（农业机械化工程专业论文）辅助动力电动汽车整车匹配及电机控制系统研究.pdf

摘要 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，汽车的普及是人民生活水平提高的具体表 现之一，但不断增长的汽车保有量在促进经济的高速发展的同时又将能源枯竭及环境 污染问题推到了一个日益严重的位置，这也是世界汽车工业可持续发展所面临的两大 难题。为节省宝贵的石油资源，降低油耗，减少排放污染，确保必须用石油作原料的 工业部门的石油供应，寻找替代能源是汽车工业的发展方向，因此电动汽车成为主要 选择，由于电动汽车电池技术的不足导致纯电动汽车距离市场化的目标仍然有相当长 的一段距离，为此，研究开发辅助动力电动汽车意义重大。 本文第一章介绍了国内外电动汽车的发展现状；然后在“工大干网一1 ”( i 型车) 电动汽车的基础上提出了辅助动力电动汽车( i i 型车) 方案。 第二章在阐述辅助动力概念的基础上，从辅助动力电动汽车基本结构、整车控制 系统的组成和原理以及辅助动力单元三个方面对辅助动力电动汽车做了详细介绍：分 别对辅助动力电动汽车各关键部件的选型进行了论述。 第三章阐述了辅助动力电动汽车电机控制系统的整体结构及工作原理：完成了控 制系统软硬件的设计与实现。详细分析了控制系统硬件部分的弱电子系统和强电子系 统电路原理。采用模块化设计思想进行控制系统的软件设计，保证了软件的可扩展性、 可移植性及继承性。 第四章基于辅助动力电动汽车的试验平台，分别进行了电池试验、电机试验、发 动机试验和充放电数据采集与显示试验，结果表明，证实了电机控制系统的有效性和 辅助动力的可行性。最后对试验中出现的问题进行了有益的探索。 最后一章对全文进行了总结并指出了有待于进一步开展的工作。通过对i 型车电 机控制系统的改进，可靠性有一定程度的提高：在获得最佳经济性的同时延长电动车 续驶里程，有助于延长电池使用寿命；与i 型车相比，增加辅助动力之后能提高电动 汽车一次充电后的行驶里程。 关键词：电动汽车辅助动力匹配电机驱动控制 a b s t r a c t v e h i c l ei n d u s t r yi sm a i n s t a yo fn a t i o n a le c o n o m y t h ea u t o m o t i v ep o p u l a r i z a t i o ni s t h ec o n c r e t ep e r f o r m a n c eo fp e o p l e sl i f el e v e l b u tw i t hi n c r e a s en u m b e ro fa u t o m o t i v e m a d ee n e r g ye x h a u s t e da n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n t h es a m ea sw o r l dv e h i c l ei n d u s t r y i n o r d e rt os a v er a r eo i lr e s o u r c e ，r e d u c eo i lc o n s u m ea n dd e c r e a s ee x h a u s tp o l l u t i o n ，e n s u r e p r o v i d eo i lt oi n d u s t r yu n i tw h i c hm u s tt a k eo i la ss t u f f , s e e ks u b s t i t u t ee n e r g yi san e w v e h i c l ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n e l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) i sb e i n gm a i nc h o i c e i th a sl o n g d i s t a n c ei np u r ee l e c t r i cv e h i c l em a r k e tf o ru n r i p es t o r a g eb a t t e r y st e c h n i c a l s oi t i s i m p o r t a n tf o re m p o l d e ra u x i l i a r yp o w e re v t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c et h es t a t u sq u oo fi n s i d ea n do u t s i d en a t i o n a lv e h i c l e d e v e l o p m e n t 。