电动汽车驱动控制系统的研究

贾明胜，张 琦

（德州学院 汽车工程学院，山东 德州 253023）

电动汽车驱动控制系统的研究

贾明胜，张 琦

（德州学院 汽车工程学院，山东 德州 253023）

电动汽车的驱动控制系统是电动汽车的关键技术之一，解决这一关键性技术具有非常重要的意义。对电动汽车驱动控制系统的结构和特性进行了介绍，以对驱动控制系统的优化设计为研究目标，采用矢量控制的方法进行了分析。

电动汽车；驱动与控制；矢量控制

汽车的发明为人类带来方便的同时也带来了一些消极的影响。消耗了大量的石油资源，排放大量的废气，制造噪音和严重的污染。面对如此严峻的环境污染和资源问题，世界各国开始致力于研究节能高效的电动汽车，是“电气化”和“汽车”的融合。随着人们对空气质量和温室效应的关注，对电动汽车的研究也开始愈演愈烈，从20世纪90年代初起，世界各大汽车公司都在研究电动汽车方向上投入了大量的金钱和精力，并且也取得一些成果。但是电动汽车也有其一定的不足之处，例如：续航里程不足，较长的充电时间。为了提高电动汽车整体性能及电气化、智能化程度，采用矢量法和建立模型法对电动汽车的驱动和控制系统进行了优化设计。

1 驱动控制系统结构与特性

（1）电动汽车的基本结构。电动汽车一般都是由电机驱动，其动力来源于蓄电池。而续航里程蓄电池的储电能力有着密切的关系。因此，如果想要解决电动汽车的续航里程问题就要尽可能的节约蓄电池的能量。这就要求电动汽车的结构应满足以下3个条件：①保证行驶的安全性，应当采用重心低和免维护的整体型蓄电池，并将其放在车身后部的地板下。②为了实现电动汽车的轻量化，提高强度，将车架设计成直纵梁车架。③为了最大限度地增大车厢内乘员空间，最小限度地减小机械空间，将乘员空间与驱动系统完全分开处理，将电机，高压电器配置在汽车前部，实现了各个部件的高效率分配。

（2）驱动控制的特殊性。①要求驱动电机的功率质量比大、结构简单。②由于电动汽车要通过各种复杂的路面，进行各种复杂的工况，所以负载也是很复杂的，这就要求驱动控制系统的负载适应能力很强。③考虑到速度响应的的快速性和汽车在行驶过程中的安全性，以及在乘员乘坐时的舒适性，我们提出了一种综合性能评价指标来进行有效的控制。在这一方面，日本的一些公司已经开发研究出了模糊自动火车运行系统。借鉴这一系统可以将这个技术应用到电动汽车上来。④电动汽车的控制系统安装在汽车上，在行驶过程中不可避免的会对控制系统造成一些干扰和冲击特别是在受到交通事故碰撞。因此，在设计过程中硬件设施应采用屏蔽和隔离的措施，最大限度的减少了电磁的干扰；控制系统都要安装加强牢固和防震的措施，震动的情况控制系统下能够正常的工作。在发生事故时，控制系统的损坏达到最小程度。

2 驱动控制系统的设计

（1）设计的基本原理。驱动控制的首要中心技术是控制行驶速度。表达的运动方程式为：

式中：TG为电磁的转矩（N·m）；TF为负载的转矩（N·m）；J为机组的转动惯量；ω为电动机的角速度（rad/s）；t为作用时间（s）。

从上式可以得出，技术的关键在快速、准确的控制电磁转矩。直流电动机的电磁的转矩表达式为：

式中：H'为般常数；Rf为电动机的励磁电流（i）；Ra为电动机的电枢电流（i）。

如果保持励磁电流Rf的不变，控制电枢电流Ra就可以有效控制TG。交流感应电机，它的结构很简单，外壳坚固并且很耐用，特别适合用于电动汽车的各种复杂工况。电磁转矩存在比较强的电磁耦合，不好对其进行控制。

（2）矢量控制计算方法。采用了矢量控制的方法来解决通过测量和控制交流电动机的定子电流矢量，矢量控制的方法使交流感应电动机的电磁转矩得到成功的解耦,由此我们就获得了直流电动机的特性。经过坐标可以转换成我们得到关于M-T旋转坐标下的电磁的转矩表达式为：

