文献综述-电动汽车底盘测功机的开发与研究

武汉理工大学硕士学位论文电动汽车底盘测功机的开发与研究姓名：刘伟申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：邓楚南20050301武汉理工大学硕士学位论文摘要当今世界关于环境和能源的问题备受关注，为了解决这些问题，电动汽车呈现加速发展的趋势，电动汽车的研发任务日趋紧迫，其研究手段需要不断完善。目前电动汽车主要的开发方式为计算机仿真、试验台开发和实车开发平台三种。这几种方法各有特点。用室内试验台架(电动汽车底盘测功机)对电动汽车整车包括电池、电机、能量管理系统和制动能量回收系统等进行综合试验，消除了无需研究的因素，显著缩短了试验周期，在某些方面可获得精度更高、更全面和更深入的试验结果。我校作为国家“863”电动汽车项目的项目成员之一，为了对所开发的电动汽车进行各方面的性能测试，专门提出将电动汽车测试平台作学校的“211”建设工程来研究开发，其主要目的就是开发适用于电动汽车性能测试的底盘测功机，为电动汽车的开发研究提供室内试验平台。本论文所做的工作主要是围绕这个课题展丌的。本论文借鉴和吸收了以往先进的研究成果，开发和研究了电动汽车室内测试设备汽车底盘测功机的相关技术。文章首先介绍了本课题的背景及其意义、电动汽车测试技术的发展情况和本课题的来源、研究目标及其主要工作方向；紧接着将电动汽车和内燃机汽车的工作特性做了相关比较，研究了电动汽车驱动力及其电动机功率计算的方法；然后介绍了电动汽车驱动电机的不同的结构型式，为电动汽车底盘测功机的结构及功能的设计提供了参考；接着提出了本课题设计的电动汽车底盘测功机所要达到的功能要求；在此基础上，对电动汽车底盘测功机的结构进行了设计，并选择了直流电机作为电动汽车底盘测功机的加载装置，并建立了直流电力测功机的控制模型，设计了电动汽车底盘测功机的测量和控制系统：最后对电动汽车底盘测功机的软件丌发进行了研究，基于先进的测试理念“软件即仪器”为指导，主要是利用介绍了网络化虚拟仪器技术及其在汽车测试系统中的应用技术。本论文到目前为止，作者已经对电动汽车底盘测功机丌发的关键技术做了系统的分析与研究。本论文目还比较粗糙，出于时间、条件和能力的限制，存在很多有待完善的地方。关键词：电动汽车，底盘测功机，直流电机，虚拟仪器，网络化武汉理工大学硕士学位沦文as in so V)is V is of V t on on on to Vhe V V,as so on，no in y is V of 63”o V is by V is as 11nd is to V Vis he VIn V of of of V Vof to V n V C as C on is on as in of V ut is a of noof ey V，C 言11课题的提出背景及意义汽车是现代文明的重要组成部分，是人类智慧的结晶。随着汽车技术的发展，高速公路网的逐步完善，加速了汽车走进千家万户，给人们的工作和生活带来了极大的方便。然而，随着内燃机汽车的保有量的不断增加，汽车给人类带来了的问题也经严重危害到人类今后的生活，主要表现在石油资源危机和环境污染问题上。目前世界上各种汽车的保有量超过6亿辆，每年新生产的各种汽车约3500万辆，按平均每辆车消耗5桶石油及石油制品计算，汽车的石油消耗量每年达到6070亿桶，约占世界石油产量的一半以上。经过长时期的现代化大规模地开采，石油资源日渐枯竭，按科学家预测，地球上的石油资源如果按目前的消耗水平，仅仅可以维持60我国，形势则更为严峻，根据1995年的统计数据，我国石油资源可歹1：采量仅仅为3288x 109吨，占世界总储量的23，可供我国开采22年。据统计，1990年我国在用汽车汽油消耗量为1962万吨、柴油消耗量为489 ，2000年在用汽车汽油消耗量为5526万吨，年增长率为199，柴油消耗量为1705万吨，年增长率为427，估计到20国汽车耗油量将达到76558055万吨。在2源问题尤其是石油资源问题，已经成为世界范围内迫切要求各国政府和科学工作者认真对待和优先解决的重大课题。内燃机汽车燃烧石油燃料对大气环境造成的污染最严重。据统计，大气污染的60来源于内燃机汽车。内燃机汽车的尾气排放主要有：二氧化碳(一氧化碳(氮氧化物(碳氢化合物(二氧化硫(、光化学烟雾、铅微粒(碳微粒(c)等。