（控制理论与控制工程专业论文）纯电动汽车动力系统的设计与实现.pdf

武汉理i ：人学硕十学位论文 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a d v i s o r 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d s p 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d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 为核心的控制单元和由i g b t 模块所组成的逆变单元。给出了相关电路的设计方 案，对i g b t 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，a d v i s o r ，电机驱动控制系统 武汉理i ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yi sf a c e dw i t hu n p r e c e d e n t e dc h a l l e n g e sf o r e n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o na n de n e r g ys h o r t a g e e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o ni sb e c o m i n gs oi m p o r t a n ti no u rd a i l yl i f e t h e n ，e l e c t r i cv e h i c l ei s p r e s e n t i n gat r e n do fa c c e l e r a t e dd e v e l o p m e n t a sap a r to fe l e c t r i cv e h i c l e ，p u r e e l e c t r i cv e h i c l ei sb e i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h i sp a p e rs t u d i e sa b o u tp u r ee l e c t r i cv e h i c l e s ，a n dc a r r i e so u ta l li n - d e p t hs t u d y o fi t sp o w e rl i n e sd e s i g n f i r s t l y , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n t so f p u r ee l e c t r i cv e h i c l e s d r i v e m o t o r sa n dp o w e rb a t t e r i e s ，c o m b i n i n gt h ei s s u e sd e s i g nr e q u i r e m e n t sa n db o d y p a r a m e t e r so fs a m p l ev e h i c l e ，t h i sp a p e rm a k e sar e a s o n a b l es e l e c t i o no ft h eb a s i c p a r t s t y p e ( i n c l u d i n gd r i v em o t o r s ，t r a n s m i s s i o nl i n e sa n dp o w e rb a t t e r i e s ) o fp u r e e l e c t r i cv e h i c l e s p o w e rl i n e sa n dm a d et h ep a r a m e t e r sm a t c h e d i na d d i t i o n , o nt h e v i e wo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o np o i n t ，t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e s t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fd r i v em o t o r si nt h ed - qc o o r d i n a t es y s t e ma n dg i v e st h er e l e v a n te q u a t i o n s o fm o t i o na n dt h eo t h e re q u a t i o n sw h i c ha r ei n v o l v e di nt h ec o n t r o lp r o c e s s t h e e n e r g ys o u r c ei ss t o r a g eb a t t e r y ；t h i sp a p e rp r e s e n t st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e s e l e c t e dp o w e rb a t t e r i e s ( 1 i t h i u mb a t t e r i e s ) a n dt h et e r m i n a lv o l t a g e s s e c o n d l y , u s i n gt h ei n t e r n a li n s t a l