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电动汽车的研制和技术状况分析

一、电动汽车关键技术发展综述
 

纯电动汽车的最大瓶颈是电池。电动汽车对电池的要求比较高,高比能、高比功率、快速充电和具有深度放电功能、循环和使用寿命长。铅酸电池作为比较成熟的技术,虽然其比能量、比功率和能量密度都比较低,但是高的性价比及高倍率放电,成为目前唯一能大批量生成的电动汽车用电池。镍镉电池和镍氢电池虽然性能好于铅酸电池,但是其性价比不高,含重金属,用完遗弃后对环境会造成严重污染。
 
目前,越来越多的研究人员选用锂离子电池作为电动汽车的动力电池,因为锂离子动力电池有以下优点:工作电压高(是镍镉电池氢-镍电池的3倍);比能量大(可达165WH/㎏,是氢镍电池的3倍);体积小;质量轻;循环寿命长;自放电率低;无记忆效应;无污染等。如果采用锂离子电池,电动汽车成本难以降低。磷酸铁锂电池也是一种锂电池,其比能量不到钴酸锂电池的一半,但是其安全性高,循环次数能达到2000次,放电稳定,价格便宜,成为车用动力新的选择。
 
比亚迪提出的“铁电池”由于官方没有透露确切消息,业界人士认为其为磷酸铁锂电池的可能性较大,高铁电池的可能性较小。高铁电池就是以高价铁盐阴极材料如:高铁酸钡、高铁酸钾构成的水系电化学电池体系。首次提出高铁酸盐作正极材料的是以色列科学家,但是高铁电池稳定性及安全性很差,应用研究进展非常缓慢,目前还处于初步研究阶段。
 
纯电动汽车其实是个能下金蛋的母鸡,它不仅对电池技术起到促进作用,还带动其他一些新技术的发展,比如电机系统、驱动系统、能源管理系统等等。
 
电动车辆的驱动电机属于特种电机,是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能,驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速,足够大的启动扭矩,体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。目前电动汽车所采用的电动机中,直流电动机基本上已被交流电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。电动汽车所用的电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。
 
除了单电机驱动电动汽车外,电动汽车可以实现四轮驱动,它为每个轮都分配轮毂电机。四轮驱动的电动汽车可省略内燃机汽车所需的机械式操纵换挡装置、离合器、自动变速器、传动轴和机械差速器等,因而其驱动系统和整车结构布置十分简洁,传动效率高。
 
借助高度发达的现代计算机控制技术,直接控制车轮转速,可实现各电动轮的电子差速和驱动防滑,提高行驶与操纵稳定性。通过合理分配各电动轮的驱动力,可提高加速极限性能及恶劣路面条件下的行驶性能。
 
汽车瞬时多变的运行工况需要对电机及电池进行正确控制。控制系统应该结构简单、响应迅速、抗干扰能力强,参数变化具有鲁棒性。控制系统还应该拥有制动能量回收功能,以提高续航里程。制动能量回收系统由超级电容或飞轮及其控制器组成,利用超级电容或飞轮吸收再生制动能量,具有非常突出的优点。
 
当车辆制动时,电机工作于发电机工况,将一部分动能或重力势能转化为电能储存在超级电容或飞轮中,由于超级电容或飞轮的功率密度大,可以更快速、高效地吸收电机回馈能量。在车辆起动和加速时,利用双向DC/DC将存储的能量释放出来,协助电池向电机供电,不但增加了电动汽车一次充电的行驶里程,而且避免了蓄电池的大电流放电,达到了节约能源、降低刹车片磨损和提高蓄电池寿命的目的。
 
二、电力驱动及其控制技术
 



目前正在应用或开发的电动车电动机主要有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机四类。
 
1、直流驱动系统
 
直流电动机结构简单,具有优良的电磁转矩控制特性,所以直到20世纪80年代中期,它仍是国内外的主要研发对象。而且,目前国内用于电动车的绝大多数是直流驱动系统。
 
但普通直流电动机的机械换向结构易产生电火花,不宜在多尘、潮湿、易燃易爆环境中使用,其换向器维护困难,很难向大容量、高速度发展。此外,电火花产生的电磁干扰,对高度电子化的电动汽车来说将是致命的。此外,直流电动机价格高、体积和重量大。随着控制理论和电力电子技术的发展,直流驱动系统与其它驱动系统相比,已大大处于劣势。因此,目前国外各大公司研制的电动车电气驱动系统已逐渐淘汰了直流驱动系统。
 
2、感应电动机驱动系统
 
电动车感应电动机与一般感应电动机相比较具有以下特征:
 
(1)稳定运行时,与一般感应电动机工况相似。
 
(2)驱动电动机没有一般感应电动机的起动过程,转差率小,转子上的集肤效应不明显。
 
(3)运行频率不是50Hz,而是远远在此之上。
 
(4)采用变频调速方式时,转速与极数之间没有严格对应关系。
 
3、感应电动机控制技术
 
应用于感应电动机的变频控制技术主要有三种:V/F控制、转差频率控制、矢量控制。20世纪90年代以前主要以PWM方式实现V/F控制和转差频率控制,但这两种控制技术因转速控制范围小,转矩特性不理想,而对于需频繁起动、加减速的电动车不太适宜。近几年来,研制的电动车感应电动机几乎都采用矢量控制技术。矢量控制按其侧重点不同,主要有两种控制策略:提高驱动系统效率的最大效率控制与简化系统、降低成本的无速度传感器矢量控制。
 