t h e np u tf o r w a r do n ep r o j e c ta b o u ta u x i l i a r yp o w e re v ( i it y p ee v ) b a s e o i l “g d q w - 1 ”( it y p ee v ) e l e c t r i cv e h i c l e c h a p t e r2e x p l a i nt h ec o n c e p to fa u x i l i a r yp o w e r , e l a b o r a t ea p e vi nt h eb a s i c s t r u c t u r e ，w h o l ev e h i c l ec o n t r o ls y s t e mc o n s t i t u t ea n dp r i n c i p l ea n da p ua s p e c t s f i n a l l y t os t a t e m e n th o wt oc h o o s et h et y p eo f t h ea p e v sk e yc o m p o n e n t s c h a p t e r3s t a t e m e n t st h ew h o l es t r u c t u r eo fa p e v sm o t o rc o n t r o ls y s t e ma n d w o r k i n gp r i n c i p l e f u l f i l lt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc o n t r o ls y s t e m ss o f t w a r ea n d h a r d w a r e e l a b o r a t et h ec i r c u i tp r i n c i p l ew h i c hb e l o n g st ot h el o wp o w e rs u b s y s t e ma n d h i g hp o w e rs u b s y s t e mo fc o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r e i ta d o p tm o d u l a r i z a t i o ni d e at od e s i g n c o n t r o ls y s t e m ss o f t w a r e g u a r a n t e e d i n ge x p a n s i b i l i t y , t r a n s p l a n ti n h e r i t e do fs o f t w a r e c h a p t e r4s t a t e m e n t sa b o u tp r o g r e s s i n gb a k e r ye x p e r i m e n t ，m o t o re x p e r i m e n t ，e n g i n e e x p e r i m e n t ，c h a r g ea n dd i s c h a r g ed a t aa d o p t i o na n dd i s p l a ys y s t e ma s p e c t sr e s p e c t i v e l y b a s eo nt h et r i a lp l a to f a p e v t h et r i a lr e s u l t sp r o v et h i sm o t o rc o n t r 0 1s y s t e mr u n r e l i a b l y a p ut a k eo ne f f e c ti nc o n t r o ls y s t e m t h el a s tc h a p t e rs u m m a r i z e sw h o l ep a p e ra n dp o i n t so u tf u r t h e rr e s e a r c ha s p e c t s i m p r o v er e l i a b i l i t yi ns o m er e s p e c t st h r o u g ha m e l i o r a t eit y p ee v sm o t o rc o n t r o ls y s t e m i t i sg a i no p t i m a le c o n o m i c a lc a p a c i t ya n dp r o l o n ge vd r i v e rd i s t a n c es i m u l t a n e i t y a n d h e l pt op r o l o n gt h eb a t t e r y sl i f e ，c o m p a r ew i t hi t y p ee v , i m p r o v ee vo n c ec h a r g e d r i v ed i s t a n c ea f t e ra d d e da