电动汽车关键技术研究.docx

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电动汽车关键技术研究

电动汽车关键技术研究

毕业论文

题目：

电动汽车关键技术研究

学生姓名崔圣祥指导教师　吴钟鸣

二级学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化（现代汽车技术）

班　　级　06机械（汽车）学　　号0605110521

提交日期2010年05月08日答辩日期2010年05月19日

电动汽车关键技术研究

摘要

近些年来环境污染和对能源的大量需求日益显现甚至能够上升到是对人们出行方便和生存的威逼，曾经显现过的电动汽车顺理成章的又重新成为焦点，它不排放污染大气的有害气体，使用过程中不消耗传统能源。

本论文第一对电动汽车的定义、意义、研究重点、研究状况进行介绍，重点在于后面研究它的关键技术，具体介绍电机驱动系统技术、能源治理系统技术以及电动转向、制动及其他系统技术，最后使用仿真模型Simulink操纵方法简单的对电动汽车整车模型进行仿真演示。

关键词：

研究；电气系统；能源治理；电动转向；仿真模型

KeyTechnologiesofElectricVehicles

Abstract

Inrecentyearsalargenumberofenvironmentalpollutionandgrowingdemandforenergyevenshowuptoisthatpeopletravelconvenienceandsurvivalthreat,therehavebeenlogicalforelectriccarsonceagainbecomethefocus,itdoesnotpollutetheatmosphereofharmfulgasemissions,useprocessdoesnotconsumetraditionalenergysources.

Thisarticlefirstintroducedelectricvehicledefinition,significance,researchprioritiesandresearchstatusofintroduction，thelatterstudyfocusedonitskeytechnologies,specificsofmotordrivesystemtechnology,energymanagementsystemtechnologyYijielectricsteering,brakingandothersystemstechnologies,thefinalSimulinksimulationmodelcontrolmethodusingasimplemodeloftheentirevehiclesimulationdemonstration.

Keywords:

Reseatch;Electricalsysterm;EnergyManagement;ElectricPowerStreer-

ing;SimulationModel

1绪论

1.1电动汽车关键技术研究的背景、意义及内容

电动汽车按驱动方式可分为纯电动汽车（由电动机驱动的汽车，电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量储备装置）和混合动力电动汽车，其中后者布置方式又可分为串联、并联以及混联。

在中国，通过“九五”、“十五”和“十一五”期间国家科技打算的连续支持和能源基金组织等国际社会的关心，电动汽车技术的开发及产业化工作得以不断深入，并得到国际社会的广泛认可。

2008年北京奥运会、残奥会期间，国内汽车企业联合高校和研究机构提供了自主研发的各类新能源汽车共达598辆，组成了奥运历史上最大规模的节能与新能源汽车示范应用车队，在奥林匹克公园中心交通区首次实现了汽车温室气体零排放。

电动汽车是在减少对化石燃料依靠和环境污染的同时，确保人类移动灵活性和实现汽车产业可连续进展的有效路径。

1.2国内外的电动汽车关键技术研究的现状及应用

为扩大汽车消费，加快汽车产业结构调整，推动节能与新能源汽车产业化，2009年1月13日，科技部牵头并会同财政部等部委公布文件，决定在北京、上海、重庆等13个都市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作，以财政政策鼓舞在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域领先推广使用节能与新能源汽车，对推广使用单位购买节能与新能源汽车给予补助。

2009年3月20日，国务院在正式公布的《汽车产业调整和振兴规划》中，提出了以新能源汽车为突破口，加强自主创新，培养自主品牌，形成新的竞争优势，促进汽车产业连续、健康、稳固进展的指导思想。

我国在电动汽车领域与国外发达国家的差距小于传统汽车的差距，但国外闻名的研发机构、大学以及跨国公司的企业集团，在汽车领域的研究工作具有深厚的积存，在电动汽车领域开展过大量卓有成效的研究开发工作，具有先进的开发手段和丰富的实践体会。

在我国电动汽车产业的进展过程中，了解、学习和借鉴他们的开发能力和体会，探究以国际合作的形式开展电动汽车关键技术开发的道路，关于促进我国电动汽车的快速进展具有积极的意义。

目前关于电动汽车的民用，绝大多数是混合动力汽车，比如丰田的普锐斯和比亚迪的F3、F6等。

值得一说的是比亚迪E6已获准生产，有望今年上半年上市，E6是一款纯电动四驱汽车，可使用220V民用电源慢充，快充为3C电，15分钟左右可充满电池80%，续航能力达到300公里，是目前世界上续驶里程最长的纯电动车。

