（光学工程专业论文）cvt电动汽车驱动系统优化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 电动汽车( e v ) 的研究是在环境问题及能源问题日益突出的情况下兴起的。电动 汽车关键技术研究主要包括：整车控制与管理、驱动系统、电池及其管理系统。 其中，驱动系统效率的高低，直接影响着整车的性能，故针对电动车的驱动系进行 改善驱动系统控制策略的研究是十分必要的。 由于无级变速传动系统速比可以连续变化，能够使得电动汽车的行驶条件与电动汽 车电动机独立，此时电动机可能的工作区间由无级变速器的速比范围( 最大、最小传动 比) 、电动机的最低转速和最高转速以及电动机的最大转矩确定，故在理论上，通过无 级变速器调节速比可以使电机工作于最佳经济转速，以达到提高电动汽车驱动系效率、 整车经济性的目的。 正是基于以上想法，本文在m a t l a b s i m u l i n k 平台搭建的整车模型中，利用无级 变速器可以实现速比的无级变化的特点，尝试以串联的方式连接电机和无级变速器，并 通过调节变速器速比，在满足整车动力性要求的前提下改变电机输出转速和转矩，使电 机工作于经济目标转速，以达到提高整车经济性的目的。 并针对无级变速器原有p i d 控制策略作了改进，将改进后的p 1 d 控制策略运用于 所建模型中，对比两种控制策略的仿真结果，显示控制效果得到了一定的改善。 论文的第一部分介绍了电动汽车、无级变速器的发展现状及相关技术原理，回 顾了国内外在这一领域的研究进展，并提出了文章的研究目标。 论文的第二部分对纯电动汽车电机驱动系统及电动汽车用电机作了介绍，并指出 了本课题研究的驱动系布置方式和选用的电机类型。 论文的第三部分介绍了无级变速器的基本原理、p i d 控制算法，及其各参数对控 制效果的影响。 论文的第四部分展示了建模所必需参数，并详细介绍汽车整车模型中各子模型 的建立方法。并重点讨论了电机最优工作曲线的确定方法。 论文最后，通过对仿真结果的分析，说明了p i d 控制算法各个参数对速比控制的影 响，分析了p i d 算法的局限性，并对原有控制算法作了改进，仿真结果表明，改进后的 算法克服了原有算法的不足。 关键词：电动汽车无级变速器p i d 一一墓望里三盔堂堡主堂鱼堡奎 一 一一一_ _ _ _ ，一一一一 a b s t r a c t 1 t l eb o o mo fr e s e a r e h e so ne l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) i s u n d e rt h eb a c k g r o u n dt h a te n v i r o n m e n t a l p r o b l e m sa n de n e r g yi s s u e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n ta n de m e r g e n t r e s e a r c h e s o nk e yt e c h n o l o g i e sf o re l e c t r i cv e h i c l e si n c l u d i n g ：v e h i c l ec o n t r o la n dm a n a g e m e n t s y s t e i n ， p o w e r t r a i n ，b a t t e r ya n d i t sm a n a g e m e n ts y s t e m v e h i c l ep o w e r t r a i ne f f i c i e n c yg r e a t l yi n f l u e n c e si t sp e r f o r m a n c e ，s or e s e a r c hw h i c h a i mt o i m p r o v et h ec o n t r o ls t r a t e g yf o re l e c t r i cv e h i c l ep o w e r t r a i n i sn e c e s s a r y t h es p e e dr a t i oo fc o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( c v t ) c a l l b ec h a n g e dc o n t i n u o u s l y ， w h i c hc o u l dd e c r e a s er o a dl o a d s a f f e c to ne l e c t r i cv e h i c l em o t o r so p e r a t i n g ，i n t h i sc a s e ，t h e o p e r a t i o nr a n g eo f t h ee l e c t r i cm o t o ri sd e t e r m i n e db yt h et r a n s m i s s i o ns p e e d r a t i osr