作者：葛平淑,徐国凯
出版社：电子工业出版社
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轮式电动汽车驱动系统关键技术试读：
前言
新能源可以用于减缓或替代对传统石油资源的依赖，随着电驱动技术的不断进步，电动汽车将成为未来新能源汽车的主要发展方向，是未来世界汽车产业的制高点，是各主要国家和汽车制造厂商的共同战略选择。轮式驱动电动汽车消除了传动中的机械磨损与损耗，提高了传动效率，相比之下具有较小的体积和较轻的重量，同时故障率降低，且在提高效率的同时，车轮空间也能得到有效利用。在结构、环保、动力学控制等方面有着传统汽车无可比拟的优势，成为未来电动汽车的主要发展方向。然而，由于轮式驱动电动汽车采用全新的驱动系统，增加了控制自由度和动力学耦合的复杂程度，使得其在实用化进程上还有相当长的一段路要走。为了配合和推动我国轮式驱动电动汽车技术的深入研究和人才队伍的建设，我国目前迫切需要一系列轮式驱动电动汽车相关参考资料。
本书从动力学建模、驱动控制、稳定性控制、仿真技术等方面对发展轮式驱动电动汽车的关键技术进行了介绍。首先在第1章介绍发展电动汽车的必要性、电动汽车的分类及发展现状，然后介绍了电动汽车的驱动系统，分析了发展轮式电动汽车需要解决的关键技术。第2章讲述了轮式电动汽车的动力学建模，分别从不同的自由度给出了两轮驱动与四轮驱动电动汽车的动力学模型。第3章讨论了轮式电动汽车驱动控制系统仿真平台，介绍了仿真平台的结构特点、仿真软件，重点介绍了基于 MATLAB 的轮式电动汽车驱动控制系统仿真平台，并对仿真结果做了分析总结。第4章专注于轮式驱动电动汽车驱动控制技术，在分析轮式驱动电动汽车在控制方面与传统汽车的不同点的基础上，从车辆运行状态估计、电子差速、车辆防滑、直接横摆力矩控制、差动助力转向技术、集中控制技术等方面对轮式驱动电动汽车的驱动系统控制关键技术进行了详细探讨，然后讨论了轮毂电机的特性及驱动控制方法，并对转矩分配控制技术进行了原理介绍，给出了一些实例。第5章从主动安全角度讨论了轮式驱动电动汽车的稳定性协调控制技术，对主动安全控制系统进行了介绍，并分析了汽车底盘耦合机理，然后介绍稳定性协调控制系统的结构及控制策略，并对底盘集成控制技术和线控汽车底盘控制技术进行了前景展望。第6章介绍了轮式驱动电动汽车硬件在环仿真技术，讲述了控制器开发过程和硬件在环仿真技术原理、特点等，最后重点讲述了轮式驱动电动汽车的硬件在环测试方案。
本书涵盖了国内外最新研究成果，阐述了这些关键技术的主要方法和原理，分析了未来发展趋势，让读者对知识有一个整体的认识和把握，并使用了大量的图文，以及具体的实例，论述详细、生动形象，易于让读者接受。本书可供从事轮式驱动电动汽车研发的工程师及相关技术研究的技术人员、研究人员参考阅读。
本书由徐国凯、葛平淑、张涛、赵秀春、王娟、宋鹏共同编写，由葛平淑统稿。其中，第1章由王娟负责编写，第2、3章由张涛、赵秀春编写，第4、5章由葛平淑、徐国凯编写，第6章由宋鹏编写。编写过程中参考了国内外大量的文献资料和书籍，限于篇幅不能一一列出，在此对相关文献的作者、编译者、科研工作者表示衷心的感谢。
由于编者水平有限，书中的错误和观点不当之处在所难免，敬请批评指正。作者2015年2月第1章电动汽车概述1.1 电动汽车1.1.1 环境、能源与汽车
汽车是现代工业技术最重大的成就之一。汽车工业发展一百多年来，在推动经济发展的同时，也带来能源紧缺和环境恶化。
环境问题是指由于人类活动作用于周围环境所引起的环境质量变化，以及这种变化对人类的生产、生活和健康造成的影响。由于汽车的使用而导致的环境问题有很多，汽车使用汽油和柴油燃料的燃烧获取驱动力所必需的能量，燃烧生成物则排入大气，燃料燃烧的不完全会导致燃烧生成物中包含大量有害物质。汽车尾气成分非常复杂，有100种以上，主要包括：一氧化碳、碳氢化合物、氧化氮化合物、二氧化碳、固体悬浮颗粒、铅及硫的氧化合物等。这些有害物质直接危害着人体健康，对人类生活的环境产生深远的影响。氧化氮化合物、硫氧化合物会导致酸雨的形成，酸雨导致森林的破坏，建筑材料、金属结构和文物被腐蚀等一系列严重的环境问题。对于人和动物而言，吸入一氧化碳即意味着中毒。一旦一氧化碳到达血细胞，它替代氧附着于血红蛋白，这样就减少了到达器官的氧供给量，并降低了生命体的体力和智力。眩晕是一氧化碳中毒的最初症状，它能迅速导致死亡。如果污染物被风吹离污染源，并在阳光直射处发生光化学反应，这些反应使氮氢化合物（HC）和NOx化合形成臭氧，弥散在地表，会直接危害人类的健康。为改善发动机的性能或寿命，石油公司在其燃料产品中添加了化学的化合物。四乙基铅被用于改善汽车的抗爆性，因此得以有更好的发动机性能。然而这一化合物的燃烧析出铅金属，而铅是导致“铅中毒”的神经疾病的缘由。很多大都市的空气污染物和烟雾混合物中，燃油车的排放所占的比重已经超过50%。尽管燃油车的发动机在不断改进以降低排放，但燃油车数量的增加所带来的影响远远大于单台车辆降低排放所取得的效果。因此，由燃油车所造成的空气污染物的总量仍在以令人担忧的速度持续增加。二氧化碳是引发“温室效应”的主要气体，因温室效应导致全球变暖引发的生态破坏引发影响人类的许多自然界的灾害。汽车对二氧化碳的排放占有大量的份额（1980—1999年为32%）。
