（车辆工程专业论文）电动汽车电机驱动控制系统研究.pdf

摘要 随着汽车保有量的不断增加，环境污染和石油资源匮乏日益显著，电动汽车 因其具有绿色环保和能源利用效率高等优点，引起了世界各国的广泛关注。电力 驱动技术是制约电动汽车发展的三大关键技术之一，因而研究电动汽车电机驱动 控制系统具有重要意义。 本文以电动汽车电机的选型和功率匹配为目的，通过对电动汽车用电机和控 制技术的分析，选用永磁直流电机作为电机驱动系统的电机，在此基础上对电动 汽车动力性能与电机功率特性的匹配进行了研究；通过对永磁直流电机的运行特 性的分析和电机驱动控制方案的比较，确定了电机电流的闭环控制策略，建立了 电机驱动控制的数学模型，通过对该模型的动态特性的研究，证明该系统是稳定 可控的：从硬件和软件两个方面研究了电机驱动系统控制器的设计，硬件设计方 面主要包括提出了基于l p c 2 1 1 9 的控制器硬件设计的总体方案，主控制回路功 率器件和保护电路的设计，电枢电流检测电路和电子油门的设计和l p c 2 1 1 9 最 小系统设计，在软件设计方面主要有增量式p i 控制算法的设计，给出了p w m 输出程序、主控制程序和中断程序设计的流程图：结合电动汽车试验台和电动汽 车电机及其控制器试验相关标准的要求，提出了电机驱动控制系统的台架试验方 案。 关键词：电动汽车电机驱动l p c 2 1 1 9 控制器电动汽车试验台 永磁直流电机 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o n t i n u o u s l yi n c r e a s eo ft h ea u t o m o b i l er e t e n t i o n ，t h ep o l l u t i o no f t h ee n v k o n m e n ta n dt h e s h o r t a g e o f p e t r o l e u mr e s o u r c e sw e r ei n c r e a s i n g l y s e r i o u s b e c a u s eo fg r e e ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de f f i c i e n t l yu t i l i z ee n e r g y ，t h e e l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) w a sp a i dm o r ea t t e n t i o nb ya l lo v e rt h ew o r l d e l e c t r i cp o w e r s d r i v et e c h n i q u ew a so n eo ft h r e ek e yt e c h n i q u e sw h i c hr e s t r i c t e dt h ed e v e l o p m e n to f e v ，s ot h es t u d y i n go ft h em o t o rd r i v ec o n t r o ls y s t e mo fe vh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e a i m i n ga tc h o i c ea n dp o w e rm a t c ho fe v sm o t o rb yt h i sp a p e r , p e r m a n e n c e m a g n e td cm o t o ri sa d o p t e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so fe v sm o t o ra n dc o n t r o l t e c h n i q u e s ，t h em a t c h i n gb e t w e e nm o t o r sp o w e rc h a r a c t e r i s t i ca n de v sd r i v e p e r f o r m a n c e w a ss t u d i e db a s e do nt h a t ；t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f m o t o r sc u r r e n tc l o s e d l o o pw a sa d o p t e db yt h i sp a p e r , t h r o u g ht h ea n a l y s i so f p e r m a n e n c em a g n e td c m o t o r w o r kc h a r a c t e r i s t i ca n dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fm o t o rd r i v ec o n t r o lm e t h o d ， m a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ee l e c t r i cm o t o rd r i v ec o n t r o ls y s t e mw a se s t a b l i s h e ddo n 也a la n dt h es y s t e mi ss t e a d ya n dc a nb ec o n t r o l l e d ；t h ed e s i g no fm o t o rd r i v e c o n t r o l l e rw a ss t u d i e db yt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fh a r d w a r em a i n l yc o n t a i n e d ：t h e t o t a ld e s i g np r o j e c to fh a r d r a r eb a s e do nt h el p c 2 11 9 t h ed e s i g no fm a i nc o n t r o l l o o p ，m o t o rc u r r e n tf e e d b a c kc i r c u i t , t h ee l e c t r o n i c sa c c e l e r a t o rp e d a la n dl p c 2 1 1 9 m i n i m u ms y s t e m t h ed e s i g no fs o f t w a r ei n c l u d e d ：i n c r e m e n tp ic o n t r o la l g o r i t h m ， p w mo u t p u t p r o c e d u r e ，m a i np r o c e d u r ep r o c e s s ，i n t e r r u p tp r o c e d u r ep r o c e s s c o n s i d e r i n gt h ee v st e s tb e da n dt h er e l a t i v er e q u i r e m e n ta b o u tc h i n a sc r i t e r i o no f e v sm o t o ra n dc o n t r o l l e rt e s t , t h et e s tp r o j e c to fm o t o rd r i v ec o n t r o ls y s t e mw a s i n t r o d u c e db yt h i sp a p e r k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ( e v )m o t o rd r i v es y s t e ml p c 2 11 9t e s tb e do f e v p e r m a n e n c em a g n e td cm o t o r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 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。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果， 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：融兽红州年f 月；j 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专：刊等权利。本人离校后发表或使用学位沦文或与该论文直接相关的 学：术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：7 彖廖红旃5 月引日 钏签名：画也已。口6 年钿玑 第1 章绪论 汽车工业目前已成为世界各国经济发展的支柱产业。汽车工业的发展涉及许 多企业部门的发展，带动了石油化工、钢铁冶金、有色金属材料、橡胶工业、电 子工业、纺织工业和机械制造业等的发展，以及与汽车相关的第三产业的发展。 汽车是现代文明的重要组成部分，一百多年以来人类的科学技术与文化的成果， 都融入到汽车技术之中，从而使汽车成为人类智慧的结晶。然而，随着内燃机汽 车保有量的不断增长，汽车给人类带来的问题也日益突出，已经严重威胁到人类 社会的发展，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 机和环境污染问题，全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。