电动汽车四轮独立驱动技术综述

电动汽车四轮独立驱动技术综述摘要：在能源与环境的双重压力下,电驱动车辆已经成为当前汽车工业的发展趋势,其中四轮独立驱动技术更是成为当前相关领域的研究热点。通过对电动汽车四轮独立驱动技术领域的关键技术的描述，如电动轮驱动电机及驱动系统、电子差速控制技术、整车控制技术进行分析，了解和深化对电动汽车的认识。关键词：电动汽车，驱动电机，电子差速控制，整车控制0引言随着能源问题的突显和人们环境保护意识的加强，混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)、纯电动汽车(EV)等新能源汽车已经开始受到越来越多的关注。在这种大背景下，具有无污染、零排放特点的纯电动汽车被公认为是最具有发展前途的交通工具之一[1]。以驱动电机为原动机的电动汽车，在驱动形式的多样性上有较大优势。其中，把电机直接安装在轮毂上，对整车进行驱动的四驱动方式称为四轮独立驱动(Four-wheelIndependentDrive)，简称4WD，因其简洁的整车结构、高效传动、以及能借助微控制器实时控制技术直接控制各电动轮实现差速转向和驱动防滑等突出优点，成为电动汽车发展的一个独特方向[2]。目前率先进入到商业运行的电动车辆多是在传统内燃机汽车底盘结构上进行改造，以中置电机取代发动机作为车辆动力源。由于机械传动系统结构未发生改变，这种形式电动车辆难以充分发挥电机驱动应有的各种技术优势。随着电机技术的发展和线控技术的应用，以轮毂电机为驱动系统的底盘结构成为电动汽车新的发展方向[3]。本文通过对电动汽车四轮独立驱动技术领域的关键技术的描述，如电动轮驱动电机及驱动系统、电子差速控制技术、整车控制技术，了解和深化对电动汽车的认识。1国内外研究现状1.1国外电动汽车研究现状轮毂电机车辆平台自身具有的线传控制特征，使整车布置和控制系统设计具有很大的柔性，这些优势得到了各国汽车厂商和研发机构的认同并都展开了相关的研究。不过受到安全法规的限制，现在与整车安全相关的线控技术还无法应用到量产车型当中。因此，目前对基于轮毂电机平台的线控电动汽车的研究主要还是处于概念车的开发和实验室研究阶段。丰田汽车公司从上世纪九十年代末开始进行轮毂电机驱动的纯电动车的开发，重点研究基于传统汽车底盘的轮毂电机电动汽车走向实用化的关键技术，如传统悬架、转向和制动系统等如何改进设计，以适应轮毂电机在车轮上的安装，全新结构的轮毂电机电动汽车的车体结构设计等[4]。日本Nissan公司分别于2003年、2007年和2010年分别推出了Pivo1、Pivo2、Pivo3三款概念电动汽车。Pivo1搭载Nissan自研的高性能锂电池组和电机驱动系统，Pivo1具有卓越的可操作性，驾驶舱能够180度旋转，驾驶方便且非常适合城市驾驶。Pivo2和Pivo3型都借用了第一代的设计理念，不过采用了更加超前的技术。整车采用全线控技术，以四轮轮毂电机为驱动系统，转向系统采用4轮独立轮拱设计，具备可实现全新移动模式的“变形系统”。相比Pivo2型，Pivo3还加入了取代后视镜的电子监控系统和日产“自动代客泊车”(AutomatedValetParking)系统。Pivo3一旦停在指定的充电位置上将自动开始充电。美国通用汽车公司2003年开发了轮毂电机后轮驱动的雪弗兰轻型电动汽车，在2005年北美国际汽车展上又展出新一代轮毂电机驱动的氢燃料电池电动汽车Sequel，由于驱动电机实时精确控制四个车轮扭矩，进一步提高车辆的稳定性和牵引性能，且有制动能量回收功能[5]。东京大学Hori教授所领导的实验室Hori教授所领导的实验室先后开发了“UOTElectricMarch”和“UOTElectricMarchII”两种轮毂电机电动车[4,6]。其中利用轮毂电机力矩响应快速精确、易获得驱动力矩和可单独控制每个车轮驱动力的特点，采用传统转向和悬架系统，实现了四轮独立驱动/制动控制。东京农工大学永井正夫教授所领导的实验室开发了轮毂电机驱动的NOVEL-I和NOVEL-Ⅱ微型电动汽车，重点研究了基于模型匹配控制理论的DYC控制策略和线控转向（SBW）的操纵稳定性控制策略[7]。