1、電動汽車四輪獨立驅動技術綜述摘要：在能源與環境的雙重壓力下,電驅動車輛已經成為當前汽車工業的發展趨勢,其中四輪獨立驅動技術更是成為當前相關領域的研究熱點。通過對電動汽車四輪獨立驅動技術領域的關鍵技術的描述，如電動輪驅動電機及驅動系統、電子差速控制技術、整車控制技術進行分析，了解和深化對電動汽車的認識。關鍵詞：電動汽車，驅動電機，電子差速控制，整車控制0引言隨著能源問題的突顯和人們環境保護意識的加強，混合動力汽車(HEV)、燃料電池汽車(FCEV)、純電動汽車(EV)等新能源汽車已經開始受到越來越多的關注。在這種大背景下，具有無污染、零排放特點的純電動汽車被公認為是最具有發展前途的交通工具之一1

2、。以驅動電機為原動機的電動汽車，在驅動形式的多樣性上有較大優勢。其中，把電機直接安裝在輪轂上，對整車進行驅動的四驅動方式稱為四輪獨立驅動(Four-wheel Independent Drive)，簡稱4WD，因其簡潔的整車結構、高效傳動、以及能借助微控制器實時控制技術直接控制各電動輪實現差速轉向和驅動防滑等突出優點，成為電動汽車發展的一個獨特方向2。目前率先進入到商業運行的電動車輛多是在傳統內燃機汽車底盤結構上進行改造，以中置電機取代發動機作為車輛動力源。由于機械傳動系統結構未發生改變，這種形式電動車輛難以充分發揮電機驅動應有的各種技術優勢。隨著電機技術的發展和線控技術的應用，以輪轂電機為驅

3、動系統的底盤結構成為電動汽車新的發展方向3。本文通過對電動汽車四輪獨立驅動技術領域的關鍵技術的描述，如電動輪驅動電機及驅動系統、電子差速控制技術、整車控制技術，了解和深化對電動汽車的認識。1國內外研究現狀1.1國外電動汽車研究現狀輪轂電機車輛平臺自身具有的線傳控制特征，使整車布置和控制系統設計具有很大的柔性，這些優勢得到了各國汽車廠商和研發機構的認同并都展開了相關的研究。不過受到安全法規的限制，現在與整車安全相關的線控技術還無法應用到量產車型當中。因此，目前對基于輪轂電機平臺的線控電動汽車的研究主要還是處于概念車的開發和實驗室研究階段。豐田汽車公司從上世紀九十年代末開始進行輪轂電機驅動的純電動

4、車的開發，重點研究基于傳統汽車底盤的輪轂電機電動汽車走向實用化的關鍵技術，如傳統懸架、轉向和制動系統等如何改進設計，以適應輪轂電機在車輪上的安裝，全新結構的輪轂電機電動汽車的車體結構設計等4。日本Nissan公司分別于2003年、2007年和2010年分別推出了Pivo1、Pivo2、Pivo3三款概念電動汽車。Pivo1搭載Nissan自研的高性能鋰電池組和電機驅動系統，Pivo1具有卓越的可操作性，駕駛艙能夠180度旋轉，駕駛方便且非常適合城市駕駛。Pivo2和Pivo3型都借用了第一代的設計理念，不過采用了更加超前的技術。整車采用全線控技術，以四輪輪轂電機為驅動系統，轉向系統采用 4 輪

5、獨立輪拱設計，具備可實現全新移動模式的“變形系統”。相比Pivo2型，Pivo3還加入了取代后視鏡的電子監控系統和日產“自動代客泊車”(Automated Valet Parking)系統。Pivo3一旦停在指定的充電位置上將自動開始充電。美國通用汽車公司2003年開發了輪轂電機后輪驅動的雪弗蘭輕型電動汽車，在2005年北美國際汽車展上又展出新一代輪轂電機驅動的氫燃料電池電動汽車 Sequel，由于驅動電機實時精確控制四個車輪扭矩，進一步提高車輛的穩定性和牽引性能，且有制動能量回收功能5。東京大學Hori教授所領導的實驗室Hori教授所領導的實驗室先后開發了“UOT Electric Marc

