基于TMS320F2812 DSP的电动汽车驱动系统设计.docx

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1、杭州电子科技大学自动化学院DSP课程期末论文 目录摘 要 ABSTRACT一引言11.1前言11.2研究背景2二 系统设计方案32.1电动汽车的系统组.4 2.2电驱系统.5三. 系统硬件设计63.1电驱系统的性能要求73.2电驱系统的结构形式8 3.3电驱系统的研究现状.9四. 结论9参考文献10摘 要本文分析了电动汽车在我国的市场前景，简述了电动汽车的组成，详细介绍了电动汽车最重要子系统电驱动系统性能要求、结构形式、组成部件及研究现状。关键词：电动汽车 电驱动系统 市场分析 组成成分AbstractThis paper analyses market prospect of electri

2、c vehicle in our country.At the same time,it briefly introduces composing components of electric vehicle.In the end,the performance requirements,structure type ,composition parts and research status of the most important child-system,electric drive system,of electric vehicle are introduced in detail

3、.Keywords:electric vehicle,electric drive system,market analysis,composing compoent一引言1.1 前言 汽车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生石油资源的依赖。在能源方面，目前世界汽车保有量约8亿辆，并以每年3000万辆的速度递增，预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆，主要增幅来自发展中国家。美、中、日近年来汽车需求量变化如图1所示。可以发达国家（像美国、日本）的需求量再减少，发展中国家（像中国）需求量增长比较明显

4、。我国汽车产销保持快速增长，2009年汽车产销1300万辆。过去10年我国汽车保有量也迅速增长，年均增长14%，其具体情况图2所示。图1 美、中、日近年来汽车需求量变化图2 过去10我国汽车保有量1.2研究背景：作为能源消费大国，我国形势更为严峻， 2009年中国原油消费总量约为3.88亿吨，其中净进口原油1.98亿吨，占原油消费总量的51.2，能源大量进口危及到国民经济正常运行和国家能源安全。中国汽车保有量刚刚达到5000万辆，人均汽车拥有量仅为世界平均水平的1/3，但其年耗油量却已接近全国成品油总量的60。按目前的增长速度和油耗水平，汽车保有量到2020年会超过1.5亿辆，年耗油将突破2.

5、5亿吨。巨大的市场需求与严峻的能源环境约束之间的矛盾异常尖锐。发展节能环保汽车，实现能源转型与产业振兴势在必行。汽车能源从传统的汽油、柴油，到用天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、二甲醚、生物柴油等替代的燃料汽车，到现在研究比较热的新能源汽车，比如混合动力、纯电动、燃料电池、氢动力等。而在这些新能源汽车当中，混合及纯电动已有产品推向市场，如日本汽车丰田公司1997年12月宣布将复合动力电动轿车P rius投入小批量商业化生产1。我国奇瑞汽车有限公司首台自主研发的纯电池电动汽车S18于2008年下限，该车搭载一部336V、40kW电动机驱动系统，40Ah磷酸铁锂电池，最高时速为120km/h，连续行

6、驶里程可达150km2。西安交通大学曹秉刚团队研制的速达牌纯电动汽车在三门峡试制成功，20辆速达牌纯电动汽车2010年8月31日下线并正式挂牌运行。锂电池纯电动汽车续驶里程达到260km， 0-100km/h的加速时间仅为9秒左右，最高时速为150km/h，而使用的电机仅有15kW，使用的电池仅有252kg。如处于国外领先水平的日产凌风（LEAF）续驶里程为160km，最高时速为140km/h，所使用的电机为80kW。铅酸电池纯电动汽车续驶里程达到150km， 0-100km/h的加速时间仅为11秒左右，最高时速为120km/h，使用的电机仅为10kW。目前国内外的高性能的铅酸电池纯电动汽车续

7、驶里程都在100 km之内，而且最高车速很难达到100km/h以上3，天津一汽、东风汽车、比亚迪等国内企业也早已开展了电动汽车的研制2，4。电动汽车清洁无污染、能量效率高、低噪声的优点，国内外电动汽车已成为汽车发展的主流方向,这为世界，尤其是为我国发展低碳经济，建设资源节约型社会提供了一条有力道路。因此，国家对电动汽车的发展提供了大力支持，“十五”国家高新技术研究发展计划（863计划）将电动汽车以重大专项列入5-6;国家发展改革委员会 2004年6月1日出台了汽车产业发展政策，重点发展混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技术7；节能中长期专项规划 （国家发展改革委员会 2004年11月25日）中指

