新能源汽車(chē)與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù) 課件 第2章 電驅(qū)動(dòng)技術(shù)

新能源汽車(chē)與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)第2章

電驅(qū)動(dòng)技術(shù)“十四五”時(shí)期國(guó)家重點(diǎn)出版物出版專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃項(xiàng)目新能源與智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)新技術(shù)系列叢書(shū)中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)“十四五”普通高等教育規(guī)劃教材課程負(fù)責(zé)人：靳文瑞譚理剛黃晉wrjin@本章內(nèi)容2.1電機(jī)電機(jī)基礎(chǔ)直流電機(jī)交流電機(jī)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算問(wèn)題2.2電控電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效能和能量回收的計(jì)算問(wèn)題本章內(nèi)容2.1電機(jī)電機(jī)基礎(chǔ)直流電機(jī)交流電機(jī)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算問(wèn)題2.2電控電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效能和能量回收的計(jì)算問(wèn)題2.1電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的心臟，由電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、各種檢測(cè)傳感器和電源（蓄電池）組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)是在駕駛?cè)说目刂葡?，高效率地將電池的電量轉(zhuǎn)化為車(chē)輪的動(dòng)能，或者將車(chē)輪的動(dòng)能反饋到蓄電池中。電機(jī)基礎(chǔ)圖1電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.1電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中,經(jīng)常頻繁地起動(dòng)/停車(chē)、加速/減速等,所以電動(dòng)汽車(chē)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)負(fù)載、性能指標(biāo)、工作環(huán)境有更特殊的要求，應(yīng)單獨(dú)歸為一類(lèi)電機(jī)。運(yùn)行特性應(yīng)滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的以下要求：電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電機(jī)的要求在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)低速運(yùn)行時(shí)應(yīng)具有大轉(zhuǎn)矩,以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)起動(dòng)和爬坡的要求,此時(shí)需要4~5倍的短時(shí)過(guò)載,而工業(yè)電機(jī)一般需要2倍過(guò)載。在恒功率區(qū)低轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)應(yīng)具有高速度、大變速范圍,以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)在平坦的路面能夠高速行駛的要求,此時(shí)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到基本速度的4~5倍?？筛鶕?jù)車(chē)型、駕駛?cè)颂攸c(diǎn)等做量身定制,結(jié)合人因工程等學(xué)科綜合考慮。應(yīng)可控性高、可靠性好、使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好(瞬時(shí)功率大、帶負(fù)載啟動(dòng)性能好、過(guò)載能力強(qiáng)、加速性能好)。2.1電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi),應(yīng)功率密度大、效率高,減輕車(chē)重、延長(zhǎng)續(xù)駛里程。應(yīng)能夠在電動(dòng)汽車(chē)減速時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng),將能量回收并反饋給蓄電池,使得電動(dòng)汽車(chē)具有最佳能量的利用率。應(yīng)體積小、重量輕,一般為工業(yè)電機(jī)的1/3~1/2;安裝空間小,可工作在高溫、振動(dòng)頻繁等惡劣工況下,而工業(yè)電機(jī)一般安裝在某個(gè)固定位置。2.1電機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的種類(lèi)根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪的布置方式,驅(qū)動(dòng)輪有全輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)和全輪驅(qū)動(dòng)等方式。