電動汽車動力傳動系的結(jié)構(gòu)與工作原理.doc

電動汽車動力傳動系的結(jié)構(gòu)與工作原理摘 要：能源危機(jī)已經(jīng)逐漸成為世界面臨的最重大問題之一。電動汽車的發(fā)展應(yīng)運而生。電動汽車的動力傳動系統(tǒng)又是其核心技術(shù)，本文主要對電動汽車中的蓄電池，電動機(jī)以及控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了闡述。關(guān) 鍵 詞:電動汽車 蓄電池 電動機(jī) 控制器The Works And Structure Of Power Transmission For Electric VehicleLIU Xue Lai( School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)Abstract: Energy crisis has become one of the most important issues which all the people have to face. Due to this problem, the development of electric vehicle comes into being. Power transmission is the core technology for electric vehicle. The article mainly makes a set about the works and structure of electric vehicles storage battery, electric motor and motor controller. Keyword: Electric Vehicle Storage Battery Electric Motor Motor Controller 前言能源短缺、環(huán)境污染、氣候變暖是全球汽車產(chǎn)業(yè)面臨的共同挑戰(zhàn)，各國政府及其產(chǎn)業(yè)界積極應(yīng)對，紛紛提出各自發(fā)展戰(zhàn)略，新能源汽車已經(jīng)成為21世紀(jì)汽車工業(yè)的發(fā)展熱點。我國是一個能源短缺的國家，尤為重視新能源汽車的研發(fā)。其中，純電動汽車是新能源汽車的重中之重。純電動汽車是以電池為儲能單元，以電動機(jī)為驅(qū)動系統(tǒng)的車輛。通常地，容量型驅(qū)動力電池即可滿足實用要求。純電動汽車的特點是結(jié)構(gòu)相對簡單，生產(chǎn)工藝相對成熟，缺點是充電速度慢，續(xù)駛里程短。因此適合與行駛路線相對固定，有條件進(jìn)行較長時間充電的車輛。1. 概述1.1 動力傳動系統(tǒng)動力傳動系統(tǒng)是電動汽車最主要的系統(tǒng)，電動汽車運行性能的好壞主要是由其動力傳動系統(tǒng)的性能決定的。電動汽車動力傳動系統(tǒng)由蓄電池、控制器、電動機(jī)、變速器、主減速器、等組成。電機(jī)控制器接受從加速踏板（相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)汽車的油門）、剎車踏板和PRND（停車、倒車、空檔、前進(jìn)）控制按鍵的輸出信號，控制電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)，通過減速器、傳動軸、差速器、半軸等機(jī)械傳動裝置驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)。車輛減速時，電機(jī)對車輛前進(jìn)起制動作用，這時電機(jī)處于發(fā)電機(jī)制動的運動狀態(tài)，給蓄電池充電，也就是所謂的再生制動。電動汽車的再生制動功能是非常重要的，根據(jù)對電動汽車的實際運行測試結(jié)果表明，再生制動給作為儲能動力源的蓄電池補(bǔ)充的能量，能是電動汽車一次充電之后行駛里程增加。動力傳動系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如1.1所示。在有的情況下，把電機(jī)、減速器與傳動裝置、車輪做成一體，稱之為電動輪，這時的差速器是靠電器方法實現(xiàn)的。帶電動輪的電動汽車的動力傳動系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1.2所示。1.2 電動汽車動力傳動系統(tǒng)布置方案目前，電動汽車動力傳動系統(tǒng)具有一下幾種布置方案：第一種和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)傳動系統(tǒng)布置方案一樣，仍帶有變速器，主要是為了提高電動汽車的起動扭矩及增加低速時電動汽車的后備功率，如圖1.3a中所示。裝有這種傳動系統(tǒng)的電動車主要是由內(nèi)燃機(jī)汽車改裝而成。