电动汽车与其控制技术现状研究.docx
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电动汽车与其控制技术现状研究
电动汽车及其控制技术现状研究
Researchonthecurrentsituationofelectricvehicleanditscontroltechnology
（申请武警工程大学XX学学士学位论文）
学科专业：
旅（系）：
作者姓名：
指导教师：
二〇一六年×月
摘要
本文首先介绍了电动汽车的发展现状，接着从电动汽车的控制、转向、加速和制动技术对电动汽车的运作原理进行了详细的阐述，并且从电动汽车目前在国内的发展状况和应用前景出发，提出了电动汽车在发展中遇到的瓶颈问题，最后给出了具有针对性的建议和措施。
总体来说，国内电动汽车的发展虽然起步较晚，但是目前在电池技术和制动技术等方面已经位居世界前列，取得了骄人的成果，可是一些关键性的瓶颈问题依然没有克服，所以需要政府和企业联手协作，帮助电动汽车度过发展的关键时期。
关键词：
电动汽车，发展，瓶颈，建议
ABSTRACT
ThecurrentdevelopmentofautomaticvehicleinChinaisfirstintroducedinthispassage,followedbythispartistheexplanationofthetechniquesusedbythevehicles,suchasthecontroltechnology,steeringtechnology,acceleratetechnologyandbrakingtechnology,thentheemploymentofitisalsointroduced.Byanalyzingtheproblemswemeet,specificmeasurementsarecomeupwith.Intotal,althoughautomaticvehiclestartslaterinChina,wehaveachievedsometremendousaccomplishmentsinareassuchasbatteriesandbrakingtechnology.However,crucialproblemsarestillremainthereneedtobedone,soourgovernmentandentertainmentsaresupposedtoworktogethertohelpitconquerthepeak.
KEYWORDS：
automaticvehicle,development,crucialproblems,suggestions
第一章引言
1.1电动汽车组成及工作原理
电动汽车是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。
由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。
尤其在当前的市场环境下，环保要求越来越高，更是迫切需要电动汽车快速发展。
电动汽车由这些部分构成：
电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等，详见图1.1。
图1.1电动汽车基本结构图
（1）电源将电能输送给电动机，电动机将其转化为机械能。
电动汽车技术慢慢兴起，传统的铅酸蓄电池将慢慢被取代。
新锐电源比如钠硫电池、镍镉电池、锂电池、燃料电池等，为电动汽车的提供了很好的发展空间。
（2）汽车的机械能来自电动机转化的电能。
直流电动机存在换向火花、功率小、效率低、维护保养工作量大等问题，直流无刷电动机和交流异步电动机有望成为电动汽车的新选择。
（3）早期传动装置的作用是将驱动转矩传给汽车驱动轴，但是若使用电动轮驱动，这些原理不再适用。
通过控制电路，电动机的转向可以实现。
无级调速的使用，也慢慢将取代传统内燃机的变速。
（4）行驶装置所提供的力，主要来自驱动力矩。
