純電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［摘要］：我國(guó)是個(gè)人口大國(guó)，隨著近些年我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，汽車的需求和保有量都迅速的加大，而由此引發(fā)的對(duì)能源的消耗，環(huán)境的影響問(wèn)題漸漸嚴(yán)重。發(fā)展具有零排放、高能源效率的純電動(dòng)汽車顯得尤為重要。電動(dòng)汽車是以電力作為能源、由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的的汽車。電動(dòng)汽車具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便和節(jié)能環(huán)保以及小噪聲的特點(diǎn)。所以發(fā)展電動(dòng)汽車符合我國(guó)的基本國(guó)情。電動(dòng)汽車動(dòng)力總成主要包括能源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。動(dòng)力總成是電動(dòng)汽車最重要的子系統(tǒng)，決定了整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。本文對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系部件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)純電動(dòng)汽車性能要求進(jìn)行主要參數(shù)的設(shè)計(jì)及匹配，通過(guò)對(duì)概念車型的計(jì)算，驗(yàn)證該概念車輛動(dòng)力性能的可行性。分析影響續(xù)駛里程、最高車速和最大爬坡度的各種因素，提出能夠很好地提高電動(dòng)汽車動(dòng)力性能的措施和方法。進(jìn)一步計(jì)算主要參數(shù)，分析電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及傳動(dòng)機(jī)理，選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能裝置，選取適當(dāng)?shù)淖兯傺b置設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。［關(guān)鍵詞］：電動(dòng)汽車 電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 參數(shù)匹配 傳動(dòng)系統(tǒng) Pure electric vehicles electric drive system designAbstract：Our country is populous country in recent years, with the rapid development of China's national economy, people's living standards improve, demand for cars and ownership are rapidly increasing, and the consequent energy consumption, the impact of environmental issues getting serious. Development of zero-emission, energy-efficient electric car is very important. Electric vehicles based on electricity as an energy source, driven by the motor car. Electric cars have a simple structure, easy to use and energy saving features and a small noise. Therefore, the development of electric vehicles in line with China's basic national conditions.Electric vehicle powertrain including energy systems, drive systems. Electric vehicle powertrain is the most important subsystem determines the vehicle's power and economy, and is key to the electric vehicle industry. In this paper, the design parameters of powertrain components research, design, and matched according to the main parameters of a pure electric vehicle performance requirements, by calculating the concept models to verify the feasibility of the concept vehicle dynamic performance. Analyze the impact of various factors driving mileage, maximum speed and maximum gradeability proposed could well improve the performance of electric vehicle measures and methods. Further calculations main parameters, as well as analysis of the structure and parameters of the transmission mechanism of electric vehicles, select the appropriate drive motor, energy storage devices, select the appropriate electric vehicle transmission design electric drive systems.Keywords: electric cars, electric drive systems, parameter matching, transmission目錄引 言 11.緒論 21.1 研究背景及意義 .21.2 國(guó)內(nèi)外純電動(dòng)汽車的發(fā)展?fàn)顩r .31.2.1 國(guó)外純電動(dòng)汽車的發(fā)展?fàn)顩r 31.2.2 國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀 .41.2.3 現(xiàn)代純電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù) .62.電動(dòng)汽車動(dòng)力總成參數(shù)匹配與設(shè)計(jì) .102.1 純電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成 102.1.1 動(dòng)力總成的基本形式 .102.1.2 動(dòng)力蓄電池組及其管理系統(tǒng) .132.1.3 動(dòng)力電機(jī)及其控制原理 .142.2 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)選擇與計(jì)算 .162.2.1 動(dòng)力性能指標(biāo) .162.2.2 電動(dòng)機(jī)功率選擇 .162.3 電池組的數(shù)量與容量的選擇 182.4 主減速比 與變速箱傳動(dòng)比 的選擇 .200i gi2.5 計(jì)算實(shí)例 202.5.1 動(dòng)力性能指標(biāo)的確立 .202.5.2 整車參數(shù)的確定 .202.5.3 電機(jī)參數(shù)確定 .212.5.4 電池組個(gè)數(shù)和容量的確定 .212.5.5 主減速比和變速箱傳動(dòng)比的確定 .212.5.6 參數(shù)選擇小結(jié) .212.6 本章小結(jié) 223.動(dòng)力總成控制策略設(shè)計(jì) .233.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能 233.1.1 整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .233.1.2 CAN 網(wǎng)絡(luò)體系 253.1.3 控制系統(tǒng)的功能定義 .263.2 電機(jī)過(guò)載管理 273.2.1，電機(jī)負(fù)載過(guò)載 .273.3 能量管理策略 283.4 本章小結(jié) 294.