電動汽車驅動電機匹配設計1

1、電動汽車驅動電機匹配設計 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 概述1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 世界電動汽車發(fā)展史2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 電驅動系統(tǒng)的基本要求5 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 電驅動系統(tǒng)結構5 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 電機的基本性能要求6 HYPERLINK l bookmark

2、12 o Current Document 電動汽車基本參數參數確定7 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 電動汽車基本參數要求7 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 動力性指標7 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 電機參數設計7 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 以最高車速確定電機額定功率7 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 根據要求車速的爬坡度計算

3、8根據最大爬坡度確定電機的額定功率9 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 根據額定功率來確定電機的最大功率9 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 電機額定轉速和轉速的選擇9 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 傳動系最大傳動比的設計.10 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 電機的種類與性能分析11 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 直流電動機11 HYP

4、ERLINK l bookmark46 o Current Document 交流三相感應電動機11永磁無刷直流電動機11開關磁阻電動機12 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 電機的選擇13 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 電機其他選擇與設計15 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 電機形狀位置設計15 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 電機冷卻設計15 HYPERLINK l bookmark5

5、8 o Current Document 總結與展望17 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 總結17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 問題與展望1719致謝.18參考文獻.概述汽車工業(yè)在促進世界經濟飛速發(fā)展和給人們生活提供便利的同時，又展現(xiàn)出了其雙刃劍的另一面，它將能源與環(huán)境問題推到了日益尷尬的處境?！澳茉?、環(huán)境和安全”成為了21世紀世界汽車工業(yè)發(fā)展的3大主題。其中，能源與環(huán)境問題作為全球面臨的重大挑戰(zhàn)和制約汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的癥結所在，更成為重中之重。電動汽車使用電能作為動力能源，而電能具有

6、來源廣、清潔無污染等特點。電動汽車被公認為21世紀重要的交通工具。電動汽車是指汽車行駛的動力全部或部分來自電機驅動系統(tǒng)的汽車，它主要以動力電池組為車載能量源，是涉及機械、電子、電力、微機控制等多學科的高科技技術產品。按照汽車行駛動力來源的不同，一般將電動汽車劃分為純電動汽車(PureElectricVehicle，PEV)、混合動力電動汽車(HybridElectricVehicle，HEV)、插電式混合動力電動汽車(Plug-inHybridElectricVehicle，PHEV)和燃料電池電動汽車(FuelCellElectricVehicle，F(xiàn)CEV)4種基本類型。自1881年法國電

7、氣工程師GustaveTrouve制造出首輛電動汽車開始，電動汽車經歷了曲折起伏的幾個發(fā)展階段，其中的決定因素就是動力電池技術和人們對環(huán)境、能源的關注程度，但電動汽車自身具有的顯著優(yōu)點：可以實現(xiàn)低排放，甚至零排放行駛；采用電能作為驅動電源，能源來源途徑廣；行駛噪聲小；容易實現(xiàn)Drive-by-wire（線控）思想；實現(xiàn)了制動能量回收，降低了摩擦制動器的使用強度和維修費用等決定了其必將成為新能源汽車技術發(fā)展的一個重要方向和21世紀的重要交通工具。汽車作為一種運輸工具，運輸效率的高低在很大程度上取決于汽車的動力性。動力性是各種性能中最基本、最重要的性能之一。動力性的好壞，直接影到汽車在城市和城際公

8、路上的使用情況。電驅動系統(tǒng)是電動汽車的心臟，是電動汽車的唯一動力來源。電機的性能直接影響到整車的最高車速、加速性能及爬坡性能等。因此在新車開發(fā)階段，必須進行驅動電機性能匹配，以判斷設計方案是否滿足設計目標和使用要求。.世界電動汽車發(fā)展史（1）19世紀30年代到20世紀電動車的崛起電動汽車的歷史并不比內燃機汽車短，它也是最古老的汽車之一，甚至比奧托循環(huán)發(fā)動機（柴油機）和奔馳發(fā)動機（汽油機）還要早。蘇格蘭商人羅伯特-安德森在1832年到1839年之間（準確時間不明）研發(fā)出電動車。圖11835年，荷蘭教授SibrandusStratingh設計了一款小型電動車，他的助手克里斯托弗-貝克則負責制造。但

