电动汽车电驱动理论与设计-01-绪论

电动汽车电驱动系统理论与设计,王志福北京理工大学电动车辆国家工程wangzhifuQQ：13702447,第一章：绪论,电动汽车电动汽车的主要类型；电动汽车技术现状；电机驱动系统电机驱动系统作用电机驱动系统发展现状电机驱动系统发展趋势,电动汽车发展背景需求,能源短缺问题,当今世界经济的发展离不开石油,1999年工业化国家每天进口石油达60007000万桶，预计2020年将达1.2亿桶/天，美国、西欧、日本对海外石油的依赖度分别为51%、60%、99%.,2015年前后，世界石油产量在达到年产45亿吨的高峰后将出现递减，沙特将是世界石油市场稳定供应的关键国家。,中国成为“全球石油需求增长的主要动力”。,中国石油年产量基本维持在1.5亿吨左右，中国2003年原有进口总量为9100万吨，2004年增长为1.2亿吨，中国石油需求全球排名第二，仅次于美国。,中国对石油进口的依赖，“不仅是个经济问题，也是个政治问题”。,电动汽车发展背景需求,*能源短缺问题,电动汽车发展背景需求,能源短缺问题,电动汽车发展背景需求,城市环境污染和生存环境恶化,美国：城市大气污染量的63%来自燃油汽车的废气排放，80%的城市噪声污染源来自城市交通。中国：全球20个环境污染严重城市中中国有16个,噪声辐射和热岛效应恶化城市环境,燃油汽车废气排放物严重危及人体健康,二氧化碳；温室气体；一氧化碳：降低血液携带氧气的能力，呼吸系统疾病；氮氧化物：肺功能衰竭、伤风、感冒；酸雨碳氢化合物、碳微粒、RSP：癌变光化学烟雾：头痛,环境污染问题,电动汽车发展背景需求,环境污染问题,电动汽车发展背景需求,温室气体排放对环境的改变不容忽视,联合国估计：2020年全球平均温度增幅将达1.32.5oC，到2070年全球平均温度增幅将达2.45.1oC。日本IPCC：到21世纪末地球表面平均气温将再上升2oC海平面将再上升大约50cm。,异常气候和自然灾害的频发：酸雨、厄尔尼诺、海啸等。,环境污染问题,电动汽车发展背景需求,面临合理权衡和解决矛盾的困境,汽车工业的可持续发展,电动汽车发展背景需求,面临日趋严格的能耗法规的约束,1997年12月联合国气候大会在日本京都通过了联合国气候变化框架公约，第一阶段为20082012年对主要工业发达国家的排放削减量比例，第二阶段为2012年后，对发展中国家的排放削减量比例，中国为签约的发展中国家。,汽车工业的可持续发展,电动汽车发展背景需求,汽车工业的可持续发展,面临日趋严格的排放法规的约束,12,电动汽车发展背景需求,13,电动汽车发展背景需求,14,电动汽车发展背景需求,电动汽车发展背景需求,汽车百年回顾,电动汽车时代1770年法国人尼古拉斯古诺将蒸汽机装在板车上，制造出第一辆蒸汽汽车，并成为世界上第一辆利用机器为动力的车辆；1834年，ThomasDavenport制造了一辆电动三轮车；1838年，RobertDavidson制造了一辆用干电池驱动的电动汽车；1881年在法国巴黎出现了世界上第一辆以可充电电池为动力的电动汽车；1886年，FrankSprague设计生产了有轨电车。,铅酸蓄电池20V，0.5马力直流电机，电机的一端是12个齿的小齿轮，与一个240个齿的大轮啮合，电机的旋转速度通过串联的蓄电池数来决定，并由操作人员通过电压转换技术控制。,汽车百年回顾,电动汽车时代在19世纪末，20世纪初的美国，每年销售的4200辆汽车中有38%是电动汽车，22%是燃油汽车，40%是蒸汽机汽车。在当时，电动汽车是金融巨头的代步工具及财富的象征，到1912年，美国有34000辆电动汽车注册。