纯电动汽车电力驱动毕业设计.doc

陕西理工学院毕业设计纯电动汽车电力驱动系统设计冉 茂 银（陕西理工学院 机械工程系 热能与动力工程 汽车082班，陕西 汉中 723003）指导老师: 孟 欣【摘要】：环境恶化和能源紧张使得当今汽车行业面临着前所未有的考验，随着环保和节能意识的逐渐深入人心，人们对汽车这一同常交通工具也提出了环保和节能的要求，为解决这些问题，电动汽车正呈献出加速发展的趋势，纯电动汽车作为电动汽车家族中的重要一员，正受到越来越多的关注。 本文以纯电动汽车为研究对象，对其动力系统的设计进行了深入研究。 首先，在分析了纯电动汽车对驱动电机和动力电池的要求的基础上，结合课题中的设计要求和样车车身参数，对动力系统的基本部件(包括：驱动电机、传动系和动力电池)分别进行了合理地选型并对它们的参数进行了匹配；另外，从实际应用的角度出发，重点介绍了驱动电机在d-q坐标系下的数学模型，并给出了相关的运动方程及控制过程中所涉及到的其他方程；对作为能量源的蓄电池，介绍了所选动力电池(锂电池)及其端电压的数学模型。 其次，利用电动汽车仿真软件advisor的内置模块，结合驱动电机和动力电池的数学模型，建立了纯电动汽车样车的整车动力学仿真模型，对纯电动汽车的动力性能和续驶里程进行了仿真研究，通过仿真对前面动力系统的匹配参数进行了验证，结果证明匹配参数是合理的。最后，根据已匹配的动力系统各部件参数，研究并设计了基于dsp的电动机驱动控制系统，整个硬件系统包括以面向电机控制的dsp芯片tms320lf2812为核心的控制单元和由igbt模块所组成的逆变单元。给出了相关电路的设计方案，对igbt模块及其保护电路中元件参数进行了匹配计算。【关键词】：纯电动汽车，动力系统，参数匹配，advisor，电机驱动控制系统abstractauthor: ran mao yin（grade08,class2,thermal energy and power engineering , mechanical engineering dept, shaanxi university of technology，hanzhong723003,shaanxi）instructor: meng xinabstract:nowadays，the automotive industry is faced with unprecedented challenges for environmental deterioration and energy shortageenergy saving and environmental protection is becoming so important in our daily lifethen，electric vehicle is presenting a trend of accelerated developmentas a part of electric vehicle，pure electric vehicle is being more and more attentionthis paper studies about pure electric vehicles，and carries out an in-depth study of its power lines designfirstly, on the basis of analyzing the requirements of pure electric vehicles drive motors and power batteries，combining the issues design requirements and body parameters of sample vehicle，this paper makes a reasonable selection of the basic parts type(including drive motors，transmission lines and power batteries)of pure electric vehicles power lines and made the parameters matchedin addition, on the view of practical application point，this paper mainly introduces the mathematical model of drive motors in the d-q coordinate system and gives the relevant equations of motion and the other equations which are involved in the control