汽车应用的大部分燃料为源于石油的液体燃料，然而石油资源的蕴藏量不是无限的。全球石油资源可维持石油供应的年数完全取决于新储油地的发现，以及累积的成品油。历史数据表明，新储油地的发现进程缓慢，而另一方面石油消耗量则呈现高增长率。2006 年世界石油供需基本处于平衡状态，石油产量为 85.3百万桶/日，消费量为84.38百万桶/日，产量略大于消费量。预计至2020年，全球石油的需求与常规石油的供给之间将可能出现净缺口，2050年供需缺口近乎相当于2000年世界石油总产量的2倍。在我国，随着工业生产及交通运输的发展，对石油及成品油的需求增加。据报道，1993年，我国的石油除了自给还会有部分出口，但是从1993年起，我国已经变成石油的净进口国。根据中国海关发布数据，中国2003年全年进口原油总量约为9100万吨，至2010年上升到2.12亿吨，石油资源50%依赖进口。而到2020年时，我国石油消耗量将达4.3亿吨～6.1亿吨，在这个巨大的数字中，国内可提供量仅占约1.8亿吨～2亿吨，缺口高达到2.5亿吨～4.1亿吨。据此态势增长下去，到2020年有可能达到60%。根据我国国情，地下石油新储藏地的发现已日益困难，如果石油消耗不能显著地降低，那时，我国便成为世界第一大油品进口国（喻厚宇.基于四轮协调的电动轮车辆纵横向耦合动力学控制研究[D]武汉：武汉理工大学，2011.）。与此同时，石油的大量消耗对人类环境的危害越来越严重。能源的短缺和环境的污染使人们致力于发展高效、清洁和安全的运输工具，催生了汽车的能源动力变革，电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车成为最主要的选择。1.1.2 电动汽车及其分类
按照目前技术状态和车辆驱动原理，电动汽车划分为纯电动汽车（PEV）、混合动力电动汽车（HEV）和燃料电池电动汽车（FCEV）三种。
纯电动汽车使用蓄电池作为其动力能源存储单元，用它存储的电力通过电力电子变换器驱动电动机工作。纯电池电动汽车结构上主要由电力驱动子系统、能源子系统和辅助子系统三个子系统组成，具有无污染、噪声低、效率高等优点，且宽调速范围可更好地满足用户的需求。汽车启动时通过电池向电机提供电能，由电动机直接向驱动轴输出扭矩，推动汽车前进，在制动或减速时，电机作为发电机来回收能量。由于蓄电池电量耗尽后可通过电网进行充电，而发电厂可以利用多种能源进行发电，如风能、太阳能、水能等，这样就实现了纯电动汽车的多样性能源利用，不受限于石油这种不可再生资源。同时随着电池技术的日益成熟，纯电动汽车相比于燃料电池汽车技术更加具有发展前景。
混合电动汽车可通过燃油或者蓄电池获取驱动能源，采用内燃机和电动机两种动力，蓄电池可由汽车中内燃机驱动发动机充电。因为同时有多个能量源，混合动力电动汽车根据其动力结构连接方式传统上可分为三种：串联型（Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV）、并联型（Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV）、混联型（Split Hybrid Electric Vehicle，PSHEV）和复合型。
串联型是混合动力电动汽车中最简单的一种，由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成SHEV的动力单元系统。电动汽车通过内燃机带动发电机，经过电力电子变换器后驱动电动机工作，转化后的电能一部分可以用来给蓄电池充电，电池也可经过电力电子变换器后单独驱动电机工作；并联型混合电动汽车采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮，发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮，可以采用发动机单独驱动，电力单独驱动或者发动机和发电机混合驱动三种工作模式驱动。发动机可直接驱动汽车工作（即为传统的内燃机汽车工作模式），这是并联型和串联型的最大区别，同时电池也可单独通过电力电子变换器驱动电动机工作，发动机和电池两者也可同时工作；混联型混合动力电动汽车在结构上包含了串联式和并联式的共同特点，因此即可工作在串联模式，也可工作在并联模式，尽管混联式混合动力电动汽车工作方式多样，但其结构复杂，成本高。复合型混合动力电动汽车结构更复杂，其结构与混联式混合型电动车相似，电动机都同时起发电机和电动机作用，二者的主要区别在于复合型中的电动机允许功率流双向流动，而混联式混合型中的发电机只允许功率流单向流动。双向流动的功率流可以有更多的运行模式，这对于采用三个驱动动力装置的混联式混合动力电动汽车而言是不可能达到的。
燃料电池汽车主要以氢气、甲醇、乙醇等作为电动汽车的动力能源，将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能后驱动电动机工作。相比于内燃机汽车，燃料电池汽车能源利用效率高、噪声低、无污染，是一种新兴的环保汽车，具有广阔的发展前景。应用这一技术，不仅能减少汽车工业对日益短缺的传统能源的依赖，而且会推动人类社会进入一个新的洁净能源——氢能的时代。但现阶段，燃料电池的许多关键技术还处于试验阶段，还有许多技术和经济问题有待解决，无法在短期内取代传统的汽车。1.1.3 电动汽车的发展现状
电动汽车最早的历史可以追溯到19世纪后期，在1881年8月至11月巴黎举行的国际电器展览会上，展出了法国人古斯塔夫·特鲁夫研制的电动三轮车，这是世界上第一辆电动车辆，它采用多次性铅酸充电电池和直流电机，可以实际操作使用，这辆车的诞生具有划时代的意义。在接下来的1882年，英国的威廉·爱德华·阿顿和约翰·培里也合作研制了一辆电动三轮车，并留下了图片，车的速度是每小时9英里。三位先驱的努力使得在燃油汽车尚未问世之前，电动汽车已经诞生，此后电动车辆在欧美等国家迅速兴起。由于电池的限制以及内燃机驱动汽车的迅速发展，从1930年开始，电动汽车基本绝迹了。
