電動汽車驅(qū)動方式與驅(qū)動電機(jī)研究

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1323181.1選題意義 157931.2國內(nèi)外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 2211441.2.1國外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀 2193271.2.2國內(nèi)電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀 4260711.3本文主要內(nèi)容 695642電動汽車結(jié)構(gòu)與驅(qū)動方式 787252.1電動汽車結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理 713422.1.1各系統(tǒng)組成及作用 7282122.1.2電動汽車運(yùn)行原理 8247502.2驅(qū)動形式與輪轂電機(jī)簡介 848922.2.1驅(qū)動形式 8267332.2.2輪轂電機(jī)簡介 11174393電動汽車驅(qū)動電機(jī)研究 14311833.1電動汽車驅(qū)動電機(jī)要求 14110993.2電動汽車驅(qū)動電機(jī)分類 14225443.2.1直流電動機(jī) 1587863.2.2交流電動機(jī) 19217854輪轂電機(jī)的參數(shù)匹配 25163974.1輪轂電機(jī)功率 2534644.2輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速 26290584.3輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩 26148524.3.1輪轂電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 26138544.3.2輪轂電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 27266554.4確定電機(jī)參數(shù) 27106525輪轂電機(jī)驅(qū)動型電動汽車仿真 29162125.1ADVISOR軟件簡介 2934725.2定義車輛 29232665.2.1定義整車（Vehicle） 29226075.2.2定義電機(jī)（Motor） 29183215.2.3定義電池（EnergyStorage） 30153895.2.4定義變速器（Transmission） 30278235.2.5定義車輪（Wheel/Axle） 30288745.3選擇循環(huán)工況 3186325.4仿真結(jié)果 3269426結(jié)論 3432398參考文獻(xiàn) 3518631致謝 36緒論選題意義進(jìn)入21世紀(jì)，中國經(jīng)濟(jì)不斷飛速發(fā)展，每年需要消耗數(shù)量驚人的化石能源，直接導(dǎo)致的惡果就是中國的天空霧霾千里，而其中汽車尾氣已經(jīng)成為空氣污染的重要來源。十八大后，國家提出要建設(shè)橄欖型社會，擴(kuò)大中產(chǎn)階級規(guī)模，加快城鎮(zhèn)化步伐。展望未來中國汽車產(chǎn)量有望再翻一番，汽車人均保有量也將大幅增加，再加上日益嚴(yán)格的城市機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，新能源汽車尤其是電動汽車，憑借其零排放、低噪音和低使用成本的巨大優(yōu)勢，勢必受到新型中產(chǎn)階級的熱烈歡迎。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面來看，當(dāng)下中國汽車產(chǎn)業(yè)產(chǎn)銷兩旺，雙雙突破兩千萬輛，排名世界第一，可謂名副其實的汽車大國。但大而不強(qiáng)！在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車技術(shù)方面，中國與世界汽車強(qiáng)國差距甚遠(yuǎn)，幾乎不可能超越。但現(xiàn)在中國汽車產(chǎn)業(yè)面臨一個彎道超車的好機(jī)遇，就是新能源汽車的普及，在這方面我們的技術(shù)儲備與汽車強(qiáng)國差距不過十年。除此之外，我國正大力發(fā)展諸如太陽能、風(fēng)能等清潔能源，努力減少對化石能源的依賴，實現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。但光伏發(fā)電和風(fēng)電，功率不穩(wěn)，屬“垃圾電”；加之目前我國嚴(yán)重的夜間“窩電”現(xiàn)象，所以需要更加完善的電網(wǎng)峰谷負(fù)荷平衡和儲能技術(shù)。不過到2020年中國將有五百萬輛的電動汽車，而它們的電池將能起到極好的蓄能效果，為這些技術(shù)提供充分的硬件保障。目前，新能源汽車劃分為電動汽車（PEV）、燃料電池汽車（FCEV）和混合動力汽車（HEV）三種類型。燃料電池汽車以氫氣為燃料，利用氫氣與大氣中氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并通過電極將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，從而驅(qū)動汽車前進(jìn)。但由于多方面技術(shù)障礙，燃料電池汽車普及還為時尚早。混合動力汽車可謂是一種過渡車型，其動力系統(tǒng)既有內(nèi)燃機(jī)又有電動機(jī)，從而有效延長續(xù)航里程，并減少油耗。目前此類車型由于豐田普銳斯的大賣，已具有一定的商業(yè)化基礎(chǔ)，但它終究不是我們的最終目標(biāo)，我們需要的是零排放車！因此，電動汽車必將是未來汽車產(chǎn)業(yè)的主流，具有極大的發(fā)展?jié)摿?，值得我們持續(xù)投入。本文的研究對象即為電動汽車。國內(nèi)外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢日益嚴(yán)峻的全球能源危機(jī)，正在枯竭的石油資源，加上可怕的大氣污染，使各國政府和汽車企業(yè)都認(rèn)識到清潔的新能源汽車是未來汽車技術(shù)發(fā)展的必然方向。