（动力机械及工程专业论文）基于emt的纯电动城市客车驱动系统研发.pdf

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组成和现有的各种电机、电池、变速器等的研究，总结出了每个种类的优势和劣 势，根据设计要求和实际工况完成了驱动系统各部分的选型，并以w g 6 1 2 0 的参 数为依据，完成了驱动系统各部分参数选择的计算。 纯电动汽车整车的控制影响到了整车能量的利用效率，是决定纯电动汽车性 能的关键因素之一。本文研究了纯电动汽车整车控制系统的构成，提出了基于 e m t 的纯电动城市客车驱动系统各部分的控制原理，通过p l c 和c a n 4 8 5 m b c a n 总线协议转换器之间的自由口通讯设计实现了整车控制器的c a n 通讯功能，大大 提高了各控制单元之间数据交换的实时性和可靠性，并且根据电机的特性和实际 的工况得出了适合基于e m t 的纯电动城市客车驱动系统的控制策略，对各种制动 情况进行了分析，提出了整车控制器在程序上区分各种制动情况的依据，并且充 分考虑了车辆制动时的安全性能制定了车辆的制动能量回收策略。 关键词：纯电动，e m t ，驱动系统，自由口通讯 a b s t r a c t w i t i lt h ei n c r e a s eo fv e h i c l ep o p u l a t i o n , t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dt h e p r o b l e m o fe n e r g ys h o r t a g eb e c o m em o r es e r i o u s s ot h e d e v e l o p m e n to f c l e a n e n e r g yv e h i c l e sb e c o m i n gt h ef o c u so fa u t oc o m p a n i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e s u n d e ri n t e n s ea n a l y s i so ft h eg l o b a lc a ri n d u s t r y ，ic o m et oac o n c l u s i o nt h a te l e c t r i c v e h i c l ei saf e a s i b l er o u t et or e a l i z et h en e we n e r g yi n d u s t r ya tt h ep r e s e n tc o n d i t i o n s t h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cv e h i c l ei sl a r g e l yd e p e n do ni t sd r i v es y s t e m ，a n d w h i c ha l s oi sm a j o rd i f f e r e n c eb e t w e e nt r a d i t i o n a lc a ra n de l e c t r i cv e h i c l e ，s ot h e r e s e a r c hi ne l e c t r i cv e h i c l ei sn o wf o c u s e do nt h ed r i v es y s t e m e l e c t r i ca u t o m a t e d m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( e m t ) i sap o w e rs y s t e mw h i c hs p e c i a lf o re l e c t r i cv e h i c l e ， u s i n gt h es h i f t i n gw a yo fm o t o ra d j u s ts p e e d ，a n de m t n ol o n g e ru s es y n c h r o n i z e r r i n g s oe m t c a nr e a l i z eh i 曲q u a l i t ys h i f t i n gw h i c hi st h eq u i c k l y ，a c c u r a t e l ya n d h a v i n gs m a l li m p a c t e m td r i v ea n ds h i f tb yt h es