（车辆工程专业论文）电动汽车轮毂电机驱动系统的运动特性与能量分配.pdf

l j 弋 义理1 人学修! 十。产f 节论文 捅要 由于电动汽车( e v ，e l e c t r i c a lv e h i c l e ) 是零排放或近零排放的交通工具，随着坏 保和能源问题日益受到关注，电动汽车的研究开发被看作是解决能源和环境问题的一种 有效手段。近几十年它又呈现加速发展的趋势。它结构简单、紧凑、占用空间小、容易 实现全轮驱动，因此得到广泛应用。在电动汽车诸多电力驱动系统中，轮毂电机驱动系 统作为一种新兴的电动汽车驱动形式，正日益成为电动汽车领域的研究重点和研究热 点。它直接将电机安装在车轮轮毂中，省略了传统的离合器、变速箱、主减速器及差速 器等部件，大大简化了整车结构，提高了传动效率，因而成为未来电动汽车的发展方向。 本文以电动场地车为原型，采用外转子式永磁无刷直流电机驱动、两后轮为驱动轮 双后轮驱动汽车为研究对象，主要分析了基于轮毂电机的电动汽车驱动系统的性能与控 制。 首先根据各种不同类型轮毂电机的特点，选择适合的电机类型，并简要分析该电机 的工作原理和调速特性。接着建立电动汽车的动力学仿真模型，轮胎采用统一半经验指 数模型，这个模型中可以较容易得到纵向、侧向力和滑转率，能较好的与整车和控制系 统连接；取x 、y 方向位移和横摆角三个自由度以及四个车轮转动建立整车动力学模型； 电机采用永磁无刷直流电机模型，较为简单。控制系统的模型分别以转速和转矩两个不 同参量为控制变量。由于s i m u l i n k 是一个功能非常强大的仿真软件，将在s i m u l i n k 中 完成整车的动态仿真，建立各个子系统的模型，最后连接、运行，得出具体的结果并对 其进行分析，主要对比分析了以转速和转矩两种参量为控制变量的动力性能、操纵稳定 性能以及差速控制效果。 本课题将计算机运动仿真技术与现有的研究技术相结合，在使用轮毂电机驱动后， 如果选型合适的电机控制方式，采用合理的差速控制方法转矩型差速控制方式，即 使摒弃了离合器、变速箱、主减速器和机械式差速器，车辆也能获得较好的操纵稳定性， 减少轮胎磨损，为差速控制技术的完善和电动汽车的进一步改进提供依据。 关键词：电动汽车轮毂电机差速控制操纵稳定性能 武汉删1 1 人，- , p ，- 负十、何论文 a b s t r a c t a st h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de n e r g yr e s o u r c e si s s u eb e i n gp a i da ni n c r e a s i n g l y a t t e n t i o n ，t h ee v ( e l e c t r i c a lv e h i c l e ) h a ss h o w nat r e n do fq u i c k l yd e v e l o p i n gd u et oi t s c h a r a c t e r i s t i c so fz e r o e m i s s i o na n dn e a rt oz e r o e m i s s i o n i th a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo f s i m p l ea n dc o m p a c ts t r u c t u r e ，t a k i n gu ps m a l ls p a c e i nm o s te l e c t r i cd r i v e ns y s t e m so fe v , a s an e w o n e ，h u b m o t o rd r i v i n gs y s t e mi sb e c o m i n gt h ef o c u si nt h ea r e ao fe v w i t ht h em o t o r f i x e di nh u b d i r e c t l y , i to m i t s t h et r a n s m i s s i o nl i n k ss u c ha st h ec l u t c h ，g e a r b o xa n ds oo n t h e v e h i c l e ss t r u c t u r ea n dt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yg e to p t i m i z a t i o n s oi ti sg o i n gt ob et h e d e v e l o p i n gd i r e c t i o no fe v t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho nt h ed u a l r e a r - w h e e ld r i v e nh u bm o t o re v , a n dm a i n l y a n a l y s e st h ep e r f o r m a n c ea n dc o n t r o l l i n go ft h ed r i v i n gs y s t e mo fe vb a s e do nh u b - m o t o r d r i v e n f i r s t l y , t h ed r i v i