電動汽車驅動控制系統的研究

賈明勝，張 琦

（德州學院 汽車工程學院，山東 德州 253023）

電動汽車驅動控制系統的研究

賈明勝，張 琦

（德州學院 汽車工程學院，山東 德州 253023）

電動汽車的驅動控制系統是電動汽車的關鍵技術之一，解決這一關鍵性技術具有非常重要的意義。對電動汽車驅動控制系統的結構和特性進行了介紹，以對驅動控制系統的優化設計為研究目標，采用矢量控制的方法進行了分析。

電動汽車；驅動與控制；矢量控制

汽車的發明為人類帶來方便的同時也帶來了一些消極的影響。消耗了大量的石油資源，排放大量的廢氣，制造噪音和嚴重的污染。面對如此嚴峻的環境污染和資源問題，世界各國開始致力于研究節能高效的電動汽車，是“電氣化”和“汽車”的融合。隨著人們對空氣質量和溫室效應的關注，對電動汽車的研究也開始愈演愈烈，從20世紀90年代初起，世界各大汽車公司都在研究電動汽車方向上投入了大量的金錢和精力，并且也取得一些成果。但是電動汽車也有其一定的不足之處，例如：續航里程不足，較長的充電時間。為了提高電動汽車整體性能及電氣化、智能化程度，采用矢量法和建立模型法對電動汽車的驅動和控制系統進行了優化設計。

1 驅動控制系統結構與特性

（1）電動汽車的基本結構。電動汽車一般都是由電機驅動，其動力來源于蓄電池。而續航里程蓄電池的儲電能力有著密切的關系。因此，如果想要解決電動汽車的續航里程問題就要盡可能的節約蓄電池的能量。這就要求電動汽車的結構應滿足以下3個條件：①保證行駛的安全性，應當采用重心低和免維護的整體型蓄電池，并將其放在車身后部的地板下。②為了實現電動汽車的輕量化，提高強度，將車架設計成直縱梁車架。③為了最大限度地增大車廂內乘員空間，最小限度地減小機械空間，將乘員空間與驅動系統完全分開處理，將電機，高壓電器配置在汽車前部，實現了各個部件的高效率分配。

（2）驅動控制的特殊性。①要求驅動電機的功率質量比大、結構簡單。②由于電動汽車要通過各種復雜的路面，進行各種復雜的工況，所以負載也是很復雜的，這就要求驅動控制系統的負載適應能力很強。③考慮到速度響應的的快速性和汽車在行駛過程中的安全性，以及在乘員乘坐時的舒適性，我們提出了一種綜合性能評價指標來進行有效的控制。在這一方面，日本的一些公司已經開發研究出了模糊自動火車運行系統。借鑒這一系統可以將這個技術應用到電動汽車上來。④電動汽車的控制系統安裝在汽車上，在行駛過程中不可避免的會對控制系統造成一些干擾和沖擊特別是在受到交通事故碰撞。因此，在設計過程中硬件設施應采用屏蔽和隔離的措施，最大限度的減少了電磁的干擾；控制系統都要安裝加強牢固和防震的措施，震動的情況控制系統下能夠正常的工作。在發生事故時，控制系統的損壞達到最小程度。

2 驅動控制系統的設計

（1）設計的基本原理。驅動控制的首要中心技術是控制行駛速度。表達的運動方程式為：

式中：TG為電磁的轉矩（N·m）；TF為負載的轉矩（N·m）；J為機組的轉動慣量；ω為電動機的角速度（rad/s）；t為作用時間（s）。

從上式可以得出，技術的關鍵在快速、準確的控制電磁轉矩。直流電動機的電磁的轉矩表達式為：

式中：H'為般常數；Rf為電動機的勵磁電流（i）；Ra為電動機的電樞電流（i）。

如果保持勵磁電流Rf的不變，控制電樞電流Ra就可以有效控制TG。交流感應電機，它的結構很簡單，外殼堅固并且很耐用，特別適合用于電動汽車的各種復雜工況。電磁轉矩存在比較強的電磁耦合，不好對其進行控制。

（2）矢量控制計算方法。采用了矢量控制的方法來解決通過測量和控制交流電動機的定子電流矢量，矢量控制的方法使交流感應電動機的電磁轉矩得到成功的解耦,由此我們就獲得了直流電動機的特性。經過坐標可以轉換成我們得到關于M-T旋轉坐標下的電磁的轉矩表達式為：

