學(xué)習(xí)筆記-純電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究

PAGEPAGE6純電動(dòng)汽車電力拖動(dòng)系統(tǒng)研究江蘇微特利電機(jī)有限公司施洪亮河南海馬轎車有限公司趙長(zhǎng)春1概述1.1純電動(dòng)汽車電力拖動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介電動(dòng)汽車電力拖動(dòng)系統(tǒng)可以按照驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的不同進(jìn)行分類。目前應(yīng)用在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)既有傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)和交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，也有新型的永磁同步電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。不論哪一類電力拖動(dòng)系統(tǒng)，都必須對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，使其滿足電動(dòng)汽車的特殊運(yùn)行要求。電動(dòng)汽車與其他的電力拖動(dòng)系統(tǒng)不同，它需要經(jīng)常變換運(yùn)行方式，尤其是在城市行駛狀態(tài)下，要求電力拖動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)迅速、調(diào)速范圍寬，同時(shí)性能穩(wěn)定。在采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗缘臈l件下，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)都能滿足這種要求。1.2純電動(dòng)汽車電力拖動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)步驟首先根據(jù)市場(chǎng)需要確定整車性能指標(biāo)，然后參照傳統(tǒng)車輛牽引力分析的方法，結(jié)合電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，選定電動(dòng)機(jī)和電池的參數(shù)，最后依據(jù)整車重量的變化核算電動(dòng)汽車可能達(dá)到的動(dòng)力性能。電動(dòng)汽車電力拖動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.所示。它以駕駛員的操作（主要是以加速踏板位置的操作）為輸入，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器的變換后，輸出轉(zhuǎn)矩給定值提供給逆變器。逆變器控制電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)汽車以駕駛員的期望狀態(tài)行駛。2純電動(dòng)汽車電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本布置2.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)布置方式與系統(tǒng)構(gòu)成純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本構(gòu)成可分為三個(gè)子系統(tǒng)，即電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、動(dòng)力電源系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由逆變器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)系等部件組成。它能夠?qū)⑿铍姵剌敵龅碾娔苻D(zhuǎn)化為車輪上的機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行駛，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分。動(dòng)力電源系統(tǒng)由動(dòng)力蓄電池組和電池管理系統(tǒng)構(gòu)成，電池管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電池能量監(jiān)控、協(xié)調(diào)控制等功能的關(guān)鍵部件；輔助控制系統(tǒng)主要是為電動(dòng)汽車非驅(qū)動(dòng)附件提供控制功能；例如：實(shí)現(xiàn)車載充電器控制、動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制、制動(dòng)助力控制、空氣調(diào)節(jié)控制、冷卻裝置控制等功能。在現(xiàn)今的電動(dòng)汽車電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，有將上述三個(gè)子系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，功能獨(dú)立的趨勢(shì)。2.2電力拖動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的組合方式電力拖動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)有許多種組合方式，以下介紹比較典型并且容易實(shí)現(xiàn)的二種組合方式。2.2.1機(jī)械傳動(dòng)系不變的機(jī)械傳動(dòng)系不變的組合方式的大體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。這種組合方式與傳統(tǒng)燃油汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置方式?jīng)]有太大的區(qū)別。它是用電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)替代了發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)，而機(jī)械傳動(dòng)系則基本不變。