电动汽车差速系统研究综述

徐 寅 陈 东

华南理工大学,广州,510640

电动汽车差速系统研究综述

徐 寅 陈 东

华南理工大学,广州,510640

总结了电动汽车传动系统的结构布置情况及电动汽车差速系统研究的两个方向——自适应差速的特殊电机设计和基于各种控制理论采用差速控制策略的电子差速系统设计。阐述了自适应差速系统的结构及其差速原理,并详细阐述了电子差速系统的控制结构、控制模型、控制变量及控制策略,同时对目前电子差速系统选择电机转速和转矩作为控制变量的利弊进行了探讨。最后,展望了电动汽车差速系统的发展前景。

电子差速;双转子电机;电动汽车;车辆动力学;Ackermann&Jeantand模型

0 引言

电动汽车动力传动系统的结构布置主要有两种方式:集中式和分布式。集中式驱动是指在传统内燃机汽车安装发动机的位置以一个电动机代替内燃机,其他传动系统的结构不改变的驱动形式;分布式驱动是根据电动汽车自身特点采用车轮独立驱动的驱动形式[1-2]。分布式驱动电动车在回馈制动、机动性、车身内部空间利用率、可控性等方面均优于内燃机汽车和集中式驱动电动车[3],因此,采用分布式驱动方式是电动汽车发展的一个重要方向。集中式驱动电动汽车应用机械差速器即可完成转向,而分布式驱动电动汽车的每一个驱动轮连接一个电机转子,每个电机转子可以单独提供驱动力矩,两驱动轮间去掉了机械差速器。

目前,对分布式驱动电动汽车差速系统的研究可分为两个方向:一个方向为自适应差速的特殊电机设计;另一个方向为应用基于各种控制理论采用差速控制策略的电子差速系统设计。本文主要从这两个方向分析电动汽车差速系统的研究现状,并探讨存在的问题及其发展方向。

1 自适应差速

自适应差速是一种采用与传统汽车机械差速器原理十分类似的、可差速运行的双转子电机作为驱动电机,在电动汽车转向时可实现自差速的方法。双转子电机直接安装在驱动桥上,代替常规机械驱动桥的传动轴、主减速器和差速器等构件,集驱动、差速、制动能量再生为一体。如双转子轴向磁通电机、反相双转子电机、复合多相双转子电机等均可实现差速运行,能直接作为驱动电机。双转子电机尽可能多地挖掘电机内部有效空间,提供高效率、高功率密度的电驱动,因而受到研究人员的广泛关注[4-5]。日本横滨国立大学河村研究室利用该类电机进行轴间驱动,在铃木吉姆尼小型越野车的基础上改装了一款四轮驱动电动车。伊朗Jovain电机公司的Farzad和德黑兰大学的Reza等改装了一台双电机独立驱动样车[6],采用了每个电机连接减速器并由减速器短半轴输出转矩的组合式驱动桥结构。华南理工大学广东省汽车工程重点实验室及广汽集团共同研制出了四轮驱动混合动力汽车用的对转双转子电机,设计了一种发动机集成ISG的机械前桥驱动及双转子电动差速后桥驱动的新型驱动系统[5],并将其应用于广汽集团的概念车SUV XPower上。国内外还有其他研究人员也进行了类似的研究工作[7-11],但所有研究人员设计所依据的自适应差速原理却是相同的。本文以对转双转子电机为例说明自适应差速原理。

1.1 电机结构

对转双转子电机由一个定子、一个永磁内转子和一个杯形外转子构成,其结构既可看作是由一个永磁同步电机和一个三相异步电机级联构成的电机结构,也可看作是由级联式无刷双馈电机演变而来的新型电机结构[5]。

双转子电机控制器输出的电流经导线和集流滑环机构引入到外转子上的绕组并构成闭合回路。基于普通永磁直流电机的机理,外转子电枢绕组在气隙磁场中做切割磁场运动时会产生感应电动势,同时,由于电枢绕组中有电流流通,因此会产生电磁转矩。在传统电机中,定子受到推动转子运转而产生的电磁反作用力的作用,此反作用力通过机架外壳产生的反力与之抵消,不做功。而当对转双转子电机传送电磁功率的气隙磁场对外转子有电磁力作用时,内转子的磁极也同时承受反力,故可利用作用力和反作用力共同做功驱动车轮运转。