汽車廠商、電池生產(chǎn)商、電力公司、各個大學(xué)和研究所都在不斷研究電動汽車新技術(shù)。國外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀美國的電動汽車研究以三大汽車公司：福特、通用和克萊斯勒為首，利用大企業(yè)雄厚的資金和技術(shù)實力，開發(fā)出多種類型的電動汽車。同時，美國還充分利用其在汽車、電子信息、機(jī)電一體化、控制工程和材料等行業(yè)的優(yōu)勢，模塊式地分別發(fā)展電動汽車各總成技術(shù)，因此其電動汽車技術(shù)得以迅速發(fā)展，尤其是動力電池方面。美國以下列幾項計劃支持電動汽車技術(shù)發(fā)展：FreedomCAR計劃（自有車計劃）、PNGV（新一代汽車伙伴計劃）、EV電池利用研究項目。除了底特律的三大汽車公司之外，出身硅谷的特斯拉正展現(xiàn)出越來越非凡的競爭力，其最新推出的ModelSP85D電動跑車，百公里加速達(dá)到驚人的3.3秒，代表著世界電動汽車技術(shù)的最前沿，如圖1.1所示。特斯拉ModelSP85D日本很早時就已著手發(fā)展電動汽車。相較于其他國家，日本國土狹小、工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密度大、又是個標(biāo)準(zhǔn)的石油貧國，因此日本政府歷來重視電動汽車的研究和開發(fā)。早在1965年，日本通產(chǎn)省就正式把電動汽車列入國家項目，積極促進(jìn)電動汽車行業(yè)發(fā)展。在日本，幾乎所有的汽車公司：豐田、尼桑、本田、馬自達(dá)、三菱、鈴木等汽車公司都制定了自己的電動汽車商業(yè)推廣計劃。其中尤其以汽車巨頭豐田最為成功，旗下混合動力汽車Prius因極佳的低油耗深受世界各國消費(fèi)者的親睞，實現(xiàn)了銷量的井噴，目前已達(dá)三百萬輛，如圖1.2。豐田Prius德國作為老牌的工業(yè)強(qiáng)國和汽車強(qiáng)國，也十分重視環(huán)境保護(hù)，積極組織電動汽車的研究與開發(fā)，為此政府指定奔馳和大眾合資建立了德國汽車工業(yè)有限公司的科技開發(fā)機(jī)構(gòu)。德國把目標(biāo)鎖定為：2020年前后成為電動汽車的主要供應(yīng)商和主導(dǎo)市場，并把實現(xiàn)這一目標(biāo)視為能否“在工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)和工藝技術(shù)上繼續(xù)擴(kuò)大德國領(lǐng)先地位的機(jī)會與挑戰(zhàn)”。如果實現(xiàn)這一目標(biāo)，就意味著長遠(yuǎn)地保障了德國人的就業(yè)，并創(chuàng)造新的價值。由此可以看出，德國把推動電動汽車的發(fā)展看作是提升整個國民經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略機(jī)會。奔馳作為德國三大汽車巨頭之一，又是著名的豪華汽車品牌，在新能源汽車方面耕耘頗深。旗下知名的S級轎車將推出插電混動版；另外，全新“Ecoluxe”是奔馳專為未來旗下全新電動汽車所打造的平臺，該平臺未來將打造四款新能源車。同樣作為德國汽車品牌，寶馬公司已經(jīng)推出多款i系列電動汽車。其中電動跑車BMWi8，造型、動力各方面都相當(dāng)出色，如圖1.3所示。BMWi8國內(nèi)電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀前面已經(jīng)說過，在電動汽車領(lǐng)域，我國與國外的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化程度差距相對較小，極有機(jī)會借此實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的彎道超車。我國早在“八五”期間就起動了電動汽車的研究和開發(fā)工作，并在2006年，科技部啟動了“863”計劃新能源汽車重大項目。最新的《中國制造2025》把節(jié)能與新能源汽車列為重點(diǎn)項目。規(guī)劃稱將繼續(xù)支持電動汽車、燃料電池汽車發(fā)展，掌握汽車低碳化、信息化、智能化核心技術(shù)，提升動力電池、驅(qū)動電機(jī)、高效內(nèi)燃機(jī)、先進(jìn)變速器、輕量化材料、智能控制等核心技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化能力，形成從關(guān)鍵零部件到整車的完整工業(yè)體系和創(chuàng)新體系，推動自主品牌節(jié)能與新能源汽車同國際先進(jìn)水平接軌。基于強(qiáng)有力的政策支持，國內(nèi)的眾多高校、科研院所和汽車公司投入大量的人力、物力和財力參與研發(fā)電動汽車的研發(fā)，并取得了眾多的科研成果。東風(fēng)公司是國內(nèi)最早從事電動汽車研發(fā)的汽車企業(yè)之一，在電動汽車領(lǐng)域開創(chuàng)多項國家記錄：研制了第一臺純電動客車，第一臺純電動概念轎車等。眾泰2008E是國內(nèi)首款能批量生產(chǎn)、銷售的純電動乘用車，被譽(yù)為國內(nèi)純電動第一車，也是國內(nèi)首款掛牌上路的純電動乘用車，其主要指標(biāo)在國內(nèi)純電動乘用車領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢，它的誕生表明我國電動汽車技術(shù)步入實用的階段。位于中國深圳的著名汽車廠商比亞迪擁有世界前沿的動力電池與電機(jī)技術(shù)，多年來深耕電動汽車，已經(jīng)推出多款新能源汽車。旗下最新的混合動力汽車唐，百公里加速達(dá)到4.9秒，號稱世界最快suv。還有旗下豪華純電動客車K9，采用先進(jìn)的輪邊電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)了一級踏步的低地板工藝，極大方便乘客上下車，目前已經(jīng)銷往美國，堪稱國人驕傲，如圖1.4。