19世纪末，美国、英国、法国公司开始量产电动汽车，如最早由Morris和Salom拥有的电动客车和货车公司。法国生产电池BGS公司电动汽车在1900年之前保持着电动汽车续驶里程最长290km的记录。第一辆时速超过100km的汽车为电动汽车在1899年5月创造,为一辆子弹头式的电动赛车，达110km/h。,汽车百年回顾,内燃发动机汽车时代1860年，法国人艾蒂安勒努瓦发明了汽油发动机。1885年，德国工程师卡尔奔驰在曼海姆制造成一辆装有0.85马力汽油机的三轮车。德国另一为工程师戈特利布戴姆勒也同时造出了一辆用1.1马力汽油发动机作动力的四轮汽车，这便是现代意义上的汽车。他们俩被公认为以内燃机为动力的现代汽车的发明者，1886年1月29日也被公认为汽车的诞生日。1896年，美国亨利福特在底特律完成了他的第一部四轮汽车，并于深夜试车成功。,汽车百年回顾,内燃发动机汽车时代1903年，福特汽车公司正式成立，1908年推出T型车，成为一款价格能为大众所接受的车型并开始大量生产，标志着世界汽车工业革命就此开始；1911年，Kettering发明了汽车起动机，使得燃油汽车比依赖于方便驾驶的电动汽车更具吸引力，从此打破了了电动汽车在市场的主导地位；1913年，福特汽车公司又开发出了世界上第一条汽车装配流水线，使得大批量、低成本生产成为可能，1915年，第100万辆福特T型车下线，1927年，完成1500万辆T型车的生产；燃油汽车时代正式到来。,汽车百年回顾,内燃机汽车时代蓬勃发展现在世界汽车保有量达7.5亿辆。中国汽车保有量从1978年的不足百万辆到2001年的1610万辆，2006年的2200万辆；以中国为代表的发展中国家汽车工业蓬勃发展，专家预测，2015年发展中国家的汽车产量占全球的份额将由25%增长到48%,发展中国家汽车产业面临发展机遇；中国正在成为汽车工业生产和销售大国。,汽车百年回顾,21世纪的汽车“电动汽车21世纪重要的交通工具”；各种各样的节能与新能源汽车出现在现代汽车展览会上，并成为各种概念车的主题；1997年，日本丰田成功推出THS混合动力系统和Prius混合动力汽车并成功实现商业化推广，目前市场占有量已达60余万辆；2002年9月26日，通用“AUTO-nomy”概念车在巴黎车展上成功亮相，采用了Hy-Wire技术，“通用公司展示的革命性设计，很可能就是未来将要使用的汽车”,汽车百年回顾,燃料电池做动力源；“四轮滑板”底盘设计；车身底盘独立设计；飞机线控技术的普遍采用。,汽车百年回顾,汽车百年回顾,汽车百年回顾,燃料电池混合动力系统：80kW燃料电池30kW锂离子动力电池70Mpa压力气瓶储3kg氢气。,386017501550轴距2850，1200kg;500kmRANGE+200km/hPERFORMANCE;25kW4轮毂电机驱动。,翅形车门；4轮主动转向,电传动车辆的主要类型,外供电源的电动车辆指各种架空线供电车辆(电气“火车”、城市有轨电车和无轨电车等)和各种轨道供电车辆(地铁、轨道车等)。它们由架空线或轨道输入电能，直接用电动机来驱动车辆行驶。它们的特点是不需要装置复杂的能量转换装置，动力性好，运载能力大，结构简单，但受到架空线或轨道的线路长度的限制，只能在固定的线路和轨道范围内行驶，不能自由运行。自携电源的电动车辆指各种纯电动车辆、燃料电池电动车辆和混合动力电动车辆，它们的特点是不受架空线或轨道的线路和长度限制，可以自由行驶在不同的道路上和没有道路的地方(越野)，并且可以在外星地面上行驶。