畢業(yè)論文-電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性研究

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第頁1緒論1.1引言汽車作為人類生活水平進(jìn)步的一個(gè)重要推進(jìn)者，為人類文明的發(fā)展起到了極大的作用。但是由于其對石化資源的過度依賴，在為人類社會(huì)進(jìn)步做貢獻(xiàn)的同時(shí)也帶來了一些不容忽視的問題，比如：石化資源的日益匱乏、環(huán)境污染逐漸嚴(yán)重以及氣候變暖等全球性問題?？紤]到以上諸多問題，世界各國都在尋找能夠使用新能源的新型交通工具，電動(dòng)汽車被看作是能夠解決傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車諸多問題的主要途徑。電動(dòng)汽車在行駛過程中排放的廢氣量比較少，對環(huán)境的污染也小；其能量轉(zhuǎn)化效率高，且轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快；而且電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)十分簡單，使用和維修都很方便。因此大力發(fā)展電動(dòng)汽車不僅可以緩解石化資源的緊缺，也可以讓環(huán)境污染等問題得到了一定程度的解決。電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部件，因此對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究對電動(dòng)汽車的改進(jìn)與發(fā)展有著十分重要的作用。1.2電動(dòng)汽車的發(fā)展概述電動(dòng)汽車是以車載電源作為動(dòng)力，用電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輪行駛，并且滿足道路安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛[1]。驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)等機(jī)械系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)以及完成既定任務(wù)的各項(xiàng)工作裝置等是電動(dòng)汽車的重要組成部分。其中，電動(dòng)汽車的核心部分是電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)，這也是電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車區(qū)別最明顯的組成部分。電機(jī)的調(diào)速控制裝置、電源以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等裝置構(gòu)成了電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)。電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車除了以上組成部分不同之外，其他的組成部分基本上相同。電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車的部分結(jié)構(gòu)比較如表1.1所示。表1.1電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車的比較驅(qū)動(dòng)裝置車載能源能量轉(zhuǎn)換原理能量流損耗與效率復(fù)雜程度電動(dòng)汽車電機(jī)蓄電池電磁學(xué)電能→（磁能）→機(jī)械能90%幾個(gè)輔助系統(tǒng)，數(shù)十零件傳統(tǒng)汽車內(nèi)燃機(jī)燃油熱力學(xué)化學(xué)能→（熱能）→機(jī)械能30%十多輔助系統(tǒng)，上千零件1.2.1電動(dòng)汽車發(fā)展背景我國汽車行業(yè)的發(fā)展面臨著來自能源緊缺、氣候變化以及環(huán)境保護(hù)等可持續(xù)發(fā)展要求的多項(xiàng)挑戰(zhàn)。隨著近幾年車輛保有量的快速增加，汽車消耗的能源呈現(xiàn)加速增長趨勢，這加劇了我國石油供給與需求的矛盾。從1985年開始，我國日益重視電動(dòng)汽車的發(fā)展，在“八五”期間，國家科技攻關(guān)計(jì)劃把電動(dòng)汽車的研發(fā)列入其中，并且重點(diǎn)開展了電機(jī)控制技術(shù)、動(dòng)力電池技術(shù)以及能量管理技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)于電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)研究；在“九五”期間，電動(dòng)汽車的研發(fā)被正式列入了國家重大的科技產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目中；在“十五”期間，“國家863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”為電動(dòng)汽車的研究投資數(shù)億元，并且提出了“三縱三橫”式的研發(fā)布局[2]。這些都是目前中國正在建設(shè)中的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和專利戰(zhàn)略，為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型汽車產(chǎn)業(yè)平臺(tái)奠定了一定的良好基礎(chǔ)。以上這些均促進(jìn)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。自上世紀(jì)末以來，工業(yè)較為發(fā)達(dá)的西方國家把對純電動(dòng)汽車的研究和開發(fā)作為解決能源短缺、環(huán)境污染和氣候變暖等問題的一種有效辦法。目前各工業(yè)發(fā)達(dá)的國家政府推出多項(xiàng)政策來大力扶持諸多大型汽車集團(tuán)開展對電動(dòng)汽車的研究與開發(fā)，并且同時(shí)制定多項(xiàng)節(jié)能和環(huán)保法規(guī)來鼓勵(lì)生產(chǎn)電動(dòng)汽車，還采用了政府補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠來促進(jìn)消費(fèi)者對電動(dòng)汽車的消費(fèi)。1.2.2電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀1834年蘇格蘭人ThomasDavenport發(fā)明并制造出了世界上第一臺(tái)電動(dòng)汽車—電動(dòng)三輪車，它由依靠一組不能夠充電的干電池來驅(qū)動(dòng)車輛，但其只能夠行駛的距離很短。經(jīng)過四年RobertDavidson制造出了一輛可以用干電池來驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車。1881年CustaveTronve這名法國工程師研究制造出了一輛用可充電電池作為動(dòng)力的電動(dòng)汽車，該電動(dòng)汽車是用鉛酸電池作為動(dòng)力的電動(dòng)三輪車。在1886年，F(xiàn)rankSprague設(shè)計(jì)研制了有軌電車。從此，電動(dòng)汽車開始逐漸流行起來，并且在汽車運(yùn)輸中起著越來越重要的作用[3-4]。（一）電動(dòng)汽車國外發(fā)展現(xiàn)狀對于電動(dòng)汽車的研究，是從僅依靠蓄電池作為動(dòng)力的純電動(dòng)汽車開始的，現(xiàn)階段對純電動(dòng)汽車技術(shù)的研究開發(fā)已經(jīng)相對比較成熟，但是由于推廣和應(yīng)用面臨著許多問題，所以電動(dòng)汽車的推廣和應(yīng)用方面仍然處于試驗(yàn)階段?