電動汽車結(jié)構(gòu)與工作原理

第二章電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù) 第一節(jié)純電動汽車的系統(tǒng)組成電 動 汽 車 系 統(tǒng) 可 分 為 三 個 子 系 統(tǒng) 組 成 1 電 力 驅(qū) 動 系 統(tǒng) ： （ 1 ） 電 控 單 元 （ 2 ） 功 率 轉(zhuǎn) 換 器 （ 3 ）電 動 機(jī) （ 4 ） 機(jī) 械 傳 動 裝 置 （ 5 ） 驅(qū) 動 車 輪 2 主 能 源 系 統(tǒng) ： （ 1 ） 主 電 源 （ 2 ） 能 源 管 理 系 統(tǒng) （ 3 ） 充 電 系 統(tǒng) 3 輔 助 控 制 系 統(tǒng) ： （ 1 ） 動 力 轉(zhuǎn) 向 （ 2 ） 溫 度 控 制 （ 3 ） 輔助 動 力 供 給 圖2-6直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖 第一節(jié)純電動汽車的系統(tǒng)組成 圖2-7直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)工作原理示意圖 第一節(jié)純電動汽車的系統(tǒng)組成 圖2-8交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖 第一節(jié)純電動汽車的系統(tǒng)組成 圖2-9交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)工作原理示意圖 第一節(jié)純電動汽車的系統(tǒng)組成 第二節(jié)電動汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)組成電 動 汽 車 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) ： 是 能 量 存 儲 系 統(tǒng) 與 車 輪 之間 的 紐 帶 ， 其 作 用 是 將 能 量 存 儲 系 統(tǒng) 輸 出 的 能 量 (化學(xué) 能 、 電 能 ) 轉(zhuǎn) 換 為 機(jī) 械 能 ， 推 動 車 輛 克 服 各 種 滾 動阻 力 、 空 氣 阻 力 、 加 速 阻 力 和 爬 坡 阻 力 ， 制 動 時 將動 能 轉(zhuǎn) 換 為 電 能 回 饋 給 能 量 儲 存 系 統(tǒng) 。 現(xiàn) 代 電 動 汽 車 與 傳 統(tǒng) 的 燃 油 汽 車 不 同 ， 其 驅(qū) 動 系統(tǒng) 可 以 省 去 復(fù) 雜 笨 重 的 機(jī) 械 齒 輪 變 速 機(jī) 構(gòu) 就 能 提 供滿 足 車 輛 行 駛 速 度 范 圍 和 負(fù) 載 變 化 大 的 轉(zhuǎn) 矩 轉(zhuǎn) 速 特性 。 高 效 率 、 高 性 能 的 電 機(jī) 驅(qū) 動 控 制 技 術(shù) 是 電動 汽 車 發(fā) 展 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 之 一 。 總 的 來 說 ， 電 動 汽 車 對 其 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 的 要 求 如 下 :(1 ) 成 本 。 要 求 電 動 汽 車 整 個 系 統(tǒng) 與 內(nèi) 燃 機(jī) 系 統(tǒng) 具 有 同 樣 的 價格 水 平 。(2 ) 性 能 。 啟 動 轉(zhuǎn) 矩 大 ， 恒 功 率 范 圍 寬 、 瞬 時 功 率 大 ， 過 載 能力 強(qiáng) ， 加 速 性 能 好 。(3 ) 調(diào) 速 范 圍 寬 廣 。 包 括 恒 轉(zhuǎn) 矩 區(qū) 和 恒 功 率 區(qū) 。 (4 ) 最 優(yōu) 的 能 量 利 用 率 。 在 最 輕 重 量 條 件 下 ， 具 有 電 氣 和 機(jī)械 效 率 的 最 優(yōu) ， 此 外 還 要 充 分 利 用 再 生 制 動 的 能 量 。(5 ) 安 全 、 可 靠 性 高 ， 滿 足 車 輛 的 各 種 工 況 (如 高 低 溫 壞 天 氣和 劇 烈 振 動 等 )。(6 ) 重 量 輕 、 尺 寸 小 ， 便 于 安 裝 于 各 種 不 同 的 車 輛 上 。第二節(jié)電動汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)組成 從 功 能 的 角 度 看 ， 電 動 汽 車 的 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 可分 為 電 氣 和 機(jī) 械 兩 大 系 統(tǒng) 。 