引用本文

姚芳, 林祥辉, 吴正斌, 李贵强. 电动汽车电子差速控制技术研究综述. 自动化学报, 2021, 47(8): 1785−1798 doi: 10.16383/j.aas.c190293

Yao Fang, Lin Xiang-Hui, Wu Zheng-Bin, Li Gui-Qiang. Summary of research on electronic differential control technology of electric vehicle. Acta Automatica Sinica, 2021, 47(8): 1785−1798 doi: 10.16383/j.aas.c190293

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c190293

关键词

电子差速控制，分布式驱动，整车模型，抗扰算法 

摘要

首先, 阐述电动汽车(Electric vehicle, EV)驱动系统的布置结构以及差速控制的原理和优缺点, 并介绍用于电子差速控制(Electronic differential control, EDC)的Acekermann转向模型和3自由度整车动力学模型, 进而剖析非线性扰动和整车模型的设计理念; 其次, 重点综述电动汽车分布式驱动结构的电子差速控制策略、多机抗扰控制及优化算法的相关研究成果, 并从成果走向、局限性及可能的发展空间分析其发展态势; 最后, 从整车模型、控制策略、抗扰算法和效果验证等四个方面, 总结电动汽车电子差速控制技术的现状, 并展望未来发展可能.

文章导读

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.

图 1  集中驱动结构

图 3  Ackermann转向几何模型

图 5  基于转速的电子差速控制策略原理

电动汽车电子差速控制技术研究已经取得一定进展、但尚不成熟, 电子差速或自适应差速系统样车依旧处于概念车和实验室研发阶段. 因此, 针对轮毂电机因集成于驱动轮引起的灵活性和非线性扰动问题, 多轮毂电机的速差协控问题和多驱电动汽车整车模型的复杂性问题, 进行电子差速控制技术研究. 本文针对整车模型、电子差速控制策略及抗扰算法进行综述, 总结与展望如下:

1) 整车模型设计

电子差速控制依赖于整车模型(转向模型、动力学模型和电机模型)的设计. 理论上, 整车模型应为尽可能还原实车结构、考虑多种路况的多自由度的精细模型, 精细模型参数多而杂、不易获取, 自由度越高响应速度就越慢. 工程上, 尽可能简化整车模型、降低自由度, 但模型过简、自由度过低会影响电子差速控制效果. 因此, 需要针对电动汽车电子差速控制对响应速度和控制精度的需求, 结合采用控制策略及抗扰算法的的特点, 平衡模型复杂度和电子差速控制效果, 研究整车模型的系统寻优问题.

2) 电子差速控制策略设计

电子差速控制涉及电机控制、速差控制和抗扰控制. 针对轮毂电机转速控制高速段稳定性差、转矩控制可能高频振荡的特点, 预计电子差速控制的电机控制环节可能发展成转矩为主、转速为次模式. 针对多机扰动复杂、观测量多的问题, 电子差速控制不仅仅根据整车模型进行速差的硬控制, 还需考虑车辆稳定性、侧偏、滑移等, 对滑移率、质心侧偏角和横摆角速度进行抗扰动的软控制, 更要兼顾集成式驱动的多轮毂电机一体协调控制模式, 进行电子差速控制策略的总体集成设计, 是电动汽车具有更好的操作性和稳定性. 本文认为, 集成式轮毂电机的控制方式, 抗扰控制器控制量与控制算法的优选, 将是未来几年电子差速控制策略发展的重点. 此外, 为规避多参数、复杂扰动、非线性等问题, 无参数化思想可能会用于电子差速控制策略.

3) 电子差速控制器的多机抗扰算法设计

目前, 在电子差速控制器的多机抗扰应用方面, 传统的控制及优化算法仍有局限, 新兴的控制理论和智能算法有待探索, 抗扰控制器控制量的优选及抗扰效果的验证和评价手段均有待推进. 本文认为, 非线性自抗扰理论和深度学习引领的新兴智能优化有望用于电子差速控制器的抗扰控制; 同时认为, 目前速差一体约束下的多机各自独立抗扰的控制模式, 将向多机协同抗扰的控制模式发展.

4) 电子差速控制效果的验证

电子差速控制效果与整车模型、控制策略及抗扰算法密切相关. 目前文献成果大多针对其中某个方面进行设计, 针对特定路况仿真验证滑移率、横摆角速度、侧偏角等, 实验验证仿真结果是否基本一致, 缺乏对行驶状况和路况的全面考虑, 也缺乏对比研究和效果评价原则. 本文认为: a) 电子差速控制效果的仿真和实验验证, 可更全面考虑各种行驶工况和路况, 便于进行多策略、多算法、多模型的效果对比研究; b) 电动汽车电子差速控制的研究成果大多对策略和算法进行仿真和实验验证, 实车实验验证屈指可数, 需要重视典型或恶劣路况、车况的实车实验验证, 以加速推动电子差速控制成果的转化.

作者简介

姚芳

河北工业大学电气工程学院教授, 博士后. 主要研究方向为电工装备可靠性. 本文通信作者. E-mail: yaofang@hebut.edu.cn

林祥辉

河北工业大学电气工程学院硕士研究生. 主要研究方向为电子差速控制, 电机控制. E-mail: MiLinxh@126.com

吴正斌

中国科学院深圳先进技术研究院研究员, 天津中科先进技术研究院有限公司院长. 主要研究方向为新型能量转换材料和器件的设计应用技术. E-mail: zb.wu@tiat.ac.cn

李贵强

中国科学院深圳先进技术研究院博士研究生. 主要研究方向为电动汽车电机控制.E-mail: gq.li@siat.ac.cn