（光学工程专业论文）混合动力汽车轮毂电机特性与仿真研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 呐毛 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 劫砂- s l j f 摘要 摘要 轮毂电机因具有简洁高效、便于控制等突出优点，成为电动汽车及混合动 力汽车发展的一个独特方向，目前在国内国外都得到了广泛应用。本文以混合 动力电动汽车用永磁无刷直流轮毂电机为主要研究对象，以仿真模型来计算电 机的工作特性，以期用于整车仿真建模中。 本文首先详细阐述了永磁无刷直流电机机械结构和工作原理及其基本控制 理论，并基于m a t l a b s i m u l i n k 平台建立了转矩闭环电压p w m 控制仿真模型。 以所建模型为基础，计算电机输出转矩与转速的外特性曲线，计算不同转矩转 速下电机的效率，并分析电机不同参数对电机特性的影响。基于p i 控制方式参 数敏感性强的弱点，提出可利用模糊p i d 控制方式来解决这一问题。本文还详 细分析了永磁无刷直流电机回馈制动原理，并通过模型进行回馈制动的计算。 然后，通过实验数据与上述所建模型的计算结果进行了对比分析。 最后本文结合中意混合动力汽车项目，利用a d v i s o r 仿真软件对四轮驱动 混合动力小型车进行了初步仿真计算，相对传统汽车，在满足动力性的要求下， 比较燃油经济性和排放性能的改善。 关键词：轮毂电机，无刷直流电机，p w m 控制，回馈制动 a b s t r a c t a b s t r a c t i n w h e e lm o t o rh a sb e c o m ea l lu n i q u ed i r e c t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fh y b r i d d e c t f i cv e h i c l eb e c a u s eo fi t so u t s t a n d i n gm e r i t ss u c ha sh i g he f f i c i e n c ya n de a s yt o c o n t r 0 1 n o wi t i sw i d e l ya p p l i e db o t ha th o m ea n da b r o a d t h i sd i s s e r t a t i o ns e t i n w h e e lm o t o rw i t hd i r e c tc u r r e n to fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ef o rr e s e a r c ho b j e c t i v e a n dc a l c u l a t e dw o r k i n gp e r f o r m a n c eo fi n w h e e lm o t o rb ys i m u l i n k - m o d e l ，t h u s c o n t r i b u t i n gf o rt h ef u r t h e rv e h i c l es i m u l i n k - m o d e l f i r s t l y , t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n db a s i cc o n t r o lt h e o r yo ft h ei n - w h e e lm o t o r w e r ed i s c u s s e d b a s e d o nt h em a t l a b - s i m u l i n k p l a t f o r m ，p w m c o n t r o l s i m u l i n k m o d e lo ft o r q u ec l o s e - l o o pw a se s t a b l i s h e d ，t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f m o t o ro u t p u t - t o r q u e s p e e dw a sc a l c u l a t e d ，a n da l s ot h ee f f i c i e n c yo ft h em o t o ri n t h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tt o r q u el o a da n dd i f f e r e n ts p e e d w i t ht h i sc u r v e ，t h