海交逶大學博l ：學位論義 純電動轎車動力總成控制系統(tǒng)的研究 摘要 純電動汽車是由蓄電池輸出電能，采用電動機驅動，單一動力源 的汽車。其具有零排放的特點，與燃料電池汽車，混合動力汽車相比， 具有許多共同的關鍵性技術，整車結構相對簡單，成本較低，特別適 用于城市運行工況，因而對純電動汽車的研究具有重大意義。 本文圍繞國家“8 6 3 ”計劃電動汽車重大專項“o r 純電動轎車 ( 2 0 0 2 a a 5 0 1 7 0 0 ) 項目動力總成控制系統(tǒng)開展了深入系統(tǒng)的理論和試 驗研究，在廣泛調研國內外電動汽車發(fā)展狀況的基礎上，主要完成了 整車系統(tǒng)功能設計，動力總成驅動控制、能量回饋控制，高壓電管理 系統(tǒng)的研究，控制程序的編寫，仿真平臺的建立及實車道路試驗等一 系列的工作。 本文基于整車多節(jié)點控制器的架構，采用分層控制的思想，定義 了各個控制器的功能及交互接口，為各控制器節(jié)點之間設計了c a n 通 訊網絡，搭建了q r e v 的整車平臺。圍繞延長純電動汽車續(xù)駛里程這一 核心問題，研究了動力總成驅動控制技術，提出了整車經濟運行與動 力運行模式，將整車運行劃分為起步、驅動、失效、空轉及能量回饋 等五種狀態(tài)并研究了相應的控制策略。深入分析了電動汽車能量回饋 的原理，提出了滑行能量回饋模式及制動能量回饋模式，并提出一種 基于常規(guī)汽車制動結構的電動汽車能量回饋控制系統(tǒng)，研究了整車與 驅動電機的交互策略，運用無刷直流電機扭矩閉環(huán)的p i 調節(jié)器及半橋 調制實現(xiàn)了能量回饋，為電動汽車的能量回饋提供了易于實現(xiàn)的工程 解決方案。開發(fā)了電動汽車高壓電管理系統(tǒng)a d m ( a u t od i s c o n n e c t m o d u l e ) ，可監(jiān)測高壓電路的絕緣、預充電、接地及高壓互鎖等八種高 壓電路狀態(tài)，并于高壓電試驗臺證明了a d m 高壓接觸器動態(tài)響應良 好，在1 3 5 m s 內完成高壓接觸器穩(wěn)定閉合接通過程，可于1 3 m s 內迅 速斷開接觸器，比g b t1 8 3 8 4 1 - - 2 0 0 1 中2 0 m s 切斷高壓的響應速度 要求提高3 5 ，完全滿足國標及s a e 的安全性能指標。為調試動力總 j ：海交通人學博j j 學位論文 成控制器，基于m c 6 8 3 7 6 開發(fā)了動力總成控制器的硬件在環(huán)仿真系 統(tǒng)，于上位p c 機里建立了整車模型，電機模型及蓄電池模型，采用了 l a b v i e w 圖形語言及c 語言，多線程的編程技術，實現(xiàn)。1 r 內嵌模型與 圖形監(jiān)測界而的調用，保證了上位機運行的實時響應。 所研究的成果運用于國家“8 6 3 計劃電動汽車重大專項“q r 純電 動轎車 ( 2 0 0 2 a a 5 0 1 7 0 0 ) 上，并于專用試車場進行了道路試驗，整 車性能良好，0 - - 5 0 k m 加速為8 4 s ，采用制動回饋技術后，能量叫饋 率達9 ，車輛續(xù)駛里程達3 0 0 多公里，超出國家科技部要求5 0 ， 整車性能通過了第三方檢洲0 機構北方車輛所的檢驗，圓滿通過國家科 技部驗收。 關鍵詞：純電動汽車，驅動控制，能量回饋，高壓電管理，硬件在環(huán) 第頁 ， l 海交通大學溥 ：學鏈論文a 轉sl r a c 下 s t u d yo np o w e r t r a l nc o n t r o ls y s t e mo f p u r ee l e c t r l cv e h l c l e a b s t r a c t p u r ee l e c t r i cv e h i c l eu s e sm o t o ra sd r i v i n gu n i ta n dp o w e rb a t t e r i e sa s s i n g l ee n e r g ys o u r c e s ，w h i c hc a nr e a l i z ez e r oe m i s s i o n s 。c o m p a r i n gw i t h f u e l c e l lv e h i c l ea n dh y b r i dv e h i c l e i th a st h em o s tc o m m o nk e y t e c h n o l o g i e s ，s i m p l e rs t r u c t u r ea n dl o w e rc o s t i ti sm u c hb e t t e rf o rc i t y c y c l er u n n i n g t h e r e f o r e i ti s v e r yi m p o r t a n t t od or e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tf o rp u r ee v b a s e do nt h en a t i o n a l h i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a m 8 6 3 ，n o 2 0 0 2 a a 5 0 l7 0 0 t h i sr e s e a r c hf o c u so nt h ep o w e r t r a i n s y s t e mo f q rp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ( q r e v ) a n de n g a g ei ns y s t e m i c t h e o r ya n de x p e r i m e n ts t u d y w i t hd e t a i l e di n v e s t i g a t i o no nc u r r e n t d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a le l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) s t a t u s 。