试验台。在试验台上，指定的动力系统结构和接口以及功能，在一个环境中可以是可测试的。在测试环境中，汽车可以安装在一个机架上。

车辆配备有接口和安装在轮毂的E-M电动机。接口和E-M电动机能够在一个静态下仿真不同的街道和动态运动条件。一个BBW AWD制动机电一体化控制系统的硬件和软件集成可以在车辆验证试验台中进行。不同情况和天气条件下的试验可以证明BBW AWB制动机电一体化控制系统的潜能。集成一个SBW AWS转向机电一体化控制系统是非常有必要的。该控制系统利用力反馈信息能够与驾驶人交互。

通过中央协调ECE应用可以减少线束和整个动力系统上的信息流，ECE通过一个总线系统利用一个命令层和机电一体化聚合层来工作。

在项目结束时PEIT功能的展示，可以证明关键技术功能和PEIT方法的优势。

可以将一种源自航空电子设备行业的方法按比例缩小用于汽车需求，从而带来低成本的机会。在这种方法中，所有相关的安全功能是协同的并且是在一个有保证的环境范围之外运行的。

PEIT的主要目标是，通过将智能技术整合进动力系统中，从而大幅地提高车辆的整体交通安全和交通效率。

与客车事故相比，货车事故对财产造成的损失要大得多，对人身体的伤害接近2倍，同时死亡人数要超出3倍。因此，重点关注重型货车极其重要。在使用一个智能动力系统的基础上，车辆不仅能够反应性地应对危险的情形，而且也能够采用附加的与动力系统交互的辅助系统预测这种情形。它们只使用一个运动向量作为输入。因此，PEIT动力系统可以充当一个平台，在这个平台上能够很容易并独立于机电一体化集合体地集成辅助系统。这也许将成为安全技术的里程碑。事故案例的分析显示，如果车辆安装了一个预警系统，则可避免超过40%的事故。

通过安全的驾驶条件，可以实现一个达95%的更高水平的汽车安全性。要做到这点，必须停止让驾驶人做出一些驾驶决策而将其交给一个机电一体化控制系统处理（从控制回路中删除驾驶人），从而达到维持行驶稳定性和减少制动距离。这还带来了一个额外的好处，就是智能动力系统不仅可以促进安全性，而且能提升交通效率和行驶舒适性。

使用认证方面的定义作为配备有充当一个平台的PEIT架构的车辆的基础，在一个有保证的协同环境里面可以很容易地访问动力系统功能。

技术性工作明显集中在智能动力系统架构来执行PEIT安全功能上。第一步是一个故障容错系统的规范，使得全部的安全攸关零件是冗余的。

中央PTC和每个单独系统、SBW AWS转向和BBW AWB制动机电一体化控制系统、故障容错能量管理和路面摩擦力估算的开发，是创建智能动力系统的第二步。

将该系统安装到经验证的汽车上，以及运送包括所有必需硬件和软件的汽车，这是该项目的第三步。

PEIT上的技术性工作以一个基于实验结果的系统性能的评估报告和演示而结束。与这个工作并行的是完成一个事故分析和其他支持措施，如集中在认证方面的法律问题的澄清。这项工作为PEIT系统的引入提供了其他需要的信息。

安装DBW AWD驱动机电一体化控制系统的主要目的，是获得一个更好的安全水平。在实现这一目标的同时，DBW AWD驱动机电一体化控制系统的实现必须保证是健壮和失效保护的。这需要健壮的传感器、执行机构和带合适冗余度的控制硬件。除此之外，为了实现一个高品质的行车感觉，DBW AWD驱动机电一体化控制系统和硬件也必须具有较高的分辨率和性能。可靠的实现可能取决于汽车、为这辆汽车开发的安装状况以及其未来的应用。通常控制制动、转向系统的M-M联动装置和F-M或P-M执行机构，很可能被DBW AWD驱动机电一体化控制取代。

DBW AWD驱动机电一体化控制系统的核心是智能E-M装置，它们将电子信息的驾驶人的命令转换为运动。

DBW AWD驱动机电一体化控制系统也通过电子信号向驾驶人提供动态反馈。有些汽车已经在使用TMC系统了。

从设计汽车、采购零件、物流和库存管理，到包装和生成汽车等这一切，都可能被RBW或XBW整体式一体成型车身、space-chassis、平板滑板式底盘（skate-board-chassis）或body-over-chassis运动机电一体化控制先进技术所改变。

