双电机前轮驱动型微型纯电动汽车的参数匹配和Advisor仿真设计

河南理工大学万方科技学院毕业设计论文摘 要随着中国汽车行业的迅速发展和石油对外依存度的不断提高,能源供应及经济安全问题引起了政府有关决策部门、企业界和学术界的广泛关注。同时环境污染问题日益严重,加强汽车行业的节能减排工作已经刻不容缓。这时具有重要社会价值和深远战略意义的纯电动汽车技术在中国面临着难得的发展机遇。纯电动汽车作为一种有限能量电源供电系统,其能量优化和控制,即能量管理问题的研究意义十分显著,正成为电动汽车领域研究的热点问题。随着电力电子技术和计算机技术在汽车领域中的推广和应用,纯电动汽车的能量管理系统不断完善。但是,人们在称道能量管理功能实现的同时,却往往没有充分挖掘车辆的能量利用率。论文从微型电动汽车传动系统的匹配和驱动系统优化来研究提高微型电动汽车效率及性能，从而实现延长电动汽车的续驶里程。论文根据某公司 FA 微型电动汽车的动力性要求，从汽车动力学出发，分析了汽车在各种行驶工况下的阻力矩，匹配设计了传动系统的关键参数，包括电机参数、传动比、电池等，使得在一档传动比下实现 FA 电动汽车的动力性较优指标。并利用 ADVISOR 仿真软件对匹配设计的传动系统参数进行了动力性仿真，验证了理论匹配计算参数的正确性和实用性。在驱动系统的优化方面，主要是无速度传感器矢量控制算法的条件下优化电机的效率以及提高控制器的性能。从分析控制器输出电压、电流限制的磁通选取的方法。并以某电机厂设计的 YV112M-4 型电动机的参数进行计算，对比了标准矢量控制及基于损耗模型的效率优化算法下的磁通选取及效率曲面，证明了该效率优化算法对轻载下的效率优化效果明显，效率优化的结果与电机设计曲线一致。关键词：微型电汽车 匹配设计 ADVISOR仿真 效率优化 ABSTRACTWith the rapid development of Chinese automobile industry and the growing of the dependence for foreign petrol, the energy supply and economic security issues have caused serious concern of the government policy-making departments, business and academic circles. At the same time the increase of population has been serious, we must begin the energy-saving and emission reduction right now. At this time the electric vehicles technique, which has important social value and far-reaching strategic significance is facing rare development opportunities in China As limited energy supply system, pure electric vehicles energy optimization and control shows extremely significant. Because of the application of power electronics and computer technology in automobile industry, energy management system of pure electric vehicles gets furtherly improved. However, people dont intend to fully tap the energy efficiency of vehicles, but just satisfy the basic accomplishment of energy management function.In the optimization of drive system, the thesis carries out the optimization of the efficiency of the controller and motor. According to the various losses of induction motors, they realize the purpose of optical