電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)與工作原理

1、摘 要：能源危機(jī)已經(jīng)逐漸成為世界面臨的最重大問題之一。電動(dòng)汽車的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)又是其核心技術(shù)，本文主要對(duì)電動(dòng)汽車中的蓄電池，電動(dòng)機(jī)以及控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了闡述。關(guān) 鍵 詞:電動(dòng)汽車 蓄電池 電動(dòng)機(jī) 控制器The Works And Structure Of Power Transmission For Electric VehicleLIU Xue Lai( School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)Abstr

2、act: Energy crisis has become one of the most important issues which all the people have to face. Due to this problem, the development of electric vehicle comes into being. Power transmission is the core technology for electric vehicle. The article mainly makes a set about the works and structure of

3、 electric vehicles storage battery, electric motor and motor controller.Keyword: Electric Vehicle StorageBattery ElectricMotor MotorController前言能源短缺、環(huán)境污染、氣候變暖是全球汽車產(chǎn)業(yè)面臨的共同挑戰(zhàn)，各國(guó)政府及其產(chǎn)業(yè)界積極應(yīng)對(duì)，紛紛提出各自發(fā)展戰(zhàn)略，新能源汽車已經(jīng)成為21世紀(jì)汽車工業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn)。我國(guó)是一個(gè)能源短缺的國(guó)家，尤為重視新能源汽車的研發(fā)。其中，純電動(dòng)汽車是新能源汽車的重中之重。純電動(dòng)汽車是以電池為儲(chǔ)能單元，以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的車輛。通常地，容

4、量型驅(qū)動(dòng)力電池即可滿足實(shí)用要求。純電動(dòng)汽車的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟，缺點(diǎn)是充電速度慢，續(xù)駛里程短。因此適合與行駛路線相對(duì)固定，有條件進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間充電的車輛。1. 概述1.1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車最主要的系統(tǒng)，電動(dòng)汽車運(yùn)行性能的好壞主要是由其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能決定的。電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池、控制器、電動(dòng)機(jī)、變速器、主減速器、等組成。電機(jī)控制器接受從加速踏板（相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)汽車的油門）、剎車踏板和PRND（停車、倒車、空檔、前進(jìn)）控制按鍵的輸出信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，通過減速器、傳動(dòng)軸、差速器、半軸等機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。車輛減速時(shí)，電機(jī)對(duì)車輛前進(jìn)起制動(dòng)作用，這

5、時(shí)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)制動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，給蓄電池充電，也就是所謂的再生制動(dòng)。電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)功能是非常重要的，根據(jù)對(duì)電動(dòng)汽車的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，再生制動(dòng)給作為儲(chǔ)能動(dòng)力源的蓄電池補(bǔ)充的能量，能是電動(dòng)汽車一次充電之后行駛里程增加。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如1.1所示。在有的情況下，把電機(jī)、減速器與傳動(dòng)裝置、車輪做成一體，稱之為電動(dòng)輪，這時(shí)的差速器是靠電器方法實(shí)現(xiàn)的。帶電動(dòng)輪的電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1.2所示。1.2 電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置方案目前，電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)具有一下幾種布置方案：第一種和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)布置方案一樣，仍帶有變速器，主要是為了提高電動(dòng)汽車的起動(dòng)扭矩及增加低速時(shí)

6、電動(dòng)汽車的后備功率，如圖1.3a中所示。裝有這種傳動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)車主要是由內(nèi)燃機(jī)汽車改裝而成。第二種布置如圖1.3b中所示，這種傳動(dòng)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是取消了離合器和變速器，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求較高，不僅要求有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且要求較大的后備功率，以保證電動(dòng)汽車的起車、爬坡、加速超車等動(dòng)力性能。第三種和第四種的布置比較接近，都是直接將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)軸上，如圖1.3c和1.3d所示。這兩種傳動(dòng)系統(tǒng)都是直接由電機(jī)實(shí)現(xiàn)變速、差速，它不僅要求電動(dòng)機(jī)性能好，有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，較大的后備功率，而且對(duì)控制系統(tǒng)的要求很高。控制系統(tǒng)不僅要有較高的控制精度，而且具備良好的可靠性，從而保證電動(dòng)汽車安全、平穩(wěn)的行駛。由