预售价在30万元左右。

除了比亚迪，奇瑞日前宣布今年将推出数款新能源车。

此外，上汽、东风、吉利、广汽丰田、东风日产等车企也都表示会在今年推出新能源车。

1.3进展电动汽车目前要研究的关键技术

纯电动汽车的组成包括电力驱动及操纵系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。

电力驱动及操纵系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。

电力驱动及操纵系统由驱动电动机、电源和电动机的调速操纵装置等组成。

那研究电动汽车的关键技术就得从上面谈到的各个方面着手。

至于电动汽车的其他装置，则差不多与传统的内燃机汽车类似。

因此本论文将选择电动汽车的电机驱动系统、能源治理系统、电动转向、制动及其他系统进行研究与阐述，并借助于仿真模型Simulink操纵软件在电动汽车内作一项简单仿真运用。

2电动汽车电气驱动系统技术

2.1电动汽车电气系统概述

电气驱动系统是电动汽车的心脏,要紧由驱动电机、功率转换器和电子操纵器等三个子系统构成,如图1所示。

驱动电机是电能与机械能的转换装置;电子操纵器包括传感器、电气连接电路和微处理器,实现信号采集、转换、传输和处理;功率转换器在驱动和能量再生程中,对能量源和电机之间的能量流进行调剂。

图1电动汽车电气驱动系统差不多组成

2.2电动汽车对电气驱动系统的差不多要求

（1）有足够大的起动转矩,以满足电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启/停的要求,通常电机的过载系数应达3～4。

（2）电机的调速范畴大,一样在25%～100%最大转速范畴内,近似有小转矩、恒功率的输出特性,满足电动汽车最高车速和公路巡航行驶工况的要求。

（3）比功率大,以最大功率计时,一样应达（1～1.25）kw/kg.

（4）具有良好的效率特性,在较宽的转速/转矩范畴内,获得最优的效率,提高一次充电后的连续行驶里程,一样要求在典型的驾驶循环区,获得85%～93%的效率。

（5）再生制动时的能量回收率高。

（6）快速的转矩响应特性,在各种车速范畴内能快速而柔和地操纵驱动和制动转矩;在多电机系统中,要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好。

（7）具有良好的环境适应性,在不同的工作条件下能可靠地工作。

（8）单位功率系统成本低,目前电气驱动系统的成本约为$10/kw,其目标要达到$4/kw。

（9）爱护简单,工作噪声低。

2.3驱动电机

电动汽车对驱动电机的要求与常规工业电机不同,工业驱动电机通常优化在额定的工作点,一样只依照典型的工作模式进行设计;而电动汽车驱动电机通常要求能够频繁地启动/停车、加速/减速,低速或爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,电机变速范畴大、过载系数高,通常应依照车型和驾驶适应进行设计,电动汽车驱动电机分类如图2所示。

图2电动汽车电机分类

2.3.1有刷直流电机

有刷直流电机采纳斩波操纵器的操纵方式,操纵技术简单、成熟,成本低,但效率低、体积大、比功率低等缺点。

由于存在电刷和机械换向器,电机的最高转速和承载能力的进一步提高受到限制,同时电机损耗要紧在转子上,使得电机散热困难;电刷在工作中产生的电磁辐射干扰,对车辆的电子操纵系统也产生一定的阻碍,因而在现代高性能电动汽车内的应用正逐步减少。

2.3.2三相鼠笼式交流感应电机

随着先进的电机、电子电气元件、微电子技术及操纵技术的进展,许多新型的电动汽车驱动电机不断得到开发,其中三相鼠笼式交流感应电机应用最广。

与直流电机相比,三相鼠笼式感应电机不仅具有低成本、高效率、可靠性好、免爱护、易冷却和结构坚实可靠等优点,而且通过适当的操纵技术使得它可获得类似于直流电机的良好的调速特性,因而在电动汽车电气驱动系统中得到广泛应用。

感应电机要紧存在着耗电量大,转子易发热,调速性较差,操纵系统较复杂,成本高的缺点。

变频变压操纵VVVF与磁场定向矢量操纵FOC是两种常用的操纵技术,另外直截了当转矩操纵（DTC）也是一种专门有前途的感应电机操纵技术。

2.3.3永磁同步电机

电动汽车的永磁同步电机包括永磁无刷电机、无刷直流电机（BDCM）和三相永磁同步电机（PMSM）。

无刷直流电机显著的优点是无电刷,排除了由于电刷带来的许多问题,但驱动系统比较复杂,通常采纳方波电流操纵的无刷直流电机比较容易实现电机的驱动和操纵,效率高,在相同转速下,电机输出转矩比三相永磁同步电机的大15%,但电机的工作噪声和输出转矩波动都比三相永磁同步电机大。