efficiency under a smaller value of loss through the motor design and control algorithm of driving system. The thesis analyses the different ways of magnetic flux of the smallest loss within the rated speed and high-speed area. The thesis compared the magnetic flux and efficiency surface of standard vector control and optical efficiency arithmetic based on loss model and motor parameters is based on YV112M-4. It verifies that the effect of the arithmetic is significant under light load and promised the voltage and current under the limit in high speed. The result of efficiency optimizing is the same as the designed curve of the motor.Key words：Mini electric car Matching design Advisor simulation Efficiency optimization50目 录第一章 绪论11.1 引言11.2主要结构21.2.1电源31.2.2驱动电动机31.2.3电动机调速控制装置31.2.4传动装置41.2.5行驶装置41.2.6转向装置51.2.7制动装置51.2.8工作装置5第二章 微型电动汽车优化设计技术发展现状及趋势62.1 动力传动系统的参数匹配设计62.1.1 动力传动系统的参数匹配设计62.1.2无速度传感器矢量控制效率优化算法72.2采用 MOSFET 并联技术的控制器电路优化设计82.3 研究的主要内容10第三章 微型电动汽车传动系统参数匹配123.1 微型电动汽车动力传动系统匹配简介123.1.1 微型电动汽车动力传动系统布置方式133.1.2 各种驱动电机概述153.2.1 微型电动汽车动力性要求及分析173.2.2 汽车的行驶方程183.2.3 功率匹配223.2.4 单一传动比匹配设计233.2.5 电池匹配理论设计273.2.6 匹配设计结果283.3 基于 ADVISOR 的微型电动汽车动力性仿真293.3.1ADVISOR 仿真软件概述293.3.2 仿真模型的建立313.4 本章小结42第四章 全文总结与展望434.1全文总结434.2未来展望44致 谢45参 考 文 献46河南理工大学万方科技学院毕业设计论文第一章 绪论1.1 引言在21世纪中面临的问题是能源短缺和环境危机！能源短缺给我们带来来的问题是不能可持续发展，环境危机却是给人类带来灾难。面对双重的矛盾和力，我们有责任和义务去开发新能源，保护环境，保护自然。2008 年开始的经济危机给世界各国人民敲响了警钟，美国更是把发展新能源汽车作为对汽车行业进行援助的前提条件。美国福特公司预计未来将推出混合动力车等过渡车型，大概 10 年后会推出成熟的纯电动车，到那时纯电动车将全面取代燃油汽车。无独有偶，正是 19 世纪二十年代福特公司批量生产 T 型车，使得当时占市场主导地位的电动汽车在与燃油汽车的竞争中失败，并逐渐消失。其根本原因在于，当时燃油汽车的续驶里程是电动汽车的 23 倍，且使用成本低，动力性好2。以石油产品为燃料的汽车是最主要的现代交通运输工具，它给人们带来方便和快捷交通的同时，也带来了无法回避的社会问题。根据上世纪七八十年代美国、日本对城市空气污染源的调查，城市空气中 90%以上的一氧化碳、60%以上的碳氢化和物和 30%以上的氮氧化合物均来自汽车排出的气体2。汽车排放污染已经成为世界性的公害。大气环境是人类赖以生存的可贵资源。我们迫切需要寻求一种低排放和利用可再生能源的交通工具。显然，开发电动汽车是解决这一问题的有效途径之一。为解决这些问题，电动汽车呈现出加速发展的趋势。从环保的角度来看，电动汽车是零排放的市区交通工具，即使计入发电厂增加的排气，总量上看，它也将使空气污染大大减少。从能源的角度来看，电动汽车将使能源的利用多元化和高效化，达到能源的可靠、均衡和无污染地利用的目的。在改善交通安全和道路使用方面，随着电力电子技术的发展，电动汽车更容易实现智能化。