纯电动汽车电子差速系统研究综述

王鹏 陶小松 曹晓玉

摘 要：文章综述了纯电动汽车的驱动结构以及轮毂电机驱动电动汽车的优点，然后阐述了纯电动汽车电子差速系统的结构与工作原理，并详细介绍了电子差速系统的控制方法和控制理论，同时对三种控制方法进行了对比分析，指出其优缺点和适应场合。最后对纯电动汽车电子差速的发展进行了展望。

关键词：电动汽车;电子差速;控制策略;轮毂电机

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：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

隨着我国新能源汽车的迅猛发展，纯电动汽车因其节能、环保等优势成为新能源汽车的重要发展方向[1]。纯电动汽车按照驱动结构可分为中置电机驱动电动汽车和轮毂电机驱动电动汽车。中置电机驱动也就是集中式电机驱动，是指在传统汽车安装发动机位置的位置替换成电机，保留了传统汽车的传动结构。轮毂电机驱动是将电机安装在车轮内，省去了减速器与差速器。轮毂电机驱动相比于集中式单电机驱动和传统发动机驱动有如下优点：①机械结构变得简单，省去了传统汽车的传动机构，实现了整车的轻量化;②各驱动轮通过线控技术可直接独立控制其转速或转矩，控制更加灵活;③易于实现再生制动和能量回收;④简化了底盘结构，提升了车辆的空间利用率。⑤采用电子差速，使车辆在转弯时根据当前工况，通过线控的方式主动的调节内外侧驱动轮的驱动扭矩和转速，实现差速转向[2]。本文对轮毂电机驱动电动汽车电子差速系统进行了详细的阐述。

1 电子差速系统

电子差速系统是指以各种控制理论为基础，以各种软件控制器来控制左右两个驱动轮的行转速或转矩，从而使其满足差速转向的方法。目前，轮毂电机技术趋于成熟，电动汽车上的轮毂电机有：感应电机、开关磁阻电机和永磁电机[3]。三种类型的电机性能比较如表1所示。

2 电子差速控制结构

汽车的转向方式可分为前轮转向和四轮转向，前轮转向指汽车前轮有转向功能而后轮没有，四轮转向指汽车前轮和后轮均有转向功能，当前轮和后轮转向一致时为同向控制，当前轮和后轮转向相反时为逆向控制。所以，电子差速控制结构可分为两种：两轮差速控制和四轮差速控制。

（1）两轮差速控制

两轮差速控制应用在前轮转向后轮驱动或前轮转向前轮驱动的电动汽车上，汽车转向时，电子差速控制器调节两后轮驱动电机的转速或转矩，实现差速功能。相比于四轮差速控制，其结构和控制策略均要简单些。文献[4]提出了基于Ackermann转向模型设计的差速模拟试验台架，对前轮采用一个驱动电机实行力矩控制，另一个驱动电机实行速度控制的PID闭环控制，实现转向差速。

（2）四轮差速控制

四轮差速控制应用在四轮毂电机驱动的电动汽车上，它是基于转向模型提前设计好的协调内外侧车轮的转速或转矩的控制算法来调节四个驱动电机的转速或转矩，从而实现差速转向。文献[5]提出了基于四轮差速的电子差速控制方法：基于Ackermann转向模型来计算内外侧车轮的目标转速，然后对目标转速进行追踪，同时对滑移率进行控制，实现差速转向。文献[6]基于差分原理的综合分析，提出一种车辆前轴可绕前轴中心转动的四轮差速控制系统，实现了差速转向。四轮差速控制要同时独立的控制四个驱动电机，相比两轮差速其控制器的设计要求更高，控制策略更为复杂。

3 电子差速控制方法

电动汽车电子差速控制方法归纳起来有三种：基于控制驱动轮的转速实现电子差速、基于控制驱动轮的转矩实现电子差速和基于控制驱动轮的滑移率来实现电子差速。

（1）基于驱动轮转速来实现电子差速控制

通常是依据Ackermann&jeantand转向模型来计算车轮目标转速，然后采用一些控制算法对目标转速进行追踪，实现差速功能。文献[7]针对四轮独立驱动的低速电动车，基于驱动轮转速，采用Ackermann&jeantand转向模型来约束四个车轮之间的转速关系，据此采用PID控制实现了电子差速。文献[8]基于Ackermann&jeantand转向模型，通过神经网络模型学习了微分系统的非线性与车轮转速和转向角的关系，得出了车辆在不同车速和转向角情况下的内外侧车轮的目标转速。实现了差速转向。

