純電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)改造的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇

純電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)改造的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇

現(xiàn)在，汽車(chē)能源和污染問(wèn)題越來(lái)越受到重視。純電動(dòng)汽車(chē)是一種很有發(fā)展前景的新能源汽車(chē)。若重新設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē),研發(fā)成本高,如用現(xiàn)有汽車(chē)底盤(pán)改裝,也是很好的一種方案。本文將GMC-SONOMA皮卡車(chē)底盤(pán)改為電動(dòng)驅(qū)動(dòng),取得了一定效果,證明其可行、有效。1電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將原有汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、離合器、變速箱及附屬件、儀表板拆除,保留底盤(pán)其它部分。為減輕車(chē)重,將車(chē)殼去掉,改敞蓬。電動(dòng)汽車(chē)總體布置如下圖所示:改裝的汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)以電控單元為控制核心,選蓄電池為電源,電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力,經(jīng)減速器減速增扭,通過(guò)萬(wàn)向傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞到后輪驅(qū)動(dòng)橋,產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。因此,選電動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng)是關(guān)鍵。2電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的選擇2.1低轉(zhuǎn)速汽車(chē)在恒功率區(qū)運(yùn)行的性能(1)應(yīng)具有瞬時(shí)功率大,過(guò)載能力強(qiáng)(過(guò)載系數(shù)3~4),加速性好,壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。(2)有較寬的調(diào)速范圍。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū),要求低速運(yùn)行時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩,以滿足起動(dòng)和爬坡的要求;在恒功率區(qū),要求低轉(zhuǎn)矩時(shí)有較高轉(zhuǎn)速,以滿足汽車(chē)在平坦路面高速行駛的要求。(3)汽車(chē)減速時(shí)能實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng),將能量回收并反饋回蓄電池,使電動(dòng)汽車(chē)有最佳能量的利用率。(4)在運(yùn)行過(guò)程中,具有高效率,以提高單次充電的行駛里程。(5)有過(guò)載保護(hù)功能。另外,還要求電動(dòng)汽車(chē)用電動(dòng)機(jī)可靠性好,能在較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適應(yīng)批量生產(chǎn),運(yùn)行噪聲低,使用維修方便,價(jià)格便宜等特點(diǎn)。2.2電動(dòng)汽車(chē)的類型和控制方法2.2.1電刷和機(jī)械換向器有刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟,有交流電機(jī)不可比擬的控制特性。但電刷和機(jī)械換向器,限制了其過(guò)載能力與轉(zhuǎn)速的再提升。如長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,要經(jīng)常維護(hù),更換電刷和換向器。另外,由于損耗主要存在轉(zhuǎn)子上,散熱難,限制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比的進(jìn)一步提高。鑒于以上缺陷,新研制的電動(dòng)汽車(chē)上已不采用。2.2.2交流相互影響的電路設(shè)計(jì)交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用較廣,無(wú)相互接觸的滑環(huán)、換向器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠、耐用,功率范圍廣,轉(zhuǎn)速可達(dá)12000~15000r/min。它可采用空氣冷卻或液體冷卻,環(huán)境適應(yīng)性好,能實(shí)現(xiàn)再生反饋制動(dòng),與同功率的直流電動(dòng)機(jī)相比,效率高,質(zhì)量輕,價(jià)格便宜,維修方便。但它不能直接用蓄電池供電,還有非線性輸出特性。因此,若電動(dòng)車(chē)用它驅(qū)動(dòng),需用逆變器中的功率半導(dǎo)體器件,將直流電變?yōu)轭l率和幅值都可調(diào)的交流電來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。其耗電量也較大,轉(zhuǎn)子易發(fā)熱,在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要保證冷卻,否則會(huì)損壞電機(jī)。交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)低,使得變頻變壓裝置的輸入功率因數(shù)也較低,因此需采用大容量的變頻變壓裝置。其控制系統(tǒng)造價(jià)遠(yuǎn)高于電動(dòng)機(jī)本身造價(jià),增加了電動(dòng)汽車(chē)的成本,另外其調(diào)速性也較差。