e i n f l u e n c eo ft h em o t o rp e r f o r m a n c ei nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tp a r a m e t e r so ft h e m o t o rw a sa n a l y z e d i tw a si n d i c a t e dt h a tf u z z yp i dc o n t r o lc o u l ds o l v et h ep r o b l e m o fp ic o n t r o l sh i 曲s e n s i t i v i t y t h i sp a p e rh a sa l s oa n a l y z e dt h ef e e d b a c kb r a k eo f b l d cm o t o r , a n dc a l c u l a t e di tw i t ht h es i m u l i n k - m o d e l w i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ， t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t so ft h em o d e lw e r ec o n t r a s t e da n da n a l y z e d f i n a l l y , t h i sp a p e r c o m b i n e dt h ep r o j e c to fs i n o r a l yh y b r i dv e h i c l ea n du t i l i z e d a d v i s o rs i m u l i n ks o f t w a r et oc a l c u l a t es m a l l s i z eh y b r i dv e h i c l ew i t hf o u rw h e e l s c o n t r a s t e d 、) l r i mt r a d i t i o n a lv e h i c l e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ei m p r o v e m e n to ff u e l c o n s u m p t i o na n de x h a u s tp e r f o r m a n c ei n t h e c o n d i t i o no fm a t c h i n gt h ep o w e r r e q u e s t k e y w o r d ：i n - w h e e lm o t o r , b l d c ，p w mc o n t r o l ，f e e d b a c kb r a k e i i 目录 目录 第1 章绪论1 l1 课题背景及意义1 1 2 混合动力汽车发展历史及现状1 1 2 1 电动车的发展概况1 1 2 2 混合动力汽车国内外研发概况2 1 2 3 混合动力汽车的关键技术3 1 2 4 混合动力汽车需要解决的问题5 1 2 5 混合动力汽车市场化发展趋势6 1 3 轮毂电机发展现状6 1 3 1 轮毂电机研发与应用现状6 1 3 2 轮毂电机所采刖的各种电机类型比较9 1 3 - 3 无刷直流电机的发展历史1 l 1 3 4 轮毂电机控制系统的发展与现状1 2 1 3 5 轮毂电机的研究热点问题。1 3 1 4 本文主要工作1 4 第2 章永磁无刷直流电机结构及工作原理1 6 2 1 永磁无刷直流电机的机械结构1 6 2 2 永磁无刷直流电动机的基本工作原理1 7 2 2 1 无刷直流电机的组成。1 7 2 2 2 无刷直流电机的定子磁链与反电势波形。1 8 2 2 3 无刷直流电机的导通方式1 9 2 2 4 无刷直流电机的换相。2 0 2 2 5 位置传感器2 l 2 2 6 无刷直流电机的调速2 2 2 2 7 电磁转矩脉动2 3 i i i 目录 2 3 无刷直流电机的研究热点问题2 4 2 4 本章小结2 5 第3 章永磁无刷直流电机数学模型及基本控制理论2 6 3 1 永磁无刷直流电动机的基本公式2 6 3 2 永磁无刷直流电动机的数学模型2 8 3 3 车用永磁无刷直流电机的基本控制原理和控制策略3 l 3 3 1 无刷直流电动机的调速方法和调速性能3 l 3 3 2p w m 控制原理3 2 3 3 3s p w m 控制技术一3 6 3 3 4 弱磁控制技术3 7 3 4 本章小结3 9 第4 章m a t l a b s i m u li n k 平台的永磁无刷直流电机建模与仿真4 0 4 1m a t l a b s i m u l i n k 平台的永磁无刷直流电机建模4 0 4 1 i 电机本体模型一4 1 4 1 2h a l l 信号模块与逆变器模块的建模4 l 4 1 3p i 控制模块与p w m 控制模块的建模4 2 4 2m a t l a b s i m u l i n k 模型仿真计算4 3 4 3 无刷直流电机转速转矩外特性的仿真计算4 5 4 4 无刷直流电机能量转换效率的仿真计算4 8 4 5 各主要参数对无刷直流电机工作特性的影响4 9 4 5 1 电源电压对无刷直流电机工作特性的影响4 9 4 5 2 定子电阻对无刷直流电机t 作特性的影响。