純電動汽車電子差速系統(tǒng)研究綜述

王鵬 陶小松 曹曉玉

摘 要：文章綜述了純電動汽車的驅(qū)動結(jié)構(gòu)以及輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車的優(yōu)點(diǎn)，然后闡述了純電動汽車電子差速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，并詳細(xì)介紹了電子差速系統(tǒng)的控制方法和控制理論，同時對三種控制方法進(jìn)行了對比分析，指出其優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)場合。最后對純電動汽車電子差速的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：電動汽車;電子差速;控制策略;輪轂電機(jī)

中圖分類號：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-27-04

Abstract： Article summarizes the pure electric vehicle drive structure and the advantages of the wheel hub motor drive electric vehicle， and then expounds the pure electric vehicle electronic differential system structure and working principle of and the electronic differential system are introduced in detail the control method and control theory， at the same time analyzed the three kinds of control methods， points out its advantages and disadvantages and to adapt to the situation. Finally， the development of electronic differential speed of pure electric vehicle is prospected.

Keywords： Electric vehicles; Electronic differential; Control strategy; Wheel hub motor

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-27-04

引言

隨著我國新能源汽車的迅猛發(fā)展，純電動汽車因其節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢成為新能源汽車的重要發(fā)展方向[1]。純電動汽車按照驅(qū)動結(jié)構(gòu)可分為中置電機(jī)驅(qū)動電動汽車和輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車。中置電機(jī)驅(qū)動也就是集中式電機(jī)驅(qū)動，是指在傳統(tǒng)汽車安裝發(fā)動機(jī)位置的位置替換成電機(jī)，保留了傳統(tǒng)汽車的傳動結(jié)構(gòu)。輪轂電機(jī)驅(qū)動是將電機(jī)安裝在車輪內(nèi)，省去了減速器與差速器。輪轂電機(jī)驅(qū)動相比于集中式單電機(jī)驅(qū)動和傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)驅(qū)動有如下優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)械結(jié)構(gòu)變得簡單，省去了傳統(tǒng)汽車的傳動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了整車的輕量化;②各驅(qū)動輪通過線控技術(shù)可直接獨(dú)立控制其轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，控制更加靈活;③易于實(shí)現(xiàn)再生制動和能量回收;④簡化了底盤結(jié)構(gòu)，提升了車輛的空間利用率。⑤采用電子差速，使車輛在轉(zhuǎn)彎時根據(jù)當(dāng)前工況，通過線控的方式主動的調(diào)節(jié)內(nèi)外側(cè)驅(qū)動輪的驅(qū)動扭矩和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向[2]。本文對輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車電子差速系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

1 電子差速系統(tǒng)

電子差速系統(tǒng)是指以各種控制理論為基礎(chǔ)，以各種軟件控制器來控制左右兩個驅(qū)動輪的行轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，從而使其滿足差速轉(zhuǎn)向的方法。目前，輪轂電機(jī)技術(shù)趨于成熟，電動汽車上的輪轂電機(jī)有：感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁電機(jī)[3]。三種類型的電機(jī)性能比較如表1所示。

2 電子差速控制結(jié)構(gòu)

汽車的轉(zhuǎn)向方式可分為前輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向，前輪轉(zhuǎn)向指汽車前輪有轉(zhuǎn)向功能而后輪沒有，四輪轉(zhuǎn)向指汽車前輪和后輪均有轉(zhuǎn)向功能，當(dāng)前輪和后輪轉(zhuǎn)向一致時為同向控制，當(dāng)前輪和后輪轉(zhuǎn)向相反時為逆向控制。所以，電子差速控制結(jié)構(gòu)可分為兩種：兩輪差速控制和四輪差速控制。

（1）兩輪差速控制

兩輪差速控制應(yīng)用在前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動或前輪轉(zhuǎn)向前輪驅(qū)動的電動汽車上，汽車轉(zhuǎn)向時，電子差速控制器調(diào)節(jié)兩后輪驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)差速功能。相比于四輪差速控制，其結(jié)構(gòu)和控制策略均要簡單些。文獻(xiàn)[4]提出了基于Ackermann轉(zhuǎn)向模型設(shè)計(jì)的差速模擬試驗(yàn)臺架，對前輪采用一個驅(qū)動電機(jī)實(shí)行力矩控制，另一個驅(qū)動電機(jī)實(shí)行速度控制的PID閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向差速。