20 世纪 70 年代初，中东爆发的石油危机迅速蔓延至全球，一些国家迫于能源问题的困扰，从新燃起了对电动汽车的兴趣。1976年，美国颁布了关于电动汽车的研究、开发和应用的法律规范。同时，欧洲和亚洲等各国也逐渐投入大量人力物力开始重新致力于电动汽车的开发和研究。1993年9月，美国的通用、福特和克莱斯勒三家汽车公司共同提出了“新一代汽车合作伙伴计划”（即“PNGV”）。“PNGV”在混合动力汽车的性能仿真，汽车动力模块等技术领域取得了显著成就，迄今为止开发出多种形式的电动汽车。到了21世纪，发达国家各政府在能源短缺加剧和环境进一步恶化的严峻事实面前，以美国、日本和欧盟为代表的国家和地区相继发布实施电动汽车发展战略，更加重视电动汽车这一最有希望的解决方案。采取更加有效的措施推动电动汽车的商用化进程，投入更多的人力、物力到更加先进的电动汽车的研究开发当中去。图1.1为1996年的电动汽车图片。图1.1 1996年电动汽车——EV-1
世界发达国家不惜投入巨资进行研究开发，并制定了一些相关的政策和法规来推动电动汽车的发展。美国前总统克林顿曾亲自督促和协调通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司发展电动汽车的计划。世界著名的汽车制造商如通用、戴姆勒一克莱斯勒和福特等，在不断推出新的传统汽车品牌的同时，还都投入大量的人力物力，发展电动汽车，以抢占先机。作为美国三大汽车公司之一的通用汽车公司，由于其先进的汽车技术，在电动汽车方面也走在各大汽车公司前面，该公司在1996年就推出了一款型号为EV-1纯电动汽车（如图1.1所示），该电动汽车使用交流感应电机作为驱动电机，以铅酸电池作为供电电源，续航能力为80km，最大行驶速度为60km，但由于其价格昂贵及充电不方便等问题，并没有被市场接受。通用公司并没有停止研究和创造的脚步，在2012年推出了SPRINGO纯电动汽车，该车采用永磁同步电机作为驱动电机，输出的最大功率为 85kW，最大输出扭矩为510N·m，锂电池作为供电电源，驱动系统为永磁同步电机驱动系统，从零加速到100km/h所需时间仅为10s，最大续航理程为130km，最大速度达到80km/h。为了克服传统的纯电动汽车连续行驶里程短的缺点，通用汽车公司于2007年研发了一款全新的增程式电动汽车Volt（沃兰达）（参见图1.2）。沃兰达能在全电动模式下行驶60km，加上增程式发电系统其续驶里程达到450km以上，能全天候全路况行驶。该车型于2010年在美国上市。目前，通用汽车公司主要集中研发两大类型电动汽车，分别是混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。通用汽车公司的混合动力电动汽车包括小轿车、卡车和公共汽车。自2001年以来，通用汽车公司先后推出了“Autonomy”、“Hy Wire”和“Sequel”三种燃料电池轿车。其新型的混合动力电动汽车2007 Saturn Vue Green Line，采用2.4L四缸发动机和起动/发电机共同驱动，合成功率为127kW，其设计特点是可以比同类型燃油汽车提高20%的燃油利用率。2007 年，克莱斯勒公司组建了“ENVI”研究团队，负责混合动力技术电动汽车的研发；2008 年 9 月，推出了针对自身三大品牌的电动汽车样本。目前，福特公司的电动汽车主要采用混合动力和燃料电池两大类，其相应产品也已经商业化。福特公司的混合动力电动汽车主要有两款产品：Ford Escape Hybrid （参见图1.3）和Mercury Mariner Hybrid。图1.2 通用汽车公司于2007年研发的Volt（沃兰达）图1.3 福特公司的混合动力电动汽车产品：Ford Escape
法国、德国、意大利和英国等欧洲国家非常重视电动汽车。在此之中，法国在欧洲各国中，电动汽车发展最迅速，电动汽车的发展位居世界首列，是世界上推广应用纯电动汽车最成功的国家之一。法国成立了电动汽车推广应用国家部际协调委员会，巴黎和拉罗谢尔已经建立了比较完善的纯电动汽车充电站网基础设施，制定了优惠的支持和激励使用电动汽车的政策，且己经初步形成了纯电动汽车运行体系。法国的标志——雪铁龙公司，推出混合动力汽车“C-ZERO”，在 2012年占有欧洲电动汽车市场份额的 5%；法国的雷偌公司先后推出“ZOE”、“TWIZY”、“风朗Z.E.”、“KangooZ.E”，并且在 2012 年在欧洲市场销售 7089 辆电动汽车；博格尔集团与法国电力公司成立了一个联合子公司 BatScap，开发了纯电动蓝色概念车（Bluecar），最高时速为125km/h，最大续航里程为200km。英国的以FRZAER～NASH公司为代表的电动客车和轿车已经上市，英国已有4万多辆电动汽车在使用。
日本几乎所有的汽车生产商，如丰田、尼桑、本田、马自达、三菱、铃木、五十铃汽车公司等都在大力推进电动车项目的开发工作。20 世纪 80 年代，丰田公司相继研制出EV10至EV40等一系列的电动汽车。90年代，丰田公司几乎每年都会推出各类型的电动汽车。1992年1月日本丰田汽车公司宣布了“地球宪章”，该文件列出了开发和销售低排放车辆的目标纲要。接着在1993年11月成立了一个名为G21的委员会，其使命是研究和开发21世纪的轿车。1994年G21团队为1995 年的东京汽车展设计了一辆混合动力概念车，并将此车命名为“Pruis”。自2000年以来，丰田汽车公司一共推出了三代“Prius”混合动力轿车（如图1.4所示），到2005年，日本的混合动力汽车年产量已达30万辆。“Prius”已成为世界上第一个大批量生产的混合动力电动车。目前丰田公司的混合动力电动汽车销售量已占世界混合动力车的绝大部分，截至2012年年底，全球共累计销售100万辆Prius 车型。丰田公司推出的“Pruis2005”，属于节能型的重度混合动力汽车，结构上属于混联型，能源补充上属于加油站加油，它采用四缸发动机和永磁同步电动机共同驱动，属于发动机主动型混合动力电动汽车，其蓄电池采用松下 202V的镍氢电池。