5 0 4 5 3 极对数对无刷直流电机t 作特性的影响5l 4 5 4 定子电感对无刷直流电机j ：作特性的影响5 2 4 5 5 单极磁通对无刷直流电机一i ：作特性的影响5 3 4 5 6 其他电机参数。5 4 4 6 转矩波动的抑制方法一自适应模糊p i d 控制5 4 i v 目录 4 7 本章小结5 6 第5 章回馈制动控制技术5 8 5 1h e v 的制动方式5 8 5 1 1 能耗制动一5 8 5 1 2 反接制动5 9 5 1 - 3 同馈制动6 0 5 1 4 制动方式比较6 0 5 2 回馈制动的原理6 1 5 3 回馈制动过程基本公式6 2 5 4 回馈制动特性的分析6 5 5 5 回馈制动的仿真计算6 6 5 6 回馈制动能量转化效率计算6 7 5 7 本章小结6 8 第6 章轮毂电机试验与仿真对比及整车初步仿真分析6 9 6 1 轮毂电机驱动试验数据及仿真计算结果对比分析6 9 6 1 1 轮毂电机参数及仿真模型参数一6 9 6 1 2 轮毂电机试验结果及仿真计算结果对比分析7 0 6 1 3 轮毂电机效率分析7 2 6 2 整车初步仿真分析7 2 6 2 1 整车动力系统结构方案及设计参数一7 2 6 2 2 整车仿真计算7 3 6 2 2 整乍仿真分析7 5 6 3 本章小结7 5 第7 章全文总结7 7 7 1 本文主要结论7 7 7 2 进一步研究展望7 8 v 目录 致谢7 9 参考文献8 0 附录a 8 3 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 4 v l 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 汽车工业的迅速发展，推动了全球机械、能源等工业的进步以及经济、交 通等领域的迅速发展。但汽车在造福人类的同时，也带来了很大的弊端。一是 汽车的排放尾气以及噪声对人类的生存环境造成了很大的污染；二是它们消耗 的燃油、天然气等资源都是不可再生的，全球储量非常有限，据估计仅按照目 前的消耗速度，石油、天然气也只能再维持数十年的时间。因此，随着环保、 节能呼声的同益高涨，迫切需要一种绿色环保的新型交通工具以取代目前的传 统汽车。 国际电工委员会( i e c ) 电动汽车技术委员会将混合动力汽车定义为有一种 以上能量转换器提供驱动动力的混合型电动汽车。也可简单定义为将电力驱动 和辅助动力单元( a u x i l i a r yp o w e ru n i t ，a p u ) 合用到一辆车上。混合动力汽车 是兼顾了电动汽车和传统汽车优点的新一代汽车结构型式，因其具有低油耗、 低排放的潜力，动力性接近于传统汽车，而生产成本低于纯电动汽车，最近几 年来成为世界上各大汽车公司、研究机构和大学的一个研究热点。j 1 2 混合动力汽车发展历史及现状 1 2 1 电动车的发展概况 从1 8 3 4 年开始，电动车己经有一百多年的历史了。1 9 世纪末，电动车曾经 在欧美等发达地区出现过一个开发应用高潮。但随着内燃机技术的发展，燃油 汽车逐渐取得优势地位，相比之下，由于电动车始终没有解决电池的容量、寿 命等方面的问题，只好让燃油车垄断了市场。到1 9 3 3 年，汽车市场上电动汽车 的数量己经接近于零。直到上个世纪7 0 年代，随着石油危机的爆发以及全球环 境问题的日益凸现，低污染( 或者说零污染) 的电动车又重新被推到前台，而 且随着各国政府鼓励开发电动车的相应法律法规的出台，使得电动车的发展更 第1 章绪论 具迫切性和商业前景。自上个世纪9 0 年代以来，电动汽车由原来单一的全由电 池供电的纯电动汽车b e v ( b a t t e r ye l e c t r i cv e h i c l e ) 发展成为现在的三大类【z j ： ( 1 ) 纯电动汽车( e v ：e l e c t r i cv e h i c l e ) 。它是电动车长期开发的主流车型， 其单独采用蓄电池作为系统动力能源，如g e 公司的i m p a c t 以及我国奇瑞公司 开发的q r e v 。它最大的优点是零污染( 虽然汽车本身不排放污染，但在电力的 生产中还会产生污染，因此并不是严格意义上的“零排放”) 、噪音小，但是由 于蓄电池容量的限制且充电需要一定的时间，因此它的续驶里程受到限制，一 般单次充电的续驶里程为1 0 0 公里左右。 ( 2 ) 混合动力电动车( h e v ：h y b de l e c t r i cv e h i c l e ) 。它是上世纪9 0 年代 起开发的一种新型汽车，一般由蓄电池和内燃机共同作为系统动力能源。如丰 田公司的p r i u s 。它兼顾了燃油车和纯电动车的特点，不受续驶里程的限制，又 降低了燃油排放，提高了燃油的效率。但是由于其仍然需要燃油作为能源并产 生一定的污染排放，所以混合动力电动车被认为是电动车发展的过渡性产品。 ( 3 ) 燃料电池轿车( f c e v ：f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 。通过氢、氧的化学 反应产生动力，实现真f 意义上的零排放，也是发展电动汽车的长远目标。 1 2 2 混合动力汽车国内外研发概况 2 0 世纪7 0 年代，国外就开始进行混合动力汽车的研究与开发，但由于混合 动力汽车结构复杂、技术含量高，实现较为困难，故直到9 0 年代，各国才相继 推出混合动力概念车或样车，并有小批量混合动力轿车产品上市。我国混合动 力轿车的研究、开发起步较晚，2 0 0 1 年才将混合动力轿车的研究、开发列为“十 五”期间“8 6 3 计划电动汽车重大专项的一个子项加以研究。p j ( 1 ) 国外混合动力轿车研发概况【4 j 国外混合动力轿车的研究、开发项目主要集中在美国和日本。美国较大的 混合动力轿车研究开发项目有p n g v 计划和自由汽车合作研究计划( 简称 f r e e d o m c a r 计划) 。p n g v 计划始于1 9 9 3 年1 2 月，2 0 0 2 年1 月终止，美国各 大汽车公司都有各自的混合动力概念轿车问世，但由于成本问题，都未大批量 生产。f r e e d o m c a r 计划是响应布什政府2 0 0 1 年5 月签署的国家能源计划而提 出的，旨在加强车用可更新、高效能源( 如氢气) 、车用燃料电池和燃料电池汽 车的研究，降低汽车能量消耗，从而降低美国对国外石油的依赖程度。参与该 2 第1 章绪论 计划的有美国联邦政府相关部门和u s c a r 的主要成员( 戴姆勒一克莱斯勒、通 用和福特等汽车公司) 。f r e e d o m c a r 计划采用与p n g v 计划相同的合作研究形 式，即多方共同出资、共同享有研究成果。日本混合动力轿车的研究、开发早 在2 0 世纪9 0 年代初期就已进行。与美国不同的是，同本众多的混合动力轿车 研究、开发项目几乎完全由汽车公司自行承担，而且多为单车项目直接面向市 场。因此，日本各大汽车公司目前拥有全球几乎全部的混合动力轿车市场份额。 国外混合动力轿车研究、开发充分证明了混合动力轿车低油耗和低排放的优点， 同时也表明混合动力轿车具有较好的技术可行性。 ( 2 ) 国内混合动力轿车研发概况p 】 目前，我国混合动力汽车的研制已取得了一定进展。东风混合动力城市公 交车和轿车已完成样车开发，工业化生产平台搭建、销售服务网络建设等产业 化准备工作也已全面展开。前者已按期完成国家认证，实现产业化；后者也将 在东风现有知识产权的产品平台上实现产业化。 第一汽车集团除与丰田合资生产丰田普锐斯外，在2 0 0 5 年4 月上海国际车 展上还展出了自主研究开发的红旗混合动力轿车，同时由其自主研究开发、具 有世界水平的解放牌混合动力城市客车性能样车也通过了国家“8 6 3 ”计划电动 车重大专项专家组的项目验收。 科技部以奇瑞汽车公司为依托，建立了国家节能环保汽车工程技术研究中 心，主要从事混合动力方面的研究。同时，奇瑞正与英国纽卡斯尔大学进行混 合动力项目合作，奇瑞开发的混合动力汽车已在2 0 0 6 年北京车展上亮相。另外， 上海汽车集团、长安汽车集团和吉利汽车集团等汽车生产企业都已展开混合动 力汽车的研究、开发和生产工作。 1 2 3 混合动力汽车的关键技术【6 卜【1 1 1 ( 1 ) 混合动力单元技术 混合动力汽车的动力可以同时来自热力发动机和电动机。在混合动力汽车 上，热力发动机又被称为混合动力单元，与传统汽车发动机相比，其作用发生 了变化。在并联混合动力汽车上，混合动力单元通过传动轴驱动车轮，同时电 动机也承担一部分功能，因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高 的热力发动机；在串联混合动力汽车上，混合动力单元驱动一台发电机产生电 3 第1 章绪论 能，由于汽车的行驶与发动机没有直接的联系，因此混合动力单元也能够采用 小型高效的发动机，且其运行工况可以固定于较小的高功率区。 当前，混合动力单元研究的主要对象是热力发动机和燃料电池。其在燃料 的使用方面出现了很大的变化，除了汽油外，还有天然气、液化气和酒精等代 用燃料。