电动汽车原理分析毕业论文Word文件下载.docx
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drivesystem,
excitation
mode
第一章电动汽车的历史、现状及特点
1.1电动汽车的定义及种类
电动汽车指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车。
驱动电动汽车的电力常见的有各种蓄电池（又称二次电池），燃料电池、太阳能电池等。
最常见的分类方法是把电动汽车分为蓄电池电动汽车、燃料电池汽车和混台动力电动汽车三类。
其中，蓄电池电动汽车亦称二次电池电动汽车、纯电动汽车等，电动汽车还常以使用的电池名称命名，如氢燃料电池汽车、蓄电池汽车、太阳能电动汽车、铅蓄电池汽车等。
1.2电动汽车的历史与现状
1885年，世界上第一辆汽油机汽车由德国人本茨研制成功，并于1886年回月26日获得专利，后人为了纪念本茨对汽车发展所作的贡献，将1886年1月26日定为世界L第一辆汽车诞生日。
电动汽车的历史同样可以追溯到19世纪，并且早于内燃机汽车的发明时间，最早开发电动车辆的人为法国和英国人，1881年法国工程师古斯塔夫一特鲁夫发明了第一辆电动汽车铅酸蓄电池动力三轮车，并于1881年8月到11月间在巴黎举办的国际电器展览会上展出，遗憾的是这辆电动汽车的照片没有留下来。
现在留有照片的最早的电动汽车是英国人阿顿和培里于1882年发明的三轮电动汽车。
应该说明的是，若把一次电池电动汽车作为电动汽车的诞生日的话，则第一辆电动汽车的诞生时间是1873年，由英国人罗伯特一戴维森发明。
戴维森制作的世界一最初可供实用的电动汽车是一辆载货车，长4800mm，宽1800mm，使用铁、锌、汞台金与硫酸进行反应的一次电池。
电动汽车在欧洲发明之后，很快传到了美国，并在美国得到了快速发展。
1890年美国第一辆蓄电池汽车在美国衣阿华州诞生，时速达到23km/h。
在此之后的十多年里，电动汽车在美国飞速发展，到1900年保有量已达到33384辆。
到1900年为止，美国的电动汽车相对来说比内燃机车还要多占一些优势。
其原因是在美国辽阔的乡村，当时坚硬道路稀少，而城市内大多都是坚硬的道路，市区面积狭小，因此，续驶里程为30英里并不被认为是一个严重的缺陷。
英法两国的情况就大不一样，由干欧洲历史悠久，文化古老，在主要城市之间当时已有公路相连，无论什么天气，车辆都能行驶。
因此，在英国和法国，汽油动力车就成为主要对象。
连接主要城市的公路系统推动了旅游业的发展，而旅游业则要求车辆具有相当长的续驶里程。
尤其是法国，当时汽车工业比较成熟，在1905年之前，机动车辆出口量居世界首位。
但在1905年之后，由于美国各家汽车公司零部件的互换性提高，而且产品价格低廉，所以在此后的几十年里．美国一直是汽车出口量最大的国家。
直到20世纪初，美国以蓄电池为动力的电动汽车占汽车保有量的38%，其比例仅次于占汽车保有量40%的蒸汽机汽车。
到了1915年，美国电动汽车的年产量达5000辆。
后来由于起动机的发明促进了汽油机汽车的发展和美国州际公路的发展，使电动汽车不能适应长距离行驶的缺点更为突出，因而电动汽车开始走向衰落，在1935年到1960年的25年里，电动汽车几乎处于停产状态，并逐步退出使用。
20世纪60年代，随着汽车保有量的增加，汽车的排气污染使美国等发达国家相继出现光化学烟雾等空与污染事故，使人们的健康与生命安全受到了严重威胁。
因而，首先在受到汽车污染威胁的汽车工业发达国家又重新开始电动汽车的开发。
如日本在1976年就成立了电动汽车协会，并开展了电动汽车的研究与开发工作。
但是，由于电动汽车技术一直没有重大突破，到20世纪80年代电动汽车的研究、开发和应用仍然处于停滞不前的状态。
