【文章內(nèi)容簡介】 83。 46 致 謝 48 附 錄 49 1 第 1 章 緒 論 選題的背景、目的及意義 普通汽車帶來的問題 汽車自誕生起已有 100 多年歷史， 其發(fā)展速度不斷加快，與人們生活的聯(lián)系越來越緊密。汽車也不再是一個簡單的代步和運(yùn)輸工具，它已成為許多人的生活必需品和文化生活的一部分。但同時也面臨著來自環(huán)境保護(hù)、能源短缺、道路交通事故等方面越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，并帶來了一系列負(fù)面效應(yīng)。汽車的環(huán)境公害包括汽車在生產(chǎn)過程中、使用中和報廢后的環(huán)境大氣污染、水質(zhì)污染、廢棄物、環(huán)境噪聲、電波對人體的危害及對用電器的干擾等。汽車的環(huán)境大氣污染包括兩層含義：其一是汽車排放的 CO硫化物 SOx、氮氧化物 NOx、氟氯烴等使溫室效應(yīng)加劇、臭氧層破壞和形成酸雨等大氣環(huán)境問題；其二是 汽車排出的 CO、 NOx、 SOx、未燃碳?xì)浠衔?HC、顆粒物 PM 和臭味氣體等造成的局部空氣污染，進(jìn)而對人類和動植物產(chǎn)生的危害，與此有關(guān)的汽車造成的空氣污染大多數(shù)人們可以直接感受到，如在機(jī)動車道和人行道沒有分開的道路上，汽車行駛揚(yáng)起數(shù)米高的塵土、排氣的刺鼻臭味、柴油車排出的黑煙等嚴(yán)重地威脅著人們的身體健康。特別是在大城市中，汽車行駛時排出的氣體污染物、微粒污染物、蒸發(fā)排放物等已成為城市空氣污染的主要來源。由此可見，汽車排入大氣的有害污染物除使城市空氣中的有害污染物增加、產(chǎn)生光化學(xué)煙霧和硫酸煙霧外，還導(dǎo)致大氣臭氧 層破壞、地球溫暖化和酸雨的形成等。因此，就目前的情況來看，環(huán)境公害是汽車行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。 汽車面臨的挑戰(zhàn)之二是能源供應(yīng)問題。從人類對可持續(xù)發(fā)展的觀點出發(fā)，人類應(yīng)設(shè)法減少對有限的石油資源的消耗，并且應(yīng)積極研究石油資源枯竭后汽車的能源來源。另外隨著汽車保有量的增長，石油的供應(yīng)日趨緊張，汽車研發(fā)和制造行業(yè)必須加大對汽車新能源的研究和開發(fā)的力度。目前世界范圍內(nèi)使用的主要能源有石油、煤、天然氣、核能、水能、風(fēng)能以及可再生能源等。雖然每年都有新的油田、氣田的發(fā)現(xiàn)，但這些資源都是有限的，總有一天會消耗殆盡。隨著世界人 口的增加和生活水平的提高，人類對能源需求的增加速度很快，石油資源的枯竭速度正在加劇。 我國面臨的形勢也十分嚴(yán)峻，國內(nèi)的石油儲藏量和開采量相當(dāng)有限，隨著汽車保有量的增加，石油需求越來越多，目前已不能自給，不足部分主要通過進(jìn)口來滿足。由于進(jìn)口石油又與石油安全問題密切相關(guān)，所以又帶來了石油安全問題。據(jù)估計，即 2 使在采用先進(jìn)技術(shù)、繼續(xù)節(jié)能、加速可再生能源開發(fā)利用以及依靠市場力量優(yōu)化資源配置的條件下， 20xx 年世界能源仍短缺 8%，到 2040 年將短缺 24%左右，其中石油短缺額可能多達(dá)數(shù)億噸 [5]。 隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長 和世界人口的增加、人民生活水平的提高，人均能源消耗將會高速增加，環(huán)境污染會變得更為嚴(yán)重。開發(fā)新的替代能源、提高熱能轉(zhuǎn)換的效率和節(jié)約能源被認(rèn)為是解決或緩解環(huán)境污染和保障能源供給的有效方法。 對我國及一些發(fā)展中國家而言，汽車保有量遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家目前的水平。因而汽車保有量將會在較長一段時間內(nèi)持續(xù)高速增長?？梢灶A(yù)見，我國在未來對傳統(tǒng)的車用燃料的需求將持續(xù)大幅度增長。因此，開發(fā)不使用傳統(tǒng)燃料的代用燃料和電動汽車、降低單位里程的燃料消耗量對緩解環(huán)境污染和保障能源供給具有重要的戰(zhàn)略意義。 由于電動汽車具有突出的優(yōu)勢，特別 是在環(huán)保方面的優(yōu)勢，使得電動汽車的開發(fā)和研究成為各國開發(fā)綠色汽車的主流。電動汽車使用的能源是可以用于發(fā)電的一切能源。因此使用電動汽車可以擺脫汽車對化石燃料的依賴，改善能源結(jié)構(gòu)，使能源供給多樣化，使能源的供給得到有效保障。電動汽車在解決道路交通事故方面和傳統(tǒng)汽車相比也具有一定優(yōu)勢。