1.2 差速原理

在传统直流电机中,磁极产生的主磁场不是旋转的,双转子电机的磁极随内转子同大地参照系有相对转动。根据运动的相对性,设双转子电机内外转子转速分别为n in、n out,磁极固定时(传统电机模式)的转子机械转速为n。该电机构建了两个原动组件,为具有两自由度的机械结构,所以在一般正常拖带负载状态下,电机的转速特征为n=nin+nout。转速n实际上就是内转子以运动的绕组(外转子)为参照系的机械转速。在双转子电机中,把转速n称为相对转速。在运行过程中,电机的各个技术参数是受nin与nout的变化共同影响的,即相对转速n的任一微小变化,都会造成双转子电机各个技术参数的改变。因此,对双转子电机的控制实质上是对相对转速n的控制,而电机两个转子的实际转速则是以两个转子的转速之和或者之差的代数值形式与相对转速建立对等变化关系。这与传统车辆上使用的差速器原理十分类似[5-11]。

双转子电机的两个转子输出特性有

式中,Tin、Tout分别为内外转子输出力矩;Te为电磁转矩。

利用双转子电机作为驱动电机实现电动汽车的自适应差速具有上述诸多优点,但其自身仍不够完善。这主要是由双转子电机结构及工作原理决定的,在其运转时,电机的两个转子上产生的是两个大小相同而方向相反的力矩,两个转子的转向相反。因此,在利用双转子电机作为驱动电机时,需通过安装在两转子外侧的换向减速行星排的换向减速作用,使双转子电机两个转子分别带动两侧半轴向同一个方向以相同的扭矩输出功率。可见,自适应差速系统去掉了集中式驱动形式中的机械差速器,但又增加了换向减速行星排这一机械结构。有关换向减速行星排与机械差速器之间机械传动效率比较的文献,笔者尚未检索到。但笔者认为换向减速行星排的机械传动效率若不明显优于机械差速器,则应用双转子电机作驱动电机实现自适应差速并无较高的实用价值,因为对双转子电机如何进行高效控制是目前研究的一个热点与难点,其控制难度要明显高于目前用于集中式驱动形式中无刷直流电机和永磁同步电机的控制难度。因此,电动汽车自适应差速系统在驱动效率与控制策略方面仍需进一步深入研究。

2 电子差速

电子差速是基于各种控制理论并根据设计控制策略设计控制器控制左右两个驱动轮驱动电机,从而实现电动汽车差速转向的方法。目前,国内外的研究人员依据电动汽车结构的不同,选择无刷直流电机或永磁同步电机作为驱动电机,并设计了各种电子差速系统。

2.1 控制结构

电子差速系统控制结构归纳起来有两种:四轮差速控制和两轮差速控制[12-28]。

(1)四轮差速控制。四轮电子差速控制应用在四轮毂电机独立驱动的电动汽车中,用一个控制单元汇总所有的信息,包括传感器信息和状态估计信息,通过预先选择的算法调节四个轮毂电机实现差速转向。文献[12]以汽车左前轮转速作为标定车速,调节其他三个车轮转速,四个车轮绕转向中心同角度旋转从而实现差速。文献[13]基于前轴整体转向设计了四轮差速控制系统,控制器通过调节四个轮毂电机的转速来实现差速,其独到之处在于当电动汽车转弯时,整个前轴可绕前轴中心整体旋转一定的角度。四轮差速控制车辆的数学模型复杂,需要控制器计算四个驱动轮的速度,并同时控制四个轮毂电机,对控制器的设计要求较高。因此,四轮差速控制主要应用于需要四轮驱动的电动汽车上。