a m em o t o r ，a n di ti n t e g r a t e st h e m o t o ra n dt r a n s m i s s i o nt o g e t h e r s ot h es y s t e mh a ss m a l lw e i g h ta n dv o l u m e t h i s m a k e si ti sc o n v e n i e n tt oa r r a n g et h es y s t e mi nt h ev e h i c l e ，a n di tr e d u c et h eq u a l i t yo f t h ev e h i c l e ，r e d u c i n gt h eu n n e c e s s a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n b a s e do nt h ee l e c t r i cv e h i c l eb u sp r o j e c tf r o md o n gf e n gy a n g t z eb u sc o m p a n y ， t h ed r i v es y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l eb u sw a sr e s e a r c h e d t h ej o bo ft h ep r o j e c ti st o c o n v e r tt h ew g 612 0b yr e p l a c i n gt h ed r i v es y s t e m t h ep a p e rf o c u s e so nt h e s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fe m t ，a n da n a l y z i n gt h ea d v a n t a g eo fe m ti nt h e u s i n gi ne l e c t r i cb u s e s b yt h er e s e a r c ho ft h ec o m p o s i t i o no fe l e c t r i cv e h i c l ed r i v e s y s t e m ，m o t o r s ，b a t t e r i e s a n dt r a n s m i s s i o n ，s u m m a r i z e dt h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so fe a c ht y p e i nt h i sp a p e ric o m p l e t et h es e l e c t i o no fa l lp a r to ft h e d r i v es y s t e ma c c o r d i n gt od e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dt h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n d c o m p l e t et h ec a l c u l a t i o no fa l lp a r t so f t h es y s t e mw h e nc h o o s i n gp a r a m e t e r sb a s e do n t h ep a r a m e t e r so fw g 6 12 0 t h ec o n t r o lo fe l e c t r i cv e h i c l ew h i c hi so n eo fk e yf a c t o r st h a td e t e r m i n et h e p e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cv e h i c l e sc a ni m p a c tt h ee n e r g ye f f i c i e n c yo f e l e c t r i cv e h i c l e i nt h i sp a p e rt h ec o m p o s i t i o no fe l e c t r i cv e h i c l ec o n t r o ls y s t e mi sr e s e a r c h e da n dt h e c o n t r o lp r i n c i p l eo fa