（车辆工程专业论文）电动汽车底盘测功机的开发与研究.pdf

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“8 6 3 ”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“2 1 1 ”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l a b v i e w 的虚拟仪器软件作为开发平台，并介 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f j 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 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ep r o b l e m ss u c h a se n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n de n e r g yr e s o u r c e s h o r t a g e ，a r e m o r ea n dm o r ec o n c e r n e di nt h ew o r l d ，s ot h a tt h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i c v e h i c l e ( e v ) i sa c c e l e r a t e d t os o l v e t h e s e p r o b l e m s ，a n d t h e t a s k o f r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n te vi s g r a d u a l l yu r g e n tn o w , t h e n t h em e a n so f r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n te va r eg r a d u a l l yp e r f e c t e d a tp r e s e n t ，s i m u l a t i o n o nt h ec o m p u t e r , e x p e r i m e n to ni n d o o r t e s t p l a t f o r m a n de x p e r i m e n to nt r u er o a d s ，a r et h em a i n m e t h o d st or e s e a r c ha n dd e v e l o pe v t h e yh a v et h e i ro w nc h a r a c t e r s t h ei n d o o rt e s t p l a t f o r ms u c ha se vc h a s s i sd y n a m o m e t e rc a nc a r r yo u tt h ee x p e r i m e n t sa b o u te v , s u c ha st h eb a t t e r y ，m o t o r ，e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e ma n db r a k ee n e r g yr e c l a i m i n g s y s t e ma n ds oo n ，t h em e t h o dc a ne l i m i n a t en on e e d i n gr e s e a r c hf a c t o r s ，s h o r t e n n o t a b i l i t y t h et r i a l p e r i o d ，a n dc a na c q u i r em o r ea c c u r a t e ，m o r e e n t i r ea n dm o r e i n - d e p t ht e s tr e s u l ti ns o m ea s p e c t s m yu n i v e r s i t yi st h eo n em e m b e r o fe vr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a mt h a t i so n eo ft h en a t i o n “8 6 3 ”p r o g r a m s t ot e s tt h ee vt h a ti s d e v e l o p e db ym y u n i v e r s i t y ，d e v e l o p m e n to fe v t e s tp l a t f o r mi sl i s t e da st h e “2 1 1 c o n s t r u c t i o ni t e mb f o u r u n i v e r s i t y a n dt h ea i m i st od e v e l o pe vc h a s s i sd y n a m o m e t e ra n ds e r v i c ef o rt h e r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t e v t h et h e s i si sc e n t e ra r o u n dt h e p 内g r a m t h et h e s i sq u o t e sa n da b s o r b ss o m ea d v a n c e dr e s e a r c hr e s u l t s ，a n dd e v e l o p sa n d r e s e a r c h e st h ei n d o o rt e s t e q u i p m e n to fe v i nt h ep a p e r , t h eb a c k g r o u n da n di t s s i g n i f i c a n c e ，t h ee v t e s tt e c h n o l o g ya n di t sd e v e l o p m e n t ，t h es o u r c eo ft h ep r o g r a m ， r e s e a r c ha i m sa n dt h ed i r e c t i o no ft h ep r o g r a ma r ei n t r o d u c e df i r s t l y t h e nc o m p a r e s t h e i rp e r f o r m a n c eo ft h ee va n d e n g i n ev e h i c l e ，a n dr e s e a r c ht h ec a l c u l a t i o nm e t h o d o ft h ed r i v ef o r c ea n dm o t o rp o w e ro fe v t h e ni n t r o d u c e st h ea l l k i n d so fe v c o n s t r u c t i o no fd r i v em o t o rt oo f f e rt h er e f e r e n c ef o r d e s i g n i n gt h e e vc h a s s i s d y n a m o m e t e r o nt h eb a s i s ，t h e a u t h o r d e s i g n s t h ec o n s t r u c t i o no fe vc h a s s i s d y n a m o m e t e r , a n ds e l e c t sd cm o t o ra st h el o a d e q u i p m e n t ，a n d e s t a b l i s h e s 、t h e c c m t r o m o d e lo fd ce l e c t r o n i cd y n a m o m e t e r , a n de s t a b l i s h e st h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l s y s t e m f i n a l l y ，r e s e a r c h e s t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo fe v c h a s s i sd y n a m o m e t e r , b a s e do nt h ea d v a n c e dt e s tc o n c e p t “s o f t w a r ei sa p p a r a t u s ”， m a i n l yd r a w so nt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt o o l “l a b v i e w ”a st h ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m ，a n di n t r o d u c e sn e tv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n t o a u t o m o b i l et e s ts y s t e m s df a r ，i nt h et h e s i s ，t h ea u t h o ra l r e a d y s y s t e m a t i c a l l ya n a l y s i s e sa n dr e s e a r c h e s l j 武汉理工大学硕士学位论文 t h ek e yt e c h n o l o g yo fd e v e l o p m e n te vc h a s s i sd y n a m o m e t e r b u tt h et h e s i si s s t i l l c o m p a r a t i v e l ys u p e r f i c i a l ，a n de x i s t sal o to fn o p e r f e c tp a r t sf o rt h es a k eo ft i m e ， c o n d i t i o na n d c a p a b i l i t y ， k e yw o r d s ：e v ，c h a s s i sd y n a m o m e t e r ，d c m o t o r ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，n e t w o r k 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 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f f 益突出，已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3 5 0 0 万辆，按平均每辆车消耗l o 1 5 桶石油及石油制品计算，汽车的石油消耗量每 年达到6 0 7 0 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6 0 l o o 年左右。在我国，形势则更为严峻，根据1 9 9 5 年的统计数据，我国石油资源可歹1 ：采量仅仅为3 2 8 8 x1 0 9 吨，占世界总储量的 2 3 ，可供我国开采2 2 年。