全文總結(jié)和研究展望 305 參考文獻(xiàn) 32第 1 頁(yè) 共 31 頁(yè)引 言由于經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的需求急速增長(zhǎng)。中國(guó)已成為全球第一能源消費(fèi)大國(guó)。中國(guó)能源研究會(huì)預(yù)測(cè)，我國(guó)能源需求將繼續(xù)增長(zhǎng)，這將進(jìn)一步推動(dòng)能源價(jià)格的普遍上漲。交通運(yùn)輸業(yè)是目前我國(guó)能源消耗最大，也是能源消耗增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一。與此同時(shí)，交通運(yùn)輸所造成的污染日趨嚴(yán)重。汽車尾氣排放已成為我國(guó)各大中城市污染的主要來(lái)源之一，交通所造成的污染已經(jīng)影響到人們的生活質(zhì)量。例如最近各大城市的霧霾天氣。因此，降低能源消耗、減少環(huán)境污染，以保持交通運(yùn)輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展，已成為我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的首要任務(wù)。純電動(dòng)汽車作為綠色環(huán)保的交通工具，它的投入運(yùn)行不僅對(duì)緩解能源危機(jī)以及環(huán)境問(wèn)題有著重大的作用，對(duì)于我國(guó)自身相關(guān)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及我國(guó)汽車業(yè)在國(guó)際中的地位及競(jìng)爭(zhēng)力也有著及其積極的意義。以電池為能源的電動(dòng)汽車（EV）將成為 21 世紀(jì)中葉及其日后汽車工業(yè)和汽車運(yùn)輸?shù)闹髁ΑＪ澜绺鞔髧?guó)家、汽車公司、研究部門(mén)和科研大學(xué)，從 20 世紀(jì) 70 年代起就投入了大量的人力、物力和財(cái)力來(lái)開(kāi)展 EV 的開(kāi)發(fā)與研究，并且研制出多種多樣的 EV，其中有的已經(jīng)接近或達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的動(dòng)力性能，其中部分車型已經(jīng)批量生產(chǎn)和投入運(yùn)營(yíng)。我國(guó)將 EV 的研究和開(kāi)發(fā)列為“十五”期間、“國(guó)家 865 計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”中的重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，由科技部領(lǐng)導(dǎo)和組織了多個(gè)研究院所、企業(yè)、高等院校，來(lái)開(kāi)展 EV 的研究和開(kāi)發(fā)制造，使我國(guó) EV 的開(kāi)發(fā)和制造技術(shù)有了飛速的進(jìn)展。由于 EV 涉及到汽車車身、底盤(pán)、儲(chǔ)能電池、電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)控制、新材料和新工藝等方面的科學(xué)和技術(shù)。而它們又都是獨(dú)立的系統(tǒng)學(xué)科和技術(shù)。本篇論文僅就以純電動(dòng)汽車的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)模型、驅(qū)動(dòng)模式、特點(diǎn)和主要技術(shù)性能做了基本的研究和闡述。本篇論文中列舉了一些公式、插圖、和表格等，方便閱讀、參考和使用。第 2 頁(yè) 共 31 頁(yè)1.緒論1.1 研究背景及意義在當(dāng)今世界主流能源（石油等）日趨不可逆減少的情況下，人們漸漸的迫切需要一種新的能源代替老一代的作為動(dòng)力源。汽車工業(yè)的高速發(fā)展以及人們對(duì)于汽車使用需求的不斷增加，帶動(dòng)了汽車產(chǎn)量和保有量的持續(xù)上升。從而加劇了能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)是個(gè)人口大國(guó)，隨著近些年我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，汽車的需求和保有量都迅速的提升，而由此引發(fā)的能源、環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重。從 1993 年開(kāi)始，中國(guó)就開(kāi)始成為石油凈進(jìn)口國(guó)。此后幾年內(nèi)，我國(guó)的石油進(jìn)口量每年遞增1000 萬(wàn)噸左右，而且逐年加大。2003 年遞增量達(dá)到 2000 萬(wàn)噸。2004 年，中國(guó)原油進(jìn)口達(dá) 1.227億噸，首次突破 1 億噸大關(guān)。2006 年，中國(guó)原油進(jìn)口量達(dá) 1.452 億噸，2007 年我國(guó)的石油進(jìn)口量幾乎突破兩億噸，比專家預(yù)計(jì)的年限提前了 3 年。目前，中國(guó)己成為全球第二大能源消費(fèi)國(guó)，預(yù)計(jì)能源消費(fèi)的增長(zhǎng)勢(shì)頭還將繼續(xù)。國(guó)際能源機(jī)構(gòu) (IEA)預(yù)測(cè)，隨著越來(lái)越多中國(guó)消費(fèi)者購(gòu)買汽車，到2030 年后，中國(guó)石油消耗量的 80%將需要依靠進(jìn)口。汽車尾氣中含有上百種不同的化合物，其中的污染物有固體懸浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔?、鉛顆粒及硫氧化合物等。一輛轎車一年排出的有害廢氣比自身車重重 3 倍。在我國(guó)南方的許多城市，汽車尾氣己經(jīng)超越工業(yè)污染成為大氣污染的首要污染源，汽車尾氣被市民評(píng)為“最不可忍受的污染物” 。在位列我國(guó)第一批環(huán)保模范城的深圳市，大氣污染中機(jī)動(dòng)車尾氣污染己占 70%，每年排放的各種有害物質(zhì)達(dá) 20 多萬(wàn)噸，并且每年以超過(guò) 20%的速度上升。控制汽車污染，成為該市每年召開(kāi)“兩會(huì)”期間的熱點(diǎn)話題。以解決能源危機(jī)與環(huán)保需求問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，以純電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車的發(fā)展受到全球廣泛關(guān)注。純電動(dòng)汽車具有低噪聲、無(wú)污染、能量來(lái)源多樣化、能量效率高的特點(diǎn)，是解決城市化中的汽車問(wèn)題的最佳途徑。發(fā)展純電動(dòng)汽車將對(duì)調(diào)整我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高重點(diǎn)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)且積極的影響。純電動(dòng)汽車的研發(fā)是電動(dòng)汽車發(fā)展的首要著手點(diǎn)。根據(jù)我國(guó)目前發(fā)展的具體國(guó)情結(jié)合汽車使用管理和運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，首先發(fā)展純電動(dòng)汽車并使其商業(yè)化更符合我國(guó)的實(shí)際情況。隨著技術(shù)的日趨成熟，不論從動(dòng)力來(lái)源，產(chǎn)生條件，做工過(guò)程，做功后的排放物，設(shè)備的損耗與保養(yǎng)等，電力驅(qū)動(dòng)漸漸變的比傳統(tǒng)的熱傳動(dòng)更具有優(yōu)越性。其充電的便利性，維護(hù)成本低下，安全性能更高等優(yōu)勢(shì)將逐步被社會(huì)接納認(rèn)可。電與磁又不可分，在日后的技術(shù)擴(kuò)展，應(yīng)用拓寬方面也有優(yōu)勢(shì)。所以，研究純電動(dòng)汽車是當(dāng)前的大方向，而核心的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更是研發(fā)的前沿。電動(dòng)汽車將逐步替代石化燃料汽車已經(jīng)成為趨勢(shì)，除了動(dòng)力源外，其傳動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)均與傳統(tǒng)汽車并無(wú)太大差別。綜合現(xiàn)有的汽車技術(shù)，提前研究電動(dòng)汽車，分析其與傳統(tǒng)汽車的異同點(diǎn)，可以很好的為以后做技術(shù)儲(chǔ)備。第 3 頁(yè) 共 31 頁(yè)1.2 國(guó)內(nèi)外純電動(dòng)汽車的發(fā)展?fàn)顩r1.2.1 國(guó)外純電動(dòng)汽車的發(fā)展?fàn)顩r世界各國(guó)著名的汽車廠商都在加緊研制各類電動(dòng)汽車，并且取得了一定程度的進(jìn)展和突破?