提高混合动力单元的燃料经济性，对混合动力单元必然提出更多的要 求，例如要求混合动力单元能够快速起动和关闭等。混合动力汽车的主要目标 就是降低排放，所以，控制混合动力单元的排放将是今后研究的重点。目前对 混合动力单元的研究主要集中于： 一是燃烧系统的优化，通过观察燃料与空气混合物的点燃和燃烧的过程， 发现形成氮氧化物的机理，从而改进燃烧系统； 二是尾气后处理技术，主要研究高效的尾气催化和转化系统； 三是代用燃料的研究。 ( 2 ) 控制策略技术 h e v 产品开发中最关键的环节是根据不同的混合动力驱动系统制定和优化 其控制策略。h e v 根据开发目的、使用环境及价格水平的不同，可选择采用串 联或并联型式，其动力混合的轻重程度也不同，因而控制策略也就各具特色。 国外通过系统建模仿真对此进行了大量的匹配理论研究。混合动力系统的精确 运转依赖于优化控制的实现，控制系统的开发是混合动力系统的最关键的技术 创新。控制系统的功能首先是根据采集到的速度和负荷等数据，计算出对应的 要求输出功率；计算出以最高效率为基点的分配到内燃机与电动机上的功率值， 即实现内燃机与电动机的最优功率分配比；然后，根据功率分配比，需有驱动 电动机的功率值和其它有关数据，给出内燃机的控制参数和电动机的控制参数。 同时，驱动执行器完成这两个层次的工作控制。在执行器设计中，功率分配装 置的设计及其与变速器的一体化设计是关键的部件设计工作。因为它要根据控 制器的指令，正确地进行内燃机功率向驱动车辆功率和驱动发电机功率的分解。 因此，混合动力系统的开发不仅在于电子技术、计算理论与算法和软件技术， 而且在执行部件的设计与制造等方面都是难度较大的工作。 ( 3 ) 能量存储技术 在电动汽车上，蓄电池的开发和充放电特性的研究是关键。由于电池的作 用是储存、输出尽可能多的电能，提高汽车的续驶里程。在混合动力电动汽车 上，电池的作用是在汽车行驶或制动、停车时提供或吸收峰值功率，因此对混 4 第1 章绪论 合动力电动汽车用电池要求的不仅仅是高能量密度，而且还要求高功率。现在， 镍氢电池和锂离子电池已可达到混合动力汽车的使用要求。 镍氢电池已广泛地应用于电动汽车、计算机、医疗器械以及其它领域。该 电池技术的关键是能够储存氢的合金应该是一种能够稳定地经受无数次循环反 复使用的材科。镍氢电池容量大，可以循环使用，但主要缺陷是成本高，效率 低，同时还需要控制氢的损失。锂离子电池电压高，能量密度高，有更高的功 率，且充电时间短。目前该电池还处于实验室阶段，正在进行其基本性能和寿 命的试验。 从发展看，能量储存装置的研究应该包括以下几个方面：一是研究电池内 部的连接、检测、监控以及便于将整个电池子系统安装在汽车上的支撑机构。 二是电池设计和制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命。 这是因为适用于混合动力汽车的电池需要有较高的比功率，要达到的目标是功 率与能量比值大于2 0 w w h ；使用寿命达到l o 年；至少循环使用1 2 万次。三 是电池的热能管理及剩余电量管理。由于电池的工作温度不可能覆盖汽车运行 的工作温度范围，为了保证电池系统的统一，减少各电池单元之间的不平衡， 所以需要有一个有效的热能控制系统。此外，电池的剩余电量直接影响混合动 力汽车的经济性和排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。 1 2 4 混合动力汽车需要解决的问趔1 2 卜【1 6 1 ( 1 ) 动力系统的控制和优化。混合动力汽车发动机频繁起动、关闭，使驱 动系统和附件( 如空调和动力转向等) 的能量管理变得复杂，因此需要先进的 检测和控制系统；现有的以热力发动机为主的混合动力单元在将燃油转化为有 用功的同时，需要提高转化效率，同时还要满足严格的排放标准。 ( 2 ) 为满足汽车的行驶要求，需要研发大功率输出的电动机。在提高电动 机转矩的同时，也要提高不同运行工况下，电机的能量转化效率，这是混合动 力汽车实现节能减排的关键。 ( 3 ) 由于车况的改变，电池必须经受不同电流的充放电循环作用，要求电 池不但应具备较高的能量密度，而且要求较高的功率密度及充放电效率和较长 的使用寿命。能量存储装置要具有较高的比功率，以满足汽车加速和爬坡时对 大功率的需要；同时，能量存储装置必须采用热能控制管理，要有较高的比能 5 第1 章绪论 量、较长的使用寿命和低廉的制造成本。 1 2 5 混合动力汽车市场化发展趋势【1 7 】 纵观国外混合动力轿车的发展现状，总的来说呈现以下发展趋势： ( 1 ) 目前，大部分混合动力轿车项目样车开发和试制已经结束，其实用化 面临的重大障碍还是成本相对较高。因此，尽可能采用成熟技术、降低整车成 本，成为混合动力轿车技术发展的一大趋势。 ( 2 ) 由于混合动力轿车技术自身的特点，混合动力轿车专用零部件的开发 和批量生产也将成为混合动力轿车技术发展的另一大趋势。 ( 3 ) 研究开发应用于混合动力轿车的先进技术，如燃料电池技术、轻质车 身技术、柴油发动机技术以及先进的热机、电机驱动系统，也是各国汽车生产 商全力解决的重要技术问题。 ( 4 ) 混合动力汽车具有很高的市场可行性，但要想快速实现其产业化和商 业化，还需要政府创造良好的研究、开发、生产及推广环境。 1 3 轮毂电机发展现状 轮边驱动系统( 轮毂电机) 将电机直接安装在驱动轮上，直接驱动车辆， 因其具有简洁的整车结构、高效传动，以及能借助现代计算机控制技术直接控 制各电动轮实现电子差速的突出优点，成为电动汽车及混合动力汽车发展的一 个独特方向，目前在国内国外电动汽车及混合动力汽车的开发中都得到了应用。 1 3 1 轮毂电机研发与应用现状【1 8 】【1 9 】 在日本，轮毂电机的研发与应用以日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩 教授领导的电动汽车研究小组、普利斯通公司、三菱汽车公司、丰田汽车公司、 本田汽车公司为主要代表。在过去的十几年中，以轮边驱动电动车为研发目标， 至今已试制了6 种不同型式的样车。1 9 9 1 年与东京电力公司共同开发的4 座电 动汽车i z a ，采用n i 2 c d 电池为动力源，以4 个额定功率为6 8 k w 、峰值功率 达到2 5 k w 的外转子式永磁同步轮毂电机驱动，最高速度可达1 7 6 k m h ；1 9 9 6 年，该小组联合日本国家坏境研究所研制了采用轮边驱动系统的后轮驱动电动 6 第1 章绪论 汽车e c o ，该车的轮边驱动系统选用永磁直流无刷电动机，额定功率为6 8 k w ， 峰值功率为2 0 k w ，并匹配一行星齿轮减速机构；2 0 0 1 年，该小组又推出了以锂 电池为动力源，采用8 个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动轿车k a z 。 该车充分利用电动轮驱动系统布置灵活的特点，打破传统，安装了8 个车轮， 大大增加了该车的动力，从而使该车的最高速度可以达到3 1l k m h 。k a z 的轮 边驱动系统采用高转速、高性能内转子型电动机，其峰值功率可达5 5 k w ，o 1 0 0 k i n h 加速时间达到8 s 。为了使电动机输出转速符合车轮的实际转速要求， k a z 的电动轮系统匹配了一行星齿轮减速机构，2 0 0 4 年，该小组又推出了电动 车e l i i c a ，该车采用8 个轮毂电机直接驱动，0 - 6 0 k m h 加速时间仅为4 s ，最高 车速达到3 7 0 k m h ，在良好工况下甚至可以达到4 0 0 k m h 。丰田汽车公司一直致 力于轮边驱动电动车的开发，2 0 0 3 年东京车展上，丰田公司推出的燃料电池概 念车f n e x 采用4 轮轮边驱动技术：2 0 0 6 年4 月的美国纽约汽车展上，丰f f l 公 司又推出4 轮轮边驱动电动车f n e t 。同本三菱公司于2 0 0 5 年推出了后轮轮边 驱动电动车c o l te v ，并致力于4 轮轮边驱动车l a n c e r e v o l u t i o nm i e v 的开发， 通过将制动器置于电机内部，提高了车轮轮辋内部空问的利用效率，该轮边驱 动系统采用外转子永磁电机，最大功率达到5 0 k w ，最大转矩为5 1 8 n m ，电机尺 寸为4 4 5 m m ( 直径) x1 3 4 m m 。普利斯通开发的动态吸振轮边驱动系统由外转子 型的第二代发展到内转子型的第三代，整体尺寸更小，可适合轮辋尺寸在 3 5 5 6 c m ( 1 4 英寸) 以上的轮边驱动系统，而且电机本体质量仅为第二代的6 0 。 本田汽车公司在其燃料电池车f c x 开发上，驱动系统采用3 个电机实现，其前 轮采用集中电机，单个功率达到8 0 k w ，两后轮分别采用轮边驱动系统，单个轮 毂电机功率达到2 5 k w ，而且本田公司有意在未来3 - - , 4 年内实现该燃料电池车 的产业化。 在欧洲，法国t m 4 公司设计的一体化轮边驱动系统采用外转子式永磁电动 机，将电动机转子外壳直接与轮辋相连，将电动机外壳作为车轮的组成部分， 并且电动机转子外壳集成为鼓式制动器的制动鼓，制动蹄片直接作用在电动机 外壳上，省却制动鼓的结构，减小了轮边驱动系统的质量，集成化设计程度相 当高。该轮边驱动系统所使用的永磁无刷直流电动机的性能非常高，其峰值功 率可达到8 0 k w ，峰值扭矩为6 7 0 n m ，最高转速为1 3 8 5 r m i n ，额定功率为 1 8 5 k w ，额定转速为9 5 0 r m i n ，额定转矩为1 8 0 n m ，额定工况下的平均效率可 达到9 6 3 。标致雪铁龙汽车公司也一直致力于轮边驱动电动车，开发的4 轮轮 7 第1 章绪论 边驱动电动车q u a r k ，其电机与车轮轮辋一体化设计，单个车轮最大驱动力矩达 到1 0 2 2 n m ，0 4 8 k m h 加速时间为6 5 s 。