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分布式电驱好在哪?控制关键技术难在哪?

汽车 盖世汽车网    2022-01-18 13:25

上海汽车变速器有限公司成立于1925年,是上汽集团的全资子公司,但其不仅服务于集团内部,同样也是国内、国际汽车厂商的合作伙伴。

上汽变速器具备了自动变速器、混合动力变速器、三合一电驱总成、高速减速箱、电机控制器等产品的自主研发能力。同样上汽变速器的客户也遍布了国内各大主机厂,尤其在软件方面掌握了TCU软件、HCO软件、MCU软件的核心技术能力。在S8S三级以及功能安全SUD的流程认证下,上汽变速器软件产品的质量得以保证。

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上海汽车变速器有限公司技术中心软件专业组总监唐莹

早在1873年,英国人罗伯特·戴维森就改造了一辆以铁芯电池供电,电机驱动的电动三轮车,他比德国人戴姆勒发明的汽油发动机要早了10年以上。1900年德国人飞费迪南德·保时捷利用它自己研发的轮毂式电机制造了第一量分布式前两轮的电动汽车。之后他还研究了四轮分布的电动跑车。电动汽车一经问世就取代了马车,很快就传遍了整个世界。

但是到了20世纪20年代,由于内燃机技术的快速发展,电动汽车进入了一个衰退期,60年代,又由于能源危机,全世界又把目光重新投到了电动汽车,这时候电动汽车进入了复苏期。20世纪90年代以后,更严苛的环保要求,电动汽车进入了快速发展的战略机遇期。如今电动汽车的发展已经进入到了产业化阶段,各种各样驱动模式的电动车纷纷上市。其中分布式驱动的电动车作为未来汽车发展的主要方向,很多的主机厂都在不断的开发和推出他们自己的产品。

分布式电驱系统成最优解

从分布结构以及布置方式而言,其主要分为中央集中式、中央分式和轮端式电驱系统。其中,中央集中式系统是目前最为主要的驱动以及布置方式,但是其他左右半轴不一致,同时还有差速器耦合,所以传动效率相对较低。中央分布式电驱总成,其左右对称布置,因此整个系统的钢度更好,并且传动效率明显提升。同时伴随着分布式驱动控制,车辆的操控性将有很明显的提升。

针对轮端式驱动电驱,其具有高效、节能、轻量化和小型化的诸多优点,但是因为轮毂式电机增加了质量,所以整个车辆的操控难度增加。此外还有防水、防尘、防振动,以及一些散热的问题需要攻克。因此,轮毂电机成熟之前,中央分布式电驱系统将更具有优势

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如图是上汽变速器公司的电驱产品和未来的规划,首先第一代产品——400V的SCDS,三合一电驱总成,于2019年以成功量产,先后匹配了哪吒U,大通EV90,以及天际ME5等车型,有120千瓦和150千瓦两种规格。第二代产品,基于碳化硅技术的800V、2000千瓦、399米的三合一电驱总成,目前正在研发过程中。

第三代中央分布式电驱系统,目前上汽变速器正处于预研阶段,第二代和第三代产品目前的应用更为广泛,从高端的乘用车到轿跑,从SUV到皮卡,甚至是面包车的不同车型,涵盖了乘用车到轻型商用车。尤其是上汽变速器的第三代产品,配合的线控底盘技术的高度融合,将是未来发展的趋势。

上汽变速器产品的特点取消了插速器,中间输出采用球轴承,所以整体的传动效率非常高。此外,采用了镁合金的壳体,所以NVH效果更好。左右电机和减速器是户对称布置,系统钢度更优,采用了轴向磁场电机,轴向距离压缩整体的尺寸非常小,采用了冷电机,因此整体电机在峰值功率工况下的性能会更加稳定。同时,伴随着分布式驱动控制的软件,使整车可以具备更小的转弯半径,更优的过弯操控性,以及更加的起步加速性。