电动车辆共同特点是:(1)必须具备一种或多种电源(包括蓄电池、超级电容器、燃料电池);(2)必须具备电动机驱动系统:包括直流电动机、交流电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机，轮载电动机驱动系统等;(3)混合动力电动车轮除配备电力驱动系统外，还配备了有内燃机驱动系统。,电传动车辆的主要类型,纯电动车辆(BatteryElectricVehicle),BEV,由电动机驱动的汽车，电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其它能量储存装置。,电传动车辆的主要类型,混合动力(电动)汽车(HybridElectricVehicle),HEV,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。,串联式混合动力(电动)汽车SeriesHybridElectricVehicle:SHEV车辆的驱动力只来源于电动机的混合动力(电动)汽车；并联式混合动力(电动)汽车ParallelHybridElectricVehicle: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；混联式混合动力(电动)汽车CombinedHybridElectricVehicle:同时具有串联式、并联式驱动方式的混合动力(电动)汽车。插电式混合动力(电动)汽车Plug-inHybridElectricVehicle:PHEV可以使用电力网(包括家用电源插座)对动力电池充电的混合动力汽车，具有纯电动行驶较长距离的功能，但需要时仍然可以工作在全混合模式。,电传动车辆的主要类型,混合动力(电动)汽车(HybridElectricVehicle),电传动车辆的主要类型,混合动力(电动)汽车(HybridElectricVehicle),电传动车辆的主要类型,燃料电池(电动)汽车(FuelCellElectricVehicle),FCEV,指以燃料电池为动力源的汽车,是电动汽车的一种基本类型，用于驱动汽车行驶的电能主要来自“燃料电池”，整车的燃料补给不同于动力电池电动汽车的充电方式(化学反应过程)，而采用机械式充电方式(燃料的装填和加注，物理过程)。,燃料电池：是一种把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”。,电传动车辆的主要类型,电传动军用车辆,电动汽车技术现状,汽车制造商在不断推动电动汽车技术的发展，并开始将电动汽车商业化。在世界范围内，尤其在美国、日本和欧洲，许多汽车生产商开始生产电动汽车或者涉及电动汽车领域。一些电力公司和电池生产商在电动汽车的示范中也起着积极的作用，其目的都是为了促进以充电电池为动力的电动汽车的商业化，最终获得商业利益。,能源和环保机构也积极参与促进电动汽车技术的发展及其商业化的活动中。另外，一些研究所和大学不断研究电动汽车新技术，以使电动汽车能与燃油汽车相竞争。,电动汽车技术现状,通用公司开发的具有最先进的动力系统的1997双座EV1。该车为前轮驱动，采用一台102kW的三相感应电机，双级减速的单速驱动桥。EV1装备了由26个阀控铅酸电池组成的电池组，电池组可用6.6kW的非车载感应充电器或1.2kW的车载感应充电器进行充电。该车的电动机在转速为07000时输出恒转矩1640Nm，在转速为700014000时输出恒功率102kW，使得EV1可以获得128km/h（电子限速）的最高车速和096km/h加速小于9秒的性能。,纯电动汽车技术深入发展并投入示范运行。,电动汽车技术现状,纯电动汽车技术深入发展并投入示范运行。,1997年尼桑四座ALTRAEV，它是尼桑的旗舰级产品。