电动汽车关键技术研究探究Word文档格式.docx
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2.3.5驱动电机的应用和性能比较 5
2.3.6最理想的电动机 6
2.4电气传动系统功率半导体器件 8
2.4.1功率半导体器件的选择准则 8
2.4.2功率半导体器件 8
2.5电动汽车电气系统的控制技术 9
2.6样车的电气控制系统 10
2.7电动汽车电气系统技术展望 12
3电动汽车的能源管理系统技术 13
3.1电动汽车对电池性能的要求 13
3.2现有的符合电动汽车用电池及管理系统 14
3.3动力电池技术前景展望 15
3.4电动汽车的充电技术 17
4电动汽车的电动转向、制动及其他系统技术 19
4.1电动汽车的转向系统技术 19
4.1.1电动助力转向系统概述 19
4.1.2电动助力转向系统的分类 19
4.2电动汽车的制动系统技术 21
4.3电动汽车其他常见及需要注意的技术 22
4.3.1电动汽车再生制动控制系统 22
4.3.2电动汽车传动装置概述 22
5仿真模型Simulink控制方法对电动汽车整车模型的简单运用.23
6结论 26
参考文献 27
致谢 28
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可以上升到是对人们出行方便和生存的威胁，曾经出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。
本论文首先对电动汽车的定义、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、能源管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控制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；
能源管理；
电动转向；
仿真模型
KeyTechnologiesofElectricVehicles
Abstract
Thisarticlefirstintroducedelectricvehicledefinition,significance,research
prioritiesandresearchstatusofintroduction，thelatterstudyfocusedonitskey
technologies,specificsofmotordrivesystemtechnology,energymanagementsystem
technologyYijielectricsteering,brakingandothersystemstechnologies,thefinal
Simulinksimulationmodelcontrolmethodusingasimplemodeloftheentirevehicle
Inrecentyearsalargenumberofenvironmentalpollutionandgrowingdemandforenergyevenshowuptoisthatpeopletravelconvenienceandsurvivalthreat,therehavebeenlogicalforelectriccarsonceagainbecomethefocus,itdoesnotpollutetheatmosphereofharmfulgasemissions,useprocessdoesnotconsumetraditionalenergysources.
simulationdemonstration.
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存储装置）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”期间国家科技计划的持续支持和能源基金组织等国际社会的帮助，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赖和环境污染的同时，确保人类移动灵活性和实现汽车产业可持续发展的有效路径。
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发布文件，决定在北京、上海、重庆等13个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作，以财政政策鼓励在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域率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，国务院在正式发布的《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，培育自主品牌，形成新的竞争优势，促进汽车产业持续、健康、稳定发展的指导思想。
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，但国外著名的研发机构、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累，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经验。
在我国电动汽车产业的发展过程中，了解、学习和借鉴他们的开发能力和经验，探索以国际合作的形式开展电动汽车关键技术开发的道路，对于促进我国电动汽车的快速发展具有积极的意义。
目前对于电动汽车的民用，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发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。
电力驱动及控制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。
电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。
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，则基本与传统的内燃机汽车类似。
所以本论文将挑选电动汽车的电机驱动
系统、能源管理系统、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控制软件在电动汽车上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,主要由驱动电机、功率转换器和电子控制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;
电子控制器包括传感器、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节。
图1电动汽车电气驱动系统基本组成
2.2电动汽车对电气驱动系统的基本要求
（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）电机的调速范围大,一般在25%～100%最大转速范围内,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,一般应达（1～1.25）kw/kg.
