電動汽車電機(jī)控制與驅(qū)動技術(shù)課件：輪轂電機(jī)類型及其控制技術(shù)

輪轂電機(jī)類型及其控制技術(shù)

近年來，隨著電動汽車的興起，輪轂電機(jī)重新引起了重視。輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的布置非常靈活，可以使電動汽車成為兩個前輪驅(qū)動、兩個后輪驅(qū)動或四輪驅(qū)動。(1)動力控制由硬連接改為軟連接型式。通過電子線控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速要求，從而省略了傳統(tǒng)汽車所需的機(jī)械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動軸和機(jī)械差速器等，使驅(qū)動系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)簡潔，有效可利用空間大，傳動效率提高。(2)各電動輪的驅(qū)動力直接獨(dú)立可控，使其動力學(xué)控制更為靈活、方便；能合理控制各電動輪的驅(qū)動力，從而提高惡劣路面條件下的行駛性能。(3)容易實(shí)現(xiàn)各電動輪的電氣制動、機(jī)電復(fù)合制動和制動能量回饋。(4)底架結(jié)構(gòu)大為簡化，使整車總布置和車身造型設(shè)計(jì)的自由度增加。若能將底架承載功能與車身功能分離，則可實(shí)現(xiàn)相同底盤不同車身造型的產(chǎn)品多樣化和系列化，從而縮短新車型的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。(5)若在采用輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的四輪電動汽車上導(dǎo)入線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(4WS)，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛高性能化，可有效減小轉(zhuǎn)向半徑，甚至實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑，大大增加了轉(zhuǎn)向靈便性。第一節(jié)輪轂電機(jī)類型1）輪轂電機(jī)系統(tǒng)輪轂電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動作為電動汽車的一種重要驅(qū)動形式，其輪轂電機(jī)，人們通常稱其為輪轂電機(jī)，也有的研究者稱其為輪式電機(jī)、車輪電機(jī)或者電動輪，英文名稱以"in-wheelmotor"居多，也有稱"wheelmotor"和"wheeldirectdrivemotors"的。2）輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式、電機(jī)應(yīng)用類型及特點(diǎn)分析（1）輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式輪轂電機(jī)動力系統(tǒng)通常由電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、制動器與散熱系統(tǒng)等組成。（2）電機(jī)應(yīng)用類型與特點(diǎn)分析要使電動汽車有較好的使用性能，驅(qū)動電機(jī)應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍、較高的轉(zhuǎn)速、足夠大的起動扭矩，以及體積小、重量輕、效率高，并具有強(qiáng)動態(tài)制動和能量回饋等特性。3）輪轂電機(jī)系統(tǒng)研究關(guān)鍵技術(shù)問題輪轂電機(jī)帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：（1）輪轂電機(jī)系統(tǒng)集驅(qū)動、制動、承載等多種功能于一體，優(yōu)化設(shè)計(jì)難度大；（2）車輪內(nèi)部空間有限，對電機(jī)功率密度性能要求高，設(shè)計(jì)難度大；（3）電機(jī)與車輪集成導(dǎo)致非簧載質(zhì)量較大，惡化懸架隔振性能，影響不平路面行駛條件下的車輛操控性和安全性。