（动力机械及工程专业论文）纯电动轿车动力总成控制系统的研究.pdf

海交逶大学博l ：学位论义 纯电动轿车动力总成控制系统的研究 摘要 纯电动汽车是由蓄电池输出电能，采用电动机驱动，单一动力源 的汽车。其具有零排放的特点，与燃料电池汽车，混合动力汽车相比， 具有许多共同的关键性技术，整车结构相对简单，成本较低，特别适 用于城市运行工况，因而对纯电动汽车的研究具有重大意义。 本文围绕国家“8 6 3 ”计划电动汽车重大专项“o r 纯电动轿车 ( 2 0 0 2 a a 5 0 1 7 0 0 ) 项目动力总成控制系统开展了深入系统的理论和试 验研究，在广泛调研国内外电动汽车发展状况的基础上，主要完成了 整车系统功能设计，动力总成驱动控制、能量回馈控制，高压电管理 系统的研究，控制程序的编写，仿真平台的建立及实车道路试验等一 系列的工作。 本文基于整车多节点控制器的架构，采用分层控制的思想，定义 了各个控制器的功能及交互接口，为各控制器节点之间设计了c a n 通 讯网络，搭建了q r e v 的整车平台。围绕延长纯电动汽车续驶里程这一 核心问题，研究了动力总成驱动控制技术，提出了整车经济运行与动 力运行模式，将整车运行划分为起步、驱动、失效、空转及能量回馈 等五种状态并研究了相应的控制策略。深入分析了电动汽车能量回馈 的原理，提出了滑行能量回馈模式及制动能量回馈模式，并提出一种 基于常规汽车制动结构的电动汽车能量回馈控制系统，研究了整车与 驱动电机的交互策略，运用无刷直流电机扭矩闭环的p i 调节器及半桥 调制实现了能量回馈，为电动汽车的能量回馈提供了易于实现的工程 解决方案。开发了电动汽车高压电管理系统a d m ( a u t od i s c o n n e c t m o d u l e ) ，可监测高压电路的绝缘、预充电、接地及高压互锁等八种高 压电路状态，并于高压电试验台证明了a d m 高压接触器动态响应良 好，在1 3 5 m s 内完成高压接触器稳定闭合接通过程，可于1 3 m s 内迅 速断开接触器，比g b t1 8 3 8 4 1 - - 2 0 0 1 中2 0 m s 切断高压的响应速度 要求提高3 5 ，完全满足国标及s a e 的安全性能指标。为调试动力总 j ：海交通人学博j j 学位论文 成控制器，基于m c 6 8 3 7 6 开发了动力总成控制器的硬件在环仿真系 统，于上位p c 机里建立了整车模型，电机模型及蓄电池模型，采用了 l a b v i e w 图形语言及c 语言，多线程的编程技术，实现。1 r 内嵌模型与 图形监测界而的调用，保证了上位机运行的实时响应。 所研究的成果运用于国家“8 6 3 计划电动汽车重大专项“q r 纯电 动轿车 ( 2 0 0 2 a a 5 0 1 7 0 0 ) 上，并于专用试车场进行了道路试验，整 车性能良好，0 - - 5 0 k m 加速为8 4 s ，采用制动回馈技术后，能量叫馈 率达9 ，车辆续驶里程达3 0 0 多公里，超出国家科技部要求5 0 ， 整车性能通过了第三方检洲0 机构北方车辆所的检验，圆满通过国家科 技部验收。 关键词：纯电动汽车，驱动控制，能量回馈，高压电管理，硬件在环 第页 ， l 海交通大学溥 ：学链论文a 转sl r a c 下 s t u d yo np o w e r t r a l nc o n t r o ls y s t e mo f p u r ee l e c t r l cv e h l c l e a b s t r a c t p u r ee l e c t r i cv e h i c l eu s e sm o t o ra sd r i v i n gu n i ta n dp o w e rb a t t e r i e sa s s i n g l ee n e r g ys o u r c e s ，w h i c hc a nr e a l i z ez e r oe m i s s i o n s 。c o m p a r i n gw i t h f u e l c e l lv e h i c l ea n dh y b r i dv e h i c l e i th a st h em o s tc o m m o nk e y t e c h n o l o g i e s ，s i m p l e rs t r u c t u r ea n dl o w e rc o s t i ti sm u c hb e t t e rf o rc i t y c y c l er u n n i n g t h e r e f o r e i ti s v e r yi m p o r t a n t t od or e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tf o rp u r ee v b a s e do nt h en a t i o n a l h i g ht e c h n o l o g yr 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 m 8 6 3 ，n o 2 0 0 2 a a 5 0 l7 0 0 t h i