電 氣 系 統(tǒng) 由 電 動 機(jī) 、 功 率 轉(zhuǎn) 換 器 和 電 子 控 制 器 等三 個 子 系 統(tǒng) 組 成 。機(jī) 械 系 統(tǒng) 主 要 包 括 機(jī) 械 傳 動 裝 置 (可 選 )和 車 輪 。第二節(jié)電動汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)組成 圖 2 電 動 汽 車 的 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 電 子 控 制 器 微 處 理 器 微 控 制 器 DSP 轉(zhuǎn) 換 器 VVVF FOC MRAC STC VSC NNC Fuzzy 軟 件 硬 件 功 率 變 換 器 電 動 機(jī) 變 速 箱 和 差 速 器 器 件 GTO BJT MOSFET IGBT MCT 拓 撲 斬 波 PWM 逆 變 諧 振 CAD FEM EM 力 熱 圖 解 法 類 型 DC IM SRM PMSM PMBM PMHM 電 動 機(jī)控 制 器 交 流 電 機(jī) 控 制 器 控 制 電 路 主 電 路 控 制 器 中 的 CPU主 控 制 板 采 用 不 同 的 電 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 形 式 總 體上 可 分 為 兩 種 ： 集 中 驅(qū) 動 和 車 輪獨 立 驅(qū) 動 。集 中 驅(qū) 動 利 用 一 個 動 力 源通 過 變 速 器 和 減 速 器 （ 或只 通 過 減 速 器 ） 降 速 增 扭 ，最 后 經(jīng) 差 速 器 將 驅(qū) 動 轉(zhuǎn) 矩大 致 平 均 地 分 配 給 左 右 驅(qū)動 半 軸 ， 可 以 采 用 前 輪 驅(qū)動 、 后 輪 驅(qū) 動 或 四 輪 驅(qū) 動的 形 式 3 ， 其 結(jié) 構(gòu) 如 圖 3 所示 。 第 三 節(jié) 電 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 形 式 電 源 功 率 轉(zhuǎn) 換 器 電 機(jī)變 速 器 差 速 器圖 3 集 中 驅(qū) 動 車 輪 獨 立 驅(qū) 動 是 只 利用 多 個 動 力 源 分 別 驅(qū)動 單 個 車 輪 ， 可 以 分為 兩 輪 獨 立 驅(qū) 動 和 四輪 獨 立 驅(qū) 動 ， 其 結(jié) 構(gòu)如 圖 4 所 示 。第 三 節(jié) 電 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 形 式 集 中 驅(qū) 動 獨 立 驅(qū) 動成 本 較 低 較 高體 積 笨 重 分 散重 量 集 中 分 散效 率 較 低 較 高差 速 方 式 機(jī) 械 式 電 子 式表 1 集 中 驅(qū) 動 和 車 輪 獨 立 驅(qū) 動 優(yōu) 缺 點 的 比 較 圖2-10純電動汽車傳動系統(tǒng)布置的常規(guī)形式 總 體 可 構(gòu) 成 不 以 下 6種 形 式 上 三 圖 為 集 中 驅(qū) 動 形 式 ， 下三 圖 為 車 輪 獨 立 驅(qū) 動 形 式 。第 三 節(jié) 電 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 形 式 圖2-11常規(guī)純電動汽車傳動裝置結(jié)構(gòu)圖1電機(jī)2螺栓3套筒4飛輪殼5飛輪6軸承7壓盤8離合器殼9螺栓10軸承11輸入軸12分離叉13分離套筒14離合器蓋15分離杠桿16從動盤 圖2-12固定速比減速器傳動系統(tǒng)(無離合器) 第 三 節(jié) 電 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 形 式 圖2-13固定速比減速器傳動系統(tǒng)(無離合器)應(yīng)用實例 第 三 節(jié) 電 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 形 式 圖2-14第三種傳動形式 第 三 節(jié) 電 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 形 式 圖2-15第三種傳動形式應(yīng)用實例 第 三 節(jié) 電 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 形 式 第三節(jié) 電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 圖2-16雙電機(jī)-固定速比變速器一體化傳動系統(tǒng) 