比亞迪純電動客車K9另外值得一提的是，戴姆勒—奔馳公司與中國比亞迪共同出資打造DENZA騰勢，將致力于發(fā)展環(huán)保節(jié)能、安全舒適、品質(zhì)卓越的新能源汽車，致力于成為中國最成功的新能源汽車制造商，推動新能源汽車的發(fā)展和進(jìn)步，旗下量產(chǎn)車騰勢已經(jīng)上市，如圖1.5。騰勢電動車本文主要內(nèi)容本文主要研究輪轂電機(jī)驅(qū)動型電動汽車的相關(guān)內(nèi)容，包括汽車驅(qū)動形式研究、輪轂電機(jī)介紹、各類電機(jī)特性的研究、輪轂電機(jī)驅(qū)動型電動汽車電機(jī)參數(shù)計算和輪轂電機(jī)電動車的仿真運(yùn)行。本文主要內(nèi)容如下：介紹電動汽車組成與結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)解釋電動汽車三大系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的組成及功能，以及電動汽車的工作原理。分析比較各種電動汽車驅(qū)動方式，選擇外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)驅(qū)動型電動汽車，并采用雙前輪驅(qū)動。分析比較各類電動汽車專用電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理和機(jī)械特性，選擇永磁無刷直流電動機(jī)作為輪轂電機(jī)。以在售知豆小型電動車整車參數(shù)為基礎(chǔ)，計算所要設(shè)計的輪轂電機(jī)參數(shù)。運(yùn)用經(jīng)典電動汽車仿真軟件ADVISOR2002，對設(shè)計的輪轂電機(jī)驅(qū)動型電動汽車進(jìn)行仿真，驗證參數(shù)的合理性。電動汽車結(jié)構(gòu)與驅(qū)動方式電動汽車結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理電動汽車是機(jī)械、計算機(jī)、材料化學(xué)、電子信息技術(shù)等多種高新技術(shù)的集成，作為典型的高新技術(shù)產(chǎn)品，它的最終目標(biāo)是要實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、和輕量化。目前，研發(fā)的重點(diǎn)在于電池、驅(qū)動電機(jī)、控制器及能量管理技術(shù)。電動汽車主要由驅(qū)動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等三大部分組成，如圖2.1所示。各系統(tǒng)組成及作用驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的核心，一般由控制器、功率轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動電動機(jī)、機(jī)械傳動裝置和車輪組成。其功用是將蓄電池組中的化學(xué)能以電能為中間媒介高效地轉(zhuǎn)化為車輪動能，進(jìn)而推動汽車行駛，并能在汽車制動及下坡時，實現(xiàn)再生制動（即將汽車動能吸收并轉(zhuǎn)化為蓄電池化學(xué)能儲存起來，從而增加續(xù)航里程）。驅(qū)動電動機(jī)的作用是將動力電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動裝置驅(qū)動車輪，或由其直接驅(qū)動車輪。電子控制器即電動機(jī)調(diào)速控制裝置，其作用是控制電動機(jī)的電壓或電流，完成電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向的控制，從而實現(xiàn)電動車變速和變向。功率轉(zhuǎn)換器用做DC—DC轉(zhuǎn)換（直流—直流）和DC—AC轉(zhuǎn)換（直流—交流）。DC—DC轉(zhuǎn)換器又稱直流斬波器，其作用是將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為電壓可變的直流電，并將再生制動能量進(jìn)行反向轉(zhuǎn)換，用于直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。DC—AC轉(zhuǎn)換器通常稱為逆變器，其作用是將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為頻率、電壓均可調(diào)節(jié)的交流電，也能進(jìn)行雙向能量轉(zhuǎn)換，用于交流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。機(jī)械傳動裝置是將電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳給汽車傳動軸或直接傳給車輪（輪轂電機(jī)）。相較于傳動內(nèi)燃機(jī)汽車，電動汽車的機(jī)械傳動裝置大大簡化，故其機(jī)械效率得以有效提高。電源系統(tǒng)包括蓄電池組、充電器和能量管理系統(tǒng)。電源是制約電動汽車發(fā)展的主要因素，其應(yīng)具有高的比能量（即能量密度）和比功率（即功率密度），以滿足汽車的續(xù)航和動力性的要求。輔助系統(tǒng)包括輔助動力源、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導(dǎo)航、照明、刮水器、收音機(jī)和音響等，它們是汽車操縱性和乘員舒適性的保證。電動汽車系統(tǒng)組成框圖電動汽車運(yùn)行原理如圖2.1中所示，細(xì)線表示控制信號連接；粗線表示能量連接；雙線表示機(jī)械連接。來自制動踏板或加速踏板的控制信號輸入電子控制器，并通過控制功率轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)電動機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，電動機(jī)扭矩再通過機(jī)械傳動裝置驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。充電器通過外部充電接口向蓄電池充電，車輛行駛時，蓄電池經(jīng)功率轉(zhuǎn)換器向電動機(jī)供電。