【中国汽车线控技术专家委员会】分布式驱动电动汽车底盘协调控制技术

随着电动汽车技术的不断演进，作为其核心子系统之一的驱动系统，正经历从集中式向分布式布局、从机械传动向电控执行的重大技术变革。其中，以轮毂电机或轮边电机驱动技术为代表的分布式驱动架构，由于其可向车轮施加直接驱动力这一独特特性，为车辆动力学控制带来了革命性的潜力与机遇。

然而，尽管分布式驱动系统赋予车辆卓越的控制潜力，但其固有的过驱动特性，以及多执行器带来的多自由度运动强耦合问题，也给车辆底盘控制系统设计带来了前所未有的挑战。随着各子系统控制目标之间的相互耦合与约束日益显著，实现不同子系统间的有效协调与统一控制已成为关键技术难题。尤其在高动态、多变量、强耦合的复杂控制场景下，如何高效分配驱动轮扭矩，并实现驱动、制动、转向、悬架等执行系统的协调调度，已成为当前分布式驱动底盘系统研究面临的核心科学问题与技术瓶颈。

为此，分布式驱动电动汽车底盘协调控制技术应运而生。该技术通过对纵向（驱动 / 制动）、横向（转向）、垂向（悬架）等多自由度及其对应的执行器（如轮毂电机、主动前轮转向系统（AFS）、主动 / 半主动悬架系统（ASS/SAS））进行系统性协调与控制任务优化，旨在实现车辆动态性能、能量效率与行驶安全性的协同提升。

目前，应用于车辆底盘集成控制的架构主要可分为分布式架构、集中式架构和分层式架构。

分布式控制架构可视为早期汽车电子控制系统发展的自然演进产物，至今仍是传统燃油车中应用最广泛的架构形式，其典型结构如图 1 所示。在分布式控制架构中，车辆底盘的各大功能子系统（如驱动 / 制动系统、转向系统、悬架系统）均配备独立的电子控制单元（ECU）。每个 ECU 独立负责其对应子系统的传感器信息处理、控制逻辑运算及执行器驱动控制任务。

图1 分布式控制架构

该架构的核心特征在于其高度的模块化以及子系统间的独立性。每个子系统及其控制器可视为一个相对独立的单元，这些单元通常由不同供应商研发和提供，而整车厂商主要负责定义接口规范并完成系统集成。

然而，车辆的纵向、横向与垂向动力学之间存在复杂的非线性耦合关系。在接近或达到操纵极限的工况下，分布式控制架构的局限性会尤为突出。该架构固有的信息共享不充分、缺乏统一决策机制以及可能存在的响应延迟等问题，使其难以实现对车辆三维动态行为的有效解耦与深度协调控制。

与分布式架构相对应，集中式控制架构代表了另一种系统集成理念，其核心目标是通过全局信息融合与统一决策机制实现车辆级最优控制，其典型结构如图 2 所示。在集中式控制架构中，车辆底盘所有子系统的传感信息均汇总至一个中央控制器。该中央处理单元全权负责全局状态评估、控制决策制定及控制指令生成，并将这些指令分配至各个执行器。在此架构下，信息实现了高度集中与共享，控制逻辑通常采用自上而下的设计思路，且中央控制器对整个底盘系统拥有最高控制权限。

图2 集中式控制架构

尽管集中式控制架构具有高度的集成性和理论上的最优控制潜力，但有研究表明，其在实际工程应用中仍面临诸多制约因素，难以实现广泛应用。由于控制系统各部分之间缺乏相对独立性，整车控制功能的开发高度依赖于电子控制系统供应商之间的深度协作与配合；此外，全局集成控制对中央处理器的数据处理能力提出了极高要求，导致电子控制单元承担巨大的计算负荷。同时，该控制架构在功能扩展灵活性与系统容错能力方面也存在不足。

图3 分层式控制架构

分布式控制架构在开发模式上具备一定的灵活性与经济效益，但各子系统独立运作的运行模式极大地制约了其协调控制能力，不仅难以实现车辆级全局优化，也使得分布式驱动电动汽车固有的过驱动潜力无法充分发挥，存在本质性局限。从理论上看，集中式控制架构具备实现全局最优控制的潜力，且能有效避免局部控制冲突，但在实际应用中面临诸多显著挑战：其对中央处理器算力的要求极为严苛，系统开发复杂度高，且单点故障风险突出。这种因单点故障导致整个系统失效的风险，构成了显著的技术瓶颈，对于可靠性要求极高的汽车底盘控制系统而言更是如此。相比之下，分层式控制架构在性能、灵活性与可靠性方面展现出更均衡的特征，整体优势显著。