纯电动汽车电机驱动系统的仿真

本科毕业论文题目纯电动汽车电机驱动系统的仿真院（部）机电工程学院专业车辆工程班级姓名学号指导教师完成日期I目录摘要IIIABSTRACTIV1前言111选题背景112电动汽车的发展现状和趋势213制约电动汽车发展发展的一些技术因素3131电池技术3132电动机及其控制技术4133电动汽车整车技术52电动汽车的基本结构与参数721电动汽车的基本结构722电动汽车的主要参数7221重量和体积参数8222力参数8223能量参数923电动汽车的性能评价924电动汽车的系统集成103纯电动汽车驱动系统理论基础1131驱动电机、控制器及能量管理系统1132各种电动汽车驱动电机的性能1133驱动电机的种类12331直流有刷电动机12332交流感应电动机（三相异步电机）12333开关磁阻电动机13334无刷直流电动机及永磁同步电机1334驱动电机的控制策略简述144纯电动汽车动力系统系数匹配1541电动汽车的动力性能分析1542电动汽车动力传动系统的设计16421电机参数确定16422传动比的设计20423电池组容量的选择22II5纯电动汽车电机驱动系统仿真2451计算机仿真概论2452仿真模型建立流程2453仿真结果分析256全文总结30谢辞31参考文献31III摘要随着能源的日益紧缺和环境污染的加重，传统汽车工业面临着巨大的挑战，各种新能源汽车成为研究的热点，电动汽车成了今后汽车工业发展的主要研究方向之一。纯电动汽车是以车载储能装置包括蓄电池、超级电容、飞轮电池等装置为动力源，以电动机驱动车辆行驶。由于其不消耗石油，且不产生排放污染，可以避开石油紧缺和环境污染的双重危机，因此有着广阔的应用前景。本文研究了电动汽车的结构特点，并根据所给汽车的性能要求，提出了一种合适的动力系统构型，对动力系统进行了参数匹配；并对整车结构参数、传动比参数、电动机参数、电池组容量参数等进行了匹配设计；对纯电动汽车进行了总体设计，并对关键零部件进行了布置设计。本文主要对纯电动汽车的电机驱动系统进行了必要的设计以及对电机驱动系统进行仿真。关键词电动汽车；动力系统；参数匹配；电机驱动系统；仿真IVPURELYELECTRICCARMOTORDRIVESYSTEMSIMULATIONABSTRACTASENERGYISSHORTANDTHEENVIRONMENTALPOLLUTIONISINCREASINGLYHEAVIER,THETRADITIONALAUTOMOBILEINDUSTRYISFACINGENORMOUSCHALENGES,ALSORTSOFNEWENERGYVEHICLESBECOMETHERESEARCHFOCUS,ANDTHEELECTRICCARBECOMESONEOFTHEMAINRESEARCHDIRECTIONONAUTOMOBILEINDUSTRYINFUTUREPUREELECTRICVEHICLESISONBOARDSTORAGEDEVICEINCLUDINGBATERY,SUPERCAPACITOR,FLYWHEELBATERIESFORPOWERSUPPLY,DEVICEWITHMOTORDRIVEVEHICLEBECAUSEITDOESNOTCONSUMEOIL,ANDDOESNOTPRODUCEEMISIONPOLLUTION,ITCANAVOIDOILSHORTAGEANDENVIRONMENTALPOLLUTION,ANDTHEREFOREITHASWIDEAPPLICATIONPROSPECTSTHISPAPERSTUDIEDTHESTRUCTURECHARACTERISTICSOFELECTRICVEHICLES,ANDACORDINGTOTHEPERFORMANCEREQUIREMENTSOFCARS,ITPUTSFORWARDASUITABLEPOWERSYSTEMCONFIGURATIONOFTHEPOWERSYSTEM,ANDMATCHINGPARAMETERSTHEVEHICLESTRUCTUREPARAMETERS,TRANSMISIONPARAMETERS,MOTORPARAMETERS,THEBATERYSIZEPARAMETERSAREMATCHEDANDDESIGNEDPUREELECTRICCARSHASBEENDESIGNEDTHEOVERALDESIGN,ANDKEYPARTSAREDESIGNEDCAREFULLYTHISPAPERISMAINLYONTHEDESIGNOFPUREELECTRICCARMOTORDRIVESYSTEMANDHASNECESARYSIMULATIONOFMOTORDRIVINGSYSTEMKEYWORDSELECTRICCARS；THEPOWERSYSTEM；MATCHINGPARAMETERS；MOTORDRIVESYSTEM；SIMULATIONIII山东建筑大学毕业论文11前言11选题背景随着世界经济的发展，能源及环境问题越来越成为人们关注的焦点。汽车作为能源消耗大户及环境污染的重要源头之一，其发展也面临严重的挑战，传统的以有限的石油资源为基础的发展模式越来越不被人们认同，节能和环保成为汽车工业发展的新目标。在此背景下电动车的发展被广泛看好，由于其有效避开了能源紧缺和环境污染的双重危机，因此被认为是汽车工业发展的明日之星1。电动汽车由机械系统、电力和电子系统以及信息系统等组成。