汽車制動時，驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車部分動能吸收，并重新轉(zhuǎn)化為電能給蓄電池供電，從而延長續(xù)航里程。驅(qū)動形式與輪轂電機(jī)簡介電動汽車的結(jié)構(gòu)布置比較靈活，形式多樣，大體可分為兩類：電動機(jī)中央驅(qū)動和電動輪驅(qū)動兩種形式，其中電動輪驅(qū)動包括輪轂電機(jī)驅(qū)動。驅(qū)動形式如圖2.2所示，為一種典型的電動機(jī)中央驅(qū)動形式。此種驅(qū)動形式參考了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，取消了內(nèi)燃機(jī)，而以驅(qū)動電機(jī)代替，至于離合器、變速器和差速器則不變。第一種中央驅(qū)動式電動汽車結(jié)構(gòu)由于驅(qū)動電機(jī)能在較長的速度范圍內(nèi)提供相對恒定的功率，因此多速變速器可被一個固定速比減速器（即只有一檔，傳動比恒定）代替，此時離合器也可省去，如圖2.3所示。此種驅(qū)動形式可以節(jié)省機(jī)械傳動系統(tǒng)重量和體積，另外可以減少操作難度。第二種中央驅(qū)動式電動汽車結(jié)構(gòu)第三種驅(qū)動形式與上一種形式類似，只是電動機(jī)、固定速比減速器和差速器被整合為一體，布置在驅(qū)動軸上，如圖2.4所示。此時整個傳動系統(tǒng)被大大簡化和集成化。另外從再生制動的角度出發(fā)，這種驅(qū)動形式較容易實現(xiàn)汽車動能的回收再利用。第三種中央驅(qū)動式電動汽車結(jié)構(gòu)前面所列三種均為電動機(jī)中央驅(qū)動式，而后三種屬于電動輪驅(qū)動形式。第四種驅(qū)動形式取消了差速器，取而代之的是兩個獨(dú)立的牽引電機(jī)，每個牽引電機(jī)單獨(dú)完成一側(cè)車輪的驅(qū)動任務(wù)，稱為雙電動機(jī)電動輪驅(qū)動形式，如圖2.5所示。當(dāng)車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時，兩側(cè)的電機(jī)就會分別工作在不同的速度下，不過這種驅(qū)動形式需要更加復(fù)雜的控制系統(tǒng)。o雙電動機(jī)電動輪驅(qū)動方式相較于第四種驅(qū)動形式，第五種進(jìn)一步簡化了驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動電機(jī)與車輪之間取消了傳統(tǒng)的傳動軸，變成電機(jī)直接驅(qū)動車輪前進(jìn)，同時一個單排的行星齒輪機(jī)構(gòu)充當(dāng)固定速比變速器，用來減小轉(zhuǎn)速和增強(qiáng)轉(zhuǎn)矩，以滿足不同工況的功率和扭矩需求。此種驅(qū)動形式稱為內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)驅(qū)動形式，如圖2.6所示。內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)驅(qū)動形式完全舍棄驅(qū)動電機(jī)和驅(qū)動輪之間的傳動裝置后，輪轂電機(jī)的外轉(zhuǎn)子直接連接在驅(qū)動輪上，此時驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速控制與車輪轉(zhuǎn)速控制融為一體，稱為外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)驅(qū)動形式，如圖2.7所示。外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)驅(qū)動形式輪轂電機(jī)簡介輪轂電機(jī)技術(shù)也被稱為車輪內(nèi)裝電機(jī)技術(shù)，它的最大特點(diǎn)就是將動力裝置、傳動裝置和制動裝置都整合一起到輪轂內(nèi)。且分為兩種，即前面所述的內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)和外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)，如圖2.8為內(nèi)外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)比較圖。內(nèi)外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)比較圖相較于其他驅(qū)動形式，輪轂電機(jī)驅(qū)動型電動車有著極其顯著的優(yōu)點(diǎn)，是電動汽車的前沿技術(shù)，潛力無窮。極大地簡化了機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，不僅去掉了發(fā)動機(jī)、冷卻水系統(tǒng)、排氣消音系統(tǒng)和油箱等相應(yīng)的輔助裝置，還省去了變速器、萬向傳動部件及驅(qū)動橋，降低自重并有效提高傳動效率，實現(xiàn)節(jié)能和減噪。騰出了許多有效空間，有利用汽車結(jié)構(gòu)布局，降低地板高度。由于電機(jī)直接驅(qū)動車輪，縮短了傳動鏈，所以大大提高了對車輪控制的動態(tài)響應(yīng)，可實現(xiàn)一些高性能控制功能，如橫向移動、原地旋轉(zhuǎn)等。有利于再生制動?？蓪崿F(xiàn)多種驅(qū)動方式。因為輪轂電機(jī)具有一個明顯的單輪獨(dú)立驅(qū)動的特性，無論是前驅(qū)、后驅(qū)、四驅(qū)或多驅(qū)，都可以比較輕松地實現(xiàn)。尤其是全時四驅(qū)在輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛上實現(xiàn)起來非常容易，這點(diǎn)難能可貴。另外，輪轂電機(jī)可以通過左右輪不同轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)差動轉(zhuǎn)向，大大減少車輛轉(zhuǎn)彎半徑。目前這一技術(shù)在巨大的礦山運(yùn)輸車上得到應(yīng)用，而在較小型的乘用車領(lǐng)域，輪轂電機(jī)普及尚需時日。日本在此方面研發(fā)時間較長，技術(shù)處于領(lǐng)先地位。