而电动汽车因具有低噪声、零排放、综合利用能源等突出优点，成为 当今汽车工业解决能源环和保等突出问题的重要途径。 1 1 本研究的目的与意义 目前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题为环境污染和石油资源匮 乏。燃油汽车排放的废气主要含有一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合 物、二氧化硫、铅化物等，这些有害物质对人体健康的危害是令人震惊的，城市 8 0 的污染噪声是由燃油汽车造成的【l 】。目前世界上污染最严重的1 0 个城市中 有7 个在中国，国家环保中心预测，到2 0 1 0 年汽车尾气的排放量将占空气污染源 的6 4 2 1 。 目前汽车消耗的能源几乎完全依赖于石油制品，汽车保有量的逐年上涨使能 源问题成为制约汽车可持续发展的重要因素。随着汽车工业的发展，汽车保有量 和年产量迅速增加。据相关资料【2 】【3 】【4 】【5 6 i t i ，石油消费的5 0 源于汽车的燃油消 耗，目前我国汽车保有量为每1 0 0 0 人1 4 辆，到2 0 5 0 年将达到每1 0 0 0 人1 8 8 辆，届时汽车保有量将超过4 亿辆，汽车的增加将带来石油进口的增加。我国从 1 9 9 4 年开始成为石油纯进口国，2 0 0 0 年进口石油7 0 0 0 万吨，2 0 0 1 年进口石油 8 0 0 0 万吨，目前我国是仅次于美国的世界第二大石油进口国，对进口石油依赖 度超过3 0 ，据估计我国在2 0 2 0 年原油消费量将达4 5 亿吨，进口比例将达5 0 。 通常车用内燃机的有效效率约为3 0 左右，在满负荷条件下，其有效效率约为 2 1 左右，但是实际上内燃机并不是经常在满负荷的运转，在部分负荷运转的条 件下，内燃机的有效效率还更低一些，平均能量的利用率仅有1 5 - - 1 6 i s 。 在治理大气污染方面，各国汽车尾气排放法规制定的日趋严格，在一定程度 上促使汽车向“清洁化”方向发展。1 9 9 0 年美国加州大气资源管理局( c 虹m ) 制 定了汽车尾气排放法规，要求从1 9 9 8 年开始，在加州七家最大汽车公司销售的 汽车总数中要有2 为零排放汽车，2 0 0 1 年达到5 ，2 0 0 3 年达到1 0 。针对我 国实际情况，国家机械工业部也制定了汽车排放控制目标：2 0 0 2 年达到欧洲9 0 年代初期水平，2 0 1 0 年实现与国际水平同步1 9 1 。面对日趋严格的排放法规，人们 普遍看好电动汽车，因为电动汽车被认为是符合零排放标准的唯一可用的汽车技 术，被誉为“绿色汽车”。 面对环境污染问题和石油资源危机问题，全世界都在积极寻求开发排放低、 使用新能源的新型交通工具。电动汽车被看成是解决内燃机汽车诸多问题的主要 途径，2 0 世纪7 0 年代以来电动汽车的研究再度在全世界范围内兴起，世界各国 不惜投入大量的人力物力来研究和开发电动汽车。2 0 世纪7 0 年代初，美国、英 国、法国、德国、意大利和日本都开始发展电动汽车，2 0 时7 0 年代后期，世界 上许多国家的地区和公司，如澳大利亚、比利时、巴西、保加利亚、加拿大、中 国、丹麦、法国、德国、荷兰、印度、意大利、日本、墨西哥、芬兰、瑞士、英 国、美国和前苏联等都开始生产电动汽车【”。 电动汽车英文缩写为e v ，g p e l e c t r i cv e h i c l e 。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【9 】。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。根据美国加州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i lj 。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 i ”，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。一方面，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n 1 12 1 。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。 2 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，通过线串电子控制 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( i t s ) 的实现也变得非常简单【1 2 1 。 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【1 1 。 