（2）基于驱动轮转矩来实现电子差速控制

车辆在转弯时，内外侧车轮的转速是不相同的，因此内外轮所需要的转矩也是不同的，如果车辆转弯时转矩相同，就会导致内侧车轮转矩过大使车轮发生滑转，外侧车轮转矩过小使车轮发生滑移，影响了车辆稳定性。所以，通过独立控制内外侧车轮的转矩，使内外侧驱动轮的滑移率保持在最佳范围内，提高车辆稳定性。文献[9]采用BP神经网络对驱动轮转矩进行控制，来保证两侧驱动轮的滑移率趋于一致。通过Matlab/simulink建立计算机仿真模型并且对控制策略进行了验证，结论表明其控制策略的有效性。

（3）基于驱动轮滑移率来实现电子差速控制

滑移率对车辆的行驶稳定性有很大的影响，因此滑移率成为电子差速控制的重要因素。

把电动汽车两侧驱动轮的滑移率差输入到电子差速控制器，然后输出转矩协调百分比，使输出转矩得到了控制，实现了电子差速功能。文献[10]对基于滑移率的轮毂式电动汽车电子差速控制进行了深入研究，设计了一个线性二次型最优滑模电子差速器，通过驱动轮滑移率的控制，实现了的电子差速控制功能。文献[11]提出了一种双闭环滑移率控制的电力差动系统，指出将滑移率控制在最优范围内，会大大降低了因速度差失控带来危险的可能性。

以上三种控制方法都有各自的特点，基于转速控制的差速方法，它的本质是对两侧驱动轮施加了一个Ackermann& jeantand转向模型约束，只进行了静态分析，没有考虑轮胎特性、车身侧倾、转弯时的离心力和向心力等，所以它只适用于低速工况。基于转矩控制的差速方法，它是先计算驱动轮的需求转矩，再对车轮的转矩进行独立控制，所以每个车轮有自己独立自由度，但是存在横摆力矩大的问题。基于驱轮滑移率控制的差速方法，它的本质是将两侧驱动轮的滑移率差值输入到电子差速控制器，然后输出转矩协调百分比，控制转矩进而控制滑移率，最终实现差速，但单一的局限于滑移率控制，很难满足汽车复杂的行驶工况。因此，笔者认为应该同时考虑滑移率、驱动轮转矩以及汽车行驶动力学里的质心侧偏角和横摆角速度等。

4 电子差速控制理论

电子差速控制理论对研究电动汽车电子差速控制策略有着极其重要的意义，其控制品质直接决定了车辆的差速品质，目前基于以下几种控制理论。

（1）现代PID 控制

PID控制，其原理简单，便于控制操纵，但传统PID控制有以下缺点：①超调量较大;②用于非线性系统时鲁棒性不强;③用于多变量关联系统时适应性慢，所以出现了现代PID控制，是将智能控制引入到传统PID中。这样不经发挥了传统PID控制的优点，同时可以使用上述控制理论调节PID参数，来实现快速适应被控对象的变化。文献[12]提出了一种基于PID控制和模糊控制的电子差速控制策略，设计了一个PID模糊控制器，实际滑转率与目标滑转率的差值作为输入量，输出为附加轉矩，再结合油门踏板信号，来协调驱动轮的输出转矩，仿真结果表明，系统具有较高的动态相应，且没有超调，不仅提高了车辆的动力特性，而且控制精度高，较好的实现了电子差速功能。文献[13]研究了后轮机动车差动控制策略，提出了一种基于P-模糊PID双动态控制的方法，实现了差速转向。

（2）滑模控制

滑膜控制（Sliding Model Control）也称变结构控制，与其它控制理论相比滑膜控制控制系统的“结构”是变化的的，在动态过程中，它可以有目的的进行动态变化，促使其状态轨迹约束在预定轨迹里，将其称之为“滑动模态”或“滑膜”运动。因此，滑膜控制被广泛应用于工程控制。文献[14]提出了一种基于滑膜控制理论，对驱动轮的转速和转矩协调控制，并且设计了一种滑膜控制器对驱动轮进行了转矩和转速的合理分配。