目前，最新米其林研發(fā)的輪轂電機(jī)能夠把電機(jī)和電子主動懸架都整合到輪內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖2.9所示。米其林輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)圖國內(nèi)也有自主品牌汽車廠商涉足了輪轂電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，如位于安徽蕪湖的奇瑞汽車公司。在2011年上海車展，該公司展出了麒麟X1增程電動車，這款車就采用了輪轂電機(jī)技術(shù)，如圖2.10所示。奇瑞麒麟X1外觀圖鑒于輪轂電機(jī)電動汽車巨大的優(yōu)勢，故把所要設(shè)計的電動汽車驅(qū)動形式定為外轉(zhuǎn)子式的輪轂電機(jī)驅(qū)動，并設(shè)定為雙前輪驅(qū)動。電動汽車驅(qū)動電機(jī)研究電動汽車驅(qū)動電機(jī)要求市區(qū)行駛，需頻繁啟動、停車、加速、減速，要求電動汽車驅(qū)動電機(jī)有很好的轉(zhuǎn)矩控制動態(tài)性能。在市區(qū)與市郊兩種工況下，要求電動汽車驅(qū)動電機(jī)既能工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，又能工作在恒功率區(qū)。恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行滿足啟動和爬坡，恒功率運(yùn)行滿足高速行駛。為盡可能延長續(xù)航里程，要求電動汽車驅(qū)動電機(jī)能夠在大范圍內(nèi)保持高效率運(yùn)行，并盡可能地提高其功率密度，實現(xiàn)小型輕量化。由于運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，要求電動汽車驅(qū)動電機(jī)具有高可靠性。要求電動汽車驅(qū)動電機(jī)瞬時功率高，有一定的過載能力（即最大扭矩與額定扭矩的比值），一般要求4~5倍的過載能力，滿足加速和爬坡需要?？紤]到乘員的舒適性，電動汽車驅(qū)動電機(jī)要求低噪音。為了便于普及，還要求低成本。電動汽車驅(qū)動電機(jī)分類電動汽車驅(qū)動電機(jī)分類表任何電機(jī)的工作原理都是建立在電磁力和電磁感應(yīng)這個基礎(chǔ)上的。3.2.1直流電動機(jī)1.電勵磁式基本結(jié)構(gòu)：直流電動機(jī)由定子（固定部分）與轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）兩大部分組成，如圖3.1所示。定子與轉(zhuǎn)子之間有空隙，稱為氣隙。定子包括機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、電刷等裝置。轉(zhuǎn)子也叫電樞，由繞組線圈、電樞鐵芯、換向器、電樞軸等組成，它的作用是通電后在磁場中受力并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其中換向器是直流電動機(jī)的特有部件，其與電刷配合，實現(xiàn)電樞繞組的電流換向。氣隙不是實物部件，只是定子磁極與轉(zhuǎn)子電樞之間自然形成的縫隙，氣隙中的磁場是電動機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的媒介。電勵磁式直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖基本原理：直流電動機(jī)基本原理可參考如下物理模型圖，如圖3.2所示。直流電動機(jī)物理模型圖勵磁方式：電勵磁式是給勵磁繞組供電，從而產(chǎn)生磁場。根據(jù)供電方式不同，可分為他勵和自勵。而自勵又分為并勵、串勵、和復(fù)勵三種，其電路圖如圖3.3所示。四種電勵磁方式在此著重強(qiáng)調(diào)下他勵式，其特點(diǎn)是勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開，如此一來可通過分別控制電動機(jī)的勵磁電流和電樞電流，實現(xiàn)對他勵電動機(jī)的各種控制。他勵直流電動機(jī)具有良好的線性特征和穩(wěn)定的輸出特性，能實現(xiàn)在減速和制動時的能量回收，是直流驅(qū)動式電動汽車的首選電動機(jī)，如圖3.4所示。四種不同電勵磁式直流電動機(jī)機(jī)械特性比較電勵磁式優(yōu)點(diǎn)：首先，通過控制電樞電流的大小，可以非常簡單地實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的線性控制；其次，通過改變勵磁繞組的電流，可以很容易實現(xiàn)弱磁（即減小扭矩增加轉(zhuǎn)速），從而使高速運(yùn)行變得簡單可行；而且還有著較高的運(yùn)行效率。電勵磁式缺點(diǎn)：首先，由于換向器和電刷屬于易磨損器件，所以需要定期維護(hù)和更換，而這點(diǎn)造成使用上的不便。其次，同等功率下直流電動機(jī)體積比較大，所以多用于小型汽車，小功率的情況下。永磁式永磁直流電動機(jī)分為永磁有刷直流電動機(jī)和永磁無刷直流電動機(jī)，它們與電勵磁式直流電動機(jī)最大的區(qū)別在于勵磁方式。（1）永磁有刷直流電動機(jī)只要把電勵磁式直流電動機(jī)中，帶勵磁繞組的定子主磁極用永磁體代替，便為永磁有刷直流電動機(jī)，這種直流電動機(jī)同樣存在著轉(zhuǎn)子電樞繞組的換向問題，如圖3.5所示。永磁有刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖（2）永磁無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)：此種直流電動機(jī)相較于電勵磁式的結(jié)構(gòu)變化較大，它在定子上安裝線圈繞組，并通電產(chǎn)生磁場，如此一來使得熱量容易經(jīng)過機(jī)殼向外發(fā)散，且便于溫度檢測；至于轉(zhuǎn)子將裝上永磁體和位置檢測器，且不再安裝電樞繞組，這樣就將省去電刷和換向器，如圖3.6所示。