電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)與工作原理

/電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)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(wèn)題之一。電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)又是其核心技術(shù).本文主要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)中的蓄電池.電動(dòng)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(dòng)汽車(chē)蓄電池電動(dòng)機(jī)控制器TheWorksAndStructureOfPowerTransmissionForElectricVehicleLIUXueLai<SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,Jiangsu,China>Abstract:Energycrisishasbecomeoneofthemostimportantissueswhichallthepeoplehavetoface.Duetothisproblem,thedevelopmentofelectricvehiclecomesintobeing.Powertransmissionisthecoretechnologyforelectricvehicle.Thearticlemainlymakesasetabouttheworksandstructureofelectricvehicle’sstoragebattery,electricmotorandmotorcontroller.Keyword:ElectricVehicleStorageBatteryElectricMotorMotorController前言能源短缺、環(huán)境污染、氣候變暖是全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)面臨的共同挑戰(zhàn).各國(guó)政府及其產(chǎn)業(yè)界積極應(yīng)對(duì).紛紛提出各自發(fā)展戰(zhàn)略.新能源汽車(chē)已經(jīng)成為21世紀(jì)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn)。我國(guó)是一個(gè)能源短缺的國(guó)家.尤為重視新能源汽車(chē)的研發(fā)。其中.純電動(dòng)汽車(chē)是新能源汽車(chē)的重中之重。純電動(dòng)汽車(chē)是以電池為儲(chǔ)能單元.以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的車(chē)輛。通常地.容量型驅(qū)動(dòng)力電池即可滿(mǎn)足實(shí)用要求。純電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單.生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟.缺點(diǎn)是充電速度慢.續(xù)駛里程短。因此適合與行駛路線(xiàn)相對(duì)固定.有條件進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間充電的車(chē)輛。概述1.1動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)最主要的系統(tǒng).電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行性能的好壞主要是由其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能決定的。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池、控制器、電動(dòng)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(chē)的油門(mén)、剎車(chē)踏板和PRND〔停車(chē)、倒車(chē)、空檔、前進(jìn)控制按鍵的輸出信號(hào).控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn).通過(guò)減速器、傳動(dòng)軸、差速器、半軸等機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)。車(chē)輛減速時(shí).電機(jī)對(duì)車(chē)輛前進(jìn)起制動(dòng)作用.這時(shí)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)制動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).給蓄電池充電.也就是所謂的再生制動(dòng)。電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)功能是非常重要的.根據(jù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明.再生制動(dòng)給作為儲(chǔ)能動(dòng)力源的蓄電池補(bǔ)充的能量.能是電動(dòng)汽車(chē)一次充電之后行駛里程增加。動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)裝置、車(chē)輪做成一體.稱(chēng)之為電動(dòng)輪.這時(shí)的差速器是靠電器方法實(shí)現(xiàn)的。帶電動(dòng)輪的電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1.2所示。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置方案目前.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)布置方案一樣.仍帶有變速器.主要是為了提高電動(dòng)汽車(chē)的起動(dòng)扭矩及增加低速時(shí)電動(dòng)汽車(chē)的后備功率.如圖1.3a中所示。裝有這種傳動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)車(chē)主要是由內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)改裝而成。第二種布置如圖1.3b中所示.這種傳動(dòng)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是取消了離合器和變速器.因此對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求較高.不僅要求有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩.而且要求較大的后備功率.以保證電動(dòng)汽車(chē)的起車(chē)、爬坡、加速超車(chē)等動(dòng)力性能。第三種和第四種的布置比較接近.都是直接將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)軸上.如圖1.3c和1.3d所示。這兩種傳動(dòng)系統(tǒng)都是直接由電機(jī)實(shí)現(xiàn)變速、差速.它不僅要求電動(dòng)機(jī)性能好.有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩.較大的后備功率.而且對(duì)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(dòng)汽車(chē)安全、平穩(wěn)的行駛。由于電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的變速器、差速器、傳動(dòng)軸等與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)傳動(dòng)系差別不大.本文不再贅述其結(jié)構(gòu)及其工作原理。蓄電池電池是電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源.是能量的存儲(chǔ)裝置.也是目前制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素。要使電動(dòng)汽車(chē)能與燃油汽車(chē)相競(jìng)爭(zhēng).關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)出比能量高.比功率大、使用壽命長(zhǎng)、成本低的電池。2.1鉛酸蓄電池2.1.1鉛酸蓄電池的分類(lèi)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(huì)產(chǎn)生約為2.1V的電動(dòng)勢(shì)。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(diǎn)鉛酸蓄電池主要有一下有點(diǎn)：電壓較高.為2.0V；價(jià)格低廉；可制成小至1Ah大至幾千安時(shí)的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池；高倍率放電性能良好.