8、出，实施清洁汽车行动计划，发展混合动力汽车，在城市公交客车、出租车等推广燃气汽车8；2007年6月公布的中国应对气候变化国家方案鼓励混合动力汽车、纯电动汽车的生产和消费。2010年，科技部已制定“十二五”专项规划的草案，万钢提出，“十二五”期间，电动汽车发展的总体目标是全面掌握电动汽车的核心技术，形成有较强竞争力的电动汽车以及关键零部件工业体系，建立有利于电动汽车发展的环境，等等。二 系统设计方案2.1电动汽车的系统组成一般地，如果把电动汽车看生是一个大系统，则系统主要由电力驱动子系统、电源子系统和辅助子系统组成1。图1表示一种典型的电动汽车系统组成，图中双线表示机械连接；粗线表示电气连接；细

9、线表示控制信号连接；线上的箭头表示电功率或控制信号的传输方向。来自加速踏板的信号输入电子控制器并通过控制功率变化器来调节电动机输出的转矩或转速，电动机输出的转矩通过汽车传动系统驱动车轮转动。充电器通过汽车的充电接口向蓄电池充电。在汽车行驶时，蓄电池经功率变换器向电动机供电。当电动汽车采用电制动时，驱动电动机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池对其充电，并延长电动汽车的续驶里程。2.2电驱动系统电力驱动系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电动汽车对驱动系统的要求很高。一般认为,驱动系统应符合下列要求：1）瞬时功率大，短时过载能力强，以满足爬坡及加速的需要；2) 调速范

10、围宽广；3) 在运行的全部速度范围和负载范围内，具有较高的效率。也就是在电机所有工作范围内综合效率高, 以尽量提高电动汽车一次续驶里程；4) 可靠性高，使用方便简单，价格低廉；5) 功率密度高，体积小，质量轻。一般地，驱动系统由电气和机械系统组成。电气系统由电子控制器，功率变换器、驱动电动机组成；机械系统由机械传动装置和车轮组成。驱动系统的功能是将储存在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能进而推进汽车行驶，并能够在汽车减速制动或者下坡时，实现再生制动。结构如下图2蓄电池图2 电动汽车的电机驱动系统驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置驱动或直接驱动车轮。早期，电动汽车上广泛采

11、用直流串激电动机，这种电动机具有“软”的机械特性，与汽车的行驶特性非常适应。但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小，效率较低，维护保养工作量打等缺点，随着电动机技术和电动机控制技术的发展，正在逐渐被直流无刷电动机（BCDM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代。电子控制器即电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。在早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少使用。目前，电动汽车上应用较广

12、泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变直流电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速，在电力电子技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（如GTO，MOSFET，BTR及IGBT等）斩波调速装置所取代。电动汽车用的功率变换器用做DC-DC转换和DC-AC转换。DC-DC转换器又称直流斩波器，用于直流电动机驱动系统。两象限直流斩波器能把蓄电池的直流电压转换为可变的直流电压，并能将再生制动能量进行反向转换。DC-AC转换器通常称作逆变器，用于交流电动机驱动系统，它将蓄电池的直流电转换为频率和电压均可调的交流电。电动汽车一般只是用电压输入式逆变器，因为其结构简单且又能进行双向能量转换。

13、而且，通常采用的是SPWM（正弦波SPWM）逆变器。其原理是将正弦调制波与三角载波比较，得到相应的PWM脉冲序列。SPWM的优点在于它的算法简单，而且容易实现。电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴。因为电动机可以带负载启动，所以电动汽车上无须传统内燃机汽车的离合器。并且驱动电动机的转向可以通过电路控制来实现变换，因此，电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档。当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以省去传统汽车的变速器。在采用电动轮驱动时，电动汽车也可以省去传统内燃机汽车传统系统的差速器。1、针对驱动轮所施加驱动转矩的来源来说，电动车辆所采用的驱动方式总体上可分为两种： 集中