，F(xiàn)階段美日歐都把對純電動(dòng)汽車的研究轉(zhuǎn)向了以公共汽車為主的定點(diǎn)、定線式運(yùn)行汽車以及某些特定用途的微型車和一些社區(qū)用車。世界聞名的汽車制造商如戴姆勒克萊斯勒、通用、豐田、福特等，一邊不斷推出新傳統(tǒng)汽車品牌，一邊投入大量的人力和物力來發(fā)展電動(dòng)汽車來搶占先機(jī)。以英國的FRZAER-NASH公司和美國藍(lán)鳥客車公司為代表的電動(dòng)轎車和客車已經(jīng)上市，目前英國已有大約4萬輛電動(dòng)汽車在使用中；目前對純電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用法國是世界上最成功的國家之一，其成立了專門推廣應(yīng)用電動(dòng)汽車的國家部際協(xié)調(diào)委員會(huì)，在巴黎和拉羅謝爾已建成了較為完善的純電動(dòng)汽車的充電站網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，并且制定了許多支持對電動(dòng)汽車使用的政策，還形成了純電動(dòng)汽車的運(yùn)行體系的雛形。對于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，本田公司開發(fā)的Insight和日本豐田開發(fā)的Prius兩種混合電動(dòng)汽車已經(jīng)開始了小批量生產(chǎn)并已投放市場。2006年初豐田的Prius在我國的長春一汽對混合動(dòng)力電動(dòng)汽車進(jìn)行了組裝生產(chǎn)和銷售。目前，美國已有15個(gè)城市在試驗(yàn)運(yùn)行混合式動(dòng)力電動(dòng)公交車，法國、瑞典、德國、比利時(shí)、意大利等國計(jì)劃在歐洲9個(gè)城市進(jìn)行對混合式動(dòng)力電動(dòng)公共汽車車隊(duì)的試驗(yàn)。在燃料電池電動(dòng)汽車領(lǐng)域，國外一些比較知名的企業(yè)界組成了強(qiáng)大的跨國聯(lián)盟，以期望能夠優(yōu)勢互補(bǔ)；對于燃料電池電動(dòng)汽車示范性運(yùn)行方面，世界各國紛紛把注意力集中到大客車上。（二）電動(dòng)汽車國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀自“八五”期間以來，我國在電動(dòng)公交客車、電動(dòng)轎車、電動(dòng)汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)、能量存儲(chǔ)裝置、子系統(tǒng)與零部件研制、示范運(yùn)行和標(biāo)準(zhǔn)制定以及政策研究等諸多方面都取得了成果。這對今后電動(dòng)汽車的發(fā)展，奠定了一定的基礎(chǔ)。在“十五”期間，科技部設(shè)立了電動(dòng)汽車相關(guān)的重大專項(xiàng)以支持電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)與研究工作。通過將近五年的努力，純電動(dòng)汽車已經(jīng)開始小批量生產(chǎn)，而且開發(fā)的產(chǎn)品也已經(jīng)通過了國家汽車產(chǎn)品型式的專業(yè)認(rèn)證，在特定區(qū)域的商業(yè)化運(yùn)作中純電動(dòng)汽車得到了充分的發(fā)展?；旌想妱?dòng)汽車已經(jīng)完成了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)的準(zhǔn)備工作。燃料電池電動(dòng)汽車也已經(jīng)建立了產(chǎn)品技術(shù)的開發(fā)平臺(tái)，并建設(shè)了電動(dòng)汽車整車及其關(guān)鍵零部件的檢測基地。1.3本文研究的主要內(nèi)容本文主要章節(jié)安排如下：第1章概述了電動(dòng)汽車的發(fā)展背景，簡述了電動(dòng)汽車在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。闡述了本文的研究目的和意義以及主要內(nèi)容。第2章簡述了電動(dòng)汽車的分類以及各電動(dòng)汽車的特點(diǎn)，并簡述了電動(dòng)汽車的基本組成，并對各部分組成的系統(tǒng)進(jìn)行了簡述。第3章闡述了電動(dòng)汽車動(dòng)力性指標(biāo)，總結(jié)了電動(dòng)汽車傳動(dòng)系的參數(shù)匹配方法，通過近似計(jì)算對電動(dòng)汽車傳動(dòng)系的參數(shù)進(jìn)行了選擇與匹配。對車用電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行了闡述說明。另外還簡述了電機(jī)傳動(dòng)比與檔位的匹配方法。第4章概述了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特殊要求，介紹了電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型以及各自的特點(diǎn)，并進(jìn)行了簡易的比較。還闡述了不同地形以及不同車型對電機(jī)的選擇。并對某公司的純電動(dòng)汽車進(jìn)行了電機(jī)的選型及參數(shù)設(shè)計(jì)。然后對全文進(jìn)行總結(jié)。2電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)2.1電動(dòng)汽車的分類按照目前的技術(shù)狀態(tài)以及汽車驅(qū)動(dòng)原理，電動(dòng)汽車主要分為純電動(dòng)汽車(BEV)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(PHEV)以及燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)這三種類型[2,5]。純電動(dòng)汽車是指完全依靠動(dòng)力蓄電池提供動(dòng)力的電動(dòng)汽車，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電能是由動(dòng)力電池輸出的，從而推動(dòng)汽車行駛。在汽車行駛一定的路程后，電池通過充電系統(tǒng)進(jìn)行電能的補(bǔ)充。純電動(dòng)汽車的主要優(yōu)點(diǎn)是：用戶可以實(shí)現(xiàn)真正的“零排放”。其啟動(dòng)速度和時(shí)速快慢取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能和功率，其續(xù)駛里程的長短取決于動(dòng)力電池容量的大小，動(dòng)力電池重量又取決于采用哪種動(dòng)力電池?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車是指有兩個(gè)以上動(dòng)力源的汽車，并且其中一個(gè)可以釋放電能。目前，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車一般采用電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)兩種動(dòng)力，將內(nèi)燃機(jī)通過控制系統(tǒng)與一定容量的儲(chǔ)能裝置相結(jié)合，為汽車提供行駛所需要的動(dòng)力。因此，相對來說混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在一定程度上還沒有擺脫交通運(yùn)輸對石化資源的依賴。同時(shí)，由于其動(dòng)力裝置是以內(nèi)燃機(jī)為主，所以其在行駛過程中仍會(huì)對環(huán)境造成一定的影響。燃料電池電動(dòng)汽車是指動(dòng)力源為燃料電池的電動(dòng)汽車。