【導(dǎo)讀】除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含任何其。他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的作品成果。對本人實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)中做出。重要貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中以明確的方式注明。識到本承諾書的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。人類進(jìn)入21世紀(jì)以來，工業(yè)生產(chǎn)飛速發(fā)展。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽。車制造業(yè)也逐步創(chuàng)新。眾所周知，汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開石油，然而全球石油總。另一方面，環(huán)境污染也日益加劇，汽車尾氣排放是造成環(huán)境污染。的主要原因之一。大力發(fā)展新能源汽車，電動(dòng)汽車的研發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。電池、電動(dòng)機(jī)、控制器和機(jī)械裝置部分的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行闡述。

　　

【正文】 一些 簡單的集中繞組 ，定子的端部不是很長，根本沒有換向器等部件 。 ? 功率變換器：電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量全部由功率變換器來提供，它的作用就是一個(gè)開關(guān)，用來連接電動(dòng)機(jī)和電源； ? 控制器：與汽車的 ECU 相似，控制器是整個(gè)系統(tǒng)的高級指揮官，它起到?jīng)Q策和指揮作用。位置檢測器傳遞位置信號，電流檢測器傳遞電流信號，控制器 28 根據(jù)這些信號判斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置，至于電動(dòng)機(jī)的速度和電流等信息也被接收、分析，最終通過分析處理，得到 最終指令，開始向功率變換器發(fā)出一個(gè)執(zhí)行命令，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)，起到最終的控制作用； ? 位置檢測器；位置檢測器根據(jù)傳遞來的信號分析判斷轉(zhuǎn)子的位置，并且能夠得出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息。然后把上述得到的信息及時(shí)向控制器反饋，使控制器作出相應(yīng)指令，控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常工作。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的原理： 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（ SRM） 是一個(gè)關(guān)鍵部件，它是這種電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有別于其他電動(dòng)機(jī)的最重要的一部分。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（ SRM） 是調(diào)速系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的所在 。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 是一種由 雙凸極 制成的 可變磁阻電動(dòng)機(jī)， 定子的凸極就是由最普通的與前 面所述其他幾種電動(dòng)機(jī)一樣的硅鋼片壓制而成，轉(zhuǎn)子使用相同的材料制成 。 之前所述，轉(zhuǎn)子不纏繞任何的繞組 ， 轉(zhuǎn)子上也沒有磁極。定子極上繞有 少量的 集中繞組， 這些繞組在徑向上有相對的，兩端徑向相對連接 ，就叫做 “ 一相 ” ，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 可根據(jù)需要制造成不同的相數(shù) ， 還可以根據(jù)相應(yīng)的要求使 定、轉(zhuǎn)子的極 數(shù)有不同的組合和搭配 。 通常我們需要 相數(shù)多、步距角小 的電動(dòng)機(jī)，因?yàn)檫@樣 有利于減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)， 但是實(shí)際中這樣做的結(jié)果是使電動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜就會(huì)使成本增加 ， 因此目前采用 較多的是四相（ 8/6）結(jié)構(gòu)和三相（ 12/8）結(jié)構(gòu)。 