a n g e f m a x i m 哪& m i l l i m u mt r a n s m i s s i o ns p e e dr a t i o ) ，m o t o rm i n i m u m & m a x i m u ms p e e da n d m a 】【i m 瑚 1o u t p u tt o r q u eo ft h em o t o r ，s 0i nt h e o r y ，b yc h a n g i n g t h ec v ts p e e dr a t i oc a n r e g u l a t em o t o r ，ss p e e dt ot h eb e s te c o n o m ys p e e d w h i c hc o u l di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f e l e c t r i cv e h i c l ep o w e r t r a i na sw e l la sv e h i c l ee c o n o m y h lt k s 恤s i s ，ib u i l tt h ev e h i c l em o d e lu n d e rm a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r m , c o n n e c t i n gt h em o t o r a n d c v ti ns e r i e sa r r a n g e m e n t ，b ya d j u s t i n gt h et r a n s m i s s i o ns p e e dr a t i oi nm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so f r o a dl o a d sf o ra d j u s t i n gm o t o rt ot a r g e ts p e e df o re c o n o m i c ，w h i c hc o u l dl e a d i n g t ot h ei 雌0 v 锄姐t o ft h ev e h i c l ee c o n o m y b yi 珥，r o v i n gt h ec l a s s i cp i d c o n t r o ls t r a t e g ya n da p p l i e dt h ei m p r o v e do n ei nt h ev e h i c l em o d e l ，t h e s i i u l a t i o nr e 趴l l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e dp i dc o n t r o la l g o r i t h m i sb e t t e ri nc o n t r o le f f e c tw h e n c o m p a r ew i t ht h ec l a s s i cp i da l g o r i t h m t h ef i r s tp a r to ft h et h e s i sd e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n to fe v ，c v ta n d r e l a t e dt e c h n o l o g i e s ， r c i v i e w e dt h el a t e s tr e s e a r c h e si nt h i sf i e l da n dp r o p o s e d t h ea i mo ft h et h e s i s t h es e c o n dp a r to ft h et h e s i s ，m a i n l yi n t r o d u c e dd i f f e r e n te vc o m p o n e n t s a r r a n g e m e n ta n d d i f f e r e n tt y p e so fe l e c t r i cm o t o rw h i c h c o u l db ea p p l i e di ne vp o w e r t r a i n - a n ds e l e c tt h ee v p o w e r t r a i na r r a n g e m e n ta n d t h et y p eo fm o t o rf o rt h er e s e a r c h n 武汉理工大学硕士学位论文 t h et h i r dp a r to ft h e s i si n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fc v t ，p i dc o n t r o la l g o r i t h ma n d e a c hp a r a m e t e r se f f e c to