9、更具實用價值，更成功的電動車由美國人托馬斯-達文波特和蘇格蘭人羅伯特-戴維森在1842年研制，他們首次使用了不可充電電池。GastonPlante于1865年在法國研發(fā)出性能更好的蓄電池，其同鄉(xiāng)卡米爾-福爾又在1881年對電池進行了改進，提高了電池容量，為電動車的發(fā)展鋪平了道路。奧地利發(fā)明家FranzKravogl在1867年的巴黎世界博覽會推出了一款雙輪驅動電動車。法國和英國成為第一批支持發(fā)展電動汽車發(fā)展的國家。1881年11月,法國發(fā)明家GustaveTrouve在巴黎舉行的國際電力博覽會上演示了三輪電動車，托馬斯-帕克表示電動車可在1884年實現(xiàn)量產。圖2在內燃機汽車興盛之前，電動車就創(chuàng)

10、造了許多速度和行駛距離的記錄。例如，CamilleJenatzy在1899年4月29日用自行研發(fā)的電動車突破了100km/h,創(chuàng)造了105.88km/h的極速。1891年，A.L.Ryker研發(fā)出電動三輪車，WilliamMorrison制造了六座電動廂式客車，電動車開始得到美國人的重視。19世紀90年代到20世紀初期，電動車技術得到了高速發(fā)展，相對于內燃機汽車的優(yōu)勢逐漸形成。1897年，美國費城電車公司研制的紐約電動出租車實現(xiàn)了電動車的商用化。20世紀初，安東尼電氣、貝克、底特律電氣（安德森電動車公司）、愛迪生、Studebaker和其它公司相繼推出電動汽車，電動車的銷量全面超越汽油動力汽車

11、。電動車也逐漸成為上流社會喜好的城市用車，電動車清潔、安靜，并且易于操控的特點，非常適合女性駕駛。由于當時沒有晶體管技術，因此電動車的性能也受到限制，這些早期的電動車極速大約只有32km/h。圖3在19世紀末20世紀初迎來經濟繁榮的美國，人們的收入快速增長，汽車開始流行起來。1899年和1900年，電動車銷量遠遠超過其它動力的汽車。電動汽車相比同時代的其它動力汽車具有非常明顯的優(yōu)勢，它們沒有震動，沒有難聞的廢氣，也沒有汽油機巨大的噪音。汽油機汽車需要換擋，令其操控起來比較繁雜，而電動車不需要切換擋位。雖然蒸汽機汽車也不需要換擋，但卻需要長達45分鐘的漫長的預熱時間。并且蒸汽機汽車加一次水的續(xù)航

12、里程，相比電動車單次充電的續(xù)航里程更短。由于當時只有城市中才擁有良好路面，大部分時候汽車都只能在本地使用，因此電動車續(xù)航里程短的問題并沒有成為阻礙其發(fā)展的原因。相對于汽油發(fā)動機汽車，電動車不需要人力起動和頻繁的換擋，成為大部分人的選擇。當時的基本型電動車售價在1000美元以下，但也發(fā)展出電動豪華車，它們的外形被設計得非常華貴，擁有寬敞的座艙，座艙內則用上價格不菲的高級材料。在1910年時，這類電動豪華車的均價達到了3000美元。圖4電動車最初因為缺乏充電配套設施而阻礙了發(fā)展，但是隨著電網的高速發(fā)展，到了1912年，很多美國家庭都已經通電，從而能夠在家中完成充電。在世紀之交，有40%勺美國汽車采

13、用蒸汽機，38%勺汽車采用電力驅動，22%勺汽車使用汽油動力。美國的電動車保有量達到33842輛，電動車在19世紀20年代大獲成功，銷量在1912年達到了頂峰。（2）20世紀20年代到80年代一一汽柴油機成為主流電動車在20世紀初迎來成功之后，很快又失去了成長的勢頭。從20世紀20年代開始，電動汽車逐漸被內燃機汽車替代，究其原因主要有四點。第一，美國在城市間建立起良好的公路網絡，需要汽車擁有更長的續(xù)航里程；第二，德克薩斯、俄克拉荷馬和加利福尼亞等大油田的發(fā)現(xiàn)，降低了汽油價格，令普通消費者也能負擔燃油費用；第三,CharlesKettering在1912年發(fā)明的電力起動系統(tǒng)使得汽油機不再需要人力