l e dm o d u l eo ft h ea u t o m o b i l e s s i m u l a t i o n a d v i s o r ，c o m b i n i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ed r i v i n gm o t o ra n dp o w e rc e l l ，t h e e n t i r ec a rd y n a m i c ss i m u l a t i o nm o d e lo f p u r ee l e c t r i cv e h i c l ei se s t a b l i s h e d ，s i m u l a t e d t h ee l e c t r i cv e h i c l e s p o w e rp e r f o r m a n c ea n dd r i v i n gc o u r s e t h r o u g ht h ei n s p e c t i o n o ft h em a t c h i n gp a r a m e t e rb ys i m u l a t i o n ，t h em a t c h i n gp a r a m e t e ri sp r o v e dt ob e r e a s o n a b l e a tl a s t ，a c c o r d i n gt op a r a m e t e r so fe a c hp a r to fp o w e r - t r a i nw h i c hh a v eb e e n m a t c h e d ，t h ee l e c t r i cm o t o rd r i v i n gc o n t r o ls y s t e mi sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d t h e w h o l eh a r d w a r es y s t e mc o n t a i n st m s 3 2 0 l f 2 812c o n t r o lu n i tw h i c hi sw i d e l yu s e d i nm o t o rc o n t r o l ，a n dt h ei n v e r t e rm a d eb yi g b tm o d u l e t h ed e s i g np r o p o s a lo f 武汉理i ：人学硕十学位论文 r e l a t e dc i r c u i t si sg i v e nt oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so fe l e m e n t si ni g b tm o d u l ea n d i t sp r o t e c t i o nc i r c u i t k e yw o r d s ：p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，p o w e r t r a i n ，p a r a m e t e r sm a t c h , a d v i s o r ， e l e c t r i cm o t o r d r i v i n gc o n t r o ls y s t e m i i i 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 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访 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：日期： 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) 签名：导师签名： 日期： 武汉理1 ：人学硕十学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 课题来源：湖北省科技攻关项目。 1 2 课题研究背景及意义 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1 6 9 ；其二是汽车排出的c 0 2 、c o 、n o x 、未燃碳氢化 合物h c 、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，2 0 0 5 年我国机 动车尾气排放在城市大气污染中的分担率达到7 9 。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2 0 0 8 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【l j 。 目前，全世界每年的汽车产量在4 0 0 0 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 武汉理一1 ：人学硕十学位论文 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6 0 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 】o 今后5 0 年里，全球人口将从6 0 亿增加到1 0 0 亿，汽车的数量将从7 亿增 加到2 5 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2 l 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2 1 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 ) 和中国能源研究所预测，到2 0 1 0 年我 国的石油产量为1 7 亿吨，需进口石油1 3 亿吨。