第二種布置如圖1.3b中所示，這種傳動系統(tǒng)的最大特點是取消了離合器和變速器，因此對電動機(jī)的要求較高，不僅要求有較高的起動轉(zhuǎn)矩，而且要求較大的后備功率，以保證電動汽車的起車、爬坡、加速超車等動力性能。第三種和第四種的布置比較接近，都是直接將電動機(jī)驅(qū)動輪和驅(qū)動軸上，如圖1.3c和1.3d所示。這兩種傳動系統(tǒng)都是直接由電機(jī)實現(xiàn)變速、差速，它不僅要求電動機(jī)性能好，有較高的起動轉(zhuǎn)矩，較大的后備功率，而且對控制系統(tǒng)的要求很高。控制系統(tǒng)不僅要有較高的控制精度，而且具備良好的可靠性，從而保證電動汽車安全、平穩(wěn)的行駛。由于電動汽車傳動系統(tǒng)中的變速器、差速器、傳動軸等與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)傳動系差別不大，本文不再贅述其結(jié)構(gòu)及其工作原理。2. 蓄電池電池是電動汽車的動力源，是能量的存儲裝置，也是目前制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。要使電動汽車能與燃油汽車相競爭，關(guān)鍵是開發(fā)出比能量高，比功率大、使用壽命長、成本低的電池。2.1鉛酸蓄電池2.1.1鉛酸蓄電池的分類和結(jié)構(gòu) 鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1。鉛酸蓄電池是由正負(fù)極板、隔板、電解液、溢氣閥、外殼等部分組成。極板是鉛酸蓄電池的核心部件，正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛，負(fù)極板上的活性物質(zhì)為海面狀純鉛。隔板是隔離正、負(fù)極板，防止短路；作為電解液的載體，能夠吸收大量的電解液，起到促進(jìn)離子良好擴(kuò)散的作用；它還是正極板產(chǎn)生的氧氣到達(dá)負(fù)極板的“通道”，以順利建立氧循環(huán)，減少水的損失。電解液由蒸餾水和純硫酸按一定比例配制而成，主要作用是參與電化學(xué)反應(yīng)，是鉛酸蓄電池的活性物質(zhì)之一。電池槽中裝入一定密度的電解液后，由于電化學(xué)反映，正、負(fù)極板間會產(chǎn)生約為2.1V的電動勢。溢氣閥位于電池頂部，起到安全。密封、防暴等作用。2.1.2鉛酸蓄電池的特點鉛酸蓄電池主要有一下有點：1. 電壓較高，為2.0V；2. 價格低廉；3. 可制成小至1Ah大至幾千安時的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池；4. 高倍率放電性能良好，可用于引擎起動；5. 高低溫性能良好，可在-40C-60C條件下工作；6. 電能效率高達(dá)60%；7. 易于識別電荷狀態(tài)。鉛酸蓄電池的缺點：1 比能量低；2 使用壽命短，使用成本高；3 充電時間長；4 鉛是重金屬，存在污染。2.1.3鉛酸蓄電池的工作原理鉛酸蓄電池使用時，把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的過程叫放電。在實用后，借助于直流電在電池內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反映，把電池變?yōu)榛瘜W(xué)能儲蓄起來，這種蓄電池過程稱作充電。鉛酸蓄電池是酸性蓄電池，其化學(xué)反應(yīng)式為：充電時，把鉛板分別和直流電源的正、負(fù)極相連，進(jìn)行充放電電解，還原反應(yīng)式為陽極的氧化反應(yīng)為充電時總反映為鉛酸蓄電池放電時如圖2.2所示放電時蓄電池陰極的氧化反應(yīng)為 陽極的還原反應(yīng)為 放電時總反映為蓄電池充電的時候，隨著電池端電壓的升高，水開始被電解，當(dāng)電池電壓達(dá)到約2.39V/單體時，水的電解不可被忽略。水電解時陽極和陰極的化學(xué)反應(yīng)式為 陽極給出的電子，陰極得到電子，從而形成了回路電流。端電壓越高，水的電解也越激烈，此時沖入的大部分電荷參加水電解，形成活性物質(zhì)很少。2.2鎳氫電池鎳氫電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型電池。它的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負(fù)極活性物質(zhì)主要有儲氫合金支撐，是一種堿性蓄電池。2.2.1鎳氫電池的結(jié)構(gòu)鎳氫電池主要由正極、負(fù)極、極板、隔板、電解液等組成。如圖2.3所示。鎳氫電池正極是活性物質(zhì)氫氧化鎳，負(fù)極是儲氫合金，用氫氧化鉀作為電解質(zhì)，在正負(fù)極之間有隔膜，共同組成鎳氫單體電池。在金屬鉑的催化作用下，完成充電和放電的可逆反應(yīng)。