电动汽车的发展将使集中考虑能源、环保和交通成为可能，而且，它对于促进高科技的发展、新兴工业的兴起以及经济的发展将产生深远的影响。电动汽车具有电力驱动，无排、噪音低、能量转换效率高等特点，电动汽车较内燃机汽车结构简单，机械传动部件少，维修保养工作量小，且电动汽车易于操控。但是，目前电动汽车尚不如内燃机技术完善，主要原因是动力电池的寿命短，使用成本高。此外，电池的能容量低，一次充电后续驶里程不理想，而且电动车的价格也比较贵等。但从发展的角度看，随着科技的进步，电动汽车目前存在的问题将会逐步得到解决，其价格和使用成本必然会降低，低廉物美的电动汽车发展与应用前景令人瞩目。受电池容量的限制，电动汽车的产业化一直是研而不发，而电动的场地用车，如高尔夫球车及电动叉车如雨后春笋般出现，在国外已经实现了产业化，显示出了电动车的可行性及未来的必然性。目前最具有产业化前景的无3疑是微型电动汽车动力性等同于小排量汽油车，高于电动高尔夫球车等场地用车。电动汽车的优化设计技术能根据对汽车的加速性能和爬坡性能等约束的要求，对汽车部件和驱动系统的参数进行调整，以达到优化汽车性能的目的。目前该技术主要包括电动汽车传动系统的优化设计和驱动系统的优化设计中。1.2主要结构电动汽车的组成包括：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。 1.2.1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。 1.2.2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，如无外壳盘式轴向磁场直流串励电动机。 1.2.3电动机调速控制装置 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。 1.2.4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。 1.2.5行驶装置 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。 1.2.6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。 1.2.7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。目前国内电动汽车在大功率载客汽车，给提供空气制动设备有耐力NAILI滑片式空气压缩机，主要是压缩空气的制动方式。 1.2.8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。第二章 微型电动汽车优化设计技术发展现状及趋势电动汽车的优化是一个交叉学科，涉及到机械，汽车及电气、材料学科，要对其进行系统的研究比较困难。2.1 动力传动系统的参数匹配设计 2.1.1 动力传动系统的参数匹配设计动力传动系统的参数匹配主要解决电动机、传动比、电池的匹配问题。针对每一个部件，并不是功率越高越好，而是最合适的才是最好的。电机的功率如果设计过大，实际工况下将造成浪费，导致轻载的效率低，功率设计过小又将使电机大部分时间工作在过载情况下，影响电机寿命；同样，传动比的设计要兼顾最高速度及最大爬坡度，目前大多数电动汽车和燃油汽车一样设计了多档传动比，这对于视车重为最大危害的电动汽车而言无疑是最不愿看到的。文献1采用了多档传动比匹配，电动汽车的质量增加了很多，同时效率也大幅降低。文献2则提出，为提高能量利用效率，最好是在充分挖掘电机的潜能，采用一档传动比。目前的电机及传动比的参数匹配多是在已知电机参数的情况下匹配传动比，并没有综合考虑2个因素。文献4中就是在动力性要求的基础上大致选择了一种功率接近的电机然后进行动力性匹配，并没有详细分析电动汽车各种工况下对电机的转矩及转速需求；文献5更是在确定传动比，及动力性的基础上来选择电机，最终匹配出的传动系统无法兼顾最大爬坡度和最高速度。文献1在改装车的5档传动比的基础上选择，只简单地进行了功率匹配，而实际上应该匹配电机的输出转矩是否能达到动力性要求。未来电动汽车的设计中，整车、电机、控制器、传动系统应该是一个整体，相互影响，不能单独设计。对于电机设计者而言，用户提供更详细的设计指标对于设计者来说也更容设计出更符合用户需求的产品；对于控制器设计人员来讲，电机参数越详细，越能达到最佳的性能；对于整车厂商，电机、控制器的动力性能对整车的影响巨大。 2.1.2无速度传感器矢量控制效率优化算法迄今为止，续驶里程不足仍然是电动汽车商业化发展的瓶颈。为解决这个问题，除了开发能量密度高的电池和优化系统部件外。