（电路与系统专业论文）两后轮驱动的电动汽车的差速控制[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 电动汽车是当今汽车行业发展的重要分支，它涉及到车辆工程、电机及其 驱动技术、控制技术、电池技术等领域的核心技术，其独特的发展前景吸引了 国内外大型研究机构的大力推动，成为当前相关领域的研究热点，各项成果也 相继被推出。 两轮驱动电动车表征了一种新颖的电动车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 发 展方向，同步于当今世界电动车研发和产业化的进程，以其理想的控制特性和 广泛的应用前景，受到学术和工程界的普遍关注。本文针对两轮驱动电动车的 d s p 控制系统进行了相关的研究、分析、设计和实验。 本文首先对国内外电动汽车的发展背景进行了很详细的分析，着重介绍了 国内外政府及汽车公司在电动汽车研究和推广上所做的努力。介绍了驱动系统 的分类及比较。 其次，无刷直流电机是电动汽车的核心部件，本文就无刷直流电机分析了 它的运行原理，对其中涉及到的大量设计问题都进行了详细的分析，如不同位 置传感器的工作原理，不同绕组的不同全控电路，各种针对无刷直流电机的控 制方式特别是微机控制方式，电机转速的测量，以及轮毂电机的驱动。 再次，于传统的电子差速算法上，本课题以简单新颖的轮式驱动电动汽车 的工程项目为背景，立足于其动力系统性能的优化设计与控制，深入地研究了 整车先进车辆差速控制的控制策略，提出了基于t i d s p 2 4 0 4 a 的轮式驱动电动 车辆驱动的设计思路，并围绕此思路，设计了硬件电路。 最后，本文还涉及了开关电源方面的研究，并设计了针对本系统的开关电 源系统，以保证系统各芯片及控制功率器件能正常稳定的工作，在全文最后分 析了得到了根据输入参数实测的波形，验证了电动汽车p w m 差速控制方案的可 行性。 关键词：电动汽车，差速控制，p w m ，轮毂直流无刷电机 a b s t r a c t 1 h ee l e c t r i cv e h i c l ei st h ei m p o r t a n tb r a n c ho fa u t o m o b i l ed e v e l o p m e n t , i t o d n o g r u sv e h i c l e sp r o j e c t , e l e e t r i c a lm o t o ra n di t s d r i v i n gt e c h n o l o g y , c o n t r o l t e c h n o l o g y , b a t t e r yt e c h n o l o g ye t c , t h e s ec r i t i c a lt e c h n o l o g i e s i t su n i q u ep r o s p e c t a t t r a c t st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nl a r g e s c a l ei n s t i t u t i o n sp a y i n gs om u c ha t t e n t i o no n i t a f t e ri tb e c o m e st h ef o c u so fr e l a t i v ed o m a i n , m u c ha c h i e v e m e n ti sa l s op r o m o t e d o n ea f t e ra n o t h e r 1 n h et w oi n - w h e e l sd r i v e ne l e c t r i cv e h i c l e v ) i so n eo ft h ed e v e l o p i n g d i r e c t i o n sf o rf u r t h e re v s i t sd e v e l o p m e n th a sb e e ns y n c h r o n i z i n gw i t ht h a to ft h e r e s e a r c h i n ga n di n d u s t r i a l i z i n go fe v si nt h ew o r l d b e c a u s eo fi t sp e r f e c t c o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c ea n dp o t e n t i a li ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，m o r ea n dm o r e e f f o r t sh a v eb e e nd e v o t e dt ot h et w oi n - w h e e ld r i v e ne v b yb o t ha c a d e m i c i a n sa n d e n g i n e e r sa l i k e t h i st h e s i ss t r i v e st ot h