电动汽车四轮独立驱动技术综述.docx

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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

图12低速行驶时ACKERMANN和JEANTAND模型

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。

通过对驾驶员当前的操作以及实际道路运行特征参数的实时分析甚至结合GPRS车联网的实时道路信息，预测当前的道路状态以及驾驶员的可能行为，从而决定相应合适的控制策略，是一种有效的探索，对于未来汽车的智能化、网络化发展具有较强的理论意义，但这种方式往往需要进行大量的数据处理和运算，对控制器的运算速度要求较高，在目前的技术条件下，实车应用还存在着一定的困难[16-17]。

目前的纯电动汽车产品多数还是通过档位设置和手动选择的方式实现驾驶模式的选择和切换以达到不同的控制效果和驾驶感觉。

目前纯电动汽车一般都会根据动力性和经济性的侧重设置至少两个前进档位，一个偏向于发挥电机的转矩响应快的特点突出纯电动汽车的动力性能；另一个则是侧重于经济性的考虑，降低动力性表现，以提高经济性，这主要是由于纯电动汽车以动力电池为能量来源，电池放电倍率直接影响其放电容量效率和能量效率，倍率越大，则效率相对越低，从而可放的能量也就越少，因而会导致整车续驶里程的减少，因此，通过降低踏板对应的转矩输出幅度已成为经济性运行模式的主流选择。

但是，在此过程中，过分的降低转矩输出能力，会带来整车动力性的过差，影响到驾驶感觉。

2）转矩控制架构及控制策略

转矩控制策略是整车控制系统的重要组成部分，也是实现不同驾驶模式下的控制功能以及驾驶感觉的关键决策部分。

图3所示为文献[18]提出的纯电动汽车整车控制流程，主要包括意图识别、需求转矩计算、工作模式切换、故障诊断及功率限制等模块，这也是目前所通常采用的一种较为实用的转矩控制流程。

图3纯电动汽车转矩控制流程图

实现纯电动汽车转矩控制的方式多种多样，包括由踏板位置通过一定的函数关系对应电机转矩外特性输出的转矩策略、由踏板位置和车速共同决定的转矩控制策略以及单纯基于踏板变化率的控制等等。

其中，最简单的方式就是将加速踏板位置通过一定的函数关系转化为百分比值然后直接对应当前电机的外特性转矩得到转矩指令输出，如图4所示。

图4踏板对应电机转矩外特性控制方式

函数关系通常有图4左图所示的三种：

其中，b曲线属于线性对应关系，较为适中，a曲线偏硬，c曲线则偏软。

该种方法最为简单，处理容易，是目前应用较为广泛的一种实用控制方法[15-18]。

但是，该种方法由于采用了较为简单的处理方式，对于不同的工况及驾驶员需求缺乏一定的适应性。

合理的模式划分是转矩控制的基础，而建立良好的转矩控制架构并准确解析驾驶员的操作意图以保证整车控制性能的提升是转矩控制策略研究的关键。

（2）能量管理和转矩约束控制策略

纯电动汽车以电气化动力系统为主要特点，系统故障也往往都集中于电机和电池系统，尤其是某些操作还可能会带来对系统部件不可逆的损伤。

因而通常情况下需要采取适当的能量管理和转矩约束控制策略，以确保动力系统长时高效工作。

如图5所示，为三菱i-MiEV纯电动轿车整车控制系统所设置的电池可用区间。

图5三菱电池工作区间划分及电流约束策略

区间的设置主要是限制了电池的开路电压范围，使动力电池不处于过高或过低的电压状态下工作。

在实际的控制过程中，根据当前环境温度的不同，设置了相应的电流上下限以避免产生过充和过放现象的发生，如图5（b）所示。

文献[19]根据电池充放电的特性，将电池的工作区间划分为了如图6所示的几个区域，主要包括充放电的限制区以及电池的不同SOC状态所对应的高效区间，并根据不同的工作区域，适当调整了控制策略。

图6电池可用区间限制及不同SOC区间所对应的效率区域划分

文献[20]中，当识别加速踏板位置大于额定转矩所对应的踏板开度位置时，判断驾驶员有急加速需求，此时通过加速踏板位置和踏板变化率两个参数对原转矩指令进行转矩的补偿。

并且，为了避免由于电机频繁过载引起电机温升过高并导致故障的出现，分别基于电机温度和过载时间来实现对电机过载的管理和控制。

综上所述，纯电动汽车整车控制系统的关键是开发合适的控制软件结构，划分控制模式，制定合理的转矩控制架构，能同时兼顾动力性和经济性的双重考虑，满足驾驶员的不同驾驶需求。

并且应实时监督整车及动力系统部件的状态，确保电机电池系统的长时高效工作，具备对一般异常现象的处理能力，尽量降低被迫停车的可能性。

5结语

随着世界石油能源的紧缺，石油价格日益昂贵。

电动汽车正处于蓬勃发展的新时期，但要完全替代传统汽车仍需一段时间。

显而易见，电气技术的研究及电控新技术的突破，决定了电动汽车能否达到传统汽车的各种良好性能指标。

本文通过对电动汽车控制技术领域的关键技术的描述，包括四轮独立驱动电动技术、电子差速控制技术和整车控制技术。

全面深入了解了电动汽车控制策略方面的研究现状，为今后的学习研究打下了良好的基础。

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