7、于電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的變速器、差速器、傳動(dòng)軸等與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)傳動(dòng)系差別不大，本文不再贅述其結(jié)構(gòu)及其工作原理。2. 蓄電池電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，是能量的存儲(chǔ)裝置，也是目前制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。要使電動(dòng)汽車能與燃油汽車相競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵是開發(fā)出比能量高，比功率大、使用壽命長(zhǎng)、成本低的電池。鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1。鉛酸蓄電池是由正負(fù)極板、隔板、電解液、溢氣閥、外殼等部分組成。極板是鉛酸蓄電池的核心部件，正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛，負(fù)極板上的活性物質(zhì)為海面狀純鉛。隔板是隔離正、負(fù)極板，防止短路；作為電解液的載體，能夠吸收大量的電解液，起到促進(jìn)離子良好擴(kuò)散的作用；它還是正極板產(chǎn)生的氧氣到達(dá)負(fù)極

8、板的“通道”，以順利建立氧循環(huán)，減少水的損失。電解液由蒸餾水和純硫酸按一定比例配制而成，主要作用是參與電化學(xué)反應(yīng)，是鉛酸蓄電池的活性物質(zhì)之一。電池槽中裝入一定密度的電解液后，由于電化學(xué)反映，正、負(fù)極板間會(huì)產(chǎn)生約為2.1V的電動(dòng)勢(shì)。溢氣閥位于電池頂部，起到安全。密封、防暴等作用。鉛酸蓄電池主要有一下有點(diǎn)：1. 電壓較高，為2.0V；2. 價(jià)格低廉；3. 可制成小至1Ah大至幾千安時(shí)的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池；4. 高倍率放電性能良好，可用于引擎起動(dòng)；5. 高低溫性能良好，可在-40C-60C條件下工作；6. 電能效率高達(dá)60%；7. 易于識(shí)別電荷狀態(tài)。鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)：1 比能量低；2 使用壽命短

9、，使用成本高；3 充電時(shí)間長(zhǎng)；4 鉛是重金屬，存在污染。鉛酸蓄電池使用時(shí)，把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的過程叫放電。在實(shí)用后，借助于直流電在電池內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反映，把電池變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)蓄起來，這種蓄電池過程稱作充電。鉛酸蓄電池是酸性蓄電池，其化學(xué)反應(yīng)式為：充電時(shí)，把鉛板分別和直流電源的正、負(fù)極相連，進(jìn)行充放電電解，還原反應(yīng)式為陽(yáng)極的氧化反應(yīng)為充電時(shí)總反映為放電時(shí)蓄電池陰極的氧化反應(yīng)為陽(yáng)極的還原反應(yīng)為放電時(shí)總反映為蓄電池充電的時(shí)候，隨著電池端電壓的升高，水開始被電解，當(dāng)電池電壓達(dá)到約2.39V/單體時(shí)，水的電解不可被忽略。水電解時(shí)陽(yáng)極和陰極的化學(xué)反應(yīng)式為陽(yáng)極給出的電子，陰極得到電子，從而形成了回路電流。端電壓越

