【比亚迪新能源汽车动力装置浅析15000字（论文）】

目录TOC\o"1-3"\h\u91411绪论 6295391.1课题背景及意义 6326141.2纯电动汽车的发展历史及趋势 7154011.3本论文的主要内容 9116902纯电动汽车的整体结构和相关技术 10172102.1比亚迪e6简介 10245772.2比亚迪e6性能 10241192.3比亚迪e6动力系统 10243532.3.1动力系统基本结构组成 10159232.3.2动力系统基本工作原理 11159322.3.3纯电动汽车的基本结构 12241522.4纯电动汽车的驱动系统结构 13300902.5纯电动汽车的动力电池及充电技术 152092.6本章小结 1715643纯电动汽车动力传动系统设计 18296423.1纯电动汽车动力传动系统的方案设计 1864633.2纯电动汽车动力传动系统选型和设计 18265783.2.1电动机的选取 18245663.2.2电动机驱动控制系统设计 20107183.2.3蓄电池组容量的选择及设计 22233883.2.4电动汽车充电器的设计 23262933.3本章小结 24155864纯电动汽车动力传动系统MATLAB仿真 2527184.1MATLAB简介 25178724.2纯电动汽车整体结构及充电系统的仿真模型 26101064.3纯电动汽车驱动系统仿真 2819014.4仿真结果 30237305总结 3212724参考文献 33比亚迪新能源汽车动力装置研究摘要随着社会的进步与发展，石油能源的储备日益减少，人们的生活离不开石油，但是石油的消耗会对环境造成污染。造成这些问题的其中大部分原因是因为传统的内燃机汽车保有量巨大引起的。由于技术的发展，出现了新能源汽车。新能源汽车主要分为两大类：纯电动汽车和混合动力汽车。本课题主要研究纯电动汽车的两个重要部分，即动力传动系统和充电系统，并对这两部分进行设计。本文先对纯电动汽车的基本构成、驱动系统的构成和动力电池充电技术三部分进行分析；对目前主流的传动系统做出分析，选择纯电动汽车合适的动力传动系统布置形式；其次对电机进行对比分析，选择永磁同步电机作为车辆的驱动电机；选择双闭环矢量控制方法对电机进行控制；通过对目前蓄电池技术和类型作分析，选择磷酸铁锂电池作为纯电动汽车的能源。动力电池的充电方面，选择交流充电机，由四部分组成。以拓扑结构来分析，该充电机机构可划分为两类，单级和多级结构。关键词：纯电动汽车，新能源，锂电池，永磁同步电机

比亚迪新能源汽车动力装置研究1绪论1.1课题背景及意义如今生活中逐渐出现各种各样的电动汽车，它是以电能为能源驱动的机动车。电驱动系统是将动力蓄电池中的电能为能量源，经功率转换器将电能转换为机械能驱动车轮转动。电动汽车分为三类：混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车和纯电动汽车。本文研究的是纯电动汽车，以下所提到的电动汽车如果没有特殊说明的话均为纯电动汽车。纯电动汽车是使用可反复充电的蓄电池组作为车辆的动力能源，相比于传统内燃机汽车，纯电动汽车的电动机等零部件成本更低，而且电能转换成机械能的效率更高。同时纯电动汽车也在发展相关的技术，并且有很多的优点：(1)能源丰富电能是纯电动汽车的能源，使用火力发电，也可以使用很多的可再生资源获得，如太阳能、风能、水能等，不再受石油等不可再生能源的限制。在给汽车充电时，还可以利用夜间低谷时段充电减少花费。(2)零污染或者低污染纯电动汽车在使用过程中可以说是零排放，零污染。低污染指的是将纯电动汽车所使用电能归结为火力发电，在发电的过程中产生的气体、颗粒物对环境的污染；加上电池在生产、使用时使用的原材料对环境的污染。相比于内燃机汽车使用中排放的尾气污染，纯电动汽车的污染要小得多[1]。(3)无噪声污染纯电动汽车使用电动机进行驱动，不像传统内燃机汽车的发动机，在工作过程中因为进、排气和汽缸内的活塞运动产生振动及噪声。通过噪声对比，纯电动汽车产生的噪声比内燃机汽车低10-20dB，没有噪声污染。(4)结构布置形式丰富纯电动汽车的各个部件间更多的是使用柔性电缆连接，部件间的布置形式可以根据具体情况进行选择。(5)能量的转换率高纯电动汽车的能量源是电能，电能传递比机械能量传递的损耗小。纯电动汽车能量转换率平均在60%~80%，即车辆动力电池的电能中有60%~80%可以转换为机械能。即便考虑火力发电的损耗、电能在输配过程中的损耗、电池的充放电损耗等，最后也有30%左右的能量转换效率。纯电动汽车停车时不耗能，在制动或者减速时能回收能量，提高能量利用率。1.2纯电动汽车的发展历史及趋势对电动汽车的研究我们可以追溯到19世纪30年代。