电动汽车四轮独立驱动技术

电动汽车四轮独立驱动技术

一、引言

内燃机汽车自20世纪初出现至今，在其自身随人类科技的进步经历了巨大的变的过程中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ToyotaPrius。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。

二、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。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：

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。

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。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"。

三、四轮独立驱动系统的控制

（一）电动机选择与控制策略

从目前电动车行业内普遍使用情况看，主要有两种电机：高效稀土永磁有刷电机与高效稀土永磁无刷电机。

有刷电机，采用机械换向，对控制系统的技术要求较低，相对成本低于无刷电机，有刷电机的起动力矩略大于无刷电机。弱点是：寿命短、噪声大、效率低。它长期使用碳刷磨损严重，较易损坏。同时磨损产生了大量的碳粉尘，这些粉尘落下齿轮油中，使齿轮油加速干涸，电机噪声进一步增大。有刷电机使用到一年左右就需要更换内碳刷，你会发现充电一次行驶的里程不及新车买来时的三分之二，而且爬坡时动力不足，还会烧坏控制器。这是因为电机更换碳刷后，换向器也被磨出了一条凹槽，使碳刷接触面积减少，接触不良的碳刷通电后会产生火花并加快氧化换向器和铜片，导致上述不良现象。

无刷电机，以电子换向取代机械换向，技术上要优于有刷电机。由于无刷电机没有齿轮或减速装置，减少了电机磨损的不可靠性。它的效率在一定电流范围内比有刷电机效率高。无刷电机行驶起来几乎没有噪声，且寿命长达10年以上。据于两者比较，无刷电机要优于有刷电机。

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。

（二）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。

（三）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。