电动汽车控制器的研究与分析

山东科技大学学士学位论文山 东 科 技 大 学 本科毕业设计(论文)题目 电动汽车控制器的研究与分析学 院 名 称 电子通信与物理学院 专 业 班 级 应用物理 11-1 学 生 姓 名 学 号 201101090134_ 指 导 教 师 周明东 山东科技大学学士学位论文I摘要随着社会的发展和人类的进步，环境和能源问题越来越受到人们的重视。电动汽车应运而生，取代了传统的汽油为燃料的汽车。电能作为清洁能源若大规模的应用在汽车上，不但可以减轻污染，而且在一定程度上缓解能源紧张问题。纯电动汽车是新能源汽车的一种，具有良好的发展前景与空间。同时具有相当多的优点：1.零排放。纯电动汽车使用电能，在行驶中无废气排出，不污染环境。2.电动汽车比汽油机驱动汽车的能源利用率要高。3.因使用单一的电能源，省去了发动机、变速器、油箱、冷却和排气系统，所以结构较简单。4.噪声小。5.可在用电低峰时进行汽车充电，可以平抑电网的峰谷差，使发电设备得到充分利用。控制器作为纯电动汽车研究的关键技术之一，受到了整个新能源汽车行业的广泛重视，开发出具有自主知识产权的控制器具有重要的意义。本文介绍了纯电动汽车的分类和国内外的发展状况，综述了纯电动汽车研发的关键技术，包括控制器、动力型锂电池技术、电机驱动技术、能量管理系统、整车通信网络等。 控制器是纯电动汽车研发的关键技术之一，直接关系到车辆性能的优劣。本文对控制器的发展状况和工作原理进行了研究，并对控制器进行了功能分析。关键词: 电动汽车组成； 关键技术； 控制器 ；电路分析 山东科技大学学士学位论文IIAbstractWith the development of society and the progress of mankind, the environment and energy are paid more and more attention. Electric car came into being, replaced the traditional Gasoline Fueled car. Electric energy as a clean energy if large-scale application in the car, not only can reduce the pollution, but to some extent, ease the energy shortage problem.Pure electric vehicle is a new energy vehicle, with good prospects for development and space. As one of the key technologies of pure electric vehicle, the controller has been widely emphasized by the new energy automobile industry. The development of controller with autonomous intellectual property rights is of great significance. Pure electric vehicle classification and domestic and foreign development status is introduced in this thesis, summarizes the pure electric vehicle research and development of key technologies, including controller, power type lithium battery technology, motor drive technology, energy management system, vehicle communication network. The controller is one of the key technologies in the development of pure electric vehicle, and directly relates to the vehicle performance. In this paper, the development and working principle of the controller are studied, and the function of the controller is analyzed.山东科技大学学士学位论文IIIKeywords:Electric vehicle composition ; Key technology; Controller; Circuit analysis目录摘要 .IAbstract.II第一章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 电动汽车分类和发展概况 .21.2.1 电动汽车的分类 .21.2.2 纯电动汽车国内外发展现状 .3第二章 纯电动汽车关键技术 .72.1 能量管理系统 .72.2 电机驱动技术 .82.3 锂电池技术 .92.4 电动汽车控制器技术 .92.5 课题的来源及意义 .10第三章 纯电动汽车控制系统的设计方案 .113.1 控制系统电源的设计 .11山东科技大学学士学位论文IV3.1.1 电机驱动系统需求分析 .113.1.3 动力性分析 .153.1.4 电源的设计 .173.2 控制系统总体设计 .173.2.1 控制系统的总体设计方案 .173.2.2 系统主回路设计 .183.3 控制器的设计方案 .203.3.1 技术要求 .203.3.2 信号分析 .213.3.3 系统构成 .223.3.4 MCU 的选型 .223.3.5 控制器的外观设计 .243.4 本章小结 .24第四章 控制器的硬件设计 .254.1 电源系统设计 .254.2 最小系统设计 .264.2.1 供电电路 .264.2.2 时钟电路 .274.2.3 复位电路 .284.3PWM 输出电路设计 .304.4 传感器和信号调理电路设计 .334.4.3 速度传感器信号调理电路设计 .38山东科技大学学士学位论文V4.5 数据通信接口电路设计 .394.6 PCB Layout 设计的抗干扰处理 .414.6.1 最小系统的抗干扰设计 .414.6.2 控制器 PCB 的抗干扰设计 .434.7 本章小结 .44第五章 总结与展望 .455.1 总结 .455.2 展望 .47致谢辞 .50附录 .51外文文献 .51外文翻译 .60山东科技大学学士学位论文1第一章 绪 论1.1 引言自从 1886 年德国人苯茨发明了世界上第一辆汽车以来，汽车工业已经走过了一个多世纪的历程。在过去的一百多年中，汽车工业从无到有，日新月异，迅猛发展。汽车的出现扩展了人类的生活范围，方便了人们的出行，现在汽车行业已经成为国民经济的支柱产业之一。近年来，汽车保有量迅速增加，但是随之而来带来一系列的能源和环境问题。汽车的巨大消费需求和能源环境之间产生了巨大的矛盾。据统计，汽车消耗了约 40%的石油资源，按照现在的石油消耗速度，已探明的全世界石油储量在数十年之后将会枯竭。与此同时，汽车尾气排放中含有的二氧化碳、氮氧化物、硫化物给环境造成了严重的污染，加剧了温室效应。在能源短缺和环境污染的压力下，新能源汽车越来越受到人们的重视。新能源汽车包括燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车、氢能源动力汽车和太阳能汽车等，其中电动汽车的发展最为迅速。20 世纪 60 年代后，迫于能源的压力，世界各国政府及汽车生产厂商加大了对电动汽车产业的投入，特别是近十几年，电动汽车产业取得了前所未有的发展。我国的石油资源有限，对外依存度很大。据统计目前中国的石油对外依存度已经高达 52% ，预计到 2020 年，中国的石油进口量将达到 60%。为了实现能源利用形式的多样化和减轻环境污染，发展低能耗、环保经济的新能源汽车山东科技大学学士学位论文2成为我国汽车工业可持续发展的必然要求。1.2 电动汽车分类和发展概况1.2.1 电动汽车的分类电动汽车是指全部或部分以车载电源为动力源，依靠电机驱动车辆行驶，符合道路交通法规等要求的车辆。可以以多种形式给电动汽车提供电能，如公共电网、专用电网和储电装置（包括蓄电池、燃料电池、太阳能电池等） 。电动汽车主要包括混合动力汽车（HEV ） 、纯电动汽车（PEV） 、燃料电池汽车（FCEV ）等类型。混合动力汽车是指具备两个或两个以上动力源，其中一个动力源采用电能驱动的汽车。混合动力汽车兼具传统燃料汽车和纯电动汽车的众多优点。目前常见的混合动力汽车基本是油-电混合动力汽车，储能装置是内燃机和蓄电池，在有效减少了内燃机的排放的同时克服了蓄电池能量有限的众多缺点。燃料电池汽车（Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV）是指以燃料电池作为主要动力源的车辆。FCEV 以氢气、酒精等作为主要燃料，通过电化学反应将化学能转换成为电能，以此带动电机驱动车轮行驶。FCEV 热效率高、产生有害物质较少、在较宽的范围内保持高效率。但目前燃料电池技术尚未成熟，安全使用氢气等仍是亟待解决的问题。如何大幅降低燃料电池的价格，尽快实现 FCEV 的商品化是新能源汽车行业努力的目标之一。纯电动汽车是完全依靠动力电池组提供能量，以电机提供驱动力的汽车。山东科技大学学士学位论文3纯电动汽车相比传统汽车而言成本更低，能量转换效率更高。目前纯电动汽车发展不如内燃机汽车成熟，主要表现为动力电池的储能量小、电池成本较高、电池寿命较短、充电较慢等方面。近些年来大容量动力型锂离子电池技术发展很快，锂离子电池的能量已经从 100Wh/kg 逐步增加到 180Wh/kg，最大输出功率更是达到 2000W/kg，安全性能逐步提高。这些技术的不断成熟为我国纯电动汽车的发展奠定了基础。可以预见，纯电动汽车的价格和使用成本必然会逐步降低，有望在我国得到优先发展，并更多的取代传统动力的汽车。1.2.2 纯电动汽车国内外发展现状1、纯电动汽车国外发展现状活跃在纯电动汽车研发活动中的企业，不仅有通用、福特、丰田、本田、大众这样的汽车企业，也有属于电力系统的法国电力公司、东京电力公司，以及东洋电机、NEC、三洋电机等机电跨国公司。目前国外各大汽车厂商纯电动汽车发展动态如表 1-1 所示。表 1-1 国外纯电动汽车发展动态国家 汽车厂商 发展动态通用2013 款雪佛兰 Spark 小型车将成为通用在美国市场上推出的最小型款，主要用于城市出行。美国 福特2010 年 1 月，福特汽车公司宣布投资 4.5 亿山东科技大学学士学位论文4美元用于其积极的电动车计划，并在 2012 年前推出五款电动车。克莱斯勒克莱斯勒于 2012 年在美国市场推出一款全电力型菲亚特 500。大众2011 年试投运 500 辆 Golfs 电动汽车，从 2013 年开始，E-UP 电动汽车投入生产，到当年年底生产 E-Golf 和 E-Jetta 电动汽车。戴姆勒戴姆勒公司在电动汽车制造方面与一系列公司展开了广泛合作电动，推出 Smart fortwo 纯电动汽车。德国宝马MINI E 纯电动汽车作为测试平台陆续在德国、美国、英国和中国开展实路测试，于 2013 年推出超大城市