（检测技术与自动化装置专业论文）电动汽车用srm数字化驱动系统.pdf

天津科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写的成果内容。对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 力m i ：t 期：刎影年月z 徊 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天津科 技大学所有。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：舷t 砷i 日期：列g 年f 月w 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权天津科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密ii ( 请在方框内打“”) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密圈( 请在方框内打“、”) 。 作者签名：礅，司r 1 日期：翮g 年1 月2 争日 导师签名：擎钍坐 日期：声po 符厂月矽绸 摘要 电动汽车具有清洁无污染、能量来源多样化、能量效率高等优点，已经成为世界 各国竞相发展的产业。s r m ( 开关磁阻电机) 具有结构简单、能在较宽的速度和转矩范 围内高效运行、可靠性高等特点，是极具发展潜力的电动汽车驱动电机之一。本课题 的主要工作是研制用于电动汽车驱动的s r m 驱动系统。 本文在对前人研究成果以及大量资料文献的了解下，介绍了当前电动汽车用电机 的情况和发展趋势，通过比较其他调速系统，分析说明了s r m 调速系统的优缺点。 从s r m 的性能入手，在m a t l a b s i m u l i n k 下建立了s r m 的线性仿真模型，并对 模型进行了详细的仿真分析研究。在此双闭环系统中，采用最新的矢量控制策略。仿 真结果证明了该建模方法的合理性和有效性。 其次，完成了基于d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 电动汽车用s r m 的硬件系统的设计。 根据电动汽车驱动系统的特点，研制了本系统所采用的功率变换电路，i g b t 驱动电 路，控制电路，检测电路及相应的保护电路。然后，设计了d s p 控制电路和相应的外 围电路。为了提高电路的可靠性，电路采取了光耦隔离等抗干扰措施。 然后，完成了系统的软件设计。本系统采用p i 数字调节，发出相通断信号和p w m 信号，并和电流、电压等保护信号相结合，实现对主功率元件的通断控制。控制软件 采用模块化编程，增强了程序的通用性和可读性。 最后对该系统的运行性能进行了总结，对下一步用于电动汽车驱动的s r m 驱动 系统的研究和开发具有一定的参考价值。 关键词：电动汽车；开关磁阻电机；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ：i g b t a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g eo fc l e a n ，n oc o n t a m i n a t i n g ，t h ee n e r g ys o u r c ed i v e r s i f i e sa n dh i g h e n e r g ye f f i c i e n c y , t h ee l e c t r i cv e h i c l e sh a v eb e e np a y i n gs i g n i f i c a n ta t t e n t i o nt h r o u g h o u t t h ew o r l d t h em a i na d v a n t a g e so fs r m ( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ) i nt e r m so fs i m p l e c o n s t r u c t i o n ，h i l g ht o r q u ed e n s i t i e sa n dh i g hf a u l tt o l e r a n c eh a sb e e nr e c o g n i z e do n eo ft h e b e s td r i v i n gm o t o r si ne l e c t r i cv e h i c l e s t h em a i nw o r ki nt h i st h e s i si st od e v e l o pt h es r m d r i v es y s t e mw h i c hi su s e di nt h ee l e c t r i cv e h i c l e s b a s e do nt h er e s u