机械子系统由底盘和车身、驱动装置、变速器以及电源箱体组成；电力电子子系统由动力网、电动机、控制器和能源系统组成2；信息系统用于处理驾驶员的意愿，并监控汽车的运行，电源、电动机、控制器和充电器的状态等。电动汽车分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。混合动力电动汽车HEV是以发动机为主要动力，以电动机为辅助动力，采用发动机动力与电动机动力按不同方式和不同比例的混合来开发各种形式的HEV，可以用比较简单、比较经济的方法，既不增大汽车的整备质量，又保证了车辆的动力性能。燃料电池电动汽车FCEV的电力系统由燃料电池和辅助电源、电流转换器、驱动电动机和控制系统组成，电动机驱动是FCEV唯一的驱动方式。通常有以甲醇或汽油等经过改质产生氢气为燃料及直接以氢气为燃料的FCEV3。纯电动汽车EV是以车载储能装置为能量源，以电动机驱动车辆行驶。本文的研究对象为纯电动汽车。与传统汽车相比，纯电动汽车主要有以下特点1、纯电动汽车以车载储能装置包括蓄电池、超级电容、飞轮电池等装置为动力源，由电动机来驱动车辆行驶。2、纯电动汽车靠电力驱动行驶，故不需要石油资源，可以有效缓解当前石油紧缺的危机。3、纯电动汽车不产生废气，且电动汽车噪声小，属于“零污染”车辆。4、纯电动汽车能量转换效率高、没有复杂的传动系统和机械式的逆转装置，易实现操纵自动化。5、行驶平稳、乘坐舒适、安全性好及驾驶简单轻便等。6、受到蓄电池的比功率和比能量较低、充电时间较长等缺点的限制，使得目前的纯电动汽车的动力性、续驶里程等比较低，另外蓄电池的体积和质量使得整车整备质量太大。山东建筑大学毕业论文2我国是一个能源短缺的国家，随着汽车保有量的增加，能源问题和环境污染问题也日益严重。国内对清洁汽车需求的呼声越来越高，由于纯电动汽车的技术实现难度小、成本相对较低，所以开发国产电动汽车对我国汽车工业的发展具有现实意义。12电动汽车的发展现状和趋势20世纪六七十年代发生了两件影响汽车发展的重大事件。一件是汽车的排放污染在美国等发达国家相继出现光化学烟雾，严重威胁着人们的健康与生命安全，被世界公认为重大的公害之一。1960年美国加州首先立法控制汽车排放的污染物，以后相继在美国其他地区、日本以及欧洲各国制定了控制汽车排放的标准和法规，而且愈来愈严格，愈来愈完善，人类要求保护环境的意识不断增长4。目前只有电动汽车才能满足零排放污染的要求。另一件是1973年爆发中东战争引起了石油危机，而西方发达国家的汽车工业依赖进口石油，石油危机严重地威胁到这些国家的利益和安全。这两件事结束了电动汽车的冬眠状态，在世界各地掀起了研究、开发及应用电动汽车的高潮。电动汽车的发展和开发得到了各国政府的大力支持，特别是发达国家如美国、日本、法国及意大利等，电动汽车的开发与研制工作居世界领先水平5。我国是一个能源短缺国家，随着汽车保有量的增加，能源问题和环境问题日益严重。在我国政府的支持下，电动汽车的研究和开发工作被列为“八五”期间重点攻关项目，在一些科研机构和大专院校取得了较好的成果。在“九五”期间又被正式列入重大科技攻关项目，并设立了四个子项目电动汽车关键技术的研究，概念车的开发，改装车的实验，电动汽车试验区的建立。另外，政府还制定了相关的技术标准和激励政策。所有这一切都为中国电动汽车的发展奠定了坚实的基础。到目前为止，对几项关键技术的研究取得了重大的成果。比如由中科院承担的电动机及其控制系统的研究项目；由清华大学承担的蓄电池电量测量和能量管理系统的研究项目。东风汽车公司已经完成了概念车的总体设计，并和意大利的公司于1999年二月开始合作进行车体的设计。同时，对镍氢电池以及燃料电池等动力源的开发也在进行中6。为维护我国能源安全，改善大气环境，提高我国汽车工业的竞争力，科技部“十五”国家863计划中，特别设立电动汽车重大专项。在“十五”期间，以电动汽车的产业化技术平台为工作重点，在电动汽车关键单元技术、系统集成技术集整车技术上取得重大突破。山东建筑大学毕业论文3图11“十一五”提出的电动汽车“三纵三横”研发布局13制约电动汽车发展发展的一些技术因素尽管电动汽车在20世纪前就已经存在，但是现代电动汽车完全不同于传统的电动汽车，它不仅仅是运输车辆，而且是一台全新的电气设备。电动汽车发展的的关键技术主要有电池技术、电机及控制技术、整车技术和能量管理技术。131电池技术（1）电池技术电池是电动汽车的动力源，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。要使电动汽车具有竞争力，就要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池7。到目前为止，电动汽车车用动力蓄电池经过三代的发展，已取得了突破性的进展。第一代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池VRLA，由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前唯一能大批量生产的电动汽车用电池。第二代是碱性电池，主要有镍镉、镍氢、钠硫、锂离子和锌空气等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。只要山东建筑大学毕业论文4能采用廉价材料，电动汽车用锂离子电池将获得长足的发展，目前关键是要降低批量化生产的成本，提高电池的可靠性、一致性及寿命。