基于电动汽车轮毂电机驱动方案的动力组成部分的探究学位论文.docx
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1、基于混合动力车辆轮毂电机驱动方案动力组成部分的探究摘要本文从电动车辆的纯电动汽车、燃料电池电动汽车、和混合动力电动汽车三种类型,选出混合动力电动汽车作为描述对象,主要对动力传递方式的多种类型中,探讨了最为流行的轮毂电机的直接和间接驱动的结构,分别从电动机、电池组、发电机以及控制系统的四大轮毂电机驱动的组成部分,简单列举了现今的几种形式,最后指出了电动汽车的发展前景以及当前需要解决的问题。关键词:混合动力 轮毂电机 驱动形式 APU一、轮毂电机驱动的概述自汽车诞生以来,其性能不断地优化而成本逐渐地降低,被各个行业广泛应用。据美国关于汽车的杂志 WardsAuto 公布:截至21世纪初期,全球使用
2、的各种汽车,包括卡车、轿车以及公用汽车等的总量超过10亿辆,我国汽车数量的增长速度世界排名第一【1-2】。我国已经成为一个汽车大国,此种情形是我国经济又好又快发展、工业科技发达以及人民生活水平提高的集中的体现。但是汽车工业的快速发展带来的负面影响,如道路堵塞、空气质量下降和能源储备量急剧减少又使汽车行业的快速发展受到质疑。汽车行业的快速发展将会给环境和能源带来了巨大压力,因此,未来的发展必须选择节能环保的电动汽车【3】。早在1832至1839年,燃油的汽车出现以前,采用电力驱动的汽车就已经出现【4】。但是,早期的电动汽车行驶速度慢、行驶里程较短、制造工艺复杂等许多方面的缺点,车辆运用内燃机技术
3、得到广泛发展,使其占据了整个汽车的市场,电动汽车的研究发展停滞不前。近几年来,随着电力电子方面的科学技术的进步,现在的电动汽车的技术比早期电动汽车有了质的飞越,目前的电动汽车主要以蓄电池的电能为源动力,整个车辆全部或一部分用电机驱动,集中了机、电、化等多个科学研究领域的高的科技新的技术的产品,未来的新型汽车都会向着这个方向发展。同时,电动汽车被多个国家和地区的政府和多个大汽车制造厂商视为优先发展的项目。 按目前电动车辆驱动原理分为纯电动汽车、燃料电池电动汽车、和混合动力电动汽车三种类型【5】。以氢为动力原料的燃料电池汽车产物是水,不仅无污染而且缓解水资源短缺是未来汽车的发展的最理想的目标,但现
4、在看来,技术不全面且成本较高,不适用。混合动力电动汽车是现在最常用的一种过渡车型,可以使用内燃机作为动力源,同时又能够用电池、电机来驱动,一些公司已经推出轿车车型并迅速占入市场,得到业内汽车厂商的一致好评。专家人士预测,将占据在未来 50 年左右的市场。各个国家都在寻找各种的方法来改善人民生活环境,降低能源消耗,电动汽车具有节能环保的作用,便应运而生。电动汽车一般使用可再生能源,其能源多元化与高效化,还可以实现极低的排放,甚至理想的零排放。目前,混合动力电动汽车使用众多的驱动系统地形式中,用轮毂电机驱动的轮边减速驱动结构简单、装配容易是现在的发展方向。轮毂电机驱动的轮边减速驱动系统广泛运用于各
5、种交通系统中【6】,例如:电动摩托车车、矿用车辆、轿车等;图1-1 轮毂电机应用领域1 电动汽车的主要驱动方案 目前电动汽车的驱动方案较少,主要有以下三种:1.1 差速驱动方案这种方案与采用内燃机驱动的汽车的传统方式类似,只是把传统的内燃机换成新型的电动机和相关组件,如图1-2所示。此种方案驱动的电动汽车,其操纵方式与传统的汽车类同。调速器接收踏板和路面经过传感器反应出的速度信号来控制电机的输出转速,然后再经过主减速装置,差速装置以及半轴等组成的一套机械传动装置使车轮获得速度。当车辆转向时,汽车两侧的轮子走过的路径是不一样的,但是此方案的布置含有差速器和半轴等机械装置,是可行的。差速驱动的优点
6、是研究时间长,技术十分成熟,安全性和可靠性都比较高,缺点是体积大而笨重,一系列机械装置使得传递效率很低,对能源造成浪费。图1-2 差速驱动方案1.2 电动轮式驱动方案此种方案与传统的传动方式相比最显著地特点是没有了驱动轴上的半轴和差速器,把行星减速机构和电动机制造成为一个部件,叫做电动轮,电动轮被直接安装到车轮上如图1-3所示。此种方案使用电子差速装置,调速器通过接收转向盘输入的转角信号,来控制汽车车轮的速度和行驶的路程。转向盘输入的信号为0时,汽车两侧电驱动轮依同样的速度转动,车辆直线行驶。转角信号为时,电动调速器依据控制两侧电驱动轮,使其有不等的速度。此方案的优点是传动装置的体积和质量减小
