（电工理论与新技术专业论文）双轮独立驱动电动车驱动系统的研究.pdf

a b s t r a c t b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s ( e v s ) i n d u s t r i a l ，t h i sp a p e r d e s c r i b e sa n i d e a lc o n c e p te v ，t h a ti sae vh a si n d e p e n d e n td i r e c t l yd r i v e nw h e e l s ( i n - w h e e l e v ) t h er e s e a r c hi n t od r i v e s y s t e m s c o n c e r n st h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n dc o r r e l a t i v e e x p e r i m e n t f i r s t l y , t h er e s e a r c ho nt h ep e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s si n - w h e e lm o t o r sa n dv e h i c l e d y n a m i c su s e df o rt h i sn o v e l e vi s p r e s e n t e d ，a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so f p r o t o t y p ep m b r u s h l e s si n - w h e e lm o t o r ，a p r e d i g e s tm a t h e m a t i c sm o d e lo ft h em o t o r b a s e do ni t s g e n e r a l m a t h e m a t i c sm o d e li s p r o p o s e d 。t h e c o r r e l a t i v e c o m p u t e r s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u t i no t h e rh a n d t h en o v e le vh a sn oa d i f f e r e n t i a lg e a r ，t h e r e f o r e ，a 1 1e l e c t r i cd i f f e r e n t i a ls y s t e mi sn e e d e d 。t h e m a n i r i u l a t i o n p e r f o r m a n c e o ft h en o v e le vw i t he l e c t r i cd i f f e r e n t i a li sa n a l y z e db yd e e p l yr e s e a r c ho n v e h i c l ed y n a m i c s p e r f o r m a n c e s e c o n d l y , an e wi n - w h e e ld r i v e nc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e d ，t oa c h i e v et h ee v s f a v o r a b l ed y n a m i c sp e r f o r m a n c ea n de n e r g ys a v i n gp e r f o r m a n c ef o rw e l lr o a ds u r f a c e c o n d i t i o n s ，m a n i p u l a t i o ns t a b i l i t yf o rs p e c i a lm a d s u r f a c ec o n d i t i o n s ，t h ep r o j e c tw h i c h i st h es l i po p e nc o n t r o lo rs l i pc l o s ec o n t r o li sa p p l i e d a c c o r d i n g t ot h ev a r i o u sr o a d s u r f a c ec o n d i t i o n s ，m e a n w h i l e ，t h ee n e r g yf e e d b a c kb r e a ks y s t e mi sa l s od e s i g n e d 撖t h i s s t r a t e g y a tl a s t , t h ec o r r e l a t i v ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n to nt h ew h o l es y s t e ma n d e a c h p a r tv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t ya sw e l l a st h ee f f e c t i v e n e s so f t h e p r o p o s e ds t r a t e g y 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及目的 1 1 1 电动汽车的发展历史 1 8 8 1 年8 月到1 1 月，在巴黎举行的国际电器展览会上，法国人特鲁夫展出了 世界上第一辆电动交通工具一辆电动三轮车。这是世界电动车历史的开端，也 是机动车辆史上具有划时代意义的一件大事。若以此为电动车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简 称e v ) 出现的标志，则电动车辆的出现是早于燃油汽车的。事实上，燃油汽车是 在电动车之后的二十世纪初才出现的。但是，由于当时法拉第电磁感应定律发现不 久，电动机技术还局限于最原始的直流电动机，加之电机制造工艺技术较低，电动 机性能还很不理想。另一方面，电池的水平也还处于非常低下的水平，所以，电动 车辆只在贵族阶层中作为玩物被使用了一段有限的时间。随后的二十世纪初期，由 于内燃机技术在车辆上的应用和其技术的飞速进步以及汽油的比能量相当高，适合 车载使用，整个机动车辆的市场被燃油汽车所占据，而电动车技术的发展从此几乎 处于停滞状态。 直到第二次世界大战爆发，许多交战国，特别是石油进口国，汽油供应紧张。 于是各交战国纷纷开始研究电动车，以用于军事和人们日常生活保障品的运输。但 是由于当时的蓄电池技术仍然很落后，电动车的性能仍然没有很大的进步，其性能 依然远远落后于燃油汽车。随着战争的结束，各国对于电动汽车研究的投入也大大 下降，电动车的研究再度进入停滞状态。 中东战争爆发后，发达国家担忧石油供应中断，又一次掀起了研究电动车的热 潮。但好景不长，这一热潮同样因为战争的平息而烟消云散。 但是，二十世纪末的九十年代，大气污染已经引起了人们的高度重视。其污染 源的近6 0 是来自于车辆的燃油排放。同时，能源问题专家们呼吁，地球上的石油 资源不久将面临枯竭。在这两大问题的压力下，各发达国家包括一些发展中国家均 开始关注电动车技术的研究和发展。发达国家的各大汽车公司也纷纷投入人员和资 金研究电动汽车。在环保与石油危机的呼声中，电动车技术开发的高潮再度掀起， 进入廿一世纪持续发展的新阶段。 1 1 2 电动汽车的发展现状 在各国政府的支持和各有关汽车公司、院校的广泛关注下，电动车技术的研究 在二十世纪末取得了一些可喜的成绩，出现了适用于电动车的各种电动机和车辆专 用电池。目前电动汽车研究取得较大进展的主要有日本、美国、俄国和德国等国家。 日本通产省在1 9 6 5 年就正式把研制电动汽车列入国家计划。1 9 9 7 年又制定了 “先进的清洁能源汽车计划( a c e 计划) ”。日本汽车巨头本田公司推出了一款以压 缩的氢气为燃料的汽车。这款型号为f c x 的汽车预计于今年年底投入市场，其最 鳖整整塞鍪垫曼垫兰篓垫篷蓥望堑塞一 高时逮可达1 5 0 公里，加潢氢气后可行驶3 3 5 公里，该车最初怒为政府机关和乐京 的一麓其它衽澄组织设计的。 荧国在1 9 9 8 年开始，在州与国家的支持下，三大汽车公司融经对电动汽车的研 究投入了大量经费并已经磅割出多摹孛黧号豹样车。在共2 0 0 1 2 0 1 9 年发鼹电动车的 十年瓣划中，以开发绝电动车和混合电动车并加速其商业化为稻标，集中丁- 储能技 术、先进的电力电子技术、燃料电池、汽车系统和轻型材料等方面关键技术的研究 舅发。 德国在蓄电池电动车、燃料电池电动车和混合动力电动车簿方面部进行了大量 的研发工作。其中d a i m l e rc h r y s i e r ( d c ) 公司的蓄电池电动车和燃料电池电幼车 都羼毽赛蘸沿麴磅究成果。 为了推动电动车的开发，我国政府也已经确定了电动车研缎运作的规划。1 9 9 8 年7 月，国家电动车领导小缀办公室和国家科接在汕头南澳岛设立了中国e v 现场 灞试帮示范区。去年又窟霸了“十五”毫魂车鬟大辩授专项的全面计划e ，2 电动汽车豹终点及关键技术 1 2 1 电动汽车酶特点 效率高 现玲段，照然经过一个世缀的发展，内燃枫技术已经楣当成熟，但是其对燃沿 的能爨转亿效率缀低，约为3 8 ，当考虑弼汽车在市内行驶过程中频繁的起停、低 速行驶和等待等运行工况，其最终效率不过1 2 。而电动车采用电动机驱动系统， 无空转损失，魄波能爨戆8 0 激土可以转纯为汽车的动力， i 珏鄹锼考虑斑琢滔发魄， 再给蓄电池系统充电运行，考虑发电效率、送配电效率、充放电效率等，其最终也 可得到1 9 左右的能嫩转化效率。另外，e v 在制动时有回收能量的能力，这更加 提裹了毫动牵镪熬裁爨裁弱枣。 环境污染低 e v 在行驶过程中无废气排放，即使以全部能量都归结为火力发电的状况计簿， 相对，燃油汽车，其袋气彝 出爨也会鸯夫獾疫瓣藏多。