2022年电动汽车差速系统研究综述 .pdf
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1、tiscale A nalysis of Composite Structures: A pplicat ion tothe Design of Acceler ated H ygrothermalCyclesJ . Composite St ructur e,2008, 82( 2) : 302309.( 编辑王艳丽 )作者简介 : 张阿樱 , 女, 1973 年生。 哈尔 滨工 业大学 材料 科学 与工程学院博士研究生, 哈尔滨学院工学院工程师。主要研究方向为树脂基复合材料力学性能。张东兴 , 男, 1961 年 生。哈尔滨工业大学材料科学与工程学院教授、博士研究生导师。 李地红 , 男,
2、1963 年生。哈尔滨工业大学 材料科 学与工 程学院 副教 授、 硕 士研究生导师。肖海英 , 女, 1976 年生。哈尔滨工业大学材料科学与工程学院工程师。贾近, 女, 1976 年 生。哈尔滨工业大学材料科学与工程学院工程师。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摘要 : 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
3、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。关键词 : 电子差速 ; 双转子电机 ; 电动汽车 ;车辆动力学 ; Ackermann& Jeantand 模型中图分类号 : U 464. 9文章编号 :1004132X( 2011) 04049806Summary on Researchof Differentialfor a Electric VehicleXu YinChen DongSouth China U niv ersity of Technolog y, Guangzhou, 510640Abstract: A simple summa
4、ry was carried out for the powertrains structur e of the electric vehicle. Based on this,another detailed summary was carried out for two ways of the differentialr esearch.One way was designing the special motor with self adaptiv e differentialsystem,and another way wasdesigning the electronicdiffer
5、entialwhich was based on kinds of control theories. An expositionwasmade upon the structureand the principleof the self adaptive differential.And another detailed expositio n was made upon the structure,model,object and the control strategy of electr onic differential.The advantages and disadvantage
6、s of the moto r s rotatio nal speed and tor que which were chosen forthe contr ol objects were discussed. In the end, the developing prospects of the electric vehicles differentialwere discussed.Key words: electronic differential;anti-directional-bi-rotor-motor( ADBRM ); electric vehicle; vehicle dy
7、namics; A ckermann & Jeantand model0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收稿日期 : 20100226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
8、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!498!中国机械工程第22 卷第 4 期 2011 年 2 月下半月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 6 页 - - - - - - - - - 现状, 并探讨
9、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
10、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 X -Power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
11、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
12、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nin、 nout, 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 ,
13、 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Tin+ Tout=2Ten = nin+ nout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
14、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
15、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。!499!电动汽车差速系统研究综述徐寅陈东名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 6 页 - - - - - - - - - 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
16、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
17、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
18、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
19、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 : ? 以电机输出转速为控制变量; # 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
20、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
21、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
22、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!500!中国机械工程第22 卷第 4 期 2011 年 2 月下半月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 6 页 - - - - - - - - - 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
23、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= 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
24、, 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
25、度的边界层 , 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和转角对应的外
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