第三代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池。目前，锂离子电池和燃料电池成为最有可能实现商业化的电池，此外，镍氢电池也是21世纪应用广泛的动力电池之一。表1为各种车用电池的性能比较。表11种车用电池的性能比较（2）能量管理技术蓄电池是电动汽车的储能动力源。电动汽车要获得非常好的动力特性，必须具有比能量高、使用寿命长、比功率大的蓄电池作为动力源。因此必须对蓄电池进行管理。能量管理系统是电动汽车的智能核心之一。一辆设计优良的电动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、适当的能量源即电池外，还应该有一套维持电动车所有蓄电池组件的工作，并使其处于最佳状态；采集车辆的各个子系统的运行数据，进行监控和诊断；控制充电方式和提供剩余能量显示等职责的能量管理系统8。能量管理系统研究与开发不仅要建立包括蓄电池在内的电动车的数学模型而且要开发以微处理器为核心的电子控制单元。132电动机及其控制技术（1）电动机技术驱动电机是电动汽车的心脏，它正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。在选择驱动电机时，应满足以下基本要求A电动机的功率、转矩和转速应满足电动车辆动力性能的要求，能够适应电动车辆频繁的起动、加速、减速、倒车和停车的运行要求，并保持高效率。山东建筑大学毕业论文5B一般要求电动机能够承受24倍的过载，并能够实现四象限的运转，高效率地回收电动车辆在制动时反馈的能量。C电动机的工作电压高、转速高可以提高电动机的比功率，减小电动机的尺寸，降低电动机的重量和各种控制装置，有利于在电动车辆上进行安装和布置，并可以降低成本。D电动机有良好的可靠性、耐温和耐潮湿，可以在恶劣的环境条件下长时间的运转，结构简单、使用维修方便，适合批量生产9。电动汽车常用的驱动电动机有直流电动机、交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机。直流电动机成本最低，控制简单斩波器控制，易于平滑调速，但效率较低，体积和重量较大，最高转速也较低。目前主要用在小型、低速、低价的电动汽车上。交流电动机与直流电动机比，具有效率高、体积小、重量轻、免维护、结构简单、寿命长等优点。采用矢量控制和直接转矩控制来解决动态模型的非线性问题。开关磁阻电动机具有结构简单、制造成本低、转矩转速特性好等优点，在电动汽车上很有潜力。但设计和控制非常困难和精细，难以大规模应用。永磁电动机具有惯性低和响应快的优点，采用矢量控制法以满足电机驱动的高性能要求。但由于目前技术所限，永磁电机还局限于较小功率范围。从目前来看，欧美多采用交流电动机，日本多采用永磁电动机，我国在低档电动车上用直流电机，高档小功率用永磁电动机，大功率用交流电动机。2电动机控制系统随着电动机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电动机控制系统。它们的应用将使系统结构简单、响应迅速、抗干扰能力强，参数变化具有鲁棒性，可大大提高整个系统的综合性能。电动汽车再生制动控制系统可以节约能源、提高续驶里程，具有显著的经济价值和社会效益，再生制动还可以减少刹车片的磨损，降低车辆故障率及使用成本10。133电动汽车整车技术电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外，车体本身也包含很多高新技术。采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽车自身质量减轻3050；实现制动、下坡和怠速时的能量回收采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减少50；汽车车身特别是汽车底部流线型化，可使汽车的空气阻山东建筑大学毕业论文6力减少50。因此电动汽车的整车总体设计至关重要11。整车控制系统由整车控制器、通信系统、部件控制器以及驾驶员操纵系统构成，其主要功能是根据驾驶员的操作和当前整车及零部件工作状况，在保证安全和动力性要求的前提下选择尽可能优化的工作模式，以求达到最佳的经济性。整车控制系统是电动汽车的大脑，负责对蓄电池系统、电机驱动系统、再生制动系统和其它辅助系统进行监测和管理。目前控制系统向智能化和数字化方向发展，模糊控制、自适应控制以及遗传算法等智能控制技术也都可能应用于电动汽车的控制系统中。山东建筑大学毕业论文72电动汽车的基本结构与参数高性能的电动汽车通常是根据现代电动汽车系统理论专门设计制造的。为了提高电动汽车的性能，必须对电动汽车结构和参数进行系统的分析研究。21电动汽车的基本结构电动汽车的基本结构系统可分为3个子系统，即电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。其中，电力驱动子系统又由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成主能源子系统由主电源和能量管理系统构成，能量管理系统是实现能源利用监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件而辅助控制子系统主要是为电动汽车提供控制电源，具有辅助电源的控制动力转向、充电控制、空气调节等功能。与燃油汽车相比，电动汽车的特点是结构灵活。