苏格兰人戴文波特于1834年制造了一辆电动三轮车，由不可充电的干电池组作为能源，是电动汽车的雏形，领先第一台内燃机汽车五十余年。在1881年，世界上第一辆可以充电的电动汽车被制造了出来。1890年前后，世界上很多发达国家都开始将目光转向电动汽车的研发和制造，同时电动汽车处于行业内的最高技术水平[2]。但是由于当时技术水平的制约，电动汽车的许多方面都比不上内燃机汽车，例如车辆的续航和效率等。因为在1911年汽车起动机的出现，使得电动汽车失去了优势，自此内燃机汽车开始占据了机动车的主导地位，后来电动汽车逐渐消失。由于石油能源的大量消耗，让每个国家都有了石油危机。为了降低汽车对石油的依赖，电动汽车被许多国家重新研究，有的国家为电动汽车的研究办法了相应的法规和标准，电动汽车发展了起来。如今汽车已经和生产生活息息相关。汽车制造业使多种技术相融合，对世界经济的发展。汽车产业发展和保有量增加，汽车对石油能源的消耗越来越多，环境污染问题、温室效应问题日益严峻。汽车对环境的污染是汽车产业发展的问题之一。汽车在使用过程中产生上百种不同的化合物，有些形成了酸雨破坏环境，有的则直接危害人体的身心健康。汽车的燃料是汽油，原油经加工后产生汽油，同时石油还是化工产业的重要原料，有限且不可再生。由于日益发展的内燃机汽车，石油能源越来越少，现在研究可再生清洁能源迫在眉睫来替代石油，并逐渐降低消耗石油。如今新能源汽车被看成是能够解决环境和能源这两大问题的方法之一。但是新能源汽车的发展和普及受制于其续航里程，因此需要对动力传动系统进行合理的设计。通过该课题的研究，了解并熟悉新能源汽车的构造及原理，进一步加深对电机、电力电子技术专业课程的深入了解[3]。很多国家都非常重视发展纯电动汽车，并且颁布了关于纯电动汽车的有效发展措施。为了推广新能源汽车，挪威、荷兰等国提出到2025年或者2030年不再出售燃油汽车；美国对于新能源汽车有相应的补贴政策；欧盟为了控制CO2的排放，将欧洲主要的发展目标定为推动纯电动汽车的普及，其中德国规划30年内普及纯电动汽车[3]。自上世纪末我国开始提出发展新能源汽车，在多方面都对普及和研究电动汽车给予扶持。初步建立了官方和企业结合的研究开发体系，并改善相关标准，为研发纯电动汽车关键技术提供铺垫。纯电动汽车的销量取得了较好的效果，但同时面临的挑战和问题也更严峻。相比发达国家在纯电动汽车的发展，我国在车辆动力电池生产产业链方面更具有优势，生产相关配套零部件的企业也越来越多，为我国纯电动汽车的推动和普及作出技术支持。车辆动力电池的研发是整车中最重要最关键的，我国已经对车辆动力电池的研究和发展有了质的飞跃，因为三元锂电池的能量密度高，直接影响了车辆的续航能力，所以代替了磷酸铁锂电池，但近几年由于三元锂电池的不稳定发生的真实案例可见，动力电池不能只是一味的追求高能量密度和高性能，还要具有更高的安全性能。近年来，随着基于磷酸铁锂技术的比亚迪刀片电池的出现，打破了之前三元锂电池的地位，人们也更加的注重电池的安全性。同时进一步发展纯电动汽车的各种关键技术，我国纯电动汽车的发展进入新的阶段[4]。在我国对于纯电动汽车相关的扶持政策下，国内的各个车企一直在更新相关技术，提高研发能力，推出各种新车型进行竞争。在新能源汽车的销量排行中，比亚迪汽车公司一直处于前列，市场占有量率高，对纯电动汽车的发展具有突出贡献。由于国内各车企的快速发展，越来越激烈的市场竞争，如果技术和产品更新慢会被逐渐淘汰。由于新能源汽车在国内的发展，有很多外国车企与国内车企进行合资，例如北汽集团与德国戴姆勒公司合资等，车企合资使纯电动汽车的发展更加有利[5]。现在人们更多的关注于纯电动汽车的智能技术和物联网技术。据估计，到2025年全球范围内纯电动汽车数量将超过3万亿辆。我国目前已经研究出车辆辅助驾驶技术以及无人驾驶技术，但是纯电动汽车还有更大的发展空间。随着各地区纯电动汽车充电桩的普及以及5G通信技术的发展，我国发展纯电动汽车的速度将会加快[5]。虽然汽车产业在我国起步较晚，发展的速度也很快，但是想要追上发达国家还有一大段距离。主要原因是发达国家发展传统汽车产业早，并且发展历史有一百多年，在各方面有丰富的经验和技术，在世界多个国家都有成熟全面的销售网络和品牌，拥有的专利技术也非常多，汽车相关的产业标准也是由他们制定。所以我们距离发达国家有用巨大的技术差距，几十年内也还是赶不上的，所以就有了合资企业。合资企业因为是外资企业主导我国企业，所以使我国车企逐渐依赖于外国车企技术，对于汽车技术的研发投入较少，追求省时省力，技术革新慢；国内汽车品牌受制于技术和市场的压力，在很久之后才慢慢地发展起来，但是处于弱势，在我国国内这个大的汽车市场，自主品牌汽车发展比较困难[5]。1.3本论文的主要内容本文通过前期翻阅相关专业资料，经过对比、分析和设计，使用MATLAB软件进行仿真模型的建立与运行，最终实现设计结果。本文的主要内容为：（1）本文介绍了纯电动汽车的基本结构、各种类型纯电动汽车的驱动系统、动力蓄电池和车辆充电技术。（2）按照预计结果，选择适宜的动力传动系统布置形式，选取车辆的驱动电机，对电动机的驱动控制系统进行设计。（3）选择纯电动汽车动力蓄电池，对车辆充电器进行设计。（4）介绍MATLAB仿真软件，使用MATLAB软件建立纯电动汽车传动系统模型和车辆充电器模型，进行仿真。（5）最后对仿真结果进行分析。

