汽车电驱动技术38100 电动汽车原理与构造第7章

第7章电动车辆的电动化辅助系统,哪些电动汽车辅助系统需要电动化？,电动汽车,动力转向系统,制动系统,空调系统,其它部件泵系统,冷却系统,低压供电系统,为什么要电动化,节能的需要,提高性能的需要,结构合理化的需要,取消发动机的需要,为什么要电动化？,转向系统电动化：电动助力转向EPS电转向(线控转向)ESS电控液压助力转向EHPS,电动助力转向技术的特点,电动助力转向能改善汽车的转向助力特性，提高汽车的轻便性和安全性。电动助力转向只在转向时电动机才提供助力，能减少能量消耗。电动助力转向零件比液压动力转向减少，质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。电动助力转向没有液压回路，比液压动力转向更易调整和检测，装配自动化程度更高，能缩短生产和开发周期。电动助力转向不存在渗油问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染。电动助力转向比液压动力转向具有更好的低温工作性能。可实现转向系统的主动回正,电动助力转向系统EPS的结构,电动助力转向系统框图,转矩传感器检测作用在输入轴的力矩，ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号控制电动机的旋转方向和助力电流的大小，电动机的力矩通过减速机构作用到小齿轮上，实现助力转向。,转矩传感器电子控制单元助力电机电磁离合器减速器机械转向器供电电源,电动助力转向系统EPS的结构,转矩传感器用来测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向,以及转向盘转角的大小和方向,目前采用较多的是扭杆式电位计传感器，它是在转向轴位置加一根扭杆，通过扭杆检测输入轴与输出轴的相对扭转位移得到扭矩。,电动助力转向系统EPS的结构,现在EPS公司都采取旋变式无刷电机及控制。,1、转子位置检测(旋转变压器)，实现转子位置的实时检测；2、采用矢量控制技术（FOC兼SVPWM技术）算法，实现正弦波控制；3、绕组电流为正弦波,谐波分量小，转矩脉动低；4、运行平衡性好，噪声低，响应快，定位精度高；5、与方波驱动比，转矩脉动小；,用于1.6L以下汽车的电动机,功率:300W;助力转矩:125Nm(最大输出电流35A)。用于2.0L汽车的电动机,功率:400W;助力转矩:132Nm(最大输出电流45A)。,助力电机一般情况分有刷直流电机和无刷直流电机。要求电动机低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高，易控制。为了增强转向操纵时驾驶员的“手感”并降低噪声和振动，需要对电动机的结构作一些特殊处理，如：沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定予磁铁设计成不等厚。,电动机转矩特性,负载转矩,涡流、磁滞损耗和机械损耗,p为极对数；N为电枢绕组总导体数；为每极气隙磁通；a为电枢绕组的并联支路对数。,电动机脉宽调制原理,电动助力转向系统EPS的结构,电动式EPS中的电磁离合器主要是起到安全保护的作用，当EPS系统发生故障、助力电机工作电流过大等情况下电磁离合器会及时切断，汽车仍可以以传统的机械转向装雹进行工作，从面保障整个系统和行车的安全。为了不使电动机和电磁离台器的惯性影响转向系的工作，离合器应及时分离，以切断辅助动力。,电动助力转向系统EPS的结构,减速机构通过离合器与电动机相连,起减速增矩作用,常采用蜗轮蜗杆机构,也有采用行星齿轮机构,电子控制单元(ECU)根据转矩传感器信号和车速传感器信号,进行逻辑分析与计算后,发出指令,控制电动机和离合器的动作。此外,ECU还有安全保护和自我诊断功能。,电动助力转向系统EPS的分类,根据助力电机布置位置的不同，电动助力转向分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式。,转向轴助力式,小齿轮助力式,齿条助力式,结构紧凑、响应性好、小排量汽车用,大的转向力、助力特性控制困难,两种方案，主流方案、大的助力，大排量轿车,电动助力转向EPS的工作原理,操作步骤如下：输入由车速传感器测得的车速信号；输入由转向盘转矩传感器测得的转向盘力矩大小和方向；根据车速和转向盘力矩，由助力特性得到电动机目标电流；通过电动机电流控制器控制电动机输出力矩。