l lp a r to ft h ed r i v e rs y s t e mo fe l e c t r i cc i t yb u st h a tb a s e do ne m t c o m e so n t h r o u g ht h ed e s i g no ff r e e p o r tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n d c a n 4 8 5 m bc a nb u sp r o t o c o lc o n v e r t e rr e a l i z ec a nc o m m u n i c a t i o no fe l e c t r i c v e h i c l ec o n t r o l l e r ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v i n gt h er e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t yb e t w e e nt h e c o n t r o lu n i t si nd a t ae x c h a n g e ，a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ed r i v e rs y s t e mo fe l e c t r i c i i c i t yb u st h a tb a s e do ne m tc o m e so nd e p e n d i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r a n dt h ea c t u a lc o n d i t i o n s t h em e t h o do fd i s t i n g u i s ht h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns e v e r a l b r a k i n gc o m e so na f t e rt h er e s e a r c hi nd i f f e r e n tb r a k i n g ，a n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n g s t r a t e g yw h i c hf u l lc o n s i d e r a t i o nt os a f e t yw h e nb r a k i n gc o m e so n k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，e m t ，d r i v es y s t e m ，f r e ep o r tc o m m u n i c a t i o n i l l 录 1 2 1 国外发展现状3 1 2 2 国内发展现状3 第2 章纯电动城市客车驱动系统的选型及参数选择4 2 1 纯电动汽车的电机选型4 2 1 1 纯电动汽车对电机的要求4 2 1 2 纯电动车用电机的类型6 2 2 电池的选型7 2 2 1 纯电动汽车对电池的要求7 2 2 2 纯电动车用电池的类型8 2 3 各种自动变速器的优缺点分析9 2 4 纯电动城市客车驱动系统的动力计算1 3 2 4 1 电机的参数选择1 6 2 4 2 蓄电池参数的选择1 9 第3 章e m t 的结构与工作原理2 1 3 1e m t 的结构2 1 3 2e m t 的工作原理2 3 3 2 1e m t 换档操纵机构的工作原理2 3 3 2 2e m t 的同步原理2 5 第4 章基于e m t 的纯电动城市客车的驱动系统的设计3 1 4 1 整车控制器的设计及实现3 l 4 1 1 整车控制器的结构3 1 4 1 2 整车控制器c a n 通讯功能的实现3 3 4 2 电机控制的实现4 1 4 3 档位控制的实现4 2 4 5 车辆运行状态的设计4 6 4 6 加速踏板的设计4 8 第5 章驱动系统的控制策略研究4 9 i v i i l 1 2 i 致谢5 8 参考文献5 9 攻读硕士学位期间科研成果6 2 v 9 o l 1 4 5 7 7 7 4 5 5 5 5 5 5 5 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 汽车工业经过百余年的发展，已使汽车成为人类最重要的交通工具之一。