這兩種是比較典型 的應(yīng)用結(jié)構(gòu)。 下面我介紹其中一種 四相（ 8/6）結(jié)構(gòu) 的 SR 電動(dòng)機(jī)原理 ，結(jié)合圖 48分析。為了不使其過于復(fù)雜，我們只在 圖中畫出 A 相繞組 ，和對 A相繞組 供電 的 電路?！?磁阻最小原理 ” 是 SR 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的一種基本遵循原理，所謂 “ 磁阻最小原理 ” 說的就是：在整個(gè)系統(tǒng)中會(huì)有 磁阻最小的路徑，磁通 就總會(huì)自己尋找這樣最小的路徑實(shí)現(xiàn)閉合，當(dāng)一個(gè)具有 一定形狀的鐵心 在系統(tǒng)中移動(dòng)過程中， 在移動(dòng)到最小磁阻位置 的 時(shí) 候 ， 必須滿足一個(gè)條件，就是鐵心的主軸線需要和磁場的軸線在同一位置 。圖中， 有 定子 DD’ ，當(dāng)這個(gè)定子 極勵(lì)磁時(shí)， 1139。就會(huì) 向 對應(yīng)的 定子 軸線 DD39。的位置轉(zhuǎn)動(dòng)， 并且與 DD39。的軸線位置重合，這個(gè)過程的結(jié)果之一還會(huì) 使 D相勵(lì)磁繞組的電感 達(dá)到 最大 值 。 在圖中找到定子和轉(zhuǎn)子所在的位置，如果把現(xiàn)在的這些位置標(biāo)記為起始位置，那么按照 D→A→B→C 的次序給這些 相繞組通電，轉(zhuǎn)子 就會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作，會(huì)與 勵(lì)磁順序 相反， 以逆時(shí)針方向 進(jìn)行 連續(xù)旋轉(zhuǎn)； 相反的是 ，若 按照 B→A→D→C 的次序進(jìn)行各 相通電，則 轉(zhuǎn)子 即會(huì)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 這樣，我們就會(huì)得出之前的一個(gè)結(jié)論 ， 就是開關(guān)勵(lì)磁 電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)方向只 取決于 一個(gè)因素 ,即 相繞組通電的順序 ，而與 相繞組的 通電 電流方向 沒有關(guān)系 。 此 外，從 圖 48中還可以看出 ，當(dāng) 閉合 主開關(guān)器件 S S2的時(shí)候 ，直流電源U 與 A相繞組 相同 ， 并且給 A繞組供電，即使 當(dāng) S S2關(guān)斷時(shí)， 通過 二極管 VDVD2，繞組電流還是可以導(dǎo)通 ，并回饋給電源 US。因此， 開關(guān)勵(lì)磁 電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的 29 一個(gè) 共性特點(diǎn) 體現(xiàn)出來，就 是具有再生作用， 整個(gè) 系統(tǒng)效率高 ，能源利用率也會(huì)很高 。 圖 48 四相 8/6級 SR 電動(dòng)機(jī)典型結(jié)構(gòu) (只畫出一相 ) 由此可見，我們只要通過控制加到 SR 電動(dòng)機(jī)繞組中電流的一些參數(shù)值，比如脈沖的幅值，以及脈沖的寬度和與轉(zhuǎn)子的相對位置，這些位置對應(yīng)叫做導(dǎo)通角、關(guān)斷角，通過改變這些參數(shù)，就可控制 SR 電動(dòng)機(jī)的輸出，可以控制它的輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速等特性，上述就是 SR 電動(dòng)機(jī)的工作基本原理過程。 30 第 5章 控制器 由于電動(dòng)控制系統(tǒng)為整體，故在此將電動(dòng)汽車整體的控制 器在此進(jìn)行敘述。 電動(dòng)汽車控制器的功能 對于純電動(dòng)汽車來說，汽車的大腦就是控制器 ，其作用相當(dāng)于普通汽車的ECU， 它在汽車行駛過程中 ，控制器通過分析判斷，執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)， 包括以下功能 [9]： ? 駕駛員發(fā)出駕駛操作指令 ，控制器接收這些指令， 然后把這些指令發(fā)送到下一級 部件控制器，使車輛受控于駕駛員； ? 與 控制器相對應(yīng)部件與之聯(lián)系需要一個(gè)通道，這個(gè)通道則需要由控制器提供來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通 ， 這些通道 包括 D/A轉(zhuǎn)換，還有數(shù)字量輸出等 ； ? 