ec o m p r e h e n s i v es t u d yo ft h ed s pc o n t r o l s y s t e mo fa t w oi n - w h e e l sd r i v e ne v f i r s t l y , t h i st h e s i sd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do fd o m e s t i ca n d f o r e i g ne l e c t r i cv e h i c l ee x p l i c i t l y , i n t r o d u c e st h ee f f o r t sw h i c hh a v e d o n eb y d o m e s t i c , f o r e i g ng o v e r n m e n t sa n dt h ea u t oc o m p a n ye m p h a t i c a l l y a n da l s o i n t r o d u c e st h ec l a s s i f i c a t i o na n dt h ec o m p a r i s o no fd r i v e ns y s t e m s e c o n d l y , b l d c ( b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n t ) e l e c t r i cm o t o ri st h ec r i t i c a lp a r to f e l e c t r i cv e h i c l e ，t h i st h e s i sa n a l y z e si t sm o v e m e n tp r i n c i p l e ，i n v o l v e sm a s s i v e d e t a i l e dd e s i g ns u c ha s ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fd i f f e r e n tp o s i t i o ns e n s o r s , t h ea l l c o n t r o l l e de l e c t r i cc i r c u i to fd i f f e r e n tc o i l s ，e a c hk i n do fc o n t r o lo fb l d cs p e c i a l l y t h ec o n t r o lu s i n gm i c r o c o m p u t e r , t h es p e e dr o t a t i o ns u r v e yo fe l e c t r i c a lm o t o r , a s w e l la sd r i v e no fi n - w h e e lm o t o r t h i r d l y , b a s e so nt h et r a d i t i o n a ld i f f e r e n t i a la l g o r i t h m , t l l i st h e s i st a k e st h e s i m p l ei n - w h e e ld d v e n e ve n g i n e e r i n gp r o j e c ta sb a c k g r o u n d ，b a s e so nt h ed e s i g n o fi t so p t i m i z a t i o no fd y n a m i cs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dc o n t r 0 1 s t u d i e sa d v a n c e d v e h i c l e sd i f f e r e n t i a lc o n t r o ls t r a t e g yt h o r o u 曲l y , p r o p o s e st h ei n - w h e e ld r i v e ne v h a s e do nt h et i d s p 2 4 0 4 a , a n dd e s i g n st h eh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t sf r o mt h a t l 够lt h i st h e s i si n v o l v e s r e s e a r c ho fd c d cp o w e rs u p p l y , a n dg i v e st h e r e l e v a n td e s i g ni no r d e rt om a k ee a c hc h i p sw o r kf l r m l y , a c c o r d i n gt ot h ei n p u t p a r a m e t e ro fa n g l es e n s o f ，g e t st h er e