nt h ec o n t r o le f f e c t t h ef o u r t hp a r to ft h et h e s i sd e m o n s t r a t e dt h en e c e s s a r y p a r a m e t e r sf o rm o d e l i n g ，d e t a i l so f m o d e l i n gf o rv e h i c l e ss u b - m o d e l sa n dd i s c u s s e dt h em e t h o d st od e t e r m i n et h em o t o ro p t i m a l o p e r a t ec u r v e f i n a l l y ，b yc o m p a r i n gs i m u l a t i o nr e s u l t st od e m o n s t r a t e dt h ec l a s s i cp i dp a r a m e t e r s i m p a c to nt h e c o n t r o le f f e c ta n dt h el i m i t a t i o n so ft h ep i da l g o r i t h m b ya p p l i e dt h ei m p r o v e dp i d a l g o r i t h mw i t h i n t h ev e h i c l em o d e l ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e dp i da l g o r i t h mc o u l do v e r c o m et h e s h o r t c o m i n go ft h ec l a s s i cp i da l g o r i t h m k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n p i d i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：量璺亟日期：塑2 ：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：蚍夕 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 从第一辆汽车诞生至今的短短一百多年时间里，汽车已经遍及人类社会的各个角 落，并极大的改变了人们的生活与思维方式。在人们享受由汽车带来的种种便利时，汽 车对环境的所造成的危害也使人们深受其害。汽车对环境的影响主要是尾气排放所造成 的空气污染，目前汽车排出的废气已成为主要的空气污染源之一。汽车废气含有上千种 化学物质可分为气体( 一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物、醛类等) 和颗粒物( 碳黑焦油和 重金属等) 两大类。国外专家的研究表明，由于汽车废气的排放物主要悬浮在0 3 米至2 米之间的空间，这正好是人体的呼吸范围，对人体健康的损害非常严重，刺激人体呼吸 道，使呼吸系统的免疫力下降，导致暴露人群出现慢性气管炎、支气管炎及呼吸困难的 发病率升高、肺功能下降等一系列症状；尾气中的苯类物质是强致癌物质，会引发肺癌、 甲状腺癌、乳腺癌等。在经济较发达城市，随着产业结构的调整和环保技术的普遍应用， 工业污染、燃煤污染对城市污染的贡献率正大幅下降，而汽车污染的影响则均有不同程 度的增强，已成为主要的污染源。业内人士估计，1 0 年一1 5 年之后我国的汽车保有量 可能超过1 亿辆。治理汽车污染将是一项长期的、艰巨的、复杂的系统工程。 我国对进口石油的依存度已由1 9 9 5 年的6 6 上升为2 0 0 0 年的2 5 。2 0 0 2 年原油 进口量为7 0 0 0 多万吨，成为第四大原油进口国。我国目前每年石油消耗量约为2 亿吨， 其中汽油部分就占1 3 左右。发展新型的替代能源，不仅是经济持续、健康发展的需要， 而且关系着我国的能源安全，具有十分重要的战略地位。 以解决环保需求与能源危机问题为出发点，纯电动汽车的发展受到全球广泛关注。 纯电动汽车的推广应用可以有效地减少汽车尾气和城市噪音，显著改善环境，节约日益 枯竭的石油资源。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，并且被列入我国8 6 3 计划的重点项目。 与传统内燃机汽车相比，电动汽车( e v ) 在环境保护方面和新能源的利用方面存在着 巨大的优势。近2 0 年来，世界各国对电动汽车的开发投入了数百亿美元及大量的人力， 并取得了一些进展。从电动汽车的发展历程来看，到目前为止，共经历了三次发展浪潮。 第一次浪潮。1 8 8 5 1 9 1 5 年进入电动车发展的早期黄金时代。早期电动车的商业生 产在1 9 1 2 年达到高峰，当时美国就有3 0 0 多家企业生产电动汽车，如b a k e r 公司。