緒論純電動(dòng)汽車是使用可反復(fù)充電的蓄電池組作為車輛的動(dòng)力能源，相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，純電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)等零部件成本更低，而且電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率更高。同時(shí)純電動(dòng)汽車也在發(fā)展相關(guān)的技術(shù)，并且有很多的優(yōu)點(diǎn)：純電動(dòng)汽車在使用過(guò)程中可以說(shuō)是零排放，零污染。低污染指的是將純電動(dòng)汽車所使用電能歸結(jié)為火力發(fā)電，在發(fā)電的過(guò)程中產(chǎn)生的氣體、顆粒物對(duì)環(huán)境的污染；加上電池在生產(chǎn)、使用時(shí)使用的原材料對(duì)環(huán)境的污染。相比于內(nèi)燃機(jī)汽車使用中排放的尾氣污染，純電動(dòng)汽車的污染要小得多[1]。純電動(dòng)汽車使用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不像傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，在工作過(guò)程中因?yàn)檫M(jìn)、排氣和汽缸內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲。通過(guò)噪聲對(duì)比，純電動(dòng)汽車產(chǎn)生的噪聲比內(nèi)燃機(jī)汽車低10-20dB，沒(méi)有噪聲污染。純電動(dòng)汽車的能量源是電能，電能傳遞比機(jī)械能量傳遞的損耗小。純電動(dòng)汽車能量轉(zhuǎn)換率平均在60%~80%，即車輛動(dòng)力電池的電能中有60%~80%可以轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。即便考慮火力發(fā)電的損耗、電能在輸配過(guò)程中的損耗、電池的充放電損耗等，最后也有30%左右的能量轉(zhuǎn)換效率。純電動(dòng)汽車停車時(shí)不耗能，在制動(dòng)或者減速時(shí)能回收能量，提高能量利用率。本文通過(guò)前期翻閱相關(guān)專業(yè)資料，經(jīng)過(guò)對(duì)比、分析和設(shè)計(jì)，使用MATLAB軟件進(jìn)行仿真模型的建立與運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果。2純電動(dòng)汽車的整體結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù)2.1純電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，純電動(dòng)汽車使用電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，車輛內(nèi)部的一些結(jié)構(gòu)和布置發(fā)生變化，增加了電源管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)等新的部件，電力控制系統(tǒng)有電力驅(qū)動(dòng)主模塊、車載電源模塊和輔助模塊三大部分[6]。純電動(dòng)汽車將動(dòng)力電池中的電能輸出到控制器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再由減速器傳給車輪，使電動(dòng)汽車啟動(dòng)，進(jìn)行前進(jìn)或后退。如果車輛是電制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)會(huì)將車輛的部分動(dòng)能進(jìn)行回收至動(dòng)力電池，節(jié)省能量并增加車輛續(xù)航[6]。圖2-1是純電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)模塊圖。圖2-1純電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)模塊純電動(dòng)汽車由電源系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、整車控制器和車輛輔助系統(tǒng)等部分構(gòu)成。（1）電源系統(tǒng)純電動(dòng)汽車的電源系統(tǒng)有動(dòng)力蓄電池、電池管理系統(tǒng)、車載充電機(jī)以及輔助動(dòng)力源等。動(dòng)力電池儲(chǔ)存電能，為車輛供能?，F(xiàn)在的動(dòng)力蓄電池以鋰離子電池為主，鋰離子電池有很多種類型，例如Tesla汽車使用的三元鋰離子電池和比亞迪汽車使用的是基于磷酸鐵鋰電池技術(shù)的刀片電池等。電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)動(dòng)力電池的使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括電池的電壓、溫度、放電電流、電量等參數(shù)，按照實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)與控制，在進(jìn)行充電時(shí)通過(guò)控制電流大小避免動(dòng)力電池過(guò)充，將電池參數(shù)顯示在車輛儀表盤，對(duì)不正常的狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警[7]。車載充電機(jī)是將市電制式轉(zhuǎn)換成車輛充電要求的制式。車內(nèi)的輔助動(dòng)力源使用12V或24V直流電源，供能給車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、車內(nèi)的照明、空調(diào)等設(shè)備[7]。（2）動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)純電動(dòng)汽車的核心是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，這是和傳統(tǒng)燃油汽車最大的不同之處。包含功率變換器、控制器、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)設(shè)備等部分。