鎳氫電池的極板有發(fā)泡體和燒結(jié)體兩種，發(fā)泡體極板的鎳氫電池在出廠前必須進(jìn)行預(yù)充電，且放電電壓不能低于0.9V，工作電壓也不太穩(wěn)定，特別是在存放一段時間后，會有近20%的電荷流失，老化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，為避免發(fā)泡鎳氫電池老化所造成的內(nèi)阻的增高，鎳氫電池在出廠錢必須進(jìn)行預(yù)充電。經(jīng)過改進(jìn)的燒結(jié)體極板的鎳氫電池，其燒結(jié)體基本本身就是活性物質(zhì)，不需要進(jìn)行活性處理，也不需要進(jìn)行預(yù)充電，電壓平衡，穩(wěn)定，遇有低溫放電性能好、不易老化和壽命長的優(yōu)點。圖2.3 鎳氫電池的基本結(jié)構(gòu)2.2.2鎳氫電池的特點鎳氫電池具有無污染、高比能、大功率、快速充放電、耐用性等許多優(yōu)點。與鉛酸蓄電池相比，鎳氫電池除具有比能量高、質(zhì)量輕、體積小、循環(huán)壽命長的特點以外，還有一下特點。1.比功率高，目前能達(dá)到1350W/kg；2.循環(huán)次數(shù)多；3.無污染，為21世紀(jì)“綠色環(huán)保電池”；4.耐過充過放；5.無記憶效應(yīng)；6.使用溫度范圍寬。正常溫度范圍-30C-55C；7.安全可靠。短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力、跌落、加熱、耐震動等安全性，可靠性試驗無爆炸、燃燒現(xiàn)象。2.2.3鎳氫電池的工作原理鎳氫電池是將物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置。鎳氫電池有鎳氫化合物正電極、儲氫合金負(fù)電極、以及堿性電解液組成。密封一次鎳氫電池的性能特點主要取決于本身體系的電極反應(yīng)。如圖2.4所示。圖2.4 鎳氫電池充放電原理充電時正、負(fù)極的化學(xué)反應(yīng)為 放電時正、負(fù)極的化學(xué)反應(yīng)為 當(dāng)鎳氫電池以標(biāo)準(zhǔn)電流放電時，平均工作電壓為1.2V。當(dāng)電池以8C率放電時，端電壓將至1.1V時，則認(rèn)為放電完成。電壓1.1V稱為8C率放電時的放電終止電壓（0.6-0.8V）。2.3鋰離子電池鋰離子電池是1990年有日本索尼公司首先推向市場的新型高能蓄電池，是目前世界最新一代的充電電池。2.3.1鋰離子電池的結(jié)構(gòu)鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔板、電解液和安全閥等組成。結(jié)構(gòu)如圖2.5所示1. 正極正極物質(zhì)在錳酸鋰離子電池以錳酸鋰為主要原料，在磷酸鐵離子電池中以磷酸鐵鋰為主要原料，在鈷鎳鋰離子電池中以鈷鎳鋰為主要材料。在正極活性物質(zhì)中再加入導(dǎo)電劑、樹脂黏合劑，并涂覆在鋁機(jī)體上，呈細(xì)薄成分布。2. 負(fù)極負(fù)極活性物質(zhì)是有碳材料與黏合劑的混合物再加上有機(jī)溶劑調(diào)和制成糊狀，并涂覆在銅基上，呈薄層狀分布。3. 隔板隔板的工程是關(guān)閉或阻斷通道的作用，一般使用聚乙烯活聚丙烯材料的微多孔膜。所謂關(guān)閉或阻斷功能是電池出現(xiàn)一場溫度上升，阻塞或阻斷作為離子通道的細(xì)孔，使蓄電池停止充放電反應(yīng)。隔板可以有效防止因外部短路等引起的過大電流而使電池產(chǎn)生異常發(fā)熱現(xiàn)象。這種現(xiàn)象即使產(chǎn)生一次，電池就不能正常使用。4. 電解液 電解液是以混合溶劑為主體的有機(jī)電解液。為了使主要電解質(zhì)成分的鋰鹽溶解，必須具有高電容率，并且具有與鋰離子相容性好的溶劑，即不阻礙離子移動的低粘度的有機(jī)溶液為宜，而且在鋰離子蓄電池的工作溫度范圍內(nèi)，必須呈液體狀態(tài)，凝固點低，沸點高。電解液對于活性物質(zhì)具有化學(xué)穩(wěn)定性，必須良好適應(yīng)充放電反應(yīng)過程中發(fā)生的劇烈的氧化還原反應(yīng)。又由于使用單一溶劑很難滿足上述嚴(yán)酷條件，因此電解液一般混合不同性質(zhì)的幾種溶劑使用。5. 安全閥為了保證鋰離子電池的適應(yīng)安全性，一般通過對外部電路的控制或者在蓄電池內(nèi)部設(shè)有異常電流切斷的安全裝置。即使這樣，在使用過程中也有可能其他原因引起蓄電池內(nèi)阻一場上升，這樣，安全閥釋放氣體，以防止蓄電池破裂。安全閥實際上是一次性非修復(fù)式的破裂膜，一旦進(jìn)入工作狀態(tài)，保護(hù)蓄電池使其工作，因此是蓄電池的最后保護(hù)手段。圖2.5 鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)2.3.2鋰離子電池的特點 1.工作電壓高。鋰離子電池工作電壓為3.6V。 2.比能量高。鋰離子電池比能量已達(dá)到150Wh/kg。 3.循環(huán)壽命長。