根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成特點(diǎn),其基本布置方式分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、半機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和純電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中是否采用輪轂電機(jī),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和非輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)數(shù)量,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為單電機(jī)和多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖2單電機(jī)和多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類(lèi)型圖3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類(lèi)型從當(dāng)前應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,永磁同步電機(jī)占有新能源車(chē)電機(jī)約80%的份額,永磁無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越少。2.1電機(jī)電機(jī)的額定指標(biāo)額定功率:指額定運(yùn)行情況下軸端輸出的機(jī)械功率(W或kW)。額定電壓:指外加于線(xiàn)端的電源線(xiàn)電壓(V)。額定電流:指電機(jī)額定運(yùn)行(額定電壓、額定輸出功率)情況下電樞繞組(或定子繞組)的線(xiàn)電流(A)。額定頻率:指電機(jī)額定運(yùn)行情況下電樞(或定子側(cè))的頻率(Hz)。額定轉(zhuǎn)速:指電機(jī)額定運(yùn)行(額定電壓、額定頻率、額定輸出功率)的情況下,電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(r/min)。2.1電機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)模型如圖所示,它的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對(duì)直流勵(lì)磁的靜止的主磁極N和S,在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。固定部分有磁鐵(主磁極)、電刷。轉(zhuǎn)動(dòng)部分有電樞鐵心和繞在鐵心上的繞組。在電樞鐵心上放置了由兩根導(dǎo)體連成的電樞線(xiàn)圈，線(xiàn)圈的首端和末端分別連到兩個(gè)圓弧形的銅片,此銅片稱(chēng)為換向片。換向片之間互相絕緣,由換向片構(gòu)成的整體稱(chēng)為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上,換向片與轉(zhuǎn)軸之間也互相絕緣。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷,當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí),電樞線(xiàn)圈通過(guò)換向片和電刷與外電路接通。圖4直流電機(jī)模型2.1電機(jī)如果直流電機(jī)的兩個(gè)電刷加上直流電源,,則有直流電流從電刷A流入,經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈a→b→c→d,從電刷B流出,根據(jù)電磁力定律,載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用,其方向可由左手定則判定,兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩,使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。工作原理圖5直流電機(jī)工作原理2.1電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如下圖所示的位置,電刷A和換向片1接觸,電刷B和換向片2接觸,直流電流從電刷A流入,在線(xiàn)圈中的流動(dòng)方向是d→c→b→a,從電刷B流出。其受到電磁力的作用方向由左手定則判定,它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電機(jī)的工作原理。

外加的電源是直流的,但由于電刷和換向片的作用,在線(xiàn)圈中流過(guò)的電流是交流的,其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向是不變的。圖5直流電機(jī)工作原理2.1電機(jī)交流電機(jī)交流電機(jī)是將交流電的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種裝置。交流電機(jī)主要由一個(gè)用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的定子繞組和一個(gè)轉(zhuǎn)子組成。定子一般由鐵心、繞組與機(jī)座3部分組成,轉(zhuǎn)子由鐵心與繞組組成。轉(zhuǎn)子繞組有籠型和繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子?；\型轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子鐵心槽里插入銅條,再將全部銅條兩端焊在兩個(gè)銅端環(huán)上;繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣,由線(xiàn)圈組成繞組放入轉(zhuǎn)子鐵心槽里。籠型與繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子兩種電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)不一樣,但工作原理是一樣的。