电动汽车驱动方式与驱动电机研究.docx

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电动汽车驱动方式与驱动电机研究

摘要

随着中国日趋严峻的大气污染和石油资源的越发紧缺，进展电动汽车已经成为国家战略。

国内众多大学、研究所和汽车企业纷纷投入庞大精力参与电动汽车研发，目前已取得多项冲破。

相较于传统内燃机汽车，轮毂电机驱动型电动汽车拥有无可比拟的优势：

大大简化的机械传动机构、优秀的传动效率、多样的驱动方式等。

本文顺应潮流，以轮毂电机驱动型电动汽车为研究对象，着力于电动汽车动力系统的匹配研究。

第一本文概述了选题意义和国内外电动汽车技术的进展状况；接着描述了电动汽车组成结构和各类电动汽车驱动形式，并选取了外转子式轮毂电机驱动方式；然后对电动汽车各类专用电机进行了充分的研究讨论，将电机按直流与交流分成两大类，逐项说明，并选取了永磁无刷直流电动机作为轮毂电机；在选取了驱动形式和电机种类后，以在售的知豆小型电动车为原型，设计计算轮毂电机参数；最后，运历时下最流行的电动汽车仿真软件ADVISOR2002进行电动车的模拟仿真，验证了设计的合理性。

关键词：

轮毂电机；永磁无刷直流电机；电动汽车；ADVISOR2002

Researchonelectricvehicledrivingmodeanddrivingmotor

Abstract

WithChina'sgrowingairpollutionandtheseriousshortageofoilresources,thedevelopmentofelectricvehicleshasbecomeanationalstrategy.Manydomesticuniversities,researchinstitutesandautomotivecompanieshaveinvestedgreateffortstoparticipateinthedevelopmentofelectricvehiclesandhasmadeanumberofbreakthroughs.ComparedwiththetraditionalInternal-combustionengineVehicle,thewheelmotorelectricvehiclehasagreatadvantage:

greatlysimplifiedmechanicaldrive,excellentdriveefficiencyanddiversedrivethispaper,theresearchobjectisthewheelmotorandthematchingoftheelectricvehicledrivesystemisimportant.

Firstly,thispaperoutlinesthesignificanceofthetopicandthedevelopmentofelectricvehicletechnologyathomeand,theelectricvehiclestructureandthedrivingmodeoftheelectricvehiclearedescribed,andtheouterrotorwheelmotorisallkindsofmotorsofelectricvehiclearestudiedandmotorisdividedintotwotypesaccordingtoDCandAC,andthepermanentmagnetbrush-lessDCmotorischosenasthewheelselectingthedrivemodeandthetypeofmotor,themotorparametersofthewheelmotoraredesignedbyZhidouelectriclast,thesimulationofelectricvehicleiscarriedoutbyusingthemostpopularelectricvehiclesimulationsoftwareADVISORrationalityofthedesignisverified.

Keywords:

Wheelmotor;Permanentmagnetbrush-lessDCmotor;Electricvehicle;ADVISOR2002

1绪论

1.1选题意义

进入21世纪，中国经济不断飞速进展，每一年需要消耗数量惊人的化石能源，直接致使的恶果就是中国的天空雾霾千里，而其中汽车尾气已经成为空气污染的重要来源。

十八大后，国家提出要建设橄榄型社会，扩大中产阶级规模，加速城镇化步伐。

展望未来中国汽车产量有望再翻一番，汽车人均保有量也将大幅增加，再加上日趋严格的城市机动车污染物排放标准，新能源汽车尤其是电动汽车，凭借其零排放、低噪音和低利用本钱的庞大优势，必将受到新型中产阶级的烈火欢迎。