二氧化碳不是有害气体，但它的排放会使地球的大气变暖。据全世界气候统计资料表明，地球的大气温度逐渐变暖，形成所谓的“温室效应”，直接危害人类的身体健康，能够引起人类发生多种疾病。大气环境温度变暖还会使南极冰雪覆盖层融化或流失，造成世界性的气温失调，大气对流圈中的臭氧变浓，海洋中出现“厄尔尼诺”现象和引起大量海洋鱼类的死亡等。一氧化碳是一种毒性很大的气体。当大气中一氧化碳的浓度达到0001时，人们就会慢性中毒，出现缺氧、心慌等症状；当大气中一氧化碳的浓度达到0003时，人们就会进一步中毒，出现贫血、头晕、心疼等症状；当大气中一武汉理工大学硕士学位论文氧化碳的浓度达到0012时，人们就会深度中毒，在大气中一氧化碳的浓度达到1时，人们就会立即中毒身亡，即通常所蜕的“煤气中毒”。一氧化碳能够在大气中停留23年，在一些大城市上形成稳定的污染层，对大气环境造成严重的危害。氮氧化物包括一氧化氮(二氧化氮(一氧化氮在空气中与氧接触后也形成二氧化氮。当大气中的二氧化氮浓度达到00005时，人们就会出现呼吸失调的症状，从而引起肺功能衰退、伤风、感冒或眼睛发炎等，二氧化氮还可能形成酸雨，对植物和农作物造成危害。空气中的碳氢化合物对人类的视觉和听觉会产生刺激作用，而且可能使人发生癌变。二氧化硫对人的呼吸系统有刺激作用，而且会使有呼吸系统疾病的病情加重。二氧化硫也可能形成酸雨对植物和生念环境造成危害。1995年6月在上海市外滩，过高的汽车尾气排放污染物已导致了光化学烟雾事件，城市居民中患呼吸道疾病的人数逐年上升，交通民警值勤人员的人均寿命降低，交警已成为最危险的职业之一。噪音污染是内燃机汽车对环境的另一个污染，城市80的噪音污染是山交通车辆造成的。据统计，目前我国三分之二以上的城市人口生活在噪音水平较高的环境中，有30以上的城市人口生活在难以忍受的噪音水平中。随着我国汽车工业的快速发展，车辆的保有量越来越大，使得我国城市交通的噪音水平正在迅速增加。交通噪音已经严重影响了人们的身体健康，给人们的听觉系统、神经系统、心血管系统、内分泌系统、免疫系统以及心理造成极大危害。为了积极寻求开发低排放、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。电动汽车不仅是交通车辆，而且是一个新的社会系统。它集现代汽车、新能源、新材料、电力电子、电机及环保等高新技术于一体，有着广阔的发展前景。我国政府对电动汽车及产业的发展十分关注、高度重视和大力支持。“八五”期间正式列入国家攻关项目：“九五”期间经李鹏总理签署列入国家重大科技产业工程项目；“问经国家科教领导小组第十次会议批准，电动汽车列入“863”计划十二个重大专项之。我国实施专项目标，将以提升核心产品和新兴产业的竞争力为中心，在大幅度增加国家投入力度的同时，集成国家、地方、企业、高校、科研院所等各方面的力量，迅速抢占一批争在35年的时间内，取得重大技术突破和实现产业化。到目前为止，经过国内200多家企业、高校和科研院所近2000名主要技术骨干全身心参与电动汽车的研发工作，依靠产、学、研结合的机制进行技术创新，己在电动汽车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得较大进展。与此同时，建立并稳定了我国电动汽车产业发展急需的人才队伍；探索了专项监理制、节点控制、整车牵头等管理创新模式；开展了标准、政策与法规的研究，搭建了武汉理工大学硕士学位论文相应的动力蓄电池、燃料电池发动机、驱动电机等国家技术测验平台，初步形成了整车开发应用与示范平台；丌展了包括美、日、法、德等国家在内的广泛的国际科技合作与交流；营造了孕育电动汽车产业发展的社会氛围。目前电动汽车主要的开发方式为计算机仿真、试验台开发和实车开发平台三种。计算机仿真有适应性强、费用低、丌发周期短等优点，但受动力系统复杂的数学模型的制约，难以得到准确结果，仿真结果的可信性、可用性必须通过其它途径来检验。实车平台的优点是能够为开发对蒙提供真实的运行环境，但成本高、适应性差、测试和调节难度大。电动汽车底盘测功机试验台及与其相关的动力测试设备可以方便有效地对动力系统及其部件进行性能测试，对控制策略的优劣进行分析和评价，在电动汽车整车的开发中具有计算机仿真和实车平台所不可替代的作用，是电动汽车开发的基础设施。用室内试验台架电动汽车整车包括电池、电机、能量管理系统和制动能量回收系统等进行综合试验。