裘1 一l 零l 表1 2 绘交了燃涵 汽车和电动车的排放墩比较。从中可以看出电动车和燃油汽车相比，l 乎不对环境 造成污染。 表l 一1 电动汽率与然涵汽车麴褒盎毛摔敖托较( g k m ) 废气组成燃油汽车电动汽车 c o1 7 oo h c2 7o n o x 0 7 4 1 ( o 0 2 3 ) lc 0 2 3 2 0 0 0 3 吼 注：括号中的数据考虑了电厂排放的废气 2 双轮独立驱动电动车驱动系统的研究 表 * 2 来安装防护设备汽车的捧放系数毽车，k m ) 排放物质燃油汽车排放系数电动汽车排放系数 | 甲醛 0 。8 70 一氧化碳 4 6 5 0o 碳氢化台物3 5 2 0 氮氧纯会穆 2 4 00 硫氧化合物 0 1 6 8o 肖规酸( 醋酸) 0 ，8 70 | 颗粒耪穗 0 2 2 4o 可使雨多种襞源 e v 馒曩2 次毫力麓潍，只癸骞电戆静供应，壤动季裁骞了取之不尽耱动力滚泉， 不受石油资源的限制。而电能的获得可以利用核能、水力、风力、太阳能等多种形 式的原始能源。特别对于我国，水利资源和风力发电等清洁能源的潜在发电量是耀 当高静，细栗熊有效琏稠用这黧能源，不仅有剃于环绦，节约塞贵的石油资深，解 决全球断l 临的石油资源枯竭危机，而且更符合我国经济的可持续发展的战略。 噪酱低 和内燃机汽牟相比，e v 显藉减d , t 发动机( 电动机) 引起的振动和噪音，简发 动机的振动和噪啬恰恰是整车搬动和噪音的主骥来源。这使得嗽动车的运行噪声比 传统豹燃涵汽车减枣了缀多。邋常，电动车熬臻声穆魄燃酒汽车低1 0 ，1 5 d b 。袭l 。3 提供了电动车和燃油汽车的噪声情况对比，从中可以看出，无论是车内的驾驶感受 还 是车外的对城市的噪声污染，电动车所产生麴的噪声都要比燃油汽车小褥多。 噪声 燃油汽率电动车 车内率豁 车建车努 匀速3 5 ( 3 速) 7 36 76 7 6 6 5 0 ( 4 速) 7 06 97 06 6 麴速3 5 ( 3 逮， 8 l7 57 0 6 6 5 0 ( 4 速) 7 67 27 1 6 6 机械结构多样化 结其荤，实 的得篱而酊v 使l 肇进此f也进。出 陵面以性， 方露特商 寨一 ，的方躬另鬻仿展黔，秘相发崭置戆车的 懈勰髋璇撩。 纠进v传有能纯构e与个性别结在到一行珊贼氟懈样髓 瞻统慕替电级 。 戳耥臁潞姚被 ， 射对瘦动为更记地酝电认鹫一理实用被连黼贻黜飙黝糨 以不发立控就w 懋油独统巍面瀵燃轮系 晒方戳将四静 盼 ，楚潘 n 艺弋j l搠化飘黼姗强睡样多件驱稽即多以部立怼盱以可力独复可鳌动轮燹 构造的毅施 坚簦篓塞鍪塑垒塑兰塑垫墨竺鳘篓塞一 优异的控制性能电气霹控变爨自由度增加 e v 以电动机取代了传统的内燃机，其带来的直接好处就是动力系统可以方便地 通过电气参撼进行控制，从面使得电动车的可控性增强。另一方面，由于电气驱动 霹苏采取双( 滔) 轮猿立驱动麴澎式，这褥镬褥可控燹藿翡垂出发( 毫交可控交萋 数) 增加，从而为进一步提高车辆的动力性能和操纵性能创造了良好的硬件条件。 1 , 2 。2 双轮驱动的特点 枧槭传动系统得到簿化 传统燃油汽车在发动机将燃料转化成动能以后，必须经过变遵齿轮箱进行减速， 然后还要通过差遮装鼹将动力分别传递到聪个( 或四个) 驱动轮。这样的个复杂 懿络递过程+ 不仅奉鸯霭要复杂戆税械结构，蘑对遣增瓣了减震懋粲系统的复杂度， 降低了系统的效率。而在电动车中，特别是在双( 四) 轮独立驱动电动车中，可咀 为每个车轮配备独立的驱动电动机，同时把它们视为一个整体。这样，传统的机械 传凌系统褥刘大大斡麓纯，减震耱震系统搬霹戳餐到艇应静戆亿农更多静塞交空 闻，盈有效蛾提高了传渤系统的效率。 避免了健统汽车枫槭差速懿难题 传统燃油汽车或单动力源的电动汽车，都需要一套机械的差速装置以保证功率 能谚传递到鼹( 多) 令驱动轮。其结撼是馒德蕊驱动羚豹力短稼簿藕转速之嚣与发 翁橇的转速戏菜一圈瓮沈例。丽在现代静汽车牵g 控铡( t c r ) 和防拖死系统( a b s ) 中，在转弯等状况下，希望两个骀动轮有不同的驱动转矩，这对于机械差速系统来 说熄相当困难的或需要牺牲系统的其他性能指标。对于双轮驱动的电动汽车，每一 个疆动轮摹独采餍一个邀动辊份凳疆动滚，溪个动力瀑之蓠不存在橇援部弊豹蠢接 的相互制约，从而省略了差速机械结构，丽在控制策略和方法上可以采用荐种策略 灵活地保证两驱动轮间更好的协调运转。 可以更方便地避行牵引控制 瘦子嚣驱勰轮约独立，可以分篾瓣每令轮遴童亍牵弓 整餐秘嚣轮瓣耱调控制。传 统汽车的a b s 和t r c 系统在双轮驱动系统中将得以慰方便地实施和进行戡加精确 的投制。具体的牵引控制策略等将在后面的灏节中论述。 鍪整婺塞塑兰皇垫至翌塑墨竺塑鲨窭一 1 2 。3 电动汽车的关键技术 系统总体机电一体化匹配设计及车身技术 由于电动车车载能源密度的限制，在设计e 黩动车时必须考虑的主要技术问题有： 减轻享锩末孝囊墩霞彳罨整车重量 ! 孽翻改善；充分会理遂聪霜空润，叹及系绞奄藿秘蒺 量系统优化；降低空气阻力系数；尽可能地减小轮胎滚动阻力等。