永磁無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖工作原理：當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)根據(jù)位置檢測器所測得的轉(zhuǎn)子磁極變化關(guān)系，在定子線圈繞組中通入正負(fù)交變的方波電流，從而產(chǎn)生磁極交替變化的磁場，此時定子與轉(zhuǎn)子異性磁極間的磁拉力將驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，如圖3.7和3.8所示。永磁無刷直流電動機(jī)原理結(jié)構(gòu)框圖永磁無刷直流電動機(jī)工作原理模型圖機(jī)械特性：經(jīng)過弱磁調(diào)速，永磁無刷直流電動機(jī)可以實現(xiàn)恒功率調(diào)速，如圖3.9。永磁無刷直流電動機(jī)機(jī)械特性優(yōu)點(diǎn)：這是一種機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)的驅(qū)動控制電動機(jī)，既保持了有刷直流電動機(jī)調(diào)速性能好、控制方便、運(yùn)行效率高的特點(diǎn)，還避免了使用換向器，使得電機(jī)運(yùn)行更加可靠，免維護(hù)，壽命長，目前廣泛應(yīng)用于小型汽車上。交流電動機(jī)異步電動機(jī)——三相籠型異步電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)：籠型異步電動機(jī)也分為兩個基本部分，即定子和轉(zhuǎn)子，兩者之間存在氣隙，如圖3.10所示。電動機(jī)的定子被放置了三相繞組，當(dāng)通入交流電時，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，且磁場的轉(zhuǎn)速與交流電的頻率成正比。轉(zhuǎn)子中，是用鑄鋁將導(dǎo)條和端環(huán)以一體的結(jié)構(gòu)鑄造出來，形似鼠籠，這種結(jié)構(gòu)簡單且堅固，并可以使用整體輕量化的材料，使超高速運(yùn)轉(zhuǎn)成為可能，也便于實現(xiàn)小型化，如圖3.11所示。三相籠型異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖籠型轉(zhuǎn)子圖基本原理：三相籠型異步電動機(jī)的基本原理如演示圖3.12所示，當(dāng)轉(zhuǎn)動手柄，磁鐵開始旋轉(zhuǎn)，此時與磁鐵無任何機(jī)械連接的籠型轉(zhuǎn)子也跟著旋轉(zhuǎn)。且搖得快，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)的也快；搖得慢，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)的也慢；反搖，轉(zhuǎn)子馬上反轉(zhuǎn)。三相籠型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動演示圖對于實際中的三相籠型異步電動機(jī)，當(dāng)定子繞組中通入三相交流電后，它們共同產(chǎn)生的合成磁場隨電流的交變而在空間中不斷地旋轉(zhuǎn)著，稱為旋轉(zhuǎn)磁場，如圖3.13所示。這個旋轉(zhuǎn)磁場同磁鐵在空間旋轉(zhuǎn)所起的作用是一樣的。三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)時，其磁通將切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，導(dǎo)條中就感應(yīng)出電動勢。在電動勢的作用下，閉合的導(dǎo)條中就有電流，該電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，從而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)起來，如圖3.14所示。從中也可以看出，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間必須要有相對運(yùn)動，即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速要慢于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，這就是異步名稱的由來。異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖機(jī)械特性：三相籠型異步電動機(jī)的機(jī)械特性與永磁無刷直流電動機(jī)的類似，如圖3.15所示。三相籠型異步電動機(jī)機(jī)械特性圖優(yōu)點(diǎn)：此種電動機(jī)易實現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，且結(jié)構(gòu)簡單堅固，造價便宜，維護(hù)方便，尤其適合功率需求較大的電動跑車或客車。同步電動機(jī)（1）電勵磁式——交流同步電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)：交流同步電動機(jī)的定子和三相異步電動機(jī)的一樣；而它的轉(zhuǎn)子是磁極，由直流電勵磁，直流電經(jīng)電刷和滑環(huán)流入勵磁繞組，如圖3.16所示。交流同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子圖基本原理：交流同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有和籠型繞組相似的起動繞組，當(dāng)定子繞組通入三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場后，同步電動機(jī)就像異步電動機(jī)那樣起動起來（此時轉(zhuǎn)子沒有被勵磁）。當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速接近磁場轉(zhuǎn)速時，才對轉(zhuǎn)子勵磁。這時，旋轉(zhuǎn)磁場就能緊緊牽引著轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，速度相同，即為同步，如圖3.17所示。