processthe energy source is storage battery；this paper presents the mathematical model of the selected power batteries(1ithiumbatteries)and the terminal voltagessecondly, using the internal installed module of the automobiles simulation advisor，combining mathematical model of the driving motor and power cell，the entire car dynamics simulation model of pure electric vehicle is established，simulated the electric vehicles power performance and driving coursethrough the inspection of the matching parameter by simulation，the matching parameter is proved to be reasonableat last，according to parameters of each part of power-train which have been matched，the electric motor driving control system is researched and designedthe whole hardware system contains tms320lf2812 control unit which is widely used in motor control，and the inverter made by igbt modulethe design proposal of related circuits is given to calculate the parameters of elements in igbt module and its protection circuitkey words：pure electric vehicle，power train，parameters match, advisor， electric motor driving control system第 2 页 共 65 页目 录引 言11绪论21.1研究背景及意义21.2国内外纯电动汽车的发展状况41.2.1国外纯电动车的发展41.2.2国内纯电动车的发展51.3现代纯电动汽车开发的关键技术72.电动汽车动力总成参数匹配与设计132.1纯电动汽车的动力总成132.1.1动力总成的基本形式132.1.2动力蓄电池组及其管理系统142.1.3动力电机及其控制原理172.2.1传统客车整车参数和性能指标212.2.2动力电机参数确定222.2.3动力传动系参数确定242.2.4动力电池参数确定252.2.5纯电动客车匹配结果262.3本章小结283.动力总成控制策略设计293.1控制系统结构及功能293.1.1整车控制系统结构293.1.2 can网络体系313.1.3控制系统的功能定义333.2动力总成驱动控制策略353.2.1驱动力矩控制353.2.2电机过载管理383.3能量管理策略453.4制动能量回馈控制策略473.4.1再生制动能量分析473.4.2再生制动系统结构和实现原理493.4.3再生制动特点和控制逻辑513.4.4再生制动控制策略制定543.5本章小结614.全文总结和研究展望62参考文献63致 谢66外文翻译67陕西理工学院毕业设计引 言以电池为能源的蓄电池电动汽车（ev）将成为21世纪汽车工业和汽车运输的主力。世界各大国家、各大汽车公司、研究部门和大学，从20世纪70年代起就投入了大量的人力、财力和物力来开展ev的研究和开发，并且研制出多种多样的ev，其中有的达到或接近内燃机汽车的动力性能，有的已经批量生产和投入运营。我国将ev的研究和开发列为“十五”期间、“国家865计划电动汽车重大专项”重点科技攻关项目，由科技部领导和组织了多个研究院所、企业、大专院校，来开展ev的研究和制造，是我国ev的开发和制造技术有了飞速的进展。由于ev涉及到汽车车身、底盘、蓄电池、燃料电池、电动机、驱动系统、自动控制、新材料和新工艺等方面的学科和技术。而它们又都是独立的系统学科和技术。本篇论文仅就以纯电动汽车的动力驱动系统为研究对象，对其结构模型、驱动模式、特点和主要技术性能做了基本的研究和阐述。本篇论文的编写力图深入浅出，通俗易懂。论文中列举了一些公式、插图、表格和总成的技术性能等，方便阅读、参考和使用。