超微型双轮毂电动四轮车电桥差速器设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 国内外研究的发展概况 1
1.2.1 国外研究状况 1
1.2.2 国内研究状况 2
1.3 课题研究的意义 2
1.4 本论文的主要研究内容 3
2 电动四轮车电桥差速控制系统的设计 3
2.1 传统差速控制器原理及实现 4
2.2 电桥差速器原理及实现 4
2.2.1 惠斯通电桥原理 4
2.2.2 电桥差速器差速原理 5
3 电桥差速器参数计算 7
3.1 电动四轮车行驶过程中动力学分析 7
3.1.1 电动四轮车汽车直线行驶时的动力学方程 7
3.1.2 电动四轮车转弯行驶时的动力学方程 8
3.2 电桥差速器参数选择 11
3.3 转向盘转角与电桥参数之间的匹配关系 13
总结 17
致谢 18
参考文献 19
1 绪论
1.1 课题研究的背景
汽车是现代社会的主要交通工具，为人类生活带来很大的便利，推动着科技的不断进步[1]。但是随之而来的是石化资源的逐渐趋于枯竭，环境污染日益严重和全球温室效应。汽车带给人们便利的同时也成为破坏生态环境的主力军，世界各国都在寻求一种能够不依赖于石化资源的新能源汽车[2]。经过各国汽车工业科技工作者的不断努力，电动汽车以一种崭新的姿态登上历史舞台。电动汽车因为其资源消耗低、环境污染少，世界各国纷纷投入巨资发展电动汽车产业。我国政府也非常重视电动汽车产业的发展，积极开展电动汽车产业发展的系统研究。
目前,电动汽车产业正处于起步期 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
，电动汽车技术还未成熟，最佳的效能、经济的配置、可靠的性能、便捷的操控、低廉的费用成为研发的焦点。在此情况下，各种驱动形式的电动汽车层出不穷，其中，双轮毂电机驱动电动四轮车由于其自身的结构优势使其具有很高的应用前景。
1.2 国内外研究的发展概况
1.2.1 国外研究状况
轮毂驱动电动汽车差速控制的实质就是多电机的协同控制，目的是让电机在直行，转弯等状态下依照驾驶员的意图进行工作[3]。用双轮毂电动机为构架的电动汽车， 其取消了转向盘和转向车轮之间的机械连接，直接将驱动电机安装在两侧轮毂上，使用电子线路控制两侧轮毂驱动电机的转速，实现转向时内外车轮之间的速度差，从而实现汽车差速转向。
汽车企业和研发中心对电子差速控制系统的电动汽车进行研究，进而应用到自主研发的产品中。三菱(Mitsubishi)公司MIEV(Mitsubishi In-wheel motor Electric Vehicle)技术，采用轮毂电机驱动技术，目前此技术己经在 ColtEV、i-MiEV还有概念车i-MiEV Sport得到应用[4]。
轮毂电机差速的控制上，主要分为转速控制和转矩控制两大类。在国外，根据现有的资料来看，主要利用转速去控制。宝马公司MINI COOPER，采用轮毂电机驱动技术，所用轮毂电机由PML公司生产，动力源为小排量的发动机加电池和超级电容，最高时速能达150mph，满电量巡航里程1500km[5]。辛克莱提出的差速控制策略是基于滑模控制的理论，研究了电动汽车后轮驱动的轮毂电机，通过方向盘转角、油门踏板和整车参数来控制内外车轮的转速，车速通过油门踏板决定，在转向过程中，油门踏板控制内轮，外轮速度则由车速、整车参数和内轮转速一起决定。
1.2.2 国内研究状况