l t so ft h ep r e d e c e s s o r sa n da l lk i n d so fr e f e r e n c e ，t h ec u r r e n t a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a ld r i v e nm o t o ri ne l e c t r i cv e h i c l e sw e r ei n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r c o m p a r i n g 、i t l lo t h e rd r i v e ns y s t e m s ，t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f s r md r i v es y s t e mw a sa n a l y z e d t h e nal i n e a rm o d e lb a s e do nm a t l a b s i m u l i n kw a s b u i l ti nt h i sp a p e r i nt h ed o u b l el o o po fc o n t r o ls y s t e m ，an o v e lt o r q u ev e c t o rc o n t r o l s t r a t e g yw a sa d o p t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h em e t h o dw a sr e a s o n a b l e ，e f f e c t i v e a n dh e l p f u li nt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no ft h es r md r i v es y s t e m s e c o n d l bas r md r i v es y s t e mu s e di ne l e c t r i cv e h i c l ew a sd e v e l o p e db a s e do nd s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cv e h i c l e ，m a i nc i r c u i t ，d r i v e c i r c u i to fi g b t , c o n t r o lc i r c u i t s ，d e t e c t i n gc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i tw e r ed e s i g n e d t h e n ，t h ed s p c o n t r o lc i r c u i ta n dp e r i p h e r a l sw e r ed e s i g n e d i no r d e rt oi m p r o v et h ea b i l i t y o fe m c ，t h eo p t o c o u p l e rc i r c u i t sw e r ed e s i g n e d t h e n ，t h es o f t w a r eo fs y s t e mw a sd e s i g n e d t h ev a r i a b l e - p a r a m e t e rd i g i t a lp ir e g u l a t o r f o rs r dw a sa d o p t e di nt h i ss y s t e m t h ec o n t r o l l e rp r o d u c e st h eo na n do f fa n dp w m s i g n a lo fe a c hp h a s e c o m b i n e d 晰t l lp r o t e c t i n gs i g n a la n dc u r r e n tc h o p p i n gs i g n a l ，i tc a l l c o n t r o lt h ei g b to na n do f f t h ec o n t r o ls o f t w a r eu s e dt h em o d u l a rp r o g r a mc a nm a k et h e p r o g r a mu n i v e r s a la n dr e a d a b l e f i n a l l y , t h es y s t e mf u n c t i o nw a ss u m m e du pi nt h i sp a p e r t h er e s e a r c ho fe l e c t r i c v e h i c l ed r i v es y s t e mb a s e do ns r mh a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ei nt h ee l e c t r i cv e h i c l e s i n d u s t r y k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，s r m ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，i g b t 目录 l 前言j 1 1 1 本课题研究的目的和意义。