1绪论1.1研究背景及意义汽车是现代工业文明的象征之一，自从其诞生以来便给人们的生产、生活带来了极大的便利，但同时也面临着来自环境保护、能源短缺等方面越来越严峻的挑战，并带来了一系列的负面效应。汽车在其生命的全周期内对公共环境和公众健康甚至生命产生了一系列危害，即汽车的环境公害。汽车环境公害包括环境大气污染、水质污染、噪声污染、电磁辐射等。汽车的环境大气污染包括两层含义：其一是汽车排放的硫化物、氮氧化物、氟氯烃等使温室效应加剧、臭氧层破坏和形成酸雨等大气环境问题，据估计汽车排入大气的污染物已达到大气污染物排放总量的16.9；其二是汽车排出的co2、co、no、未燃碳氢化合物hc、颗粒物和臭味气体等造成的局部空气污染，进而对人类和动植物产生危害。特别是在大城市中，汽车行驶时排出的气体、微粒污染物、蒸发排放物等已经成为城市空气污染物的主要来源。据国家环保总局统计，2005年我国机动车尾气排放在城市大气污染中的分担率达到79。随着人们生活水平的提高，人类对生存环境的要求越来越高，降低汽车有害排放的呼声与日俱增，在美国已经出台了部分汽车零排放的法规，在我国汽车排放法规的执行也更加严格，去年我国已经实行轻型汽车污染物排放限值计测量方法(中国i、阶段) (即欧i、标准)；北京市在2008年奥运会期间也采用了“零排放车队。因此，环境公害是汽车行业面临的最大挑战1。目前，全世界每年的汽车产量在4000万辆以上，保有量超过7亿辆，其中的七八成是小轿车。汽车已给人类的生活带来了不可估量的巨大变化，推动了科技和社会的进步，大大的提高了人民的生活水平。但随着内燃机汽车的保有的不断增长，汽车给人类带来的问题也日益突出，已严重危害到人类今后的生活，主要表现在环境污染问题和石油资源危机问题上。尽管目前内燃机的电控技术(燃油喷射、点火讵时、怠速稳定、废气循环等的电子控制)和三元催化等排气净化技术的应用，使汽车的排放和油耗降到了很低的程度，但还未能从根本上解决汽车的排放和能源问题，现有的汽车每年向大气排放约2亿吨有还害气体，占大气污染总量得60以上，是公认污染大气的“头号杀手”。为了解决危机和环境污染问题，全世界各国不得不积极寻求开发排放低、使用新能源的新型交通工具。电动汽车被看成是能够解决内燃机汽车诸多问题的重要途径之一2。今后50年里，全球人口将从60亿增加到100亿，汽车的数量将从7亿增加到25亿，如果这些车辆都使用内燃机的话，他们所需要的石油将从何而束？它们排除的尾气如何处理?天空是否将永远是灰色的？这些问题迫使人们去寻找2l世纪的可持续的道路交通工具。电动汽车积极地致力于这些问题的解决3。值得注意的是，金融危机爆发导致国际传统汽车产业衰退，而国际油价的不确定性、节能减排压力的增加、动力电池技术的新进展，使部分国际主流汽车厂商开始积极参与纯电动汽车研发，如日产公司、宝马公司等，这可能引发纯电动汽车新的发展热潮。电动汽车将是21世纪的主要交通工具之一，电动汽车是与汽车、电力、电子、控制技术、机械和材料等工业密切相关的新兴产业。大力发展电动汽车既符合我国当前的国情，也有利于推动我国汽车产业及其相关产业的快速发展，其具体意义主要表现在以下几个方面：(1)、实现交通能源的多元化，维护国家的能源安全我国从1994年开始成为石油的纯进口国，2000年我国进口石油7000万吨，成品油3000万吨，据国际石油组织(iea)和中国能源研究所预测，到2010年我国的石油产量为17亿吨，需进口石油13亿吨。而到2050年石油需求量为5o亿吨，需进口石油40亿吨，石油产量减到1亿吨，可见我国的石油资源将会在不久的将来枯竭。进口石油数量的激增需要我们认真考虑在交通方面的能源结构多样化，以维护我国的能源安全。(2)、降低汽车的排放污染，促进社会的可持续发展据联合国调查，世界上污染最严重的10个城市中，有7个在中国。近几年来随着国民发经济的发展和汽车保有量的持续快速增长，现在我们城市的大气污染已经非常严重了，如果我们将来继续延用目前的传统内燃机技术发展汽车，将会对我国城市的大气造成更为严重的污染后果。(3)、增强我国汽车工业的自身竞争力电动汽车作为信息技术、电子技术、新能源、新材料、先进制造技术等现代高科技的综合集成，是典型的高科技产品。汽车工业具有很强的关联带动性，电动汽车的产业化不仅是高新技术的典范，而且是用高新技术改造传统产业，用信息化带动工业化的突破口。业内专家普遍认为，发展电动汽车是一项复杂的系统工程，需要官、产、学、研协调配合，大力协同，应尽快建立开放、竞争、规范的运行机制和管理体制，调动社会各方面力量，共同推进电动汽车的产业化。上个世纪开始，世界上著名的汽车公司都开始对电动汽车的研制投入力量。纯电动汽车、燃料电池车和混合电动汽车成为各科研机构和汽车厂家争相研究的对象。绿色环保车辆的概念正深入人心。这些新型环保车辆很多都从根本上解决了污染问题，得到了全世界的关注45。中国的传统汽车产业一直落后于国外发达国家。