l e v a n tp w mw a v e f o r m s ，i tp r o v e st h e f e a s i b i l i t yo fd i f f e r e n t i a lc o n t r o lb yp w mo ne v k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，d i f f e r e n t i a lc o n t r o l , p w m ，i n - w h e e lb l d c 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谢的地方外，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：狙日期：之颦! ：? 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) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 背景及研究的意义 2 0 世纪各国的汽车工业在推动国民经济发展，造福于人类的同时，也给全 球环境带来了灾害性的影响。统计数据表明，4 2 的环境污染来源于燃油汽车 的排放；8 0 的城市噪声是由交通车辆造成的。此外，当今世界石油储量日趋 减少，而燃油汽车则是消耗石油的大户。因而，当今石油资源匾乏的危机与环 境保护的紧迫需求，都主导着汽车工业的发展势必寻求低噪声、零排放、综合 利用能源的方向。 1 8 7 3 年戴维逊研制成功的电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) ，从上世纪 9 0 年代以来，己再度成为世界各国研究的热点。电动汽车具有低噪声、零排放、 综合利用能源等突出的优点，正是当今汽车工业籍以解决能源、环保等问题的 可持续发展的重要途径。 目前，电动汽车的研究己成为汽车行业先进技术的研究主流。电动汽车的 发展关键是在研发新型动力源的同时，进一步提高其动力系统的性能及降低成 本。文献“1 指出：电动车辆应满足在各种恶劣情况下的可靠工作，要以民品的 价格实现近似军品的性能。这对现代工业，特别是对电池、电力电子、电机等 行业既是发展并应用新技术的重大的挑战，也提供了合成新兴支柱产业的重大 的机遇。所以，电动汽车的开发具有深远的现实意义：首先，这一系统工程符 合当代国际汽车工业和高新技术产业的发展趋势，具有良好的经济、环保、节 能效益；其次，项目的实施有助于加速缩短我国与发达国家在汽车工业上的差 距，为我国新型工业的增长点奠定良好的基础。 本课题以轮式驱动电动汽车的工程项目为背景，立足于其动力系统性能的 优化设计与控制，深入地研究了整车车辆差速控制的控制策略，开发了基于 t i - d s p 2 4 0 4 a 的轮式驱动电动车辆驱动控制系统。如上所述，本项目面向社会 与新技术的发展需求，涉及车辆、电机、控制理论、电力电子等众多学科与工 程技术领域，对于进一步研究开发电动车新技术，具有现实的学术和工程意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 目前电动汽车发展的概况 ( 1 ) 电动汽车驱动方式及轮式驱动研究现状 传统的燃油汽车的驱动系统包含发动机、减速器和差速器。这是由于内燃 机的速度可变范围窄，必须用减速器来扩大速度的调节范围，同时，使用差速 器以便于转向。减速器和差速器为一系列传动齿轮，在汽车运行中消耗一部分 机械能，从而使车轮得到的功率不到发动机功率的2 3 ，大大降低了汽车的效率。 然而，由于电动机固有的特点，电动汽车可采用四种驱动方式：与传统汽车相 同，即传动轴上带有减速器和差速器；省略减速器：进一步省略差速器，电动 机与驱动车轮同轴安置即轴驱；将电动机直接装于车轮内即轮式驱动。 面向电动汽车产业化的紧迫需求，在突出解决其动力电池源的关键技术的 同时，显然还必须对另一方面的关键技术嘲，即电机驱动的动力系统及其控制 技术进行整体优化的重新设计。顺应上述电动汽车关键技术研发的态势，本课 题即聚焦于轮式驱动方式下动力系统性能的优化设计与控制。应指出，轮式驱 动既完全消除了传动中的机械磨损与损耗，提高了传动效率，又在相比之下具 有较小的体积和最轻的重量，在提高效率的同时，车轮空间也能得到有效利用。 此外，轮毂电动机的应用改变了汽车传统的驱动方式，更有利于实现机电一体 化和现代控制技术。至今，国内外对轮式驱动都己取得了一定的研究成果。 电动汽车是指全部或部分由电机驱动的汽车，目前主要指纯电动汽车、混 合动力电动汽车和燃料电池汽车三大类型。2 0 世纪7 0 年代，由于汽车保有量 呈几何级数增长，造成了严重的环境污染。尤其在一些大城市，随着一系列光 化学污染等环境污染时常的发生，西方发达国家政府开始注重环境保护，这使 得一些著名的汽车公司转向研究和开发电动汽车。从2 0 世纪7 0 年代起，世界 发达国家均投入巨资进行电动汽车商业化开发和应用0 1 。到2 0 世纪9 0 年代， 欧美发达国家纷纷制定了汽车尾气排放标准并严格执行。 ( 2 ) 美国电动汽车的发展概况 在美国，各类汽车的年产量超过1 0 0 0 万辆，汽车的保有量超过2 亿辆以上。 