目前国内还没有汽车厂商能够量产轮毂电机驱动的电动汽车，但是轮毂电机驱动的概念车和试验车已经研发成功。如比亚迪的四轮驱动概念车“ET”，是国内第一台由生产商自主开发的四轮毂电机驱动电动汽车。
浙江大学对轮毂电机驱动的研究一直很深入[6]，其电气工程学院对双轮轮毂电机驱动电动汽车这一课题展开了深入的探讨。提出新的电子差速控制方法，以车轮与地面附着系数作为控制对象，降低了汽车滑转的可能性。通过控制两驱动轮的转矩来控制驱动轮附着率使其相同，进一步降低了滑转的概率，最后对车辆的运动状态进行了仿真，得到了侧翻力矩起到了决定性作用的结论。
中科院电工研究所电动汽车研究团队与中科院大连化物所、东风汽车集团合作，针对双轮毂电机驱动的电动汽车，提出了基于自由轮转速信息和驱动防滑控制，分析了汽车转向中的动力学原理[7]。在Ackermann转向几何模型下讨论了理想差速过程中车轮驱动转速变化应满足的条件，提出了一种崭新的转速分配电机差速器设计思路。
同济大学开发了一个“春晖”系列燃料电池概念车采用四个低速大扭矩永磁直流无刷轮毂电机独立驱动车轮的电动机驱动系统[8]；EV96-1型电动汽车是哈尔滨工业大学研究所开发的，在轮毂电机驱动系统中使用双边混合磁路结构，每个车轮轮毂电机额定功率是6.8千瓦、最大功率15千瓦，最大转矩25牛米，集成的盘式制动器，空气冷却。基于Ackermann转向几何模型推导出转向过程中内外后轮的理论速度，以此作为速度闭环的依据进行汽车电子差速控制。
1.3 课题研究的意义
传统汽车依靠机械式差速器实现汽车差速转向。由于机械式差速器结构复杂，制造成本高，传动效率低等缺点，而电子差速器以其结构简单，良好的响应特性、更高的响应精度和更快的响应速度，便于车辆动力学控制系统完成实时控制等优点，在汽车上得到了广泛的应用。
由于后轮驱动电动汽车采用轮毂电机作为驱动源，能够实现驱动轮的独立控制，突破了传统汽车机械结构的束缚，增强了汽车控制的灵活性，设计上也更加体现人性化。双轮毂电机驱动电动汽车传动链短、效率高，因此降低了整车母线电压，增加了整车的电气安全性。比机械差速性能更为理想的电子差速可望实现，进一步结合其它一些提高操纵稳定性的控制措施即可获得极佳的主动安全性[9]。此外，驱动电机分散布置使得汽车布局更为灵活，使设计者在兼顾乘坐空间、机构设置的设计方面有更多的设计余地，从而有利于改善被动安全性。
超微型双轮毂电动四轮车电桥差速器根据转向盘转角与电桥的匹配关系，通过转动转向盘来进行电桥中电阻值的调节，进而改变电桥中的电压大小以实现汽车的差速转向。电桥差速器具有成本低、结构简单的特点，因此对于超微型双轮毂电动四轮车电桥差速器的研究具有重大的现实意义。
1.4 本论文的主要研究内容
本论文主要以双轮毂电机后轮驱动电动四轮车为研究对象，完成超微型电动四轮车电桥差速器总体设计方案与电桥差速器参数计算。其中，电桥差速器电桥采用惠斯通电桥，驱动电机电机采用永磁同步电动机。主要工作和研究内容有：
(1)分析多轮驱动电动四轮车的结构，阐述传统机械差速器的差速工作原理，优选电桥差速器应用于超微型电动四轮车，并完成超微型电动四轮车电桥差速器的设计方案和系统阐述电桥差速器的工作原理。
(2)根据理想的Ackermann转向模型，设计电桥差速器差速控制总体方案。对轮毂驱动电动四轮车在直线运行以及转向运行时的动力学模型进行了分析，以Ackermann分析模型作为研究对象，提出了电动四轮车电桥差速控制策略。
(3)选择合适的超微型双轮毂电动四轮车的基本参数，并完成电桥、转向角度等参数之间的匹配关系和设计计算。