现阶段，中国的汽车产业基本上是采用外国先进技术。发展新型环保汽车，这给中国汽车行业立足于世界汽车行业提供了一个非常好的契机6。中国目前非常重视这项被称为2l世纪科技研究之重的产业，争取能利用这个契机使自己在汽车领域占有一席之地。因此，对纯电动汽车的研究是完全必要和迫切的。随着绿色节能环保意识逐渐深入人心，以解决环保需求与能源危机问题为出发点的新型环保车辆已经越来越受到大家的欢迎。纯电动汽车作为新型环保车辆家族中的一个杰出代表，得到了全世界的关注，世界上著名的汽车公司都开始对纯电动汽车的研制投入巨大的人力物力。当今，对纯电动汽车的研究已经成为全世界高新技术的研究开发热点之一，在国内已经被列入863计划的重点项目。 1.2国内外纯电动汽车的发展状况1.2.1国外纯电动车的发展电动汽车起源于十九世纪中后期，比汽油车早12年。1873年英国首先制造了使用铅一锌一次性蓄电池的电动汽车。其后产生了内燃机汽车，形成了电动汽车与内燃机汽车并存的局面。二十世纪初，随着内燃机技术的不断发展，内燃机汽车的性能得到改进和完善，电动汽车由于其有限的续驶罩程和较差的动力性能而逐渐为内燃机汽车所代替，其应用也仅限于一些特殊领域，但人们对电动车的研究、开发工作并没有停止。二十世纪70年代丌始人们普遍关注的环境保护问题及80年代出现的石油危机又引发了人们对电动汽车的兴趣，从此，世界各国特别是欧美等发达国家开始投入大量的人力、物力、财力对电动汽车进行研发，并取得了一定的成就。在美国、日本、欧洲等发达国家，电动汽车已开始进入实用化阶段9。美国是全世界对污染限制最严格的国家之一，也是对电动汽车研制起步较早的国家。美国政府以能源部为中心，对电动汽车的研制进行了连续的逐年递增的资金投入。美国epri(电力能源研究所)推行了实用电动汽车普及活动。1991年美国3大汽车公司签订协议，合作研究电动汽车用先进电池，开发高性能电动汽车电池。其中，通用公司1997年开发的具有先进动力系统的1997双座ev1。该车为前轮驱动，采用一台102kw的三相交流感应电机，装备由26个阀控铅酸电池组成的电池组。电池组可以使用6.6kw的非车载感应充电器或1.2kw的车载感应充电器进行充电。该车的电机在转速为07000转输出恒转矩1640nm，在转速为700014000转输出恒功率102kw，使得ev1可以获得128km/h(电子限速)的最高车速和096km/h加速小于9s的性能。2002年1月7日，通用汽车公司在北美国际汽车展上，推出了一款高科技环保型燃料电池概念车autonomy，它被认为代表了汽车工业未来的发展趋势。这款未来型概念车是世界上第一款从零开始全新设计的、使用燃料电池驱动系统的车型，也是第一款将燃料电池与线传操控电子控制技术相结合的车型2。欧洲各国成立了欧洲电动汽车协会，并得到欧洲经济委员会的支持和资助。英国、法国在大力研究先进电动汽车的同时积极开发推广应用限定范围的电动汽车。目前已有约十几万辆电动汽车在英国运行。法国的雷诺和标志雪铁龙公司长期从事电动汽车，特别是纯电动汽车的研究和开发工作，早在90年代初，就实现了纯电动汽车的批量生产。雷诺公司推出的带有里程延长器的kang00轿车采用缠绕式转子同步电动机，最大功率为27kw，持续功率22kw；电池采用saft nicadl00ah型蓄电池，车载能量为13.2kwh，并备有车载充电器，该车在配有里程延长器的情况下续驶里程可大于200公里，最大车速为l00km/h， 050km/h加速时间不大于8.5秒，080km/h加速时间不大于25秒。在欧盟资助下，欧洲正在进行一项世界最大规模的燃料电池巴士示范计划，在2003年6底已经有30辆燃料电池大巴在欧洲不同环境下的八个国家10个城市开始营运。主要开展两大项目：欧洲清洁城市运输(clean urban transport for europe简称cute)和欧洲生态城市运输系统(ecological city transport system简称ects)，其中，仅cute项目欧盟提供财政资助1850万欧元。燃料电池大巴将由奔驰汽车公司属下的evobus公司负责制造，以奔驰citaro低地板大巴为基础改装，三门，总长12米，30个座位，外加站立，乘客容量达70人，装用巴拉德mk902电池堆，功率200kw以上，350个大气压的压缩氢气瓶置于车顶上，电机驱动系统和燃料电池置于车后部，最高车速80km/h，一次加氢行程200250km10。1.2.2国内纯电动车的发展我国自“八五”以来，在研发电动汽车方面投入了大量的人力、物力和财力，并取得了一系列科研成果，开发出一批电动汽车整车产品，在北京、武汉、天津、株洲、杭州等城市开展了不同形式的小规模示范运行1112。纯电动客车以公交系统示范运营为主，如北京121路、杭州y9路等。纯电动轿车以公务用车示范运行为主，如天津市开展电动轿车示范运行。电动小巴在局部地区开始商业化运营，如武汉市电动小巴，株洲田心小区电动小巴、北京云岗小区电动小巴等。