电动汽车四轮独立驱动技术初探 靳立强，宋传学，王庆年
（吉林大学 汽车工程学院，吉林 长春 130025） 摘要：分析了电动汽车四轮独立驱动系统的特点，阐述了基于电动汽车四轮独立驱动系统的TCS、ABS及VDC控制系统与传统汽车对应系统的差异。在此基础上分析了电动汽车四轮独立驱动系统的关键技术并对各关键技术进行了详细的阐述与分析。说明了电动汽车四轮独立驱动系统可以在较低成本的基础上实现性能更好的汽车TCS、ABS及VDC控制。提出了四轮独立驱动电动车的驱动系统控制策略。
关键词：电动汽车；四轮独立驱动；牵引力控制；
中图分类号：U469.72 文献标示码：A
1．引言
内燃机汽车自20世纪初出现至今，其自身随人类科技的进步经历了巨大的变革，在这个过程中它也给人类生活和生产带来了巨大方便，为人类社会的进步做出了巨大的贡献，但其自身消耗日益紧缺的石油并产生大量污染物也使人类赖以生存的环境恶化。因此近年来由于环境恶化及能源紧张等问题，迫切需要开发低能耗，无污染的汽车。因此电动汽车成为21世纪汽车技术研究的热点。
混合动力汽车与纯电动汽车是电动汽车研究的两个分支。经过近些年的发展，电动汽车技术日趋成熟，部分产品已进入商业化应用如Toyota Prius[1]。目前，电动汽车传动系统多数在传统内燃机汽车的传动系基础上进行一些改变，进而将电动机及电池等部件加入总布置中。这种布置难以充分发挥电动汽车的优势。为使电动汽车对传统内燃机汽车形成更大的竞争优势，设计出适合电动汽车的底盘系统势在必行。而四轮独立驱动技术则可使电动汽车底盘实现电子化，主动化，大大提高电动汽车的性能。使电动汽车与传统汽车相比具有更强的竞争力。
2．四轮独立驱动技术的特点
电动汽车四轮独立驱动系统是利用四个独立控制的电动机分别驱动汽车的四个车轮，车轮之间没有机械传动环节。典型四轮驱动布置型式如图1，其电动机与车轮之间可以是轴式联接也可以将电动机嵌入车轮成为轮式电机，车轮一般带有轮边减速器。这种驱动系统与传统汽车驱动系统相比有以下特点[2-7]：
1) 传动系统得到减化，整车质量大大减轻。由电动机直接驱动车轮甚至两者集成为一体。这样省掉了离合器、变速器及传动轴等传动环节，传动效率得到提高，也更便于实现机电一体化。传动系质量在汽车整车质量中占有很大比重，机械传动系的消失，使汽车很好的实现了轻量化目标。另外，由于动力传动的中间环节减少，传动系的振动及噪声得到改善。甚至在采用纯电力驱动时，可实现无声行驶。这是美国海军的"RST-V"侦察车及其新一代军用"悍马"汽车采用四轮独立驱动技术的重要原因[4,5]
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图1 四轮独立驱动电动汽车结构
2) 与传统汽车相比，四轮独立驱动系统可通过电动机来完成驱动力的控制而不需要其他附件，容易实现性能更好的、成本更低的牵引力控制系统（TCS）、防抱死制动系统（ABS）及动力学控制系统（VDC）。传统汽车的TCS与ABS系统均须对发动机与制动系进行联合控制才能达到较好性能，由于机械系统的响应较慢，且受制动器，液压管路及电磁阀的延迟等因素影响，传统内燃机汽车的ABS系统与TCS系统的实际时间延迟达50~100ms[8]。限制了TCS系统与ABS系统的性能提高，而且增加能耗。与内燃机相比，无论在加速还是减速，电动机转矩响应都非常快且容易获得其准确值，这对TCS、ABS、VDC系统来说是非常重要的。因此电动机作为ABS、TCS及VDC系统的执行器是非常理想的。
3) 对各车轮采用制动能量回收系统，则可大大提高汽车能量利用效率，且与采用单电动机驱动的电动汽车相比，其能量回收效率也获得显著增加。这对提高电动汽车续驶里程是很重要的。
4) 实现汽车底盘系统的电子化、主动化。现代汽车驱动系统布置分为前驱动、后驱动或全驱动。这两种驱动型式各有优缺点，而且对汽车行驶工况的适应性也不同。如前驱动轿车在高速转向时稳定性好，但在加速时或爬坡时，动力性受载荷转移的影响较大，而后驱动在这方面的性能优于前驱动车，而全轮驱动车的成本较高。汽车采用四轮独立驱动技术后，汽车采用前驱动、后驱动或全轮驱动可根据汽车行驶工况由控制器进行实时控制与转换。且各车轮的驱动力可根据汽车行驶状态进行实时控制，真正实现汽车的"电子主动底盘"。
3．四轮独立驱动系统的控制
3．1 四轮独立驱动系统的关键技术
四轮独立驱动系统的关键技术如图2，下文将详述其细节。
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图2 四轮独立驱动系统的关键技术