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是把動(dòng)力電池的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在車輛進(jìn)行減速、制動(dòng)或者下坡操作時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量回收和再生制動(dòng)。最早純電動(dòng)汽車采用直流串激電動(dòng)機(jī)作為車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，直流串激電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性軟，適合使用在純電動(dòng)汽車汽車上。但是同時(shí)它也存在很多缺點(diǎn)，如電機(jī)轉(zhuǎn)換效率低和維護(hù)保養(yǎng)繁瑣等，現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)和其控制技術(shù)發(fā)展迅速，純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始使用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和交流異步電動(dòng)機(jī)。（3）整車控制器整車控制器控制整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。它處理車輛所有的輸入信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)加速和剎車踏板的輸入信號(hào)，通過(guò)控制器輸出對(duì)應(yīng)的指令，控制電機(jī)的啟動(dòng)、加減速和制動(dòng)動(dòng)作。車輛在減速和下坡的時(shí)候，控制器與電源管理系統(tǒng)（BMS）發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車輛的能量回收，充電至動(dòng)力電池。在車輛充放電時(shí)，整車控制器也對(duì)其參與控制。在行車過(guò)程中相關(guān)車輛的參數(shù)，包括速度、電壓和電流等信息也通過(guò)整車控制器傳送至駕駛室進(jìn)行顯示，讓駕駛?cè)藛T隨時(shí)掌握車輛狀態(tài)[8]。電動(dòng)機(jī)控制器包含車輛診斷功能的電路。當(dāng)車輛出現(xiàn)故障時(shí)，診斷電路就會(huì)立即出現(xiàn)錯(cuò)誤代碼傳送至整車控制器。電動(dòng)機(jī)控制器的監(jiān)測(cè)傳感器有很多，包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器等，對(duì)電動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的電壓電流以及各模塊的工作溫度。（4）車輛輔助系統(tǒng)車輛的輔助系統(tǒng)包括車輛信息顯示儀表盤、方向盤轉(zhuǎn)向助力、照明以及空調(diào)等設(shè)備，有的還配備了車輛駕駛輔助系統(tǒng)，提高整車的舒適性和安全性。2.2純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)純電動(dòng)汽車由于電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、變速器等零件結(jié)構(gòu)不同，并且各個(gè)零部件之間使用柔性電纜連接，所以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有很多種形式，對(duì)其進(jìn)行合理的布置，不僅可以增加車內(nèi)的空間，還能對(duì)純電動(dòng)汽車的能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行提升。車輛動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分的核心就是電機(jī)，驅(qū)動(dòng)方式主要有電機(jī)輪驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)方式構(gòu)成。圖2-2為純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式示意圖。圖2-2純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式圖2-2（a）是電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)形式1。將動(dòng)力電池的電能供到驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，經(jīng)過(guò)離合、變速器、差速器等帶動(dòng)車輪使車輛行駛。這種驅(qū)動(dòng)方式除了是驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代了發(fā)動(dòng)機(jī)，其他與內(nèi)燃機(jī)汽車完全一樣。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)雖然成本低，但是機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)很多，增加了能量的消耗，能量轉(zhuǎn)換效率變低，車輛整體性能變差。圖2-2（b）是電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)形式2。和驅(qū)動(dòng)形式1相比，驅(qū)動(dòng)形式2使用定速比減速器代替了離合和變速器，減少了電機(jī)的動(dòng)力損耗。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)可以增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速達(dá)到電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩最低，達(dá)到恒功率輸出；因?yàn)檫@種形式減少了一些機(jī)械裝置，降低整車質(zhì)量，增加了車身空間。圖2-2（c）是電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)形式3。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改變并簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的傳動(dòng)方式，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、固定速比減速器和差速器集為一體驅(qū)動(dòng)車輛；可以降低整車質(zhì)量，增加車身空間，但是這種形式只能應(yīng)用于低速純電動(dòng)汽車。