sr e s e a r c hf o c u so nt h ep o w e r t r a i n s y s t e mo f q rp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ( q r e v ) a n de n g a g ei ns y s t e m i c t h e o r ya n de x p e r i m e n ts t u d y w i t hd e t a i l e di n v e s t i g a t i o no nc u r r e n t d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a le l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) s t a t u s 。镪i sp a p e rs t u d i e s q r e vs y s t e mf u n c t i o nd e s i g n ，p o w e r t r a i n d r i v i n gc o n t r o l ，e n e r g y r e g e n e r a t i o n ( e r ) c o n t r o la n dh i g hv o l t a g ea d m i n i s t r a t i o ns y s t e m t h e c o n t r o lp r o g r a m 。s i m u l a t i o np l a t f o r i l la n dr e a lr o a dt e s tw e r ea l s od e s c r i b e d i nt h i sp a p e r t h e d e l a m i n a t i n g c o n t r o lm o d ew a su s e dt o m a n a g eq r 毯v m u l t i p o i n tc o n t r o l l e ra n dt h em u t u a li n t e r f a c eo fe v e r yc o n t r o lu n i tw e r e s t u d i e d t h ec a nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw a sd e s i g n e dt om a k et h e v e h i c l ec o n t r o lp l a t f o r m i no r d e rt oe x t e n dp u r ee vr u n n i n gd i s t a n c e 。t h i s t h e s i sf o c u s e do np o w e r t r a i nd r i v i n gc o n t r o l t e c h n o l o g yr e s e a r c h t h e e c o n o m ym o d ea n dp o w e rm o d ew e r ed e s i g n e da n dt h ef e l 雏e dc o n t r o l s t r a t e g yw a ss t u d i e d ，w h i c hc o n t a i n ss t a r t ，d r i v e ，f a i l ，i d i ea n de rm o d e w i t ht h ee n e r g yr e g e n e r a t i o n p r i n c i p l ed e e p l ya n a l y z i n gt h ec r u i s i n g e n e r g ya n db r a k i n ge n e 唱yr e g e n e r a t i o nw a sd e s i g n e d b a s e do nt h e r e g u l a rb r a k i n gs y s t e m ，bm o d ea n dcm o d eo fe rm e t h o dw a sd e v e l o p e d p it o r q u ec l o s e d l o o pc o n t r o lf o rb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) a n dp w mh a l fb r i d g ec o n t r o lm e t h o dw e r ed e s i g n e d w h i c hp r o v i d e sa f e a s i b l em e t h o df o re re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 。