从产业进展方面来看，当下中国汽车产业产销两旺，双双冲破两万万辆，排名世界第一，可谓名不虚传的汽车大国。

但大而不强！

在传统内燃机汽车技术方面，中国与世界汽车强国差距甚远，几乎不可能超越。

但此刻中国汽车产业面临一个弯道超车的好机缘，就是新能源汽车的普及，在这方面咱们的技术储蓄与汽车强国差距不过十年。

除此之外，我国正大力进展诸如太阳能、风能等清洁能源，尽力减少对化石能源的依赖，实现环境的可持续进展。

但光伏发电和风电，功率不稳，属“垃圾电”；加上目前我国严峻的夜间“窝电”现象，所以需要加倍完善的电网峰谷负荷平衡和储能技术。

不过到2020年中国将有五百万辆的电动汽车，而它们的电池将能起到极好的蓄能效果，为这些技术提供充分的硬件保障。

目前，新能源汽车划分为电动汽车（PEV）、燃料电池汽车（FCEV）和混合动力汽车（HEV）三种类型。

燃料电池汽车以氢气为燃料，利用氢气与大气中氧气发生氧化还原反映，并通过电极将化学能转化为电能，从而驱动汽车前进。

但由于多方面技术障碍，燃料电池汽车普及还为时尚早。

混合动力汽车可谓是一种过渡车型，其动力系统既有内燃机又有电动机，从而有效延长续航里程，并减少油耗。

目前此类车型由于丰田普锐斯的大卖，已具有必然的商业化基础，但它终究不是咱们的最终目标，咱们需要的是零排放车！

因此，电动汽车必将是未来汽车产业的主流，具有极大的进展潜力，值得咱们持续投入。

本文的研究对象即为电动汽车。

1.2国内外电动汽车进展现状与进展趋势

日趋严峻的全世界能源危机，正在枯竭的石油资源，加上恐怖的大气污染，使各国政府和汽车企业都熟悉到清洁的新能源汽车是未来汽车技术进展的必然方向。

汽车厂商、电池生产商、电力公司、各个大学和研究所都在不断研究电动汽车新技术。

1.2.1国外电动汽车进展现状

美国的电动汽车研究以三大汽车公司：

福特、通用和克莱斯勒为首，利用大企业雄厚的资金和技术实力，开发出多种类型的电动汽车。

同时，美国还充分利用其在汽车、电子信息、机电一体化、控制工程和材料等行业的优势，模块式地别离进展电动汽车各总成技术，因此其电动汽车技术得以迅速进展，尤其是动力电池方面。

美国以下列几项计划支持电动汽车技术进展：

FreedomCAR计划（自有车计划）、PNGV（新一代汽车伙伴计划）、EV电池利用研究项目。

除底特律的三大汽车公司之外，身世硅谷的特斯拉正展现出愈来愈非凡的竞争力，其最新推出的ModelSP85D电动跑车，百千米加速达到惊人的秒，代表着世界电动汽车技术的最前沿，如图所示。