2纯电动汽车的整体结构和相关技术2.1比亚迪e6简介比亚迪e6整合电池产业和汽车产业资源，自主研发以锂钴铁磷酸盐电池为动力源的纯电动汽车。比亚迪e6拥有成熟的设计和良好的性能，是一款有特色的产品。200Ah的超大电池系统容量使e6成为我国目前这个世界上续驶里程世界最长的纯电动轿车。的身体是承载身体前后纵梁,这样电池包和力量的身体有机融合到身体,完全确保安全的电池和整车;简而言之,e6是一个当之无愧的新能源、新能源、新概念的纯电动汽车!2.2比亚迪e6性能比亚迪e6技术的有环保、无污染，噪声低的特点，同时比亚迪e6的动力电池和启动电池均采用比亚迪公司自主创新研发的和生产的铁电池，其含有的所有学生化学研究物质均可以进行无害的方式方法分解吸收，能够得到很好地解决二次回收等环保管理问题，不会对社会环境因素造成没有任何一种危害，是绿色发展环保的电池。其次比亚迪e6有节能、经济、实惠的特点，其充电性能好。比亚迪e6使用方便,慢速充电只需要220V民用电源。它可以在10分钟左右给50%的电池充电。百公里能耗为21度电以内。还具有极佳的安全技术性能，因为铁电池可以经过高温、高压、撞击等试验进行测试，安全生产性能极有所提高保障。此外，还有强大的性能，100公里加速时间在10秒内，最高时速可达160公里以上。可以续驶里程已经超过300Km。最后，比亚迪e6的维护成本低。在很多人眼里，纯电动汽车的维护成本会更高，充电也不方便。但其实比亚迪e6的维修成本比较低，绿色环保的效益高，保养费用低。2.3比亚迪e6动力系统2.3.1动力系统基本结构组成DC-DC:负责将330V高压直流转低压提供给车载低压用电设备，如蓄电池、EPS等动力配电箱:通过配电箱对电池包体中巨大的能量可以进行管理控制，相当于没有一个国家大型的电闸，通过使用继电器的吸合来控制电流通断，将电流数据进行有效分流等等。关键部件是继电器，需要通过多个继电器并联工作，才能控制流经整车的如此大的电流，这也对继电器的一致性和可靠性提出了严格的要求。电池管理控制单元:电池技术管理系统单元做为监控电池包，保证电池包体正常发展工作的监控单元而存在，主要研究目的就是为了能够保证每节串联电池的电压、电流等各项安全性能分析指标的一致性，由于电池的原理有些像木桶效应，某节短板的话，所有电池性能都将按照这--节性能计算，这将对电池可靠性提出及其高的要求，为了有效防止过充、过放、过温等一系列重要影响单节电池性能的问题已经出现，通过这种电池成本管理结构单元之间进行风险监控，时时保证电池工作在正常教学工作环境状态下。动力电机:动力电机按冷却形式分为风冷和水冷，按结构分为DC有刷电机、DC无刷电机和交流电机。动力总成(电池组)：动力总成是为整车提供动力的设备，根据电池类型的不同，可分为锂电池、镍氢电池和铅酸电池。2.3.2动力系统基本工作原理1充电过程高压进行充电桩或者市用电源可以通过研究车载充电器升压后输电给车上的配电箱,配电箱没有经过一个应急控制开关后对HV电池组充电。充电时，电源管理器始终监控高压电池组的温度和电压，如果高压电池组内的单位温度或电压过高，电源管理器会切断电源。2放电过程HV电池组在电源管理器和漏电保护器的监控下,通过应急控制开关输电给配电箱,配电箱根据不同车辆的实际生活用电发展情况以及分配电量。电源的一部分流向电机控制器，另一部分流向DC-DC开关。主控ECU根据不同驾驶员进行操作系统信息(接收加速踏板角度分析传感器和挡位控制器的信号)控制电机控制器的工作,电机控制器则主要可以控制资金流向电机电量大小问题以及创新驱动车辆前进或后退。从配电箱流向DC-DC交换机的另一部分电力通过DC-DC交换机将高压DC转换为低压DC，为车辆电液动力转向系统提供42V电源，为整车电气设备提供12V电源。2.3.3纯电动汽车的基本结构与传统内燃机汽车相比，纯电动汽车使用电动机代替发动机进行驱动，车辆内部的一些结构和布置发生变化，增加了电源管理系统、驱动电机和电力驱动控制系统等新的部件，电力控制系统有电力驱动主模块、车载电源模块和辅助模块三大部分[6]。