1 8 9 9 年美国生产电动汽车共1 5 7 5 量，而此时内燃机汽车生产只有9 3 6 辆，同年电动汽车还 以1 0 6 k m h 的速度打破了当时汽车最高车速的世界纪录。随后，由于电池技术的限制， 电动汽车续驶里程短、充电时间长、使用不方便的难题在当时的技术条件下，始终无法 1 武汉理工大学硕士学位论文 得到很好的解决。而在这段时间里，内燃机技术却发展迅猛，再加上1 9 世纪末2 0 世纪 初发现了大量的油田，使得内燃机汽车所需的能源有了保障。因此，在上世纪3 0 年代 末，早期电动汽车的商业生产就进入了尾声，被动力性能较好的内燃机汽车完全取代而 退出历史舞台。 第二次浪潮。直到上世纪7 0 年代，两次石油危机和中东战争以及地球的生态环境 的不断恶化，使得节能和环保成为汽车发展的两大主题。汽车作为石油消耗品首当其冲 地成为节能的主要力量。降低燃油消耗、开发零排放或超低排放汽车成为当时各国汽车 工业共同研究的课题。 第三次浪潮。自上世纪9 0 年代初美国加州强制推行零废气排放政策以来，世界上 很快又兴起一场电动汽车的研究开发热潮，所涉及的领域包括车辆、机械、电子、新材 料、加工、能源等各个方面，内容十分广泛。世界发达国家及国外著名汽车公司都十分 重视电动汽车的研究和开发，不惜投入巨资，并制定了一些相关的政策、法规来推动电 动汽车和动力电池的发展。 电动汽车是由电动机驱动的机动车辆，包括纯电动车、混合电动车和燃料电池电动 车。电动汽车是一个复杂的系统它集成了多个子系统，如车身、电力驱动、能源、能量 管理等。电动汽车技术涉及多门学科交叉、包括电力电子工程、机械汽车工程和化学工 程等，有关的关键技术要求如下： 1 轻型、结实、低空气阻力、低滚动阻力和低质量的底盘和车身技术； 2 高功率密度和高效率、符合行驶性能需要的电动机驱动技术； 3 智能化的能量管理系统： 4 高效率和高可靠性的燃料补充和充电技术。 目前，纯电动汽车与燃油汽车相比，无论在运行性能和使用成本上，都无法和燃油 汽车相竞争。一方面，纯电动汽车的加速性能和最高时速都不及燃油汽车；另一方面， 与燃油汽车相比，纯电动汽车成本较高，续驶里程短，充电或更换电池不方便。如何解 决纯电动汽车上述缺点，是当前纯电动汽车研究的重点。 1 2 电动汽车 1 2 1 我国发展电动汽车的重要意义 1 ) 实现交通能源的多元化，维护国家的能源安全。 我国从1 9 9 4 年开始成为石油的纯进口国，2 0 0 0 年我国进口石油7 0 0 0 万吨，成品 油3 0 0 0 万吨，据国际石油组织( i e a ) 和中国能源研究所所预测，到2 0 1 0 年我国的石 油产量为1 7 亿吨，需进口1 3 亿吨。而到2 0 5 0 年石油需求量为5 0 亿吨，需进口石油 4 o 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 2 武汉理工大学硕士学位论文 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1 0 个城市中，有7 个在中国。近几年来随着 国民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，如果我们将来继续使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。 1 2 2 电动汽车的研究现状 2 0 世纪末，石油资源危机和汽车尾气排放成为以内燃机为动力的汽车所面临的两 大技术问题，汽车界势必要寻求低排放、综合利用能源的车辆。因此，具有这些特性的 纯电动汽车又成为各国研究的热点，它是解决能源危机和环境污染的重要途径，是2 1 世纪重要的新型绿色环保交通工具。近年来，关于纯电动汽车的研究主要集中在能量存 储系统( 如动力电池) 、电驱动系统和控制策略的开发研究方面，然而，在动力电池和其他 技术取得有效突破之前，对动力传动系部件的设计参数进行研究是提高电动汽车性能 的重要手段之一。纯电动汽车动力传动系部件的设计参数，如电动机功率和转矩、传动 系传动比以及它们之间的合理匹配等，对电动汽车的动力性、经济性、续驶里程等都有 显著的影响。 电动汽车主要由电机驱动子系统，主能源子系统和辅助控制子系统这三个子系统组 成。电动汽车的电动机驱动系统接受蓄电池输出的电能，将其转化为机械能，再以电动 机的输出轴作为驱动轴，通过传动系统，将动力传送到车轮上，驱动电动汽车行驶。 由此可见，电机驱动系统是电动汽车的关键组成部分，它的输出特性决定了电动汽 车的动力特性，同时，它的效率对电动汽车效率的影响也非常大。目前，国内外对电动 汽车电机驱动系统的研究都很多，主要集中在新型电动机的应用、电机驱动系统控制策 略的改进这两个方面。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 无级变速器( c v t ) 1 3 1 无级变速器的设计要求 汽车的传动系统的性能直接关系到燃油经济性的提高和废气排放的减少。因此，研 究和改进汽车传动系统仍然是非常重要的。 早期汽车变速器仅仅被认为是用来将特定转速范围内的发动机的动力进行适当改 变和传输，以满足车辆使用速度和转矩的要求。