必须极大地提高电驱动系统的效率，有效地利用有限的能量。提高电驱动系统的效率不仅能降低每公里耗电量，还能从一定程度上延长电池寿命，因而成为电动车驱动系统的关键问题。众所周知，基于异步电机的磁场定向矢量控制变频调速是一种先进的、高性能的交流调速方式，尤其能满足驱动系统所要求的宽调速范围和快速转矩响应，因此在电动汽车电机驱动中得到广泛的应用。标准矢量控制在恒转矩调速范围内，保持电机的励磁电流恒定，然而在轻载时，系统运行在额定磁通会引起过度的铁心损耗，电机效率降低，影响电驱动系统的综合效率，也就是说性能卓越的矢量控制变频驱动系统在效率方面并不是优化的6。采用使电机损耗最小的效率优化控制方法来进一步提高异步电机的效率。这已经成为电机控制领域最活跃的研究课题之一。近年来涌现出来的主要有基于损耗模型的控制策略、搜索控制器和最小定子电流模型。基于损耗模型的控制方法(LMC)就是在感应电动机的损耗模型的基础上解析地求出总损耗的最小点。对于矢量控制的感应电动机来说，由于稳态时励磁电流和转矩电流是解耦的，因而磁通和转矩的控制彼此独立，LMC 的实现较为容易。以搜索法为基础的在线效率优化控制十分引人注意，这种控制不需要知道电机任何参数，而且算法对任意电机都广泛适用。搜索控制策略是在电机输出功率不变的前提下，对矢量控制系统以小步长减小磁链，直至达到优化，这种方法能够得到优化磁链，但是收敛速度慢。最近日本学者 Minh 和 Yoichi 采用“黄金分割法”将寻优算法的收敛时间减少至 2s 内，但总的来说收敛速度还是不能令人满意，尤其不适合于负载变化快的调速系统，因为这时寻优时间过长，节能效果变差，反而会引起系统控制性能下降。最小定子电流控制也是一种基于在线搜索的控制策略，只是它直接以定子电流最小作为搜索目标，来达到优化系统效率的目的。但该方法并不能保证效率全局优化，它只是一种局部效率优化控制策略，而且其控制效果受饱和现象和电机参数变化影响7。2.2采用 MOSFET 并联技术的控制器电路优化设计国标 GB18488-2006 规定电动汽车用控制器电压等级可从 36600V。目前国内外主流技术中分为高压和低压两种，两者各有千秋，高压需承受高压给人类造成的安全危害；低压将给控制器带来大电流的挑战，技术实现上有一定难度。目前变频调速系统的电力电子器件以 IGBT 为主，其驱动损耗小，稳定性高，但其成本高，国内电动汽车上多采用 IGBT 或 IPM 模块。MOSFET 以其开关速度快、成本低及正温度系数的特性，使得在国外的电动汽车的电机驱动系统中首选MOSFET 并联的技术。本课题也采用 MOSFET 并联技术来构建控制器。图 2.1 为 Curtis 公司生产的低压电动车用交流控制器，输入电压 3672V，最大直流电流 350A，2 分钟峰值功率 19.7kVA。该控制器采用 MOSFET 并联方案，已实现产业化，交流控制器 1238 外观及功率电路如图 2.1 所示。图2.1 curtis 公司的抵押电动车用交流控制器MOSFET并联技术的主要问题在于均流不均导致的MOSFET的炸裂，以及MOSFET 的开关损耗。另外MOSFET开关过程中的电压电流过冲、过快的电压电流变化率引起的感生电压，MOSFET参数不一致以及电路布局的不对称引起的稳态均流不均，并联MOSFET导通时间的不一致等问题都是目前研究的热点。文献8详细讨论了 MOSFET 自身参数以及 Q 值的大小对 MOSFET 并联工作的影响，包括产生的电压电流过冲。文献9研究了在 12.5MHz 工作频率下高频感应加热电源的桥式驱动电路的 MOSFET 并联驱动特性，该文中的仿真和试验均是在单桥臂外接 RL 的情况下模拟负载进行试验研究，由于 MOSFET 并联驱动受外界很多因素的影响，所以该方法不能很好地反应负载对 MOSFET 并联驱动的影响；该文也只是从驱动电阻的调整以及电路的部件方面来解决并联问题，没有从MOSFET 本身的参数来讨论这个问题。在文献10中提到，采用二阶和三阶的方法来优化驱动电路的设计。实际就是在 MOSFET 导通的过程中分阶段控制门极驱动电阻的大小，在保证开关速度的同时降低和，但均要检测和或，实现起来较为麻烦，如若实现该电路的集成化，倒还可以使用。 目前针对电机负载的MOSFET并联低压大电流控制器在国内尚未见相关的研究和产品，但国外已经有产品出现。2.3 研究的主要内容本课题针对目前电动汽车续驶里程少、稳定性低、成本高等问题研究了微型电动汽车的优化。本文从微型电动汽车传动系统匹配及驱动优化出发，从传动系统的匹配设计、驱动系统效率优化算法、驱动系统控制器硬件优化设计 3 个方面来研究提高微型电动汽车效率及性能的方法，以实现延长电动汽车的续驶里程。