1 1 2 电动汽车的研究现状及趋势2 1 2 1 国外现状2 1 2 2 国内现状。4 1 3 电动汽车关键技术6 1 4 电动汽车电机驱动系统的种类和特点8 1 5 本课题研究的主要内容1 1 2电动汽车用s r m 的数学模型及控制策略的分析1 2 2 1s i 之m 的工作原理1 2 2 2s i 己m 的特性分析1 3 2 2 1s r m 的数学模型1 3 2 2 2s r m 的数学模型求解方法1 5 2 3 基于简化线性模型的s r m 分析1 6 2 3 1 电感与转子位置角关系1 6 2 3 2 电磁转矩分析1 7 2 3 3 绕组电流分析1 9 2 3 4s r m 调速特性分析2 3 2 4s r m 的m a t l a b 的仿真建模2 5 2 4 1s r m 驱动系统s i m u l i n k 建模2 5 2 4 2s r m 驱动系统s i m u l i n k 仿真结果3 0 3电动汽车用s r m 驱动系统的硬件设计3 5 3 1s r m 驱动控制器的主要功能及设计要求3 5 3 2s r m 驱动器的硬件总体设计3 5 3 3 功率变换器主电路的设计3 7 3 3 1 常见的主电路3 7 3 3 2 本系统采用的主电路4 0 3 3 3 主电路元器件的选型及定额4 2 3 4 驱动电路的设计4 4 3 4 1i g b t 驱动器的基本要求4 5 3 4 2 本系统所采用的i g b t 驱动电路4 6 3 5 检测电路与保护电路的设计4 9 3 5 1 位置检测器4 9 3 5 2 电流检测电路5 0 3 5 3 电压保护电路。5 2 3 6s r m 驱动系统的控制电路设计5 3 3 6 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介5 3 3 6 2 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的控制器的硬件设计5 5 3 7 硬件系统的抗干扰措施5 8 3 8 实验系统介绍5 9 4 电动汽车用s r m 的软件系统设计6 i 4 1 程序的总体设计6 l 4 2 主程序的设计6 1 4 2 1 主程序6 2 4 2 2 系统及中断初始化子程序6 2 4 2 3i o 单元初始化。6 3 4 2 4 转子位置初始化子程序6 4 4 2 5a d c 初始化子程序6 5 4 2 6 捕获单元初始化子程序6 5 4 2 7 定时器t l 初始化子程序6 6 4 3 中断服务子程序的设计一6 7 4 3 1 采用矢量控制策略的定时器中断服务子程序6 7 4 3 2 捕获中断服务子程序7 0 4 4 软件抗干扰设计7 2 5 结论7 4 6 参考文献7 5 7 论文发表情况8 0 8 致谢8l 天津科技大学硕士学位论文 1 前言 1 1本课题研究的目的和意义 汽车已有一百多年的历史，随着经济的发展，汽车与人们的生活联系越来越密切。 汽车已不再是一个简单的代步和运输工具，已成为许多人的生活必需品和文化生活的 一部分，甚至成为一些人的流动办公室【l 】。汽车的普及程度和技术水平已成为一个国 家或地区现代化程度的标志。然而目前汽车大都使用内燃机作为发动机，以柴油或汽 油作为燃料，随着全球汽车产量和保有量的不断增长，汽车给人类带来的问题也同益 突出，已严重危害到了人类的发展，集中表现在环境污染问题和石油资源危机问题上。 为了解决能源危机和环境污染危机，世界各国都在积极寻求开发低排放，使用清洁能 源的新型交通工具。于是以电动汽车为主的低排放节能汽车得到了重视和发展，电动 汽车已经成为2 1 世纪世界各国发展的主要科研攻关项目。 电动汽车，它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的 排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城 市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放。清除各种有害排放物较。 容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等， 解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余 的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。