新能源汽车电动汽车动力及控制技术设计.docx
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新能源汽车电动汽车动力及控制技术设计
济南职业学院
毕业设计（论文）
题目：
新能源汽车
电动汽车动力及控制技术设计
系部：
机械系
专业：
学号：
学生姓名：
指导教师：
职称：
二O一一年4月25日
济南职业学院
毕业论文（设计）任务书
课题名称：
电动汽车动力及控制技术设计
系部：
_机械系
专业：
汽车检测与维修__________
姓名：
_
学号：
指导教师：
_
二〇一一年4月25日
一、毕业论文（设计）的目的与要求：
目的：
1、了解各种电动机的工作原理及性能然后结合汽车发动机性能和特性寻找可代替发动机的动力电机。
2、根据所掌握的汽车原理和电动机及其控制原理各种蓄电池特点设计出合理的电动汽车动力部分和控制部分以满足电动汽车的使用需求。
要求：
1、设计出的动力电机和控制部分必须符合理论及实践要求。
2、设计所提到的公式或图形必须有理论来源而且要简明扼要，条理清晰。
二、毕业论文（设计）的内容：
首先分析、了解电动汽车的基本构造和原理，通过对电动汽车的了解结合现实需找可以替代内燃机的动力电机。
本文主要围绕电动机以及目前普遍使用的电动车控制系统主要参数作出分析，例如转速与转矩的关系、转速与功率的关系、功率与转矩的关系以及传动比、蓄电池的比能量等，设计出合理的电动车动力系统和控制系统。
三、毕业论文（设计）进程的安排
序号
论文（设计）各阶段名称
日期
备注
1
搜集与电动车相关的资料
2011年2月
2
分析电动车控制电路原理
2011年3月
3
查找与电动机有关的资料
2011年3月
4
整理资料
2011年4月
5
整理论文
2011年4月
6
交论文
2011年4月
四、任务执行日期：
自2011年_2__月__21__日起，至__2011__年__04__月__25__日止。
学生（签字）__________
指导教师（签字）_________
系主任（签字）__________
毕业设计（论文）成绩评定表
系部：
机械系专业：
汽车检测与维修班级：
1班
姓名
设计（论文）总成绩：
设计（论文）题目
新能源汽车——电动汽车动力及控制技术设计
指导教师评语
评定成绩：
签名：
年月日
评阅人评语
评定成绩：
签名：
年月日
答辩小组评语
答辩成绩：
组长签名：
年月日
注：
设计（论文）总成绩=指导教师评定成绩（30%）＋评阅人评定成绩（30%）＋答辩成绩（40%）
新能源汽车
电动汽车动力及控制技术设计
摘要
随着世界环境的污染、全球石油危机日益严重而带动的石油价格不断上涨给汽车工业带来了不可忽视的冲击，也增强了人们开发新能源的意识，而新能源汽车更是人们关注的一大焦点。
目前电瓶式纯电动汽车以噪音小、耗能低、无污染、成本低、结构简单而成为新能源汽车发展的主流，世界很多国家都投入了大量的人力、财力去开发电动汽车。
本文主要围绕电动汽车的电动机以及目前普遍使用的电动车控制系统主要参数作出分析，例如转速与转矩的关系、转速与功率的关系、功率与转矩的关系以及传动比、蓄电池的比能量等，设计出合理的电动车动力系统和控制系统。
本文主要采用的技术有：
1、电动机的转矩、转速、功率。
2、电动机的主要调速方式。
关键词：
电动机、发动机、转矩、变频调速、交流电动机、EV
第一章前言.................................................1
第二章电动汽车构造与原理...................................2
第一节电动车的种类...........................................2
第二节蓄电池电动车...........................................4
第三节燃料电池电动车.........................................10
第三章电动车动力及控制设计.................................12
第一节电动车驱动电机种类.....................................12
第二节直流驱动电动机........................................14
第三节交流驱动电动机........................................18
第四节直流电动机的控制.......................................21
第五节三项交流电动机的控制...................................24
第四章我国电动汽车的缺陷...................................27
第五章电动汽车的发展趋势...................................29