电动汽车的优化设计技术能根据对汽车的加速性能和爬坡性能等约束的要求，对汽车部件和控制系统的参数进行调整，以达到优化汽车性能的目的。其中传动系统的优化设计是指对减速器，电机和电池的参数进行优化匹配，使其在满足约束条件的前提下，达到某一设计目标的优化值；控制策略的优化设计是对电动汽车控制系统进行调整，达到提高汽车经济性和运行效率的目的。本文的主要工作及创新点归纳为如下几点： 以某公司的 FA 电动车为例，根据微型电动汽车的动力性要求，从汽车动力学出发，分析汽车在各种行驶工况下的阻力矩，匹配设计传动系统的关键参数，包括电机参数、传动比、电池等，使得在一档传动比下实现 FA 电动汽车的动力性要求。利用 ADVISOR 仿真软件对匹配设计的传动系统参数进行动力性仿真，验证理论计算的正确性。为电机设计的具体要求提出参考指标。 从分析异步电机损耗出发，得出微型电动汽车用异步电机的损耗公式，通过使该损耗达到最小值来实现效率优化的目标。分析在全速度范围内的最小损耗的磁通选取方法。利用某电机厂设计的 YV112M-4 型电动机的参数进行计算，对比分析标准矢量控制及基于损耗模型的效率优化算法下的效率曲面。 从驱动系统控制器的器件选型，驱动电路设计等方面研究了采用 MOSFET并联方式的电动汽车驱动系统的硬件电路优化设计。在已知负载功率的前提下，寻找一种能计算所需并联的 MOSFET 的个数的方法；分析 MOSFET 并联在低压大电流的使用中可能出现的问题，并在 Saber 软件中利用实际器件的模型搭建仿真电路。通过理论分析和仿真、试验，锁定MOSFET炸裂的根本原因。给出兼顾MOSFET并联工作稳定性和效率的驱动电路设计方法。第三章 微型电动汽车传动系统参数匹配3.1 微型电动汽车动力传动系统匹配简介电动汽车的心脏是它的驱动电机，其性能必须符合汽车的动力性需求。电动汽车的动力性主要由三个指标来评定：汽车的最高车速；汽车的加速时间和汽车的最大坡度。对电动汽车的传动系统进行匹配设计，不仅能实现电动汽车的优化的动力性能，还能提高系统效率、延长电动汽车的续驶里程。对提高整车的动力性能指标和经济性能指标具有重要的现实意义。匹配设计流程图如图 3.1 所示11。首先需要在明确行驶工况及设计目标的基础上确定动力性要求；然后进行初步设计，初步设计中需要确定电机的性能要求及传动比；此后再进行性能校验，从最高车速、最大爬坡度、加速性能判断传动系统的设计是否能够达到动力性要求，如若不能达到要求，则重新设计，若能达到设计要求则进行下一步；最后进行能量源的匹配设计，主要是对电池的选择。 图3.1 匹配设计流程图 3.1.1 微型电动汽车动力传动系统布置方式电动汽车与燃油汽车的主要区别在于它们的驱动系统不同，电动汽车结构各式各样，尽管大多数的电动汽车参数是从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴的，但电动汽车的机构和许多性能和技术参数有它本身的特征。电动汽车的组成部分的位置比普通发动机位置布置更灵活、更多样化，既可组合，也可分开，更能使整车质量分配合理，结构紧凑，完全突破了普通发动机位置相对固定的设计方案12。现代高性能的电动汽车通常是专门设计制造的，与燃油汽车相比，电动汽车的机构特点是灵活，这种灵活性源于电动汽车具有以下几个独特的特点2： 电动汽车的功率传递主要通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器，因此，电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性； 电动汽车驱动系统的布置不同（如独立的四轮驱动系统和轮毂电动机驱动系统等）会使得系统结构区别大，采用不同类型的电动机会影响电动汽车的质量，构，例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电机充电，或者采用替换蓄电池方式尺寸和形状；不同类型的储能装置也会影响电动汽车的质量、尺寸和形状。另外，不同的补充能源装置具有不同的硬件机，将替换下来的蓄电池再进行集中充电。现代电动汽车很多采用三相感应电动机，相应的功率转换器采用脉宽调制控制器，机械变速传动系统一般采用固定速比的减速器。典型的结构组成如图 3.2 所示2。图3.2 电动汽车结构截图综上所述，某公司 FA 车型选用图 3.3 所示结构，这种结构在微型电动车上应用最普遍。其中电动机固定速比减速器和差速器集成一个整体，取代原来发动机的位置，两根半轴连接驱动车轮；电机控制器、DC/DC，整车控制器放置于电机上，通过焊接铁架用于固定；8 个 6V 铅酸蓄电池放置于座位底下。