電動汽車差速系統研究綜述

徐 寅 陳 東

華南理工大學,廣州,510640

電動汽車差速系統研究綜述

徐 寅 陳 東

華南理工大學,廣州,510640

總結了電動汽車傳動系統的結構布置情況及電動汽車差速系統研究的兩個方向——自適應差速的特殊電機設計和基于各種控制理論采用差速控制策略的電子差速系統設計。闡述了自適應差速系統的結構及其差速原理,并詳細闡述了電子差速系統的控制結構、控制模型、控制變量及控制策略,同時對目前電子差速系統選擇電機轉速和轉矩作為控制變量的利弊進行了探討。最后,展望了電動汽車差速系統的發展前景。

電子差速;雙轉子電機;電動汽車;車輛動力學;Ackermann&Jeantand模型

0 引言

電動汽車動力傳動系統的結構布置主要有兩種方式:集中式和分布式。集中式驅動是指在傳統內燃機汽車安裝發動機的位置以一個電動機代替內燃機,其他傳動系統的結構不改變的驅動形式;分布式驅動是根據電動汽車自身特點采用車輪獨立驅動的驅動形式[1-2]。分布式驅動電動車在回饋制動、機動性、車身內部空間利用率、可控性等方面均優于內燃機汽車和集中式驅動電動車[3],因此,采用分布式驅動方式是電動汽車發展的一個重要方向。集中式驅動電動汽車應用機械差速器即可完成轉向,而分布式驅動電動汽車的每一個驅動輪連接一個電機轉子,每個電機轉子可以單獨提供驅動力矩,兩驅動輪間去掉了機械差速器。

目前,對分布式驅動電動汽車差速系統的研究可分為兩個方向:一個方向為自適應差速的特殊電機設計;另一個方向為應用基于各種控制理論采用差速控制策略的電子差速系統設計。本文主要從這兩個方向分析電動汽車差速系統的研究現狀,并探討存在的問題及其發展方向。

1 自適應差速

自適應差速是一種采用與傳統汽車機械差速器原理十分類似的、可差速運行的雙轉子電機作為驅動電機,在電動汽車轉向時可實現自差速的方法。雙轉子電機直接安裝在驅動橋上,代替常規機械驅動橋的傳動軸、主減速器和差速器等構件,集驅動、差速、制動能量再生為一體。如雙轉子軸向磁通電機、反相雙轉子電機、復合多相雙轉子電機等均可實現差速運行,能直接作為驅動電機。雙轉子電機盡可能多地挖掘電機內部有效空間,提供高效率、高功率密度的電驅動,因而受到研究人員的廣泛關注[4-5]。日本橫濱國立大學河村研究室利用該類電機進行軸間驅動,在鈴木吉姆尼小型越野車的基礎上改裝了一款四輪驅動電動車。伊朗Jovain電機公司的Farzad和德黑蘭大學的Reza等改裝了一臺雙電機獨立驅動樣車[6],采用了每個電機連接減速器并由減速器短半軸輸出轉矩的組合式驅動橋結構。華南理工大學廣東省汽車工程重點實驗室及廣汽集團共同研制出了四輪驅動混合動力汽車用的對轉雙轉子電機,設計了一種發動機集成ISG的機械前橋驅動及雙轉子電動差速后橋驅動的新型驅動系統[5],并將其應用于廣汽集團的概念車SUV XPower上。國內外還有其他研究人員也進行了類似的研究工作[7-11],但所有研究人員設計所依據的自適應差速原理卻是相同的。本文以對轉雙轉子電機為例說明自適應差速原理。

1.1 電機結構

對轉雙轉子電機由一個定子、一個永磁內轉子和一個杯形外轉子構成,其結構既可看作是由一個永磁同步電機和一個三相異步電機級聯構成的電機結構,也可看作是由級聯式無刷雙饋電機演變而來的新型電機結構[5]。

