分布式驱动电动汽车轮胎能耗分析，对汽车的轮胎磨损有什么影响？

近年来由化石能源的大量使用所导致的环境污染和能源紧张问题日益严重，而传统燃油车的广泛使用则更加剧了这一现象，所以越来越多从事汽车相关工作的研究人员及企业把目光投在了电动汽车上。

相较于传统燃油汽车，分布式驱动电动汽车不需要传动系统来进行动力传递，而是由四个相互独立的电机直接向车轮提供转矩，在使车辆具有更多的可控自由度的同时也让其效率和响应速度大大提高，可以更好地实现四轮力矩分配，达到提高车辆节能效果的目的。

一、电动汽车发展

人们提到电动汽车总会下意识地认为它是近些年的产物，但事实上它已登上历史舞台一百多年了，甚至比燃油车出现的还要早。在1881年的国际电气展览会上，特鲁维向世人展示了他研制的采用铅酸电池和直流电机的电动汽车，因此他也被称为“电动汽车之父”。

19世纪末，美国经济崛起，人均可支配收入相较之前有了大幅提高，同时美国抓住了第二次工业革命“尾巴”，科技水平稳步提升，在这个背景下，汽车快速地流行起来。在当时，电动汽车具有非常明显的优势。

无震动、噪音小、零排放并且易于操控等，所以电动汽车的销量远远超过其他动力汽车，甚至在当时成为了上流社会身份的象征。但随着社会的发展以及公路等基础设施的不断完善，居民远距离出行的需求在逐渐增多，因此也对汽车的续航提出了更高要求。

与此同时，伴随着大型油田的开发，油价大幅下跌，燃油车的技术也在稳步发展，震动、噪音等问题也逐步得到优化。但受到时代的局限，电子、电池科技及控制技术没有得到太大突破，所以电动汽车在相当长的一段时间内发展基本停滞，在消费者眼里不再具有优势，逐渐被边缘化。

而在21世纪过去的20多年时间里，伴随着科技的进步，电动汽车领域的很多关键技术都得到了突破，同时近年来出于国际和国内环境保护和节约能源的多重考虑，电动汽车再次进入人们的视野，国家和各车企都投入了大量资金和人力来布局电动汽车的发展，为电动汽车行业注入活力。

对于电动汽车来说，人们十分关注其续航表现，因此关于电动汽车的节能控制研究自然是当前的热门方向。一般来说电机是电动汽车的动力源，通过对电机力矩的合理分配，可以在满足驾驶员需求的基础上有效地降低能耗，从而提升电汽动车的续航里程。

二、轮胎滑移能耗分析

汽车是一种非常复杂的工业产品，通常一辆普通汽车的零部件高达上万甚至几万个，而其中唯一与路面相接触的部件就是轮胎，它可以有效地减少汽车行驶时产生的振动，提升乘坐舒适性。

从结构组成上看，轮胎是一个由多个部分组成的结构非常复杂的弹性结构体，现在广泛应用的轮胎一般是由橡胶和其他复合材料组成的，其材料特性非常难以把握，所以对轮胎力学特性的研究具有较高的难度。

而车辆之所以可以在路面上完成各种运动，正是由于地面为轮胎提供了相应的作用力，故车辆许多重要性能都会受到轮胎力学特性的影响，所以对于轮胎的相关研究是非常必要的。

轮胎模型可以大致分为三种：理论模型、经验模型以及半经验模型。轮胎理论模型基于轮胎结构和受力变形机理来建立数学表述，因此该模型最大的优势是可以用来深入地分析轮胎力学特性的物理本质，但是其劣势也很明显，形式偏复杂并且计算效率很低。

而轮胎经验模型顾名思义就是基于试验数据进行拟合整理得到的，但也正是因此，它的外推性比较差。半经验模型则汲取了前两种轮胎模型的优点，具有外推性好、理论精度高、仿真精度高同时可以较好的符合试验数据的特点，目前在科研工作中应用较多的半经验轮胎模型有“魔术公式”模型和UniTire模型。

考虑到轮胎滑移产生的能量损失已经成为了延长电动汽车续航能力的重要问题，而且如果轮胎发生剧烈打滑会导致车辆失稳，所以控制轮胎滑移是非常必要的。通过建立轮胎离散仿真模型，来对轮胎的力学特性和滑移能耗机理进行分析。

一般将轮胎的接地印迹定义为轮胎和路面直接接触的区域，在这四个巴掌大的区域内，根据工况的不同，轮胎受到路面提供的各种力和力矩，满足汽车在进行驱动、制动以及转向等运动时的力学需求。