因此，開發(fā)電動汽車是迎接汽車面臨挑戰(zhàn)的重要對策之一 [2]。 電動汽車的優(yōu)點 近幾年來，隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的全球性兩大突出問題日益嚴(yán)重，特別是隨著電動汽車自身難點的不斷解決，使電動汽車具有更多突出的特點 [1]。 （ 1） 污染低 電動汽車由電力驅(qū)動，在行駛中不排放有害氣體，即使電動汽車所消耗的電力由使用石油燃料的火力發(fā)電廠提供，火力發(fā)電廠的大氣污染物主要是 NOx，根據(jù)電動汽車所消耗電力折算出以火力發(fā)電來估計 NOx的排放量，也不到同類型汽油車的 10%。 （ 2） 可使用多種能源 由于電動汽車使用二次電力能源，它不受石油資源的限制，電動汽車的應(yīng)用可有效地減少對石油資源的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面。向蓄電池充電的電力可以由煤炭、天然氣、水力、核能、太陽能、風(fēng)力、潮汐等能源轉(zhuǎn)化，從而可節(jié)省日漸枯竭的石油資源。而且電動車?yán)靡归g大量富裕 電力充電，有利于電網(wǎng)均衡負(fù)荷，減少了能源浪費，提高了電力系統(tǒng)整體效益。 （ 3） 效率高 電動汽車的研究表明，此能源效率已超過汽油機(jī)汽車，特別是在城市運(yùn)行，汽車走走停停，行駛速度不高，電動汽車沒有怠速損失，在制動時能回收能量， 80%以上的電池能量可由電動機(jī)轉(zhuǎn)為汽車的動力，電動汽車停止時不消耗電量，在制動過程中， 3 電動機(jī)可自動轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)制動減速時能量的再利用。即使考慮原油的發(fā)電效率，配送電效率，充放電效率等，其最終效率也比內(nèi)燃機(jī)高。 （ 4） 噪聲低 噪聲對人的聽覺、神經(jīng)、心血管、消化、內(nèi)分泌、免疫系統(tǒng)也是有危 害的。發(fā)動機(jī)性能是影響汽車噪聲、振動的重要因素。傳統(tǒng)汽車和電動汽車相比，由動力部分引起的噪聲和振動，特別是在加速時，電動機(jī)的噪聲和振動要比發(fā)動機(jī)低得多。 （ 5） 更有利于智能化 由于電動汽車已達(dá)到電氣化，所以電動汽車系統(tǒng)中更利于采用先進(jìn)的電子信息技術(shù)，提高汽車智能化程度。電動汽車的電動機(jī)控制系統(tǒng)，可與各個電子控制系統(tǒng)包括無級變速、防抱死制動系統(tǒng)（ ABS）、制動能量回收系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)、自動空調(diào)系統(tǒng)等相協(xié)調(diào)，在電動汽車上實現(xiàn)計算機(jī)智能控制。 我國發(fā)展城市電動客車的優(yōu)勢 目前國外對電動汽車的研究還主要集中在 轎車方面，雖然我們也要發(fā)展電動轎車，但是根據(jù)我國的國情和工業(yè)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，優(yōu)先發(fā)展電動城市客車并使之商業(yè)化、實用化則更為重要和可行。 首先，城市客車相比于轎車來使用路線固定，?？空军c固定，而且有集中的停放場所，便于充電設(shè)施的布置，可有效解決充電設(shè)施分布廣，先期資金投入大的難題 [20]。 其次，在我國，城市交通擁堵和汽車尾氣排放問題日益嚴(yán)重，公共交通發(fā)展越來越受到人們的重視。城市客車的需求量將出現(xiàn)較快增長，優(yōu)先發(fā)展電動城市客車將使我國公交車發(fā)展處于世界領(lǐng)先位置，增強(qiáng)國際競爭力，同時也能大大緩解城市交通問題，提高城 市環(huán)境的和諧性和人們出行的方便性。 再次，我國的客車發(fā)展已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，在此基礎(chǔ)上發(fā)展電動城市客車要相對來說容易一些。同時，客車車體寬大，布置電動機(jī)、蓄電池、燃料電池和相關(guān)的設(shè)備也比較容易，成本不會太高。對轎車而言，空間有限，對電動機(jī)等部件的要求高，成本投入巨大，而且短期內(nèi)不會有較大的改善。 最后，雖然電動城市客車單車的運(yùn)行成本要比電動轎車的高，但是總的來看運(yùn)行成本和社會效益比還是優(yōu)于電動轎車，而且政府和企業(yè)也還是可以承受 [1,2]。 國內(nèi)外電動汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展 我國電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀 我國 電動汽車發(fā)展始于上世紀(jì)九十年代。