燃油汽车的能量是通过刚性联轴器和转轴传递的，而电动汽车的能量则基本上是通过柔性的电线连接的，因此，电动汽车各部件的放置具有很大的灵活性。与传统燃油汽车的发动机不同，电动汽车的电动机具有很大的灵活性。不同类型的电动机，像直流电动机、交流电动机、轮式电动机等等都可以作为电动汽车的驱动电机，并直接导致电动汽车不同行驶性能。不同类型的储能装置，例如不同的蓄电池、燃料电池、超大电容器和高速飞轮等也都会影响电动汽车的重量、体积、尺寸，进而影响的性能12。这些不同的选择，赋予了电动汽车的设计者很大的灵活性，同时也产生了最佳选择准则问题。变速传动系统是电动汽车驱动子系统的一个重要部件，它指的是驱动电机转轴和车轮之间的机械连接部分。对于传统汽车来说，变速箱是必要的部件，设计时主要考虑的是采用什么类型的变速器。但对于电动汽车则不同，由于驱动电动机的转矩和转速完全可以用电子控制器进行全范围的控制，因此变速系统的设计就可以有多种不同的选择。既可以用传统的齿轮变速箱变速，也可以用先进的自动变速传动桥变速，还可以用电子驱动器控制电动机直接变速。究竟采用哪种方案。主要依据电动汽车的能量和经济性，也涉及到电机和控制器的设计13。22电动汽车的主要参数一般来说，电动汽车和燃油汽车同样都是机动车，就外部性能而言，描述它们的数学和物理手段并无大异。因此，大多数和电动汽车参数都可以从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴。但是由于电动汽车的特殊性，它的蓄电池重量、效率、再生能量的利用效率等性能参数却是传统的燃油汽车所没有的。山东建筑大学毕业论文8221重量和体积参数电动汽车的重量是重要的性能参数，因为它们直接影响到电动汽车的行驶里程和行驶性能。电动汽车重量定义如下自重不包括载重的电动汽车重量毛重包括载重的电动汽车重量载重乘客和货物的总重量惯性重量自重加标准载重量最大重量电动汽车在得以安全行驶条件下的最大毛重驱动系统重量电动汽车整个驱动系统的重量蓄电池重量电动汽车车载蓄电池的重量。电动汽车的体积参数与传统汽车类似，主要是车体尺寸车体的长、宽、高前部面积车体的前部等效面积，将直接影响电动汽车的空气阻力系数座位面积车内允许的乘客数量货物容积车内允许的货物容积。222力参数机动车行驶要克服的阻力称为道路负载，道路负载F,主要由空气阻力DF、轮胎流动阻力RF、和爬坡阻力CF,等三个分量构成，它的数学表达式为CRDFFFF21空气阻力DF是由于机动车高速穿过空气障碍而产生的运动阻力，可以表达为200380VVACFDD22式中DC是阻力系数无量纲，是空气密度，A是前部面积，V是车速，0V是车前部风速。轮胎滚动阻力RF是由于轮胎与地面摩擦产生的阻力。影响滚动阻力的因素主要有轮胎的形状、压力、温度、胎面厚度、线网层、车速以及所传递的转矩等等，其中胎型和压力又是最主要的因素。轮胎滚动阻力表达为DRMGCF山东建筑大学毕业论文9式中MKG是机动车质量，G是重力加速度，DC是滚动阻力系数无量纲，通常为00130018与轮胎压力成反比。爬坡阻力CF,可以简单表达为SINMGFC23式中是斜坡角度，斜坡的坡度P通常表示为100LHP24式中H是斜坡高度，L是其水平距离，因此P与的关系可写PPARCTAN根据上式，如果斜坡的坡度是20，它的倾斜角度就应该是0311。机动车的最大爬坡能力定义为它以几乎为零的车速所能爬上的最大坡度。机动车车轮上的驱动力F，一部分用来克服道路负载，而其余的力用来产生加速度，即MKFFR125由于车轮、齿轮或车轴等旋转部件的转动惯量使得车重增加，因而在上式中引入RK作为校正因子，其值一般为101104。223能量参数能量效率0是输出能量与输入能量之比，而功率效率P则是输出功率与输入功率之比常规的工业驱动效率通常指的是在某个工作点，比如额定工作点的效率。然而对机动车而言，其行驶过程中，工作点是变化的，因此效率也是变化的。为了描述电动汽车的能量效率，其效率是用在给定的时问内的各种效率之和来定义的。23电动汽车的性能评价电动汽车种类繁多、性能各异，如何建立一个统一的性能标准，以评价这些不同厂家生产的、不同类型的电动汽车，成为电动汽车发展的一项基础研究。对于传统的燃油汽车，最高时速和加速能力是最重要的性能指标。由于每次加满油的行驶里程已远远超过了人们的一般要求，因而行驶里程对燃油汽车来讲，只是次要的性能指标。在环保意识不断提高的今天，人们已不再简单地追求汽车最高车速和加速性山东建筑大学毕业论文10能，燃油汽车的废气排放已成为汽车性能的又一重要的考核指标。此外，汽车的舒适性、安全性等等也都会成为汽车推销商的卖点。对于电动汽车，一次充电后的电大行驶里程则是最重要的性能指标。这是因为，一辆15L的燃油汽车加满油之后至少可行驶500KM，而大部分的现代电动汽车一次充电后的行驶里程在100200KM左右，远低于燃油汽车，还不能完全满足人们对现代机动车辆的要求，从而成为制约电动汽车发展的主要因素。因此人们在评价电动汽车的性能时，主要考虑如下性能指标L最大行驶里程KM电动汽车每次充满电后的最大行驶里程L加速能力S电动汽车从静止加速到一定的时速，如40,60或80KM/H所需的最小时间L最高车速KM/H电动汽车所能达到的最高车速。在不同的行驶方式下如在繁华的都市街道上，需不断制动、起动，和在高速公路上，可以匀速连续驾驶，行驶里程有很大的差异，为了合理的评价机动车的性能，人们制定了统一的机动车驾驶模式。