纯电动汽车将动力电池中的电能输出到控制器驱动电动机运转，再由减速器传给车轮，使电动汽车启动，进行前进或后退。如果车辆是电制动，在制动时会将车辆的部分动能进行回收至动力电池，节省能量并增加车辆续航[6]。图2-1是纯电动汽车电力驱动模块图。图2-1纯电动汽车电力驱动模块纯电动汽车由电源系统、动力传动系统、整车控制器和车辆辅助系统等部分构成。（1）电源系统纯电动汽车的电源系统有动力蓄电池、电池管理系统、车载充电机以及辅助动力源等。动力电池储存电能，为车辆供能。现在的动力蓄电池以锂离子电池为主，锂离子电池有很多种类型，例如Tesla汽车使用的三元锂离子电池和比亚迪汽车使用的是基于磷酸铁锂电池技术的刀片电池等。电池管理系统（BMS）对动力电池的使用情况进行实时监控，包括电池的电压、温度、放电电流、电量等参数，按照实际情况进行相应的调节与控制，在进行充电时通过控制电流大小避免动力电池过充，将电池参数显示在车辆仪表盘，对不正常的状态进行报警[7]。车载充电机是将市电制式转换成车辆充电要求的制式。车内的辅助动力源使用12V或24V直流电源，供能给车辆动力转向、制动、车内的照明、空调等设备[7]。（2）动力传动系统纯电动汽车的核心是动力传动系统，这是和传统燃油汽车最大的不同之处。包含功率变换器、控制器、驱动电动机、传动设备等部分。动力传动系统的作用是把动力电池的电能转换成机械能对车辆进行驱动，在车辆进行减速、制动或者下坡操作时，实现能量回收和再生制动。最早纯电动汽车采用直流串激电动机作为车辆的驱动电机，直流串激电动机的机械特性软，适合使用在纯电动汽车汽车上。但是同时它也存在很多缺点，如电机转换效率低和维护保养繁琐等，现在电动机和其控制技术发展迅速，纯电动汽车的驱动电机开始使用无刷电动机、开关磁阻电动机和交流异步电动机。（3）整车控制器整车控制器控制整个电机系统的运行。它处理车辆所有的输入信号，实时监控电机的运行状态。根据加速和刹车踏板的输入信号，通过控制器输出对应的指令，控制电机的启动、加减速和制动动作。车辆在减速和下坡的时候，控制器与电源管理系统（BMS）发出相应信号，实现车辆的能量回收，充电至动力电池。在车辆充放电时，整车控制器也对其参与控制。在行车过程中相关车辆的参数，包括速度、电压和电流等信息也通过整车控制器传送至驾驶室进行显示，让驾驶人员随时掌握车辆状态[8]。电动机控制器包含车辆诊断功能的电路。当车辆出现故障时，诊断电路就会立即出现错误代码传送至整车控制器。电动机控制器的监测传感器有很多，包括电流传感器、电压传感器和温度传感器等，对电动机工作过程中的电压电流以及各模块的工作温度。（4）车辆辅助系统车辆的辅助系统包括车辆信息显示仪表盘、方向盘转向助力、照明以及空调等设备，有的还配备了车辆驾驶辅助系统，提高整车的舒适性和安全性。2.4纯电动汽车的驱动系统结构纯电动汽车由于电动机、动力电池、变速器等零件结构不同，并且各个零部件之间使用柔性电缆连接，所以驱动系统结构有很多种形式，对其进行合理的布置，不仅可以增加车内的空间，还能对纯电动汽车的能量转换效率进行提升。车辆动力驱动部分的核心就是电机，驱动方式主要有电机轮驱动方式和驱动电机中央驱动方式构成。图2-2为纯电动汽车的驱动结构形式示意图。图2-2纯电动汽车的驱动结构形式图2-2（a）是电机中央驱动形式1。将动力电池的电能供到驱动电机工作，经过离合、变速器、差速器等带动车轮使车辆行驶。这种驱动方式除了是驱动电机替代了发动机，其他与内燃机汽车完全一样。这种驱动系统布置结构虽然成本低，但是机械传动结构很多，增加了能量的消耗，能量转换效率变低，车辆整体性能变差。图2-2（b）是电机中央驱动形式2。和驱动形式1相比，驱动形式2使用定速比减速器代替了离合和变速器，减少了电机的动力损耗。这种驱动系统布置结构可以增加驱动电机的转速，在转速达到电机的最大转速时扭矩最低，达到恒功率输出；因为这种形式减少了一些机械装置，降低整车质量，增加了车身空间。图2-2（c）是电机中央驱动形式3。这种驱动系统布置结构进一步改变并简化了驱动电机的传动方式，将驱动电机、固定速比减速器和差速器集为一体驱动车辆；可以降低整车质量，增加车身空间，但是这种形式只能应用于低速纯电动汽车。图2-2（d）是双电机驱动方式。这种驱动系统布置结构是两个驱动轮各有驱动电机和变速器，能够独立完成驱动和变速差速行驶，在转弯时更加地稳定。因为没有了差速器，所以提高了车辆的传动效率。但是缺点也比较明显，使用了双电机，对车辆的控制系统要求更高。图2-2（e）是轮边电机驱动方式。这种驱动系统布置结构是集驱动电机和定速比减速器为一体安装在车辆的驱动轴上，与前一种驱动系统布置结构相比，简化了传动路径，可以使车身的高度降低，车辆可以负载更多。图2-2（f）是轮毂电机驱动方式。