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( f c e v ) 。目前，这3 种电动汽车都处于不同的发展 阶段，面l 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【8 1 。 1 2 电动汽车国内外的研究现状及发展趋势 2 0 世纪8 0 年代以来，特别是近十几年来，现代电力电子、微电子、新材料 和计算机技术的飞速发展为电动汽车的研究开发提供了基础，众多国家的相关部 门不断推出电动汽车概念车，其中一些型号已形成一定批量的生产和销售规模。 1 2 1 国外电动汽车的发展现状【2 8 1 1 9 1 0 1 1 i 1 2 1 3 1 4 目前，美国、日本和以法、德为代表的欧洲国家在电动汽车的研究方面居于 世界领先水平。 美国在上世纪9 0 年代初的加州清洁空气法案和1 9 9 3 年的美国政府的p n g v - ( p a m l e 幽pf o rn e w g e n e r a t i o no f v e h i c l e ) 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、戴姆勒一克莱斯勒签定协议，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、福特和戴姆勒一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，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日走向市场。 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，法国的标致一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 i l 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 l 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。当然标致一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 一2 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。 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 年后日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 “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 。 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 4 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里 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前提下的折衷方案。表1 1 【9 】是国外部分 电动汽车的技术数据。 表卜1 国外部分电动汽车的技术数据。 电机 最高车速 车型公司年份 功率 蓄电池 类型 ( k m h ) ( k w ) 三相感应电 e v l 通用 1 9 9 71 0 2 铅酸 1 2 8 机 永磁同步电 a i t r a6 尼桑 1 9 9 76 2 钴基锂离子 1 2 0 机 三相感应电 p 2 0 0 0 福特 2 0 0 06 7 p e m 燃料电池 1 2 8 机 戴姆勒 n e c a r 52 0 0 07 5 p e m 燃料电池 1 5 0 克莱斯勒 永磁同步轮 l u c i o l en i e s +1 9 9 67 2 铅酸 1 3 0 毂电机 永磁同步轮 r a v4 丰田1 9 9 74 5镍氢1 3 0 毂电机 他励直流电 r e v a e v 印度2 0 0 11 3铅酸6 5 机 三相感应电 e p i c 克莱斯勒1 9 9 87 3 5铅酸1 3 0 机 三相感应电 r a n g e r 福特1 9 9 86 7铅酸1 2 0 机 三相感应电 g o l f i v 大众 1 9 9 85 2 5铅酸 机 n i e s ：日本国家环境保护局 1 2 2 国内电动汽车的发展现状1 2 1 【1 5 l 【t 6 】【i ，l 为维护我国能源安全，改善大气环境，提高加人w t o 后我国汽车工业的竞 争力，2 0 0 1 年9 月，我国科技部在“十五”期间的国家“8 6 3 ”计划中，特别设立了 电动汽车重大专项。专项将从国家汽车产业发展战略的高度出发，选择新一代电 动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构， 以官、产、学、研四位一体的方式，联合进行攻关。