電動(dòng)汽車的 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī) 、 電池 、 DC /DC轉(zhuǎn)換器這些部件組成 ?？刂破骺梢?與電機(jī) 、 DC /DC、 電池組等進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息交流互換 ，進(jìn)而發(fā)出相應(yīng)信號； ? 收處理各個(gè)系統(tǒng)信息 ， 外接液晶顯示器，顯示器帶有觸摸功能，顯示器顯示各種分析結(jié)果 ， 因此需要用一個(gè)串行通信口進(jìn)行連接 （ UART）； ? 當(dāng)車輛發(fā)生 故障，進(jìn)行系統(tǒng)故障分析，記錄儲(chǔ)存出現(xiàn)的故障，并且反饋給駕駛員和維修人員； ? 對車輛和駕駛員有保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生突發(fā)故障和緊急事故 ，做出相應(yīng)處理，例如 緊急情況下控制器自動(dòng)關(guān)掉發(fā)電機(jī)，切斷母線高壓系統(tǒng) 。 圖 51所示為日本豐田汽車公司的一款控制器的原理圖 。 使 用該控制器的電動(dòng)汽車采用后輪驅(qū)動(dòng) ， 驅(qū)動(dòng)類型為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輪轂電機(jī)分別安裝在汽車的左右后輪 。這個(gè) 控制器接收來自汽車駕駛員發(fā)出的各種操作信號，車輛在運(yùn)動(dòng)過程中傳感器發(fā)出的信號也被控制器接收。 當(dāng) 駕駛員踩下加速踏板時(shí)，加速踏板信號立即被控制器接收，當(dāng)車輛需要制動(dòng)或換擋（此處應(yīng)為自動(dòng)擋電動(dòng)汽車）時(shí)，制動(dòng)踏板信號和換檔位置信號也將被輸送到控制器才能被執(zhí)行。 橫擺角速度信號 、 縱向加速信號 、 橫向加速信號和 4個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速信號構(gòu)成汽車的運(yùn)動(dòng)傳感器信號 。 這些信號經(jīng)過控制器的控制策略計(jì)算 ，傳遞給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器則對電動(dòng) 機(jī)發(fā)出相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)指令，結(jié)合逆變器的作用，把動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)車輪上。完成了控制器對整車的控制作用。 31 圖 51 豐田公司控制器原理圖 圖 52所示為日立公司的一款純電動(dòng)汽車控制器，它的具體 分析如下闡述。裝有圖中所示控制器的汽車為一款四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車， 該車裝有高低速兩種電機(jī)，通過配合差速器使用，來驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)，其中前輪裝有低速永磁同步電機(jī)， 后輪則是高速感應(yīng)電機(jī)。控制器的作用就是分析汽車的使用工況，根據(jù)不同的工況，確定不同的電機(jī)工作對車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。確切的說，一般情況前后輪的扭矩是不同的，控制器根據(jù)工況，自動(dòng)分配前后輪扭矩，使兩臺電機(jī)按照需要進(jìn)行工作，這樣做的目的是使汽車能夠輸出效率最高，能源使用效率最高。與內(nèi)燃機(jī)汽車一樣，當(dāng)汽車起步或爬坡時(shí)，需要低速高轉(zhuǎn)矩，那么此時(shí)工作的是裝有永磁同步電機(jī)的 前輪；當(dāng)車輛正常行駛或者高速行駛的時(shí)候，車輛由后輪驅(qū)動(dòng)。 32 圖 52 日立公司控制器原理圖 如圖 53所示，天津大學(xué)控制器包括模塊和接口更多，比上述兩種控制器略為復(fù)雜。該控制器主 要對純電動(dòng)汽車動(dòng)力鏈進(jìn)行作用。對動(dòng)力連的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理 、分析 和控制 ， 這樣既可以 確保安全可靠性，又可以對整車的能量轉(zhuǎn)化率進(jìn)行有效的監(jiān)控，使之提高，達(dá)到節(jié)能的效果 。與其他控制器一樣，駕駛員發(fā)出信號，控制器接收信號， 電機(jī)和電池系統(tǒng)的相關(guān)信息通過 CAN總線被獲得 ， 控制器 進(jìn)行分析，通過運(yùn)算把結(jié)果送給電機(jī)控制器，同時(shí)也對電池管理系統(tǒng)發(fā)出指令，整個(gè)過程需要有前面所述的一個(gè)通道，這個(gè)通道就是 CAN總線。