7、了很多,效率得到显著提高,缺点是控制系统比较复杂且成本较高,电子差速响应不具有实时性。图1-3 电动轮驱动方案1.3 轮毂电机驱动方案传统车辆被改造成为电动的汽车,驱动电机一般使用轴伸式地电机,用电机附带减速机构或者直接将动力传递给车轮。轮毂电机式的驱动方案,是把电机安装在车辆轮子的轮毂内,输出转矩直接或者间接传递给驱动轮。此种方案的优点是提高了车体空间的利用率,降低了整车重量以及机械传动过程中各种损耗,同时兼有非常灵活的行驶特性。缺陷是轮胎的直径限制了整个驱动系统占用的尺寸,使得电机的功率都不高。目前,为了达到更好的性能和传动效率,轮毂电机一般采用比较贵重的永磁材料。所以,与其他传动方案相比
8、,电机的设计比较困难、车辆的控制系统比较复杂,成本也相应增加。但是目前各国都在大力发展轮毂电机技术,伴随着电子科学技术创新,控制理论的完善对轮毂永磁电机优化设计启动了推动作用。未来的电动车辆的驱动系统的发展,轮毂电机驱动系统有着导向性的作用,本文便是对轮式特种车辆轮毂电机驱动系统的分析及其减速机构的设计。图1-4 轮毂电机驱动方案2 电动汽车轮毂电机驱动系统的现状电动汽车比燃油汽车早出现几十年,但是轮毂电机技术由于受到电动机、电池和控制技术发展相对落后的制约,早期也不太重视环境、能源问题,致使混合动力汽车技术的研发搁置不前。目前,由于环境与能源的危机,各国以及各汽车制造厂商大力研发轮毂驱动系统
9、的电动汽车。2.1 轮毂电机驱动系统的特点轮毂电机驱动系统是一种近期在电动汽车研究领域起导向潮流作用的,能够实现复杂的动力传递方式。与传统内燃机汽车相比,具有显著地优势和一系列特殊特征:(一)对于动力传递的控制型式由硬连接改为软连接,凭借电子电器控制响应理论,不仅可以实现各个驱动轮减速响应的无级变速和转向时的差速,取消了传统结构中的离合器、减速器、差速器、半轴等机械式地传动装置,降低了整车重量和机械传动过程中损耗,提升了汽车空间利用率和效率。(二)各个驱动车轮的输出力矩直接独立控制,响应快捷,电机的正反转实现车辆的前进或者倒退,十分灵活,瞬时动力响应性能较其他更完备,提升轮式车辆适应恶劣路况的
10、行驶能力【7】。(三)更容易实现轮字的制动以及制动能量回馈,对整车能源实行最优控制技术和运筹管理,提高利用率,节省能源。(四)使整车空间布置和车身造型设计更加自由,把传统车架的承载与传递动力的功能分离开来,结构简单,缩短了新型车辆的研究时间,降低成本。另外,轮毂电机驱动技术可以使车辆转向车轮的差速甚至反转来实现特种车辆的差动转向,一般工况下很大程度地减小了车辆转弯的半径,特殊设计的工况下甚至可以原地转向,具有非常实用地价值。2.2 轮毂电机驱动国外的发展现状国际上很多国家和组织很早已经开始了对轮毂电机驱动系统的电动汽车的研发,日本由于起步早,政府投资力度大,发展最快,处于领先位置【8】。20世
11、纪90年代初,与东京电力公司合作率先开发出IZA;20世纪90年代中期,又联合日本国家环境研究所研制出了ECO;21世纪初,又推出了KAZ,该车理想工况下最高时度311km /h,百米加速仅8s。法国也不甘落后,TM4公司推出了整合永磁电机与减速系统一体化的轮毂电机驱动系统,该车减少了传动的机械装置,电机额定功率18.5kw,峰值功率达80kw,传递效率达96%以上【9】。特斯拉已经成型,并且已经上市,目前虽然成本较高,但是是未来发展的趋势,标志着电动汽车即将占领汽车市场。图1-5 轮毂电机驱动结构图2.3 轮毂电机驱动国内的发展现状随着我国经济的快速发展,对能源需求有了一定程度上的变化,面临