同步電動機(jī)工作原理圖機(jī)械特性：當(dāng)交流電頻率一定時，交流同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，不隨負(fù)載變化，所以它的機(jī)械特性曲線是一條與橫軸平行的直線，如圖3.18所示。交流同步電動機(jī)機(jī)械特性曲線圖評價：由于特殊的機(jī)械特性，因此傳統(tǒng)的交流同步電動機(jī)常用于長期連續(xù)工作及保持轉(zhuǎn)速不變的場所，如水泵和通風(fēng)機(jī)等。（2）永磁同步電動機(jī)永磁同步電動機(jī)的原理與交流同步電動機(jī)相似，只不過用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子代替交流同步電動機(jī)的電勵磁轉(zhuǎn)子，如圖3.19所示。當(dāng)定子繞組中通入三相交流電時，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場磁極與轉(zhuǎn)子的異性磁極之間就會形成磁拉力，進(jìn)而形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝位置不同，永磁同步電動機(jī)可分為表面式和內(nèi)置式。當(dāng)轉(zhuǎn)子外表面粘附永久磁鐵時，稱為表面式永磁同步電動機(jī)；當(dāng)永磁體嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi)部時，稱為內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)，如圖3.20所示。交流同步電動機(jī)各種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由于不需要勵磁電路，所以相較于其他電動機(jī)，永磁同步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)。不過此種電動機(jī)需要復(fù)雜的驅(qū)動控制系統(tǒng)，才能實現(xiàn)良好的控制特性，再加上高性能永磁體的價格居高不下，所以成本較高。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這種高效率電機(jī)注定是未來電動汽車電機(jī)的主流趨勢，尤其適合作為輪轂電機(jī)使用，推動性能更加優(yōu)越的輪轂電機(jī)驅(qū)動型電動汽車的發(fā)展。由于所要設(shè)計的電動車定位為小型乘用車，所以在經(jīng)過對電動汽車所用電機(jī)系統(tǒng)的比較后，把車用電機(jī)定為永磁無刷直流電動機(jī)。輪轂電機(jī)的參數(shù)匹配由于設(shè)計目標(biāo)鎖定在小型乘用車，所以在確定輪轂電機(jī)具體參數(shù)時，以在售的知豆ZD5101XEV車型（兩座小型電動車）作為參考，其整車基本參數(shù)如表4.1所示。整車基本參數(shù)項目參數(shù)汽車最大總質(zhì)量/kg850空氣阻力系數(shù)0.35迎風(fēng)面積/㎡1.5車輪半徑/m0.252滾動阻力系數(shù)0.018前軸載荷比0.6質(zhì)心高/m0.54軸距/m1.765整備質(zhì)量/kg670最高車速/(km/h)80常規(guī)車速/(km/h)40有了整車基本參數(shù)后，以此為基礎(chǔ)，計算并選取輪轂電機(jī)參數(shù)。4.1輪轂電機(jī)功率在設(shè)計中，電動汽車電機(jī)功率由電動車預(yù)期的最高車速來初步確定。雖然最高車速僅是動力性的一個指標(biāo)，但它實際上也反映了電動汽車的加速能力與爬坡能力。最高車速越高，要求的電動機(jī)功率越大，加速和爬坡能力必然較好。電動汽車以最高速度行駛時所需輪轂電機(jī)輸出功率計算公式如式4.1所示，而電動機(jī)功率應(yīng)大于等于最高車速時的功率。 (4.1)式中——最高車速/(km/h)，取80——傳動系機(jī)械效率，由于是外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)，取1——電動車最大總質(zhì)量kg，取850——滾動阻力系數(shù)，取0.018——空氣阻力系數(shù)，取0.35——迎風(fēng)面積/㎡，取1.5代入數(shù)值，計算可得輪轂電機(jī)功率為6.86kw。由于采用雙前輪結(jié)構(gòu)，因此單個輪轂電機(jī)功率應(yīng)為3.43kw。輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速式4.2為電動機(jī)轉(zhuǎn)速與車速關(guān)系式。 (4.2)式中——電動車車速/(km/h)——車輪半徑/m，取0.252——電機(jī)轉(zhuǎn)速/（r/min）——傳動系統(tǒng)傳動比，由于為外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)，取1已知電動車常規(guī)車速為40km/h和最高車速為80km/h，代入數(shù)值便可得電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（常規(guī)車速對應(yīng)的轉(zhuǎn)速）為420.87r/min，最高轉(zhuǎn)速（最高車速對應(yīng)的轉(zhuǎn)速）為841.74r/min。輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩輪轂電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩由于已知輪轂電機(jī)功率為3.43kw，額定轉(zhuǎn)速為420.87r/min，根據(jù)功率與轉(zhuǎn)矩關(guān)系式可得輪轂電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，如式4.3所示。 （4.3）式中——輪轂電機(jī)功率/kw，取3.43——輪轂電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩/（）——輪轂電機(jī)額定轉(zhuǎn)速/（r/min），取420.87計算可得輪轂電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為77.82。