这种驱动系统布置结构把驱动电机装进了轮毂，可以使动力电池的布置更加的多样，不止于一种布置形式，还能拥有更多的车身空间；可以单独控制与调节车轮，在车辆转弯时更加的灵活、安全[9]。2.5纯电动汽车的动力电池及充电技术纯电动汽车的动力电池类型有三种：能量型、功率型和能量功率兼顾型。能量型电池就是电池容量很大；功率型电池可以瞬间输出较高的功率；能量功率兼顾型电池同时拥有大容量和高功率的特点。影响纯电动汽车续航的最直接因素就是动力电池的容量，电池容量和车辆的续航成正比。单电池的容量是确定的，想要增加电池的容量，就是增加电池的数量，组成的动力电池组体积和质量就会增加。车辆的动力电池由实际需要和用途以及电机的电压值来进行设计。现在纯电动汽车动力电池使用的电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。表2-1所示常见的电池的性能。表2-1常见电池分类铅酸电池镍氢电池锂离子电池单体电压（V）能量密度（Wh/L）循环寿命（次）回收利用率（%）能量效率（%）235~40300~50097801.265~80500~100090903.2/3.6120~20020009890这三种电池的特点分别为：铅酸电池：寿命短、能量密度低、充电时间长，但是使用成本低、耐高温耐低温，多用于旅游观光车等低速电动汽车。镍氢电池：比能量低、不耐高温、在高温情况下充电不安全，但循环寿命长、耐低温、污染极低。锂离子电池：工作电压高、循环寿命长、比能量高、可以快速充电等，现在被广泛使用在纯电动汽车。锂离子电池根据制造材料不同，划为锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池三种。锰酸锂电池：锰酸锂的安全性好、制造成本低，但是循环性不佳、不耐高温。磷酸铁锂电池：磷酸铁锂电池耐高温、使用寿命长、能量密度大、安全性能佳、成本低、无污染，但是导电性不佳、不耐低温。三元锂电池：能量密度大、耐低温、电池循坏性能佳、体积小，电压可达到3.7V，但是在受到撞击或者高温时会燃烧[10]。经过以上对比，选用磷酸铁锂电池作为车辆的动力电池。动力电池在即将没电时，就应当立即对其进行充电，这就是普通的常规充电。常规充电是恒压小电流或恒流对动力电池进行充电，大概充电10小时左右完成充电，根据电池的容量进行改变。因为常规充电较慢，如果在紧急情况下车辆需要急需充电的情况下并不能进行快速充电。于是快速充电技术应运而生，本质是通过提升充电电流来提高充电功率，但是快速充电器的设计也更为复杂。纯电动汽车的充电机分为直流充电机和交流充电机。直流充电机是交流电输入，经充电机内部整流后为直流充电模式，输出 可控的直流电源为车辆动力电池进行充电。交流充电机输入交流电，经充电机内部变压变频后输出交流电源，但是这种充电机的特征是车辆内置了充电机，最终充向动力电池的电源是直流电源。直流充电机按照拓扑结构可以分为单极结构和多级结构两类。单极结构中多使用三相PWM整流器，交流电经由隔离变压器、滤波器等，经整流器进行AC/DC转换为直流电对辆动力电池充电。现在三相PWM整流器的发展成熟，被大多企业使用，也可以进行大功率充电，所以更加的具有优势。输出的直流电源电压平稳，非常适用于动力电池充电。单级式结构因为内部结构简易，所以充电效率会比较高，但是输出电源电压的范围过窄。荷电对于纯电动汽车电池端的电压影响很大，对于要求电压较宽范围的场合不能使用单级式结构拓扑。多级式结构就是对单级式结构升级。交流电源经过AC/DC整流器整流，然后再经过DC/DC转换器进行调压得到直流电源。多级式结构中使用的AC/DC整流器是由单级式拓扑结构组合而成，DC/DC转换器则是根据输入的电压来确定使用隔离或非隔离拓扑，目前纯电动汽车充电常使用的是非隔离DC/DC转换器。纯电动汽车的充电具有随机性，因为自身的波动性较强，会对电网造成冲击。在发展纯电动汽车充电技术的过程中，重点需要将充电器和电网做到稳定配合，既要车辆充电稳定安全，也要保证电网的平稳运行不受影响。目前发展智能化充电显得尤为重要，对充电过程进行监控实现充电管理自动化，使电力系统高效、平稳运行[11]。在本文中采用的是多级式结构直流充电机，图2-3是本文所设计的车辆充电器示意图。图2-3车辆充电器示意图2.6本章小结本章主要介绍了纯电动汽车的整体结构，详细地将车辆拆分为多个部分进行分析；介绍不同布置结构的优缺点；介绍了车辆的驱动结构方式以及动力电池的区别，为后续设计提供了参考依据。

