电动汽车驱动方式与驱动电机研究文档格式.docx
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美国以下列几项计划支持电动汽车技术发展：
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。
除了底特律的三大汽车公司之外，出身硅谷的特斯拉正展现出越来越非凡的竞争力，其最新推出的ModelSP85D电动跑车，百公里加速达到惊人的3.3秒，代表着世界电动汽车技术的最前沿，如图1.1所示。
图1.1特斯拉ModelSP85D
日本很早时就已着手发展电动汽车。
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，因此日本政府历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，积极促进电动汽车行业发展。
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广计划。
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1.2。
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，积极组织电动汽车的研究与开发，为此政府指定奔驰和大众合资建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应商和主导市场，并把实现这一目标视为能否“在工业、经济、科学和工艺技术上继续扩大德国领先地位的机会与挑战”。
如果实现这一目标，就意味着长远地保障了德国人的就业，并创造新的价值。
由此可以看出，德国把推动电动汽车的发展看作是提升整个国民经济的战略机会。
奔驰作为德国三大汽车巨头之一，又是著名的豪华汽车品牌，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。
同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、动力各方面都相当出色，如图1.3所示。
图1.3BMWi8
1.2.2国内电动汽车发展现状
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，极有机会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。
规划称将继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展，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成果。
东风公司是国内最早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，多年来深耕电动汽车，已经推出多款新能源汽车。
旗下最新的混合动力汽车唐，百公里加速达到4.9秒，号称世界最快suv。
还有旗下豪华纯电动客车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，堪称国人骄傲，如图1.4。
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共同出资打造DENZA腾势，将致力于发展环保节能、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，推动新能源汽车的发展和进步，旗下量产车腾势已经上市，如图1.5。
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，以及电动汽车的工作原理。
（2）分析比较各种电动汽车驱动方式，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、计算机、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分组成，如图2.1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储存起来，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、电压均可调节的交流电，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发展的主要因素，其应具有高的比能量（即能量密度）和比功率（即功率密度），以满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2.1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，将汽车部分动能吸收，并重新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2.2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，至于离合器、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
由于驱动电机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，此时离合器也可省去，如图2.3所示。
此种驱动形式可以节省机械传动系统重量和体积，另外可以减少操作难度。
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2.4所示。
此时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出发，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2.5所示。
当车辆进行转弯时，两侧的电机就会分别工作在不同的速度下，不过这种驱动形式需要更加复杂的控制系统。
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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，以满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2.6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，此时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2.7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起到轮毂内。
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2.8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其显著的优点，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，都可以比较轻松地实现。
尤其是全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易，这点难能可贵。
另外，轮毂电机可以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。
目前这一技术在巨大的矿山运输车上得到应用，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间较长，技术处于领先地位。
目前，最新米其林研发的轮毂电机能够把电机和电子主动悬架都整合到轮内，其结构如图2.9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2.10所示。
图2.3奇瑞麒麟X1外观图
鉴于轮毂电机电动汽车巨大的优势，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很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。
恒转矩运行满足启动和爬坡，恒功率运行满足高速行驶。
（13）为尽可能延长续航里程，要求电动汽车驱动电机能够在大范围内保持高效率运行，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可靠性。
