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电动汽车电子差速控制技术研究综述.docx
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电动汽车电子差速控制技术研究综述.docx
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车辆在过弯时其内、外轮转弯半径不一样, 外轮必须以比内轮更大的角速度旋转, 合
理控制二者角速度差可防止轮胎打滑和提高汽车的动力性
[1-2]
. 传统汽车的差速器采用机械
传动的“硬”控制方式, 即动力经由传动轴、主动齿轮传递至环齿轮, 环齿轮带动行星齿轮前
后旋转、侧齿轮左右旋转、推动同轴驱动轮以相同转向角、不同轮速按期望的转向半径转
弯行驶
[3-4]
. 轮毂电机独立驱动的电动汽车(Electric vehicle, EV)采用电子差速控制(Electronic
differential control, EDC)方式, 即根据汽车转向及动力模型, 考虑到车辆动力、经济、操控
稳定、平顺以及通过等性能, 计算各轮毂电机转速、转矩的转弯目标值, 实现精确的多轮线
性“软”控制.
轮毂电机独立驱动的电动汽车, 不需要机械差速器离合器、变速器和传动轴, 获得更
好的空间利用率, 提高了传动效率, 可实现多种复杂的驱动方式. 但电子差速控制系统需要
对每个驱动轮进行视情控制和所有驱动轮精确协同控制、以达到线性随动转弯的目的, 控
制策略非常复杂. 而且, 每个驱动轮配一电机, 增加了簧下质量, 整车的舒适性和操控性受
到影响. 因此, 电子差速控制策略, 除了需要根据转向模型和整车模型进行“粗放”转向控制,
在此基础上还必须兼顾复杂路况、稳定性和操控性进行“精细”的转向修整控制, 控制算法
繁杂. 电子差速控制, 作为全新概念的新兴转向控制技术, 在电动汽车规模化发展驱动下需
要尽快发展成熟, 从理论研究走向整车应用
[5-7]
. 目前, 用于轮毂电机独立驱动的电子差速控
制技术在理论和应用方面均尚未发展成熟.
本文阐述电动汽车驱动系统布置结构和差速控制方式, 分析集中和分布驱动结构的原
理及优缺点, 从技术、政策和市场视角阐释电子差速控制方式替代机械差速控制是大势所
趋; 给出用于电子差速控制的经典 Ackermann 转向模型和整车动力模型, 进而指出分布式
驱动结构转向控制的非线性特征; 重点综述电动汽车分布式驱动结构电子差速控制策略、
多机抗扰控制及优化算法的相关研究成果, 并从整车模型、控制策略、抗扰算法和效果验
证方面进行电子差速控制技术的总结和展望.
1. 电动汽车差速控制及其发展分析
1.1 电动汽车机械差速控制方式分析
集中驱动式电动汽车采用机械差速控制, 用电动机及相关部件替代传统汽车的内燃机.
二者有相似的驱动结构, 均通过变速器、差速器、减速器等机械传动装置, 将输出力矩传递
到驱动轮
[8-9]
, 如图 1 所示. 图 1(a)为横向前置前驱的单电动机集中驱动结构, 电动机 M、减
速器 G 和机械差速器 D 集成为一体, 置于前驱动桥上. B 为电池, VCU (Vehicle control unit)
为整车控制器, 位置灵活. 图 1(b)为纵向前置前驱的单电动机集中驱动结构, 电动机 M、减
速器 G 和机械差速器 D 分散置于中间传动轴上.
分布式驱动根据电动汽车自身特点采用车轮独立驱动形式, 各驱动轮力矩的控制方式
由硬连接变成软连接, 满足无级变速需求及实现电子差速功能
[10-11]
. 图 2(a)为双电机分布驱
动结构, 两个电机 M 连接减速器 G, 安装于前驱动桥上, 分别驱动左右两侧车轮, 通过整车
控制器 VCU 中的电子差速控制器 D 实现转向行驶. 图 2(b)为轮毂电机分布式驱动结构, 电
动机和减速器安装在轮毂里, 省去传动轴和差速器, 简化了传动系统.