14、起動；第四，HiramPercyMaxim在1897發(fā)明的消聲器，大幅降低了內燃機的噪音。而當時的電動車速度低，續(xù)航里程短，而內燃機汽車的速度更快，續(xù)航里程更長，并且價格便宜許多。圖5偉大的亨利-福特開始在美國大批量生產內燃機汽車，并且售價平易近人，例如1915年時福特汽車的售價低至440美元（相當于今天的9200美元）。與此相反，效率較低的電動車卻價格昂貴，一款1912年的電動雙座敞篷車售價1750美元（相當于今天的3.9萬美元）。19世紀20年代，電動車銷量迅速下滑，電動汽車在10年后徹底消失。.電驅動系統(tǒng)的基本要求電驅動系統(tǒng)結構通常電驅動系統(tǒng)從功能角度可分為電氣和機械兩大部分，由于驅動電

15、機低速大扭矩的特性，其中機械傳動部分的結構是可選的。電氣部分包括電機和電功率控制轉化部分。系統(tǒng)原理簡示如下圖圖6電驅動系統(tǒng)結構簡圖電機的基本性能要求電動汽車的電機驅動系統(tǒng)把電能轉化為機械能，并通過傳動裝置（或直接）將能量傳遞到車輪進而驅動車輛按照駕駛人意志行駛，是電動汽車的關鍵系統(tǒng)之一。它在電動汽車上的具體任務是：在駕駛人操縱控制下，將內燃機-發(fā)電機系統(tǒng)、動力電池組的電能轉化為車輪的動能驅動車輛，并在車輛制動時把車輛的動能再生為電能電能反饋到動力電池中以實現(xiàn)車輛的再生制動。電動汽車運行工況復雜，對驅動電機要求能夠頻繁的啟動/停止、加速/減速,低速和爬坡的時候要求轉矩高，高速時轉矩低，并要求寬廣

16、的調速范圍。電機的選型要素通常包括：電機的類型、額定電壓、機械特性、效率、尺寸參數、可靠性和成本等。在基本物理參數定型的基礎上通過匹配驅動系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)是電機工作在最佳的性能區(qū)間。對電機基本性能指標有以下要求：1）高電壓。在允許的范圍內采用高電壓可以減小電機尺寸，較小損耗。2）高轉速。高轉速電機體積更小、質量輕，可降低整車整備質量。3）質量輕。輕量化設計可以降低整備質量，節(jié)省寶貴的能量。4）較大的啟動轉矩和較大的調速范圍。這樣匹配的電動車具有較好的啟動性能、加速性能，并可以提高駕駛舒適性，減低駕駛員操作強度，達到與傳統(tǒng)駕駛習慣的適應。5)效率高、損耗小，能實現(xiàn)制動能量回收。在車載能源系統(tǒng)不

17、變的情況下,最大限度的增加續(xù)航里程，突出能源利用優(yōu)勢。6)良好的安全性。必須具備高壓絕緣、保護設備。7)可靠性好，適應汽車運行的各種惡劣環(huán)境。8)結構簡單、維修方便，維護成本低。.電動汽車基本參數參數確定該電動汽車基本參數要求，如下表表1電動汽車基本參數要求參數數值參數數值整車正裝質量(kg)1200滾動阻力系數f0.014最大總質量(kg)1400輪胎半徑(項0.33迎風面積(m2)2.50傳動效率0.90風阻系數0.33最圖車速(km/h)100最大爬坡度(的28動力性指標如下:(1)最大車速-；(2)在車速=60km/h時爬坡度回5%(3度)；(3)在車速*=40km/h時爬坡度川12%

18、(6.8度)；(4)原地起步至100km/h的加速時間皿；(5)最大爬坡度（16 度）;5)0到75km/h加速時間國；(6)具備23倍過載能力。5.電機參數設計一般來說，電動汽車整車動力性能指標中最高車速對應的是持續(xù)工作區(qū)，即電動機的額定功率；而最大爬坡度和全力加速時間對應的是短時工作區(qū)(15min),即電動機的峰值功率。以最高車速確定電機額定功率根據雖高車速計算電機功率時，不考慮加速阻力和坡道阻力，電機功率回應滿足：II(2)式中：*電機輸出功率，kw；三一一傳動系效率，取0.9;團一一最大車重，取1400kg;”滾動摩1S系數，取0.014;一風阻系數，取0.33;可迎風面積，取2.50

19、m2;電機輸出額定功率為21.023kw最高車速，取100km/h。根據(1)(2)式，可以計算出滿足最高車速時,5.2根據要求車速的爬坡度計算Ix|(3)根據公式(4),其中在車速*=60km/h時爬坡度網5%了得:(N)(ND(kw)根據（4）式，可以計算出滿足車速為60km/h時，爬坡度為5%電機輸出額定功率為20.95kw,滿足車速為40km/h時，爬坡度為12%電機輸出額定功率為23.307kw。5.3根據最大爬坡度確定電機的額定功率5.4根據額定功率來確定電機的最大功率電機的最大功率可以由下式計算得出：IXI式中：氣電機最大功率,kw；電機過載系數，一般取23。根據式（3）,可計算

