电动汽车动力及控制技术的设计毕业论文.doc

平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）电动汽车动力及控制技术的设计毕业论文目 录摘要5ABSTRACT6绪 言10第1章 电动汽车111.1 电动汽车111.1.1 电动汽车的原理111.1.2 电动汽车的介绍111.2 电动汽车的发展14第2章 电动汽车的构造与原理162.1 电动汽车的分类162.2 蓄电池电动车172.2.1 蓄电池电动车的结构172.2.2 电动车原理182.2.3 驱动电机和驱动系统192.3 燃料电池电动汽车202.3.1 燃料电池电动汽车的构成202.3.2 燃料电池电动汽车的种类202.3.3 燃料电池电动汽车动力系统的工作原理212.3.4 燃料电池电动汽车的驱动形式21第3章 电动车动力及控制设计223.1 电动车驱动电机种类223.1.1 驱动电动机的种类223.1.2 电动车驱动电机223.2 直流电动机233.2.1 直流电动机的基本构造233.2.2 直流电动机的工作原理233.2.3 直流电动机的运动特性与特点233.3 交流驱动电机233.3.1 三相异步感应电动机243.3.2 其他交流电动机-单相异步电动机253.4 直流电动机的控制直流串励电动机253.4.1 直流串励电动机253.4.2 直流他励电动机253.5 三项交流电动机的控制263.5.1 三项交流电动机的控制的结构263.5.2 变频调速263.5.3 电动车的起步和加速27第4章 我国电动汽车的缺陷续驶里程28第5章 电动汽车是未来汽车业的主力305.1 展望未来的汽车业305.2 电动汽车是未来汽车业的主力30第6章 总结33致谢34参考文献353绪 言能源短缺、环境污染严重、全球气候变化潜在影响巨大的背景下，使用来源多样的电力、零排放（指移动源排放）的先进电动汽车技术（特指以车载电池系统驱动或部分驱动的汽车）正重新回到人们的视野，成为先进汽车技术（包括电动汽车、新能源汽车、燃料电池汽车等）与混合动力领域中讨论的热点与重点。世界汽车厂家纷纷押宝电动车，通用汽车计划2010年上市雪佛兰Volt电动轿车，2011年进入中国市场；丰田新型可插电式混合动力电动汽车也计划于2010年实现量产；包括比亚迪、奇瑞、北汽在内的国内汽车厂商也纷纷在近期推出各种技术路线的电动汽车的量产计划。汽车业内人士普遍认为，到2010年，全球主要汽车市场将形成以混合动力汽车为主的新能源汽车产业化高潮，未来十至二十年，是全球节能和能源汽车产业格局形成的关键时期。美国新能源政策要求，2012年前联邦政府购买的车辆中一半应该是插电式混合动力汽车或者纯电动汽车，到2015年将有100万辆插电式混合动力汽车投入使用。“汽车到电网”研究在技术领域正密集展开，并开展了部分试点建设。 电动汽车发展前景好，它将是未来的汽车! 14平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第1章 电动汽车1.1 电动汽车电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。1.1.1 电动汽车的原理 其工作原理是：蓄电池电流电力调节器电动机动力传动系统驱动汽车行驶1.1.2 电动汽车的介绍电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。 图1-1 电动汽车1.电源电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍镉电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。 2.驱动电动机驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有软的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BLDCM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代。 3.电动机调速控制装置 图1-2电动汽车充电电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。 早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（入GTO、MOSFET、BTR及IGBT等）斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。 在驱动电动机的旋向变换控制中，直流电动机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电动机的旋向变换，这使得电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电动机驱动时，电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。 4.传动装置电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。因为电动机可以带负载启动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的离合器。