（2）四輪差速控制

四輪差速控制應(yīng)用在四輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車上，它是基于轉(zhuǎn)向模型提前設(shè)計(jì)好的協(xié)調(diào)內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的控制算法來調(diào)節(jié)四個驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。文獻(xiàn)[5]提出了基于四輪差速的電子差速控制方法：基于Ackermann轉(zhuǎn)向模型來計(jì)算內(nèi)外側(cè)車輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，然后對目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行追蹤，同時對滑移率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。文獻(xiàn)[6]基于差分原理的綜合分析，提出一種車輛前軸可繞前軸中心轉(zhuǎn)動的四輪差速控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了差速轉(zhuǎn)向。四輪差速控制要同時獨(dú)立的控制四個驅(qū)動電機(jī)，相比兩輪差速其控制器的設(shè)計(jì)要求更高，控制策略更為復(fù)雜。

3 電子差速控制方法

電動汽車電子差速控制方法歸納起來有三種：基于控制驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)電子差速、基于控制驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)電子差速和基于控制驅(qū)動輪的滑移率來實(shí)現(xiàn)電子差速。

（1）基于驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)電子差速控制

通常是依據(jù)Ackermann&jeantand轉(zhuǎn)向模型來計(jì)算車輪目標(biāo)轉(zhuǎn)速，然后采用一些控制算法對目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行追蹤，實(shí)現(xiàn)差速功能。文獻(xiàn)[7]針對四輪獨(dú)立驅(qū)動的低速電動車，基于驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，采用Ackermann&jeantand轉(zhuǎn)向模型來約束四個車輪之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系，據(jù)此采用PID控制實(shí)現(xiàn)了電子差速。文獻(xiàn)[8]基于Ackermann&jeantand轉(zhuǎn)向模型，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)了微分系統(tǒng)的非線性與車輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向角的關(guān)系，得出了車輛在不同車速和轉(zhuǎn)向角情況下的內(nèi)外側(cè)車輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。實(shí)現(xiàn)了差速轉(zhuǎn)向。

（2）基于驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)電子差速控制

車輛在轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速是不相同的，因此內(nèi)外輪所需要的轉(zhuǎn)矩也是不同的，如果車輛轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)矩相同，就會導(dǎo)致內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)矩過大使車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)矩過小使車輪發(fā)生滑移，影響了車輛穩(wěn)定性。所以，通過獨(dú)立控制內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)矩，使內(nèi)外側(cè)驅(qū)動輪的滑移率保持在最佳范圍內(nèi)，提高車輛穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，來保證兩側(cè)驅(qū)動輪的滑移率趨于一致。通過Matlab/simulink建立計(jì)算機(jī)仿真模型并且對控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)論表明其控制策略的有效性。

（3）基于驅(qū)動輪滑移率來實(shí)現(xiàn)電子差速控制

滑移率對車輛的行駛穩(wěn)定性有很大的影響，因此滑移率成為電子差速控制的重要因素。

把電動汽車兩側(cè)驅(qū)動輪的滑移率差輸入到電子差速控制器，然后輸出轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)百分比，使輸出轉(zhuǎn)矩得到了控制，實(shí)現(xiàn)了電子差速功能。文獻(xiàn)[10]對基于滑移率的輪轂式電動汽車電子差速控制進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了一個線性二次型最優(yōu)滑模電子差速器，通過驅(qū)動輪滑移率的控制，實(shí)現(xiàn)了的電子差速控制功能。文獻(xiàn)[11]提出了一種雙閉環(huán)滑移率控制的電力差動系統(tǒng)，指出將滑移率控制在最優(yōu)范圍內(nèi)，會大大降低了因速度差失控帶來危險的可能性。

以上三種控制方法都有各自的特點(diǎn)，基于轉(zhuǎn)速控制的差速方法，它的本質(zhì)是對兩側(cè)驅(qū)動輪施加了一個Ackermann& jeantand轉(zhuǎn)向模型約束，只進(jìn)行了靜態(tài)分析，沒有考慮輪胎特性、車身側(cè)傾、轉(zhuǎn)彎時的離心力和向心力等，所以它只適用于低速工況。基于轉(zhuǎn)矩控制的差速方法，它是先計(jì)算驅(qū)動輪的需求轉(zhuǎn)矩，再對車輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立控制，所以每個車輪有自己獨(dú)立自由度，但是存在橫擺力矩大的問題?；隍?qū)輪滑移率控制的差速方法，它的本質(zhì)是將兩側(cè)驅(qū)動輪的滑移率差值輸入到電子差速控制器，然后輸出轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)百分比，控制轉(zhuǎn)矩進(jìn)而控制滑移率，最終實(shí)現(xiàn)差速，但單一的局限于滑移率控制，很難滿足汽車復(fù)雜的行駛工況。因此，筆者認(rèn)為應(yīng)該同時考慮滑移率、驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩以及汽車行駛動力學(xué)里的質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度等。