t h ea u t od i s c o n n e c t 第1 n 页 i ：海交通人学博l j 学位论文a b s t r a c t m o d u l e ( a d m ) w a sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s ，w h i c hc a nm o n i t o ri n s u l a t i o n ， p r e c h a r g e ，g r o u n d i n ga n dh i g hv o l t a g ei n t e r - l o c k ，t o t a le i g h tt y p eo fh i g h v o l t a g es t a t u s w i t hh i g hv o l t a g ee x p e r i m e n t ，a d mh a dv e r yg o o d d y n a m i cr e s p o n d i tc a nf i n i s ht h eh i g hv o l t a g ec o n n e c tw i t h i nl3 5 m sa n d d i s c o n n e c ti nl3 m s ，w h i c hw a s35 q u i c k e rt h a ng b tl8 38 4 1 - - 2 0 01 r e q u e s t i t sp e r f o r m a n c ec a nm e e tn a t i o n a la n ds a es a f e t yc r i t e r i a t h e h a r d w a r ei nl o o p ( h i l ) s i m u l a t i o nw a sb u i l tf o rt h ep o w e r t r a i nc o n t r o l m o d u l e ( p t c m ) d e b u g g i n g i nt h i sp a p e r t h ev e h i c l em o d e l ，b l d cm o d e l a n db a t t e r ym o d e lw e r eb u i l ti np c t h el a b v i e wg r a p h i cl a n g u a g e c l a n g u a g ea n dm u l t i t h r e a d i n gp r o g r a m m i n gs k i llw e r eu s e dt om a k et h e m o d e l sa n dg r a p h i cm o n i t o r i n gi n t e r f a c et r a n s f e r r i n g w h i c he n s u r et h e h i ls y s t e mr e a lt i m er e s p o n d t h er e s e a r c hw a sa p p l i e do nn a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m “8 6 3 q rp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ”n o 2 0 0 2 a a 5 0 17 0 0 t h eo r e vh a sg o o dd r i v i n gc a p a b i l i t ya n dc a na c c e l e a t et o5 0 k mw i t h i n 8 4 s t h ee n e r g yf e e d b a c kc a nr e a c h9 w i t he r t e c h n o l o g y t h ev e h i c l e c a nr u nm o r et h a n3 0 0 k m w h i c hi s5 0 h i g h e rt h a nn a t i o n a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g y d e p a r t m e n tr e q u e s t t h e v e h i c l ep e r f o r m a n c em e tt h e i n s p e c t i o no fn o r t h c h i n av e h i c l eq u a l i t yc e r t i f i c a t e dr e s e a r c hi n s t i t u t ea n d n a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e p a r t m e n t sv a l i d a t i o n k e yw o r d s ：p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，d r i v i n gc o n t r o l ，e n e r g yr e g e n e r a t i o n ， h i g hv o l t a g ea d m i n i s t r a t i o n h a r d w a r ei nl o o p 第1 v 页 上海交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本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。