6、h”和“UOT Electric March II”兩種輪轂電機電動車4,6。其中利用輪轂電機力矩響應快速精確、易獲得驅動力矩和可單獨控制每個車輪驅動力的特點，采用傳統轉向和懸架系統，實現了四輪獨立驅動/制動控制。東京農工大學永井正夫教授所領導的實驗室開發了輪轂電機驅動的NOVEL -I和NOVEL-微型電動汽車，重點研究了基于模型匹配控制理論的 DYC 控制策略和線控轉向（SBW）的操縱穩定性控制策略7。1.2 國內線控電動車輛研究現狀隨著國家在“863”計劃在電動汽車重大課題中的推進，國內幾個主要的汽車廠商和高校都已經對電動汽車的關鍵技術展開了深入研究。不過受技術儲備不足限制，汽車廠商的研

7、究重點集中在混合動力和中置式純電動汽車的開發上。對于輪轂電機平臺的線控車輛的研究，目前的研發力量主要集中在各大高校中。同濟大學較早展開相關研究，于2002年、2003年、2004年相繼推出了春暉一號、春暉二號、春暉三號，它們是四輪驅動燃料電池微型電動汽車，具有斜行，原地轉向，四輪轉向功能。基于該平臺，同濟大學重點研究了四輪驅動電動汽車的狀態、輪胎側偏剛度和路面附著系數估算方法8。基于這些估計方法對傳統轉向和懸架結構的電動汽車進行驅動/制動的LQR和WLS控制以提高車輛的穩定性和電機工作效率，達到節能的目的9。清華大學四輪獨立驅動電動車研究主要從提高穩定性和改善機動性的目標出發，對全輪縱向力進行

8、優化分配，提高了直接橫擺力矩控制下的路面附著潛力和橫擺響應速度，并研究基于電機節能策略的四輪獨立電驅動車輛驅動力分配方法，通過優化保證正常驅動狀態下整車具有最佳的經濟性能10。吉林大學研究了四輪獨立驅動電動汽車轉彎驅動工況下轉矩協調控制方法，改善了車輛的操縱穩定性，并研究利用差動驅動進行助力轉向，以提高轉向輕便性和路感11。上海交通大學提出基于滑模控制的四輪驅動電動汽車穩定性控制方法，側偏角和橫擺角速度聯合控制策略能夠將質心側偏角控制在穩定范圍內，并能很好跟蹤車輛的期望橫擺角速度12。燕山大學提出了四輪獨立驅動電動車等轉矩和等功率驅動力分配策略。武漢理工大學等提出的電動輪驅動電動車的驅動力 R

9、-v 控制策略能夠提高汽車操縱性，并有節能的效果13。哈爾濱工業大學、上海電驅動等在輪轂電機和電驅動輪開發和產品化方面做了大量研究工作14。綜合上述的研究概況可以看出，國外對線控電動車輛的研究得益于汽車廠商的參與和其雄厚的電控技術基礎支撐，目前在工程化實現和可靠性上已經取得了一定的成果。而國內的研究起步相對較晚，現在主要還處于實驗室研究階段，只有少部分高校結合自身研究需要搭建了試驗樣車。2電動輪驅動電機及驅動系統電機及驅動系統是電動汽車動力系統的核心。它由電動機、功率變換器和電子控制器構成。車載電機驅動系統要求運行效率高，啟動轉矩大，過載能力強，冷卻性好，調速范圍寬，轉速高，體積小，質量小等特

10、性。另外，還有動態制動性能強和能量回饋性能，能在恒轉矩和恒功率區工作等要求。車用電動機主要有直流電機(Direct Current Motor，DCM)、感應電機(Induction Motor，IM)、永磁無刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)、正弦波永磁同步電機 (Permanet Magnet Synchromous，PMSM) 和開關磁阻電動機(Switched Reluntance Motor，SRM)五種類型15。目前交流感應電機的主要優點是價格較低、效率高、重量輕，但啟動轉矩小。永磁同步電機的主要優點是效率可以比交流感應電機高6個百分點，但價格較貴，永磁