它由车轮、车胎和悬架等组成。
（5）转向装置由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。
当方向盘上施加作用力时，转向机构会将这个力传递到转向轮上。
电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。
（6）电动汽车的制动装置与一般汽车无异，除此之外还有电磁制动装置，它的电能来自电动机的控制电路，原理是减速时的能量循环使用。
电动汽车的基本结构如下图1.2所示。
1.2国内电动汽车发展现状
在我国，电动汽车是个比较新的领域，尚未广泛涉足，但经过短短数年，本着自力更生、勇于借鉴的原则，我国在驱动电动机和电池方面，已经处于行业领先水平。
目前，我国的众多车企，在电动汽车方面的研究筚路蓝缕，成果不断。
比如一汽的电动汽车研究始自2005年12月，引贤纳才，自主研发，为国内翘楚。
1.3国外电动汽车发展现状
日本的丰田、英国的FRZAER-NASH公司的电动客车和轿车已经上市，电动汽车在美国的研究和发展处于世界领先水平，电动汽车已经在大规模使用。
第二章 电动汽车的控制技术
2.1电动汽车的充电控制技术
2.1.1电动汽车充电方式
电动汽车有常规充电、快速充电以及更换电池组等方式。
比如常规充电通常用较小的交流电流进行恒流充电，充电时间为5~8小时。
其他充电方式的详细情况见下表。
另外：
（1）充电桩所采用的额定功率通常不高于5kW。
充电桩所占空间有很大富裕，使用期间对其他用电设备的影响小，有利于电池保养。
从经验上来说，充电桩大多设置在商业停车场、地下车库等停车用户较多的地段。
（2）充电站兼具快充和慢充两种模式。
（3）换电站是将电池组整体替换，以弥补充电桩和充电站的不足。
三种充电方式的比较电动汽车三种充电方式的比较见表2-1。
表2-1电动汽车三种充电方式的比较
2.1.2相关标准
国家电网与2009年12月发布了《国家电网公司电动汽车充电设施建造指导意见》等相关企业文件和企业标准，为类似于电动汽车等新兴环保技术的发展提供了政策支持。
2.2电动汽车的加速控制技术
电动汽车的加速控制技术也称为驱动控制技术。
驱动控制系统是车辆行驶中的主要执行机构，是电动汽车的重要部件，其驱动特性是汽车行驶的主要性能指标电动汽车中的燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车和纯电动汽车都需要使用电动机来驱动车轮行驶。
2.2.1电动机分类
电动机的分类标准不同，分类内容也各不相同。
一般电动机主要按电源种类、结构和工作原理、启动和运行方式、用途、转子的结构、运转速度等标准划分。
（1）按工作电源种类划分，电动机可分为直流电动机和交流电动机两种。
（2）按结构和工作原理划分，电动机可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。
（3）按启动与运行方式划分，电动机可分为电容启动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容启动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。
（4）按用途划分，电动机可分为驱动用电动机和控制用电动机。
（5）按转子的结构划分，电动机可分为笼形感应电动机和绕线转子感应电动机。
（6）按运转速度划分，电动机可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。
2.2.2对电动机的要求
电动机及其控制器是汽车的心脏，根据其是否直接用于驱动汽车行驶，可以将其分为牵引电动机和辅助电动机。
牵引电动机的功能是在驾驶员的操作下，能够按照驾驶员的意图将电能转化为电动汽车车轮的动能，或者相反，将电动汽车车轮动能转化为电能。
非牵引电动机辅助电动机安全可靠地运行，并改善乘坐的舒适度。