汽 车的出现给人们的生活带来了很大的便利：人们不再需要消耗大量的时间在去工 作的路上，那样节约下来的时间可以用在工作上，提高了工作效率，而且人们的 居住地也不再限于工作地点的附近，这对于工作岗位密集的城市可以降低城市人 口的密度；各种产品特别是一些保质期较短的产品的销售范围不再限于产地附近 的- d , 块区域，提高了经济发展速度，并且使人们的生活变得更加富裕；在人们 工作之余到附近去旅游也变得十分方便，提高了人们的生活质量。但是汽车在给 人们的工作生活提供便利的同时一些问题也渐渐暴露出来：一方面汽车排放的尾 气中含有大量的c o 、h c 、n o ，等有害物质，对自热环境造成了严重的污染，随着 汽车保有量的增多，交通拥挤变得相当严重，而且虽然各大城市已经使用了相当 大的建筑面积去建造停车场，但是停车的车位仍显不足，这使人们的居住地点显 得更加拥挤，同时日益增加的停车费用也给人们带来了一定的经济负担；另一方 面由于汽车使用的是石油这样的不可再生能源，大量的消耗已经造成了严重的能 源危机。 为了应对日益严重的环境污染和日趋逼近的能源危机，世界各国投入了大量 的人力和财力进行新能源汽车的研究。所谓新能源汽车就是指除汽油、柴油发动 机之外所有其它能源汽车。包括燃料电池汽车、太阳能汽车、混合动力汽车和纯 电动汽车等。燃料电池汽车是利用汽车上携带的氢气和空气中的氧气发生化学反 应产生电能来驱动的汽车。其优点是排放物基本上全部是水，是无污染的环保车。 其缺点是氢气比较容易泄露，储存比较困难，另外目前燃料电池的成本比较高、 能量密度不是很高车辆的续驶里程比较短、氢气的化学能转换成电能的速度比较 相对慢车辆的加速和爬坡性能比较差。太阳能汽车是利用太阳能电池把太阳能转 换成电能驱动的汽车。太阳能汽车也是一种无污染的环保车，但是其性能受天气 的影响比较大，现在太阳能电池的效率比较低导致太阳能汽车的功率一般都比较 低，为了太阳能电池更好的吸收太阳需要比较大的表面积，这样对车辆的外形产 生了很大的限制，另外现在太阳能汽车的成本比较高。混合动力汽车是指以两种 或两种以上能源做为汽车的能源，从而发挥各种能源的优势达到节能减排目的的 汽车。混合动力的优点是能通过合理的控制策略使两种能源都能得到比较高效的 利用，混合动力汽车集结了传统汽车续驶里程长和新能源汽车低排放低污染的优 点，是一种比较好的过渡车型，得到了各界的广泛认可，也取得了很大的发展。 武汉理工大学硕士学位论文 但是混合动力车还是要用到传统能源不是终极方案。纯电动汽车是指完全以储存 在电池里的电能来驱动的汽车。纯电动汽车因为利用的完全是电能，所以没有任 何排放，而且电机工作时的噪声及振动比较小，所以纯电动汽车运行时比较安静 平稳。由于纯电动汽车的上述优点，近几年各国纷纷把纯电动汽车作为解决环境 问题和能源危机的一个重要方向，进行了大量的研究和实践，经过几年的发展电 动汽车的一些问题也渐渐暴露出来。首先现在的电池成本比较高使车辆的售价比 较昂贵，而且电池使用使用寿命不是很长，更换电池也需要大量的资金。其次由 于现在电池中储存的电能的能量密度相对不是很高，所以纯电动汽车的续驶里程 一般不是很长，而且电池的充电时间比较长，这大大降低了纯电动汽车使用的便 利性。由于上述的缺陷，一些人对纯电动汽车已经失去了信心。但是纯电动汽车 作为一种新生事物在目前存在一定的问题是很正常的，关键是要不断的进行研究 将其优化。纯电动汽车的发展需要国家的大力支持，如果将纯电动汽车的电池设 计成统一的几种规格使相近车型的电池可以互相更换而且电池的安装方式也采 用便于拆卸更换的模式，这样可以使电池不需要车主自己购买而由国家设立的充 电站统一提供，车上电池的电用完后可以开往发电站更换已经充好电的电池，没 电的电池由充电站充好电共下一辆车更换使用，车主只需每次出一定的电池使用 费。这样就可以解决电池售价昂贵和充电时间太长的问题，而且随着车用电池的 广泛使用必然会有很多电池厂家争相研究成本低使用寿命长充电时间短的电池。 可以预见纯电动汽车经过一段时间的发展一定能解决上述问题，成为未来一种重 要的车型。 1 2 国内外发展现状 电动汽车出现比燃油汽车出现的更早，世界上第一辆机动车就是电动车晗1 。 但是当时动力电池技术的不足，电动汽车面临着续驶里程短动力性能差的瓶颈发 展及其缓慢，后来内燃机的出现和飞速发展，其良好的动力性能满足了汽车行驶 各工况的需求，最终取代了电动机作为车辆驱动单元的地位，使电动车得发展停 滞了一段时间。随着汽车工业的发展内燃机车的大量普及，大量的石油能源被消 耗掉，而石油能源是一种不可再生能源，这导致了能源危机的爆发，同时内燃机 车运行时产生的废气中含有大量的有害物质，大量的排放导致环境污染日益严 重。面对能源危机和环境污染的双重压力，世界各国的政府、学术界、工业界投 入了大量的人力和财力进行新能源汽车的研究，而纯电动汽车因为其零排放的特 点也得到了人们的认可和重视，通过近几十年的发展电动车的各项相关技术也取 得了重大的进展口1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 国外发展现状 目前世界各国政府和著名的汽车制造商都在如火如茶的进行电动汽车产品 的开发。