鏹i sp a p e rs t u d i e s q r e vs y s t e mf u n c t i o nd e s i g n ，p o w e r t r a i n d r i v i n gc o n t r o l ，e n e r g y r e g e n e r a t i o n ( e r ) c o n t r o la n dh i g hv o l t a g ea d m i n i s t r a t i o ns y s t e m t h e c o n t r o lp r o g r a m 。s i m u l a t i o np l a t f o r i l la n dr e a lr o a dt e s tw e r ea l s od e s c r i b e d i nt h i sp a p e r t h e d e l a m i n a t i n g c o n t r o lm o d ew a su s e dt o m a n a g eq r 毯v m u l t i p o i n tc o n t r o l l e ra n dt h em u t u a li n t e r f a c eo fe v e r yc o n t r o lu n i tw e r e s t u d i e d t h ec a nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw a sd e s i g n e dt om a k et h e v e h i c l ec o n t r o lp l a t f o r m i no r d e rt oe x t e n dp u r ee vr u n n i n gd i s t a n c e 。t h i s t h e s i sf o c u s e do np o w e r t r a i nd r i v i n gc o n t r o l t e c h n o l o g yr e s e a r c h t h e e c o n o m ym o d ea n dp o w e rm o d ew e r ed e s i g n e da n dt h ef e l 雛e dc o n t r o l s t r a t e g yw a ss t u d i e d ，w h i c hc o n t a i n ss t a r t ，d r i v e ，f a i l ，i d i ea n de rm o d e w i t ht h ee n e r g yr e g e n e r a t i o n p r i n c i p l ed e e p l ya n a l y z i n gt h ec r u i s i n g e n e r g ya n db r a k i n ge n e 唱yr e g e n e r a t i o nw a sd e s i g n e d b a s e do nt h e r e g u l a rb r a k i n gs y s t e m ，bm o d ea n dcm o d eo fe rm e t h o dw a sd e v e l o p e d p it o r q u ec l o s e d l o o pc o n t r o lf o rb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) a n dp w mh a l fb r i d g ec o n t r o lm e t h o dw e r ed e s i g n e d w h i c hp r o v i d e sa f e a s i b l em e t h o df o re re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 。t h ea u t od i s c o n n e c t 第1 n 頁 i ：海交通人學博l j 學位論文a b s t r a c t m o d u l e ( a d m ) w a sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s ，w h i c hc a nm o n i t o ri n s u l a t i o n ， p r e c h a r g e ，g r o u n d i n ga n dh i g hv o l t a g ei n t e r - l o c k ，t o t a le i g h tt y p eo fh i g h v o l t a g es t a t u s w i t hh i g hv o l t a g ee x