而到2 0 5 0 年石油需求量为5 o 亿吨，需进口石油4 0 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1 0 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， 2 武汉理+ i ：人学硕十学位论文 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【4 】【5 1 。 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2 l 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8 6 3 计划的重 点项目。 1 3 纯电动汽车的结构特点及分类 1 3 1 纯电动汽车的基本机构及特点 纯电动汽车主要由3 个子系统组成：电力驱动子系统、能源子系统和辅助 武汉理丁人学硕十学位论文 子系统。电力驱动子系统包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装 置；能源子系统包括能源( 电源) 、能量单元及能量控制单元；辅助子系统包括 主力转向单元、温控单元和辅助动力供给单元等。图中，双线表示机械连接， 粗线表示电气连接，细线表示控制连接。每条线上的箭头表示电能或控制信息 的流向。根据驾驶者加在加速踏板和制动踏板来的信号，电子控制器发出相应 的控制信号以控制功率转换器功率器的开关。功率转换器的作用是调节电动机 和能量源之间的能源流。能量的回流是因为电动汽车制动能量的再生，该能量 被能量源吸收。应指出的是，多数电动汽车的电池( 除某些金属空气电池) 、 超级电容器和飞轮都能够吸收制动再生能量。能量控制单元与电子控制器一起 控制可再生制动能量，从而实现系统能量流的最优化。能量控制单元也和能量 单元一起控制能量并监测能源的使用情况。辅助动力供给系统向所有的电动汽 车辅助装置提供不同电压的电源。纯电动汽车的组成如图1 - 1 所示【7 】： 能源 图1 - 1 纯电动汽车的组成 相对于混合动力汽车和燃料电池汽车，纯电动汽车有自身的优势。纯电动 汽车以电动机代替燃油机，噪音低、无污染，电动机、油料及传动系统少占的 空间和重量可用以补偿电池的需求：且因使用单一的电能源，电控系统相比混 合电动车大为简化，降低了成本，也可补偿电池的部分价格。而且，纯电动车 的电池可在夜间利用电网的廉价“谷电进行充电，可以平抑电网的峰一谷差， 4 武汉理i ：人学硕十学位论文 使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。对车主而言，利用分时 计价的廉价“谷电 ，也许花2 3 元电费就能省下5 0 元的油费。由于电力可以 从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，可解除人们对石油资源r 渐枯竭 的担心。纯电动汽车的这些特点对国家、对电网、对环境、对用户，都是非常 有益的。 1 3 2 纯电动汽车的种类 纯电动汽车一般根据动力系统的组件的多少和布置形式【8 1 分为四种类型：常 规( 传统) 型电动汽车、无变速器型电动汽车、无差速器型电动汽车和电动轮 型电动汽车。它们各自的特点分别是： 常规( 传统) 型电动汽车：保留了传统内燃机汽车的变速器、主减速器和差 速器等，对驱动电机要求低，可选择较小的电动机； 无变速器型电动汽车：去掉了传统内燃机汽车的变速器，电动机直接连接 到传动轴，通过电动机的控制实现变速功能，减少了车的质量和传动损失，但 驱动电机的尺寸较大； 无差速器型电动汽车：驱动电机直接连接到左右两个驱动半轴上，结构简 单，较少了整车的质量和传动损失，通过电动机的控制实现左右轮的差速和驱 动力的分配； 电动轮型电动汽车：无动力传递装置，把驱动电动机直接连接到驱动轮上， 结构最简单，空间利用率最大，无传动损失，但对电动机的控制精度等要求高， 并要求左右轮的转速之差满足汽车形式特别是转弯时的要求。 1 4 国内外电动汽车发展动态及趋势 1 4 1 国外发展动态及趋势 电动汽车起源于十九世纪中后期，比汽油车早1 2 年。1 8 7 3 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， 5 武汉理j ：人学硕十学位论文 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7 0 年代丌始人们普遍关注的 环境保护问题及8 0 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、r 本、欧洲等发达国家，电动 汽车已开始进入实用化阶段一】。 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e p r i ( 电力能源研究所) 推行了实用电动汽车普及活动。 1 9 9 1 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1 9 9 7 年开发的具有先进动力系统的1 9 9 7 双 座e v l 。该车为前轮驱动，采用一台1 0 2 k w 的三相交流感应电机，装备由2 6 个 阀控铅酸电池组成的电池组。电池组可以使用6 6 k w 的非车载感应充电器或 1 2 k w 的车载感应充电器进行充电。该车的电机在转速为0 - - , 7 0 0 0 转输出恒转 矩1 6 4 0 n m ，在转速为7 0 0 0 - - - - 1 4 0 0 0 转输出恒功率1 0 2 k w ，使得e v l 可以获得 1 2 8 k m h ( 电子限速) 的最高车速和o , - - 一9 6 k m h 加速小于9 s 的性能。