电动汽车研究

电动汽车驱动系统的研究

摘要：随着能源和环保问题的日趋严重，电动汽车的发展已受到世界各国的重视，自主研发高性能的电动汽车是提高我国汽车工业的竞争力，振兴我国汽车工业的必经之路，电动汽车电机驱动系统是电动汽车的关键部件之一，在电池技术未取得突破的背景下，电机驱动系统的研究成为电动汽车技术研究的主要热点。对电动汽车驱动控制系统的研究与设计，不但能够优化电动汽车驱动系统效率，满足对电机控制的要求，而且可以通过与能量系统的相互补充，相互协调，提高了电动汽车的行驶里程，这对电动汽车的商业化推广和应用有着重要的意义。

关键词：电动汽车；电机系统；行驶里程

Study on electric vehicle drive system

Abstract: Along with the increasing problem of energy and environment,many countries have paid more and

more attention to the development of electric vehicles. It is the only way to make the car industry in our country stronger and more competitive by in vestigating and developing independently high-powered electric vehicles. Motor driv e system is one of the key sections of electric vehicles. Because of not having got a breakthrough in battery technology,the research of motor driving system has become the main focus in the studies of EV．To the driving control technical research,it was not only to optimize driving system efficiency of EV,and satisfy the need of driving system of EV ,but also to lengthen the travel mileage by complementing and harmoni zing each other between the motor control technique and energy system，all which have important meaning to the commercial expansion and application of EV．

Key words: electric vehicles; motor system; mileage

一、电动汽车的发展及分类

电动汽车是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。在外型上，电动汽车与传统的汽车并无显著区别，它们的主要区别在于动力和驱动系统。它们一般采用高效率充电电池，或燃料电池为动力源。电动汽车无需再用内燃机，因此，电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱，由于电能是二次能源，它可以来源于风能、水能、热能、太阳能等多种方式，所以，电动汽车是非常有发展前景的替代能源汽车，成为21世纪的主要交通工具。

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，其开发关系到众多工业的兴衰，可能成为未来新的经济增长点。

现代电动汽车按使用的能源可以分为三类：

(1)纯电动汽车(EV，Electric Vehicle)

纯电动汽车是“零污染％的车辆，仅采用蓄电池等便携电源作为车辆的动力源。不需要石油资源，不排放废气，并具有电动机驱动噪声小、易于控制，可以获得良好的稳态特性和实现四象限的运转，没有复杂的传动系统和机械式逆转装置等优点。

(2)燃料电池电动汽车(FCEV,Fuel Cell Electric Vehicle)

I

燃料电池电动汽车是使用液态或压缩气态燃料作为动力源的电动汽车，它比纯电动汽车有更好的性能，各个国家也十分重视FCEV的研究，特别是燃料电池的研究，但燃料电池的一个主要缺点是不可逆，因而如果能够采用其它的储能置(如超级电容器等)来提高FCEV的效率，提升FCEV的功率输出能力，对于燃料电池汽车的推广和发展将会有十分重要的意义。

(3)混合动力电动汽车(HEV,Hybrid Electric Vehicle)

HEV是一种新型油电混合动力车型，也是一种由传统内燃机汽车向纯电动汽车过渡的车型，目前在世界范围内得到了较快的发展，目前的HEV主要是采用以发动机为主，电动机为辅的配置方式，既保留了传统发动机汽车成熟的技术和较高的一次行驶里程，又加入了环保的电动驱动方式，同时也使车辆的再生制动能量回收成为了可能。

二、电动汽车驱动系统概述

电动汽车是以车载电源为动力，用电动机驱动车轮，行驶符合道路交通安全法规各项要求的车辆。它是涉及机械电力、电子、计算机控制等多学科的高科技产品，电动汽车的关键技术包括蓄电池技术及电池管理车体技术，电动机及其驱动控制系统。电动汽车是由车体电机驱动系统储能电池和能量管理系统组成的，其中电机驱动系统是关键的部分之一。

电动汽车驱动系统由牵引电机、控制系统、机械减速和传动装置车轮等构成。控制系统接收加速踏板(相当于燃油车的油门) ，刹车和档位信号转向盘的输出信号等，经过信号处理输入到电机驱动器，控制驱动电机转速和转矩，再通过机械传动装置驱动车轮，电机驱动系统除了具有普通电气传动的共性外，还应满足电动汽车特定用途的要求。电动汽车是一种在陆地上露天运行结构紧凑，具有车载能源的行走机械工况复杂，既要能高速飞驰，又要能频繁启动、制动、上下坡快速超车、紧急刹车，既要能适应雪天、雨天、盛夏严冬等恶劣天气条件，又要能承受道路的颠簸振动，还要保证司乘人员的舒适与安全。电动汽车的核心是要用电气传动系统取代机械推进系统，用电池代替汽油作为车载能源，在零排放或少排放的前提下，满足燃油汽车各项性能价格指标的要求。

本课题以纯电动汽车(EV)为主要研究对象。对于一般的纯电动汽车，其驱动 系统的结构主要包括以下几个部分： (1)蓄电池组

蓄电池组是电动汽车运行所需能量的来源，是电动汽车驱动系统的重要组成部分。电动汽车的蓄电池种类主要包括铝酸电池、镉镍电池、氢镍电池、锂电池、飞轮电池等.