p e r i m e n t ，a d mh a dv e r yg o o d d y n a m i cr e s p o n d i tc a nf i n i s ht h eh i g hv o l t a g ec o n n e c tw i t h i nl3 5 m sa n d d i s c o n n e c ti nl3 m s ，w h i c hw a s35 q u i c k e rt h a ng b tl8 38 4 1 - - 2 0 01 r e q u e s t i t sp e r f o r m a n c ec a nm e e tn a t i o n a la n ds a es a f e t yc r i t e r i a t h e h a r d w a r ei nl o o p ( h i l ) s i m u l a t i o nw a sb u i l tf o rt h ep o w e r t r a i nc o n t r o l m o d u l e ( p t c m ) d e b u g g i n g i nt h i sp a p e r t h ev e h i c l em o d e l ，b l d cm o d e l a n db a t t e r ym o d e lw e r eb u i l ti np c t h el a b v i e wg r a p h i cl a n g u a g e c l a n g u a g ea n dm u l t i t h r e a d i n gp r o g r a m m i n gs k i llw e r eu s e dt om a k et h e m o d e l sa n dg r a p h i cm o n i t o r i n gi n t e r f a c et r a n s f e r r i n g w h i c he n s u r et h e h i ls y s t e mr e a lt i m er e s p o n d t h er e s e a r c hw a sa p p l i e do nn a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m “8 6 3 q rp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ”n o 2 0 0 2 a a 5 0 17 0 0 t h eo r e vh a sg o o dd r i v i n gc a p a b i l i t ya n dc a na c c e l e a t et o5 0 k mw i t h i n 8 4 s t h ee n e r g yf e e d b a c kc a nr e a c h9 w i t he r t e c h n o l o g y t h ev e h i c l e c a nr u nm o r et h a n3 0 0 k m w h i c hi s5 0 h i g h e rt h a nn a t i o n a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g y d e p a r t m e n tr e q u e s t t h e v e h i c l ep e r f o r m a n c em e tt h e i n s p e c t i o no fn o r t h c h i n av e h i c l eq u a l i t yc e r t i f i c a t e dr e s e a r c hi n s t i t u t ea n d n a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e p a r t m e n t sv a l i d a t i o n k e yw o r d s ：p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，d r i v i n gc o n t r o l ，e n e r g yr e g e n e r a t i o n ， h i g hv o l t a g ea d m i n i s t r a t i o n h a r d w a r ei nl o o p 第1 v 頁 上海交通大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工 作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何他個人或集體 已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在 文中以明確方式標明。本文完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名： 日期： 上海交通大學學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解上海交通大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意 學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和 借閱。