.
电动汽车控制设计
----新能源的利用
系 别：自动控制系
班 级：电气化0941
姓 名 ：王发志
指导老师：冀俊茹
2011年10月
前 言
随着世界环境的污染、全球石油危机日益严重而带动的石油价格不断上涨给汽车工业带来了不可忽视的冲击，也增强了人们开发新能源的意识，而新能源汽车更是人们关注的一大焦点。
目前电瓶式纯电动汽车以噪音小、耗能低、无污染、成本低、结构简单而成为新能源汽车发展的主流，世界很多国家都投入了大量的人力、财力去开发电动汽车。
本文主要围绕电动汽车的电动机以及目前普遍使用的电动车控制系统主要参数作出分析，例如转速与转矩的关系、转速与功率的关系、功率与转矩的关系以及传动比、蓄电池的比能量等，设计出合理的电动车动力系统和控制系统。
本文主要采用电动机的转矩、转速、功率；电动机的主要调速方式进行分析。
关键词：电动机 发动机 转矩 变频调速 交流电动机
目录
前言........................................................2
第一章 电动汽车构造与原理...................................5
第一节 电动车的种类..........................................5
第二节 蓄电池电动车..........................................7
第三节 燃料电池电动车........................................9
第二章 电动车动力及控制系统设计.............................11
第一节 电动车驱动电机种类.....................................11
第二节 直流驱动电动机与控制...................................14
第三节 交流驱动电动机与控制...................................16
第三章 我国电动汽车的缺点与发展.............................20
第一节 我国电动汽车的缺点.....................................20
第二节电动汽车的发展趋势.....................................21
结束语......................................................23
参考文献....................................................24
致谢言.................................................. ...25
附录........................................................26
电动汽车控制设计
----新能源的利用
汽车工业的告诉发展，汽车带来的环境污染、能源短缺、资源枯竭和安全等方面的问题越来越突出。为了保持国民经济的可持续发展，保护人类居住环境和能源供给，各国不惜巨资，投入大量人力、物力，寻求解决这些问题的各种途径。
我国面临的形式也十分严峻，国内的石油储藏量和开采量相当有限，随着汽车保有量的增加，石油需求越来越多，目前已不能自给，不足部分主要通过进口来满足，而且每年成递增趋势。
由于电动汽车具有突出的环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。电动汽车使用的能源是可以用与发电的一切能源。因此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给有保障。电动汽车在解决道路交通事故方面和传统汽车相比也具有一定优势。因此，开发电动汽车是迎接汽车面临挑战的重要对策之一。
电动汽车具有良好的环保性能和可以以多种能源为动力的显著特点，即可以保护环境，又可以缓解能源短缺和调整能源结构，保障能源安全。目前发展电动汽车已成为各国和汽车行业的共识，电动汽车的研发已成为汽车行业的热点。因此，无论是从设计、研究和开发的观点，还是从实用的角度来看，了解和掌握电动汽车技术的社会需求会越来越大。