计划在“十五”期间，促进我 国符合市场经济发展要求的研发体系、机制和人才队伍的形成，以电动汽车的产 业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键单元技术、系统集成技术及整车 技术上取得重大突破，集中有限资源抢占新一代电动汽车制高点，促进我国汽车 工业实现跨越式发展。 电动汽车重大专项提出“三纵三横”研究开发布局。“三横”是指纯电动汽车、 混合动力汽车和燃料电池汽车的整车，“三纵”是指电池、电机和控制系统的关键 零部件。强调建立符合整车开发规律的严密的整车开发程序，提出以整车开发为 主导，关键零部件和相关材料紧密结合、基础设施协调发展，政策法规、技术标 准与评估技术同步展开的基本方针，作为国内汽车科技项目的一个探索，以保证 电动汽车重大专项产品化和产业化目标的实现。目前该项目的科研资金己经大大 超过国家投入的近9 亿元，总共达到2 5 亿元以上。 在传统汽车领域，中国落后于发达国家二三十年，已经失去了追赶的机会。 而在电动汽车领域，中国与国外技术水平和产业化程度差距相对较小。中国电动 汽车的研发已有了定的基础，一些企业在上世纪90 年代中期已推出了电动汽 车样车，但是目前还没有规模化生产的电动汽车产品出现。以下是国内部分企业 和科研院所电动汽车研发的情况： 天津一汽承担的国家“8 6 3 ”项目- 夏利纯电动轿车”已经通过验收。夏利 纯电动轿车以夏利2 0 0 0 为基础，其最高车速大于1 2 0 k m h ，续驶里程等速法大 于2 3 0 k m ，工况法大于1 5 0 k m ，计划在2 年内实现产业化。 东风汽车公司1 9 9 6 年就推出电动汽车样车。目前该公司同时承担“8 6 3 ”项目 中2 个整车项目，已有4 辆电动客车作为武汉市5 0 9 路和5 1 0 路公共汽车投入使 用。其主要产品有神龙富康纯电动轿车、e q 7 2 0 0 h e v 和e q 6 1 1 0 h e v 混合动力 公交车。 上海燃料电池汽车动力系统有限公司联合上海汽车工业( 集团) 总公司和同 济大学共同承担国家“8 6 3 ”电动汽车重大专项燃料电池轿车项目，已经研制 出两款燃料电池轿车样车“春晖一号”和“超越一号”。“春晖一号”四轮电驱动燃料 电池轿车，其最高时速控制在1 5 0 k m h ，配置锂离子蓄电池和燃料充氢电池两种 混合动力，蓄电池一次充电的续驶里程是5 0 k m ，加氢后的续驶里程是1 5 0 k m 。“超 越一号”燃料电池混合动力轿车已经通过验收，“超越一号”基于桑塔纳2 0 0 0 车型， 其最高时速大于ll o + 5 k m h ，续驶里程2 1 0 k m 。 上汽集团奇瑞汽车有限公司承担的国家“8 6 3 ”项目重点专项奇瑞混合动 6 力轿车采用双c a n 网络系统，奇瑞混合动力轿车目前配置的是1 o l 发动机，其 动力性可达到1 6 l 发动机的传统轿车水平，最高车速可达1 6 0 k m h 。国家电动 汽车试验示范区管理中心与安徽兆成电动车辆技术有限公司密切合作，在纯电动 车辆相关总成零部件研制取得成效的基础上，对该公司承担的“8 6 3 ”项目重大专 项q r e v 低配置纯电动轿车整车基本性能进行改装试验，在奇瑞轿车平台上开 发出了纯电动轿车z c 7 0 5 0 a 。通过试验，该车一次充电等速续驶里程达3 0 8 k m ， 全程开空调情况下市区道路续驶里程达2 0 3 k i n 。 长安汽车( 集团) 有限责任公司开展的国家“8 6 3 ”项目i s g 混合动力长安 轿车整车匹配项目，目前已经通过国家级验收。长安公司的混合动力轿车是在 s c 7 1 3 0 ( 羚羊) 型轿车平台上开发的。i s g 混合动力长安轿车的油耗降低3 0 以上，排放达到欧标准，样车最高车可达到1 6 0 k m h 。 北京理工科凌电动车辆股份有限公司是由北京理工大学和中山市发思特集 团为主要发起人出资组成的股份公司，主要承担国家“8 6 3 ”电动汽车产业化项目 和2 0 0 8 年北京奥运会电动车项目，同时承担北京市电动汽车示范运行管理中心 的筹建和运行管理工作。该项目已经研制出纯电动豪华旅游车和低地板公交车的 样车。 1 9 9 3 年，香港大学研制出四座电动轿车u 2 0 0 1 ，该车采用了一系列具 有2 0 世纪9 0 年代水平的高新技术，包括应用电热技术制作的变温座椅减少了 空调的能源消耗；采用声频导航系统提高了安全性，便于用户驾驶；采用智能能 量管理系统使能量的转化和传递达到最优。u 2 0 0 1 最高车速1 1 0 k m h , 以8 8 k m h 的速度运行时一次充电的续驶里程为1 7 6 k m 。 爱迪生汽车技术研究所独立开发了2 款具有自主知识产权的电动轿车，纯 电动爱迪生e v l 0 0 型和混合动力系列轿车。深圳比亚迪有限公司在收购西安秦 川汽车公司并将其更名比亚迪汽车有限公司，计划开发比亚迪品牌的电动汽车， 成本价估计在1 0 万元到1 2 万元之间，售价在1 4 万元左右。