由于电动汽车本身的特殊性，相对地，其电动机也要满足特别的要求，主要包括：
安全性好，可靠性高，稳定性强，寿命长，价格低，体积小，重量轻，效率高。
牵引电动机作为动力源，安装在机动车上，处于空间小、温差变化大、振动剧烈的恶劣环境中，必须满足各种路况要求。
2.2.3电动汽车电动机的基本组成
电动汽车其整个加速系统包括电动驱动系统和对应机械传动机构两大部分。
电动机驱动系统的基本组成如图2-1所示。
它的主要组成部分有电动机、功率转换器、控制器、各项检测传感器以及电源（蓄电池组）等组成。
控制信号流向动力电源流向
图2-1电动机驱动系统的基本组成框架图
2.3电动汽车的转向控制技术
转向系统是汽车的重要组成部件，其功能是按照驾驶员的意图来控制汽车的行驶方向。
电动汽车上所采用的即是电动助力转向系统（EPS），该系统自被开发开始，就一直被作为高新技术应用在汽车上，表现出良好的发展前景。
2.3.1电动转向系统的工作原理
该系统的基本工作原理是：
转矩传感器和车速传感器分别测出驾驶者施加在转向盘上的操纵力矩和车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给电子控制单元；电子控制单元的微处理器根据内置的控制策略和算法计算出此时需要的理想助力力矩，再换算为相应的电流，驱动助力电机按该电流运行；该电机产生的助力力矩再经过蜗轮蜗杆减速机减速增扭后传送到机械式转向系统上，和操作者的操纵力矩叠加在一起去克服转向阻力矩，最终实现车辆的转向。
目前电动转向系统多装置在前轴荷在900kG以下的中小型汽车上。
2.3.2电动转向系统的特点
（1）更加节能与环保。
EPS由于没有液压装置，属于典型的“按需供能型”系统，只有在转向时系统才工作，而车辆没运行或直线行驶时不消耗能量。
因而与液压系统相比，在各种行驶状况下均可节能80%~90%。
而在不转向的情况下，装有EPS的车辆燃油消耗将降低2.5%；在使用转向情况下，则降低5.5%。
同时，EPS启动时不需要预热，也节省了能量，也不存在液态油的泄露问题，从而避免了环境污染。
（2）助力效果更好。
EPS可以根据各种路况，优化助力特性曲线，还可以通过阻尼控制路面状况对转向系统造成的干扰，提高转向的精确性和稳定性。
（3）重量大大减少。
EPS结构简单，零件数少，可以大大减轻重量。
（4）安全性更好。
EPS独立于车辆驱动系统的工作，只要电动汽车的DC-DC不发生障碍，即使在车辆未启动或发生故障时也可以助力。
（5）生产和开发周期更短。
（6）改善了转向系统的回正特性。
2.3.3电动助力转向系统的分类
根据助力电机装配位置不同，EPS系统分为：
（1）转向轴式EPS，多用于小型汽车；
（2）齿轮式EPS，多用于中小型汽车；
（3）齿条式EPS，多应用在中型车辆及高档轿车中。
2.4电动汽车的制动控制技术
2.4.1电动汽车制动技术工作原理
电气制动主要有三种，包括反接制动、直流制动和再生制动。
再生制动可以将制动过程中的能量回收，电机和发动机的转动频率差，使电动机发电，通过电路给电池反向充电。
其工作原理图见图2-2。
图2.2再生制动系统的基本结构
2.4.2电动汽车制动技术模式要求
汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向不变以及速率恒定的特性，是为汽车制动性，是衡量汽车性能的一项关键指标。
再生制动能量有利于提高能量回收利用率，还能较大减少不必要的磨损，制动可以得到更加有效精准的控制，热衰退现象也会相应减轻。
电动汽车的制动有三类：
（1）紧急制动：
当减速加速度大于2m/s2的时候，归入紧急制动出以机械摩擦制动为主，这时电气制动起辅助作用。
（2）中轻度制动：
正常行驶时，仅需中轻度制度即可。
电气制动减速，机械摩擦使车辆停止。
（3）汽车长下坡时的制动：
电动汽车长下坡一般发生在盘山公路下缓坡时，在制动力要求不大时，可完全工作于纯再生制动模式。
除了紧急制动外，再生制动可以应用到另外两种制动方式中。