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 国内外研究的发展概况 1
1.2.1 国外研究状况 1
1.2.2 国内研究状况 2
1.3 课题研究的意义 2
1.4 本论文的主要研究内容 3
2 电动四轮车电桥差速控制系统的设计 3
2.1 传统差速控制器原理及实现 4
2.2 电桥差速器原理及实现 4
2.2.1 惠斯通电桥原理 4
2.2.2 电桥差速器差速原理 5
3 电桥差速器参数计算 7
3.1 电动四轮车行驶过程中动力学分析 7
3.1.1 电动四轮车汽车直线行驶时的动力学方程 7
3.1.2 电动四轮车转弯行驶时的动力学方程 8
3.2 电桥差速器参数选择 11
3.3 转向盘转角与电桥参数之间的匹配关系 13
总结 17
致谢 18
参考文献 19
1 绪论
1.1 课题研究的背景
汽车是现代社会的主要交通工具，为人类生活带来很大的便利，推动着科技的不断进步[1]。但是随之而来的是石化资源的逐渐趋于枯竭，环境污染日益严重和全球温室效应。汽车带给人们便利的同时也成为破坏生态环境的主力军，世界各国都在寻求一种能够不依赖于石化资源的新能源汽车[2]。经过各国汽车工业科技工作者的不断努力，电动汽车以一种崭新的姿态登上历史舞台。电动汽车因为其资源消耗低、环境污染少，世界各国纷纷投入巨资发展电动汽车产业。我国政府也非常重视电动汽车产业的发展，积极开展电动汽车产业发展的系统研究。
目前,电动汽车产业正处于起步期 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
，电动汽车技术还未成熟，最佳的效能、经济的配置、可靠的性能、便捷的操控、低廉的费用成为研发的焦点。在此情况下，各种驱动形式的电动汽车层出不穷，其中，双轮毂电机驱动电动四轮车由于其自身的结构优势使其具有很高的应用前景。
1.2 国内外研究的发展概况
1.2.1 国外研究状况
轮毂驱动电动汽车差速控制的实质就是多电机的协同控制，目的是让电机在直行，转弯等状态下依照驾驶员的意图进行工作[3]。用双轮毂电动机为构架的电动汽车， 其取消了转向盘和转向车轮之间的机械连接，直接将驱动电机安装在两侧轮毂上，使用电子线路控制两侧轮毂驱动电机的转速，实现转向时内外车轮之间的速度差，从而实现汽车差速转向。
汽车企业和研发中心对电子差速控制系统的电动汽车进行研究，进而应用到自主研发的产品中。三菱(Mitsubishi)公司MIEV(Mitsubishi In-wheel motor Electric Vehicle)技术，采用轮毂电机驱动技术，目前此技术己经在 ColtEV、i-MiEV还有概念车i-MiEV Sport得到应用[4]。
轮毂电机差速的控制上，主要分为转速控制和转矩控制两大类。在国外，根据现有的资料来看，主要利用转速去控制。宝马公司MINI COOPER，采用轮毂电机驱动技术，所用轮毂电机由PML公司生产，动力源为小排量的发动机加电池和超级电容，最高时速能达150mph，满电量巡航里程1500km[5]。辛克莱提出的差速控制策略是基于滑模控制的理论，研究了电动汽车后轮驱动的轮毂电机，通过方向盘转角、油门踏板和整车参数来控制内外车轮的转速，车速通过油门踏板决定，在转向过程中，油门踏板控制内轮，外轮速度则由车速、整车参数和内轮转速一起决定。
1.2.2 国内研究状况
目前国内还没有汽车厂商能够量产轮毂电机驱动的电动汽车，但是轮毂电机驱动的概念车和试验车已经研发成功。如比亚迪的四轮驱动概念车“ET”，是国内第一台由生产商自主开发的四轮毂电机驱动电动汽车。