10、高，水的電解也越激烈，此時(shí)沖入的大部分電荷參加水電解，形成活性物質(zhì)很少。鎳氫電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型電池。它的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負(fù)極活性物質(zhì)主要有儲(chǔ)氫合金支撐，是一種堿性蓄電池。鎳氫電池主要由正極、負(fù)極、極板、隔板、電解液等組成。如圖2.3所示。鎳氫電池正極是活性物質(zhì)氫氧化鎳，負(fù)極是儲(chǔ)氫合金，用氫氧化鉀作為電解質(zhì)，在正負(fù)極之間有隔膜，共同組成鎳氫單體電池。在金屬鉑的催化作用下，完成充電和放電的可逆反應(yīng)。鎳氫電池的極板有發(fā)泡體和燒結(jié)體兩種，發(fā)泡體極板的鎳氫電池在出廠前必須進(jìn)行預(yù)充電，且放電電壓不能低于0.9V，工作電壓也不太穩(wěn)定，特別是在存放一段時(shí)間后，會(huì)有近20%的電荷

11、流失，老化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，為避免發(fā)泡鎳氫電池老化所造成的內(nèi)阻的增高，鎳氫電池在出廠錢必須進(jìn)行預(yù)充電。經(jīng)過改進(jìn)的燒結(jié)體極板的鎳氫電池，其燒結(jié)體基本本身就是活性物質(zhì)，不需要進(jìn)行活性處理，也不需要進(jìn)行預(yù)充電，電壓平衡，穩(wěn)定，遇有低溫放電性能好、不易老化和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。圖2.3 鎳氫電池的基本結(jié)構(gòu)鎳氫電池具有無污染、高比能、大功率、快速充放電、耐用性等許多優(yōu)點(diǎn)。與鉛酸蓄電池相比，鎳氫電池除具有比能量高、質(zhì)量輕、體積小、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)以外，還有一下特點(diǎn)。1.比功率高，目前能達(dá)到1350W/kg；2.循環(huán)次數(shù)多；3.無污染，為21世紀(jì)“綠色環(huán)保電池”；4.耐過充過放；5.無記憶效應(yīng)；6.使用溫度范圍寬。正

12、常溫度范圍-30C-55C；7.安全可靠。短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力、跌落、加熱、耐震動(dòng)等安全性，可靠性試驗(yàn)無爆炸、燃燒現(xiàn)象。鎳氫電池是將物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置。鎳氫電池有鎳氫化合物正電極、儲(chǔ)氫合金負(fù)電極、以及堿性電解液組成。密封一次鎳氫電池的性能特點(diǎn)主要取決于本身體系的電極反應(yīng)。如圖2.4所示。圖2.4 鎳氫電池充放電原理充電時(shí)正、負(fù)極的化學(xué)反應(yīng)為放電時(shí)正、負(fù)極的化學(xué)反應(yīng)為當(dāng)鎳氫電池以標(biāo)準(zhǔn)電流放電時(shí)，平均工作電壓為1.2V。當(dāng)電池以8C率放電時(shí)，端電壓將至1.1V時(shí)，則認(rèn)為放電完成。電壓1.1V稱為8C率放電時(shí)的放電終止電壓（0.6-0.8V）。鋰離子電池是1

13、990年有日本索尼公司首先推向市場(chǎng)的新型高能蓄電池，是目前世界最新一代的充電電池。1. 正極正極物質(zhì)在錳酸鋰離子電池以錳酸鋰為主要原料，在磷酸鐵離子電池中以磷酸鐵鋰為主要原料，在鈷鎳鋰離子電池中以鈷鎳鋰為主要材料。在正極活性物質(zhì)中再加入導(dǎo)電劑、樹脂黏合劑，并涂覆在鋁機(jī)體上，呈細(xì)薄成分布。2. 負(fù)極負(fù)極活性物質(zhì)是有碳材料與黏合劑的混合物再加上有機(jī)溶劑調(diào)和制成糊狀，并涂覆在銅基上，呈薄層狀分布。3. 隔板隔板的工程是關(guān)閉或阻斷通道的作用，一般使用聚乙烯活聚丙烯材料的微多孔膜。所謂關(guān)閉或阻斷功能是電池出現(xiàn)一場(chǎng)溫度上升，阻塞或阻斷作為離子通道的細(xì)孔，使蓄電池停止充放電反應(yīng)。隔板可以有效防止因外部短路等