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换，所以电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档。当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电动轮驱动时，电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。 5.行驶装置图1-3电动汽车行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。它同其他汽车的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。6.转向装置转向装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。多数电动汽车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。 7.制动装置电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及其操纵装置组成。在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。 8.工作装置工作装置是工业用电动汽车为完成作业要求而专门设置的，如电动叉车的起升装置、门架、货叉等。货叉的起升和门架的倾斜通常由电动机驱动的液压系统完成为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般留0.2-0.5mm。1.2 电动汽车的发展世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进展和突破。 第一，日本一直以来，出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来世界汽车市场的考虑，日本十分重视电动汽车的研制与开发。从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面，日本居世界领先地位。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。1997年12月，丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS。该轿车于2000年7月开始出口北美，同年9月开始出口欧洲，现在已经在全世界20多个国家上市销售。目前推出的产品已经是多次改进后的第二代产品，其生产工艺更为成熟。根据丰田汽车公司的测试，PRIUS轿车在城市工况下比同等排量的花冠轿车节油44.4%；在市郊节油29.7，综合节油40.5。有关统计数据显示，丰田汽车公司已占有全球混合动力汽车市场90的份额。2004年9月15日，一汽集团与日本丰田汽车公司在北京举行了混合动力汽车合作项目签字仪式，宣布双方在2005年内。共同生产丰田PRIUS混合动力轿车。PRIUS混合动力轿车将在同年进入中国市场。继PRIUS混合动力轿车之后，丰田汽车公司还推出了ESTIMA混合动力汽车和搭载软混合动力系统的CROWN轿车。丰田汽车公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界的前列。此外。本田汽车公司开发的Insight混合动力电动汽车也已投放市场.供不应求。2002年4月，本田汽车公司在美国市场上投放了Civic混合动力汽车。日产汽车公司近日宣布，将于2006年向美国市场销售Ahima牌混合动力汽车，这是其于2002年与丰田汽车公司签署联合生产混合动力汽车协议的第一个产品。 第二，美国。美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的同行逊色不少，三大汽车公司仅仅小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前还未能实现产业化，来自日本的混和动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。美国能源部与三大汽车公司于1993年签订了混合动力电动汽车开发合同，其中通用汽车公司投入1.48亿美元。福特汽车公司投入1.38亿美元，克莱斯勒汽车公司投A.8 480万美元，进行为期5年的研制开发工作，并于1998年北美国际汽车展上展出了样车。在此基础上。现已推出三款混合动力概念车GM Precept、Ford Prodigy、Daimler chrysler Dodge ESX3。2004n。通用汽车公司与戴姆勒一克莱斯勒汽车公司对外宣布。双方将在开发混合动力电动汽车的技术领域携手，共同推进此项技术的发展，电动汽车的发展无论是从能源安全，还是从环境保护的角度都有很重要的现实意义！ 9第2章 电动汽车的构造与原理2.1 电动汽车的分类电动汽车的种类：纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)。 图2-1纯电动汽车 1.纯电动汽车（BEV）纯电动汽车是以车载电源为能源的汽车，又称为 EV。