1900年9月美国加州政府通过的法规规定了“零排放车辆”ZEV的销售比例，随后其他各州仿效立法，这些措施推动了美国及世界范围内电动汽车的迅速发展。
1991年美国三大汽车公司签订协议，合作研究电动汽车用先进电池，成立美国先进电池联台体USABC;
同年7月美国电力研究院EPRI参加了美国先进电池联台体，10月布什总统批准了226亿美元拨款资助此项研究。
通用汽车公司于1990年在洛杉矶展出“冲击”牌电动轿车，该车采用铅酸电池与高新技术。
从此掀起了一个以高新技术为基础、得到各国政府大力支持的、世界性的电动汽车研发热潮。
1.3电动汽车的优势
电动汽车包括蓄电池车、燃料电池车和混合动力电动汽车三类。
由传统的汽车动力（如内燃机等）和电力组成的混合动力电动汽车由于装备了内燃机等传统的汽车动力，因此，此类混合动力车仅在以电力运行时具备蓄电池汽车和燃料电池汽车的一些优势。
故在以下论述一些优势中，对混合动力电动汽车仅指以电力运行时而言。
1.3.1良好的环境保护效果
燃料电池电动汽车通常以富氢气体为燃料，而富氢气体的主要来源是通过矿物燃料取。
在富氢气体的制取过程中，其CO2的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。
由于燃料电池的燃料在反应前必须脱除硫及其化合物，而且燃料电池是按电化学原理发电，不经过热机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮、硫氧化物，减轻了对大气的污染。
当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水，从根本上消除了NOX、SOX及CO2等的排放。
故以纯氢为燃料的燃料电池电动汽车在行驶中不排放任何有害气体（包括CO2）。
蓄电池车以电力为动力，混合动力电动车在城市运行时也可以仅使用储存的电力。
因此可以说，电动汽车是零排放汽车。
电动汽车可广泛应用于城市公交、公共场所以及对排放控制有特殊要求的地方。
但是如果算总账，并不能说电动汽车是零排放汽车，因为电动汽车使用的电能或燃料电池车使用的燃料，在其生产过程中已产生了NOX和CO2等污染物。
表1-5为燃料制造过程中NOX的排放值，图1-5为单位里程的NOX排放量随汽车种类的变化，其中FCEV的燃料氢和甲醇假定由天然气制造（图中小线段为误差范围）[2]。
表1-5NOx排放量比较
燃料种类
汽油
柴油
电力
甲醇
氢
NOx排放量/（G·
MJ-1）
0.113
0.056
0.047
0.019-0.022
0.022-0.042
1.3.2噪声低
燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少，无内燃机的燃烧噪声和进气门、排气门、活塞与曲轴等运动部件的机械噪声。
燃料电池系统中最大的噪声源是空气压缩机（仅采用压力供气的燃料电池）。
在没有采取隔声措施的燃料电池概念车中，空气压缩机在汽车运行中产生的噪声也相当大。
总的来看，燃料电池车的噪声明显低于内燃机汽车。
实验表明，4.5MW和11MW的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于55dB的水平。
蓄电池汽车和混合动力电动汽车仅使用储存的电力在城市运行时也具备类似特点。
因此可以说，电动汽车工作时产生的噪声低，较传统汽车安静。
汽车加速和等速运行时的噪声构成情况。
可见在加速时发动机及其排气系统的噪声占有很大比例，等速行驶时轮胎的噪声大。
在汽车加速时，对于电动汽车而言，没有与发动机相关的如排气系统等的噪声；
对混合动力车而言，发动机仍然稳定运转，与发动机的噪声大约为汽油机和柴油机的一半；
