《汽车设计》课件-第11章-电动汽车电机驱动系统设计

1汽车设计第11章电动汽车电机驱动系统设计2第11章电动汽车电机驱动系统设计返回目录11.1概述11.2电动汽车驱动电机的选择11.3电动汽车电机驱动主要参数的选择11.4电动汽车再生制动系统的设计3电机驱动系统组成：电机、电机控制器、功率转换器、机械传动装置、车轮作用：将电能转化为车轮的动能，控制汽车在各种工况下行驶，在汽车减速制动时回收部分能量。电动汽车常用的电动机主要有直流电动机和交流电动机两类采用直流电动机时，驱动系统不需要离合器和变速器，具有起步加速牵引力大，控制系统简单等优点，但传动系统效率低。采用交流电动机时，具有体积小、质量轻、效率高、调速范围宽和维护方便等优点，但制造成本较高。随着电力电子技术的发展、电动机制造成本的逐步降低，交流电动机在电动汽车上的应用也越来越广泛。第11章电动汽车电机驱动系统设计第11.1节

概述返回目录4下一节第11.1节概述本节内容结束5第11.2节

电动汽车驱动电机的选择常用的有：直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机（1）直流电动机用于早期的电动汽车，在新研发的电动汽车驱动系统中应用越来越少优点：技术相对成熟控制特性优良缺点：电动机转速偏低换向器和电刷需要定期更换直流电动机运转时电刷会产生火花散热也比较困难6交流感应电动机（2）交流感应电动机优点：结构简单、便于维修调速范围比较宽能进行能量的回收再利用，能量利用率也相对较高冷却方法简单，用空气就能冷却可控性好缺点：质量偏大成本较高7（3）永磁电动机优点：质量功率大（超过1kW/kg）效率高（最高能达97％）可靠性好，体积小、质量轻，便于维修控制系统简单

缺点：永磁电动机的功率较小永磁材料强度较差，会发生磁性衰退现象，要采取水冷却方式来控制温度永磁材料的价格较高，因此永磁电动机及其控制系统的成本较高永磁电动机8开关磁阻电动机（4）开关磁阻电动机优点：结构紧凑效率高可靠性好缺点：技术还不够成熟在使用中振动噪声较大此外电动机的控制较复杂图11-4开关磁阻电动机9（5）电动机的选用电动机的选用10电动汽车用驱动电机系统与普通工业用驱动电机系统的比较电动机的选用11下一节第11.2节电动汽车驱动电机的选择本节内容结束12电动机的额定功率和峰值功率第11.3节电动汽车电机驱动主要参数的选择参数：额定功率、峰值功率、额定转速、最高转速、最大转矩、额定电压（1）电动机的额定功率和峰值功率：最高车速、最大爬坡度和加速性能1)根据电动汽车最高车速确定电动机功率电动机的额定功率不小于汽车以最高车速行驶时行驶阻力消耗功率之和。2）根据电动汽车最大爬坡度确定电动机功率3）根据电动汽车加速性能确定电动机功率13电动机的额定功率和峰值功率额定功率应满足电动汽车对最高车速的要求，峰值功率应能同时满足电动汽车对最高车速、最大爬坡度和加速度的要求。电动汽车电动机的峰值功率与额定功率的关系为式中，为电动机的峰值功率（kW）；为电动机的额定功率（kW）；为电动机过载系数14电动机的最高转速和额定转速（2）电动机的最高转速和额定转速1)最高转速式中，为电动机最高转速（r/min)；为汽车最高车速（km/h）；为传动系统传动比；为车轮滚动半径（m）。2)额定转速式中，为电动机扩大恒功率区系数，通常取值为2~4之间。15电动机最大转矩和额定电压（3）电动机最大转矩满足汽车启动转矩和最大爬坡度大的要求，同时结合传动系统最大传动比来确定（4）电动机额定电压电动机额定电压与额定功率成正比选择依据：车辆总体参数、电池总体要求：尽量提高电压等级，使电动机在满足驱动要求的情况下，功率和电流小。这样，电池的容量选择、安装空间、安装方式等就比较容易处理16下一节第11.3节电动汽车电机驱动主要参数的选择本节内容结束17原理：电动汽车的再生制动是把电动机工况转变为发电机工况，把制动动能转化为电能，反馈给电池并可继续使用方式：再生制动能够把车辆的部分制动动能转化并储存起来，而不是以热的形式损耗效能：在城市工况运行条件下，有效地回收制动能量，电动汽车大约可降低15%的能耗，行驶里程延长10%～30%第11.4节