目前纯电动汽车主要有蓄电池电动车和燃料电池电动车。蓄电池电动车是由充电式蓄电池为能源的电动车。目前这种电车普遍使 用的电池一般都是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池又有很多种类，常见的有个干呵 电式电池、蓄湿荷电式蓄电池、阀控式蓄电池、免维护蓄电池、胶体蓄电池、 水平板式蓄电池等。 动力部分广泛使用的是直流串励电动机和直流他励电动机，这种电机启动转 矩大，具有软的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由 于存在换向火花，比功率较小、效率较低，控制电流大，维护保养工作量大， 随着电机技术和电机控制技术的发展， 势必逐渐被直流无刷电动机 （BCDM） 、 开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代。2.混合动力汽车指能够至少从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车： 可消耗的燃料； 可再充电能/能量储存装置。 根据动力系统结构形式可分为以下三类： 串联式混合动力汽车（SHEV）：车辆的驱动力只来源于电动机的混合动力(电动)汽车。结构特点是发动机带动发电机发电，电能通过电机控制器输送给电动机，由电动机驱动汽车行驶。另外，动力电池也可以单独向电动机提供电能驱动汽车行驶。 并联式混合动力汽车（PHEV）：车辆的驱动力由电动机及发动机同时或单独供给的混合动力(电动)汽车。结构特点是并联式驱动系统可以单独使用发动机或电动机作为动力源，也可以同时使用电动机和发动机作为动力源驱动汽车行驶。 混联式混合动力汽车（CHEV）：同时具有串联式、并联式驱动方式的混合动力(电动)汽车。结构特点是可以在串联混合模式下工作，也可以在并联混合模式下工作，同时兼顾了串联式和并联式的特点。（注：随着混合动力电动汽车技术的发展，其类型不局限于以上几种，还可按照其它型式划分。） 目前那些通常采用传统燃料的，同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗。目前国内市场上，混合动力车辆的主流都是汽油混合动力，而国际市场上柴油混合动力车型发展也很快。 3.燃料电池汽车 燃料电池电动车目前使用的较少，因为燃料电池由于技术还不成熟其结构复杂，价格昂贵等缺点而限制了其适用范围，不过燃料电池转换效率高、无污染、运行噪声低、续驶里程长、无需充电时间（加氢式）等优点被电动 车未来的发展所看好。其动力和控制部分除了电池组部分有所不同外其他都 大同小异。2.2 蓄电池电动车2.2.1 蓄电池电动车的结构蓄电池电动车是由动力蓄电池向电动机供电从而驱动汽车行驶，是目前 运用最广泛的电动车，其结构主要由动力蓄电池（车载电源）、控制器、接 触器、控制电路、附加电路、DC/DC、DC/AC、电动机、变速器、附加电器、 车身等组成。 蓄电池电动车是由多个动力蓄电池串联组成的电池组为电动车供电，电池组一般是 36V400V 的直流电源，为了便于向一些低压用电设备供电，动力电池组还有 DC/DC 转换器。 动力电池组采用并联或者串联的方式进行组合，在EV（电动汽车）上占据很大一部分有效的装载空间，在布置上有相当的难 度，通常有“集中”布置和“分散”布置两种形式。 控制器是电动车大脑，它控制着电池电量的输出、电动机的转速、转向、 过载保护、能量反馈等等，目前使用的控制器分为两大类：直流控制器和交 流控制器。 直流控制器使用比较广泛的是串励电机控制器和他励电机控制器， 在是使用方面也都有各自的优势。交流控制器现在在技术上也有了很大的提 高，不如变频调速，不过由于成本高所以在使用范围上收到了很大限制。 电动机是整个电动车的动力输出部分，就像汽车的发动机。现在电动车上使用的电动机以直流电动机为主流，交流电动机目前在电动车上还没有得 到广泛应用。 直流电机在电动车上应用最广泛的主要有串励电机和他励电机。 交流电动机的使用还是以三相交流异步电动机为主。2.2.2 电动车原理1蓄电池 有关电池的常见术语:放电：电池向外电路输送电流的过程。放电容量：电池在规定条件下的放电电量或有效工作时间。储存寿命：电池在规定条件下储存结束时，电池仍能保持规定的性能和储存期限。电池极端：电池连接外电路的部件。电动势：组成电池的两个电极的平衡电位差。放电率：放电率指放电是的速率，通常用“时率”和“倍率”表示。充电：将外电路输入蓄电池的电能转换为化学能储存起来的操作过程。充电率：蓄电池在规定的时间内充到额定容量所需的电流值。恒压充电：充电时保持充电器端电压不变的一种充电方法。 恒流充电：充电时保持充电电流不变的一种冲电方法。 极化： 极化是电池由静止状态即电流为零转入工作状态产生的电池电压、电极电为的变化现象。目前电动车上普遍使用的电池一般还都是铅酸蓄电池，但是这种电池有普通电池还有很大区别。动力铅酸蓄电池既要求有瞬时大电 流放电特点，又要求铅酸蓄电池有持续大电流放电的能力。动力铅酸蓄电池有以下几个特点： （1） 单格电压高，汽车用铅酸蓄电池单格额定电压可达 2.0V，开路电 压 2.1V，工作电压 1.8V-2.0V。（2） 比功率和功率密度大，内阻小，长时间可输出大电流。（3） 性能可靠，冲放电可逆性好。（4） 循环次数多，寿命长。 （5）结构简单，价格低廉。 