24电动汽车的系统集成现代电动汽车是一个复杂的系统工程，它的理论基础是现代电动汽车学。现代电动汽车学是研究现代电动汽车的新兴交叉学科，其核心是如何最有效和环保地利用电能驱动车辆，而总休指导思想是将汽车技术、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来，实现系统的集成优化。电动汽车不同的子系统之间的相互作用是不同的。例如，电动机是直接由电机控制器控制的，与控制器之间有很强的相互作用，影响到电动汽车的行驶特性、成本和安全性电动机与辅助电源则儿乎没有直接的相互作用而电机摔制器与莆电池充电器在电路上有一定的联系它们之间有弱的相互作用。为了实现电动汽车的系统优化，就需要系统地分析和考虑电动汽车的各个主要部件、子系统之间的相互作用和影响，在系统的水平上实现系统的集成和优化14。从国内外电动汽车成功的开发经验来看，现代电动汽车的总体设计思想应是根据电动汽车本身的固有特点，优化设计包括车体内的各个部分，使主要部件或子系统之间达到最佳的匹配，从而最有效地利用电动汽车的有取胜的车载能量，增加其行驶里程。通过系统的优化设计，即使在蓄电池性能未能显著提高的条件下，也能使电动汽车达到令人满意的行驶性能。山东建筑大学毕业论文113纯电动汽车驱动系统理论基础31驱动电机、控制器及能量管理系统对电动汽车驱动驱动电机及控制器的最基本要求是启动转矩大，具有较宽的恒功率范围，以适应电动汽车频繁的启动和功率变化大的要求。此外，要求电机的结构尺寸小，重量轻，便于安装，无驱动噪声。经过多年的研究和试验，现在采用异步电机和永磁无刷直流电机作为电动汽车的驱动电机，随着性能的改善，开关磁阻电机的应用也在逐渐增加，但直流电机的应用日渐减少，究竟采用何种电机取决于电动汽车本身的要求15。在电动机控制技术上采用电动汽车专用集成化电子控制系统，并实现机电一体化设计。一般的线性控制以不能满足高性能的电动汽车的需要。近几年参考模型控制和自调谐控制已成功地用于电动汽车驱动。为实现上述的现代控制方法，需要高新的电子控制器，它包括微处理器、数字信号处理器和单片机。由此可见，电动汽车发展的关键问题是提高蓄电池的性能、电机的控制系统和蓄电池的能量管理系统的性能，已增加续驶里程、提高动力性能。32各种电动汽车驱动电机的性能纯电动汽车关键的难点重点在于电池技术和驱动电机。电池技术已经在一定程度上得到了突破。下面主要讨论一下驱动电机的相关状况。电动汽车驱动电机控制的关键问题电动汽车是以车载电源为动力，并采用电动机驱动的一种交通工具。电机及其驱动系统是电动汽车的核心部件之一，由于电动汽车在运行过程中频繁起动和加减速操作对驱动系统的有着很高的要求16。下面主要阐述控制过程中的一些关键问题（1）用在电动汽车的电动机应具有瞬时功率大、过载能力强过载34倍、加速性能好，使用寿命长的特点。（2）电动汽车用电动机调速范围应该宽广，包括恒转矩区和恒功率区。要求在低速运行时可以输出大恒定转矩，来适应快速起动、加速、负荷爬坡等要求；高速时能够输出恒定功率，能有较大的调速范围，以适应平坦的路面、超车等高速行驶要求。（3）在汽车减速时，电动汽车用电动机应能够实现再生制动，将能量回收并反馈回电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率。山东建筑大学毕业论文12（4）在整个运行范围内，电动汽车用电动机应使驱动系统效率达到最优化，以降低驱动系统损耗，提高一次充电的续驶里程。（5）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，体积小、重量轻，省维护，抗震动等。33驱动电机的种类电动汽车驱动系统研究的重点是各种类型的驱动电机及其控制，按电机的类型来划分，电驱动系统可分为直流驱动系统和交流驱动系统两大类。早期时由于直流电机控制比较简单，电动汽车多数采用直流电机。然而，目前随着现代交流调速技术的发展，其动态性能己经达到或者超过直流电机的水平，并且交流电机本身具有体积小、功率大、效率高、结构简单、易于维护等优点。由于交流电机没有了电刷和滑环等，克服了直流电机因换向器带来的缺点，因此交流驱动系统将逐渐成为电动汽车的主流驱动系统。在交流驱动中，驱动电机主要采用异步电机、永磁同步电机包括无刷直流电机以及开关磁阻电机17。331直流有刷电动机早期时，直流电机控制方法和结构简单，只需要用电压控制，不需检测磁极位置，并且小容量系统造价低，技术也成熟，它所拥有电磁转矩控制特性是交流电动机所不可比拟的，因此电动汽车广泛的采用直流电机；但是直流电动机价格高、体积和质量大，在电动汽车上的应用受到了限制，目前电动汽车已经很少应用了，但是仍然有一些电动汽车采用有刷直流电动机驱动系统。如日本东京大学的UOT电动汽车采用直流串励电动机，意大利菲亚特公司的900E/E2电动汽车用直流他励电动机驱动，日本马自达汽车公司的BANGO电动汽车则采用直流并励电动机332交流感应电动机（三相异步电机）三相异步电机转子结构简单，与定子无直接接触部件，运行可靠，转速高，成本低，在蓄电池供电的条件下，可以实现四象限运行，所以目前在电动汽车中交流异步电机应用较多。美国制造的电动汽车普遍采用感应电动机驱动，如CHRYSLER公司生产的EPICVAN；FORD公司生产的RANGEREV，通用汽车公司生产的IMPACT和EVI电动汽车。国内也采用感应电动机作为电动汽车的驱动电机也比较多，如胜利SL6700DD电动客车，郑州华联ZK6820HG1电动轻型客车。