第一章电动汽车构造与原理
第一节电动车的种类
电动汽车的分类，如图1-1
纯电动汽车车是以车载电源为能源的汽车，又称为EV。目前纯电动汽车主要有蓄电池电动车和燃料电池电动车。
蓄电池电动车是由充电式蓄电池为能源的电动车。目前这种电车普遍使用的电池一般都是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池又有很多种类，常见的有个干呵电式蓄电池、湿荷电式蓄电池、阀控式蓄电池、免维护蓄电池、胶体蓄电池、水平板式蓄电池等。
动力部分广泛使用的是直流串励电动机和直流他励电动机，这种电机启动转矩大，具有"软"的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，控制电流大，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必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。
燃料电池电动车目前使用的较少，因为燃料电池由于技术还不成熟其结构复杂，价格昂贵等缺点而了其适用范围，不过燃料电池转换效率高、无污染、运行噪声低、续驶里程长、无需充电时间（加氢式）等优点被电动车未来的发展所看好。其动力和控制部分除了电池组部分有所不同外其他都大同小异。
第二节 蓄电池电动汽车
1.2.1蓄电池电动汽车的主要结构
蓄电池电动车是由动力蓄电池向电动机供电从而驱动汽车行驶，是目前运用最广泛的电动车，其结构主要由动力蓄电池（车载电源）、控制器、接触器、控制电路、附加电路、DC/DC、DC/AC、电动机、变速器、附加电器、车身等组成。
蓄电池电动车是由多个动力蓄电池串联组成的电池组为电动车供电，电池组一般是36V~400V的直流电源，为了便于向一些低压用电设备供电，动力电池组还有DC/DC转换器。动力电池组采用并联或者串联的方式进行组合，在EV（电动汽车）上占据很大一部分有效的装载空间，在布置上有相当的难度，通常有“集中”布置和“分散”布置两种形式。
控制器是电动车大脑，它控制着电池电量的输出、电动机的转速、转向、过载保护、能量反馈等等，目前使用的控制器分为两大类：直流控制器和交流控制器。直流控制器使用比较广泛的是串励电机控制器和他励电机控制器，在是使用方面也都有各自的优势。交流控制器现在在技术上也有了很大的提高，不如变频调速，不过由于成本高所以在使用范围上收到了很大。
电动机是整个电动车的动力输出部分，就像汽车的发动机。现在电动车上使用的电动机以直流电动机为主流，交流电动机目前在电动车上还没有得到广泛应用。直流电机在电动车上应用最广泛的主要有串励电机和他励电机。交流电动机的使用还是以三相交流异步电动机为主。
1.2.2 电动车原理
1、蓄电池
有关电池的常见术语
放电：电池向外电路输送电流的过程。
放电容量：电池在规定条件下的放电电量或有效工作时间。
储存寿命：电池在规定条件下储存结束时，电池仍能保持规定的性能和储存期限。
电池极端：电池连接外电路的部件。
电动势：组成电池的两个电极的平衡电位差。
放电率：放电率指放电是的速率，通常用“时率”和“倍率”表示。
充电：将外电路输入蓄电池的电能转换为化学能储存起来的操作过程。
充电率：蓄电池在规定的时间内充到额定容量所需的电流值。
恒压充电：充电时保持充电器端电压不变的一种充电方法。
恒流充电：充电时保持充电电流不变的一种冲电方法。
极化：极化是电池由静止状态即电流为零转入工作状态产生的电池电压、电极电为的变化现象。
上一节我们说过，目前电动车上普遍使用的电池一般还都是铅酸蓄电池，但是这种电池有普通电池还有很大区别。动力铅酸蓄电池既要求有瞬时大电流放电特点，又要求铅酸蓄电池有持续大电流放电的能力。
1.2.3 驱动电机和驱动系统
驱动电机是EV的动力装置，这也是EV与内燃机汽车的根本区别之处。现代EV所采用驱动电机主要是交流电动机、永磁电动机、和开关阻尼电动机等。
电动车驱动系统由驱动电动机和驱动操纵系统共同组成，随着电动车结构形式不同，采用了不同驱动系统。电动车的驱动系统由集中驱动系统和轮毂驱动系统两驱动系统。
电动车的驱动系统总布置形式有以下几种.
