纯电动汽车电力驱动毕业设计

纯电动汽车电力驱动毕业设计内容摘要：

技术优势上有很多有利条件。 纯电动车因采用电池而带来在能源、环保和降 噪方面显示出优越性和具有强大的竞争能力，采用电机还可以实现无级调速和再生制动功能，除此之外电动汽车还能更快地实现机电一体化和采用现代电子控制技术。 现代电动车是一个复杂的系统工程，它的理论基础是将汽车技术、电机技术、驱动技术、电力电子技术、能源存储技术和现代控制理论有机的结合起来，实现系统的集成优化。 总结起来纯电动车开发的关键技术主要有以下几个方面。 (1)、 高功率密度驱动电机研究 电动车辆的驱动电机属于特种电机，它是电动汽车的关键部件。 要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有宽的调速范围及高的转速，足够 大的启动扭矩，体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。 目前电动汽车所采用的电动机中，直流电动机基本上己被交流电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。 电动汽车所用的电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。 当今世界己研制出功率密度超过 1kw/kg，额定点的效率大于 90%的小型电动机，电机满足低速恒扭矩、大扭矩和高速恒功率的牵引控制要求。 常用的电机基本特性比较如下表 所示 : 表 各种电机基本特性对比 直流电机 交流感应电机 永磁式电机 开关阻尼电机 功率密度 低 中 高 较高 过载能力（ %） 200 300～ 500 300 300～ 500 峰值效率（ %） 85～ 89 94～ 95 95～ 97 90 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 65 页 负荷效率（ %） 80～ 87 90～ 92 85～ 97 78～ 85 功率因数（ %） 82～ 85 90～ 93 60～ 65 恒功率区 1:5 1： 1:3 转速范围（ r/min） 4000～ 6000 12020～ 20200 4000～ 10000 15000 可靠性 一般 好 优良 好 结构的坚固 差 好 一般 优良 电机尺寸 大 中 小 小 电机 质量 重 中 小 小 目前，在电力传动中大约有 90%的机械使用交流异步电机。 对于电动客车来讲，交流感应电机是理想选择。 交流感应电机与直流电机相比其结构简单，从技术水平上来看，感应电机驱动系统适合功率需求较大的电动客车。 (2)、 车用动力蓄电池的选择 目前主要限制电动汽车发展的是车用动力蓄电池，其比能量、比功率、循环使用寿命低和成本高。 因蓄电池的性能决定了电动汽车的性能指标，能量密度决定电动汽车一次充电续驶里程，功率密度决定电动汽车的加速性能和最高车速。 当前世界各发达国家都制定了相应的发展电动汽车 动力蓄电池的计划，如美国三大公司于 1991 年 1 月签定了一个为期 12 年的协议，成立了先进电池研究联合体，合作研究车用蓄电池，并发布了中长期目标，如表 所列。 可作为电动汽车蓄电池的有很多种，如铅酸、镍镉、镍氢、钠硫、镭离子及飞轮电池和燃料电池等，其中最有前景的是镍氢、钠硫、镭离子及飞轮电池和燃料电池。 表 先进蓄电池中长期目标 性能 中期目标 长期目标 比能量（ C/3放电率）/(W h kg1 ) 80～ 100 200 比功率（ 80%放电深度）/(W kg1 ) 150～ 200 400 循环寿命（ 80%放电深度） /次 600 1000 销售价格 /（美元 /Kw h） 150 100 使用温度 /℃ 30～ 65 40～ 85 充电时间 /h 6 3～ 6 效率（ C/3 放电， 6h充电） /% 75 80 自放电 （ 48h） (30d) 热损耗（高温电池） ( Kw h)15%额定容量 维护 方法 免维护，极小的车载控制 (3)、 系统匹配设计及整车轻量化技术 电动汽车由于车身质量、空间和能源的矛盾，因此在设计时必须考虑采用一定的措施来提高电动车的系统运行效率和整车的质量，以增加其续驶里程。 1)通过对整车实际使用工况和使用要求的分析，对电池的电压、容量、驱动电机功率、转速和转矩范围、整车性能等车辆宏观参数的总体优化，合理选择电池和电机参数。 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 65 页 2)通过结构优化和集成化、模块化优化设计，减轻动力总成、车载能源系统的重量。 