學習筆記-純電動汽車電力驅(qū)動系統(tǒng)研究

PAGEPAGE6純電動汽車電力拖動系統(tǒng)研究江蘇微特利電機有限公司施洪亮河南海馬轎車有限公司趙長春1概述1.1純電動汽車電力拖動系統(tǒng)簡介電動汽車電力拖動系統(tǒng)可以按照驅(qū)動電動機的不同進行分類。目前應(yīng)用在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的電動機既有傳統(tǒng)的直流電動機和交流感應(yīng)電動機，也有新型的永磁同步電動機和開關(guān)磁阻電動機。不論哪一類電力拖動系統(tǒng)，都必須對電動機進行控制，使其滿足電動汽車的特殊運行要求。電動汽車與其他的電力拖動系統(tǒng)不同，它需要經(jīng)常變換運行方式，尤其是在城市行駛狀態(tài)下，要求電力拖動系統(tǒng)響應(yīng)迅速、調(diào)速范圍寬，同時性能穩(wěn)定。在采用適當?shù)目刂撇呗缘臈l件下，交流感應(yīng)電動機、永磁同步電動機都能滿足這種要求。1.2純電動汽車電力拖動系統(tǒng)開發(fā)步驟首先根據(jù)市場需要確定整車性能指標，然后參照傳統(tǒng)車輛牽引力分析的方法，結(jié)合電動機的機械特性，選定電動機和電池的參數(shù)，最后依據(jù)整車重量的變化核算電動汽車可能達到的動力性能。電動汽車電力拖動系統(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。逆變器控制電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，從而使電動汽車以駕駛員的期望狀態(tài)行駛。2純電動汽車電力拖動系統(tǒng)的基本布置2.1電力拖動系統(tǒng)布置方式與系統(tǒng)構(gòu)成純電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)基本構(gòu)成可分為三個子系統(tǒng)，即電動機系統(tǒng)、動力電源系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。電動機系統(tǒng)由逆變器、電動機、機械傳動系等部件組成。它能夠?qū)⑿铍姵剌敵龅碾娔苻D(zhuǎn)化為車輪上的機械能，驅(qū)動電動汽車行駛，是電動汽車的關(guān)鍵組成部分。動力電源系統(tǒng)由動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)主要是為電動汽車非驅(qū)動附件提供控制功能；例如：實現(xiàn)車載充電器控制、動力轉(zhuǎn)向控制、制動助力控制、空氣調(diào)節(jié)控制、冷卻裝置控制等功能。在現(xiàn)今的電動汽車電力拖動系統(tǒng)中，有將上述三個子系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，功能獨立的趨勢。2.2電力拖動系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的組合方式電力拖動系統(tǒng)的電動機與機械傳動系統(tǒng)有許多種組合方式，以下介紹比較典型并且容易實現(xiàn)的二種組合方式。2.2.1機械傳動系不變的機械傳動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)動系統(tǒng)布置方式?jīng)]有太大的區(qū)別。它是用電動機及其控制系統(tǒng)替代了發(fā)動機及其控制系統(tǒng)，而機械傳動系則基本不變。電動機輸出軸與變速器輸入軸相聯(lián)，動力通過通過變速器傳遞到主減速器，然后到差速器，最后通過半軸將動力傳送給驅(qū)動輪。這種組合方式只需用電動機及其控制系統(tǒng)對燃油汽車的發(fā)動機進行置換，就能得到一輛電動汽車，工作相對簡單，方便將傳統(tǒng)汽車改裝成電動汽車。2.2.2采用固定速比減速器的由于電動機的調(diào)速范圍比較寬，而且它的輸出特性與車輛要求的驅(qū)動系統(tǒng)特性比較接近。因此可以充分利用電動機的這一特性，取消多檔齒輪變速器，采用固定傳動比的齒輪減速器和差速器來傳遞動力。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)動慣量、車輪的轉(zhuǎn)動慣量以及傳動系的傳動比有關(guān)。它可按如下公式進行估算：式中：ig——變速器傳動比；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)動力是路面作用在車輛驅(qū)動輪上的，它不僅與車輛驅(qū)動系統(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)車輛傳動系傳遞到驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩為Tt，它產(chǎn)生一個對地面的圓周力Fr，在它的作用下，地面對驅(qū)動輪產(chǎn)生一個反作用力Ft，這個反作用力就是車輛受到的驅(qū)動力。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)動輪上的轉(zhuǎn)矩((Nm)；r——車輪半徑。令：變速器傳動比為ig；驅(qū)動電動機輸出轉(zhuǎn)矩為Ttq；主減速器傳動比為i0，傳動系統(tǒng)的機械效率為ηT，則：3.2.4車輛行駛的“驅(qū)動——附著”平衡由(4.1)式可知，只有在滿足條件時車輛才可能行駛。這個條件稱為車輛的驅(qū)動條件，它還不是車輛行駛的充分條件。根據(jù)經(jīng)典力學理論，系統(tǒng)的運動狀態(tài)是由外力決定的。作用在車輛上的驅(qū)動力實際是地面對驅(qū)動輪的反作用力。