先进技术可以加速车辆中机电一体化的增长步伐，并控制F-M或P-M和M-M零件的应用。通过模块化设计和消除硬件，RBW或XBW整体式一体成型车身、space-chassis、平板滑板式底盘（skateboard-chassis）或body-over-chassis运动机电一体化控制先进技术可以使车辆制造商获益。

优势包括【WEBER 2003】：

• 增加模块化；全功能机电一体化模块可以减少装配时间和成本。

• 改进驾驶人接口；消除到ICE节气门和齿轮换档变速器的M-M连接，可以给汽车科学家和工程师带来在设计驾驶人接口在位置、类型、感觉和性能上的更大灵活性。

• 增加灵活性；汽车设计者可以在发动机盖下面和车内硬件的放置上有更大的灵活性，以便支持替代动力系统、增强样式和提高内部功能。

• 交货期缩短；装配工人或许可以使用一台手提电脑来完成软调优能力和安装定制选项，而不是手动调整M-M零件。

一个车载DC42V能量和信息网络（E&IN）可以支持机电一体化执行机构和轮毂E-M电动机。这些执行机构和E-M电动机尺寸更小、质量更轻，并且性能得到了提升。

最重要的是，这些DBW AWD驱动机电一体化控制系统可以提供与驾驶人辅助系统的关键连接，包括如自动泊车辅助和车道机电一体化控制等功能。DBW AWD驱动机电一体化控制系统提高了驾驶体验，同时使生成的汽车更加安全和更加可靠。

在采用从其他行业获得的最佳实践来改善传统的汽车功能实践中，必须尊重汽车行业在如包装和成本等领域的特定需求。允许这些系统的引入和核准也要求对规章制度做出变动。ICE可能是最主要的驱动系统，并可能由于混合解决方案、减少的燃料消耗率（SFC）以及其他改进过的技术而幸存下去【BIRCH 2002】。

因为这种技术是众所周知的，所以如果氢能被用作能源，则它很可能在ICE中试验。虽然FC在未来很有希望，但焦点还是在改进ICE上【BIRCH 2002，NICK-ENS 2004】。

为什么汽车需要燃料电池？

• 节省成本：

■更高的效率；

◆降低的燃料消耗率（SFC）。

■更低的维护；

◆减少的车载负载。

• 减少排放：

■降低的尾气排放；

■减少的声波和红外标示图；

■减少的截面（cross-section）。

很可能有一个过渡期。在此过渡期间，混合动力和FC可能与ECE/ICE一起使用。

主要的挑战在于系统的复杂性和基础设施【BIRCH 2002】。CVT对比六档M-M变速器可能是另一个有意思的问题，问题的答案可能会在不远的将来。目前正在发展更为清洁、高效和可持续城市圈运输而开发AEV和HEV。AEV或HEV为其DBW AWD驱动机电一体化控制系统创建高能量密度CH-E/E-CH蓄电池和E-M驱动器应用。E-M驱动器用于不同的装置中，带或不带一个M-M变速器或M-M差速器。从机电一体化控制和车上可用空间的角度来看，不带任何M-M传动装置的轮毂E-M电动机DBW AWD驱动机电一体化控制系统的使用非常有吸引力。

相反，受限的驱动可用空间和非簧载质量的增加，使得轮毂E-M电动机DBW AWD驱动机电一体化控制系统倾向于没有较高的效率值。

挑战在于开发一个轮毂电机（电动机/发电机）。这种电机既能满足转矩需求，又有最轻质量和最小尺寸，还有最高效率上可行。

为了满足这些需求，已经用不同的拓扑结构对新的IPM电机设计进行了研发工作。这种IPM电机设计有一个广泛的恒定的功率—速度范围和令人满意的转矩质量比。

实际的性能估计需要一个特别的电机设计优化，这种优化集成了有限元分析和优化算法，以完善电机各种性能。

高品质DBW AWD驱动机电一体化控制系统的轮毂E-M电动机的机电一体化控制装置，以及CH-E/E-CH蓄电池供应的来往流量流的控制，也都是需要尊重的至关重要的功能。

对于最优轮毂电动机DBW AWD驱动机电一体化控制（也就是转矩、速度和车轮滑转控制），轮毂电动机的电流供给、频率和电压必须在高动态环境下控制。

因此，用到了DC-AC/AC-DC宏换向器（变流器/整流器）和数字信号处理器（DSP）。此外，为了延长AEV或DEV的昂贵的CH-E/E-CH蓄电池的使用寿命，最好通过动态电能流利用DC-DC宏换向器（斩波器）对超级电容器充电和放电。