2 0 0 2 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a u t o n o m y ，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 1 。 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9 0 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k a n g 0 0 轿车采用缠绕式转子同步电动机，最大功率为2 7 k w ，持续功率2 2 k w ；电池采用 s a f tn i c a d l o o a h 型蓄电池，车载能量为1 3 2 k w h ，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2 0 0 公里，最大车速为l o o k m h ， o 5 0 k m h 加速时间不大于8 5 秒，0 8 0 k m h 加速时间不大于2 5 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2 0 0 3 年 6 武汉理1 ：人学硕十学何论文 底已经有3 0 辆燃料电池大巴在欧洲不同环境下的八个国家1 0 个城市开始营运。 主要开展两大项目：欧洲清洁城市运输( c l e a nu r b a nt r a n s p o r tf o re u r o p e 简 称c u t e ) 和欧洲生态城市运输系统( e c o l o g i c a lc i t yt r a n s p o r ts y s t e m 简称 e c t s ) ，其中，仅c u t e 项目欧盟提供财政资助1 8 5 0 万欧元。燃料电池大巴将由 奔驰汽车公司属下的e v o b u s 公司负责制造，以奔驰c i t a r o 低地板大巴为基 础改装，三门，总长1 2 米，3 0 个座位，外加站立，乘客容量达7 0 人，装用巴 拉德m k 9 0 2 电池堆，功率2 0 0 k w 以上，3 5 0 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8 0 k m h ，一次加氢行程 2 0 0 2 5 0 k m i o 。 1 4 2 国内发展动态及趋势 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【i i 】【1 2 】。 纯电动客车以公交系统示范运营为主，如北京1 2 1 路、杭州y 9 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，5 0 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2 4h 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2 0 0 6 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 7 武汉理下入学硕+ 学位论文 部使用的电动汽车已达5 0 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2 0 0 1 年正式启动。经过2 0 0 多家企业、 高校和科研院所的2 0 0 0 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r 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i i 引。 1 5 本文主要工作 本文以纯电动汽车为研究对象，对纯电动汽车的动力系统进行了研究，对 动力系统各部件的参数进行了匹配并建立了数学模型，通过专业的电动汽车仿 真软件a d v i s o r 对样车的整车动力性能进行了仿真，根据匹配的参数实现了电 机驱动控制系统的设计，主要的研究内容如下： ( 1 ) 根据样车车身参数并结合课题要求提出了样车的动力性能指标。 ( 2 ) 按照动力性能指标对纯电动汽车动力源( 电动机) 、传动系统和能量源( 蓄电 池) 进行了选型及参数匹配；从实际应用的角度考虑重点介绍了驱动电机在 两相旋转坐标系( d - q ) 下的数学模型；同时建立了所选蓄电池( 锂离子电池) 8 武汉理j ：人学硕十学位论文 的数学模型。 3 ) 结合所建立的数学模型，在m a t l a b s i m u li n k 环境中对汽车动力系统各部件 建立了适用于a d v i s o r 仿真平台下运行的仿真模型，完成了对样车在实时行 驶工况下的动力性能仿真，对前面动力系统各部件的匹配参数的合理性进行 了验证。 4 ) 利用匹配的参数完成了电动机驱动控制系统的设计与实现。 9 武汉理i ：人学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章驱动电机及传动系统的选择 电动机是纯电动汽车的唯一动力源，其性能与电动汽车整车性能密切相关， 因此，对电动机的选择及参数匹配是研究设计纯电动汽车动力系统的关键之一。 为了高性能地驱动电动汽车，驱动电机在性能上须达到一定的要求，通常要求 驱动电机能够频繁起动停车、加速减速，转矩控制的动态性能要求高；在低速 或爬坡时，转矩要高，而在高速行驶时，转矩要低；其次，驱动电机的的调速 范围要宽，既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区，同时在整个调速范围 内还得保持较高的运行效率。 2 2d f a 6 8 9 8 e v 样车参数及动力性能指标 d f a 6 8 9 8 e v 样车参数如表2 1 所示。 