本人授權上海交通大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫 進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 學位論文作者簽名：指導教師簽名： 日期： _ 年一月一日日期：一年一月一日 ：海交通人學博i ：學位論文 第一章緒論 1 1 選題的背景及意義 第一章緒論弟一早三百了匕 汽車白1 8 8 6 年誕生以來，麻川越米越廣泛，技術不斷發(fā)展，已經成為衡量一個國家物質 生活和科學技術發(fā)展的支柱產業(yè)。但是汽車帶給人們方便、快捷和舒適的現(xiàn)代生活的同時， 也帶來了日益嚴重的環(huán)境污染和潛在的能源危機。特別是近十年，環(huán)境污染和能源危機已經 成為世界各國面臨的兩人問題。 有關資料顯示，按目前世界汽乍保有量為6 6 億量，新乍年產量5 1 9 0 萬輛計算，每年汽 下排向人氣中的有害物質高達7 億多噸。機動幣排放污染已經成為中國污染物的主要來源之 - 1 】。以上海市為例，環(huán)保部門的監(jiān)測結果表明，目前機動車尾氣污染已成為上海人氣污染 的土要來源，廢氣污染物中，c o 、h c 和n o x 等分別占中心城區(qū)污染量的8 6 、9 6 和5 6 ， 2 0 多條交通干道離地面l 米左右處行人呼吸帶測得的c o 、h c 和n o x 濃度超過國家二級環(huán) 境質量標準。 汽車是能源消耗的人戶，全球每年消耗6 5 0 0 萬桶z i 油，其中汽車消耗約f 一? 卜。德國石 油行業(yè)協(xié)會最新一期的公報顯示，美國仍為世界上最犬的干i 油消費國，隨后依次為日本、中 國、德國和俄羅斯。2 0 0 2 年，全球的彳i 油消費總量約為3 5 億噸，五國的消費量分別為8 8 8 、 2 4 9 、2 4 8 、1 2 7 、1 2 7 億噸，lo i 全球7 i 油消費量的4 6 。汽車能源消耗約f ! l 。各種運輸方式能 源消耗的7 0 8 0 ，? t d 油消耗越的4 0 7 0 。隨著全球汽下銷量和保有量的增加，在 全球石油儲藏量急劇下降的背景卜- ，能源危機成為各國政府、汽車生產廠商的頭等難題。 我國運輸業(yè)的能源消費主要以石油為主，圖1 1 是運輸業(yè)的能源消費構成。隨著國內汽 車需求量的增大，石油短缺造成的供給不足，將會進一步惡化。圖l 一2 ，圖l 一3 為國務院 發(fā)展研究中心產業(yè)經濟研究部對1 9 9 0 年到2 0 2 0 年我國汽車及石油需求總量的調查與預測結 果1 2 j ，可見在今后的5 一1 5 年期間，中國的汽車保有量將大量增加，中國正步入移動社會，但 伴之而來的是能源需求的強烈增長。圖1 3 展示了石油需求情況，隨著轎車的增加，中國面 f 隘著嚴重的原油進口依賴，以每桶原油5 0 美元為例，1 噸原油為4 0 0 美元，一年原油進口費 用將達到1 4 4 0 億美元，石油短缺成為人問題。 隨著環(huán)境污染和能源危機的日益加重，世界各國政府都在探索新途徑：一方面控制汽車 污染物的排放和降低油耗，世界各人汽車公司均積極研發(fā)和應用排放新技術，如三元催化器、 廢氣再循環(huán)、柴油機廢氣煙霧微粒過濾裝置等；另一方面推進各種汽乖清沾技術的開發(fā)和應 用，各種超低排放汽車不斷面世，如電動汽車、清沽燃料汽車等。電動汽1 i 由于具有低排放 甚至零排放、能緩解能源危機和低噪音的特點，成為當今汽車研究、開發(fā)和推j “應川的熱點 之一。 圖1 1 運輸業(yè)的能源消費構成 f i g 1 - 1t h ee n e r g yc o n s u m p t i o np e r c e n t a g eo fc a r r y i n gt r a d e 第1 頁 l ：海交通人學博一l j 學位論義 第一章緒論 1 5 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 同汽車保有量( 百力臺) 圖1 2 中國汽車保有量分析 f i g 1 2c h i n aa u t o m o b i l em a r k e tv o l u m ea n a l y s i s 總的彳i 油需求( 百力| 噸) _ 墨i 圖1 - 3 中國石油消費需求 f i g 1 - 3c h i n ap e t r o l e u mc o n s u m p t i o na n a l y s i s 1 2 電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀與關鍵技術 1 2 1 電動汽車的種類 目前研究中的電動汽車包括燃料電池汽車( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) ，混合動力汽車 ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ，和純電動汽車( p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ) 。 ( 1 ) 燃料電池汽車( f c e v ) 燃料電池是把燃料中的化學能直接轉化為電能的能量轉化裝置，它從外表上看有止負極 和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。燃料電池也有多種 類氆，經過多年的探索，最適用于汽車的是質子交換膜燃料電池1 3 j 。它的t 作原理是：將氫 氣送到負極，經過催化劑( 鉑) 的作用，氫原子中兩個電子被分離出來，這兩個電子在正極 的吸引下，經外部電路產生電流，失去電子的氫離子( 質子) 可穿過質子交換膜( 即同體電 解質) ，在止極與氧原子和電子重新結合為水。