圖2-2（d）是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)是兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪各有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變速器，能夠獨(dú)立完成驅(qū)動(dòng)和變速差速行駛，在轉(zhuǎn)彎時(shí)更加地穩(wěn)定。因?yàn)闆](méi)有了差速器，所以提高了車輛的傳動(dòng)效率。但是缺點(diǎn)也比較明顯，使用了雙電機(jī)，對(duì)車輛的控制系統(tǒng)要求更高。圖2-2（e）是輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)是集驅(qū)動(dòng)電機(jī)和定速比減速器為一體安裝在車輛的驅(qū)動(dòng)軸上，與前一種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)相比，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)路徑，可以使車身的高度降低，車輛可以負(fù)載更多。圖2-2（f）是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)把驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝進(jìn)了輪轂，可以使動(dòng)力電池的布置更加的多樣，不止于一種布置形式，還能擁有更多的車身空間；可以單獨(dú)控制與調(diào)節(jié)車輪，在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)更加的靈活、安全[9]。2.3純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池及充電技術(shù)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池類型有三種：能量型、功率型和能量功率兼顧型。能量型電池就是電池容量很大；功率型電池可以瞬間輸出較高的功率；能量功率兼顧型電池同時(shí)擁有大容量和高功率的特點(diǎn)。影響純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航的最直接因素就是動(dòng)力電池的容量，電池容量和車輛的續(xù)航成正比。單電池的容量是確定的，想要增加電池的容量，就是增加電池的數(shù)量，組成的動(dòng)力電池組體積和質(zhì)量就會(huì)增加。車輛的動(dòng)力電池由實(shí)際需要和用途以及電機(jī)的電壓值來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池使用的電池有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。表2-1所示常見的電池的性能。表2-1常見電池分類鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池單體電壓（V）能量密度（Wh/L）循環(huán)壽命（次）回收利用率（%）能量效率（%）235~40300~50097801.265~80500~100090903.2/3.6120~20020009890這三種電池的特點(diǎn)分別為：鉛酸電池：壽命短、能量密度低、充電時(shí)間長(zhǎng)，但是使用成本低、耐高溫耐低溫，多用于旅游觀光車等低速電動(dòng)汽車。鎳氫電池：比能量低、不耐高溫、在高溫情況下充電不安全，但循環(huán)壽命長(zhǎng)、耐低溫、污染極低。鋰離子電池：工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、比能量高、可以快速充電等，現(xiàn)在被廣泛使用在純電動(dòng)汽車。鋰離子電池根據(jù)制造材料不同，劃為錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池三種。錳酸鋰電池：錳酸鋰的安全性好、制造成本低，但是循環(huán)性不佳、不耐高溫。磷酸鐵鋰電池：磷酸鐵鋰電池耐高溫、使用壽命長(zhǎng)、能量密度大、安全性能佳、成本低、無(wú)污染，但是導(dǎo)電性不佳、不耐低溫。三元鋰電池：能量密度大、耐低溫、電池循壞性能佳、體積小，電壓可達(dá)到3.7V，但是在受到撞擊或者高溫時(shí)會(huì)燃燒[10]。經(jīng)過(guò)以上對(duì)比，選用磷酸鐵鋰電池作為車輛的動(dòng)力電池。動(dòng)力電池在即將沒(méi)電時(shí)，就應(yīng)當(dāng)立即對(duì)其進(jìn)行充電，這就是普通的常規(guī)充電。常規(guī)充電是恒壓小電流或恒流對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，大概充電10小時(shí)左右完成充電，根據(jù)電池的容量進(jìn)行改變。因?yàn)槌Ｒ?guī)充電較慢，如果在緊急情況下車輛需要急需充電的情況下并不能進(jìn)行快速充電。于是快速充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，本質(zhì)是通過(guò)提升充電電流來(lái)提高充電功率，但是快速充電器的設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜。純電動(dòng)汽車的充電機(jī)分為直流充電機(jī)和交流充電機(jī)。直流充電機(jī)是交流電輸入，經(jīng)充電機(jī)內(nèi)部整流后為直流充電模式，輸出 可控的直流電源為車輛動(dòng)力電池進(jìn)行充電。交流充電機(jī)輸入交流電，經(jīng)充電機(jī)內(nèi)部變壓變頻后輸出交流電源，但是這種充電機(jī)的特征是車輛內(nèi)置了充電機(jī)，最終充向動(dòng)力電池的電源是直流電源。直流充電機(jī)按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為單極結(jié)構(gòu)和多級(jí)結(jié)構(gòu)兩類。單極結(jié)構(gòu)中多使用三相PWM整流器，交流電經(jīng)由隔離變壓器、濾波器等，經(jīng)整流器進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)輛動(dòng)力電池充電?，F(xiàn)在三相PWM整流器的發(fā)展成熟，被大多企業(yè)使用，也可以進(jìn)行大功率充電，所以更加的具有優(yōu)勢(shì)。