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。 法国是世界上推广应用纯电动汽车最成功的国家之一，成立了电动汽车推 广应用国家部际协调委员会，巴黎和拉罗舍尔已经建立了比较完善的纯电动汽车 充电站网基础设施，制定了优惠的支持和激励使用电动汽车的政策，且已经初 步形成了纯电动汽车运行体系。 日本政府一直很重视电动汽车的发展，很早就制定了电动汽车发展计划。 1 9 7 6 年日本成立了“日本电动汽车协会”，并且制订了鼓励电动汽车开发与应用 的相关政策“1 。近十几年日本的各大汽车公司在纯电动汽车方面取得了很大的成 果。在2 0 1 0 年1 1 月的洛杉矶车展上，丰田公司正式首发了r a v 4 纯电动车型其 续驶里程最高可达1 6 0 公里，丰田r a v 4 电动车有着很长的历史。第一代车型是 在1 9 9 7 年推出的，销售了6 年；本田汽车也正式对外发表了旗下f i t 车型的纯 电动概念车f i t - e v ，它的变速箱配备的是一款c v t 无极变速箱，其续航里程为 1 6 0 k m ，车辆极速可以超过1 4 0 k m h 。日产公司的纯电动车( e v ) “日产l e a f 获得2 0 11 年度欧洲最佳汽车奖，而这次获奖对日产及零排放车而言足可载入史 册。 1 2 2 国内发展现状 国内的电动汽车研究始于二十世纪6 0 年代，但是由于投资很小并且对电动 汽车产业不重视，电动汽车并没有得到很大的发展畸1 。从二十世纪八十年代开始 国家政策开始重视电动汽车的发展，“八五”、“九五”、“十五、“十一五 都将 电动汽车的发展作为国家科技发展的一个重要方面，特别是“十一五”期间我国 的电动汽车的发展进入了高潮，这期间国家出台了很多鼓励电动汽车发展的政 策。2 0 0 8 年，清源公司投入巨资建成了国内第一条电动汽车整车生产线和电动 汽车动力总成生产线，实现了电动汽车整车和关键零部件的大批量生产。比亚迪 公司从2 0 0 8 年开始致力于纯电动汽车的研究，推出了多款纯电动的车型。而国 内的高校也联合企业进行了大量的技术攻关和样车的试制，在不同程度上有相当 大的突破。清华大学早在1 9 9 6 年北京国际e v 展览会上就展出了e v 6 5 8 0 型电动 小客车，在那以后又为多家汽车制造厂商开发和研制了多种e v ，h e v ，f c e v 等功 能样车。北京理工大学承担了国家高技术研究发展计划项目和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。西安交通大学在电动汽车关键技术领域研究开发了数项国家发明专利哺1 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章纯电动城市客车驱动系统的选型及参数选择 纯电动汽车的驱动系统是纯电动汽车与传统汽车的主要区别之一，与传统汽 车不同纯电动汽车的驱动系统将电能转换成机械能从而实现对车辆的驱动，同时 还能将机械能转换成电能储存在电池组中。驱动系统的性能决定了纯电动汽车的 动力性和经济性，是纯电动汽车的关键系统。 图2 1 纯电动汽车的驱动系统图 纯电动汽车的驱动系统图如图2 1 所示，主要包括电机、变速器、蓄电池组、 整车控制器、电机控制器、电池管理系统以及其他的一些辅助单元。也有一些车 型不使用变速器，使系统的结构和控制变得简单，但是也降低的车辆的起步和爬 坡性能。蓄电池组是整车的能量储存单元，它能储存的能量多少决定了车辆的续 驶里程；电机是纯电动汽车唯一的动力单元，它的性能直接影响了车辆的动力性 和经济性，它应该能满足车辆行驶的各种工况的功率、转矩还有转速的要求；和 传统汽车一样变速器的作用是车辆低速行驶时增矩减速提高车辆的起步加速和 爬坡性能，车辆高速行驶时减矩增速使电机的转速范围不至于太大；电池管理系 统实现对电池组的监督和能量管理，使驾驶员在s o c 在合理范围时使用车辆，保 障电池组的使用寿命；电机控制器实现对电机的控制；整车控制器通过合理的控 制策略实现整车各个系统的协调和控制，以使整车达到最佳的动力性和最小的能 量消耗。 2 1 纯电动汽车的电机选型 2 1 1 纯电动汽车对电机的要求 4 武汉理工大学硕士学位论文 与工业用电机不同，纯电动汽车用电机必须满足车辆行驶的各种工况的要 求。汽车在行驶过程中需要不停地启动、加速、减速、停车。电机既要满足车辆 告诉行驶时的高转速要求，也要满足低速行驶和爬坡时的大转矩要求。纯电动汽 车电机应满足的要求归纳起来主要有以下几点： ( 1 ) 高电压。