n gm o d ei sd e c i d e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tt y p e so f h u bm o t o r s ，a n dt h u saa p p r o p r i a t et y p eo fm o t o ri ss e l e c t e da n dt h er e l a t i n gw o r k i n g p r i n c i p l ea n ds p e e dr e g u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i ca r eb r i e f l ya n a l y z e d t h e nt h ed y n a m i c s i m u l a t i o nm o d e lo ft h ee vi sc r e a t e d ，w i t ht h et y r ea d o p t i n gau n i f o r mp a r te x p e r i m e n t e x p o n e n tm o d e ls i n c eb o t ht h el o n g i t u d i n a la n dl a t e r a lf o r c ea sw e l la st h et r a c k sl i pr a t ec a r l e a s i l yb ec a l c u l a t e df r o mt h i sm o d e l w h i c ha l s oh a sab e t t e ri n t e r f a c es y s t e mc o n n e c t i n gw i t h t h eo v e r a l l - v e h i c l ec o n t r o l l i n gs y s t e m t h eo v e r a l l - v e h i c l ed y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e d t h r o u g ha d o p t i n gd i s p l a c e m e n t so f b o t hxa n dyd i r e c t i o n ，t h et h r e ed e g r e e so ff r e e d o mo ft h e y a wa n g l ea n dt h ef o u r - w h e e lt u r n i n g b r u s h l e s sd cm o t o rm o d e li sa d o p t e da st h em o t o r m o d e lf o ri t ss i m p l i c i t y t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mm o d e lt a k e st h et w od i f f e r e n tp a r a m e t e r so f s p e e da n dt o r q u ea st h ec o n t r o l l i n gt h ev a r i a b l e s a tl a s tt h es i m u l a t i o no ft h ed y n a m i c a l o v e r a l l v e h i c l ei sc o n d u c t e di nt h es i m u l i n ke n v i r o n m e n td u et oi t sg r e a tf u n c t i o n a l i t y e a c h s i n g l es u b s y s t e mw a sc r e a t e da n dc o n n e c t e dt o g e t h e r , a n dt h e nt h r o u g hr u n n i n gt h ep r o g r a m t h er e s u l t sa n dt h er e l a t i v ea n a l y s i sa r em a d e t h i sp a p e rm a i n l yc o m p a r e st h ep o w e r p e r f o r m a n c e ，t h ec o n t r o ls t a b i l i t ya n dt h ed i f f e r e n t i a lc o n t r o le f f e c t i v i t yb a s e do nt h et w o t y p e so fc o n t r o l l i n gv a r i a b l e s ：s p e e da n dt o r q u e t h i st o p i cc o m b i n e st h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw i t ht h ec u r r e n ts t u d y i n gs t a t e a f t e rd r i v e nb yh u b m o t o r , i fas u i t a b l ed