雙轉子電機控制器輸出的電流經導線和集流滑環機構引入到外轉子上的繞組并構成閉合回路。基于普通永磁直流電機的機理,外轉子電樞繞組在氣隙磁場中做切割磁場運動時會產生感應電動勢,同時,由于電樞繞組中有電流流通,因此會產生電磁轉矩。在傳統電機中,定子受到推動轉子運轉而產生的電磁反作用力的作用,此反作用力通過機架外殼產生的反力與之抵消,不做功。而當對轉雙轉子電機傳送電磁功率的氣隙磁場對外轉子有電磁力作用時,內轉子的磁極也同時承受反力,故可利用作用力和反作用力共同做功驅動車輪運轉。

1.2 差速原理

在傳統直流電機中,磁極產生的主磁場不是旋轉的,雙轉子電機的磁極隨內轉子同大地參照系有相對轉動。根據運動的相對性,設雙轉子電機內外轉子轉速分別為n in、n out,磁極固定時(傳統電機模式)的轉子機械轉速為n。該電機構建了兩個原動組件,為具有兩自由度的機械結構,所以在一般正常拖帶負載狀態下,電機的轉速特征為n=nin+nout。轉速n實際上就是內轉子以運動的繞組(外轉子)為參照系的機械轉速。在雙轉子電機中,把轉速n稱為相對轉速。在運行過程中,電機的各個技術參數是受nin與nout的變化共同影響的,即相對轉速n的任一微小變化,都會造成雙轉子電機各個技術參數的改變。因此,對雙轉子電機的控制實質上是對相對轉速n的控制,而電機兩個轉子的實際轉速則是以兩個轉子的轉速之和或者之差的代數值形式與相對轉速建立對等變化關系。這與傳統車輛上使用的差速器原理十分類似[5-11]。

雙轉子電機的兩個轉子輸出特性有

式中,Tin、Tout分別為內外轉子輸出力矩;Te為電磁轉矩。

利用雙轉子電機作為驅動電機實現電動汽車的自適應差速具有上述諸多優點,但其自身仍不夠完善。這主要是由雙轉子電機結構及工作原理決定的,在其運轉時,電機的兩個轉子上產生的是兩個大小相同而方向相反的力矩,兩個轉子的轉向相反。因此,在利用雙轉子電機作為驅動電機時,需通過安裝在兩轉子外側的換向減速行星排的換向減速作用,使雙轉子電機兩個轉子分別帶動兩側半軸向同一個方向以相同的扭矩輸出功率。可見,自適應差速系統去掉了集中式驅動形式中的機械差速器,但又增加了換向減速行星排這一機械結構。有關換向減速行星排與機械差速器之間機械傳動效率比較的文獻,筆者尚未檢索到。但筆者認為換向減速行星排的機械傳動效率若不明顯優于機械差速器,則應用雙轉子電機作驅動電機實現自適應差速并無較高的實用價值,因為對雙轉子電機如何進行高效控制是目前研究的一個熱點與難點,其控制難度要明顯高于目前用于集中式驅動形式中無刷直流電機和永磁同步電機的控制難度。因此,電動汽車自適應差速系統在驅動效率與控制策略方面仍需進一步深入研究。

2 電子差速

電子差速是基于各種控制理論并根據設計控制策略設計控制器控制左右兩個驅動輪驅動電機,從而實現電動汽車差速轉向的方法。目前,國內外的研究人員依據電動汽車結構的不同,選擇無刷直流電機或永磁同步電機作為驅動電機,并設計了各種電子差速系統。

2.1 控制結構

電子差速系統控制結構歸納起來有兩種:四輪差速控制和兩輪差速控制[12-28]。

(1)四輪差速控制。四輪電子差速控制應用在四輪轂電機獨立驅動的電動汽車中,用一個控制單元匯總所有的信息,包括傳感器信息和狀態估計信息,通過預先選擇的算法調節四個輪轂電機實現差速轉向。文獻[12]以汽車左前輪轉速作為標定車速,調節其他三個車輪轉速,四個車輪繞轉向中心同角度旋轉從而實現差速。文獻[13]基于前軸整體轉向設計了四輪差速控制系統,控制器通過調節四個輪轂電機的轉速來實現差速,其獨到之處在于當電動汽車轉彎時,整個前軸可繞前軸中心整體旋轉一定的角度。四輪差速控制車輛的數學模型復雜,需要控制器計算四個驅動輪的速度,并同時控制四個輪轂電機,對控制器的設計要求較高。因此,四輪差速控制主要應用于需要四輪驅動的電動汽車上。