微型电动汽车在山东、河北等北方地区的一些市县自发形成市场，仅山东省就有数家生产厂和改装厂，已达量产规模。国家科技部正在积极组织推进“十城千辆”电动汽车大规模示范行动计划，首批选定五城一地，即在武汉、上海、深圳、大连、重庆和长沙一株洲一湘潭开展示范运行。北京奥运会上，电动汽车示范运行取得了良好效果，这对我国电动汽车发展将起到有力的助推作用。奥运会期间，50辆锂离子电池纯电动客车在奥运中心区的奥运村、媒体村和北部赛区等线路上为奥运官员、媒体记者、运动员提供24h全天候的运输服务。奥运会电动汽车示范运行不但起到了有效的示范引导作用，而且带动了电动汽车及其能源供给技术的发展。国家电网公司高度重视电动汽车推广应用工作。从2006年以来，国家电网公司大力开展电动汽车关键技术研究与推广应用工作，在动力电池系统、供充电系统、动力总成、内部示范应用考核、能源供给模式与配套政策等5个方面开展研究工作，率先开展内部示范应用，并积极推动社会车辆应用和能源供给基础设施建设。目前，内部使用的电动汽车已达50余辆，包括电力营销服务车、电力工程车和公务车等。虽然我国已丌展电动汽车示范应用，但是缺乏有效的、可持续推动电动汽车发展的市场化机制。电动公交车的示范应用主要通过科技项目的形式开展，基本上都是由政府主导，公交运营单位和车辆研发生产单位参加。参与单位的风险较大，无法在短期内形成利益链，因此缺乏持续推动的动力。微型电动汽车自发形成的市场缺乏有效的组织管理，车辆质量和电池性能有待提高。我国电动汽车的研发与国外基本处于同一起跑线上，技术水平与产业化差距相差较小。我国电动汽车重大科技专项2001年正式启动。经过200多家企业、高校和科研院所的2000多名技术骨干的努力，已在电动汽车关键单元技术、系统集成技术和整车技术上取得了重要进展。并且开始进入产业化阶段。目前我国纯电动汽车项目尚处于开发研制阶段，还没有形成生产规模，在纯电动汽车的商业化运营模式探讨上更处于起步阶段，相对于欧洲、美国和日本，还有一定的差距。电动汽车是汽车工业发展的必然趋势，纯电动汽车和燃料电池汽车是电动汽车发展的最终方向。电动汽车的大规模应用需要相对较长的过程，将经历不同的发展阶段。国外电动汽车发展的技术路线已逐渐明晰：在起步期对各种电动汽车技术方向进行探索；在过渡期将混合动力汽车作为主要发展方向；纯电动汽车和燃料电池汽车则是成熟期的最终发展目标；各阶段的发展重点都是以乘用车为代表的中小型车辆。国内混合动力汽车技术渐趋完善，已进入商业化推广阶段；纯电动汽车技术日趋成熟，已在特定区域开始推广应用ii引。1.3现代纯电动汽车开发的关键技术2001年我国启动电动汽车重大科技专项，建立“三纵三横”的开发布局。其中“三纵”为控制器、驱动电机、动力蓄电池;“三横”是指纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的整车。纯电动汽车技术是其他电动汽车技术的基础。解决纯电动汽车的技术难点也是研发另外两种电动汽车的关键内容。国家对电动汽车技术和产品的研究以及产业化投入了大量资金。促进了纯电动汽车的技术和产业的迅速发展。纯电动车以动力电池作为能源，由电动机驱动，基本结构系统可分为3个子系统，即电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。纯电动车相对于传统车在技术优势上有很多有利条件。纯电动车因采用电池而带来在能源、环保和降噪方面显示出优越性和具有强大的竞争能力，采用电机还可以实现无级调速和再生制动功能，除此之外电动汽车还能更快地实现机电一体化和采用现代电子控制技术。现代电动车是一个复杂的系统工程，它的理论基础是将汽车技术、电机技术、驱动技术、电力电子技术、能源存储技术和现代控制理论有机的结合起来，实现系统的集成优化。总结起来纯电动车开发的关键技术主要有以下几个方面。(1)、高功率密度驱动电机研究电动车辆的驱动电机属于特种电机，它是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有宽的调速范围及高的转速，足够大的启动扭矩，体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。目前电动汽车所采用的电动机中，直流电动机基本上己被交流电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。电动汽车所用的电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。当今世界己研制出功率密度超过1kw/kg，额定点的效率大于90%的小型电动机，电机满足低速恒扭矩、大扭矩和高速恒功率的牵引控制要求。常用的电机基本特性比较如下表1.1所示:表1.1 各种电机基本特性对比直流电机交流感应