其中，铅酸蓄电池是目前燃油汽车和电动汽车使用最广泛的电池之一，据不完全统计，在车用电池中约占90％。铅酸蓄电池的特点是：技术成熟；比功率较大；寿命较长(约800～1000次)；成本低，同时，铅酸蓄电池的缺点也非常明显，首先是体积大，另一方面比能量低。

镍镉电池由于其所含的镉元素有毒，因而在推广使用的过程中面临很多的困难，近年来，由于回收技术的进步，有毒元素镉已经可以做到100％的回收，因而，镍镉电池的使用近几年有所增长。但镍镉电池的成本依然较高，虽然它的比能量比铅酸电池高50％以上，寿命长l到2倍，然而他的全寿命单公里成本较铅酸电池要低，这就影响了这类电池在电动汽车上的使用。

氢镍电池是～种使用储氢合金同氢气结合制成的一种比功率相对较大的电池，目前这种电池已经在几种电动车上进行过试验。

2

锂电池是最近几年发展较快的一种新型电池，由于具有比能量高等～系列优点，因而受到人们的重视，并把它作为将来与燃油汽车全面竞争的希望，但由于这种电池的价格相对较高，所以应用还不是很广泛。 (2)牵引电动机及其控制器

电动汽车的牵引电动机主要包括直流和交流两大类，牵引电动机的类型直接决定了其控制器的类型。同时，不同的驱动系统对于其能量控制系统也有不同的要求。以直流电动机为驱动电机构成的驱动系统称为直流电动机驱动系统。直流驱动系统中的驱动器功率电路通常采用斩波的控制方式，相应的能量控制系统采用的也是直流一直流功率变换器。一般情况下，直流电动机的驱动器和其能量控制器采用的是同一套控制装置。

直流电动机驱动系统基本框图如图所示：

以交流感应电动机作为驱动电机构成的驱动系统称为交流感应电动机驱系统，其相应的驱动功率电路采用逆变电路的形式。

交流感应电动机驱动系统基本框图如图所示：

从目前世界各国的电动汽车所用电机来看，欧美等国多用交流感应电动机，而日本等国多采用直流无刷机。随着电力电子器件的日趋成熟和电机制造水平的不断提高，以这两种电动机作为驱动电机所组成的电动汽车驱动系统是很有发展前途的。

三、电动汽车驱动控制系统的实现

随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单，响应迅速，抗干扰能力强，参数变化具有鲁棒性，从而大大提高了整个系统的综合性能。

电机及其驱动控制系统是电动汽车的关键部件 ，电动汽车驱动控制系统中对控制系统的要求有其特殊性。要有优良的转矩控制特性来满足电动汽车频繁的启动/停车加速/减速，能量回馈低速大转矩，爬坡高速小转矩，恒功率运行等工况，为简化机械传动系统对电机的调速范围要求很宽，并要在宽范围内高效率

3

的运行并具有高的功率密度，充分利用蓄电池能量，力求尽可能的延长续驶里程。这种应用环境与用于其它场合的矢量控制的要求存在较大的差异。电动汽车动力系统的能源由蓄电池提供 ，经过逆变器把直流电逆变成交流电，给感应电机供电逆变器的主电路，主要由中间滤波电路和逆变电路组成逆变器的控制部分，以TI 公司推出的DSP 芯片TMS320LF2407A为核心，该芯片为电机专用控制器芯片构成功能强大的全数字矢量控制系统。 1． 硬件设计

控制系统采用TI 的TMS320LF2407A，其工作频率为40MHz ，使用其内置的10 位A/D 转换器，用于汽车电子油门电机定子三相电流直流母线电压和电流IPM 模块温度电机温度等模拟信号的检测，档位信号刹车信号能量回馈信号等通过光电耦合器件隔离后从I/O 口到DSP ，利用TMS320LF2407A 中的SVPWM 状态机产生6 路PWM ，经光电隔离后驱动IPM DSP 的QEP 模块接受光电编码器的信号，检测出电机的转速DSP 的CAN 控制器。把电机和驱动控制系统中的各种运行量输出到液晶显示器，并与汽车上的其它设备(如整车管理控制器绝缘检测器电池管理系统等)进行数据通信另外DSP。 外接了一片四通道的数模转换(D/A)芯片可以将矢量控制算法中的中间变量输出便于系统调试和监测。 2． 主路设计