其燃油经济性和排放性能比传统的燃油汽车提高了很多。此外，丰田公司向市场推出的混合动力电动汽车还有 Highlaneder2007 和 Camry Hybrid。RAV4是丰田公司1996年开始推出的蓄电池和燃料电池电动汽车。现在其连续行驶里程设计可超过 1000km，输出功率是 200kw，输出转矩是 333N·m。本田公司在电动汽车的研发和销售上也不甘落后。本田公司生产的电动汽车主要集中在混合动力和燃料电池电动汽车两个方向。本田的混合动力电动车“Insight”是与“Prius”同样著名的混合动力轿车（如图 1.5 所示）。该车在世界上批量生产的汽油机混合动力轿车中，燃油效率最高，其城市道路油耗仅每百公里2.9L。2006年1月本田公司的燃料电池电动汽车FCX正式试行。该车有燃料电池能量驱动交流同步电动机，从而驱动车轮，最高车速为 160km/h，连续行驶里程为 570km。另外，本田公司从 2010 年开始中国电动汽车计划，在 2012 年，将“E-Motion”概念纯电动汽车于中国体验，该纯电动汽车，最高时速为 144km/h，续航里程在150km 以上。2009 年，三菱公司开始销售“i-MiEV”电动汽车（如图1.6所示），但因其价格昂贵，销售量不高。日产公司也是研发和销售电动汽车的主要汽车制造商。1970年，日产公司推出了第一辆概念电动汽车“City”。目前日产公司业把混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的研发上升到一定的战略地位。其较成熟的产品有“Altra EV”、“Altima Hybrid”、“Nissan Tino”和“FCV2005”。“Nissan Tino”是日产公司于2004年推出的四缸73kW发动机和17kW永磁同步电机驱动混合动力电动汽车，它的最高车速为 120km/h。燃料电池汽车“FCV2005”集成了日产公司各类型车辆的核心技术，包括Tino Hybrid 的控制技术、Hyper Mini 小汽车的高压电子系统和锂电池技术。图1.4 丰田汽车公司 “Prius”混合动力轿车图1.5 本田的混合动力电动车“Insight”图1.6 2011年：三菱公司的“i-MiEV”电动汽车
我国政府也非常重视电动汽车技术的研究，从“九五”期间就有计划地开展了电动汽车关键技术公关和整车的研制工作。“十五”、“十一五”期间投入大量的资金和研发人员，把电动汽车列入“863”重大科技公关项目，确立并坚持了“三纵三横”的研发布局，以燃料电池汽车、混合电动汽车、纯电动汽车为“三纵”，以多能源动力总成控制、电机驱动系统、动力蓄电池及燃料电池等关键零部件为“三横”，全面推动电动汽车整车开发和关键零部件核心竞争力的提升。2009年国家正式公布了《汽车产业调整和振兴规划》，其规划新能源汽车发展的短期目标为电动汽车产销形成规模，目标包括建立电动汽车基础设施配套体系。在 2010 年 9月中国汽车产业发展国际论坛上，科技部、工信部、发改委、商务部等多部委表示正在制定《电动汽车“十二五”专项规划》，《节能与新能源汽车发展规划》等电动汽车产业政策鼓励新能源汽车产业发展。2009 年国内车企成立“TOP10 电动汽车联盟”之后，2010年8月，包括一汽、东风、国家电网、中国航空工业集团在内的16家央企共同组建了官方版的电动汽车联盟，使新能源汽车产业规划迈出实质性的一步。目前，已经有上百家企业、高校和研究所列入项目研发单位行列，如三大汽车集团，长安汽车公司、奇瑞汽车公司，以及电机、电池企业。从2002年开始，随着电动汽车重大专项的实施，已形成了多家产学研结合、金融机构介入的专业研发生产电动汽车的新型股份制企业，包括东风电动车辆股份公司、天津清源电动车辆有限公司、上海燃料电池汽车动力系统有限公司、北京时光科技有限公司、奇瑞电动汽车股份有限公司、大连新源动力股份有限公司、北京清华新能源汽车工程中心等。以北京理工大学为主研制的电动大客车在北京奥运会和残奥会期间，为奥运会中心区提供了载客服务。北京理工大学和中国科学院电工研究所等研发的纯蓄电池电动公共汽车BK6120EV（参见图1.7），在北京某条公交线上运行。该车采用了388V的锂电池驱动100kW的感应电动机，最高速度为81km/h，可连续行驶210km。东风汽车集团2001年与湖北省武汉市武汉经济技术开发区、华中科技大学、武汉理工大学合资组建了“东风电动车辆股份有限公司”，专门开发生产电动汽车。目前，该公司同时承担了多个“863”电动汽车整车项目，研制出的4台电动公交车已投放到武汉市509和510公交线运行。东风汽车公司、武汉工业大学、中国船舶工业总公司712研究所等单位联合开发的电动轿车以盘式永磁直流电机为动力，引用免维护铅酸电池为能源，一次充电续驶里程可达130km。天津一汽公司承担的国家“863”项目“夏利纯电动轿车”（如图 1.8 所示）已经通过验收。样车通过了国家检测中心的检测，最高车速大于120km/h，一次充电续驶里程达到150km。奇瑞公司开发的基于奇瑞A21的BSG弱混合动力轿车和ISG中等混合动力轿车分别于2006年和2007年下线，此外，浙江大学与博信电池公司联合开发了以锌空气燃料电池为动力源的电动轿车。值得指出的是，我国的汽车工业落后于发达国家，但电动汽车技术与其他国家相比较，差距不甚明显。可以预言，在全球性大力推进研究开发电动汽车技术的 21世纪，电动汽车的产业化和进入商业运营市场的实用化时期必将到来。图1.7 纯蓄电池电动公共汽车BK6120EV图1.8 夏利纯电动轿车1.2 电动汽车驱动系统1.2.1 电动汽车驱动系统结构