2.4.3电动汽车制动技术能量回收
在制动过程中，除去空气阻力和行驶阻力消耗掉的能量，一般希望能最大限度的回收所有能量。
然而很大部分的能量是不能回收的，相当部分的能量在机械摩擦时通过热的形式消散了。
另外，热量回收过程中能量也有折损，这就涉及回收效率的问题。
制动能量的回收效率也与电动机的转速有关，电动机的转速处于一定速率范围内时，转速越快，回收能量越多，当速率达到某一临界点时，能量回收效率到达极值，不再增加。
第三章电动汽车的发展趋势
3.1我国电动汽车的发展方向
3.1.1我国电动汽车的发展现状
我国电动汽车的发展可以追溯到“八五”期间，国家计委和国家科委将电动汽车项目正式列入国家研究和攻关计划。
“十五”期间，我国以开发电动汽车整车技术和关键零部件技术为重点，采取整车牵头、零部件配合、产学研相结合的模式，电动汽车技术得到了极大的发展。
通过十数年尤其是“十五”以来的艰苦卓绝的努力，我国在纯电动客车和纯电动轿车方面完成了从无到有的飞跃，培养了一批自己的科研人才，取得了很多成果，解决了诸如锂电池供电的关键技术问题。
我国燃料电池电动汽车采用了与国际同领域权威单位不同的技术路线，混合动力系统别具一格，具有电-电混合、平台结构、模块集成的技术特征，现已成为国际上主流系统构型。
在电动汽车产品开发的同时，其示范应用同步进行。
在各地政府的大力支持下，科技部在全国建立了电动汽车商业化示范城市，在北京、天津、杭州、株洲、威海、深圳等城市开展了不同车型、不同示范运营主体、不同运营管理方式和不同线路的小规模示范。
通过示范运营进行科普教育，使广大民众了解、认识和尝试了电动汽车新技术，为人们进一步接受电动汽车打下一定的基础。
3.1.2我国发展电动汽车的政策优势
中国政府高度关注其研发和产业化。
《国民经济和社会发展第十一个五年计划纲要》提出“增强汽车工业自主创新能力，鼓励开发使用节能环保和新型燃料汽车”。
2009年公布的《汽车产业调整振兴计划》，提出实施新能源汽车战略，推动电动汽车及其关键零部件产业化，中央财政安排补贴资金，支持节能和新能源汽车在大中城市示范推广。
总之，国家有关部门为支持纯电动汽车产业的发展创造了良好的政策环境，并陆续出台了一些财政补助等各项政策，对前期电动汽车的发展起到了很好的引导作用。
3.1.3我国电动汽车的发展方向
（1）大力发展纯蓄电池驱动的超微型汽车
这种汽车对里程和蓄电的要求不高,充电过程简单。
适宜用在短途范围。
由于更换了新型电池，车辆供电性能较有保证,已有部分进入生产阶段。
（2）最终目标是燃料电池汽车
燃料电池汽车在相比其他电池的电动汽车,具有环保可靠，经济效益好的特点。
日本《东洋经济》报道:
“当代技术革命将彻底改变2l世纪汽车业的面貌,这一改变就是在近几年出现的燃料电池车”。
（3）立足混合动力,逐步过渡到纯电动汽车
电池性能的发展决定了电动汽车未来何去何从，所以目前技术攻关的重点放在了电池上。
我们希望混合动力兼具传统内燃机和电动发电机的优点。
3.2电动汽车在军事上的应用前景
在机械化战争时代，动力系统的技术革命几乎就意味着武器系统的革命。
对于任何一个兵种而言，机动性（速度、最大行程或作战半径等）都是至关重要的因素，所以新型动力的出现，一般都会带来战争形态、建军模式直至军事思想的更新。
比如自从汽车出现后，迅速被运用于战争领域，出现了坦克、装甲部队、大纵深作战理论，战争的面貌由此焕然一新。
这样的规律，即使在信息化时代也同样适用。
相比于传统的燃油车辆，电驱车的优势与劣势都非常鲜明，其优势在于：
（1）加速性能好，爆发力大；
（2）操控性好，响应速度快，更适合作为无人车的主动力；
（3）传统系统简化，传动效率高，布置更灵活，故障率低；
（4）车内乘员环境好（噪音低、无废气）；
（5）整车红外特征弱；
（6）可以更好地兼容其他车载电子系统，如武器系统等。
其劣势在于：
（1）最大行程距离短，有效作战半径有限；
（2）后勤保障困难（很大程度上是系统转换的难度，后面详述）；