輸出的直流電源電壓平穩(wěn)，非常適用于動(dòng)力電池充電。單級(jí)式結(jié)構(gòu)因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，所以充電效率會(huì)比較高，但是輸出電源電壓的范圍過(guò)窄。荷電對(duì)于純電動(dòng)汽車電池端的電壓影響很大，對(duì)于要求電壓較寬范圍的場(chǎng)合不能使用單級(jí)式結(jié)構(gòu)拓?fù)?。多?jí)式結(jié)構(gòu)就是對(duì)單級(jí)式結(jié)構(gòu)升級(jí)。交流電源經(jīng)過(guò)AC/DC整流器整流，然后再經(jīng)過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)壓得到直流電源。多級(jí)式結(jié)構(gòu)中使用的AC/DC整流器是由單級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合而成，DC/DC轉(zhuǎn)換器則是根據(jù)輸入的電壓來(lái)確定使用隔離或非隔離拓?fù)洌壳凹冸妱?dòng)汽車充電常使用的是非隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器。純電動(dòng)汽車的充電具有隨機(jī)性，因?yàn)樽陨淼牟▌?dòng)性較強(qiáng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。在發(fā)展純電動(dòng)汽車充電技術(shù)的過(guò)程中，重點(diǎn)需要將充電器和電網(wǎng)做到穩(wěn)定配合，既要車輛充電穩(wěn)定安全，也要保證電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行不受影響。目前發(fā)展智能化充電顯得尤為重要，對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控實(shí)現(xiàn)充電管理自動(dòng)化，使電力系統(tǒng)高效、平穩(wěn)運(yùn)行[11]。在本文中采用的是多級(jí)式結(jié)構(gòu)直流充電機(jī)，圖2-3是本文所設(shè)計(jì)的車輛充電器示意圖。圖2-3車輛充電器示意圖2.4本章小結(jié)本章主要介紹了純電動(dòng)汽車的整體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)地將車輛拆分為多個(gè)部分進(jìn)行分析；介紹不同布置結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)；介紹了車輛的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式以及動(dòng)力電池的區(qū)別，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

3純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)對(duì)于純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要選擇最適合的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的布局，機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率要達(dá)到最佳，并且一定要展現(xiàn)出傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。車輛的電機(jī)部分包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和兩個(gè)小電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，兩個(gè)小電機(jī)用于能量回收。車輛行駛時(shí)，動(dòng)力電池只供電給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在車輛高速行駛或負(fù)載大時(shí)，動(dòng)力電池就要供電給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和兩個(gè)小電機(jī)了，以分擔(dān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)荷。在車輛減速時(shí)，三個(gè)電機(jī)都能回收能量，增加車輛的續(xù)航。這種動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是目前最佳的搭配，效率和安全性都很高。影響純電動(dòng)汽車基本性能的因素就是車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。電動(dòng)機(jī)功率越大，車輛在一些極端路況下的行駛會(huì)容易一些，加速也會(huì)更快。但是大功率電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和體積會(huì)更大，車輛的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，穩(wěn)定性和安全性就會(huì)降低，所以要根據(jù)車輛的用途和需要來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)，達(dá)到車輛最佳性能[12]。結(jié)合本文第二章所介紹的純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及車輛的能量轉(zhuǎn)換效率、機(jī)械傳動(dòng)效率、車身內(nèi)部空間等方面考慮，本文采用電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)形式2作為純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置形式，可以提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和車輛的性能。3.2純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)3.2.1電動(dòng)機(jī)的選取純電動(dòng)汽車使用的電動(dòng)機(jī)明顯區(qū)別于工業(yè)上使用的電動(dòng)機(jī)，純電動(dòng)汽車因?yàn)樾枰?jīng)常性的進(jìn)行啟動(dòng)、停車、加速、減速等操作，所以導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)的狀態(tài)經(jīng)常改變，調(diào)速范圍要求較寬。