燃料電池是在催化劑的作用下利用氧氣（或空氣）和氫氣通過電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能的裝置。燃料電池的一大特色是：在化學(xué)反應(yīng)過程中其不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)。燃料電池電動(dòng)汽車就是利用這種原理產(chǎn)生電能來實(shí)現(xiàn)汽車的驅(qū)動(dòng)。燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡單，方便系統(tǒng)布置，有利于車輛輕量化。但是由于燃料電池存在壽命比較短，而且系統(tǒng)功率密度低以及裝置的可靠性難以保證等問題，燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展比較緩慢。2.2電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)1.2節(jié)中介紹了電動(dòng)汽車的主要組成結(jié)構(gòu)，下面對電動(dòng)汽車的組成進(jìn)行較為詳細(xì)地介紹。2.2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部件，也是能量儲(chǔ)存系統(tǒng)和車輪之間的紐帶。其作用是把儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的化學(xué)能或電能等轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，以克服汽車在行駛過程中所遇到的各種阻力；制動(dòng)時(shí)其把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能形式回饋給儲(chǔ)能系統(tǒng)。電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般按照所使用的電機(jī)而劃分，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常用的電機(jī)有：①直流電機(jī)；②交流感應(yīng)電機(jī)；③永磁電機(jī)；=4\*GB3④開關(guān)磁阻電機(jī)[3-4]。一般地電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成。電氣系統(tǒng)包括電子控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和功率變換器；機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)械傳動(dòng)裝置以及車輪等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用是把存儲(chǔ)在蓄電池中的電能轉(zhuǎn)化成車輪上的動(dòng)能從而推動(dòng)汽車行駛，并且在汽車下坡或是減速制動(dòng)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動(dòng)。電氣系統(tǒng)中的電子控制器即電機(jī)調(diào)速控制裝置是專門為電動(dòng)汽車的方向變換以及變速等而設(shè)置的，作用是為了控制電機(jī)的電流或者是電壓，完成電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向以及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的控制；驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用是把電源上的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，并且通過汽車上的傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)或者直接驅(qū)動(dòng)車輪；功率變換器被用做DC-DC轉(zhuǎn)換和DC-AC轉(zhuǎn)換。DC-DC轉(zhuǎn)換器也叫做直流斬波器，用在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其能將蓄電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成可以改變的直流電壓，而且能把再生制動(dòng)能量反向轉(zhuǎn)換。AC-AC轉(zhuǎn)換器又稱為逆變器，用在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其能把蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成電壓和頻率都能調(diào)節(jié)的交流電。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)裝置能把電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳給電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)軸。因?yàn)殡姍C(jī)能夠帶負(fù)載啟動(dòng)，因此電動(dòng)汽車不用安裝傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的離合器；而且可以通過電路控制來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，所以電動(dòng)汽車不用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的變速器中的倒檔；當(dāng)電機(jī)采用無級調(diào)速控制時(shí)，電動(dòng)汽車還能夠省去傳統(tǒng)汽車中的變速器；當(dāng)電動(dòng)汽車采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，也能夠省去傳統(tǒng)汽車中傳動(dòng)系統(tǒng)的差速器。2.2.2電源電源為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能，電機(jī)將電源中的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后通過傳動(dòng)裝置或者是直接驅(qū)動(dòng)車輪與工作裝置。對于電動(dòng)汽車，最常用電源是鉛酸蓄電池，隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，由于鉛酸蓄電池壽命比較短、充電速度比較慢而且比能量也比較低，因而其逐漸被其他蓄電池所替代。鋰電池、鈉硫電池以及燃料電池等，都是一些新型電池，推動(dòng)了電動(dòng)汽車的發(fā)展2.2.3電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（BMS）是以多個(gè)單體電池串聯(lián)而成的電池組作為管理對象，用來保證電源系統(tǒng)正常工作以及電動(dòng)汽車安全電動(dòng)，還用于提高電池壽命。電池管理系統(tǒng)監(jiān)控電池組充放電的全部過程，主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測、電池保護(hù)、電池均衡和診斷等功能。電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示：圖2.1電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖2.2.4整車控制器整車控制系統(tǒng)的作用主要是根據(jù)整車的工作情況和駕駛員的操作，確保汽車的動(dòng)力要求和行駛安全，并選擇最好的能量分配比與工作模式來提高汽車的運(yùn)行效率[6]。