图1.1特斯拉ModelSP85D

日本很早时就已着手进展电动汽车。

相较于其他国家，日本国土狭小、工业发达、人口密度大、又是个标准的石油贫国，因此日本政府从来重视电动汽车的研究和开发。

早在1965年，日本通产省就正式把电动汽车列入国家项目，踊跃增进电动汽车行业进展。

在日本，几乎所有的汽车公司：

丰田、尼桑、本田、马自达、三菱、铃木等汽车公司都制定了自己的电动汽车商业推行计划。

其中尤其以汽车巨头丰田最为成功，旗下混合动力汽车Prius因极佳的低油耗深受世界各国消费者的亲睐，实现了销量的井喷，目前已达三百万辆，如图。

图1.2丰田Prius

德国作为老牌的工业强国和汽车强国，也十分重视环境保护，踊跃组织电动汽车的研究与开发，为此政府指定奔驰和公共合伙成立了德国汽车工业有限公司的科技开发机构。

德国把目标锁定为：

2020年前后成为电动汽车的主要供给商和主导市场，并把实现这一目标视为可否“在工业、经济、科学和工艺技术上继续扩盛德国领先地位的机缘与挑战”。

若是实现这一目标，就意味着久远地保障了德国人的就业，并创造新的价值。

由此能够看出，德国把推动电动汽车的进展看做是提升整个国民经济的战略机缘。

奔驰作为德国三大汽车巨头之一，又是著名的奢华汽车品牌，在新能源汽车方面耕耘颇深。

旗下知名的S级轿车将推出插电混动版；另外，全新“Ecoluxe”是奔驰专为未来旗下全新电动汽车所打造的平台，该平台未来将打造四款新能源车。

一样作为德国汽车品牌，宝马公司已经推出多款i系列电动汽车。

其中电动跑车BMWi8，造型、动力各方面都相当超卓，如图所示。

图1.3BMWi8

1.2.2国内电动汽车进展现状

前面已经说过，在电动汽车领域，我国与国外的技术水平和产业化程度差距相对较小，极有机缘借此实现汽车产业的弯道超车。

我国早在“八五”期间就起动了电动汽车的研究和开发工作，并在2006年，科技部启动了“863”计划新能源汽车重大项目。

最新的《中国制造2025》把节能与新能源汽车列为重点项目。

计划称将继续支持电动汽车、燃料电池汽车进展，掌握汽车低碳化、信息化、智能化核心技术，提升动力电池、驱动电机、高效内燃机、先进变速器、轻量化材料、智能控制等核心技术的工程化和产业化能力，形成从关键零部件到整车的完整工业体系和创新体系，推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨。

基于强有力的政策支持，国内的众多高校、科研院所和汽车公司投入大量的人力、物力和财力参与研发电动汽车的研发，并取得了众多的科研功效。

东风公司是国内最先从事电动汽车研发的汽车企业之一，在电动汽车领域开创多项国家记录：

研制了第一台纯电动客车，第一台纯电动概念轿车等。

众泰2008E是国内首款能批量生产、销售的纯电动乘用车，被誉为国内纯电动第一车，也是国内首款挂牌上路的纯电动乘用车，其主要指标在国内纯电动乘用车领域具有明显的优势，它的诞生表明我国电动汽车技术步入实用的阶段。

位于中国深圳的著名汽车厂商比亚迪拥有世界前沿的动力电池与电机技术，连年来深耕电动汽车，已经推出多款新能源汽车。

旗下最新的混合动力汽车唐，百千米加速达到秒，号称世界最快suv。

还有旗下奢华纯电动客车K9，采用先进的轮边电机驱动技术，实现了一级踏步的低地板工艺，极大方便乘客上下车，目前已经销往美国，可谓国人自豪，如图。

图1.1比亚迪纯电动客车K9

另外值得一提的是，戴姆勒—奔驰公司与中国比亚迪一路出资打造DENZA腾势，将致力于进展环保节能、安全舒适、品质卓越的新能源汽车，致力于成为中国最成功的新能源汽车制造商，推动新能源汽车的进展和进步，旗下量产车腾势已经上市，如图。

图1.2腾势电动车

1.3本文主要内容

本文主要研究轮毂电机驱动型电动汽车的相关内容，包括汽车驱动形式研究、轮毂电机介绍、各类电机特性的研究、轮毂电机驱动型电动汽车电机参数计算和轮毂电机电动车的仿真运行。

本文主要内容如下：

（1）介绍电动汽车组成与结构。

重点解释电动汽车三大系统驱动系统、电源系统和辅助系统的组成及功能，和电动汽车的工作原理。

（2）分析比较各类电动汽车驱动方式，选择外转子式轮毂电机驱动型电动汽车，并采用双前轮驱动。

（3）分析比较各类电动汽车专用电机的结构、原理和机械特性，选择永磁无刷直流电动机作为轮毂电机。

（4）以在售知豆小型电动车整车参数为基础，计算所要设计的轮毂电机参数。

（5）运用经典电动汽车仿真软件ADVISOR2002，对设计的轮毂电机驱动型电动汽车进行仿真，验证参数的合理性。

2电动汽车结构与驱动方式

2.1电动汽车结构及运行原理

电动汽车是机械、运算机、材料化学、电子信息技术等多种高新技术的集成，作为典型的高新技术产品，它的最终目标是要实现数字化、智能化、和轻量化。

目前，研发的重点在于电池、驱动电机、控制器及能量管理技术。

电动汽车主要由驱动系统、电源系统和辅助系统等三大部份组成，如图所示。

2.1.1各系统组成及作用

驱动系统是电动汽车的核心，一般由控制器、功率转换器、驱动电动机、机械传动装置和车轮组成。

其功用是将蓄电池组中的化学能以电能为中间媒介高效地转化为车轮动能，进而推动汽车行驶，并能在汽车制动及下坡时，实现再生制动（即将汽车动能吸收并转化为蓄电池化学能贮存起来，从而增加续航里程）。