14、引起的過大電流而使電池產(chǎn)生異常發(fā)熱現(xiàn)象。這種現(xiàn)象即使產(chǎn)生一次，電池就不能正常使用。4. 電解液 電解液是以混合溶劑為主體的有機(jī)電解液。為了使主要電解質(zhì)成分的鋰鹽溶解，必須具有高電容率，并且具有與鋰離子相容性好的溶劑，即不阻礙離子移動(dòng)的低粘度的有機(jī)溶液為宜，而且在鋰離子蓄電池的工作溫度范圍內(nèi)，必須呈液體狀態(tài)，凝固點(diǎn)低，沸點(diǎn)高。電解液對(duì)于活性物質(zhì)具有化學(xué)穩(wěn)定性，必須良好適應(yīng)充放電反應(yīng)過程中發(fā)生的劇烈的氧化還原反應(yīng)。又由于使用單一溶劑很難滿足上述嚴(yán)酷條件，因此電解液一般混合不同性質(zhì)的幾種溶劑使用。5. 安全閥為了保證鋰離子電池的適應(yīng)安全性，一般通過對(duì)外部電路的控制或者在蓄電池內(nèi)部設(shè)有異常電流切斷的安

15、全裝置。即使這樣，在使用過程中也有可能其他原因引起蓄電池內(nèi)阻一場(chǎng)上升，這樣，安全閥釋放氣體，以防止蓄電池破裂。安全閥實(shí)際上是一次性非修復(fù)式的破裂膜，一旦進(jìn)入工作狀態(tài)，保護(hù)蓄電池使其工作，因此是蓄電池的最后保護(hù)手段。圖2.5 鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu) 1.工作電壓高。鋰離子電池工作電壓為3.6V。 2.比能量高。鋰離子電池比能量已達(dá)到150Wh/kg。 3.循環(huán)壽命長(zhǎng)。目前鋰離子電池循環(huán)壽命已經(jīng)達(dá)到1000次以上。 4.自放電率低。 5.無記憶性。可以根據(jù)要求隨時(shí)充放電，而不會(huì)降低電池性能。 6.對(duì)環(huán)境無污染。鋰離子電池中不存在有害物質(zhì)，是名副其實(shí)的“綠色電池”。 7.能夠制造成任意形狀。 鋰離子也

16、存在一些不足，主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面： 1.成本高。 2.必須有特殊的保護(hù)電路，以防止過充。鋰離子電池正極材料采用鋰化合物，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物，電解液為有機(jī)溶液。圖2.6所示為鋰離子電池的工作原理，電池在充電時(shí)，鋰離子從正極材料的晶格中脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到負(fù)極中；放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到正極材料晶格中。在整個(gè)充放電過程中，鋰離子往返于正負(fù)極之間。 正、負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)為 由于鋰離子電池只涉及鋰離子而不涉及金屬鋰的充放電過程，從根本上解決了由于鋰枝晶的產(chǎn)生而帶來的電池循環(huán)性和安全性的問題圖2.6 鋰離子電池充放電原理 目前市面上還有很多類型的電池

17、。例如：燃料電池，太陽(yáng)能電池，飛輪電池，超級(jí)電容器等。由于篇幅的限制，在此不再詳細(xì)的介紹。電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其性能的好壞直接影響電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，特別是影響電動(dòng)汽車的最高車速、加速性能及爬坡性能等，因此，在開發(fā)電動(dòng)汽車之前初步確定電動(dòng)機(jī)類型及其參數(shù)而對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選擇是至關(guān)重要的。直流電動(dòng)機(jī)就是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)，是電動(dòng)機(jī)的主要類型之一。主要分為他勵(lì)式、并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式4種類型。直流電動(dòng)機(jī)由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙，如圖3.1所示。1. 定子部分。直流電動(dòng)機(jī)釘子主要是由主磁極、機(jī)座、換向極和電刷裝置等組成。1）主磁極。主磁極的