整車控制的主要包括：數(shù)據(jù)交換管理層、駕駛員意圖解釋層、安全故障管理層以及能量流管理層等部分。2.3本章小結(jié)本章介紹了主要的三種電動(dòng)汽車：純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車，并對每種汽車進(jìn)行了簡介。另外還詳細(xì)討論了電動(dòng)汽車的基本組成以及各部分的功能作用等。3電動(dòng)汽車傳動(dòng)系的參數(shù)匹配3.1整車參數(shù)及性能指標(biāo)電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如：電機(jī)特性、傳動(dòng)系速比以及電池組容量等對車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有著顯著影響。在對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電池組等儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)取得有效進(jìn)展前，我們可以通過對電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系進(jìn)行合理的參數(shù)匹配來提高電動(dòng)汽車的性能[7-8]。本文以某公司的純電動(dòng)汽車為例，其車型參數(shù)及行駛性能要求如下所示：表3.1某純電動(dòng)汽車車型參數(shù)及行駛性能要求技術(shù)參數(shù)名稱單位指標(biāo)車型參數(shù)整車滿載總備質(zhì)量變速器主減速比（兩檔）變速器傳動(dòng)比車輪半徑行駛條件參數(shù)系統(tǒng)傳動(dòng)效率路面滾動(dòng)阻力系數(shù)風(fēng)阻系數(shù)迎風(fēng)面積動(dòng)力性能要求最高車速加速時(shí)間加速時(shí)間最大爬坡度坡道行駛速度坡道行駛速度電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系參數(shù)的匹配主要包括：=1\*GB3①電機(jī)參數(shù)選擇；=2\*GB3②傳動(dòng)比選擇；=3\*GB3③電池組參數(shù)匹配等。3.2電動(dòng)汽車動(dòng)力性指標(biāo)電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能是指，汽車直線行駛在良好路面上時(shí)，由汽車所受縱向外力決定可以達(dá)到的平均行駛速度。電動(dòng)汽車的的動(dòng)力性指標(biāo)有三個(gè)：=1\*GB3①最高車速；=2\*GB3②加速時(shí)間；=3\*GB3③最大爬坡度[1,9,10-11]。3.2.1最高車速電動(dòng)汽車的最高車速是指汽車行駛在良好水平路面上時(shí)，可以達(dá)到的最高速度。它只是反映汽車本身所具有的極限，不能夠反映汽車行駛過程中的平均速度。汽車的最高速度可由下式算得：（3.1）上式中，是車輪滾動(dòng)半徑；是電機(jī)轉(zhuǎn)速；是主減速比；是變速器最高檔位比。3.2.2加速時(shí)間電動(dòng)汽車的加速時(shí)間反映電動(dòng)汽車的加速能力，它包括原地起步和超車兩部分的加速時(shí)間。電動(dòng)汽車加速到所需的時(shí)間可以由式（3.2）算得：（3.2）上式中，是指加速時(shí)變速器檔位。3.2.3最大爬坡度電動(dòng)汽車的最大爬坡度是指，汽車滿載或一部分負(fù)載行駛在良好路面上所能爬上的最大坡度。當(dāng)然，最大爬坡度針對的是汽車=1\*ROMANI檔的爬坡度。爬坡度的計(jì)算公式如下：（3.3）上式中，；是汽車重力；是傳動(dòng)系效率；是電機(jī)轉(zhuǎn)矩；是變速器=1\*ROMANI檔速比；是迎風(fēng)面積；是空氣阻力系數(shù)。3.3電機(jī)參數(shù)匹配電機(jī)是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，對汽車的動(dòng)力性能有很大的影響。所以，為了獲得適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等性能指標(biāo)，電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)汽車的動(dòng)力參數(shù)匹配需以對汽車的行駛性能分析為基礎(chǔ)。純電動(dòng)汽車電機(jī)的機(jī)械特性如圖3.1所示：圖3.1純電動(dòng)汽車電機(jī)的機(jī)械特性由上圖可知，純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在高轉(zhuǎn)速區(qū)為恒功率調(diào)速。3.3.1電機(jī)轉(zhuǎn)速的匹配電機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車速度之間的關(guān)系如下：（3.4）式（3.4）中，是變速器傳動(dòng)比，是主減速器傳動(dòng)比，是驅(qū)動(dòng)車輪半徑。3.3.2電機(jī)轉(zhuǎn)矩的匹配汽車在行駛過程中，所受力的平衡關(guān)系如圖3.2所示。汽車行駛的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)是行駛過程中所受的路面滾動(dòng)阻力、坡道阻力、空氣阻力以及加速阻力之和，即：（3.5）各種行駛阻力可由下式算得：（3.6）圖3.2汽車在行駛過程中的受力示意圖上述各式中，是汽車總質(zhì)量，是坡道角度，是路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)，是重力加速度，是汽車迎風(fēng)面積，是空氣的阻力系數(shù)，是汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，是汽車加速度。與汽車參數(shù)有關(guān)，一般直接給出，其計(jì)算公式如下：（3.7）式中，是飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，是車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，是機(jī)械傳動(dòng)效率。當(dāng)傳動(dòng)系參數(shù)一定時(shí)，由電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩決定驅(qū)動(dòng)力，關(guān)系如下：（3.8）由已知的機(jī)械參數(shù)和汽車行駛狀態(tài)，聯(lián)立式（3.5）、（3.6）和（3.7）可得任意時(shí)刻下與運(yùn)行狀態(tài)相匹配的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩如下：（3.9）3.3.3電機(jī)功率的匹配電機(jī)的功率可由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩算得，聯(lián)立式（3.4）和（3.5），可得任意時(shí)刻與運(yùn)行狀態(tài)相匹配的電機(jī)輸出功率為：（3.10）3.4車用電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)確定3.4.1功率要求電動(dòng)汽車的運(yùn)行情況比較復(fù)雜，啟動(dòng)/停車頻繁而且汽車行駛速度變化范圍大，相對來說，處于較長運(yùn)行時(shí)間的是在水平路面上勻速行駛。因此，根據(jù)最高車速來計(jì)算電機(jī)的額定功率。假設(shè)電動(dòng)汽車勻速行駛在良好的水平路面上，忽略坡道阻力和加速阻力，則有：（3.11）電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)該滿足汽車加速啟動(dòng)和最大爬坡度行駛的要求。