(2)兩輪差速控制。兩輪差速控制應用在前輪作為導向輪、兩電動輪后驅的電動汽車上。汽車轉向時,控制器調節兩個后電動輪以驅動電機實現差速。兩輪差速控制與四輪差速控制相比,因其只需控制兩個驅動電機,故而控制系統的結構與控制策略均要簡單些。因此,目前電子差速的研究大部分采用兩輪差速控制的結構。

2.2 控制模型

在設計電子差速控制策略的過程中,對于整車控制數學模型,研究人員多采用理想汽車轉向模型——Ackermann&Jeantand模型作為分析基礎。該模型假設符合以下條件:車在轉向時,四個輪的中軸線相交于同一轉向瞬心O;車體為剛性;車輪做純滾動,即不考慮已發生滑移、滑轉和輪胎離開地面的運行狀態;輪胎變形量與側向力成正比,即不考慮輪胎材質與結構上的非線性和因垂直載荷不同造成的輪胎側向彈性系數的變化。在此基礎上,整車的動力學分析忽略汽車的懸架特性,選取縱向、側向和橫擺三個自由度,建立整車動力學模型。

有的學者認為不需要建立轉向模型,只需針對驅動輪建立電動輪旋轉動力學方程進行分析即可。文獻[14]認為以理想汽車轉向模型生成各車輪理想轉速并以此控制車輪轉速,這相當于重新將各車輪轉速互相聯系起來,由于車輪轉動參數的互相約束,使四個車輪運動自由度不足,易導致車輪拖滑或滑轉。整車控制器不必針對汽車的差速問題設計復雜的控制器,只需根據汽車的運動狀態輸出驅動電機的轉矩指令信號,而電動輪系統的轉速則由電機轉矩與電動輪系統的平衡點決定。

2.3 控制變量

對于控制變量的選擇,從現有的文獻分析,有兩種選擇:①以電機輸出轉速為控制變量;②以電機輸出轉矩為控制變量。如文獻[12]設計的四輪電子差速轉向控制系統即采用電機轉速為控制變量。文獻[16]考慮到車輛轉向行駛時軸荷轉移、向心力以及輪胎側偏角的影響,通過控制車輪的滑移率,計算每個車輪需要的驅動力矩,從而控制電機輸出轉矩實現電子差速。

但是,對于選擇轉速或者轉矩為控制變量,研究人員有各自不同的看法。有學者認為車輛行駛的路況復雜,各個電動輪的負載轉矩變化頻繁且隨機因素多,若采用直接轉矩控制作為電動輪的控制策略,將使得處于控制系統上層的電子差速算法變得很復雜,且難以獲得較好的控制效果[17]。也有學者認為將每個車輪輪速作為控制變量,在給定轉角的情況下,四個輪速和整車速度五個量的自由度為1。如果是后輪驅動,同時對兩個驅動輪進行轉速控制,實際系統稍有誤差就會產生矛盾,導致被控車輪滑移率不同,甚至會有滑轉出現,造成系統不穩定[18]。可見,以轉速或者轉矩為控制變量均有缺點。筆者認為,從理論上分析,考慮汽車滑移率及系統動力學,以電機輸出轉矩為控制變量的方法更優,但如何優化轉矩控制的電子差速算法有待進一步深入研究。或者避開轉速控制和轉矩控制各自的缺點,并不固定采用轉速或者轉矩作為控制變量,依據車輛的行駛情況選擇兩者之一作為控制變量的方法也不失為研究的一個新方向。