研发痛点,提出上汽变速器方案

由于分布式驱动的功能开发非常难,所以上汽变速器做了一定的前提和假设:

从整车的架构可以看出,整辆车前轴布置了中央集中式的电驱总成,带有MCU控制器,后轴带有中央分布式双电机总成,同样也有二合一的电机控制器。VCU仍有保持,上汽变速器从VCU进行整车驾驶员需求扭矩的识别,同时包含了前后轴扭矩的分配。

在此前提条件下,在后着的MCU控制器里的软件架构,将后轮的两轮扭矩分配控制和双电机控制,合在MCU控制器当中,分别放在了MCU两个内核当中进行核内通信,可以有更快的控制速度,从而达到更精确的控制。

在这样的前提条件下,上汽变速器和吉林大学进行深度合作,其中主要展现的是低速的电子差速、中高速直接横板立即控制,以及驱动防滑

低速电子差速控制

其核心采用的是阿克曼转向模型,该转向模型可以获取到两个后轮的目标轮速,同时根据方向盘的转角信号和实际的两个轮轮速,进行补偿扭矩的计算,从而获取到补偿扭矩,与驾驶员的需求扭矩重新进行分配,获取到整车低速转弯的控制。

阿克曼转向模型有很严苛的成立条件,首先车身是钢体结构,第二点是轮胎必须全滚动,第三是它的侧向变形必须与侧向力成正比。目前的电子差速控制的软件只适用于低速转弯,增向加速度在0.4个G,前车速在30公里以下,轮胎全滚动的转弯工况。

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团队查了大量的文献和极大的沟通,其实目前主要采用的估算方法是前后轴的载荷,这个在工程上来说,计算比较复杂,所以上汽变速器决定采用的是前后轴离地距离测量的修正法,进行新的纵向位置偏移的估算。在这样的整个算法下,通过仿真视频,可以看出采用了电子差速控制的红车,在相同的方向盘转角情况下,其实它的转弯半径会更小,所以机动性会更好。

中高速的直接横摆立即控制

当车速越来越高,侧向加速度已经不可忽略了,根据轮胎的特性,上汽变速器的侧偏角越大,更容易达到轮胎的侧滑,因此上汽变速器为了保证车身的稳定性,在转弯过程中采用了中高速的直接横摆立即控制

通过方向盘转角和车速的信号,可以根据稳态的横摆角速度模型,获取到期望的横摆角速度。这个期望的横摆角速度又和路面附着系数的约束,也就是当路面系数越小,得到的希望横摆角速度最大值也就越小。

通过受约束的横摆角速度,与实际传感器获得到的横摆角速度之间进行反馈控制,可以获取到附加扭矩,也就是上汽变速器做的直接横摆力矩的控制。如图,红色车子具有直接横摆力矩控制的车辆,在整个过弯过程,红色车子转弯的操控性会更强。如何获取路面附着系数,从而使最大期望的横摆角速度做一个约束?目前在路面附着系数估算上的研究,从这张图上可以看到上汽变速器是利用驱动轮的纵向驱动力,驱动轮的垂直载荷,获取到驱动轮利用负载系数,根据驱动轮的滑移率,根据轮胎的磨数公式获取到路面附着系数。

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其中驱动轮的纵向驱动力,采用的是牛顿第二和第三定律,而没有用轮胎的模型,这样其优点是可以尽量减少对轮胎参数的依赖和路面信息的依赖。根据牛顿第二定律,可以知道驱动轮的纵向驱动力,它其实有轮胎的内部非线性力矩,以及惯性加速度力矩,以及上汽变速器的路面外部阻力所组成的。根据牛顿第三定律,外部的阻力矩和轮段的驱动力矩进行相当于耦合和抵消,同时轮胎内部的非线性力矩非常小,所以在整个计算过程中进行了这样的忽略。最后根据电机的扭矩和转速的变化率,可以获取到纵向驱动力结果。