2.2.3機(jī)械換向轉(zhuǎn)速(1)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本性能。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種高性能的電動(dòng)機(jī)。其最大特點(diǎn)是有直流電動(dòng)機(jī)的外特性而沒(méi)有電刷滑環(huán)、換向器組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu),采用永磁體轉(zhuǎn)子,無(wú)勵(lì)磁損耗。電樞繞組裝在外面定子上,散熱容易,因此,永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)換向火花和無(wú)線電干擾,壽命長(zhǎng),運(yùn)行可靠,維修簡(jiǎn)便。由于其轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制,若采用空氣軸承或磁懸浮軸承,轉(zhuǎn)速每分鐘可達(dá)數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)有更高的能量密度和效率,在電動(dòng)汽車(chē)中有很好的應(yīng)用前景。(2)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。典型的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是一種準(zhǔn)解耦矢量控制系統(tǒng),由于永磁體只產(chǎn)生固定幅值磁場(chǎng),因而永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)非常適合運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū),一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法完成。若進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速,也可采用弱磁控制。(3)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的不足。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)受永磁材料工藝的影響和限制,功率范圍較小,最大僅幾十千瓦。永磁材料在受振動(dòng)、高溫和過(guò)載電流作用時(shí),導(dǎo)磁性可能會(huì)下降或發(fā)生退磁,將降低其性能、甚至損壞電動(dòng)機(jī),所以在使用中要保證其不發(fā)生過(guò)載。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在恒功率模式下,控制系統(tǒng)較復(fù)雜,這使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造價(jià)較高。2.2.4電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選用及工況這是一種新型電動(dòng)機(jī),結(jié)構(gòu)比其它電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)子上無(wú)滑環(huán)、繞組和永磁體等,只在定子上有簡(jiǎn)單的集中繞組。繞組端部較短,無(wú)相間跨接線,維修容易,可靠性好。轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min,效率為85%~93%,比交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)高,易冷卻,調(diào)速范圍寬,控制靈活。易實(shí)現(xiàn)各特殊要求的轉(zhuǎn)矩、速度特性,能在較大的速度范圍內(nèi)保持高效率。但它有較高的非線性特性,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜,一般由功率變換器、控制器、位置檢測(cè)器組成。由于為雙凸極結(jié)構(gòu),存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng),所以噪聲較大。另外,因其輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大,功率變換器的直流電流波動(dòng)也大,所以在直流母線上需裝一很大的濾波電容。經(jīng)比較,采用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)作為改裝的動(dòng)力系統(tǒng)較合適。由于改裝用于研究與教學(xué)使用,車(chē)速無(wú)特別要求。設(shè)計(jì)時(shí)速為最高45公里/小時(shí),電機(jī)的額定功率,公式為:其中m為車(chē)重,約1000kg;f為滾動(dòng)摩擦系數(shù),取0.03;CD風(fēng)阻系數(shù),取0.4;A迎風(fēng)面積,取2m;Vmax最高設(shè)計(jì)時(shí)速,取45km/h;ηT為傳動(dòng)效率,取0.9;經(jīng)計(jì)算約為5kW。設(shè)計(jì)常規(guī)時(shí)速為30公里/小時(shí),可確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,公式為:ig為傳動(dòng)比,取3;i0為主減速比,取3.3;Vn常規(guī)車(chē)速;R為滾動(dòng)半徑,為0.27m;經(jīng)計(jì)算約為2917r/min。所以選額定電壓48伏,額定功率5kW,額定轉(zhuǎn)速為3000r/min的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、再生制動(dòng)、智能換向,過(guò)壓、過(guò)流保護(hù),溫度監(jiān)控等功能。為實(shí)現(xiàn)調(diào)速,將原車(chē)油門(mén)踏板改成電位器調(diào)速踏板。電機(jī)裝在車(chē)中部,通過(guò)減速器與傳動(dòng)軸相連。四塊蓄電池裝在汽車(chē)中后部的地板下,使車(chē)身的載荷分布更均勻