2.4 控制策略

在設計電子差速控制策略時,基于何種控制理論進行設計具有重要的意義,它直接影響到電子差速系統的控制品質。就目前的研究分析而言,研究人員主要選擇以下幾種控制理論。

(1)滑模控制理論。滑模控制是一種特殊的非線性控制方法,它根據系統當時的狀態、偏差及其導數值,在不同的區域以理想開關的方式切換控制量的大小和符號,使系統狀態在理想狀態附近來回運動。滑模控制系統作為變結構控制系統的一種,已形成了一套比較完整的理論體系,并已廣泛應用于各種工業控制對象之中。這種滑模控制系統的最大特點就是系統具有極強的魯棒性,即對被控對象的模型誤差、對象參數的變化以及外部干擾有極佳的不敏感性[15]。如文獻[16]提出的基于滑模控制的電子差速控制策略,根據每個驅動輪的目標滑移率,分別設置基于滑移率控制的滑模控制器,其中控制器采用常值滑模控制,并考慮到滑模控制在切換面附近容易產生顫振的問題,在切換面附近設置邊界層寬度φ=0.001;當汽車轉向時,以整車質心速度為參考,計算每個車輪繞轉向中心的線速度,進而得出每個車輪需要的電機轉速,通過向電機控制器發出電壓指令實現電機轉速的調節,從而調整車輪轉速,合理地分配每個電機的輸出轉矩,實現車輪的純滾動轉向行駛。

(2)開關控制理論。采用開關控制可以提高控制的魯棒性和穩定性。如文獻[18]將轉彎時的轉矩分配計算和車輪滑移率控制相結合,根據來自加速踏板的轉矩輸入和對應的前輪轉向角度輸入,參考路面狀況和估算的偏轉角變化率,采用比例控制估算每個車輪在轉向時的目標滑移率,應用基于滑移率的開關控制對左右驅動輪獨立地分配轉矩。其中,基于滑移率的控制是按照路面摩擦狀況來分配每個驅動輪的轉矩,通過把輪胎與路面間的滑移率經常性地控制在最大值附近來獲得最佳的地面驅動力。同時,由于開關函數的系數是常數,在切換面的附近容易產生不理想切換引起的高頻顫振,因此在切換面附近固定寬度φ的邊界層,這樣在切換面附近采用連續控制取代開關控制,可消除顫振現象。

(3)神經網絡算法。基于BP神經網絡的電子差速控制系統實際上就是根據理論推導、專家經驗、現場實驗結果以及直覺性知識歸納出特定系統的典型學習樣本。在此基礎上通過對神經網絡的學習訓練,調整得到神經元之間的最優連接權值和各個神經元的閾值,即獲得了樣本知識的內在表達,使得神經網絡具備人工智能,車輛轉向時能自動實現差速轉向[19-21]。如文獻[21]的電子差速控制系統采用3層拓撲BP網絡。輸入層、中間層和輸出層的神經元數目分別為2、4、2。輸入層輸入特征向量分量分別為車體質心速度v0和轉角δ對應的外側和內側車輪速度v1、v2。對神經網絡進行訓練,得到最優連接權值和最優閾值,則汽車轉彎時對于任意一組允許范圍內的輸入轉角和車體速度,神經網絡差速器均可由計算程序在線實時計算輸出準確的內外側車輪轉速,作為雙電機獨立輪式驅動電機控制器的內外側車輪速度給定值。

(4)復合最優粒子群優化(PSO)算法。PSO算法是模擬鳥群覓食過程中的遷徙和群集行為的一種基于群體智能的演化計算技術,它具有可并行處理、魯棒性好等特點,能以較大概率找到問題的全局最優解,且計算效率高。如文獻[22]采用HMPSO算法,以電機轉速偏差的ITAE指標作為HMPSO算法的適應度函數。ITAE準則即誤差絕對值乘時間積分準則,對初始誤差考慮較少而主要限制過渡過程后期出現的誤差。通過采用粒子群算法實現了轉速PI調節器的參數自整定,從而達到很好的控制效果。