18、作用是建立主磁場(chǎng)，由他主機(jī)鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成。主極鐵心一般由1-1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成，是主磁路的一部分。勵(lì)磁繞組用扁銅線或圓銅線繞制而成，產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。2）機(jī)座。機(jī)座用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。3）換向極。換向極的作用是改善直流電動(dòng)的換向性能，是直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生有害的火花。它由換向極體心和套裝在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成。4）電刷裝置。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、匯流排等組成，用于電樞電路的引入或引出。2.轉(zhuǎn)子部分。轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。1）電樞鐵心。電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組

19、的支撐部分。電樞繞組嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。電樞鐵心一般用0.55mm硅鋼沖片疊壓而成。2）電樞繞組。電樞繞組由扁銅線或圓銅線按一定規(guī)律繞制而成，它是直流電動(dòng)機(jī)的電路部分，也是產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部分。3）換向器。換向器由冷拉梯形銅排和絕緣材料等構(gòu)成，用于電樞電流的換向。圖3.1 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)3.1.2 直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)1.調(diào)速性能好。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。2.啟動(dòng)力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，因此，凡事在重負(fù)載下啟動(dòng)或要求均勻調(diào)解轉(zhuǎn)速的機(jī)械，例如大型可逆軋鋼機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、電力機(jī)車、電車等，都可用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。3.

20、控制比較簡(jiǎn)單。一般用斬波器控制，它具有高效率、控制靈活、重量輕、體積小、響應(yīng)快等有點(diǎn)。4.有易損件。由于存在電刷、換向器等易磨損器件，所以必須進(jìn)行定期維護(hù)或更換。圖3.2所示為直流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖。圖中，定子有一對(duì)N、S極，電樞繞組的末端分別接到兩個(gè)換向片上，正、負(fù)電刷A和B分別與兩個(gè)換向片接觸。如果給兩個(gè)電刷加上直流電源，如圖所示，有直流電從電刷流入，經(jīng)過線圈，從另一電刷中流出。根據(jù)磁力定律，兩端導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果第一個(gè)電刷與另一個(gè)換向片接觸，電流流動(dòng)方向與原來相反，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。外加的直流電源是直流

21、的，但由于和電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向確卻是不變的。圖3.2 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖無刷直流電動(dòng)機(jī)是用電子換向裝置代替了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，保留了有刷直流電動(dòng)機(jī)寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，克服了有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向帶來的一系列的缺點(diǎn)，體積小，重量輕，可做成各種形狀，高效率，高轉(zhuǎn)矩，高精度，數(shù)字式控制，是最理想的電動(dòng)機(jī)之一，在電動(dòng)汽車上有著光放的應(yīng)用前景。無刷直流電動(dòng)主要由電動(dòng)機(jī)本體，電子換相器和轉(zhuǎn)子位置傳感器3部分組成。如圖3.3.所示。1.電動(dòng)機(jī)本體。無刷直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)本體有定子和轉(zhuǎn)子組成。定子是電動(dòng)機(jī)本體的靜止部分，它由導(dǎo)磁的定子鐵

22、心、導(dǎo)電的點(diǎn)數(shù)繞組及固定鐵心和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成，如機(jī)殼、絕緣片、槽、引出線以及環(huán)氧化脂等。轉(zhuǎn)子是電動(dòng)本體的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，是產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)的部件，由永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零部件組成。2.電子換相器。電子換相器由功率開關(guān)和位置信號(hào)處理電路構(gòu)成，主要用來控制定子各繞組通電的順序和時(shí)間。無刷直流電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是自控同步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，因此，應(yīng)按一定順序給定子各相繞組輪流停電，使產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的三相繞組中通過的電流是120度電角度的方波，繞組在持續(xù)通過恒定電流的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)在空間是靜止不動(dòng)的。而在開關(guān)換相期間，隨著電流從一相轉(zhuǎn)移到另一相，