p ii k e y w o r d s ： e l e c t r i cv e h i c l e a u x i l i a r yp o w e r m a t c h m o t o r d i v e rc o n t r o l 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 - - i 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 一1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 一1 7 图3 一1 8 图3 1 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 一l l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 插图清单 三种混合动力电动汽车的对比”1 0 “工大干网一1 ”纯电动汽车结构布局1 2 “工大干网一1 ”纯电动汽车控制系统结构图1 3 “工大干网一2 ”辅助动力电动汽车1 3 “工大干网一2 ”辅助动力电动汽车系统结构图”1 4 辅助动力电动汽车驱动系统图1 5 北京世纪千网电池技术有限公司生产的水平铅布电池2 7 电机控制系统整体结构图2 9 电机控制系统弱电子系统实物图3 0 m c u 模块原理图3 1 x c 9 5 7 2 器件结构3 2 电源模块3 3 电流电压转换电路3 4 差动跟随电路3 4 传感器信号放大电路3 4 转速信号变换电路3 5 p w m 输出原理图- 3 5 数字量输出驱动电路3 6 强电电路整体原理图3 7 强电回路结构示意图3 7 励磁绕组工作原理图3 8 e x b 8 4 1 外型图和内部结构图3 9 i g b t 的驱动保护电路4 0 控制系统软件流程图4 2 系统初始化示意图4 2 挡位中断响应流程图4 4 台架试验平台4 9 台架试验平台结构框图4 9 电池组容量测量系统示意图5 0 单体电池放电过程中的电压变化一5 l 单体电池充电过程中的电压变化5 1 旁路电阻分流充电原理5 2 平衡充电时各电池的电压变化5 2 发动机充电控制系统结构图5 4 不同充电起始电压条件下蓄电池端电压与时间的变化关系衄线5 5 充放电数据采集系统结构框图5 5 l c d 液晶显示试验界面5 7 车载电泡组充电电流与发动机转速的关系5 8 车载电池组充电电压与充电时间的关系5 8 油门开度5 0 、转速3 2 0 r m i n 时放电电压电流与时间的关系5 9 油门开度7 5 、转速5 3 0 r m i n 时放电电压电流与时间的关系5 9 v 图4 1 6 图4 一1 7 图4 1 8 图4 一1 9 图4 - - 2 0 表1 一l 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表4 1 表4 2 表4 3 四个不同的油门开度时放电电压电流与时间的关系6 0 油门开度5 0 、转速4 0 0 r m i n 时放电电压电流与时间的关系6 0 驱动电机功率与转速的关系6 l 驱动电机扭矩与转速的关系6 1 g t r 过流保护电路6 2 附表清单 电动汽车销售量预测( 千辆) 2 h e v 动力总成系统的比较1 0 电动汽车用驱动电机综合性能比较1 8 电动车用大型蓄电池性能比较2 6 水平铅布电池与其它蓄电池的性能比较2 6 不同充电电流下的充电效率5 0 采集模块相关器件型号5 6 液晶显示器的性能指标5 6 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方夕卜，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了时意。 研究生签名： 生盔l 鼠 h q 。间：彬年f 月f 闩 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业火学有关保斜、使用学位i = 仑文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被套阅和借阅。可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以川不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全_ ； f 5 缄部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签私： 聋立匕囟 i 1 t j ：抛f f 占! ；j l 闩 导师签名：2 经蟹色屯。 h 1 m ：跚厂年舌月f 同 1绪论 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，也是与可持续发展密切相关的重要行业， 汽车的普及是人民生活水平提高的具体表现之一。随着我国国民经济的持续快速发展 汽车进入家庭已是不争的事实。