目前，电动汽车上应用最广泛的电源依然是铅酸蓄电池，但随着电动汽 车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐 渐被其他蓄电池所取代。 2.电池组的管理系统 动力电池组的管理系统包括对动力电池组的充电和放电时的电流、 电压、 放电深度、再生制动反馈的电流、电池的自放电率、电池的温度等进行控制。 因为个别蓄电池性能变化后，影响到整个动力电池组的性能，用蓄电池管理 系统来对整个动力电池组和对动力电池组中的每个单体电池进行监控，保持 各个电池间的一致性，还要建立动力电池组维护系统，来保证电动车的正常 运行。 电池组管理系统组成 电动车上动力电池组是它的主要电源，电动车全靠动力电池组提供电 源。根据电动汽车所采用的电池的类型和动力电池组的组合方法，电池组管 理系统主要包括：热管理系统；电池管理系统；电线线路管理系统。 动力电池组管理系统的功能和作用 动力电池组管理系统要承担动力电池组的全面管理，一方面保证动力电 池组的正常运作，显示动力电池组的动态响应并及时报警，使驾驶员随时都能掌握动力电池组的情况。另一方面要对人身和车辆进行安全保护，避免因 电池引起的各种事故。电动汽车目前之所以没有得到有效的推广主要就是速度、充电时间和续 驶里程收到了很大的限制，若想在这方面得到提高电池技术是一个重点。2.2.3 驱动电机和驱动系统驱动电机是 EV 的动力装置，这也是 EV 与内燃机汽车的根本区别之处。 现代 EV 所采用驱动电机主要是交流电动机、 永磁电动机、 和开关阻尼电动机 等。 电动车驱动系统由驱动电动机和驱动操纵系统共同组成， 随着电动车结 构形式不同，采用了不同驱动系统。电动车的驱动系统由集中驱动系统和轮 毂驱动系统两驱动系统。 电动车的驱动系统总布置形式有以下几种： 1.电动机代替发动机； 2.仍然采用内燃机汽车的传动系统， 包括离合器、 变速器、传动轴和驱动桥等总成； 3.有电动机前置、驱动桥前置、（F-F），电动机前置、驱动桥后置（F-R）等各种驱动模式； 结构复杂，效率低，不能充分发挥电动机的性能电动机驱动桥组合式驱动系统 ：1.在电动机端盖处装置变速齿轮、差速器 等驱动总成，形成电动机驱动桥组合式驱动系统； 2.有电动机前置、驱动桥前置、（F-F），电动机前置、驱动桥后置（F-R） 、驱动桥 后置（R-R）等驱动模式； 传动机构紧凑，传动效率高，安装方便电动机驱动桥整体式驱动系统：1.在电动机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，电动机有一个空心轴，有一个驱动桥的半轴从电动机空心轴中通过； 2.有电动机前置、驱动桥前置、 （F-F） ， 电动机前置、驱动桥后置（F-R） 、驱动桥后置（R-R）等驱动模式； 传动机构紧凑，传动效率高，可以作为驱动桥布置在车架下面轮毂电动机分散驱动系统：电动机装在车轮轮毂中，可以有 42 和 44 两种布置方式，各个车轮之间的同步转动或差速转动由中央控制器的计算机系统控制；42 布置方式有双前轮驱动模式和双 后轮驱动模式；44 布置方式可以实现四轮驱动模式; 能腾出大量有效空间，便于布置。2.3 燃料电池电动汽车2.3.1 燃料电池电动汽车的构成燃料电池电动汽车的外形和内部空间与普通内燃机汽车几乎没什么差 别，特别是燃料电池电动轿车与普通内燃机轿车的外形无任何区别。单凭外 形是无法区分燃料电池汽车与普通内燃机汽车的。燃料电动汽车与传统汽车 不同之处在于动力系统。 燃料电池电动汽车的动力系统主要由动力控制单元、 电动机、电池组、燃料箱、储能装置及燃料加入口等组成。 燃料电池电动汽车的动力系统组成是很复杂的，主要组成为燃料系统、 空气供给系统、控制器、燃料电池组、蓄电池、DC/DC 转换器、DC/AC 逆 变器、电动机或发电机及驱动齿轮等。2.3.2 燃料电池电动汽车的种类虽然燃料电池汽车的历史并不长，但由于燃料电池汽车具有突出的环保、 节能优势，各种各样结构的燃料电池汽车不断问世。为了便与区分各种燃料 电池汽车的结构特征，对燃料电池汽车进行科学的分类是十分必要的，目前常见的方法有三种：1、根据汽车是否带有储能设备（如蓄电池、飞轮等）分类，据此可 把燃料电池汽车分为纯燃料电池汽车和混合（复合）式燃料电池汽车。 2、根据燃料特点把燃料电池汽车分为直接燃料电池汽车和重整燃料电池汽车。 3、根据分句燃料氢的储存方式的不同可以把燃料电池汽车分为压缩氢燃料 电池汽车、液氢燃料电池汽车和合金吸附氢燃料电池汽车三种。2.3.3 燃料电池电动汽车动力系统的工作原理由燃料电池组出发的电流经 DC/DC 逆变器后进入电动机驱动汽车行驶或经 DC/DC 转换器向蓄电池充电，当汽车行驶时需要的动力超过电池的发电能力时，蓄电池也参与工作，其电流经过 DC/DC 转换器进入电动机驱动汽车行驶。2.3.4 燃料电池电动汽车的驱动形式驱动电机及其控制系统是燃料电池汽车的心脏，它的主要功能是使电能转变为机械能，并通过传统系统将能量传动到车轮驱动车辆行驶。其基本构成有两个部分：电机及控制器。电机由控制器控制，是一个将电能转变为机械能的装置。控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于电机运行的另一种形式的电能，所以控制器本质上是一个电能变换控制装置。目前，燃料电池可以采用的电机驱动系统有直流电机驱动系统、异步电 机驱动系统、同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统。 