现代电动汽车电驱动系统是电动汽车最主要的系统单元，是电动汽车区别于燃油汽车的主要特点，其主要任务是把电能转换为机械能，为电动汽车提供动力。电动机驱动系统主要由四大部分组成：驱动电机、变速器、功率变换器和电子控制器。驱动电机是电气驱动系统的核心部件，其性能和效率直接决定了电动汽车的性能。它要具有一些特殊要求：要求驱动电机具有尽可能高的转矩密度、良好的转矩控制能力、高的运行可靠性和高效率。驱动电机和变速器的尺寸、重量也会影响到汽车的整体效率。功率变换器和控制器则对电动汽车的安全可靠运行有很大关系。
驱动系统是电动汽车研究开发重点，驱动系统主要研究驱动电动机及其控制，并以电动机为中心展开。所采用的电驱动系统包括直流有刷电动机系统、交流感应电动机系统、开关磁阻电动机系统、无刷直流电动机及永磁同步电动机系统。直流电动机曾广泛用于电力驱动系统，因为其转矩/速度特性较好地符合牵引特性的要求且其转速控制比较简单。然而，因为直流电动机有换向器而需要定期维护。由于驱动系统首先考虑的是提高可靠性和免维护，因而无换向器电动机广泛引起人们的主意。与直流电动机相比，它具有效率高、功率密度高、生产成本低和免维护等优点。无换向器电机包括感应（异步）电动机、永磁同步电动机（永磁无刷电动机）和开关磁阻电动机等。目前，由于技术的发展，无换向器电动机的发展进入一个新时期。其中永磁同步电动机系统由于高性能稀土材料的应用而具有最高的效率、高的功率密度和转矩密度、较好的弱磁扩速能力、较低的振动噪声等性能特点，再加上它简单、结构结实，具有电动汽车驱动的最优综合指标。此外，作为无换向器电动机，感应电机技术成熟、可靠性好、无须维护，因而被广泛应用于电动汽车上。电机驱动系统的发展也与功率电子器件、微电子技术以及控制策略等的发展密切相关。电动机与合理的控制策略相配合，才能得到良好的电动机驱动性能，驱动系统的控制策略除通常的矢量控制及直接转矩控制外，还采用内模控制、自适应滑模控制、新型鲁棒性动态偏转矩控制（noveldynmaciy—momentocntro）、神经网络控制和模糊控制等。因此系统地研究并开发出高水平的永磁同步电动机驱动控制系统，对提高我国电动汽车驱动系统水平，对我国电动汽车的实用化和产业化具有重要意义。1.2.2 轮式电动汽车驱动系统分类
早期开发的电动汽车主要采用直流电机驱动系统，电机控制器一般采用脉宽调制控制方式。直流电机驱动控制系统具有控制较简单、易于平滑调速、成本低、技术成熟等优点，在调速性能方面大大超越交流电机。因此在电动车的发展初期大多采用直流电机作为驱动电机。但由于直流电机在运行过程中需要电刷和换向器换向，限制了电机的过载能力与速度的进一步提升，因而电机本身的效率低于交流感应电机。同时，电刷和换向器易损坏，需要定期维护，电刷磨损又会造成不安全工作。此外，与交流电机相比，电机本身体积大、重量大、效率低，这些因素都限制了其在电动车中的应用。
随着电力电子器件的发展，交流电机逐渐取代直流电机应用于电动汽车上。交流感应电机控制系统由交流电机、驱动控制器和速度传感器组成。与直流电机相比，交流电机具有体积小、响应快、维护容易、效率高等优点。电机控制器采用矢量控制或直接转矩控制的变频调速方式，调速系统复杂。为了改善电动汽车用感应电机的动态特性，矢量控制是首选。尽管矢量控制可以使转速范围相对基速提高3～4倍，但是这样会影响高速时的效率。应该指出，随着现阶段电子元器件的高速发展，交流驱动系统中的逆变器技术也已日益成熟。通过速度传感器可以对电机采用矢量控制，使其拥有与直流电机一样的特性。从目前来看，交流驱动系统总的成本高于直流驱动系统的成本，随着电力电子技术的不断发展，交流驱动系统和直流驱动系统相比，两者的成本差距日益接近。但是由于交流驱动系统具有效率高、重量轻，能更有效地实现再生制动等固有特性，因此在工程应用中得到了广泛的应用。
交流永磁电机驱动系统由永磁同步电机、控制器、功率变换器和位置传感器组成。其中功率变换器是连接电源和电动汽车的“能量开关”，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机。永磁无刷电动机则实现电能到机械能的转换，并带动负载进行机械运动。位置传感器检测电动机转子磁极的位置信号，控制器通过采集检测到的传感器信号，进行逻辑处理，产生相应的开关信号和其他指令，而开关信号则使功率变换器按一定顺序导通。永磁同步电机主要是指三相永磁同步电机和无刷直流电机。在各类电机中，永磁无刷电机是电力驱动感应电机的最有力的竞争对手，它的优点很多：由于由高能永磁材料励磁，对于给定的输出功率，电动机的重量和体积能够大大减小，使得功率密度提高；由于转子无绕组、无铜损，其效率高于感应电机；永磁励磁不受制造缺陷、励磁过热或机械损坏的限制，因而可靠性高；转子电磁时间常数小，动态性能好。但该类驱动系统尚存在成本太高的缺点，它与前两种驱动系统相比较，调速范围相对较窄，弱磁升速难，而且在可靠性和使用寿命等指标上也比交流驱动系统差。同时，大功率的永磁同步电机的优化设计与制造，尚存在一定的技术难度。永磁同步电机需要稀土资源，从发展角度看，我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料，如锌铁硼等资源非常丰富，因而随着永磁电动机设计制造技术的不断进步和发展，以及成本的不断下降，与其他电机相比，永磁同步电机将具有更强的竞争力和成本优势，特别是在轮式驱动系统中，永磁同步电机的优势更加明显。
开关磁阻电机驱动系统，由开关磁阻电机、控制器、功率变换器和位置传感器组成。其电动机结构比感应电动机更为简单可靠、坚固耐用，且控制简单、效率较高。特别是其转子上没有永磁体或无绕组，这种结构不仅降低了开关磁阻的成本，而且适合频繁正反转和冲击负载等工况条件。功率驱动电路采用的功率开关元件较少，电路较为简单。功率元件与电动机绕组相串联，不易发生直通短路。该电机能实现较宽的恒功率调速范围，可实现超高速运行，低速大转矩和制动能量回馈等特性，因此该驱动系统特别适合应用于电动汽车。当然，该驱动系统的不足之处在于震动较大，噪声较大，转矩脉动大，所以对控制系统要求较高，在目前电动汽车驱动系统应用相对较少。1.2.3 轮式电动汽车的特点