因此有利于节约 能源和减少二氧化碳的排量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的 一个“热点”1 2 1 。电动汽车研究的意义不仅降低了大气污染，而且电动汽车的发展促 使新能源得到了充分的应用，使汽车面临的石油危机得到了缓解，也促进了世界经济 的发展。 电动汽车是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全 法规各项要求的车辆。电动汽车主要有如下突出优点： 首先，电动汽车清洁，对环境无污染。在行驶过程中，电动汽车没有废气排放。 根据美国j t l k h 空气资源委员会的统计，在洛杉矶地区广泛使用电动汽车后，可降低碳 氢化合物9 8 ，一氧化碳可降低9 9 ，二氧化碳也有大幅降低。噪声污染也是燃油车 另一种排放污染，一般轿车车外加速行驶噪声中，发动机噪声约占5 5 ；大中型汽车 车外加速行驶噪声中，发动机噪声约占6 5 ，因此用电动汽车代替燃油汽车将是减少 环境污染的一个有效途径。 其次，电动汽车能量转化效率高，可使能源多样化和综合利用。方面，电动汽 车能源利用效率大大超过的内燃机汽车，在运行中停车时不消耗能量，在制动过程中， 能实现回馈制动，给蓄电池补充电能，从而提高电动汽车的能量利用率。另一方面， 电动汽车的能源是由发电厂提供的电力给蓄电池充电而获得的，电能可由煤炭、天然 气、核能、水能、太阳能、风能、潮汐能等多种能源转化而来，可以实现能源多样化。 l 前言 此外，给电动汽车的电池充电可主要放在夜间充电，这样在非高峰充电有利于均衡电 网负荷，降低设备和管理费用，减少消费者的开支。 再次，电动汽车在车辆性能方面也显示出巨大的优势。电动汽车的转矩响应迅速、 加速快，比燃油车高出2 个数量级；电机可分散配置，通过电子控制技术直接控制车 轮转速，易实现四轮独立驱动和四轮转向：由于网络技术、信息技术和线控技术的广 泛应用，使智能运输系统的实现也变得非常简单。 另外，电动汽车结构简单，维修使用方便。电动汽车的结构比内燃机汽车简单， 运动部件减少，大大降低了日常维修保养量，驾驶操纵更加方便，维修简单，节省开 支。 电动汽车在广义上可分为3 类，即纯电动汽车( p e v ) 、混合动力电动汽车( h e v ) 和燃料电池电动汽车任( f c e v ) p 】。目前，这3 种电动汽车都处于不同的发展阶段，面 临着不同的困难和挑战。p e v 只适用于低速短距离的运输，而h e v 的性能既能够满 足用户的需求，又实现了低油耗、低排放。在目前的技术水平和应用条件下，h e v 是 比较理想的交通工具，但它必须具备2 个动力源，因此价格较高，f c e v 具有很大的 潜力，可望在1 0 1 5 年以后实现实用化。 电动汽车具有清洁无污染、能量来源多样化、能量效率高的特点：同时电动汽车在 改善交通安全以及道路使用等问题上，又便于实现智能化的管理因此，电动汽车已成 为世界各国的研究热点。我国的汽车工业的发展与世界其他国家相距甚远，电动汽车 的开发为我国在新的起点上赶上世界先进水平提供了一个不可多得的大好时机。电动 汽车的研制也有利于促进高科技的发展、新兴工业的兴起以及经济的发展。因此，电 动汽车的研制对我国具有特别重要的意义。 1 2电动汽车的研究现状及趋势 1 2 1 国外现状 目前，美国、欧盟和日本在电动汽车的研究方面居于世界领先水平。1 9 7 6 年7 月，美国国会通过电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令，以立法的形 式、政府资助和财政补贴等手段加速发展电动汽车。此后，美国国会和地方政府制定 了一系列强制性法规和政策。1 9 9 3 年的美国克林顿政府p n g v ( t h ep a r t n e r s h i pf o ra n e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s ) 计划和2 0 0 2 年布什政府f r e e d o m c a r 计划对电动汽车的 发展起到了巨大的推动作用，美国三大汽车公司通用、福特、戴姆勒克莱斯勒签定协 议，成立先进电池联合体( u s a b c ) ，合作研究电动汽车用电池。1 9 9 3 年，美国能源部 先后与通用、福特和戴姆勒克莱斯勒三大汽车公司合作，积极推动电动汽车的开发研 制工作，并在随后的研究中取得了丰硕的成果。2 0 0 1 年5 月小布什政府发表的题为国 家能源计划的国情咨文中关于“氢燃料电池的报告”一文中明确要求大力开发研制 电动汽车用燃料电池，为此2 0 0 2 年1 月美国能源部长在底特律国际车展上首次宣布 了f r e e d o mc a r 计划，2 0 0 3 年财政年度拨款1 5 3 亿美元用于该计划的研究。随后， 2 天津科技大学硕士学位论文 f r e e d o mc a r 计划又将重点放在燃料电池的研制与开发上来，强调让使用燃料电池的 电动汽车早同走向市场。 