（1）传统驱动模式
（2）电动机—驱动桥组合式驱动系统
（3）电动机—驱动桥整体式驱动系统
（4）轮毂电动机分散驱动系统
第三节 燃料电池电动汽车
1.3.1燃料电池电动汽车的构成
燃料电池电动汽车的外形和内部空间与普通内燃机汽车几乎没什么差别，特别是燃料电池电动轿车与普通内燃机轿车的外形无任何区别。单凭外形是无法区分燃料电池汽车与普通内燃机汽车的。燃料电动汽车与传统汽车不同之处在于动力系统。燃料电池电动汽车的动力系统主要由动力控制单元、电动机、电池组、燃料箱、储能装置及燃料加入口等组成。
燃料电池电动汽车的动力系统组成是很复杂的，主要组成为燃料系统、空气供给系统、控制器、燃料电池组、蓄电池、DC/DC转换器、DC/AC逆变器、电动机或发电机及驱动齿轮等。
1.3.2燃料电池电动汽车的种类
虽然燃料电池汽车的历史并不长，但由于燃料电池汽车具有突出的环保、节能优势，各种各样结构的燃料电池汽车不断问世。为了便与区分各种燃料电池汽车的结构特征，对燃料电池汽车进行科学的分类是十分必要的，目前常见的方法有三种。
1、是根据汽车是否带有储能设备（如蓄电池、飞轮等）分类，据此可把燃料电池汽车分为纯燃料电池汽车和混合（复合）式燃料电池汽车。
2、根据燃料特点把燃料电池汽车分为直接燃料电池汽车和重整燃料电池汽车。
3、分句燃料氢的储存方式的不同可以把燃料电池汽车分为压缩氢燃料电池汽车、液氢燃料电池汽车和合金吸附氢燃料电池汽车三种。
1.3.4燃料电池电动汽车的驱动形式
驱动电机及其控制系统是燃料电池汽车的心脏，它的主要功能是使电能转变为机械能，并通过传统系统将能量传动到车轮驱动车辆行驶。
其基本构成有两个部分：电机及控制器。电机由控制器控制，是一个将电能转变为机械能的装置。控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于电机运行的另一种形式的电能，所以控制器本质上是一个电能变换控制装置。
目前，燃料电池可以采用的电机驱动系统有直流电机驱动系统、异步电机驱动系统、同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统。
第二章 电动车动力及控制设计
第一节 电动车驱动电机种类
2.1.1电动车电机的分类
电动机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电动机也称（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。
电动机可分为交流电动机、直流电动机、交/直流点动机、控制电动机、开关、磁阻电动机及信号电动机等多种。适用于电力驱动的电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。目前在电动汽车上已应用的和应用前景的有直流电动机、交流感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等。
2.1.2 电动车驱动电机
电动汽车由电动机驱动，电动机是电动汽车的关键部分。要使电动汽车具有良好的使用性能，驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速、足够大的启动扭距，还要具有体积小、质量轻、效率高且具有动态制动性强和能量回馈的性能。
2.1.3电动汽车对电动机的基本要求：
电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高的，主要有：
(1) 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。工作电压由THS的274 V提高到THS B的500 V;在尺寸不变的条件下，最高功率由33 kW提高到50 kW,最大转矩由350 N"m提高到400ON"m。可见，应用高电压系统对汽车动力性能的提高极为有利。
(2)转速高。电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到8 000一12 000 r/min，高转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低装车的装备质量。 （3）质量轻，体积小。电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低电动机的质量，各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。电动汽车驱动电动机要求有高的比功率(电动机单位质量的输出功率)和在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率，以实现降低车重，延长续驶里程;而工业驱动电动机通常对比功率、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。
(4)电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。电动机应具有自动调速功能，以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。