3． 1．1电动机选择与控制策略
目前，电动汽车所用电机主要有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机、永磁混合电动机等几种。这几种电机各有优劣，也都有应用实例，文献[1]用数字评分的方法来比较几种电机的性能，主要对电动机六个方面的性能时行比较。
对电动机的控制可控制其转速和转矩。工业应用中，电动机控制广泛应用的是转速控制，对四轮独立驱动系统来说，若控制电动机转速必然由于汽车行驶工况及道路工况的不定性而难以实现或造成轮胎磨损加剧。因为虽然由整车运动学理论容易推导出汽车转弯时理想的差速模型，但汽车所行驶的道路不平或倾斜是无法预知的。因此难以实现电动机随路面状况的准确的转速控制，所以对电动机进行转速控制是不可取的。而控制电动机的转矩（电流控制），则可实现准确的整车运动学/动力学控制。因为汽车运动学及动力学特性最终是由驱动力控制来实现的，只要准确控制各驱动电动机的转矩必能获得具有良好性能的电动汽车。此时转速随动，所以汽车可适应路面情况变化。因此对电动汽车来说，对电动机的控制须通过转矩控制来实现，通过转矩反馈构成闭环控制。
3．1．2 驱动轮之间的差速技术
传统汽车的同一车桥的两车轮或不同车轴之间须加装差速器，否则在汽车行驶过程中会出现功率循环现象，造成功率损失。其原因在于各车轮之间是机械联接造成运动自由度(车轮转速)不足，使各驱动车轮功率出现循环。
而对于四轮独立驱动电动车来说，由于对驱动电机进行转矩控制，驱动电机的转速为随动变量，因此驱动轮转速均可将随车辆行驶状态及路面状况而自动调节，也就是说各车轮转速都是独立的。
3．1．3 整车牵引力控制策略
汽车牵引力控制就是通过检测驱动轮滑转率，据此调节驱动力从而将车轮滑转率控制在车轮具有最大驱动力的状态。传统汽车通过检测车速、车轮转速来判定滑转率；通过控制发动机转矩及制动力或完成驱动力的调节。
对于四轮独立驱动系统来说，车轮的动力学状态完全可由电动机控制，而电动机的转矩和转速很容易检测得到[7]。所以四轮独立驱动系统的滑转率检测及牵引力调节完全可以通过控制电动机－车轮这一子系统来完成。
3．1．4 整车动力学控制（VDC）策略[3]
汽车动力学控制即指通过调节各驱动轮的牵引力，从而产生一个由于各驱动轮驱动力差异产生的外部作用于汽车的横摆力矩，并控制这个横摆力矩来达到改善汽车动力学性能的方法。在这个系统中，汽车横摆力矩取决于车辆动态反馈，主要是横摆角速度和侧向速度，另外，还有驾驶员输入反馈如转向角。在传统的VDC系统中，它设计着眼于内燃机汽车（ICEV），期望的横摆力矩主要由每个车轮的制动力来施加，如差动制动。而对于四轮独立驱动的汽车来说，可以通过单独控制每个电动机的转矩来完成而不是差动制动。
3．2 四轮独立驱动控制系统的控制策略
四轮独立驱动系统应保证汽车具有最佳动力性，稳定性及安全性。在该控制系统中，四个驱动电机接受来自转矩分配器的转矩电流信号给定，并实时返回电机转速/转矩信号到滑转率判定模块，依此判定车轮是否打滑，该模块产生滑转率信号给整车控制器，整车控制器同时也接受驾驶员的控制指令（车速给定，制动给定及转向信号）及整车运动学参数反馈。根据这些参数，整车控制器依一定控制逻辑，产生最佳驱动力分配值。这个值由转矩分配器转化为转矩电流信号给驱动电机，由驱动电机输出驱动转矩，驱动汽车行驶。
整车运动学参数反馈及驾驶员指令由整车运动状态控制器接受。整车运动状态控制器依汽车运动状态最佳（如动力性，稳定性及安全性）为准则产生整车驱动力值及各驱动轮驱动力分配比（实现横摆控制）。这个信号传给驱动/制动控制器，它同时接受滑转率信号，由此产生避免车轮打滑的最佳驱动力分配信号。
4．结论
驱动系统是电动汽车的重要组成部分，其布置型式与性能直接影响电动汽车的性能。牵引力控制是汽车动力性、稳定性及安全性的核心。本文论述了电动汽车四轮独立驱动系统，该系统利用四个电动机直接驱动车轮，从而使汽车牵引力及其动力学控制从传统上控制汽车动力传动系转变为更容易实现的控制电动机的动力学响应。这将使是电动汽车可以以较低的成本大大提高电动汽车牵引力控制系统（TCS）、制动防抱死系统（ABS）及汽车动力学控制（VDC）的性能，从而提高电动汽车的性价比使其更具竞争力。另外，本文提出了电动汽车四轮独立驱动系统的控制策略。
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发表于 2012-4-21 10:31:45
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