然而，不断增长的汽车保有量在促进经济高速发展的 同时又将能源枯竭及环境污染问题推到了一个日益严重的位置。 目前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题也是环境污染和石油资源匮乏。 从世界范围看，全球剩余石油为1 4 0 0 亿吨，未来5 0 年石油仍将是重要战略资源。据 推测地球现有的石油储量仅能丌采3 0 4 5 年，目前年产量为3 2 亿吨，估计2 0 1 0 2 0 2 0 年将达到3 5 3 9 亿吨【1 i ，现已探明的石油储藏量只能够人类充分使用4 0 5 0 年。 与此同时，汽车尾气对全球大气环境的污染也日益严重。有关研究结果表明，各 类机动车辆排气污染已占城市大气部份污染物的7 0 以上，其中排放的c o 对空气污 染的分担率约为8 0 ，n o x 约为4 0 ，成为影响城市居民生活质量的一个重要污染源 【“。由于大气状况的严重恶化而引起的一系列异常的自然现象，比如：光化学烟雾、 酸雨以及厄尔尼诺现象等对人类赖以生存的地面生态环境系统起到了严重的破坏作 用。另外，汽车尾气排放对人类自身生存的影响亦非常严重：铅进入人体与血液生成 “血铅”破坏人的造血系统和神经系统；c o 进入人体与血红蛋白结合破坏人体内氧的 输送及交换；n o x 对人体的呼吸系统有较大的刺激作用并且它是构成光化学烟雾的主 要成分；h c 由苯和多环芳烃等剧毒成分构成，其中多环芳烃中的苯并芘极易引发癌 症【3 】。因此，解决汽车尾气排放问题是发展汽车工业的当务之急。 据统计，全球汽车保有辆超过五亿，其中绝大部分是燃油汽车【引。由于传统汽车 的后备功率较大，而发动机大部分时间( 尤其在市区行驶时) 是运行在中小负荷的低 效率区，这不可避免地导致汽车油耗上升，加大了排放污染，汽车尾气排放量是城市 大气污染的主要来源。据统计北京市机动车尾气排放对大气污染物中c o 、h c 、n o x 的分担率分别是6 3 4 ，7 3 5 ，和4 6 ，上海市更为严重，分别为8 6 ，9 6 i , l i5 6 ： 广州、天津、重庆等许多大中型城市具有类似情况【1 1 。尽管在汽油机、柴油机上使用 燃料直喷技术以及更先进的催化转化技术在一定程度上能够减少汽车的有害气体排 放，但不能从根本上解决汽车的排放问题。为了节省宝贵的石油资源，降低油耗，减 少排放污染，确保必须用石油作原料的工业部门的石油供应，寻找替代能源是汽车发 展的当务之急。 世界各国政府和科技工作者都在积极探索新的途径，对比各种新材料、新能源和 新动力技术，电动汽车( e l e c t r i c v e h i c l e ，e v ) 成为主要选择。电动汽车使用电池组 作为动力源，由电池组提供电能驱动电机带动汽车行驶，它具有传统的燃油汽车所不 具备的理想的传动优点，运行低噪声零排放，其传动系效率明显比传统的燃油汽车高， 且可回收大部分通常损失在制动中的动能。因此就满足坏保要求而言它是适合的车 辆。据报导【4 l ，预测到2 0 0 7 年，全世界电动车年销量可达百力辆以上( 见表1 1 ) ， 约占全球汽车总销量的1 5 。虽然这样小的份额不足以说明电动车已商品化但也 说明经过几十年，尤其是近1 0 年的全球性努力，电动车在技术上已取得很大成就【5 l 。 表1 一i 电动汽车销售量预测( 千辆) t a b l e l - it h es a l eq u a n t i t ye s t i m a t i o no f e l e c t r i cv e h i c l e ( k i l o ) 但是，出于电动汽车电池技术的不足导致纯电动汽车距离市场化的目标仍然有相 当长的一段距离，目前纯电动汽车的主要问题是： 由于蓄电池组的比能量( 通常比能量决定了汽车的纯电动续驶里程) 较小，电动 汽车一次充电的续驶里程短。 出于蓄电池组的比功率较小，使得其重量和体积都大，虽然车身设计上采取了减 轻整车质量的技术，但电池过沉的自身重量会使一辆电动汽车的总质量较同样大 小体积的燃油汽车高出2 0 3 0 ，导致电动汽车的动力性能无法与传统汽车相 媲美。 蓄电池组充电时间较长，汽车附件( 空调、暖风、动力转向、真空助力器等车载 电器) 的使用受到节能限制，使用不方便，影响乘员的舒适性。 蓄电池组价格昂贵，循环使用寿命有限。 电动汽车只能实现局部范围内的零排放，而在由其它能源转换成电能过程中同样 存在对环境污染的问题。 所以目前纯电动汽车最大的问题来自动力电池技术：能量密度低造成车辆行驶旱 程短和电池过重，电池寿命短，动力不足价格高等。另外，较长的充电时问和难以 近期建造大量电池充电站也限制了纯电动汽车的推广使用。为此，丌发辅助动力电动 汽车意义重大。 针对同益严重的能源危机和环境污染，各固政府制定了相应的严格法规。1 9 9 0 年，美国加州空气资源委员会( a r b ) 通过法规要去在2 0 0 3 年汽车销售总额中必须 有l o 的零排放汽车( z e r oe l e c t r i cv e h i c l e ，z e v ) 1 6 j 。