完成上述才能實(shí)現(xiàn)對整車驅(qū)動(dòng)控制和能量優(yōu)化控制，進(jìn)而提供反饋信息 。 該控制器具有顯示整車狀態(tài)信息功能，控制器與顯示器之 間通過儀表接口傳遞信息。 這樣使得控制器 具備完善的故障診斷和處理功能。 下面單獨(dú)介紹該裝置各部分模塊和接口功能： ? 微控制器。微控制器是整個(gè)大控制器的大腦，對輸送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算及處理 ； ? 模擬量調(diào)理模塊。該模塊作為一個(gè)中間模塊，把各個(gè)傳感器與微控制器相接，用來模擬輸入信號的濾波 ； ? 開關(guān)量調(diào)理模塊。用于電平轉(zhuǎn)換開關(guān)輸入量 ，它連接 開關(guān)量傳感器和微控制器 ，與微控制器相連接時(shí)，中間還需有 光電隔離器作為中間傳遞模塊 ； ? 儀表驅(qū)動(dòng)模塊。用于組合儀表和輔助儀表的驅(qū)動(dòng)控制 ，它的兩端分別連接 光電隔離器、微控制器和多個(gè)儀表 ； ? 繼電 器驅(qū)動(dòng)模塊。繼電器也需要被驅(qū)動(dòng) ， 其一端通過光電隔離器與微控制器 33 相連 ， 另一端與多個(gè)繼電器相接 ； ? 高速 CAN總線接口模塊。 其一端通過光電隔離器與微控制器相連 ， 另一端與系統(tǒng)高速 CAN總線相接 ； ? 存儲(chǔ)器模塊。與微控制器相連，把各種數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存 ； ? 信息存儲(chǔ)模塊。 與微控制器相連，記錄控制系統(tǒng)信息，記錄各種故障信息； ? 電源模塊。 與微控制器相連，可為各輸入和輸出模塊提供隔離電源 ， 并對蓄電池電壓進(jìn)行監(jiān)控 。 圖 53 天津大學(xué)控制器原理圖 34 第 6章 電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 電動(dòng)汽車因?yàn)槭褂秒妱?dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的一些特性不同，所以和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動(dòng)車結(jié)構(gòu)布置各式各樣，各種部件搭配比較靈活，但總體驅(qū)動(dòng)形式概括分為兩類，即電動(dòng)機(jī)中央布置式和輪轂電機(jī)式。 下圖為常見的電動(dòng)汽車的電力驅(qū)動(dòng)方式： 圖 61 D差速器； GB變速箱； M電動(dòng)機(jī)； C離合器 圖 61為電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)形式，這種傳動(dòng)方式直接借用了內(nèi)燃機(jī)汽車的驅(qū)動(dòng)方案，與之類似，主要由電動(dòng)機(jī)，離合器，變速器，和差速器等組成。這種傳動(dòng)布置方案包括離合器，僅僅用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來代替內(nèi)燃機(jī)。通過離合的作用就是就是隨時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與傳動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)系，變速箱根據(jù)不同需求提供不同的傳動(dòng)比，改變輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，差速器滿足汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)要求內(nèi)外車輪不同轉(zhuǎn)速的需求。但是，這種結(jié)構(gòu)在大多數(shù)電動(dòng)汽車中不被應(yīng)用。 圖 62 D差速器； FG固定速比減速器； M電動(dòng)機(jī) 35 圖 62為電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)形式的一種結(jié)構(gòu)，由電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，沒有離合器，直接連接固定速比減速器，這里的固定速比減速器就是前面介紹的一種固定齒比變速器。差速器也是必不可少的一個(gè)部件。在這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，利用電動(dòng)機(jī)在大范圍轉(zhuǎn)速變化中具有恒功率的特性，采用固定速比減速器，加之不使用離合器和變速器，大大減小了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的 體質(zhì)，使整車質(zhì)量大大降低。 