假設(shè)爬坡速度為，最大爬坡度為，忽略加速阻力，那么所需要的電機(jī)功率為：（3.12）在水平路面上加速時(shí)，電機(jī)瞬時(shí)車速和瞬時(shí)功率分別是：（3.13）（3.14）式（3.13）中，是加速時(shí)間，是加速過程末速度，是擬合系數(shù)。在加速過程中，末時(shí)刻出現(xiàn)電機(jī)的最大功率，即：（3.15）是迭代步長，一般取0.1秒，一般取0.5。電機(jī)的峰值功率需滿足：（3.16）3.4.2轉(zhuǎn)速要求根據(jù)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械特性可知，電機(jī)運(yùn)行過程中有兩種狀態(tài)，分別是：基速以下恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，基速以上恒功率運(yùn)行。電動(dòng)汽車在達(dá)到最高車速前，電機(jī)應(yīng)為恒功率調(diào)速調(diào)速；起步加速過程由于需要較大的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，低速爬坡過程也為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。因此，根據(jù)汽車行駛的經(jīng)濟(jì)性，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速可參照式（3.4）計(jì)算。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速根據(jù)汽車最高速度計(jì)算，且同時(shí)需滿足以下要求[11-12]：變速器只采用一個(gè)檔位時(shí)，；變速器采用兩個(gè)檔位時(shí)，；當(dāng)變速器檔位數(shù)過多時(shí)，尺寸和重量會(huì)很大，結(jié)構(gòu)和操作也會(huì)十分復(fù)雜，因此通常會(huì)盡量避免三個(gè)及三個(gè)以上的檔位。3.4.3轉(zhuǎn)矩要求根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定功率，算得電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩如下：（3.17）電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩需滿足電動(dòng)汽車的最大爬坡度和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求。忽略加速阻力，根據(jù)電動(dòng)汽車的最大爬坡度計(jì)算電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩有：（3.18）電動(dòng)汽車行駛在水平路面，車速由加速到所需時(shí)間為：（3.19）聯(lián)立式（3.8）和式（3.19）可求得滿足加速時(shí)間要求的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：（3.20）3.5傳動(dòng)比選擇傳動(dòng)比是指機(jī)器中兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件角速度之比值，也稱為速比。電動(dòng)汽車傳動(dòng)比既包括包括主傳動(dòng)比又包括變速器傳動(dòng)比。當(dāng)汽車在最大爬坡度時(shí)一般用最大傳動(dòng)比工作；當(dāng)汽車在最高車速行駛狀態(tài)下時(shí)，用最小傳動(dòng)比工作。由于電動(dòng)汽車啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，而且實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)也較為容易，所以傳動(dòng)比僅需滿足最大爬坡度和最高車速的要求即可[13-14]。3.5.1傳動(dòng)比的選取傳動(dòng)比上限：傳動(dòng)比的上限由電動(dòng)汽車電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車速?zèng)Q定。（3.21）（3.22）傳動(dòng)比下限：傳動(dòng)比下限由以下兩個(gè)約束條件得出的傳動(dòng)比最大值確定：（3.23）上式中，為最高車速時(shí)所受的行駛阻力；為最高轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩。傳動(dòng)比下限由汽車運(yùn)行在最大爬坡度時(shí)所對應(yīng)的電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩以及行駛阻力來確定：（3.24）上式中，為電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩；為最大爬坡度時(shí)所對應(yīng)的汽車行駛阻力。為使電機(jī)在最高車速時(shí)能有最大功率，主傳動(dòng)比應(yīng)滿足：（3.25）其中，是電機(jī)最大功率點(diǎn)下的轉(zhuǎn)速。3.5.2傳動(dòng)比與檔位的匹配交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要考慮兩個(gè)主要的動(dòng)、阻力平衡點(diǎn)：一個(gè)是常速行駛的轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)，另一個(gè)是最高車速下行駛的轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)[9]。（1）當(dāng)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速之比時(shí)，電動(dòng)機(jī)從基頻開始往上調(diào)速的范圍足夠大，所以選擇一個(gè)檔位即可。在這情況下，電機(jī)的性能要求比較高，很難保證變頻器一直都工作在高效率區(qū)。功率平衡圖如圖3.3所示，圖中線表示阻力功率線，線表示電機(jī)功率線。由于這種情況下僅選擇一個(gè)檔位，如果變速器傳動(dòng)比，則主傳動(dòng)比。圖3.3電動(dòng)汽車功率圖（）（2）當(dāng)電機(jī)從基頻往上調(diào)速的范圍不是特別寬時(shí)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值，此時(shí)應(yīng)考慮再添加一個(gè)檔位，如圖3.4所示。與上一種情況不同的是，需合理配置變速器各檔位傳動(dòng)比和主傳動(dòng)比。圖3.4電動(dòng)汽車功率圖（）（3）當(dāng)電機(jī)從基頻往上調(diào)速的范圍比較窄，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比，如圖3.5所示。添加一個(gè)檔位后車速在等功率段無法銜接起來。此時(shí)，當(dāng)速度到達(dá)C點(diǎn)后，便進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)，再經(jīng)過D點(diǎn)和E點(diǎn)進(jìn)入恒功率區(qū)。同時(shí)也可以考慮增加一個(gè)檔位，傳動(dòng)比的分配方法同上。圖3.5電動(dòng)汽車功率圖（）3.6電池組參數(shù)匹配電動(dòng)汽車選擇電池時(shí)，主要考慮電池的比功率、功率密度、比能量、能量密度以及電池的循環(huán)壽命等[15-16]。3.6.1電池組總?cè)萘康拇_定電動(dòng)汽車電池組的總?cè)萘繘Q定了汽車的行駛里程，擁有大容量電池組的電動(dòng)汽車可以增加汽車的續(xù)駛里程，但是同時(shí)也會(huì)增加汽車的整車重量并提高成本，所以需對電動(dòng)汽車的電池組容量進(jìn)行合理配置。