永磁同步电机结构与感应电机相似,用永久磁铁替代了相应的感应电机的励磁绕组线圈,电机的工作原理与励磁交流同步电机相同,电机感应电动势波形和供电电流均为正弦波,稳态下电机的电动势和转矩不随转速变化,采纳逆变器和带微处理器操纵模块的变频操纵技术,向电机提供正弦波形的三相交流电,由正弦波定子电流和正弦反电动势相互作用产生转矩,电机转子与旋转磁场同步旋转,旋转磁场的转速取决于电源频率大小。

与前两种电机相比,永磁同步电机系统效率较高,电机体积较小、重量较轻、功率密度大、可靠性高和免爱护等优点。

但永磁材料价格昂贵,生产体积更小、质量更轻的大功率的PMSM和BDCM还有一定的技术难度,随着永磁材料价格的下降和电机操纵技术的不断开发和应用,永磁同步电机将是感应电机在现代电动汽车驱动系统中最强有力的竞争对手。

2.3.4开关磁阻电机

开关磁阻电机是一种由磁阻电机与电子开关驱动操纵电路组成一体的新型调速电机,电机兼有直流和交流调速的优点,结构简单、体积小、牢固、成本低、可靠性高、起动性好,适合于频繁正反转及冲击负载等工况条件;但由于它低速输出转矩波动大,工作噪声高,而且驱动系统复杂、操纵器价格高等,限制了当前它在电动汽车内的应用。

开关磁阻电机在今后电动汽车内的应用仍值得专门关注。

2.3.5驱动电机的应用和性能比较

电机技术随着现代设计技术的进步,专门是新材料技术、功率电子和微电子技术以及运算机辅助设计技术的进展也在不断进展,表1和表2分别列出了部分国外电动汽车产品上各种驱动电机的应用情形和驱动电机的性能对比。

2.3.6最理想的电动机

电动汽车专用的电动机，通过从电池中猎取的有限的能量产生动力，因此要求其在各种环境下的效率都要专门好。

因而，在性能上的要求比工业上要严格得多。

那个地点，对电动汽车用电动机所要求的要紧特性做一个归纳和整理。

1.由高速化而生的小型轻量化（牢固性）

在车辆上搭配方面匹配外，电动汽车用电动机的体积、重量应为一样工业用电动机的1/2。

2.高效性

务必使一次充电的续航里程尽可能的长，专门是行驶模式变换频繁的轻负载的情形下，电动机和操纵装置的总效率也需要进一步提高。

因而，在操纵层面上的研究也是专门有必要的。

3.低速大转矩情形下的大范畴内的恒定输出特性

在电动机单体中，能够满足必要的转矩特性。

4.寿命长以及高可靠性

轮毂电动机中的振动达到了20g左右，即使在汽车内也达到了3到5g的振动，在任何环境中确保高安全性差不多上最重要的而不采纳速度位置传感器的操纵，则被认为是能够提高可靠性的。

5.低噪声性

考虑到环境和乘坐舒服性，人们差不多上期望噪声尽可能的小。

6.成本低廉

为了便于普及，成本的降低时必不可少的。

能够满足以上所述特性的电动机才适合作为电动汽车专用的电动机。

然而，现实中全部满足以上特性的电动机还没有被开发出来，期望在不久的今后这种最理想的电动机能够研发出来。

表1驱动电机在部分电动汽车产品的应用

表2电动汽车常用驱动电机性能比较

2.4电气传动系统功率半导体器件

功率半导体器件特性对电动汽车可靠性有专门大的阻碍,在现代电动汽车驱动系统设计中,依照电气驱动系统的要求,深入了解器件的性能、选择合适的器件、提高功率变换器的效率对设计性能优良的电气驱动系统具有重要的意义。

2.4.1功率半导体器件的选择准则

功率半导体的选择要紧是基于所需的额定电压、额定电流、开关频率、能量损耗及其动态特性来考虑。

额定电压的确定取决于蓄电池的额定电压、充电电压和再生充电的最大承诺电压。

一样电动汽车蓄电池电压为300V,充电电压最大可达370V,而再生充电过程中,电池电压可能上升到400V左右,选择的功率半导体器件额定电压一样为600V。

额定电流大小取决于电动汽车驱动电机的输出功率和并联的功率器件数量,以及器件工作温度的限制和其它安全因素,多个功率器件并联时,额定电流能够选择较小一些。

开关频率必须足够大,以提高功率变换器装置的功率密度,提高变换器的整体效率,降低逆变器的音频噪声,但开关频率过大也会带来开关能量损耗的增加,使电路的效率降低,产生严峻的电磁干扰噪声。