3纯电动汽车动力传动系统设计3.1纯电动汽车动力传动系统的方案设计对于纯电动汽车动力传动系统的设计，要选择最适合的传动系统结构的布局，机械能的转换效率要达到最佳，并且一定要展现出传统内燃机汽车没有的优势。车辆的电机部分包括驱动电机和两个小电机，驱动电机驱动车辆行驶，两个小电机用于能量回收。车辆行驶时，动力电池只供电给驱动电机，在车辆高速行驶或负载大时，动力电池就要供电给驱动电机和两个小电机了，以分担驱动电机负荷。在车辆减速时，三个电机都能回收能量，增加车辆的续航。这种动力传动系统结构是目前最佳的搭配，效率和安全性都很高。影响纯电动汽车基本性能的因素就是车辆驱动电机的功率。电动机功率越大，车辆在一些极端路况下的行驶会容易一些，加速也会更快。但是大功率电动机的质量和体积会更大，车辆的结构更加复杂，稳定性和安全性就会降低，所以要根据车辆的用途和需要来选择电动机，达到车辆最佳性能[12]。结合本文第二章所介绍的纯电动汽车的驱动系统结构，以及车辆的能量转换效率、机械传动效率、车身内部空间等方面考虑，本文采用电机中央驱动形式2作为纯电动汽车驱动系统的布置形式，可以提高电动机的转速和车辆的性能。3.2纯电动汽车动力传动系统选型和设计3.2.1电动机的选取纯电动汽车使用的电动机明显区别于工业上使用的电动机，纯电动汽车因为需要经常性的进行启动、停车、加速、减速等操作，所以导致驱动电机的状态经常改变，调速范围要求较宽。而且驱动电机要承受在行驶过程中产生的冲击、振动以及惯性力。因为纯电动汽车工作环境复杂特殊，所以对驱动电机的要求就会比较多。（1）功率密度高：可以减轻整车直流，提升车身空间，车辆续航里程增加；（2）调速范围宽：在恒转矩和恒功率的转速满足电动机的要求；（3）效率高：车辆行驶过程中遇到复杂路况和需要经常性改变行驶状态时有比较高的效率；（4）过载能力强：需要在上坡和急加速行驶时所需要的时间少且稳定；（5）可靠性高：车辆在环境恶劣的工况下驱动电机能进行稳定长时间运行且保持较好的状态[13]。（6）响应速度迅速：对于驾驶人员给出的输入信号迅速进行相应动作的输出。图3-1为时目前的车用驱动电机类型。图3-1车用驱动电机类型目前纯电动汽车所搭载的驱动电机主要有三种：永磁同步电动机、交流异步电动机和开关磁阻电动机。直流电动机因为发展迅速，拥有成熟的技术和简单的控制策略，是最早被用作驱动纯电动汽车的电动机。它的输出转矩大，能够在短时间内进行启动和停车。但是它有体积较大、笨重和能量转换效率低等缺点，所以导致电动机的转速低。交流异步电动机的工作原理是交流电源经过定子绕组，产生旋转磁场，转子绕组切割旋转磁场产生感应电动势和感应电流，形成电磁转矩并使得电动机旋转。它的优点有很多，运行可靠、结构简单、价格低廉以及后期的维护便捷。开关磁阻电动机具有结构简单、价格低廉、安全性高以及启动时无需大电流转矩大等优点。但是震动大，产生的噪音也很大。永磁同步电动机的体积小，没有电刷结构，运行可靠。和其他电动机相比，永磁同步电动机在许多方面都很出色，能量转换效率高，对于输出信号能更快的做出反应；但是它在较低转速时效率低[14]。和直流电动机相比，这三种电动机的各方面都更加卓越，所以直流电动机逐渐被这三种电动机取代。表3-1为是对这四种电动机的性能比较。表3-1常用驱动电机性能比较性能/类型直流电机永磁同步电机交流异步电机开关磁阻电机功率密度转矩性能转速（r/min）峰值效率（%）负荷效率（%）过载能力（%）恒功率区比例可靠性控制器成本电机尺寸/质量低一般4000~600085~8980~87200-差低大/重高好4000~1000095~9785~973001:2.25优良高小/轻中好9000~1500094~9590~92300~5001:5好高中/中较高好＞1500085~9078~86300~5001:3好一般小/轻综合考虑各类电动机的性能，本设计采用永磁同步电动机作为纯电动汽车动力系统的驱动电机，它结构简单、体积小、控制方法简单、使用寿命长。一辆纯电动汽车的整备质量为1500kg，整备质量1800kg。风阻系数0.41，轮胎半径为0.3396m，传动系统的转换效率90%，设计整车最高速是100km/h。需要计算出电动机的额定功率。式3-1是车辆在100km/h的速度下平路持续行驶30分钟求得的电动机功率：Pe=1ηT计算得到在平路状态下的最高功率为45kW，在此基础上还要考虑到车辆在上坡时需要的功率会更高，所以选取的永磁同步电机的功率为60kW。式3-2根据最车速计算出电机的最高转速：V=n×60×3.14×2×r1000×i（3计算得出n=3471，考虑到要富有余量，所以选择最高转速是3600r/min。表3-2为永磁同步电动机的参数。表3-2永磁同步电动机参数名称永磁同步电动机额定功率峰值转速峰值转矩最高效率70kW3600r/min180N·m90%3.2.2电动机驱动控制系统设计永磁同步电机采用双闭环矢量控制方法，应用非常的广泛。