（15）要求电动汽车驱动电机瞬时功率高，有一定的过载能力（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，满足加速和爬坡需要。
（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，还要求低成本。
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建立在电磁力和电磁感应这个基础上的。
3.2.1直流电动机
1.电励磁式
基本结构：
直流电动机由定子（固定部分）与转子（旋转部分）两大部分组成，如图3.1所示。
定子与转子之间有空隙，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缝隙，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
基本原理：
直流电动机基本原理可参考如下物理模型图，如图3.2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。
根据供电方式不同，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3.3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，如此一来可通过分别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种控制。
他励直流电动机具有良好的线性特征和稳定的输出特性，能实现在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3.4所示。
图3.4四种不同电励磁式直流电动机机械特性比较
电励磁式优点：
首先，通过控制电枢电流的大小，可以非常简单地实现对转矩的线性控制；
其次，通过改变励磁绕组的电流，可以很容易实现弱磁（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：
首先，由于换向器和电刷属于易磨损器件，所以需要定期维护和更换，而这点造成使用上的不便。
其次，同等功率下直流电动机体积比较大，所以多用于小型汽车，小功率的情况下。
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，这种直流电动机同样存在着转子电枢绕组的换向问题，如图3.5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变化较大，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经过机壳向外发散，且便于温度检测；
至于转子将装上永磁体和位置检测器，且不再安装电枢绕组，这样就将省去电刷和换向器，如图3.6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，系统根据位置检测器所测得的转子磁极变化关系，在定子线圈绕组中通入正负交变的方波电流，从而产生磁极交替变化的磁场，此时定子与转子异性磁极间的磁拉力将驱动电机旋转，如图3.7和3.8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：
经过弱磁调速，永磁无刷直流电动机可以实现恒功率调速，如图3.9。
图3.5永磁无刷直流电动机机械特性
优点：
这是一种机电一体化结构的驱动控制电动机，既保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，还避免了使用换向器，使得电机运行更加可靠，免维护，寿命长，目前广泛应用于小型汽车上。
3.2.2交流电动机
1.异步电动机——三相笼型异步电动机
基本结构：
笼型异步电动机也分为两个基本部分，即定子和转子，两者之间存在气隙，如图3.10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，这种结构简单且坚固，并可以使用整体轻量化的材料，使超高速运转成为可能，也便于实现小型化，如图3.11所示。
图3.1三相笼型异步电动机结构图
图3.2笼型转子图
三相笼型异步电动机的基本原理如演示图3.12所示，当转动手柄，磁铁开始旋转，此时与磁铁无任何机械连接的笼型转子也跟着旋转。
且摇得快，转子转的也快；
摇得慢，转子转的也慢；
反摇，转子马上反转。
图3.3三相笼型异步电动机转子转动演示图
对于实际中的三相笼型异步电动机，当定子绕组中通入三相交流电后，它们共同产生的合成磁场随电流的交变而在空间中不断地旋转着，称为旋转磁场，如图3.13所示。
这个旋转磁场同磁铁在空间旋转所起的作用是一样的。
图3.4三相交流电产生的旋转磁场
当旋转磁场旋转时，其磁通将切割转子导条，导条中就感应出电动势。
在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流，该电流与旋转磁场相互作用，从而使转子导条受到电磁力并产生电磁转矩，转子就旋转起来，如图3.14所示。
从中也可以看出，转子与旋转磁场之间必须要有相对运动，即转子的转速要慢于旋转磁场的转速，这就是异步名称的由来。
图3.5异步电动机转子转动原理图
三相笼型异步电动机的机械特性与永磁无刷直流电动机的类似，如图3.15所示。
图3.6三相笼型异步电动机机械特性图
此种电动机易实现高速运转，且结构简单坚固，造价便宜，维护方便，尤其适合功率需求较大的电动跑车或客车。
2.同步电动机
（1）电励磁式——交流同步电动机
基本结构：
交流同步电动机的定子和三相异步电动机的一样；
而它的转子是磁极，由直流电励磁，直流电经电刷和滑环流入励磁绕组，如图3.16所示。
图3.1交流同步电动机转子图
交流同步电动机的转子上装有和笼型绕组相似的起动绕组，当定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场后，同步电动机就像异步电动机那样起动起来（此时转子没有被励磁）。
当电动机的转速接近磁场转速时，才对转子励磁。
这时，旋转磁场就能紧紧牵引着转子一起转动，速度相同，即为同步，如图3.17所示。
图3.2同步电动机工作原理图
机械特性：
当交流电频率一定时，交流同步电动机的转速恒定，不随负载变化，所以它的机械特性曲线是一条与横轴平行的直线，如图3.18所示。
图3.3交流同步电动机机械特性曲线图
评价：
由于特殊的机械特性，因此传统的交流同步电动机常用于长期连续工作及保持转速不变的场所，如水泵和通风机等。
（2）永磁同步电动机
永磁同步电动机的原理与交流同步电动机相似，只不过用装有永磁体的转子代替交流同步电动机的电励磁转子，如图3.19所示。
当定子绕组中通入三相交流电时，所产生的旋转磁场磁极与转子的异性磁极之间就会形成磁拉力，进而形成电磁转矩，驱动转子旋转。
图3.4永磁同步电动机结构图
根据永磁体在转子上的安装位置不同，永磁同步电动机可分为表面式和内置式。
当转子外表面粘附永久磁铁时，称为表面式永磁同步电动机；
当永磁体嵌入转子内部时，称为内置式永磁同步电动机，如图3.20所示。
图3.5交流同步电动机各种转子结构
由于不需要励磁电路，所以相较于其他电动机，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高等优点。
不过此种电动机需要复杂的驱动控制系统，才能实现良好的控制特性，再加上高性能永磁体的价格居高不下，所以成本较高。
但随着技术的进步，这种高效率电机注定是未来电动汽车电机的主流趋势，尤其适合作为轮毂电机使用，推动性能更加优越的轮毂电机驱动型电动汽车的发展。
由于所要设计的电动车定位为小型乘用车，所以在经过对电动汽车所用电机系统的比较后，把车用电机定为永磁无刷直流电动机。
4轮毂电机的参数匹配
由于设计目标锁定在小型乘用车，所以在确定轮毂电机具体参数时，以在售的知豆ZD5101XEV车型（两座小型电动车）作为参考，其整车基本参数如表4.1所示。
表4.1整车基本参数
项目
参数
汽车最大总质量/kg
850
空气阻力系数
0.35
迎风面积/㎡
1.5
车轮半径/m
0.252
滚动阻力系数
0.018
前轴载荷比
0.6
质心高/m
0.54
轴距/m
1.765
整备质量/kg
670
最高车速/（km/h）
80
常规车速/（km/h）
40
有了整车基本参数后，以此为基础，计算并选取轮毂电机参数。
4.1轮毂电机功率
在设计中，电动汽车电机功率
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