本文完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 上海交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解上海交通大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期： _ 年一月一日日期：一年一月一日 ：海交通人学博i ：学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论弟一早三百了匕 汽车白1 8 8 6 年诞生以来，麻川越米越广泛，技术不断发展，已经成为衡量一个国家物质 生活和科学技术发展的支柱产业。但是汽车带给人们方便、快捷和舒适的现代生活的同时， 也带来了日益严重的环境污染和潜在的能源危机。特别是近十年，环境污染和能源危机已经 成为世界各国面临的两人问题。 有关资料显示，按目前世界汽乍保有量为6 6 亿量，新乍年产量5 1 9 0 万辆计算，每年汽 下排向人气中的有害物质高达7 亿多吨。机动币排放污染已经成为中国污染物的主要来源之 - 1 】。以上海市为例，环保部门的监测结果表明，目前机动车尾气污染已成为上海人气污染 的土要来源，废气污染物中，c o 、h c 和n o x 等分别占中心城区污染量的8 6 、9 6 和5 6 ， 2 0 多条交通干道离地面l 米左右处行人呼吸带测得的c o 、h c 和n o x 浓度超过国家二级环 境质量标准。 汽车是能源消耗的人户，全球每年消耗6 5 0 0 万桶z i 油，其中汽车消耗约f 一? 卜。德国石 油行业协会最新一期的公报显示，美国仍为世界上最犬的干i 油消费国，随后依次为日本、中 国、德国和俄罗斯。2 0 0 2 年，全球的彳i 油消费总量约为3 5 亿吨，五国的消费量分别为8 8 8 、 2 4 9 、2 4 8 、1 2 7 、1 2 7 亿吨，lo i 全球7 i 油消费量的4 6 。汽车能源消耗约f ! l 。各种运输方式能 源消耗的7 0 8 0 ，? t d 油消耗越的4 0 7 0 。随着全球汽下销量和保有量的增加，在 全球石油储藏量急剧下降的背景卜- ，能源危机成为各国政府、汽车生产厂商的头等难题。 我国运输业的能源消费主要以石油为主，图1 1 是运输业的能源消费构成。随着国内汽 车需求量的增大，石油短缺造成的供给不足，将会进一步恶化。图l 一2 ，图l 一3 为国务院 发展研究中心产业经济研究部对1 9 9 0 年到2 0 2 0 年我国汽车及石油需求总量的调查与预测结 果1 2 j ，可见在今后的5 一1 5 年期间，中国的汽车保有量将大量增加，中国正步入移动社会，但 伴之而来的是能源需求的强烈增长。图1 3 展示了石油需求情况，随着轿车的增加，中国面 f 隘着严重的原油进口依赖，以每桶原油5 0 美元为例，1 吨原油为4 0 0 美元，一年原油进口费 用将达到1 4 4 0 亿美元，石油短缺成为人问题。 随着环境污染和能源危机的日益加重，世界各国政府都在探索新途径：一方面控制汽车 污染物的排放和降低油耗，世界各人汽车公司均积极研发和应用排放新技术，如三元催化器、 废气再循环、柴油机废气烟雾微粒过滤装置等；另一方面推进各种汽乖清沾技术的开发和应 用，各种超低排放汽车不断面世，如电动汽车、清沽燃料汽车等。电动汽1 i 由于具有低排放 甚至零排放、能缓解能源危机和低噪音的特点，成为当今汽车研究、开发和推j “应川的热点 之一。 图1 1 运输业的能源消费构成 f i g 1 - 1t h ee n e r g yc o n s u m p t i o np e r c e n t a g eo fc a r r y i n gt r a d e 第1 页 l ：海交通人学博一l j 学位论义 第一章绪论 1 5 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 同汽车保有量( 百力台) 图1 2 中国汽车保有量分析 f i g 1 2c h i n aa u t o m o b i l em a r k e tv o l u m ea n a l y s i s 总的彳i 油需求( 百力| 吨) _ 墨i 图1 - 3 中国石油消费需求 f i g 1 - 3c h i n ap e t r o l e u mc o n s u m p t i o na n a l y s i s 1 2 电动汽车的发展现状与关键技术 1 2 1 电动汽车的种类 目前研究中的电动汽车包括燃料电池汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) ，混合动力汽车 ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ，和纯电动汽车( p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ) 。 ( 1 ) 燃料电池汽车( f c e v ) 燃料电池是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置，它从外表上看有止负极 和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池也有多种 类氆，经过多年的探索，最适用于汽车的是质子交换膜燃料电池1 3 j 。它的t 作原理是：将氢 气送到负极，经过催化剂( 铂) 的作用，氢原子中两个电子被分离出来，这两个电子在正极 的吸引下，经外部电路产生电流，失去电子的氢离子( 质子) 可穿过质子交换膜( 即同体电 解质) ，在止极与氧原子和电子重新结合为水。由丁氧可以从空气中获得，只要不断给负极供 应氢，并及时把水( 蒸汽) 带走，燃料电池就可以不断地提供电能。燃料电池的优点是：1 ) “油箱到车轮”的能量转化效率高，高达6 0 8 0 ，为内燃机的2 3 倍。2 ) 不污染环境。燃料电 池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水。3 ) 不需要对其进行外部充电。4 ) 燃料电池本身_ _ 作没有噪声，没有运动性，没有振动，其电极仅作为化学反应的场所和导电的通道，本身不 参与化学反应，没有损耗，寿命长。 第2 页 搦豳圈|i搦圈龇雷籼踮圈| i伯。粼。_ 蜥二蚴三麟三 的 o 一日二盥二| | 墨 卜f 卜 一曩曩1 斗i ! l 一求生 一 _ i 。一 一总圈一蓉一l-，1一一；踹|1 一 ：海交通人学祷l ：学位论文 第一章绪论 尽管燃树电池汽车具有 疑多优点，可以根本上躬决石油短缺的矛盾，是本来电动汽车发 展的方向，但燃料电池的技术是目前燃料比池汽车产业化的瓶颈，要实现低成本的人批量投 入生产还需要很沃的一段时阁，至今仍面临着许多挑战： 氢的使川：氧的存储问题，无论是气态还是低温液态的存储； 氧的“涵并剑油箱”瓣效率 爱低； 车载制氧1 卜常复石 ，至今成本很高。据相火报道预测，由丁基础设施建设需人量投入及乍 砖j 燃誊季电泛技术的戳制，燃料电池汽车在泰来韵1 5 年内仍罐以形成主滚。 ( 2 ) 混合动力汽t - ( h e v ) 混合动力汽市( h e v ) 主要是指内燃褫( 包括汽油视与柴涵枫) 与动力蓄电池或超级电 容组成的多能源动力汽市。h e v 的土耍特点是发动机带动发电机向蓄电池充电，再由蓄电池 带动电动搬，发电机通过变频器也可直接带动电动橇。这样，电动机和发动机可根据不同行 驶i ：况或单独或同时驱动汽币。现有的h e v 装置按照能量合成形式可分为：串联式、并联式 摹l 混驳式三种。1 4 1 串联式是指汽油或柴油发动机带动发电机组给蓄电池充电，蓄电池褥向电动机供电，由 电动机单独驱动汽车。当发电桃发出的功率小予汽乍需求时( 熟窟动、加速、爬坡) ，电池组 向电动机提供电能；当发电机发出的功率火丁汽车需求时( 如低速、滑行、怠速) ，则向电池 组充电。 并联式是指发动机除带动发电机组外，还可以单独或与电动机共同驱动汽车。同时，电 动瓿也可以攀独戏与发动机共翔驱动汽车。这样，就可以将发动枫单独驱动、电动枫单独驱 动、发动机与电动机联合驱动三种方式有机结合，实现驱动方式的最佳组合。 混联式羡员并联式拳l 串联式系统的特点，在该系统中，发动机、电动誊昱既可独立驱动汽 乍，也可同时驱动汽午。其动力分配装置将发动机的动力传递给传动轴与发电机，发电机产 生的电能一部分瑚+ ，驱动电动机，剩余部分变为巍流电给电池充电。 丰田汽车公司是目前走住h e v 最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进行h e v 研究的 汽车公司之一。甲 在1 9 9 7 q ：，丰匿就在世界上第一个推滋了名为p r i u s ( 普瑞斯，意为“先驱”) 的h e v ，引起全球瞩目，该车采用的就是混联驱动方式。其上的发动机、电动机即可独立驱 动汽誓，又可阕时驱动汽车。动力分配装置删于将发动砉嚏煦动力传递给传动轴和发电桃，发电枕 产生的电能一部分用于驱动电动机，另一部分则变为直流电给电池充电。其动力流样如图1 4 所示。 搬援施 日电能 图1 4p r i u s 动力流程 f i g 。1 - 4t h ep o w e rf l o wo fp r i u s 表1 1 总结了三种混合动力各自的特点，混合动力汽车是汽车走向燃料电池汽车之前最 具有实用价值且已实现产业化的电动汽车。 第3 页 。卜海交通人学游i j 学位论文第一章绪论 表i 1 三种混合动力汽车的结构性能比较 项控制系统电池能醚传递内燃桃i ：环境污染其他 目效率作效率 击 控制系统结构对电池要动力传递总住最佳发动机可每一动力装置 联比较简尊，控求较蕊，容过程，存在l ：况。fl ：独立丁+ l ： 的功率均等j ： 式制方法简便，麓人，增加机械能一作，具有较况运行，汽车要求的总 可对发动机进了电池承l电熊一机高的燃油污染小功率，没备规 行独立控制，汽车重量械能的转经济性模较庞人，增 使其稳定于离以及制造换过糕，降加了1 i 辆的成 效区域低排放成本低了能量本及机构布置 区1 ：作，只要利州率。