23、定子磁場(chǎng)隨之跳躍了一個(gè)電角度。而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)則隨著轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這兩個(gè)磁場(chǎng)的瞬時(shí)速度不同，但是平均速度相等，因此能保持“同步”。 3.位置傳感器。位置傳感器在無刷直流電動(dòng)機(jī)中起到檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為功率就愛管電路提供正確的的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)位置信號(hào)處理電路處理后控制定子繞組換相。由于功率開關(guān)的導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而位置傳感器與功率開關(guān)一起，起著與傳統(tǒng)有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向器和電刷相類似的作用。位置傳感器的種類比較多，可分為電磁式位置傳感器、光電式位移傳感器、磁敏式位置傳感器等。1.外特性好，非常符合電動(dòng)汽車的負(fù)載特性，尤其是具有低速大轉(zhuǎn)矩特性，能夠提供

24、大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，滿足電動(dòng)汽車的加速要求。 2.可以高、中、低寬速度范圍內(nèi)運(yùn)行，而有刷電動(dòng)機(jī)由于受機(jī)械換向的影響，只能在中低速下運(yùn)行；而有刷電動(dòng)機(jī)由于受機(jī)械換向的影響，只能在中低速下運(yùn)行。3.效率高，尤其是在輕載車況下，仍能保持高效的效率，這對(duì)保存珍貴的電池能量是很重要的。4.過載能力強(qiáng)，比Y系列電動(dòng)機(jī)可提高過載能力兩倍以上。5.再生制動(dòng)效果好，因無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子具有很高的永久磁場(chǎng)，在汽車下坡或制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)可完全進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)，給電池充電，同時(shí)起到電制動(dòng)作用，減輕機(jī)械制動(dòng)負(fù)擔(dān)。6.體積小、重量輕、比功率大?？捎行p輕重量、節(jié)省空間。7.無機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，防止塵土進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，可靠

25、性高。8.控制系統(tǒng)比一步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)本身比交流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，控制器比有刷直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜。無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理和有刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理基本相同。它是利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)控制電子換向線路去驅(qū)動(dòng)逆變器的功率開關(guān)器件，使電樞繞組一次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置傳感器又不斷送出位置信號(hào)，不斷地改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下的導(dǎo)體中的電流方向保持不變，這樣電動(dòng)機(jī)就旋轉(zhuǎn)起來了。圖3.4所示為無刷直流電動(dòng)極的工作原理圖。圖3.4 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理異步電動(dòng)機(jī)又稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞

26、組感應(yīng)電流形相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)主要由靜止的定子和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間存在氣隙，此外，還有端蓋、軸承、機(jī)座和風(fēng)扇等部件。如圖3.5所示。1. 定子。異步電動(dòng)機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座構(gòu)成。1）定子鐵心。定子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。定子鐵心一般由0.35=0.5mm厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用來嵌放定子繞組。2）定子繞組。定子繞組是電動(dòng)機(jī)的電路部分，通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。3）機(jī)座。機(jī)座主要用于固定定子鐵心與前后蓋，以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護(hù)、

27、散熱等作用。2.轉(zhuǎn)子。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。1）轉(zhuǎn)子鐵心。轉(zhuǎn)子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，并在鐵心槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組。2）轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組是轉(zhuǎn)子的電路部分，它的作用是切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。3）轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸用于固定和支撐轉(zhuǎn)子鐵心，并輸出機(jī)械功率。轉(zhuǎn)軸一般使用中碳鋼制成。3氣隙。異步電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間有一小的間隙，稱為電動(dòng)機(jī)氣隙。氣隙的大小對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能有很大的影響。中小異步電動(dòng)機(jī)的氣隙一般為0.2mm-2mm；功率越大，轉(zhuǎn)速越高，氣隙尺寸越大。1、固有機(jī)械特性：它上面有4個(gè)特殊點(diǎn)。1）電動(dòng)機(jī)在沒有任何負(fù)載情況下的空轉(zhuǎn)，