该综合试验使用了功能比车载测试仪器更强的室内试验设备，消除了无需研究的因素，在某些方面可获得精度更高、更全面和更深入的试验结果。在试验中，建立台架与实车道路间的关系，利用计算机和测功机对电动汽车行驶滚动阻力、空气阻力和加速阻力进行模拟仿真，从而可在室内模拟电动汽车的道路试验，显著缩短了试验周期。所以建立电动汽车底盘测功机室内试验系统是很有必要的。目前电动汽车的研究主要集中在车用蓄电池、驱动电机的控制等方面。关于专门介绍电动汽车的性能测试技术方面的资料国内外都比较少。目前，我们国家已经初步制定了对电动汽车的检测标准，但是具体的测试系统还没有达到成熟。具体操作中，经常需要人力介入，很不方便，而且人力操作还存在一定误差。因此，有必要开发一套操作简单方便而又具有高精度的电动汽车测试系统。电动汽车试验台架的研究与开发可填补我国在电动汽车试验领域的空白，有利于提升我国电动汽车憋车和电动汽车各总成的总体试验水平，有利于建立一整套统一、规范、科学的电动汽车试验规程、试验方法和试验标准，有利于建立统一、科学的电动汽车整车和零部件总成的评价体系。电动汽车试验台架的最终建立，可直接对电动汽车整车控划目标，如动力性能、经济性能和排放性能进行全面的检测，同时也可对电动汽车动力总成控制系统进行全面调试和检测，缩短整车试验和标定的试验周期，降低电动汽车研制的风险和成本。电动汽车试验台架的研制过程中取得的宝贵经验，对电动汽车整车和零部件总成的设计具有十分重要的指导意义。作为承担国家“863”电动汽车专项研究的武汉理工大学汽车工程学院，为了对所开发的电动汽车进行各方面的性能测试，专门提出将电动汽车测试平台作武汉理工大学硕士学位论文为武汉理工大学的“211”建设工程来研究丌发，其主要目的就是丌发适用于电动汽车性能测试的底盘测功机，为电动汽车的丌发研究提供室内试验平台。12电动汽车的测试技术的发展情况电动汽车重大科技专项的实施，实质推动了新能源汽车国家技术创新体系和机制的发展，建立了我国电动汽车研发的国家技术标准平台、测试检验平台、政策法规平台以及示范应用平台。截至2004年底，已完成电动汽车整车产品13项新标准的起草、5项标准的修订、6项关键零部件产品测试规范的制定；已分别在津、上海、大连建立起包括电动汽车蓄电池、驱动电机、燃料电池发动机在内的6个公共检测中心(基地)和试验平台；已在北京、武汉、天津、威海等几个城市开展电动汽车商业化试验示范运营，共有60多辆电动汽车正以各种形式进行试验运行。电动汽车专项的实施得到了许多地方政府的大力支持，并已列入当地政府工业发展规划。1998年6月开办的汕头一一南澳国家电动汽车运行试验示范区，是我国唯一的电动汽车运行试验示范区。几年来，在试验示范区内参加试验的有中国、日本、美国等国内外电动汽车20多辆，示范区采用公务车、出租车、公共交通等形式进行运行试验，排除、处理车辆故障近1000次，取得了上亿个试验数掘，成为世界优秀试验示范区之一。目前，汕头一南澳国家电动汽车运行试验示范区已建成集科研、培训、运行、试验、停车、充电、维修等配套设施为一体的试验基地。“十五”期间，试验示范区又承担国家863计划重大专项电动汽车项目之一“电动汽车整车运行试验检测基地”的建设任务。实施“电动汽车整车运行道路可靠性考核试验用路谱、典型路段及其里程分配”、“电动汽车整车道路运行工况”、“电动汽车整车参数记录装置”、“电动汽车绝缘安全及充电器检测装置”、“电动汽车车载和地面高压绝缘短路安全检测试验技术”、“电动汽车在危险工况下的动力系统及整车安全性能检测试验技术”、“电动汽车动力电池组检测技术”、“电动汽车整车运行性能检测试验技术”、“电动汽车整车道路运行检测和用户使用考核试验条件的完善”、“示范区管理中心数据处理及网络通讯”、“燃料电池汽车试验用氢源供给”等研究课题和建设。目前，建设正在紧锣密鼓进行，并己通过国家重点项目建设监理二节点检查。2003年6月15同由东风电动车辆股份有限公司投资的首个国家级电动汽车实验室在武汉经济技术开发区悄然开工。作为国家“863”计划电动汽车重大专项中唯一承担两个整车课题的东风电动车辆股份有限公司，在研发中心的建设中不惜投入在东风电动汽车园2亿元的总投资中，各专业实验室的建设将投入武汉理工大学硕士学位论文12亿元。一期工程投入达2000括多能源动力总成台架、电机及其控制系统、电池及其管理系统和电动车整车集成控制系统等四个专业实验室。