基于新能源電動汽車的電子差速控制系統(tǒng)探究

楊檬瑋

摘要：本文立足于新能源電動汽車電子差速控制方法介紹，對電動汽車的電子差速控制系統(tǒng)控制理論進行了深入探究，為保障汽車轉(zhuǎn)向安全，改善汽車動力性能提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：電動汽車;電子差速;控制技術(shù)

中圖分類號：U463.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0224-02

0? 引言

伴隨著人們對日益枯竭的石化資源的認(rèn)識水平的提升，越來越重視資源保護，希望尋求一種綠色的、可持續(xù)的發(fā)展道路。在汽車制造領(lǐng)域，新能源電動汽車的出現(xiàn)，在能源節(jié)約及環(huán)境保護方面做出了巨大貢獻。然而，為實現(xiàn)電動汽車行駛性能的提高，應(yīng)加強汽車電子差速控制系統(tǒng)研究，以實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性，保障汽車行駛安全。電動汽車在轉(zhuǎn)向時，因輪轂內(nèi)外圈半徑不同，角速度存在差異化，很容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。當(dāng)前，因新能源電動汽車差速控制方面研究還不夠成熟，基本都是通過汽車傳動軸和傳動率實現(xiàn)機械傳動的“硬”控制模式，這種模式下，汽車整體動力性能有所影響，轉(zhuǎn)向安全性無法得到高度保障，因此，必須通過一種高性能電子差速控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)汽車變速效率提升之目的。孫振杰[1]等通過對電動汽車驅(qū)動理論探究，著重介紹了電動輪驅(qū)動MACCP電子差動技術(shù)。為能夠輕松實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向，系統(tǒng)通過改進，利用線性步進電機控制實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向力的控制，使汽車整體轉(zhuǎn)向性能得到有效提高。相信隨著電動汽車概念車和實驗室中的完全開發(fā)，電動汽車必將發(fā)展為純電動汽車產(chǎn)業(yè)，新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必將迎來新高地。本文結(jié)合各學(xué)者研究成果借鑒，在新能源電動汽車差速控制方法概述基礎(chǔ)上，對汽車的電子差速控制系統(tǒng)控制理論進行總結(jié)，希望能為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展提供幫助。

1? 新能源電動汽車電子差速控制方法

總結(jié)起來，新能源電動汽車電子差速控制主要通過三種方式實現(xiàn)：即驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速控制差速、驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩控制差速和驅(qū)動輪滑移率控制差速。

1.1 控制汽車驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速

該控制方法是通過汽車轉(zhuǎn)向模型計算實現(xiàn)對目標(biāo)轉(zhuǎn)速進行追蹤，從而達到控制汽車轉(zhuǎn)速目的。對于四輪獨立驅(qū)動的低速電動車而言，利用Ackermann & jeantand轉(zhuǎn)向模型實現(xiàn)對四輪轉(zhuǎn)速關(guān)系的約束，從而達到控制車輪轉(zhuǎn)速，同時采用PID控制，很好地控制了不同速度及轉(zhuǎn)角下的汽車內(nèi)外側(cè)車輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，確保汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性與安全性[2]。

1.2 控制汽車驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩

因汽車內(nèi)外輪轂半徑不同，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)矩存在差異，如果內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)矩過大，就會出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而外側(cè)車輪轉(zhuǎn)矩過小，又會引起滑移問題，都會引起汽車轉(zhuǎn)向安全性能降低。但通過合理控制汽車驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，將內(nèi)外側(cè)車輪輪矩控制在合理范圍內(nèi)，就可以大幅降低滑轉(zhuǎn)、滑移現(xiàn)象的發(fā)生率，保障了車輛穩(wěn)定性。一般的，實現(xiàn)車輪輪矩控制的最有效方法是通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，確保車輛內(nèi)外側(cè)渠東路滑移率保持一致，保障汽車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

1.3 控制汽車驅(qū)動輪滑移率

在影響汽車穩(wěn)定性所有因素中，滑移率的影響是最大的，因此，為實現(xiàn)汽車電子差速控制目標(biāo)，可通過合理控制驅(qū)動輪滑移率方式實現(xiàn)。只需將雙側(cè)驅(qū)動輪滑移率差輸入到電子差速控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過計算，就能輸出滑移率對車輛的行駛穩(wěn)定性有很大的影響，因此滑移率車輪轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)百分比，將滑移率控制在合理范圍內(nèi)，保障速度控制穩(wěn)定性，從而有效提升汽車穩(wěn)定性能。

