分布式驱动电动汽车驱动控制技术研究现状与发展
１分布式驱动电动汽车
1.1分布式驱动电动汽车的结构
分布式驱动形式可根据驱动电机的安装位置分为轮边电机驱动和轮毂电机驱动,其结构示意如图 １ 所示。
轮边电机驱动是电机通过减速机构将动力由传动轴传递给驱动轮,由于万向节的存在,可以将传动轴倾斜布置,这样就可以将电机及减速机构安装于车架上。因此,电机和减速机构的质量均为簧载质量,从而有利于提高汽车的平顺性.但该类形式的结构不够紧凑,而且由于减速机构的存在将会导致一部分机械功率的损失。但是,也正因为该减速机构的存在,使其驱动系统中可以选用较高转速的电机,由于高转速电机的质量和体积相对较小,将有利于空间布置和提高汽车的动力性。
图2为轮毂电机驱动结构框图,是将电机直接安装在驱动轮内或者驱动轮附近,具有驱动传动链短、传动效率高、结构紧凑等突出优点.电动机是汽车信息单元,同样也是快速反应的控制执行单元,通过独立控制电动机驱/制动转矩容易实现多种动力学控制功能.同时采用轮毂电机可以独立控制驱动轮转矩,其操纵稳定性高;在结构上取消了传统变速箱、离合器、差速器、传动轴、车桥等动力传动部件,大幅降低了整车重量;在传动控制上,轮毂电机缩短了动力传递路径,提高了动力系统的传动效率;并且轮毂电机可独立控制每个车轮的驱动模式和制动模式,有利于优化能量分配策略,降低驱动模式下的能量消耗,提升整车制动能量回收效果,从而大幅降低整车电耗。
图2 轮毂电机驱动结构框图
1.2 分布式电动汽车的优势
分布式驱动电动汽车较传统集中驱动式电动汽车或四轮驱动车辆而言,最大的区别在于其各个车轮可以实现单独驱动或采用回馈制动方式进行单独制动,搭载线控液压制动系统的分布式驱动车辆可以进一步实现液压制动方式的单独制动。与传统动力总成的车辆相比,分布式驱动电动车具有如下优势:
(１ )便于实现精确的车辆主动安全控制.传统的车辆主动安全控制通常采用驱动或制动一个或多个车轮的方式进行,通过改变轮胎与地面的相互作用来影响整车的受力状况,从而改善车辆的动力学特性。分布式驱动车辆多采用轮毂电机或轮边电机作为动力来源,同时电机在制动过程中又可以通过提供回馈制动力矩回收动能,实现制动的效果。电机作为执行器具有控制精度高、响应时间快、转矩转速精确的特点,在驱/制动控制中,由于车辆受力状况可以通过电机反馈获知,因此车辆动力学状态估计变得更为准确及时。同时,通过改变电机的驱动力和回馈制动力,可以快速地对车辆进行干预,从而提高了干预的时效性和准确性。
(２ )便于实现最优的驱/制动力分配方式。由于分布式驱动电动汽车各车轮转矩可以单独控制,因而可以综合考虑路面工况、电机状态、电池状态、驾驶员驾驶意图等信息,计算得到最优的驱/制动力矩并施加到各车轮,以实现对车辆动力学特性的改善。各车轮可以进行差异化精细控制,以适应不同的路面工况,从而在满足整车动力学需求的前提下,实现各车轮的最优化控制。
(３ )便于实现灵活的车辆底盘布置。分布式驱动电动汽车取消了传统车辆中的发动机、离合器、变速箱、传动轴等部件的机械连接,取而代之的是轮毂/轮边电机、电池、电机控制器等部件的电气连接,因而可以灵活地对电动汽车的电气部件进行布置。另一方面,与集中驱动式电动汽车不同,分布式驱动电动汽车采用轮毂或轮边电机进行驱动,大大提高了动力传输系统的集成度,为车身中灵活布置其他电气部分提供了更大的空间。同时,可以通过改变各电气部分在车身中的相对位置,调整整车的质心位置和车架的受力状况,从而改善车辆的动态特性和碰撞安全性。