致谢........................................................31
附录一......................................................32
附录二......................................................33
参考文献....................................................39
第一章前言
汽车工业的告诉发展，汽车带来的环境污染、能源短缺、资源枯竭和安全等方面的问题越来越突出。
为了保持国民经济的可持续发展，保护人类居住环境和能源供给，各国政府不惜巨资，投入大量人力、物力，寻求解决这些问题的各种途径。
我国面临的形式也十分严峻，国内的石油储藏量和开采量相当有限，随着汽车保有量的增加，石油需求越来越多，目前已不能自给，不足部分主要通过进口来满足，而且每年成递增趋势。
由于电动汽车具有突出的环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。
电动汽车使用的能源是可以用与发电的一切能源。
因此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给有保障。
电动汽车在解决道路交通事故方面和传统汽车相比也具有一定优势。
因此，开发电动汽车是迎接汽车面临挑战的重要对策之一。
电动汽车具有良好的环保性能和可以以多种能源为动力的显著特点，即可以保护环境，又可以缓解能源短缺和调整能源结构，保障能源安全。
目前发展电动汽车已成为各国政府和汽车行业的共识，电动汽车的研发已成为汽车行业的热点。
因此，无论是从设计、研究和开发的观点，还是从实用的角度来看，了解和掌握电动汽车技术的社会需求会越来越大。
第二章电动汽车构造与原理
第一节电动车的种类
电动汽车的分类，如图2-1
图2-1
纯电动汽车车是以车载电源为能源的汽车，又称为EV。
目前纯电动汽车主要有蓄电池电动车和燃料电池电动车。
蓄电池电动车是由充电式蓄电池为能源的电动车。
目前这种电车普遍使用的电池一般都是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池又有很多种类，常见的有个干呵电式蓄电池、湿荷电式蓄电池、阀控式蓄电池、免维护蓄电池、胶体蓄电池、水平板式蓄电池等。
动力部分广泛使用的是直流串励电动机和直流他励电动机，这种电机启动转矩大，具有"软"的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。
但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，控制电流大，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BCDM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代。
燃料电池电动车目前使用的较少，因为燃料电池由于技术还不成熟其结构复杂，价格昂贵等缺点而限制了其适用范围，不过燃料电池转换效率高、无污染、运行噪声低、续驶里程长、无需充电时间（加氢式）等优点被电动车未来的发展所看好。
其动力和控制部分除了电池组部分有所不同外其他都大同小异。
第二节蓄电池电动车
2.2.1结构如图2-2
图2-2
蓄电池电动车是由动力蓄电池向电动机供电从而驱动汽车行驶，是目前运用最广泛的电动车，其结构主要由动力蓄电池（车载电源）、控制器、接触器、控制电路、附加电路、DC/DC、DC/AC、电动机、变速器、附加电器、车身等组成。
蓄电池电动车是由多个动力蓄电池串联组成的电池组为电动车供电，电池组一般是36V~400V的直流电源，为了便于向一些低压用电设备供电，动力电池组还有DC/DC转换器。
动力电池组采用并联或者串联的方式进行组合，在EV（电动汽车）上占据很大一部分有效的装载空间，在布置上有相当的难度，通常有“集中”布置和“分散”布置两种形式。
控制器是电动车大脑，它控制着电池电量的输出、电动机的转速、转向、过载保护、能量反馈等等，目前使用的控制器分为两大类：
直流控制器和交流控制器。
直流控制器使用比较广泛的是串励电机控制器和他励电机控制器，在是使用方面也都有各自的优势。
交流控制器现在在技术上也有了很大的提高，不如变频调速，不过由于成本高所以在使用范围上收到了很大限制。
电动机是整个电动车的动力输出部分，就像汽车的发动机。
现在电动车上使用的电动机以直流电动机为主流，交流电动机目前在电动车上还没有得到广泛应用。
直流电机在电动车上应用最广泛的主要有串励电机和他励电机。
交流电动机的使用还是以三相交流异步电动机为主。
2.2.2电动车原理
1、蓄电池
有关电池的常见术语
放电：
电池向外电路输送电流的过程。