根據(jù)定子繞組不同,交流電機(jī)分為單向交流電機(jī)和三相交流電機(jī)。圖6交流電機(jī)2.1電機(jī)單相交流電機(jī)只有一個(gè)定子繞組,轉(zhuǎn)子是籠型的。當(dāng)單相正弦電流通過(guò)定子繞組時(shí),定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向隨時(shí)間做正弦規(guī)律變化,但在空間方位上是固定的,所以又稱(chēng)這個(gè)磁場(chǎng)是交變脈動(dòng)磁場(chǎng)。要使單相交流電機(jī)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)起來(lái),需在定子中加上一個(gè)起動(dòng)繞組或起動(dòng)電容,起動(dòng)繞組與主繞組在空間上相差90°,起動(dòng)繞組串接一個(gè)合適的電容,使得與主繞組的電流在相位上近似相差90°,即分相原理。這個(gè)交變脈動(dòng)磁場(chǎng)可分解為兩個(gè)轉(zhuǎn)速相同、旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí),這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩,使得合成轉(zhuǎn)矩為零,所以電機(jī)無(wú)法旋轉(zhuǎn)。這樣兩個(gè)在時(shí)間上相差90°的電流通入兩個(gè)在空間上相差90°的繞組將會(huì)在空間上產(chǎn)生(兩相)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),在這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)子就能自動(dòng)轉(zhuǎn)起來(lái)。2.1電機(jī)三相電機(jī)定子上有3個(gè)在空間互隔120°電角度、對(duì)稱(chēng)排列、結(jié)構(gòu)完全相同的繞組連接而成,通入三相對(duì)稱(chēng)交流電流時(shí),在電機(jī)氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。三相電機(jī)不需要起動(dòng)繞組或起動(dòng)電容。三相交流電機(jī)又分異步電機(jī)和同步電機(jī)。異步電機(jī)和同步電機(jī)的定子繞組是相同的,主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。異步電機(jī)：三相交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)子是個(gè)封閉的短路環(huán)。動(dòng)力蓄電池的高壓直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成高壓交流電,送入三相定子繞組,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子短路環(huán),轉(zhuǎn)子里面會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流,轉(zhuǎn)子成為載流導(dǎo)體,處于定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中,根據(jù)左手定則,轉(zhuǎn)子會(huì)受到電磁力而旋轉(zhuǎn)起來(lái)。由于定子的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領(lǐng)先,轉(zhuǎn)子比定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)慢,有轉(zhuǎn)差、不同步。所以此類(lèi)電機(jī)稱(chēng)為異步電機(jī)。2.1電機(jī)同步電機(jī)：繞組勵(lì)磁交流同步電機(jī)轉(zhuǎn)子是人為加入直流電形成不變磁場(chǎng)的,而不是靠感生電流,這樣轉(zhuǎn)子就跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)而同步,所以此類(lèi)電機(jī)稱(chēng)為同步電機(jī)。該交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有直流勵(lì)磁繞組,作為電機(jī)時(shí)需要外加直流勵(lì)磁電源,通過(guò)集電環(huán)引入電流。繞組勵(lì)磁同步電機(jī)的定子繞組是電樞繞組,轉(zhuǎn)子是勵(lì)磁繞組。永磁同步電機(jī)：若轉(zhuǎn)子采用稀土永磁體,而不是像繞組勵(lì)磁同步電機(jī)那樣采用勵(lì)磁繞組,定子送入三相交流電,則制成永磁同步電機(jī)(permanentmagnetsynchronousmotor,PMSM)。永磁同步電機(jī)的定子繞組是電樞繞組,無(wú)勵(lì)磁繞組。目前新能源汽車(chē)80%以上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)就是這種電機(jī)。2.1電機(jī)輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種新興的電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式,其布置靈活,可以根據(jù)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)方式分別布置在電動(dòng)汽車(chē)的兩前輪、兩后輪或四個(gè)車(chē)輪的輪轂中。輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)示意如下圖所示。其通常由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)器與散熱系統(tǒng)等組成。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子形式主要分成兩種結(jié)構(gòu)形式:內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型。