（3）复杂战场环境下的可靠性与安全性有待检验（例如，极寒条件下的动力衰减，电池组被击中后殉爆问题等）。
将电机作为主要动力系统用于军事领域，并不是新鲜事物，但是在陆军和空军方面，相关的运用还非常少。
分析其中的原因，还是由于储能系统的不成熟。
电动机的工作效率远远超过内燃机或燃气轮机，但电池的能量密度问题始终未能有效突破，这也是过去一百年来内燃机技术路线一直压制电驱技术路线的根本原因。
德、美等国都曾经发展过“电传动坦克”，其原理和电动船舶以及今天的“增程式电动汽车”类似，都是以柴油机为原动机进行即时发电，然后以电力驱动战车。
这样做的必然后果就是导致整车超重，系统过于复杂，降低了作战效能。
但是，随着民用电子产品的普及，极大带动了电池领域的科技进步，使得现在的电池技术已经接近了能够适应实战性能要求的“临界点”。
而另一方面，冷战结束后，各主要大国陆军所面临的作战任务也随之发生巨大变化，未来战争的作战样式正在转型中。
上述两点，给电动战车的应用带来了契机。
随着现代军事的发展，军事作战的任务已经悄然发生变化。
控制、瘫痪，而不是占领，成为信息化时代战争任务的核心。
远程、大纵深、精确打击的突击任务，应当交由空军完成；未来陆军的主要任务，要么是政治性的，要么是战术性的。
大型装甲集群会战早已经成为过去式，小规模、浅纵深的山地冲突、离岛争夺将成为更常见的任务。
同时，境内反恐形势日益复杂突出，反恐作战的样式趋于多样化，可能成为陆军主要作战任务之一。
因此，装甲部队需要更强的快速机动反应能力，小而灵活的编队形式，以便于通过空军实施战略机动。
要求能够在更为复杂的地形条件下（如街巷）运作，对于行程距离的要求可以适度降低。
火力打击的精确度远比火力强度指标重要。
通过无人化操作减少伤亡。
上述作战需求的变化，都为电动战车提供了更好的发展空间。
第四章电动汽车产业发展的影响因素及对策
4.1国内电动汽车发展中存在的问题
国内电动汽车虽然起步较晚，但是历经几代人的努力，在一些领域已经取得突破性进展，位居世界前列，但是依然有十分严峻的问题。
4.1.1电池技术瓶颈有待突破
国内制造的质量比较好的动力电池寿命一般在三年左右循环充放电次数在2000~3000次，与国外先进水平相比还有很大差距。
国内外动力电池企业产品差距比较大。
电池寿命短带来的直接弊端，就是需要频繁更换，由此提高使用成本。
锂电池的低温性能差，也是其技术瓶颈之一。
此种电池对使用环境的温度很敏感，温度一旦低于4摄氏度，则电池就不能正常充放电。
现阶段，我国尚未掌握锂电池的低温技术，即使在北京的冬天，电动汽车的运行也会受到阻碍，更不要说类似哈尔滨这样的极冷天气。
4.1.2基础性理论研究不够
国内车用电池技术的研发制造主要存在两个明显的问题，：
一是电池制造工艺和设备参差不齐，制造标准不一致，不同批次的电池原材料一致性参差不齐；二是国内欠缺制造电池的重要技术，正极依赖于大量进口。
电池能量密度和成组技术有待突破。
电池的性能主要取决于2个方面：
一是单体电池的性能，二是电池成组技术。
目前，磷酸铁锂电池的单体材料技术的能量密度可达到100～200Wh/kg，功率密度达到1000～1500W/kg，单体电池的循环寿命平均达到3000次左右。
但由于目前车用动力电池需要数个单体电池进行串并联使用，在当前电池一致性水平以及电池成组技术制约下，成组后的动力电池的能量密度以及循环寿命往往会大幅降低，还难以完全满足电动汽车产业化的要求。
从发展趋势来看，在现有电池组的寿命指标条件下，动力电池的年均折旧成本已与当前传统汽车的年均燃油费用基本相当，考虑到动力电池使用寿命在近2~3年内有望实现较大提高，加上石油价格仍将保持上涨趋势，在实现技术进步的条件下，动力电池的性能有望在未来2~3年后能更好地满足电动汽车产业化要求。
电池快充技术障碍短期内难以实现突破，难以商业化应用。
电动汽车电能供给服务模式可分为交流充电模式、直流充电模式、电池更换模式。
受限于目前技术发展水平，动力电池还难以在不影响使用寿命的情况下进行直流快速充电。