11、材料一般僅耐熱120以下。開關磁阻電機結構較新，優點是結構簡單、可靠、成本較低、起動性能好，沒有大的沖擊電流，它兼有交流感應電機變頻調速和直流電機調速的優點，缺點是噪聲較大。DCM結構簡單、技術成熟、成本低，具有交流電動機所不可比擬的優良電磁轉矩控制特性。所以直到20世紀80年代中期，仍是國內外電動汽車用電機的主要研發對象。但DCM電刷和換向器使得維護性增加，限制轉速提高，并且體積和重量較大，應用日益減少，目前僅在一些場地車、旅游觀光車和高爾夫球車上使用。DCM一般采用PWM脈寬調制控制方式，其驅動電路相對簡單，根據不同需求可設計成可逆和不可逆系統。IM也是較早用于電動汽車驅動的一種電機，它的

12、調速控制技術比較成熟，具有結構簡單、體積小、質量小、成本低、運行可靠、轉矩脈動小、噪聲低、轉速極限高和不用位置傳感器等優點。其控制技術主要有V/ F控制、轉差頻率控制、矢量控制(Vector Control，VC)和直接轉矩控制(Direct TorqueControl，DTC)。永磁同步電機按其反電動勢不同分為方波的BLDCM和正弦波PMSM。它們都具有較高的功率密度，其控制方式與感應電機基本相同，因此在電動汽車上得到了廣泛的應用，是當前電動汽車用電動機的研發熱點。BLDCM系統不需要絕對位置傳感器，一般采用霍爾元件或增量式碼盤，也可以通過檢測反電動勢波形換相。PMSM系統需要絕對式碼盤或旋

13、轉變壓器等轉子位置傳感器，這類電機具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性低、響應快，非常適應于電動汽車的驅動系統，有極好的應用前景。目前日本研制的電動汽車主要采用這種電機。SRM具有簡單可靠、可在較寬轉速和轉矩范圍內高效運行，控制靈活、可4 象限運行、響應速度快和成本較低等優點。實際應用發現，SRM存在著轉矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器等缺點，所以應用受到了限制。3電子差速控制技術圖 12低速行駛時ACKERMANN和JEANTAND模型根據汽車行駛運動學，以及運行中的車輪、道路及它們之間的相互物理作用可知，汽車在行駛過程中，左右車輪在同一時間內所滾過的行程往往是不相等的。例如，汽車在轉彎

14、時，為滿足運動學的要求，汽車外側車輪的行程始終長于內側的行程。此外，即使汽車直線行駛，也會由于左右車輪在同一時間內所滾過的路面情況的不同，或由于左右車輪輪胎氣壓、輪胎負荷、胎面磨損程度的不同，以及制造誤差導致左右車輪外徑不等或滾動半徑不等，從而左右兩車輪行程不等。在上述各種狀態下，如采用單-驅動軸將動力傳遞給左右車輪，則會由于左右車輪的轉速相等而行程不同的運動學矛盾，必然引發某一驅動車輪的滑轉或滑移，其結果除了會使輪胎過早磨損、無益地消耗功率及使驅動輪軸超載等外，而且，還會因不能按所要求的瞬時中心轉向而使操縱性發生變化。同時，由于車輪與路面間，尤其在轉彎時若有大的滑移或滑轉，則易使汽車在轉向時

15、失去抗側滑的能力而使穩定性變化。因此，為了消除由于左右車輪在運動學上的不協調而產生的這些弊病，傳統汽車左右車輪間裝有機械差速器，從而保證了汽車驅動橋兩側車輪在行程不等時，具有不同旋轉速度的可能性，使之滿足汽車行駛運動學的規律性的要求。圖1 低速行駛時ACKERMANN和JEANTAND模型相對于機械差速器，電子差速有很多的優越性。電子差速系統僅僅在需要轉向時電機才有功率輸出，它省去了傳遞效率低的機械傳動，節省了能源。而且在電子轉向系統中取消了液壓助力，從而減少了相應的液壓裝置，進而避免了液壓油泄漏、液壓油管、油封等廢棄物對環境造成的污染等。此外，電子差速系統的硬件具有通用性，故針對不同路況，只