该电动汽车计划首 先在深圳上市，在做完必要的改进后，将全面进入北京、上海、广州和西安等城 市。 表1 - 2 t g l 是我国开发的部分电动汽车数据，可以看出同国外电动汽车水平相 比，我国尽管有一定的差距，但远小于内燃机汽车与国外的差距。电动汽车的产 业化将促进我国传统汽车业的改造和发展，以改变我国汽车工业在国际竞争中的 不利局面。发展电动汽车与改造和发展传统汽车产业并不矛盾，结合的好，还可 以相得益彰，提升我国的汽车产业。 7 表卜2国内电动汽车的技术数据 电机 最高车速 车型研制单位年份蓄电池 ( k m h ) 类型 功率( k w ) e v _ 6 6 3 0 华南理工 1 9 9 7 直流电机 2 5铅酸6 0 e q - 6 6 9 0 二汽集团3 0铅酸6 7 5 y w 6 1 2 0 d d远望集团铅酸9 0 e v 6 5 8 0清华大学铅酸8 0 永磁混合 u 2 0 0 1 香港大学 1 9 9 34 5 铅酸 1 l o 电机 永磁直流 b j d 6 1 0 0 - e v北京理工2 0 0 1 铅酸 7 5 电机 z c 7 0 5 0 a安徽兆成2 0 0 1铅酸8 0 电动汽车国防科大 2 0 0 1 铅酸 1 2 3 电动汽车的发展趋势f 2 】1 1 9 1 2 0 | 1 2 ，】 目前零排放电动汽车的技术已经逐渐成熟，并己开始商品化，一次充电行程基 本能满足市区交通的要求。大规模应用的主要问题是电动汽车的初始成本高和续 驶里程不理想，而燃料电池电动汽车仍处于研发阶段，要想低成本批量生产仍有 待时日。纯电动汽车可以实现零排放，由于一次充电行程短，因此只适用于特定 的场合，如社区交通、零排放管制的城市，以及娱乐场所的短途运输等。混合动 力电动汽车正在国内外形成新一轮的技术开发热点，它可以提高燃油的经济性， 但不能达到零排放，只能改善排放。在零排放电动汽车未形成主流之前，混合动力 电动汽车可起到过渡性发展的作用，因此是目前可以大批量生产、替代燃油汽车、 减少废气排放的较现实的电动汽车。可以预见在未来的1 0 年中，纯电动汽车和 混合动力电动汽车将在其特定市场范围内扩大其商业化生产规模并占有各自的 份额，而增长速度将取决于它们的价格因素。在2 0 年以后，燃料电池电动汽车 会成为未来的主流技术，定会有长远的市场前景，其商业化速度也会加快，因为 只有它在续驶里程和性能方面能与燃油车相媲美。电力驱动系统和车载电源仍是 电动汽车技术的关键，纯电动汽车和混合动力电动汽车将并存，而能源、环境和 经济将是电动汽车商业化的主要推动力。 尽管电动汽车在2 0 世纪前就已经存在，但现在的电动汽车不仅是以电动机、 控制器和电源组成的以电驱动系统为基础的车辆，而且是实现清洁、高效、智能 的道路运输系统的一个全新系统，是一个便于和现代交通网络结合的智能系统。 无论从环保角度还是从能源角度来看，未来的电动汽车都需要有一个大的发展， 其开发关系到众多工业的兴衰，可能成为未来新的经济增长点。政府应鼓励电动 汽车按市场机制开发，同时要抓紧充电站等基础设施的建设，并在政策、法规上 予以支持。可以预见，未来的汽车将是由电气、机械和控制技术运行的车辆， 也只有开发清洁、高效、智能的电动汽车，才能使2 1 世纪的交通可持续地发展。 1 3 本研究电动城市公交客车的研究与开发 随着我国城市化进程的逐步加快，在我国大中城市都存在十分严重的交通问 题和环境污染问题，这些城市人口稠密，道路狭窄。因此，作为方便、快捷、效 率高、无污染、道路占用少的城市电动公交客车，是一种十分理想的城市公共交 通工具，开发城市电动公交客车在我国有着得天独厚的发展条件和广阔市场 1 3 1 开发城市电动公交客车的主要原因 欧美等国家主要以电动轿车为研究方向，在我国，电动轿车虽然是研究方向 之一，但首先发展电动公交客车并使其商业化更符合我国的具体情况。主要原因 如下【2 2 】【2 3 l ： 1 公交客车线路固定，停靠站点固定，这样便于在公交客车集中的地点建立 充电设施，有效解决充电站点分布广，资金投入大的问题。 2 公交车车体宽大，布置电动机、电池和传动系等部件有较宽松的空间，成 本不会太高。而相对来说，轿车空间十分有限，对电池等各部件的各种技术要求 十分严格，成本自然会很高。 3 公交车一般可容纳4 0 至u 6 0 人，而轿车之容纳4 n 5 人，同时公交客车一天运 行8 小时以上，家用轿车每天大多是在上下班时使用，总计约有4 小时左右。虽然 前者造价比后者高，但政府、公司可以承受，而且究其社会效益来看，前者要远 远大于后者。 4 我国对公交客车的需求量比西方国家大得多，而且我国的公交客车技术与 西方国家的差距要比轿车小得多，在不长的时间内设计出外形美观、价格合理的 电动公交客车是可能的。 9 1 3 2 我国城市电动公交客车的市场需求 1 需求量测算 目前我国城市燃油公交客车保有量为5 0 万辆，更新周期为5 年。不计其增 长率及其它需求，每年应新生产l o 万辆才能维持现有的保有量。