(４ )便于实现车辆的一体化控制.电子控制系统的融合和协调控制是汽车整车安全控制的发展方向,诸如电子稳定性控制系(ESC , ElectricStabilityControl )、主动转向系统( AFS ,ActiveFrontSteering )、自适应巡航控制系统( ACC ,AdaptiveCruiseControl ).传统车辆中,不同的电子控制系统对发动机、液压制动系统和转向系统具有不同的控制方式,执行器的多样化提高了协调控制的难度。分布式驱动电动汽车单轮驱动和制动控制的执行器都是电机,在只采用回馈制动而不采用液压制动的情况下,对单一电机进行控制可以避免驱动和制动控制过程中不同系统之间的协调问题,从而简化控制过程且提高可靠性。
(５ )提高车辆在部分驱动电机失效情况下的可靠性。分布式驱动电动汽车各驱动电机互为冗余,提高了整车系统的可靠性,当单个或多个电机发生故障无法 正常工作时,通过对系统工作方式的重构,合理分配驱动力在剩余驱动电机间的分布,可以在保证车辆稳定的前提下,最大限度地利用剩余的驱动力,确保系统仍然能够稳定工作。
2 电子差速技术及实现途径
机械差速器的基本功能是防止转向行驶或不平路面行驶时驱动轮过度滑移与滑转,而分布式驱动电动汽车需要采用电子差速系统实现类似机械差速器的基本功能。
2.1 电子差速技术
电子差速技术是分布式驱动电动汽车驱动控制领域的关键技术,分布式驱动电动汽车的差速转向控制基本上都是采用对各轮毂电机的转速和转矩的调节来实现的 [１－２ ] 。以控制车轮转速来实现对分布式驱动电动汽车进行差速转向为例,首先需要进行数模转换的是方向盘的角度输出信号,转换成模拟信号方便电子差速控制系统接收,其次需要对输入的相关值进行标定,即方向盘的角度输出值和整车控制器的模拟量,获得转向时驱动电机转速与不同位置方向盘的对应关系。在转向执行时,车辆转向角对应的模拟信号被整车控制器接收,并分析其变化,内外侧车轮在执行控制器内控制程序命令下产生速度差,进而实现车辆转向。为了使分布式驱动电动汽车在不同路况条件下实现差速转向,需不断开发设计多种新型电子差速器.多数新型分布式电动车车轮驱动是使用 ２ 个或者多个独立控制的电机来完成的,利用电子差速器对各驱动轮的转矩和转速进行合理分配,可以大幅度减少机械传动部件数量,并具备传动效率高、空间结构大、底盘系统的电子化和主动化更加容易实现等优点。
2.2 电子差速技术实现途径
电动汽车采用的控制策略和驱动方式不同,也会导致电子差速器的设计不相同。以轮毂电机驱动为例,电机直接驱动车轮,代替了离合器、减速器、传动桥、差速器等机械传动部件,降低了传动过程中的能量损耗以及整车的质量。但是为了实现差速器的作用效果,需要较为复杂的控制算法分别对轮毂电机进行控制,即电子差速技术。电子差速技术的实现方法有两种: ① 通过控制器分别调节各驱动电机的转速和转矩实现差速,该方法可以以车轮转速为控制变量,也可以以驱动轮滑转率为控制目标来实现,前者受外界影响较大,且对电机的要求比较高,后者无法实现小滑转率的实时监控; ② 通过驱动电机的结构实现差速,该方法对电机的结构要求较高,加工难度较大,无法充分发挥轮毂电机的优势。随着电子控制技术的飞速发展以及控制理论的日益完善,电子差速技术作为电动汽车的核心技术,必将得到长足的研究与发展。
３横向稳定性控制技术
分布式驱动电动汽车在转向行驶工况下,如车辆的变道、高速入弯及恶劣天气造成的汽车与地面的附着率降低,会使得汽车发生侧滑、甩尾及侧翻等险情。对此国内外的高校及科研单位纷纷致力于提高分布式驱动电动汽车横向稳定性来保障行车安全,并提出了如下相关可用于提升车辆横向稳定性的方法。
3.1 运动跟踪控制
Tchamna 等[ ３ ] 在对车辆运动状况不进行简化处理的情况下,利用差速制动控制器对汽车的横摆角速度和质心侧偏角进行调节,这种考虑纵向动力学的控制策略可达到对汽车横向稳定性的调控。李少坤 [４ ] 引入了车辆非线性对横向稳定性的作用效果,采用滑模控制算法来展开对理想质心侧偏角及横摆角速度的实时监测控制,仿真表明滑模控制算法使得车辆横向稳定系统的鲁棒性以及快速响应性能显著提高。王进 [５ ]等提出利用分布式驱动电动汽车在快速过弯和变换车道时存在非线性和时变性特征,以车辆的横摆角度及质心侧偏角为控制指标,给出了一种模糊滑模车辆横向稳定性的控制方案,仿真表明其提出的方案能够有效地调节汽车姿态并增强车辆的横向稳定性。