其建设目标是将其建设成公司的电动汽车、电动车及其它清洁能源汽车研发的试验基地，同时可为行业内主机及配套厂家提供服务。清华大学汽车安全与节能国家重点实验的陈全世、伦景光等主持完成了“电动汽车电池、电机、电控及整车性能综合测试系统研制”课题。该成果为国家“八五”科技攻关电动车项目的一个成果。该成果研制了一套包括电动汽车牵引电池变工况实验台、驱动电机及其控制系统和电动轮实验台，建立了一套包括整车转鼓实验台及电动汽车设计、数据传输和多功能计算机的局部网络。该成果的性能指标达到了攻关合同的要求，具有国外九十年代类似设备的先进水平。该测试系统成本却只有国外同类测试设备的十分之一或几十分之一，具有很大的推广潜力，不但为完成“八五”国家重点科技攻关项目一电动汽车关键技术研究奠定了基础，而且为国内其它单位进行电动汽车试验研究提供了试验条件。1996年5月攻关专题通过了机械工业部组织的鉴定。在鉴定意见中提到该系统“是当前国内第一个水平高的电动汽车研究、测试系统。成果有很好的应用前景。此成果的水平属国内领先，并达到国际九十年代水平”。从以上的情况可以看出，在我国对电动汽车的性能的测试还主要是通过实车道路试验，而对电动汽车室内试验的设备以及方法的研究还比较少。目前国内电动汽车的研究与开发已有一段时间，但主要停留在仿真阶段。分析主要原因有两点，资金和披术。高校及一些研究单位没有足够的资金搭建一个电动汽车试验台。此外，出于在国内这一方面的研究尚属空自，没有可借鉴技术方案。国外虽然电动汽车的技术已经比较成熟，并且各大公司相继有样车推出，甚至已投放市场，但关于电动汽车试验平台的技术却鲜有报道。原因可能是技术的保密性或者相关研究也正处于起步阶段。因此，这将对台架方案的设计以及技术方案的确定带来一定的困难。综合以上分析，电动汽车汽车的研究在我国尚处于起步发展阶段，建立一整套完整的具有国内、国际先进水平的电动汽车试验台架系统，不管对电动汽车的理论研究还是电动汽车技术成果的推广都具有十分重要的现实意义。13本课题的研究目标以及主要工作本课题来源于我校“211”建设工程电动汽车测试平台项目。研究目标是开发适用于电动车试验的电动汽车底盘测功机，实现对电动汽车动力性、经济性以5武汉理工大学硕士学位论文及电能消耗规律等的测试。本课题需要解决的关键问题有：(1)电动汽车底盘测功机设备选型匹配设计计算。底盘测功机模拟汽车道路行驶阻力的能力，取决于匹配的加载装置的加载能力。通常，内燃机汽车底盘测功机的的加载装置采用电涡流测功机，它的可控性好、结构简单、价格低，选择适当的电涡流测功机完全可以模拟汽车道路行驶阻力情况。但出于电动汽车是通过电动机来驱动汽车行驶的，电动机有着与内燃机不同的外特性，电涡流测功机不能完全模拟电动汽车的道路行驶阻力，特别是在低转速的情况下。基于这样的考虑，我们必须重新选择合适的动力加载设备。(2)道路行驶阻力在试验台上的再现。用底盘测功机测试汽车性能和检测汽车的技术状况。就必须模拟汽车在道路上行驶时的各种阻力，使汽车的受力状况如同在道路上行驶。如何在试验台上模拟汽车的这些阻力也是该课题需要解决的关键问题。(3)数据分析和处理软件的编制。数据采集系统的设计年【信技术、计算机技术、网络技术等相关学科的知识。如果能很好的解决好这些问题，将大大地提高我们的测试速度、测试精度以及自动化程度，使其技术含量更加可观。武汉理工大学硕士学位论文第2章 电动、气车与内燃机汽车21电动汽车与内燃机汽车的，。较电动汽车与内燃机汽车相比，有其自身的许多特点。电动汽车的价格比内燃机汽车高，决定了电动汽车的初期投入大、费用支出多，但是电动汽车的维修保养费用低，随着使用年限的延长，其使用费用支出会逐渐降低，甚至会低于内燃机汽车使用成本。电动汽车同传统汽车相比有如下的特点：一、无污染，噪声低电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，有“零污染”的美称。众所周知，内燃机汽车废气中的粒、臭气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾。电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。嗓声对人的听觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫系统也是有危害的。