电动汽车用感应电动机系统的研究重点主要是控制方面，其控制方法有矢量控制、模糊逻辑控制、串联铁耗模型的矢量控制及最大效率控制山东建筑大学毕业论文13等。333开关磁阻电动机开关磁阻电机结构和控制简单、出力大，可靠性高，成本低，起动制动性能好，运行效率高，但电机噪声高，转矩脉动严重，非线性严重，在电动汽车驱动中有利有弊目前电动汽车应用较少。它的主要研究方向是模型研究。334无刷直流电动机及永磁同步电机永磁同步电机体积小、重量轻、功率密度大、低速输出转矩大，精度高、效率高、噪声小、维护简单的优点。因此在各个国家都有应用。但是他在高速运行时比异步电机复杂，需要检测转子磁极位置，另外永磁体还有退磁问题，造价也较高。主要研究重点是位置检测、换向和控制，可以表现为以下几方面换向逻辑的分析和确定、脉动转矩的削弱、无位置传感系统、新型控制策略。控制策略的研究包括变结构控制、模糊控制与PID控制相结合的控制，以及各种全局优化的方法与模糊控制方法的结合。从目前来看，欧美多采用交流电动机，日本多采用永磁电动机，我国在低档电动车上用直流电机，高档小功率用永磁电动机，大功率用交流电动机。各种电动机性能参数表31各种电动机比较山东建筑大学毕业论文1434驱动电机的控制策略简述一种良好的电机设计必须与合理的控制策略相配合才能使电机发挥出其优良的性能。下面主要讨论交流驱动电机。对于永磁同步电机，主要考虑的是在不同的供电场合下永磁同步电机极数怎么选择，外转子直接驱动永磁同步电机减少转矩脉动的磁极形状怎么优化，还有一些磁饱和影响的问题。其控制策略有矢量控制、直接转矩控制、内模控制、自适应滑模控制、新型鲁棒性动态偏转矩控制及神经网络控制等18。应用于异步电动机控制技术主要有三种V/F控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制（DTC）。二十世纪九十年代以前控制方式主要是V/F控制和转差频率控制，但这两种控制技术因转速控制范围小，转矩特性不理想，对于需频繁起动、加减速的电动车不太适宜。矢量控制方法，也称磁场定向控制，实现了异步电机的转矩和磁场的解耦控制，使得异步电动机的控制运行既能保持稳态精度又具有很好的动态性能。近几年来，在国内，矢量控制技术在研制的电动汽车感应电动机控制系统中正逐渐的推广。山东建筑大学毕业论文154纯电动汽车动力系统系数匹配论文原始参数汽车总质量1800KG车轮滚动半径02872M最大车速128KMM；最大爬坡度20；加速性能O50KMH的加速时间为LOS，5080KMH的加速时间为15S；续驶里程等速时250KM41电动汽车的动力性能分析与普通车辆相似，电动车辆的动力性主要用三个方面的指标评价，即最高车速MAXAV，加速时间FT和最大爬坡度MAXI。在行驶时汽车会受到各种阻力包括滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力，这些阻力的总和叫做总阻力F，它的计算公式为DTDVMVACMGMGFFAAD631521SINCOS2（41）其中M为汽车总质量，KG；F为滚动阻力系数；为坡道角，；DC为空气阻力系数；A为迎风面积，M2；AV为行驶车速，KMH1；为车辆旋转质量换算系数在驱动力和阻力的作用下，汽车的动力性能指标可以通过公式估算。最高车速是指车辆满载时，在良好的水平路面上（如干燥、平坦、清洁的沥青或水泥路面）所能达到的最高行驶速度。它的测定是在微风甚至无风条件下，将车辆加速踏板踩到底，以尽可能的高速通过200M路段所测试的结果。在实际运行中，由于道路、气候条件和受车辆本身技术状况所限，最高车速是极难达到的。电动汽车的最高车速计算0MAXMAXMAX/3770IMVNNVFNFMAMMAMT（42）其中MN为主驱动电动机的工作转速，RMIN1；TF为主驱动电动机以最大限流工作时车辆获得的驱动力，N；MAXMN为主驱动电动机的最高工作转速，RMIN1。满足上满足上式的车速最大值即为反映车辆动力性的指标MAXAV。山东建筑大学毕业论文16加速时间是指汽车从静止状态下，由第一挡起步，并以最大的加速强度包括选择最恰当的换挡时机逐步换至高挡后，到某一预定的距离车速或车速所需的时间。目前，常用096KM所需的时间秒数来评价。车辆加速时间FT为AVVADTAVVAFDVVACMGFFMDVDVDTT212121521631631（43）式中1V为加速行驶起始车速，KMH1；2V为加速行驶终止车速，KMH1。最大爬坡度是指在满载无拖挂，在干燥硬实路面的条件下，车辆节气门全开，以最低档所能通过的最大坡度。车辆爬坡度计算ARCTAN11521ARCSINTANTAN22MAXMAXFFMGVACFIADT4442电动汽车动力传动系统的设计动力传动系统是电动汽车最主要的系统,电动汽车运行性能主要由其动力传动系统的性能决定。电动汽车动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、变速器、主减速器、驱动轮等组成。纯电动汽车的动力系统结构如图1所示。图41传动系统结构图设计一个电动汽车的动力传动系统的参数，主要包括电机参数选择、传动比选择、电池组容量选择。421电机参数确定电动汽车的动力性评价指标与传统内燃机汽车相同，即汽车的最高车速、加速时间山东建筑大学毕业论文17和最大爬坡度。