日本政府在电动汽车的开发、研制与推广方面一直很重视，很早就制定了电动汽 车发展计划。1 9 9 1 年，在日本政府制定第三届电动汽车普及计划后，几乎所有的汽车 生产商，如丰田、尼桑、本田、马自达、大发、三菱、铃木、五十铃汽车公司都制定 了自己的商业化电动汽车的发展计划，推出了一系列电动汽车概念车和实用型车辆。 1 9 9 7 年后同本汽车制造商推出了装载镍氢、锂离子电池的第二代纯电动汽车。上世纪 9 0 年代末，丰田公司研制出r a v 4 e v 型纯电动轿车，其动力装置是一台免维护5 0 k w 交流同步电机，由2 8 8 v 镍氢电池提供电能，充电时间5 到6 小时，最高车速1 2 5 k m h ，一次充电行驶里程2 1 5 k m 。日产公司研制成功l u n n e te v5 座纯电动轿车，该车 采用锂离子电池，最高车速1 2 0 k m h ，一次充电行驶里程2 3 0 k m l 4 1 。 由于欧洲石油相对短缺、对外依赖性强和欧洲对降低c 0 2 及其它污染排放物的强 烈要求以及对可持续发展目标的共同认识，由瑞士、德国、法国、英国、意大利、挪 威等组成的1 3 个工作区域联合实施了欧洲乌托邦计划( 即u t o p i a 计划) 。该计划 的重心致力于对混合动力、燃料电池、传统发动机的改造，扩大甲基烷、乙烷等替用 燃料在汽车上的使用范围，并提供整个欧洲地区汽车工业的发展与能源、环境问题的：哆 整体解决方案。同时，该计划也为欧洲各国发展电动汽车提供了动力与参考。其中， 法国的汽车公司在电动汽车的研制、开发与生产方面投入较多，整个欧洲一共有1 1 5 0 0 辆电动汽车，而法国就有7 5 0 0 辆。如果将各种电力驱动汽车都计算在一起，法国的 标致雪铁龙汽车公司将是生产这种类型汽车的最大厂商。在欧洲登记注册的电动汽车 中，有将近7 5 的电动汽车是这一公司生产的。另外还有s a l t 公司、雷诺汽车公司 及其它几家公司在蓄电池生产方面很活跃，但是2 0 0 1 年至2 0 0 3 两年内在电动汽车的研 究方面投入最多的当属雷诺汽车公司，该公司的k a n g o oe 1 e c t r o a d 型电动汽车在 2 0 0 1 年世界汽车展上就引起了普遍的关注。当然标致雪铁龙与雷诺两大汽车公司也 合作了一些项目，两大公司在1 9 9 0 年就使j 5 和c 2 5 型电动货车投入生产，1 9 9 5 年， 两公司又共同建成世界第一条电动轿车专用生产线，同年标致1 0 6 和雪铁龙a x 电动 汽车投入生产。其中，标致1 0 6 电动汽车是以镍镉电池为动力，性能优异，在欧洲各 国的政府部门中拥有大量的用户。 除了汽车生产商以外，还有一些电力公司和电池生产商在电动汽车的示范中也起 着积极的作用，一些研究所和大学也不断研究电动汽车新技术，以使电动汽车能与燃 油汽车相竞争。迄今电动汽车用动力蓄电池技术没有质的进展，目前还没有一种电池 能全面满足电动汽车的要求，而且在短期内也难有重大突破。因此为提高电动汽车的 一次充电行驶里程，美国等工业发达国家正在广泛研制混合动力电动汽车，既可以降 低燃油汽车的排放，又能弥补电动汽车一次充电后行驶罩程不足的缺点，作为从内燃 机汽车到纯电动汽车的过渡，混合动力电动汽车是在高能动力蓄电池技术没有取得根 本突破日，j 提下的折衷方案。 l 前言 1 2 2 国内现状 改革开放以来，我国的汽车工业取得了很大的发展，但在全球市场所占比重仍很 小，尤其是大多数国产汽车的排放污染比较严重，现行的汽车排放标准的限制水平远 低于发达国家，如一氧化碳的限值是欧洲标准的8 倍，而碳氢和氮氧化物更高达l o 倍。国际上涌动的电动汽车热，为我国汽车工业实现技术跨越发展提供了空前的机遇。 因为电动汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发动机的简单替换，其设计、加工、 材料以及电气、控制系统都要相应地做出改变，使整车参数合理匹配。这意味着以汽 车工业为国民经济支柱的世界发达国家的工业体系面临着重大的调整，选择发展电动 汽车为我国汽车工业发展的新的增长点，对于改变我国汽车工业的落伍状况、促进经 济发展、增强国家实力具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问 题1 5 】o 在有关部门和地方的积极努力下，国家电动汽车重大科技产业工程项目已于1 9 9 6 年启动，项目研究进展顺利，总体概念车设计已基本完成，控制器和特种专用电动机 也达到当代国际先进水平，特别是主驱动电机重量轻、功率大、转速快、质量好，各 项指标符合i e c 国际标准。包括最有希望成为电动汽车动力的燃料电池在内的几种电 池的研究开发工作也正在分别进行。国家级“汕头南澳电动汽车试验示范区己经开 通，已有1 7 辆国内外电动汽车在区内试验运行。国家科技部和环境保护总局向国务 院上报了关于实施“空气净化工程 的报告，强调要治理汽车尾气排放，开展“清洁 汽车行动 ，将进一步推动我国电动汽车的研究开发，攻克动力电池充电时间长且一 次充电续驶里程短的技术难关，使国产电动汽车早日实用化、商品化、产业化，迈向 2 1 世纪的汽车之路。