电动汽车再生制动系统的设计18电动汽车制动时，电机转速低于理想空载转速，为实现制动能量回馈，通常都需要升压斩波调制。电路主要由两个IGBT原件T1和T2、电机M、电感L、电阻R等组成。11.4.1电动汽车再生制动系统的原理11.4.1电动汽车再生制动系统的原理图11-5：电动汽车再生制动系统电路图电动汽车正常行驶时，T1工作，而T2关断，工作回路为ABCDEA。1911.4.1电动汽车再生制动系统的原理制动时，T1、T2均关断，电流通过VD2续流，电流回路如图11-6(a)所示的DFGD回路转化为热能消耗，由于汽车的惯性，此时电机工作于发电状态，回路电流反向。图11-6再生制动过程20T1关断，T2导通时，电流通过T2，如图11-6（b）所示的回路，经过Ton时间后，T2管关断，形成如图11-6(c)所示回路EDCBAE，电能反向充入电池。11.4.1电动汽车再生制动系统的原理图11-6再生制动过程21再生制动过程：续流阶段、电流反向阶段和能量回馈阶段（1）续流阶段汽车开始减速，控制T1、T2均关断，电机电感中的电能经L-VD2-R消耗一部分根据克希荷夫定律，电路满足下列方程式中，E为电机电动势（V）；Ke为电动势常数；no为电机转速（r/min）。

初始条件t=t0=0，i=I0，I0为一个PWM周期开始时电枢电流，可得电流续流阶段回路电流11.4.1电动汽车再生制动系统的原理续流阶段2211.4.1电动汽车再生制动系统的原理电流反向阶段（2）电流反向阶段电机处于发电状态，电流方向为CGFD，由于IGBT元件T2的开关频率比较高，电动势的方程如下：初始条件t=t1=0，i10=

，可得电流反向阶段回路电流：设T2导通时间为Ton，则Ton结束时回路电流ion为2311.4.1电动汽车再生制动系统的原理能量回馈阶段（3）能量回馈阶段经过Ton时间后，控制T2关断，由于L续流作用，电流通过VD1向电池充电，电流回路为EDCBAE，此时电路的微分方程为初始条件t=t2=0，I20=，求解方程可得回馈阶段回路电流i2为设T2关断时间为Toff，则此阶段向电池充电的电能为2411.4.2电动汽车再生制动系统的结构蓄电池和电机之间的连接为双向交互方式，即蓄电池向电机供电，电机也可以向蓄电池充电。11.4.2电动汽车再生制动系统的结构2511.4.2电动汽车再生制动系统的结构再生制动过程：1)制动开始，能量管理系统将电池SOC发送控制器，根据SOC值实现控制SOC>0.8，取消能量回收0.7≤SOC≤0.8，受电池允许的最大充电电流制约SOC<0.7，不受电池允许的最大充电电流制约2)控制器接收主缸压力信号，计算再生制动强度上限3)控制器根据电动机转速，计算电机能够提供的制动强度4)比较需求的再生制动强度上限和电机能够提供的制动强度，将结果发送给电机控制器5)电动机工作在发电机状态下，提供电压恒定流向的电流，再通过逆变器限制最高电压和升压，以便满足电流输出要求，充到动力电池组中6)能量管理系统时刻监测电池温度，温度过高则停止再生制动2611.4.3电动汽车再生制动控制策略（1）常见的再生制动控制策略采取前轮驱动时，再生制动的控制策略关注前、后轮制动器提供的制动力和前轮电机提供的再生制动力三部分之间的关系。能量回收控制策略主要下三种：1)前后轴制动力理想分配控制策略当减速度要求较小时，仅电机再生制动系统工作。随着制动减速度逐渐增大，前后轴制动力将被控制在理想制动力分配曲线上。其中前轴制动力等于再生制动力和机械制动力的总和。当控制系统达到驾驶员的减速度要求时，根据制动电机的特性和车载能量存储系统的SOC值来决定驱动轴制动力由再生制动系统单独提供，还是由机械制动系统和再生制动系统共同提供。2711.4.3电动汽车再生制动控制策略2)前后轴制动力比例分配控制策略当需要的总制动力较小时，全部由再生制动力提供当需要的减速度增大时，电机再生制动力所占的比例逐渐减小；机械制动力开始起作用当总制动力大于一定值时，再生制动力减小到零，机械制动提供所有制动力当所需的制动减速度存两者之间时，再生制动与机械制动共同作用3)最优能量回收控制策略总制动力需求小于最大再生制动力时，仅由再生制动力起作用总制动力大于最大再生制动力时，总制动力减去最大再生制动力是应该提供的机械制动力，分配到前轮机械制动力和后轮机械制动力前、后轮机械制动力的分配按照理想制动力曲线2811.4.3电动汽车再生制动控制策略三种制动控制策略的比较结果见下表所示前后轴制动力比例分配时的控制策略既能保证一定的能量回收效率，同时制动稳定性较理想，而且结构较简单，是当前技术条件下的一种比较好的选择。2911.4.3电动汽车再生制动控制策略（2）四轮驱动下的再生制动控制策略

前、后车轮都是由轮毂电机直接驱动，再生制动在前轮和后轮同时存在制动强度z≤0.1时，再生制动力提供整车制动；随着制动力增加，摩擦制动力开始作用，再生制动比例逐渐减小制动强度z≥0.7时，车辆为紧急制动，制动力完全由摩擦制动提供制动强度0.1<z<0.7时，整车的制动力由液压摩擦制动力与电机再生制动力共同提供3011.4.3电动汽车再生制动控制策略图11-9四轮驱动下制动能量控制策略图11-9中，OAB曲线所示为纯液压系统摩擦制动时前后轴