輪轂電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩輪轂電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩必須滿足電動車最大爬坡度的要求，故最大轉(zhuǎn)矩由式4.4確定。 (4.4)式中——輪轂電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩/（）——電動車最大總質(zhì)量kg，取850——滾動阻力系數(shù)，取0.018——車輪半徑/m，取0.252——傳動系機(jī)械效率，由于是外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)，取1——傳動系統(tǒng)傳動比，由于為外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)，取1——電動車最大爬坡度，取代入數(shù)值，計算可得電動車最大轉(zhuǎn)矩為376.88。確定電機(jī)參數(shù)輪轂電機(jī)參數(shù)匯總?cè)绫?.2所示。輪轂電機(jī)參數(shù)計算結(jié)果項目參數(shù)最高車速時的功率/kw3.43常規(guī)車速下的額定轉(zhuǎn)速/（r/min）420.87最高車速下的最大轉(zhuǎn)速/（r/min）841.74額定轉(zhuǎn)矩（）77.82最大爬坡度時的最大轉(zhuǎn)矩（）376.88最終確定的輪轂電機(jī)參數(shù)如表4.3所示。確定輪轂電機(jī)基本參數(shù)項目參數(shù)額定功率/kw3.5額定轉(zhuǎn)速/（r/min）420最大轉(zhuǎn)速/（r/min）840額定轉(zhuǎn)矩（）80最大轉(zhuǎn)矩（）380輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率曲線如圖4.1所示。輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩與功率曲線輪轂電機(jī)驅(qū)動型電動汽車仿真ADVISOR軟件簡介ADVISOR（AdvancedVehicleSimulator）軟件，由美國可再生能源實驗室（NREL）于1994年11月初始開發(fā)和使用，并在互聯(lián)網(wǎng)上免費(fèi)發(fā)布，經(jīng)過多次升級，目前最新的免費(fèi)版為ADVISOR2002，本次仿真正是應(yīng)用的這一版。ADVISOR是在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下開發(fā)的高級車輛仿真軟件平臺。在這個專門針對汽車縱向動力學(xué)系統(tǒng)建模的軟件下，用戶可以傳統(tǒng)汽車、電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的各種主要性能進(jìn)行快速模擬試驗。目前，ADVISOR已經(jīng)成為世界汽車行業(yè)最普遍使用的電動汽車仿真軟件平臺之一。它具有圖形化、模塊化、仿真模型和源代碼完全免費(fèi)開放的優(yōu)勢與特點(diǎn)，使其在國內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用。利用此軟件驗證所設(shè)計汽車的續(xù)航里程能否≧80km。定義車輛定義整車（Vehicle）選取EV1車型作為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)修改。電動汽車滑行質(zhì)量veh_glider_mass（整車整備質(zhì)量除去整個動力系統(tǒng)質(zhì)量）取450kg。電動汽車最大質(zhì)量（包括乘客和貨物）veh_mass取850kg。電動汽車迎風(fēng)面積veh_FA取1.5㎡。電動汽車貨物質(zhì)量veh_cargo_mass取180kg。電動汽車質(zhì)心高veh_cg_height取0.54m。電動汽車前軸載荷比veh_front_wt_frac取0.6。電動汽車軸距veh_wheelbase取1.765m。電動汽車空氣阻力系數(shù)veh_CD取0.35。定義電機(jī)（Motor）由于ADVISOR中沒有輪轂電機(jī)驅(qū)動型電動汽車的模型，只能對中央驅(qū)動式模型進(jìn)行修改，主要是將電機(jī)參數(shù)修改為計算所得的單個輪轂電機(jī)參數(shù)的兩倍。選取MC_PM16電機(jī)模型為原型，修改MC_PM16.m文件。定義電機(jī)轉(zhuǎn)矩mc_map_trq=[-162-135-108-81-54-270275481108135162]，定義電機(jī)轉(zhuǎn)速mc_map_spd=[060120180240300360420]，其余都采用默認(rèn)值。定義電池（EnergyStorage）選取ESS_PB16模型為基礎(chǔ)，這是典型的鉛酸電池模型，此類模型是ADVISOR中最為成熟的電池模型，能有效仿真蓄電池組的大部分化學(xué)工作過程。對ESS_PB16.m文件進(jìn)行修改，電池容量ess_max_ah_cap=[180180]，電池組電池個數(shù)ess_module_num取6，單個電池質(zhì)量ess_module_mass取30kg。電池組有效電壓為74v，與MC_PM16型電機(jī)比較相配。定義變速器（Transmission）由于本電動汽車采用的外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)驅(qū)動，所以不存在機(jī)械變速器。選取TX_1SPD變速器模型作為原始模型，此為典型的電動車固定速比變速器，將其傳動比定為1，質(zhì)量定為0。對于后者，需要定義變速器質(zhì)量tx_mass和主減速驅(qū)動軸質(zhì)量fd_mass均為0。5.2.5定義車輪（Wheel/Axle）選取ADVISOR軟件默認(rèn)的WH_SMCAR模型，定義電動汽車車輪滾動半徑wh_radius為0.252m，定義輪胎滾動阻力系數(shù)wh_1st_rrc為0.018。參數(shù)設(shè)置界面