(5)电动汽车驱动电动机需要有4一5倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求，而工业驱动电动机只要求有2倍的过载就可以了。
(6)电动汽车驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电动机分马力电动机协调运行，而工业驱动电动机只要求满足某一种特定的性能。
(7)电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。
(8)电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。电动汽车的各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到300 V以上，因此必须装备高压保护设备以保证安全。
(9)能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并在运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作。
(10)结构简单.适合大批量牛产，使用维修方便.价格便宜等。
第二节直流电动机与控制
直流电动机具有较好的软机械特性在电动车上得到了广泛的应用，其调速方式是通过改变励磁绕组电流的大小来控制电动机的转速。换向则是通过换向接触器改变励磁绕组电流的方向从而达到电动机翻转的目的。
2.2.1直流电动机的基本构造
直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子组成。定子由主磁极、换向极、电刷装置和机座组成。主磁极铁芯上套有线圈，通入直流励磁电流便会产生磁场，即主磁场。换向极也由铁芯及套在上面的线圈组成，其作用是产生附加磁场。以减弱换向片与电刷之间的火花，避免烧蚀。机座除作电动机的机械支架外，还作为各磁极间磁的通路。转子由转子铁芯、转子绕组、换向器、轴和风扇组成。转子铁芯用来安装转子绕组，并作为电动机磁路的一部分。转子绕组的主要作用是产生感应电动势并通过电流，以产生电磁转矩。换向器由换向片组成，换向片按一定规律与转子绕组的绕组元件连接。
2.2.2直流电机的控制
1直流串励电动机
直流串励电动机具有较好的软机械特性在电动车上得到了广泛的应用，其调速方式是通过改变励磁绕组电流的大小来控制电动机的转速。换向则是通过换向接触器改变励磁绕组电流的方向从而达到电动机翻转的目的。
串励电动机的特点：
1、电枢线圈与励磁线圈串联
2、电枢电流与励磁电流相同
3、在换向结构中需安装换向接触器，依靠控制器外围接线，改变励磁电流方向完成换向。
4、无再生制动，释放加速器，一般只能滑行，无平滑制动；
只能反接制动，能量通过电机发热消耗，对电机损伤较大
5、转矩和速度曲线固定，无调节空间，控制器必须与电机相匹配，无法根据需要选择速度和转矩。
3 直流他励电动机
直流他励电动机的调速方式一般采用改变电动机电枢的供电电压来控制电动机的转速。换向则可以由控制器直接控制电动机的正反转。
他励电动机的特点：
1、励磁线圈与电枢线圈各自，便于换向，励磁电流小于电枢电流，
优越的制动性能。
2、无需换向接触器，降低系统成本；减少活动部件；依靠控制器内部
“MOSFETs”改变励磁电流方向完成换向；
3、再生制动：释放加速器，自发平滑制动；降低电机发热，延长使用寿命；无需再生制动接触器，降低成本，减少活动部件。
4、在选择转矩和速度曲线之间有更大的空间，控制器必须与电机相匹，
满足爬坡所需的速度和转矩。
第三章 我国电动汽车的缺点与改进
我国电动汽车虽然发展的速度很快，但是相比起来还是存在许多缺点的，比如电池的使用寿命电池的调节系统与评价系统等很多方面都是需要改进的。
第一节我国电动汽车的缺点
1、续驶里程
目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100-300km，并且这个数字通常还需要保持适当的行驶速度及具有良好的电池调节系统才能得到保证，而绝大多数电动汽车在一般行驶环境下的续驶里程只有50-100km。比起传统燃油汽车而言，电动汽车的较短续驶里程成为其致命的弱点。
2、蓄电池使用寿命太短
普通蓄电池充放电次数仅为300-400次，即使性能良好的蓄电池充放电次数也不过700-900次，按每年充放电200次计算，一个蓄电池的寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。另外，不同类型的电池在性能方面都有各自的优势和不足。例如，铅酸电池成本低，原材料丰富且易于回收，但续驶里程短、加速动力差且寿命短。镍镉电池加速动力足、寿命较长，但其成本高、可回收性差。钠硫电池的比能量较高，能够提供较长的续驶里程，但它要求的工作环境较苛刻，且其活性物质具有强腐化性并易爆炸。就整体来看，成熟电池的寿命都相对较短。
3、蓄电池尺寸和质量的制约
现有电动汽车所使用的电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和质量。如果电动汽车自身装备质量大，就会影响加速性能和最大车速的提高。
4、电动汽车价格昂贵