浙江大学对轮毂电机驱动的研究一直很深入[6]，其电气工程学院对双轮轮毂电机驱动电动汽车这一课题展开了深入的探讨。提出新的电子差速控制方法，以车轮与地面附着系数作为控制对象，降低了汽车滑转的可能性。通过控制两驱动轮的转矩来控制驱动轮附着率使其相同，进一步降低了滑转的概率，最后对车辆的运动状态进行了仿真，得到了侧翻力矩起到了决定性作用的结论。
中科院电工研究所电动汽车研究团队与中科院大连化物所、东风汽车集团合作，针对双轮毂电机驱动的电动汽车，提出了基于自由轮转速信息和驱动防滑控制，分析了汽车转向中的动力学原理[7]。在Ackermann转向几何模型下讨论了理想差速过程中车轮驱动转速变化应满足的条件，提出了一种崭新的转速分配电机差速器设计思路。
同济大学开发了一个“春晖”系列燃料电池概念车采用四个低速大扭矩永磁直流无刷轮毂电机独立驱动车轮的电动机驱动系统[8]；EV96-1型电动汽车是哈尔滨工业大学研究所开发的，在轮毂电机驱动系统中使用双边混合磁路结构，每个车轮轮毂电机额定功率是6.8千瓦、最大功率15千瓦，最大转矩25牛米，集成的盘式制动器，空气冷却。基于Ackermann转向几何模型推导出转向过程中内外后轮的理论速度，以此作为速度闭环的依据进行汽车电子差速控制。
1.3 课题研究的意义
传统汽车依靠机械式差速器实现汽车差速转向。由于机械式差速器结构复杂，制造成本高，传动效率低等缺点，而电子差速器以其结构简单，良好的响应特性、更高的响应精度和更快的响应速度，便于车辆动力学控制系统完成实时控制等优点，在汽车上得到了广泛的应用。
由于后轮驱动电动汽车采用轮毂电机作为驱动源，能够实现驱动轮的独立控制，突破了传统汽车机械结构的束缚，增强了汽车控制的灵活性，设计上也更加体现人性化。双轮毂电机驱动电动汽车传动链短、效率高，因此降低了整车母线电压，增加了整车的电气安全性。比机械差速性能更为理想的电子差速可望实现，进一步结合其它一些提高操纵稳定性的控制措施即可获得极佳的主动安全性[9]。此外，驱动电机分散布置使得汽车布局更为灵活，使设计者在兼顾乘坐空间、机构设置的设计方面有更多的设计余地，从而有利于改善被动安全性。
超微型双轮毂电动四轮车电桥差速器根据转向盘转角与电桥的匹配关系，通过转动转向盘来进行电桥中电阻值的调节，进而改变电桥中的电压大小以实现汽车的差速转向。电桥差速器具有成本低、结构简单的特点，因此对于超微型双轮毂电动四轮车电桥差速器的研究具有重大的现实意义。
1.4 本论文的主要研究内容
本论文主要以双轮毂电机后轮驱动电动四轮车为研究对象，完成超微型电动四轮车电桥差速器总体设计方案与电桥差速器参数计算。其中，电桥差速器电桥采用惠斯通电桥，驱动电机电机采用永磁同步电动机。主要工作和研究内容有：
(1)分析多轮驱动电动四轮车的结构，阐述传统机械差速器的差速工作原理，优选电桥差速器应用于超微型电动四轮车，并完成超微型电动四轮车电桥差速器的设计方案和系统阐述电桥差速器的工作原理。
(2)根据理想的Ackermann转向模型，设计电桥差速器差速控制总体方案。对轮毂驱动电动四轮车在直线运行以及转向运行时的动力学模型进行了分析，以Ackermann分析模型作为研究对象，提出了电动四轮车电桥差速控制策略。
(3)选择合适的超微型双轮毂电动四轮车的基本参数，并完成电桥、转向角度等参数之间的匹配关系和设计计算。
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