目前，我国部分城市及地区( 武汉、北京、天津、上海、长春、 广东等) 以及三大汽车集团都在进行电动汽车的相关项目的开发及课题的研究，全国 承担该项目的企业约有7 0 多家。 黑龙江中强集团聘请世界电动车协会主席、中国工程院院士陈清泉为高级技术顾 问，全面指导电动客车的研发工作。继世界第一台铿离子聚合电池电动汽车在中强问 世以后，该集团立即将研发目标指向城市公交电动客车。与小汽车相比，公交车线路 固定、道路状况好及环保效益更高等优势，更有利于电动客车开发利用。而在大容量 动力电池处于国际领先地位的中强集团，要想在电动客车领域占有一席之地，最缺少 的还是电动汽车方面的科技力量。因此，中强集团在与哈工大合作及聘请陈清泉院士 作为电动客车研发工作的高级技术顾问，以加速电动客车的研发工作。 天津市清源电动车辆有限责任公司和一汽天津夏利股份有限公司牵头，中国汽车 技术研究中心、天津大学、天津和平海湾公司和天津蓝天高科公司等十几个单位共同 承担的国家8 6 3 计划一电动汽车重大专项纯电动轿车项目，该项目在全国首批开发 了5 辆国际先进水平的纯电动轿车，并将在两年内实现产业化。该项目以夏利2 0 0 0 为 基础，应用和平海湾的镍氢电池和十八所铿离子动力电池等比较成熟的技术，整合了 技术和产业的双重优势，初步建立了电动汽车整车仿真平台、电传动试验台及动力蓄 天津科技人学硕t 学位论文 电池成组测试试验台。据专家预测，在能源和环境压力不断增大的情况下，零污染、 低噪声、能源来源广泛的电动汽车的市场份额将会不断增长。 一汽集团表示将利用自身的汽车生产优势，大力开发生产电动汽车等“绿色”汽 车，并准备在长春建设具有国际意义的“绿色”汽车研发和生产基地。即将推出丰田 的混合动力轿车。 作为我国三大汽车集团主力之一的上海汽车集团也做出了以电动汽车为产业化 的开发目标。奇瑞汽车有限公司长期致力于纯电动轿车的研究开发工作，并与上海交 通大学等囡内十多家单位共同承担了国家8 6 3 电动汽车重大专项“q p 纯电动轿车” 项目。该项目解决了一些电动汽车相关的共性技术问题，取得了一些具有自主知识产 权的成果。2 0 0 3 年9 月初，项目通过国家科技部组织的专家验收。样车一次充电后均 可行驶2 0 0 公里以上，最高时速达1 6 0 公里。目前，奇瑞公司正在制定小批量生产计 划，并力争两年内建立起一支具有我国自主知识产权的纯电动轿车示范运营车队。 广东省承担国家重大科技产业工程电动汽车项目中的改装车与试验示范区两个 分项。1 9 9 6 年，完成了e v 6 4 6 0 n 电动轻型客货车和e v 6 6 0 0 电动轻型客车( 中巴) 的研制任务；1 9 9 8 年，完成永磁直流电机及其控制系统的研究，并装车试验，试运行 了1 0 0 0 多公罩，其效率可达9 0 以上。替代了进口的美国通用电气公司产品一埴流 他激电机及其控制系统( 效率只有8 5 左右) ；1 9 9 8 年，开展了永磁无刷电机及其 控制系统及镍福、镍氢、铿离子、锌一空气等电池的研究；1 9 9 8 年，小批试制了电动 轻型客货车5 辆、电动轻型客车2 辆，送试验示范区试运行；1 9 9 8 年，试制了混合 型电动大客车一辆，已经完成空载和带负荷试验。目前准备投入试运行( 客运) ：1 9 9 9 年，完成了南澳试验基地的建设，投入运行试验。 武汉市具有雄厚的汽车工业及相关的配套产业基础，二汽集团( 东风) 是全国三 大轿车基地之一，早在1 9 9 5 年，东风汽车公司在国家科委( 现科技部) 扶植下，已 开发了两台电动中巴，并正在开发电动先导车及与意大利合作开发电动轿车概念车。 二汽集团还专门成立了“东风电动车辆股份有限公司 。武汉市大专院校、科研、生 产单位，从事电动汽车及其构件的理论研究及科学实验大都有1 0 多年历史，有的已 居全国前列。武汉市具有电动轿车整车设计的经验；华中理工、中船总公司7 1 2 形容 所，已各试制过一台电动轿车并进行了初步试验：武汉大学电化学研究具有强大的优 势，他们和长江电源厂等单位的铿离子、镍氢、锌空气电池研究，均有可以试验应用 的成果。铅酸电池的改进提高，也是不少厂、校、所研究的重点。武汉市发展电动汽 车采用“三步走 策略，逐步实现“商品化 。第一步，样车试验。先搞轿车样车， 以出租为主，再搞其他车种样车。第二步，搞小型车队进行小区示范运行试用。第三 步，建设( 合资建设) 5 0 卜1 0 0 0 左右的电动汽车装配线或中间试验车间，为大批量 生活及开拓国内外商品商场做准备，争取2 0 0 3 2 0 0 5 年实现。以后根据市场发展，再 逐步过渡到商品化产业生产。 1 前言 除上述地区、集团之外，兰州、山东、株洲、苏州等地也有单位、公司积极参与 电动汽车的研发活动并取得了一定的成果。 1 3 电动汽车关键技术 电动汽车是一种集汽车技术、电机技术、电池技术、空气动力学、计算机技术、 控制技术、新材料技术以及人体工程多学科于一体的高新技术机电产品。