电动汽车可采用四种驱动方式：一是与传统汽车相同，即传动轴上带有减速器和差速器；第二种是省略减速器；第三种进一步省略差速器，电机与驱动车轮同轴安置即轴驱；最后一种方式将电机直接装于车轮内即轮式驱动。由于轮式驱动的电动轮的转矩可控性，使得电动汽车的转向灵活性和姿态控制性都较普通汽车得到了改善，因此轮式驱动电动汽车与传统汽车相比具有以下特点：（1）机械传动系统得到简化。传统的燃油汽车的驱动系统包含发动机、减速器和差速器等机械部件。汽车依靠发动机将燃料燃烧，以获得其驱动力所必需的能量，必须经过减速器来扩大速度的调节范围。这样的一个复杂的传递过程，不仅本身需要复杂的机械结构，同时也增加了减震悬架系统的复杂度，降低了系统的效率。而在电动汽车中，特别是在四轮独立驱动电动汽车中，可以为每个车轮配备独立的驱动电机，简化了机械传动环节，根据实际情况通过上层控制器直接对驱动扭矩进行调控，以线控的方式替代了传统的机械传动装置，有效地提高了传动系统的效率。（2）改善了车辆稳定性。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转向过程中功率能够传递到两（多）个驱动轮，减少轮胎摩擦。而在现代的汽车牵引控制（TCR）和防抱死系统（ABS）中，在转弯等状况下，希望四个驱动轮有不同的驱动转矩，这对于机械差速系统来说是相当困难的或需要牺牲系统的其他性能指标。而轮式电动汽车由多个独立的电机分别驱动汽车的多个车轮，通过上层控制器合理分配内外侧驱动力矩，实现转向差速和转矩协调等控制功能，提高汽车的机动性能。（3）可以更方便地进行牵引控制。另外，对于四轮驱动的电动汽车，每一个驱动轮单独采用一个电机作为驱动源，四轮转矩独立可控且转速、转矩易于测得，相对于内燃机动力系统和液压系统响应速度快，诸如驱动防滑控制 ASR、横摆力矩控制DYC、自动防抱死ABS等车辆动力学控制易于实现且响应快，实时控制效果好。另外采用主动制动实现DYC在一定程度上也影响了乘员舒适性，而驱动力控制DYC相对于主动制动控制，不影响车辆纵向加速度损失和乘员舒适性。（4）由于省略了传统内燃机汽车的动力传动系统离合器、变速器等部件，简化了底盘结构，增大了乘坐空间，可实现底盘灵活布置。1.3 发展轮式电动汽车需要解决的关键技术
1.直流电动机及其控制
20 世纪 80 年代前，几乎所有的车辆牵引电机均为直流电机，电动汽车也大都采用直流电机系统。直流电动机系统的主要优点是成本低、易于平滑调速、控制器简单，调速方便。其缺点是效率低，体积与质量较大。
直流电机的控制器采用的是斩波控制器（又称电压斩波器），它是直流电源和负载电机之间的一个周期性通断的开关控制装置，作用是通过改变供给直流电机的电压，来控制电机的转速和转矩。在调节电枢电压的直流调速系统中，为了获得可调的直流电压，也可利用电力电子元件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变大、小可调的直流电压，用于实现直流电动机电枢端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统。
直流电机存在电刷与机械换向器，这就限制了电机的过载能力与速度的进一步提高，长期运行时电刷和换向器的维护量很大。由于损耗存在于转子上，使得散热困难，温升增高，限制了电机转矩密度的进一步提高。另外，换向时产生的火花所造成的干扰，对高度智能化的未来电动汽车是致命的缺点。随着电子技术的迅速发展和交流电机调速技术的逐步成熟，在最近的电动汽车上已广泛采用交流电机系统，而直流电机的应用越来越少。
2.感应电动机及其控制
感应电动机系统目前已大量应用于电动汽车中，美国的“PNGV”计划重点集中在感应电机系统上，相关技术已比较成熟。在感应电动机控制系统中，由功率半导体器件构成的 PWM 逆变器把蓄电池电源提供的直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电，进而控制电机的运行。三相感应电机逆变器的控制方法主要有 V/F 控制法、矢量控制法和直接转矩控制法等。
恒压频比控制（V/F）是一种基于异步电机稳态数学模型的控制策略，是交流电机的最基本调速方法。其优点是控制简单，容易实现，转速可以通过控制电源频率实现，不存在异步电机的转差补偿问题。缺点是动态性能不好，电源电压利用率低，在突加负载或转速指令突变时容易发生失步现象。
矢量控制（FOC）技术是由德国科学家在20世纪70年代提出的，其实质是一种解耦控制方法，通过坐标系间的变换解耦电机的磁链和转矩，将交流电动机等效成直流电动机，然后模仿直流电动机的控制方法，分别对速度和磁场两个分量进行独立控制，实现正交或解耦控制。因而获得与直流调速系统相同甚至更加优良的动静态特性，矢量控制可以从零转速起进行速度控制，即使低速也能运行，调速范围宽广；可以对转矩实行精确控制；系统的动态响应速度非常快；电动机的加速特性很好，而且矢量控制策略的方案很多，常见的就有转差频率矢量控制、无速度传感器矢量控制、参数自适应补偿矢量控制等，而且由于其应用范围广泛，一些更新更好的控制方法不断涌现。
矢量控制由于在旋转坐标系下，定位轴可以不同，所以分为定子磁链定向的矢量控制，转子磁链定向的矢量控制。前者由于耦合程度较深，需要解耦计算量较大，对控制器计算速度要求过高，现阶段一般不予采用；相反后者可以实现转矩与磁通完全解耦，但该控制也存在一些问题，如对转子参数估计不精确，或者参数变化造成的定向坐标偏移等问题，针对这一问题，国内外学者提出了自适应控制，是目前矢量控制研究的前沿课题。