，F(xiàn)代電動(dòng)汽車一般可分為四類：純電動(dòng)汽車（PEV） 、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV） 、燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV） 、外接充電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV） 。從 20 世紀(jì) 70 年代起，世界發(fā)達(dá)國(guó)家均投入巨資進(jìn)行電動(dòng)汽車的商業(yè)化開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。經(jīng)歷了基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)突破、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)，車隊(duì)和小區(qū)域的試用，現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)入小批量商業(yè)化生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用探索的階段。美國(guó)政府以能源部為中心，在電動(dòng)汽車的研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中連續(xù)的逐年遞增投入資金。1976 年美國(guó)制訂了電動(dòng)車輛研究計(jì)劃。1984 一 1985 年美國(guó)能源部撥款 1900 萬(wàn)美元支持電動(dòng)車的研制。據(jù)美國(guó)電動(dòng)汽車協(xié)會(huì) 1995 年發(fā)表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，美國(guó)有 190 家電動(dòng)汽車研發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)。通用的電動(dòng)車第二代 EV-l 與 1996 年開(kāi)始小批量商業(yè)化生產(chǎn)。至 2000 年大約售出 1110 輛。福特公司 2002 年推出全新的 THINK 都市車。不過(guò)近些年由于純電動(dòng)車的價(jià)格太高且續(xù)駛里程未能滿足使用者的需求，因此諸如 EV-1、Chrysler EPIC 等第一代技術(shù)不是很成熟的電動(dòng)汽車已相繼停產(chǎn)。然而美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還繼續(xù)進(jìn)行純電動(dòng)汽車的先進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、先進(jìn)電池及其管理系統(tǒng)等的深入研究。另外小型、低速、特種用途的純電動(dòng)汽車也在不斷的發(fā)展。歐洲各國(guó)成立了歐洲電動(dòng)汽車協(xié)會(huì)，并得到歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)的支持和資助。法國(guó)的標(biāo)致一雪鐵龍與雷諾兩大汽車公司一直在積極研制電動(dòng)汽車，1990 年 J5 和 C25 電動(dòng)貨車投人生產(chǎn)，1995 年標(biāo)致和雪鐵龍電動(dòng)汽車投入生產(chǎn)。法國(guó)在電池、電子控制和電機(jī)技術(shù)等電動(dòng)汽車技術(shù)方面列世前茅。1992 年德國(guó)政府撥款 2200 萬(wàn)馬克，在呂根(Rugen)島建立歐洲電動(dòng)汽車試驗(yàn)基地。戴姆勒公司計(jì)劃在 2010 年推出小型車 smart 品牌和豪華車梅塞德斯一奔馳品牌的電動(dòng)車。目前 Eleetri。Smart在歐洲部分城市己有運(yùn)行。如圖 1.1 所示為 Eleetricsmart 正在倫敦街頭運(yùn)行和在充電站充電。圖 1.1 在城市中運(yùn)行的 EleetrieSmart日本政府一直很重視電動(dòng)汽車的發(fā)展，很早就制定了電動(dòng)汽車發(fā)展計(jì)劃。1991 年通產(chǎn)省制定了第三屆電動(dòng)汽車普及計(jì)劃，用于推動(dòng)電動(dòng)汽車的普及與應(yīng)用，日本各汽車制造商均開(kāi)始了純電動(dòng)第 4 頁(yè) 共 31 頁(yè)汽車的開(kāi)發(fā)。1997 年后日本汽車制造商推出了裝載鎳氫、鐳離子電池的第二代純電動(dòng)汽車。90 年代末，豐田公司研制出 RAV-4 型純電動(dòng)車。尼桑汽車公司 1998 年在日本和美國(guó)銷售的 Ahra-EV 公司自己開(kāi)發(fā)的鏗離子動(dòng)力電池，使用壽命約為 10 年。三菱公司在 1999 年底展出的 FTO-V 上，裝備了新開(kāi)發(fā)大容量、高輸出的鐳離子電池和大功率的永磁同步電動(dòng)機(jī)。目前世界各國(guó)政府和著名的汽車制造商都在如火如茶的進(jìn)行電動(dòng)汽車產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，其中以美國(guó)的藍(lán)鳥(niǎo)客車公司、英國(guó)的 FRAZER-ASH 公司為代表的電動(dòng)客車和電動(dòng)轎車已經(jīng)上市，在英國(guó)已有 4萬(wàn)多輛電動(dòng)汽車在使用。法國(guó)則是世界上推廣應(yīng)用純電動(dòng)汽車最成功的國(guó)家之一，成立了電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用國(guó)家部際協(xié)調(diào)委員會(huì)，在巴黎和拉羅謝爾已經(jīng)建立了比較完善的純電動(dòng)汽車充電站網(wǎng)等純電動(dòng)車運(yùn)行需要的基礎(chǔ)設(shè)施，制定了優(yōu)惠的支持和激勵(lì)使用電動(dòng)汽車的政策，且已經(jīng)初步形成了純電動(dòng)汽車運(yùn)行體系。在近年的國(guó)際性大型運(yùn)動(dòng)會(huì)上，電動(dòng)汽車也成為各國(guó)展示其科技實(shí)力和環(huán)保意識(shí)的工具之一。亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)使用了美國(guó)藍(lán)鳥(niǎo)客車公司生產(chǎn)的純電動(dòng)客車作為公務(wù)和電視轉(zhuǎn)播車，悉尼奧運(yùn)會(huì)購(gòu)買了英國(guó) FRAZER-NASH 公司的近 400 輛電動(dòng)客車作為接送運(yùn)動(dòng)員車輛。 1.2.2 國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀與世界其他國(guó)家一樣，電動(dòng)汽車研發(fā)工作在我國(guó)也正在如火如荼的進(jìn)行著，而且我國(guó)電動(dòng)汽車的研發(fā)與國(guó)外在技術(shù)水平與產(chǎn)業(yè)化方面差距不大。新的中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃中稱，將實(shí)施新能源汽車戰(zhàn)略，推動(dòng)純電動(dòng)汽車、充電式混合動(dòng)力汽車及其關(guān)鍵零部件的產(chǎn)業(yè)化。啟動(dòng)國(guó)家節(jié)能和新能源汽車示范工程，由中央財(cái)政安排資金給予補(bǔ)貼，支持大中城市示范推廣混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車等節(jié)能和新能源汽車。我國(guó)于 20 世紀(jì) 70 年代曾開(kāi)展蓄電池汽車的研究。90 年代“八五”期間蓄電池電動(dòng)汽車被列為國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，以清華大學(xué)為主，開(kāi)發(fā)出我國(guó)第一代蓄電池汽車。 “九五”期間，將電動(dòng)汽車項(xiàng)目確定為國(guó)家重大科技產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目加以實(shí)施，同期國(guó)內(nèi)推出了若干種電動(dòng)汽車樣車。 “十五”和“863”計(jì)劃中，特別設(shè)立電動(dòng)汽車重大項(xiàng)目，選擇新一代電動(dòng)汽車技術(shù)作為我國(guó)科技創(chuàng)新的主攻方向，組織聯(lián)合攻關(guān)，以電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺(tái)為工作重點(diǎn)，力爭(zhēng)在電動(dòng)汽車關(guān)鍵儲(chǔ)能技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)及整車技術(shù)上取得重大突破。 “十一五” 將電動(dòng)汽車單列出來(lái)并納入國(guó)家規(guī)劃，將“新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃”更名為“新興能源的發(fā)展規(guī)劃” ，擴(kuò)大新能源的研發(fā)范疇。我國(guó)電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)實(shí)施 4 年來(lái)，經(jīng)過(guò) 200 多家企業(yè)、高校和科研院所的 2000 多名技術(shù)骨干的努力，目前已取得重要進(jìn)展：燃料電池汽車已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出性能樣車，在整車操控性能、行駛性能、安全性能、燃料利用率等方面均已得到較大提高。一汽、東風(fēng)、長(zhǎng)安、奇瑞等汽車公司對(duì)混合動(dòng)力汽車的開(kāi)發(fā)投入了較大的人力、物力。各車型均已完成功能樣車開(kāi)發(fā)。純電動(dòng)轎車和純電動(dòng)客車均已通過(guò)國(guó)家質(zhì)檢中心的型式認(rèn)證試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，初步形成了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)能力。北京理工大學(xué)承擔(dān)了國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目和 2008 年北京奧運(yùn)會(huì)電動(dòng)車項(xiàng)目，同時(shí)承擔(dān)北京市電動(dòng)汽車示范運(yùn)行管理中心的籌建和運(yùn)行管理工作。以北京理工大學(xué)、北京理工科凌電動(dòng)第 5 頁(yè) 共 31 頁(yè)車股份有限公司、北京公交車廠和北方華德客車股份有限公司為團(tuán)隊(duì)的北京純電動(dòng)客車已順利通過(guò)北京市公共交通總公司組織的示范運(yùn)行車組驗(yàn)收。小批量研發(fā)生產(chǎn)的 4 種車型近 40 輛公交車已經(jīng)投入北京市一區(qū)一線電動(dòng)示范車隊(duì)的示范運(yùn)行。同濟(jì)大學(xué)和上海燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司等共同承建國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)燃料電池項(xiàng)目，也已試制出“春暉一號(hào)” 、 “春暉二號(hào)”和“超越”系列混合動(dòng)力電動(dòng)車。西安交通大學(xué)在電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域研究開(kāi)發(fā)了 15項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，正式授權(quán) 5 項(xiàng)。在國(guó)家“十五” 、 “十一五”863 重大項(xiàng)目支持下，重點(diǎn)開(kāi)展電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，己開(kāi)發(fā)純電動(dòng)微型汽車、純電動(dòng)高速轎車、plug-in 混合動(dòng)力轎車以及混合動(dòng)力公交客車 4 個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)。形成了年產(chǎn) 6 萬(wàn)輛純電動(dòng)轎車總裝線和年產(chǎn) 8 萬(wàn)套動(dòng)力系統(tǒng)的生產(chǎn)線。純電動(dòng)轎車己批量出口歐美，截至 2008 年，清源公司已累計(jì)出口各類電動(dòng)汽車 3000 余輛。北京奧運(yùn)會(huì)、殘奧會(huì)期間，有 500 輛純電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池汽車為奧運(yùn)服務(wù)，其規(guī)模超過(guò)歷屆奧運(yùn)會(huì)，成為展示“綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)、人文奧運(yùn)”理念的移動(dòng)名片。500 輛新能源車輛，均是我國(guó) 863 計(jì)劃的自主創(chuàng)新研發(fā)成果，包括 55 輛純電動(dòng)大客車、25 輛混合動(dòng)力客車、75 輛混合動(dòng)力轎車、20 輛燃料電池轎車、3 輛燃料電池城市客車以及 320 多輛各類純電動(dòng)場(chǎng)地車。如圖 1.2 所示，為我國(guó)已經(jīng)研制并投入到實(shí)際運(yùn)行的純電動(dòng)轎車和純電動(dòng)客車。圖 1.2 純電動(dòng)轎車和奧運(yùn)中的純電動(dòng)客車配合純電動(dòng)車輛運(yùn)行的地面配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也取得了一定的成就。奧運(yùn)期間北京建成了一套較完善的配套設(shè)施，包括為車輛提供能量補(bǔ)充的充電站及充電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò);對(duì)車輛的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集、記錄和分析的電動(dòng)汽車智能化管理系統(tǒng);車輛日常維護(hù)、保養(yǎng)的綜合服務(wù)體系。這套設(shè)施是國(guó)際上規(guī)模最大、充電機(jī)數(shù)量最多的電動(dòng)汽車充電站，并首次實(shí)現(xiàn)了電池更換自動(dòng)化。整個(gè)充電站占地面積 5000 平方米，站內(nèi)布置 240 臺(tái) 9 千瓦充電機(jī)。在奧運(yùn)期間通過(guò)自動(dòng)更換、機(jī)械實(shí)施動(dòng)力電池分箱組合式快速更換，為 50 輛京華電動(dòng)客車提供 24 小時(shí)電池充電、更換服務(wù)，以及相應(yīng)的整車、電池維護(hù)保養(yǎng)服務(wù)。第 6 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 1.3 純電動(dòng)車充電站和正在充電的電動(dòng)車完善廣闊的充電輔助網(wǎng)絡(luò)的配備是純電動(dòng)車的運(yùn)行和發(fā)展的關(guān)鍵。國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)下發(fā)“加快各地充電站建設(shè)”的通知。明確支持加快在上海、北京、天津等大城市加快電動(dòng)汽車充電站建設(shè)。在幾大城市的首批充電站建成后，將成為“示范運(yùn)行”的純電動(dòng)汽車補(bǔ)充電力的基站。全國(guó)范圍內(nèi)大規(guī)模建設(shè)電動(dòng)汽車充電站網(wǎng)絡(luò)展露曙光。目前國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的純電動(dòng)轎車和純電動(dòng)客車很多均已進(jìn)行了國(guó)家質(zhì)檢中心的型式認(rèn)證試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。純電動(dòng)轎車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程、噪聲等指標(biāo)己超過(guò)法國(guó)雪鐵龍公司等國(guó)外大型汽車生產(chǎn)企業(yè)研制的純電動(dòng)轎車和廂式貨車，初步形成了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)能力。1.2.3 現(xiàn)代純電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)純電動(dòng)車以動(dòng)力電池作為能源，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可分為 3 個(gè)子系統(tǒng)，即電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、主能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)。純電動(dòng)車相對(duì)于傳統(tǒng)車在技術(shù)優(yōu)勢(shì)上有很多有利條件。