r h - 7 - 电动机替代 了内燃机，车辆的缩构可以更加灵活，驱动方式也可以有多种选择，从而构成机电 一体化、匹配且优化的系统工程技术。 离功率密度、可控性良好的电动机研究与开发 电动车用电动机属于电动汽窀的关键部件之一。为使得电动汽车有良好的使用 睦能，驱动电机威舆鸯宽调遮藏湖、离转速秘足够大的起动转矩。魏终，妇予电动 车驱渤电动祝是车载形式运车亍的，这要求电动机体积，j 、蘩爨轻、效率麓、且有较 好的能量回馈性能。在车辆性能骤求较高的场合，也希望电机驱动系统执行部件有 良好的可控性以方便和高效地实现车辆的系统控制。 蘩毫洼技术戆硬究 电池技术是现阶段制约纯电霹b 车技术发展的瓶颈技术。率裁蓄电池要求有高的 比能爨、比功率、德环使用寿命芹爨低成本。蓄电池的性能制约了电动汽车的动力性 能撂糍( 热速缝麓耪竣囊车速等) _ 释l 一次充毫瀚续行里程。赫兹，对蓦迄涤酌礴究， 一方瓣是对传统铅酸蓄电池等的敬进和新型蓄电池的研制，弱一方面，燃料电池的 出现和兴起给电动率用动力电池掇供了新的发展方向。一般的燃料电池比能虽都高 于铅酸瞽电池，其虑用的主要难点在于如何缩小反应装置和提高反应速度，同时考 虑安全性闷题。 电机驱动系统综合控制研究与开发 实现毫动汽车骠凌的关键技术是驱动毫秘鳃运李亍控泰，焚孛毽摄车镄行驶豹稳 定牲控潮、系统动力性麓饶纯蕊节麓控案8 等。在稳定性控铡中，班牵； 控制为主要 研究方向，而系统的综合节能策略在电池技术没有足够的技术进步之前，也是相当 重要的。为了更好的对车辆进行研究和优化设计，电动汽车的有效数学模型和快速 有效的系统运行控带4 算法也是当今世赛备国的攻关热点。 畿蓬管理系统的研究与并发 在电动车辆中，魄池管理系统主要是指电源的开关管理、并串联电洮缎的霹换 双轮独立驱动电动车驱动系统的研究 管理、电池故障管理以及系统的能量回馈管理等。能量管理系统的主要功能是使得 所有的蓄电池组件处于最佳工作状态，并实时对电池运行状态进行监控、调节，使 得电动驱动系统的回馈能量能够进行存储。针对各种不同特性的电池，剩余电量指 示也是能量管理系统的重要研究课题之一。 1 3 立题意义及主要工作 1 3 1 立题意义 能源战略 我国从1 9 9 4 年开始已经成为石油进口国，2 0 0 2 年进口石油9 0 0 0 万吨，使用外 汇达3 0 多亿美元。随着经济的发展，我国的私家用车将大幅度增加，若只靠燃油 汽车满足这一增长的需要，我国的石油进口量也必然猛增。考虑到石油枯竭的危机， 这将是对我国汽车消费市场的严峻考验。发展电动车辆，从长远利益讲有利于我国 的国民经济和经济发展战略。 直接面向真正的电动车辆 目前许多电动汽车的研制主要还停留在对传统燃油汽车进行动力改造阶段。其 结构还限丁借用汽车的传动系统，基于一个动力电动机，通过减速器和差速器驱动 两个( 或四个) 驱动轮。显然，这样的结构只是改变了传统汽车的动力源，除了电 动机的转矩特性较发动机有所改善外，并没有根本改变车辆的运动性能和充分发挥 电动驱动系统所带来的技术进步的优势。 双轮驱动系统直接面向电动汽车的理想的结构形式，本课题通过对其特性的深 入分析研究，在其系统集成的软、硬件的独立研究、开发进展中，为该类电动汽车 的发展提供相关的技术参考，以及初步的研究结论。 为电池技术的突破作好准备 目前，举世公认，电动车的发展瓶颈在于动力电池的比能量密度尚有待改进。 很多国家和公司都在致力于电池技术的开发和研究。但是，与之同时，由丁电动驱 动系统的应用，给电动车带来了许多不同于传统燃油汽车的新特性和新问题。冈此， 对于这些技术的研究，也是当今电动车研发领域中学术与t 程界共同关注的关键技 术的研究课题。基于这一课题的研究成果，既可更合理地与现有电池的应用相匹配： 更可为电池技术突破后电动车技术的迅速发展做好准备。 般轮独立驱动电动车驱动系统的研究 我莺汽率工韭的发展赞褫 我国汽车工鲎落嚣予整界先进永平，在传统燃油汽车接术上，难强逛超璧赛宠 进水平。但由于石油危机的产生，燃油汽车最终将被释种新能源车辆所取代。而对 以电幼车为主体的新能源车辆的研制，目前世界备国的技术水平相差不多。我豳如 莱髓攘住这榉的契梳，大力疆究发震奄动车，必籍有蘩在这一领域达藏世界先遴承 平，抢占“制高点”，并形成为我国支柱产业的新生长点。 键进现阶段特种车辆的发展 爨然电动车的发藤还有待于电沲技术的避一步发展。但是在现阶段，在器种特 殊的领域，电动车已经开始被关注和使用。典型的有自然风光景区游览观光用f = 乜动 车辆、大型厂逸参双罔车辆、公园游乐月车辆簿。我嚣主办2 0 0 8 年绿色奥运也已 将清洁燃料电动车的藏用列入舆运筹备规划内密。值得指出，黼前在这些领域中， 大多数电动车辆还是使用传统的直流电动机，厦待改进，实现电动车技术的进一步 发曩，这显然是邀动每发展懿途径之一。除毙乏羚，在污染严黧鹃大城枣黎藏游蠛 市区域开发和推广电动巴士和电动出税车系统也已被列入城市发展规划的议程。 1 3 。2 主要工作 在本文中，疆轮毂泡辊驱动熬双耱独立驱动毫动车为研究对象，聚焦丁- 其惫援l 驱动系统的研究开发，主要在以下几个方面进行了理论分析研究、系统仿真和实际 的系统验证。 电动车用轮毂电机的研究 电动机是电动车区别于传统汽车的关键部件。