1.2国内线控电动车辆研究现状随着国家在“863”计划在电动汽车重大课题中的推进，国内几个主要的汽车厂商和高校都已经对电动汽车的关键技术展开了深入研究。不过受技术储备不足限制，汽车厂商的研究重点集中在混合动力和中置式纯电动汽车的开发上。对于轮毂电机平台的线控车辆的研究，目前的研发力量主要集中在各大高校中。同济大学较早展开相关研究，于2002年、2003年、2004年相继推出了春晖一号、春晖二号、春晖三号，它们是四轮驱动燃料电池微型电动汽车，具有斜行，原地转向，四轮转向功能。基于该平台，同济大学重点研究了四轮驱动电动汽车的状态、轮胎侧偏刚度和路面附着系数估算方法[8]。基于这些估计方法对传统转向和悬架结构的电动汽车进行驱动/制动的LQR和WLS控制以提高车辆的稳定性和电机工作效率，达到节能的目的[9]。清华大学四轮独立驱动电动车研究主要从提高稳定性和改善机动性的目标出发，对全轮纵向力进行优化分配，提高了直接横摆力矩控制下的路面附着潜力和横摆响应速度，并研究基于电机节能策略的四轮独立电驱动车辆驱动力分配方法，通过优化保证正常驱动状态下整车具有最佳的经济性能[10]。吉林大学研究了四轮独立驱动电动汽车转弯驱动工况下转矩协调控制方法，改善了车辆的操纵稳定性，并研究利用差动驱动进行助力转向，以提高转向轻便性和路感[11]。上海交通大学提出基于滑模控制的四轮驱动电动汽车稳定性控制方法，侧偏角和横摆角速度联合控制策略能够将质心侧偏角控制在稳定范围内，并能很好跟踪车辆的期望横摆角速度[12]。燕山大学提出了四轮独立驱动电动车等转矩和等功率驱动力分配策略。武汉理工大学等提出的电动轮驱动电动车的驱动力R-v控制策略能够提高汽车操纵性，并有节能的效果[13]。哈尔滨工业大学、上海电驱动等在轮毂电机和电驱动轮开发和产品化方面做了大量研究工作[14]。综合上述的研究概况可以看出，国外对线控电动车辆的研究得益于汽车厂商的参与和其雄厚的电控技术基础支撑，目前在工程化实现和可靠性上已经取得了一定的成果。而国内的研究起步相对较晚，现在主要还处于实验室研究阶段，只有少部分高校结合自身研究需要搭建了试验样车。2电动轮驱动电机及驱动系统电机及驱动系统是电动汽车动力系统的核心。它由电动机、功率变换器和电子控制器构成。车载电机驱动系统要求运行效率高，启动转矩大，过载能力强，冷却性好，调速范围宽，转速高，体积小，质量小等特性。另外，还有动态制动性能强和能量回馈性能，能在恒转矩和恒功率区工作等要求。车用电动机主要有直流电机(DirectCurrentMotor，DCM)、感应电机(InductionMotor，IM)、永磁无刷直流电机(BrushlessDCMotor，BLDCM)、正弦波永磁同步电机(PermanetMagnetSynchromous，PMSM)和开关磁阻电动机(SwitchedReluntanceMotor，SRM)五种类型[15]。目前交流感应电机的主要优点是价格较低、效率高、重量轻，但启动转矩小。永磁同步电机的主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点，但价格较贵，永磁材料一般仅耐热120℃以下。开关磁阻电机结构较新，优点是结构简单、可靠、成本较低、起动性能好，没有大的冲击电流，它兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点，缺点是噪声较大。DCM结构简单、技术成熟、成本低，具有交流电动机所不可比拟的优良电磁转矩控制特性。所以直到20世纪80年代中期，仍是国内外电动汽车用电机的主要研发对象。但DCM电刷和换向器使得维护性增加，限制转速提高，并且体积和重量较大，应用日益减少，目前仅在一些场地车、旅游观光车和高尔夫球车上使用。DCM一般采用PWM脉宽调制控制方式，其驱动电路相对简单，根据不同需求可设计成可逆和不可逆系统。IM也是较早用于电动汽车驱动的一种电机，它的调速控制技术比较成熟，具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点。