對于該純電動(dòng)汽車，本文采用續(xù)駛里程設(shè)計(jì)的目標(biāo)值和等速法（即速度為）反向計(jì)算出電池的容量。具體方法如下：（3.26）其中，是電池組總?cè)萘浚皇菣C(jī)械傳動(dòng)效率；是電池放電效率；是電機(jī)工作效率；是續(xù)駛里程目標(biāo)值；是汽車在速度為負(fù)載穩(wěn)定行駛時(shí)輸出的功率。由式（3.26）可得電池總?cè)萘繛椋海?.27）3.6.2電池組數(shù)目的確定由最大輸出功率確定（3.28）上式中，是電池最大輸出功率；是電機(jī)控制器的工作效率。由續(xù)駛里程確定（3.29）上式中，是汽車行駛1消耗的能量；是單節(jié)電池電壓；是單節(jié)電池額定容量。最后，取和中的較大值作為電池組數(shù)目。3.7純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系的參數(shù)選擇按照3.3節(jié)和3.4節(jié)的計(jì)算方法及性能要求，根據(jù)汽車在市區(qū)中的運(yùn)行速度可算得為60以及參照表3.1中的數(shù)據(jù)可得電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速大概為3000；根據(jù)汽車的最高速度要求，電機(jī)的額定功率大概是10.5。根據(jù)電動(dòng)汽車控制器條件和車用蓄電池，得到電機(jī)的額定線電壓約為154。根據(jù)電動(dòng)汽車動(dòng)力性能的要求，并綜合以上算法，可得本文所選的純電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系的參數(shù)如表3.2所示。表3.2純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)表參數(shù)名稱參數(shù)值額定電壓154額定功率10.5額定轉(zhuǎn)速3000額定轉(zhuǎn)矩33.5峰值功率24峰值轉(zhuǎn)矩80峰值轉(zhuǎn)速55003.8本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是對電動(dòng)汽車傳動(dòng)系的參數(shù)進(jìn)行匹配。總結(jié)了電動(dòng)汽車的動(dòng)力性指標(biāo)，并對電機(jī)的參數(shù)匹配方法進(jìn)行了詳細(xì)地說明，簡述了車用電機(jī)的技術(shù)性能指標(biāo)，還有傳動(dòng)比的選取及其傳動(dòng)比與檔位的匹配。然后對電池組的總?cè)萘恳约敖M數(shù)確定了匹配方法。最后根據(jù)某電動(dòng)汽車的整車參數(shù)以及上述所介紹的匹配方法對該電動(dòng)汽車的參數(shù)進(jìn)行了選擇。4電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型4.1電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)特殊要求電機(jī)是電動(dòng)汽車中的驅(qū)動(dòng)單元，其性能的好壞會(huì)直接影響到汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，因此選擇滿足電動(dòng)汽車運(yùn)行要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是汽車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。純電動(dòng)汽車自身的特殊性確定了其對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特殊性要求。具體要求大致如下[17-18]：電動(dòng)汽車在行駛過程中，由于行駛的路況各不相同，所以電機(jī)需可以頻繁地啟動(dòng)停止以及加減速，而且要求電機(jī)扭矩控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要快。由于電動(dòng)汽車在行駛中整車負(fù)載的變化范圍比較寬，所以要求電機(jī)相應(yīng)扭矩的變化范圍比較大。即要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)既可以工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，又要求其可以運(yùn)行在比較寬的恒功率區(qū)。并且同時(shí)還要求其可以保持較高的運(yùn)行效率工作在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，以提高汽車的行駛路程。為滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力性要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需較大的瞬時(shí)功率，但是汽車在平路行駛時(shí)功率較小，所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般采取短時(shí)過載來滿足上述要求，過載系數(shù)一般取3-6倍。由于汽車在行駛過程中可能會(huì)遇到比較復(fù)雜的環(huán)境，所以要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠在潮濕、粉塵以及雨雪天氣等環(huán)境下均能可靠運(yùn)行。電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)在汽車減速時(shí)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動(dòng)，把能量回收并反饋給蓄電池，讓電動(dòng)汽車具有最佳的能量利用率。4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型由2.2.1節(jié)可知，目前應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)以及開關(guān)磁阻電機(jī)四種，下面對這四種電機(jī)進(jìn)行較為詳細(xì)地介紹：4.2.1直流電機(jī)早期電動(dòng)汽車一般采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。定子勵(lì)磁繞組、轉(zhuǎn)子電樞繞組、電刷換向器以及機(jī)座等主要部件構(gòu)成了直流電機(jī)。串勵(lì)式直流電機(jī)其勵(lì)磁繞組和電樞繞組是串聯(lián)的，而他勵(lì)式直流電機(jī)其電樞繞組與勵(lì)磁然組是分開的。電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)多采用串勵(lì)式直流電機(jī)[19]。當(dāng)直流電機(jī)通上直流電源后，勵(lì)磁繞組就會(huì)有勵(lì)磁電流通過并且建立磁場。這個(gè)磁場在空間中固定不動(dòng)，當(dāng)電樞繞組經(jīng)由換向器和電刷的滑動(dòng)接觸而通電流時(shí)，將會(huì)受到不動(dòng)的勵(lì)磁磁場的作用并產(chǎn)生電磁力，電磁力的方向可以按照左手定則來判定。通過控制勵(lì)磁繞組和電樞繞組的電壓及電流的大小可以調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，電樞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過傳動(dòng)系來驅(qū)動(dòng)汽車的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)并從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有：啟動(dòng)加速轉(zhuǎn)矩大、電磁轉(zhuǎn)矩的控制特性較好、調(diào)速比較方便，而且控制裝置簡單，成本低。