16、需修改相應的參數，就可以實現不同的控制算法，甚至可以在一個系統里含有多套控制算法，針對不同的情況，只要在顯示界面通過鍵盤設定即可。這些無疑都提高了汽車的操縱性，從而將傳統“人車”閉環系統中駕駛員負擔的部分工作由控制器完成，減輕駕駛員負擔，提高了汽車系統對駕駛員轉向輸入響應的敏感度和“人車”閉環系統的主動安全性。圖2 基于神經網絡的電子差速系統結構框圖4純電動汽車整車控制技術整車控制技術與電機技術和電池技術并稱為純電動汽車的三大核心技術。目前我國已基本形成了由整車廠牽頭、零部件企業參與、國家政策統籌扶持的純電動汽車整車研發體系。主要由零部件供應企業負責零部件產品的設計、研發和制造工作，整車廠則根

17、據整車的設計需要向零部件供應商提出具體的技術指標和相關特征參數要求，并完成整車及動力系統部件的系統集成和整車控制技術的開發。（1）轉矩控制策略轉矩控制是整車控制系統功能的一個重要組成部分，主要是根據駕駛員的操作和當前狀態決定對電機系統轉矩指令的調節和控制輸出。1）駕駛模式通常，轉矩控制策略的制定都跟駕駛模式有緊密的聯系。駕駛模式往往是根據整車的特點和需求預先設計好的用來區分不同轉矩控制特點的一個有限集合，如動力模式、一般模式、經濟模式以及故障模式等等。通過對駕駛員當前的操作以及實際道路運行特征參數的實時分析甚至結合GPRS車聯網的實時道路信息，預測當前的道路狀態以及駕駛員的可能行為，從而決定相

18、應合適的控制策略，是一種有效的探索，對于未來汽車的智能化、網絡化發展具有較強的理論意義，但這種方式往往需要進行大量的數據處理和運算，對控制器的運算速度要求較高，在目前的技術條件下，實車應用還存在著一定的困難16-17。目前的純電動汽車產品多數還是通過檔位設置和手動選擇的方式實現駕駛模式的選擇和切換以達到不同的控制效果和駕駛感覺。目前純電動汽車一般都會根據動力性和經濟性的側重設置至少兩個前進檔位，一個偏向于發揮電機的轉矩響應快的特點突出純電動汽車的動力性能；另一個則是側重于經濟性的考慮，降低動力性表現，以提高經濟性，這主要是由于純電動汽車以動力電池為能量來源，電池放電倍率直接影響其放電容量效率和

19、能量效率，倍率越大，則效率相對越低，從而可放的能量也就越少，因而會導致整車續駛里程的減少，因此，通過降低踏板對應的轉矩輸出幅度已成為經濟性運行模式的主流選擇。但是，在此過程中，過分的降低轉矩輸出能力，會帶來整車動力性的過差，影響到駕駛感覺。2）轉矩控制架構及控制策略轉矩控制策略是整車控制系統的重要組成部分，也是實現不同駕駛模式下的控制功能以及駕駛感覺的關鍵決策部分。圖3所示為文獻18提出的純電動汽車整車控制流程，主要包括意圖識別、需求轉矩計算、工作模式切換、故障診斷及功率限制等模塊，這也是目前所通常采用的一種較為實用的轉矩控制流程。圖3 純電動汽車轉矩控制流程圖實現純電動汽車轉矩控制的方式多種

20、多樣，包括由踏板位置通過一定的函數關系對應電機轉矩外特性輸出的轉矩策略、由踏板位置和車速共同決定的轉矩控制策略以及單純基于踏板變化率的控制等等。其中，最簡單的方式就是將加速踏板位置通過一定的函數關系轉化為百分比值然后直接對應當前電機的外特性轉矩得到轉矩指令輸出，如圖4所示。圖4 踏板對應電機轉矩外特性控制方式函數關系通常有圖4左圖所示的三種：其中，b曲線屬于線性對應關系，較為適中，a曲線偏硬，c曲線則偏軟。該種方法最為簡單，處理容易，是目前應用較為廣泛的一種實用控制方法15-18。但是，該種方法由于采用了較為簡單的處理方式，對于不同的工況及駕駛員需求缺乏一定的適應性。合理的模式劃分是轉矩控制的