但由于认识到电动汽车上使 用的电池技术和充电设施还未到位，a r b 于1 9 9 8 年修改了关于2 0 0 3 年1 0 的z e v 要求，这项修改就是允许规模较大的汽车制造商用非纯粹的z e v 但在部分指标上能 够满足z e v 清洁要求的汽车代替6 的z e v 要求，剩下的4 必须是纯z e v ，能满 足这6 要求的汽车主要就是混合动力电动汽车( h e v ) 。 国内汽车工业的发展同样面临能源与污染两大难题，尤其是北京市面临着成功举 办2 0 0 8 年奥运会的挑战，为实现0 8 年北京“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的奥 运宗旨，必须保证交通运输车辆的环保性能指标达到世界发达国家的先进水平。这些 都使得混合动力电动汽车的研究刻不容缓。 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 是在一辆汽车上同时配 备电力驱动系统和辅助动力单元( a u x i l i a r yp o w e ru n i t ，简称a p u ) ，其中a p u 是燃 烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组1 7 j 。目前h e v 所采用的原动机一般 为柴油机、汽油机或燃气轮机。混合动力电动汽车较纯电动汽车具有以下优点： 夺电池的数量减少，因此混合动力电动汽车自身质量可减轻。 夺辅助动力单元( a p u ) 的选用使汽车的续驶里程与动力性能可以达到内燃机汽车 的水平。 夺虽然原动机会有排放产生，但是由于原动机主要工作在最佳工况点附近，因而大 大减少了汽车上内燃机变工况( 特别是低速、怠速) 时的排放，由于可回收制动 能量，使得混合动力电动汽车成为较低排放的节能汽车。 夺借助原动机输出的动力直接带动车内空调、暖风、真空助力器、动力转向等汽车 电器附件，无需再消耗电池组内有限的电能。 夺在某些对汽车排放严格限制的地区( 如商业区、旅游区、居民小区等) ，混合动 力电动汽车可以关闭a p u ，由纯电力方式驱动，成为零排放的电动汽车。 出于存在上述优点，混合动力电动汽车的整体性能价格比明显优于纯电动汽车。 因此，国内外汽车制造业者普遍认为混合动力电动汽车是目前最具有丌发和推广前景 的新型交通工具之一。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置( 蓄电池) 组合在一起，它们之舡j 的良好匹配和优化控制可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的 优点避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车【7 】，所以丌 展混合动力电动汽车的研究具有非常重要的现实意义。 1 1 国内外电动汽车发展概述 对于汽车动力，目前人们最关注的是环保和节能两个主题。环保方面主要涉及 有害污染物及温室气体排放、振动与噪声等；节能方面主要关注能量转换效率，对汽 车的主要动力发动机来说就是考察燃油里程数。 目前，绿色汽车主要有燃气( 天然气、液化气) 汽车、太阳能汽车和电动汽车。燃 气汽车尽管具有低排放的特征，但其所烧天然气或液化气的拥有量仍然有限：太阳能 汽车可实现零排放的理想状况，但其续驶里程较短，太阳能电池的充电时间很长；电 动汽车也可实现零排放的理想状况，尽管其续驶里程目前不是很长，蓄电池的充电时 间还不能象燃油汽车加油那样短，但随着蓄电池技术的发展，高比能量、比功率的电 池相继问世和充电技术的提高，以及新型动力电池的研究开发成功，电动汽车将是一 种未来很有前途的绿色汽车。 现在，零排放电动汽车的技术已经逐渐成熟，并已开始商品化，一次充电行程基 本能满足市区交通的要求；大规模应用的主要问题是电动汽车的初始成本高和续驶里 程仍不够理想，而h e v 已在国内外形成新一轮的技术开发热点，它可以提高燃油的 经济性，但不能达到零排放，只能改善排放。在零排放电动汽车未形成主流之前， h e v 可起到过渡性发展的作用，因此是目前可以大批量生产、替代燃油汽车、减少 废气排放的较现实的电动汽车。可以预见，在未来的1 0 年中，h e v 将在其特定市场 范围内扩大其商业化生产规模并占有自己的份额，而增长速度将取决于其价格因素。 在2 0 年以后，f c e v ( f u e l c e l l e l e c t r i c v e h i c l e ) 燃料电池电动汽车会成为未来的主流技 术，定会有长远的市场前景其商业化速度也会加快，因为只有它在续驶单程和性能 方面能与燃油车相媲美1 8 】。 尽管电动汽车在2 0 世纪前就已经存在，但现在的电动汽车不仅是以电动机、控 制器和电源组成的以电驱动系统为基础的车辆，而且是实现清洁、高效、智能的道路 运输系统的一个全新系统，是一个便于和现代交通网络结合的智能系统。无论从环保 角度还是从能源角度来看，未来的电动汽车都需要有一个大的发展，其- 刀：发关系到众 多工业的兴衰，可能成为未来新的经济增长点。为此，各囡政府都在积极寻求发展 h e v 技术。 