然而，由于电动机机械特性与传统汽车用内燃机特性有很大的不同，即机的最大功率与额定功率可差3倍甚至更高，而最大功率工况不能长时间运行，因此必须用电动机的额定工况计算电动汽车的最大爬坡度和最高车速。而汽车的加速过程和起步过程时间较短，理论上可以用电动机的外特性进行设计计算。与传统内燃机特性不同的是，电动机的机械特性是低速等转矩和高速等功率，且传动系有多个挡位时，其驱动力图与内燃机汽车相比也有其特殊性，所以在选择挡位和速比、确定最高车速时也与内燃机汽车不同。采用交流驱动系统时，需要考虑两个主要的动力与阻力平衡点一个是以常规行驶车速等速平地行驶的转矩平衡点；一个是最高车速时的转矩平衡点。它们对电动汽车的传动系挡位数的选择产生重要影响。理论上，应使电动汽车的常规图42电动汽车功率平衡图车速落在基频上，以直接挡获得最高车速，功率平衡点在等功率段上。电动汽车功率平衡图如图所示，下面对可能出现的几种情况进行分析。1电动机从基频向上调速的范围足够大。电动机最高转速能满足NNN/MAX25，这里NN表示电机基频所对应的转速，则选择一个挡位即可，这是一种理想情况，其功率平衡图如图所示。在设计计算时，按照要求先确定图中的B点和A点，再根据A点计算传动系总传动比I。由于仅选择一个挡位，若变速器传动比GIL，则主传动比I。此时应注意变频范围也不宜太大，一般考虑最高车速对应的电动机转速为其最高转速的9095即可。2电动机从基频向上调速的范围不够宽。此时电动机最高转速不能满足NNN/MAX25应考虑再增加一个挡位，如图所示。与前一种情况不同的是要根据I0IIG，再合理分配山东建筑大学毕业论文18主传动比I。和变速器各挡位的传动比GI。3电动机从基频向上调速的范围较窄，如图所示。此时增加一个档位后在等功率段车速无法衔接起来。在这种情况下，当车速达到C点后，可以进入等转矩工作区，然后再经D点、E点进入等功率区段工作。也可以考虑增加一个档位，传动比的设计计算方法同前。4如果出现第三种情况，应考虑重新选择电动机的参数。图43机电集成化驱动布置方式结构简图1一控制器；2一电动机；3驱动轮；4一传动箱体正确选择电动机的额定功率十分重要。如果选得过小，则电动机经常在过载状态下运行；相反，如果选得太大，电动机经常在欠载状态下运行，效率及功率因数降低，不仅浪费电能，而且需增加动力电池的容量，综合经济效益下降。通常，从保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率。最高车速虽然只是汽车动力性的一个指标，但它实质上也反映了汽车的加速能力和爬坡能力。所选择的电动机功率应不小于在平坦良好路面上车辆以最高车速行驶时阻力功率之和，即电动汽车以最高车速行驶消耗的功率7614036001MAX3MAXADAEVACVMGFP（45）式中，M，整车质量；F，滚动摩擦系数；DC，空气阻力系数；A，迎风面积；T，传动系机械效率。M1800KG,F0015,DC04,A272M,T092把汽车原始参数代入公式得EP为357KW电动汽车以某一车速爬上一定坡度消耗的功率山东建筑大学毕业论文19AADATUVMGIVACVMGFP360076140360013（46）式中，A，电动汽车行驶速度；I，坡度。AV128KM/H,I20把参数带入公式得UP为426KW电动汽车在水平路面上加速行驶消耗的功率AADATAVDTDUMVACVMGFP360076140360013（47）22022111RIIIMRIMTGFW（48）式中，汽车旋转质量换算系数；WI，车轮转动惯量；FI，飞轮转动惯量；R，车轮半径；GI，变速箱传动比；I。，主减速器传动比13,R0287M把参数带入得AP为404KW总之，电动汽车驱动电机的最大功率应能同时满足汽车对最高车速、加速度、以及爬坡度的要求。所以电动汽车电动机的额定功率AIUEPPPP,MAX426KW（49）电动机的峰值功率为EEPPMAX592KW（410）式中，电动机的过载系数。根据以上计算的结果，选额定功率为45KW的永磁无刷直流电机，其主要的技术参数如下额定功率为45KW3500R/MIN，峰值功率为100KW3500R/MIN，额定转矩123NM,峰值转矩260NM，最高转速是7500R/MIN，电动机的工作效率为92。山东建筑大学毕业论文201电机驱动系统；2动力电池图44动力电池及电机驱动系统布置422传动比的设计汽车的传动系有两个功能第一是把驱动电机输出轴上的转矩按总传动比放大，传送至驱动轮上；第二是把驱动电机的转速按总传动比缩小，转换成相应的车速；考虑传动效率就能得到功率守恒。电动汽车传动系的总传动比是传动系中各部件传动比的积，即GTIII0，传动系的总传动比上限可以根据下式确定，MAXMAX3770AMTVRNI411电动汽车在最高车速行驶时，以最小传动比的档位行驶，在最大爬坡时以最大传动比的档位行驶。最小传动比的档位为直接档，即GI1。主减速器的传动比0I的上限根据公式8来确定，计算得0I676现在来确定当变速器传动比GI1时，主减速器的传动比0I的下限值。传动系总传动比TI的下限可以有这两种确定方式；A由电动机最高转速对应的最大输出扭矩和最高车速对应的行驶阻力确定传动系速比的下限为MAXMAXVVTTRFI（412）山东建筑大学毕业论文21其中，为电动机最高转速时的输出扭矩，NM；MAXVF最高车速时的行驶阻力，N。