主要是电池技术复杂，成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技术，致使电动汽车的造价居高不下。电动汽车蓄电池的价格约为100美元／kW.h，甚至有的高达350美元／kW.h，成本太高，用户难以承受。
第二节电动汽车的发展
1、纯蓄电池驱动的超微型汽车
这种汽车降低了汽车的动力性和续驶里程的要求，充电过程比较简单，车速不高．较适合于市内或社区小范围内使用。由于多数采用了镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等高性能电池，车辆性能较有保证，已进人小批量试生严阶段。比如，日本的Hypermini采用了高性能锂离子电池，最高时速为90km，一次充电可行驶115 km．是一款适合未来城市道路行驶的家庭轿车。
2、驱动电机呈多样性发展
美国倾向于采用交流感应电机，其主要优点是结构简单、可靠，质量较小，但控制器技术较复杂；日本多采用永磁无刷直流电机．优点是效率高．起动扭矩较大，质量较小，但成本较高，且有高温退磁、抗振性较差等不足；德国、英国等大力开发开关磁阻电机，优点是结构简单、可靠．成本较低．缺点是质量较大，易于产生噪声。目前我国也研制成了稀土永磁无刷直流电机和开关磁阻电机?电动机的使用尚无定论，有待今后在使用中考验。
3、混合动力汽车
由于受到蓄电池性能的严重制约．使纯蓄电池型电动汽车的产业化进程举步维艰，于是混合动力汽车成了内燃机汽车和电动汽车之间的过渡产品，既充分发挥了现有内燃机技术优势，又尽可能发挥电机驱动无污染的优势。混合动力汽车将现有内燃机与一定的储能元器件通过先进控制系统相结合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放，同时技术成熟、价格便宜。
燃料电池汽车
燃料电池汽车在成本和整体性能上，特别是行程和补充燃料时间上明显优于其他电池的电动汽车，开且燃科电池所用的燃科(甲醇、汽油、柴油、天然气等)来源广泛，又可再生，并可实现无污染、零排放等环保标准。所以燃料电池轿车已成为世界各大汽车公司21世纪初激烈竞争的焦点。日本《东洋经济》报道.“当代技术将彻底改变2l世纪汽车业的面貌，这一改变就是在近几年出现的燃料电池车”。
目前，在电动汽车的商业化运作上，无论从产品技术还是从市场开发方面．都还面I临许多亟待解决的问题，这就需要的大力支持。比如，加快制定相关技术标准，出台对节能、 环保汽车的税费减免和补贴措施，在基础设施建设上提供便利条件等。
结束语
本设计在冀老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着冀老师的心血和汗水，在三年的大专学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向冀老师表示深深的感谢和崇高的敬意。
毕业设计，也许是我大学生涯交上的最后一个作业了。想籍次机会感谢三年以来给我帮助的所有老师、同学，你们的友谊是我人生的财富，是我生命中不可或缺的一部分。
大学生活即将匆匆忙忙地过去，但我却能无悔地说：“我曾经来过。”大学三年，但它给我的影响却不能用时间来衡量，这三年以来，经历过的所有事，所有人，都将是我以后生活回味的一部分，是我为人处事的指南针。就要离开学校，走上工作的岗位了，这是我人生历程的又一个起点，在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们，一路走好，未来总会是绚烂缤纷。
参考文献
1)驱动电池技术：镍氢电池，镍镉电池，铅酸电池，钠硫电池，锂离子电池、燃料电池等，应具有比功率和比能量高，能满足动力性和续驶里程的要求：充电时间短、充电动循环多，以方便使用和保证寿命。
2)电机技术：主要有四种电机：直流电机、永磁电机、开关磁阻电机、交流感应电机。要求重量轻、效率高、可靠性好。
3)驱动系统控制与集成技术：多采用单片机和功率器件配合作为控制系统，功率器件主要使用IGBT（绝缘栅双极晶体管）。
4)电池监视与管理系统技术
5)充电系统技术
6)电动汽车整车布置及匹配技术
致谢
首先非常感谢冀老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，放弃了自己的休息时间，这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向冀老师表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！通过这一阶段的努力，我的毕业论文《新能源汽车》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。
在本论文的写作过程中，我的导师冀老师给了我很大的帮助，从选题到开题报告，从写作提纲，到一次又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。
写毕业论文总结报告是一次再系统学习的过程，毕业论文答辩自述的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是南京化工学院的一名学子，在今后的工作中把南京化工学院的优良传统发扬光大。
感谢各位老师评指导。
附录一