的难度 根据蓄电池充 电状态决定其 运行或停f 并动力控制系统总容馕比动力直接主要动力发动机与驱动电机可做 联及机械切换系审联式小，传到驱动还是来源驱动轮之发电机运行， 式 统相对较复对蓄电池 桥上，中间丁内燃帆，间直接连对发动机及电 杂，疆维持发的峰值功 环节少，比但内燃机接，运行机的功率要求 动机在最佳+ 1 ：率要求较串联式有一l 作范围点受l ：况降低。 作区域，需要低更高的能大，效率降影响，摊 复杂的控制系鼙效率低放的优化 统和控制策不如串联 略。 式，噪音 较大 混 机械传动系统 对电池的 较高 发动机的比并联小发动机和电动 联及控制系统最依赖小，甚工作可不机均可较小， 式为复杂至可以不受汽车行动力系统可根 需要外置驶工况的据不同，上况选 充电系统影响，优化用不同的动力 丁最高效驱动方式，充 率区实现分利朋两套动 低排放幂l力装置的饶点 超低油耗 ( 3 ) 缝电动汽车( e v l 纯电动汽车采用电动机驱动，在各类电动汽车中结构最简单。纯电动汽车行驶时，由蓄 电池输出电麓，逶过控制器驱动电动枫运转，电动飙输出的扭矩经传动系统带动枣辆行驶， 其动力源来自蓄电池。纯电动汽车的续驶里程与蓄电池容量有关，蓄电池容簧受诸多因素限 制，若希望提高一次充电续驶行程，必须尽可能地采用赢功率密度的动力蓄电池，并针对运 行区域优化蓄电池的充放电效率。鉴于纯电动汽车单一动力源的特点，纯电动汽车车型一般 设计为小型车辆，如轿车，m i n ic a l 等，用予城市交通运输。缝黾动汽车霹在燃油汽车憋基本 骨架上来设计结构布置，为了确保行驶安全性，提高维护保养性，应采用低重心和免维护一 体型蓄电池，并将其放在车身后部敕车厢地板一f 。为了减轻车絮重量，提高网度，犬断面主 车架可设计成纵直车架。为了使车厢内部具有最大限度的乘员空间，将乘员空间与驱动系统 第4 页 l ：海交通人学博i ：学位论文第一章绪论 动力源等完全分开，将电动机、高压电气系统集中配置在下身前部，突出纯电动汽车本身特 性的要求p j 。纯电动汽车虽然结构相对简单，续驶里程受蓄电池容量限制，但其与燃料电池 汽车，混合动力汽车相比，具有许多重要的共同技术特点，如蓄电池技术、高压电的管理、 实时通讯技术、动力总成系统、电机驱动技术及能量同馈技术等等，且其可泣刻实现真止的 零排放水平，整| i 成本较低，特别适川丁- 城市运行l ：况。山丁这些特点，t h = 界各国扫：开发电 动汽乍的研究上，往往是燃料电池汽乍，混合动力汽午与纯i u 动汽1 i 并行开发，各有侧重。 1 2 2 国内外电动汽车的发展 ( 1 ) 国外电动汽下的研究状况j 美国魄研究状况s 发霰妖乎i 7 1 1 8 1 ( 9 1 i o a 环境和能源的压力迫使美国投入人量人力物力开发电动汽下。臼1 9 9 3 年启动新一代汽下 合作计划( p n g v 计划) 以来，美国能源部对电动汽车和混合驱动汽乍的开发投入大量资金。 同时各汽币厂商也在电动汽车的开发研制中投入人量的人力物力，并且取得了很人的研究成 果。目前有通用公司的e v l 和s 1 0 电动汽车，祸特公司的r a n g e r 电动轻卡车、t h i n k 城市车， 戴姆勒一克莱斯勒的e p i c 微型货车等。图l 一5 为2 0 0 0 年通用e v i 电动汽车及其性能参数；图1 6 为福特t h ! n k 城市电动车及其性能参数；福特公司的r a n g e r 动车最初是在1 9 9 8 年推出 的。这款车的一次充电行驶里程为8 0 k m ，并能在1 2 5 s 内加速至8 0 k m h 。t h ! n kn e i g h b o r 是 一款专为规划性社区、封闭式度假区和综合商务区设计的电动车，其性能远远超越传统的高 尔丈机动：乍，同时实现了零排放。两座型t h ! n kn e i g h b o r 仅重4 4 4 k g ，四座型重5 8 0 k g 。戴姆 勒一克莱斯勒的e p i c 微型货配备4 5 组s a f t 锂电池，一次充电行驶最人里程为2 0 0 公里。 车型2 0 0 0 通用e v l _ 。扩二鬻篱移，啊 础蕾邕臻谬_ 蓄电池镍氢蓄电池组 “：j 瞪j 溢。， 车身总重2 9 0 磅酵 扭矩 15 0 n m 7 0 0 0 r p m 最高车速8 0 m p h鬣龋麓纛灌一 - 一- 滞孵r 最大速度 5 5 9 5 英里或7 5 1 3 0 英里 ：露硪蕊蕊。，： 最火行驶里程 o 6 0 公里加速 9 秒 】翔一圃醚豳孽嘲 充电时间5 5 6 小时或6 8 d , b 寸 一蠕磷_ j ：海交通人学博 ：学位论文第一章绪论 图1 - 6 福特t h i n k 城市电动车及其性能参数 f i g 1 - 6f o r dt h i n ke vp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r 日本的研究状况s 发陡水平 日本是电动汽车研究水平较高的国家之一。从1 9 7 0 年开始，t 业科学技术协会承担了电 动汽车的研究任务，该项目是日本国家大型项目之一，为期6 年，由政府、研究部j j 和私人企 业共同承担资金达5 7 亿日元。目前电动汽车研究机构有：电动汽车委员会、日本电动汽乍联 合会及电动汽：乍：f 程研究委员会。