圖7輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2.1電機(jī)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)汽車(chē)在動(dòng)力源配置、底盤(pán)結(jié)構(gòu)等方面有其獨(dú)特的技術(shù)特征和優(yōu)勢(shì)。具體體現(xiàn)在以下方面：動(dòng)力控制由硬連接改為軟連接形式。通過(guò)電子線(xiàn)控技術(shù),實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)輪從零到最大速度的無(wú)級(jí)變速和各電動(dòng)輪間的差速要求,從而省略了傳統(tǒng)汽車(chē)所需的機(jī)械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動(dòng)軸和機(jī)械差速器等,使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和整車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,有效可利用空間大,傳動(dòng)效率提高。各電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力直接獨(dú)立可控,使其動(dòng)力學(xué)控制更為靈活、方便;能合理控制各電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力,從而提高惡劣路面條件下的行駛性能。容易實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)輪的電氣制動(dòng)、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)和制動(dòng)能量回饋,還能對(duì)整車(chē)能源的高效利用,實(shí)施最優(yōu)化控制和管理,節(jié)約能源。底架結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化,使整車(chē)總布置和車(chē)身造型設(shè)計(jì)的自由度增加,若能將底架承載功能與車(chē)身功能分離,則可實(shí)現(xiàn)相同底盤(pán)不同車(chē)身造型的產(chǎn)品多樣化和系列化,從而縮短新車(chē)型的開(kāi)發(fā)周期,降低開(kāi)發(fā)成本。若在采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的四輪電動(dòng)汽車(chē)上導(dǎo)入線(xiàn)控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù),實(shí)現(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向行駛高性能化,可有效減小轉(zhuǎn)向半徑,甚至實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑,大大增加了轉(zhuǎn)向靈便性。2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算問(wèn)題關(guān)于電機(jī)的計(jì)算問(wèn)題條件設(shè)定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算問(wèn)題電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算問(wèn)題電機(jī)額定功率和峰值功率的計(jì)算問(wèn)題驅(qū)動(dòng)電機(jī)選配的計(jì)算問(wèn)題電機(jī)轉(zhuǎn)速由車(chē)速和傳動(dòng)比決定,有3種情形:最高車(chē)速,決定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速;常規(guī)行駛速度,決定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速或額定功率;30min持續(xù)最高車(chē)速,決定電機(jī)30min持續(xù)最高轉(zhuǎn)速(不是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速)。2.1電機(jī)30min持續(xù)最高轉(zhuǎn)速(不是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速)?？紤]純電動(dòng)車(chē)沒(méi)有變速器,變速器速度比ig=1,僅保留減速器速度比i0,所以總傳動(dòng)比為i0。故車(chē)速v(單位為km/h)與電機(jī)轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)的關(guān)系為：（2-1）當(dāng)電機(jī)處于最高轉(zhuǎn)速和最高車(chē)速時(shí)，上式可做進(jìn)一步改寫(xiě)：（2-2）電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算問(wèn)題2.1電機(jī)同步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速也稱(chēng)為基速,用nb表示,其計(jì)算公式為（2-3）β=nmax/nb是指擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù),通常以車(chē)輛常規(guī)行駛速度vb確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nb和最高轉(zhuǎn)速nmax的選配應(yīng)該符合右圖所示的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性要求,即在起步階段低轉(zhuǎn)速時(shí)得到恒定的最大轉(zhuǎn)矩Tmax,在高轉(zhuǎn)速時(shí)得到恒定的較高功率Pb。