,电动助力转向的基本助力控制过程,转向控制(包括常规控制、回正控制和阻尼控制)是EPS开发的核心之一，,电动助力转向EPS的工作原理,汽车在低速行驶进行转向时，电控单元对电动机进行常规控制，出于要求电动机的端电压随转向盘转速提高而增大，所以场效应管的占空比将随转向盘转速提高而增大。这样使转向机具有较好的转向响应，转向操纵灵敏轻便。当车速高于4352kmh时，停止电机的助力并切断电磁离合器。汽车在高速行驶时仍不切断离合器，利用电动机本身和其内部电路构成的回路对汽车原有的转向系统增加一个阻尼，这样能够进一步提高汽车在高速行驶的稳定性，更进一步降低了汽车高速转向变道时方向盘“发飘”的现象，提高驾驶员驾驶的舒适性。回正控制可以改善转向盘的回正性。在汽车低速行驶过程中，当转向盘转动后回到中位时，电控单元对电动机进行回正控制。阻尼控制汽车高速行驶过程中，当转向盘转动后回到中位时，电控单元将电动机电流逐渐减少，对转向车轮产生回正阻尼，使汽车具有稳定的转向特性。阻尼控制可以衰减汽车高速行驶时出现的转向盘抖动现象。消除转向车轮因路面输入引起的摆振现象。,电转向ESS的结构,方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成,电转向ESS的结构,方向盘总成包括:方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图(通过测量方向盘转角)转换成数字信号,并传递给主控制器;同时接受主控制器送来的力矩信号,产生方向盘回正力矩,以提供给驾驶员相应的路感信息,转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。转向执行总成的功能是接受主控制器的命令,通过转向电机控制器控制转向车轮转动,实现驾驶员的转向意图,主控制器对采集的信号进行分析处理,判别汽车的运动状态,向方向盘回正力电机和转向电机发送指令,控制两个电机的工作,保证各种工况下都具有理想的车辆响应,以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务,减轻驾驶员负担,自动防故障系统是线控转向系的重要模块,它包括一系列的监控和实施算法,针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理,以求最大限度地保持汽车的正常行驶,电源系统承担着控制器、两个执行马达以及其它车用电器的供电任务,其中仅前轮转角执行马达的最大功率就有500-800W,加上汽车上的其它电子设备,电源的负担已经相当沉重,电转向ESS的工作原理,用传感器检测驾驶员的转向意图，将信号传递给ECU，并从转向控制系统获得反馈命令：转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况。从而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分，比如转向操纵机构，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。,系统的安全性问题：容错技术路感模拟,电动液压助力转向EHPS系统,电动机、控制器、装配在小齿轮轴上的转角传感器、齿轮泵、储油罐和转向机等，其中储油罐、齿轮泵、电机、电子控制单元集成一体。,电动液压助力转向EHPS系统,制动系统电动化,电控制动系统、电动助力制动系统,电控制动系统,EMB的原理,EMB系统把整个油压系统都省了，最后作用在四只轮子上的制动力不是由油压系统输出，而是由电子控制器输出。EMB系统的电子控制器接收来至于电子踏板模块传感器的位移和速度信号，并且结合车速等其它传感器信号，向车轮制动模块的电机发出信号控制其电流和转子转角，进而产生需要的制动力，来达到制动的目的。所有油压管道、油压元件都被电子线路、电子元件所取代，比其它液（气）压制动系统来说更容易安裝。ABS、制动力辅助系统、循跡控制、稳定性控制等系统在传统的液（气）压制动系统上往往体现为独立、分离的单一硬件系统，而在EMB系统上只是整体系统中的子程序，体现在控制程序的软件上。,EMB电控制动系统有6大基本组成部分:安装在4个车轮的独立的EMB执行器;制动踏板模拟器;中心控制单元;EMB执行器的控制器;轮速、车速等各种传感器;电源系统。,电控制动系统,EMB的基本组成,1）车轮制动模块车轮制动模块由制动执行器、ECU等组成。