而且驅(qū)動(dòng)電機(jī)要承受在行駛過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)以及慣性力。因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車工作環(huán)境復(fù)雜特殊，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求就會(huì)比較多。（1）功率密度高：可以減輕整車直流，提升車身空間，車輛續(xù)航里程增加；（2）調(diào)速范圍寬：在恒轉(zhuǎn)矩和恒功率的轉(zhuǎn)速滿足電動(dòng)機(jī)的要求；（3）效率高：車輛行駛過(guò)程中遇到復(fù)雜路況和需要經(jīng)常性改變行駛狀態(tài)時(shí)有比較高的效率；（4）過(guò)載能力強(qiáng)：需要在上坡和急加速行駛時(shí)所需要的時(shí)間少且穩(wěn)定；（5）可靠性高：車輛在環(huán)境惡劣的工況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)能進(jìn)行穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行且保持較好的狀態(tài)[13]。（6）響應(yīng)速度迅速：對(duì)于駕駛?cè)藛T給出的輸入信號(hào)迅速進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作的輸出。圖3-1為時(shí)目前的車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型。圖3-1車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型目前純電動(dòng)汽車所搭載的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有三種：永磁同步電動(dòng)機(jī)、交流異步電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)因?yàn)榘l(fā)展迅速，擁有成熟的技術(shù)和簡(jiǎn)單的控制策略，是最早被用作驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，能夠在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行啟動(dòng)和停車。但是它有體積較大、笨重和能量轉(zhuǎn)換效率低等缺點(diǎn)，所以導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低。交流異步電動(dòng)機(jī)的工作原理是交流電源經(jīng)過(guò)定子繞組，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，形成電磁轉(zhuǎn)矩并使得電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)有很多，運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉以及后期的維護(hù)便捷。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、安全性高以及啟動(dòng)時(shí)無(wú)需大電流轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)。但是震動(dòng)大，產(chǎn)生的噪音也很大。永磁同步電動(dòng)機(jī)的體積小，沒(méi)有電刷結(jié)構(gòu)，運(yùn)行可靠。和其他電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)在許多方面都很出色，能量轉(zhuǎn)換效率高，對(duì)于輸出信號(hào)能更快的做出反應(yīng)；但是它在較低轉(zhuǎn)速時(shí)效率低[14]。和直流電動(dòng)機(jī)相比，這三種電動(dòng)機(jī)的各方面都更加卓越，所以直流電動(dòng)機(jī)逐漸被這三種電動(dòng)機(jī)取代。表3-1為是對(duì)這四種電動(dòng)機(jī)的性能比較。表3-1常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能比較性能/類型直流電機(jī)永磁同步電機(jī)交流異步電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)功率密度轉(zhuǎn)矩性能轉(zhuǎn)速（r/min）峰值效率（%）負(fù)荷效率（%）過(guò)載能力（%）恒功率區(qū)比例可靠性控制器成本電機(jī)尺寸/質(zhì)量低一般4000~600085~8980~87200-差低大/重高好4000~1000095~9785~973001:2.25優(yōu)良高小/輕中好9000~1500094~9590~92300~5001:5好高中/中較高好＞1500085~9078~86300~5001:3好一般小/輕綜合考慮各類電動(dòng)機(jī)的性能，本設(shè)計(jì)采用永磁同步電動(dòng)機(jī)作為純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、控制方法簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)。一輛純電動(dòng)汽車的整備質(zhì)量為1500kg，整備質(zhì)量1800kg。風(fēng)阻系數(shù)0.41，輪胎半徑為0.3396m，傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率90%，設(shè)計(jì)整車最高速是100km/h。需要計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的額定功率。式3-1是車輛在100km/h的速度下平路持續(xù)行駛30分鐘求得的電動(dòng)機(jī)功率：Pe=1ηT計(jì)算得到在平路狀態(tài)下的最高功率為45kW，在此基礎(chǔ)上還要考慮到車輛在上坡時(shí)需要的功率會(huì)更高，所以選取的永磁同步電機(jī)的功率為60kW。式3-2根據(jù)最車速計(jì)算出電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速：V=n×60×3.14×2×r1000×i（3計(jì)算得出n=3471，考慮到要富有余量，所以選擇最高轉(zhuǎn)速是3600r/min。