26第3章 电动车动力及控制设计3.1 电动车驱动电机种类电动机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。 电动机也称（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。 它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。3.1.1 驱动电动机的种类电动机可分为交流电动机、直流电动机、交/直流点动机、控制电动机、开关、磁阻电动机及信号电动机等多种。适用于电力驱动的电动机可分为直 流电动机和交流电动机两大类。目前在电动汽车上已应用的和应用前景的有 直流电动机、交流感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等。3.1.2 电动车驱动电机电动汽车由电动机驱动，电动机是电动汽车的关键部分。要使电动汽车具有良好的使用性能，驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速、足够 大的启动扭距，还要具有体积小、质量轻、效率高且具有动态制动性强和能 量回馈的性能。 电动汽车对电动机的基本要求： 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，主要有：1.电动汽车用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。 2. 电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率 ，在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，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。 3电动汽车用电动机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，这在内燃机汽车上 是不能实现的。 4电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高一次充电的续驶里程。另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工 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。3.2 直流电动机3.2.1 直流电动机的基本构造直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子组成。定子由主磁极、换向 极、电刷装置和机座组成。主磁极铁芯上套有线圈，通入直流励磁电流便会 产生磁场，即主磁场。换向极也由铁芯及套在上面的线圈组成，其作用是产 生附加磁场。以减弱换向片与电刷之间的火花，避免烧蚀。机座除作电动机 的机械支架外，还作为各磁极间磁的通路。转子由转子铁芯、转子绕组、换 向器、轴和风扇组成。转子铁芯用来安装转子绕组，并作为电动机磁路的一 部分。转子绕组的主要作用是产生感应电动势并通过电流，以产生电磁转矩。 换向器由换向片组成，换向片按一定规律与转子绕组的绕组元件连接。3.2.2 直流电动机的工作原理直流电动机包括俩个在空间固定的永久磁铁，一个为 N 极，另一个为 S 极。在磁极的中间，装有一个可以转动的线圈，它的首末两端分别接到两片 圆弧形的换向片（铜片）上，两个换向片之间、换向片与转轴（与线圈一起 旋转）之间均相互绝缘，为了把电枢绕组和外电路接通，在换向器上安置了 两个固定不动的电刷。由于电刷和电源固定连接，因此无论线圈怎样转动， 总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。由左手定则可知，通电线圈在 磁场中受到逆时针方向的力矩作用。虽然电流方向是交替变化的，但所受的 电磁力的方向不改变，因此线圈可以连续地按逆时针方向旋转。这就是直流 电动机的工作原理。3.2.3 直流电动机的运动特性与特点1.运动特性 直流电动机的运动特性包括工作特性和机械特性。工作特性是指电动机在额定电压、额定励磁电流不变的情况下，其转速、转距和输出功 率之间的关系。2.特点 直流电动机的构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵,维护维修也 较困难。近年来，由于变频调速技术的发展，在中小功率的电动机调速 领域中，交流电动机正逐步取代直流电动机。尽管如此，由于直流电动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点，因此，广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围的 调速或需灵活控制起动、制动的生产机械。3.3 交流驱动电机3.3.1 三相异步感应电动机1.三相异步感应电动机的结构 三相异步感应电动机性能优越、结构简单、成本较低目前在电动汽车上 三相异步感应电动机 已经得到很广泛的应用。其结构主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。 