驱动电动机的性能特点直接影响 和制约着电动车辆的性能，对电动机性能的研究和把握是研究鞠把握整车性能的关 键因索之一。本文将在研究轮毅电梳运行原理蒸础上对英进行数学建模，并利用所 建立模型进行仿真研巍，研究其对电动车辆驱动的优缺点并在此基础上提出和实现 改进麴策赂，使其更热寿剥于电动车辆的运行性能秘操纵特性。 率辆动力性能影响因素的研究 不论是对传统汽车和电动车，影响其动力性能和能攮 利用的关键冈索就是车辆 豹动力学特挫。其中包摇空气艇力、车轮滚动照力等。慰予这爨溺素避行分孝厅，霹 以在同样的驱渤功率下，通过驱动方案的合理选取、改进等以掇高车辆的运行性能 和节能特性。本文将对车辆动力学的相关知识避行阐述和进一步的深入研究，以期 为获褥毫棼车黪最襞动力牾蛙褥窭煮益懿结暴。 双轮独立驱动电动车驱动系统的研究 基予电动车特点的驱动策略研究 基于以上两方面的研究，结合电动车辆特别是双轮独立驱动电动车的特点，进 步磺究适矮予( 双轮驱动) 邀动车鹣驱动方寨。在戴过程中将结合惫动规、车辆 动力学、电力电子和控制论等方面的知识，对不同的可能方案进行理论分析。分析 各种驱动系统方案的性能、特点、复杂度以及成本因索等。同时，对于相关工程技 零绥节送行了懿点深入磺究著褥窭了虿供工程实滔豹弦论。彀这些分聿嚣为基吾壅，稳 造双轮独立驱动电动车的驱动系统实例，系统将同时对操控性能和车辆的节能特性 进行优化分折，力求搜蹰个方鞭都能最大限度地褥到满是。 驱动系统的实现 在驱动策略研究的理论支持基础上，本文利用小型电动车辆为原型，实现了本 文舞竣诗、稼逡耱驱动系统。蔡中包瑟了穗应静捉椴、惫气及控懿技术。并黯这些 技术的关键研究点进行了系统的论述。 双轮独立驱动电动车驱动系统的研究 第二章轮毂电机 2 ，1 电动车粥电动橇选型 对予电动车辅，现阶段，多糖驱动电动规被认为具有较好豹应用价值。现疲曩 较多的主要有赢流电动枫、交流感应电渤视、交流同步电动机、开关磁阻电动机和 永磁无刷电动机等。各种类型的电动机各有其优、缺点。直流电动机的应用最早， 其调速瞧黪较好，毽由予维护不方囊，鸯逐濒棱取找豹趋势。交滚电动撬戳箕结秘 简单容茹维护见长，随着交流调速技术的发展，其调遮性能已可与直流调速系统相 媲美。但是其调速系统，特别怒大功率的调速系统成本还相当篱。开关磁阻电动机 蹙嚣蓠磁较被嚣好帮繇究较多斡一种裘澄，毽茭工程馥用滏未达至l 大谣积的蓄及， 另一方丽，它的转矩脉动和大噪声的缺点还有待进一步研究改进。刷礅流电动机目 翦被广泛应用予电动囊行车翻电动摩托车等小憋电动交通工具上，其饯嶷懿性戆已 经被广泛认同。目前主疆在生产大功率的永磁无利电动机工程技术方丽还有需溪进 一步解决的问鼷。 跌续稳形式上看，嚣兹毫动车中盔援静鼓麓 枣式帮耱毂式较多。对子撅黄绕汽 车改型的电动车辆，基本采用莆通的轴伸式电动机以单动力源的形式取代燃油发动 机。而电动汽车的发展方向中，双轮独立驱动方式无疑将是一种很有前途的结构形 式。萁鬻动电动税氇霹分为辘 率式和轮毂式两犟孛。辘 孛式电动辘可戳聚雳一些简单 的减速机构，但是由于霈要和车轮同轴连接，敞电动机半径将骚到限制，否则将使 枣辆的离地距离变小。褥轮毂式电动钒豹尺寸未要受至l 轮骀壹经戆艰捌。 基予这些特点和从缎展的角度出发，本文选择了轮毅式的永磁无劂盏流电渤机 作为构成双轮独立驱动电动车的动力部件。本章将对于这种电动机的结构特点、原 遴窝数学建模等专题遴行详缨兹分掇。 2 。2 结构与基本原理 本文应用的永磁无删直流电动机转予结构类似予传统永磁囊流电动机，固定在 转子磁筑上静凌铰铁硼露l 成酶永磁傣磁镝形成永磁俸静磁顿，箕气怠磁场一般警方 波或梯形波分布。根据转子在电机结构中所处的位置，可分为外转子、内转予以及 盘式电执等几种类型。其定子绕组结构类似予三相交流电动枧黝整距绕组，三捆绕 组在空间戬1 2 酽的电角度均匀分布。图2 一l 给嬲了车厢轮毅式永磁无刷直流电渤机 的典型结构。本文采用的电动机为适应低转速及小体积要求，极对数较多，转予磁 瓿较薄e 终为轮毅式耄撬，为终转子毫糗。麓了减小隶磁磁落与定子接之闯磁捷力 产生的磁阻转矩脉动，定子绕缎铁心设计成斜耩，且斜个定子槽的距离。对于每 极每相只有三槽的绕组设计，斜槽即为6 0 。飘角度，这将造成在相电势方向改变 e 亨至少蠢6 0 。宽凌静渐交过程，如蚕2 2 掰示。由图可觅，该魄橇采取每极每稽三 槽，绕组斜一槽姐磁极间隙接近零的设计方案所对应的绕组电渤势波形。在供电方 式上，无刷直流电动孛几露要实融地根据转子位鬟刿颤绘绕组供魄，其挨趣逻辑瓣功 能相当予有酃盏流电动梳的电莉换向杌构。这样，一方黼使永磁无刷煮流电动机特 多 烈轮独立驱动电动军驱动系缆的研究 性与传统有刷赢流电动机特性相似；另一方面，赢流无刷电动机的运行离不开相麻 的控制逻辑电路鄹电力电子魄路。 阉2 - 1 永磁无利赢流轮毅式电动机结构斟 永磁无羽喜流魄祝具有永磁囊流电机韵良好调速性能，以及交流电机的高可 靠性、长寿命、免维护的特点，因此，适用于宽范围调逡的电机驱动系统。由于性 麓铙异羚绞铁鞠稀土永磁材辩静应瑙，及冀磁密波形接_ i 穗矩形髓不存在“无火花换 向区”的限制。故其功率密度和效率都高于传统的采用铁氧体等磁钢的永磁敷流电 撬。圣# 失电辊本隽，其性能爨毒较髅幻优势。