表3-2為永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。表3-2永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)名稱永磁同步電動(dòng)機(jī)額定功率峰值轉(zhuǎn)速峰值轉(zhuǎn)矩最高效率70kW3600r/min180N·m90%3.2.2電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)采用雙閉環(huán)矢量控制方法，應(yīng)用非常的廣泛。矢量控制系統(tǒng)有三個(gè)調(diào)節(jié)器，一個(gè)轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器和兩個(gè)電流環(huán)調(diào)節(jié)器，一般都采用PI調(diào)節(jié)器。對(duì)與永磁同步電機(jī)電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)就是對(duì)iq（定子電流）進(jìn)行控制來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。圖3-2為永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)矢量控制框圖。圖3-2永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)矢量控制框圖電機(jī)在啟動(dòng)的過(guò)程中，電流內(nèi)環(huán)能輸出最大電流，使電機(jī)響應(yīng)迅速。同時(shí)能夠抵抗并恢復(fù)外部擾動(dòng)，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[15]。根據(jù)電機(jī)的實(shí)際電流與參考電流的差值，采用PI控制器產(chǎn)生ud、uq命令。轉(zhuǎn)速外環(huán)則根據(jù)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速的差值，采用PI控制器產(chǎn)生iq命令。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如果設(shè)計(jì)合理，可以減少影響系統(tǒng)的擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。圖3-3是電流環(huán)模塊，轉(zhuǎn)速環(huán)模塊也是一樣的。圖3-3電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)模塊式3-3為電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的PI控制算法：Te?=Kp(在式3-3中，Kp表示比例系數(shù)、Ki表示積分系數(shù)。因?yàn)閳D3-3是理想狀態(tài)下的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制器模塊，在實(shí)際情況下會(huì)有差別，在仿真時(shí)要離散化，所以要增加零階保持器模塊模擬離散化的情況，圖3-4為電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制器：圖3-4電流環(huán)PI控制器電機(jī)參數(shù)為極對(duì)數(shù)Pn=4，電樞電感Ld=5.25mH，Lq=12mH，定子電阻R=0.96Ω，磁鏈ψf=0.182743wb，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.0003007kg·m2，阻尼系數(shù)B=0.008N·M·s。仿真條件：直流電壓Udc=311V，開關(guān)頻率fPWM=10kHz，采樣周期Ts=10μs，采用變步長(zhǎng)ode23tb算法，相對(duì)誤差0.001，仿真時(shí)間0.4s。式3-4為電機(jī)時(shí)間常數(shù)，電流環(huán)帶寬和電機(jī)時(shí)間常數(shù)有關(guān)系：τ=minLdR帶寬α=2π/τ，選擇轉(zhuǎn)速環(huán)帶寬為：β=50rad/s，式3-5至式3-10為各參數(shù)的計(jì)算。電流環(huán)：τ=minLdRα=2πτ=6.285.73?1電流環(huán)各個(gè)PI參數(shù)：Kpd=αLd=1100?5.5?1Kpq=αLq=1100?12?1轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)Kiw：Kpw=βJ1.5Pnφf(shuō)=0.0003?501.5?4?0.1827=0.0136=0.014這些參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算會(huì)有一些偏差，需要在仿真的時(shí)候調(diào)試以達(dá)到想要的結(jié)果。3.2.3蓄電池組容量的選擇及設(shè)計(jì)動(dòng)力電池為車輛提供動(dòng)力來(lái)源。動(dòng)力電池的容量、電池組的形狀、體積和質(zhì)量對(duì)車輛的續(xù)航能力有直接的影響[18]。選擇動(dòng)力電池類型要符合純電動(dòng)汽車的需求。純電動(dòng)汽車主要考慮車輛的續(xù)航和加速性能，需要?jiǎng)恿﹄姵厝萘看?、能量密度高、能量轉(zhuǎn)換率高以及使用壽命長(zhǎng)[19]。同時(shí)動(dòng)力電池還要與車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓、功率等相匹配，還要考慮到車內(nèi)的空調(diào)等電子設(shè)備的消耗。首先電壓要與永磁同步電動(dòng)機(jī)一致，其次還需要滿足電壓變化的要求，動(dòng)力電池的電壓要高于電動(dòng)機(jī)的額定電壓。動(dòng)力電池的容量正比于它的功率，電池的容量越大，輸出的功率就越大，所以要根據(jù)車輛的實(shí)際續(xù)航需求確定動(dòng)力電池的容量[20]。對(duì)于純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的選擇還要考慮到安全性和環(huán)境保護(hù)方面，車輛在極端使用情況下電池能夠正常功能且保證安全和減少環(huán)境污染[21]。