汽车工业是美国的支柱产业，给美国带来了繁荣昌盛，但同时也带来了能源危 机、环境污染以及资源的浪费。美国近年来几乎要从国外进口全国消耗量一半 以上的石油。1 9 7 3 年因为争夺石油资源爆发的中东战争，引起世界性的石油危 机。美国、欧洲和日本等一些依赖进口石油的国家，在国家安全上和国民经济 2 武汉理工大学硕士学位论文 上受到石油危机的威胁，为了避免再次受到石油危机的冲击，各个国家重视了 对电动汽车的研究和开发。美国有丰富的电力资源，有强大的电力网络，为了 美国经济建设的发展和社会发展的需要，投入了大量的人力和物力，开发了各 种型式电动汽车。 2 0 世纪五六十年代，在美国一些大城市上，相继出现因为汽车排放对大气 环境造成严重污染而引起的光化学烟雾危害事件，特别是美国的芝加哥，光化 学烟雾笼罩城市上空长期不散，造成对人们生活的严重公害，影响了芝加哥市 民的健康，引起科学家和美国政府的关注。美国是世界上防止大气被污染限制 最严厉的国家之一，1 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。加州在1 9 9 0 年所制定的对防止大气被污染限制的法规中规定：到1 9 9 8 年“零污染”汽车的销售比例要占新车销售额的2 9 6 ，到2 0 0 0 年“零污染”汽 车销售的比例要占新车销售额的5 ，到2 0 0 3 年“零污染”汽车销售的比例要 占新车销售额的1 0 9 6 。这些法规引起了世界上汽车行业、环保界等方面的震惊。 随后，美国东部的十个州也都通过了相应的法规。这些强化措施，促进了电动 车小批量商业化生产和实践应用的进程。此后，美国还出台了一系列相关鼓励 电动车发展的政策措施。在这些因素的推动下，美国电动车产业化进程有了很 快发展。 1 9 9 1 年美国通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司共同出资， 成立了先进电池联合体( u s a b c ) ，共同研究开发新一代电动汽车所需要的高能电 池。1 9 9 1 年1 0 月u s a b c 与美国能源部签订协议，在1 9 9 1 1 9 9 5 年的四年间投 资2 2 6 亿美元来资助电动汽车用高能电池的研究。1 9 9 1 年1 0 月美国电力研究 院( e r p i ) 也参加了先进电池联合体来参与高能电池与电动汽车的开发，主要有 镍一氢、钠一硫、铿聚合物和铿离子等高能电池。其中镍一氢、铿聚合物和铿离子 电池将投入商业化生产。美国通用汽车公司还在底特律建成e v - l 电动轿车总装 线，每天生产1 0 台电动轿车。而美国混合式电动大客车的发展规划目前是由联 邦运输管理署( f t a ) 、纽约州财团、纽约市运输局、纽约电力局、州电力研究协 会、电动研究院与部门共同制订的。规划目标是研制1 2 2 m 低通道、2 2 5 k w 高 效率、低尾气排放的混合式电动大客车。目前车辆的第一阶段和第二阶段的研 制和运行测试都已完成。在纽约市的运行实验中其尾气排放和燃用压缩气燃气 ( c n g ) 的大客车相比大致一样。在此车发展的趋势下，有专家预测可能会在3 - 5 3 武汉理工大学硕士学位论文 年内引发一场公共车辆运输事业的革命。 美国电动汽车的研究和开发，得到了美国政府的支持，投入了大量的资金 和科研力量，使得资金来源有可靠的保证，在应用现代技术上得到广泛的支持。 在美国三大汽车公司之间，共同合作来促进电动汽车的开发和研究。以三大汽 车公司为主导，利用大汽车公司雄厚的技术开发力量和先进制造条件，开发出 不同特点的电动汽车。并充分利用汽车、机电、电子、控制和材料等行业的优 势，分工开发电动汽车的各种总成和技术单元。推动电动汽车迅速的发展和不 断的改进提高。 ( 3 ) 欧洲电动汽车的发展概况 a 法国 法国是一个缺少石油的国家，每年要从国外进口大量石油。石油制品的价 格很高，约是美国的四倍，法国大气环境的污染源，主要来自汽车的排放。因 此，法国是全世界最积极研制和推广电动汽车的国家之一。法国电力供应充沛 且多用核能发电和水力发电，发电源干净且电价便宜，汽车工业发达。法国有 多个核发电站和丰富的电力资源，核发电站的电力占全国总电力的7 5 ，水力 发电站的电力占全国总电力1 5 ，电力的价格也较便宜。法国政府鼓励开发电 动汽车和充分利用电力资源，在政策上给予支持，为开发电动汽车提供资助。 法国政府、法国电力公司、标致一雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司共同承担开 发和推广电动汽车的协议，共同合资组建了电动汽车的电池公司，和萨夫特 ( s a f t ) 公司承担电动汽车的高能电池的研究和开发，以及电池的租赁和维修等 工作。 在拉一罗切里( l ar o c h e l l e ) 市试验推广电动汽车的使用，投入了5 0 辆小 型四座电动客车，建立了9 个普通充电站和三个快速充电站，进行两年的使用 试验，法国政府还计划在巴黎等城市推广使用电动汽车。在法国政府的大力推 动下，并出台了各种优惠政策保障电动汽车的推广，从9 0 年代以来，法国电动 汽车得到了迅速的发展。 1 9 9 0 年法国标致一雪铁龙汽车公司所开发的j - 5 和c 一2 5 电动货车投入生 产。