由丁氧可以從空氣中獲得，只要不斷給負極供 應氫，并及時把水( 蒸汽) 帶走，燃料電池就可以不斷地提供電能。燃料電池的優(yōu)點是：1 ) “油箱到車輪”的能量轉化效率高，高達6 0 8 0 ，為內燃機的2 3 倍。2 ) 不污染環(huán)境。燃料電 池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水。3 ) 不需要對其進行外部充電。4 ) 燃料電池本身_ _ 作沒有噪聲，沒有運動性，沒有振動，其電極僅作為化學反應的場所和導電的通道，本身不 參與化學反應，沒有損耗，壽命長。 第2 頁 搦豳圈|i搦圈齜雷秈踮圈| i伯。粼。_ 蜥二蚴三麟三 的 o 一日二盥二| | 墨 卜f 卜 一曩曩1 斗i ! l 一求生 一 _ i 。一 一總圈一蓉一l-，1一一；踹|1 一 ：海交通人學禱l ：學位論文 第一章緒論 盡管燃樹電池汽車具有 疑多優(yōu)點，可以根本上躬決石油短缺的矛盾，是本來電動汽車發(fā) 展的方向，但燃料電池的技術是目前燃料比池汽車產業(yè)化的瓶頸，要實現(xiàn)低成本的人批量投 入生產還需要很沃的一段時閣，至今仍面臨著許多挑戰(zhàn)： 氫的使川：氧的存儲問題，無論是氣態(tài)還是低溫液態(tài)的存儲； 氧的“涵并劍油箱”瓣效率 愛低； 車載制氧1 卜常復石 ，至今成本很高。據(jù)相火報道預測，由丁基礎設施建設需人量投入及乍 磚j 燃謄季電泛技術的戳制，燃料電池汽車在泰來韻1 5 年內仍罐以形成主滾。 ( 2 ) 混合動力汽t - ( h e v ) 混合動力汽市( h e v ) 主要是指內燃褫( 包括汽油視與柴涵楓) 與動力蓄電池或超級電 容組成的多能源動力汽市。h e v 的土耍特點是發(fā)動機帶動發(fā)電機向蓄電池充電，再由蓄電池 帶動電動搬，發(fā)電機通過變頻器也可直接帶動電動橇。這樣，電動機和發(fā)動機可根據(jù)不同行 駛i ：況或單獨或同時驅動汽幣?，F(xiàn)有的h e v 裝置按照能量合成形式可分為：串聯(lián)式、并聯(lián)式 摹l 混駁式三種。1 4 1 串聯(lián)式是指汽油或柴油發(fā)動機帶動發(fā)電機組給蓄電池充電，蓄電池褥向電動機供電，由 電動機單獨驅動汽車。當發(fā)電桃發(fā)出的功率小予汽乍需求時( 熟窟動、加速、爬坡) ，電池組 向電動機提供電能；當發(fā)電機發(fā)出的功率火丁汽車需求時( 如低速、滑行、怠速) ，則向電池 組充電。 并聯(lián)式是指發(fā)動機除帶動發(fā)電機組外，還可以單獨或與電動機共同驅動汽車。同時，電 動瓿也可以攀獨戲與發(fā)動機共翔驅動汽車。這樣，就可以將發(fā)動楓單獨驅動、電動楓單獨驅 動、發(fā)動機與電動機聯(lián)合驅動三種方式有機結合，實現(xiàn)驅動方式的最佳組合。 混聯(lián)式羨員并聯(lián)式拳l 串聯(lián)式系統(tǒng)的特點，在該系統(tǒng)中，發(fā)動機、電動謄昱既可獨立驅動汽 乍，也可同時驅動汽午。其動力分配裝置將發(fā)動機的動力傳遞給傳動軸與發(fā)電機，發(fā)電機產 生的電能一部分瑚+ ，驅動電動機，剩余部分變?yōu)槲×麟娊o電池充電。 豐田汽車公司是目前走住h e v 最前沿的汽車公司，也是世界上最早開始進行h e v 研究的 汽車公司之一。甲 在1 9 9 7 q ：，豐匿就在世界上第一個推滋了名為p r i u s ( 普瑞斯，意為“先驅”) 的h e v ，引起全球矚目，該車采用的就是混聯(lián)驅動方式。其上的發(fā)動機、電動機即可獨立驅 動汽誓，又可闋時驅動汽車。動力分配裝置刪于將發(fā)動砉嚏煦動力傳遞給傳動軸和發(fā)電桃，發(fā)電枕 產生的電能一部分用于驅動電動機，另一部分則變?yōu)橹绷麟娊o電池充電。其動力流樣如圖1 4 所示。 搬援施 日電能 圖1 4p r i u s 動力流程 f i g 。1 - 4t h ep o w e rf l o wo fp r i u s 表1 1 總結了三種混合動力各自的特點，混合動力汽車是汽車走向燃料電池汽車之前最 具有實用價值且已實現(xiàn)產業(yè)化的電動汽車。 第3 頁 。卜海交通人學游i j 學位論文第一章緒論 表i 1 三種混合動力汽車的結構性能比較 項控制系統(tǒng)電池能醚傳遞內燃桃i ：環(huán)境污染其他 目效率作效率 擊 控制系統(tǒng)結構對電池要動力傳遞總住最佳發(fā)動機可每一動力裝置 聯(lián)比較簡尊，控求較蕊，容過程，存在l ：況。fl ：獨立丁+ l ： 的功率均等j ： 式制方法簡便，麓人，增加機械能一作，具有較況運行，汽車要求的總 可對發(fā)動機進了電池承l(wèi)電熊一機高的燃油污染小功率，沒備規(guī) 行獨立控制，汽車重量械能的轉經濟性模較龐人，增 使其穩(wěn)定于離以及制造換過糕，降加了1 i 輛的成 效區(qū)域低排放成本低了能量本及機構布置 區(qū)1 ：作，只要利州率。的難度 根據(jù)蓄電池充 電狀態(tài)決定其 運行或停f 并動力控制系統(tǒng)總容馕比動力直接主要動力發(fā)動機與驅動電機可做 聯(lián)及機械切換系審聯(lián)式小，傳到驅動還是來源驅動輪之發(fā)電機運行， 式 統(tǒng)相對較復對蓄電池 橋上，中間丁內燃帆，間直接連對發(fā)動機及電 雜，疆維持發(fā)的峰值功 環(huán)節(jié)少，比但內燃機接，運行機的功率要求 動機在最佳+ 1 ：率要求較串聯(lián)式有一l 作范圍點受l ：況降低。 