三、车辆节能控制

在日常驾驶中，车辆在纵向的驱动/制动工况下工作时间最多，同时电动汽车的续航表现是人们关注的重点，因此针对纵向工况下的电动汽车节能控制研究十分具有价值。

基于驾驶员的驾驶需求，通过合理地分配电动汽车的电机转矩，可以在降低电机驱动功率、提高制动回收能量的同时控制轮胎滑移能耗，从而达到降低整车能耗的目的。基于模型预测控制算法，设计了多目标代价函数，通过对电机能耗、轮胎滑移能耗和车辆操纵性的集成控制，提升整车节能水平。

当电动汽车进行制动时，电机会将一部分动能转化为电能，给电池进行充电从而将能量储存起来；在正常驱动行驶时，电机会将电能转为机械能，在这个过程中依靠改变电磁场大小来完成能量的转化。当电机接通电源时会产生交变磁场，其输出转矩就是载流导体在旋转磁场中受到的力。

与传统汽车制动力分配有所不同的是，由于纯电动汽车具有制动能量回收系统，所以在进行制动力分配的时候还需要考虑电机制动力和摩擦制动力的分配，来尽量增加回收的能量，故而合理分配制动力是纯电动汽车制动能量回收系统的关键，其中主要的控制策略大致可以分为以下二类。

动力分配方式以I曲线为制动力的分配依据，具有良好的方向稳定性、安全性、制动感受以及比较高的制动能量回收率。该策略大体可表述为：当制动强度比较小时，仅靠电机制动；而当制动强度增加时，先将制动力按I曲线进行分配，然后再根据控制算法得出具体的电机制动力矩和摩擦制动力矩。

针对前后轴制动力的比值是定值的情况，可以采用并联制动控制策略。并联制动控制策略可以有效保证制动时车辆的稳定性并且可以充分地利用路面附着系数。相较而言，这种控制策略控制参数较少，所以具有比较高的可靠度以及很强的实用性，但是制动时冲击比较大，所以制动感觉差，同时能量回收效率相对较低。

四、稳定性与节能控制

分布式驱动电动汽车的力矩响应十分迅速，同时具有丰富的可控自由度，通过对电机力矩进行合理分配，可以改善电动汽车的性能。第四章提出了电动汽车节能控制策略，能够有效降低车辆电机能耗和轮胎滑移能耗，达到整车节能的目的，与此同时，在侧向工况下，车辆的稳定性也是人们关注的重点。

充分利用电动汽车的优势，设计电动汽车侧向稳定性与节能集成控制策略，来提高车辆稳定性和整车节能水平。分布式驱动电动汽车的四个车轮转矩独立连续可控，有丰富的可控自由度，同时力矩响应快，传动效率及控制精度较高，是新能源汽车研究领域的研究热点。

分布式驱动电动汽车节能控制、制动能量回收技术及稳定性控制策略的发展现状及前景。对轮胎滑移能耗的机理进行分析，并建立轮胎滑移能耗模型。首先建立了轮胎离散仿真模型，利用该模型进行轮胎力学特性分析，通过在不同工况下，轮胎接地印迹内胎面单元变形、滑移速度、滑移力和滑移功率的分布情况。

对轮胎滑移能耗的机理进行分析，并据此建立UniTire半经验滑移能耗模型。经过仿真验证，UniTire模型的力学特性和滑移能耗与离散模型的基本一致。

建立整车动力学模型。通过CarSim建立了基于轮毂电机的分布式驱动电动汽车的车身模型，利用Matlab/Simulink建立了车轮、电机、电池及行驶阻力模型，进行联合仿真。将CLTC-P工况下的仿真结果与实车试验结果进行对比，验证了所建模型的准确性。

设计在纵向工况下电动汽车的节能控制策略。基于MPC算法，建立车轮动力学模型作为预测模型，设计代价函数对电机能耗和轮胎滑移能耗进行集成控制，在考虑执行器约束的基础上进行求解。其中电机节能是整车节能的重点，为了降低电机驱动功率并提高制动能量回收，提出了离线节能优化和在线节能优化两种控制策略。

最后通过多种工况验证了所提控制策略可以有效地提高车辆节能表现。设计电动汽车侧向稳定性与节能集成的控制策略。以平面双轨模型作为预测模型，将提高车辆稳定性的目标纳入之前的目标函数，在满足约束的情况下进行求解，完成集成控制车辆稳定性和节能的目标。通过双移线工况验证了所提的集成控制策略可以在保证车辆稳定性的同时降低车辆能耗。

结语：

在汽车的发展过程中，安全、节能与环保是永恒的目标。传统汽车作为人类最广泛使用的交通工具之一，为人类出行创造了巨大便利。但是随着时代的发展，环境污染和能源危机等问题亟待解决，故使用新型清洁能源作为汽车的动力源，进而实现交通电气化已经成为未来的发展趋势。