其缺點(diǎn)是：有機(jī)械換向器，當(dāng)汽車在高速大負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，換向器的表面會(huì)出現(xiàn)火花，所以直流電機(jī)不適宜太高的轉(zhuǎn)速。4.2.2交流感應(yīng)電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)是目前運(yùn)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)。其轉(zhuǎn)子上沒有電刷，結(jié)構(gòu)十分簡單，并且其生產(chǎn)技術(shù)較為成熟。交流感應(yīng)電機(jī)主要是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其中定子由機(jī)座和定子繞組組成，與電源連接；轉(zhuǎn)子是由硅鋼片疊成。當(dāng)在感應(yīng)電機(jī)的電自繞組上加三相交流電時(shí)，會(huì)在電機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場的轉(zhuǎn)速式由電機(jī)的極對數(shù)以及定子的電壓頻率決定。當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)時(shí)，該磁場中的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條會(huì)切割磁力線，并且會(huì)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個(gè)感應(yīng)電流將會(huì)受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用從而產(chǎn)生電磁力，使轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械。 由于電動(dòng)汽車上，感應(yīng)電機(jī)不能直接使用發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能（因?yàn)槠漕l率一定）或者蓄電池。因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和所提供的交流電的頻率大致成正比關(guān)系，所以當(dāng)電動(dòng)汽車采用感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要用到變頻器和逆變器把直流電或者是發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率一定的交流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都可變化調(diào)節(jié)的交流電，從而實(shí)現(xiàn)對交流感應(yīng)電機(jī)的控制。感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、體積小而且便于維護(hù)；但是其控制相對來說比較復(fù)雜。如今，感應(yīng)電機(jī)已成為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選。4.2.3永磁電機(jī)永磁電機(jī)通過采用永磁體產(chǎn)生氣隙磁通量，永磁體取代了直流電機(jī)的磁場線圈以及感應(yīng)電機(jī)的定子勵(lì)磁體。電動(dòng)汽車用的永磁電機(jī)主要有兩種，分別是：永磁交流同步電機(jī)和永磁無刷直流電機(jī)。高性能稀土合金—永磁材料的出現(xiàn)，有效地增加了永磁電機(jī)的功率密度，而且其磁場衰退性質(zhì)也比其他電機(jī)更有優(yōu)勢。永磁電機(jī)的磁極具有較高的強(qiáng)度，這有效地提高了電機(jī)在高效運(yùn)行時(shí)的可靠性。由于永磁電機(jī)的磁通量比較小，而且其在低負(fù)荷時(shí)鐵損比較小，所以永磁電機(jī)有較高的功率/質(zhì)量比。永磁電機(jī)相對其他電機(jī)來說有更高的效率以及更大的輸出轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的極限轉(zhuǎn)速以及制動(dòng)性等也比其他類型的電機(jī)更有優(yōu)勢。由于永磁電機(jī)具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，目前其已成為電動(dòng)汽車中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要選擇之一。但是，同樣其也存在一些不足：永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及制造工藝比較復(fù)雜，而且驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)十分復(fù)雜并造價(jià)高。另外，由于永磁材料存在一些工藝限制使得永磁電機(jī)的功率范圍比較小。在高溫或受到強(qiáng)烈振動(dòng)亦或是過載電流情況下，永磁材料的到此性能可能會(huì)下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生退磁現(xiàn)象，這將會(huì)嚴(yán)重降低永磁電機(jī)的性能，甚至?xí)茐碾姍C(jī)。4.2.4開關(guān)磁阻電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型電機(jī)，其結(jié)構(gòu)是集中電機(jī)中最簡單的，轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)、永磁體以及繞組等，其只是在定子上有比較簡單的繞組，而且該繞組的端部很短，也沒有相間橫跨線，在惡劣的環(huán)境下也能夠工作，不需要十分復(fù)雜的維護(hù)工作，且其功率范圍也較為寬廣。另外其還具有：轉(zhuǎn)子慣量很小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快；轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性和電動(dòng)汽車的運(yùn)行特性十分吻合，且控制十分靈活；效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是開關(guān)磁阻電機(jī)同樣也會(huì)有一些不足之處，比如：其噪聲大、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大以及需要位置檢測器等。4.3電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能比較在4.2節(jié)中對電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了分類，并介紹了各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，下面對各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能進(jìn)行比較，具體如表4.1所示：表4.1電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能比較項(xiàng)目直流電機(jī)感應(yīng)電機(jī)永磁電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)功率密度低中高較高過載能力一般好較好好效率中較高高中壽命一般好好好轉(zhuǎn)速范圍較寬較寬寬很寬功率范圍寬寬小很寬可靠性一般好較好好結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性差較好一般好轉(zhuǎn)矩/電流比一般一般高高電機(jī)外形尺寸大中小小電機(jī)質(zhì)量重中輕輕控制操作性能最好好好很好驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)成本低高高一般電機(jī)成本很貴一般一般低轉(zhuǎn)矩/慣量比一般一般較高高4.