1 9 9 5 年法国能源部、标致一雪铁龙汽车公司开发了标致- - 1 0 6 和s a x o 型四 座电动轿车，用雪铁龙一a ) 【型轿车改装的电动轿车，雷诺汽车公司的c l i o 型 四座电动轿车及其变型车等，并投放在罗切里市进行试验。1 9 9 7 年法国的电动 汽车产量达到2 0 0 0 辆左右。 4 武汉理工大学硕士学位论文 不仅如此，法国非常鼓励使用电动汽车，使法国电动汽车的发展位居世界 前列。四年前法国政府电力公司与汽车制造商签订了协议，使全国电动汽车保 有量达到1 0 万台，在2 0 个城市推广电动汽车。法国已有十几个城市运行电动 汽车且有比较完善的充电站等服务设施，政府机关带头使用电动汽车。法国在 电池、电子控制和电机技术等电动汽车技术方面各列世界前茅，因此发展电动 汽车有了技术上的保障。9 0 年代以来，法国汽车制造商已经研制出多种电动汽 车，例如雷诺汽车公司研制了一种名字叫做“z o o n ”的可变轴距微型电动汽车， 曾经轰动一时。 法国政府为了鼓励用户使用电动汽车，还宣布企业购买电动汽车第一年可 以免税。法国电力公司向电动汽车生产厂家每生产一辆电动汽车提供l 万法郎 的补助，以扩大电力使用范围。目前，法国电动汽车的普及程度和保有量都位 居世界前列。 。 b 德国 德国政府十分重视环境保护，投入了大量的资金用于电动汽车的研发，1 9 7 1 年成立了城市电动车交通公司( g e s ) ，积极组织电动车的研究与开发。1 9 9 1 年 在拜尔州投入了3 0 0 辆电动汽车进行运行。拜尔州还拨4 0 0 万马克，用于资助 用户车价的3 0 购买电动汽车。另外，汉堡市也采取资助用户车价的2 5 来鼓励 用户购买电动汽车。德国政府指定奔驰汽车公司和大众合资建立的德国汽车工 业有限公司的科技开发机构，1 9 9 2 年德国政府拨款2 2 0 0 万马克，在吕根( r u g e n ) 岛建立欧洲电动汽车试验基地，组织了四大公司6 2 辆各类电动车在吕根半岛城 运行试验，对6 4 辆电动汽车和电动汽车的系统工程进行长达4 年的大规模试验， 并有很多国家和城市都派出电动汽车参加吕根岛的实验。1 9 9 4 年展示出了1 9 种轿车，1 3 种面包车，4 种大客车，都进入了实用阶段。 2 0 世纪7 0 年代末期，德国戴姆勒一奔驰汽车公司生产了一批l e 3 0 6 电动 汽车，采用铅酸电池。电压1 8 0 v ，容量1 8 0 a h ，铅酸电池质量为1 0 0 0 k g 。由它 驱动直流电动机，电动机最高转速为6 0 0 0 r m i n 。有效载荷为1 4 5 0 k g ，总质量 为4 4 0 0 k g 。最高时速为5 0 k m h ，最大爬坡度为1 6 ，原地起步加速到5 0 k m h 的时间为1 4 s ，续驶历程可达1 2 0 k m 。2 0 世纪8 0 年代初期，德国奔驰汽车公司 生产了电动大客车，也生产了商用电动汽车，奔驰公司还宣布投资4 7 亿美元 研究开发燃料电池，计划2 0 0 5 年实现产业化。欧宝公司在1 9 7 2 年开始研制新 型电动汽车。1 9 8 1 年与b b c 公司( 现在的a b b 公司) 合作研制了电动轿车。 5 武汉理工大学硕士学位论文 c 其它国家 英国是当今世界生产电动汽车较先进和使用最广泛的国家之一，使用历史 已有5 0 年之久，上个世纪8 0 年代中期就有1 2 万辆车在运行，目前全国已拥有 4 0 万辆电动车。英国政府投资2 0 0 0 多万英磅支持开发电动车，实行多项优惠 政策给使用者免收牌照税、养路费，夜间充电只收1 2 的电费。英国国际汽车 设计公司从1 9 7 9 年开始研制电动汽车，卢卡斯、贝德福电动送货车及轿车。1 9 9 1 年克罗德里蓄电池公司投资建立电动汽车生产集团，研制成m o l c 3 型混合瓶动 电动汽车，行程1 3 0 k m 。 瑞士为了防止环境污染，在旅游区只用电动汽车，它是欧洲电动汽车使用 效益最高的国家之一。瑞士布赫尔轻型结构公司从1 9 8 5 年到1 9 9 1 年生产了1 1 辆短笛微型电动汽车。 瑞典的v o l v o 汽车工业公司、意大利的菲亚特公司、瑞士的荷拉奇和埃苏 拉公司等，不惜投入巨额资金，研究开发新一代电动汽车，并力争早日实现产 业化。 意大利为了降低空气污染，上世纪8 0 年代末建立了电动汽车车队，共投入 5 2 辆电动汽车试验，所有车均用铅酸电池。1 9 9 0 年菲亚特汽车公司生产“熊 猫”，载重量为1 3 3 0 k g ，车速为7 0 k m h ，续驶里程为l o o k m ，采用铅酸电池， 或改用镍镉电池车速可达l o o k m h ，续驶里程达1 8 0 k m 。 丹麦、奥地利、捷克、匈牙利等也都在开展电动汽车的研发工作。 ( 4 ) 日本电动汽车的发展概况 从世界范围的电动汽车产业化发展现状看，日本是最早开始发展电动汽车 的国家之一。日本国土狭小，石油资源匮乏，几乎完全依赖进口，油价很贵。 日本工业发达，人口密度很大，城市污染严重。因此，日本政府特别重视电动 汽车的研究和开发。日本从1 9 6 5 年开始电动车的研制、通产省正式把电动车列 入国家项目，1 9 6 7 年成立了日本电动车协会，促进了电动车事业的发展，1 9 7 1 年日本通产省就制定了电动汽车的开发计划，1 9 9 1 年日本通产省又制定了“第 三届电动汽车普及计划”，提出到2 0 0 0 年日本电动汽车的年产量达到1 0 万辆， 保有量达到2 0 万辆。