可用于引擎起動(dòng)；高低溫性能良好.可在-40C-60C條件下工作；電能效率高達(dá)60%；易于識(shí)別電荷狀態(tài)。鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)：比能量低；使用壽命短.使用成本高；充電時(shí)間長(zhǎng)；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(shí).把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程叫放電。在實(shí)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(chǔ)蓄起來(lái).這種蓄電池過(guò)程稱(chēng)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(shí).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(yáng)極的氧化反應(yīng)為充電時(shí)總反映為鉛酸蓄電池放電時(shí)如圖2.2所示放電時(shí)蓄電池陰極的氧化反應(yīng)為陽(yáng)極的還原反應(yīng)為放電時(shí)總反映為蓄電池充電的時(shí)候.隨著電池端電壓的升高.水開(kāi)始被電解.當(dāng)電池電壓達(dá)到約2.39V/單體時(shí).水的電解不可被忽略。水電解時(shí)陽(yáng)極和陰極的化學(xué)反應(yīng)式為陽(yáng)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(shí)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(lái)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(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)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(shí)間后.會(huì)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(chǎng)錢(qián)必須進(jìn)行預(yù)充電。經(jīng)過(guò)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(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。圖2.3鎳氫電池的基本結(jié)構(gòu)2.2.2鎳氫電池的特點(diǎn)鎳氫電池具有無(wú)污染、高比能、大功率、快速充放電、耐用性等許多優(yōu)點(diǎn)。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(zhǎng)的特點(diǎn)以外.還有一下特點(diǎn)。1.比功率高.目前能達(dá)到1350W/kg；2.循環(huán)次數(shù)多；3.無(wú)污染.為21世紀(jì)"綠色環(huán)保電池"；4.耐過(guò)充過(guò)放；5.無(wú)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(dòng)等安全性.可靠性試驗(yàn)無(wú)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(chǔ)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(diǎn)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(shí)正、負(fù)極的化學(xué)反應(yīng)為放電時(shí)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(shí).平均工作電壓為1.2V。當(dāng)電池以8C率放電時(shí).端電壓將至1.1V時(shí).則認(rèn)為放電完成。電壓1.1V稱(chēng)為8C率放電時(shí)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(chǎng)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(shù)脂黏合劑.并涂覆在鋁機(jī)體上.呈細(xì)薄成分布。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。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(chǎng)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(guò)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。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(dòng)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(diǎn)低.沸點(diǎn)高。電解液對(duì)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(guò)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(mǎn)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。安全閥為了保證鋰離子電池的適應(yīng)安全性.一般通過(guò)對(duì)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(guò)程中也有可能其他原因引起蓄電池內(nèi)阻一場(chǎng)上升.這樣.安全閥釋放氣體.以防止蓄電池破裂。安全閥實(shí)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(diǎn)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(zhǎng)。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(wú)記憶性。可以根據(jù)要求隨時(shí)充放電.而不會(huì)降低電池性能。6.對(duì)環(huán)境無(wú)污染。鋰離子電池中不存在有害物質(zhì).是名副其實(shí)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(gè)方面：1.成本高。2.必須有特殊的保護(hù)電路.以防止過(guò)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(shí).鋰離子從正極材料的晶格中脫出.通過(guò)電解質(zhì)溶液和隔膜.嵌入到負(fù)極中；放電時(shí).鋰離子從負(fù)極脫出.通過(guò)電解質(zhì)溶液和隔膜.嵌入到正極材料晶格中。在整個(gè)充放電過(guò)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(guò)程.從根本上解決了由于鋰枝晶的產(chǎn)生而帶來(lái)的電池循環(huán)性和安全性的問(wèn)題圖2.6鋰離子電池充放電原理目前市面上還有很多類(lèi)型的電池。例如：燃料電池.太陽(yáng)能電池.飛輪電池.超級(jí)電容器等。由于篇幅的限制.在此不再詳細(xì)的介紹。3.電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件.其性能的好壞直接影響電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能.特別是影響電動(dòng)汽車(chē)的最高車(chē)速、加速性能及爬坡性能等.因此.在開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)之前初步確定電動(dòng)機(jī)類(lèi)型及其參數(shù)而對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選擇是至關(guān)重要的。3.1直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)就是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電動(dòng)機(jī).是電動(dòng)機(jī)的主要類(lèi)型之一。主要分為他勵(lì)式、并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式4種類(lèi)型。3.1.1直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)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(chēng)為氣隙.如圖3.1所示。定子部分。直流電動(dòng)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(chǎng).