1 1 1 国外发展概述 第一辆h e v 是在2 0 世纪初期由设计者将电动机和汽油发动机组合在一起而制成 的。随着科技发展，现在的h e v 已经成为汽车、电力驱动、化学能源、智能控制、 新能源、新材料等工程技术中最新技术综合和集成的产物【”。在国外，h e v 技术日趋 成熟，已成为受市场欢迎的一种新车型。同本丰阳公司丌发的p r i u s 和本用公司丌发 的i n s i g h t 两种h e v 已开始小批量投放市场。为适应美国市场的需求，丰阳公司已推 出动力更强劲的第二代p r i u s ，p r i u s 是世界上第一辆批量生产的混合动力汽车，从1 9 9 7 年上市，至今已经销售了1 0 万辆，占混合动力车总销量的9 0 ，代表了这领域的 最高水平hj 。本f f 【的i n s i g h t 在美国市场上出售也是供不应求。 1 9 9 3 年9 月出台的美国新一代汽车合作计划( p n g v ) 要求在1 0 年内将家庭轿车 的平均燃油效率提高到1 9 9 4 年的3 倍，即在2 0 0 4 年使家庭轿车的燃油罩程数达到 3 4 k m l j 。提高效率对发动机柬况，主要是提高热效率。对替代动力燃料电池而言， 就是化学能转换为电能的效率。早先福特汽车公司投资1 5 亿英镑开发电动汽车，1 9 9 3 年研制成功，分赴美国各地进行试运行，采用4 8 0 个钠硫单位电池，取代原来的铅酸 蓄电池。福特公司还在德国投资3 5 0 0 万美元，成立了欧洲研究中心，从事环保车的 开发和研究，福特公司研制的燃料电池轿车p 2 0 0 0 是以氢为燃料的电动汽车，采用“质 子交换膜”燃料电池。通用汽车公司1 9 9 0 年在洛杉矾展出“冲击”牌电动轿车，1 9 9 4 年生产5 0 辆。通用公司欧洲分公司还建立了一个全球代用燃料推进中- g ( g a p c ) ，从 事汽车燃料电池技术的开发和研究i 在轿车上装燃料电池，采用甲醇作为燃料。戴姆 勒- 克莱斯勒汽车公司成功利用燃料电池技术，制成首辆可驾驶的零污染环保汽车一 “n e c a r 4 ”。该车在充足电后可连续行驶4 5 0 k m ，最高时速可达1 4 5 k m 【i “。 另外，欧洲各国对汽车动力的排放法规要求日益严格。欧盟1 9 9 9 年通过的法规 要求2 0 0 8 年采用先进后处理技术的轻型车用柴油机欧洲瞬态循环( e t c ) 测试中n o x 排放要降低到2 9 ( k w h ) ，c o 降低到4 9 ( k w h ) ，p m 降低到0 0 3 9 ( k w h ) ”qo 如何满 足同益严格的排放法规要求同时又要提高能量转换效率，是车用内燃机的生存压力， 也是发展动力。2 1 世纪对汽车动力的要求是高能量转换效率，接近零排放，当然这 要以低成本、良好经济性、高可靠性和高功率密度为前提。为了满足r 益严格的排放 法规，欧洲各大汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的h e v 。法国也先后推出了 贝灵格型和x s a r a 型h e v 。德国著名的b o s c h 等零部件公司也在积极寻求与大公 司联手丌发h e v 技术【1 0 】。1 9 9 0 年意大利菲亚特汽车公司- 丌始生产电动汽车，载质量 为1 3 3 0 k g ，车速为7 0 k r r d h ，行驶里程为1 0 0 k m “】。英国国际汽车设计公n ( i a o ) 从 1 9 7 9 年丌始研制电动汽车。此外，欧洲六大汽车公司联合就h e v 技术进行了研讨和 综合评述，认为其技术成果有望使混合动力电动汽车的成本接近于传统汽车，使用户 买得起，生产厂家也有利可图。专家们也普遍评价：混合动力电动汽车是2 1 世纪初 汽车产业界的一场革命，只有混合动力电动汽车才能满足新世纪之初对汽车的环保和 节能要求【6 1 。 1 1 2 国内发展概述 根据我国国情，我国大部分城市普遍存在着十分严重的交通问题和汽车尾气排放 污染问题，因此发展c o d , 型电动汽车的市场更独特、应用前景更广阔。政府应鼓励电 动汽车按市场机制丁f ：发，同时要抓紧充电站等基础设施的建设，并在政策、法规上予 以支持。可以预见，未来的汽车将是出电气、机械和控制技术运行的车辆，也只有开 发清洁、高效、智能的电动汽车，才能使2 1 世纪的交通可持续地发展。 在传统汽车领域，- 中国落后于发达国家二三十年，已经失去了追赶的机会。而在 电动汽车领域，中国与国外技术水平和产业化程度差距相对较小。中国电动汽车的研 发已有了一定的基础，一些企业在上世纪9 0 年代中期已推出了电动汽车样车，但是 目前还没有规模化生产的电动汽车产品出现。因此有必要抓住这一机遇，赶超世界先 进水平。 为维护我们能源安全改善大气环境提高入世后我国汽车工业的竞争力，2 0 0 1 年9 月，中国科技部在“十五”期间的国家“8 6 3 ”计划中，特别设立了电动汽车重大 专项( 住1 。专项从国家汽车产业发展战略的高度出发，选择新一代电动汽车技术作为我 国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高校和科研机构联合进行攻关。