表2 - 1d f a 6 8 9 8 e v 样车参数 满载质量( 1 g ) 1 1 7 0 0 轴距( r a m ) 4 4 0 0 装备质量( 1 g )8 6 0 0轮距( 前后) ( m m ) 2 0 2 0 1 8 0 0 2 0 6 0 1 8 0 0 轴荷分配h h ，后，4 2 0 0 j 两载 ( 满载 外形尺寸( m m ) 8 9 9 0 2 1 8 0 3 5 l o 1 lr r 最小离地间隙( r a m ) 丑4 8男i j 肝葱( m m ) 1 9 0 0 2 6 0 0 座位数 3 9 最小转弯直径( m ) s 1 2 接近角，离去角( o ) l o 9 风阻系数( c d ) 0 7 5 驱动桥速比 6 规格9 r 2 2 5 轮胎 滚动半径t r a m ) 4 9 5 l o 武汉理l ：人学硕十学位论文 根据上表中样车参数及课题设计要求，本文提出了样车的动力性能指标为： ( 1 ) 最高车速大于等于9 0 k m h ； ( 2 ) 最大爬坡度大于等于2 5 ； ( 3 ) 0 5 0 k m h 加速时间小于等于1 5 s ； ( 4 ) 续驶里程大于等于2 3 0 k m ( 均速4 0 k i n h ) 。 2 3 驱动电机类型的选择 电动机的发展已经经历了一个多世纪，不像电子和计算机科学的发展，电 动机的发展时问较长，发展速度较慢。然而，借助于新材料技术、高度发展的 拓扑学、功能强大的计算机辅助设计( c a d ) 、先进的功率电子和微电子技术， 电动机得以不断地发展。 适用于电动汽车的电动机可分为两大类，即有换向器电动机和无换向器电 动机。前者表示它们通常有换向器组件，而后者则无换向器组件。 1 ) 有换向器的直流电动机 有换向器的直流电动机通常称为直流电动机，是早期开发的电动汽车上多 采用的电动机。 优点：由于励磁绕组的磁场与电枢绕组的磁场是垂直分布的，因而其控制 原理非常简单； 通过用永磁材料代替直流电动机的励磁绕组，可有效地利用径向空 间，从而可使电动机的定子直径大大减小，由于永磁材料的磁导率 较小，同时也使电枢反应减小，互感增加； 容量范围很广，技术成熟、控制简单，驱动系统价格便宜； 缺点：有换向器和电刷等接触零件，它们易磨损，使得它的可靠性降低， 且需要定期维护； 效率低，结构较复杂，体积较大，质量也较笨重，对使用环境要求 高，价格高。 2 ) 无换向器直流电动机 目前，技术的进步把无换向器直流电动机的发展推到了一个新的时代，它 的高效率、高功率密度、低运行成本、更可靠及免维护等性能优于传统的直流 武汉理l ：人学硕十学位论文 电动机。因为电动汽车的电动机驱动对可靠性及免维护的性能更为重视，所以 无换向器的直流电动机更受人们青睐。 ( 1 ) 感应电动机 优点：转子与定子之间没有相互接触的部件，结构简单，运行可靠，经久 耐用； 功率容量覆盖面很广，转速范围宽，冷却自由度高，对环境适应性 好； 与同功率直流电机相比，效率较高，质量轻一般左右； 价格便宜，维修简单方便。 缺点：功率因数低 由于感应电机直轴和交轴的磁耦合作用，使得其控制系统异常复 杂，增加了控制系统的造价，既而增加了电动汽车的成本。 ( 2 ) 永磁电机 优点：功率密度高，效率高，输出转矩大，极限转速和制动性能好，磁 场衰退性好； 永磁磁铁的磁极具有很高的强度，提供了电动机在高速转动时的 可靠性； 磁通量小，在低负荷时铁耗很小，具有高的功率质量比； 与同功率的其它电机相比，体积更小，质量更轻，更适合作为电 动汽车的驱动电动机。 缺点：电机结构、制造工艺相对较复杂，驱动控制系统较复杂，造价高； 受永磁材料工艺的影响和限制，其功率范围较小。 ( 3 ) 开关磁阻电动机 优点：结构简单而坚固，成本低，效率高，功率范围宽，转子惯量小，系 统动态响应快； 电机转矩与电流方向无关，因此减少了所需功率开关器件的数量； 起动转矩高，无起动冲击电流； 运行中电机发热集中在定子上，散热能力强。 缺点：转矩脉动、噪声及振动较大。 综上所述，纯电动汽车的电动机应有较高的转矩惯量比，尽可能宽的高效 率区和良好的转矩转速特性。在目前所用的电动机驱动系统中，直流电机虽然 1 2 武汉理i ：人学硕十学位论文 具有良好的控制特性，但由于其自身固有的缺陷，在电动汽车中用的越来越少。 采用鼠笼式感应电动机结构简单，运行可靠，大量应用在电动汽车中，但功率密 度和效率一般。开关磁阻电机结构更为简单，效率、转矩惯量比也较高，但由 于力矩波动及噪声过大，在电动汽车上用得还不普遍。永磁无刷电动机系统具 有最高的效率、转矩惯量比，在电动汽车中得到了较广泛的应用。因此，本文 选用永磁同步电机作为驱动电机。 2 4p m s m 的分类及结构 永磁同步电机的基本结构是由定子三相绕组和转子铁芯构成。永磁同步电 机的定子与一般带电激磁的同步电机基本相同，通常为星形连接的绕线式三相 绕组。电机的转子采用永磁材料构成，永磁体常采用瓦片式或薄片式贴在转子 表面或嵌在转子的铁芯中，无需直流励磁。以永磁体取代了绕线式同步电动机 转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷以电子换向器，实现无 刷运行。如图2 1 为一台永磁同步电机的横截面示意图。 l 一定子铁心2 一定子绕组3 一转轴4 一稀土永磁体5 一转子铁心 图2 - 1 永磁同步电机横截面示意图 目前永磁同步电机种类繁多，按照工作主磁场方向的不同，分为径向磁场 式电机和轴向磁场式电机；按照电枢绕组位置的不同，分为内转子式电机和外 转子式电机；按照转子上有无启动绕组，分为无启动绕组电机和有启动绕组电 机；按照供电电流波形的不同，分为矩形波永磁同步电机和正弦波永磁同步电 武汉理i ：人学硕十学位论文 机；按照永磁体在转子上安装位置的不同而形成转子磁路结构的不同，可分为 表面式和内置式两种永磁同步电机。由于永磁同步电机的转子磁极结构随永磁 材料性能的不同和应用领域的差异而具有多种方案，因此常按照转子磁路结构 的表面式和内置式分类i i4 1 。 