根据日本电动车辆协会的统计，在日本使用的电动汽车 1 9 8 9 年为1 0 4 6 辆，1 9 9 0 年为1 2 7 1 辆，1 9 9 1 年为1 0 3 7 辆，1 9 9 2 年为1 3 0 0 辆。 日本大阪市由市政府、大发汽车公司、蓄电池公司和电力公司共同组成促进电 动汽车发展的地方组织，采用优惠的租赁方法来鼓励用户购买电动汽车。并在 6 武汉理工大学硕士学位论文 大阪市内建立1 0 个快速充电站，为用户提供全方位的服务，促进电动汽车的推 广。 1 9 9 8 年日本东京电力公司联合日本电池公司，共同开发了“z a ”牌电动汽 车，该电动轿车采用了当今高新技术，使该电动汽车性能具有当时世界最高水 平。日本大发汽车公司从1 9 7 6 年开始生产电动汽车，特别是电动轻型客车是大 发汽车公司的主导产品。9 0 年代丰田汽车公司等多次展出豪华型的电动轿车， 日本各大电力公司不仅在资金上参与电动车的开发，而且还在公务车的选用上 优先选用电动车。丰田汽车公司在1 9 9 6 年就成功地研制出各公司至今仍在开发 着的燃料电池汽车的生产样车，并先于其他汽车厂家在1 9 9 7 年开始批量生产混 合动力汽车，成为环保技术领域和世界电动汽车产业化的领头羊。丰田公司在 第1 6 届国际电动车展览会上展示的最新混合动力汽车“p r i u s ”是世界上最早 批量生产的混合动力汽车，并于1 9 9 7 年1 2 月在日本开始销售。“p r i u s ”混合 动力电动车至今已生产了6 万台，其中在日本销售了3 5 万台，在美国销售了 i 万余台，在欧洲销售了i 万余台。 ( 5 ) 国外促进电动汽车发展的策略 各国政府在大力扶持大型汽车集团的同时，纷纷制定环保和节能法规，采 取投资、税收优惠、政府补贴促进消费的政策，以“双p ”战略促进电动汽车 产业的发展。“双p ”战略即用p u s h ( 推) 和p u l l ( 拉) 两种力量促进某项事业的 发展。 推：建立严格的空气污染治理法律和节能法规，限定非电动汽车的生产与 消费，如美国有空气清洁法、国家能源法，强制性要求各汽车公司电动汽车的 销售量达到总销售量的一定比例；日本有汽车污染防治法，强制要求政府各机 构必须逐年增加电动汽车保有量的比例；瑞士在旅游观光基地禁止行驶燃油汽 车。 拉：制定各种研发计划、优惠政策，投入资金，鼓励研究、生产、经销和 消费电动汽车。欧盟的“明日汽车行动计划”、美国的“新一代汽车伙伴计划” ( p n g v ) 以及最近提出的“自由车计划”( f r e e d o m c a r ) ，还有日本的“低公害车 开发普及行动计划”等，都旨在抢占电动汽车产业制高点。代表着当代先进水 平的福特汽车公司的t h i n k 牌、通用汽车公司的i m p a c t 牌、丰田汽车公司的 e - c o m 、p r i u s 牌电动汽车、本田公司的c i v i c 牌电动汽车正是这种竞争的结晶。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 国内发展现状 上世纪8 0 年代初，我国就开展了电动汽车研究，曾被列入国家八五规划。 目前，我国政府也极为关注开发电动汽车的各项关键技术，并以产业化为最终 目标，先后将电动汽车列入“九五”攻关重大项目以及“8 6 3 ”重大专项。近几 年，己研制出部分样车采用铅酸电池为动力源，以北京理工大学为主研制的电 动大客车；东风汽车公司、武汉理工大学联合开发的电动轿车( 以盘式永磁直流 电机为动力，应用免维护铅酸电池为能源，一次充电续驶里程可达1 3 0 k i n ，最 高车速9 0 k 油) ；郑州华联电动车辆研究所研制的电动轿车( 采用交流同步电机， 额定功率1 0 k w ，过载能力4 倍，i g b t 控制系统) ；华南理工大学研制的电动轻 型客车e v 6 6 3 0 ，现己在深圳投入试运行，还有北方工业大学、武汉长江电力公 司、天津汽车研究所等也研制出了自己的电动汽车样车。此外，浙江大学与博 信电池公司联合开发了以锌一空气燃料电池为动力源的电动轿车。 综合国内外电动汽车发展的现状可见，电动汽车虽然有低噪声、零排放、 综合应用能源等突出优点，但其技术经济的综合性能指标尚未达到实用的要求， 如价格高，一次充电续驶里程短，充电时间长，电池能量有限和循环寿命短等， 受这些因素制约，使其尚难达到产业化阶段，仍有许多关键技术需进一步深入 研究、试验和开发。可以预言，在全球性大力推进研究开发电动汽车技术的2 1 世纪，电动汽车的产业化并进入商业营运市场的实用化时期必将到来。 ( 7 ) 结论 节能与环保成为当今世界汽车发展的两大主题，汽车工业的可持续发展战 略及我国汽车工业所面临的现状迫使我们必须寻求新的发展道路，电动汽车为 我国提供了一次机遇，我国在电动汽车研发方面呈现出明显的跟进战略特点， 和发达国家的科技水平差距不是很大，我国完全有条件、有可能生产出达到当 代国际水平并具有自主知识产权的电动汽车。但与发达国家政府和企业联合制 定各种计划，投入巨额资金，大力发展电动汽车产业等措施与政策相比，我国 虽然也设立了专项资金鼓励发展电动汽车，但在力度、商业化进程方面与国外 相比还有较大差距。