目前鋰離子電池循環(huán)壽命已經(jīng)達(dá)到1000次以上。 4.自放電率低。 5.無記憶性?？梢愿鶕?jù)要求隨時充放電，而不會降低電池性能。 6.對環(huán)境無污染。鋰離子電池中不存在有害物質(zhì)，是名副其實的“綠色電池”。 7.能夠制造成任意形狀。 鋰離子也存在一些不足，主要體現(xiàn)在一下幾個方面： 1.成本高。 2.必須有特殊的保護(hù)電路，以防止過充。 2.3.3鋰離子電池的工作原理 鋰離子電池正極材料采用鋰化合物，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物，電解液為有機(jī)溶液。 圖2.6所示為鋰離子電池的工作原理，電池在充電時，鋰離子從正極材料的晶格中脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到負(fù)極中；放電時，鋰離子從負(fù)極脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到正極材料晶格中。在整個充放電過程中，鋰離子往返于正負(fù)極之間。 正、負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)為 由于鋰離子電池只涉及鋰離子而不涉及金屬鋰的充放電過程，從根本上解決了由于鋰枝晶的產(chǎn)生而帶來的電池循環(huán)性和安全性的問題圖2.6 鋰離子電池充放電原理 目前市面上還有很多類型的電池。例如：燃料電池，太陽能電池，飛輪電池，超級電容器等。由于篇幅的限制，在此不再詳細(xì)的介紹。3.電動機(jī)電動機(jī)是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件，其性能的好壞直接影響電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的性能，特別是影響電動汽車的最高車速、加速性能及爬坡性能等，因此，在開發(fā)電動汽車之前初步確定電動機(jī)類型及其參數(shù)而對電動機(jī)進(jìn)行選擇是至關(guān)重要的。3.1直流電動機(jī)直流電動機(jī)就是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電動機(jī)，是電動機(jī)的主要類型之一。主要分為他勵式、并勵式、串勵式和復(fù)勵式4種類型。3.1.1直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電動機(jī)由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙，如圖3.1所示。1. 定子部分。直流電動機(jī)釘子主要是由主磁極、機(jī)座、換向極和電刷裝置等組成。1）主磁極。主磁極的作用是建立主磁場，由他主機(jī)鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成。主極鐵心一般由1-1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成，是主磁路的一部分。勵磁繞組用扁銅線或圓銅線繞制而成，產(chǎn)生勵磁磁動勢。2）機(jī)座。機(jī)座用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是電動機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。3）換向極。換向極的作用是改善直流電動的換向性能，是直流電動機(jī)運行時不產(chǎn)生有害的火花。它由換向極體心和套裝在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成。4）電刷裝置。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、匯流排等組成，用于電樞電路的引入或引出。2.轉(zhuǎn)子部分。轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。1）電樞鐵心。電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組的支撐部分。電樞繞組嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。電樞鐵心一般用0.55mm硅鋼沖片疊壓而成。2）電樞繞組。電樞繞組由扁銅線或圓銅線按一定規(guī)律繞制而成，它是直流電動機(jī)的電路部分，也是產(chǎn)生電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部分。3）換向器。換向器由冷拉梯形銅排和絕緣材料等構(gòu)成，用于電樞電流的換向。圖3.1 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)3.1.2 直流電動機(jī)的特點1.