14、驱动和车轮独立驱动2。集中驱动利用一个动力源通过变速器和减速器（或只通过减速器）降速增扭，最后经差速器将驱动转矩大致平均地分配给左右驱动半轴，可以采用前轮驱动、后轮驱动或四轮驱动的形式3，其结构如图3所示。车轮独立驱动是只利用多个动力源分别驱动单个车轮，可以分为两轮独立驱动和四轮独立驱动，其结构如图4所示。集中驱动和车轮独立驱动优缺点的比较如下表：表1 集中驱动和车轮独立驱动优缺点的比较集中驱动独立驱动成本较低较高体积笨重分散重量集中分散效率较低较高差素方式机械式电子式2、现代电动汽车常用的电动机驱动系统有四种：直流电机驱动系统、交流电机驱动系统、永磁无刷电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统4。

15、A、直流电机驱动系统直流电机驱动系统采用有刷直流电机，电机控制器一般采用斩波器控制方式。它具有成本低、易于平滑调速、控制器简单、控制相对成熟等优点。但由于需要电刷和换向器，结构复杂，运行时有火花和机械磨损，所以电机运行转速不宜太高。尤其是对无线电信号的干扰，这对高度智能化的未来电动汽车是致命的弱点。鉴于直流电机驱动系统的驱动控制器部分优势突出，使得直流电机驱动系统在当前燃料电池电动汽车领域仍占有一席之地。B、异步电机驱动系统这种电机结构简单，制造容易，效率比直流电机高，与永磁无刷电机、开关磁阻电机相比，成本最为低廉，但控制较为复杂。总的说来，异步电机系统的综合性价比具有一定的优势，尤其是异步电

16、机的高可靠性、免维护、成本低廉的优点，使其成为电动汽车驱动系统的首选方案。C、永磁无刷电动机驱动系统永磁无刷电机驱动系统相比之下，效率高是其最大特点，质量轻，体积小，也无需维护。与异步电动机相比，永磁无刷电机成本较高，可靠性和使用寿命也较差，同时永磁体还存在失磁的可能。另外，制造工艺也比异步电机复杂。在控制上，由于永磁体的存在，弱磁控制有一定的难度。因此限制了这种电机系统在电动汽车的大量使用。D、开关磁阻电机系统，该电机转子没有绕组做成凸极，结构简单，可靠性高，快速响应好，效率与异步电机相当。由于转子无绕组，该电机系统特别适合频繁的正反转及冲击负载等工况。开关磁阻电机系统驱动电路采用的功率开关

17、元件较少，电路简单，能较方便地实现宽调速和制动能量的反馈因。因此，这种系统在电动汽车中亦有一定的应用。其缺点主要在于其结构带来的噪音和振动较大。目前来说，异步电机依然是最为适合的。随着电力电子技术的日益成熟和控制方法的不断进步，异步电机系统结构坚固的优点将特别突出，而其不足将随控制方法的不断改进得到弥补。长远看，永磁无刷电机在电动汽车上会有较好的应用。随着稀土永磁材料作为一个行业不断发展壮大，不论是成本，还是性能，永久磁钢都有长足的进步。而多年来对永磁无刷电机的研究，也使得其制造方法和性能都得到了发展。因此，可以预言，永磁无刷电机在电动汽车中的应用前景广阔5。三. 电驱动系统3.1电驱动系统性

18、能要求电驱动系统作为电动汽车最主要、最核心、最复杂的部件。一般驱动系统具有以下要求10：1)瞬时功率大，短时过载能力强，以满足爬坡及加速的需要；2)调速范围宽广；3)在运行的全部速度范围和负载范围内，具有较高的效率，也就是在电机所有工作范围内综合效率高，以尽量提高电动汽车一次续驶里程；4)可靠性高，使用方便简单，价格低廉；5)功率密度高，体积小，质量轻；6）快速的转矩响应特性，在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动转矩，在多电机系统中，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好；7）安全，稳定，防一定冲击，寿命长。3.2电驱动系统结构形式采用不同的电驱动系统形式总体上可分为两种：集中驱动和车