目前,电动汽车普遍采纳脉宽调制（PWM）方式的逆变器,理论上开关频率大于18KHz就能除去音频噪声,在实际操作中,开关频率一样选择10KHz也差不多能满足对逆变器效率、噪声和电磁干扰的要求。

功率半导体器件的动态特性则取决因此否有高的dv/dt和di/dt,器件的输入阻抗高、输入电容小,使得器件所需的驱动功率专门小,此外,要求功率半导体器件工作可靠性高、尺寸小、性价比高。

2.4.2功率半导体器件

随着微电子技术和电力电子技术的共同进展,新一代高频化、全控型的功率集成半导体器件不断显现,如:

可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（BJT）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、MOS栅控晶闸管（MCT）、静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）等。

可关断晶闸管（GTO）由于开关频率较低、关断增益小,需要专门的关断增益电路,难以满足电动汽车电气驱动操纵系统的工作要求。

电力晶体管（BJT）是一种三层的双极型全控器件,具有操纵方便、开关时刻短、高频特性好、通态压降低等优点。

功率场效应晶体管（MOSFET）是一种单极性器件,具有开关时刻短、工作频率高、热稳固性好、抗干扰能力强的优点,栅极驱动电路简单,但额定电流较小,多采纳并联连接的工作型式。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）把电力晶体管与功率场效应晶体管集成在一个芯片面上,构成一种新的符合器件,它综合了电力晶体管与功率场效应晶体管的优点,具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、驱动电流小、耐压高和承担电流大、安全工作区宽、性能稳固、工作可靠性大等优点。

从目前现代电动汽车电子技术进展情形看,静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）由于工艺性复杂,仍难以达到有用化的要求;电力晶体管（BJT）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在电动汽车电气驱动系统中已得到了广泛的应用,但电力晶体管（BJT）正逐步被绝缘栅双极型晶体管（IGBT）取代;功率场效应晶体管（MOSFET）适合于功率较小的电动汽车电气驱动操纵系统,而随着MOS栅控晶闸管（MCT）性能的进一步提高和价格的降低,它将成为以后最有进展的功率半导体器件。

2.5电动汽车电气系统的操纵技术

操纵技术对电动汽车系统性能有专门大的阻碍,同一台电机由于操纵方式不同,输出也就大不相同。

对低速小功率的微型电动车来说,由于性能不高,一样采纳简单的开环操纵方法。

然而,对高性能的电动汽车,除了要研究先进的电动机外,还要研究先进的电机操纵方法。

传统的线性操纵,如PI和PID操纵,差不多专门难再适应高性能驱动系统的严格要求了。

近几年,显现了许多现代操纵技术。

目前,那些在常规驱动领域中的一些操纵方法,如变压变频（VVVF）、矢量操纵（VC）、模型参考自适应操纵（MRAC）、直截了当转矩操纵（DTC）和变结构操纵（VSC）等等都已被广泛地移植到电动汽车的操纵系统中来,并取得了良好的成效。