驱动电动机的作用是将动力电池的电能转化为机械能，通过传动装置驱动车轮，或由其直接驱动车轮。

电子控制器即电动机调速控制装置，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电机的转矩和转向的控制，从而实现电动车变速和变向。

功率转换器用做DC—DC转换（直流—直流）和DC—AC转换（直流—交流）。

DC—DC转换器又称直流斩波器，其作用是将蓄电池的直流电转换为电压可变的直流电，并将再生制动能量进行反向转换，用于直流电动机驱动系统。

DC—AC转换器通常称为逆变器，其作用是将蓄电池的直流电转换为频率、电压都可调节的交流电，也能进行双向能量转换，用于交流电动机驱动系统。

机械传动装置是将电动机的转矩传给汽车传动轴或直接传给车轮（轮毂电机）。

相较于传动内燃机汽车，电动汽车的机械传动装置大大简化，故其机械效率得以有效提高。

电源系统包括蓄电池组、充电器和能量管理系统。

电源是制约电动汽车进展的主要因素，其应具有高的比能量（即能量密度）和比功率（即功率密度），以知足汽车的续航和动力性的要求。

辅助系统包括辅助动力源、动力转向系统、导航、照明、刮水器、收音机和音响等，它们是汽车操纵性和乘员舒适性的保证。

图2.1电动汽车系统组成框图

2.1.2电动汽车运行原理

如图中所示，细线表示控制信号连接；粗线表示能量连接；双线表示机械连接。

来自制动踏板或加速踏板的控制信号输入电子控制器，并通过控制功率转换器调节电动机输出扭矩和转速，电动机扭矩再通过机械传动装置驱动车轮转动。

充电器通过外部充电接口向蓄电池充电，车辆行驶时，蓄电池经功率转换器向电动机供电。

汽车制动时，驱动电动机运行在发电状态，将汽车部份动能吸收，并从头转化为电能給蓄电池供电，从而延长续航里程。

2.2驱动形式与轮毂电机简介

电动汽车的结构布置比较灵活，形式多样，大体可分为两类：

电动机中央驱动和电动轮驱动两种形式，其中电动轮驱动包括轮毂电机驱动。

2.2.1驱动形式

如图所示，为一种典型的电动机中央驱动形式。

此种驱动形式参考了传统内燃机汽车，取消了内燃机，而以驱动电机代替，至于聚散器、变速器和差速器则不变。

图2.1第一种中央驱动式电动汽车结构

由于驱动电性能在较长的速度范围内提供相对恒定的功率，因此多速变速器可被一个固定速比减速器（即只有一档，传动比恒定）代替，现在聚散器也可省去，如图所示。

此种驱动形式能够节省机械传动系统重量和体积，另外能够减少操作难度。

图2.2第二种中央驱动式电动汽车结构

第三种驱动形式与上一种形式类似，只是电动机、固定速比减速器和差速器被整合为一体，布置在驱动轴上，如图所示。

现在整个传动系统被大大简化和集成化。

另外从再生制动的角度动身，这种驱动形式较容易实现汽车动能的回收再利用。

图2.3第三种中央驱动式电动汽车结构

前面所列三种均为电动机中央驱动式，而后三种属于电动轮驱动形式。

第四种驱动形式取消了差速器，取而代之的是两个独立的牵引电机，每一个牵引电机单独完成一侧车轮的驱动任务，称为双电动机电动轮驱动形式，如图所示。

当车辆进行转弯时，双侧的电机就会别离工作在不同的速度下，不过这种驱动形式需要加倍复杂的控制系统。

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图2.4双电动机电动轮驱动方式

相较于第四种驱动形式，第五种进一步简化了驱动系统：

驱动电机与车轮之间取消了传统的传动轴，变成电机直接驱动车轮前进，同时一个单排的行星齿轮机构充当固定速比变速器，用来减小转速和增强转矩，以知足不同工况的功率和扭矩需求。