矢量控制系统有三个调节器，一个转速环调节器和两个电流环调节器，一般都采用PI调节器。对与永磁同步电机电流内环调节器设计就是对iq（定子电流）进行控制来控制电动机转矩。图3-2为永磁同步电机双闭环矢量控制框图。图3-2永磁同步电机双闭环矢量控制框图电机在启动的过程中，电流内环能输出最大电流，使电机响应迅速。同时能够抵抗并恢复外部扰动，提高驱动系统的稳定性[15]。根据电机的实际电流与参考电流的差值，采用PI控制器产生ud、uq命令。转速外环则根据电机实际转速与参考转速的差值，采用PI控制器产生iq命令。驱动系统如果设计合理，可以减少影响系统的扰动，使系统稳定安全运行。图3-3是电流环模块，转速环模块也是一样的。图3-3电流环、转速环模块式3-3为电流环和转速环的PI控制算法：Te∗=Kp(n在式3-3中，Kp表示比例系数、Ki表示积分系数。因为图3-3是理想状态下的电流环和转速环PI控制器模块，在实际情况下会有差别，在仿真时要离散化，所以要增加零阶保持器模块模拟离散化的情况，图3-4为电流环和转速环PI控制器：图3-4电流环PI控制器电机参数为极对数Pn=4，电枢电感Ld=5.25mH，Lq=12mH，定子电阻R=0.96Ω，磁链ψf=0.182743wb，转动惯量J=0.0003007kg·m2，阻尼系数B=0.008N·M·s。仿真条件：直流电压Udc=311V，开关频率fPWM=10kHz，采样周期Ts=10μs，采用变步长ode23tb算法，相对误差0.001，仿真时间0.4s。式3-4为电机时间常数，电流环带宽和电机时间常数有关系：τ=minLdR带宽α=2π/τ，选择转速环带宽为：β=50rad/s，式3-5至式3-10为各参数的计算。电流环：τ=minLdRα=2πτ=6.285.73∗1电流环各个PI参数：Kpd=αLd=1100∗5.5∗1Kpq=αLq=1100∗12∗1转速环参数Kiw：Kpw=βJ1.5PKiw=βKpw=0.14∗50=7这些参数经过计算会有一些偏差，需要在仿真的时候调试以达到想要的结果。3.2.3蓄电池组容量的选择及设计动力电池为车辆提供动力来源。动力电池的容量、电池组的形状、体积和质量对车辆的续航能力有直接的影响[18]。选择动力电池类型要符合纯电动汽车的需求。纯电动汽车主要考虑车辆的续航和加速性能，需要动力电池容量大、能量密度高、能量转换率高以及使用寿命长[19]。同时动力电池还要与车辆的驱动电机电压、功率等相匹配，还要考虑到车内的空调等电子设备的消耗。首先电压要与永磁同步电动机一致，其次还需要满足电压变化的要求，动力电池的电压要高于电动机的额定电压。动力电池的容量正比于它的功率，电池的容量越大，输出的功率就越大，所以要根据车辆的实际续航需求确定动力电池的容量[20]。对于纯电动汽车动力电池的选择还要考虑到安全性和环境保护方面，车辆在极端使用情况下电池能够正常功能且保证安全和减少环境污染[21]。锂离子电池对环境污染影响不大，因为锂电池不含有重金属等污染物质；它的使用寿命长、能量密度高，现在的纯电动汽车使用的动力电池几乎都是锂电池。使用磷酸铁锂作为正极材料的锂电池安全性更高[22]，所以本文选用磷酸铁锂电池作为纯电动汽车的动力电池。以轿车来进行相关参数的计算。由表3-2可知电动机的峰值转矩是180N·m，可以计算出电动机的峰值功率，如式3-11：P=T×n9550=180×36009550计算得出峰值功率P=67.85kW，考虑到需要留有余量，所以选择电动机的功率为70kW，按照此功率可以选择出合适的电池容量和电压。表3-3是动力电池主要性能参数。表3-3动力电池主要性能参数参数数值单体额定电压（V）标称容量（Ah）放电截止电压（V）SOC允许范围最大充电电压（V）电池组数动力电池组电压（V）3.21002.60.15~0.95220V/DC692203.2.4电动汽车充电器的设计目前纯电动汽车的充电方法主要有传统的充电方法、无线充电法、脉冲充电法等，其中传统充电方法又可以分为恒压充电法、恒流充电法和阶段充电等。目前世界上对锂离子电池功能的纯电动汽车大多采用的是三阶段充电法，这是因为其充电曲线与锂离子自身的特性较为符合，这样既可以提高充电效率又可延长电池使用寿命，因此本设计中也采用的是三阶段充电方式[23]。交流电源输入，经车辆充电器内部进行伊西流的变频变压、整流等过程，输出稳定的直流电为动力电池进行充电。由上一节动力电池的参数来参考进行车辆充电器的设计。表3-4是充电器的主要参数：表3-4充电器主要参数参数数值输入电压输入频率最大充电电压最大充电电流最大充电电压满载功率因数380V/AC50Hz380V25A380V0.95其中还需要带有保护功能，包括过压，过流，欠压，过温，短路等保护。车辆的充电方式是锂离子电池三阶段充电方式。3.3本章小结本章节主要对纯电动汽车动力传动系统的总体方案设计和选型作了重点描述，对于纯电动汽车最主要的部分电动机做出了分析和比较，最终选择因此它能大家族谱为车辆的驱动电机；对于动力蓄电池进行了分析和选型，选择磷酸铁锂电池作为动力电池；对于充电器方面进行了充电方式的选择和设计，以满足整车动力性以及续航里程的要求。