但是，使用电动汽车并非绝剥无污染，例如使用铅酸蓄电池做动力源，制造、使用中要接触到铅，充电时产生酸气，会造成一定的污染。蓄电池充电所用的电力在用煤炭作燃料时会产生02、粉尘等。但它的污染较内燃机的废气要轻得多。更何况随着技术得发展，可以用其他电池做电动汽车的电源，如发展水电、核电、太阳能充电。二、能源效率高，多样化电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，屯动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。另一方面，电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避丌用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。三、结构简单使用维修方便电动汽车较内燃机汽车结构简单运转、传动部件少，维修保养工作量小，当采用交流感应电动机时。电机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵。四、动力电源使用成本高，续驶里程短目前电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善，尤其是动力电源(电池)的寿命短，使用成本高。电池的储能量小，一次充电后行驶里程不理想，电动车的价格武汉理工大学硕士学位论文较贵。但从发展的角度看，随着科技的进步，投入相应的人力物力，电动汽车的问题会逐步得到解决。扬长避短，价格和使用成本必然会降低。电动汽车与内燃机车在外表上没有什么区别。它们都采用橡胶轮胎，电动汽车行驶时，车轮与地面之间相互接触与相互作用，以及它们之间的力学过程也不存在本质的区别。这两种汽车的转向装置、悬架装嚣及制动系统基本上也是相同的。它们之间的主要差别是采用了不同的动力源。内燃机汽车是燃油混合气体在内燃机中燃烧做功，从而推动汽车前进。电动汽车是由蓄电池提供电能，经过驱动系统和电动机，驱动电动汽车行驶。因此，电动汽车的操纵稳定性、平顺性及通过性与内燃机汽车完全相同。电动汽车本身除具有再生制动性能外，与内燃机的制动性能也是相同的。对于电动汽车也不存在燃油经济性。电动汽车的能量供给和消耗，与蓄电池的性能密切相关。直接影响电动汽车的动力性和续驶里程，同时影响电动汽车行驶的成本效益，这是研究电动汽车经济性的课题。在电动汽车的动力性能计算中，驱动力、行驶阻力、空气阻力、加速阻力、坡度阻力的计算方法与内燃机汽车的计算方法相同，所不同的就是电动机的特性与内燃机的特性。22内燃机的转速特性内燃机速度特性是指内燃机油量调节机构(柴油机为调节齿杆、汽油机为节气位置一定内燃机性能参数(功率R、转矩L、燃油消耗率b。)随转速量调节机构固定在标定功率位置(汕门全丌位贾)的速度特性称为全负荷速度特性，通称外特性，它表示内燃机所能达到的最高性能。如果油量调节机构部分供油，此时的内燃机速度特性称为部分负荷特性。如果将这些函数关系以曲线表示，贝此曲线称为内燃机转速特性曲线或简称内燃机的特性曲线。相应的，外特性以曲线的形式表示称为外特性曲线，部分负荷特性以曲线的形式表示称为部分负荷特性曲线。8武汉理工大学硕士学位论文np 2燃梳的外特性中的功率与转矩特性曲线内燃机的典型的外特性曲线如图21。n。为内燃机的最小稳定工作转速。随着转速增加，内燃机的功率和转矩都在增加，最大转矩T。时的内燃机转速为n。再增加内燃机的转速时，T。有所下降，但功率继续增加，一直到最大功率P，此时内燃机转速为n。继续增加转速时，功率下降。允许的内燃机最高转速为n如转矩的单位以N率的单位以速以r功率与转矩有如下关系：P。竺 (2一1)、9545、一。23电动汽车的电动机特性下面我们主要研究下电动汽车的电动机的特性。231电动汽车对驱动电机性麓的基本要求电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂，因此，对驱动系统的要求是很高的。