面对这一振兴我国汽车工业的巨大机遇，我国必须借鉴国 外经验，集中力量在全国建设卜2 个产业化体系健全，研发、试验、制造水平 先进，实力雄厚，具有强大产业竞争力、发展环境良好的电动汽车产业中心城 市，积极参与国际竞争，在竞争中快速发展我国的电动汽车产业。 由于轮式驱动的电动轮的转矩可控性，使得电动汽车的转向灵活性和姿态 8 武汉理工大学硕士学位论文 控制性都较普通汽车得到了改善。因为轮式驱动控制方式较为复杂，故在其关 键技术电子差速控制方面，国外大多采用机械和电子控制相结合的方式：前轮通 过机械差速转向，后轮则采用电子差速转向控制。在电动汽车的电动轮驱动系 统中，电子差速控制的实质就是电动轮利用电机装置及计算机软硬件自动控制 车轮的转速，因此，电子差速控制技术的发展状况取决于电子技术和控制技术 的发展水平。目前，国外已有样车研制成功，“i z a ”牌电动汽车就采用电动轮 驱动系统，并实现了电子差速控制。 近年来随着我国电子工业的发展，在汽车电子技术领域也做了大量的研究 与开发工作，但进展较为缓慢，其主要原因是：( 1 ) 受国内大环境技术水平的影 响，缺乏系统深入研发，以及应用汽车电子技术的社会背景；( 2 ) 整个汽车行业 缺乏先进的汽车电子的规划与实施方案，前景有待开拓。 1 3 驱动系统的选择 驱动系统是e v 中最关键的动力系统。e v 运行性能主要决定于驱动系统的 类型和性能。e v 驱动系统由牵引电动机、控制系统( 包括电动机驱动器、控制 器及各种传感器) 、机械减速及传动装置、车轮等构成。控制系统通过接收加速 踏板( 相当于燃油车的油门) 、刹车、停车、前进、倒车、空挡和转向盘的输出 信号，经过信号处理，输入到电动机驱动器，以控制功率电路的功率输出量， 实现对电动机转速和转矩的控制，驱动车轮。 电动汽车运行的显著特点是频繁的起、停、加减速。基于e v 这一特点，电 动机应有较高的瞬时功率和功率密度( w k g ) 。而为了提高e v 一次充电行驶距 离，电动机又应有较高的效率，考虑到电动汽车是变速工作的，所以电动机应 有较高的高低速综合效率。对应于电动汽车起动和爬坡时速度较低，但要求力 矩较大；正常运行时则所需力矩较小，而速度较高的运行工况，故用于电动汽 车上的电动机应具有以下机械特性：在低速时为恒转矩特性，高速时则为恒功率 特性，且电动机运行速度的范围应较宽。目前，电动汽车中的驱动控制系统按 所使用的不同类型的电机可分为以下四类“1 ： ( 1 ) 直流驱动系统 以直流电动机为驱动电机构成的驱动系统称为直流电动机驱动系统，通常 简称直流驱动系统。该系统中的驱动器的功率电路，通常采用斩波器控制方式， 9 武汉理工大学硕士学位论文 它具有控制较简单、效率较高、成本低和技术成熟等优点。但直流电动机具有 电刷、换向器等易损件，需定期维护，同时，与交流电动机相比，其效率较低、 价格高、重量及体积大等缺点，使其应用受限。 ( 2 ) 交流驱动系统 以交流感应电动机为驱动电机构成的驱动系统称为交流感应电动机驱动系 统，通常简称交流驱动系统。交流电动机与直流电动机相比，具有效率高、体 积小、重量轻、免维护、坚实可靠、易冷却和寿命长等优点，但控制电动机的 逆变器较复杂：一是控制用的大功率管数量要多于直流驱动系统；另一方面要实 现交流电机的良好调速性能必须采用矢量控制方法，从而在其逆变器中除需用 高性能的微处理器外，控制软件也较复杂。应当指出，随着电子技术的发展， 交流驱动系统中的逆变器技术己日趋成熟。 同样，交流驱动系统和直流驱动系统相比，随着电力电子技术的不断发展， 两系统的成本差距日益接近。从目前来看，交流驱动系统总的成本高于直流驱 动系统的成本，但是由于交流驱动系统具有效率高、重量轻，能更有效地实现 再生制动等固有特性，因此在工程应用中己成为e v 驱动系统的首选方案。 ( 3 ) 永磁同步电机交流驱动系统 在各类电机中，永磁电机具有最高的功率密度。以永磁同步电机( 含无刷直 流电动机( b d c m ) 和三相永磁同步电动机( p m s m ) ) 为驱动电动机构成的驱动系统 称为永磁交流驱动系统。它与前二种驱动系统相比较，是效率最高，体积最小， 重量最轻，且无需维护的驱动系统，在e v 中也已得到了一定的应用。但该类驱 动系统目前尚存在成本太高的缺点，而且在可靠性和使用寿命等指标上也比交 流驱动系统差。同时，大功率的p m s m 和b d c m 的优化设计与制造，尚存在一定 的技术难度。然而，从发展角度看，我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土 永磁材料，如钕铁硼等资源非常丰富，因而随着永磁电动机设计制造技术的不 断发展和进步，以及成本的不断下降，永磁同步电机驱动系统在e v 中的应用前 景令人瞩目。 ( 4 ) 开关磁阻电动机( s r 岫驱动系统 开关磁阻电动机驱动系统，其电动机结构比感应电动机更为简单可靠，且 效率较高，特别是转子无绕组，适合于频繁正反转及冲击负载等工况条件。驱 动功率电路采用的功率开关元件较少，电路较简单。功率元件与电动机绕组相 串联，不易发生直通短路。能实现较宽的调速范围，低速大转矩和制动能量回 武汉理工大学硕士学位论文 馈等特性，因此该驱动系统特别适合e v 。当然，该驱动系统不足之处在于振动 较大，噪声亦较大。 基于上述分析，本课题选择永磁同步电机交流驱动系统即永磁同步电机( 含 无刷直流电动机( b d c m ) 和三相永磁同步电动机( p m s m ) ) 中的b d c m 作为驱动主电 机。 