調(diào)速性能好。直流電動機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。2.啟動力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟(jì)地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，因此，凡事在重負(fù)載下啟動或要求均勻調(diào)解轉(zhuǎn)速的機(jī)械，例如大型可逆軋鋼機(jī)、卷揚機(jī)、電力機(jī)車、電車等，都可用直流電動機(jī)拖動。3.控制比較簡單。一般用斬波器控制，它具有高效率、控制靈活、重量輕、體積小、響應(yīng)快等有點。4.有易損件。由于存在電刷、換向器等易磨損器件，所以必須進(jìn)行定期維護(hù)或更換。3.1.3直流電動機(jī)的工作原理圖3.2所示為直流電動機(jī)的工作原理示意圖。圖中，定子有一對N、S極，電樞繞組的末端分別接到兩個換向片上，正、負(fù)電刷A和B分別與兩個換向片接觸。如果給兩個電刷加上直流電源，如圖所示，有直流電從電刷流入，經(jīng)過線圈，從另一電刷中流出。根據(jù)磁力定律，兩端導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果第一個電刷與另一個換向片接觸，電流流動方向與原來相反，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機(jī)的工作原理。外加的直流電源是直流的，但由于和電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向確卻是不變的。圖3.2 直流電動機(jī)的工作原理示意圖3.2無刷直流電動機(jī) 無刷直流電動機(jī)是用電子換向裝置代替了有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換向裝置，保留了有刷直流電動機(jī)寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，克服了有刷直流電動機(jī)機(jī)械換向帶來的一系列的缺點，體積小，重量輕，可做成各種形狀，高效率，高轉(zhuǎn)矩，高精度，數(shù)字式控制，是最理想的電動機(jī)之一，在電動汽車上有著光放的應(yīng)用前景。3.2.1無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)無刷直流電動主要由電動機(jī)本體，電子換相器和轉(zhuǎn)子位置傳感器3部分組成。如圖3.3.所示。1.電動機(jī)本體。無刷直流電動機(jī)的電動機(jī)本體有定子和轉(zhuǎn)子組成。定子是電動機(jī)本體的靜止部分，它由導(dǎo)磁的定子鐵心、導(dǎo)電的點數(shù)繞組及固定鐵心和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成，如機(jī)殼、絕緣片、槽、引出線以及環(huán)氧化脂等。轉(zhuǎn)子是電動本體的轉(zhuǎn)動部分，是產(chǎn)生激磁磁場的部件，由永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零部件組成。2.電子換相器。電子換相器由功率開關(guān)和位置信號處理電路構(gòu)成，主要用來控制定子各繞組通電的順序和時間。無刷直流電動機(jī)本質(zhì)上是自控同步電動機(jī)，電動機(jī)轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場運動，因此，應(yīng)按一定順序給定子各相繞組輪流停電，使產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。無刷直流電動機(jī)的三相繞組中通過的電流是120度電角度的方波，繞組在持續(xù)通過恒定電流的時間內(nèi)產(chǎn)生的定子磁場在空間是靜止不動的。而在開關(guān)換相期間，隨著電流從一相轉(zhuǎn)移到另一相，定子磁場隨之跳躍了一個電角度。而轉(zhuǎn)子磁場則隨著轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這兩個磁場的瞬時速度不同，但是平均速度相等，因此能保持“同步”。 3.位置傳感器。位置傳感器在無刷直流電動機(jī)中起到檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為功率就愛管電路提供正確的的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)位置信號處理電路處理后控制定子繞組換相。