假如用电动客 车替代，若替代l ，即需要一个年产1 0 0 0 辆的城市电动客车工厂，若替代1 0 ， 则需要一个年产1 0 0 0 0 辆的电动公交客车企业口2 1 。 2 某些城市对电动公交客车的需求 2 0 0 8 年北京奥运会将以“绿色、科技、人文”为宗旨，届时北京市政府将为 奥运会提供绿色车辆，保证环保性能指标达到世界发达国家的先进水平。具体内 容为，到2 0 0 8 年奥运会，北京9 0 的公共汽车和7 0 的出租车将使用清洁燃料， 同时规定，奥运会清洁客车只能是在中国国内生产制造。目前中国科技部首推电 动汽车，它能满足世界上最严格的排放标准。在奥运会的采购清单上，有1 8 0 0 0 辆清洁燃料公交车、1 0 0 0 辆电动汽车和1 0 0 0 辆其他类型的汽车，这一总金额高 达2 0 亿元的奥运电动汽车订单将为中国电动汽车行业提供巨大的发展资金。 2 0 0 8 年之前，北京将建成世界上最大的一支电动汽车队伍1 2 3 1 。 国际展览局将2 0 1 0 年世博会的主办权给了上海，世博会的总投资大约为1 5 0 亿美元，上海准备加快城市基础设旅的建设，使其能适应世博会的要求。为体现 “城市让生活更美好”的主题，上海市将优化调整公交线网，完善与轨道交通的衔 接配套，加大公交汽车、电车的更新改造力度，鼓励公交运营企业使用高等级车 辆。未来5 年内，上海将更新8 0 0 0 辆以上的公交车辆，快速发展公交电车。到 2 0 1 0 年世博会时，由于各比赛场馆里大量需要无污染的电动汽车，这将促迸国 产电动汽车的全面上市【2 3 l 。 1 3 3 本研究城市电动公交客车开发方案 车长在6 米左右的中型客车及9 米左右的大客车由于可用空间较大、在重量 较大，非常适合开发纯电动汽车；另外，中型客车和大型客车在城市交通和城间 交通中得到广泛应用，尤其是城市中的公交车辆( 中巴、大巴) 不尽其应用环境 适合电动汽车，而且是指电动化之后，将对环境保护起到极大的推动作用，社会 效益巨大、明显。 因此本研究所要研制的城市电动公交客车采用陕西骊山客车厂型号为 l s 6 6 0 0 c 1 中型客车改装而成，骊山l s 6 6 0 0 c 1 中型客车如图l 一1 所示，其整车 1 0 参数如滚1 3 所示。由于锚酸电池具有价格低、技术成熟和应用酱遍的特点，所 以本研究选用了一组2 4 块1 1 0 a h 的动力铅酸褥电池，表1 4 给出了铅酸电池的 相关参数。由于本研究所研究的电动汽车由燃油汽车直接改装而成，所以用电动 枫帮嚣电渣取代了发动撬秘燃油系统，保髫了原车酶离合器、交遮器、主减速器 帮蓑瀵器等，这样可瑷降低对电魂辊转速稔转矩魏要求。嚣翼重对簸车辆改装还包 括拆除发动机总成，包括其空气供给及排气系统、燃油供给系统 对传动系统的 改装患骚是在电机安装时加装飞轮使其与离合器接触：对油门踏板信号的产生， 采用綮挺车电子油门，根据所选电机控制要求对点火开关原接线作了调整。 强i - i 疆出l s 6 6 0 0 c i 串鍪客车 袭l 门电动城市公交客率的整车参数 原汽车型号l s 6 6 0 0 c l原生产厂家陕西骊山客车厂 改装髓的总质量( 含乘改装后的总质量 员) 4 4 8 0 k g5 2 0 0 k g ( 含黍曼) 辘距( m m ) 3 3 l o 瘫盘墅号 c a l 0 4 0 p 5 0 d 1 4 车长车宽车高( m m )5 9 9 5 x 2 1 8 0 2 7 6 0变速器型号 c a s 5 - 2 0 a 轮胎 6 5 0 1 6 型8 层主减速比 6 1 7 乘员数1 6 人 表卜4 电动汽车的电池参数 型号 6 d a - 1 1 0 生产厂家广州海鸥 额定容量 1 1 0 a h 电压 1 2 v 单体质量 3 0 蚝 数量 2 4 1 4 电动汽车电机驱动控制系统 近年来，电动汽车的研究和开发虽取得了一定的进展，但还存在如下的一些 技术难题亟待解决： 1 一次充电续驶里程太短。这主要是由于电池的比能量低； 2 电池的循环寿命短、更换率高； 3 电池充电时间长。通常需要6 1 0 小时才能完成； 4 电动汽车的动力性还不够理想，电机驱动控制系统和电动汽车专用电机 的技术还不成熟。 由此可见制约电动汽车发展的瓶颈是蓄电池、电机和电力驱动系统。电力驱 动系统是提高汽车动力性、续驶里程和可靠性的保证。尤其是在目前蓄电池技术 未取得突破的背景下，电机驱动控制系统的研究和开发是提高续驶里程并使之实 用化的关键。 1 4 1 电动汽车的基本结构 电动汽车的基本结构如图1 - 2 2 j 所示，可分为三个子系统，即电力驱动子系 统，能源子系统和辅助控制子系统。其中，电力驱动子系统又由电控单元、功率 转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成；主能源子系统由主电源、能量 管理系统和充电系统构成；辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力 供给等功能。