i f f e r e n t i a lc o n t r o lm e t h o di sc h o s e n ，t h ev e h i c l ec a n o b t a i na ne x c e l l e n ts t e e r i n gs t a b i l i t ya n dr e d u c et y r ea b r a s i o n ，a l t h o u g ht h et r a n s m i s s i o nl i n k s h a v e b e e no m i t t e d t h i sp a p e ro f f e r st h es u p p o r t sf o rt h ei m p r o v e m e n to fd i f f e r e n t i a lc o n t r o l t e c h n o l o g ya n df u r t h e rr e s e a r c ho fe v k e yw o r d s ：e vh u bm o t o rd i f f e r e n t i a lc o n t r o l l i n g s t e e r i n gs t a b i l i t y 独创性l 声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：趁趑、日期：! 星：芏：三堡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) r 期： 弋汉卿i ：人。硕 j 学何沦丈 第1 章绪论 自1 8 8 6 年发明汽车以来，它就成为人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具。 它缩短了人们之间的距离，改变了人们的生活方式，提高了人们的生活质量。但是由于 汽车消耗大量的石油资源、排放大量的有害气体、制造噪音，因此汽也给人类生存的环 境带来了无法避免的负面影响。我国2 0 0 0 年进口石油7 0 0 0 万吨，2 0 0 5 年超过1 亿吨， 汽车的耗油量也给国家带来了沉重的经济负担，更严重的是目前世界上空气污染最严重 的1 0 个城市中我国就占了7 个，国家环保中心预测，到2 0 1 0 年汽车尾气的排放量将占 空气污染源的6 4 。 近二十多年来，西方工业发达国家政府把电动汽车的研究开发看作解决能源和环境 问题的一种有效手段，在经济上给予大力支持。美国政府至今已出资数百亿美元支持汽 车厂商和相关厂商进行电动汽车技术的开发研究。1 9 9 1 年，美国三大汽车公司联合成立 了先进电池联合体，投入了4 5 亿美元，其中政府拨款2 2 5 亿美元，共同开发镍氢、锌 空气电池、燃料电池等各种高性能蓄电池。日、法、德等国各大公司也投入巨资研究开 发高性能电池。在电动汽车整车研究开发方面，至9 0 年代末期，国外大汽车公司已开 发生产了1 0 0 多种型号的纯电动汽车、燃料电动汽车和混合动力汽车。其中，己有l o 多种纯电动汽车车型投入商业化生产。近年来，燃料电池电动汽车成为新的开发热点， 美国计划到2 0 1 0 年市场上燃料电池汽车的市场份额达到4 ，约为6 0 万辆。同本政府 也发布了燃料电池汽车发展计戈l j ：2 0 1 0 年5 万辆，2 0 2 0 年5 0 0 万辆。在纯电动汽车和燃 料电池汽车因技术和成本问题尚未进入批量生产情况下，为了尽快降低燃油汽车的排 放，美日等国正在广泛研制混合动力汽车，目前己经开始小批量商业化生产。 上世纪8 0 年代初，我国就开展了电动汽车研究，曾被列入国家八五计划。九五期 间，科技部将电动汽车项目列入国家重大科技产业工程项目，投入近1 亿元。国内汽车 公司、大学和研究机构办开始研制电动汽车，并逐步掌握了整车集成、控制系统集成等 关键技术，己陆续推出纯电动轿车、混合动力轿车、混合动力客车和燃料电池电动客车。 十五期间，国家8 6 3 计划设立电动汽车专项，国家和地方政府直接划拨以及国有企业投 入的资金总额约3 0 亿元。目前，己经有上百家企业、高校和研究所列入项目研发单位 行列，如三大汽车集团、长安汽车公司、奇瑞汽车公司，以及电机、电池企业。至2 0 0 2 年，随着电动汽车重大专项的实施，己形成了多家产学研结合、金融机构介入的专业研 发生产电动汽车的新型股份制企业，包括东风电动车辆股份公司、天津清源电动车辆有 限公司、上海燃料电池汽车动力系统有限公司、北京时光科技有限公司、奇瑞电动汽车 股份有限公司、大连新源动力股份有限公司、北京清华新能源汽车工程中心等。近几年， 己研制出部分采用铅酸电池为动力源的样车，如：北京理工大学为主研制的电动大客车； 东风汽车公司、中国船舶工业总公司7 1 2 研究所等单位联合开发的电动轿车( 以盘式永 磁直流电机为动力，引用免维护铅酸电池为能源，一次充电续驶罩程可达1 3 0 k m ，最高 止t 义j 牛i ：人。予：坝十。丫：1 审论文 车速9 0 k m h ) ：郑州华联电动车辆研究所研制的电动轿车( 采用交流司步电机，额定功率 1 0 k w ，过载能力4 倍，i g b t 控制系统) ：华南理工大学研制的电动轻趔客车e v 6 6 3 0 ， 现已在深圳投入试运行，还有北方工业大学、武汉长江电力公司、天津汽车研究所等也 研制出了电动汽车样车。此外，浙江大学与博信电池公司联合开发了以锌空气燃料电池 为动力源的电动轿车比。 