從以上分析可看出,電子差速的實質是在汽車轉彎時對驅動輪的轉速或轉矩進行獨立分配。目前,更多的研究人員傾向于針對轉矩進行獨立分配,這就涉及到驅動防滑的研究。電子差速的研究和驅動防滑的研究是緊密結合的,國內外已有不少學者從汽車動力學控制的角度對此作出了理論研究。目前大部分研究均集中于橫擺力矩控制策略的設計,即對各個車輪實現獨立驅動,產生使車體繞重心旋轉的橫擺力矩,進而能夠在轉向時對橫擺角速度γ和車體側偏角β進行控制,實現車輛運動的穩定性控制。采用基于滑模控制[25]、模糊控制[26]和最優控制[27]等現代控制理論的控制方法均取得了不錯的效果。如文獻[28]分析了在復雜工況下如何進行制動力分配,使得車輛響應盡可能地遵循駕駛員轉向意圖,引入變滑移率控制與橫擺力矩聯合控制的方法使車輛迅速達到穩定狀態,并保證兩者的協同工作,即大橫擺力矩對應大滑移率控制,小橫擺力矩對應小滑移率控制,同時建立一個通用的參考模型以協調橫擺力矩控制和滑移率控制,避免兩者控制邏輯沖突。國外也有學者采用與以往γ和β反饋控制不同的控制方法。如文獻[29]采用加速度信息,進行了基于“重心假定移動度”的垂直反力穩定性控制方法的研究,其控制的基本思路是:各輪胎的垂直載荷可以表示為以縱向和側向加速度為參數的表達式;從計算得到的各車輪垂直反力可推斷出重心的一個假定移動距離,這個“重心假定移動度”可被認為是垂直反力不均衡的一個指標,將這個移動度與以轉向盤轉角等輸入量所生成的參考指令值相比較,進行隨動控制,在后驅動輪上加上驅動力差,形成對駕駛員轉向動作的輔助,以實現轉向的穩定性控制。

至于控制器的選擇,研究人員通常選擇目前常用控制電機的微處理器。如 TI公司的 DSP TMS320F2812[24]、ARTX166[30]、ARM7 LPC2292[31]、Infineon XC164CS微處理器[32]等。

3 結束語

綜上所述,電動汽車差速系統研究的兩個分支(自適應差速系統和電子差速系統)在目前的研究中均取得了較多的研究成果。兩者各有優缺點。自適應差速系統差速原理簡單,但對驅動效率與機械傳動效率以及對雙轉子電機控制的研究有待于進一步深入;電子差速系統中使用了常見的無刷直流電機或永磁同步電機,對電機的控制較為成熟,而對控制變量選擇的研究以及對差速控制算法設計的研究同樣有待于進一步深入。因此,目前電動汽車的差速系統仍采用傳統的機械差速器,自適應差速系統和電子差速系統均處于概念車和實驗室研發階段,距應用于量產車型尚有一段距離。但分布式驅動形式的諸多優點決定了目前電動汽車所使用的傳統機械差速器必將由自適應差速系統或者電子差速系統所取代,未來的電動汽車采用何種差速系統仍有待于兩者的進一步發展和研究。

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Summary on Research of Differential for a Electric Vehicle

Xu Yin Chen Dong
South China University o f Technology,Guangzhou,510640

A simp le summary was carried out for the powertrain's structure of the electric vehicle.Based on this,another detailed summary was carried out for twowaysof the differential research.Oneway was designing the specialmotorw ith self adaptive differential system,and anotherway was designing the electronic differentialwhich was based on kinds of control theories.An exposition was made upon the structure and the p rinciple of the self adaptive differential.And another detailed expositionwasmade upon the structure,model,object and the control strategy of electronic differential.The advantages and disadvantages of themotor's rotational speed and torque which were chosen for the control objects were discussed.In the end,the developing p rospects o f the electric vehicle's differentialwere discussed.

electronic differential;anti-directional-bi-rotor-motor(ADBRM);electric vehicle;vehicle dynamics;A ckermann&Jeantand m odel

U464.9

1004—132X(2011)04—0498—06

2010—02—26

(編輯 王艷麗)

徐 寅,男,1986年生。華南理工大學機械與汽車工程學院碩士研究生。研究方向為兩軸實時混聯驅動系統及電子差速系統的設計。發表論文 4篇。陳 東,男,1966年生。華南理工大學機械與汽車工程學院副教授。