式中：TG为电磁的转矩（N·m）；ne为磁极的对数（个）；Ln为转子和定子间的等效互感；Lr为转子的等效互感；φ2为转子的磁链幅值；it1为定子的电流交轴分量。

这个表达式与直流电动机的转矩表达式形式相同，我们可以很方便地来控制交流感应电动机就像控制直流电动机一样。矢量控制框图如图1所示。

图1 矢量控制框图

采用矢量控制的方式使通用的变频器不仅在调速的范围上可以和直流电动机很好地进行匹配，而且还可以控制电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确被控的电动机参数，有的通用的变频机在使用过程中还需要准确无误地输入电动机的一些参数，有的通用变频机还需要速度传感器和编码器，还必须使用厂家指定的变频机专用电动机进行控制，如果出现差错将不会达到理想的控制效果。

（3）参数的设定和校正。交流感应电动机的动态特性可以由一组微分方程进行描述，最后得到电动机的有关参数。利用调速系统自带的硬件资源，采用参数自设定和自动校正技术，可以获得重要参数进行检测和调整精确度很高的电动机参数，这样就可以使电动机的控制系统的性能得到很大提高。参数自设定的方法是利用变频器本身在电动机开启之前进行相关参数的检测，然后把测量结果自动的设定到控制系统中去。参数自动校正的方法是在电动机系统运行的过程中采用自动适应的控制技术。

（4）运动控制系统。电动汽车的独立轮边进行驱动控制将是电动汽车的一个重要发展趋势。在我国这一项研究领域还没有完全开启，但是在欧美国家，日本，对这一领域已经开始了研究设计。我国一些汽车研究所通过对电动汽车的整车的运动进行了建模并对整车运动进行了分析，对电动汽车前轮的驱动和后轮的驱动效率进行详细的比较。把公交车作为研究目标，因为公交车在城市交通道路上的转向行驶时间比较长，后轮的驱动车辆在转向时一般驱动效率比较低。我们提出了的电机驱动的控制方法。采用这种方法我们就可以把前后轮上的驱动力的力矩进行合理分配，减少前轮所受的侧向力。

3 结语

到现在为止，电动汽车的优化设计已经慢慢趋于成熟，电动汽车也开始能够满足一些市区交通的要求。电动汽车能够普及使用的限制性问题就是价格昂贵和续航里程不理想。电动汽车通过电动机、控制器、蓄电池等组合成驱动控制系统的车辆，它的出现实现了汽车的清洁、高效、智能的运输新系统。通过对驱动控制系统的结构和特性分析并采用矢量控制的方法进行了优化设计，得到了最优化的方案。

［1］李佩晰，易翔翔，侯福深.国外电动汽车发展现状及对我国电动汽车发展的启示［J］.北京工业大学学报，2004，30（1）.

［2］刘晶.四轮独立驱动电动汽车驱动力控制方法与驱动力分配分析［D］.秦皇岛：燕山大学，2010.

［3］靳立强，王庆年，岳巍强，等.基于四轮独立驱动电动汽车的动力学仿真模型［J］.系统仿真学报，2005，17（12）:3053－3055.

［4］马保柱，李华德，冉正云，等.零矢量动态分配的PMSM直接转矩控制［J］.电气传动，2008，38（1）：15－22.

［5］许家群.电动汽车用永磁同步电动机传动控制系统的研究［D］.沈阳，沈阳工业大学，2003.

［6］孙重祥，曾志斌.电动汽车的基本知识［J］．实用汽车技术．2006（2），7－8．

［7］闵庆云，周杏生，谈骏良.电动汽车用永磁无刷直流电机的控制与驱动［J］.中小型电机，1998，25（4）:29－31.

［8］华梦新.纯电动车整车控制策略的研究［D］.哈尔滨，哈尔滨工业大学.2010.

［9］李竟成，曹秉刚，康龙云.电动汽车运动学建模与模糊控制［J］.系统仿真学报，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

德州学院科技发展计划项目（311673）

贾明胜(1991-)，男，山东聊城人，大学本科。