1 1 电动汽车的驱动方案 电动汽车的动力性能与其驱动系统直接相关，当前驱动方案主要有三种： 1 1 1 差速半轴驱动方案 这种方案直接借用了内燃机汽车的驱动方案，只是将内燃机换成电动机及其相关器 件，用一台电动机驱动左右两侧车轮，见图1 2 。采用此方案的电动汽车，操作方式与 内燃机汽车相同，电动机调速器接收速度( 踏板) 、制动( 踏板) 、p d r n ( 停车、倒车、 空档、前进) 信号控制电动机旋转，通过机械传动装置驱动左右两侧车轮。其中机械传 动装置包含减速器、传动轴、差速器，半轴等。汽车转向时，左右两侧车轮滚过的距离 不等，就是靠差速器和半轴来实现的。此方案技术成熟，安全可靠，但笨重，效率低。 图1 1 差速半轴方案 1 1 2 电动轮驱动方案 这种方案的突出特点是取消了差速器和半轴，将行星减速器与电动机制造为一体， 称为电动轮，再将此电动轮直接安装在车轮上。该方案使用电子差速代替机械差速功能， 需要把转向盘转角信号送到电动机调速器，以此来控制两侧电动轮的速度和滚过的距 离。汽车直线行驶时，转向盘转角为0 ，两侧电动轮等速旋转。转向时，转向盘转角为 6 ，电动机调速器根据6 的大小控制两个电动轮以不同的速度旋转。此方案机械传动装 置的体积与质量大大减小，效率显著提高，代价是增加了控制系统的复杂程度与成本， 并且该驱动方案差速的实现，是通过被电机驱动的两个内外车轮的速度差实现的，车轮 的速度计算必须通过对一系列减速器的减速比计算，才能得到和电机的转速之间的关 系。这种复杂的计算方法对于电动汽车来说，已经影响到了电子差速控制的本意，丧失 了实时性。 2 0 j 义艘1 人。颂十何论文 图l 一2 电动轮驱动方案 1 1 3 轮毂电机驱动方案 由传统车辆改造的电动汽车都是采用轴伸式电机作为驱动电机，用电机带动车轮。 轮毂电机的出现从结构上提高了电动汽车的性能，电机安装在车轮的轮毂内，输出转矩 直接传输到车轮，既提高了车体空问的利用率，又舍弃了传统的离合器、减速器、传动 桥等机械传动部件，使整车重量减轻，降低了机械传动损耗，并具有灵活的机械行驶特 性，但是轮毂电机的尺寸要受轮胎直径的限制。现有资料表明，轮毂电机驱动系统额定 功率一般都1 0 k w 以下，而为了在有限的空间内达到较好的性能指标和效率，轮毂电机 都采用了永磁材料。因此，电机本体的设计难度、车辆运行控制的复杂度都相应增加。 但伴随着控制理论、电子技术和永磁电机优化设计技术的迅速发展，尤其是在中、小功 率车辆的应用场合，轮毂电机驱动方式以优异的秉性显示其广泛的应用前景u 1 。 图1 - 3 轮毂电机驱动方案 1 2 轮毂电机驱动系统的发展 1 2 1 轮毂电机驱动系统的特点 轮毂电机驱动系统作为一种新兴的电机驱动方式，其布置非常灵活，可以根据车辆 驱动方式分别布置在电动汽车的两前轮、两后轮或四个车轮的轮毂中。与内燃机汽车和 其他驱动型式的电动汽车相比，轮毂电机驱动式电动汽车在动力源配置、底盘结构等方 面有其独特的技术特征和优势，具体体现在以下几方面： 动力控制由硬连接改为软连接型式，通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最 大速度的无级变速和各电动轮间的差速控制，省略了传统汽车所需的机械式操纵换档装 置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使得驱动系统和整车结构简洁、有效利 川空i 日j 大、传动效率提高。 3 兰一 甲舟 差吾 武汉理i ：人宇坝卜予：1 讧论义 各4 i 轮的驱动力直接独立可控，响应快捷，正反转灵活，瞬时动力性能更为优越， 显著提高了适应恶劣路而的行驶能力。 容易实现各轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，还能对整车能源的高效 利用实施最优化控制和管理，节约能源。 整车布局和车身造型设计的自由度大大增加，将车架的承载功能和传动功能分 离，结构大为简化，更容易实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化，缩短了 新车的丌发周期，降低了丌发成本。 在采用轮毂电机驱动系统的4 轮电动汽车上，若进一步导入线控四轮转向技术，实 现车辆转向行驶高性能化，减小转向半径，甚至实现零转向半径，大大增加转向灵便性。 1 2 2 轮毂电机驱动系统的发展现状 目前对轮毂式电动汽车的研究主要以同本为主，主要应用在些概念车上。日本庆 应义塾大学清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去十几年中，研制的i z a 、e c o 、 k a z 等电动汽车均采用轮毂电机驱动技术：其中1 9 9 1 年与东京电力公司共同丌发的4 座电动汽车i z a ，采用n i c d 电池为动力源，以4 个额定功率为6 8 k w 、峰值功率达到 2 5 k w 的外转子式永磁同步轮毂电机驱动，最高速度可达1 7 6k m h ：1 9 9 6 年，他们又联 合同本国家环境研究所研制了采用轮毂驱动系统的后轮驱动电动汽车e c o ，该车的轮毂 驱动系统选用永磁直流无刷电动机，额定功率为6 8 k w ，峰值功率为2 0 k w2 0 0 1 年， 该小组又推出了以锂电池为动力源，采用8 个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动 轿车k a z ，该车充分利用轮毂驱动系统布置灵活的特点，打破传统，安装了8 个车轮， 大大增加了该车的动力，从而使该车的最高速度可以达到惊人的3 1 l k m h ，k a z 的轮毂 系统中采用高转速的高性能内转子型电动机，其峰值功率可达5 5k w ，提高了极限加速 能力，使其o 1 0 0 k m h 加速时间达到8 s 。