大众奥迪公司也推出相应的采用4 轮轮边驱动概念车r 2z e r o ，通过8 0 0 v 电压的锂电池与轮边驱动系统的结合， 该车的o 1 0 0 k m h 加速时间为2 9 s 。西门子公司开发的e c a ) m g t 将车轮部件、 轮毂电机、主动悬架和楔块制动器全部集成到车轮轮辋里面。英国贝姆勒公司 在最近英国汽车展上展示的4 轮轮边驱动电动车m i n i q e d ，4 个车轮均采用贝 姆勒开发的永磁无刷电机驱动，单个电机转矩达到7 5 0 n m ，可以实现4 轮独立 驱动，0 1 0 0 k m h 加速时间仅为4 4 s ；车上另备2 缸发动机，因此可以不需充 电；制动系统采用电制动系统，无机械制动系统，通过电机实现驱动防滑和制 动防抱死功能，并且能够回收大部分制动回馈能量。 美国通用汽车公司2 0 0 1 年试制的全新线控4 轮驱动燃料电池概念车 a u t o n o m y 采用轮边驱动形式，于2 0 0 5 年推出后轮采用轮边驱动系统的燃料电 池电动车s e q u e l ，该车前端采用集中电机驱动，后轮采用两个轮毂电机驱动，3 个电机总功率达到l1 0 k w ，续驶里程达到5 0 0 k m 。此外，通用公司开发的雪佛 兰$ 2 1 0 4 缸混合动力皮卡，在两个后车轮内分别安装一台轮毂电机，产生的扭 矩相当于一般v 6 发动机的扭矩，比雪佛兰$ 2 1 0 4 缸皮卡高出6 0 。安装在车轮 轮毂内的2 台电机分别给每个车轮增加约1 5 k g 的重量，却可以产生约2 5 k w 的 功率。 澳大利亚国立科学机构c s i r o 与悉尼科技大学共同开发的一体化轮边驱动 系统，应用于三轮太阳能电动车a u r o r a ，通过车轮轮辋和电机本体的一体化设 计，最高车速达到7 2 k m h 。 我国在该领域的研究相对落后，但是近几年随着国家“8 6 3 ”计划电动汽车 重大课题研究的深入，及对轮边驱动系统认识的加深，各高校、公司也加强对 该类新型驱动系统的研究。同济大学汽车学院在2 0 0 2 - - 2 0 0 5 年相继推出了独立 研制的采用轮边驱动系统的微型电动车“春晖系列，该车均采用4 个低速永 磁直流无刷轮毂电机直接驱动，匹配相应的盘式制动器。哈尔滨工业大学一爱 英斯电动汽车研究所研制开发的e v 9 6 2 1 型电动汽车也采用了轮边驱动系统，轮 毂电机的额定功率达到6 8 k w ，峰值功率为1 5 k w ，采用风冷散热系统以及盘式 制动器，是一种典型的外转子型电动轮结构型式。深圳比亚迪公司开发的4 轮 轮边驱动电动概念车e t ，其单个永磁同步轮毂电机功率达到2 5 k w ，o 1 0 0 k m h 加速时间8 5 s 。 8 第1 章绪论 1 3 2 轮毂电机所采用的各种电机类型比较 目前，轮毂电机所采用的形式有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动 机以及永磁无刷电动机等。总的发展趋势是由通用走向专用，由直流走向交流。 据统计，1 9 8 8 年以前，各国主要电动汽车选用的电动机共有8 3 种，其中直流自 励占2 2 1 ，直流他励占7 3 4 ，交流仅占4 5 。因直流电动机有较大的起动力 矩和接近恒功率的特性，直流他励电动机可以分别控制磁场和电枢，能扩大调 速范围，容易实现再生制动，且直流电机的控制系统简单，调速方便，不需逆 变装置等，因而各种直流电机在早期被广泛采用，甚至当前仍然在一些电动汽 车上使用。例如日本大发公司的h i j e t 电动汽车中使用了直流串励电动机；日 本的l a n s e r 电动车，马自达公司的b a n g o 车等使用的是直流并励电动机；美国通 电公司的t e v a n 电动汽车，意大利菲亚特公司的9 0 0 e 2 电动车以及法国雪铁 龙a x 和标致1 0 6 电动汽车采用的则都是直流他励电动机。 但直流电动机的效率较低，体积与质量较大，且由于存在电刷与机械换向 器，不仅限制了电机的过载能力与速度的进一步提高，而且长期运行时，碳刷 和换向器的维护量大。另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，温升增 高，限制了电机转矩重量比的进一步提高。 随着电子技术的迅速发展和交流电机调速技术的逐步成熟，在最近的电动 汽车上己开始广泛采用交流电动机。交流电动机的效率和功率密度均比直流电 机高，同一功率的质量还不到直流电机的一半。且结构牢固，便于维护。有人 将电动汽车驱动系统的效率进行了比较：直流电机传动为7 5 ，感应电机转动为 8 2 ，永磁同步电机传动为8 9 。选用小型轻量的高效电动机，对目前电池容量 较小，持续行驶里程较短的电动车现状显得尤为重要。 电动汽车的运行，与一般的工业应用不同。