(2)两轮差速控制。两轮差速控制应用在前轮作为导向轮、两电动轮后驱的电动汽车上。汽车转向时,控制器调节两个后电动轮以驱动电机实现差速。两轮差速控制与四轮差速控制相比,因其只需控制两个驱动电机,故而控制系统的结构与控制策略均要简单些。因此,目前电子差速的研究大部分采用两轮差速控制的结构。

2.2 控制模型

在设计电子差速控制策略的过程中,对于整车控制数学模型,研究人员多采用理想汽车转向模型——Ackermann&Jeantand模型作为分析基础。该模型假设符合以下条件:车在转向时,四个轮的中轴线相交于同一转向瞬心O;车体为刚性;车轮做纯滚动,即不考虑已发生滑移、滑转和轮胎离开地面的运行状态;轮胎变形量与侧向力成正比,即不考虑轮胎材质与结构上的非线性和因垂直载荷不同造成的轮胎侧向弹性系数的变化。在此基础上,整车的动力学分析忽略汽车的悬架特性,选取纵向、侧向和横摆三个自由度,建立整车动力学模型。

有的学者认为不需要建立转向模型,只需针对驱动轮建立电动轮旋转动力学方程进行分析即可。文献[14]认为以理想汽车转向模型生成各车轮理想转速并以此控制车轮转速,这相当于重新将各车轮转速互相联系起来,由于车轮转动参数的互相约束,使四个车轮运动自由度不足,易导致车轮拖滑或滑转。整车控制器不必针对汽车的差速问题设计复杂的控制器,只需根据汽车的运动状态输出驱动电机的转矩指令信号,而电动轮系统的转速则由电机转矩与电动轮系统的平衡点决定。

2.3 控制变量

对于控制变量的选择,从现有的文献分析,有两种选择:①以电机输出转速为控制变量;②以电机输出转矩为控制变量。如文献[12]设计的四轮电子差速转向控制系统即采用电机转速为控制变量。文献[16]考虑到车辆转向行驶时轴荷转移、向心力以及轮胎侧偏角的影响,通过控制车轮的滑移率,计算每个车轮需要的驱动力矩,从而控制电机输出转矩实现电子差速。

但是,对于选择转速或者转矩为控制变量,研究人员有各自不同的看法。有学者认为车辆行驶的路况复杂,各个电动轮的负载转矩变化频繁且随机因素多,若采用直接转矩控制作为电动轮的控制策略,将使得处于控制系统上层的电子差速算法变得很复杂,且难以获得较好的控制效果[17]。也有学者认为将每个车轮轮速作为控制变量,在给定转角的情况下,四个轮速和整车速度五个量的自由度为1。如果是后轮驱动,同时对两个驱动轮进行转速控制,实际系统稍有误差就会产生矛盾,导致被控车轮滑移率不同,甚至会有滑转出现,造成系统不稳定[18]。可见,以转速或者转矩为控制变量均有缺点。笔者认为,从理论上分析,考虑汽车滑移率及系统动力学,以电机输出转矩为控制变量的方法更优,但如何优化转矩控制的电子差速算法有待进一步深入研究。或者避开转速控制和转矩控制各自的缺点,并不固定采用转速或者转矩作为控制变量,依据车辆的行驶情况选择两者之一作为控制变量的方法也不失为研究的一个新方向。

2.4 控制策略

在设计电子差速控制策略时,基于何种控制理论进行设计具有重要的意义,它直接影响到电子差速系统的控制品质。就目前的研究分析而言,研究人员主要选择以下几种控制理论。

(1)滑模控制理论。滑模控制是一种特殊的非线性控制方法,它根据系统当时的状态、偏差及其导数值,在不同的区域以理想开关的方式切换控制量的大小和符号,使系统状态在理想状态附近来回运动。滑模控制系统作为变结构控制系统的一种,已形成了一套比较完整的理论体系,并已广泛应用于各种工业控制对象之中。这种滑模控制系统的最大特点就是系统具有极强的鲁棒性,即对被控对象的模型误差、对象参数的变化以及外部干扰有极佳的不敏感性[15]。如文献[16]提出的基于滑模控制的电子差速控制策略,根据每个驱动轮的目标滑移率,分别设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,并考虑到滑模控制在切换面附近容易产生颤振的问题,在切换面附近设置边界层宽度φ=0.001;当汽车转向时,以整车质心速度为参考,计算每个车轮绕转向中心的线速度,进而得出每个车轮需要的电机转速,通过向电机控制器发出电压指令实现电机转速的调节,从而调整车轮转速,合理地分配每个电机的输出转矩,实现车轮的纯滚动转向行驶。