中科院電工所、上海 811 所、清華大學(xué)、上海同濟(jì)大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位，在“ 863”計劃和“十五”國家科技專項等國家項目的支持下，取得了階段性的研究成果，培養(yǎng)了一支能力較強(qiáng)的研發(fā)隊伍，人才儲 4 備體系正在日趨完善。目前，我國許多科研機(jī)構(gòu)、高等院校都增設(shè)了與電動汽車研發(fā)有關(guān)的機(jī)構(gòu)和人員，并把電動汽車及相關(guān)零部件的研發(fā)列為重點課題，這為我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 近年來，隨著全球汽車工業(yè)重心開始向中國市場轉(zhuǎn)移，電動汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程明顯加快。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，我 國包括比亞迪、上汽、一汽、東風(fēng)、北汽、奇瑞、吉利、力帆等在內(nèi)的整車企業(yè)超過 150 家，包括一汽、上汽、宇通等在內(nèi)的從事混合動力客車研制和生產(chǎn)的廠家就有 30 多家。特別是隨著我國電動汽車的制造體系逐步建立，自主創(chuàng)新能力得到較大提升，國內(nèi)許多企業(yè)已開始涉足與電動汽車相關(guān)的電池、發(fā)動機(jī)等關(guān)鍵零部件的研制和生產(chǎn)，技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平的差距正在縮小。 當(dāng)前，國際金融危機(jī)不斷蔓延，各國汽車企業(yè)的發(fā)展都受到很大影響，企業(yè)生存面臨著極大挑戰(zhàn)。針對這一形勢，按照國務(wù)院指示，國家發(fā)展改革委組織制定了《汽車工業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》，對 我國汽車工業(yè)發(fā)展進(jìn)行了全面規(guī)劃部署，財政部、科技部等部門也制定了《節(jié)能與新能源汽車示范推廣財政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》，推出了“十城千輛”計劃等一系列國家行動方案，加大了對電動汽車的政策支持力度。在此激勵政策的鼓舞下，國內(nèi)汽車企業(yè)紛紛增加對電動汽車及相關(guān)零部件的研發(fā)投入，我國電動汽車產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入高速發(fā)展的新階段 [1]。 國外電動汽車發(fā)展?fàn)顩r和趨勢 新能源汽車主要包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車、氫動力汽車、代用燃料汽車等。通常人們所說的電動汽車主要是指混合動力汽車和純電動汽車。目前，在眾多的新能 源汽車當(dāng)中，電動汽車以其優(yōu)越的使用性能和相對低廉的銷售價格，得到了市場的廣泛認(rèn)可和普遍歡迎，日益成為全球汽車工業(yè)關(guān)注的焦點，展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。 美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家電動汽車技術(shù)高度重視，從汽車技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)升級的戰(zhàn)略出發(fā)，頒布制定了優(yōu)惠的政策措施，積極促進(jìn)本國電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以期提升本國汽車工業(yè)國際競爭力。據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前為止，發(fā)達(dá)國家累計用于電動汽車的科研開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的資金已達(dá)數(shù)十億美元。憑借雄厚的實力和巨額的資金投入，發(fā)達(dá)國家的汽車制造商已經(jīng)在全球汽車工業(yè)新一輪競爭中占據(jù)了有利地位。 特別是以豐田為代表的日本汽車企業(yè)，已經(jīng)在混合動力技術(shù)方面掌握了絕對優(yōu)勢，并在北美等國際市場上形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模 [16,17]。 從全球主要汽車生產(chǎn)廠家的發(fā)展計劃看，電動汽車的產(chǎn)業(yè)化時代正在到來。