这里包括对电机、电机驱动器、传动系、冷却系统、空调和制动真空系统的集成和模块 化设计，是系统得到优化。 电池、电池箱、电池管理系统、车载充电机组成的车载能源系统的合理集成和分散，实现系统优化。 3)积极采用轻质材料，如电池箱的结构框架、箱体封皮、轮毅等采用轻质合金材料。 4)利用 CAD 技术对车身承载结构件 (如前后桥、新增的边梁、横梁等 )进行有限元分析研究，用计算和试验相结合的方式，实现结构最优化。 (4)、 电力驱动系统综合控制研究 实现电动车各种驱动方案的关键技术是各驱动轮电机的调速控制和行驶系统的控制。 目前世界各国所开发的电动车电力驱动系统控制的软硬件大致如图 所示 : 图 电动车驱动系统控制结构原理图 因此，首先必须建立准确适用的数学模型和控制模型，设计快速有效的控制算法，然后再开发以微处理机为核心的控制单元。 这些控制技术和方法的研究也是当今世界各国攻关的热点。 (5)、 整车网络通讯系统研究 现代电动车整车控制系统是两条总线的网络结构，即驱动系统的高速 CAN 总线和车身系统的低速 CAN 总线。 实现整车网络化控制，其意义不只是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加问题，网络化实现的通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在汽车上应用的一个基础，同时也为 Xbywire 技术提供有力的支撑。 高速 CAN 每个节点为各子系统的 ECU，低速 CAN 按物理位置设置节点。 基本原则是基于空间位置的区域自治，即物理位置相近的电器元件连接到一个节点控制单元，各元件的信号通过 ECU 与总线进行通讯。 低速总线有两种方案可以选择，低速 CAN 和 LIN 总线。 高速和低速 CAN 总线的结构都为独立控制结构，可以按照 ISO1189 J1939 及 J2284 组建高速CAN，按照 ISO115192 J1939及 J2284组建低速容错 CAN。 各节点自成一个系统，节点控制单元根据本地传感器和来自 CAN 总线上的信 号控制本地执行机构，同时将需要与其他节点共享的信号传输到总线上。 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 65 页 (6)．整车智能化的能量管理系统研究与开发 能量管理系统担负着维持电动车所有的蓄电池组件工作处于最佳状态。 采集车辆的各个子系统的运行数据，进行监控和诊断。 控制充电方式和提供剩余能量显示等职责。 因此智能化的能量管理系统研究与开发不仅要建立包括蓄电池在内的电动车的数学模型而且要开发以微处理器为核心的电子控制单元。 可以归结为以下几个方面 : 1)故障诊断及高压点安全管理技术 故障诊断及安全管理系统对纯电动车动力链的各个环节进行状态监控、故障诊断，并相 应启动失效策略和安全保护功能，确保车辆的安全性和可靠性。 其设计功能为 :以高压电安全管理为第一功能目标。 以分布式控制系统的故障诊断为特点。 兼顾 CAN 总线的故障检测与管理。 2)能量储存系统的集成 实现动力电池与电池管理系布置集成，以及与车载智能充电机、均衡系统以及专用充电机的功能架构细分，实现充电过程管理系统和充电机协同工作，快速充电和车载慢速充电两种方式智能识别，快速充电过程和充电信息基于 CAN 总线交互。 3)电池均衡及热管理系统的设计 电动汽车的性能表现依赖于作为能量贮存系统的动力蓄电池组。 电池组 性能直接影响整车的加速特性、续驶里程以及制动能量回收的效率等。 电池的成本和循环寿命直接影响车辆的成本和可靠性，所有影响电池性能的参数必须得到优化。 电动车的电池在使用中发热量很大，电池温度影响电池的电化学系统的运行、循环寿命和充电可接受性、功率和能量、安全性和可靠性。 所以，为了达到最佳的性能和寿命，需将电池包的温度控制在一定范围内。 减小包内不均匀的温度分布以避免模块间的不平衡，以此避免了电池性能下降，且可以消除相关的潜在危险。 由于电池包的设计既要密封、防水、防尘、绝缘等，又要考虑空气流流场分布、均匀散热。 电池 包的散热通风设计，成为电动车研究的一个重要领域。 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 65 页 电动汽车动力总成主要包括能源系统、驱动系统。 动力总成是电动汽车最重要的子系统，决定了整车的动力性和经济性，是电动汽车产业化的关键。 能源系统主要由动力电池及相关的管理系统构成。 