(2)开关控制理论。采用开关控制可以提高控制的鲁棒性和稳定性。如文献[18]将转弯时的转矩分配计算和车轮滑移率控制相结合,根据来自加速踏板的转矩输入和对应的前轮转向角度输入,参考路面状况和估算的偏转角变化率,采用比例控制估算每个车轮在转向时的目标滑移率,应用基于滑移率的开关控制对左右驱动轮独立地分配转矩。其中,基于滑移率的控制是按照路面摩擦状况来分配每个驱动轮的转矩,通过把轮胎与路面间的滑移率经常性地控制在最大值附近来获得最佳的地面驱动力。同时,由于开关函数的系数是常数,在切换面的附近容易产生不理想切换引起的高频颤振,因此在切换面附近固定宽度φ的边界层,这样在切换面附近采用连续控制取代开关控制,可消除颤振现象。

(3)神经网络算法。基于BP神经网络的电子差速控制系统实际上就是根据理论推导、专家经验、现场实验结果以及直觉性知识归纳出特定系统的典型学习样本。在此基础上通过对神经网络的学习训练,调整得到神经元之间的最优连接权值和各个神经元的阈值,即获得了样本知识的内在表达,使得神经网络具备人工智能,车辆转向时能自动实现差速转向[19-21]。如文献[21]的电子差速控制系统采用3层拓扑BP网络。输入层、中间层和输出层的神经元数目分别为2、4、2。输入层输入特征向量分量分别为车体质心速度v0和转角δ对应的外侧和内侧车轮速度v1、v2。对神经网络进行训练,得到最优连接权值和最优阈值,则汽车转弯时对于任意一组允许范围内的输入转角和车体速度,神经网络差速器均可由计算程序在线实时计算输出准确的内外侧车轮转速,作为双电机独立轮式驱动电机控制器的内外侧车轮速度给定值。

(4)复合最优粒子群优化(PSO)算法。PSO算法是模拟鸟群觅食过程中的迁徙和群集行为的一种基于群体智能的演化计算技术,它具有可并行处理、鲁棒性好等特点,能以较大概率找到问题的全局最优解,且计算效率高。如文献[22]采用HMPSO算法,以电机转速偏差的ITAE指标作为HMPSO算法的适应度函数。ITAE准则即误差绝对值乘时间积分准则,对初始误差考虑较少而主要限制过渡过程后期出现的误差。通过采用粒子群算法实现了转速PI调节器的参数自整定,从而达到很好的控制效果。

从以上分析可看出,电子差速的实质是在汽车转弯时对驱动轮的转速或转矩进行独立分配。目前,更多的研究人员倾向于针对转矩进行独立分配,这就涉及到驱动防滑的研究。电子差速的研究和驱动防滑的研究是紧密结合的,国内外已有不少学者从汽车动力学控制的角度对此作出了理论研究。目前大部分研究均集中于横摆力矩控制策略的设计,即对各个车轮实现独立驱动,产生使车体绕重心旋转的横摆力矩,进而能够在转向时对横摆角速度γ和车体侧偏角β进行控制,实现车辆运动的稳定性控制。采用基于滑模控制[25]、模糊控制[26]和最优控制[27]等现代控制理论的控制方法均取得了不错的效果。如文献[28]分析了在复杂工况下如何进行制动力分配,使得车辆响应尽可能地遵循驾驶员转向意图,引入变滑移率控制与横摆力矩联合控制的方法使车辆迅速达到稳定状态,并保证两者的协同工作,即大横摆力矩对应大滑移率控制,小横摆力矩对应小滑移率控制,同时建立一个通用的参考模型以协调横摆力矩控制和滑移率控制,避免两者控制逻辑冲突。国外也有学者采用与以往γ和β反馈控制不同的控制方法。如文献[29]采用加速度信息,进行了基于“重心假定移动度”的垂直反力稳定性控制方法的研究,其控制的基本思路是:各轮胎的垂直载荷可以表示为以纵向和侧向加速度为参数的表达式;从计算得到的各车轮垂直反力可推断出重心的一个假定移动距离,这个“重心假定移动度”可被认为是垂直反力不均衡的一个指标,将这个移动度与以转向盘转角等输入量所生成的参考指令值相比较,进行随动控制,在后驱动轮上加上驱动力差,形成对驾驶员转向动作的辅助,以实现转向的稳定性控制。

