电动汽车电机控制与驱动技术课件：轮毂电机类型及其控制技术

轮毂电机类型及其控制技术

近年来，随着电动汽车的兴起，轮毂电机重新引起了重视。轮毂电机驱动系统的布置非常灵活，可以使电动汽车成为两个前轮驱动、两个后轮驱动或四轮驱动。(1)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要求，从而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，使驱动系统和整车结构简洁，有效可利用空间大，传动效率提高。(2)各电动轮的驱动力直接独立可控，使其动力学控制更为灵活、方便；能合理控制各电动轮的驱动力，从而提高恶劣路面条件下的行驶性能。(3)容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈。(4)底架结构大为简化，使整车总布置和车身造型设计的自由度增加。若能将底架承载功能与车身功能分离，则可实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化，从而缩短新车型的开发周期，降低开发成本。(5)若在采用轮毂电机驱动系统的四轮电动汽车上导入线控四轮转向技术(4WS)，实现车辆转向行驶高性能化，可有效减小转向半径，甚至实现零转向半径，大大增加了转向灵便性。第一节轮毂电机类型1）轮毂电机系统轮毂电机系统驱动作为电动汽车的一种重要驱动形式，其轮毂电机，人们通常称其为轮毂电机，也有的研究者称其为轮式电机、车轮电机或者电动轮，英文名称以"in-wheelmotor"居多，也有称"wheelmotor"和"wheeldirectdrivemotors"的。2）轮毂电机的结构型式、电机应用类型及特点分析（1）轮毂电机的结构形式轮毂电机动力系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。（2）电机应用类型与特点分析要使电动汽车有较好的使用性能，驱动电机应具有较宽的调速范围、较高的转速、足够大的起动扭矩，以及体积小、重量轻、效率高，并具有强动态制动和能量回馈等特性。3）轮毂电机系统研究关键技术问题轮毂电机带来新的技术挑战，主要包括：（1）轮毂电机系统集驱动、制动、承载等多种功能于一体，优化设计难度大；（2）车轮内部空间有限，对电机功率密度性能要求高，设计难度大；（3）电机与车轮集成导致非簧载质量较大，恶化悬架隔振性能，影响不平路面行驶条件下的车辆操控性和安全性。同时，轮毂电机将承受很大的路面冲击载荷，电机抗振要求苛刻；（4）车辆大负荷低速爬长坡工况下容易出现冷却不足导致的轮毂电机过热烧毁问题，电机的散热和强制冷却问题需要重视；（5）车轮部位水和污物等容易集存，导致电机的腐蚀破坏，寿命可靠性受影响；（6）轮毂电机运行转矩的波动可能会引起汽车轮胎、悬架以及转向系统的振动和噪声，以及其他整车声振问题。4）轮毂电机系统特点分析通常，电动汽车采用集中电机驱动的动力系统结构型式。这种结构型式具有以下优点：（1）可以沿用内燃机动力车的部分传动装置，布置在原发动机舱中，继承性好；（2）可以采用电机和减速机构，乃至控制器的集成结构型式，结构紧凑，便于处理电机冷却、振动隔振以及电磁干扰等问题；（3）整车总布置型式与内燃机接近，前舱热管理、隔声处理以及碰撞安全性与原车接近或者容易处理。第二节轮毂电机的结构和工作原理1）轮毂电机的结构纯电传祺轿车所采用的轮毂电机的驱动方式为外转子直接驱动，电机定子、转子以及逆变器集成为一体，由8个逻辑上的子电机组成。2）轮毂电机的工作原理功率与控制电子模块为整个轮毂电机的核心，负责各个子电机的逆变功能以及协同控制。轮毂电机由8个逻辑上的子电机组成，使用共同的转子，并通过算法实现各子电机的独立、协同控制。第三节轮毂电机驱动系统的特点和控制技术一、轮毂驱动系统的特点1）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、有效利用空间大、传动效率提高。2）各车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。3）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。4）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，缩短了新车的开发周期，降低了开发成本。5）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。二、轮毂电机控制技术