圖8驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性2.1電機(jī)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算問(wèn)題在平坦道路上,起步加速時(shí)轉(zhuǎn)矩大于高速時(shí)的轉(zhuǎn)矩,因此最大轉(zhuǎn)矩一般考慮兩種情形:一種是以20km/h速度爬20%最大坡度時(shí)所需轉(zhuǎn)矩,另一種是平坦道路上0~50km/h起步急加速達(dá)到50km/h時(shí)所需最大轉(zhuǎn)矩T50max。經(jīng)過(guò)實(shí)際校核,T50max是作為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(峰值轉(zhuǎn)矩),而不是低速勻速爬坡時(shí)的轉(zhuǎn)矩。討論0~50km/h起步急加速時(shí)的轉(zhuǎn)矩T50max計(jì)算問(wèn)題。平坦道路起步加速,此時(shí)Fi=0,只有滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、加速阻力Fa。這里,按照勻加速度處理,設(shè)加速后最終速度va=50km/h,對(duì)應(yīng)的加速時(shí)間為ta。（2-4）整個(gè)加速過(guò)程中在加速末了轉(zhuǎn)矩最大,即為T(mén)50max。（2-5）2.1電機(jī)電機(jī)額定功率和峰值功率的計(jì)算問(wèn)題額定功率是長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的功率,驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率由30min持續(xù)最高車(chē)速?zèng)Q定。當(dāng)車(chē)速v單位為km/h時(shí),功率Pv(單位為kW)和驅(qū)動(dòng)力Fk(單位為N)的關(guān)系式為：（2-6）在車(chē)輛行駛時(shí),功率平衡方程為：（2-7）當(dāng)車(chē)輛在較小坡度i(<10%)行駛時(shí),功率平衡方程為：（2-8）2.1電機(jī)電機(jī)額定功率Pb由30min持續(xù)最高車(chē)速?zèng)Q定,此時(shí)無(wú)上坡阻力和加速阻力,只有滾動(dòng)阻力和空氣阻力,有：（2-9）從一些車(chē)型的最高車(chē)速和30min持續(xù)最高車(chē)速公告數(shù)據(jù)來(lái)看,前者比后者大5~15km/h,式(2-9)表明Pb也與車(chē)輛總質(zhì)量m的選取方式有關(guān),按照前面的設(shè)定條件,這里使用滿(mǎn)載質(zhì)量計(jì)算。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Tb(單位為N·m)由額定功率Pb(單位為kW)和額定轉(zhuǎn)速nb(單位為r/min)確定,即：（2-10）2.1電機(jī)峰值功率Pmax是瞬時(shí)的最大功率,維持時(shí)間很短,驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率隨整車(chē)動(dòng)力性能指標(biāo)的設(shè)定,對(duì)應(yīng)的工況可能有所不同,應(yīng)按照5種情形計(jì)算:①最高車(chē)速時(shí)的功率Pmaxv;②0~50km/h起步加速工況P50max;③50~80km/h超越加速工況P80umax;④0~100km/h加速工況P100max;⑤20km/h勻速爬20%陡坡時(shí)的功率Pimax。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率Pmax必須滿(mǎn)足上述5種情況,則：對(duì)于0~100km/h起步加速電機(jī)功率P100max的計(jì)算問(wèn)題,應(yīng)考慮電機(jī)特性曲線(xiàn)。0~100km/h起步加速分為兩段:第1段時(shí)間為t0~60,車(chē)輛速度從0加速到60km/h,轉(zhuǎn)矩恒定,功率線(xiàn)性增加。第2段時(shí)間為t60~100,車(chē)輛速度從60km/h加速到100km/h,功率恒定,轉(zhuǎn)矩呈雙曲線(xiàn)下降。2.1電機(jī)要計(jì)算P100max,需得到t0~60,而t0~100=t0~60-t60~100,設(shè)ta1=t0~100,tm=t60~100,有（2-11）2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)選擇和計(jì)算依據(jù)見(jiàn)下表表1驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)選擇和計(jì)算依據(jù)按照上述方法計(jì)算后,還需要根據(jù)供應(yīng)商提供產(chǎn)品和型號(hào)進(jìn)行選配,實(shí)際參數(shù)更多的則是接近計(jì)算值。隨后,可以根據(jù)上面計(jì)算過(guò)程,反過(guò)來(lái)校核各種工況。本章內(nèi)容2.1電機(jī)電機(jī)基礎(chǔ)直流電機(jī)交流電機(jī)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算問(wèn)題2.2電控電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效能和能量回收的計(jì)算問(wèn)題2.2電控電控系統(tǒng)電控系統(tǒng)控制的對(duì)象為電機(jī),目前電動(dòng)汽車(chē)上常用的電機(jī)有交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)兩種。交流異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))控制系統(tǒng)該控制系統(tǒng)由電機(jī)控制器和逆變器構(gòu)成。