表面式转子磁路结构又分为突出式和插入式，如图2 2 所示。由于永磁材料 的相对恢复磁导率十分接近于1 ，表面突出式转子结构属于隐极式转子结构，其 纵、横轴电感相同，且与转子位置无关。这种结构的永磁磁极易于实现最优设 计，能使电机气隙磁密度波形趋近于正弦波。表面插入式转子的相邻永磁磁极 间有着磁导率很高的铁磁材料，属于凸极转子结构。由于转子磁路结构上的不 对称使电机产生磁阻转矩，其大小与电机纵横轴电感间的差值成f 比。这种结 构的电机功率密度高，动态性能也较好。在转子表面安装永磁体，可以获得足 够的磁通密度和高的矫顽力特性，且有较大的转矩重量比。 体 ( a ) 面贴式( b ) 内插式 图2 2 表面式永磁同步电机磁路结构图 体 内置式转子磁路结构如图2 3 所示。永磁体在转子铁芯内部，在永磁体外表 面与定子铁芯内圆之间的极靴中可以放置转子导条，具有阻尼和启动作用。这 种结构在异步启动永磁同步电机中应用较多。内置式结构在电磁性能上也属于 凸极转子结构，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高电机 的过载能力和功率密度，而且可以利用其气隙小的特点，利用电枢反应实现弱 磁控制，从而使电机运行于额定转速以上的速度。 1 4 武汉理i ：人学硕一f = 学位论文 体 图2 - 3 内置式永磁同步电机转子磁路结构图 2 5p m s m 的数学模型 由于电动机本身是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了实现解 耦控制，通过坐标变换，可以将三相交流绕组等效为两相互相垂直的交流绕组 或者是旋转的两相直流绕组，变换后系统变量之间得到部分解耦，从而使系统 分析和控制得到大大的简化。为了实现分析控制的目的，需要建立被控对象的 数学模型。首先假设： ( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差1 2 0 。电角度，所产生的 磁动势沿气隙按正弦规律分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的； ( 3 ) 忽略铁心损耗； ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响； 在以上几点基本假设的条件下，可以建立永磁同步电机在各个坐标系下的数学 模型。 在电机的建模过程中，电机的微分方程根据所在坐标系的不同而具有多种 表达形式。在a b c 坐标系中，电机方程是一组与转子瞬时位置有关的非线性 时变方程，该坐标系是同步电机的自然坐标系，基于该坐标系的数学模型并不 1 5 武汉理l ：人学硕十学位论文 是其物理对象最简洁的描述，不利于分析电机的动态特性。在q b 坐标系中， 电机方程经过线性变换得到了一定的简化，但电机磁链、电压方程仍然是一组 非线性方程，不便于电机的控制，故一般也不用该坐标系下的电机数学模型。 在d - q 坐标系下矢量控制技术很好地解决了这个问题，它利用坐标变换，将电 机的时变微分方程变换成了常系数方程，消除了时变系数，从而简化了运算和 分析。 d - q 坐标系又称旋转坐标系，与q b 坐标系( 又称两相静止坐标系) 是放 在电机定子上不同，d q 坐标系是放在电机转子上的，两相静止坐标系如图2 - 4 所示。d - q 坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，其d 轴位于转子磁极 轴线，q 轴逆时针超前d 轴9 0 度空间电角度，d 轴与a 轴之间的夹角为0 。图 2 5 所示为d q 坐标系图，图中1 3 为电机定子三相电流合成空间矢量和永磁体励 磁磁场轴线( 直轴) 之问的夹角，又称转矩角。0 为d 轴轴线与a 相绕组轴线 之问的夹角。甲，为转子永磁体产生的励磁磁链，f ，为转子永磁体的等效励磁电 流。 昭 图2 - 4 两相静止坐标系图2 - 5d - q 坐标系 为了实现d q 坐标系下电极方程的线性化，获得简单准确的控制方法和良 好的动态性能，需要运用电机坐标变换原理对同步电机自然坐标系的基本电磁 方程进行线性变换，实现电机数学模型的解耦。a b c 坐标系与q b 坐标系之 间的相互变换可通过c l a r k e 变换和c l a r k e 逆变换实现；而d - q 坐标系与a 1 3 坐 标系之间可通过p a r k 变换和p a r k 逆变换实现相互变换，变换的原则是产生的磁 动势相等。 1 6 武汉理i ：人学硕十学何论文 c l a r k e 变换和c l a r k e 逆变换的关系为【”1 ： 淞 1 o l 压 1 2 3 2 l 压 ( 2 - 1 ) 件k i c j 后雌1 魏1 l i o p 2 ， f压l j i 一三一一2 忑j “c o s n o 口s i no i 口 协3 ， 阡 髫爿吲 仁4 ， ，= 信号 其反变换式为： c o s ( o 一1 2 0 。) 一s i n ( o 一1 2 0 。) 1 压 1 7 c o s ( g + 1 2 0 。) 一s i n ( o + 1 2 0 。) 1 4 2 ( 2 5 ) 。一2压一2。一压2 立2 上压 武汉理i ：人学硕十学位论文 c 2 础= c o s 0一s i n 9 l 压 1 压 1 压 ( 2 - 6 ) 通过变换矩阵( 2 - 5 ) 即可对电机的电流、电压和磁链进行坐标轴系的变换， 代入a b c 坐标系下的电压回路方程可以得到永磁同步电动机在转子旋转轴系 下的方程为： ： = r 5 三0 荔p 咒- l + q 三。m r p 乏 + 国，j c 2 - 7 ， 其中，”d ，“。，屯，分别为d - q 坐标系下的定子电压和电流；l d ，厶为 d q 坐标系下定子等效电感；q 为电机转子旋转角速度，y 多2 主j ；f ，； 永磁同步电机磁链方程为： 防厶l , k i 陪8 ， 【y d =d + ，