这种蓄电池横向分散，可以保证车厢有较大的乘坐空间。代表车型是丰田汽车公司的RAV4-EV，采用同样布置的还有 EV-PLUS，电动机前置1。布置形式图3.3 电动汽车的主要部件布置图 3.1.2 各种驱动电机概述电动汽车的驱动电动机通常要求能够频繁地启动/停车、加速/减速，低速或爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大；而工业驱动电动机通常优化在额定的工作点。因此，电动汽车驱动电动机比较独特，应该单独归为一类。它们在负载要求、技术性能以及工作环境等方面主要归纳如下： 电动汽车驱动电动机需要 45 倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求；而工业驱动电动机只要求 2 倍的过载就行了。 电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计，而工业驱动电机通常只根据典型的工作模式进行设计即可。 电动汽车驱动电动机要求有高的功率密度和好的效率图（在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；而工业用电动机通常对功率密度、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近进行优化。 电动汽车驱动电动机往往被安装在机动车上，空间小，工作在高温，坏天气及频繁振动等恶劣的条件下，而工业用驱动电动机通常在某个固定的位置工作。动力性能是指汽车在各种力作用下的动态特性，以及动态特性对汽车使用性能的影响。电动汽车中驱动电机是电动汽车关键部分，其性能决定着电动汽车动力性能的好坏。以下为采用数字评分方法比较的几种电机的性能，主要对电动机六个方面的性能加以评价，每个性能的得分为 15 分。表 3.1 给出了比较结果，从表中可以看出，感应电机是比较容易接受的。如果永磁同步电动机的成本下降，其技术更加成熟时，这种电动机将是最受欢迎的。传统的直流电动机似乎在失去其竞争力，但开关磁阻电机和永磁混合电动机在电动汽车上的应用将有更大的发展潜力。表3.1 各种驱动电动机性能比较3.2 电机匹配理论分析 3.2.1 微型电动汽车动力性要求及分析电动汽车的动力性主要由三个指标来评定1：汽车的最高车速；汽车的加速时间和汽车的最大坡度。动力性要求如表 3.2 所示，整车参数如表 3.3 所示。汽车的最高车速：燃油汽车的最高车速大于 120km/h ，对于电动车来讲，由于电池容量的限制，最高车速一般较低。一般车辆市区行驶速度大多在4050 km/h ，目前有新闻报道海南等地高速公路限速 60 km/h ，市区限速 20 km/h 。故 FA 电动车最高车速选择在 60km/h 。表3.2 FA电动汽车动力性要求 最大坡度行驶工况：燃油汽车的最大坡度不小于 60%。我国某些港口、旅游观光胜地以及内地山城的城区郊区的坡度较大。根据我国的公路路线设计规范，高速公路平原微丘区最大纵坡为 3%，山岭重丘区为 5%；一级汽车专用公路平原微丘区最大坡度为 4%，山岭重丘区为 6%，一般四级公路平原微丘区为 5%，山岭重丘区为 9%3；据文献测试泰安上泰山的汽车公路做的实地考测2，坡度在 15%左右，考虑坡道上起步的能力，根据电动汽车的不同用途，设计时电动汽车能客服的最大坡度一般选择在 18%27%2。表 3.3 整车参数整车质量m迎风面积A车轮半径r1100kg2m20.3m滚动阻力系数f r空气阻力系数CD传动效率0.0150.350.9 3.2.2 汽车的行驶方程根据汽车动力学原理，动力性指标可以从汽车在水平路面匀速行驶、加速行驶和在一定坡路上行驶时的驱动力-行驶阻力关系式或行驶方程中导出。 驱动力对于纯电动汽车而言，驱动电机输出的转矩 T 经机械传动系传至驱动轮并使之对地面产生一个圆周力，此时地面与驱动轮所产生的反作用力驱使汽车行驶，称为汽车的驱动力。 （3.1） 式中：为作用于驱动轮的转矩； r 为车轮半径根据动力学原理，作用在驱动轮上的转矩 （3.2） 式中：为驱动轮获得的功率(kW)，为驱动轮的转速(rpm)。 当功率一定时，作用在驱动轮上的转矩和驱动轮的转速成反比。驱动轮的驱动特性通常用驱动轮上获得的驱动转矩与车速之间的函数关系来表示汽车车速v（km/h）与驱动轮转速（r/min）的关系式为： (3.3) 则驱动轮的驱动特性为： （3.4）式中，驱动轮获得的功率 ,P 为驱动电机输出的功率， 为电动汽车机械传动系统效率。 因此，当驱动轮获得的功率恒定不变时，电动汽车的行驶速度与驱动转矩成反比，即汽车的行驶速度越高，驱动轮可获得的驱动转矩就越小。 