由于功率開關(guān)的導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而位置傳感器與功率開關(guān)一起，起著與傳統(tǒng)有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換向器和電刷相類似的作用。位置傳感器的種類比較多，可分為電磁式位置傳感器、光電式位移傳感器、磁敏式位置傳感器等。 3.2.2無刷直流電動機(jī)的特點 1.外特性好，非常符合電動汽車的負(fù)載特性，尤其是具有低速大轉(zhuǎn)矩特性，能夠提供大的起動轉(zhuǎn)矩，滿足電動汽車的加速要求。 2.可以高、中、低寬速度范圍內(nèi)運行，而有刷電動機(jī)由于受機(jī)械換向的影響，只能在中低速下運行；而有刷電動機(jī)由于受機(jī)械換向的影響，只能在中低速下運行。3.效率高，尤其是在輕載車況下，仍能保持高效的效率，這對保存珍貴的電池能量是很重要的。4.過載能力強(qiáng)，比Y系列電動機(jī)可提高過載能力兩倍以上。5.再生制動效果好，因無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子具有很高的永久磁場，在汽車下坡或制動時電動機(jī)可完全進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)，給電池充電，同時起到電制動作用，減輕機(jī)械制動負(fù)擔(dān)。6.體積小、重量輕、比功率大?？捎行p輕重量、節(jié)省空間。7.無機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，防止塵土進(jìn)入電動機(jī)內(nèi)部，可靠性高。8.控制系統(tǒng)比一步電動機(jī)簡單。缺點是電動機(jī)本身比交流電動機(jī)復(fù)雜，控制器比有刷直流電動機(jī)復(fù)雜。3.2.3無刷直流電動機(jī)的工作原理無刷直流電動機(jī)的工作原理和有刷直流電動機(jī)的工作原理基本相同。它是利用電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號控制電子換向線路去驅(qū)動逆變器的功率開關(guān)器件，使電樞繞組一次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，拖動電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同時，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置傳感器又不斷送出位置信號，不斷地改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下的導(dǎo)體中的電流方向保持不變，這樣電動機(jī)就旋轉(zhuǎn)起來了。圖3.4所示為無刷直流電動極的工作原理圖。圖3.4 無刷直流電動機(jī)的工作原理 3.3異步電動機(jī) 異步電動機(jī)又稱為感應(yīng)電動機(jī)，是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流形相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電機(jī)。 3.3.1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 異步電動機(jī)主要由靜止的定子和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間存在氣隙，此外，還有端蓋、軸承、機(jī)座和風(fēng)扇等部件。如圖3.5所示。1. 定子。異步電動機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座構(gòu)成。1）定子鐵心。定子鐵心是電動機(jī)磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。定子鐵心一般由0.35=0.5mm厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用來嵌放定子繞組。2）定子繞組。定子繞組是電動機(jī)的電路部分，通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。3）機(jī)座。機(jī)座主要用于固定定子鐵心與前后蓋，以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護(hù)、散熱等作用。2.轉(zhuǎn)子。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。1）轉(zhuǎn)子鐵心。轉(zhuǎn)子鐵心是電動機(jī)磁路的一部分，并在鐵心槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組。