20、得=5075kw,所以初步假設電機的峰值功率為75kw。由于選用的是輪轂電機，所以每個電機設定為：峰值功率20kw,額定功率為10kw。5.5電機額定轉速和轉速的選擇對電機本身而言，額定功率相同的電機額定轉速越高，體積越小，質量越輕,造價越低；而且電機功率恒定時，隨著電機額定轉速和最高轉速的增加，電機的最大轉矩會減小，從而避免造成轉矩過太的不利影響。因此.選擇高速電機是比較有利的。但當電機轉速超過一定程度后，具轉矩降低幅度明顯減小.因此，電機最高轉速過高時，將導致電機及減速裝置的制造成本增加。電機轉速的選擇既要考慮負載的要求.又要考慮電機與傳動機構的經濟性等固素。綜合上述各種因素，由于選用輪轂

21、電機，根據車用驅動電機的特點并參考其他電動車輛上采用的電機，選定電機的額定轉速為2000r/min,最高轉速為3000r/min。(5)式中：電機的最大轉矩，nj-m電機的額定轉矩，N-m；電機的額定轉速，r/min。通過式(5),可算出電機的最大轉矩為：叫=143.25Nm,額定轉矩為:=47.75N-m。6.傳動系最大傳動比的設計(1)4的選擇首先應滿足車輛最高行駛速度要求，由最高車速可與電機最高轉速回確定傳動比的上限。根據公式：目(6)得：回3.732(2)由電機的最高轉速對應的最大輸出轉矩可和最高車速對應的行駛阻力確定速比的下限值:叵由前面的計算可得：X681.16(N)最大輸出轉矩1

22、43143.25(N-m(3)由電機最大輸出轉矩和最大爬坡度對應行駛阻力確定根據公式：-J=1203.997(2最大輸出轉矩T143.25(N-m由以上的計算我們選定一個合適的減速比=3.4。.電機的種類與性能分析直流電動機有刷直流電動機的主要優(yōu)點是控制簡單、技術成熟。具有交流電機不可比擬的優(yōu)良控制特性。在早期開發(fā)的電動汽車上多采用直流電動機，即使到現(xiàn)在，還有一些電動汽車上仍使用直流電動機來驅動。但由于存在電刷和機械換向器，不但限制了電機過載能力與速度的進一步提高，而且如果長時間運行，勢必要經常維護和更換電刷和換向器。另外，由于損耗存在于轉子上，使得散熱困難，限制了電機轉矩質量比的進一步提高。

23、鑒于直流電動機存在以上缺陷，在新研制的電動汽車上已基本不采用直流電動機交流三相感應電動機交流三相感應電動機的基本性能交流三相感應電動機是應用得最廣泛的電動機。其定子和轉子采用硅鋼片疊壓而定子之間沒有相互接觸的滑環(huán)、換向器等部件。結構簡單，運行可靠，經久耐用。交流感應電動機的功率覆蓋面很寬廣，轉速達到1200015000r/min?？刹捎每諝饫鋮s或液體冷卻方式，冷卻自由度高。對環(huán)境的適應性好，并能夠實現(xiàn)再生反饋制動。與同樣功率的直流電動機相比較，效率較高，質量減輕一半左右，價格便宜，維修方便。永磁無刷直流電動機永磁無刷直流電動機的基本性能永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具

24、有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結構。加之，它采用永磁體轉子，沒有勵磁損耗：發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。此外，它的轉速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉運行。永磁無刷直流電動機機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動汽車中有著很好的應用前景。永磁無刷直流電動機的不足永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降或發(fā)生退磁

25、現(xiàn)象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下，操縱復雜，需要一套復雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機的驅動系統(tǒng)造價很高開關磁阻電動機開關磁阻電動機的基本性能開關磁阻電動機是一種新型電動機，該系統(tǒng)具有很多明顯的特點：它的結構比其它任何一種電動機都要簡單，在電動機的轉子上沒有滑環(huán)、繞組和永磁體等，只是在定子上有簡單的集中繞組，繞組的端部較短，沒有相間跨接線，維護修理容易。因而可靠性好，轉速可達15000r/min。效率可達85%-93%比交流感應電動機要高。損耗主要在定子，電機易于冷卻；轉子元永磁體，調速范圍寬，控