该车采用重量仅为39kg的62kW永磁同步电机，对于目前的电动汽车电机而言，其功率质量比是最高的，为1.6kW/kg。采用高效率的控制器，使动力系统的总效率高达89%以上。其动力电池为钴基锂离子电池，能量密度为90Wh/kg，功率密度为300W/kg，循环使用寿命达1200次。该电池组可以通过车载感应充电器在5小时内充电完毕。ALTRA的最高车速为120km/h，市区循环工况续驶里程为192公里。1999年，ALTRA换用了能量密度和功率密度更高的锰基锂离子电池，分别为91Wh/kg和350W/kg。,电动汽车技术现状,纯电动汽车技术深入发展并投入示范运行。,美国加利福尼亚州的电动汽车ZEV计划。,车辆电动汽车关键,在未来三十年里，纯电动汽车和混合电动汽车都会市场化，并且会占有各自的市场份额。纯电动汽车适合于特定的市场，如社区交通、电价便宜、使用方便的地区和零排放管制的城市；而混合车则适合于长途运输。纯电动汽车和混合电动汽车市场化的速度最终主要取决于它们各自的价格。在未来二十年燃料电池车的商业化速度也会加快，因为只有燃料电池车在续驶里程和性能方面能与燃油车相媲美。电力驱动和电源仍是电动汽车技术的关键，纯电动汽车和混合车将并存，而能源、环境和经济将是电动汽车商业化的主要推动力。电传动军用车辆将成为未来作战系统的主力。,电动车辆发展总体趋势,车辆电动汽车关键,电动车辆发展总体趋势,车辆电动汽车关键,电动车辆的关键技术,车身设计：在设计电动汽车时，影响整车整体性能（如续驶里程、爬坡能力、加速能力以及最高车速）的参数需要进一步改进，比如减轻整车的重量、降低风阻系数和减小滚动阻力等。电动车辆专用车身的技术开发。生产电动汽车有两种基本方法，一种是改装，另一种是专门设计制造。对于改装的电动汽车，燃油车中原来安装发动机以及相关组件的部位由电机、功率转换器和电池所取代，由于可采用现有的燃油汽车底盘，对于小批量生产而言，这种方法较经济。但是，对于大部分改装车而言，均具有自重较大、重心位置较高以及重量分配不合理等缺点，因而这种方法逐渐被淘汰。,车辆电动汽车关键,电动车辆的关键技术,电机驱动：电力驱动系统由电气系统、变速装置和车轮组成，其中变速装置是选用的。电力驱动系统的关键是电气系统，电气系统由电机、功率变换器和电子控制器等组成。对电机驱动系统的要求如下：恒功率输出和高的功率密度；在汽车起步和爬坡时具有低速高转矩的输出特性以及汽车巡航时的高速低转矩特性；具有较大的转速范围足以涵盖恒转矩区和恒功率区；快速的转矩响应特性；在转矩/转速特性的较宽范围内具有高的效率；再生制动时的能量回收效率高；坚固，能在不同的工作条件下可靠地工作；成本低廉。为了满足这些特定的要求，驱动电机的额定功率与转矩/转速特性应该在驾驶模式和系统仿真的基础上进行确定。为优化系统效率，扩大高效率运行工作范围，人们正在寻求新的电机设计技术和控制策略，同时，应用新开发的一些电子技术以改善系统的性能及降低成本,车辆电动汽车关键,电动车辆的关键技术,能源系统：目前推广电动汽车的主要障碍是一次充电的续驶里程和初始价格，而电动汽车的能源系统是引起这些问题的主要原因。能源系统是电动汽车实现市场化的关键。对能源系统要求如下：高的比能量和能量密度；高的比功率和功率密度；快充和深放电的能力；寿命长；自放电率小、充电效率高；安全性好且成本低廉；免维修；对环境无危害，可回收性好。锂基电池如锂离子电池和锂聚合物电池在现代电动汽车中的应用将会有很好的前景；超级电容器和超高速飞轮由于其高的比功率将也有希望用于电动汽车；燃料电池能从根本上解决电动汽车续驶里程短的问题，被公认为是目前电动汽车最重要的能源之一。