由于电源功率的限制，不但要 求电机驱动系统具有尽可能宽广的高效率区，具有高转矩重量比和高的可靠 性，而且要求电动机调速范围宽以及良好的转矩、速度特性。由于城市用电动 汽车频繁起停工作区域宽，经常运行于低速高转矩或高速低转矩区域，要求电 动机在低速时能产生高转矩，在高速时又能具有宽广范围恒功率运转的驱动性 能，故应按电动汽车起动、爬坡和行驶等不同阶段划分为恒转矩区域或恒功率 区运行。在电机运行的低速区采用恒磁场原理使电机提供恒转矩，而采用弱磁 控制来拓宽电机的转速范围，使之更适合于电动汽车的工况。 9 第1 章绪论 采用磁场定向矢量控制鼠笼式感应电动机结构简单、运行可靠，具有类似 于直流电动机的优良特性，故较多应用于电动汽车之中。例如日本尼桑公司的 f e v 电动汽车，美国通用汽车公司的i m p a c t 电动汽车等，均采用感应电动机 作为驱动电机。但由于矢量控制技术过于复杂，电机的参数变化对其具有较大 影响，因而限制了感应电动机在电动汽车中更广泛的使用。 传统的交流电机均使用正弦波电源，考虑到方波电机可比正弦波电机产生 更大的转矩( 例如：准方波电机要比正弦波电机多输出大约1 0 $ 的转矩) ，方波 电机的研制和应用引起人们的兴趣，如开关磁阻电机。这是近年来逐渐完善起 来的一种新型电机，其结构简单，是一种双凸极磁阻电动机，基于磁阻最小原 理工作。开关磁阻电机般采用三相以上结构，随着相数增多，步距角减小， 转矩脉动随之减小。但结构和控制趋于复杂。开关磁阻电动机在电动汽车中没 有获得广泛应用的主要原因在于力矩波动及电机噪音过大。目前应用开关磁阻 电机的驱动系统仍然很少，这类电动汽车有克劳瑞得公司的l u c a s 电动汽车。 目前，高性能永磁材料的出现使得永磁电机获得了人们的青睐。永磁无刷 电动机具有更高的能量密度和效率，在电动汽车中获得了最广泛应用，尤其是 直接驱动场合，更是非它莫属。在永磁无刷直流电动机中，反电势波形设计为 梯波形，以期获得更大更平稳的电磁转矩。因而定子绕组常采用集中绕组，转 子采用表面磁钢结构。在永磁同步电动机中，气隙磁场常设计为正弦波，故定 子采用分布式、分数槽绕组、转子可采用表面磁钢或嵌入式结构，一般认为嵌 入式结构出力要高于表面磁钢结构。虽然目前关于哪种电机最优尚无明确定论， 但可看到，永磁无刷化趋势是明显的。 另外，从电机的结构形式上来看，目前轮毂电动机驱动的电动汽车主要有 两种类型。一种是采用高速内转子的电动机，在电机输出轴与车轮之问再加装 高减速比的行星齿轮减速装置来降低车轮转速；另一种则是采用低速外转子电 动机，该种电动机无需任何变速装置直接安装在车轮轮辋上。高速内转子电动 机具有体积小、质量轻、成本低以及功率密度高的优点，但它需要加行星齿轮 变速机构。而低速外转子电动机结构简单，但相较前者功率密度较低、体积较 大，不过这可以通过由于减少变速器相应增加电动机的体积及质量来平衡。因 此，目前这两种形式的电动机在现代电动汽车上都有所应用。【2 u j l 2 i 】 1 0 第1 章绪论 1 3 3 无刷直流电机的发展历史【2 2 】f 2 3 j 无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的。1 8 3 1 年法拉第发现 了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。十九世纪四十年代第一台 直流电动机研制成功，经过了约七十年，直流电机才趋于成熟。但是，随着应 用范围的扩大，对直流电机的要求越来越高。直流电机由于具有机械换向器和 电刷，就存在换向火花和电刷的维护问题，一直限制了直流电机在某些特殊场 合的应用。因此人们就开始研究没有换向器和电刷的直流电机，也就是无刷直 流电机。 早在1 9 1 5 年，美国人兰格米尔( l a n g m i l l ) 发明了带控制栅极的水银整流 器，实现了由直流到交流的逆变装置。二十世纪三十年代，有人就提出了用离 子装置实现电机定子绕组按照转子位置换接的所谓整流子电机，但由于这种电 机可靠性差、效率低、整个装置笨重而又复杂，因此没有实际应用意义。半导 体技术的发展，开关型晶体管的研制成功，为无刷直流电机的研制带来了生机。 1 9 5 5 年，美国人d 哈利森( d h a r r i s o n ) 等人首次申请了用晶体管换向电路取 代电动机电刷的专利，这就是有实际意义无刷直流电机的雏形。随着电力电子 工业的发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如g t r ， m o s f e t ， i g b t 等相继出现，以及高性能永磁材料，如钐钴、钕铁硼等的问世，均为无刷直流 电机的发展打下了坚实的基础。特别是我国的稀土材料的储量位居世界第一， 为发展高性能无刷直流电机创造了得天独厚的条件。 在无刷直流电机的研究工作中，位置信号的获取也是广大研究人员关心的 一个问题。早期