19、轮独立驱动11。总体可构成不以下6种形式,如图4所示，上三图为集中驱动形式，下三图为车轮独立驱动形式。上左图是典型的，类似内燃机机车，它有电动机、离合器、齿轮箱和差速器组成，构成整个动力传动链；上中图由电动机、固定速比的减速器和差速器组成，不能档位变速和卸载，不适合使用该传动形式；上右图把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮，这种结构在小型电动汽车上应用最普遍；下左图为两个电机分别驱动，典型的双轮驱动，差速实现电动车的转弯；下中图轮毂电动车轮+固定速比的减速器，动力传递链进一步缩短，提高了效率，同时结构可以变得简单；下右图为只有轮廓电动车轮，车轮转速和电动汽车的车

20、速控制完全取决于电动汽车的转速控制。图4 电驱动结构形式C-离合器 D-差速器 FG-固定速比减速器 GB-变速器 M-电动机集中驱动很好地继承了传统内燃机车的动力传动链，技术成熟，而且开发起来比较容易，但系统传动复杂，传递效率低，且靠传统的差速器进行力矩的分配，操控起来不平稳。而车轮独立驱动结构简化，传动效率高，每个电机可以单独控制，能实现车轮驱动力的单独调节和施加横摆力矩控制，容易实现车辆底盘系统的电子化、主动化，极大地改善车辆的驱动性能和行驶性能12。对车轮采用独立控制的制动能量回收系统，与单电机驱动相比，可以提高车辆能量利用效率。3.3电驱动系统的研究现状目前国内外针对电动汽车的电驱动

21、系统驱动电机建模、仿真和控制方面18-23,可靠性分析和评估24,电磁兼容性问题研究25以及一些驱动系统噪声、振动、碰磨研究26-27及降温方面的研究28等。四 总结电动汽车技术关乎公众健康及安全,环境可持续发展,以及如何采用这个技术,电动汽车的标准及相关的基建业务等标准将由这些厂家,技术人员和其他相关专业人士制定。通过这种方式,电动汽车在未来的十年中，标准和培训和认证基于这些标准可能会开始扮演着重要的指导和培育作用。国际标准一致认为，在国际贸易中心环节中确保全球汽车基础互联网和汽车部件以及涉及电动汽车基础设施的兼容性至关重要。（Castaldo 2009年)。标准也很重要,在考虑的理论基础时

22、,这种标准规范化、提供了一种与他人分享知识和使这种知识公共化的机制。经济效益的增长发展，实际上为生产商和开发者可以分享最好的实践和课程学习。同样重要的是,考虑电动汽车多样化和广泛的技术,看到了不同发展水平,标准化在发展过程中起着重要的作用。即,在早期的开发阶段有些技术先进得多,而另一些,尤其是同时与电池和V2G技术。在这方面,通过讨论过的一样,这篇文章中,电动汽车的电工技术系统、安全、环境可持续发展的相互兼容标准化起着很重要的作用。参考文献1 电动汽车重大专项总体组.“十五”国家高技术研究发展计划（863计划）电动汽车重大专项进展(J).汽车工程.2003,25(6).2 汽车产业发展政策.中

23、华人民共和国国家发展和改革委员会令.3 节能中长期专项规划.国家发展和改革委员会文件.4 陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术(M).北京：北京理工大学出版社.2002:30.5 王步来.电动汽车驱动系统评述(J).微电机.2005,38(2).6 祁炳楠,张利鹏. 车辆电驱动系统构型特点与发展趋势(J).汽车科技.2009,(3).7 Yoichi Hori.Future vehicle driven by electricity and control-research on four-wheel-motored“UOT Electric March II”J.IEEE Transac

24、tions on Industrial Electronics.Vol.51,No.5,2004(5):954-962.8 郑金凤,胡冰乐,张翔. 纯电动汽车驱动电机应用概述(J).机电技术.2009增刊.9 范健文. 电动汽车电气驱动系统(J).广西工学院学报.2003,14(2).10 K. T. Chau,C. C. Chan,Chunhua Liu.Overview of Permanent-Magnet Brushless Drives for Electric and Hybrid Electric Vehicles(J). IEEE Transactions on Industrial Electronics.2008,55(6):2246-2257.11 孙立清,电动车用电机电控系统技术现状(J).技术.2004.12 褚文强,辜承林. 电动车用轮毂电机研究现状与发展趋势(J).电机与控制应用.2007,34(4).10