此种驱动形式称为内转子式轮毂电机驱动形式，如图所示。

图2.5内转子式轮毂电机驱动形式

完全舍弃驱动电机和驱动轮之间的传动装置后，轮毂电机的外转子直接连接在驱动轮上，现在驱动电机转速控制与车轮转速控制融为一体，称为外转子式轮毂电机驱动形式，如图所示。

图2.6外转子式轮毂电机驱动形式

2.2.2轮毂电机简介

轮毂电机技术也被称为车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力装置、传动装置和制动装置都整合一路到轮毂内。

且分为两种，即前面所述的内转子式轮毂电机和外转子式轮毂电机，如图为内外转子轮毂电机结构比较图。

图2.1内外转子轮毂电机结构比较图

相较于其他驱动形式，轮毂电机驱动型电动车有着极为显著的长处，是电动汽车的前沿技术，潜力无穷。

（6）极大地简化了机械传动机构，不仅去掉了发动机、冷却水系统、排气消音系统和油箱等相应的辅助装置，还省去了变速器、万向传动部件及驱动桥，降低自重并有效提高传动效率，实现节能和减噪。

（7）腾出了许多有效空间，有利用汽车结构布局，降低地板高度。

（8）由于电机直接驱动车轮，缩短了传动链，所以大大提高了对车轮控制的动态响应，可实现一些高性能控制功能，如横向移动、原地旋转等。

（9）有利于再生制动。

（10）可实现多种驱动方式。

因为轮毂电机具有一个明显的单轮独立驱动的特性，无论是前驱、后驱、四驱或多驱，都能够比较轻松地实现。

尤其是全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来超级容易，这点难能宝贵。

另外，轮毂电性能够通过左右轮不同转速或转向实现差动转向，大大减少车辆转弯半径。

目前这一技术在庞大的矿山运输车上取得应用，而在较小型的乘用车领域，轮毂电机普及尚需时日。

日本在此方面研发时刻较长，技术处于领先地位。

目前，最新米其林研发的轮毂电性能够把电机和电子主动悬架都整合到轮内，其结构如图所示。

图2.2米其林轮毂电机结构图

国内也有自主品牌汽车厂商涉足了轮毂电机技术领域，如位于安徽芜湖的奇瑞汽车公司。

在2011年上海车展，该公司展出了麒麟X1增程电动车，这款车就采用了轮毂电机技术，如图所示。

图2.3奇瑞麒麟X1外观图

鉴于轮毂电机电动汽车庞大的优势，故把所要设计的电动汽车驱动形式定为外转子式的轮毂电机驱动，并设定为双前轮驱动。

3电动汽车驱动电机研究

3.1电动汽车驱动电机要求

（11）市区行驶，需频繁启动、停车、加速、减速，要求电动汽车驱动电机有专门好的转矩控制动态性能。

（12）在市区与市郊两种工况下，要求电动汽车驱动电机既能工作在恒转矩区，又能工作在恒功率区。

恒转矩运行知足启动和爬坡，恒功率运行知足高速行驶。

（13）为尽可能延长续航里程，要求电动汽车驱动电性能够在大范围内维持高效率运行，并尽可能地提高其功率密度，实现小型轻量化。

（14）由于运行环境复杂，要求电动汽车驱动电机具有高靠得住性。

（15）要求电动汽车驱动电机瞬时功率高，有必然的过载能力（即最大扭矩与额定扭矩的比值），一般要求4~5倍的过载能力，知足加速和爬坡需要。

（16）考虑到乘员的舒适性，电动汽车驱动电机要求低噪音。

为了便于普及，还要求低本钱。

3.2电动汽车驱动电机分类

表3.1电动汽车驱动电机分类表

任何电机的工作原理都是成立在电磁力和电磁感应那个基础上的。

直流电动机

1.电励磁式

大体结构：

直流电动机由定子（固定部份）与转子（旋转部份）两大部份组成，如图所示。

定子与转子之间有间隙，称为气隙。