燃料电池车加速时动力系统的噪声主要来自进气系统和冷却风扇等。
如果以柴油车和汽油车加速时噪声作为1，则燃料电池车FCEV、蓄电池车及混合动力车加速时的噪声。
可见电动汽车加速时的噪声明显低于普通汽车。
1.3.3可以改善能源结构、解决汽车的替代能源问题
装备蓄电池的电动汽车所消耗的电能可以由普通电网得到，故所有获取电能的方法都可以用作电动汽车的能源获取途径，如水力发电、核能发电、潮汐发电、燃煤发电、风能发电、地热发电及太阳能发电等。
燃料电池可以以氢、甲醇等非化石燃料为能源，因此电动汽车改变了传统汽车单纯依赖石油燃料的不足，既可改变能源结构、弥补化石燃料的不足，又可以作为石油枯竭后的交通工具，因此可以说开发电动汽车具有重要的能源战略意义。
1.4电动汽车的主要不足
1.4.1续驶里程短，载质量小
能量密度（指单位体积的动力电池组所能输出的能量）低是除内燃机混合动力车外的电动汽车存在的最大的问题。
目前实际使用的电池有铅酸电池、镍－镉电池、镍－氢电池、锂离子电池等，常见的蓄电池比能量（指单位质量的动力电池组所能输出的能量）的范围为35～110Wh/kg，而汽油的低热值为44MJ/kg（即为1.2×
104Wh/kg），可见汽油的能量密度约为蓄电池的110～340倍，即使把电动机的工作效率高于发动机这一因素考虑在内，两者之差也相当悬殊。
镍－氢电池、锂离子电池等电动汽车的一次充电行驶里程目前虽然已超过200km，最高车速已超过130km/h，但这仍然难以和内燃机汽车相比。
燃料电池车由于采取了35MPa的高压储存技术等各种措施，其续驶里程已超过300km，但仍然无法与燃油汽车相比。
内燃机混合动力汽车虽然没有续驶里程短的问题，但由于其结构复杂，在载重量上仍然难以与传统内燃机汽车相比，加之其在制造成本和可靠性等方面的不足，目前仍然难以与传统内燃机汽车相媲美。
1.4.2制造成本高
目前纯电动汽车的价格一般为同级燃油汽车的2～5倍。
当然生产规模扩大后，会有一定幅度的降低，但仍然难以达到内燃机汽车的水平。
内燃机混合动力汽车价格明显高于同级别的燃油汽车。
燃料电池汽车的价格非常昂贵，达到同级别的燃油汽车的数十倍，甚至上百倍，还处于消费者无法接受的地步。
1.4.3必须重新建设基础设施和解决氢的来源问题
除内燃机混合动力车外的电动汽车存在重新建设基础设施的问题。
为了克服蓄电池充电时间长（4～8h）的问题，需要在停车场或车库建设类似燃油汽车加油站的快速充电站。
氢燃料电池汽车则需要解决氢的来源问题和建设加氢站等设施。
第二章 电动汽车的构造原理
2.1电动汽车的结构特点
电动汽车的基本结构系统可分为3个子系统：
即主能源子系统，电力驱动子系统和辅助控制子系统，如图2-1所示[1]，其中，主能源子系统，由电源和能量管理系统构成，能量管理系统能实现能源利用监控、能量再生、协调控制等作用；
电力驱动子系统由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成；
而辅助控制子系统，主要为电动汽车提供辅助电源，控制动力转向、电池充电等作用。
图2-1电动汽车的结构
图2-2电动汽车电路
1-主电源到电动机的电路；
2-由主电源DC/DC转换器到附件电路;
3-回收电路
燃料可以是柴油、汽油、液化石油气、天然气和醇类等，用完之后可通过加油站补充。
蓄电池电动汽车的最大特点是装备有蓄电池（二次电池）、电动机、电动机控制装置和能源管理系统等，能量的补充方式为充电，可在充电站或停车场进行，充电站使用的充电器多为快速充电器。
由于电动机被拖动时，即可发电，因此蓄电池电动汽车一般都带有可回收减速和下坡时能量回收（再生）系统。
蓄电池电动汽车的电路可以分为图2-2所示的三部分[2]。
第一部分为由生电源到电动机的电路；