純電動(dòng)車因采用電池而帶來(lái)在能源、環(huán)保和降噪方面顯示出優(yōu)越性和具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)能力，采用電機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和再生制動(dòng)功能，除此之外電動(dòng)汽車還能更快地實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和采用現(xiàn)代電子控制技術(shù)。現(xiàn)代電動(dòng)車是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它的理論基礎(chǔ)是將汽車技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電力電子技術(shù)、能源存儲(chǔ)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成優(yōu)化?？偨Y(jié)起來(lái)純電動(dòng)車開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面。1 高功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)屬于特種電機(jī)，它是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件。要使電動(dòng)汽車有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有寬的調(diào)速范圍及高的轉(zhuǎn)速，足夠大的啟動(dòng)扭矩，體積小、質(zhì)量輕、效率高且有動(dòng)態(tài)制動(dòng)強(qiáng)和能量回饋的性能。目前電動(dòng)汽車所采用的電動(dòng)機(jī)中，直流電動(dòng)機(jī)基本上己被交流電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)或開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)所取代。電動(dòng)汽車所用的電動(dòng)機(jī)正在向大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。當(dāng)今世界己研制出功率密度超過(guò) 1kw/kg，額定點(diǎn)的效率大于 90%的小型電動(dòng)機(jī)，電機(jī)滿足低速恒扭矩、大扭矩和高速恒功率的牽引控制要求。常用的電機(jī)基本特性比較如下表 1.1 所示:第 7 頁(yè) 共 31 頁(yè)表 1.1 各種電機(jī)基本特性對(duì)比· 直流電機(jī) 交流感應(yīng)電機(jī) 永磁式電機(jī) 開(kāi)關(guān)阻尼電機(jī)功率密度 低 中 高 較高過(guò)載能力（%） 200 300～500 300 300～500峰值效率（%） 85～89 94～95 95～97 90負(fù)荷效率（%） 80～87 90～92 85～97 78～85功率因數(shù)（%） - 82～85 90～93 60～65恒功率區(qū) - 1:5 1：2.25 1:3轉(zhuǎn)速范圍（r/min）4000～6000 12000～20000 4000～10000 15000可靠性 一般 好 優(yōu)良 好結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固 差 好 一般 優(yōu)良電機(jī)尺寸 大 中 小 小電機(jī)質(zhì)量 重 中 小 小2 車用動(dòng)力蓄電池的選擇目前主要限制電動(dòng)汽車發(fā)展的是車用動(dòng)力蓄電池，其比能量、比功率、循環(huán)使用壽命低和成本高。因蓄電池的性能決定了電動(dòng)汽車的性能指標(biāo)，能量密度決定電動(dòng)汽車一次充電續(xù)駛里程，功率密度決定電動(dòng)汽車的加速性能和最高車速。當(dāng)前世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都制定了相應(yīng)的發(fā)展電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池的計(jì)劃，如美國(guó)三大公司于 1991 年 1 月簽定了一個(gè)為期 12 年的協(xié)議，成立了先進(jìn)電池研究聯(lián)合體，合作研究車用蓄電池，并發(fā)布了中長(zhǎng)期目標(biāo)，如表 1.2 所列?？勺鳛殡妱?dòng)汽車蓄電池的有很多種，如鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鈉硫、鐳離子及飛輪電池和燃料電池等，其中最有前景的是鎳氫、鈉硫、鐳離子及飛輪電池和燃料電池。表 1.2 先進(jìn)蓄電池中長(zhǎng)期目標(biāo)性能 中期目標(biāo) 長(zhǎng)期目標(biāo)比能量（C/3 放電率）/(W·h·kg )1?80～100 200比功率（80%放電深度）/(W·kg )150～200 400循環(huán)壽命（80%放電深度）/次 600 1000銷售價(jià)格/（美元/Kw·h） 55km/h;最大爬坡度15%;0-40km/h 的加速時(shí)間150km。2.2.2 電動(dòng)機(jī)功率選擇電機(jī)具有一定的效率特性，即在一定的轉(zhuǎn)速和功率，對(duì)應(yīng)一定的效率。由于純電動(dòng)汽車的能量源是有限的，在選擇電機(jī)功率時(shí)，盡量使電機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，能夠經(jīng)常處于高效率的范圍，以獲得較高的能量轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)純電動(dòng)汽車的最高車速選擇，電機(jī)功率的選擇既要滿足整車具有一定的車速，又要根據(jù)整車的使用條件，使得電機(jī)經(jīng)常在趨近滿負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行。必須滿足純電動(dòng)汽車最高車速的要求，以保證在良好的工況下或空載時(shí)，能以較高的車速行駛?？紤]純電動(dòng)汽車主要是作為城市交通工具，大多數(shù)情況下是以中、低速駛，因此，電機(jī)的功率不能選擇得過(guò)大，否則會(huì)使其經(jīng)常處于部份負(fù)荷下工作，使得電機(jī)效率大大下降，浪費(fèi)蓄電池有限的電能。若給出了期望的最高車速，選擇的電機(jī)功率應(yīng)大體上等于但不小于最高車速行駛時(shí)所需功率之和，即：第 16 頁(yè) 共 31頁(yè)(2-1)????????VCPAMgfdT3maxmaxer 76140301?式中： ——電機(jī)額定功率erPM——整車質(zhì)量g——重力加速度f(wàn)——滾動(dòng)阻力系數(shù)——最大車速maxV——空氣阻力系數(shù)dCA——迎風(fēng)面積——?jiǎng)恿鲃?dòng)系統(tǒng)效率Tη在給定，M，g，f， ， ，A， 值后，便能求出應(yīng)有功率值maxVdCTη 根據(jù)純電動(dòng)汽車的加速性能要求選擇電機(jī)的功率越大，則純電動(dòng)汽車的后備功率就越多，從而其加速性能越好。但過(guò)多的后備功率又會(huì)增加純電動(dòng)汽車不必要的能量消耗。在水平良好路面上，車輛的行駛加速度計(jì)算式為：(2-2)MδF-= dfwttv?式中： ——車輛行駛驅(qū)動(dòng)tF——車輛行駛空氣阻力w——車輛滾動(dòng)阻力f——轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量換算系數(shù)，對(duì)純電動(dòng)汽車其計(jì)算式為δ(2-3))rηiI(M1+ IW1=2T0gf2??r式中： ——驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量wI——電機(jī)輸出軸和傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量f——變速箱傳動(dòng)比gi——主減速器傳動(dòng)比0r——車輪半徑第 17 頁(yè) 共 31頁(yè)——?jiǎng)恿鲃?dòng)系統(tǒng)效率Tη由以上兩式可知，純電動(dòng)汽車由起步加速到車速V的加速時(shí)間為：(2-4)F-M3.61=tdVfWt0????v根據(jù)車輛的爬坡性能要求來(lái)選擇純電動(dòng)汽車的運(yùn)動(dòng)方程式：= + + + (2-5)tfwij式中： ——純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力tF——純電動(dòng)汽車滾動(dòng)阻力，f；cosαgM=f?——純電動(dòng)汽車的空氣阻力，在爬坡時(shí)，速度低可忽略此項(xiàng)，wF——純電動(dòng)汽車坡道阻力，i；sinαg=i?