电动汽车使用的电动机应具有瞬时功率大，过载能力强(过载系数应为34)，加速性能好，使用寿命长的特点；应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区在恒转矩区要求低迷运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求，在恒功率区要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求；应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率；应在整个运行范围内具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程；另外还要求可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期武汉理工大学硕士学位论文工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。232电动汽车驱动电机类型的选择驱动电机的性能直接决定着驱动系统性能。在电动汽车上，电动机的选型原则为：(1)高性能、低自重、小尺寸；(2)在较宽的转速范围内有较高的效率；(3)电磁辐射尽量小；(4)成本低。另外，对电动机的选用还要综合考虑其控制系统的特点，要求能实现双向控制，回收制动再生能量。从发展趋势来看，传统的直流电动机将失去竞争力，丌关磁阻电动机和永磁混合电动机在电动汽车上的应用有更大的发展潜力。直流电机驱动系统具有成本最低、易于平滑调速、控制器简单、技术成熟等优点，在电动汽车上得到了广泛的应用。直流电机的缺点是效率低于感应交流电机，体积和质量较大，电刷和换向器的维护不便，且换向器和电刷限制了直流电机的转速，其最高转速大概在60008000r是三相交流电机最高转速的一半甚至更低。和直流电机相比，交流感应电机具有效率高(90以上)、结构简单、肇实可靠、免维护、体积小、重量轻的特点，因此具有广阔的应用前景。但是，从目前来看，交流电机的控制系统比较复杂，矢量控制的变频调速技术要求更高，采用大功率半导体器件和微处理器的成本比较高。从目前来看，感应交流驱动系统总成本要比直流电机驱动系统高，但由于其重量轻、效率高、更能有效地实现再生制动，因而在电动汽车上使用时的运营成本要比直流电机驱动系统时低。永磁同步电机驱动系统，随着成本的降低和可靠性的进一步提高，在电动汽车上也将在一定范围内得到应用，特别是小功率的永磁同步电机驱动系统。永磁同步电机交流驱动系统效率最高(达到97)、体积最小、重量最轻、也无直流电机的换向器和电刷等缺点，在电动汽车中也得到了一定的应用。但目前还存在成本太高，在可靠性和使用寿命等指标上比感应电机差等缺点。开关磁阻电机是一种新型电动机，它的结构比其它任何一种电动机都要简单，效率可达8593，转速可以达到15000r转矩一转速特性较好，在较宽的转速范围内，转矩、速度可灵活的控制，并有高的起动转矩和低的起动功率的机械特性。开关磁阻电机的控制系统较复杂，调节性能和控制精度要求高。工作时转矩脉动大，噪声也较大，体积比同样功率的感应电机要大一些。最近，一个新的研究方向是开发用于电动汽车的永磁混合电动机。10武汉理工大学硕士学位论文233电动汽车驱动电机参数的选择选择电动汽车驱动电机的关键是电动机的机械特性，电动机最重要的是转矩一转速(Tn)、功率一转速(关系，电动机的机械特性都可以用是选择电动机的参考或依掘。2331电动机的调速特性下面以宜流电动机为例来分析电动机的调速特性。直流电动机的转速可通过两种方法实现，一是电枢控制，二是励磁控制(永磁电动机的励磁是不可控的)。当直流电动机电枢电压减小(或增大)时，电枢电流和电动机转矩就会降低(或升高)。由于电枢的最大允许电流不变，且磁场是固定的，电枢电压的控制可在任何转速下保持最大转矩不变，但电枢电压不可超过其额定值，即电动机转速低于基速时可用这种方法控制调速。另一方面，当电枢电压恒定，直流电动机的励磁电压减弱时，电动机的感应电动势就会降低，由于电枢电阻很小，电枢电流增大的程度比磁场减弱的程度要大，因此电动机转矩增加，电动机转速也增加。由于电枢的最大允许电流是常数，当电枢电压保持不变时，无论转身多大感应电动势都是恒定的，因此电动机所允许的最大功率恒定，允许的最大转矩随电动机转速的变化而逆向变化。采用电枢控帝和励磁控制相结合的方法可使电动机有较宽的转速控制范倒。图22说明了两种控制方法允许的最大转矩与最大功率与电动机转速之问的关系。当电动机转速低于基速时，励磁电流保持再额定值，用电枢控制调速。当电动机转速高于基速肘，屯枢电压保持在额定值，用励磁控制调速。