驱动防滑

其主要是应用在了起步加速时的打滑,以及行车过程中的打滑工况。分布式驱动的产品,其实在整个驱动防滑上更具有一些先天性的优势,尤其是在单侧轮打滑的情况下。另外一侧车轮根据路面的附着力,可以继续驱动轮子让车子进行脱困。

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从这张框图上可以看出,防滑中的软件策略实时在计算不同轮子的滑移情况,同时根据路面附着率获取到的最优滑移率进行比较,可以获取到的是驱动轮的过剩力矩,通过这个重新进行扭矩转移,从而实现驱动防滑功能。

蓝色车子是具备了驱动防滑功能,所以它的起步性相对来说更快一些。前面看到有白色的线条是上汽变速器进入了单侧打滑路面的方针。当我进入单侧打滑路面之后,蓝色车子具有驱动防滑,可以保证直线行驶,而红色的车辆出现了偏移,这和上汽变速器的扭矩转移策略是相关的。

上汽变速器将驱动轮防滑分成三大工况

一是左右轮同时出现不同情况的打滑,单侧车轮出现打滑,以及转完工况时候出现的打滑。当左右车轮出现不同程度打滑时,分别计算出来扭矩分别作用到两个电机的控制上进行降扭,从而实现了驱动轮防滑的控制。当出现单侧车轮打滑时,先来看一个低速工况,采用的是打滑车轮的过剩扭矩,会部分转移到非打滑车轮,同时也会进行车身的横摆,以及侧向的监控,同时还监控着非打滑车轮的滑移情况,以保证整个车身的稳定。

在高速工况下,为了保证车身的稳定和防止侧滑,当单侧车轮打滑时获取到了过剩力矩,将同时作用在非打滑轮,这就是前面在视频中可以看到的,蓝色车子当进入单侧打滑之后车速开始下降,这就是因为统一的降扭造成的结果。

第三是转弯工况,当转弯工况时,上汽变速器一定要考虑车身稳定,所以当出现打滑工况时的打滑情况,它的过剩力矩最大值将作用在两个轮子的电机控制上,保证整个车身的稳定。通过上汽变速器设计的对开路面的仿真结果,可以看出来前面半段是在0.8附着系数的路面上进行加速,当进入0.8和0.2的对看路面之后,可以看到当没有驱动防滑功能情况下,我的0.25附着系数的车轮其实是快速上升,同时出现滑移率达到100%,如果用了驱动防滑功能,可以看到它整个轮速是快速下降,滑移率被控制在最优滑移率的附近。

控制软件如何进行验证

对于去传动领域的公司而言,其实原本不需要关心转弯、打滑的工况设计和软件验证,因此对整车仿真环境为了满足分布式驱动控制,必须重新开发。因此上汽变速器利用了仿真环境,重新搭了整车的仿真环境。可以看到它包含了驾驶员的模拟,包含了所有车身姿态传感器信号的模拟,整个轮端阻力的模拟,以及制动系统和传动系统的模拟。整个整车仿真环境化可以支撑上汽变速器后续做台架测试。

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双电机控制器还在研发过程中,为了验证分布式驱动控制软件,仍然采用了两个电机进行电机控制。将其中的一个电机把分布式驱动控制的软件融合在当中,加上了两个台架进行两个电机以及整车仿真环境的搭建,形成一个闭环,实现的是车身姿态传感器的模拟,路面负载的模拟,同时也包含了VCU、ESP、TCS、IBS等节点功能在里面,帮助上汽变速器一起验证分布式驱动控制的软件,最后可以实现的是加速、减速、转弯以及轨迹跟踪等方向的闭环测试。

唐莹表示,上汽变速器正在计划使用控制器,将整车仿真环境的软件融合当中进行路面和轮胎负载的模拟扭矩信号,给台架负载电机,来实现闭环测试。

【以上内容转自“盖世汽车”,不代表本网站观点。 如需转载请取得盖世汽车网许可,如有侵权请联系删除。】

 

责任编辑: 4161HSS

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