经常性大电流快速充电会大大缩短电池循环寿命，有关测试数据显示，与1.0C的充电倍率相比，1.1C和2.0C充电倍率下单体电池的循环寿命衰减快了约15%和40%，此外，由于快充带来的电池成组后的充电一致性、散热等系列问题都难以有效解决。
因此，从目前以及短期内电池技术发展趋势来看，快速充电还难以作为当前电能补给的主要方式。
另外，冒进思想严重。
我国动力电池技术发展中存在一些问题：
基本的概念没有建立科学的分析和评价体系，另外没有详细可循的理论可供初学者学习。
4.1.3电动汽车安全隐患不容忽视
电动汽车的安全性包含两个方面：
一是作为汽车所应具备的基本安全性；二是作为电动汽车的独有的安全性问题，也就是与电有关的安全性。
传统汽车整车技术已非常成熟，安全性无可置疑。
但许多企业与单位开发的电动汽车，通常沿用了原有内燃机汽车的车身系统，换上电池、电气装置及与其相关的系统，以这种方式得到的电动汽车存在很多安全隐患。
4.1.4电动汽车发展面临“缺电”困境
风能、太阳能、生物质能等用于发电，不仅清洁环保，而且在自然界是可以再生的，资源充足。
但在近、中期内，不可再生资源依然是主要角色。
国际上正在研究可控热核聚变发电技术，一旦成功，电站将不会发生融化事故，也无放射性废料产生，可为人类提供持久、清洁的能源。
4.2加快我国电动汽车发展的措施与建议
（1）战略定位
发展电动汽车是在我国以煤为能源结构下,煤基能源交通应用的最佳方式,是我国汽车工业应对能源、环境和气候变化挑战、保持可持续发展的最佳途径是我国应对金融危机、培育新兴产业和新的经济增长点的战略选择是在国际汽车业“转移”与“转型”的大背景下,实现我国汽车产业从大国向强国转型、实现自主发展的最佳选择。
（2）战略目标
抓住重要机遇发展电动汽车，将电动汽车的发展列入国家战略,以掌握核心技术为目标,以点带面，将一些关键技术发展到达国际水平，加强零部件的技术强化，形成完整的产业体系。
第五章结束语
本文介绍了电动汽车的发展现状，从电动汽车的技术层面进行了科普式的概述，另外还介绍了电动汽车未来的发展趋势及存在的一些问题，并给出了一些相关的措施建议。
电动汽车是一项系统工程，涉及物理、材料、电化学、电机、控制等多种学科，需要综合电池、电机、控制系统等多领域技术的支持、多种部件的匹配合成，其发展是一个国家科技实力和制造能力的综合体现。
动力电池组是新能源汽车的核心部件之一，是新能源汽车发展的基础和瓶颈。
目前阻碍新能源汽车发展的瓶颈主要是动力电池在续航能力、成本等方面与传统汽车相比还有一定差距。
只有动力电池组技术水平有较大提升，新能源汽车产业才能发展壮大。
经过多年努力，我国初步建立了混合动力、纯电动和燃料电池的“三横”的研发布局和技术体系；初步掌握新动力电池和电机取得重要进展，部分产品基本满足示范运行要求；部分产品实现了小批量生产和示范运营，正逐步向产业化推进。
虽然在传统汽车领域落后于发达国家近二三十年，失去了追赶的机会，但在电动汽车领域，我国与国外的技术水平和产业化程度差距相对较小，基本处在同一起跑线上，并有机会在该领域获得重要席位。
这也为我国汽车工业技术实现跨越发展提供了一次历史性的机遇，更重要的是我国还有后发优势。
目前，我国在燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车等多个领域的自主研发中不断取得突破，已经具备了一定的基础，在车用电池的攻关上已经取得了群体性突破，使我国在电动汽车领域初步构建起自主知识产权技术体系，通过开发自己的电动汽车，申请专利，制定相关技术标准，保护自己的汽车工业，并有望为中国汽车工业开拓新的增长点，展示了电动汽车技术的未来发展前景。
时值能源安全、环境污染和全球气候变暖等问题日益恶化的当下,节能减排已成为全球汽车产业的战略方向。
而自从2009年成为汽车产销量第一大国之后,我国也确定了要成为汽车强国的发展目标
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