4纯电动汽车动力传动系统MATLAB仿真4.1MATLAB简介MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂。这款软件可以使用的用途非常广泛，包括无线通信、数据分析、控制系统等领域。它能对数值进行分析和计算，将建模和仿真结合在一起，使科学研究、工程设计等领域的计算和设计更加的便捷，摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式[25]。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。图4-1为Simulink中的库浏览器。图4-1Simulink库浏览器在MATLAB软件中新建Simulink模型，通过Simulink组件中的库浏览器添加我们需要元器件和设备等模块来进行仿真模型的建立，拖动至Simulink的仿真模型窗口中，或者对这些模块进行复制，然后粘贴到模型窗口。选择好各部位器件后，布置好位置，进行连线，进行各个器件的参数设置，对各部位进行检查，没有错误之后可以按下“RUN”按键运行仿真程序了，仿真的过程中或者结束低于能在显示器件中观察仿真结果，并进行模型调整与修改。4.2纯电动汽车整体结构及充电系统的仿真模型车辆启动过程使将动力电池的电能传递至DC/DC变换器升压，升压后再由DC/AC逆变传送至永磁同步电动机进行驱动，输出转矩和转速。图4-2为车辆动力传动系统模型。图4-2动力传动系统模型在动力传动系统中，动力电池的选定以及参数在第三章都已确定。图4-3至图4-4为纯电动汽车动力电池部分模型以及参数设置。图4-3动力电池模型图4-4动力电池参数图4-5和图4-6为车辆充电器模型由于莫ing较长，所以分为了两部分进行显示。图4-5车辆充电器模型1

图4-6车辆充电器模型2车辆充电器是交流电为输入电源，经过AC/DC整流、DC/AC逆变、AC/AC降压变频、最终AC/DC整流四次变换，采用闭环控制，得到稳定的直流电源为车辆动力电池充电。4.3纯电动汽车驱动系统仿真永磁同步电机的英文缩写为PMSM，在Library内搜索Permanent即可找到它。图4-7为永磁同步电机驱动模型，图4-6至4-9为永磁同步电机的参数设定。图4-7永磁同步电机驱动模型图4-8永磁同步电机配置图4-9永磁同步电机参数

图4-10永磁同步电机参数高级设置电动机仿真使用的是已有电机的参数，这里的Rotofluxpositionwhentheta=0一定要选择AlignedwithphaseAaxis跟随A相，因为当theta=0时磁通不跟随A相，会出现非常严重的相位错位，导致PI调节器失效。4.4仿真结果通过Simulink模型仿真后进行波形输出，图4-11至图4-13为永磁同步电机的转速波形、电流波形和转矩波形仿真结果。图4-11转速波形当电机转速从0开始上升到l000r/min，虽然在开始时电机转速有一些超调量，但动态响应速度较快。在t=0.2s时电机突加负载转矩TL=10，电机也可以迅速恢复到设定转速，设计的PI调节器的参数比较正确，具有较好的动态性能和抗扰动能力，满足控制需求。图4-12三相电流波形电机在启动转矩为0时，三相定子电流不稳定，但是迅速稳定了下来，在转矩增加至10的时候也很快变化并稳定了下来，都呈现了较好的正弦特性。图4-13电机转矩波形电机在启动时转矩波动较大，很快就稳定了下来，在0.2s时突加负载转矩TL=10，电机也能很快的稳定至给定值。图4-13为充电电压波形。图4-14充电电压波形充电部分由于经过AC/DC整流、DC/AC逆变、AC/AC降压变频、最终AC/DC整流四次变换器的变换后，得到了非常稳定的直流电压源为动力电池进行充电，进而保护电池。

5总结本文以纯电动汽车为研究对象，分析车辆不同的动力传动系统的结构布置形式和工作原理、动力电池材料及类型，利用MATLAB/Simulink平台对动力传动系统建立仿真模型，并分析输出仿真波形，得出以下结论：纯电动汽车的性能最主要取决于所选择的电动机类型和动力电池的性能，变速器也有一定的影响。对于电动机的选型，选择了永磁同步电机，永磁同步电机在功率密度、效率、转矩性能和可靠性等方面明显优于传统的直流电动机，而且易控制、体积