现有的电动 汽车大致可以分为以下几个部分：动力电池及其能量管理系统、驱动电机及电机管理 系统、整车管理系统和车体等。其中动力电池和电机技术是电动车的核心技术，它们 的技术指标的高低，直接影响电动汽车的性能，如最大行程、最高速度、爬坡能力、 起动时f a j 、安全性、可靠性、可维护性以及成本。图1 1 为电动汽车的基本原理图。 图l l 电动汽车的基本原理图 f i g 1 1 t h eb a s i cb l o c kd i a g r a mo f e l e c t r i cv e h i c l e 电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。目前推广 电动汽车的主要障碍是一次性充电的续驶里程和初始成本，而电动汽车的能源系统是 引起这些问题的主要原因，同时能源系统也是下一步电动汽车发展能否实现市场化的 关键。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量( e ) 、能量密度( e d ) 、比功率( p ) 、循 环寿命皿) 和成本( c ) 等。电动汽车对能源系统的要求是：高的比能量和能量密度、高 的比功率和功率密度、快速充电和深放电的能力、充电效率高、寿命长、安全性好且 成本低廉、免维修、对环境无危害、可回收性好等，这些要求也是电动汽车能否与燃 油汽车相竞争的关键所在。 到目前为止电动汽车用电池经过了3 代的发展，已取得突破性进展。第1 代是铅 酸电池，目前主要是阀控铅酸电池( v r l a ) ，因其具有技术比较成熟、比能量较高、 天津科技人学硕l 学位论文 能高倍率放电、成本低廉、可靠性好等特点，在目前电动汽车的发展阶段得到了广泛 的应用。第2 代是碱性电池，主要有n i c d ，n i m h ，n a s ，l i - i o n 和z n a i r 电池等多种， 其比能量和比功率都比铅酸电池高，大大提高了电汽车的动力性能和行驶罩程，但其 价格也要比铅酸电池高，其中l i i o n 电池最具发展潜力，它的比能量、放电率、充放电 寿命及密封性均比较优越，只要能采用廉价材料，电动汽车用l i - i o n 电池必能获得长 足的发展，目前关键是要降低批量化生产的成本，提高电池的可靠性、一致性及寿命。 第3 代是以燃料电池为主的电池，燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转 变效率高，比能量和比功率高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行， 是理想的汽车用电池，现在应用于电动汽车的是一种称为质子交换膜燃料电池 ( p e m f c ) ，它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制， 故能量转换效率高，是普通内燃机热效率的2 3 倍，同时它还具有噪音低、无污染、 寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性，使得p e m f c 非常适合 用作交通工具的动力源。同时飞轮电池和超级电容器的开发为电动汽车车载电源开辟 了新的发展方向，但将其应用于电动汽车上还存在许多需要解决的问题，如提高比能 量等。 电机驱动系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服阻力运行。电机 驱动系统由电机及其控制系统、变速装置和车轮组成，其中变速装置是选用的l 引。电 机驱动的关键是电机及其控制系统，主要是由电动机、功率变速器和电子控制器等组 成。现代电机的高转矩低转速和恒功率高转速的工作范围可以通过电子控制来获得， 使得电动汽车的驱动系统设计更加灵活多样。电动汽车对电机驱动系统的要求如下： 瞬时功率大，过载能力强，加速性能好，功率密度高，在汽车起步和爬坡时具有低速 一转矩的输出特性，具有较大的转速范围足以覆盖恒转矩和恒功率区，快速的转矩响一 应特征，在转矩转速特性的较宽范围内具有高的效率，再生制动时的能量回收效率高， 能在不同的工作条件下可靠地工作，成本低等【_ 。目前在电动汽车中，主要的几种驱 动系统包括直流电机斩波调速系统，感应电机变频调速系统，永磁电机调速系统和开 关磁阻电机调速系统等。传统直流电动机适合于用作驱动电机并且其驱动控制系统比 较简单，但缺点是价格高，重量大，由于有电刷和换向器，所以结构复杂，体积大， 维护工作量大，效率低，最高转速受到限制，而且需要经常维护。随着现代电力电子 技术的发展，交流电动机驱动系统、永磁电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统越来 越多地出现在e v 车上。 驱动电机控制系统的核心是控制算法，为了得到理想的电动汽车驱动性能，不仅 要研究和设计先进的电动机，还要研究先进的控制算法，优良的控制方法可以大大改 善电机驱动的性能，弥补电机设计的不足【8 l 。