k a z 经典的结构与卓越的性能使其至今仍是 轮毂驱动型电动汽车开发的典范。日本的各大公司在2 0 0 3 年东京汽车展上纷纷推出自 己的轮毂驱动产品，如：普利司通公司的动力阻尼型车轮内装式电机系统、丰田公司的 燃料池概念车f i n e 2 n 等等3 。 位于美国加州的通用汽车高级技术研发中心成功地将自行研制的轮毂电机应用到 雪弗兰s 2 1 0 皮卡车中。该电机给车轮增加的重量只有约1 5 埏，却可产生约2 5k w 的 功率，产生的扭矩比普通的雪弗兰s 2 1 0 四缸皮卡车高出6 0 ，加速性能也有所提高。美 国通用汽车公司2 0 0 1 年试制的全新线控四轮驱动燃料电池概念车a u t o n o m y 采用轮毂驱 动形式，于2 0 0 5 年推出后轮采用轮毂驱动系统的燃料电池电动车s e q u e l ( 如图1 - 6 所 示) ，该车前端采用集中电机驱动，后轮采用两个轮毂电机驱动，3 个电机总功率达到 1 1 0 k w ，续驶里程达到5 0 0 k m 。轮毂驱动系统灵活的控制与布置方式，使得该车能更好 地实现线控技术。 4 武 j 【理i ，人学顸十学似论文 图卜4 美国s e q u e l 电动车的轮毂电机驱动系统 法国的t m 4 公司设计的一体化电动轮采用外转子永磁无刷直流电动机，额定功 率为1 81 5 k w ，额定转矩为9 5 0 r m i n ，额定工况下的平均效率可达9 6 1 3 ，峰值功率可 达8 0 k w 。峰值扭矩为6 7 0 n m ，最高转速为1 3 8 5 r l m i n ”。 我国轮毂电机技术虽然起步较晚，但近几年随着国家“8 6 3 ”计划电动汽车重大课 题研究的深入，各高校对该技术的研究也有所加强。同济大学汽车学院在2 0 0 2 年和2 0 0 3 年独立研制的“春晖一号”和“春晖二号”就采用4 个低速永磁无刷直流轮毂电机直接 驱动系统。比亚迪于2 0 0 4 年在北京车展上展出的e l 概念车也采用了4 个轮毂电机独立 驱动模式。中国科学院北京三环通用电气公司研制的电动轿车用直流无刷轮毂电机，又 称电动车轮。单个电动车轮功率为7 5k w ，电压2 6 4 v ，双后轮直接驱动。中船总公司 7 2 4 研究所的四轮电动汽车，其电动机性能指标为：额定功率3 k w 额定转速3 0 0 0 r r a i n ， 额定电压为1 1 0 v 。 1 2 3 轮叛电机驱动系统的发展趋势 虽然轮毂电机早在5 0 年代就已发明，而且相比其它驱动方式有很大的优势，然而 人们真正研究轮毂电机驱动系统的时间还很短，加上轮毂电机的设计与车辆的车轮结构 设计紧密相关，所以还有很多问题需要解决。下面以电动汽车用外转子式永磁无届直流 轮毂电机为例，探讨轮毂电机研究的难点和热点。 ( 1 ) 无位置传感器控制技术 目前常用的无位置传感器位置信号检测方法有以下几种： a 反电动势法。该方法是迄今为止最成熟、最有效、最常见的方法。其基本原理是 将检测到的断开相反电动势过零信号延时3 0 。电角度来得到功率管的开关信号。由于电 机静止或转速较低时，反电动势信号没有或较弱，因此反电动势法般与“三段式”起动 技术配套使用。 b 续流二极管法。该方法通过检测反并联于逆变桥功率开关管上的续流二极管的导 通状态柬确定转子的位置。 c 电感法。该方法通过检测绕组电感随转子位置的改变而发生的变化，再通过一定 的计算可得到转子位置信号。 d 状态观测器法。该方法是将电机的三相电压、电流作坐标变换，在派克方程的基 l l 汉理l 。人号：倾十。：1 市论文 础上估箅出电机的转子位置。山十坐标变换只考虑基波分量，该方法卜要j j 于i f 弦波反 电动势的p m b l d c m 。 ( 2 ) 转矩脉动抑制 永磁无刷直流电动机在理想情况下运行时应满足：三相绕组完全对称，气隙磁场为 方波，定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流持续时间为 1 2 0 。电角度，梯形波反电势平顶部分也为1 2 0 。电角度，两者严格同步，此时电机将产 生恒定的电磁转矩。但在实际运行中，电机总存在转矩脉动，产生转矩脉动的原因和抑 制方法有以下几种： a 电磁因素产生的转矩脉动。该类型的转矩脉动是由定子电流和转子磁场的相互作 用而产生。抑制的方法有：电机优化设计法、最佳开通角法、谐波消去法和转矩闭环控 制法。 b 电流换向引起的转矩脉动。该类型的转矩脉动是由于电机绕组电感阻碍了电流的 瞬时变化，因而在电枢电流从某一相切换到另一相时就会引起转矩脉动。抑制方法有：电 流反馈法、重叠换向法和p w m 斩波法。 c 齿槽引起的转矩脉动。该类型的转矩是由永磁体磁场和定子铁心的齿槽作用在圆 周方向产生的转矩，又可称为定位转矩或磁阻转矩。抑制齿槽转矩的方法有：磁性槽楔法 和闭口槽法、辅助槽法、辅助齿法和分数槽法、斜槽法和斜极法。 ( 3 ) 弱磁扩速 由于永磁体的励磁恒定不变，电机在基速以下采用p w m 调制实现调压调速，此时 电机的反电势与转速、气隙磁通成正比。基速及基速以上运行时端电压已调至最大，随 着转速的升高，电机反电势增大，电枢电流减小。当反电势等于端电压时，电枢电流为 零，无法产生电磁转矩，电机将停转。