電動(dòng)機(jī)輸出軸與變速器輸入軸相聯(lián)，動(dòng)力通過通過變速器傳遞到主減速器，然后到差速器，最后通過半軸將動(dòng)力傳送給驅(qū)動(dòng)輪。這種組合方式只需用電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)對(duì)燃油汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行置換，就能得到一輛電動(dòng)汽車，工作相對(duì)簡(jiǎn)單，方便將傳統(tǒng)汽車改裝成電動(dòng)汽車。2.2.2采用固定速比減速器的由于電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍比較寬，而且它的輸出特性與車輛要求的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性比較接近。因此可以充分利用電動(dòng)機(jī)的這一特性，取消多檔齒輪變速器，采用固定傳動(dòng)比的齒輪減速器和差速器來傳遞動(dòng)力。式中：δ——車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，（δ>1)；m——車輛質(zhì)量，單位為kg；du/dt——車輛行駛加速度，單位為m/s2。在傳統(tǒng)燃油車輛中，δ主要與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及傳動(dòng)系的傳動(dòng)比有關(guān)。它可按如下公式進(jìn)行估算：式中：ig——變速器傳動(dòng)比；δ1、δ2——分別等效于車輪和飛輪引入的換算因子。在傳統(tǒng)燃油車輛中，δ1=δ2=0.03。3.2.3車輛行駛的驅(qū)動(dòng)力是路面作用在車輛驅(qū)動(dòng)輪上的，它不僅與車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供的牽引力有關(guān)，而且與路面與輪胎之間的接觸狀態(tài)有關(guān)。設(shè)車輛傳動(dòng)系傳遞到驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩為Tt，它產(chǎn)生一個(gè)對(duì)地面的圓周力Fr，在它的作用下，地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生一個(gè)反作用力Ft，這個(gè)反作用力就是車輛受到的驅(qū)動(dòng)力。在車輪沒有產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)的情況下有：式中：Tt——半軸作用于驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩((Nm)；r——車輪半徑。令：變速器傳動(dòng)比為ig；驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為Ttq；主減速器傳動(dòng)比為i0，傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率為ηT，則：3.2.4車輛行駛的“驅(qū)動(dòng)——附著”平衡由(4.1)式可知，只有在滿足條件時(shí)車輛才可能行駛。這個(gè)條件稱為車輛的驅(qū)動(dòng)條件，它還不是車輛行駛的充分條件。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是由外力決定的。作用在車輛上的驅(qū)動(dòng)力實(shí)際是地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的反作用力。地面對(duì)輪胎反作用力的極限值稱為附著力Fφ，在硬路面上，它與驅(qū)動(dòng)輪法向反作用力FZ成正比，常寫成：式中：φ——附著系數(shù)，它由路面和輪胎決定。車輛在行駛過程中，路面所提供的驅(qū)動(dòng)力不可能大于Fφ，即當(dāng)驅(qū)動(dòng)力達(dá)到極限值Fφ時(shí)，如果繼續(xù)加大車輛動(dòng)力系統(tǒng)的輸出力矩，驅(qū)動(dòng)輪將在路面滑轉(zhuǎn)，地面反向作用力并不會(huì)增加。3.2.5車輛行駛過程中功率的平衡車輛行駛時(shí)，不僅驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力相互平衡，驅(qū)動(dòng)功率和車輛行駛阻功率也總是平衡的。也就是說，在車輛行駛的每一瞬間，驅(qū)動(dòng)功率Pe總是等于機(jī)械傳動(dòng)損失的功率與全部運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率之和。車輛運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率有滾動(dòng)阻力功率、空氣阻力功率、、坡度阻力功率以及加速阻力功率。即：在純電動(dòng)汽車中，Pe為電動(dòng)機(jī)輸出功率(w)總結(jié)以上推導(dǎo)的公式，可得車輛行駛過程中的兩個(gè)平衡方程如下：對(duì)純電動(dòng)汽車而言，式中：Pe——電動(dòng)機(jī)輸出功率(W)；n——電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速；Ttq——電動(dòng)機(jī)扭矩。其中，F(xiàn)t要滿足Ft≤FZφ的條件。3.3一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)要求最高車速：Vmax＝150km/h；最大爬坡度：i＝30％（40km/h）；續(xù)駛里程100km(50km/h)；0～100Km/h加速時(shí)間：18設(shè)計(jì)輸入：整車滿載質(zhì)量：Ga＝1472Kg；輪胎半徑r=0.269m空氣阻力系數(shù)：CD=0.32；車身迎風(fēng)面積：A=1.88m2滾動(dòng)阻力系數(shù)：f=0.018傳動(dòng)效率：η＝0.92傳動(dòng)比：參見5S160變速器①根據(jù)動(dòng)力性要求確定電機(jī)參數(shù)：額定30kw電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速60012001800240030003600420048005400電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩808080808080605440功率4913182230303030電動(dòng)機(jī)過載轉(zhuǎn)矩（3倍）240240240240240240180160117②根據(jù)續(xù)駛里程確定電池容量55Ah,電壓336V,標(biāo)稱能量18.48kwh。