表l 一2 列出日本部分纯电动汽车的技术性能参数。图l 一7 为本田e vp l u s 的电动汽车外形及性能参数。 表1 2 日本部分纯电动汽车的技和 生能参数 微型箱式车轻型箱式车货车 车型 大发h i j e t 箱式 s u z u k i 箱式 丰田t o w n a c e 五十铃e l p 电动汽车电动汽：乍=电动汽车电动运输车 ( 长 宽幸高) m 3 2 9 5 * 1 3 9 5 * 1 8 44 3 6 * 1 6 7 * 1 9 34 9 4 5 * 1 6 9 5 * 2 8 7 5 质量 空车质量k g 1 0 9 5 1 2 3 5 1 9 7 05 1 1 0 满载质量k g 2 0 02 0 02 0 01 2 5 0 参数 座位数 2222 最高车速k m h 7 57 08 51 1 0 性能最大爬坡度慌 3 23 53 0 3 2 参数 续驶里程k m 1 0 01 2 01 6 01 0 0 ( 下速4 0 k m h ) 型式d c 他励d c 他励a c 感应d c 他励 电机额定功率k w 1 41 32 03 3 参数 额定电压v 9 01 1 51 2 01 0 8 控制系统晶体管斩波器晶体管斩波器 晶体管逆变器 晶体管斩波器 型式铅酸 铅酸 铅酸铅酸 电池额定容量a h 1 5 01 5 01 5 01 6 0 参数 数量 81 01 6 1 8 x 3 并联 电压v 9 61 2 01 9 61 0 8 车型本田e vp l u s 长宽高 4 0 4 6 x1 7 5 0 x 1 6 3 1 m m 总质量 3 5 9 3 5k g 第6 页 i ：海交通大学博i ：学位论文第一章绪论 乘员数4 人 么盔鼠。 最人乍速 8 0 + m p h 0 3 0 k m ) j n 速4 9 秒 电动机 无刷直流电机( 4 9 k w l 蓄电池 2 41 2 v n i m h 最人行驶里科等速10 0 英里( 8 0 充电) 充电时间6 8 小时 图1 7 本田e v p l u s 的电动汽车 f i g 1 - 7h o n d ae vp l u s 除以上提到的日本电动汽车研究机构和已使川的电动汽车外，还有很多私人企业及机关 组织研究开发电动汽车，并取得很大成果。 ( 1 ) n i s s a nf e v ：该车装有快速充电的电池系统和高性能驱动电机。 ( 2 ) e v ”m y l d ”：该车主要用于寒冷气候条件，装有蓄热箱作为热源给蓄电池和车厢内部 加热，是日本t o b o k a 电气公司制造的试验型电动汽车。 ( 3 ) i l a ：该车由日本东京电气公司试制，装有4 个5 k w 直接驱动车轮的永磁同步电机和镍 镉电池，具有质量轻、低风阻和低滚动阻力( 风阻系数c d = 0 0 1 9 ；滚阻系数f = 0 0 0 6 ) ，最高 车速为1 6 0 k m h ，续驶里程为5 3 6 k m ，是当今高水平电动汽车之一。 ( 4 ) 三菱电动汽车：该车为轿车型式，其行驶里祥和加速性能均适用于城市商业用车。 欧洲的研究状况与发展水平 欧洲的特点是人口密度大，工业高度发达，石油能源需求大而环境问题日益突出。因此， 各国特别是德国、英国、法国、意大利等汽车发达国家积极研制电动汽车，其研究水平接近 美国和日本。具有代表性的纯电动汽车如表1 3 所列。 表1 3 欧洲典型纯电动汽车 c h a r 1 3c l a s s i cp u r ee vi ne u r o p e 车型型式及研制状况 最高下速k m h 1续驶里程k i n电池电机 德国b m w e l4 座轿乍，样乍投产1 2 02 4 0n a s 永磁直流 德国1 9 0 e v5 座轿：乍，研究型1 2 01 5 0n a n i c l 永磁直流 法国2 0 0 m 2 座，样车开发1 2 01 5 0n i c d 交流感虑 意人利f l a tp a n d a轿车，计划产5 0 0 辆11 3 8 0p b a c i d直流串励 欧洲目前拥有电动汽车1 1 5 0 0 辆，其中法国就有7 5 0 0 辆。法国的标致一雪铁龙p s a 公司是 世界最大的电动汽车生产集团，纯电动汽车主要有p a r t n e r ，b e r l i n g o ，标志1 0 6 ，s a x o 等型号。 在法国，大型国有公司，诸如法国电力公司以及l a p o s t e 等是各种电动车辆的主要运营者， 同时各地方的社会团体也拥有少量的电动车辆，公司和地方团体拥有的电动车辆。与总数的 9 0 以上，尤其是在政府部门当中，拥有人量的用户。此外，电动专用车辆已成为法国电动 汽车的一个发展方向。2 0 0 1 年欧洲各国电动车数量统计见表1 4 。 第7 贞 j ：海交通人学博i ：学位论文第审绪论 国”0 数譬：( 辆) 罔别 数垃( 辆) 囤别 数精( 辆) 泫国 7 4 3 0 英国 3 3 8 芬兰 8 2 意人利 12 0 6 丹麦 2 2 6 荷兰 4 5 挪威 6 0 4 德囤 1 7 1 葡萄牙 1 6 瑞典 5 6 0 比利时 1 6 6 瑞十 4 8 5 奥地利 1 5 2 ( 2 ) 国内电动汽车的研究现状】【1 2 】【1 3 】 为维护我国能源安全，改善人气环境，提高我国汽车“l ：业的竞争力，科技部在“十五”国 家8 6 3 计划中，特别设立了电动汽车重人专项。