行驶阻力汽车行驶的总阻力为： （3.5）式中，为空气阻力、为滚动阻力、为坡度阻力、为加速阻力。 1)空气阻力汽车行驶时，汽车与空气间形成相对运动，空气作用力在汽车行驶方向上的分力称为空气阻力。它由两部分组成：(a) 压力阻力作用在汽车外表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力；(b) 摩擦阻力具有粘度的空气对车身表面产生的摩擦力在行驶方向的分力。在汽车行驶范围内，A 为迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积； (m/s)为相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度 v。若车速的单位为 km/h，并以其近似代替相对速度，则空气阻力为 （3.6）式中，A=BH （B 汽车前轴轮距、H 汽车最大高度）；对于汽车 =0.30.464（本文取0.35）。2)滚动阻力滚动阻力为地面与轮胎相互作用而产生的阻力： （3.7）3) 坡度阻力坡度阻力为汽车在坡道上直线上坡行驶时克服汽车沿坡道 式中，为滚动阻力系数，G 为汽车总重力（N）， 为坡道的坡度角。 对于汽车在良好路面上，滚动阻力系数取取=0.015的重力分力： （3.8） 滚动阻力与坡度阻力均属于与道路有关的阻力，所以这两种阻力之和又称为道路阻力。4) 加速阻力汽车加速行驶时克服其质量加速运动时的惯性力。汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时不仅平移质量产生惯性力，而且旋转质量还要产生惯性力矩。为计算方便，一般将加速时旋转质量的惯性力矩转化为平移质量的惯性力，以系数作为计入旋转质量惯性力矩后的汽车质量换算系数，因而汽车加速时加速阻力为： （3.9）式中， 为汽车旋转质量换算系数（l）；m 为汽车质量（kg）；为汽车加速度。 行驶方程和驱动条件汽车行驶方程是研究汽车动力性的基本依据。汽车行驶过程中，驱动力总是与行驶阻力平衡。则汽车的行驶方程为： （3.10）要使汽车在路面直线匀速行驶，必须使驱动力大于行驶状态所遇到的道路阻力和空气阻力，即汽车行驶的驱动条件： （3.11）但是，当驱动力增大到使驱动轮在地面上滑转时，增加驱动轮的转矩只能使驱动轮加速旋转。因此驱动电机产生的最大转矩不能使驱动力大于附着力。 在硬路面上，附着力与驱动轮对地面的法向力Z 成反比。 其中为附着系数，轮胎为普通轮胎时，取附着系数 =0.70.82。对前轮驱动的汽车其附着力2： (3.12)式中，b 为质心至前轴的距离、质心高4。所以，汽车能够行驶的驱动力必须大于行驶阻力但小于附着力，即: (3.13)图 3.4 各个爬坡度下电动车的阻力矩综上电动车的阻力曲线如图 3.4 所示。该图描述在不同的车速下各个爬坡度下电动车的阻力矩变化情况。在已知该阻力矩的情况下，通过匹配电机及传动比的设计来满足该驱动力矩的需求。 3.2.3 功率匹配电动汽车驱动电机一般有两种功率，即瞬时功率和额定功率。根据电动汽车所要求的行驶的最高车速初步确定额定功率，原因一是车辆消耗的功率随车速增大而增大，二是车辆经常行驶的速度一般低于最高车速，故而可有适当的后备功率，以用于加速和爬坡. 额定功率满足车辆以最高车速匀速行驶的条件4： (3.14)当车速 60km/h根据式(3.14)及表 3.3 的数据得 5.26kW电机的瞬时功率满足车辆爬坡性能要求为： (3.15)当车辆以速度 20km/h，坡度 20%爬坡时，由式(2.15)得瞬时功率14.7kW。根据以上电机额定功率和瞬时功率的计算结果，选择设计额定功率6kW，峰值功率24kW ，电机极对数为 2，额定转速3600r/min，最大转速6000r/min；由 得到电机输出的额定转矩为15.9N m。 3.2.4 单一传动比匹配设计传动系统通常分为固定速比和可变速比齿轮减速，前者采用固定速比齿轮变速传动，而后者采用带离合器和变速器的多级齿轮变速传动。对于固定速比变速传动，设计的电动机要求既能在恒转矩区提供较高的瞬时转矩（额定值的 35 倍），又能在恒功率区提供较高的运行速度。可变速比齿轮变速传动具有优点为：可在低档位得到较高的启动转矩，在高档位得到较高的行驶速度，但其缺点是质量及体积大、成本高、可靠性低、结构复杂，而目前状况下电动车的一大特点就是尽量减轻整车质量，提高续驶里程，表 3.4 对比了固定速比和可变速比的优缺点。表3.4 固定速比与可变速比变速传动的比较汽车在运行过程中受的阻力包括滚动阻力()；空气阻力()；爬坡阻力()。 传动系统比的上限由电动机最高转速和最高行驶速度决定： (3.16)为电动机最高转速；为汽车行驶的最高车速；r为车轮半径；为传动比。