——加速阻力，因在勻速爬坡時(shí)，故加速度為零jFα——坡道角度由上式可知，純電動(dòng)汽車的爬坡度計(jì)算式：(2-6)arctn(f)-)1gMFarcsin(=α2Wtf??由以上各式可知，電機(jī)額定功率的取值應(yīng)滿足：按照式（3-1）的計(jì)算最高車速不小于期望值車速 ；maxV按照式（3-4）的計(jì)算起步加速時(shí)間不超過(guò)期望值 ；T按照式（3-6）的計(jì)算爬坡角度最大值不小于期望值 。max?由于電動(dòng)汽車行駛工況較為復(fù)雜，需要電機(jī)有一定的過(guò)載能力，即能承受較大的過(guò)載電流，電機(jī)最大功率取值：(2-7)ermax,Pλ=?式中： ——電機(jī)過(guò)載系數(shù)。?第 18 頁(yè) 共 31頁(yè)2.3 電池組的數(shù)量與容量的選擇1.電池組數(shù)量的選擇動(dòng)力電池組串聯(lián)起來(lái)為電機(jī)供電，動(dòng)力電池模塊最小數(shù)目：(2-8)U=Nminb,inB,式中： ——?jiǎng)恿﹄姵啬K最小數(shù)目；minB,N——電機(jī)最小工作電壓， V；i,U——?jiǎng)恿﹄姵啬K最小電壓， V；minb,動(dòng)力電池需向電機(jī)提供足夠的功率以滿足電機(jī)的峰值功率要求，池模塊數(shù)目的最大值為：(2-9)mηDP 10=Nodpowerax,maxB,式中： ——?jiǎng)恿﹄姵啬K最大數(shù)目；maxB,N——電機(jī)最大功率， kw；,P——?jiǎng)恿﹄姵毓β拭芏?，W/kg；powerD——電機(jī)及其系統(tǒng)控制效率；mη——?jiǎng)恿﹄姵啬K質(zhì)量， kg。od2.電池組容量的選擇動(dòng)力電池的容量主要是由純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程決定，限值可由設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程范圍得到：(2-10)DOUe360L=Cb?式中： ——?jiǎng)恿﹄姵亟M容量， A·h；bCL——續(xù)駛里程，km；e——單位距離消耗的能量，kj/km；——?jiǎng)恿﹄姵亟M模塊工作電壓， V；bUDOD——放電深度；在選擇電池的容量時(shí)，既要滿足汽車的續(xù)駛里程的設(shè)計(jì)要求，又要考慮整車的空間結(jié)構(gòu)幫底盤(pán)第 19 頁(yè) 共 31頁(yè)承載能力。因?yàn)檫x擇電池容量越大，電池組所貯存的電能越多，續(xù)駛里程相應(yīng)延長(zhǎng)，但電池組的重量增加，整車的整備質(zhì)量增加，導(dǎo)致行駛阻力也增加，反過(guò)來(lái)又影響純純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。2.4 主減速比 與變速箱傳動(dòng)比 的選擇0igi在選擇變速箱傳動(dòng)比的時(shí)候，存在無(wú)檔或多檔兩種方案，主要根據(jù)所選電機(jī)的性能和動(dòng)力性的要求來(lái)確定，如果所選電機(jī)的調(diào)速范圍足夠?qū)?，能夠達(dá)到動(dòng)力性和最高車速的要求，就可以直接采用固定速比的變速箱，這樣不僅可以減輕純電動(dòng)汽車的質(zhì)量，而且駕駛時(shí)無(wú)需換檔，駕駛更為輕松。設(shè)總的傳動(dòng)比為。（1） 的選擇首先應(yīng)滿足車輛最高行駛速度要求，由最高車速 與電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 確定zi maxVmaxn傳動(dòng)比的上限。(2-11)maxzr/0.37≤i?(2) 由電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩 和最高車速對(duì)應(yīng)的行駛阻力 確定速比的n,TmaxF下限值。(2-12))r/(ηF≥imaxn,Tmaxz?（3）由電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩 和最大爬坡度對(duì)應(yīng)行駛阻力 確定。a,Tmax,F?(2-13))r/(iax,Tmax,z??當(dāng) 確定以后就可以確定 的大小。0i g(2-14)/i=0z2.5 計(jì)算實(shí)例2.5.1 動(dòng)力性能指標(biāo)的確立此電動(dòng)汽車初步指標(biāo)定位：最高車速55km/h;最大爬坡度15%;0-40km/h 的加速時(shí)間150km。2.5.2 整車參數(shù)的確定綜合任務(wù)書(shū)，結(jié)合相關(guān)參考資料，暫得出此次設(shè)計(jì)的汽車整車參數(shù)為此次設(shè)計(jì)的車輛整車質(zhì)量（滿載）暫定為900kg，車寬1700mm，前后輪距2100mm。詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2.2第 20 頁(yè) 共 31頁(yè)參數(shù)名稱 符號(hào) 單位 數(shù)值整車質(zhì)量（滿載） M Kg 900滾動(dòng)阻力系數(shù) f 0.02空氣阻力系數(shù) dC0.3迎風(fēng)面積 A 2m2.21車輪滾動(dòng)半徑 r m 0.29傳動(dòng)系機(jī)械效率 Tη0.9表2.22.5.3 電機(jī)參數(shù)確定根據(jù)式（2-1） 可求得 6.9kw，取????????VCPAMgfdT3maxmaxer 76140301?erP=13kw。erP2.5.4 電池組個(gè)數(shù)和容量的確定根據(jù)式（2-8） 計(jì)算電池模塊最小數(shù)目 =8，由式（2-9） U=Nminb,inB, minB,N可得電池模塊最大數(shù)目 =12，取 =10。由式(2-10) ηDP 10=odpowerax,maxB, ax,得電池容量 57.9A·h，實(shí)際取容量120A·h 。 OU36LCb?bC2.5.5 主減速比和變速箱傳動(dòng)比的確定由式（2-11--2-13) ， ，maxzr/V0.37≤i? ) Tr/(ηF≥imax,max,z??，可得7.695 11.529，取 =5.125， =2.14maxzr/V0.37≤i? iz0gi2.5.6 參數(shù)選擇小結(jié)各部件參數(shù)見(jiàn)表2.3第 21 頁(yè) 共 31頁(yè)部件 設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)值電機(jī)（AC） erPmax,ernmaxrUI13kw24kw2956r/min5800r/min75V57.8A鋰離子電池 額定輸出電壓額定標(biāo)準(zhǔn)放電容量120V120A·h傳動(dòng)系 主減速比固定速比5.1252.142.6 本章小結(jié)1) 通過(guò)比較常見(jiàn)的幾種純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的布置方案發(fā)現(xiàn)：電動(dòng)輪方案雖然有比較明顯的優(yōu)點(diǎn)，但相關(guān)的技術(shù)并不是十分的成熟，考慮到現(xiàn)在交流電機(jī)及其控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，變速范圍很寬，同時(shí)所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車主要用于城市交通，所以采用了固定速比的方案。2) 由于飛輪電池和超級(jí)電容用作純電動(dòng)汽車儲(chǔ)能元件仍存在著一些技術(shù)難點(diǎn)和缺陷，使得蓄電池成了目前純電動(dòng)汽車儲(chǔ)能元件的主流。作為近期目標(biāo)鉛酸電池仍將在純電動(dòng)汽車上得到廣泛的應(yīng)用，而鎳氫電池、鋰離子電池、鎳氫電池隨著技術(shù)的不斷成熟、造價(jià)和使用成本的降低使用將越來(lái)越廣泛。3) 隨著功率半導(dǎo)體性能的不斷提高和價(jià)格的降低，交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將成為未來(lái)的主流；永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，隨著成本的降低和可靠性的迸一步提高，在純電動(dòng)汽車上也將在一定范圍內(nèi)得到應(yīng)用；4) 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足車輛的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程要求，在動(dòng)力性能指標(biāo)和續(xù)駛里程指標(biāo)確定的情況下，運(yùn)用基本的汽車?yán)碚摵碗姍C(jī)知識(shí)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)匹配計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的合理選擇。