至于控制器的选择,研究人员通常选择目前常用控制电机的微处理器。如 TI公司的 DSP TMS320F2812[24]、ARTX166[30]、ARM7 LPC2292[31]、Infineon XC164CS微处理器[32]等。

3 结束语

综上所述,电动汽车差速系统研究的两个分支(自适应差速系统和电子差速系统)在目前的研究中均取得了较多的研究成果。两者各有优缺点。自适应差速系统差速原理简单,但对驱动效率与机械传动效率以及对双转子电机控制的研究有待于进一步深入;电子差速系统中使用了常见的无刷直流电机或永磁同步电机,对电机的控制较为成熟,而对控制变量选择的研究以及对差速控制算法设计的研究同样有待于进一步深入。因此,目前电动汽车的差速系统仍采用传统的机械差速器,自适应差速系统和电子差速系统均处于概念车和实验室研发阶段,距应用于量产车型尚有一段距离。但分布式驱动形式的诸多优点决定了目前电动汽车所使用的传统机械差速器必将由自适应差速系统或者电子差速系统所取代,未来的电动汽车采用何种差速系统仍有待于两者的进一步发展和研究。

[1] Xiao Fang,Zhang Jiqiang,Tu H ailing.Electric Vehicles:Clean D riving that Presages the 21st Century[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2002.

[2] 张金柱.混合动力汽车结构、原理与维修[M].北京:化学工业出版社,2008.

[3] 宁国宝,万钢.轮边驱动系统对车辆垂向性能影响的研究现状[J].汽车技术,2007(3):21-25.

[4] 邓志君,罗玉涛,周斯加,等.新型车用对转双转子电机的研究[J].电气传动,2007,37(7):10-13.

[5] 周斯加,罗玉涛,黄向东.双转子电机混合动力汽车驱动特性研究[J].中国机械工程,2008,19(16):2011-2015.

[6] Farzad T,Reza K,Shahrokh F.A Novel D river Assist Stability System for A ll-w heel-driven Electric Vehicles[J].IEEE T ransactions on Vehicu lar Technology,2003,52(3):683-692.

[7] 陈鹏.新型混合动力汽车双转子电机控制系统的设计[D].天津:河北工业大学,2007.

[8] 蒋富民.作用力和反作用力等同共用与技术规律[J].科学技术与工程,2005,5(5):289-292.

[9] Kaw amura A,Hoshi N,K im T W,et al.Analysis of Anti-diretional-Tw in-rotary M otor D rive Characteristics for Electric Vehicle[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1997,44(1):64-70.

[10] Kaw amura A,Okubora T,Sugaw ara T,et al.A-nalysis on the Tw o Axis Motor(Super Motor)for Electric Vehicles[C]//Proceedings of the 8th IEEE Internatiaonal Workshop on Advanced Motion Control.Kaw asaki,2004:71-74.

[11] Patrick M,Kelecy R,Lorenz D.Contro lMethodology for Single Inverter Parallel Connected Dual Induc tion Motor D rives for Electric Vehicles[C]//Proceedings of IEEE,PESC Conference.Taipei,1994:987-991.