同時，輪轂電機(jī)將承受很大的路面沖擊載荷，電機(jī)抗振要求苛刻；（4）車輛大負(fù)荷低速爬長坡工況下容易出現(xiàn)冷卻不足導(dǎo)致的輪轂電機(jī)過熱燒毀問題，電機(jī)的散熱和強(qiáng)制冷卻問題需要重視；（5）車輪部位水和污物等容易集存，導(dǎo)致電機(jī)的腐蝕破壞，壽命可靠性受影響；（6）輪轂電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的波動可能會引起汽車輪胎、懸架以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動和噪聲，以及其他整車聲振問題。4）輪轂電機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)分析通常，電動汽車采用集中電機(jī)驅(qū)動的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式。這種結(jié)構(gòu)型式具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以沿用內(nèi)燃機(jī)動力車的部分傳動裝置，布置在原發(fā)動機(jī)艙中，繼承性好；（2）可以采用電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)，乃至控制器的集成結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)緊湊，便于處理電機(jī)冷卻、振動隔振以及電磁干擾等問題；（3）整車總布置型式與內(nèi)燃機(jī)接近，前艙熱管理、隔聲處理以及碰撞安全性與原車接近或者容易處理。第二節(jié)輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理1）輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)純電傳祺轎車所采用的輪轂電機(jī)的驅(qū)動方式為外轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動，電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子以及逆變器集成為一體，由8個邏輯上的子電機(jī)組成。2）輪轂電機(jī)的工作原理功率與控制電子模塊為整個輪轂電機(jī)的核心，負(fù)責(zé)各個子電機(jī)的逆變功能以及協(xié)同控制。輪轂電機(jī)由8個邏輯上的子電機(jī)組成，使用共同的轉(zhuǎn)子，并通過算法實(shí)現(xiàn)各子電機(jī)的獨(dú)立、協(xié)同控制。第三節(jié)輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)和控制技術(shù)一、輪轂驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)1）動力控制由硬連接改為軟連接型式，通過電子線控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速控制，省略了傳統(tǒng)汽車所需的機(jī)械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動軸和機(jī)械差速器等，使得驅(qū)動系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)簡潔、有效利用空間大、傳動效率提高。2）各車輪的驅(qū)動力直接獨(dú)立可控，響應(yīng)快捷，正反轉(zhuǎn)靈活，瞬時動力性能更為優(yōu)越，顯著提高了適應(yīng)惡劣路而的行駛能力。3）容易實(shí)現(xiàn)各輪的電氣制動、機(jī)電復(fù)合制動和制動能量回饋，還能對整車能源的高效利用實(shí)施最優(yōu)化控制和管理，節(jié)約能源。4）整車布局和車身造型設(shè)計(jì)的自由度大大增加，將車架的承載功能和傳動功能分離，結(jié)構(gòu)大為簡化，更容易實(shí)現(xiàn)相同底盤不同車身造型的產(chǎn)品多樣化和系列化，縮短了新車的開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。5）在采用輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的4輪電動汽車上，若進(jìn)一步導(dǎo)入線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛高性能化，減小轉(zhuǎn)向半徑，甚至實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑，大大增加轉(zhuǎn)向靈便性。二、輪轂電機(jī)控制技術(shù)