为了在基速以上端电压不变的条件下保持一定的 电枢电流，以产生电磁转矩，要实行弱磁控制，而对方波无刷直流电机而言，传统的弱磁 控制不能直接使用，需要新的控制策略。有文献提出可通过提f j 开通功率器件，使得绕 组的变压器反电势抵消一部分旋转反电势，从而满足电压平衡关系，实现等效的弱磁控 制。目前恒功率弱磁调速范围为基速的2 1 8 倍左右。 ( 4 ) 电机本体设计 a 定子绕组设计。具体又可分为以下两个方面：多相绕组，从理论上说，绕组相数越多， 越接近直流电机换向，电机的绕组利用率也越高，但此时控制线路、策略也越复杂，成 本越高，所以目前一般都以三相、四相为主；分数槽绕组，采用分数槽绕组能显著地缩 短电枢绕组的端部长度，节省铜材，减小电枢漏抗，增加电机出力，提高灵敏度和效率，也 有利于电子换向，同时也减少了冲片的齿槽数，方便制造。 b 定子裂比、齿槽数的优化。当以最大转矩密度为优化目标时，最佳裂比的变化规律 如下：气隙磁密越大，最佳裂比应越小，对于相同的气隙磁密时，槽数、极数越多，最 佳裂比也越大；铁心磁密越大，最佳裂比也越大。对齿槽数的研究最主要还是为了减小 转j i l , ij t , k 动，这罩不再重复。 6 武汉州1 人学顺十。子：1 市论文 c 磁钢尺、j 的优化。磁钢的设计将影响电机的各项性能。此外，磁钢对水磁电机的成 本影响也很大。为了能住达到额定性能指卡，j i 的的提下，降低成本，提高电机的利用率，科 学合理地设计磁钢尺寸是尤其重要的。 ( 5 ) 永磁材料研究和保护 首先，由于永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电机的功率较小：最大 功率仅几十千瓦。其次，当永磁材料在高温、振动以及电流过载时，都可能出现退磁现 象，使得电机的性能降低，因此必须对电机的电流和温度加以严格的控制。有文献曾提 出过3 种电路实施保护：a 电流限幅和反限电路。因为电流超过限幅值越大，则允许的 工作时间就越短，这样就有效防止过流导致的温度过高。b 堵转电流限幅。在堵转甚至 低速时，反电势相当低，端电压就完全加在绕组电阻上，此时电流很大，温升相当大， 要及时控制。c 温度传感器检测电路u 。 1 3 立题意义及主要工作 1 3 1 课题研究意义 根据汽车动力学分析可知，车辆转弯行驶时，汽车外侧车轮的行程比内侧的长，如果 是通过一根整驱动轴将动力传给左右车轮，则会由于左右驱动车轮的转速虽相等而行程 又不同的运动学矛盾引起某一驱动车轮产生滑转或滑移，使轮胎过早磨损、无益地消耗 功率，而且易使汽车在转向时失去抗侧滑的能力而使稳定性变坏，操纵性变差。传统汽 车通过机械差速器保证了两侧车轮能根据工况所需以不同速度旋转，从而满足汽车行驶 运动学的要求。 轮毂电机驱动系统省去了中间的机械传动环节和差速器，由电机直接独立驱动车 轮，因此对驱动电机转矩与转速的控制成了研究的重点和难点，其差速控制技术的成熟 进程和广泛应用也成了轮毂电机驱动式电动汽车经济性和实用性的直接影响因素，对电 动汽车能否快速长足的发展有着非常重要的意义。 电动汽车的轮毂电机驱动系统接受蓄电池输出的电能，将其转化为机械能，再以电 动机的输出轴作为驱动轴，将动力传送到车轮上，驱动电动汽车行驶。由此可见，电机 驱动系统是电动汽车的关键组成部分，它的输出特性决定了电动汽车的动力特性，同时， 它的效率对电动汽车效率的影响也非常大。由于必须根据汽车的运动规律对各个车轮进 行协调控制，控制系统非常复杂，技术难度大，在汽车的实际运行过程中不容易达到较高 的控制精度和实时性。所以，降低控制系统的复杂程度和控制精度，是电机驱动系统发 展过程中的研究热点。从现有的文献分析，目前，国内外对电动车电机驱动系统的研究 都很多，主要集中在新型电动机的应用、电机驱动系统控制策略的改进这两个方面。目 前电动汽车的驱动系统研究主要有两个方向：一是通过整车控制器调节各驱动电机的转 矩和转速，采用车轮转速为控制变量，但这种方法对控制对象难以准确估算，且受外界 影响太大，对电机要求太高；或者以各驱动轮滑转率相等为控制目标，虽然克服了某些 7 武，义 f l 1 人号! 椰! f j 予：f 矗沦艾 不足，但f i 能实现对小滑转牢的实时检测和控制。二是通过改变电机结构水实现，目前 的驱动f 乜机主要有双转了轴向磁通电机、反柑双转子电机和复合多相双转子电机。这种 方法使马动系统结构复杂，不能充分发挥电动轮驱动的优势，同时各车轮驱动力难以实现 独立控制。由此可知，目自仃电动轮驱动汽车的差速控制技术还没有得到有效解决。而对 于前一种研究方向，也存在两种具体思路：一种是使用电子差速控制器，使用驾驶者操 纵方向盘作为系统输入信号，直接控制电机转速从而改变车轮速度；另一种是不再设计 复杂的控制器，由整车控制系统根据汽车的运动状态输出电机的转矩指令信号，使车轮 转速随动，从而实现各车轮的自适应差速。但是对于这两种差速策略在控制精度、能量 分配和运动特性上各有哪些优缺点目前却鲜有研究，并且在那些少量的研究项目中，也 只是针对某种具体的差速控制策略来展开的，虽然他们分析出的电机转矩和运动特性有 定的合理性，但是只能证明该控制策略可行，并没有讨论这种能量分配和运动特性是 否能满足车辆的实际需求。理论上，汽车直线行驶时应使左右轮的转速和驱动能均相等， 转向行驶时不等，而车辆在实际行驶时，各车轮是由其驱动电机独立驱动并提供驱动力 矩的，各电机能量又是由整车控制器来分配，很难按照汽车的需要实现准确控制。如果 该驱动系统出现能量分配或运动特性不合理现象，都将使车辆的操纵稳定性和通过性变 差，降低效率，加剧轮胎磨损。鉴于上述原因，进行本课题的研究是十分有必要的。 