（4）具有良好的效率特性,在较宽的转速/转矩范围内,获得最优的效率,提高一次充电后的持续行驶里程,一般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,在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动转矩;
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）维护简单,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,一般只根据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,电机变速范围大、过载系数高,通常应根据车型和驾驶习惯进行设计,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
有刷直流电机采用斩波控制器的控制方式,控制技术简单、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,同时电机损耗主要在转子上,使得电机散热困难;
电刷在工作中产生的电磁辐射干扰,对车辆的电子控制系统也产生一定的影响,因而在现代高性能电动汽车上的应用正逐渐减少。
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、微电子技术及控制技术的发展,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、免维护、易冷却和结构坚实可靠等优点,而且通过适当的控制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。
感应电机主要存在着耗电量大,转子易发热,调速性较差,控制系统较复杂,成本高的缺点。
变频变压控制VVVF与磁场定向矢量控制FOC是两种常用的控制技术,另外直接转矩控制（DTC）也是一种很有前途的感应电机控制技术。
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,消除了由于电刷带来的许多问题,但驱动系统比较复杂,通常采用方波电流控制的无刷直流电机比较容易实现电机的驱动和控制,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,采用逆变器和带微处理器控制模块的变频控制技术,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、可靠性高和免维护等优点。
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控制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控制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、坚固、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、控制器价格高等,限制了当前它在电动汽车上的应用。
开关磁阻电机在今后电动汽车上的应用仍值得特别关注。
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,特别是新材料技术、功率电子和微电子技术
以及计算机辅助设计技术的发展也在不断发展,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况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，通过从电池中获取的有限的能量产生动力，所以要求其在各种环境下的效率都要很好。
因而，在性能上的要求比工业上要严格得多。
这里，对电动汽车用电动机所要求的主要特性做一个归纳和整理。
1.由高速化而生的小型轻量化（坚固性）
在车辆上搭配方面匹配外，电动汽车用电动机的体积、重量应为一般工业用电动机的1/2。
2.高效性
务必使一次充电的续航里程尽可能的长，尤其是行驶模式变换频繁的轻负载的情况下，电动机和控制装置的总效率也需要进一步提高。
因而，在控制层面上的研究也
是很有必要的。
3.低速大转矩情况下的大范围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，即使在汽车上也达到了3到5g的振动，在任何环境中确保高安全性都是最重要的而不采用速度位置传感器的控制，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适性，人们都是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。
但是，现实中全部满足以上特性的电动机还没有被开发出来，希望在不久的将来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很大的影响,在现代电动汽车驱动系统设计中,根据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
功率半导体的选择主要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允许电压。
一般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般为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,额定电流可以选择较小一些。
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,产生严重的电磁干扰噪声。
目前,电动汽车普遍采用脉宽调制（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,开关频率一般选择10KHz也基本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于是否有高的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很小,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发展,新一代高频化、全控型的功率集成半导体器件不断出现,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控制系统的工作要求。
电力晶体管（BJT）是一种三层的双极型全控器件,具有控制方便、开关时间短、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,具有开关时间短、工作频率高、热稳定性好、抗干扰能力强的优点,栅极驱动电路简单,但额定电流较小,多采用并联
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、耐压高和承受电流大、安全工
作区宽、性能稳定、工作可靠性大等优点。
从目前现代电动汽车电子技术发展情况看,静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）由于工艺性复杂,仍难以达到实用化的要求;
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）正逐渐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控制系统,而随着MOS栅控晶闸管（MCT）性能的进一步提高和价格的降低,它将成为未来最有发展的功率半导体器件。
2.5电动汽车电气系统的控制技术
控制技术对电动汽车系统性能有非常大的影响,同一台电机由于控制方式不同,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,一般采用简单的开环控制方法。
但是,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控制方法。
传统的线性控制,如PI和PID控制,已经很难再适应高性能驱动系统的严格要求了。
近几年,出现了许多现代控制技术。
目前,那些在常规驱动领域中的一些控制方法,如变压变频（VVVF）、矢量控制（VC）、模型参考自适应控制（MRAC）、直接转矩控制（DTC）和变结构控制（VSC）等等都已被广泛地移植到电动汽车的控制系统中来,并取得了良好的效果。
但是电动汽车的驱动系统以及控制有其自身的特点 ,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、调速范围大、动态性能要求高等等。
从目前的实践来看,对于感应电动机,矢量控制技术最好。
采用矢量控制,对定子电流两分量实行解耦,可以象直流电机那样分别控制转矩和磁通,获得快速响应和精确控制的高性能驱动系统。
由于转子电阻随运行温度的急剧变化而影响磁场定向的准确性,故目前的研究方向开始转到以定子磁场定向的矢量控制中去。
通常的控制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,主要控制的是电机的转矩。
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,直接转矩控制无速度传感器的感应电动机调速系统无疑具有良好的发展前景。
前面还出现的智能控制技术,如模糊控制,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。
所以,现代控制技术,特别是智能控制技术的使用,使电动汽车驱动系统具有高度的智能化。
2.6样车的电气控制系统
图3实验室用样车图片
样车的电气控制系统主要由电机驱动电路、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电气控制系统框图
电气控制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间提供大电流，蓄电池电压稳定的作用。
图5电气控制系统实物图
驱动电路在整个控制系统中起到关键作用，其性能直接决定了电动汽车能否运
行。
它主要包括光藕隔离、驱动控制芯片和驱动芯片。
其中，驱动控制芯片是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，甚至驱动控制芯片损坏，所以设计时要特别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。
本文经验总结得出，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间大电流引起的，特别是离过流保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驱动控制实物图
2.7电动汽车电气系统技术展望
（1）电力电子器件的性能影响电动汽车的可靠性,采用新型电力电子器件和微机控制及数字信号处理器,通过软件实现全数字化控制是电气驱动系统主要的发展方向。
（2）应用交流电机是电气驱动系统必然发展趋势,直流电机的应用逐渐减少,感应电机应用广泛,永磁同步电机的应用最具有发展前景,开关磁阻电机的应用值得特别重视。
（3）MOSEF适合于开关频率高、小功率的控制器,大功率管选IGBT;
随着MCT性能的继续提高并达到商用时,MCT必将成为电气系统功率控制器的首选器件。
3电动汽车的能源管理系统技术
能源管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，还应该有一套维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；
控制充电方式和提供剩余能量显示等职责的能量管理系统。
能源管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控制单元。
图7电动汽车能源管理系统
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
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