由他主機(jī)鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)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(lì)磁繞組用扁銅線(xiàn)或圓銅線(xiàn)繞制而成.產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。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(dòng)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(dòng)的換向性能.是直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)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(xiàn)或圓銅線(xiàn)按一定規(guī)律繞制而成.它是直流電動(dòng)機(jī)的電路部分.也是產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)3.1.2直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)1.調(diào)速性能好。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下.實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速.而且調(diào)速范圍較寬。2.啟動(dòng)力矩大。可以均勻而經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié).因此.凡事在重負(fù)載下啟動(dòng)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?yè)P(yáng)機(jī)、電力機(jī)車(chē)、電車(chē)等.都可用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。3.控制比較簡(jiǎn)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(diǎn)。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(dòng)機(jī)的工作原理圖3.2所示為直流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖。圖中.定子有一對(duì)N、S極.電樞繞組的末端分別接到兩個(gè)換向片上.正、負(fù)電刷A和B分別與兩個(gè)換向片接觸。如果給兩個(gè)電刷加上直流電源.如圖所示.有直流電從電刷流入.經(jīng)過(guò)線(xiàn)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(gè)轉(zhuǎn)矩.使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果第一個(gè)電刷與另一個(gè)換向片接觸.電流流動(dòng)方向與原來(lái)相反.它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電動(dòng)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(xiàn)圈中流過(guò)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(dòng)機(jī)的工作原理示意圖3.2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是用電子換向裝置代替了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置.保留了有刷直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)械換向帶來(lái)的一系列的缺點(diǎn).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(dòng)機(jī)之一.在電動(dòng)汽車(chē)上有著光放的應(yīng)用前景。3.2.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電動(dòng)主要由電動(dòng)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(dòng)機(jī)本體。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)本體有定子和轉(zhuǎn)子組成。定子是電動(dòng)機(jī)本體的靜止部分.它由導(dǎo)磁的定子鐵心、導(dǎo)電的點(diǎn)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(xiàn)以及環(huán)氧化脂等。轉(zhuǎn)子是電動(dòng)本體的轉(zhuǎn)動(dòng)部分.是產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)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(kāi)關(guān)和位置信號(hào)處理電路構(gòu)成.主要用來(lái)控制定子各繞組通電的順序和時(shí)間。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是自控同步電動(dòng)機(jī).電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng).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(chǎng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的三相繞組中通過(guò)的電流是120度電角度的方波.繞組在持續(xù)通過(guò)恒定電流的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)在空間是靜止不動(dòng)的。而在開(kāi)關(guān)換相期間.隨著電流從一相轉(zhuǎn)移到另一相.定子磁場(chǎng)隨之跳躍了一個(gè)電角度。而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)則隨著轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這兩個(gè)磁場(chǎng)的瞬時(shí)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中起到檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置的作用.為功率就愛(ài)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).經(jīng)位置信號(hào)處理電路處理后控制定子繞組換相。由于功率開(kāi)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(kāi)關(guān)一起.起著與傳統(tǒng)有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向器和電刷相類(lèi)似的作用。位置傳感器的種類(lèi)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)1.外特性好.非常符合電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)轉(zhuǎn)矩.滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的加速要求。2.可以高、中、低寬速度范圍內(nèi)運(yùn)行.而有刷電動(dòng)機(jī)由于受機(jī)械換向的影響.只能在中低速下運(yùn)行；而有刷電動(dòng)機(jī)由于受機(jī)械換向的影響.只能在中低速下運(yùn)行。3.效率高.尤其是在輕載車(chē)況下.仍能保持高效的效率.這對(duì)保存珍貴的電池能量是很重要的。4.過(guò)載能力強(qiáng).比Y系列電動(dòng)機(jī)可提高過(guò)載能力兩倍以上。5.再生制動(dòng)效果好.因無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子具有很高的永久磁場(chǎng).在汽車(chē)下坡或制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)可完全進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài).給電池充電.同時(shí)起到電制動(dòng)作用.減輕機(jī)械制動(dòng)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(wú)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(dòng)機(jī)內(nèi)部.可靠性高。8.控制系統(tǒng)比一步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)本身比交流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜.控制器比有刷直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜。3.2.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理和有刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理基本相同。它是利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)控制電子換向線(xiàn)路去驅(qū)動(dòng)逆變器的功率開(kāi)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(chǎng).拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同時(shí).隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng).轉(zhuǎn)子位置傳感器又不斷送出位置信號(hào).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(dòng)機(jī)就旋轉(zhuǎn)起來(lái)了。圖3.4所示為無(wú)刷直流電動(dòng)極的工作原理圖。圖3.4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理3.3異步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)為感應(yīng)電動(dòng)機(jī).是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(shí)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)異步電動(dòng)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。定子。異步電動(dòng)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(dòng)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(lái)嵌放定子繞組。2定子繞組。定子繞組是電動(dòng)機(jī)的電路部分.通入三相交流電.產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。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(dòng)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(dòng)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(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流.并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)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(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間有一小的間隙.稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)氣隙。氣隙的大小對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能有很大的影響。中小異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)的特點(diǎn)1、固有機(jī)械特性：它上面有4個(gè)特殊點(diǎn)。1電動(dòng)機(jī)在沒(méi)有任何負(fù)載情況下的空轉(zhuǎn).此時(shí)轉(zhuǎn)速最大.此點(diǎn)即電動(dòng)機(jī)的理想空載點(diǎn)。2電動(dòng)機(jī)在有負(fù)載情況下的正常運(yùn)轉(zhuǎn).此時(shí)為電動(dòng)機(jī)的額定工作點(diǎn)。3電動(dòng)機(jī)在剛啟動(dòng)的時(shí)刻.即沒(méi)有轉(zhuǎn)起來(lái).所克服轉(zhuǎn)子自重時(shí)轉(zhuǎn)矩的時(shí)候.此點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)工作點(diǎn)。4電動(dòng)機(jī)在拖動(dòng)負(fù)載最大轉(zhuǎn)矩時(shí).速度也比較適中時(shí).此點(diǎn)位電動(dòng)機(jī)的臨界工作點(diǎn)。在此時(shí)電壓如果過(guò)低或有巨大沖擊負(fù)載.就會(huì)造成電動(dòng)機(jī)停機(jī)。2、人為機(jī)械特性1電壓降低電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí).如電壓降低太多.會(huì)大大降低它的過(guò)載能力與啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩.甚至是電動(dòng)機(jī)發(fā)生帶不動(dòng)負(fù)載或者根本不能啟動(dòng)的現(xiàn)象。此外就是啟動(dòng)后電機(jī)也會(huì)被燒壞。2定子電路接入電阻.此時(shí)最大轉(zhuǎn)矩要比原來(lái)的大；轉(zhuǎn)子電路串電阻或改變定子電源頻率.此時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要增大.最大轉(zhuǎn)矩不變。3.3.3異步電動(dòng)機(jī)的工作原理圖3.6為異步電動(dòng)機(jī)工作原理圖。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組通入三相交流電后.將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng).該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組.從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).電動(dòng)勢(shì)的方向由右手定則來(lái)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(dòng)勢(shì)方向相同.而載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中涌下將產(chǎn)生電磁力.電磁力的方向可用左手定則來(lái)判定。有電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩.驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn).并且電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)想象相同。圖3.6異步電動(dòng)機(jī)工作原理圖4.控制器由于電動(dòng)控制系統(tǒng)為整體.故在此將電動(dòng)汽車(chē)整體的控制器在此進(jìn)行敘述。4.1電動(dòng)汽車(chē)控制器的功能純電動(dòng)汽車(chē)控制器相當(dāng)于汽車(chē)的大腦.它在汽車(chē)行駛過(guò)程中執(zhí)行多項(xiàng)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(gè)部件控制器發(fā)送控制指令.使車(chē)輛按駕駛員期望行駛。2整車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)相應(yīng)部件進(jìn)行直接控制的信號(hào)通道.包括D／A轉(zhuǎn)換和數(shù)字量輸出等。4接收處理各個(gè)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(duì)汽車(chē)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(lái)顯示一些重要的信號(hào)量.因此選用了一個(gè)串行通信口〔UART。5系統(tǒng)故障的判斷和存儲(chǔ).動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)信息.記錄出現(xiàn)的故障。6對(duì)整車(chē)具有保護(hù)功能.視故障的類(lèi)別對(duì)整車(chē)進(jìn)行分級(jí)保護(hù).緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機(jī)及切斷母線(xiàn)高壓系統(tǒng)。4.2幾種電動(dòng)汽車(chē)控制器實(shí)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(chē)是后輪驅(qū)動(dòng).左后輪和右后輪分別由2個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其控制器接收駕駛員的操作信號(hào)和汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)傳感器信號(hào)