在允许的范围内应该尽可能的采用高电压。因为在功率一定 的情况下电压和电流是成反比的，电压越低则电流越大，那么热消耗就越大，这 样不仅降低了整个系统的效率，更重要的是过高的温度可能对电机和其他元件造 成损坏，而要避免损坏就不得不增加电机和导线等装备的尺寸。所以使用高电压 可以提高系统的效率、可靠性，并且能降低系统的成本。 ( 2 ) 转速高。汽车的转速公式如式2 1 所示： 2 x r 刀6 0 v = 一 l o o 如 ( 2 - 1 ) 其中r 为轮胎半径，n 为电机转速，i 。为档位传动比，i 。为主传动比。如果 最高车速要求为9 0 k m h ，车轮半径为o 5 m ，主传动比为4 8 7 5 ，档位在直接档 上即档位传动比为1 ，那么电机的转速要求至少能达到2 3 2 8 r m i n 。 ( 3 ) 质量轻，体积小。汽车上的零部件一般都不宜太重，不然光克服自身 的负载就需耗费大量的能量，使整车的效率变低；汽车的底盘空间有限，如果电 机体积过大将影响到电机在整车的布置。 ( 4 ) 较大的启动转矩和较大范围的调速功能。车辆起步的时候需求的力矩 比较大，如果电机的启动转矩过小则满足不了车辆的启动要求。电机应该能实现 连续的平滑的调速，不然将影响到驾驶的舒适性。 ( 5 ) 较强的过载能力。车辆在急加速和爬大坡的过程中负载比较大，电机 有较强的过载能力才能满足车辆加速时间和最大爬坡度的需求。 ( 6 ) 较高的可控性、稳态精度、动态性能。 ( 7 ) 高效率、低损耗，而且可以实现制动能量回收。纯电动汽车是节能环 保车的身份出现的，高效率、低损耗是其必备的条件。车辆在行驶过程中会出现 频繁的起挺，这样有很大一部分能量在制动的过程中消耗了，纯电动汽车和传统 的汽车相比一个很大的优势就是电机可以作为发电机工作来发电，而内燃机却不 可以，如果能将制动能量中的一部分通过电机发电的形式回收到电池中，那么整 车的效率将大大提高。 ( 8 ) 电气系统的安全性和控制系统的安全性应该达到有关的标准和规定的 要求。与内燃机车相比电动汽车多了很多电气连接以及电气元件，特别是车上电 现急加 速、急刹车等情况，在这些情况下，电机的力矩、转速会出现比较大的突变，而 工业电机一般都运行在比较稳定的工况对此要求不是很高。车辆在雨天行驶时即 使是电机采取了一定的防水措施，也不可避免的会因空气中的水而受潮，所以纯 电动车用电机需要有较强的耐潮性。车辆行驶的过程中电机会放出大量的热，这 就要求电机具有较强的耐热性。 ( 1 0 ) 结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，成本低等。 2 1 2 纯电动车用电机的类型 由于纯电动汽车对电机的特殊要求不是所有电机都能用作纯电动驱动电机， 目前用于纯电动汽车的电动机主要有四种：直流电机、交流感应电机、永磁同步 电机和开关磁阻电机等。直流电动机由于控制简单、系统成本低、效率高、技术 成熟等优势是最早应用于电动汽车驱动系统上的电动机，但是由于直流电动机需 要转换器和电刷以供电给电枢，而电动汽车驱动电机的运行工况比较恶劣，电刷 比较容易磨损，这降低了系统的可靠性，而且直流电动机的功率密度比较低，如 果要满足车辆的功率需求就必须加大电机的体积和质量，这将给系统的布置带来 一定的困难，也会使整车的质量增加，从而造成不必要的能量消耗，所以随着电 机控制技术的发展，其他电机的控制不再那么难实现，直流电机正逐渐被其他电 机所取代。 在电动汽车发展的初期交流感应电机在纯电动汽车中作为驱动电机的应用 是不被看好的，因为其传统的控制方式不能使其满足纯电动汽车的所有工况需 求。但是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，特别是p w m 调速、矢量控制( v c ) 和直接转矩控制( d t c ) 等调速方法 的发展和应用，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。再 加上它结构简单、造价低廉、可高速运行、调速范围大、转动惯量小、维护简单 等的优点，感应电机被越来越多的使用在纯电动汽车上，它是现在国内作为纯电 动汽车驱动电机使用最多的电机类型。不过电动汽车用感应电动机在轻载和限定 恒功率工作区域内运行时，仍遭遇低效率的问题。 永磁同步电动机可以控制的只有定子绕组的电流而它的转子磁链是不可控 的。所以一般采用电流控制方式实现对永磁同步电动机的控制，控制过程主要包 括电流指令的生成、定子电流检测和电流的闭环控制等三部分。永磁同步电机可 以分为定子电流是三相方波电流的无刷直流电动机和定子电流是三相正弦电流 的无刷交流电动机。它的优点主要有：体积小、质量轻、功率密度大、低速输出 6 士学位论文 要有：高速运行较交流异步电机复杂， 需要检测转子磁极位置、永磁体有退磁问题、造价较高。