其控制技术主要有V/F控制、转差频率控制、矢量控制(VectorControl，VC)和直接转矩控制(DirectTorqueControl，DTC)。永磁同步电机按其反电动势不同分为方波的BLDCM和正弦波PMSM。它们都具有较高的功率密度，其控制方式与感应电机基本相同，因此在电动汽车上得到了广泛的应用，是当前电动汽车用电动机的研发热点。BLDCM系统不需要绝对位置传感器，一般采用霍尔元件或增量式码盘，也可以通过检测反电动势波形换相。PMSM系统需要绝对式码盘或旋转变压器等转子位置传感器，这类电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，非常适应于电动汽车的驱动系统，有极好的应用前景。目前日本研制的电动汽车主要采用这种电机。SRM具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行，控制灵活、可4象限运行、响应速度快和成本较低等优点。实际应用发现，SRM存在着转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，所以应用受到了限制。3电子差速控制技术根据汽车行驶运动学，以及运行中的车轮、道路及它们之间的相互物理作用可知，汽车在行驶过程中，左右车轮在同一时间内所滚过的行程往往是不相等的。例如，汽车在转弯时，为满足运动学的要求，汽车外侧车轮的行程始终长于内侧的行程。此外，即使汽车直线行驶，也会由于左右车轮在同一时间内所滚过的路面情况的不同，或由于左右车轮轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨损程度的不同，以及制造误差导致左右车轮外径不等或滚动半径不等，从而左右两车轮行程不等。在上述各种状态下，如采用单-驱动轴将动力传递给左右车轮，则会由于左右车轮的转速相等而行程不同的运动学矛盾，必然引发某一驱动车轮的滑转或滑移，其结果除了会使轮胎过早磨损、无益地消耗功率及使驱动轮轴超载等外，而且，还会因不能按所要求的瞬时中心转向而使操纵性发生变化。同时，由于车轮与路面间，尤其在转弯时若有大的滑移或滑转，则易使汽车在转向时失去抗侧滑的能力而使稳定性变化。因此，为了消除由于左右车轮在运动学上的不协调而产生的这些弊病，传统汽车左右车轮间装有机械差速器，从而保证了汽车驱动桥两侧车轮在行程不等时，具有不同旋转速度的可能性，使之满足汽车行驶运动学的规律性的要求。图1低速行驶时ACKERMANN和JEANTAND模型相对于机械差速器，电子差速有很多的优越性。电子差速系统仅仅在需要转向时电机才有功率输出，它省去了传递效率低的机械传动，节省了能源。而且在电子转向系统中取消了液压助力，从而减少了相应的液压装置，进而避免了液压油泄漏、液压油管、油封等废弃物对环境造成的污染等。此外，电子差速系统的硬件具有通用性，故针对不同路况，只需修改相应的参数，就可以实现不同的控制算法，甚至可以在一个系统里含有多套控制算法，针对不同的情况，只要在显示界面通过键盘设定即可。这些无疑都提高了汽车的操纵性，从而将传统“人—车”闭环系统中驾驶员负担的部分工作由控制器完成，减轻驾驶员负担，提高了汽车系统对驾驶员转向输入响应的敏感度和“人—车”闭环系统的主动安全性。图2基于神经网络的电子差速系统结构框图4纯电动汽车整车控制技术整车控制技术与电机技术和电池技术并称为纯电动汽车的三大核心技术。目前我国已基本形成了由整车厂牵头、零部件企业参与、国家政策统筹扶持的纯电动汽车整车研发体系。主要由零部件供应企业负责零部件产品的设计、研发和制造工作，整车厂则根据整车的设计需要向零部件供应商提出具体的技术指标和相关特征参数要求，并完成整车及动力系统部件的系统集成和整车控制技术的开发。（1）转矩控制策略转矩控制是整车控制系统功能的一个重要组成部分，主要是根据驾驶员的操作和当前状态决定对电机系统转矩指令的调节和控制输出。1）驾驶模式通常，转矩控制策略的制定都跟驾驶模式有紧密的联系。驾驶模式往往是根据整车的特点和需求预先设计好的用来区分不同转矩控制特点的一个有限集合，如动力模式、一般模式、经济模式以及故障模式等等。通过