放电容量：
电池在规定条件下的放电电量或有效工作时间。
储存寿命：
电池在规定条件下储存结束时，电池仍能保持规定的性能和储存期限。
电池极端：
电池连接外电路的部件。
电动势：
组成电池的两个电极的平衡电位差。
放电率：
放电率指放电是的速率，通常用“时率”和“倍率”表示。
充电：
将外电路输入蓄电池的电能转换为化学能储存起来的操作过程。
充电率：
蓄电池在规定的时间内充到额定容量所需的电流值。
恒压充电：
充电时保持充电器端电压不变的一种充电方法。
恒流充电：
充电时保持充电电流不变的一种冲电方法。
极化：
极化是电池由静止状态即电流为零转入工作状态产生的电池电压、电极电为的变化现象。
上一节我们说过，目前电动车上普遍使用的电池一般还都是铅酸蓄电池，但是这种电池有普通电池还有很大区别。
动力铅酸蓄电池既要求有瞬时大电流放电特点，又要求铅酸蓄电池有持续大电流放电的能力。
动力铅酸蓄电池有以下几个特点：
（1）单格电压高，汽车用铅酸蓄电池单格额定电压可达2.0V，开路电压2.1V，工作电压1.8V-2.0V。
（2）比功率和功率密度大，内阻小，长时间可输出大电流。
（3）性能可靠，冲放电可逆性好。
（4）循环次数多，寿命长。
（5）结构简单，价格低廉。
目前，电动汽车上应用最广泛的电源依然是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。
2、电池组的管理系统
动力电池组的管理系统包括对动力电池组的充电和放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈的电流、电池的自放电率、电池的温度等进行控制。
因为个别蓄电池性能变化后，影响到整个动力电池组的性能，用蓄电池管理系统来对整个动力电池组和对动力电池组中的每个单体电池进行监控，保持各个电池间的一致性，还要建立动力电池组维护系统，来保证电动车的正常运行。
电池组管理系统组成
电动车上动力电池组是它的主要电源，电动车全靠动力电池组提供电源。
根据电动汽车所采用的电池的类型和动力电池组的组合方法，电池组管理系统主要包括：
热管理系统；电池管理系统；电线线路管理系统。
动力电池组管理系统的功能和作用
动力电池组管理系统要承担动力电池组的全面管理，一方面保证动力电池组的正常运作，显示动力电池组的动态响应并及时报警，使驾驶员随时都能掌握动力电池组的情况。
另一方面要对人身和车辆进行安全保护，避免因电池引起的各种事故。
电动汽车目前之所以没有得到有效的推广主要就是速度、充电时间和续驶里程收到了很大的限制，若想在这方面得到提高电池技术是一个重点。
2.2.3驱动电机和驱动系统
驱动电机是EV的动力装置，这也是EV与内燃机汽车的根本区别之处。
现代EV所采用驱动电机主要是交流电动机、永磁电动机、和开关阻尼电动机等。
电动车驱动系统由驱动电动机和驱动操纵系统共同组成，随着电动车结构形式不同，采用了不同驱动系统。
电动车的驱动系统由集中驱动系统和轮毂驱动系统两驱动系统。
电动车的驱动系统总布置形式有以下几种，其特征如表2-1所示：
（1）传统驱动模式
（2）电动机—驱动桥组合式驱动系统
（3）电动机—驱动桥整体式驱动系统
（4）轮毂电动机分散驱动系统
表2-1EV的驱动系统总体布置形式、结构模型、特征
项目
结构模型
特征
传统的驱动模式
1.电动机代替发动机；
2.仍然采用内燃机汽车的传动系统，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成；
3.有电动机前置、驱动桥前置、（F-F），电动机前置、驱动桥后置（F-R）等各种驱动模式；
4.结构复杂，效率低，不能充分发挥电动机的性能
电动机—驱动桥组合式驱动系统
1.在电动机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，形成电动机—驱动桥组合式驱动系统；
2.有电动机前置、驱动桥前置、（F-F），电动机前置、驱动桥后置（F-R）、驱动桥后置（R-R）等驱动模式；
3.传动机构紧凑，传动效率高，安装方便
电动机—驱动桥整体式驱动系统
1.在电动机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，电动机有一个空心轴，有一个驱动桥的半轴从电动机空心轴中通过；
2.有电动机前置、驱动桥前置、（F-F），电动机前置、驱动桥后置（F-R）、驱动桥后置（R-R）等驱动模式；
3.传动机构紧凑，传动效率高，可以作为驱动桥布置在车架下面
轮毂电动机分散驱动系统
1.电动机装在车轮轮毂中，可以有4×2和4×4两种布置方式，各个车轮之间的同步转动或差速转动由中央控制器的计算机系统控制；
2.4×2布置方式有双前轮驱动模式和双后轮驱动模式；
3.4×4布置方式可以实现4轮驱动模式;
4.能腾出大量有效空间，便于布置
第三节燃料电池电动汽车
2.3.1燃料电池电动汽车的构成