随着微电子及计算机技术，采用轮毂电机，以及电子转向线控技术、智能控制技术，各车轮的驱动力直接独立可控，将使系统结构更加简单、响应更加迅速，抗干扰能力加强，以此大大提高整个系统的综合性能。因此无论是前驱、后驱还是四轮驱动形式，它都可以比较轻松地实现转速变化和转向变化，四轮驱动在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。1）轮毂电机的驱动方式

轮毂电机的两种驱动方式可以分为减速驱动和直接驱动两大类。

在减速驱动方式下，电机一般在高速下运行，而且对电机的其他性能没有特殊要求，因此可选用普通的内转子电机。减速机构放置在电机和车轮之间，起减速和增加转矩的作用。2）轮毂电机的优点

轮毂电机驱动系统的布置非常灵活，它与内燃机汽车和单电机集中驱动电动汽车相比，使用轮毂电机驱动系统的汽车具有以下几方面优势.

（1)动力控制由硬连接改为软连接形式。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要求，从而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，使驱动系统和整车结构简洁，可利用空间大，传动效率提高.（2)各电动轮的驱动力直接独立可控，使其动力学控制更为灵活、方便；合理控制各电动轮的驱动力，从而提高恶劣路面条件下的行驶性能；

（3)容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈；

（4)底架结构大为简化，使整车总布置和车身造型设计的自由度增加。若能将底架承载功能与车身功能分离，则可实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化，从而缩短新车型的开发周期，降低开发成本；（5)若在采用轮毂电机驱动系统的四轮电动汽车上导入线控四轮转向技术(4WS)，实现车辆转向行驶高性能化，可有效减小转向半径，甚至实现零转向半径，增加了转向灵便性。3）轮毂电机控制策略

电机驱动系统的关键性能有输出转矩和调速特性。下面主要就这两方面设计永磁轮毂同步电机控制系统的控制策略进行分析。利用位置传感器检测转子磁极位置信号，通过电流的闭环控制，使得电机实际输入电流与给定电流相一致，实现电机的高效化控制。采用的面贴式永磁轮毂同步电机，其具有面贴式永磁同步电机优点。直轴电流id（励磁电流）和交轴电流iq（转矩电流）是各自独立的，因此可以通过对它们的独立控制，实现电动机转矩和转速控制。

（1)电流闭环控制。目前电机控制系统多采用电流闭环控制的策略，电流闭环控制是指检测电机的实际输出电流，并与设定的参考输入值相比较得出它们之间的误差，通过一定的控制算法对这一误差进行处理，尽量使得实际输出与参考值一致，提高电机可操控性。

（2)位置信号检测位置传感器是永磁同步电机矢量控制系统的重要部件。永磁同步电机的矢量控制系统的控制精度是以转子磁极位置信号的检测精度为前提的。转子位置传感器将电机转子磁极位置动态的检测，对电机转子磁链进行有效的跟踪，实现磁链的定向控制。(3)电压电流的监控。以动力电池为能量源的电动汽车电机驱动系统，监控驱动电池侧（直流侧）的输出电压和输出电流是十分必要的。这是因为动力电池作为电机逆变器的输入侧，对逆变器起着决定性的作用。动力电池的输出电压及输出电流的大幅度波动，所产生的冲击会对逆变器造成很大的威胁，甚至会烧毁逆变器，而且对电动汽车的安全性也有很大的影响。4）永磁无刷直流电机的工作特性及控制技术

永磁无刷直流电机是在直流电机的转子上装置永久磁铁，不再用电刷和换向器为转子输入励磁电流。第四节轮毂电机在电动汽车中的应用1）日本典型轮毂电机驱动系统

日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年中，一直以基于轮毂电机的全轮驱动电动汽车为研究对象，至今已试制了五种不同型式的样车。2）法国典型轮毂电机驱动系统

法国TM4公司设计制造的一体化轮毂电机结构，它采用外转子式永磁电动机，将电动机转子外壳直接与轮辋相固结，将电动机外壳作为车轮轮辋的组成部分，而且电动机转子与鼓式制动器的制动鼓集成在一起，实现电机转子、轮辋以及制动器三个回转运动物体的集成，大大减轻一体化轮毂电机系统质量，集成化程度相当高。3）美国典型轮毂电机驱动系统

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S210皮卡车中。该电机给车轮增加的重量只有约15kg，却可产生