且MAXMAXMAX2MAX95491521MEVADVNPTVACMGFF（413）根据式9、式10可以得到主减速器的传动比0I59；B由电动机最大输出扭矩和最大爬坡度对应的行驶阻力确定速比的下限值为MAXMAXTRFIT（414）其中，NAXF最大爬坡度时的行驶阻力，N；MAXVT为电机最大输出扭矩，NM，且MAX2MAXMAXMAX1521SINCOSADVVACFMGF（415）根据式11、式12可以得到主减速器的传动比0I55；综上所述，选择主减速器传动比0I60。变速器传动比1GI由电动汽车的最大爬坡度MAX和电机的最大转矩MAXT确定,即0MAXMAXMAX1SINCOSITRFMGIG（416）由公式（13）得811GI，电动汽车变速器传动比大于等于2，故主减速比为54。为了验证设计的合理性，现在来验证当主减速器0I60时，最高车速和加速时间是否能够满足要求。A最高车速校核根据HKMVAVCMGFVFRIITFVFNFNNIMVAADAGEMTAMTMMMA/21351521/3770MAXMAX2MAX0MAXMAXMAXMAX0MAXMAX计算得B加速时间校核加速时间以车速从零加速到最高车速所需时间来计算,根据山东建筑大学毕业论文22RIVNNPTVVVRIITVVRIITFIRNVDVAVCMGFFMDVAVCMGFFMTAEMVARMGVRMAGTERMVVVAADTAADTFMAM3770/9549,/,/37706311521/6310MAX00MAX001521/22MAX（417）计算得050KM/H加速时间ST9以上计算结果表明，主减速器传动比0I60满足最高车速和加速时间的要求。现在来验证汽车在最低档时，是否满足爬坡要求，根据HKMVRIITFFFMGVACFIAGTADT/50/ARCTAN1/1521ARCSINTANTAN0MAX22（418）得20MAXI从而说明汽车在最低档位满足爬坡的技术要求。所以，以上设计符合要求423电池组容量的选择电池容量的选择主要考虑最大输出功率和能量，以保证电动车的动力性和续驶里程。电池数目的确定有两种方法A由最大功率选择电池数目ECEBEPPNMAXMAX419其中MAXBP为电池最大输出功率，E为电动机工作效率，EC为电机控制器工作效率。B由续驶里程选择电池数目IRVCLWN1000420其中L为电动汽车续驶里程，KM；W为电动汽车行驶1KM所消耗的能量，KW；IV为单节电池电压，V；RC为单节电池额定容量，AH。以上两种方法中，较大者即为山东建筑大学毕业论文23所求。选用的蓄电池基本参数如下电池最大输出功率为5KW，单节电池的电压为12V，单节电池的额定容量为80AH，电动汽车行驶1KM所消耗的能量为02KWH；另外电动机控制器工作效率为90。根据式419计算得N143，根据式420计算得N521，综合上述选53节此类型的电池。山东建筑大学毕业论文245纯电动汽车电机驱动系统仿真51计算机仿真概论计算机仿真是一种在计算机上“复现”真实系统的活动。它依赖间接相似原则，将系统模型通过一定的算法，建立能为计算机所接受和能够在计算机上运行的仿真模型。计算机仿真具有一些显著的特点模型参数任意调整、系统模型快速求算、运算结果准确可靠以及仿真的结果形象直观。因此利用现代计算机仿真技术，可以在通用的计算机环境下，对物理属性截然不同的各种系统模型进行准确、可靠、灵活的研究。按照参与仿真的模型种类不同，可以将计算机仿真分为物理仿真、数学仿真、物理一数学仿真三类。物理仿真是指按照实际系统的性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验研究。物理仿真形象、直观，但在某些情况下构造一套物理模型需要较大的投资，且周期较长。此外，在物理模型上做试验不容易修改系统的结构和参数。数学仿真是首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化成仿真计算模型，通过仿真模型的运行来达到系统运行的目的。数学仿真在系统分析与设计阶段是十分重要的，通过它可以检验理论设计的正确性和合理性。随着并行处理技术、集成化技术、图形技术、人工智能技术和先进的交互式建模仿真软硬件技术的发展，数学仿真应用越来越多。物理一数学仿真，也称硬件实物在回路的仿真。这种仿真系统的一部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型；另一部分以实物或物理模型方式引入仿真回路。根据本次毕业论文的要求和对实际情况的分析，本毕业论文采用数学仿真，进一步说，就是应用计算机VB软件对纯电动汽车电机驱动系统进行仿真。计算机VB程序软件我在大学期间已经学过。可以说，本次毕业论文只是要求我应用以往学过的知识对纯电动汽车进行研究。借此机会我可以对以往所学知识进行复习。52仿真模型建立流程虽然建模方法多种多样，但对于纯电动汽车来说，建模流程都是首先建立底层模型，如零部件、总成及循环工况等，其次建立整车控制策略顶层模型，最后再进行仿真。山东建筑大学毕业论文2553仿真结果分析图51驱动力车速关系曲线根据驱动力车速关系曲线可得（1）从图上可以清晰地看出不同车速时驱动力和行驶阻力之间的关系。汽车的最高车速，可以直接在图上找到。驱动力最高档驱动力曲线和汽车行驶阻力曲线交点所对应的车速即为汽车所能达到的最高车速。当车速低于最高车速时，驱动力大于行驶阻力。这样，汽车就可以利用剩余的驱动力加速或爬坡。（2）在同一车速下，低速挡驱动力要比高速档驱动力大得多，这符合低速大扭矩这一规律。（3）在车速未达到某一数值时，无论是低速档还是高速档，此时驱动力是