计划在“十 五”期间，以电动汽车的产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键单元技术、 系统集成技术及整车技术上取得重大突破，集中有限资源抢占新一代电动汽车的制高 点，促进我国汽车工业实现跨越式发展。 电动汽车重大专项提出“三纵三横”研究开发布局。以燃料电池汽车、混合动 力电动汽车、纯电动汽车为“三纵”，多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池 为“三横”，强调建立符合整车开发规律的严密的整车开发程序。提出以整车开发为 主导，关键零部件和相关材料紧密结合，基础设施协调发展政策法规、技术标准与 评估技术同步展开的基本方针，作为国内汽车科技项目的一个探索，以保证电动汽车 重大专项产品化和产业化目标的实王见l ”j 。 “8 6 3 ”计划电动汽车重大专项各分类项目已被一汽集团、东风集团、上汽集团、 清华大学和同济大学承担。目前承担大客车项目的北方车辆厂将在尼奥普兰底盘上改 装电机驱动：承担纯电动轿车研发的是上海奇瑞和天津汽车。此外，一汽和东风将在 各自客车的底盘上。研发混合驱动公共汽车和大型客车，东风还承担了混合动力轿车 的研发：燃料电池客车由清华大学和北京客车总厂合作研发，燃料电池轿车则由上海 汽车工业集匿担当。根据计划，此专项要在3 年至5 年内实现纯电动汽车和混合动力 汽车的产业化，5 年内建立燃料电池汽车产品动力平台为5 年至1 0 年内实现燃料 电池汽车的产业化奠定基础。 国家在“9 7 3 ”项目的能源领域设置了“氢能的规模制各、储运及相关燃料电池 的基础研究”课题【l 引。其中氢能的规模储运技术是发展氢能的瓶颈。目前国外虽然准 备大规模生产氢燃料电池汽车，但出于没有根本解决氢燃料供应问题，还是不能形成 未来的燃料电池汽车市场。 2 0 0 8 年北京奥运会将以“绿色、科技、人文”为宗旨，届时北京市政府将为奥 运会提供绿色车辆。保证环保性指标达到世界发达国家的先进水平。具体内容为，到 2 0 0 8 年奥运会，北京9 0 的公共汽车和7 0 的出租车将使用清洁燃料l i i ，同时规定， 奥运会清洁客车只能是在中国国内生产制造。目自口中国科技部首推电动汽车，它能满 足世界上最严格的排放标准。 国际展览局将2 0 1 0 年世搏会的主办权给了上海，为体现“城市让生活更美好” 的主题，一t - 海市将优化调整公交线网，完善与轨道交通的衔接配套，加大公交汽车、 电车的更新改造力度，未来5 年内上海将更新8 0 0 0 辆以上的公交车辆1 1 “，快速发 6 展公交电车。到2 0 1 0 年世博会时。由于各场馆大量需要无污染的电动车，这将促进 国产电动汽车的全面上市。 目前我国电动汽车项目均处于开发阶段，没有形成生产规模。这与美国和日本已 经形成了定的电动汽车市场相比，存在较大差距。因此我国政府应该尽快采取措施， 促进中国电动汽车市场的形成，。使企业的电动汽车产品在市场中得到考验，并逐渐壮 大。在电动汽车这一新的领域，对我国汽车工业的发展战略和总体技术路线，以及组 织管理模式进行重大调整，把大力发展新一代汽车实现产业化作为促进我国汽车工业 实现跨越式发展的战略性举措，就有可能在世界汽车工业毅一轮竞争中占领制高点， 取得有利地位，提高我国汽车工业的国际竞争力实现我国汽车工业的振兴。 1 2 研究的目的和意义 到目前为止，北京机动车总量为1 6 0 万辆，随着中国顺利加入w t o 和2 0 0 8 年 “绿色奥运”的成功举办，北京道路交通状况将迸一步改善，为交通工具的增加提供 了广阔的空间，同时对空气，环境的要求也越来越高。2 0 0 8 年之前，北京将建成世 界上晟大的一支电动汽车队伍，用于奥运会的交通服务。到2 0 0 8 年，北京百分之九 十的公共汽车和百分之七十的出租车将使用清洁燃料，奥运会专用车、旅游用车都将 采用电动汽车【1 5 1 。 电动汽车的产业化将成为中国汽车工业产业结构调整和跨越式发展的切入点， “十五”计划期间，科技部将继续在全国重点城市实施“清洁汽车行动”、“清洁能源 行动”，组织智能交通系统技术的开发和示范，以改善中国城市的大气环境，并已经 把电动汽车的产业化列为“十五”科技工作重中之重的重大专项。 基于这两个目的，在原有混合动力电动车的基础上本课题组提出了辅助动力电动 汽车的技术路线，基于辅助动力的混合动力电动汽车既克服了串联式转化效率低的缺 点，又避免了并联式和混联式的机械装置和控制系统的复杂性，同时也在提高燃油发 动机经济性和环保性的前提下缓解了现行车载电源续驶里程有限的不足。力争在 2 0 0 7 年进行小规模示范运行后，取得2 0 0 8 年奥运会馆际用车的“入场券”。 1 3 课题研究内容 通过对纯电动实验样车( “工大干网一1 ”，i 型车) 的测试与分析，发现车载蓄 电池对驱动直流电机的输出效率很低，这是因为该车的其它负载如空调、助力等驱动 电机都从车载蓄电池获取动力能源，它们耗能量都很大，所以在分析测试了纯电动实 验样车性能的基础之上，引入辅助动力概念，采用小型燃油发动机直接对耗能量楣对 较大的车用负载进行驱动，同时作为一种发电装置对车载蓄电池进行能量的补充。