定子包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置。

转子也叫电枢，由绕组线圈、电枢铁芯、换向器、电枢轴等组成，它的作用是通电后在磁场中受力并产生电磁转矩。

其中换向器是直流电动机的特有部件，其与电刷配合，实现电枢绕组的电流换向。

气隙不是实物部件，只是定子磁极与转子电枢之间自然形成的裂缝，气隙中的磁场是电动机进行能量转换的媒介。

图3.1电励磁式直流电动机结构图

大体原理：

直流电动机大体原理可参考如下物理模型图，如图所示。

图3.2直流电动机物理模型图

励磁方式：

电励磁式是给励磁绕组供电，从而产生磁场。

按照供电方式不同，可分为他励和自励。

而自励又分为并励、串励、和复励三种，其电路图如图所示。

图3.3四种电励磁方式

在此着重强调下他励式，其特点是励磁线圈与转子电枢的电源分开，如此一来可通过别离控制电动机的励磁电流和电枢电流，实现对他励电动机的各类控制。

他励直流电动机具有良好的线性特征和稳固的输出特性，能实此刻减速和制动时的能量回收，是直流驱动式电动汽车的首选电动机，如图所示。

图3.4四种不同电励磁式直流电动机机械特性比较

电励磁式长处：

第一，通过控制电枢电流的大小，能够超级简单地实现对转矩的线性控制；第二，通过改变励磁绕组的电流，能够很容易实现弱磁（即减小扭矩增加转速），从而使高速运行变得简单可行；而且还有着较高的运行效率。

电励磁式缺点：

第一，由于换向器和电刷属于易磨损器件，所以需要按期保护和改换，而这点造成利用上的不便。

第二，同样功率下直流电动机体积比较大，所以多用于小型汽车，小功率的情形下。

2.永磁式

永磁直流电动机分为永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机，它们与电励磁式直流电动机最大的区别在于励磁方式。

（1）永磁有刷直流电动机

只要把电励磁式直流电动机中，带励磁绕组的定子主磁极用永磁体代替，便为永磁有刷直流电动机，这种直流电动机一样存在着转子电枢绕组的换向问题，如图所示。

图3.1永磁有刷直流电动机结构图

（2）永磁无刷直流电动机

结构：

此种直流电动机相较于电励磁式的结构转变较大，它在定子上安装线圈绕组，并通电产生磁场，如此一来使得热量容易通过机壳向外发散，且便于温度检测；至于转子将装上永磁体和位置检测器，且再也不安装电枢绕组，如此就将省去电刷和换向器，如图所示。

图3.2永磁无刷直流电动机结构图

工作原理：

当运转时，系统按照位置检测器所测得的转子磁极转变关系，在定子线圈绕组中通入正负交变的方波电流，从而产生磁极交替转变的磁场，现在定子与转子异性磁极间的磁拉力将驱动电机旋转，如图和所示。

图3.3永磁无刷直流电动机原理结构框图

图3.4永磁无刷直流电动机工作原理模型图

机械特性：

通过弱磁调速，永磁无刷直流电动性能够实现恒功率调速，如图。

图3.5永磁无刷直流电动机机械特性

长处：

这是一种机电一体化结构的驱动控制电动机，既维持了有刷直流电动机调速性能好、控制方便、运行效率高的特点，还避免了利用换向器，使得电机运行加倍靠得住，免保护，寿命长，目前普遍应用于小型汽车上。

3.2.2交流电动机

1.异步电动机——三相笼型异步电动机

大体结构：

笼型异步电动机也分为两个大体部份，即定子和转子，二者之间存在气隙，如图所示。

电动机的定子被放置了三相绕组，当通入交流电时，将产生旋转磁场，且磁场的转速与交流电的频率成正比。

转子中，是用铸铝将导条和端环以一体的结构铸造出来，形似鼠笼，这种结构简单且牢固，并能够