,电动车辆的关键技术,能源管理系统：能量管理系统的目的就是要最大限度地利用有限的车载能量，增加行驶里程。智能能量管理系统采集从各个子系统输入的传感器信息，这些传感器包括车内外气温传感器、充/放电时电源电流和电压传感器、电机电流和电压传感器、速度和加速度传感器以及车外环境和气候传感器等。能量管理系统能实现以下基本功能：优化系统的能量分配；预测电动汽车电源的剩余能量和还能继续行驶的里程数；提供最佳的驾驶模式；再生制动时，合理地调整再生能量；根据车辆的行驶气候条件，调整其温度控制方式；根据外部光照条件，自动调节电动汽车的灯光照明强度；分析电源尤其是蓄电池的工作历史；诊断电源错误的工作模式和有缺陷的部件。智能管理系统如同电动汽车的大脑，同时具有功能多、灵活性好、适应性强的特点，它能智能地利用有限的车载能量。,车辆电动汽车关键,电动车辆的关键技术,系统优化：电动汽车系统是一个涉及多学科技术的复杂系统，电动汽车的性能受多学科相关因素的影响，通过系统优化来改进电动汽车的性能和降低车辆的成本，计算机仿真是一项很重要的技术。系统水平上的仿真和电动汽车的优化应考虑下列关键问题：电动汽车的各子系统之间的相互作用会影响整车的性能，应分析和考虑这些相互作用的重要性；模型的精确性通常与模型的复杂性一致，与其可用性相矛盾，应综合考虑模型的精确性、复杂性、可用性以及计算时间。在设计电动汽车时，通常系统的电压会引起一些相互矛盾的问题，优化系统时应在系统水平上综合考虑以下问题：蓄电池的重量、驱动电机电压和额定电流、加速性能、续驶里程以及安全性能等；采用多能源系统提高电动汽车的续驶里程时，应根据整车性能和价格来优化相应的混合比；由于传动比对整车性能和操纵性影响很大，而电动汽车通常采用固定减速比，因此，应通过驱动力平衡图并采用迭代优化法来确定最优减速比。,车辆电动汽车关键,电动车辆的工程哲学,车辆电动汽车关键,电动汽车的工程哲学在本质上是把汽车工程和电气工程结合在一起，因此，要在可接受的价格基础上得到好的电动汽车性能必须首先考虑系统的整合和优化。由于电动汽车的驱动特性与燃油汽车的引擎驱动有着本质的不同，对电动汽车工程而言，它需要一种全新的设计方法。能使电动汽车与燃油汽车相竞争的关键是先进的电源和智能化的能量管理系统。当然，能否使电动汽车市场化的决定性因数是其总体价格。现代电动汽车工程的主要问题，是要将汽车工程、电气、电子工程以及化学工程领域中最新的技术发展结合到电动汽车的设计中来，找到适合于电动汽车的独特的设计方法和制造技术，实现电动汽车能量的最优化利用。,电动车辆开发中应考虑的具体问题,车辆电动汽车关键,了解车辆使用的市场和环境；决定电动汽车的设计哲学；决定使用电动汽车所需的基础设施，以及蓄电池的回收设施；决定整个系统的结构纯电动汽车、混合车和燃料电池车的结构；设计底盘和车身；决定能量方式，采用发电方式或储存方式，纯电动式或混合式；决定驱动系统，包括电动机、转换器和变速器的类型，单电机和多电机驱动，有齿轮减速或无齿轮减速器及其安装方式、混合车中的内燃机系统等等；根据电动汽车的行驶要求，决定电驱动的技术条件和能源的容量、电流和电压。采用智能化的能量管理系统；分析各个子系统之间的相互作用，以及对安全和成本的影响；根据选定的驾驶模式和工作条件优化电机驱动的效率；通过计算机仿真优化整个系统。,电机驱动系统的作用,电机驱动系统,电机驱动系统作为电动汽车核心技术之一，在电动汽车上起到了驱动车辆前进并且能够回收制动能力的作用。在纯电动汽车和燃料电池汽车上，电机驱动系统作为车辆的唯一的驱动力来源，提供了车辆行驶全部的驱动力，保证车辆的行驶动力学、平顺性等性能，其作用相当于传统汽车