其中，制动执行器有两种设计方案：一是集成了力或力矩传感器；二是没有集成力或力矩传感器。在第一种方案中，由于有了力或力矩传感器，可省去对制动力或制动力矩这一重要参数的计算过程使系统变得更准确、可靠。但由于力或力矩传感器目前价格昂贵，而且很难集成到制动执行器中，所以第二种方案也有了研究的必要。在第二种方案中，需要根据电流或电机转子转角来估算制动夹紧力。由于外界环境的变化带来的温度的变化及磨损的影响，不可能只根据电流或电机转子转角来计算夹紧力，须将两者结合起来，才能收到好的效果。,电控制动系统,EMB的基本组成,2）中央控制模块接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动；接收驻车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑。由于未来的车辆，各种控制系统如卫星定位、导航系统，自动变速系统，无级转向系统，悬架系统等的控制系统与制动控制系统高度集成，所以ECU还得兼顾这些系统的控制。,电控制动系统,EMB的基本组成,3）电子踏板模块带有踏板感觉模拟器和用以感知驾驶意愿的传感器。,ContinentalTeves的电子踏板模块,电控制动系统,EMB的结构,电控制动系统,EMB的特点,线控制动系统具有其他传统制动控制系统无法比拟的优点：a.整个制动系统结构简单，省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、助力装置。液压阀、复杂的管路系统等部件，使整车质量降低；b.制动响应时间短，提高制动性能；c.无制动液，维护简单；d.系统总成制造、装配、测试简单快捷，制动分总成为模块化结构；e.采用电线连接，系统耐久性能良好；f.易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。,电控制动系统,EMB关键技术,目前EMB制动系统的技术还不成熟，需要解决的技术问题还很多，国外把对电子机械制动系统的研究重点集中在如下几个方面：a.耐高温电子元器件：提高电子元器件对高温的承受能力和在高温下的工作稳定性；改良制动盘的材料和提高其散热，为电子元器件的工作提供一个良好的环境。b.机械-电子执行机构：目前的执行机构中机械零件还比较多、结构也很复杂，如何才能够有效地传递扭矩、增大扭矩，如何保证机构能自动调节制动间隙，如何使结构尽量小巧并可靠都是设计过程中要面对的难题，也是重要的研究方向。,电控制动系统,EMB关键技术,c.自适应调节的控制算法：目前控制算法上主要采用三种：滑模控制、逻辑门限值控制、最优控制算法等。以后为了适应EMB的发展和特点还可以采用新的控制算法。d.灵敏度高而又廉价的传感器：现在使用的传感器功能还比较单一，灵敏度也有待提高。为了保证EMB系统能正常可靠的工作，以后要研发灵敏度高、功能集成、质优价廉的新型传感器。,电控制动系统,EMB关键技术,e.系统容错控制：在电控制动系统的容错性问题牵涉到了制动系统的安全性和可靠性，因此是一个关键和至关重要的研究方向。有的通过一定的算法来忽略瞬间的错误信号借以实现系统的容错控制；有的是在分布式的线控制动系统中加入一个中央控制芯片，专门进行容错控制；有的是在系统中引入一个监控器，用于检测可能导致系统错误和失效的信号，然后产生错误检测代码，根据代码来处理失效和提高安全性。容错控制是一个牵涉到计算机硬件、软件、通信协议等等多方面的比较难解决的问题。,电控制动系统,EMB的控制原理,电控制动系统,EMB的控制原理,力传递机构,电控制动系统,电动真空助力制动系统,电动真空助力制动系统,工作原理：叶片泵由偏心地装在定子腔内的转子、转子槽内的叶片和外壳定子组成。转子带动叶片旋转时，叶片借离心力紧贴定子内壁，把进排气口分割开来，并使进气腔容器周期性扩大而吸气，排气腔容积则周期性地缩小而压缩气体，借气体的压力推开排气阀排气，获得真空。,电动真空助力制动系统,为保证电动汽车的易操纵性和安全性，考虑到真空助力制动系统中的真空泵寿命和真空系统能源的消耗，对真空发生系统的设计提出以下几点要求：(1)考虑到行车时制动的可靠性，根据对电动汽车上所需的真空泵排气量的计算，选择合适排气量的电动真空泵；(2)考虑到真空泵的使用寿命，应采用合适的真空泵控制单元，根据对该真空泵试验分析和实际的汽车操纵需要，使用合适的真空压力延时开关，对真空泵做出实时关闭或开启指令；(3)增加控制单元后，必须配备真空储能罐，以保证汽车操纵的需要。