作區(qū)域，需要低更高的能大，效率降影響，攤 復雜的控制系鼙效率低放的優(yōu)化 統(tǒng)和控制策不如串聯(lián) 略。 式，噪音 較大 混 機械傳動系統(tǒng) 對電池的 較高 發(fā)動機的比并聯(lián)小發(fā)動機和電動 聯(lián)及控制系統(tǒng)最依賴小，甚工作可不機均可較小， 式為復雜至可以不受汽車行動力系統(tǒng)可根 需要外置駛工況的據(jù)不同，上況選 充電系統(tǒng)影響，優(yōu)化用不同的動力 丁最高效驅動方式，充 率區(qū)實現(xiàn)分利朋兩套動 低排放冪l力裝置的饒點 超低油耗 ( 3 ) 縫電動汽車( e v l 純電動汽車采用電動機驅動，在各類電動汽車中結構最簡單。純電動汽車行駛時，由蓄 電池輸出電麓，逶過控制器驅動電動楓運轉，電動飆輸出的扭矩經傳動系統(tǒng)帶動棗輛行駛， 其動力源來自蓄電池。純電動汽車的續(xù)駛里程與蓄電池容量有關，蓄電池容簧受諸多因素限 制，若希望提高一次充電續(xù)駛行程，必須盡可能地采用贏功率密度的動力蓄電池，并針對運 行區(qū)域優(yōu)化蓄電池的充放電效率。鑒于純電動汽車單一動力源的特點，純電動汽車車型一般 設計為小型車輛，如轎車，m i n ic a l 等，用予城市交通運輸?？p黽動汽車霹在燃油汽車憋基本 骨架上來設計結構布置，為了確保行駛安全性，提高維護保養(yǎng)性，應采用低重心和免維護一 體型蓄電池，并將其放在車身后部敕車廂地板一f 。為了減輕車絮重量，提高網度，犬斷面主 車架可設計成縱直車架。為了使車廂內部具有最大限度的乘員空間，將乘員空間與驅動系統(tǒng) 第4 頁 l ：海交通人學博i ：學位論文第一章緒論 動力源等完全分開，將電動機、高壓電氣系統(tǒng)集中配置在下身前部，突出純電動汽車本身特 性的要求p j 。純電動汽車雖然結構相對簡單，續(xù)駛里程受蓄電池容量限制，但其與燃料電池 汽車，混合動力汽車相比，具有許多重要的共同技術特點，如蓄電池技術、高壓電的管理、 實時通訊技術、動力總成系統(tǒng)、電機驅動技術及能量同饋技術等等，且其可泣刻實現(xiàn)真止的 零排放水平，整| i 成本較低，特別適川丁- 城市運行l(wèi) ：況。山丁這些特點，t h = 界各國掃：開發(fā)電 動汽乍的研究上，往往是燃料電池汽乍，混合動力汽午與純i u 動汽1 i 并行開發(fā)，各有側重。 1 2 2 國內外電動汽車的發(fā)展 ( 1 ) 國外電動汽下的研究狀況j 美國魄研究狀況s 發(fā)霰妖乎i 7 1 1 8 1 ( 9 1 i o a 環(huán)境和能源的壓力迫使美國投入人量人力物力開發(fā)電動汽下。臼1 9 9 3 年啟動新一代汽下 合作計劃( p n g v 計劃) 以來，美國能源部對電動汽車和混合驅動汽乍的開發(fā)投入大量資金。 同時各汽幣廠商也在電動汽車的開發(fā)研制中投入人量的人力物力，并且取得了很人的研究成 果。目前有通用公司的e v l 和s 1 0 電動汽車，禍特公司的r a n g e r 電動輕卡車、t h i n k 城市車， 戴姆勒一克萊斯勒的e p i c 微型貨車等。圖l 一5 為2 0 0 0 年通用e v i 電動汽車及其性能參數(shù)；圖1 6 為福特t h ! n k 城市電動車及其性能參數(shù)；福特公司的r a n g e r 動車最初是在1 9 9 8 年推出 的。這款車的一次充電行駛里程為8 0 k m ，并能在1 2 5 s 內加速至8 0 k m h 。t h ! n kn e i g h b o r 是 一款專為規(guī)劃性社區(qū)、封閉式度假區(qū)和綜合商務區(qū)設計的電動車，其性能遠遠超越傳統(tǒng)的高 爾丈機動：乍，同時實現(xiàn)了零排放。兩座型t h ! n kn e i g h b o r 僅重4 4 4 k g ，四座型重5 8 0 k g 。戴姆 勒一克萊斯勒的e p i c 微型貨配備4 5 組s a f t 鋰電池，一次充電行駛最人里程為2 0 0 公里。 車型2 0 0 0 通用e v l _ 。擴二鬻籬移，啊 礎蕾邕臻謬_ 蓄電池鎳氫蓄電池組 “：j 瞪j 溢。， 車身總重2 9 0 磅酵 扭矩 15 0 n m 7 0 0 0 r p m 最高車速8 0 m p h鬣齲麓纛灌一 - 一- 滯孵r 最大速度 5 5 9 5 英里或7 5 1 3 0 英里 ：露硪蕊蕊。，： 最火行駛里程 o 6 0 公里加速 9 秒 】翔一圃醚豳孽嘲 充電時間5 5 6 小時或6 8 d , b 寸 一蠕磷_ j ：海交通人學博 ：學位論文第一章緒論 圖1 - 6 福特t h i n k 城市電動車及其性能參數(shù) f i g 1 - 6f o r dt h i n ke vp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r 日本的研究狀況s 發(fā)陡水平 日本是電動汽車研究水平較高的國家之一。從1 9 7 0 年開始，t 業(yè)科學技術協(xié)會承擔了電 動汽車的研究任務，該項目是日本國家大型項目之一，為期6 年，由政府、研究部j j 和私人企 業(yè)共同承擔資金達5 7 億日元。目前電動汽車研究機構有：電動汽車委員會、日本電動汽乍聯(lián) 合會及電動汽：乍：f 程研究委員會。表l 一2 列出日本部分純電動汽車的技術性能參數(shù)。圖l 一7 為本田e vp l u s 的電動汽車外形及性能參數(shù)。 