最大效率控制技术是通过使励磁电流Io随电动机参数和负载条件而变化来实现在任何负载条件下都使电动机的损耗最小,效率最大的目标。
 
矢量控制离不开速度的控制,而无速度传感器是利用电动机电压、电流和电动机参数来估算出速度,从而无需一般矢量控制中的速度传感器,达到简化系统、降低成本、提高可*性的目的。
 
4、永磁无刷电动机驱动系统
 
1)永磁无刷电动机
 
永磁无刷电动机系统可以分为两类,一类是方波驱动的无刷直流电动机系统(BDCM),另一类是永磁同步电动机系统(PMSM),也称之为正弦波驱动的无刷直流电动机系统。BDCM系统不需要绝对位置传感器,一般采用霍尔元件或增量式码盘,也可以通过检测反电动势波形换相。PMSM系统一般需要绝对式码盘或旋转变压器等转子位置传感器。从磁铁所处不同位置的结构上看,永磁无刷电动机可以分成表面型、镶嵌型、深埋式等结构型式,在电动汽车中也有采用盘式结构或外转子结构的。
 
深埋式永磁同步电动机因其有高的功率密度、有效的弱磁控制及方便的最大效率控制而在电动车应用领域倍受青睐,是当前电动车电动机研发的热点。
 
2)深埋式永磁同步电动机的控制技术
 
与一般电动机的控制系统多为速度控制系统或位置控制系统不同,电动车是由加速器与控制器共同决定的转矩指令来控制电机。因为转矩由电流决定,所以实际上构成了一个电流控制系统,该系统不仅考虑了电动机的特性,还考虑了电动机的控制方法及使用方法,结构紧凑、性能稳定,是目前电动车的优选驱动系统。
 
5、开关磁阻电动机驱动系统
 
1)开关磁阻电动机
 
目前,开关磁阻电动机(SRM)已投入实际使用,法国F1AT公司研制的电动车和中国第二汽车制造厂研制的电动客车都曾采用了开关磁阻电动机。SRM是没有任何形式的转子导体和永久磁铁的无刷电动机,它的定子磁极和转子磁极都是凸的。由于SRM具有集中的定子绕组和脉冲电流,其功率变换器可以采用更可*的电路拓扑形式。SRM具有简单可*、在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点。但SRM有转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性特性等缺点,所以,目前应用还受到限制。针对传统SRM的缺点,研制了永磁式开关磁阻电动机驱动系统(PMSRD),通过高性能永磁钢的引入,克服了传统SRM存在的换流相对较慢、能量利用率较低的缺点,增加了电机的比功率密度。
 
2)开关磁阻电动机控制技术
 
由于SRM系统具有明显的非线性特性,系统难于建模,一般的线性控制方式不适于SRM系统。目前主要利用模糊逻辑控制、神经网络控制等。香港大学开发的模糊滑模控制具有减少控制振荡等优点,是SRM系统控制研究的一个新的突破。
 
20世纪80年代以来,随着电力电子技术的发展,交流电动机折控制变得比较容易了。为此,电动车的电气驱动系统从直流电动机转向交流电动机,特别是感应电动机具有结构紧凑、可*性高、成本低的优点,对于电动车来说是特别可贵的。
 
在控制器件方面,应用新一代功率电子器件,可使变频器有更高的功率密度和效率,结构也更牢固,更适于电动车所用。
 
在控制策略方面,变结构控制、模糊控制、神经网络控制以及专家系统等新的控制方法正逐渐应用于电动车驱动系统中,并取得越来越好的效果。
 

三、电动汽车整车技术
 
电动汽车是高科技综合性产品,除电池、电动机外,车体本身也包含很多高新技术。采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料,优化结构,可使汽车自身质量减轻30%"50%;实现制动、下坡和怠速时的能量回收;采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎,可使汽车的滚动阻力减少50%;汽车车身特别是汽车底部流线型化,可使汽车的空气阻力减少50%。
 
四、能量管理技术
蓄电池是电动汽车的储能动力源。电动汽车要获得非常好的动力特性,必须具有比能量高、使用寿命长、比功率大的蓄电池作为动力源。因此必须对蓄电池进行系统管理。
 
能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车,除了有良好的机械性能、电驱动性能、适当的能量源(即电池)外,还应该有一套维持电动车所有蓄电池组件的工作,并使其处于最佳状态;采集车辆的各个子系统的运行数据,进行监控和诊断;控制充电方式和提供剩余能量显示等职责的能量管理系统。能量管理系统研究与开发不仅要建立包括蓄电池在内的电动车的数学模型而且要开发以微处理器为核心的电子控制单元。


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