直接转矩控制（DTC）是由Takahashi和Depenbrock 先后提出的，该方法通过检测到的定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的转矩和磁链，运用磁通跟踪型的 PWM 变换器的开关切换状态实现磁链和转矩的直接控制[Amanda Scheinfeldt.A Flexible Magnetic Equivalent Circuit Model for imulation and Analysis of Wound Rotor Synchronous Machines[D].U.S.A.：Purdue University，2009]。控制结构较简单，易于全数字化控制实现，目前感应电动机系统在电动汽车上应用存在的问题是功率密度偏低，矢量控制技术过于复杂，电机的参数变化对其有较大的影响，需要减速机构，容易发热。
近些年来，交流电机调速系统出现了一些新的控制思路，如滑模变结构控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、遗传算法，以及非线性系统控制法。以神经网络控制为例，通过模拟人面对具有不确定性的环境、任务时的动作反应，作为一种控制思路来设计控制器，不过设计难度较大，计算复杂，需要快速的并行处理能力；而非线性系统控制法中的一个重要思想便是通过反馈化将非线性系统线性化，反馈化线性系统有以下几种：通过微分几何理论进行状态反馈线性，逆系统方法等。
3.无刷直流电动机及其控制
无刷直流电动机系统的优点是转矩，功率密度大，位置检测和控制方法简单，效率高，过载能力强，高速操作性能好，免维修或少维护，体积小质量轻。其不足之处在于因换向电流难以达到理想状况而造成的一定程度的转矩脉动及震动噪声问题。无刷直流电机的研究重点在于其位置检测、换向及其控制，主要进行换向逻辑的分析和确定、脉动转矩的消弱、无位置传感系统、新型控制策略的研究。控制策略包括变结构控制，模糊PID控制和各种全局优化法与模糊控制相结合的控制方法。
4.永磁同步电动机及其控制
永磁同步电动机的控制方法与感应电机基本相同，除采用 V/F 控制法、矢量控制法和直接转矩控制法外，还采用内模控制、自适应控制、新型鲁棒性动态偏转矩控制及神经网络控制等。在这些控制算法里面，模糊逻辑控制和神经网络控制对于永磁无刷电动机驱动来说，是相对比较成熟和有吸引力的控制方案，因为它们可以比较有效地处理系统的非线性和对参数的敏感性。与感应电机相比，由于开发成本、实现技术等方面的因素，永磁同步电机的直接转矩控制研究远远滞后，目前还没有实用化的成果出现。永磁同步电机系统与感应电机系统相比具有如下的优点：（1）具有明显的节能效果。一方面，由于永磁同步电机以永磁体代替电励磁，无励磁损耗。另一方面，由于定转子同步，转子铁芯没有铁耗。（2）具有较硬的机械特性，对于因负载变化而引起的电机转矩变化具有较强抑制作用。（3）尺寸大大减少，成为高密度、高效率电机。（4）控制简单。
5.开关磁阻电动机及其控制
开关磁阻电动机用于电动汽车上具有很大的潜力。虽然它的结构简单，但是这并不意味着其设计和控制也简单。由于其磁极极尖的严重饱和以及磁极和槽部的边缘效应，使其设计和控制非常困难和敏感，而且存在噪声问题。最近，有人提出了一种开关磁阻电动机的优化设计方法，该方法考虑到极弧、高度及最大磁通密度的限制，用有限元分析方法使整个电机的损耗达到最小。而且，采用模糊滑模控制法可解决电机的非线性问题并使噪声达到最小。这种方法综合利用了模糊逻辑控制方法减少控制抖震和滑模控制克服非线性的优点。参考文献
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[6]杨旸.磁编码器在电动汽车异步电机矢量控制中的应用[D].北京：中国科学院研究生院，2003.第2章轮式电动汽车的动力学建模2.1 车辆动力学建模的意义
实际的汽车是一个复杂的多体系统。在车辆的运行过程中，其受力情况是相当复杂的，其中涉及车辆的整体受力，如风阻力、空气升力和车辆与路面之间的摩擦力等。此外，在车辆运行过程中，轮与地面间的功率传递过程，还涉及轮胎与车体、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，即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，不同的研究目的对于车辆模型的要求侧重点也会有所区别。有必要从车辆动力学的角度出发分析轮式电动汽车的动力学特性，以期得到更加合适的技术结论和控制方法。简单的模型不能全面地描述汽车的各种运动，过于复杂的模型虽然在仿真精度上得到提高，但需要输入大量的参数并耗费计算时间。因此，建立车辆的动力学模型时，必须综合考虑模型的精度、实时性以及研究内容的需要，而且，建模仿真研究是节省研究经费、缩短技术研发时间的有效途径。建立一个可反映汽车各项动力学性能的电动汽车动力学模型是很有必要的，而要对电动汽车的车辆性能进行仿真研究，建立完整准确的车辆模型是必不可少的。
目前用于建模的方法主要三种：手动建模、ADAMS建模和MATLAB建模。手动建模主要是通过建立方程组，采用积分、差分等方法将连续的方程组离散化，而后交由计算机进行处理；ADAMS 建模是一种比较先进的建模方法，计算和建模完全由计算机完成。采用的车辆动力学仿真软件是美国MDI公司的机械系统动力学自动分析软件——ADAMS 软件，该软件基于机械系统多刚体力学原理，一般将机械系统划分为几个单独的刚体进行物理定义和赋值，建立的机械系统三维物理模型，可在一定程度上体现机械系统的动力学特性；MATLAB 建模方法类似于手动建模，首先建立方程，后续计算则交由专门的软件进行处理。MATLAB语言是美国矩阵实验室推出的能够高效率进行科学运算、工程计算等在内功能强大的交互式软件。该方法可将各种功能模块化，采用鼠标直接进行模块拖放、建立信号连接、建模。MATLAB 是一个高度开放的系统，可以根据用户需要自定义子模块，方便进行系统功能模块扩展，还提供丰富的接口，可以连接其他功能系统进行联合仿真研究。鉴于 MATLAB 语言功能全面、简单易用、开放扩展的特点，本书中后续章节车辆动力学模型建立和仿真环境基于 MATLAB/Simulink环境。本章从两轮驱动的轮式电动汽车和四轮驱动电动汽车两种形式对电动汽车动力学模型进行建模研究。2.2 两轮驱动电动汽车的动力学建模