從電機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=60f(1-S)/p來(lái)看,電機(jī)控制器采用脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation,PWM)方式實(shí)現(xiàn)高壓直流到三相交流的電源變換,其逆變器實(shí)際上是變頻器,采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的快速響應(yīng)。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)該控制系統(tǒng)采用正弦波永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),即定子電流為正弦波對(duì)稱(chēng)電流,控制技術(shù)與感應(yīng)電機(jī)類(lèi)似?？刂撇呗灾饕性谔岣叩退俎D(zhuǎn)矩特性和高速恒功率特性上。低速運(yùn)行時(shí)常采用矢量控制,高速運(yùn)行時(shí)常采用弱磁控制。正弦波永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用前景。2.2電控制動(dòng)效能和能量回收的計(jì)算問(wèn)題設(shè)地面制動(dòng)力為Fxb,輪邊摩擦制動(dòng)力為Fμ,輪邊的電機(jī)制動(dòng)力為Fre,有：（2-12）Fμ、Fre與摩擦制動(dòng)力矩Tμ(汽車(chē)非抱死情況下)、再生制動(dòng)力矩Tre關(guān)系為：（2-13）電動(dòng)汽車(chē)和串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)取K1=93%,并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)取K1=88%。摩擦制動(dòng)最大制動(dòng)力Fμmax是可以計(jì)算的,而電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大制動(dòng)力為Fremax,從而（2-14）α為摩擦制動(dòng)力的加權(quán)系數(shù);β為電機(jī)制動(dòng)力的加權(quán)系數(shù)。0≤α,β≤1。根據(jù)制動(dòng)踏板開(kāi)度,調(diào)節(jié)α和β的值。2.2電控電機(jī)再生制動(dòng)力矩Tre為:（2-15）電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析當(dāng)汽車(chē)在良好路面制動(dòng)時(shí),以地面制動(dòng)力Fxb代替加速阻力Fa,有：車(chē)輪負(fù)載功率P為：（2-16）（2-17）制動(dòng)時(shí)輸入機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的瞬時(shí)功率P1為電機(jī)制動(dòng)力功率Pre和摩擦制動(dòng)力功率Pμ之和,即：（2-18）2.2電控則制動(dòng)過(guò)程衰減的慣性能量ΔE為：（2-19）根據(jù)能量守恒,有：（2-20）再生制動(dòng)時(shí)輸入發(fā)電機(jī)瞬時(shí)功率P2為:（2-21）對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)和串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)取K1=93%,對(duì)于并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)取K1=88%。輸入動(dòng)力蓄電池的瞬時(shí)功率P3為：（2-22）在常規(guī)車(chē)速60km/h以下,將電機(jī)轉(zhuǎn)速n分為幾段,引入電機(jī)轉(zhuǎn)速影響因子ω(n),有：2.2電控（2-23）當(dāng)車(chē)速或電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí),有:（2-24）當(dāng)n≤nb時(shí),Fre為定值?；厥漳芰抗β蔖4為：（2-25）一次制動(dòng)回收的總能量E4為：（2-26）充電電流I為:（2-27）2.2電控城市常規(guī)行駛工況制動(dòng)效能和能量回收分析在城區(qū)以常規(guī)車(chē)速60km/h以下行駛時(shí),空氣阻力Fw和上坡阻力Fi可以忽略,從而其所做功Ew和Ei可忽略,有：（2-28）一次制動(dòng)回收的總能量E4為:（2-29）分幾種情況討論制動(dòng)效能純?cè)偕苿?dòng)模式若在輕制動(dòng)情況下,電機(jī)制動(dòng)力滿(mǎn)足車(chē)輛制動(dòng)需求,制動(dòng)力矩完全由再生制動(dòng)力矩提供,地面制動(dòng)力為:2.2電控（2-30）設(shè)制動(dòng)時(shí)加速度為a,有：（2-31）不考慮滾動(dòng)阻力對(duì)制動(dòng)時(shí)加速度a的影響,則汽車(chē)能達(dá)到的加速度為:（2-32）城區(qū)常規(guī)行駛純?cè)偕苿?dòng)模式下汽車(chē)制動(dòng)時(shí)加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如上圖所示。圖中t1為再生制動(dòng)力增長(zhǎng)所需時(shí)間,t2為最大再生制動(dòng)力持續(xù)作用時(shí)間。式(2-32)對(duì)應(yīng)t2段?？梢赃M(jìn)行制動(dòng)能量回收的時(shí)間為t1、t2之和,其中第2階段可以回收的制動(dòng)能量較多。圖9城區(qū)常規(guī)行駛純?cè)偕苿?dòng)模式下汽車(chē)加速度和時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)2.2電控在t1時(shí)間段內(nèi),制動(dòng)時(shí)加速度a線(xiàn)性增加,即a=kt可以求得k=aremax/t1。當(dāng)汽車(chē)初速度為v0時(shí)瞬時(shí)車(chē)速v為：（2-33）t=t1時(shí)的速度為t1段末速度、t2段初速度,此時(shí)速度v=v0-1.8aremaxt1(km/h)。