图 2 多电动机分布驱动结构
Fig. 2 Multi-motor distributed drive structure
下载: 全尺寸图片 幻灯片
分布式驱动电动汽车驱动力矩响应迅速, 正反转灵活切换, 在恶劣工况下的适应能力
强; 在硬件及软件控制方面, 更容易实现电气制动、机电复合制动及再生制动; 经济性更
高, 续驶里程更长; 在行驶稳定性方面, 更容易实现对横摆力矩、纵向力矩的控制, 从而提
高整车的操纵稳定性及行驶安全性
[12-13]
.
但是, 将电机安装于轮内导致簧下质量增重, 导致车辆垂直方向的振动幅度变大, 影响
车辆行驶过程中的平顺性与舒适性. 因此, 簧下质量的轻量化将会是分布式电动汽车发展中
的重要设计指标.
1.3 电动汽车差速控制方式发展分析
电力电子技术在轮毂电机驱动应用领域的深入渗透和电子差速控制理论的发展, 正推
动分布式驱动技术从算法研究走向整车应用. 分布式电机驱动的电动汽车因采用电子差速
控制技术, 比目前尚为主流的机械转向控制的集中式电动汽车, 在动力学控制、整车结构设
计、能量效率等方面拥有无可比拟的优势, 日益受青睐.
目前, 对电动汽车分布式驱动技术的支持, 亦已上升到国家战略高度. 中国十三五规划
大力推动“分布式驱动”技术, 实施“纯电驱动”技术转型战略, 根据“三纵三横”研发体系, 突
破纯电动力系统的基 础前沿和核心关键技术
[14]
. 电动汽车驱动系统的布置结构, 由单一动
力源的集中式驱动向多动力源的分布式驱动的转变已是大势所趋. 相应的, 机械差速控制方
式必将被电子差速控制方式替代.
获益于利好政策的强大助力, 国内外电动汽车市场正井喷式发展. 《2018 全球电动汽
车展望》
[15]
报告指出: 2017 年全球电动汽车保有量超过 300 万辆, 相比 2016 年增长了
57 %, 打破历史记录; 中国的电动汽车保有量最高, 达到了 123 万辆左右、占全球电动汽车
保有量的 40 %左右. 该报告还指出, 近三年中国电动汽车的保有量增速分别约为 197 %、
107 %和 89 %, 位列全球第一. 《2019 全球电动汽车展望》
[16]
报告指出: 2018 年全球电动汽
车保有量超过 510 万辆, 新车保有量几乎翻倍; 中国依然是市场巨头, 市场存量已经超过
200 万台. 该报告预测, 随新能源迅速发展, 到 2030 年全球电动汽车销量将突破 2 300 万辆,
保有量将超过 1.3 亿. 电动汽车市场容量的大幅扩张, 为分布驱动结构的普及和电子差速控
制技术的进步提供了快速发展的契机.
尽管在技术、政策和市场三方驱动下, 电子差速控制方式有望替代机械差速控制方式,
但必须认识到: 电子差速控制技术的理论及应用研究尚未发展成熟. 轮毂电机工作环境严
苛, 灰尘、砂石、泥水等经轮胎作用于轮毂电机, 使其发生不同程度的震动, 对其控制策略
及算法要求非常高. 目前, 轮毂电机控制技术有待解决若干瓶颈问题:
1) 控制策略不全面, 仅考虑转速为控制变量时, 忽略实际路面情况、过于简单化, 仅
考虑转矩为控制变量时, 忽略转速特性、过于理想化, 顾此失彼.
2) 电子差速系统没有统一的规范, 各种控制方法褒贬不一, 缺乏实车论证.
3) 车辆自由度模型考虑不完整, 参考状态量有一定的偏差, 因此控制效果有待考量.
4) 将电机镶嵌在轮胎中, 导致簧上质量增加, 转向灵敏度相对较低.
因此, 电子差速控制技术在分布式驱动结构电动汽车的整车应用尚任重道远, 取代机
械差速器的路程不可以一蹴而就, 需要系统、深入地研究差速控制理论, 全面、精准地考量
差速控制策略的效果, 并实车验证差速控制技术的可用性.
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