目前，“低排放”汽車 (主要指混合動力汽車 )已進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段，在全球的累計銷量已超過 100 萬輛，“零排放”汽車 (主要指純電動汽車 )的批量生產(chǎn)時間已提前到 20xx 5 年，比原來預(yù)計的時間提前了 10 年至 15 年。特別是近年爆發(fā)國際金融危機(jī)以來，面對嚴(yán)峻形勢，發(fā)達(dá)國家的政府紛紛出臺相關(guān)政策，加快了電動汽車的發(fā)展步伐。據(jù)權(quán)威部門 預(yù)測，未來 10 年，將是電動汽車產(chǎn)業(yè)格局形成的關(guān)鍵時期，電動汽車將成為拉動經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長點 [2]。 本設(shè)計的研究內(nèi)容及預(yù)期結(jié)果 針對本研究電動客車的使用條件，選擇電動機(jī)，通過計算 050km/h 加速時間、最大爬坡度、最高車速來驗證電動機(jī)性能是否滿足要求。選擇控制策略并對其進(jìn)行研究。 通過分析各種蓄電池的性能優(yōu)缺點和本研究的使用條件，具體選擇某型蓄電池來組成蓄電池組作為本研究電動客車的動力源。同時對蓄電池管理系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計和研究。 對整車再生制動的結(jié)構(gòu)、控制策略和控制邏輯進(jìn)行研究。 在原車的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，根據(jù)原車的實際結(jié)構(gòu)，研究電動機(jī)、蓄電池組和控制系統(tǒng)在車輛上的布置。 6 第 2 章 電動汽車電機(jī)技術(shù) 電動汽車電機(jī)的分類及特點 電動汽車電動機(jī)可分為交流電動機(jī)、直流電動機(jī)、交 /直流兩用電動機(jī)、控制電動機(jī) （ 包括步進(jìn)、測速、伺服、自整角等 ） 、開關(guān)磁阻電動機(jī)及信號電動機(jī)等多種。適用于電力驅(qū)動的電動機(jī)可分為直流電動機(jī) （ 將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動機(jī) ） 和交流電動機(jī) （ 將交流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動機(jī) ） 兩大類。目前在電動汽車上已應(yīng)用的和有應(yīng)用前景的有直流電動機(jī)、交流感應(yīng) （ 異步 ） 電動機(jī)、永磁無 刷電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)等。 直流電動機(jī) 直流電動機(jī)（ DCM）是最早發(fā)明的電動機(jī)，到現(xiàn)在已經(jīng)有 100 多年的歷史。直流電動機(jī)按照勵磁方式的不同可以分為：他勵、并勵、串勵、短復(fù)勵等。直流電動機(jī)的優(yōu)點是：具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，啟動轉(zhuǎn)矩、制動轉(zhuǎn)矩大，易于快速啟動、停車；調(diào)速比較方便，調(diào)速范圍寬，易于平滑調(diào)速；由于磁場和電樞可以分別控制，因此控制起來比較容易，而且控制性能好；直流電動機(jī)制造技術(shù)很成熟，驅(qū)動系統(tǒng)價格較便宜。 直流電動機(jī)的缺點是效率較低、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、體積大、價格高、可靠性差等。同時，直 流電動機(jī)上有電刷和換向器，它們?nèi)菀啄p，在高速運(yùn)行時還會產(chǎn)生火花，嚴(yán)重時形成“環(huán)火”，限制了直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速提高 [3， 10]。 異步電動機(jī) 感應(yīng)電動機(jī)（ IM）有繞線式和鼠籠式兩種類型，其具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固、成本低、可靠性高、轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲小、轉(zhuǎn)速極限高、無需位置傳感器及免維護(hù)等優(yōu)點，因此得到廣泛應(yīng)用。 感應(yīng)電動機(jī)的最大缺點是驅(qū)動電路復(fù)雜，相對永磁電動機(jī)而言，其效率和功率密度偏低，因此有被其它新型永磁電機(jī)逐步取代的趨勢 [21]。 