鋰離子電池對(duì)環(huán)境污染影響不大，因?yàn)殇囯姵夭缓兄亟饘俚任廴疚镔|(zhì)；它的使用壽命長(zhǎng)、能量密度高，現(xiàn)在的純電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力電池幾乎都是鋰電池。使用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰電池安全性更高[22]，所以本文選用磷酸鐵鋰電池作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池。以轎車來(lái)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。由表3-2可知電動(dòng)機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩是180N·m，可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的峰值功率，如式3-11：P=T×n9550=180×36009550計(jì)算得出峰值功率P=67.85kW，考慮到需要留有余量，所以選擇電動(dòng)機(jī)的功率為70kW，按照此功率可以選擇出合適的電池容量和電壓。表3-3是動(dòng)力電池主要性能參數(shù)。表3-3動(dòng)力電池主要性能參數(shù)參數(shù)數(shù)值單體額定電壓（V）標(biāo)稱容量（Ah）放電截止電壓（V）SOC允許范圍最大充電電壓（V）電池組數(shù)動(dòng)力電池組電壓（V）3.21002.60.15~0.95220V/DC692203.2.4電動(dòng)汽車充電器的設(shè)計(jì)目前純電動(dòng)汽車的充電方法主要有傳統(tǒng)的充電方法、無(wú)線充電法、脈沖充電法等，其中傳統(tǒng)充電方法又可以分為恒壓充電法、恒流充電法和階段充電等。目前世界上對(duì)鋰離子電池功能的純電動(dòng)汽車大多采用的是三階段充電法，這是因?yàn)槠涑潆娗€與鋰離子自身的特性較為符合，這樣既可以提高充電效率又可延長(zhǎng)電池使用壽命，因此本設(shè)計(jì)中也采用的是三階段充電方式[23]。交流電源輸入，經(jīng)車輛充電器內(nèi)部進(jìn)行伊西流的變頻變壓、整流等過(guò)程，輸出穩(wěn)定的直流電為動(dòng)力電池進(jìn)行充電。由上一節(jié)動(dòng)力電池的參數(shù)來(lái)參考進(jìn)行車輛充電器的設(shè)計(jì)。表3-4是充電器的主要參數(shù)：表3-4充電器主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值輸入電壓輸入頻率最大充電電壓最大充電電流最大充電電壓滿載功率因數(shù)380V/AC50Hz380V25A380V0.95其中還需要帶有保護(hù)功能，包括過(guò)壓，過(guò)流，欠壓，過(guò)溫，短路等保護(hù)。車輛的充電方式是鋰離子電池三階段充電方式。3.3本章小結(jié)本章節(jié)主要對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)和選型作了重點(diǎn)描述，對(duì)于純電動(dòng)汽車最主要的部分電動(dòng)機(jī)做出了分析和比較，最終選擇因此它能大家族譜為車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；對(duì)于動(dòng)力蓄電池進(jìn)行了分析和選型，選擇磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力電池；對(duì)于充電器方面進(jìn)行了充電方式的選擇和設(shè)計(jì)，以滿足整車動(dòng)力性以及續(xù)航里程的要求。

4純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)MATLAB仿真4.1MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠。這款軟件可以使用的用途非常廣泛，包括無(wú)線通信、數(shù)據(jù)分析、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。它能對(duì)數(shù)值進(jìn)行分析和計(jì)算，將建模和仿真結(jié)合在一起，使科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的計(jì)算和設(shè)計(jì)更加的便捷，擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式[25]。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。圖4-1為Simulink中的庫(kù)瀏覽器。圖4-1Simulink庫(kù)瀏覽器在MATLAB軟件中新建Simulink模型，通過(guò)Simulink組件中的庫(kù)瀏覽器添加我們需要元器件和設(shè)備等模塊來(lái)進(jìn)行仿真模型的建立，拖動(dòng)至Simulink的仿真模型窗口中，或者對(duì)這些模塊進(jìn)行復(fù)制，然后粘貼到模型窗口。選擇好各部位器件后，布置好位置，進(jìn)行連線，進(jìn)行各個(gè)器件的參數(shù)設(shè)置，對(duì)各部位進(jìn)行檢查，沒(méi)有錯(cuò)誤之后可以按下“RUN”按鍵運(yùn)行仿真程序了，仿真的過(guò)程中或者結(jié)束低于能在顯示器件中觀察仿真結(jié)果，并進(jìn)行模型調(diào)整與修改。4.2純電動(dòng)汽車整體結(jié)構(gòu)及充電系統(tǒng)的仿真模型車輛啟動(dòng)過(guò)程使將動(dòng)力電池的電能傳遞至DC/DC變換器升壓，升壓后再由DC/AC逆變傳送至永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。圖4-2為車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型。圖4-2動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)力電池的選定以及參數(shù)在第三章都已確定。圖4-3至圖4-4為純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池部分模型以及參數(shù)設(shè)置。圖4-3動(dòng)力電池模型圖4-4動(dòng)力電池參數(shù)圖4-5和圖4-6為車輛充電器模型由于莫ing較長(zhǎng)，所以分為了兩部分進(jìn)行顯示。圖4-5車輛充電器模型1