燃料电池电动汽车的外形和内部空间与普通内燃机汽车几乎没什么差别，特别是燃料电池电动轿车与普通内燃机轿车的外形无任何区别。
单凭外形是无法区分燃料电池汽车与普通内燃机汽车的。
燃料电动汽车与传统汽车不同之处在于动力系统。
燃料电池电动汽车的动力系统主要由动力控制单元、电动机、电池组、燃料箱、储能装置及燃料加入口等组成。
燃料电池电动汽车的动力系统组成是很复杂的，主要组成为燃料系统、空气供给系统、控制器、燃料电池组、蓄电池、DC/DC转换器、DC/AC逆变器、电动机或发电机及驱动齿轮等。
2.3.2燃料电池电动汽车的种类
虽然燃料电池汽车的历史并不长，但由于燃料电池汽车具有突出的环保、节能优势，各种各样结构的燃料电池汽车不断问世。
为了便与区分各种燃料电池汽车的结构特征，对燃料电池汽车进行科学的分类是十分必要的，目前常见的方法有三种。
1、是根据汽车是否带有储能设备（如蓄电池、飞轮等）分类，据此可把燃料电池汽车分为纯燃料电池汽车和混合（复合）式燃料电池汽车。
2、根据燃料特点把燃料电池汽车分为直接燃料电池汽车和重整燃料电池汽车。
3、分句燃料氢的储存方式的不同可以把燃料电池汽车分为压缩氢燃料电池汽车、液氢燃料电池汽车和合金吸附氢燃料电池汽车三种。
2.3.3燃料电池电动汽车动力系统的工作原理
由燃料电池组出发的电流经DC/DC逆变器后进入电动机驱动汽车行驶或经DC/DC转换器向蓄电池充电，当汽车行驶时需要的动力超过电池的发电能力时，蓄电池也参与工作，其电流经过DC/DC转换器进入电动机驱动汽车行驶。
如图2—3所示
图2-3燃料电池电动汽车动力系统的工作原理
2.3.4燃料电池电动汽车的驱动形式
驱动电机及其控制系统是燃料电池汽车的心脏，它的主要功能是使电能转变为机械能，并通过传统系统将能量传动到车轮驱动车辆行驶。
其基本构成有两个部分：
电机及控制器。
电机由控制器控制，是一个将电能转变为机械能的装置。
控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于电机运行的另一种形式的电能，所以控制器本质上是一个电能变换控制装置。
目前，燃料电池可以采用的电机驱动系统有直流电机驱动系统、异步电机驱动系统、同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统。
第三章电动车动力及控制设计
第一节电动车驱动电机种类
电动机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。
电动机也称（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。
它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。
3.1.1驱动电动机的种类
电动机可分为交流电动机、直流电动机、交/直流点动机、控制电动机、开关、磁阻电动机及信号电动机等多种。
适用于电力驱动的电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。
目前在电动汽车上已应用的和应用前景的有直流电动机、交流感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等。
3.1.2电动车驱动电机
电动汽车由电动机驱动，电动机是电动汽车的关键部分。
要使电动汽车具有良好的使用性能，驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速、足够大的启动扭距，还要具有体积小、质量轻、效率高且具有动态制动性强和能量回馈的性能。
电动汽车对电动机的基本要求：
电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。
因此，对驱动系统的要求是很高的，主要有：
1．电动汽车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为3～4），加速性能好，使用寿命长的特点。
2.电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。
在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。
3．电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机汽车上是不能实现的。
4．电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程。
另外还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，价格便宜等
第二节直流电动机
3.2.1电动机的基本构造
直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子组成。