[12] 万钢,陈辛波,余卓平,等.四轮电子差速转向控制系统:中国,02136498.2[P].2004-08-14.

[13] Xu Peng,Guo Guifang,Cao Jianbo,et al.A Novel Fore Axle Whole-turning D riving and Control System for Direct-w heel-d riven Electric Vehicle[C]//IEEE International Conference on Automation and Logistics.Qingdao,2008:705-708.

[14] 靳立强,王庆年,张缓缓,等.电动轮驱动电动汽车差速技术研究[J].汽车工程,2007,29(8):700-704.

[15] 田宏奇.滑模控制理论及其应用[M].武汉:武汉出版社,1995.

[16] 赵艳娥,张建武.轮毂电机驱动电动汽车电子差速系统研究[J].系统仿真学,2008,20(18):4767-4775.

[17] 吴志红,郭毅,朱元,等.四轮独立驱动电动车主控制器设计与实现[J].机械与电子,2008(7):28-31.

[18] 葛英辉,倪光正.新的轮式驱动电动车电子差速控制算法的研究[J].汽车工程,2005,27(3):340-343.

[19] 沈勇,吴新文.基于复合神经网络模型的四轮独立驱动电动车控制[J].汽车工程,2004,26(4):458-460.

[20] Lee JS,Ryoo Y J,Lim YC,et al.A NeuralNetw ork Model of Electric Differential System for E-lectric Vehicle[C]//Proceedings o f the 26th IEEE International Conference on Industrial Electronics,Control and Instrumentation.Nagoya:IEEE,2000:83-88.

[21] 唐文武,陈世元,郭建龙.基于BP神经网络的电动车电子差速器设计[J].汽车工程,2007,29(5):437-440.

[22] 谭国俊,钱苗旺,赵忠祥,等.双电机独立驱动电动车辆电子差速控制[J].微特电机,2009(6):33-36.

[23] Tao Guilin,Ma Zhiyum,Zhou Libing,et al.A Novel D riving and Control System for Directw heel-d riven Electric Vehicle[J].IEEE T ransactions on M agnetics,2005,41(1):497-500.

[24] M agallan G A,de Angelo C H,Bisheimer G.A Neighborhood Electric Vehiclew ith Electronic Differential Traction Control[C]//Industrial Electronics 2008,34th Annual Conference of IEEE.O rlando,2008:2757-2763.

[25] Byunghak K,Young jin P.Robust Vehicle Stability Controller by M ultip le Sliding M ode Control[J].SAE Paper,2001-01-1060.

[26] Farzad T,Shahrokh F,Reza K.A Fuzzy Logic Direct Yaw-moment Contro l System for A llw heel-drive Electric Vehicles[J].Vehicle System Dynamics,2004,41(3):203-221.

[27] Esmailzadeh E,Goodarzi A,Vossoughi G R.Op timal Yaw Moment Control Law for Imp roved Vehicle H and ling[J].Mechatronics,2003,13:659-675.

[28] 余卓平,高晓杰,张立军.用于车辆稳定性控制的直接横摆力矩及车轮滑移率联合控制研究[J].汽车工程,2006,28(9):844-848.

[29] 河岛清贵,内田利之,堀洋一.超级电容器驱动小型电动车的车辆运动稳定性控制研究[J].河北工业大学学报,2007,36(5):16-21.

[30] 吴志红,范雪峰,朱元.基于ARTX166实时内核的电子差速系统设计[J].机械与电子,2008(12):20-24.

[31] 谢鑫刚.基于A RM 7的双驱动电动车控制系统设计[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[32] 吴志红,童鑫,朱元.基于Infineon XC164CS四轮电子差速系统设计方案[J].电子技术应用,2008(4):37-43.

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

(编辑 王艳丽)

徐 寅,男,1986年生。华南理工大学机械与汽车工程学院硕士研究生。研究方向为两轴实时混联驱动系统及电子差速系统的设计。发表论文 4篇。陈 东,男,1966年生。华南理工大学机械与汽车工程学院副教授。