26、制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉矩一速度特性，而且在很廣的范圍內保持高效率。更加適合電動汽車動力性能要求。開關磁阻電動機的不足開關磁阻電動機的控制系統(tǒng)比其他電動機的控制系統(tǒng)復雜一些，位置檢測器是開關磁阻電動機的關鍵器件，其性能對開關磁阻電動機的控制操作有重要影響。由于開關磁阻電動機為雙凸極結構，不可避免地存在轉矩波動，噪聲是開關磁阻電動機最主要的缺點。但近年來的研究表明，采用合理的設計、制造和控制技術，開關磁阻電動機的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開關磁阻電動機輸出轉矩波動較大，功率變換器的直流電流波動也較大，所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器。.電機的選擇電動汽車采用的備種

27、驅動電動機性能比較電動汽車在不同的歷史時期采用了不同的電動是采用了控制性能最好和成本較低的直流電動機。隨著電機技術、機械制造技術、電力電子技術和自動控制技術的不斷發(fā)展，交流電動機。永磁元刷直流電動機和開關磁阻電動機顯示出比直流電動機更加優(yōu)越的性能，在電動汽車上，這些電動機逐步取代了直流電動機。表2為現(xiàn)代電動汽車所采用的各種電動機的基本性能比較。目前交動機、永磁電動機和開關磁阻電動機以及它們的控制裝置，成本還比較高，形成批量生產以后，這些電動機和單元控制裝置的價格會迅速降低，將能夠滿足經濟效益的要求，并使電動汽車整車價格降低。表2現(xiàn)代電動汽車驅動電動機的基本性能比較項目直流電動機感應電動機永磁無

28、刷直流電動機開關磁阻電動機功率密度低中高較局峰值效率/%85899095959715000可靠性好修好結構的堅固性差好電機的外形尺寸大中小小電動機的質量重中輕輕電動機成本/(美元/kW)108101015810控制操作性能最好好好好控制器成本低高高經比較，該車選用輪轂式電動轎車開關磁阻電機(專利號：2),數量為4個,具體參數如下，表3:表3計算和最終確定電機參數電機參數計算總數值確定總數值每個電機數值峰值功率/kw758020額定功率/kw254010最大轉矩/N-m143.251150150額定轉矩/N-m47.755050最大轉速/(r/min)3000130003000額定轉速/(r/m

29、in)200020002000開關磁阻電機是開關磁阻電機傳動系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其結構如圖7和圖8所示圖7電動汽車開關磁阻電機圖9開關磁阻電機的工作原理圖.電機其他選擇與設計電機是純電動車（EV）最為重要的部分之一，但由于輪轂所處的部位同時是比較惡劣的地方，所以輪轂電機的電動汽車設計中也需特殊設計。電機形狀位置設計輪轂電機位于車輪，該車采用輪胎型號：215/65R16;鼻則根據公式：自由半徑(9)汽車車輪的自由半徑r=(215*65%*2+16*25.4)/2=0.343ma-根據公式：滾動半徑(10)其中，F(xiàn)為計算常數，子午輪胎F=3.05,d為輪胎的自由直徑。所以車輪半徑=(3.05X2r)/

30、2兀=0.333mo電機冷卻設計在傳統(tǒng)電動機一般風冷便可以達到電機冷卻效果，但是電動汽車的電機是整個汽車動力的來源，由上面數據可知輪轂電機最大功率可達20kw,所以，我選擇水冷方式對輪轂電機冷卻。電機密封表面與水套連接，電機部分整體浸在冷卻液中，電機發(fā)熱大部位有凸出的散熱片，電機旋轉同時，散熱片對冷卻液壓縮驅動，代替汽車水泵。原理圖如下：圖5輪轂電機水冷設計簡圖本設計參考于專利：水冷電動輪轂，此發(fā)明包括左輪轂架、右輪轂架、箱體、外轉子電機、軸、車輪和制動器，左輪轂架和右輪轂架與箱體相對固定連接，電機定子與軸之間的空腔內設置內冷卻水箱，內冷卻水箱固定設置在箱體內，電機定子緊密貼合固定套在內冷卻水箱的外殼上；還包括外冷卻水箱，外冷卻水箱設置于電機外圓周，外冷卻水箱和內冷卻水箱之間通過至少一條通道連通，本發(fā)明利用冷卻水的對流原