簌应用于e v 电梳驱臻系统来讲，交 流电动机和永磁同步电机以殿开关磁阻等炎型的电动机都需要控制器的紧密配合 才能运行，而且这些控制器的复杂稷度和成本都邀比永磁无剧煮流电搬控制戮裹出 许多。在良好的控铡嚣作用下，永磁无利直流电机具有和有利真流电动机相似的空 载特性和机械特性。 强蘸驻述，本文搿莱强弱庆磁蠢尉直滚轮毂式电动丰凡为外转子永磁转子磁极， 定子为1 2 0 。相带星形逡接，每相电动势如图2 - 2 所示。 01 8 03 6 05 4 0 图2 2 永磁无嚣宣漉宅葫瓿绕缀电动努渡形豳 与电动撬配合的毫予控割器禳箍扶电动机检测到的位鼹信号，按相对应的方向 分别在三相绕组内通电。当电机磁场的近似梯形波能够保证每极大i - l20 。的恒 定磁场对，在12 0 。导逶角懿全矮羧铡方巢控铡下，每对蒯寄且仅有相互率联 l 垂 双轮独志驱动电动车驱动系统的研巍 f 奴卜* 1 8 0 | l 牛4 b 1 0 | | | o 暑。1 约 翻o0 0 d3 s 4 。0b ，如 紫仨i 褂! ii 一甘i 丰i 斗i 抖ii帮1 i i 【洲。! j ”ol ”1 j 州1i 帅j 帖oi 1 0 0 j 制oj 1 1 ；州i ，j 舳。； 位置信号 b 动输出 上轿臂 驱动赣出 下拆营 霪黧蓥 卜一全遗( 无毒吁捩) 一卜一 鹕遴( 5 晰娃) 叫 鞭2 - 3 永磁光裁蜜漉奄蘸援按铡逻辑芙系篷 的两桐电势为e 。的绕组中有电流导通。 在开关器件理想工 乍状态下，忽略换鞠 电流波动的影响，可戳得到与有利永磁 直流电动机相间的特性。也就是说，永 磁无刷童渡电动钒的特姓与有剥电机樱 似，其有良好的调速健能和起动性能。 若在绕组供电过程中采用p w m 技术，则 耀当予永磁壹浚电动秘豹调压调速控 制。图2 3 给出了无刷直流电动机控制 逻辑的典型时序图。其中包括了对下拼 臂逢孬p w m 轿波调速豹狭态。魏对称免 强2 驱动电流目路 敢轮独立驱动电动车驱动系统的研究 半桥斩波。如果在下桥臂进行p w m 斩波的同时对相应导通的上桥臂也进行同样频 图2 6 全桥斩波续流【! i 路 图2 - 5 半桥斩波续流回路 率、宽度和相位的p w m 斩波，则构成全桥斩波的调压调速控制。对丁半桥斩波控 制，在斩波导通阶段，施加在绕组上的为直流电源电压，绕组中电流的流通情 况如图2 - 4 所示。在斩波关断的续流阶段，绕组电流通过导通的上桥臂和相应的一 个续流二极管构成回路，如图2 - 5 所示对于绕组来说，外加电压为0 。而在全桥斩 波过程中，在续流阶段，绕组电流如图2 - 6 所示通过两个二极管导通，加在绕组上 的电压为反方向的电源电压u 。在电流连续的条件下，设斩波比为旯，则对丁半桥 斩波，绕组施加平均电压为 u o 、，= u o ，旯 对于全桥斩波，绕组施加平均电压为 u 。= 虬， 一玑，( 1 一兄) = ( 2 a 一1 ) 可见，对于同样的斩波比，半桥斩波和全桥斩波方式对绕组的有效平均驱 动电压是不同的。在电流连续条件下，半桥驱动方式等效驱动电压与斩波比 呈线 性关系，而全桥斩波在斩波比大于0 5 时，等效电压以半桥斩波时的两倍速度线性 上升。事实上，在a ，故在近似计算中可以忽酶矗、q 轴电感躲差别，从蕊霹 瞄得到永磁无利直流电动桃的简亿模溅。阂此，简化了的轮毂电动机仿真模型为 心一w + 巳+ 圮十哮+ m 鲁十肘鲁 c z 郴， 2 + 岛+ 是毫+ 鱼d t + 硝警+ 膨查d t ( 2 - 1 9 ) 盛 。 ”。钏wm + 配+ 磅+ m 鲁+ 村鲁 c z 珈， 其中，融于毛+ + t * o 可得： = h m ? + 吒+ 琶+ ( 三一村) 兰 (221)at = “w + + 咒+ ( 上m ) 豢 ( 2 - 2 2 ) 毪= 鹌蚶十鬈+ r o e ( 三一掰 兰 ( 2 2 3 ) 三式相加并整理得： ，盛i f 圣1 一琶f i l e 一掰，丢 ；i = r ，( f 圣 一f 圣1 e 一材，暑f i = 耋j 一巨 一民r f ； ”。f j l 成= k e c i i l i c j l 。鲁2 霉+ ，一d a 等d m d t d t = 三j 咯叼 融 、4 ， 此处将电机旋转阻力归结为外施转矩进行计算。 耻i 其中疗电动机的角位置 而电动机的相绕组感生电动势为角德度国和角位懋挣的函数。可表示为 药 砸 一 瑷轮独立驱动瞧魂车驱动系统豹骈究 e a = 南( 毋，掰) 嚣z 。( 口，m ) e 。= 厶，( 0 ，c o ) ( 2 + 2 8 ) ( 2 。2 9 ) ( 2 。3 0 ) 幽此，可以选择三耀绕组魄漉、枫毫暖角速皮以及囊锭置为状态变量对系统建立 仿真模型，对永磁无鞴0 真流电动机及箕构成系统进行仿真分析。 采用本数学模型仿真获得的电动机电流波形如图2 7 所示，其中在每相导通过 程中懿孛点蕴嚣毒一个迄滚懿突交振荡，这是在功率器佟换滚过程孛由魄感静续流 作用造成的。遮一因素以及相电动势不能保证完整的1 2 0 0 恒定区域，将使电动机在 每次换向过程中有一个微小的转矩脉动。 啪电流 图2 7 绕组电流仿真波形( 空载) 程轮独盘驱蘑毫爵车馥魂系统麴辑究 图2 - 8 永磁盥流电机转矩特性 2 。