圖 63 D差速器； FG固定速比減速器； M電動(dòng)機(jī) 圖 63也為電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)形式的一種。它與 一般的家用轎車相似，采用前輪驅(qū)動(dòng)，但其傳動(dòng)部件制成一體式，將電動(dòng)機(jī)、固定速比減速器和差速器是一個(gè)整體，各自獨(dú)立實(shí)現(xiàn)功能，通過兩根半軸將動(dòng)力傳送到車輪，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。這種布置形式比上述傳動(dòng)方案更為簡潔，只要應(yīng)用在質(zhì)量較輕，體積較小的小型電動(dòng)汽車。 圖 64 FG固定速比減速器； M電動(dòng)機(jī) 圖 64為一種輪驅(qū)動(dòng)形式，前面兩個(gè)車輪各自裝有電動(dòng)機(jī)，這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)取代了機(jī)械差速器，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)各自車輪，在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過控制系統(tǒng) 36 控制兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，讓電動(dòng)機(jī)以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，起到轉(zhuǎn)彎時(shí)差速器的作用，省掉了機(jī)械差速 器。 圖 65 FG固定速比減速器； M電動(dòng)機(jī) 圖 65為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)和固定速比的行星齒輪減速器安裝在車輪里面。沒有傳動(dòng)軸和差速器，從而簡化了傳動(dòng)系統(tǒng)，但是這話總方式需要兩個(gè)或者四個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)各自車輪，但是這話結(jié)構(gòu)要求其控制系統(tǒng)比上述幾種傳動(dòng)方案的控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，一般情況下應(yīng)用在重型電動(dòng)汽車。 圖 66 M電動(dòng)機(jī) 圖 66 為另外一種輪轂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，這種傳動(dòng)方案最為簡單明了，電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間沒有任何機(jī)械傳動(dòng)裝置，車輪直接由低速的外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，通過控制系統(tǒng)對電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，直接實(shí)現(xiàn)了對車輪轉(zhuǎn)速的控制。但是這種方案要求驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩的特性，夠輕松實(shí)現(xiàn)車輛起步和加速行駛。 因?yàn)橹醒腚姍C(jī)驅(qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車類似，輪轂電機(jī)是一種較為先進(jìn)合理的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式，下一節(jié)主要介紹輪轂電機(jī)技術(shù)。 37 輪轂電機(jī)技術(shù)又叫做車輪內(nèi)裝電機(jī)技術(shù)。因?yàn)檫@種技術(shù)把動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置全部整合到輪轂內(nèi)，簡化了傳統(tǒng)電動(dòng)車輛的其他機(jī)械部分，這是輪轂電機(jī)技術(shù)的一大特點(diǎn)。 1900年，保時(shí)捷公司成功研制了一種輪轂電機(jī)的雛形裝置，在兩個(gè)前輪裝備輪 轂電機(jī)，這是一個(gè)雙座的純電動(dòng)汽車。這輛輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車并在比賽中取得了第一的成績。值得一提的是，時(shí)隔兩年， 1902年保時(shí)捷公司就研制出了混合動(dòng)力汽車，該車采用發(fā)動(dòng)機(jī)和輪轂電機(jī)兩種形式驅(qū)動(dòng)，并且在山地汽車?yán)惾〉昧撕贸煽儭Ｔ?1910年，保時(shí)捷公司又研發(fā)了軍用陸地列車，與現(xiàn)在的火車相似，該車具有一個(gè)車頭和十輛列掛車，車頭裝備發(fā)動(dòng)機(jī)