式中：TG為電磁的轉矩（N·m）；ne為磁極的對數（個）；Ln為轉子和定子間的等效互感；Lr為轉子的等效互感；φ2為轉子的磁鏈幅值；it1為定子的電流交軸分量。

這個表達式與直流電動機的轉矩表達式形式相同，我們可以很方便地來控制交流感應電動機就像控制直流電動機一樣。矢量控制框圖如圖1所示。

圖1 矢量控制框圖

采用矢量控制的方式使通用的變頻器不僅在調速的范圍上可以和直流電動機很好地進行匹配，而且還可以控制電動機產生的轉矩。由于矢量控制方式所依據的是準確被控的電動機參數，有的通用的變頻機在使用過程中還需要準確無誤地輸入電動機的一些參數，有的通用變頻機還需要速度傳感器和編碼器，還必須使用廠家指定的變頻機專用電動機進行控制，如果出現差錯將不會達到理想的控制效果。

（3）參數的設定和校正。交流感應電動機的動態特性可以由一組微分方程進行描述，最后得到電動機的有關參數。利用調速系統自帶的硬件資源，采用參數自設定和自動校正技術，可以獲得重要參數進行檢測和調整精確度很高的電動機參數，這樣就可以使電動機的控制系統的性能得到很大提高。參數自設定的方法是利用變頻器本身在電動機開啟之前進行相關參數的檢測，然后把測量結果自動的設定到控制系統中去。參數自動校正的方法是在電動機系統運行的過程中采用自動適應的控制技術。

（4）運動控制系統。電動汽車的獨立輪邊進行驅動控制將是電動汽車的一個重要發展趨勢。在我國這一項研究領域還沒有完全開啟，但是在歐美國家，日本，對這一領域已經開始了研究設計。我國一些汽車研究所通過對電動汽車的整車的運動進行了建模并對整車運動進行了分析，對電動汽車前輪的驅動和后輪的驅動效率進行詳細的比較。把公交車作為研究目標，因為公交車在城市交通道路上的轉向行駛時間比較長，后輪的驅動車輛在轉向時一般驅動效率比較低。我們提出了的電機驅動的控制方法。采用這種方法我們就可以把前后輪上的驅動力的力矩進行合理分配，減少前輪所受的側向力。

3 結語

到現在為止，電動汽車的優化設計已經慢慢趨于成熟，電動汽車也開始能夠滿足一些市區交通的要求。電動汽車能夠普及使用的限制性問題就是價格昂貴和續航里程不理想。電動汽車通過電動機、控制器、蓄電池等組合成驅動控制系統的車輛，它的出現實現了汽車的清潔、高效、智能的運輸新系統。通過對驅動控制系統的結構和特性分析并采用矢量控制的方法進行了優化設計，得到了最優化的方案。

［1］李佩晰，易翔翔，侯福深.國外電動汽車發展現狀及對我國電動汽車發展的啟示［J］.北京工業大學學報，2004，30（1）.

［2］劉晶.四輪獨立驅動電動汽車驅動力控制方法與驅動力分配分析［D］.秦皇島：燕山大學，2010.

［3］靳立強，王慶年，岳巍強，等.基于四輪獨立驅動電動汽車的動力學仿真模型［J］.系統仿真學報，2005，17（12）:3053－3055.

［4］馬保柱，李華德，冉正云，等.零矢量動態分配的PMSM直接轉矩控制［J］.電氣傳動，2008，38（1）：15－22.

［5］許家群.電動汽車用永磁同步電動機傳動控制系統的研究［D］.沈陽，沈陽工業大學，2003.

［6］孫重祥，曾志斌.電動汽車的基本知識［J］．實用汽車技術．2006（2），7－8．

［7］閔慶云，周杏生，談駿良.電動汽車用永磁無刷直流電機的控制與驅動［J］.中小型電機，1998，25（4）:29－31.

［8］華夢新.純電動車整車控制策略的研究［D］.哈爾濱，哈爾濱工業大學.2010.

［9］李竟成，曹秉剛，康龍云.電動汽車運動學建模與模糊控制［J］.系統仿真學報，2003，（3）:372－374.

Research on Electric Vehicle Drive Control System

JIA M ing-sheng，ZHANG Qi
（Automobile Engineering College of Dezhou University，Dezhou，Shandong 253023，China）

Electric drive control system is one of the key technologies of electric vehicles，and has very important significance of solving the key technology.This paper introduces the structure and characteristics of the electric vehicle drive control system，takes the optimization design of drive control system as research object，and analyzes by themethod of vector control.

electric auto；drive and control；vector control

TH122

A

2095-980X（2015）08-0060-02

2015-07-17

德州學院科技發展計劃項目（311673）

賈明勝(1991-)，男，山東聊城人，大學本科。