据统计，1 9 9 0 年我国在用汽车汽油消耗量为1 9 6 2 万吨、柴油消耗量为4 8 9j j 吨，2 0 0 0 年在用汽车汽油消耗量为5 5 2 6 万吨，年增 长率为1 9 9 ，柴油消耗量为1 7 0 5 万吨，年增长率为4 2 7 ，估计到2 0 l o 年， 我国汽车耗油量将达到7 6 5 5 8 0 5 5 万吨。在2 l 世纪，能源问题尤其是石油 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6 0 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( c o z ) 、一 氧化碳( c o ) 、氮氧化物( n o i ) 、碳氢化合物( h c ) 、二氧化硫( s o 。) 、光化学烟 雾、铅微粒( p b ) 、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0 0 0 1 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 0 0 0 3 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0 0 1 2 时，人们就会深度中毒，在l 小时左右会因中毒死亡； 当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2 3 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( n o ) 和二氧化氮( n 0 z ) ， 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 0 0 0 0 5 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。1 9 9 5 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8 0 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3 0 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；“- t 一五”期问经国家科教领导小组第十次会议批准，电动汽车列入 “8 6 3 ”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z l 世纪科技制商点，力 争在3 5 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2 0 0 多家企业、高校和科研院所近2 0 0 0 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f 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。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“8 6 3 ”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“2 1 1 ”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。 1 2 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2 0 0 4 年底，已完成电动汽车整车产品1 3 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j t 京、天津、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6 0 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。 1 9 9 8 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2 0 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1 0 0 0 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8 6 3 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。 2 0 0 3 年6 月1 5 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“8 6 3 ”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 1 2 亿元。一期工程投入达2 0 0 0 j 元，包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。1 9 9 6 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。 1 3 本课题的研究目标以及主要工作 本课题来源于我校“2 1 1 ”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【l 处理软件的编制将 涉及到许多电子技术、通信技术、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 2 1 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c o 、h c 及n o x 、微粒、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c o 、s 0 2 、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，f 乜动汽车会逐渐普及，其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。 2 2 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f - j ) 的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n 的变化关系。油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 n r a i n n t qn p n m 8 x n ( r m i n 一1 ) 图2 - 1内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2 1 。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 m 表示，功率的单位以k w 表示，转速以r m i n 表 示，则功率与转矩有如下关系： p 。竺 ( 2 一1 ) 、 9 5 4 5 、一。 2 3 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。 2 3 1 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3 4 ) ，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。 2 3 2 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6 0 0 0 8 0 0 0 r m i n 之问，只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( 9 0 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9 7 ) 、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8 5 9 3 ，转速可以达到1 5 0 0 0 r m i n 。其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。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 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( t n ) 、功率一转速( p - n ) 的关系，电动机的机械特性都可以用t - - n 和p - - n 曲线来表示，这是选择电动机的参考或依掘。 2 3 3 1 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2 2 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2 - 2 直流电动机调速曲线 转速 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 2 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j 满载加速等性能要求。 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l5 5 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 、3 3 3 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。 2 3 3 4 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。 2 3 4 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p i d ，不能满足高 性能电动机驱动的苛刻要求。传统的变频变压( v v v f ) 控制技术，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( f o c ) ，是比较好的控制方 法。近几年，出现了f l ：多先进的控制策略。适川于i 乜动机驱动的控制策略的发腥 现状，包括自适应控制、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( s t c ) 和模型参考自适应控制( m r a c ) 。运用 s t c ，控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m r a c ，输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，m r a c 和s t c 都已用于电动汽车无换向电动机驱动系统中。 变结构控制( v s c ) 最近也应用到电动机驱动中，与自适应控制进行竞争。 运用v s c ，系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( f u z z y ) 和神经网络( n e u r a ln e t w o r k s ) 等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( n n c ) ，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n n c 和模糊v s c 等。在 不久的将来，利用人工智能( a i ) 的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m o s f e t 、i g b t 、c o n f e r 、m c t 和s t t 等的使用，还 有微机处理器d s p 等硬件的应用，为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。 2 4 电动汽车驱动力及电动机功率