1 4 本课题的主要研究工作 当前，在电动汽车研发的众多技术选型之中，轮式驱动电动车作为一种新 颖的电动车选型方向，受到学术和工程界的普遍关注。就国内的相关研究而言， 轮式驱动电动车的研究尚属起步阶段。但由于其独特的优点，应用前景令人瞩 目。车辆控制系统是车辆的运行核心，相比于传统燃油汽车，电动汽车中电驱 动的控制响应快、精度高，尤其对于轮式驱动电动车，每个驱动轮的转矩可以 单独控制，这样，传统车辆上的先进控制系统的功能在电动车上主要可通过软 件实现，凸显其系统低成本、高性能的独特优势。本课题即以此为切入点，进 行了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 电机驱动：对本文使用的无刷直流电机进行驱动和调速控制，达到调速平 滑稳定。 ( 2 ) 两轮驱动：对电动汽车的两个电机车轮使用一体控制分体驱动技术，保证 汽车匀速前进时各车轮的转速一致。 ( 3 ) 电子差速转向：在汽车需要转向时，对两个驱动车轮的速度进行计算，做 到转向角度、方向盘输入量与转速相对应。 本文主要存在的难点有： ( i ) 电机的闭环调速：电机驱动控制系统的性能直接影响和制约着电动汽车的 行驶速度和稳定性。本文选择轮毂电机作为驱动电机，设计电机的驱动控制系 统。通过调节两组p w m 的占空比值，实现对两个轮毂电机同时调速。 ( 2 ) 电子差速的速度分配：本文通过测量车体的转弯半径和车轮转速的关系， 计算转向角、方向盘的输入模拟量和左右轮之间的关系，实现差速控制。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本论文各部分的主要内容 本文以下内容安排如下：第一章是目前电动汽车的行业背景和各国电动汽 车的发展的概述；第二章从软硬件设计方面论述了无刷直流电机的驱动技术， 以及轮毂式直流无刷电动机的驱动；第三章是关于电子差速的研究，对电子差 速转向时各个车轮的速度和转矩进行了分析和计算，并分析了转向时电动汽车 的工作情况；第四章描述了电动汽车的驱动控制部分硬件设计；第五章是本文 中对电机控制和差速实现试验、测试波形的结果；最后是关于电动汽车发展的 总结和展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章直流无刷电机的选型及控制方法 2 1 直流无刷电机选型 通常把无刷直流电机系统分成三个部分，即电机本体、位置传感器和电子 开关线路嘲，整个系统可以用图 l 表示： 图2 - 1 无刷直流电机系统 力矩 本章将主要阐述有关稀土永磁无刷直流电机的一些基本原理和控制电机用 的电路。 稀土永磁无刷直流电机的特点之一就是其转子由稀土永磁材料构成，要研 究稀土永磁无刷直流电机的运行特性，有必要对稀土永磁材料进行研究。通常 的稀土永磁材料包括稀土钴永磁和稀土钕铁硼永磁，二者都是高剩磁、高矫顽 力、高磁能积的永磁材料：这两种稀土永磁材料在无刷电机的设计制造中得到了 广泛的应用。 稀土钴永磁材料磁性能优良，其特点是剩余磁感应强度、磁感应矫顽力和 最大磁能积都很高伽。i ：5 型永磁体的最大磁能积现已超过1 9 9 k j l m 3 ；2 ：1 7 型永磁体的最大磁能积现已达2 5 8 6 灯坍3 ，剩余磁感应强度一般高达0 8 h i 1 5 t ，接近铝镍钴永磁水平，磁感应矫顽力可达4 8 0 8 0 0 k a m ，大约是铁 氧体永磁的3 倍。稀土钴永磁的退磁曲线基本上是一条直线，回复线基本上与 退磁曲线重合，抗去磁能力强。另外稀土钴永磁材料的温度系数比铁氧体永磁 材料低，通常为- 0 0 3 左右，并且居里温度较高，一般为7 1 0 8 8 0 度。因此这 种稀土永磁材料的磁稳定性最好，适合用来制造高性能的永磁电机，缺点是稀 武汉理工大学硕士学位论文 土钴目前的价格还比较昂贵，致使电机造价较高。 由于稀土钴永磁材料硬而脆，抗拉强度和抗弯强度均较低，仅能进行少量 的电火花或线切割加工，所以在永磁体尺寸的设计上要避免过多的加工余量以 免造成浪费和增加成本。 另外，由于这种永磁材料的磁性很强，磁极相互间的吸引力和排斥力均很 大，因此磁极在充磁后运输和装配时都要采取措施，以免发生人身危险。 钕铁硼稀土永磁材料的磁性能更为优良，高于稀土钴永磁。室温下剩余磁 感应强度现可高达1 4 7 t ，磁感应矫顽力h 可达9 9 2 k a m ，最大磁能积高达 3 9 7 9 k j m 3 ，是目前磁性能最高的永磁材料。由于钕在稀土中的含量是衫的十 几倍，资源丰富，铁、硼的价格便宜，又不含战略物资钴，因此钕铁硼永磁的 价格比稀土钴永磁便宜得多，问世以来，在工业和民用的永磁电机中迅速得到 推广应用。 钕铁硼永磁材料的缺点是居里温度较低，一般为3 1 0 4 1 0 度左右”1 ：温度 系数较高，b 可达一o 1 3 k ，h 的温度系数达一( o 6 0 7 ) k ，因而在高温下使用 时磁损失较大。由于其中含有大量的铁和钕，容易锈蚀也是它的一大缺点，所 以要对其表面进行涂层处理，目前常用的涂层有环氧树脂喷涂、电泳和电镀等， 一般涂层厚度为1 0 4 0 u r n 。不同的涂层抗腐蚀能力不一样，环氧树脂涂层抗溶 剂、抗冲击能力、抗盐雾腐蚀能力良好；电泳涂层抗溶剂、抗冲击能力良好， 抗盐雾能力极好；电镀有极好的抗溶剂、抗冲击能力