圖2-17雙電機(jī)驅(qū)動模式下的底盤結(jié)構(gòu) 第 三 節(jié) 電 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 形 式 第三節(jié) 電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 圖2-18雙電機(jī)-固定速比變速器一體化輪邊驅(qū)動傳動系統(tǒng) 圖2-22兩種輪轂電機(jī)驅(qū)動方式內(nèi)部示意圖a)內(nèi)轉(zhuǎn)子型b)外轉(zhuǎn)子型 第三節(jié) 電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 圖2-20輪轂電機(jī)實物圖 第三節(jié) 電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 圖2-19雙輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 圖2-21輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 輪轂電機(jī)的大型化較難，但是總功率依靠四臺電機(jī)分擔(dān)，可使每臺電機(jī)的容量變得小一些。 圖2-23四輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 1)車輪可以實現(xiàn)180的旋轉(zhuǎn)、橫向行駛、任意旋轉(zhuǎn)行駛。2)由于可以進(jìn)行各車輪任意轉(zhuǎn)矩控制，所以使得防滑控制、制動控制等多種性能得以發(fā)揮 圖2-24橫向行駛和旋轉(zhuǎn)行駛示意圖(YONDEN PIVOT車型) 圖2-25低車地板軸a)傳統(tǒng)有差速器的結(jié)構(gòu)b)輪轂電機(jī)驅(qū)動方式 現(xiàn) 代 電 動 汽 車 常 用 的 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 有 四 種 ：直 流 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng)交 流 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng)永 磁 無 刷 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng)開 關(guān) 磁 阻 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 直 流 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 采 用 有 刷 直 流 電 機(jī) ， 電 機(jī) 控制 器 一 般 采 用 斬 波 器 控 制 方 式 。它 具 有 成 本 低 、 易 于 平 滑 調(diào) 速 、 控 制 器 簡 單 、控 制 相 對 成 熟 等 優(yōu) 點 。 但 由 于 需 要 電 刷 和 換 向器 ， 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 ， 運 行 時 有 火 花 和 機(jī) 械 磨 損 ， 所以 電 機(jī) 運 行 轉(zhuǎn) 速 不 宜 太 高 。 是 對 無 線 電 信 號 的干 擾 ， 這 對 高 度 智 能 化 的 未 來 電 動 汽 車 是 致 命的 弱 點 。鑒 于 直 流 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 的 驅(qū) 動 控 制 器 部 分 優(yōu) 勢突 出 ， 使 得 直 流 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 在 當(dāng) 前 燃 料 電 池電 動 汽 車 領(lǐng) 域 仍 占 有 一 席 之 地 。A、 直 流 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 這 種 電 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 制 造 容 易 ， 效 率 比 直 流 電機(jī) 高 。與 永 磁 無 刷 電 機(jī) 、 開 關(guān) 磁 阻 電 機(jī) 相 比 ， 成 本 最為 低 廉 ， 但 控 制 較 為 復(fù) 雜 ?？?的 說 來 ， 異 步 電 機(jī) 系 統(tǒng) 的 綜 合 性 價 比 具 有 一定 的 優(yōu) 勢 ， 尤 其 是 異 步 電 機(jī) 的 高 可 靠 性 、 免 維護(hù) 、 成 本 低 廉 的 優(yōu) 點 ， 使 其 成 為 電 動 汽 車 驅(qū) 動系 統(tǒng) 的 首 選 方 案 。