12、能源短缺,环境污染的问题。为了合理控制能源消耗,抑制环境污染,近几年来,电动汽车快速发展。 “十五”期间,国家设立了“电动汽车重大科技专项”,确定了“三纵三横”的研发局势。随着“863”项目的有序进行,各大汽车公司和高校也积极响应号召,研发新的产品,比亚迪在北京车展上2004年展出四个轮毂电机独立驱动的ET概念车。哈尔滨工业大学研究所研发了EV96-1型电动汽车,该车选用一种 “多态电动机”的永磁电动机,具有同步和异步电动机的双重特性,散热方式采用风冷。3 轮毂驱动式电动汽车动力的结构形式目前,研发的轮毂电机驱动系统的电动汽车主要有纯电动的和混合动力两种。但是,目前由于纯电动汽车的续航里程短,
13、充电时间长,配套设施不完善等缺陷,使得纯电动汽车的发展遇到了阻碍,为了满足人们生活的便利和兼顾节能环保,混合动力汽车的研究便迅速得到重视和发展。混合动力电动汽车按照动力总成组成分为三种形式:串联式、并联式、混联式混合动力电动汽车【10】,其功能分别如图1-6所示。图1-6 混合动力电动车的分类3.1 串联式串联式混合动力车辆一般把发动机、发电机和电动机三部分的动力总成用串联方式连接起来组成SHEV动力单元系统【11-12】。发动机燃烧燃料产生机械能带动发电机发电,控制装置再把发出的电能输送到汽车的电池或者轮毂里的电动机,直接或者通过减速机构驱动汽车,使车辆行驶。当车辆处于小负荷工况下,电池驱动
14、轮毂电机,轮毂电机驱动车轮,大负荷工况下,发动机带动发电机发电驱动轮毂电机。当电池组缺电时可以由发动机-发电机组总成向电池组供电。串联式结构适用于在城市内频繁起步和低速运行的工况,通过控制装置调整电池和轮毂电机的输出,实现车辆速度的变化。不足之处是能量转换存在损失,机械效率比较低。3.2 并联式并联式是由发动机和轮毂电机共同驱动车辆,发动机与轮毂电机都是车辆的动力源,可以单独或者协同给车辆提供动力。当车辆需要大功率时,轮毂电机和发动机协同作用,同时为车辆提供动力,使其有足够的动力加速或者爬坡;当车辆处于怠速等一系列需要小功率的工况时,单独使用发动机维持所需的动力,多余电能可以为电池组充电【12
15、】。电动机既是一个电动机又是一个发电机,称之为电动-发电机总成。此种形式没有单独作用的发电机,发动机能够直接经过传动机构将动力传递给驱动轮,与传统的驱动系统差别不大,机械效率与传统汽车几乎一样,应用最广泛。3.3 混联式混联的结构形式兼有串联与并联两种形式的特点。根据其助力方式分为两种,一是以发动机为主动力源的,电机为辅助;二是以电机为主动力源的,发电机为辅助。此种形式的优势是控制方便,缺陷是结构比较复杂。4 轮毂电机的驱动方式的对比轮毂电机的驱动方式可以分为两类直接驱动和减速驱动 【13-14】。4.1 直接驱动 直接驱动(图1-7)的轮毂电机多采用外转子式,同时为了满足车辆平顺起步和良好的
16、动力性的要求,所选用的电机还需具有低速大转矩和较宽的调速范围的特性。车辆采用直接驱动是由于其不需要减速机构,结构紧凑,轴向尺寸较小,而且效率比采用减速驱动形式高很多,反应快。缺陷是起步或者爬坡等需要承载大扭矩工况下,需要大电流流动,易损坏电池和电机的永磁体。电机高效率地峰值功率区较小,负载电流超过电机稳定值时效率下降很快,主要适用于大部分工况是平路、负载较轻、代步的汽车【15】。图1-7 直接驱动示意图4.2 减速驱动减速驱动(图1-8)一般采用高速的内转子轮毂电机,减速机构不仅能够使车辆保持良好的动力性,而且起到减速增扭的作用,布置在电机和驱动车轮之间。 车辆采用减速驱动是由于其选用的轮毂电
17、机比功率高和工作在高效率区域内,而且占用空间小、质量轻,通过减速机构以后加大了输出扭矩,使加速性以及动力性能变好。另外,输出转矩比较平稳。缺陷之处是润滑困难使齿轮磨损较快、使用地寿命也比较短、散热性能差、噪音污染等。适用于常在丘陵或山区行驶的工况或者过载能力大的车辆。图1-8 减速驱动示意图二、轮毂电机驱动动力组成部分的探究对于本文所探究的用动力电池组与发动机串联的方式的结构如图2-1所示,其动力系统主要由内燃机及其发电机组、轮毂驱动电机、动力电池组和控制装置组成,各部分在整车电控单元(ECU)控制下合理分配工作。该动力系统由内燃机燃烧燃料驱动发电机发电再把电能传给轮毂电机驱动车轮或者通过电池
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