1 3 2 主要工作 比较各类型轮毂电机在电动车辆驱动方面的优缺点，从而选择合适的电机类型和 主要参数，使其更加有利于电动车辆的平稳运行。 建立轮毂电机驱动电动汽车的仿真模型，选择合适的电子差速控制方案，将方向 盘的转角、整车速度作为系统输入信号，控制各电机转速从而改变车轮速度。在给定总 功率输出下，分别仿真出直线和转向行驶时车轮的运动状态，得出左右轮的转矩分配、 转速、横摆角速度、质心侧偏角和滑转率大小，分析电动汽车运行是否稳定； 建立电动车的仿真模型，输入车辆转角和油门踏板信号，然后整车控制器根据汽 车的运动状态输出各驱动电机的转矩指令信号，使车轮转速随动。仿真汽车转向行驶时车 轮的状态，同样得出这种控制方式下驱动轮的转矩、转速、横摆角速度、质心侧偏角和 滑转率大小，看能否实现车轮的自适应差速； 跟踪上述两种情况的仿真结果，分析各自的能量分配和运动特性，比较两者的控 制优缺点，确定较优的差速控制方法。 1 3 3 拟解决的关键技术问题 正确建立车辆仿真模型，分析采取以车轮速度和电机转矩为控制变量的两种控制 模式时的整车性能。 止i = 汉删i 人：坝十学f t 论丈 第2 章轮毂电机的选型及控制 电机足电动汽车的心脏，其驱动功率太大，为了满足一定的车辆行驶性能要求，势必 引起电动机和电池组容量取值的增大和车辆成本的增加。另外，电池组数目增多，在车辆 上布置困难，车重增加，限制了车辆的续行里程，太小了又会影响整车的动力性能。因此 选择合适的轮毂电机至关重要。 2 1 轮毂电机的选型 2 1 1 电动汽车对电机的基本要求 电动汽车的电机驱动系统一般由4 个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动 机及传感器。目前电动汽车上使用的电动机一般有直流电机、感应电机、开关磁阻电机 以及永磁无刷电机等。电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂，因此，对 驱动系统的要求是很高的。 电动汽车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强( 过载系数应为3 - - 4 ) ，加速 性能好，使用寿命长的特点。 电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩 区，要求低速运行时具有大转矩，以满足启动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩 时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。 电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电 池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率。 电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高一次充电的续驶 里程。另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，结构简单适宜大批量生产，运行时噪声 低，使用维修方便，价格便宜等u 。 2 1 2 电机的种类 直流电机 有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟，具有交流电机不可比拟的优良 控制特性。在早期开发的电动汽车上多采用直流电动机，但由于存在电刷和机械换向器， 不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护 和更换电刷、换向器，另外，由于转子上存在损耗，使得散热困难，限制了电机转矩质 量比的进一步提高。 交流三相感应电动机 交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机，其定子和转子采用硅钢片叠压而 成，在转子和定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件，结构简单，运行可靠，经 久耐用。交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到1 2 0 0 0 1 5 0 0 0 r m i n ，可采用 9 武汉理1 人导：颂十号：付沦文 空气冷却或液体冷上i 】方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并能够实现洱，上反馈制 动，与司样功牢的直流电动机桐比较，效率较高，质量减轻一半石i 右，价格便宜，维修 方便。因此，在采用交流三相感应电动机的电动汽车上，需要应用逆变器中的功率半导 体器件，将直流电变为频率和幅值都可以调节的交流电来实现对交流三相电动机的控 制。主要有v f 控制法、转差频率控制法和矢量控制法，对交流三相感应电动机的励磁 绕组、交流电的频率和输入交流三相感应电动机的端电压进行谐调控制，控制交流三相 感应电动机旋转磁场的磁通量和转矩，从而改变电机转速和输出转矩，来满足负载变化 的要求，并能够获得最高效率，这样就使得交流三相感应电动机在电动汽车上得到广泛 应用“。但是它也存在很多不容忽视的缺点，首先其耗电量较大，转子容易发热，在高 速运转时，需要保证对电机的冷却，否则会损坏电动机；另外交流三相感应电动机的功 率因数较低，使得变频变压装置的输入功率因数也较低，因此需要采用大容量的变频变 压装置。