变速器本身的设计必须满足的要求有： 1 ) 高度的自动化：变速器应能很好的适应各种工作环境，而无须考虑驾驶员的技 术； 2 ) 较宽的速比范围：汽车风阻系数不断变小，发动机动力不断提高，允许汽车有 更高的车速，同时为了能让汽车运行在理想的工作区，因此需要连续的、范围大的速比； 3 ) 智能化的控制：如对工作环境的自适应控制、动力性和经济性模式的自动控制； 4 ) 更高的传动效率。 但是，随着国民经济的发展，为了适应环境、社会和人类的需要，人们对汽车变速 器提出更高的要求： 1 ) 使车辆具有更少的燃油消耗和更低的排放污染。 从现今能源消耗和环境保护的观点出发，满足低燃油消耗率和排放限值是未来传动 系设计的主要目的。 2 ) 使整车具有更好的舒适性。 通过对变速器的控制，使得速比变化平稳并能最大程度地实现驾驶愿望和必要的驾 驶动作；同时通过变速器与发动机的协调工作能够减少整车的噪声水平。 总之，为了适应汽车环保、节能、舒适的要求，最有效的方式就是找到一种高效便 捷的汽车变速器。 如果能实现汽车传动系速比无级变化，那将会很大程度上改善汽车的以下性能： 1 ) 驾驶平顺性、舒适性：在汽车起步和减速过程中不至于产生纵向冲击和抖动， 提高汽车乘坐的舒适性。 2 ) 经济性：无级变速传动系统在一定范围内可拥有无穷多个速比，能自由控制发 动机的工作点，在传动效率不是很低的情况下，可显著提高汽车经济性。 3 ) 尾气排放：由于无级变速能根据需要控制发动机的工作点，使发动机能最大限 度地被控制在最佳工作点附近，使混合气燃烧充分，大大降低尾气中有害物质的含量。 4 ) 动力性：无级变速传动提高了发动机的可利用功率的范围，在最佳工作动力模 式下，可将发动机的工作点始终处于最佳动力性模式，从而提高了汽车的动力性。 5 ) 操纵性：无级变速在变速过程中无需中断动力传输，再结合一些电子控制装置， 4 武汉理工大学硕士学位论文 可大大减轻驾驶员的劳动强度，提高汽车安全性。 1 3 2 无级变速器的发展趋势 无级变速器技术未来发展可从以下四个方面进行分析： 1 ) 无级变速器部件 推式传动带和传动链将在转矩传递容量和专用性上进一步加强。由于产品数量的迅 速增加，伴随产品过程的进一步自动化，成本会大幅降低。 无级变速器专用的液压泵将被推广。用于自动跳合和紧急制动的小型电子驱动泵， 和用于正常工况的发动机驱动泵的协同工作，将进一步改善整个变速器的效率。 滑轮优化设计将不仅减小系统的质量和降低成本，而且保证在主、从动轮和传动带 之间的最大传递转矩。不同部件、微处理器和测试设备的电子控制差异，导致非常高的 研究和制造成本，这将通过电液控制模块化设计和大规模生产而减小，从而将柔性的功 能和低廉的成本有机组合。 由于越来越多的无级变速器进入市场，制造商已经开始了研究开发无级变速器专用 变速器液，这将使无级变速器工作特性进一步优化。 2 ) 新型无级变速器 大量不同的布置有可能出现，不仅由于汽车驱动差异的要求，而且也由于增加传动 比覆盖范围的持续要求。 电子化将带来传动比、速度、压力和转矩的更快的、更精确的控制，保证发动机和 变速器更好的调节，提供了不同的行使模式，例如运动型、舒适型和巡航控制，从而使 用户获得全方位的“行使乐趣。 3 ) 发动机与无级变速器的集成控制 更精确、更快的无级变速器控制，将与发动机控制一起集成到整个传动系管理系统 中，使得油耗和排放的进一步降低。 4 ) 混合动力无级变速器传动系 无级变速器将承担带有飞轮储能装置的混合动力传动系设计中的重要角色。采用无 级变速器传动系的混合动力汽车的油耗有可能减少3 0 ，排放有可能降低5 0 。 目前，国外c v t 产品技术己相当成熟，并已进入中国。在我国，c v t 的研究工作 起步较晚，且主要集中在大专院校，尚处在研究开发阶段，并多以理论研究为主。 1 4 研究目标 就本课题而言，主要需要达到2 个目标： 1 ) 根据驾驶员意图，具体表现为加速踏板的变化情况，在汽车的各种运行工况 5 武汉理工大学硕士学位论文 下，利用c v t 无级变速的特点，根据电机特性，通过调节c v t 的转速比调节电机输出 转速和转矩，使其工作在经济性目标转速。即在满足汽车动力性要求的前提下，通过 控制变速器的速比，使汽车运行工况与电机的工况进行合理的匹配。 2 ) 改善c v t 的控制效果，即合理地选择c v t 的控制策略，以达到改善c v t 控制 器控制效果的目的。 建模与仿真研究有助于对复杂传动系统的开发，也是评价设计是否达到预定目标的 一种方法，在产品试制阶段是一种基本的和必要的工具。本文就是基于传统的汽车理论 分析的基础上，结合电动汽车传动系的数学模型，从汽车的整体上分析驱动系布置形式 及c v t 速比控制算法对汽车的影响，为电动汽车设计初期提供理论上的依据。 1 5 研究内容 本文以c v t 电动汽车的传动系为研究对象，重点做了以下几个方面的研究： 1 ) 通过分析无级变速器的速比控制原理，具体分析了控制对象和控制方法，为仿 真分析提供理论基础。 2 ) 依据电机的试验所得数据，建立电动状态下电机机的输出转矩数据模型，并通 过分析计算得到电动状态下，电机最佳经济性和最佳动力性的转速控制曲线的数据。 3 ) 分模块完成电动汽车的建模工作。通过典型工况的仿真，展示了p i d 各控制参 数对控制结果的影响。 4 ) 分析经典p i d 算法的不足，通过使用改进后的p i d 控制算法替代原有p i d 控制 算法的方式，达到改善汽车驱动系统控制效果的目的。 