表1 2 日本部分純電動汽車的技和 生能參數(shù) 微型箱式車輕型箱式車貨車 車型 大發(fā)h i j e t 箱式 s u z u k i 箱式 豐田t o w n a c e 五十鈴e l p 電動汽車電動汽：乍=電動汽車電動運輸車 ( 長 寬幸高) m 3 2 9 5 * 1 3 9 5 * 1 8 44 3 6 * 1 6 7 * 1 9 34 9 4 5 * 1 6 9 5 * 2 8 7 5 質量 空車質量k g 1 0 9 5 1 2 3 5 1 9 7 05 1 1 0 滿載質量k g 2 0 02 0 02 0 01 2 5 0 參數(shù) 座位數(shù) 2222 最高車速k m h 7 57 08 51 1 0 性能最大爬坡度慌 3 23 53 0 3 2 參數(shù) 續(xù)駛里程k m 1 0 01 2 01 6 01 0 0 ( 下速4 0 k m h ) 型式d c 他勵d c 他勵a c 感應d c 他勵 電機額定功率k w 1 41 32 03 3 參數(shù) 額定電壓v 9 01 1 51 2 01 0 8 控制系統(tǒng)晶體管斬波器晶體管斬波器 晶體管逆變器 晶體管斬波器 型式鉛酸 鉛酸 鉛酸鉛酸 電池額定容量a h 1 5 01 5 01 5 01 6 0 參數(shù) 數(shù)量 81 01 6 1 8 x 3 并聯(lián) 電壓v 9 61 2 01 9 61 0 8 車型本田e vp l u s 長寬高 4 0 4 6 x1 7 5 0 x 1 6 3 1 m m 總質量 3 5 9 3 5k g 第6 頁 i ：海交通大學博i ：學位論文第一章緒論 乘員數(shù)4 人 么盔鼠。 最人乍速 8 0 + m p h 0 3 0 k m ) j n 速4 9 秒 電動機 無刷直流電機( 4 9 k w l 蓄電池 2 41 2 v n i m h 最人行駛里科等速10 0 英里( 8 0 充電) 充電時間6 8 小時 圖1 7 本田e v p l u s 的電動汽車 f i g 1 - 7h o n d ae vp l u s 除以上提到的日本電動汽車研究機構和已使川的電動汽車外，還有很多私人企業(yè)及機關 組織研究開發(fā)電動汽車，并取得很大成果。 ( 1 ) n i s s a nf e v ：該車裝有快速充電的電池系統(tǒng)和高性能驅動電機。 ( 2 ) e v ”m y l d ”：該車主要用于寒冷氣候條件，裝有蓄熱箱作為熱源給蓄電池和車廂內部 加熱，是日本t o b o k a 電氣公司制造的試驗型電動汽車。 ( 3 ) i l a ：該車由日本東京電氣公司試制，裝有4 個5 k w 直接驅動車輪的永磁同步電機和鎳 鎘電池，具有質量輕、低風阻和低滾動阻力( 風阻系數(shù)c d = 0 0 1 9 ；滾阻系數(shù)f = 0 0 0 6 ) ，最高 車速為1 6 0 k m h ，續(xù)駛里程為5 3 6 k m ，是當今高水平電動汽車之一。 ( 4 ) 三菱電動汽車：該車為轎車型式，其行駛里祥和加速性能均適用于城市商業(yè)用車。 歐洲的研究狀況與發(fā)展水平 歐洲的特點是人口密度大，工業(yè)高度發(fā)達，石油能源需求大而環(huán)境問題日益突出。因此， 各國特別是德國、英國、法國、意大利等汽車發(fā)達國家積極研制電動汽車，其研究水平接近 美國和日本。具有代表性的純電動汽車如表1 3 所列。 表1 3 歐洲典型純電動汽車 c h a r 1 3c l a s s i cp u r ee vi ne u r o p e 車型型式及研制狀況 最高下速k m h 1續(xù)駛里程k i n電池電機 德國b m w e l4 座轎乍，樣乍投產1 2 02 4 0n a s 永磁直流 德國1 9 0 e v5 座轎：乍，研究型1 2 01 5 0n a n i c l 永磁直流 法國2 0 0 m 2 座，樣車開發(fā)1 2 01 5 0n i c d 交流感慮 意人利f l a tp a n d a轎車，計劃產5 0 0 輛11 3 8 0p b a c i d直流串勵 歐洲目前擁有電動汽車1 1 5 0 0 輛，其中法國就有7 5 0 0 輛。法國的標致一雪鐵龍p s a 公司是 世界最大的電動汽車生產集團，純電動汽車主要有p a r t n e r ，b e r l i n g o ，標志1 0 6 ，s a x o 等型號。 在法國，大型國有公司，諸如法國電力公司以及l(fā) a p o s t e 等是各種電動車輛的主要運營者， 同時各地方的社會團體也擁有少量的電動車輛，公司和地方團體擁有的電動車輛。與總數(shù)的 9 0 以上，尤其是在政府部門當中，擁有人量的用戶。此外，電動專用車輛已成為法國電動 汽車的一個發(fā)展方向。2 0 0 1 年歐洲各國電動車數(shù)量統(tǒng)計見表1 4 。 第7 貞 j ：海交通人學博i ：學位論文第審緒論 國”0 數(shù)譬：( 輛) 罔別 數(shù)垃( 輛) 囤別 數(shù)精( 輛) 泫國 7 4 3 0 英國 3 3 8 芬蘭 8 2 意人利 12 0 6 丹麥 2 2 6 荷蘭 4 5 挪威 6 0 4 德囤 1 7 1 葡萄牙 1 6 瑞典 5 6 0 比利時 1 6 6 瑞十 4 8 5 奧地利 1 5 2 ( 2 ) 國內電動汽車的研究現(xiàn)狀】【1 2 】【1 3 】 為維護我國能源安全，改善人氣環(huán)境，提高我國汽車“l(fā) ：業(yè)的競爭力，科技部在“十五”國 家8 6 3 計劃中，特別設立了電動汽車重人專項。