对定子绕组通往三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。三 相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、 安装、维护方便等优点,被广泛应用于各个领域。 三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都是由定子和转子这俩大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的 气隙。此外，还有端盖、轴承、 风扇、风扇罩、接线盒、吊环等其他附件。 在交流异步电动机中， 定子绕组流过依次相差 120 度相位角的三相交流 电时，产生旋转磁场。该旋转磁场在转子绕组中产生感应电动势，因为绕组 是闭合电路，所以产生感应电流，有电流的绕组导体在旋转磁场中产生电磁 力，对转轴形成电磁转距带动转轴转动。2.三相交流异步电动机的工作原理 定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。当三相电流不断地随 时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转。旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转 磁场反转。定子旋转磁场旋转切割转子绕组，转子绕组产生感应电动势，其方向由 “右手螺旋定则”确定。由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电 流方向与电动势方向相同，转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生 电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断。该力对转轴形成转矩(称电磁转 矩)，并可见，它的方向与定子旋转磁场(即电流相序)一致，于是，电动机在 电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转，且一定有转子转速。有转速 差是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。 3.三相交流异步电动机的机械特性 三相交流异步电动机的 在三相交流异步电动机的机械特性图中，存在两个工作区：稳定运行区 和不稳定运行区。 在机械特性曲线的 AB 段， 当作用在电动机轴上的负载转矩 发生变化时，电动机能适应负载的变化而自动调节达到稳定运行，故为稳定 区。 机械特性曲线的 BC 段，因电动机工作在该区段时其电磁转矩不能自动适 应负载转矩的变化，故为不稳定区。三相异步交流电动机的机械特性与汽车发动机的特性在一定范围内转 矩与转速成正比而且两者都有恒转矩、恒功率的工作状态，在这方面三相异 步电动机与发动机有很大的相似之处，所以现在电动车的驱动电机正在逐步 向三项交流电动机发展。3.3.2 其他交流电动机-单相异步电动机 单相异步电动机由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。 定子由机座和带绕组的铁心组成。铁心由硅钢片冲槽叠压而成，槽内嵌装两 套空间互隔 90电角度的主绕组（也称运行绕组）和辅绕组（也称起动绕组 成副绕组） 。主绕组接交流电源，辅绕组串接离心开关 S 或起动电容、运行电 容等之后，再接入电源。 转子为笼型铸铝转子，它是将铁心叠压后用铝铸入铁心的槽中，并一起 铸出端环，使转子导条短路成鼠笼型。 单相异步电动机又分为单相电阻起动异步电动机，单相电容起动异步电 动机、单相电容运转异步电动机和单相双值电容异步电动机。 单相异步电动机由于存在很多缺陷所以在电动车技术上应用较少。3.4 直流电动机的控制直流串励电动机3.4.1 直流串励电动机直流串励电动机具有较好的软机械特性在电动车上得到了广泛的应用， 直流串励电动机其调速方式是通过改变励磁绕组电流的大小来控制电动机的转速。换向则是通过换向接触器改变励磁绕组电流的方向从而达到电动机翻转的目的。加速器给控制器一个调速信号，然后由控制器来控制励磁电流的 加速器给控制器一个调速信号。串励电动机的特点： 1电枢线圈与励磁线圈串联 2电枢电流与励磁电流并联。3在换向结构中需安装换向接触器，依靠控制器外围接线，改变励磁 电流方向完成换向。 4、无再生制动，释放加速器，一般只能滑行，无平滑制动； 只能反接制动，能量通过电机发热消耗，对电机损伤较大 5、转矩和速度曲线固定，无调节空间，控制器必须与电机相匹配，无 法 根据需要选择速度和转矩。3.4.2 直流他励电动机 直流他励电动机的调速方式一般采用改变电动机电枢的供电电压来控 直流他励电动机 制电动机的转速。换向则可以由控制器直接控制电动机的正反转。他励电 动机的特点： 1.励磁线圈与电枢线圈各自独立，便于换向，励磁电流小于电枢电流，优越的制动性能。2.无需换向接触器，降低系统成本；减少活动部件；依靠控制器内部 “MOSFETs”改变励磁电流方向完成换向； 3.再生制动：释放加速器，自发平滑制动；降低电机发热，延长使用 寿 命；无需再生制动接触器，降低成本，减少活动部件。 4.