4 電子差速控制理論

電子差速控制理論對研究電動汽車電子差速控制策略有著極其重要的意義，其控制品質(zhì)直接決定了車輛的差速品質(zhì)，目前基于以下幾種控制理論。

（1）現(xiàn)代PID 控制

PID控制，其原理簡單，便于控制操縱，但傳統(tǒng)PID控制有以下缺點(diǎn)：①超調(diào)量較大;②用于非線性系統(tǒng)時魯棒性不強(qiáng);③用于多變量關(guān)聯(lián)系統(tǒng)時適應(yīng)性慢，所以出現(xiàn)了現(xiàn)代PID控制，是將智能控制引入到傳統(tǒng)PID中。這樣不經(jīng)發(fā)揮了傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)，同時可以使用上述控制理論調(diào)節(jié)PID參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)快速適應(yīng)被控對象的變化。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于PID控制和模糊控制的電子差速控制策略，設(shè)計(jì)了一個PID模糊控制器，實(shí)際滑轉(zhuǎn)率與目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率的差值作為輸入量，輸出為附加轉(zhuǎn)矩，再結(jié)合油門踏板信號，來協(xié)調(diào)驅(qū)動輪的輸出轉(zhuǎn)矩，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的動態(tài)相應(yīng)，且沒有超調(diào)，不僅提高了車輛的動力特性，而且控制精度高，較好的實(shí)現(xiàn)了電子差速功能。文獻(xiàn)[13]研究了后輪機(jī)動車差動控制策略，提出了一種基于P-模糊PID雙動態(tài)控制的方法，實(shí)現(xiàn)了差速轉(zhuǎn)向。

（2）滑?？刂?/p>

滑膜控制（Sliding Model Control）也稱變結(jié)構(gòu)控制，與其它控制理論相比滑膜控制控制系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”是變化的的，在動態(tài)過程中，它可以有目的的進(jìn)行動態(tài)變化，促使其狀態(tài)軌跡約束在預(yù)定軌跡里，將其稱之為“滑動模態(tài)”或“滑膜”運(yùn)動。因此，滑膜控制被廣泛應(yīng)用于工程控制。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于滑膜控制理論，對驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制，并且設(shè)計(jì)了一種滑膜控制器對驅(qū)動輪進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的合理分配。

（3）最優(yōu)控制

最優(yōu)控制可以較容易的對被控系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)行極點(diǎn)配置，其所研究的問題為對一個受控的動力學(xué)系統(tǒng)或運(yùn)動過程建立數(shù)學(xué)模型，解出其控制方案，然后在所有的方案中找出一個最優(yōu)方案，使控制系統(tǒng)按照目標(biāo)要求運(yùn)行，其性能指標(biāo)值為最優(yōu)[15]。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于最優(yōu)控制和滑?？刂葡嘟Y(jié)合的控制策略，設(shè)計(jì)了一個線性二次型最優(yōu)滑模電子差速控制器，輸入量為兩驅(qū)動輪的相對滑移率，輸出量為驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)百分比，實(shí)現(xiàn)了差速轉(zhuǎn)向。

（4）模糊邏輯控制

模糊邏輯控制簡稱模糊控制，它是模擬人的推理思維方式，對于不能確定的描述系統(tǒng)以及強(qiáng)非線性控制對象，基于模糊集合和模糊邏輯，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)控制功能。模糊邏輯控制的主要特點(diǎn)有：①對被控對象的數(shù)學(xué)模型沒有嚴(yán)格的要求;②采用語言控制，控制規(guī)則主要基于專家的知識和經(jīng)驗(yàn);③便于利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，是一種智能控制。文獻(xiàn)[17]基于模糊控制理論，提出了一種自適應(yīng)控制策略，通過實(shí)際車速追蹤目標(biāo)車速，從而實(shí)現(xiàn)差速，通過 CarSim 與 Simulink 聯(lián)合仿真，在典型試驗(yàn)工況驗(yàn)證了控制策略的有效性。