28、此時(shí)轉(zhuǎn)速最大，此點(diǎn)即電動(dòng)機(jī)的理想空載點(diǎn)。2）電動(dòng)機(jī)在有負(fù)載情況下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)為電動(dòng)機(jī)的額定工作點(diǎn)。3）電動(dòng)機(jī)在剛啟動(dòng)的時(shí)刻，即沒有轉(zhuǎn)起來，所克服轉(zhuǎn)子自重時(shí)轉(zhuǎn)矩的時(shí)候，此點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)工作點(diǎn)。4）電動(dòng)機(jī)在拖動(dòng)負(fù)載最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，速度也比較適中時(shí)，此點(diǎn)位電動(dòng)機(jī)的臨界工作點(diǎn)。在此時(shí)電壓如果過低或有巨大沖擊負(fù)載，就會(huì)造成電動(dòng)機(jī)停機(jī)。2、人為機(jī)械特性1）電壓降低電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，如電壓降低太多，會(huì)大大降低它的過載能力與啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，甚至是電動(dòng)機(jī)發(fā)生帶不動(dòng)負(fù)載或者根本不能啟動(dòng)的現(xiàn)象。此外就是啟動(dòng)后電機(jī)也會(huì)被燒壞。2）定子電路接入電阻，此時(shí)最大轉(zhuǎn)矩要比原來的大；轉(zhuǎn)子電路串電阻或改變定子電源頻率，此時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要增

29、大，最大轉(zhuǎn)矩不變。圖3.6為異步電動(dòng)機(jī)工作原理圖。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組通入三相交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向由右手定則來判定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合同路，轉(zhuǎn)子中便有電流產(chǎn)生，電流方向與電動(dòng)勢(shì)方向相同，而載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中涌下將產(chǎn)生電磁力，電磁力的方向可用左手定則來判定。有電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)想象相同。圖3.6 異步電動(dòng)機(jī)工作原理圖由于電動(dòng)控制系統(tǒng)為整體，故在此將電動(dòng)汽車整體的控制器在此進(jìn)行敘述。純電動(dòng)汽車控制器相當(dāng)于汽車的大腦，它在汽車行駛過程中執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，包括以

30、下功能。1）接收、處理駕駛員的駕駛操作指令，并向各個(gè)部件控制器發(fā)送控制指令，使車輛按駕駛員期望行駛。2）整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、燃料電池、蓄電池、DC DC轉(zhuǎn)換器等部件組成。與電機(jī)、DC DC、鎳氫蓄電池組等進(jìn)行可靠通信，以及針對(duì)關(guān)鍵信息的模擬量進(jìn)行狀態(tài)的采集輸入及控制指令量的輸出。3）控制器提供對(duì)相應(yīng)部件進(jìn)行直接控制的信號(hào)通道，包括D A轉(zhuǎn)換和數(shù)字量輸出等。4）接收處理各個(gè)零部件信息，結(jié)合能源管理單元提供當(dāng)前的能源狀況信息。為保證駕駛員的安全操作和對(duì)汽車控制的可視化，采用了外接液晶顯示器以及觸摸屏的方式來顯示一些重要的信號(hào)量，因此選用了一個(gè)串行通信口（UART）。5）系統(tǒng)故障的判斷和存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)信息，記錄出現(xiàn)的故障。6）對(duì)整車具有保護(hù)功能，視故障的類別對(duì)整車進(jìn)行分級(jí)保護(hù)，緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機(jī)及切斷母線高壓系統(tǒng)。1豐田公司控制器豐田公司控制器的原理圖如圖所示。該車是后輪驅(qū)動(dòng)，左后輪和右后輪分別由2個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其控制器接收駕駛員的操作信號(hào)和汽車的運(yùn)動(dòng)傳感器信號(hào)，其中駕駛員的操作信號(hào)包括加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、換檔位置信號(hào)和轉(zhuǎn)向角度信號(hào)，汽車的