1 6 本章小结 本章主要介绍了论文的研究背景、目前国内在相关领域内的研究现状。并对研究 目的及主要研究内容做了简要阐述。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章纯电动汽车电机驱动系统介绍 纯电动汽车的基本结构可以分为3 个子系统，即电机驱动子系统、主能源子系统和 辅助控制子系统。 主能源子系统由主电源和能量管理系统构成，能源管理系统是实现能源利用监控、 能量再生、协调控制等功能的关键部件；辅助控制子系统主要是为电动汽车提供控制电 源，具有辅助电源的控制、动力转向、充电控制、空气调节等功能。 电机驱动子系统由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成。它将蓄 电池输出的电能转化为车轮上的动能，驱动电动汽车行驶，是电动汽车的关键组成部分， 可以说它是电动汽车的心脏。 2 1 电机驱动系统系统构成与布置方式 电动汽车电机驱动子系统又可分为电气和机械两大系统。其中电气系统包括电动 机、功率变换器和电子控制器三个子系统；机械系统的组成主要包括变速装置和车轮。 电机驱动系统的电气与机械系统有着多种组合方式，其基本布置方式有机械驱动布置方 式、机电集成驱动布置方式、机电一体化驱动布置方式和轮毂电机驱动布置方式四种布 置方式。各种布置方式之间最大的区别就在于对传统的机械传动部件保留的多少。越高 级的布置方式，对传统燃油汽车的机械传动部件保留得就越少，而且更能发挥电动汽车 的优势。 不论电动汽车的驱动系统采用哪种布置方式，其电气系统的结构基本上都相同，主 要由三个部分组成，如图2 1 所示。 图2 1 电力驱动系统的功能模块 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 机械驱动布置方式 1 电动机2 控制器3 变速器4 传动轴5 驱动轮6 后桥 图2 2 机械驱动布置方式结构简图 机械驱动布置方式的大体结构如图2 2 所示。 这种布置方式与传统燃油汽车的驱动系统布置方式没有太大的区别。它是用电动机 及其控制系统替代了发动机，其传动系统则基本不变，电动机输出轴与变速器输入轴相 连，通过变速器变速后，动力通过传动轴传递到主减速器，然后到差速器进行差速，最 后通过半轴将动力传给驱动轮，因而，它保留了传统燃油汽车的变速器、传动轴、后桥 和半轴等传动部件。 这种布置方式因为传动链相对较长，所以它的传动效率也相对较低。但是，只需用 电动机及其控制系统对燃油汽车的发动机进行置换，就能得到一辆电动汽车，工作相对 简单，方便将传统汽车改装成电动汽车，且有利于集中精力进行电机及其控制系统的研 究。故本课题所研究电动汽车就采用这种布置方式。 2 1 2 机电集成化驱动布置方式 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 控制器2 电动机3 驱动轮4 传动箱体 图2 3 机电集成化驱动布置方式结构简图 电动汽车采用电动机作为驱动元件。电动机的调速范围比较宽，而且它的输出特性 与车辆要求的驱动系统理想供应特性比较接近。机电集成化驱动布置方式充分利用电机 的这一特性，取消了齿轮变速器，采用部分机械传动的齿轮、差速器、半轴等零部件来 传递动力。 图2 3 是这种布置方式的结构简图。机电集成化驱动系统使得传动系统得到简化， 腾出了很多的地方来布置电池和扩大乘坐空间。 2 1 3 机电一体化驱动布置方式 机电一体化驱动布置方式在机电集成化驱动布置方式基础上，进一步减少了传动元 件。它采用左右两个双联式电动机作为驱动电机，这两个电机直接驱动左右两个半轴， 从而带动驱动轮的旋转。其结构如图2 4 所示。 这种布置方式最大的进步就是取消了机械式差速器，在左右两个双联式电机之间， 配置了电子控制的差速器，用电子差速器来解决左右半轴的差速问题。采用这种差速方 式，能使电动汽车得到更好的灵活性，而且可以更方便地引入a s r ，使电动汽车在复 杂路况下获得更好的动力性能。这种布置方式打破了传统的汽车传动系统布置方式，形 成了电动汽车独特的驱动方式。 这种布置方式节省了空间，提高了传动效率。它采用电子集中控制，并可能逐步实 现网络化和自动化控制。这种布置方式与前两种布置方式有着很大的不同。电动汽车驱 动系统布置方式发展到这一步才有可能充分体现电动汽车的优势。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 控制器2 电动机3 驱动轮 图2 4 机电一体化驱动布置方式结构简图 2 1 4 轮毂电机驱动布置方式 轮毂电机驱动布置方式的电机装在电动汽车的车轮轮毂中，直接驱动电动汽车的驱 动轮。如图2 5 所示。 1 控制器2 轮毂电机3 驱动轮 图2 5 轮毂电机驱动布置方式结构简图 由图可见，这种布置方式比机电一体化驱动布置方式的结构更简洁，电动机直接驱 动车轮，把机电一体化驱动系统中的半轴也取消了，把传统燃油汽车机械传动系统所占 的空间完全解放了出来。同时，它还可以对各个驱动电机进行相互独立的控制，有利于 提高车辆转向灵活性和充分利用路面附着力。这种布置方式比以上介绍的各种布置方式 更能体现电动汽车的优势。