3.2 力与力矩的分配控制
林程等 [６ ] 为实现对横摆力矩的间接控制,以及对各车轮制动缸的压力和各电机转矩的调整,从而提出了一种基于分布式侧向稳定性的递阶控制方法。LiB等 [７ ] 提出了一种基于优化函数的车辆质心纵、横向力与横摆力矩的最优控制,通过设计参数权重因子,很好地控制了分布式电动车横向稳定性。张利鹏等 [８ ] 阐述了一种模糊控制方法,利用车辆横摆角速度和质心横向滑移角与理想值之间的偏差作为模糊输入的值,以横摆力矩作为输出参数,实现了对横向稳定性的控制。张志勇 [９ ] 等通过对每个车轮进行独立控制,结合差动制动与差动驱动,描述了一种基于直接横摆力矩的转矩分配控制策略。
4 多目标协调集成控制技术
关于多目标协调集成控制技术的研究旨在基于一些完善的集成控制理论对电动汽车驱动系统、制动系统、转向系统及悬架系统等子系统的控制功能进行效率协调优化,寻找一种最优的控制方案,合理协调各子系统在运作时的时序和效能,尽量减少各子系统间因相互耦合而造成的冲突。由集成控制 ECU 计算最佳的力矩分配方案、能源分配方案及系统自适应性调整策略,据此来获得更优的操纵稳定性、乘坐舒适性和能源经济性。洪濡 [１０ ] 等人就改进的车辆二自由度模型制定系统控制目标,充分考虑车轮负载和轮毂电机驱动效率对车辆行驶稳定性与电机能量利用效率的交互影响。依据车轮侧向力观测值设计基于滑模变结构控制理论的车轮横摆力矩控制器,再经由优化分配策略算法完成对驱动力矩和能量效率的合理分配。李刚 [１１ ] 等人通过对车轮驱动力矩控制分配规则和主动悬架控制方法的研究,采取分层集成控制的理念,设计了模型预测控制器,实现了对转向系统、驱动系统和悬架系统的全局集成控制,并通过仿真实验对算法进行了验证,结果表明集成控制优化能有效提高车辆稳定性和主动安全性能。贾晓峰 [１２ ] 提出了动态多目标控制分配策略,并通过 MATLAB / Simulink 和 CarSim联合仿真平台进行了仿真试验,为了对控制策略实际效果进行分析,通过搭建的双 dSPACE 快速控制原型试验平台,选取电动汽车行驶过程中的各种典型工况如急加速工况、怠速工况等进行了快速控制原型测试,试验验证了控制策略的实时响应效果。诸多试验结果表明:电动汽车底盘多目标集成控制系统对各工况能够实现实时响应,能够显著提升车辆的综合性能.综上所述,多目标协调集成控制对电动汽车实现较高的操纵稳定性、乘坐舒适性和能源经济性有着重大且深远的意义。
目前,虽然在分布式驱动电动汽车的驱动控制策略领域有所突破,但仍不足以精确地模拟出电动汽车在运动过程中的复杂工况,且基于阿克曼转向原理的电子差速控制方法仅适用于一些理想工况,比如低速、车轮无侧偏的情况,并不适用于车辆所有转向工况,同时自适应电子差速控制策略降低了差速行驶性能;其次,尽管应用于 DYC ( DirectYaw MomentControl )上层控制器的控制方法较多,但研究成果距离实车应用阶段较远,且缺乏考虑 DYC 转矩优化分配算法求解的实时性;再者,分布式驱动电动汽车的控制方法主要针对极端条件如何提高整车的稳定性,而对非限制条件下的研究较少。多目标协调集成控制技术作为所有多轮驱动电动汽车动力学控制的重要研究内容,其相当于一个多执行器的冗余系统,整体的故障率相对较高,控制系统应能够及时检测各个电机的工作状态,并反馈给系统进行故障电机与正常电机的转矩协调分配,实现整车主动安全的可靠控制,因此分布式驱动电动汽车驱动系统的故障检测、诊断与容错控制方法的研究也是重要的研发方向之一。
全文完~