（3）最优控制

最优控制可以较容易的对被控系统进行进行极点配置，其所研究的问题为对一个受控的动力学系统或运动过程建立数学模型，解出其控制方案，然后在所有的方案中找出一个最优方案，使控制系统按照目标要求运行，其性能指标值为最优[15]。文献[16]提出了一种基于最优控制和滑模控制相结合的控制策略，设计了一个线性二次型最优滑模电子差速控制器，输入量为两驱动轮的相对滑移率，输出量为驱动轮的转矩协调百分比，实现了差速转向。

（4）模糊逻辑控制

模糊逻辑控制简称模糊控制，它是模拟人的推理思维方式，对于不能确定的描述系统以及强非线性控制对象，基于模糊集合和模糊逻辑，将其转换为数学模型，再用计算机进行处理，实现控制功能。模糊逻辑控制的主要特点有：①对被控对象的数学模型没有严格的要求;②采用语言控制，控制规则主要基于专家的知识和经验;③便于利用计算机软件实现，是一种智能控制。文献[17]基于模糊控制理论，提出了一种自适应控制策略，通过实际车速追踪目标车速，从而实现差速，通过 CarSim 与 Simulink 联合仿真，在典型试验工况验证了控制策略的有效性。

（5）人工神经网络算法

人工神经网络（Artificial Neural Networks，ANN）简称神经网络，是一种模仿生物神经网络功能的经验模型，它对输入信号和网络结构具有强大的反应和处理能力，在此系统中并无须虑非线性信号的输入输出，而是通过不断的训练，进而学习非线性系统的动态特性。被广泛应用于工程实践领域。基于BP神经网络控制器的设计，其实质是经过理论推导和对专家知识、专家经验以及现场试验的归纳总结得到的特定系统的学习样本。文献[18]利用BP神经网络设计了电子差速控制器，其输入量为转向角和转矩调节量，输出量为滑移率，通过理论分析得出了影响电子差速系统的主要因素是整车质量和质心位置，然后经过仿真试验表明质心位置对电子差速控制影响最为明显，但仍在允许范围之内，验证了控制策略的有效性。文献[19]基于Takagi-Sugeno模糊神经网络理论为基础，研究了双轮毂电机驱动的电子差速控制系统，通过将建立的电子差速控制系统的Simulink模型与实际道路实验对比，验证了设计的可行性。可实现差动转向。

（6）开关控制理论

开关控制应用于控制系统，有利于提高系统的鲁棒性。基于开关控制理论的电子差速控制器的设计，其实现过程是：方向盘的转动与回正开控制电子差速系统的开启与停止，差速系统开启后，将向盘转角信号输入到控制器，然后控制器会输出左右车轮转速，进而通过计算可得驱动轮的滑移率，与设定好的目标滑移率区间进行比较，如果实际滑移率在目标滑移率的区间范围内，则电机转速与当前时刻转速相同，如果实际滑移率超出目标滑移率范围，则电机转速为上一时刻转速。文献[20]提出一种将转矩与滑移率相结合的控制策略，其输入量为来自加速踏板的转矩和前轮转向角，计算出每个驱动轮的目标滑移率，然后基于滑移率进行转矩分配，进而采用鲁棒性好的开关控制实施驱动轮转矩分配，实现差速功能。

从上述分析可以看出，电子差速系统是指以各种控制理论为基础，以各种软件控制器来控制左右两个驱动轮的行转速或转矩，从而使其满足差速转向的方法。目前，人们对车辆主动安全性的好坏非常注重，以及随着车辆主动安全技术的快速发展，因此，在实现电动汽车差速功能的同时，为了提高车辆的操纵稳性和安全性，所以提出了一种将横摆力矩作为控制变量，同时进行滑移率控制的电子差速控制策略。文献[21]设计的电子差速系统由三部分组成：滑膜控制器、转矩分配和滑转率控制。将质心侧偏角和横摆角速度的偏差值输入到滑膜控制器，输出车辆转弯时所需的横摆力矩，然后依据总驱动力矩和横摆力矩对各驱动轮进行转矩分配，同时应用逻辑门限值对滑转率进行控制，实现了差速转向。

5 结论

本文综述了电动汽车电子差速系统的控制结构、控制方法和控制策略。目前，对电动汽车电子差速系统的研究主要以大学和科研机构为主，所以电子差速系统仍处于概念车和实验室研发阶段。但分布式驱动电动汽车的诸多优点，使得分布式驱动电动汽车必将成为纯电动汽车的重要发展方向，所以，电子差速系统作为分布式驱动电动汽车不可或缺的一部分，也必将会得到更好的发展。

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