采用这种布置方式的驱动系统需要解决的问题就是如何保证 车辆行驶的方向稳定性，同时，采用这种布置方式的驱动系统其驱动电机及其减速装置 必须能够布置在车轮空间内，因此要求驱动电机的体积相对较小。现在，用于这种布置 方式的驱动电机主要有交流感应电机和永磁电机。目前，n i s s a n 的f e v ，f o r d 的e c o s t a r 都采用了这样的布置方式，g m 也已宣布将在它的电动汽车和混合动力车上采用这样的 布置方式。它是未来电动汽车驱动系统布置方式的发展趋势。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 电动汽车电机驱动系统分类与选择 电动汽车与其它的电力驱动系统相比较，有其自身的特点。它对驱动系统相应有其 特殊的要求： 1 ) 能够频繁地启动、停车，加、减速，对转矩控制的动态性能要求高； 2 ) 电动汽车驱动的速度、转矩变化范围大，既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功 率区，同时还要求保持较高的运行效率； 3 ) f j 邑在恶劣工作环境下可靠地工作。 正因为电动汽车对其驱动系统有这些特殊要求，所以在电动汽车电机驱动系统设计 中，驱动电机的选择及其变流器、控制器的设计，都必须考虑到这些特殊的要求。 电动汽车驱动系统可以按照驱动电机的种类进行划分，可分为：直流电机驱动系统、 交流感应电机驱动系统、永磁同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统等。 2 2 1 直流电机驱动系统 直流电动驱动系统是以直流电动机为驱动电机的电动汽车驱动系统。与直流驱动电 机相匹配的变流器是斩波器，它将固定的直流电压变成可调的直流电压；调速方法主要 是调压调速和调磁调速。 直流电动机是最早应用于电动汽车驱动系统上的电动机。它结构简单，具有优良的 电磁转矩控制特性。目前，直流电机驱动系统仍然在城市无轨电车上广泛应用。由于直 流电动机使用电刷结构，使得它的转速、功率密度、使用寿命都受到了限制，同时它的 重量和体积也较大。随着现代交流电动机调速方法的改进，交流电动机的调速性能已经 赶上了直流电动机。作为驱动电机，直流电动机最终将被交流电动机所取代。 2 - 2 - 2 交流感应电机驱动系统 交流感应电机又称异步电动机。最初由于电力电子技术以及调速方法的限制，它在 电动汽车驱动系统中的应用并不被看好。随着现代电力电子技术的发展，大功率电力电 子器件的出现，以及调速方法的改进，使得交流感应电机的调速性能逐渐赶上并超过了 直流电动机。目前交流感应电动机已经成为在工业应用中使用最为广泛的拖动电机。现 在，虽然交流感应电机调速系统比较复杂，成本较高，但是由于电机本身具有体积小、 成本低、调速范围宽、响应快等优点，目前国内大部分电动汽车还是采用了交流感应电 机驱动系统。 相对于直流电动机而言，交流感应电动机的调速系统比较复杂。它的变流器又称逆 变器。由于蓄电池以直流的形式输出能量，所以要用蓄电池输出的能量来驱动交流感应 武汉理工大学硕士学位论文 电机，就必须将蓄电池输出的直流电进行变流处理，将其逆变为交流电。逆变器的工作 原理是通过电力电子器件的开关及合理的交流电路来将直流电逆变成交流电。现代电力 电子技术的发展，为交流感应电机调速性能的改善提供了硬件条件。 交流感应电机的调速方法主要包括改变转差率调速、调压调速、变频调速、变极对 数调速等，其中以变频调速应用最为广泛。现代研究较多的调速方法有p w m 调速、矢 量控制( v c ) 和直接转矩控制( d t c ) 。后两项技术自上世纪末问世以来，在短短2 0 年时间里已经得到了很大的发展和改进。 现代控制算法在电动汽车驱动系统电机调速中也得到了应用。现代电动汽车驱动系 统电机调速的研究主要集中在结合现代控制算法和现代电力电子技术的新型调速策略 的应用上，如：模糊逻辑在变极对数调速中的应用、p w m 逆变器在变极对数调速中的 应用、变结构滑模控制，同时d s p 器件也逐渐在该系统中得到应用。 2 2 3 永磁同步电机驱动系统 永磁同步电机又分为无刷直流电动机和无刷交流电动机。永磁同步电动机的转子磁 链是不可控的，可以控制的只有定子绕组的电流。所以永磁同步电动机的控制方式一般 是电流控制，它包括三部分：电流指令的生成、定子电流检测和电流的闭环控制。不同 的是无刷直流电动机的定子电流是三相方波电流，无刷交流电动机的定子电流是三相正 弦电流。 永磁同步电动机由于转子无导条，无铜耗，所以转子惯量可以做得很小。与普通直 流电机和异步电机相比，它的功率密度大，体积小，转矩、惯量比大，传动系统动态响 应快。但目前由于永磁同步电动机价格较贵，调速范围也没有交流感应电机宽，所以应 用范围还比较有限。国外对这两类电动机在电动汽车上的应用都有研究，而在国内，这 类研究则相对较少。 2 2 4 开关磁阻电机驱动系统 在电动汽车驱动系统设计中，人们一直希望寻找一种价格低廉、运行可靠，调速范 围宽的电动机。开关磁阻电机就是这样开始得到研究者的重视。2 0 世纪8 0 年代，研究 者们就开始设计用作电动汽车驱动电机的开关磁阻电动机。