然而电动汽车的驱动系统以及操纵有其自身的特点,如要求电机能够工作在恒转矩区和恒功率区,并同时保持高效率、调速范畴大、动态性能要求高等等。

从目前的实践来看,关于感应电动机,矢量操纵技术最好。

采纳矢量操纵,对定子电流两重量实行解耦,能够象直流电机那样分别操纵转矩和磁通,获得快速响应和精确操纵的高性能驱动系统。

由于转子电阻随运行温度的急剧变化而阻碍磁场定向的准确性,故目前的研究方向开始转到以定子磁场定向的矢量操纵中去。

通常的操纵系统往往安装有速度传感器,以获得必要的反馈信息。

但对电动汽车来讲,要紧操纵的是电机的转矩。

另外,速度传感器的存在不但使驱动系统结构复杂,而且也增加了系统的成本,降低了可靠性。

因此,在电动汽车驱动系统中,直截了当转矩操纵无速度传感器的感应电动机调速系统无疑具有良好的进展前景。

前面还显现的智能操纵技术,如模糊操纵,神经网络和专家系统也开始应用于电动汽车的驱动系统中。

因此,现代操纵技术,专门是智能操纵技术的使用,使电动汽车驱动系统具有高度的智能化。

2.6样车的电气操纵系统

图3实验室用样车图片

样车的电气操纵系统要紧由电机驱动电路、轮毂式无刷直流电机、外部指令输入及电机信号反馈电路、主控电路和蓄电池组成。

其结构框图如图4所示。

图4电气操纵系统框图

电气操纵系统的现场配置如图5所示，其中两个10000pF，耐压200V电容作为蓄电池的滤波电容，能在电动汽车启动时起到瞬时提供大电流，蓄电池电压稳固的作用。

图5电气操纵系统实物图

驱动电路在整个操纵系统中起到关键作用，其性能直截了当决定了电动汽车能否运行。

它要紧包括光藕隔离、驱动操纵芯片和驱动芯片。

其中，驱动操纵芯片是IR213O，驱动芯片是I盯P260N。

在实际调试过程中，驱动芯片常常会发生击穿，甚至驱动操纵芯片损坏，因此设计时要专门注意它们之间的参数关联性，具体需要注意的问题参见IR公司的设计指南DT98一2。

本文体会总结得出，驱动芯片的损坏大部分是由于MOSFET的漏极与源极之间通过瞬时大电流引起的，专门是离过流爱护电路越远的管子越容易烧毁，这些都需要在PCB板布线设计时予以精心考虑的。

本样车驱动电路的实物如图6所示。

图6驱动操纵实物图

2.7电动汽车电气系统技术展望

（1）电力电子器件的性能阻碍电动汽车的可靠性,采纳新型电力电子器件和微机操纵及数字信号处理器,通过软件实现全数字化操纵是电气驱动系统要紧的进展方向。

（2）应用交流电机是电气驱动系统必定进展趋势,直流电机的应用逐步减少,感应电机应用广泛,永磁同步电机的应用最具有进展前景,开关磁阻电机的应用值得专门重视。

（3）MOSEF适合于开关频率高、小功率的操纵器,大功率管选IGBT;随着MCT性能的连续提高并达到商用时,MCT必将成为电气系统功率操纵器的首选器件。

3电动汽车的能源治理系统技术

能源治理系统是电动汽车的智能核心。

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，还应该有一套坚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；操纵充电方式和提供剩余能量显示等职责的能量治理系统。

能源治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操纵单元。

图7电动汽车能源治理系统

3.1电动汽车对电池性能的要求

电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车进展的关键因素。

电动汽车用电池的要紧性能指标是比能量、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。

目前面临最关键的电池技术问题是：

1.极低的电池能量密度。

汽油的能量密度是1.2万W·h/kg，而目前通常使用的铅酸电池能量密度不足40W·h/kg。

近年来，其他类型电池，如空气电池等的开发虽有进展，然而在价格、性能、工艺性等方面欠成熟，近期无法实现量产。

2.过重的电池组。

尽管在车身设计方面采取了诸如玻璃钢车身等技术以尽可能减轻整车质量nc.moc.enilnosmm.www，然而，电池过重的自身质量仍会使一部电动汽车的总质量较同样大小的内燃机汽车重。

3.有限的续驶里程与汽车动力性能。

由于电池的能量密度较低，电池组的质量过大，因此，即使电动汽车动力系统的效率专门高，使用铅酸电池的电动汽车一样一次充电的续驶里程也只有100km左右（使用太多电池组除外）。

由于电池性能差，电动汽车的动力性能无法达到当前内燃机汽车的水平。

4.电池组昂贵的价格及有限的循环寿命。

一辆载容量20人的轻型电动客车电池组的价格高达2万元人民币，以现有电池的循环寿命（假定为800次充放电循环）运算，电动汽车行驶6万km就需更换电池。

高昂的运行成本难以让市场同意。

5.汽车附件的使用受到限制。

由于电动汽车所能携带的电能有限，因此在车内对电能的使用必须注意节约，车内空调和暖风的选用必须充分考虑其对电动汽车续驶里程的阻碍。

除此之外，动力转向、真空助力器、主动（半主动）悬架以及其他一些车载电器使用也受到限制。

因此，乘员的舒服性受到阻碍。

上面提到的问题也确实是电动汽车对电池性能的要求，能够专门好的解决是当今各大汽车厂商和研究院研究的重点。

3.2现有的符合电动汽车用电池及治理系统

到目前为止，电动汽车车用动力蓄电池通过3代的进展，已取得了突破性的进展。

第1代是铅酸电池，目前要紧是阀控铅酸电池（VRLA），由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前唯独能大批量生产的电动汽车用电池。

第2代是碱性电池，要紧有镍锅、镍氢、钠硫、铿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。

只要能采纳廉价材料，电动汽车用锉离子电池将获得长足的进展，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3代是以燃料电池为主的电池。

燃料电池直截了当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，同时、能够操纵反应过程，能量转化过程能够连续进行，因此是理想的汽车用电池。

表3为各种车用电池的性能比较。

表3各种车用电池的性能比较

从目前车用电池的进展来看，镍氢电池可能是电动汽车动