永磁無刷電動機(jī) 永磁無刷直流電動機(jī)因為沒有碳刷與換向器，所以沒有維修與 保養(yǎng)的需要；由于采用永磁轉(zhuǎn)子，所以沒有勵磁損耗的問題。與其他電動機(jī)相比其特點有：一是低頻轉(zhuǎn)矩大，啟動轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的兩倍或更高。二是轉(zhuǎn)速彈性大，運(yùn)轉(zhuǎn)精度高，并且不受電壓與負(fù)載變動的影響。三是結(jié)構(gòu)簡單牢固、免維修或少維護(hù)、運(yùn)轉(zhuǎn)費用更低，沒有保養(yǎng)維修的煩惱。四是永磁無刷直流電動機(jī)尺寸小、質(zhì)量輕，具有很高的功率密 7 度。五是綜合效率高，明顯高出有刷直流的效率及歐盟 CEMED 效率標(biāo)準(zhǔn)。 永磁無刷直流電動機(jī)的主要不足是勵磁不能控制，因此永磁電動機(jī)不能得到類似于繞線直流電動機(jī)的工作特性。另外，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。 開關(guān)磁阻電動機(jī) 開關(guān)磁阻電動機(jī)（ SRM）具有高起動轉(zhuǎn)矩、低起動電流；高效率、低損耗、耐溫；電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)；功率電路簡單；可靠性好；良好的適應(yīng)性、低成本等優(yōu)點。 但是開關(guān)磁阻電動機(jī)又有轉(zhuǎn)矩有脈動；振動和噪聲較大；驅(qū)動控制系統(tǒng)復(fù)雜，控制器價格高；在高峰和高峰電流時容易產(chǎn)生電磁兼容性問題等缺點。當(dāng)前在電動汽車上的應(yīng)用極少 [3,21]。 各種電動機(jī)的性能比較 [3] 表 各種電動機(jī)的性能比較 項 目 直流電動機(jī) 異步電動機(jī) 開關(guān)磁阻電 動機(jī) 永磁無刷電 動機(jī) 轉(zhuǎn)速范圍（ r/min） 40006000 120xx20xx0 15000 400010000 功率密度 低 中 較高 高 功率因數(shù)（ %） — 8285 6065 9093 峰值效率（ %） 8589 9495 8590 9597 負(fù)荷效率（ %） 8087 9092 7886 9785 過載能力（ %） 200 300500 300500 300 恒功率區(qū)比例 — 1:5 1:3 1: 電動機(jī)質(zhì)量 重 中 輕 輕 電動機(jī)外形尺寸 大 中 小 小 可靠性 一般 好 好 優(yōu)良 結(jié) 構(gòu)的堅固性 差 好 優(yōu)良 一般 控制操作性能 最好 好 好 好 控制器成本 低 高 一般 高 電動汽車對電機(jī)性能的要求 汽車行駛的特點是頻繁地啟動、加速、減速、停車等。在低速或爬坡時需要高轉(zhuǎn)矩，在高速行駛時需要低轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)能滿足汽車從零到最大行駛速度的要求，即要求電動機(jī)具有高的比功率和功率密度。電動汽車電動機(jī)應(yīng)滿足的主要要求可歸納為如下 10 個方面 : 高電壓。在允許的范圍內(nèi)，盡可能采用高電壓，可以減小電動機(jī)的尺寸和導(dǎo)線等裝備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本。工作電壓由 THS 的 274 V 提高到 THS B的 500 V。在尺寸不變的條件下，最高功率由 33 kw提高到 50 kw,最大轉(zhuǎn)矩由 350 N178。 m 8 提高到 400ON178。 m?？梢?，應(yīng)用高電壓系統(tǒng)對汽車動力性能的提高極為有利。 轉(zhuǎn)速高。電動汽車所采用的感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 8 000 一 12 000 r/min，高轉(zhuǎn)速電動機(jī)的體積較小，質(zhì)量較輕，有利于降低 整 車的 整 備質(zhì)量。 質(zhì)量輕，體積小。電動機(jī)可通過采用鋁合金外殼等途徑降低電動機(jī)的質(zhì)量，各種控制裝置和冷卻系統(tǒng)的材料等也應(yīng)盡可能選用輕質(zhì)材料。電動汽車驅(qū)動電動機(jī)要求有高的比功率 (電動機(jī)單位質(zhì)量的輸出功率 )和在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有較高的效率，以實現(xiàn)降低車重，延長續(xù)駛里程 。而工業(yè)驅(qū)動電動機(jī)通常對比功率、效率及成本進(jìn)行綜合考慮，在額定工作點附近對效率進(jìn)行優(yōu)化。 電動機(jī)應(yīng)具有較大的啟