上述三種控制方式各有優(yōu)點，各自缺陷也非常明顯。1.1所述方法僅是在兩側(cè)驅(qū)動輪施加了Ackermann &jeantand轉(zhuǎn)向模型約束，因沒有考慮輪胎特性、車身側(cè)傾、轉(zhuǎn)彎離心力和向心力等，對高速工況就起不了差速控制效果;1.2所述控制方法因存在汽車橫擺力矩大的問題，也不能100%保障控制效率;1.3所述方法需向電子差速控制系統(tǒng)輸入滑移率，對于復(fù)雜工況，系統(tǒng)輸出車輪轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)百分比就存在誤差現(xiàn)象，控制效果不佳，因此，三種控制方式均需進一步優(yōu)化、創(chuàng)新，以實現(xiàn)任何工況、任何車速的汽車電子差速控制目標(biāo)。

2? 電子差速控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其實就是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，該模型在?yīng)對輸入信號及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，具備很強的反應(yīng)能力及處理能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)僅需通過不斷訓(xùn)練，學(xué)習(xí)非線性系統(tǒng)動態(tài)特征，因此，無需考慮非線性信號輸入輸出問題[3]。

在進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算中，應(yīng)根據(jù)車輛縱向加速度需求進行縱向力分析。通過PID控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，分析理論車速與實際車速差值進行加速度設(shè)置，再結(jié)合油門踏板信號進行驅(qū)動輪輸出轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)，從而發(fā)生高效率動態(tài)響應(yīng)，使車輛動力特性得到有效提升的同時，實現(xiàn)電子差速功能（式1）。

上述公式中，F(xiàn)xreq代表需求縱向力，axreq是指需求加速度，m為汽車自重，g為重力加速度，Cd和Ad分別表示空氣阻力系數(shù)和汽車迎風(fēng)面積，ρ為空氣密度，Vx為縱向速度，ev為期望速度與實際縱向速度差值。kp和ki分別表示比例和積分控制增益，取1.5。在離心力作用下，車輪垂直載荷會向外移動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩差值計算分析。結(jié)合車輪軸距、側(cè)向速度、絕對速度、轉(zhuǎn)角等各項參數(shù)值，可進行垂直載荷比Kz計算，從而得出車輪左、右電機轉(zhuǎn)矩差值△T：

Rw是指車輪滾動半徑。運用滑模控制算法可求得橫擺力矩值，然后運用控制規(guī)律參數(shù)進行變量分析，實現(xiàn)對橫擺角速度跟蹤。為實現(xiàn)電機效率提升至目標(biāo)，需進行控制規(guī)律參數(shù)優(yōu)化，引入切換面sγ和約束Q，得到：

Mz、KSMC分別表示橫擺力矩和控制規(guī)律參數(shù)，IZ、sat（·）分別標(biāo)志繞Z軸轉(zhuǎn)動慣量和飽和函數(shù)。當(dāng)下層控制進行上層輸出參數(shù)接收時，可引入切換面sγ和約束Q進行不同電機轉(zhuǎn)矩計算。此過程中，應(yīng)將提升電機效率作為主要目標(biāo)任務(wù)，利用力矩分配參數(shù)進行轉(zhuǎn)矩分配。功能控制變量包括控制律參數(shù)、轉(zhuǎn)矩需求和轉(zhuǎn)矩分配參數(shù)，輸出結(jié)果是優(yōu)化后的電機需求轉(zhuǎn)矩：

當(dāng)已經(jīng)確定電機物理結(jié)構(gòu)時，就不能完全依照分配要求進行轉(zhuǎn)矩分配，但可根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速和修正系數(shù)對轉(zhuǎn)矩輸出進行限制，最終確定變量閾值;同時，還應(yīng)該加強穩(wěn)定性約束，保障轉(zhuǎn)矩輸出控制在合理范圍內(nèi)，基于車輪滑移問題的考慮，要保證轉(zhuǎn)矩對應(yīng)縱向力低于最大附著力。一般的，將修正系數(shù)設(shè)定為10000，轉(zhuǎn)矩分配參數(shù)控制在0-1范圍內(nèi)，控規(guī)規(guī)律參數(shù)則控制在5-9范圍內(nèi)。為進一步明確轉(zhuǎn)矩與電極效率關(guān)系，需采集400-900r/min轉(zhuǎn)速條件下的輪轂電極數(shù)據(jù)。再運用Matlab進行數(shù)據(jù)擬合分析，最終得出最大輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxi：