,电动真空助力制动系统,电动真空助力系统中真空泵采用间歇性工作的模式，给真空泵配备一个控制单元，其控制方式:(1)接通汽车12V电源，压力延时开关闭合，真空泵大约工作30s后开关断开，此时真空罐内压力大约为-80kPa；(2)当真空罐内压力增加到-55kPa时，压力延时开关再次闭合；(3)当真空罐内压力增加到大约-34kPa时，压力报警器发出信号。,电动气压制动系统,电动客车用螺杆空压机，包括空压机主机、与空压机主机相连的电机、贮气槽、贮油槽、油冷却器等，贮气槽能起到油气粗分离和贮存压缩空气，贮油槽能贮存空压机工作所需的润滑油。,空调系统电动化,汽车空调的基本原理及分类,（一）汽车空调装置的原理,汽车空调制冷系统由压缩机、冷凝器、贮液干燥器、膨胀阀、蒸发器和鼓风机等组成。各部件之间采用铜管（或铝管）和高压橡胶管连接成一个密闭系统。制冷系统工作时，制冷液在这个密闭系统内循环流动，每个循环又四个基本过程：,汽车空调的基本原理及分类,（一）汽车空调装置的原理,汽车空调的制冷原理是利用液态制冷剂吸热产生冷效应。首先，低压(低温)液态制冷剂进入用来冷却车内空气的蒸发器制冷剂吸热在定压下气化。由于制冷剂在管内气化时的温度低于管外空气的温度，制冷剂吸取车内空气中的热量，使空气的温度降低产生冷效应。然后，气化了的制冷剂通过压缩机压缩，变成高于车外空气的高温高压气体。这时制冷剂通过在车外的冷凝器将热量释放到车外，制冷剂放热就变成了高压冷凝剂。最后，经过膨胀阀等机构，恢复到低压(低温)液态。,汽车空调的基本原理及分类,（一）汽车空调装置的原理,（1）压缩过程（2）放热过程（3）节流过程（4）吸热过程上述过程周而复始的进行下去，便可达到降低蒸发器周围空气温度的目的。,汽车空调的空气压缩机驱动方案,电动汽车空调系统的解决方案的确定，由以下几个因素决定。1)整车热负荷。整车热负荷大，只能选择制冷量大的制冷方式；如果整车热负荷小，就有可能选用多种制冷解决方案。为减小整车热负荷，可以在设计电动汽车车型时，尽量采用低透射率的玻璃材料；增强车身的密封性，并且采用导热系数低的隔热材料。2)空调系统的制冷能力。3)空调系统的控制模式的节能性能。4)空调系统的技术成熟度以及复杂性。5)空调系统的通用性。对于以上五点第一个因素需要在整车设计时进行确定，而现有电动汽车车型大多是在企业已有车型的基础之上进行改装，因此在进行电能驱动空调系统匹配时主要考虑后四个因素。,汽车空调的空气压缩机驱动方案,根据电动汽车的特点，目前可以选择的制冷空气调节方式主要有热电式制冷、余热制冷、电动压缩机制冷。1）热电制冷空调系统热电材料的优值系数较低，制冷性能不够理想，并且热电堆产量受到构成热电元件的碲元素产量的限制。2）余热制冷空调系统体积大，系统复杂，对燃料电池汽车整车以及电池管理系统要求较高，需定期除垢。且其仅仅匹配在余热热源比较稳定的燃料电池电动汽车上才具有可行性，不具有解决电动汽车空调系统问题的通用性。3）电动压缩机制冷空调系统制冷性能、节能性以及技术成熟度均较好，对于不同类型电动汽车通用性较好，并且对整车结构改变较小，制冷工况的实现通过采用电动压缩机取代机械式压缩机即可。因此是电动汽车制冷空调系统的理想选择。,汽车空调的空气压缩机驱动方案,电动压缩机驱动方式,汽车空调的空气压缩机驱动方案,电动压缩机驱动方式,在纯电动以及燃料电池电动汽车上电动压缩机的驱动方式只有两种：一是压缩机直接由主驱动电机通过皮带驱动，称为非独立式驱动。二是利用一个小功率电机来驱动压缩机，直接从电池组取电，可以同轴驱动，也可以在由皮带驱动，称为独立式驱动。但在混合动力平台车型上，还可以采用发动机和电动机混合驱动。,汽车空调的空气压缩机驱动方案,电动压缩机驱动方式,1）非独立式全电动驱动方式压缩机通过皮带轮由主驱动电机带动，结构相对简单，此时压缩机可以选择传统机械压缩机，排量以及功率的选择同机械式压缩机。压缩机运行工况的控制通过电磁离合器的开关来实现。另外，由于使用空调增加了电动机的热负荷，也增加了电机散热系统的热负荷，必要时要强化电机冷却能力。此种方案，电动空调系统不能独立控制，并对整车动力性影响较大，不推荐采用该型式。,汽车空调的空气压缩机驱动方案,电动压缩机驱动方式,2）独立式全电动驱动方式由电动机直接带动空调压缩机制冷，使空调压缩机可以在设定的最理想的电动机恒定运转速度下运行，不会受汽车运行状况的影响。一般不采用压缩机通过皮带由电机带动方案。