選擇新一代電動汽車技術作為我國汽車科技創(chuàng) 新的主攻方向，組織企業(yè)、高等院校和科研機構，以官、產、學、研四位一體的方式，聯(lián)合 攻關。計劃在“十五”期間，以電動汽車的產業(yè)化技術平臺為t 作重點，力爭在電動汽車關鍵 單元技術、系統(tǒng)集成技術及整車技術上取得重大突破，促進符合現(xiàn)代企業(yè)制度和市場經濟發(fā) 展要求的研發(fā)體系和機制的形成。該專項旨在提高我國電動汽車及相關領域的技術創(chuàng)新能力， 培育一支具有汽車產品臼主開發(fā)能力的隊伍，最人限度地集中政府、企業(yè)、人學、科研機構 和社會各界的科技資源，搶i i | 新一代電動汽車產業(yè)技術制高點，促進我國汽車1 ：業(yè)實現(xiàn)跨越 式發(fā)展。該專項確定了電動汽車“三縱三橫”的發(fā)展模式?！叭v”即燃料電池整車項目、混合 動力整車項目和純電動汽車項目，“三橫”即“多能源動力總成控制系統(tǒng)、電機驅動和控制系統(tǒng)、 車用動力電池組及管理系統(tǒng)( 圖l - 8 ) 。 第8 頁 上海交遴人學耩l ：學位論文 碧一章縫論 圖1 8 “8 6 3 ”電動汽車項目規(guī)劃 f i g 。1 8 “8 6 3 e vp r o g r a ml a y o u t 懿今一些科研撬擒幫嘉校、公司在電動汽車方匿徽了大鬣的研究工僚，自主研發(fā)的各種 電動汽車也相繼見于報道。其中東風汽車公司、清華大學、同濟大學分別承擔了十五計劃“8 6 3 ” 項目中的混合動力大客車、燃料電池客車及燃料電池轎乍項嗣，承擔純電動轎車研發(fā)的是上 海交通大學、奇瑞公司穰天津汽車公司。 1 2 。3 電動汽車的關鍵技術 現(xiàn)代電動汽車的研究開發(fā)是一個復雜的系統(tǒng)，i ：程，它的理論基礎是將汽車技術、電機技 術、驅動技術、電力電子技術、能源儲存技術和現(xiàn)代控制理論有機地結合起米，實現(xiàn)系統(tǒng)的 集成優(yōu)化。箕關鍵的惠嗣技術可歸續(xù)為以下露個主要部分：驅動電機及其控割技術，動力總 成控制技術，電池能量管理技術及高壓電安全管理1 1 4 j 。 ( 1 ) 驅動電機及其控截技術 在電動汽車的席用中，對電動機提出了如下要求：1 ) 大的功率體積比，功率質量比； 2 ) 在較寬的轉速范麗肉有較高的效率：3 ) 電磁輻射盡爨小：4 ) 成本低。對電動楓的選型還 鹿綜合考慮其控制系統(tǒng)的特點，要求能實現(xiàn)艤向控制，對制動再生能量可以同收。目前電動 汽車使心的邀動驅動系統(tǒng)主要奮直流電機驅動系統(tǒng)霧坡! 流電機驅動系統(tǒng)兩葶孛。 直流電動機的優(yōu)點是機械特性好，調速方便而且性能好。通常采片j 晶體管斬波器寬脈沖 調制方法實現(xiàn)對電杌轉速的調節(jié)?；谥绷麟娨曭寗酉到y(tǒng)具有成本低、易于平滑調速、控制 第9 頁 上海交通人學博l - q ：位論文 第一章緒論 器簡單、技術成熟等優(yōu)點，曾在電動汽午上得劍“泛戍川，但由】：直流l l 土動機在運行過程中 需要電刷和換向器換向限制了電機轉速的進一步提高( 最高轉速6 , 0 0 0 8 ，0 0 0 r m i n ) ，另外， 電機本身效率較低、結構復雜且體積人、重鮭人、價格高決定了它必然會被其他先進電機如 交流電機所取代。 矧l 一9 及圖l 1 0 給出了電動汽下川一“流電機驅動系統(tǒng)與交流電機驅動系統(tǒng)的效率特性 圖。 d cm o t o r , c o n t r o l l e re f f i c i e n c ym a p 圖】一9 直流電機驅動系統(tǒng)效率圖 f i g 1 9d cm o t o r c o n t r o l l e re f f i c i e n c y a ( m o t o r ，( 口n ”o 葉e r f f i c i e n c yi m a p l 1 0 交流電機驅動系統(tǒng)效率 f i g 1 10a cm o t o r c o n t r o l l e re f f i c i e n c y 由圖知，交流電機驅動系統(tǒng)在較寬的轉速范闈內都具有較高的效率。在低速低轉矩區(qū)， 直流電機驅動系統(tǒng)的效率僅有6 0 ，而交流電機驅動系統(tǒng)可達6 6 7 4 i l0 。交流電機在整個 低扭矩區(qū)的效率也高于直流電機說明交流電機驅動系統(tǒng)非常適合應用于電動汽車傳動系。 電動汽車上用交流電機驅動系統(tǒng)主要有采用異步電機的驅動系統(tǒng)和永磁同步電機的驅 動系統(tǒng)，也有部分電動汽車采用了開關磁阻電機組成的交流驅動系統(tǒng)。交流異步電機驅動系 統(tǒng)主要選用三相鼠籠型異步電動機，該電動機結構簡單、堅固耐用、成本低廉、轉速極限極 高，采用矢量控制技術，其動態(tài)性能可與直流電機調速相媲美。 永磁無刷同步電機按其空間氣隙磁場的分布形式不同，又可分為方波型永磁無刷直流電 動機和正弦波型永磁無刷直流電動機。習慣上常常將方波型的稱為永磁無刷直流電機 ( b m s h l e s sd cm o t o r ， b l d c m ) ，正弦波型的成為永磁同步電機( p e r m a n e n tm a n g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ，p m s m ) 。 永磁電機驅動系統(tǒng)沒有激磁銅耗、效率較高( 最大效率可達9 5 ) 、功率因數(shù)高、體積小、 第l o 頁 上海交通大學蹲l ：學倥論文 第一章緒論 功率密度大( 可