第 22 頁(yè) 共 31頁(yè)3.動(dòng)力總成控制策略設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的控制是基于整車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。純電動(dòng)汽車整體上按照電驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)可劃分為由電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。其中電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制單元、機(jī)械傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)車輪等組成;能源系統(tǒng)由動(dòng)力蓄電池組及電池的能量管理系統(tǒng)和充電等系統(tǒng)組成;整車控制系統(tǒng)由整車控制器及網(wǎng)絡(luò)通訊等系統(tǒng)組成;輔助系統(tǒng)是由車載顯示等其它系統(tǒng)組成。整車控制系統(tǒng)除了需要完成動(dòng)力總成的控制之外同時(shí)還需要管理其它附屬部件，并協(xié)調(diào)好各個(gè)部分工作，完成通訊和控制，使它們正常可靠的工作，保證車輛獲得較好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。為了保證整車的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和安全可靠，在對(duì)純電動(dòng)客車動(dòng)力總成控制的設(shè)計(jì)上，要以整車性能為目標(biāo)，主要從能量協(xié)調(diào)管理、驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)等方面入手?？刂撇呗钥紤]以下因素:在車輛行駛過(guò)程中，使動(dòng)力電池組避免過(guò)度放電和過(guò)度充電，延長(zhǎng)動(dòng)力電池組的使用壽命;使電機(jī)避免長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載，盡可能的工作在高效區(qū);使車輛制動(dòng)時(shí)完成能量回饋，提高車輛的行駛經(jīng)濟(jì)性。3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能3.1.1 整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整車控制系統(tǒng)要根據(jù)駕駛員的操作和當(dāng)前的整車及部件工作的狀況，在能保證安全和動(dòng)力性要求的前提下代替駕駛員選擇盡可能優(yōu)化的工作條件，合理的控制能量的流動(dòng)輸出，以達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)性。與傳統(tǒng)燃油車相比，純電動(dòng)車使用了更多的控制系統(tǒng)，例如電池組管理及其控制系統(tǒng)、電機(jī)及其控制系統(tǒng)、電動(dòng)空調(diào)及其控制系統(tǒng)、駕駛員信息顯示和預(yù)警系統(tǒng)等等。為了完成各個(gè)控制系統(tǒng)間信息的傳遞和交換，綜合考慮可靠性、成本等因素，電動(dòng)汽車需要進(jìn)行整車網(wǎng)絡(luò)化綜合控制和管理。電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)是由整車控制器、通訊系統(tǒng)、部件控制器以及駕駛員操縱系統(tǒng)構(gòu)成。純電動(dòng)客車整車控制系統(tǒng)以整車控制器為中心，通過(guò) CAN 通信建立起來(lái)的控制通信網(wǎng)絡(luò)?？刂坪?jiǎn)圖如圖 3.1第 23 頁(yè) 共 31頁(yè)圖3.1車內(nèi)CAN控制線示意圖純電動(dòng)車整車控制系統(tǒng)部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作傳送信息量大。需要整車控制系統(tǒng)從全局的角度協(xié)調(diào)控制汽車各部件的工作狀態(tài)，從而完成性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。控制系統(tǒng)的部件都有自己的控制器，為實(shí)現(xiàn)分布式分層控制提供了基礎(chǔ)，可以完成控制系統(tǒng)的的拓補(bǔ)分離和功能分離?？刂破魇窍到y(tǒng)核心，承擔(dān)了數(shù)據(jù)交換、安全管理和能量分配的任務(wù)。純電動(dòng)客車通過(guò)整車控制器與駕駛員進(jìn)行信息的交流。駕駛員的駕駛意圖通過(guò)操縱部件把信息直接發(fā)送給整車控制器。駕駛員所能控制的是鑰匙開(kāi)關(guān)、加速踏板、制動(dòng)踏板、變速箱擋位等，整車控制器則是將鑰匙開(kāi)關(guān)、加速踏板、制動(dòng)踏板、變速箱檔信息及 CAN 網(wǎng)絡(luò)上其它控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、車輛傳感器數(shù)據(jù)、車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集處理，同時(shí)將其處理結(jié)果以控制消息的方式通過(guò) CAN 總線發(fā)布，其它控制系統(tǒng)的中央處理單元根據(jù)從 CAN 總線接收的信息進(jìn)行相應(yīng)的操作處理。與此同時(shí)，整車控制器又將必要的信息通過(guò)車輛儀表顯示出來(lái)。這樣，整車控制器就實(shí)現(xiàn)了與駕駛員的溝通和整車的控制。整車控制器需要處理的信號(hào)和數(shù)據(jù)如表 3.1 所示。表 3.1 控制系統(tǒng)傳輸處理數(shù)據(jù)匯總模擬量 加速踏板開(kāi)度、制動(dòng)踏板開(kāi)度、制動(dòng)主缸壓力、車速整車信息 開(kāi)關(guān)量 鑰匙開(kāi)關(guān)、充電開(kāi)關(guān)、方向信號(hào)、檔位信號(hào)、前進(jìn)、后退、控制器開(kāi)關(guān)、暖氣開(kāi)關(guān)、氣泵開(kāi)關(guān)、油泵開(kāi)關(guān)、手制動(dòng)開(kāi)關(guān)等電機(jī)信息 電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度；電樞的電流、電壓、報(bào)警信號(hào)等電池信息 電池的總電壓、總電流、動(dòng)力電池組充電狀態(tài)、SOC 值、電池單體溫度和電壓等第 24 頁(yè) 共 31頁(yè)3.1.2 CAN 網(wǎng)絡(luò)體系CAN 的全稱是 ContronerAreaNetwork 是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱。CAN 總線是德國(guó) Bosch 公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多電控模塊之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行通信協(xié)議，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線范疇。CAN總線的設(shè)計(jì)充分考慮了汽車上惡劣工作環(huán)境，可采用雙絞線，同軸電纜和光導(dǎo)纖維。通信距離跟波特率有關(guān)，通信可靠性較高。CAN 總線在諸多現(xiàn)場(chǎng)總線中獨(dú)占鰲頭，成為汽車總線的代名詞，現(xiàn)已被列入 ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，稱為 ISO11898。與一般的通訊總線相比，CAN 總線的數(shù)據(jù)通訊具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)可以概括如下:(l)通信方式靈活，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。(2)CAN 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求。(3)在發(fā)生信息傳送碰撞時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，尤其在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。(4)CAN 只需要通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接受數(shù)據(jù)，無(wú)需專門(mén)“調(diào)度” 。(5)CAN 的直接通信距離可達(dá) 10km(傳輸速率在 5Kbps 以下);最高通訊速率可達(dá) 1MbPs。