普遍采用同轴驱动方案，该型式结构紧凑，可以适应更多汽车平台。采用该方案，当电动机驱动压缩机进行工作时，其能量传递路径为电源一控制器一电动机定子一电动机转子一涡旋动盘。,汽车空调的空气压缩机驱动方案,电动压缩机驱动方式,3）混合驱动方式在纯电动模式下，由蓄电池作为压缩机的动力源，在发动机正常运转模式下，也可以由发动机驱动压缩机。解决了发动机停止工作时空调压缩机无动力来源，以及电动空调系统能量转换损耗大影响电机、电池使用寿命的问题。在发动机模式下，压缩机由发动机通过皮带驱动。,汽车空调的空气压缩机驱动方案,电动压缩机驱动方式,对于纯电动汽车,只能采用全电动驱动方式。独立式全电动驱动与非独立式全电动驱动相比较，具有以下优势：第一，取消了驱动电机与压缩机之间的传动部分，既有利于结构布置，又减轻了整车质量。独立式电驱动，电机为压缩机提供高效动力，同时压缩机循环冷液可以为电机提供良好散热，可以通过进一步优化设计减小电机体积。第二，压缩机靠单独电机驱动，压缩机转速单独可控，可以通过控制来降低空调系统的能耗，从而提高整车的经济性。,汽车空调的空气压缩机驱动方案,电动压缩机驱动方式,汽车空调的空气压缩机驱动方案,电动空调转速模式,1）定速模式定速模式是指在电动空调系统工作的情况下，压缩机驱动电机始终以恒定转速运转，该转速的选择可以参考压缩机以及驱动电机的高效转速区。2）变速模式变速模式是指在电动空调系统工作的情况下，压缩机驱动电机的转速可以调节以适应整车行驶工况并达到节约车载能源的目的。,汽车空调的空气压缩机驱动方案,电动空调压缩机,电动汽车对电驱动压缩机的要求首先是效率高，然后是结构紧凑，质量轻，成本低，噪音低，能在各种气候下工作。涡旋式压缩机，其原理是利用动、静涡旋片的相对公转运动形成闭死容积的连续变化，实现压缩制冷工质的目的。该种压缩机，工作可靠、寿命长，容积效率高，吸排气连续、气流脉动小，运转平稳、且扭矩变化均匀，最高转速可达13000rmin左右，较往复式压缩机体积小40、重量轻15、绝热效率提高10。更为关键的是相比其它型式压缩机可节能30，嗓音降低13，具有节能环保的特点。作为当前空调活塞式压缩机的换代产品，应用在电动空调上有其它压缩机不可取代的优势。,汽车空调的空气压缩机驱动方案,电动空调压缩机,电动车辆的电动化空调,Prius轿车采用了世界上最先进的车用空调系统，其主要部件有冷凝器、压缩机、空调(AC)逆变器、蒸发器、加热器和鼓风机等，系统组成见图1、图2。,Prius轿车电动空调介绍,1全电动系统Prius轿车空调压缩机和加热器用的电动水泵分别由空调逆变器和直流逆变器驱动(空调逆变器和直流逆变器是混合动力系统中功率控制单元的组成部分)。,Prius轿车电动空调介绍,电动车辆的电动化空调,1全电动系统Prius轿车的空调系统有下列优点：1)即使发动机熄火，空调也能发挥最大效率。2)实际油耗下降20。3)空调与发动机的运转各自独立，空调的运转不会降低汽车的行驶性能。4)电动水泵能够在发动机熄火后向加热器供热。Prius轿车的电动压缩机比传统的电动压缩机体积小40，质量轻50，所以可将压缩机直接安装在发动机上。,Prius轿车电动空调介绍,电动车辆的电动化空调,2多功能自动空调控制Prius轿车的空调系统能够自动控制鼓风机的排气温度和鼓风机转速。此外，还可选择最合适的排气口，给乘客提供舒适的温度调节。3湿度传感器湿度传感器可提供乘客室的湿度信息，空调系统据此优化除湿过程，从而减少压缩机的动力消耗，最重要的是，可以防止车室内空气过于干燥，使乘客的喉部和皮肤感到舒适。,Prius轿车电动空调介绍,电动车辆的电动化空调,4非线性模糊控制Prius轿车空调系统的模糊控制根据各自的数学模型分别决定理想的温度偏差、环境温度和日光辐射等，利用模糊算法确定所需的鼓风机排气温度和排风量。根据实际室温和设定的室温，可将车内外温差分为9个控制等级：根据日光传感器的信号，将阳光照射程度分为4个等级；根据车内温度传感器读取的信号，可将车内温度调整为6种类型，即：深冬、冬季、春秋、春夏、盛夏和秋季。,Prius轿车电动空调介绍,电动车辆的电动化空调,5先进的控制仪表Prius轿车的空调控制开关采用触摸式显示屏，驾驶员也可以使用方向盘上的开关操控空调系统。驾驶员可以控制的项目有：选择温度、自动运行、选择新鲜空气或车内空气循环、窗除雾等，这些操作特点使驾驶员使用空调非常方便。,Prius轿车电动空调介绍,电动车辆的电动化空调,6其它特点空气过滤器安装