4 本章小结 图2 - 9 永磁无刷赢流电机转 矩特性 图2 一1 0 内燃机转矩特性示意 图 由以上各节的分析可以看出，永磁无刷赢流电动机不仅本身的机械特性优异， 而风同时具有良好的控制特性。对其可以通过控制给定电压方便地进行开环转速控 割，虽英规械褥蛙较硬。对于绕缀翡供电避露p w m 调囊l ，鄹可敬菠变麓翅爨绕组上 的电压值，英特性可相当于有刷赢流电动机的调压调遽。近年来，永磁无刷电动机 的弱磁调速研究也取得了较大的谶展。另外，永磁无刷点流电动机本身需鞭与相应 的控制器配合工作，这榉在基本的驱动电路蕊础上可以方便地扩凝蚤季孛控制功能。 在永磁秃攒盏瀛毫韶税静控制| ) 薯路中，我们可敬方便地得鲻电动视静实际转子 位耀，通过对转子位置变化频率的监测可以方便地得划电动机的运转速度。再辅以 相魔的电流监测手段，献得绕组电流，通过电动机的转矩电流系数可以获得电动 瓿粒转矩羧感 妻。逶避这些参量兹获褥，可以实糖蛙确定电动瓿麴实际运行状态。 显然，这是构成驱动系统乃至e v 楚车控制系统的极为简洁而重鬟的技术基础。 对于永磁先刷直流嘏动机，不必更改硬件结构，而只需通过软件的处碱即可状 褥较好的电气制动性能，同对圄牧部分机城熊，这对予逛动车事载能源能爨小静缺 点也是一个奄力的改善。关于割动簸量回馈，将在后瑟有关控制方案章节中进行详 细的论述。 对永磁无刷直流电动机的数字仿真，也从理论分析研究角度证实了该电动机的 良好控摹特毽。基予轮黢毫掇、交滚电动捉、壹滚毒髑毫动掇戳及内燃辍敬缝麓特 性比较，可珏确证，采用永磁无刷赢流电动桃作为电动率的轮毅电机，其性能良好， 且厨于控制和进行控制扩展。 双轮独立驱动电动车驱动系统的研究 第三章电动汽车动力学模型 在车辆的运行过程中，其受力情况是相当复杂的。其中涉及到车辆的整体受力， 如风阻力、空气升力和车辆与路面之间的摩擦力等。此外，在辆运行过程中车，轮 与地面间的功率传递过程，还涉及到轮胎与车体、地面的作用力，轮胎的特性，路 面状况特性等因素，这些都对车辆的运行性能和操纵性等有着很大的影响。对这些 环节的分析，既是设计一个良好的车辆机构的基础，也是设计一个良好的车辆控制 系统的基础。与此同时，考虑到电动汽车身车载能源有限，而电动机控制系统有可 能采用进一步的节能和操纵控制方法。特别是对于双轮独立驱动的电动车，传统汽 车驱动系统的一些结论性的规律和做法已经不是最佳选择。冈此，有必要重新从车 辆动力学的角度出发分析双( 多) 轮独立驱动电动车的动力学特性，以期得到更加 合适的技术结论和控制方法。本章将以传统车辆的空气动力学、轮胎的特性及受力 分析等理论为基础，从纵向、横向等不同角度对双( 后) 轮独立驱动电动车辆的运 动及受力情况进行综合的分析，从而得出对应的驱动控制系统在动力学方面廊该注 意和必须解决的理论和工程问题，以使整车的特性更加优良。 3 。1 车辆空气动力学及纵向动力学 在车辆行驶过程中，在行驶方向和垂直线所构成的平面内，车辆受到的主要作 用力有：空气阻力、气动升力、地面摩擦力、重力、上坡阻力以及地面的支撑力等 ( 参见图3 - 2 ) 。本节将对这些力的分析产生机理，相互作用及其对车辆运行的影响。 3 1 1 正向风阻力 图3 1 风阻力产生与分布示意图 当车辆行驶时，在车辆的迎风面上将产生正面迎风阻力，称为压力阻力。此外， 还有车面面阻力、内循环阻力和诱导阻力等，最终形成一个正方向的风阻力。正方 9 职轮独立驱动晦动车驱动系统的拼窥 向的风阻力主要与速度相关联，它随翁速度的平方增长。 面积成正比关系。正方向的风阻力可簌达为 厶：娄! c z ) a z 其中，a 车钵静避风授影蕊联 矿气流速度 p 为空气密度( 一般p = 1 2 2 5 8 n s 2 m 4 ) 风阻力同时与车辆的蛾风 ( 3 1 ) 乞歪囊阻力系数，它与车辆瓣努影设诗毒荧，对于一般轿车c 。；0 3 0 4 5 。 对于高速运行的车辆，i 力- r n 的空气阻力是整车阻力的重要组成部分，也悬汽 车外形设计中考虑的重点因素。随着率遵的进一步增长，空气阻力将成为汽车所受 阻力的主姆因素。 3 1 2 侧向风阻力 本文在攀辆转角较大】 f 于将考虑车辆侧内风阻力的影响，与正囱风阻力类同，侧 窝藏疆力 厶= 毒p y 2 g 4( 3 - 2 ) 其中，q 侧向阻力系数( 对予般轿车c ，一o 3 4 5 ) 。 诧楚v 为与翻蟊垂蠹懿耜露风速。 侧向风阻力只有当车辆在较大的侧向风力作用下，或转弯过稷中予以考虑。在 其他情况下，侧向风阻力很小，可以忽略。侧向风阻力对车辆的遗行影响较小。 3 1 。3 气动开力 ，驾受到风阻力的同时，由空气动力举原理可知，车辆还将受到空气升力的作用。 般情况下，将该升力分鳃为分别作阁在前后两个 乍用点上的前牟鹿升力和后藕升 前轴升力：吒。= 妻p 矿2 c 。( 3 3 ) 后轴升力j 五+ = p 矿2 q ，( 3 4 ) 总井力； 贬= 五。+ 磊f( 3 5 ) 式中q 一、q ，前、后轮的升力系数，与车辆的形状、尺寸相关。 ，；。，皂乏篆枣空气阻力嚣l 努力约馋爆，攀赣终受到一令淘莲蓣熟戆力短终爱，拣之 笼缀馁力疆 。一 m r 2 一e 鼻一工f ( 五，+ ) = 一e a c , x ，+ c 。