(6)CAN 上節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前最多可達(dá) 110 個(gè)。(7)CAN 總線通信格式采用短幀格式，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。(8)CAN 的每幀信息都有 CRC 校驗(yàn)以及其它檢錯(cuò)措施，保證了通信可靠。(9)CAN 總線通信接口中集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理。(10)CAN 的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。(11)CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，使總線上的其他節(jié)點(diǎn)不受影響。純電動(dòng)客車整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖 3.2 所示。第 25 頁(yè) 共 31頁(yè)圖3.2純電動(dòng)汽車CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原理由于CAN網(wǎng)絡(luò)有許多優(yōu)點(diǎn)，并且適合汽車的環(huán)境，所以純電動(dòng)客車整車網(wǎng)絡(luò)化綜合控制和管理采用CAN網(wǎng)絡(luò)。在純電動(dòng)客車上采用CAN網(wǎng)絡(luò)，可以很好的融合各個(gè)控制系統(tǒng)。使純電動(dòng)客車的功能得到較好的完善，同時(shí)降低成本提高了整車性能。純電動(dòng)客車上需要CAN連接通信的系統(tǒng)有電機(jī)及其管理系統(tǒng)、電池及其管理系統(tǒng)、整車控制器、車載顯示系統(tǒng)和電動(dòng)附件等。3.1.3 控制系統(tǒng)的功能定義從純電動(dòng)客車實(shí)際運(yùn)行的角度來(lái)看，整車控制系統(tǒng)需實(shí)時(shí)采集駕駛員的操作信息和其他各個(gè)部件的工作狀態(tài)信息。在解釋執(zhí)行駕駛員操作意圖的同時(shí)要把整車的信息顯示反應(yīng)給駕駛員，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。而對(duì)駕駛員不能直接做出判斷和反應(yīng)的信息和情況，整車控制系統(tǒng)應(yīng)可以代替駕駛員做出分析和處理，保證車輛行駛安全。對(duì)于駕駛員不合理的和錯(cuò)誤的操作，控制系統(tǒng)應(yīng)該予以識(shí)別并進(jìn)行提示和及時(shí)適當(dāng)?shù)南拗?，防止部件的損壞。在此基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)要協(xié)調(diào)好純電動(dòng)客車整車上各個(gè)部件之間的工作以及各個(gè)能量消耗部件間的能量的分配關(guān)系。根據(jù)以上要求對(duì)整車控制器的功能定義如下:1.對(duì)汽車驅(qū)動(dòng)控制的功能整車控制器需根據(jù)司機(jī)的駕駛要求、車輛狀態(tài)、道路及環(huán)境狀況，經(jīng)過(guò)分析和處理后，向電機(jī)控制器發(fā)出指令，滿足駕駛工況要求。當(dāng)駕駛員踩下加速踏板時(shí)純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須按照駕駛員意圖輸出驅(qū)動(dòng)扭矩。此時(shí)整車控制器要接收踏板開(kāi)度信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩輸出第 26 頁(yè) 共 31頁(yè)要求。這一功能是整車控制器的基本功能。同時(shí)整車控制器需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行情況，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)超出安全范圍時(shí)，提醒駕駛員并及時(shí)做出相應(yīng)的限制命令。2.完成制動(dòng)能量回饋控制汽車進(jìn)行回饋制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作，在提供制動(dòng)扭矩的同時(shí)利用電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量發(fā)電，并將此能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中。整車控制器根據(jù)制動(dòng)踏板和加速踏板信息、車輛行駛狀態(tài)信息、電機(jī)工作狀態(tài)、蓄電池荷電狀態(tài)信息(SOC)，計(jì)算制動(dòng)減速度，向電機(jī)控制器發(fā)出指令。當(dāng)滿足制動(dòng)回饋條件時(shí)，將能量反充給蓄電池組。3.整車能量管理在純電動(dòng)汽車上，動(dòng)力電池除了給驅(qū)動(dòng)主電機(jī)供電以外，還要給電動(dòng)空調(diào)等一些電動(dòng)附件供電，整車控制器將負(fù)責(zé)整車的能量管理，同時(shí)合理的分配，以提高能量的利用率。在電池的 SOC 值比較低的時(shí)候，為保證有安全的續(xù)駛里程，整車控制器應(yīng)該可以對(duì)空調(diào)等不影響行駛安全性的附件發(fā)出指令，限制動(dòng)力電池向這類電動(dòng)附件輸出的功率，來(lái)增加續(xù)駛里程。4.整車網(wǎng)絡(luò)管理在電動(dòng)汽車控制器局域網(wǎng)(CAN)網(wǎng)絡(luò)上整車控制器作為信息控制中心，完成組織信息傳輸，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)點(diǎn)管理，信息優(yōu)先權(quán)的動(dòng)態(tài)分配等功能。5.車輛狀態(tài)的監(jiān)示和故障診斷及保護(hù)總線所連接的各個(gè)子系統(tǒng)控制器(電機(jī)控制器、電池控制器等)應(yīng)該實(shí)時(shí)的將各自控制對(duì)象的狀態(tài)信息和故障診斷信息發(fā)布至 CAN 總線，由整車控制器通過(guò)綜合數(shù)字儀表顯示出來(lái)。同時(shí)，整車控制器能對(duì)故障信息及時(shí)處理并做出相應(yīng)的安全保護(hù)處理。在整車控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中確定控制系統(tǒng)功能并制定相應(yīng)控制策略是第一步。以上功能是純電動(dòng)客車整車控制系統(tǒng)在實(shí)際行駛過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)的功能，是對(duì)整車控制系統(tǒng)的任務(wù)概括總結(jié)。其中除了對(duì)動(dòng)力總成的控制之外還包括對(duì)其它部件的控制和管理。在本論文中側(cè)重在對(duì)動(dòng)力總成控制策略的制定。3.2 電機(jī)過(guò)載管理純電動(dòng)客車采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)工作條件較差。電動(dòng)客車在通常的行駛工況下，為了保證電機(jī)能有更多的工作點(diǎn)落在高效區(qū)內(nèi)，以提高電動(dòng)客車經(jīng)濟(jì)性能，我們選用電機(jī)額定功率盡量低。但是受車輛行駛性能要求，電動(dòng)車需要一定的高速和爬坡行駛的工況，這時(shí)電機(jī)就不得不使較低額定功率的電機(jī)過(guò)載運(yùn)行。電機(jī)過(guò)載運(yùn)行有多種，急加速和爬坡屬于機(jī)械負(fù)載過(guò)大的過(guò)載。通常在車用電機(jī)最有可能會(huì)出現(xiàn)的就是機(jī)械負(fù)載過(guò)大和電機(jī)的欠壓過(guò)載運(yùn)行。3.2.1，電機(jī)負(fù)載過(guò)載電機(jī)負(fù)載過(guò)載是指電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載工作時(shí)，負(fù)載所需求電機(jī)輸出的功率超過(guò)電機(jī)設(shè)定的額定功率的情況。在電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行中需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)能按要求提供足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、較寬廣的恒功率范圍，同時(shí)在整個(gè)工作區(qū)間還應(yīng)該要有較高的效率。而為了滿足電動(dòng)汽車起動(dòng)、爬坡和急加速等