该系统用于电动汽车的驱动 ，车载蓄电池提供直流电源，主电路由电池组、主电源、刀闸接触器、预充电电阻、滤波电容、吸收电容、PM 模块组成、电池组采用锂电池组总电压280V。主电源刀闸由汽车钥匙控制，控制汽车强电的通断，预充电电阻是防止主电路上电时由于电容充电而引起瞬间过大的电流冲击。接触器的通断由软件程序控制，当检测到的滤波电容两端的电压高于设定值，即滤波电容通过预充电电阻充电到一定程度后接通接触器，短路预充电电阻IPM模块，是三菱公司的产品。主电路上并联的电解电容为滤波电容。 它使IPM 模块获得平滑的直流电压，同时为逆变器负载和直流电源之间的无功功率提供缓冲。合理选择滤波电容的容值是非常重要的。从消除直流电压的纹波效果来考虑。电容值越大。直流电压越平稳。但电容容量越大，会使电路开通瞬间充电电流增大，且电容体积大，价格高。电容耐压值的选择要考虑高于蓄电池电压波动的最大值。本系统的滤波电容为四个1800uF，450V 的电解电容。 3． 电源设计

低压辅助电源是指 DSP 及其相关的接口电路所需的5V、 ±15V、12V 。它们都由12V的电瓶直接或间接提供，以及IPM驱动电路所需的4路15V隔离电源，为了使控制板和主电路之间的完全隔离，IPM驱动电路所需的4 路+15V 电源是采用DC-DC 模块M57140-01 从直流母线电源变换得到。

四、结论与展望

1、结论

本文对电动汽车控制系统进行了全面地论述，分析了本设计的必要性，介绍了德州仪器的微处理器芯片TMS320F2812，利用该处理器设计出了电动汽车驱动控制系统，完成了系统分析和设计，软硬件实现。电动汽车的电机驱动控制系统的研究是电动汽车的关键问题之一，在电动汽车电机驱动控制系统的基础上，

4

得到了新的电动汽车感应电机驱动控制系统。通过装车试验和长时间的道路试验，证明该驱动系统性能良好、效率较高、稳定性较好，解决了以前存在的一些问题，能够满足电动汽车的要求。 2．展望

随着电动汽车的快速发展，电动汽车控制器的研究也已成为业界的一个热点。电动汽车控制器的研究与设计是一项内容丰富而复杂的课题，本论文仅是其中的一部分，而且由于是新产品的开发和本人的知识能力所限，后续还有很多需要完善和进一步研究的地方。

1.由于系统未设计LCD接口，将来可以根据实际具体的应用，针对某一种LCD来设计系统的扩展电路； 2.本系统是个较通用的控制平台，除应用于电动汽车控制器外，将来还可以在本

系统的基础上设计成PCI04架构，从而可根据实际应用的需求，与不同类型的PCI04模块进行组合，例如，我们实验室已开发成功A／D模块、I／O模块以及其它公司已经成熟的PCI04模块，并开发其驱动及应用程序即可开发出性能更高的嵌入式设备；

3.由于系统CPU在电机控制方面的使用尚未经实践检验，有待进一步验证和完善.

参考文献

[1]陈清泉，詹宜巨．2l世纪的绿色交通工具——电动车[M]．北京：清华大学出版社，暨南大学出版社，2000．7

[2]陈清泉，孙逢春，祝嘉光．现代电动汽车技术[M]．北京：北京理工大学出版社，2002．11 [3]张翔等．中国电动汽车的进展[J]．汽车研究与开发，2004(1)

[4]曹秉刚等．电动汽车进展和发展趋势CJ]．西安交通大学学报．V01．38 No．1 2004 [5]万沛霖．电动汽车关键技术[M]．北京：北京理工大学出版社，1998 [6]胡骅，宋慧．电动汽车[M]．北京：人民交通出版社，2002 [7]李兴虎．电动汽车概论[M]．北京：北京理工大学出版社，2005．8

[8]张翔等．国内各主要单位电动汽车项目进展情况及主要产品介绍[J]．汽车技术，2004 [9]韩涛．基于DSP的电动汽车用电机控制系统的研究[D]．西安：西北工业大学，2004 [10]李斌花．纯电动汽车电机驱动系统控制策略研究[D]．湖南：湖南大学，2005

[11]Maggetto，G，Van Mierlo，J．Electric and electric hybrid vehicle technology：a survey Electric，Hybrid and Fuel Cell Vehicles(ReNo．2000050)，IEC Seminar，I I April 2000 Pages：F1—1 1 1 [12]杨利辉．电动汽车驱动电机控制器的优化设计[D]．重庆：重庆大学，2004

[13] Pill-Soo硒IIl’Cost modeling ofbattery electric vehicle and hybrid electric vehicle based on majorparts cost，Power Electronics and Drive Systems，2003．PEDS 2003．The Fifth InternationalConference Oil，Volume：2，17-20 Nov 2003，Pages：1295—1300，

5