交流三相感应电动机的控制系统的造价远远高于电机本身，大大增加了电动汽 车的成本，最后其调速性也较差。 永磁无刷直流电机 永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的 外特性而没有换向器和电刷组成的机械接触结构。加之它采用永磁体转子，没有励磁损 耗；发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有 换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械 换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以每分钟运行几十万转。与其它电动 机系统相比它具有更高的能量密度和效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。典型的 永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场， 因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或 电流反馈型法来完成引。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控制。 弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势束削弱定子绕组中的磁链。 永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得其功率范围较小，最大功率 仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，导磁性能可能会下降或发 生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控 制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂 的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。 开关磁阻电动机 开关磁阻电动机是一种新型电动机，它的结构比其它任何一种电动机都要简单，在 电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的 端部较短，没有相间跨接线，因而维护修理容易，可靠性好。转速可达1 5 0 0 0 r m i n ，效 率可达8 5 - 9 3 ，比交流感应电动机要高，损耗主要在定子，电机易于冷却；转子无 永磁体，可允许较高温升；调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩速 度特性，而且存很广的范围内保持高效率。开关磁阻电动机具有高度的 卜线性特性， 1 0 j j 弋汉j 甲1 人予! f l i ! 予1 1 、i 论文 冈此，它的驱动系统较为复杂。 丌关磁阻电动机的励磁绕组无论通过i 卜向电流或反向电流，其转矩方向f i 变，不要 求电流作周期换向，每相只需要一个容量较小的功率丌关管，功率变换器电路较简单， 不会出现直通故障，可靠性好，易于实现系统的软启动和四象限运行，具有较强的再生 制动能力。成本比交流三相感应电动机的逆变器控制系统要低。控制器由微处理器、数 字逻辑电路和接口电路等元件组成。微处理器根据驾驶员输入的命令，同时对位置检测 器、电流检测器所反馈的电动机转子位置，进行分析、处理，并在瞬间做出决策，发出 一系列执行命令，来控制开关磁阻电动机适应电动汽车不同工况条件下运行。开关磁阻 电动机需要高精度的位置检测器，来为控制系统提供电动机转子的位置、转速和电流的 变化信号，并要求有较高的开关频率以降低开关磁阻电动机的噪声。开关磁阻电动机的 控制系统比其他电动机的控制系统复杂一些，位置检测器是开关磁阻电动机的关键器 件，其性能对丌关磁阻电动机的控制操作有重要影响。由于开关磁阻电动机为双凸极结 构，不可避免地存在转矩波动，噪声是丌关磁阻电动机最主要的缺点。但近年来的研究 表明，采用合理的设计、制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的 抑制。另外，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率变换器的直流电流波动也较 大，所以在直流母线上需要装置一个很大的滤波电容器。 总之，随着电机技术、机械制造技术、电力电子技术和自动控制技术的不断发展， 交流电动机、永磁无刷直流电动机和丌关磁阻电动机显示出比直流电动机更加优越的性 能，在电动汽车上，这些电动机逐步取代了直流电动机。近几年来，交流电机驱动系统 的研究和丌发不断取得新的突破，它的突出优点是体积小、质量轻、效率高、维护简单。 对于电动车辆，高性能永磁材料的出现使得永磁电机获得了人们的青睐u 引。永磁无刷电 动机具有更高的能量密度和效率，在电动汽车中获得了最广泛应用，尤其是直接驱动场合， 更是非它莫属，目前被广泛应用于电动白行车和电动摩托车等小型电动交通工具上，其 优良的性能已经被广泛认同u 圳，因此本文将选择外转子式永磁无刷直流轮毂电机来进行 驱动，其主要参数如下图所示。 d r i v e rr a t e dr a t e d f o r m a l l e n g t