2）轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組是轉(zhuǎn)子的電路部分，它的作用是切割定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。3）轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸用于固定和支撐轉(zhuǎn)子鐵心，并輸出機(jī)械功率。轉(zhuǎn)軸一般使用中碳鋼制成。3氣隙。異步電動機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間有一小的間隙，稱為電動機(jī)氣隙。氣隙的大小對異步電動機(jī)的運行性能有很大的影響。中小異步電動機(jī)的氣隙一般為0.2mm-2mm；功率越大，轉(zhuǎn)速越高，氣隙尺寸越大。3.3.2異步電動機(jī)的特點1、固有機(jī)械特性：它上面有4個特殊點。1）電動機(jī)在沒有任何負(fù)載情況下的空轉(zhuǎn)，此時轉(zhuǎn)速最大，此點即電動機(jī)的理想空載點。 2）電動機(jī)在有負(fù)載情況下的正常運轉(zhuǎn)，此時為電動機(jī)的額定工作點。 3）電動機(jī)在剛啟動的時刻，即沒有轉(zhuǎn)起來，所克服轉(zhuǎn)子自重時轉(zhuǎn)矩的時候，此點為電動機(jī)的啟動工作點。 4）電動機(jī)在拖動負(fù)載最大轉(zhuǎn)矩時，速度也比較適中時，此點位電動機(jī)的臨界工作點。在此時電壓如果過低或有巨大沖擊負(fù)載，就會造成電動機(jī)停機(jī)。 2、人為機(jī)械特性 1）電壓降低電動機(jī)在運行時，如電壓降低太多，會大大降低它的過載能力與啟動轉(zhuǎn)矩，甚至是電動機(jī)發(fā)生帶不動負(fù)載或者根本不能啟動的現(xiàn)象。此外就是啟動后電機(jī)也會被燒壞。 2）定子電路接入電阻，此時最大轉(zhuǎn)矩要比原來的大；轉(zhuǎn)子電路串電阻或改變定子電源頻率，此時啟動轉(zhuǎn)矩要增大，最大轉(zhuǎn)矩不變。3.3.3異步電動機(jī)的工作原理圖3.6為異步電動機(jī)工作原理圖。當(dāng)異步電動機(jī)的三相定子繞組通入三相交流電后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電動勢的方向由右手定則來判定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合同路，轉(zhuǎn)子中便有電流產(chǎn)生，電流方向與電動勢方向相同，而載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場中涌下將產(chǎn)生電磁力，電磁力的方向可用左手定則來判定。有電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場想象相同。圖3.6 異步電動機(jī)工作原理圖 4.控制器由于電動控制系統(tǒng)為整體，故在此將電動汽車整體的控制器在此進(jìn)行敘述。4.1電動汽車控制器的功能純電動汽車控制器相當(dāng)于汽車的大腦， 它在汽車行駛過程中執(zhí)行多項任務(wù)， 包括以下功能。1） 接收、處理駕駛員的駕駛操作指令， 并向各個部件控制器發(fā)送控制指令， 使車輛按駕駛員期望行駛。2） 整車驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動電機(jī)、燃料電池、蓄電池、DC DC轉(zhuǎn)換器等部件組成。與電機(jī)、DC DC、鎳氫蓄電池組等進(jìn)行可靠通信， 以及針對關(guān)鍵信息的模擬量進(jìn)行狀態(tài)的采集輸入及控制指令量的輸出。3） 控制器提供對相應(yīng)部件進(jìn)行直接控制的信號通道， 包括D A轉(zhuǎn)換和數(shù)字量輸出等。4） 接收處理各個零部件信息， 結(jié)合能源管理單元提供當(dāng)前的能源狀況信息。為保證駕駛員的安全操作和對汽車控制的可視化， 采用了外接液晶顯示器以及觸摸屏的方式來顯示一些重要的信號量，因此選用了一個串行通信口（UART）。5） 系統(tǒng)故障的判斷和存儲， 動態(tài)檢測系統(tǒng)信息， 記錄出現(xiàn)的故障。6） 對整車具有保護(hù)功能， 視故障的類別對整車進(jìn)行分級保護(hù)， 緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機(jī)及切斷母線高壓系統(tǒng)。4.2幾種電動汽車控制器實例分析1豐田公司控制器豐田公司控制器的原理圖如圖4.1所示。該車是后輪驅(qū)動， 左后輪和右后輪分別由2個輪轂電機(jī)驅(qū)動。其控制器接收駕駛員的操作信號和汽車的運動傳感器信號， 其中駕駛員的操作信號包括加速踏板信號、制動踏板信號、換檔位置信號和轉(zhuǎn)向角度信號，