开关磁阻电动机与直流电动 机和交流电动机在结构上有很大的不同，它与反应式步进电动机相似，为双凸极可变磁 阻电动机。其工作原理是基于电子绕组通电后，其磁路选择最小磁阻路线的趋势而产生 转矩的。 开关磁阻电动机的结构简单，运行速度范围宽，是一种极具潜力的驱动电机。但目 前，它的噪声和转矩波动比较大，在电动汽车上的应用还不很广泛。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 5 电动汽车电机驱动系统的选择 在选择电动汽车电机驱动系统时，需要考虑的几个关键问题是成本、可靠性、效率、 维护、耐用性、重量、尺寸以及噪声等。对以上四种驱动电机进行比较，如表2 1 所示。 在接受调查的专家中，7 2 的专家选择感应电机作为电动汽车驱动电机，原因是感 应电机成本低，可靠性好，调速范围宽，控制器较成熟，制造技术较成熟，转矩波动小， 噪声小，不需要位置传感器；1 7 的专家选择无刷直流电机作为电动汽车的驱动电机， 因为无刷直流电机结构紧凑，重量轻，效率高，控制性能好。只有1 1 的专家选择了开 关磁阻电机作为电动汽车的驱动电机，原因是s r m 可靠性好，成本低，简单，高速潜 力大。 由文献的调查比较可知，虽然，永磁同步电机和开关磁阻电机在能量密度和效率上， 比交流感应电动机有优势，但在目前，交流感应电动机仍然是电动汽车驱动电机的首选。 在本文的研究中，也将选用交流感应电机作为电动汽车驱动电机。 表2 1 电动汽车用电机性能比较 电机类型优点缺点应用前景 直流电机( d c )结构简单，具有优1 有刷，易产生电比较于其它驱动 良的电磁转矩控火花，引起电磁干系统而言已处于 制特性。扰，维护困难。劣势，处于被淘汰 2 价格高、体积和地位。 重量大。 交流感应电动机 1 价格低。 控制装置较复杂。己成为目前多数 ( a c )2 维护易。交流驱动电动汽 3 体积小。车的首选。 永磁同无刷直流1 控制器较简单。价格较贵。随着稀土永磁材 步电动电动机2 效率高，能量密料的出现，这类电 机( b d c m )度大。机有望与交流感 无刷交流 应电机争夺市场。 电动机 ( p m s m ) 开关磁阻电动机1 简单可靠，可调1 转矩波动大。目前应用还受到 ( s i 洲) 范围宽，效率高。2 噪声大。限制。 2 控制灵活。3 需要位置检测 3 成本低。 器。 4 有非线性特性。 2 3 电动汽车交流感应电机驱动系统的能量回馈 制约电动汽车发展的个关键因素是它的续驶里程问题，而再生制动可以节约能 源、提高续驶里程，具有显著的经济价值和社会效益。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章在分析了电动汽车驱动系统的布置方式和分类后，确定了以采用传统机械驱动 布置方式，将交流感应电机串联无级变速器的电动汽车的驱动系统作为研究对象。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章金属带式无级变速器基本原理 金属带式c v t 是将来自发动机的动力靠主动带轮与金属片间摩擦力传递副金属片 上，然后再通过金属片间的相互挤推力、金属环与金属片间摩擦力传递到金属片上，然 后通过金属片间的相互推挤力、金属环的张力及金属片与从动带轮间的摩擦力传递到从 动带轮上。 3 1 金属带式无级变速器的结构 金属带式无级变速器是集机、电、液于一体的产品，主要是由起步离合器、行星齿 轮机构、无级变速机构、控制系统和中问减速机构构成，如图3 1 所示。 1 主动半可动锥轮2 行星架3 双排行星轮4 发动机输入轴5 太阳轮6 倒档制动器7 前进 离合器8 主动缸9 中间减速齿轮副1 0 半轴 1 l 从动半固定锥轮1 2 从动缸 图3 1 金属带式无级变速器结构示意图 1 ) 起步离合器 目前，用作汽车起步的装置有湿式离台器、电磁离合器、液力变矩器三种。目的是 使汽车以足够大的牵引力平顺地起步，提高驾驶舒适性，必要时切断动力传递。 武汉理 大学硕士学位论文 2 ) 行星齿轮机构 无级变速器的行星齿轮机构采用双行星齿轮机构，行星架上固定有内、外行星齿轮 和右支架，其中右支架是通过螺栓固定在行星架上，外行星齿轮和齿圈啮合，内行星齿 轮和太阳轮啮台。它们可以实现前进和倒挡。 3 ) 无级变速机构 无级变速机构由金属传动带和主、被动工作轮组成。金属传动带由两百多个金属片 和两组金属环组成，每个金属片的厚度为14 m m ，在两侧工作轮挤压力作用下传递动力。 每组金属环由9 或1 2 片厚度为ol $ m m 的带环叠台而成，金属环的功用是提供预紧力。 在动力传递过程中，支撑和引导金属片的运动，有时承担部分转矩的传递。主、被动工 作轮由可动和不可动锥轮两部分组成，如图32 所示。 和蓦 图3 2 金属带轮组及金属带的结构图 一、， 4 ) 控制系统 在无级变速器系统中采用机- 液控制系统。它主要由油泵( 齿轮泵和滚于叶片泵) 、 液压调节阀( 速比、带与轮h j 央紧力的调节) 、传感器( 油门和发动机转速) 和主、从 工作轮的液压缸及油路组成，实现传动无级变速的调节。速比控制、央紧力控制和起步 离合器的控制是无级变速控制系统的关键。 5 ) 中间减速机构 由于无级变速机构可提供的速比变化范围为2 4 4 5 左右，不能完全满足整车传 动比