地面對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)動力不可能大于Fφ，即當驅(qū)動力達到極限值Fφ時，如果繼續(xù)加大車輛動力系統(tǒng)的輸出力矩，驅(qū)動輪將在路面滑轉(zhuǎn)，地面反向作用力并不會增加。3.2.5車輛行駛過程中功率的平衡車輛行駛時，不僅驅(qū)動力和行駛阻力相互平衡，驅(qū)動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)動功率Pe總是等于機械傳動損失的功率與全部運動阻力所消耗的功率之和。車輛運動阻力所消耗的功率有滾動阻力功率、空氣阻力功率、、坡度阻力功率以及加速阻力功率。即：在純電動汽車中，Pe為電動機輸出功率(w)總結(jié)以上推導(dǎo)的公式，可得車輛行駛過程中的兩個平衡方程如下：對純電動汽車而言，式中：Pe——電動機輸出功率(W)；n——電動機輸出轉(zhuǎn)速；Ttq——電動機扭矩。其中，F(xiàn)t要滿足Ft≤FZφ的條件。3.3一個設(shè)計實例設(shè)計要求最高車速：Vmax＝150km/h；最大爬坡度：i＝30％（40km/h）；續(xù)駛里程100km(50km/h)；0～100Km/h加速時間：18設(shè)計輸入：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；車身迎風面積：A=1.88m2滾動阻力系數(shù)：f=0.018傳動效率：η＝0.92傳動比：參見5S160變速器①根據(jù)動力性要求確定電機參數(shù)：額定30kw電動機電動機轉(zhuǎn)速60012001800240030003600420048005400電動機額定轉(zhuǎn)矩808080808080605440功率4913182230303030電動機過載轉(zhuǎn)矩（3倍）240240240240240240180160117②根據(jù)續(xù)駛里程確定電池容量55Ah,電壓336V,標稱能量18.48kwh。③動力性計算結(jié)果如下圖：本文研究的純電動汽車電力拖動系統(tǒng)已經(jīng)被某汽車廠采用，實物見下圖。4純電動汽車電力拖動系統(tǒng)控制策略研究在駕駛員的操作與驅(qū)動系統(tǒng)動力輸出之間建立怎樣的控制關(guān)系對于驅(qū)動系統(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，通過踩踏加速踏板來控制驅(qū)動系統(tǒng)的動力輸出，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合適的對應(yīng)物理量作為驅(qū)動系統(tǒng)控制器的輸入是電動汽車設(shè)計的首要出發(fā)點。最佳選擇是對應(yīng)電機輸出轉(zhuǎn)矩。駕駛員直觀的控制對象是車輛行駛速度。如果車速不能達到駕駛員的預(yù)期車速，駕駛員就會改變加速踏板位置，改變電機的輸出轉(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，直至達到控制車速為止。由于主要考慮的是對驅(qū)動系統(tǒng)力矩輸出的控制，因此規(guī)定，當加速踏板輸出的Tq值為正，驅(qū)動系統(tǒng)進入電動狀態(tài)，此時Tq值為電動系統(tǒng)的電動力矩目標值；當制動踏板輸出的Tq值為負，驅(qū)動系統(tǒng)進入再生制動狀態(tài)，此時Tq值為制動系統(tǒng)的制動力矩目標值。依照以上的設(shè)計理念，確定如下的電動汽車電力拖動控制系統(tǒng)：其中以DSP2407為主的雙CPU主控制器兼顧了電機逆變控制和汽車行駛的整車控制。進一步的研究開發(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控制系統(tǒng)完成。機械結(jié)構(gòu)方面，還考慮要增加電機的輪系，以便拖動必要的旋轉(zhuǎn)附件；目的是加大電機負荷，提高用電效率。參考文獻陳清泉，詹宜巨，21世紀的綠色交通工具一電動車，北京，清華大學出版社，2000，7~14高宏德，抓住良機搶先發(fā)展我國電動汽車工業(yè)，中國工業(yè)經(jīng)濟，1996，(5)，37~40孫立志，趙輝，陸永平等，電動汽車中的電機驅(qū)動系統(tǒng)，電工電能新技術(shù)，1997(4)，14~19陳伯時，陳敏遜，交流調(diào)速系統(tǒng)，北京，機械工業(yè)出版社，1997，2~3王穎，王靖，電動汽車電子驅(qū)動系統(tǒng)綜述，電工技術(shù)雜志，1998，(4)，8~12王克奇，曲發(fā)義，電動汽車交流驅(qū)動系統(tǒng)，東北林業(yè)大學學報，2002，30(5)73~76張承寧，孫逢春，電動汽車的幾種驅(qū)動系統(tǒng)比較，兵工學報，1995(4)，36-39吳峻，李圣怡，潘孟春，.電動車異步電動機驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，中小型電動機，2001(1)30~32宋慧，電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，19973~24余志生，汽車理論，第二版，北京，機械工業(yè)出版社，199013~21詹宜巨，陳清泉，電動車技術(shù)發(fā)展及前景展望，電氣傳動，1997，(5)40~44蘇彥民，李宏，交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略，北京，機械工業(yè)出版社，1998,103~106曹秉剛，張傳偉，白志峰等，電動汽車技術(shù)進展和發(fā)展趨勢，西安交通大學學報，2004（1）羅玉濤，俞明，陳炳坤等，電動車制動能量再生反饋控制研究，機床與液壓，2002,(5)，162姬志艷，李永東等，無速度傳感器