（5）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，ANN）簡稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它對輸入信號和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的反應(yīng)和處理能力，在此系統(tǒng)中并無須慮非線性信號的輸入輸出，而是通過不斷的訓(xùn)練，進(jìn)而學(xué)習(xí)非線性系統(tǒng)的動態(tài)特性。被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐領(lǐng)域?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)，其實(shí)質(zhì)是經(jīng)過理論推導(dǎo)和對專家知識、專家經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場試驗(yàn)的歸納總結(jié)得到的特定系統(tǒng)的學(xué)習(xí)樣本。文獻(xiàn)[18]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了電子差速控制器，其輸入量為轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量，輸出量為滑移率，通過理論分析得出了影響電子差速系統(tǒng)的主要因素是整車質(zhì)量和質(zhì)心位置，然后經(jīng)過仿真試驗(yàn)表明質(zhì)心位置對電子差速控制影響最為明顯，但仍在允許范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了控制策略的有效性。文獻(xiàn)[19]基于Takagi-Sugeno模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，研究了雙輪轂電機(jī)驅(qū)動的電子差速控制系統(tǒng)，通過將建立的電子差速控制系統(tǒng)的Simulink模型與實(shí)際道路實(shí)驗(yàn)對比，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性?？蓪?shí)現(xiàn)差動轉(zhuǎn)向。

（6）開關(guān)控制理論

開關(guān)控制應(yīng)用于控制系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)的魯棒性。基于開關(guān)控制理論的電子差速控制器的設(shè)計(jì)，其實(shí)現(xiàn)過程是：方向盤的轉(zhuǎn)動與回正開控制電子差速系統(tǒng)的開啟與停止，差速系統(tǒng)開啟后，將向盤轉(zhuǎn)角信號輸入到控制器，然后控制器會輸出左右車輪轉(zhuǎn)速，進(jìn)而通過計(jì)算可得驅(qū)動輪的滑移率，與設(shè)定好的目標(biāo)滑移率區(qū)間進(jìn)行比較，如果實(shí)際滑移率在目標(biāo)滑移率的區(qū)間范圍內(nèi)，則電機(jī)轉(zhuǎn)速與當(dāng)前時刻轉(zhuǎn)速相同，如果實(shí)際滑移率超出目標(biāo)滑移率范圍，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為上一時刻轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[20]提出一種將轉(zhuǎn)矩與滑移率相結(jié)合的控制策略，其輸入量為來自加速踏板的轉(zhuǎn)矩和前輪轉(zhuǎn)向角，計(jì)算出每個驅(qū)動輪的目標(biāo)滑移率，然后基于滑移率進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配，進(jìn)而采用魯棒性好的開關(guān)控制實(shí)施驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩分配，實(shí)現(xiàn)差速功能。

從上述分析可以看出，電子差速系統(tǒng)是指以各種控制理論為基礎(chǔ)，以各種軟件控制器來控制左右兩個驅(qū)動輪的行轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，從而使其滿足差速轉(zhuǎn)向的方法。目前，人們對車輛主動安全性的好壞非常注重，以及隨著車輛主動安全技術(shù)的快速發(fā)展，因此，在實(shí)現(xiàn)電動汽車差速功能的同時，為了提高車輛的操縱穩(wěn)性和安全性，所以提出了一種將橫擺力矩作為控制變量，同時進(jìn)行滑移率控制的電子差速控制策略。文獻(xiàn)[21]設(shè)計(jì)的電子差速系統(tǒng)由三部分組成：滑膜控制器、轉(zhuǎn)矩分配和滑轉(zhuǎn)率控制。將質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度的偏差值輸入到滑膜控制器，輸出車輛轉(zhuǎn)彎時所需的橫擺力矩，然后依據(jù)總驅(qū)動力矩和橫擺力矩對各驅(qū)動輪進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配，同時應(yīng)用邏輯門限值對滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了差速轉(zhuǎn)向。

5 結(jié)論

本文綜述了電動汽車電子差速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、控制方法和控制策略。目前，對電動汽車電子差速系統(tǒng)的研究主要以大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)為主，所以電子差速系統(tǒng)仍處于概念車和實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。但分布式驅(qū)動電動汽車的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得分布式驅(qū)動電動汽車必將成為純電動汽車的重要發(fā)展方向，所以，電子差速系統(tǒng)作為分布式驅(qū)動電動汽車不可或缺的一部分，也必將會得到更好的發(fā)展。

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