上述公式表示在400-900r/min范圍內(nèi)，輸出轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大影響。運用上述方法，可實現(xiàn)較好的電子差速控制，并最大限度地保障橫擺穩(wěn)定性與電機效率，因此，通過提升電機運行效率，可降低汽車失穩(wěn)風(fēng)險，確保汽車始終處于穩(wěn)定運行模式中。

3? 電動汽車差速控制發(fā)展

隨著電力電子技術(shù)在新能源汽車應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸滲透，推動了汽車電子差速控制理論的發(fā)展，在保障汽車行駛穩(wěn)定性及安全性方面起到了積極的促進作用，尤其自新能源汽車動力學(xué)控制、整車結(jié)構(gòu)設(shè)計、能量效率方面擁有絕對優(yōu)勢，備受新能源汽車制造領(lǐng)域青睞。

據(jù)統(tǒng)計，2018年，全球電動汽車保有量超過了510萬輛，僅中國就擁有200多萬輛，依然占據(jù)市場鰲頭，相信隨著新能源電動汽車的逐漸發(fā)展，預(yù)計到2030年，中國新能源電動汽車將超越900萬輛。客戶群如此巨大，市場潛力無限，對于新能源電動汽車制造商而言，可以說迎來了空前發(fā)展機遇，在此背景下，必須注重汽車運行穩(wěn)定性研究，加強電動汽車差速控制系統(tǒng)研發(fā)[4]。

在技術(shù)、政策和市場三方驅(qū)動下，電子差速控制必將獲得進一步發(fā)展，但必須要認(rèn)識到當(dāng)前在此領(lǐng)域還尚未取得成熟的發(fā)展理論，急需解決以下問題，實現(xiàn)控制水平的提升。

3.1 控制策略不全面

因存在控制策略不全面問題，僅考慮到變量控制，忽略了路面整體情況及轉(zhuǎn)速特性問題，過于簡單化、理想化。

3.2 沒有統(tǒng)一的規(guī)范

因電子差速系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的規(guī)范，各種控制方式缺點明顯，實車論證方面不足，尤其在車輛自由度模型方面，考慮不周，存在狀態(tài)量有偏差現(xiàn)象，控制效果有待進一步加強。

3.3 車輛轉(zhuǎn)向靈敏度不高

因?qū)㈦姍C鑲嵌在輪胎中，增加了簧上質(zhì)量，致使轉(zhuǎn)向靈敏度降低。因此，電子差速控制系統(tǒng)技術(shù)研究任重而道遠，應(yīng)從理論開始，全面、準(zhǔn)確地考量差速控制策略效果，并通過實車論證差速控制技術(shù)的實用性能[5]。

4? 結(jié)束語

本文綜述了電動汽車電子差速系統(tǒng)控制方法、理論及亟待解決的問題?；诟鞣N控制方法優(yōu)缺點的綜合分析，需進一步優(yōu)化與創(chuàng)新，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的應(yīng)用，提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，保障車輛行駛安全性，進一步促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻：

[1]孫振杰，曹江衛(wèi)，龐蒙，武波濤.電動汽車電子差速控制技術(shù)研究[J].湖北農(nóng)機化，2020（07）：15.

[2]王鵬，陶小松，曹曉玉.純電動汽車電子差速系統(tǒng)研究綜述[J].汽車實用技術(shù)，2020（03）：30.

[3]郭婭紅.電動汽車電子差速控制技術(shù)分析[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2019（12）：30.

[4]姚芳，林祥輝，吳正斌，李貴強.電動汽車電子差速控制技術(shù)研究綜述 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)[J].自動化學(xué)報，2019（11）：06.

[5]何仁，惲航.電動汽車電子差速的節(jié)能優(yōu)化控制策略[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2019，33（09）：1-10.