( 五，+ ) 】 ( 3 - 6 ) 簌轮独立驱动蘸钫车驱动幕统静簿 究 式孛， g = 委夕矿： x 。升如力甓 车辆质量中心到地丽的距离 互正方向阻力的纵倾力臂。 3 。1 。4 纵向动力学方程 一般情况下，假定车辆以遮度v 在伸角为的坡度上直线行驶，加速度为a 。 参照图3 - 2 ，可以得出此时车辆的纵向运动动力学方程。 基于牛顿运动力学定律，在车辆前进方向上有： 焉+ 曩一彳一磊一五f m g s i n = 掰甜 ( 3 7 ) 其中的变墩含义如图3 - 2 所示 羁、e 左、右侧后轮与地面的摩擦力( 驱动) 磊、磊左、裹鞠羲轮受鬻豹遣嚣摩擦力( 疆力) 应指出，此处式中的车体质量已经综合考虑了车体的质量平移惯性和车轮的转 动搂爨，是一个摺当予覆量的车髂综合骥蛙表缀量。嚣隽当疆移率不大时，车髂戆 加速度与车轮角加速度之间有较好的线性关系，且车轮的转动惯量本身对车体加速 的影响不大。 式中石、磊、墨和的鞠确含义，将在本露关予轮胎受力分祈小节中有详细叙 述。 亵与嬉嚣囊轰耱方穗上喜： 疋+ 1 十2 + 3 + n 4 = m g c o s 扎，( 3 - 8 ) 篡中 m 2 左、右侧前轮的难直载荷 3 4 左、右侧后轮的避直载衙 在溷3 - 2 艇示平嚣上+ 班爱耱与遣露绩皴点为中心瓣力矩乎籀方程兔 f i ( 五十w ) + ( i + ，2 ) ，+ 六f ( z ( 十向) 一脚g j c o s 以，= 0 ( 3 9 ) 箕孛， 拶事辍矮量中心裂蓐辜蠢懿距离 f 车辆前、后轴的间距 托车辆爬坡的坡度 辩整垫主鬻鎏璺垡型塑至璺竺竺_ 一 一一 谶3 。缴弱镪力学劈辑 蚴：黧慧n 词捞 蠢嚣黪凳焉 ? ：主k ：为纯滚动阻力系数。记车轮半 其中，为纯滚动阻7 粥姒。 滚动阻力力矩 ! 。i i # r 嘲3 。举轮滚动吼力产生示意蹦 径为r ! j ! l l 魏滚动隰力在车轮上产生纯 ( 3 ，1 1 ) 褫 稠桶扎酊黼姗盼辣 踟叻蹬蕊麓一 双轮独立驱动电动车驱动笨统的研究 | 灏0 ，2 l 0 。1 8 f 蚕o j 嚣0 1 4 l 瓣0 1 2 8 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 遽疫( k m h ) 圈3 - 4 轮胎的滚动阻力系数特性 试验证明，如图3 - 4 所示，在很大隧域 内，纯滚动阻力受速度的影响很小，且纯滚 动阻力系数鞍，l 、。氇就是说，对于一般戆汽 车，低速行驶时纯滚动阻力可以忽略不计， 只有到高速时才予以羹视。 _ | 毙羚，警车轮平露与牙遴方囊不一致 时，如图3 - 5 所示，车轮处在所谓的“侧向 偏离”状态，此时车轮平面与行进方向的夹 角称为“铡编角”g 。于是，车轮匏全豁 滚动阻力为 f = k j n c o s a + f s i n a = e o s a + f s i n a ( 3 1 2 ) 图3 - 5 侧向偏离状态的车轮 在建度很小黠 f * k 口 ( 3 - 1 3 ) 于是毒 ，j * f + k 牡i ( 3 - 1 4 ) 其中缝滚动疆力梵滚动疆力豹主要戏分。对于酱逶轿车，滚动阻力系数通常酝 n = o + 1 3 0 1 8 。 影响滚动隧力兹困綮还有路蘑的塑髋变形、路面积永帮路露不平等闲素，这些 特殊的因素在本文中暂不加以讨论，详请参阅参考文献 1 。 可以通过滚动阻力系数综合考虑怠挺其他影响滚动腿力的备围素的综合 乍用， 以一个总体的滚动阻力系数袭征滚动阻力与裁荷的关系 ；# = n ( 3 1 5 ) 一般情况下，可以用表3 - 1 的数糖估算： 鼓轮独立驱动奄魂车驻韵琴统翡蟹 炎 表3 - 1 不同路嚣的滚动摩擦系数估算 |路面特征 k f全凝坚硬的糖涵、浞凝、小方石块鼹瑟 o 。e l 棚0 2 缀压轧的坑洼波动的碎石路、压坏的柏油 o 0 2 o 0 3 j 混凝土路面 |舔耀懿渡劲豹籀演嬉嚣0 。0 3 秘 良好的土路0 0 4 5 l一般土路0 0 5 o 1 5 l松涉路面0 1 5 3 3 2 2 附着率 窜轮与地蕊间的切向摩擦力与车轮的垂直载糙的比髓称为附着率。本文以符号 五表示： 五一熹= 孚 ( 3 1 6 ) 其中x = l ，2 ，3 ，4 ，分别表征左前、右前、左后和右斌四轮，以后同。 按照经典力学关于摩擦力的原理，在车辆运行过程中，应该使释轮的附着率在 摄大静摩擦系数之内。因此，在正常情况下，虑该使四聋仑的附着率均衡，以求每一 车轮戆瓣莲率帮在最大静摩擦鞭度之内弱概率簸离。对予双嚣耱驱凄豹车辆，由于 驱动力全部由厢轮传递到地面，后轮与地面的切向力较大，因而在设计整车配重时 斑将重心后移，让后轮承担大部分的垂直载荷，以便其掰寸着率城小。 3 2 3 摩擦系数与滑移率 然而，橡胶是一种粘滞弹性材料，它的摩擦性能不服从传统的摩擦理论。橡胶 的静摩擦和滑动摩擦的界限并不很分明。实验证明，橡胶的摩擦系数是爝动速度的 函数。豳3 - 6 绘出了菜橡胶试榉摩擦系数随滑动速度变化的典登曲线。稀对于实际 的轮胎，由于与地面接触状况复杂，滑动的概念已经交得模糊，这样，在静摩擦和 滑动摩擦之间则如现了一个被拣为沿移毂状态。此时，轮骀与地强的实际的摩擦系 数不蔻与滑动速度而是与滑移率密切楣必。 对于实