目前在国内纯电动汽车 上比较少应用，但是在国外也进行了一定的研究。 开关磁阻电机与直流电动机和交流电动机在结构上有很大的不同。基本上， 开关磁阻电动机是由单组定子可变磁阻步进电动机直接衍生而来。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。它的优点 主要有：结构简单、牢固、效率高、起动转矩大、价格低、免维护。由于结构上 的特点，开关磁阻电动机无需像其他电机一样考虑因高离心力导致的机械故障， 高速运行时的可靠性比其他电机都要高；其转矩转速特性与电动汽车的驱动特 性相吻合；此外发热主要集中在定子上，散热系统较其他电机方便而且散热能力 也较其他电机强。所以开关磁阻电动机已被公认在电动汽车应用中具有很大的潜 力。但是开关磁阻电动机运行，借助于转轴位置检测器检测转子与定子的相对位 置，开关磁阻电动机对其精度要求比较高，而在电动汽车的运行过程中电动机的 工况是比较恶劣的传感器会受到其他东西的一些干扰甚至遭到损坏，导致其可靠 性降低，再加上开关磁阻电动机的设计和控制既困难又精细，所以目前它在国内 纯电动汽车上的应用还是很少。综合考虑各种电机的优缺点，本车最终选用三相 异步交流电动机。 2 2 电池的选型 2 2 1 纯电动汽车对电池的要求 电池是纯电动汽车的能量来源，所以电池需要满足车辆行驶的各种工况的要 求。纯电动汽车对电池的要求主要是以下几点： ( 1 ) 使用安全。 ( 2 ) 储存电能的容量大。纯电动汽车必须要有足够的续驶里程，如果每个 一小段距离就需要充电一次，那将大大降低驾驶的乐趣，而且配套的充电站的密 度也必须很大，这样大大提高了使用成本也造成了大量的资源浪费。 ( 3 ) 瞬时放电的能力强。车辆在急加速的过程中需要大量的能量，如果在 加速的瞬间电池不能放出大量的电能，将大大影响到车辆的加速性能。 ( 4 ) 充电时间短。汽车是为人们的出行提供便利的工具，而电池是纯电动 气车唯一的能量来源，如果电池的充电时间过长，那么车辆不能使用的时间将占 很大的比例，这将为人们的出行带来很大的不便。 ( 5 ) 体积小、质量轻。为了方便电池在整车上的布置以及避免不必要的能 量消耗，纯电动汽车用电池应该具备体积小、质量轻的特点。 7 i 池的方法，频繁的更换电池 将给纯电动汽车的使用带来大量的不便也会大大提高纯电动汽车的使用成本。 ( 7 ) 电池组的各电池性能的一致性。电池在使用过程中性能会慢慢下降， 新旧电池的充电时间、容量等很多参数都有一定的区别，不适合同时使用。所以 电池的更换一般是整组的更换，如果电池组中各电池的性能不大一致，有可能是 整组电池的更换时间提前。 ( 8 ) 成本低。电池的成本与电池的新技术含量、材料、制作方法和生产规 模有关。当前纯电动汽车价格高昂的主要原因之一就是电池的成本过高，如果要 实现量产且能实现一定的销售份额，必须降低电池的成本。 ( 9 ) 在恶劣的工作条件下有比较好的可靠性。车辆在行驶的工程中会有颠 簸，那样电池就会受到很大的震动，这就要求电池由一定的抗震性能，而且电池 上的各接口也不能再震动中有松动，另外在某些情况下电池上会覆盖很多灰尘， 而且纯电动电池的散热也没有一般电池的好，在这些情况下电池还应该能正常的 工作。 2 2 2 纯电动车用电池的类型 目前应用于纯电动汽车的蓄电池主要有铅酸蓄电池、镍基蓄电池( 如镍铁、 镍镉、镍金属氢化物蓄电池) 和锂基蓄电池( 如锂聚合物电池和锂离子电池) 。 各种蓄电池的主要性能比较如表2 - 1 所示口1 。 表2 - 1 各种类型蓄电池性能表 电池类型能量密度功率密度循环寿命 w h k g w k g次 铅酸蓄电池 3 0 4 51 5 0 - 1 8 05 0 0 1 0 0 0 镍一金属氢化 7 0 9 5 2 0 0 3 0 01 0 0 0 2 0 0 0 物蓄电池 锂离子电池 8 51 3 5 0 5 0 0 0 铅酸蓄电池是发展得比较早的电池，其成本低而且技术比较成熟可靠性好， 在纯电动汽车发展的初期人们考虑得更多的是怎么实现纯电动的驱动方式和电 池在车辆上使用的安全性能，而对车辆的驱动性能的考虑相对较少，所以铅酸蓄 电池是较早应用于纯电动汽车的电池。但是其能量密度低，若要保证车辆足够的 续驶里程必须配备相当大质量的电池，而且其温度特性差，当低于1 0 。c 时，其 比功率和比能量显著降低，随着其他电池技术的发展纯电动汽车用铅酸电池正在 8 武汉理工大学硕士学位论文 慢慢被取代哺。 现在应用的镍基蓄电池主要有四种：镍一铁、镍一锌、镍一镉和镍一金属氢化物 蓄电池。其中镍一金属氢化物蓄电池进入市场的时间比较晚，不过它正在逐渐取 代其它三种镍基蓄电池，因为它与其他三种相比具有最高的比能量和最高的比功 率，对环境的污染较其他三种也比较小，另外其放电曲线比较平坦放电过程中的 电压降较小，充电过程需要的时间也较短。