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 攻关。计划在“十五”期间，以电动汽车的产业化技术平台为t 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，促进符合现代企业制度和市场经济发 展要求的研发体系和机制的形成。该专项旨在提高我国电动汽车及相关领域的技术创新能力， 培育一支具有汽车产品臼主开发能力的队伍，最人限度地集中政府、企业、人学、科研机构 和社会各界的科技资源，抢i i | 新一代电动汽车产业技术制高点，促进我国汽车1 ：业实现跨越 式发展。该专项确定了电动汽车“三纵三横”的发展模式。“三纵”即燃料电池整车项目、混合 动力整车项目和纯电动汽车项目，“三横”即“多能源动力总成控制系统、电机驱动和控制系统、 车用动力电池组及管理系统( 图l - 8 ) 。 第8 页 上海交遴人学耩l ：学位论文 碧一章缝论 图1 8 “8 6 3 ”电动汽车项目规划 f i g 。1 8 “8 6 3 e vp r o g r a ml a y o u t 懿今一些科研撬擒帮嘉校、公司在电动汽车方匿徽了大鬣的研究工僚，自主研发的各种 电动汽车也相继见于报道。其中东风汽车公司、清华大学、同济大学分别承担了十五计划“8 6 3 ” 项目中的混合动力大客车、燃料电池客车及燃料电池轿乍项嗣，承担纯电动轿车研发的是上 海交通大学、奇瑞公司穰天津汽车公司。 1 2 。3 电动汽车的关键技术 现代电动汽车的研究开发是一个复杂的系统，i ：程，它的理论基础是将汽车技术、电机技 术、驱动技术、电力电子技术、能源储存技术和现代控制理论有机地结合起米，实现系统的 集成优化。箕关键的惠嗣技术可归续为以下露个主要部分：驱动电机及其控割技术，动力总 成控制技术，电池能量管理技术及高压电安全管理1 1 4 j 。 ( 1 ) 驱动电机及其控截技术 在电动汽车的席用中，对电动机提出了如下要求：1 ) 大的功率体积比，功率质量比； 2 ) 在较宽的转速范丽肉有较高的效率：3 ) 电磁辐射尽爨小：4 ) 成本低。对电动枫的选型还 鹿综合考虑其控制系统的特点，要求能实现舣向控制，对制动再生能量可以同收。目前电动 汽车使心的邀动驱动系统主要奋直流电机驱动系统雾坡! 流电机驱动系统两葶孛。 直流电动机的优点是机械特性好，调速方便而且性能好。通常采片j 晶体管斩波器宽脉冲 调制方法实现对电杌转速的调节。基于直流电视驱动系统具有成本低、易于平滑调速、控制 第9 页 上海交通人学博l - q ：位论文 第一章绪论 器简单、技术成熟等优点，曾在电动汽午上得剑“泛戍川，但由】：直流l l 土动机在运行过程中 需要电刷和换向器换向限制了电机转速的进一步提高( 最高转速6 , 0 0 0 8 ，0 0 0 r m i n ) ，另外， 电机本身效率较低、结构复杂且体积人、重鲑人、价格高决定了它必然会被其他先进电机如 交流电机所取代。 矧l 一9 及图l 1 0 给出了电动汽下川一“流电机驱动系统与交流电机驱动系统的效率特性 图。 d cm o t o r , c o n t r o l l e re f f i c i e n c ym a p 图】一9 直流电机驱动系统效率图 f i g 1 9d cm o t o r c o n t r o l l e re f f i c i e n c y a ( m o t o r ，( 口n ”o 叶e r f f i c i e n c yi m a p l 1 0 交流电机驱动系统效率 f i g 1 10a cm o t o r c o n t r o l l e re f f i c i e n c y 由图知，交流电机驱动系统在较宽的转速范闱内都具有较高的效率。在低速低转矩区， 直流电机驱动系统的效率仅有6 0 ，而交流电机驱动系统可达6 6 7 4 i l0 。交流电机在整个 低扭矩区的效率也高于直流电机说明交流电机驱动系统非常适合应用于电动汽车传动系。 电动汽车上用交流电机驱动系统主要有采用异步电机的驱动系统和永磁同步电机的驱 动系统，也有部分电动汽车采用了开关磁阻电机组成的交流驱动系统。交流异步电机驱动系 统主要选用三相鼠笼型异步电动机，该电动机结构简单、坚固耐用、成本低廉、转速极限极 高，采用矢量控制技术，其动态性能可与直流电机调速相媲美。 永磁无刷同步电机按其空间气隙磁场的分布形式不同，又可分为方波型永磁无刷直流电 动机和正弦波型永磁无刷直流电动机。习惯上常常将方波型的称为永磁无刷直流电机 ( b m s h l e s sd cm o t o r ， b l d c m ) ，正弦波型的成为永磁同步电机( p e r m a n e n tm a n g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ，p m s m ) 。 永磁电机驱动系统没有激磁铜耗、效率较高( 最大效率可达9 5 ) 、功率因数高、体积小、 第l o 页 上海交通大学蹲l ：学倥论文 第一章绪论 功率密度大( 可