电机的最高转速为6000r/min，汽车行驶的最高速度要求为60km/h ，计算得到i0 11.31。 传动比的下限由下述 3 种方法算出的传动速比的最大值确定： 1）由电动机最高车速对应的最大输出转矩、行驶阻力确定传动系速比下限： (3.17)i06.11为最高车速对应的行驶阻力，为最高转速对应的输出转矩。2) 由电动机最大输出转矩、最大爬坡度对应的行驶阻力确定传动系速比下限，如式(3.18)所示。 (3.18)i06.106综上所诉得：i06.11 为以 20km/h 行驶最大爬坡度 20%对应的行驶阻力；为电动机最大输出转矩。从图 3.4 可以看出，爬坡阻力比最高车速对应的阻力大很多，故应由电动机最大输出转矩、最大爬坡度对应的行驶阻力确定传动系速比下限。由(3.18)式来计算传动比的下限，、均为未知量，很明显， 和成反比，此时就带来了最大爬坡度和最高车速的矛盾。取(3.16)式计算的传动比上限11为例带入(3.18)式计算，可得到 20%爬坡度下各速度范围的电机输出转矩及功率，如图 3.5 所示。图3.5 20%爬坡度下电机输出的转矩及功率从图 3.5 可以看出，若传动比为 10，电机的最大转矩设计在62N m，在 20%的坡度下可以最大30km/h 的速度运行，此时电机的过载能力为 4.66；若传动比为9，电机的最大转矩设计在 69N *m，在 20%的坡度下可以最大 30km / h 的速度运行，此时电机的过载能力为 5.11 倍。从电机厂反馈的情况来看，过载能力越大对设计的要求就越高。可见，在满足最高车速的情况下应当尽量加大传动比来降低电机的设计要求。在 20%爬坡度下1030km/h 的速度下负载转矩变化不大，但是随着爬坡速度的增加，输出功率大幅增加。故可得到：a) 爬坡速度主要受电机输出功率限制，电动汽车爬坡时处于恒转矩阶段b) 爬坡度主要受电机输出的最大转矩限制为满足爬坡度的要求对电机的设计提出了更高的要求，其过载能力约为 4.66倍。在实际的电机设计中最大转矩如果达不到69N *m，则只有通过增大传动比来实现，这样就将降低电动车行驶的最高速度。实际电机设计结果表明，最大转矩达到69N *m是可行的。 3.2.5 电池匹配理论设计车载动力电池的总能量为：E = Se (3.25)E 为电池组充满电的总能量， e 为单位里程能耗， S 为续驶里程，参考相同功率的电动车质量及能耗参数2。FA 电动车的总质量限制为 1100kg，故取单位里程能耗2 e = 0.1kW h / km。微型电动车采用低压供电系统，选用低压异步电机，其直流电压为 48V，故电池总电压确定为 48V。 由续驶里程确定电池容量，要达到续驶里程就对其电池容量的要求如式(3.26)所示12 (3.26) 为电池容量，U 为电池总电压，S 为续驶里程， e 为单位公里能耗， 为放电深度 80%动力性指标要求续驶里程 S 大于 80km，由式(3.26)得电池容量 需取大于200Ah 。 由电机的最大功率确定电池最大放电能力根据前节计算，电机输出的最大功率需要达到 20 kW ，短时运行约10 分钟则电池需要有相应的放电能力。则选择的动力电池短时的放电能力计算如式(3.27)所示。电流需要达到 416A 。 (3.27) 3.2.6 匹配设计结果 3.2.3 节已经根据电动车的实际运行工况，从最高效率出发，得到了电机的额定及峰值功率、转矩、转速。而电动车用电动机的大部分运行时间并不是处于额定状态，而是处于一个动态过程。 最高车速及传动比：电机最高转速为6000r/min，传动比i0为9，则最高车速 60.2km/ hma 最大爬坡度当以20km/h的速度爬20%的坡度时，最高车速可达30km/h 。 加速时间由于满足最大爬坡度的最大转矩已经能满足加速的转矩要求，故取最大爬坡度所需的转矩。从图 3.6 可看出，最大转矩为 62N *m时，加速时间约为 7s。图 3.7 描述了电机输出转矩及不同车速下各爬坡度的阻力矩。从图中可以看出，电机的峰值转矩曲线与 20%爬坡度下的阻力矩的交点，即为最大爬坡度的速度；0%爬坡度下的阻力矩曲线与额定转矩曲线的交点，即为微型电动汽车的最高车速。图3.7 电动机输出转矩及不同车速下各爬坡速度的阻力矩3.3 基于 ADVISOR 的微型电动汽车动力性仿真本章应用电动汽车仿真软件 ADVISOR 2002，建立 FA 电动汽车的仿真模型，对 FA 纯电动汽车进行了仿真参数的设置和运行仿真，并详细分析了仿真结果。通过仿真验证理论设计在实际运行工况中是否能达到动力性要求。同时为其他车型电动车的动力性设计提供了参考方法。 3.3.1ADVISOR 仿真软件概述ADV