定子由主磁极、换向极、电刷装置和机座组成。
主磁极铁芯上套有线圈，通入直流励磁电流便会产生磁场，即主磁场。
换向极也由铁芯及套在上面的线圈组成，其作用是产生附加磁场。
以减弱换向片与电刷之间的火花，避免烧蚀。
机座除作电动机的机械支架外，还作为各磁极间磁的通路。
转子由转子铁芯、转子绕组、换向器、轴和风扇组成。
转子铁芯用来安装转子绕组，并作为电动机磁路的一部分。
转子绕组的主要作用是产生感应电动势并通过电流，以产生电磁转矩。
换向器由换向片组成，换向片按一定规律与转子绕组的绕组元件连接。
3.2.2直流电动机的工作原理
如图3-1直流电动机的工作原理图
图3-1
直流电动机包括俩个在空间固定的永久磁铁，一个为N极，另一个为S极。
在磁极的中间，装有一个可以转动的线圈，它的首末两端分别接到两片圆弧形的换向片（铜片）上，两个换向片之间、换向片与转轴（与线圈一起旋转）之间均相互绝缘，为了把电枢绕组和外电路接通，在换向器上安置了两个固定不动的电刷。
由于电刷和电源固定连接，因此无论线圈怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。
由左手定则可知，通电线圈在磁场中受到逆时针方向的力矩作用。
虽然电流方向是交替变化的，但所受的电磁力的方向不改变，因此线圈可以连续地按逆时针方向旋转。
这就是直流电动机的各种原理
3.2.3直流电动机的运动特性与特点
1、运动特性
直流电动机的运动特性包括工作特性和机械特性。
工作特性是指电动机在额定电压、额定励磁电流不变的情况下，其转速、转距和输出功率之间的关系。
机械特性是指在额定电压和电磁绕组不变的情况下，转距与转速的关系，如图
图3-2直流电动机特性曲线图
图3-3直流串励电动机特性曲线
图3-4他励电动机特性曲线
2、特点
直流电动机的构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵,维护维修也较困难。
近年来，由于变频调速技术的发展，在中小功率的电动机调速领域中，交流电动机正逐步取代直流电动机。
尽管如此，由于直流电动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点，因此，广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围的调速或需灵活控制起动、制动的生产机械。
第三节交流驱动电机
3.3.1三相异步感应电动机
1、三相异步感应电动机的结构
三相异步感应电动机性能优越、结构简单、成本较低目前在电动汽车上已经得到很广泛的应用。
其结构主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。
对定子绕组通往三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。
三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点,被广泛应用于各个领域。
三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都是由定子和转子这俩大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。
此外，还有端盖、轴承、风扇、风扇罩、接线盒、吊环等其他附件。
在交流异步电动机中，定子绕组流过依次相差120度相位角的三相交流电时，产生旋转磁场。
该旋转磁场在转子绕组中产生感应电动势，因为绕组是闭合电路，所以产生感应电流，有电流的绕组导体在旋转磁场中产生电磁力，对转轴形成电磁转距带动转轴转动。
2、三相交流异步电动机的工作原理
定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。
当三相电流不断地随时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转，如下图3-5所示。
旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。
图3-5
定子旋转磁场旋转切割转子绕组，转子绕组产生感应电动势，其方向由“右手螺旋定则”确定。
由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向与电动势方向相同，转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断。
该力对转轴形成转矩（称电磁转矩），并可见，它的方向与定子旋转磁场（即电流相序）一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁
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