与铅相比，镍是较轻的金属，具有很 好的合乎蓄电池应用的电化学特性，因此与铅酸电池相比镍基蓄电池有较高的能 量密度，更加适合于应用在纯电动汽车上。镍一金属氢化物蓄电池现在是用于纯 电动汽车重要的选择。镍氢电池的短时间的放电比功率较大，在2 3 秒放电比 功率可以达到5 0 0 ，- - 6 0 0 w k g ，这正符合纯电动汽车在急加速过程中对电池的要 求；但是在在纯电动汽车的运行过程中电机有驱动和制动能量回收两个工作方 式，电池会频繁处于充电和放电状态，这一定程度上影响了电池的使用寿命，而 镍基蓄电池的循环寿命次本来也不是特别高，所以镍基蓄电池在纯电动汽车上的 应用也受到了一定的限制呻1 。 锂在所有金属中是最轻的，因此在目前纯电动汽车使用的电池中锂基蓄电池 的能量密度是最高的。它的优点主要是比能量和比功率较高，而且使用寿命也相 对较长，相比于其他几种蓄电池更能满足电动汽车的需求。锂基蓄电池主要有两 类：锂聚合物蓄电池和锂离子蓄电池。锂离子蓄电池相对锂聚合物蓄电池更加优 越。自1 9 9 1 年锂离子蓄电池成果首次被宣告以来，其制造技术已有了空前的提 高，被认为是将来最有希望的可再充电的蓄电池。但是目前锂基蓄电池的成本较 高，而且锂是相当活跃的金属，锂基蓄电池在使用过程中的危险性相对其他电池 要高，所以它目前在纯电动汽车中的应用还不是十分普及n 引。本车选用的电池就 是锂离子电池。 2 3 各种自动变速器的优缺点分析 汽车上运用的自动变速器主要有4 种：a t ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) 液力自 动变速器、c v t ( 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 ) 机械无级变速器、 a m t ( a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 电子控制机械式自动变速器、 d c t ( d u a lc l u t c ht r a n s m is s i o n ) 双离合变速器儿1 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 液力自动变速器 液力自动变速器a t 如图2 2 所示，是汽车上比较常见的自动变速器，它由液 力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统组成。液力变矩器由泵轮、涡轮和导轮等构 件组成，能在泵论转矩不变的情况下，随着涡轮的转速( 反映着汽车行驶速度) 不用而改变涡轮输出的转矩数值。不过液力变矩器的只能在很小范围内变矩，而 且变速范围也不宽，所以液力自动变速器的变矩机构除了液力变矩器还有行星齿 轮机构，行星齿轮机构由太阳轮、齿圈、行星架、行星轮四部分组成，其特点是 将太阳轮、齿圈和行星架这三个元件中的任意一个锁止不动，其他两个元件作为 主动件和从动件时，两者之间的传动比是固定不变的，这样通过控制三个元件作 为输入、输出和锁止的组合就能实现几个不同传动比的传动。液力自动变速器的 优点主要是换档比较平顺冲击较小。缺点是传动效率比较低，而且对行星齿轮机 构的控制需要很多的锁止离合器、单向离合器等机构，控制上比较复杂。 1 0 图2 - 3 机械式无级变速器 机械式无级变速器c v t 如图2 - 3 所示，主要由v 形金属带、主、从动工作轮、 液压泵、起步离合器和控制系统等组成，与传统的变速器不同不是采用的齿轮传 动，而是采用v 形金属传动带传动，工作轮是由固定部分和可动部分两部分组成 的，金属带在共组轮的固定部分和可动部分之间形成的v 形槽内与工作轮相啮 合，它是通过工作轮的可动部分的轴向运动，从而改变金属带与工作轮的工作半 径，从而实现改变传动比的。c v t 实现了真正的无级变速，不存在其他变速器换 档时的冲击问题，因此乘坐的舒适性相当好；不会因为换档而减慢加速过程因此 加速性能好；传动效率高；结构简单。但是c v t 也有一些不足，首先受其结构的 限制不能实现大传动比的传动，另外v 形金属带的工作条件恶劣，容易磨损，使 其可靠性不怎么理想。 图2 - 4 电子控制机械式自动变速器 电子控制机械式自动变速器a m t 如图2 - 4 所示，一般是指在原有的传统变速 器上加上一套电控系统，将原有的手动换档执行机构换成自动换档执行机构的变 速器。其工作结构和原理与传统变速器类似，一般是采用液压或气压推动拨叉杆 从而实现换档。因此和传统变速器一样a m t 具有传动效率高、结构简单的优点， 而且相对于其他自动变速器它的制造和维护成本低，应用得比较广泛。不过与传 统变速器一样a m t 也存在换档冲击大的问题，这