为 此，辅助动力电动汽车项目组将研究计划分成3 个阶段：首先对“工大干网l ”( i 型车) 电动汽车进行实际运行测量，积累部分道路行驶的经验，为进行下一步的设t 1 工作打下基础；然后在i 型车基础上，进行电机控制系统和辅助动力单元等核心部分 的技术改造，实现辅助动力系统与整车的最佳匹配与优化控制，试制i i 型电动汽车， 进行路试，获得更详细的实验数据运行参数，分析增加辅助动力后的性能，为汽车整 体性能的优化提供参考数据；最后，在i i 型车的基础上进行全新的电动车开发，生产 出实用、可靠的i i i 型辅助动力电动汽车l l “。 本文结合第二阶段的工作内容，开展了以下研究： 辅助动力电动汽车整车匹配及关键部件选型： 驱动控制系统的硬件设计与实现： 驱动控制系统的软件设计与实现： 试验、分析结果。 1 4 本章小结 从世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题：环境污染和石油资源匮乏的角 度出发分别对国外和国内电动汽车的发展加以概述。分析了发展辅助动力电动汽车的 必要性，阐述了本课题研究的目的、意义和内容。 2 辅助动力电动汽车整车匹配 传统的混合动力汽车有三种基本结构型式：串联式、并联式和混联式，辅助动力 电动汽车结构上与串联式混合动力汽车类似，其主要部件的合理选型和优化匹配对整 车性能至关重要。本章在提出辅助动力电动汽车概念的基础上，阐述了系统的结构、 组成、工作原理及辅助动力单元。结合实际需要，完成了关键部件的选型。 2 1 辅助动力概念的提出 作为当前国际上正在研究的一项高新技术，电动汽车所面临的重大难题就是车载 能量有限，续驶里程较传统的内燃机车短。通过对纯电动实验样车的测试与分析，发 现车载蓄电池对驱动直流电机的输出效率很低，这是因为该车的其它负载如空调、助 力等驱动电机都从车载蓄电池获取动力能源，它们的耗能量都很大。该车采用直流电 机驱动，没有配备能量管理系统，因此造成了续驶里程短、最高车速低的不足。出于 在短期内蓄电池储能不足的问题还不能得到解决，而混合动力电动汽车作为从燃油型 汽车到纯电动汽车的过渡车型显示出了良好的发展前景。既保留了燃油发动机优越的 动力性、经济性，又使电动行驶里程增加，发挥了电动车的环保性。 如图2 l 和表2 一l 所示，混合动力汽车有三种基本结构型式：串联式、并联式 和混联式1 6 j 。串联式h e v 电机是直接驱动车轮的唯一动力，必要时发动机发电机组 向电池组充电。由于发动机和驱动轮之间没有直接的机械连接故串联式结构具有不 受行驶工况影响能单独控制发动机运转在高效区的优点，缺点存在来自于发动机输出 的电能转化损失：并联式h e v 发动机和电机都可直接驱动车轮，出于发动机与驱动 轮之间直接相连，发动机的运转就与通常汽车的发动机运转相似，受到行驶工况的影 响，但该结构减少了能量转化的损失；混联式是以上两种型式的组合，兼有串联式和 并联式结构的双重特性，主要出发动机、电机一发电机和驱动电机三大动力总成组成， 通常有转矩合成式、转速合成式和牵引力合成式三种形式【8 】。 甍掣 鞘t 目乖尊 p v j 话 缱弹传逮鼯i 曳 s i v ( 审旌式， t l i s 泮啦豫台动力景境 戚魂 崤鼋崭豳 拔托刮蘸踌分别山 特钍赫j = l 、，电动机或棼乏功艇2 ；一鬻动行驶 惜鼢电动机驱动钉发动扎动力既可赢接 驶的街发电机的电驰葫也可同时或单独 嵇汽车发动矾强靶动敖电机敷电j 也 用，筮也 田与屯动辊捉弼驱动 汽牟行驶 圈2 1 三种混台动力电动汽车的对比 f i g u r e 2 - 1t h ec o m p a r eo f t h r e et y p eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 表2 1h e v 动力总成系统的比较 t a b l e 2 - lt h ec o m p a r eo f h e vp o w e ra s s e m b l ys y s t e m 0 由此可见混合动力电动汽车常见的三种型式各存在优缺点：1 ) 串联式h e v 机械 装置简单，燃油发动机的经济性和排放性好，但存在着燃油发动机电转化效率低的缺 点：2 ) 并联式h e v 虽然克服了这个不足，但整车机械装置的复杂程度增加：3 ) 混 联式h e v 具有串并联系统的双重性，兼具二者的优点，但控制系统设计却相对复杂。 根据课题研究内容，在分析测试了纯电动实验样车性能的基础之上，提出辅助混 合动力概念，采用小型燃油发动机直接对耗能量相对较大的车用负载进行驱动，比如 空调等，以提高车载电源对驱动系统的输出效率，同时作为一种发电装置对车载蓄电 池进行能量补充。在车载电源、辅助动力、驱动系统以及车用负载之间设计有效的能 量管理系统，以实现在不同工况下对车载电源与驱动系统之间能量流向的合理分配， 以及辅助动力对车用负载能量供给、对车载电源、驱动系统能量补充的实时调节。 辅助动力电动汽车与混合动力电动汽车区别在于动力混合比不同，以及控制方式 不同。本车发动机发电机组功率相对于驱动电机的功率来说很小，发动机发电机组只 是起辅助动力的作用