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇由4.2節(jié)可見各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)都有其各自的特點(diǎn)，因此電動(dòng)汽車在選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)應(yīng)該仔細(xì)考慮電動(dòng)汽車的使用環(huán)境以及其對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求。針對電動(dòng)汽車的使用環(huán)境而言。美國由于其高速公路已經(jīng)有一定的規(guī)模，除了一些大城市外，汽車一般會(huì)以比較高的速度持續(xù)行駛，即電機(jī)不會(huì)頻繁地啟動(dòng)和停止。而異步電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高速度運(yùn)行并且其在高速下?lián)碛休^高的效率，因此在美國，一般異步電機(jī)應(yīng)用的比較多。在日本，由于其地形多位山區(qū)，汽車一般以中低速行駛，這樣電機(jī)可能需要比較頻繁地啟動(dòng)停止，所以在日本選用加減速時(shí)效率比較好的永磁電機(jī)比較多，可能這也與在日本用于生產(chǎn)永磁電機(jī)的永磁材料供應(yīng)公司比較多有關(guān)。在我國，電動(dòng)汽車中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇一般是針對車型進(jìn)行匹配，大巴一般會(huì)選用異步電機(jī)，小轎車多選用永磁同步電機(jī)。原因是：異步電機(jī)成本低、效率低而重量大。大巴車內(nèi)空間比較大，可以裝載大量電池，負(fù)載稍微加重一點(diǎn)也不會(huì)對汽車的性能有太大影響，這樣就既可以利用異步電機(jī)的優(yōu)勢又可以避免其不足之處。而永磁電機(jī)重量比較輕而功率密度比較大，但是成本高用于小轎車會(huì)更適合。根據(jù)汽車行駛工況的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該有較寬的恒功率調(diào)速范圍以及低速下大轉(zhuǎn)矩輸出能力，而永磁同步電機(jī)正是相對來說比較理想的選擇。由于矩形波永磁同步電機(jī)比正弦波永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流比更高、系統(tǒng)成本低并且調(diào)速控制更加簡單，所以本問選用矩形波永磁同步電機(jī)。4.5電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)以往大多數(shù)電機(jī)都是根據(jù)某一運(yùn)行工況來設(shè)計(jì)額定工作點(diǎn)，但是如今隨著控制技術(shù)的發(fā)展以及考慮到節(jié)能和系統(tǒng)的整體效率，電機(jī)的運(yùn)行不再是在特定點(diǎn)運(yùn)行，而是出于不斷地變化此時(shí)就需要對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行合理的配置，相應(yīng)電機(jī)也應(yīng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。本文選用的矩形波調(diào)速永磁電機(jī)在磁路結(jié)構(gòu)等方面與正弦波調(diào)速永磁電機(jī)比較相似，因而可以類似分析。在電動(dòng)汽車中，矩形波永磁同步電機(jī)需與控制器和位置傳感器等相配合，以構(gòu)成機(jī)電一體化的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所以對電機(jī)的設(shè)計(jì)也應(yīng)該從系統(tǒng)角度出發(fā)。電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)適合采用如圖4.1所示的三相星形電路。圖4.1三相星形矩形波永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖4.5.1主要尺寸設(shè)計(jì)電機(jī)運(yùn)行在額定點(diǎn)時(shí)，定子繞組中會(huì)有感應(yīng)電勢和電流，則電機(jī)的機(jī)電轉(zhuǎn)換的電磁功率為：（4.1）對于連續(xù)工作的電機(jī)，電磁功率可參照式（3.2）預(yù)期：（4.2）上式中，是電機(jī)預(yù)取效率。根據(jù)電機(jī)的額定性能指標(biāo)，電機(jī)主要尺寸的關(guān)系式可表示為如下式所示：（4.3）為了減小機(jī)械時(shí)間常數(shù)，提高電機(jī)的性質(zhì)性能，電機(jī)的長徑比一般取值稍大一點(diǎn)。為使電機(jī)能更加符合電動(dòng)汽車的安裝要求，對于計(jì)算得到的尺寸應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。4.5.2定子槽數(shù)與繞組的設(shè)計(jì)電機(jī)采用稀土永磁材料勵(lì)磁，為建立矩形度很好的氣隙磁場可以通過合理設(shè)計(jì)極弧系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。繞組可以采用整距繞組以獲得平頂寬度比較大的反電勢波形。為使繞組對稱，定子的槽數(shù)應(yīng)是相數(shù)的整數(shù)倍，且還應(yīng)是極數(shù)的整數(shù)倍。繞組匝數(shù)的選取與電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速由很大的關(guān)系，當(dāng)采用圖4.1所示的電路時(shí)，空載轉(zhuǎn)速與繞組每相串聯(lián)的匝數(shù)的關(guān)系為[20]：（4.4）式（4.4）中磁通與可以約分消掉，指的是所有的永磁磁極的總磁通的一半，與極對數(shù)無關(guān)。所以空載轉(zhuǎn)速只與電壓、氣隙磁密、繞組匝數(shù)以及主要尺寸等有關(guān)。當(dāng)電壓和電壓降給定并且確定了主要尺寸后，根據(jù)空載轉(zhuǎn)速和氣隙磁密，式（4.4）可改為：（4.5）4.5.3極對數(shù)的選取同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與極對數(shù)之間的關(guān)系式為：（4.6）矩形波永磁電機(jī)的調(diào)速是通過調(diào)壓來實(shí)現(xiàn)的，矩形永磁同步電機(jī)的極對數(shù)選取可以參照正弦波電機(jī)，對轉(zhuǎn)速比較高的電動(dòng)機(jī)一般選用相對較少的極對數(shù)以避免高頻引起的鐵心損耗。另外永磁體的放置方式、用量以及繞組設(shè)計(jì)和極槽的配合等也應(yīng)考慮其中。4.5.4轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的選擇由于選擇矩形波為供電電流，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路所提供的氣隙磁密應(yīng)盡量為矩形波，且應(yīng)該有較大的極弧寬度，以減小轉(zhuǎn)矩紋波和使定子反電勢的波形其平頂寬度不小于