隨著微電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用輪轂電機(jī)，以及電子轉(zhuǎn)向線控技術(shù)、智能控制技術(shù)，各車輪的驅(qū)動力直接獨(dú)立可控，將使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單、響應(yīng)更加迅速，抗干擾能力加強(qiáng)，以此大大提高整個系統(tǒng)的綜合性能。因此無論是前驅(qū)、后驅(qū)還是四輪驅(qū)動形式，它都可以比較輕松地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化和轉(zhuǎn)向變化，四輪驅(qū)動在輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛上實(shí)現(xiàn)起來非常容易。1）輪轂電機(jī)的驅(qū)動方式

輪轂電機(jī)的兩種驅(qū)動方式可以分為減速驅(qū)動和直接驅(qū)動兩大類。

在減速驅(qū)動方式下，電機(jī)一般在高速下運(yùn)行，而且對電機(jī)的其他性能沒有特殊要求，因此可選用普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。減速機(jī)構(gòu)放置在電機(jī)和車輪之間，起減速和增加轉(zhuǎn)矩的作用。2）輪轂電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的布置非常靈活，它與內(nèi)燃機(jī)汽車和單電機(jī)集中驅(qū)動電動汽車相比，使用輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的汽車具有以下幾方面優(yōu)勢.

（1)動力控制由硬連接改為軟連接形式。通過電子線控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速要求，從而省略了傳統(tǒng)汽車所需的機(jī)械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動軸和機(jī)械差速器等，使驅(qū)動系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)簡潔，可利用空間大，傳動效率提高.（2)各電動輪的驅(qū)動力直接獨(dú)立可控，使其動力學(xué)控制更為靈活、方便；合理控制各電動輪的驅(qū)動力，從而提高惡劣路面條件下的行駛性能；

（3)容易實(shí)現(xiàn)各電動輪的電氣制動、機(jī)電復(fù)合制動和制動能量回饋；

（4)底架結(jié)構(gòu)大為簡化，使整車總布置和車身造型設(shè)計(jì)的自由度增加。若能將底架承載功能與車身功能分離，則可實(shí)現(xiàn)相同底盤不同車身造型的產(chǎn)品多樣化和系列化，從而縮短新車型的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本；（5)若在采用輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的四輪電動汽車上導(dǎo)入線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(4WS)，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛高性能化，可有效減小轉(zhuǎn)向半徑，甚至實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑，增加了轉(zhuǎn)向靈便性。3）輪轂電機(jī)控制策略

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵性能有輸出轉(zhuǎn)矩和調(diào)速特性。下面主要就這兩方面設(shè)計(jì)永磁輪轂同步電機(jī)控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行分析。利用位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子磁極位置信號，通過電流的閉環(huán)控制，使得電機(jī)實(shí)際輸入電流與給定電流相一致，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效化控制。采用的面貼式永磁輪轂同步電機(jī)，其具有面貼式永磁同步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)。直軸電流id（勵磁電流）和交軸電流iq（轉(zhuǎn)矩電流）是各自獨(dú)立的，因此可以通過對它們的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制。

（1)電流閉環(huán)控制。目前電機(jī)控制系統(tǒng)多采用電流閉環(huán)控制的策略，電流閉環(huán)控制是指檢測電機(jī)的實(shí)際輸出電流，并與設(shè)定的參考輸入值相比較得出它們之間的誤差，通過一定的控制算法對這一誤差進(jìn)行處理，盡量使得實(shí)際輸出與參考值一致，提高電機(jī)可操控性。

（2)位置信號檢測位置傳感器是永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的重要部件。永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)的控制精度是以轉(zhuǎn)子磁極位置信號的檢測精度為前提的。轉(zhuǎn)子位置傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置動態(tài)的檢測，對電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行有效的跟蹤，實(shí)現(xiàn)磁鏈的定向控制。(3)電壓電流的監(jiān)控。以動力電池為能量源的電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，監(jiān)控驅(qū)動電池側(cè)（直流側(cè)）的輸出電壓和輸出電流是十分必要的。這是因?yàn)閯恿﹄姵刈鳛殡姍C(jī)逆變器的輸入側(cè)，對逆變器起著決定性的作用。動力電池的輸出電壓及輸出電流的大幅度波動，所產(chǎn)生的沖擊會對逆變器造成很大的威脅，甚至?xí)龤孀兤?，而且對電動汽車的安全性也有很大的影響?）永磁無刷直流電機(jī)的工作特性及控制技術(shù)

永磁無刷直流電機(jī)是在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝置永久磁鐵，不再用電刷和換向器為轉(zhuǎn)子輸入勵磁電流。第四節(jié)輪轂電機(jī)在電動汽車中的應(yīng)用1）日本典型輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

日本慶應(yīng)義塾大學(xué)環(huán)境信息學(xué)部清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動汽車研究小組在過去的十幾年中，一直以基于輪轂電機(jī)的全輪驅(qū)動電動汽車為研究對象，至今已試制了五種不同型式的樣車。2）法國典型輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

法國TM4公司設(shè)計(jì)制造的一體化輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)，它采用外轉(zhuǎn)子式永磁電動機(jī)，將電動機(jī)轉(zhuǎn)子外殼直接與輪輞相固結(jié)，將電動機(jī)外殼作為車輪輪輞的組成部分，而且電動機(jī)轉(zhuǎn)子與鼓式制動器的制動鼓集成在一起，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子、輪輞以及制動器三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動物體的集成，大大減輕一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量，集成化程度相當(dāng)高。3）美國典型輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

位于美國加州的通用汽車高級技術(shù)研發(fā)中心成功地將自行研制的輪轂電機(jī)應(yīng)用到雪弗蘭S210皮卡車中。該電機(jī)給車輪增加的重量只有約15kg，卻可產(chǎn)生