驱动系统是由驱动电机及其控制器、机械传动系统、车轮等构成。 动力总成在整车控制 系统的协调控制下，实现驾驶员的操纵意图。 纯电动汽车的动力总成 动 力 总 成 的基本形式 纯电动汽车动力总成有很多种形式，主要有单电机驱动方式、双 电机驱动方式、轮毅电机驱动方式、相互相反电动机驱动方式等。 不同方式有不同的动力总成布置和不同的传动系结构方式。 纯电动客车采用了 单电机后轮驱动 的方式，动力总成主要包括 驱动电机、动力电池、传动系和控制系统 四部分。 纯电动客车保留了原车型的部分传动系统。 电机驱动系统和动力电池系统基于 CAN 网络结构和在控制系统的协调控制下实现整车驱动、再生制动和能源合理分配等功能。 图 为纯电动客车动力系统结构原理。 图 动力系统构成 动 力蓄 电 池 组 及 其管理系统 纯电动车行驶完全依赖蓄电池的能量，电池容量越大，可以 实现的续驶里程越长，但是相应的需要的电池的体积、质量也越大，会增加电动车的整车质量降低整车的动力性，同时给整车的布置也增加了难度。 所以纯电动汽车电池的选择和匹配要根据具体的设计目标、道路情况和行驶工况的要求和实际情况来确定电池的类型和参数。 总结电动车对动力电池的具体要求如下。 ①电池组要有足够的能量和容量，以保证典型的连续放电不超过 1C，典型峰值放电一般不超过3C。 如果电动汽车上安装了回馈制动，电池组必须能够接受高达 5C 的脉冲电流充电。 ②电池要能够实现深度放电 (例如 80%)而不影响其寿命，在必要时能实现满负荷功率和全放电。 ③需要安装电池管理系统和热管理系统，显示电池组的剩余电量和实现温度控制。 ④由于动力电池组体积和质量较大，电池箱的设计、电池的空间布置和安装问题都需要认真研究。 基于以上的标准综合市场电池供给和成本等因素进行电池的选择。 目前电动车用动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池、金属空气电池、镭离子电池等类型，综合各类电池，基于电池的高比功率陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 65 页 和高比能量，项目组选择了镭离子电池作为动力电池。 镭离子电池是在二次镭电池的基础上发展起来的。 它从原理上解决了二次镭电池安全性差和充放电寿命短两个技术难题。 典型的电池体系构成如下 :电池的正负极均由可以由嵌入和脱出 Li＋的化合物或材料组成。 其中正极为镭化跃迁金属氧化物 (LiMo2， M－ Co、 Mn或 Ni等跃迁金属 )。 负极为可嵌入 Li＋的碳 (形成 LixC－碳化镭 )。 电解质通常是有机溶液或固体聚合物。 镭离子电池是 1990 年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。 1995 年，索尼公司又开发成功用于电动车的镭离子蓄电池，共分为两种类型，一种是用于纯电动车容量为 100Ah 的高能量电池。 另一种是用于混合动 力车容量为 22Ah，功率密度为 800w/g的高功率电池。 日本近年来一直在大力研究镭离子电池。 日本政府在 20202020 年设立了国家级镭离子研究项目，日本的主要电池厂商，包括日立、汤浅、松下，都是该项目的成员。 电池的技术指标如表 所示。 表 日本 SNOY 公司电动车用锂电池的技术指标 技术 圆柱形单体电池 方形组合电池 性能 高能型 高功率型 高能型 高功率型 重量（ kg） 29 尺寸（ mm） 67 410 50 250 290 150 140 220 300 160 工作电压（ v） 28． 8 额定容量（ Ah） 100 22 100 22 比能量（ Wh/kg） 110 62 100 55 比功率（ Wkg） 300 800 300 700 法国 SAFT 公司受美国能源部资助，一直在进行镭离子电池的研究工作，致力于 2LiNiO 及2OMLiNi yx 等 较便宜的正极材料的开发并取得一定进展。 SAFT 公司在 200 年向美国能源部提供的镭离子电池组的性能与 FreedomCar 项目对储能电源的目标相比，除了成本外其它性能指标均已达标。 该公司开发的大容量镭离子电池的主要技术 性能见表。 表 法国 SAFT 公司锂离子电池性能指标 技术参数 方形电池 圆柱型电池 单体电池 组合电池（ 6只） 重量（ kg） 尺寸（ mm） 137 53 216 290 150 140 220 300 160 额定能量（ Wh） 415 158 950 额定容量（ Ah） 115 44 88 重量比能量（ Wh/kg） 125 143 128 体积比能量。