第二部分为生电源→DC/DC转换器→汽车电器设备用电源→～电器设备（如前灯、后灯、雨刮器等）；
第三部分为制动能量回收发电机到生电源部分的电路。
2.2蓄电池电动汽车的分类
由于蓄电池电动汽车行驶的动力源仅有来自电池的电力，因此蓄电池电动汽车常被称为纯电动汽车PEV，蓄电池电动汽车有各种不同的分类方法，常见的有四种第一种分类方法是根据动力系统组件的多少和布置形式［3］把电动汽车分为四类。
第一类可称为常规（传统）型电动汽车，其动力传递路线参见图2-3（a），这类电动汽车是最早的PEV型式，可直接由燃油汽车改装得到，其特点是仅用电动机和蓄电池系统取代传统的内燃机和燃油系统，由于保留了传统内燃机汽车的变速器、主减速器和差速器等，因此对电动机的要求低，并可选择较小的电动机。
第二类可为无变速器型电动汽车，其动力传递路线参见图2-3（b），这类电动汽车的特点是用电动机和蓄电池系统取代传统的内燃机和燃油系统，并去掉了传统的内燃机汽车的变速器，电动机直接连接到传动轴，通过电动机的控制实现变速功能，虽然减少了车的质量和传动损失，但电动机的尺寸大；
第三类为无差速器型电动汽车，其动力传递路线参见图2-3（c），这类电动汽车的特点是用电动机直接连接到左右两个驱动半轴上，结构简单，减少整车质量和传动损失，通过电动机的控制实现左右轮的差速和驱动力的分配；
第四类为电动轮型电动汽车，这类电动汽车的特点是无动力传递装置，把驱动电动机直接连接到驱动轮上，是结构最简单的电动汽车，空间利用率最大，无传动损失，但对驱动电动机的控制精度等要求高，并要求左右轮的转速之差满足汽车行驶特别是转弯时的要求。
电动轮的结构示意图如图2-3（d）所示，主要由定子、永久磁铁、编码器、电动机线圈、轴承、行星齿轮和制动毂组成，其特点是在设计时，把驱动轮与驱动电动机设计为一体。
第二种分类方法是根据电动汽车与普通燃油汽车在动力驱动控制系统上存在差别的特点，按动力驱动控制系统的结构型式对电动汽车分类。
通常把蓄电池电动汽车分为直流电动机驱动的电动汽车、交流电动机驱动的电动汽车、双电动机驱动的电动汽车及电动轮电动汽车等。
第三种分类方法是按照蓄电池的种类分类，可把电动汽车分为铅酸蓄电池电动汽车、镍－氢电池电动汽车、锂离子电池电动汽车等。
第四种分类方法是根据电动汽车的发展历程和主要技术指标等分类，可把蓄电池电动汽车分为第一代和第二代两类。
图2-3不同类型电动汽车的动力路线
（ａ）常规型电动汽车的动力传递路线；
（ｂ）无变速器型电动汽车的动力传递路线；
（ｃ）无差速器型（驱动轮独立电动机驱动型）电动汽车的动力传递路线；
（ｄ）电动轮型电动汽车动力传递路线及电动轮结构
2.3电动汽车用蓄电池的主要性能指标
对蓄电池电动汽车的未来起决定作用是蓄电池的性能。
蓄电池的主要性能指标有能量密度、比能量、功率密度、比功率、可靠性、寿命和价格等。
能量密度指单位体积的动力电池组所能输出的能量（wh/L或kwh/L），有时也称为比能量或体积比能量；
比能量（wh/kg）指电池单位质量中所能输出的能量，有时也称为重量比能量（汽油的比能量约为1.2×
104wh/kg）；
功率密度指单位体积的动力电池组所能输出的功率（W/L或KW/L），有时也称为比功率或体积比功率；
比功率是指单位质量电池所具有电能的功率，单位为W/kg，有时也称为重量比功率；
电池的寿命通常用使用的循环数表示，在一定的放电制度下，电池容量下降到某一规定值之前，电池所能耐受的循环次数，称之为充电电池的循环寿命。
目前电动汽车蓄电池可能的主要性能参数、特点及需要解决的问题。
2.4直流电动机驱动系统构造
20世纪90年代以前的电动汽车几乎全是直流电动机驱动的。
当汽车行驶时，蓄电池电流通过控制器输入电动机，电动机输出的转矩经离合器、变速器、万向节、传动轴、主减速器、差速器、半轴驱动车轮前进或后退。