图232电动机额定功翠的迓撵电动机的额定功率若选小了，则电动机经常在过载状态下运行，会因过热而过早损坏，还有可能承受不了冲击负载或造成起动困难。额定功率若选得过大，电动机经常在欠载下运行，其效率及功率因数等指标交羞。使综合经济效益下胯一正确选择电动机功率应考虑电动汽车最高车速、爬坡最高车速：在现阶段作为城市交通工具的电动汽车大多数情况下是以中、低速行驶，因此，最高车速可以定得低些。加速性能：一般来说电动汽车电动机的储备功率越高，加速性越好，但又会使电动机经常处于欠载下工作。为了不浪费能源，尽可能提高电动机的使用效率，其加速性只要能满足城市车流的需要即可，但也需考虑到行驶工况的复杂性，如坑洼路面、坡度、满载启动加速等，这就要求电动机有一定的过载能力，能发生高于额定转矩L 55倍的转矩。礤燃油汽车一样，设计中一般先从预期的最高车速来初步选择电动机的功率，使功率大体等于但不小于以最高车速行驶时行驶阻力功率之和。2、333电动机额定转速(或额定频率)的选择额定功率相同的电动机，额定转速高时，其体积小、重量轻、价格低、效率和功率因数也较高，且从整车性能来说既可减少实际运行过程中的机械损耗，也可为控制系统提供较大的调速范围，因此车辆高速运行时电动机转速越离越有利。但在汽车的行驶速度一定时，电动机的额定转速越高，则传动速比大，有可能加大主减速器的速比和尺寸。因此电动机额定转速的选择应综合考虑以上因素。2334行驶工况与电机机械特性的平衡点采用交流驱动系统时，电动汽车动力设计需要考虑两个主要的动力与阻力平衡点：个是常规行驶车速，等速平地行驶的转矩平衡点，一个是最高车速的平衡点。如果常规车速的平衡点选在基频上，根据三相异步电动机调频特性，则在较高车速时电动机等功率运行。因此建议常规车速的平衡点应选在基频上，而最高车速的转矩平衡点实际上落在了等功率特性段，此时应合理考虑该工况的转矩储备和功率储备，以保证电动汽车的其它动力性。234电动汽车驱动电机的控制策略电动汽车的电动机有多种控制模式。传统的线性控制，如能满足高性能电动机驱动的苛刻要求。传统的变频变压(制技术，不能使电动机武汉理工大学硕士学位论文满足所要求的驱动性能；感应电动机多采用矢量控制(是比较好的控制方法。近几年，出现了先进的控制策略。适川于括自适应控制、变结构控制、模糊控制和神经网络控制等。自适应控制包括自调节控制(模型参考自适应控制(运用制器的参数可以根据系统参数的变化进行自动调整。关键在于运用一个识别模块来跟踪系统参数的变化，并通过控制器的自调整模块更新控制器的参数，这样就可以获得理想的闭环控制性能。运用出模型的响应必须跟踪参考模型的响应，而不管系统模型的参数如何变化，基于利用参考模型和系统输出差别的自适应算法，控制器的参数不断加以调整，从而可得到理想的闭环控制性能。现在，结构控制(近也应用到电动机驱动中，与自适应控制进行竞争。运用统提供不敏感的参数特性，规定误差动态并简化所执行的操作。根据一系列的开关控制理论，系统必须按预定的轨道在相平面内运行，而不管系统参数如何变化。模糊逻辑(神经网络(新技术最近也被引入电动机控制领域。模糊控制实质上是一种语言过程，它基于人类行为所使用的先前经验和试探法则。利用神经网络控制(控制器有可能解释系统的动态行为，然后自学并相应的进行自我调整。此外，这种先进的控制策略还能结合其它控制策略形成新的控制模式，比如自适应模糊控制，模糊不久的将来，利用人工智能(控制器不用人的干预就能进行系统诊断和错误修诈。各种大功率电子器件，如有微机处理器电动汽车的电动机的控制方法和智能控制提供了重要保证。24电动汽车驱动力及电动机功率计算241电动汽车的驱动力电动汽车的电动机输出转矩M，经过戎速齿轮传动，传到驱动轴上的转矩M”使驱动轮与地面之问产生相互作用，驱动汽车前进。电动汽车的驱动力，丝：堕q (22)， 。汽车驱动力，单位N：M电动机输出转矩，单位Nm：i。减速器或变速器传动比；主减速器的传动比；n电动汽车机械传动效率；r驱动轮半径，单位m。电动汽车的行驶阻力包括滚动阻力、空气阻力、加速阻力、坡度阻力+凡+ (23)式中：，一一滚动阻力，E=fG，为车辆总重力；=G为坡度角度；U：12115，为迎风面积为车速，单位h；，=6詈百为转动部件的惯性负荷，也称为质量换算系数，掣为汽车的加速度，单位卅s：；了，一行驶阻力之和。电动汽车的行驶条件是驱动力f 。