在工业电机驱动领域中常用的控制方法， 如传统的p i d 控制，矢量控带i j ( f o c ) ，模糊控制( f c ) ，自适应控带i j ( m r a c ) 和变结构控制 ( v s c ) 等，目前均已被广泛移植到电动汽车的驱动控制中，并取得了较好的效果。 1 前言 尽管电源技术和电力驱动至关重要，但能量管理系统和系统的优化也同样重要， 事实上，如果没有很好的能量管理和系统优化，电动汽车难以达到成功。 由于电动汽车的车载能量有限，其续驶里程远远达不到燃油车的水平，能量管理 系统( 动力总成控制系统) 的目的就是要最大限度地利用有限的车载能量，增加续驶 里程。能量管理系统采集从各个子系统输入的信息，来实现以下基本功能：优化系统 的能量分配，预测电动汽车电源的剩余能量和还能继续行驶的里程数，提供最佳的驾 驶模式和驱动力矩，再生制动时，合理地调整再生能量，诊断系统的故障，并能做故 障处理。 、 本课题所研究的主要内容为电动汽车的电机驱动技术。 1 4 电动汽车电机驱动系统的种类和特点 电动汽车可选用的驱动电机有多种类型，目前在电动汽车中，主要有直流电机斩 波调速系统、感应电机变频调速系统、永磁同步电机变频调速系统和开关磁阻电机调 速系统等。各种驱动电机的性能如表1 1 所示。下面结合电动汽车的要求对目前使用 较多的几种电机进行评价。 表1 1 电动汽车所采用的电动机的性能比较 t a b l e1 - 1m o t o rf u n c t i o nc o m p a r i s o nu s e di ne l e c t r i cv e h i c l e j ： 直流 交流感应永磁同步开关磁阻 比较性能、电机电机电机电机 功率密度蒡一般好一般 力矩转速性能 一般好好好 转速范围( r m i n 。1 ) 4 0 0 0 。6 0 0 09 0 0 0 - 1 5 0 0 04 0 0 0 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 最大功率慌 8 5 8 99 4 9 59 5 - 9 7小于9 0 效率( 1 0 负荷时) 8 0 8 77 9 8 59 0 9 27 8 8 6 易操作性 最好好好好 ， 可靠性差好好 一般 结构的坚同性 差好 一般好 尺寸及质量大，重一般，一般小，轻小，轻 单位轴功率成本( 美 1 0 8 1 21 0 1 56 1 0 元k w 。) 控制器成本 l3 52 54 5 1 直流电机驱动系统 由于电动汽车以电池输出的直流电作为电源的供给，所以在电动汽车上采用直流 电动机较为简单。直流电动机的优点是机械特性好，具有良好的调速性能，可以做成 8 天津科技大学硕士学位论文 较大的功率。缺点是电动机木身体积大、质量大、价格高，有刷直流电动机平均效率 较低【引。另外，工作时电刷与换向器之间的换向火花和机械磨损，不仅使电动机经常 需要维修和维护，维修量很大，而且还有能量损失，不利于向高速方向发展，同时对 电动汽车的电磁环境有不良影响，在某些转速范围内效率较低。 2 交流感应电机变频调速系统 交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压而 成，在转子和定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单，运行可靠， 经久耐用。 由于交流三相感应电动机不能直接使用蓄电池供给的直流电，因此，在采用交流 三相感应电动机的电动汽车上，需要应用逆变器中的功率半导体器件，将直流电变为 频率和幅值都可以调节的交流电来实现对交流三相电动机的控制。主要v f 控制法、 转差频率控制法，矢量控制法。对交流三相感应电动机的励磁绕组交流电的频率和输 入交流三相感应电动机的端电压进行控制，控制交流三相感应电动机旋转磁场的磁通 量和转矩，实现改变交流三相感应电动机转速和愉出转矩，来满足负载变化特性的要 求，并能够获得最高效率，从而使得交流三相感应电动机能够在电动汽车上得到广泛 应用【l o l 。 交流三相感应电动机的功率因数较低，使得变频变压装置的输入功率因数也较 低，因此需要采用大容量的变频变压装置。交流三相感应电动机的控制系统的造价远 远高于交流三相感应电动机本身，增加了电动汽车的成本。另外，交流三相感应电动 机的调速性能也较差，功率因数低，控制装置复杂，还需使用电源逆变器。这些不利 因素仍较大的影响着交流感应电机在电动汽车上的应用。 3 永磁同步电机变频调速系统 永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机 的外特性而没有换向器和电刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有 励磁损耗；发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电 动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。 典型的永磁无刷直流电动机是一种准解祸矢量控制系统，由于永磁体只能产生固 定幅值磁场，因而永磁无刷直流电