21、基礎，而建立良好的轉矩控制架構并準確解析駕駛員的操作意圖以保證整車控制性能的提升是轉矩控制策略研究的關鍵。（2）能量管理和轉矩約束控制策略純電動汽車以電氣化動力系統為主要特點，系統故障也往往都集中于電機和電池系統，尤其是某些操作還可能會帶來對系統部件不可逆的損傷。因而通常情況下需要采取適當的能量管理和轉矩約束控制策略，以確保動力系統長時高效工作。如圖5所示，為三菱i-MiEV純電動轎車整車控制系統所設置的電池可用區間。圖5 三菱電池工作區間劃分及電流約束策略區間的設置主要是限制了電池的開路電壓范圍，使動力電池不處于過高或過低的電壓狀態下工作。在實際的控制過程中，根據當前環境溫度的不同，設置了相

22、應的電流上下限以避免產生過充和過放現象的發生，如圖5(b)所示。文獻19根據電池充放電的特性，將電池的工作區間劃分為了如圖6所示的幾個區域，主要包括充放電的限制區以及電池的不同SOC狀態所對應的高效區間，并根據不同的工作區域，適當調整了控制策略。圖6 電池可用區間限制及不同SOC區間所對應的效率區域劃分文獻20中，當識別加速踏板位置大于額定轉矩所對應的踏板開度位置時，判斷駕駛員有急加速需求，此時通過加速踏板位置和踏板變化率兩個參數對原轉矩指令進行轉矩的補償。并且，為了避免由于電機頻繁過載引起電機溫升過高并導致故障的出現，分別基于電機溫度和過載時間來實現對電機過載的管理和控制。綜上所述，純電動汽

23、車整車控制系統的關鍵是開發合適的控制軟件結構，劃分控制模式，制定合理的轉矩控制架構，能同時兼顧動力性和經濟性的雙重考慮，滿足駕駛員的不同駕駛需求。并且應實時監督整車及動力系統部件的狀態，確保電機電池系統的長時高效工作，具備對一般異常現象的處理能力，盡量降低被迫停車的可能性。5結語隨著世界石油能源的緊缺，石油價格日益昂貴。電動汽車正處于蓬勃發展的新時期，但要完全替代傳統汽車仍需一段時間。顯而易見，電氣技術的研究及電控新技術的突破，決定了電動汽車能否達到傳統汽車的各種良好性能指標。本文通過對電動汽車控制技術領域的關鍵技術的描述，包括四輪獨立驅動電動技術、電子差速控制技術和整車控制技術。全面深入了解

24、了電動汽車控制策略方面的研究現狀，為今后的學習研究打下了良好的基礎。參考文獻1 陳國迎. 四輪獨立線控電動汽車試驗平臺搭建與集成控制策略研究D, 吉林大學, 2012.2 廖凌霄. 四輪獨立驅動電動汽車控制策略的研究D, 武漢理工大學, 2010.3 Hori Yoichi. Future vehicle driven by electricity and control-Research on four-wheel-motored "UOT Electric March II"C. IEEE Transaction on Industrial Electronics. 2

25、004, 5(51).4 Satoshi Murata. Innovation by In-Wheel-Motor Drive UnitC. Keynote Presentation, AVEC 10.2010.5 Rahman K.M., Patel N.R. etc. Application of Direct-Drive Wheel Motor for Fuel Cell Electric and Hybrid Electric Vehicle Propulsion SystemC. IEEE Transactions on Industry Applications. 2006, Vol.42: 1185-1192.6 Sakai Shin-Ichiro, Sado Hideo, Hori, Yoichi. Novel skid detection method without vehicle chassis speed for electric vehicleC. JSAE review. 2000,Vol.21: 503-510.7 Nagai, Masao. The Perspective of Research for Enhancing Active Safety Based on AdvancedControl TechnologyJ. V