B、 異 步 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 永 磁 無 刷 電 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 相 比 之 下 ， 效 率 高 是 其最 大 特 點 ， 質(zhì) 量 輕 ， 體 積 小 ， 也 無 需 維 護(hù) 。與 異 步 電 動 機(jī) 相 比 ， 永 磁 無 刷 電 機(jī) 成 本 較 高 ，可 靠 性 和 使 用 壽 命 也 較 差 ， 同 時 永 磁 體 還 存 在失 磁 的 可 能 。另 外 ， 制 造 工 藝 也 比 異 步 電 機(jī) 復(fù) 雜 。 在 控 制 上 ，由 于 永 磁 體 的 存 在 ， 弱 磁 控 制 有 一 定 的 難 度 。因 此 限 制 了 這 種 電 機(jī) 系 統(tǒng) 在 電 動 汽 車 的 大 量 使用 。C、 永 磁 無 刷 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 該 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 沒 有 繞 組 做 成 凸 極 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 可靠 性 高 ， 快 速 響 應(yīng) 好 ， 效 率 與 異 步 電 機(jī) 相 當(dāng) 。由 于 轉(zhuǎn) 子 無 繞 組 ， 該 電 機(jī) 系 統(tǒng) 特 別 適 合 頻 繁 的正 反 轉(zhuǎn) 及 沖 擊 負(fù) 載 等 工 況 。開 關(guān) 磁 阻 電 機(jī) 系 統(tǒng) 驅(qū) 動 電 路 采 用 的 功 率 開 關(guān) 元件 較 少 ， 電 路 簡 單 ， 能 較 方 便 地 實 現(xiàn) 寬 調(diào) 速 和制 動 能 量 的 反 饋 。因 此 ， 這 種 系 統(tǒng) 在 電 動 汽 車 中 亦 有 一 定 的 應(yīng) 用 。其 缺 點 主 要 在 于 其 結(jié) 構(gòu) 帶 來 的 噪 音 和 振 動 較 大 。D、 開 關(guān) 磁 阻 電 機(jī) 系 統(tǒng) 電 機(jī) 驅(qū) 動 技 術(shù) 發(fā) 展 方 向 可 以 歸 納 如 下 : (1)由 有 刷 直 流 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 向 無 刷 化 、 交 流 化 方 向 發(fā) 展 ， 如 開發(fā) 并 應(yīng) 用 了 開 關(guān) 磁 阻 電 動 機(jī) 和 永 磁 無 刷 電 動 機(jī) 。 (2)朝 電 動 機(jī) 與 驅(qū) 動 器 、 控 制 器 集 成 的 機(jī) 電 一 體 化 方 向 發(fā) 展 ，構(gòu) 成 智 能 化 的 驅(qū) 動 控 制 系 統(tǒng) 。 (3)由 單 個 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 向 兩 個 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 ， 后 輪 驅(qū) 動 向 前 輪 驅(qū)動 發(fā) 展 ， 進(jìn) 而 以 四 個 電 動 機(jī) 驅(qū) 動 四 輪 的 方 向 發(fā) 展 。 (4)由 帶 齒 輪 減 速 器 驅(qū) 動 向 直 接 驅(qū) 動 方 向 發(fā) 展 ， 將 外 轉(zhuǎn) 子 電 動機(jī) 與 車 輪 一 體 化 設(shè) 計 ， 實 現(xiàn) 四 輪 直 接 驅(qū) 動 。 (5)電 動 機(jī) 、 驅(qū) 動 器 、 控 制 器 、 電 池 以 及 電 動 汽 車 工 況 均 由 單片 機(jī) 集 成 控 制 ， 實 現(xiàn) 汽 車 驅(qū) 動 和 控 制 向 電 子 化 方 向 發(fā) 展 。 汽 車 電 力 驅(qū) 動 和 控 制 技 術(shù) 發(fā) 展 方 向 是 圍 繞 實 現(xiàn) 驅(qū) 動 控 制 系 統(tǒng) 寬調(diào) 速 、 寬 力 矩 變 化 ， 并 在 整 個 工 況 下 高 效 率 工 作 而 確 定 的 。 對 高 性 能 汽 車 而 言 ， 不 僅 要 開 發(fā) 先 進(jìn) 的 電 動 機(jī) 。 而 且 還 要 開 發(fā) 先 進(jìn) 驅(qū) 動 器和 控 制 器 。