③動(dòng)力性計(jì)算結(jié)果如下圖：本文研究的純電動(dòng)汽車電力拖動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)被某汽車廠采用，實(shí)物見下圖。4純電動(dòng)汽車電力拖動(dòng)系統(tǒng)控制策略研究在駕駛員的操作與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力輸出之間建立怎樣的控制關(guān)系對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言是非常關(guān)鍵的。在汽車駕駛中，駕駛員獲取道路環(huán)境和車輛狀況信息后，根據(jù)自己的駕駛經(jīng)驗(yàn)，通過踩踏加速踏板來控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出，使車輛按照駕駛員的意圖行駛。如圖4.1所示。為加速踏板位置選擇一個(gè)合適的對(duì)應(yīng)物理量作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器的輸入是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的首要出發(fā)點(diǎn)。最佳選擇是對(duì)應(yīng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。駕駛員直觀的控制對(duì)象是車輛行駛速度。如果車速不能達(dá)到駕駛員的預(yù)期車速，駕駛員就會(huì)改變加速踏板位置，改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，也就是改變車輛的加速度，加速度的變化直接影響到車輛的速度，直至達(dá)到控制車速為止。由于主要考慮的是對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)力矩輸出的控制，因此規(guī)定，當(dāng)加速踏板輸出的Tq值為正，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)Tq值為電動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)力矩目標(biāo)值；當(dāng)制動(dòng)踏板輸出的Tq值為負(fù)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)Tq值為制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力矩目標(biāo)值。依照以上的設(shè)計(jì)理念，確定如下的電動(dòng)汽車電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)：其中以DSP2407為主的雙CPU主控制器兼顧了電機(jī)逆變控制和汽車行駛的整車控制。進(jìn)一步的研究開發(fā)，鋰電池組附帶的電源管理器和車載充電器功能也要交由電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)完成。機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，還考慮要增加電機(jī)的輪系，以便拖動(dòng)必要的旋轉(zhuǎn)附件；目的是加大電機(jī)負(fù)荷，提高用電效率。參考文獻(xiàn)陳清泉，詹宜巨，21世紀(jì)的綠色交通工具一電動(dòng)車，北京，清華大學(xué)出版社，2000，7~14高宏德，抓住良機(jī)搶先發(fā)展我國(guó)電動(dòng)汽車工業(yè)，中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)，1996，(5)，37~40孫立志，趙輝，陸永平等，電動(dòng)汽車中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電工電能新技術(shù)，1997(4)，14~19陳伯時(shí)，陳敏遜，交流調(diào)速系統(tǒng)，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1997，2~3王穎，王靖，電動(dòng)汽車電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)綜述，電工技術(shù)雜志，1998，(4)，8~12王克奇，曲發(fā)義，電動(dòng)汽車交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，30(5)73~76張承寧，孫逢春，電動(dòng)汽車的幾種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較，兵工學(xué)報(bào)，1995(4)，36-39吳峻，李圣怡，潘孟春，.電動(dòng)車異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，中小型電動(dòng)機(jī)，2001(1)30~32宋慧，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，19973~24余志生，汽車?yán)碚?，第二版，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，199013~21詹宜巨，陳清泉，電動(dòng)車技術(shù)發(fā)展及前景展望，電氣傳動(dòng)，1997，(5)40~44蘇彥民，李宏，交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1998,103~106曹秉剛，張傳偉，白志峰等，電動(dòng)汽車技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)，西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（1）羅玉濤，俞明，陳炳坤等，電動(dòng)車制動(dòng)能量再生反饋控制研究，機(jī)床與液壓，2002,(5)，162姬志艷，李永東等，無速度傳感器