电动汽车的转向行驶取决于驾驶员、车辆和行驶环境组成的复杂系统。决定其曲线行驶的关键因素有：驾驶员对转向前轮的操作，车速、车体的结构和参数，轮胎和路面的结构与性能参数，外界环境对车体的作用力等[8]。电动汽车的空间运动主要表征为六自由度的运动系统，即前后、左右、上下的平动和绕三个垂直轴线的转动运动态。现定义前进方向为纵向，则相应地可称之为纵向（X轴）、侧向（Y轴）、垂直方向（Z轴）的平动，以及侧倾（绕X轴）、俯仰（绕Y轴）、横摆（绕Z轴）的转动。下面从纵向和横向两个方向的受力和运动关系介绍其纵向动力学模型和横向动力学模型。2.2.1 纵向运动的动力学建模
车辆的纵向动力学主要研究车辆直线运动及其控制问题，即车辆沿前进方向的受力与其运动关系。按车辆工况的不同，可分为驱动动力学和制动动力学两大部分。
在驱动动力学研究中，重点要了解车辆的行驶阻力（主要有滚动阻力、爬坡阻力和空气阻力），由此决定车辆驱动轮上所需的力矩和功率，以及能量消耗；而车辆的驱动力与传动系统则为车辆提供了对动力和功率的供应，需求与供应之间的平衡关系，还与路面附着系数有关，直接影响车辆驱动性能。在制动动力学研究中，则主要了解车辆的制动性能评价指标，以及对车辆前后车轮制动力的分配关系和制动稳定性进行研究。
两轮驱动电动汽车（后轮驱动）的纵向运动物理模型如图 2.1 所示。一般情况下，假定车辆以速度Vx在仰角为β的坡度上直线行驶，加速度为。参照图2.1，基于牛顿动力学定律，可以得出此时车辆的纵向运动动力学方程如下：图2.1 车辆的纵向运动物理模型
其中，
g=9.81m/s2 ——重力加速度；
β——斜坡的倾角；
m——汽车质量；
A——车辆的迎风投影面积；
h——车辆重心到地面的距离；
a——车辆重心到车辆前轴的距离；
b——车辆重心到车辆后轴的距离；
V x ——车辆纵向速度；
F xf ——前轮与地面的摩擦力；
F xr ——后轮与地面的摩擦力；
F zf ——前轮的垂直载荷；
F zr ——后轮的垂直载荷；
C d ——正向阻力系数；
p=1.2kg/m3 ，为空气密度；，正向空气阻力。2.2.2 横向运动的动力学建模
对转向行驶的分析，一般集中于研究其侧向、横摆运动。从最一般的高性能车辆的横向运动工况出发，提取了二自由度电动汽车转向分析模型，如图2.2所示。图2.2 二自由度电动汽车转向分析模型图
车体的受力和力矩的平衡方程为：
其中，
车体的速度为
各车轮速度为
离心力为
其中车体质心的偏离角为
轮胎垂直载荷为
两后轮的转动方程为
地面切向反作用力为
4个轮子的轨迹角为
相应的轮胎侧偏角为
轮胎所受地面侧向反作用力为
滑移（转）率为
上述采用的各符号定义为：
m——车体质量；
b——车体重心距前后轴的距离；
B——内外车轮的轮距；
h——质心高度；
I z ——车体转动惯量；
L——前后轮间的轴距，L=a+b；
Iω——车轮转动惯量；
Rω——车轮半径；
F y1 ， Fy 2 ——内、外前轮的侧向反作用力；
F y3 ， Fy4 ——内、外后轮的侧向反作用力；
rω——车体横摆角速度；
rφ——车体横摆角，；
v——车体速度矢量；
β——车体质心的偏离角；
C i ——轮胎的侧偏刚度（i=1～4）；
C f ——前轮侧偏刚度之和；
C r ——后轮侧偏刚度之和；
iα——轮胎的侧偏角（i=1～4）；
iη——轮胎的轨迹角（i=1～4）；
N i ——各轮胎的垂直载荷（i=1～4）；
u， v——车体速度矢量在X，Y轴上的分量；
V i ——4个车轮的相对于地面的行驶速度（i=1～4）；
Vω i ——4个车轮的旋转线速度（i=1～4）；
fδ，rδ——前后轮的转向角度（δ1=δ2=fδ，δ3=δ4=δr）；
μ xi ，μyi ——轮胎切向、侧向附着系数（i=1～4）。2.3 四轮驱动电动汽车的动力学建模
由于汽车运动的复杂性，在研究建立汽车动力学模型时，只能根据实际情况，对车辆做必要的简化处理，建立研究所需的自由度模型。目前国内比较完善的整车动力学模型主要有：7 自由度汽车动力学模型、9 自由度汽车动力学模型、12自由度整车模型、17 自由度汽车整车模型以及 18 自由度电动汽车模型等。下面主要介绍7自由度汽车动力学模型、9自由度汽车动力学模型和18自由度电动汽车模型。2.3.1 7自由度汽车动力学建模
7自由度非线性汽车动力学模型，7个自由度分别为：车辆纵向运动、车辆横向运动、车辆横摆运动，以及车辆四个车轮的转运向动。
1.车辆坐标系的选择
选择地面为车辆运动的绝对坐标系X-Y-Z，选择坐标系x-y-z为车身运动坐标系。坐标系 X-Y-Z 以车辆质心在车辆静止时的路面投影位置为原点 O，坐标系x-y-z固结于车身以车辆质心为原点o，以汽车纵向运动方向轴为x轴，向前为正；过原点o与x轴垂直的方向轴为y轴，以左侧为正；z轴垂直向上，如图2.3所示。图2.3 汽车静坐标系及动坐标系
2.整车动力学模型
设U为汽车行驶速度，u和v分别为汽车沿x轴和y轴纵向速度、横向运动速度，则：
设UX、UY分别为车辆沿绝对坐标系中X 轴的速度、Y轴的速度，则：
设ax、ay为质心的绝对加速度沿x轴和y轴的分量，则：
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