在电力驱动子系统中，根据从加速踏板和制动踏板输入的信号，电 子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器 的功能是调节电动机和电源之间的功率流，当电动汽车制动时，再生制动的电能 被电源吸收，此时功率流的方向要反向。能源管理系统和充电器一同控制充电并 监测电源的使用情况。辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级的电压 并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。 与燃油汽车相比，电动汽车的特点是结构灵活，燃油汽车的能量是通过刚性联轴 器和传动轴传递的，而电动汽车的能量则基本上是通过柔性的电线连接的，因此， 与传统燃油汽车的发动机不同，电动汽车各部件的放置具有很大的灵活性。 交流电源 图卜2 电动汽车的基本结构图 1 4 2 电机驱动控制系统的基本结构 电机驱动控制系统是电动汽车的心脏，其主要任务是在驾驶员的控制下，高 效能地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，克服汽车行驶时的阻力。如图l 一3 所 示，电机驱动控制系统可分为电器和机械两大系统。电机驱动控制系统的关键是 电气系统，电气系统由电动机、功率转换器和控制器等三个关键部分组成。 图卜3 电机驱动控制系统结构原理图 1 4 3 电动汽车对电机驱动控制系统的要求 对电机驱动控制系统的要求主要取决于以下三个方面：驾驶员对电动汽车驾 驶性能的要求、车辆的性能约束和能量系统的性能。驾驶性能的要求是由包括加 速能力、最高车速、爬坡能力、制动性能以及续驶里程等性能在内的驾驶模式决 定的；车辆的性能约束主要是指车型、车重和载重等：能量系统的性能与车载能 源装置有关。因此电力驱动系统不但要满足电动汽车在各种工况下的行驶要求， 还要能适应各种恶劣的天气条件，同时还要能承受道路的颠簸振动，另外还要能 保证司乘人员的舒适与安全。因此对电动汽车电力驱动系统的要求如下【2 1 1 7 1 1 2 4 1 ： 1 恒功率输出和高功率密度； 2 在汽车起步和爬坡时具有低速一高转矩的输出特性以及汽车巡航时的高 速低转矩特性： 3 具有较大的转速范围足以覆盖恒转矩区和恒功率区： 4 快速的转矩响应特性： 5 在转矩转速特性的较宽范围内具有较高的效率； 6 坚固，能在不同的工作条件下可靠的工作； 7 成本低。 1 5 本论文研究的主要内容 本论文将要研究的主要内容有： 1 分析国内外电动汽车用电机及其控制技术，研究电动汽车用电机的选型及 电动汽车动力性能与所选电机功率的匹配。 2 分析永磁直流电机的调节特性和传统内燃机车辆的驾驶特点，提出电动汽 车电机驱动系统的控制策略，建立电机驱动控制系统的数学模型。 3 研究电机控制器的设计。包括硬件部分总体设计方案，主回路功率器件的 选用，功率变换器的结构选择，相关输入输出信号的控制，相关转换电路和保护 电路的设计，控制器软件部分的设计主要包括控制算法的研究、p w m 输出程序 设计、主程序的设计和中断程序的设计。 4 根据电动汽车的相关国家标准对试验方法和试验技术的要求，提出电机及 控制器的台架试验的方案。 1 4 第2 章电动汽车用电机的选型与功率匹配 电机是电动汽车电力驱动系统的核心，其性能、效率、重量等直接影响着电 动汽车的性能。为达到对电动汽车续航能力及在复杂工况下安全运行的要求，电 动汽车驱动电机的设计专用化已成为趋势，电动汽车的电机及其控制与传统的电 机及其控制相比，有其特殊性【2 】【7 l ： 1 电动机处于频繁起动、加减速、变速范围宽和制动回馈的工况下，要求 有良好的控制性能。低速( 恒转矩区) 运行能够提供大转矩，以满足起步和爬坡 的要求；能够提供高转速，以满足汽车高速行驶及超车的要求。 2 在整个运行范围内要求高效率，包括电动机、控制器和传动装置的综合 效率，以增加汽车的一次充电行驶里程和再生制动能量的回收，而且在宽功率变 化范围内有较高效率。 3 有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的加速性能，以满足道路行 驶工况的变化。 4 电机和控制系统能承受大电流冲击以提高起步和加速转矩，并且有较长 时间的过载能力。 5 要考虑电机在车上的安装和与车上传动系统的联结。 6 电机体积要小，重量要轻，有较高的功率密度：同时要考虑电机抗振、 防潮、防水、防尘、通风散热等。 2 1电动汽车用电机及其控制技术 2 1 1 普通直流电机 2 0 世纪9 0 年代前开发的电动汽车通常采用直流电机驱动系统。直流驱动系 统有成本低、易于平滑调速、控制器简单、控制相对成熟等优点。但由于直流电 机在运行过程中需要电刷和机械换向器换向，效率和转速均低于交流感应电机。 直流电机可以用作电动机，也可以用作发电机。当电动汽车在起动、加速和恒速 运行时，电机处于电动状态，实现电能到机械能的变换，驱动车辆前进。当电动 汽车减速或制动时，要求直流电机处在发电制动状态，即处于再生制动状态，给 蓄电池充电，实现机械能到电能的转换。 由于存在电刷和机