圖4-6車輛充電器模型2車輛充電器是交流電為輸入電源，經(jīng)過(guò)AC/DC整流、DC/AC逆變、AC/AC降壓變頻、最終AC/DC整流四次變換，采用閉環(huán)控制，得到穩(wěn)定的直流電源為車輛動(dòng)力電池充電。4.3純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真永磁同步電機(jī)的英文縮寫為PMSM，在Library內(nèi)搜索Permanent即可找到它。圖4-7為永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型，圖4-6至4-9為永磁同步電機(jī)的參數(shù)設(shè)定。圖4-7永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型圖4-8永磁同步電機(jī)配置圖4-9永磁同步電機(jī)參數(shù)

圖4-10永磁同步電機(jī)參數(shù)高級(jí)設(shè)置電動(dòng)機(jī)仿真使用的是已有電機(jī)的參數(shù)，這里的Rotofluxpositionwhentheta=0一定要選擇AlignedwithphaseAaxis跟隨A相，因?yàn)楫?dāng)theta=0時(shí)磁通不跟隨A相，會(huì)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的相位錯(cuò)位，導(dǎo)致PI調(diào)節(jié)器失效。4.4仿真結(jié)果通過(guò)Simulink模型仿真后進(jìn)行波形輸出，圖4-11至圖4-13為永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形、電流波形和轉(zhuǎn)矩波形仿真結(jié)果。圖4-11轉(zhuǎn)速波形當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?開始上升到l000r/min，雖然在開始時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速有一些超調(diào)量，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快。在t=0.2s時(shí)電機(jī)突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=10，電機(jī)也可以迅速恢復(fù)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)比較正確，具有較好的動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)能力，滿足控制需求。圖4-12三相電流波形電機(jī)在啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0時(shí)，三相定子電流不穩(wěn)定，但是迅速穩(wěn)定了下來(lái)，在轉(zhuǎn)矩增加至10的時(shí)候也很快變化并穩(wěn)定了下來(lái)，都呈現(xiàn)了較好的正弦特性。圖4-13電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，很快就穩(wěn)定了下來(lái)，在0.2s時(shí)突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=10，電機(jī)也能很快的穩(wěn)定至給定值。圖4-13為充電電壓波形。圖4-14充電電壓波形充電部分由于經(jīng)過(guò)AC/DC整流、DC/AC逆變、AC/AC降壓變頻、最終AC/DC整流四次變換器的變換后，得到了非常穩(wěn)定的直流電壓源為動(dòng)力電池進(jìn)行充電，進(jìn)而保護(hù)電池。

5總結(jié)本文以純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，分析車輛不同的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置形式和工作原理、動(dòng)力電池材料及類型，利用MATLAB/Simulink平臺(tái)對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建立仿真模型，并分析輸出仿真波形，得出以下結(jié)論：純電動(dòng)汽車的性能最主要取決于所選擇的電動(dòng)機(jī)類型和動(dòng)力電池的性能，變速器也有一定的影響。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的選型，選擇了永磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)在功率密度、效率、轉(zhuǎn)矩性能和可靠性等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)，而且易控制、體積小、維護(hù)成本低、壽命長(zhǎng)、可靠性高。電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)是為了在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中能夠以最大電流啟動(dòng)，同時(shí)在外部擾動(dòng)是能夠快速恢復(fù)，加快動(dòng)態(tài)跟蹤響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)速外環(huán)設(shè)計(jì)合理，減少擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響、減小轉(zhuǎn)速波動(dòng)，使得系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)仿真后的結(jié)果進(jìn)行分析，系統(tǒng)無(wú)明顯的超調(diào)，在到達(dá)給定轉(zhuǎn)速后很快穩(wěn)定下來(lái)，穩(wěn)定性優(yōu)良；準(zhǔn)確跟隨速度給定，準(zhǔn)確性優(yōu)良；同時(shí)快速性也滿足要求。純電動(dòng)汽車在動(dòng)力電池方面的選擇，考慮到整車的功率需求和能量需求、動(dòng)力電池的梯次利用與回收及環(huán)保方面的因素，充分發(fā)揮動(dòng)力電池的利用價(jià)值，并減輕或消除對(duì)環(huán)境的污染。選擇的是磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力電池，滿足純電動(dòng)汽車的性能需求，并且也是目前純電動(dòng)汽車主流的動(dòng)力電池。從仿真結(jié)果可以看出，。

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