当，一+易时，电动汽车等速行驶；当F，F，+时，电动汽车既可加速行驶，也可爬坡。驱动力动机到车轮的传动比f，车轮滚动半径动机转速：丝：!：翌 (24)。一0377n (25)时将电动汽车的行驶特性莺于同坐标系，两条特性曲线的交点对应的车速为电动汽车的最大行驶速度。如图2汉理工大学硕士学位论文图7，2电动机驱动功率力功率+E+凡+)“。=号(尸，十只+) (2咱)式中：电动机输出功率；B电动汽车驱动功率：，7传动系统效率。电动机瞬时输出功率。，短时输出功率昂。，连续输出功率匕，(尸f+只)町是考虑电动汽车滚动阻力和空气阻力时的驱动功率。最大车速是电动祝连续输出功率与驱动功率曲线的交点，如图24所示。良，U +只)叩时，电动汽车可获得加速度或爬坡所需的功率根据电动机的短时输出功率来计算电动汽车的加速度!兰或爬坡度口。大运行速度、迎风阻力系数进行初步的估算。然后再根据速度和爬坡度的计算校核。电动汽车驱动功率平衡式(2经过单位换算后得到：气5吉c+警+祭+鬻协，当电动汽车在水平道路(口；0)上加速行驶时，出式(26)、(27)可计算其加速度：警=警肾扣j (2动汽车的加速曲线如图2u。(h)12060U 40 80 120 160 t一o)上坡对，可计算出车速为。时的爬坡度。蚓】 (2动汽车的坡度与速度之间的关系曲线如图26所示。地府04O2O 60 120 u(h)图2动汽车驱动电机的结构型式采用不同的电机驱动系统可构成不同结构型式的电动汽车。了解了电动汽车驱动电机的结构型式，我们就可姒针对其不同的结构设计出相应的合理的电动汽车底盘测功机的结构。31单电动机或多电动机结构一种是采用单个电动机驱动车轮，另一种是采用多个电动机一起单独驱动每一个车轮。单电动机结构的优点是：由于只用一个电动机，它能最大限度地减少柏应地体积、质量和成本。而多电动机结构能减少单个电动机的电流和功率的额定值，并能均衡电动机的尺寸和质量。对于电动汽车，如果采用双电动机或者四个电动机，由于每个电动机的转速可以有效地独立调节控制，实现电子差速，在这种情况下，电动汽车可以不用机械差速器。差速器是传统汽车的标准组件，电动汽车也采用了这项技术。汽车转弯时，外侧车轮的转弯半径比内侧车轮的大，必须利用差速器来调整两侧车轮的转速否则，车轮会产生滑移从而引起轮胎磨损加剧、转向困难、道路附着性能变差等。机械差速器的行星齿轮绕各自的轴旋转，从而使两个半轴齿轮能以不同转速旋转。电子差速器的优点是体积小、质量轻，在汽车转弯时可以实现精确的电子控制，提高电动汽车的性能；其缺点是由于增加了电动机和功率转换器，增加了初始成本，而且在不同条件下对两个电动机进行精确控制的可靠性需要进一步的发展。如果电动汽车采用单电动机驱动就必须装机械差速器，而多电动机系统就采用电子差速器。图3于这两种机构各有优点，因此在现代电动汽车上都有应用。例如，通用汽车公司推出的过，现在单电动机结构的应用占主流。32轮毂电动机驱动结构如果将驱动电动机直接安装在车轮上，可以缩短甚至可以去掉电动机与车轮之l自取决于是采用高速内转子还是低速外转子电动机。若采用商速内转子电动机，则必须装固定速比的减速器来降低车速。一般采用高减速比的行星齿轮减速装置，安装在电动机输出轴和车轮缘之间，这种电动机设计的武汉理工大学硕士学位论文工作转速约为10000的是为了获得更高的功率密度。擦损失以及变速机构的承载能力等因素的限制，所选川的行星齿轮变速机构的速比为，而车轮的转速范围则降为O1000r采用低速外转子电动机，则可以完全去掉变速装置，外转子就安装在车轮轮缘上，而且电动机转速和车轮转速相同，因而就不需要减速装置。如图32为轮毂电动机的电动汽车结构图。这两种结构在现在的电动汽车上都有应用。不过，随着紧凑的变速机构的出现，行星齿轮变速的高速轮毂电动机比无齿轮变速的低速轮毂电动机的结构更为吸引人。鸯庠翠露禹矿强睁幽阔曰图32轮毂乜动机的I1动汽车结卡句图(a)带变速器的驱动 (b)不带变速器的驱动武汉理工大学硕士学位论文第4章 电动汽车底盘测功机的开发41对本课题的功能要求本课题开发的电动汽车底盘测功机，既能够测试传统汽车(内燃机汽车)的性能也可以进行电动汽车(包括纯电动汽车、燃料电池电动汽车、电动电动汽车)的特有性能的测试。故设计本底盘测功机具有如下功能：一、 基本功能。1加速性能测试；2最高车速测试；3爬坡度测试；4前后轴阻滞力的测定；5滑行试验；6校验车速表、校验啦税表；7，配备油耗仪的底盘；9