后来，由于可控硅、大功率IGBT管和计算机的应用，使得直流电动机调速易于控制。
所以，在装备直流电动机驱动系统的电动汽车上，离合器、变速器都不再使用，代替变速器的是一固定速比的减速器，而离合器的功能则由调速控制器来实现。
电动轿车由于整车尺寸及空间的限制，大都采用前轮驱动的型式，将中间和后部的空间留给电池。
目前，电动汽车主要在市区和城市近郊使用，它所遇到的工况多种多样，它的最低稳定行驶车速为3～6km/h，最高车速可达100km/h，甚至更高，并且在行驶过程中所遇到的阻力变化很大。
电动汽车在行驶过程中阻力变化的最大值为最小值的6倍以上，因而电动机的转矩变化范围不能满足电动汽车行驶性能的要求。
故在电动机和驱动轮之间需要安装一个机械减速器或变速器，以保证电动机经常保持高效率工作，减轻电动机和动力电池组的负荷。
一般采用结构较为简单的两挡变速器即可满足电动汽车行驶阻力变化范围的要求。
图2-4所示为前轮驱动电动轿车的两挡变速器示意图[3]。
电动机通过两挡自动变速器和主减速器和差速器驱动前轮。
行星齿轮变速器、主减速器和差速器连为一体，使之结构紧凑，所占空间减小，便于整体吊装。
整个动力传动系统工作原理如下：
当汽车起步加速时，电动机带动变速器输入轴齿圈转动，此时由于车速很低，制动器将太阳轮抱死，行星轮与齿圈啮合转动，带动与行星架相连的齿轮转动，通过中间齿轮，差速器驱动车轮；
当车速逐渐提高到某一定值时，制动器自动松开，二挡离合器接合，行星架与太阳轮连为一体，根据行星轮变速器原理，齿圈与行星轮和太阳轮之间没有相对转动，连为一体，行星架齿轮与电动机转速同步，通过中间齿轮直接驱动车轮。
图2-4前轮驱动的电动轿车结构布置图
2.5交流电动机驱动系统构造
与交流电动机系统相比，直流电动机具有起步加速牵引力大，控制系统较简单等优点，因此以前几乎所有的车辆牵引电动机均为直流电动机。
但是，随着技术的进步，直流电动机的优势已逐渐丧失。
目前，交流驱动系统的批量生产价格已与直流系统大体相当，交流电动机的可靠性约为直流电动机的6倍，整个交流驱动系统的可靠性约为直流驱动系统的2倍，直流斩波调速系统的维护保养费用约为交流系统2.5倍，交流驱动系统与直流斩波调速驱动系统相比，可节约5%～7%的电能，而与直流电阻调压调速系统相比将节约25%～30%的电能。
交流电动机和直流电动机的特点如表2-5所示。
随着交流电动机驱动系统关键技术的不断突破，使交流电动机的体积小、重量轻（其比重量约为0.5～1kg/kw）、效率高、基本免维护、调速范围宽等优势得到体现，因此近年公布的电动汽车的电动机几乎全为交流电动机。
表2-6为丰田、本田和日产公司近年公布的称之为第二代电动汽车的主要性能参数[4]。
表2-5直流电动机和交流电动机的特点比较
表2-6第2代EV的主要性能参数
交流电动机
图2-7电动汽车交流电动机驱动系统
图2-7为电动汽车交流电动机驱动控制系统的一例[4]。
它生要由驱动系统、冷却系统、车身控制系统、能量管理系统四个子系统构成。
驱动系统中，动力电池的电流经动力分配单元送入系统控制器，系统控制器将直流电逆变成交流电驱动交流电动机，电动机输出的转矩经定速比减速器后，通过万向传动轴、生减速器、差速器和半轴驱动车轮，使汽车前进或倒退。
当汽车制动减速时，车轮带动电动机转动，通过矢量控制使感应电动机成为交流发电机产生电能，经系统控制器逆变变换后给电池组充电，这一过程称为制动能量回收，具有制动能量回收的电动汽车使一次充电后的续驶里程增加10%～15%。
对于交流驱动系统，电池组电压一般为300～400比较台适。
由于交流感应电动机体积小，重量轻，而动力电源逆变器使用绝缘栅双极型晶体管IGB
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