在选择转矩和速度曲线之间有更大的空间， 控制器必须与电机相匹， 满足爬坡所需的速度和转矩。3.5 三项交流电动机的控制3.5.1 三项交流电动机的控制的结构随着交流变频技术的发展与成熟，三项交流异步电动机的变频调速技术 逐步应用到了电动车上。这一技术也使电动汽车得到快速发展。在很多电动汽车设计理念中大多都抛弃了变速器的使用，而仅仅靠调节 电动机的转速来控制整个车的行驶速度以达到无级变速的目的。我认为这很 不合理，因为无论是汽车的发动机还是电动车电动机它们在高速运行时都有 很大的缺陷，而且功率和转矩很不稳定。若想即保证电动机在稳定区域运转 又使电动汽车高速行驶变速器是不可缺少的部分。3.5.2 变频调速三相异步电动机转速公式：n=60f/p(1-s) 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方 法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流 直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点： 1效率高，调速过程中没有附加损耗 2应用范围广，可用于笼型异步电动机 3调速范围大，特性硬，精度高 4、技术复杂，造价高，维护检修困难 对变频调速的要求： （1）主磁通 m N ，以防止定子铁心过饱和； （2）电动机的过载能力（或最大电磁转矩 Te max ）尽可能保持不变。保证电机可靠运行。 变频调速分为： 1.基频以下的变频调速 2.基频以上的变频调速 基频以下为恒转矩调速；基频以上为恒功率调速； 变频调速过程中，异步电动机机械特性的硬度保持不变，调速范围宽； 频率连续可调，可以实现无级调速 三相交流异步电动机的变频调速性能优越，可以实现横转矩和恒功率调 速，这在电动汽车应用方面非常重要，是电动汽车目前最佳动力电机选择， 并且越来越被电动车生产企业所重视。3.5.3 电动车的起步和加速目前市场上的大部分电动车在起步是电动机的转速是通过加速器由 0 加 速到正常行驶转速，这种加速势必会造成电动机及整车电网电流过大（可达 100200A） ，这样大的电流不仅回影响电动机、电池、控制器及整车控制电路的使用寿命而且还会加快电池电量的消耗，缩短行驶里程。 而三相交流异步电动机的起动转矩很小，紧靠电动机的起步很难带动电 动车，也会增加电动车的加速时间，所以我认为如果使用三相交流异步电动 作为电动车的动力电机的话那么电动机就应该像汽车发动机那样有一个待 速，然后通过变速箱去操控电动车的行驶、变频加速器控制电动车的加速和 巡航 （恒功率和恒转矩范围内） 只有这样电动汽车的行驶速度和加速性能才 。有可能达到像汽车性能那样优秀。第4章 我国电动汽车的缺陷续驶里程目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为 100-300km， 并且这个数字通常还需要保持适当的行驶速度及具有良好的电池调节系统才 能 得 到 保 证 ，而绝 大 多 数 电 动汽车 在 一 般 行 驶环境 下 的 续 驶 里程只 有 50-100km。比起传统燃油汽车而言，电动汽车的较短续驶里程成为其致命的 弱点。 蓄电池使用寿命太短 普通蓄电池充放电次数仅为 300-400 次，即使性能良好的蓄电池充放电 次数也不过 700-900 次，按每年充放电 200 次计算，一个蓄电池的寿命最多 为 4 年，与燃油汽车的寿命相比太短。另外，不同类型的电池在性能方面都 有各自的优势和不足。例如，铅酸电池成本低，原材料丰富且易于回收，但 续驶里程短、加速动力差且寿命短。镍镉电池加速动力足、寿命较长，但其 成本高、可回收性差。钠硫电池的比能量较高，能够提供较长的续驶里程， 但它要求的工作环境较苛刻，且其活性物质具有强腐化性并易爆炸。就整体 来看，成熟电池的寿命都相对较短。 蓄电池尺寸和质量的制约 现有电动汽车所使用的电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理 的尺寸和质量。如果电动汽车自身装备质量大，就会影响加速性能和最大车 速的提高。 电动汽车价格昂贵 主要是电池技术复杂，成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技术，致使电动汽车的造价居高不下。电动汽车蓄电池的价格约为 100 美元 kW.h，甚至有的高达 350 美元kW.h，成本太高，用户难以承受。第五章 电动汽车的发展趋势纯蓄电池驱动的超微型汽车 这种汽车降低了汽车的动力性和续驶里程的要求，充电过程比较简单， 车速不高较适合于市内或社区小范围内使用。由于多数采用了镍氢电池、 镍镉电池、锂离子电池等高性能电池，车辆性能较有保证，已进人小批量试 生严阶段。比如，日本的 Hypermini 采用了高性能锂离子电池，最高时速为 90km，一次充电可行驶 115 km是一款适合未来城市道路行驶的家庭轿车。驱动电机呈多样性发展 美国倾向于采用交流感应电机，其主要优点是结构简单、可靠，质量较小，但控制器技术较复杂；日本多采用永磁无刷直流电机优点是效率高，起动扭矩较大，质量较小，但成本较高，且有高温退磁、抗振性较差等不足；德国、英国等大力开发开关磁阻电机，优点是结构简单、可靠 成本较低。缺点是质量较大，易于产生噪声。目前我国也研制成了稀土永磁无刷直流电机 和开关磁阻电机?电动机的使用尚无定论，有待今后在使用中考验。