在t2時(shí)間段,將時(shí)間重新歸0,即將t2段起始點(diǎn)作為原點(diǎn),制動(dòng)時(shí)的加速度為aremax,瞬時(shí)車(chē)速為:（2-34）t=t2時(shí)的速度為t2段末速度,等于零,有：（2-35）2.2電控電動(dòng)汽車(chē)在純?cè)偕苿?dòng)模式下的制動(dòng)距離S為：將式(2-35)代入上式，得：（2-36）t1就是制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。真空助力系與氣壓制動(dòng)系起作用時(shí)間一般為0.3~0.9s,液壓制動(dòng)系起作用時(shí)間在0.1s左右,電制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間很短,電機(jī)時(shí)間常數(shù)一般為1ms。我們討論的是電制動(dòng),取t1=0.001s,則式(2-36)最后一項(xiàng)可以忽略不計(jì),因而:（2-37）2.2電控忽略空氣阻力和上坡阻力,純?cè)偕苿?dòng)時(shí)Eμ=0,故一次制動(dòng)回收的總能量E4為：（2-38）緊急制動(dòng)模式此時(shí)再生制動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)共同作用,汽車(chē)的制動(dòng)加速度為：（2-39）由于地面制動(dòng)力Fxb不能超過(guò)附著力Fφ,即:（2-40）在此模式下制動(dòng)加速度與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)如所示。其中,t1為再生制動(dòng)力增長(zhǎng)所需時(shí)間,可取t1=0.001s;t2為踩下制動(dòng)踏板補(bǔ)償摩擦片與制動(dòng)鼓/盤(pán)間隙所需時(shí)間,可取t2=0.1s;t3為機(jī)械制動(dòng)力增長(zhǎng)所需時(shí)間,可取t3=0.5s;t4為最大共同制動(dòng)力持續(xù)作用時(shí)間。圖10城區(qū)行駛緊急制動(dòng)模式下加速度和時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)2.2電控參照式(2-37)推導(dǎo)方法,得此模式下的制動(dòng)距離s為：（2-38）上式計(jì)算的制動(dòng)距離s應(yīng)小于規(guī)定的安全制動(dòng)距離。適當(dāng)增大汽車(chē)制動(dòng)加速度aremax可以延長(zhǎng)再生制動(dòng)距離,從而可以盡可能多地回收制動(dòng)能量。但是該制動(dòng)模式下總制動(dòng)時(shí)間很短,所以回收的能量非常有限。緊急制動(dòng)時(shí),滾動(dòng)阻力相對(duì)于地面制動(dòng)力Fxb而言可以忽略,則一次制動(dòng)回收的能量E4為：（2-39）2.2電控一般制動(dòng)模式一般制動(dòng)模式即靠近目標(biāo)時(shí)先進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的再生制動(dòng),回收制動(dòng)能量之后再利用機(jī)械制動(dòng)使汽車(chē)停車(chē)。此時(shí)汽車(chē)的制動(dòng)加速度與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)如右圖所示。圖11城區(qū)行駛一般制動(dòng)模式下加速度和時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)其中,t1為再生制動(dòng)力增長(zhǎng)所需時(shí)間,取t1=0.001s;t21表示電機(jī)再生制動(dòng)單獨(dú)作用的時(shí)間且車(chē)速在48km/h以上;t22表示電機(jī)再生制動(dòng)時(shí)間與踩下制動(dòng)踏板補(bǔ)償摩擦片與制動(dòng)鼓/盤(pán)間隙所需時(shí)間,且車(chē)速在48km/h以下,但在機(jī)械制動(dòng)力起作用的點(diǎn)即30km/h以上;t3為機(jī)械制動(dòng)力增長(zhǎng)所需時(shí)間,取t3=0.5s;t4為最大共同制動(dòng)力持續(xù)作用時(shí)間且車(chē)速在7.5km/h以上有能量回收;t5為共同制動(dòng)力作用時(shí)間且車(chē)速在7.5km/h以下無(wú)制動(dòng)能量回收。這一制動(dòng)模式的目的不是出于安全制動(dòng)而是為了回收較多的制動(dòng)能量。此模式下制動(dòng)距離比純?cè)偕苿?dòng)略小一些。2.2電控電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量再生控制策略摩擦制動(dòng)力Fμ=αFμmax,電機(jī)制動(dòng)力Fre=βFremax,α、β代表了機(jī)械液壓制動(dòng)和電氣制動(dòng)的分配情況。它取決于電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量再生控制策略。電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)需要解決的兩個(gè)主要問(wèn)題:如何在再生制動(dòng)和摩擦制動(dòng)之間分配所需的總制動(dòng)力,以回收盡可能多的車(chē)輛動(dòng)能;如何在前、后輪軸上分配總制動(dòng)力,以達(dá)到穩(wěn)定的制動(dòng)效果。再生制動(dòng)只對(duì)驅(qū)動(dòng)輪有效,因而對(duì)只有前輪驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)和前、后全輪驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)策略是不同的。目前主要有3種制動(dòng)能量再生控制策略:理想制動(dòng)力分配控制策略;最佳制動(dòng)能量