混合动力汽车由于受到蓄电池性能的严重制约使纯蓄电池型电动汽车的产业化进程 举步维艰，于是混合动力汽车成了内燃机汽车和电动汽车之间的过渡产品，既充分发挥了现有内燃机技术优势，又尽可能发挥电机驱动无污染的优势。混合动力汽车将现有内燃机与一定的储能元器件通过先进控制系统相结合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放，同时技术成熟、价格便宜。 燃料电池汽车 燃料电池汽车在成本和整体性能上，特别是行程和补充燃料时间上明显优于其他电池的电动汽车，开且燃科电池所用的燃科(甲醇、汽油、柴油、天 然气等)来源广泛，又可再生，并可实现无污染、零排放等环保标准。所以燃 料电池轿车已成为世界各大汽车公司 21 世纪初激烈竞争的焦点。东洋 日本 经济报道“当代技术革命将彻底改变 2l 世纪汽车业的面貌，这一改变就 是在近几年出现的燃料电池车”。 目前， 在电动汽车的商业化运作上， 无论从产品技术还是从市场开发方 面都还面 I 临许多亟待解决的问题，这就需要政府的大力支持。比如，加 快制定相关技术标准，出台对节能、 环保汽车的税费减免和补贴措施，在基 础设施建设上提供便利条件等。第5章 电动汽车是未来汽车业的主力5.1 展望未来的汽车业为保持市场竞争力，汽车制造商的设计将追求对成熟市场和新兴市场需求的满足，汽车制造商将侧重于汽车的使用便捷性、低成本以及先进技术。汽车制造商将继续从北美和欧盟等高成本地区转移生产基地，主要方向为中国、印度和南美地区。预计在2008年至2015年间，全球超过50%的轻型汽车产量增长将出现在大中华地区和南美地区。汽车业生产基地的转移受成本和需求两大根本因素影响。首先，新兴汽车市场的劳动成本远低于发达地区，其次，包括新兴汽车市场在内的众多低成本地区具备销量激增的潜力，转移生产基地有利于降低企业的运输成本。贸易集团的出现也推动了汽车市场生产基地的转移进程，随着时间的推移，越来越多的地区将会减少对汽车进口的依赖。此外，为降低生产成本，汽车制造商已开始减少生产平台的数量，在同一平台上发展多类型汽车。考虑到60%的汽车部件能够被共用，本田已在同一个平台上生产三款不同型号的雅阁汽车。而福特计划在五年内将目前全球核心生产平台3450000辆的产量提高至680000辆。高燃油价格和对全球气候变暖的担忧也成为影响汽车行业发展的因素，减少对传统化石燃料的依赖和使用较便宜的可再生能源倍受重视。在发达国家，电动车和混合动力汽车变得格外具有吸引力，而使用乙醇和天然气等弹性燃料的汽车在部分具有天然条件优势的新兴汽车市场将广受欢迎。因而汽车行业的动力技术将在未来10年发生重大变化。预计在2020年前，环保类汽车将可能在发达国家占据高达三分之一的汽车市场销量，在新兴汽车市场的城市地区也将占据20%的销量。目前，包括福特福克斯，通用Volt，日产leaf，丰田普瑞斯和戴姆勒Smart fortwo微型电动汽车在内的环保类汽车已经在汽车行产生巨大反响。而在汽车业发展的过程中，政府的作用将不容忽视。几乎所有主要大国的政府目前都已成为汽车业的积极参与者，政府的能源和环境政策在未来几年的汽车业塑造之路上担负重。5.2 电动汽车是未来汽车业的主力节能环保已经成为每个地球人切身感受得到的时代潮流，过去几年间，混合动力、燃气式动力、氢动力、生物燃料动力等等新能源技术和说法让人眼花缭乱。不过各大车企在今年还是很清晰地将未来汽车的模样绘画出来，那就是电动汽车!近年来，全球电动汽车的热潮兴起，得益于世界各国对发展电动车认识的逐步统一。“汽车产业转型方向和路径已经统一：那就是以混合动力、纯动力汽车，燃料电池为代表的电动汽车，被普遍认为是未来汽车动力、能源系统的转型发展的重要方向。”科技部部长万钢在本届电动车大会上表示，混合动力汽车，将成为传统汽车节能减排技术升级的主要途径，纯电动包括插电式深层次的电动汽车，将成为未来汽车发展战略的主流，而燃料电池汽车将成为未来汽车产业制高点。全球汽车技术的持续创新，为电动车的快速发展提供了强劲动力。各国都在重点领域和关键环节，加大了研发投入，比如美国、日本和欧洲的电动汽车研发计划，不仅对当前的产业化技术进行了重点关注，更重要的是还启动了面向未来的下一代电动汽车关键技术的研究和开发。在我国，伴随着新能源汽车进入七大战略性新兴产业名单，同时根据规划，2020年，新能源汽车将成为国民经济的先导产业，新能源汽车和中国市场就紧密联系在了一起。无论是自主品牌汽车企业还是跨国汽车企业，研发和市场化的步伐都在加快。在这次电动车大会上，很多汽车企业带来的产品不仅仅是用于展示而已，已经或同期上市以及即将上市的产品占了相当比例。比如宣布将于今年年底在日本、美国及欧洲上市，并将于明年进入中国市场销售的日产聆风；已经在美国市场接受预订，将于明年引入中国市场的通用雪佛兰Volt增程型电动车；已经销售多年、拥有相当市场成熟度的丰田普锐斯混合动力汽车同时，自主品牌的电动车进程也在提速。比亚迪此次展示的F3DM双模电动车、e6纯电动车、K9纯电动大巴，都是已经上市的产品，已经运营或者即将投入运营。展会上，奇瑞的瑞麒M1纯电动汽车宣布上市。作为奇瑞的首款高速纯电动汽车，瑞麒M1的最高时速达到120公里小时，最大巡航续驶里程可以达到150公里。而与瑞麒M1同台展示的还包括奇瑞S18DREEV,而这款车型也将于明年上市销售。伴随着新电池技术不断涌现，电池性能更加先进、质量更加可靠、寿命更加长远，新