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1、谈电动汽车的电气系统及其发展电动汽车, 电气, 系统， 发展电气驱动是电动汽车的心脏,为了增加电动汽车的行驶里程，必须开发高功率密度、高效率、高可靠性以及价格合理的电气驱动系统。电气驱动系统是电动汽车的关键部件,对于高性能的电动汽车，电气驱动系统必须效率高、结构紧凑、体积小、重量轻和可靠性高。本文介绍电动汽车技术和产业化正在快速发展，电动汽车电气驱动系统的类型特点，以及电机驱动系统技术趋势。 1.电动汽车技术和产业化正在快速发展 目前继成为全球最大的汽车市场后,中国将有可能在电动汽车领域成为全球最大生产者，国内及跨国汽车制造企业将在这个领域里展开激烈竞争。报载2009年前4个月的销售规模已近3
2、万辆，中国不久后也将成为全球最大的电动汽车市场。中国电动汽车市场具有很大潜力，按现在全球汽车销售规模来说,选择购买电动汽车的消费者可以达150万，其中万将会来自中国。 中国的轻型电动车从基础研究开始,在市场规模的有力推动之下，其自主技术创新经历了一个“爆炸式”的提升阶段。作为轻型电动车技术的后起国家,中国在短短几年走到世界轻型电动车技术的前沿，与之相关的驱动技术、电池技术、控制技术、充电技术、能量回收技术等已经领先于国际水平。一是驱动技术的进步。轻型电动车的驱动方式大约经过了两个阶段,进入200年以后,浙江台州新大洋机电集团有限公司成功推广了他们研制的直槽式大转矩电机，在绿源电动车公司等一批优
3、势整车企业的大力合作推动下，逐渐成熟为具有中国自主知识产权的优秀电机,开始成为轻型电动车的主流电机,具有技术含量高、性能可靠、实用性好等特点。二是电控技术的进步。轻型电动车控制技术发展进程同样经历了两个明显的阶段。第二阶段是以无刷电机的广泛成功应用为标志的。此时,控制器进入了快速发展的阶段,以微处理器(CPU)的广泛应用为主要特征,一批有较强的自主开发能力的电子技术企业迅速崛起。目前，第二阶段的爆炸性的技术创新仍在继续，一系列旨在提高车辆行车便利性和安全性的控制模式正在不断深化。CPU进入轻型电动车控制系统,为未来开发微型电动汽车的控制系统奠定了关键技术的产业化基础。 三是电池技术的进步。中国
4、的轻型电动车主要采用铅蓄电池作为储能部件，铅蓄电池所表现出的循环经济特征已经得到有效利用。目前,失效铅蓄电池进入再生铅工业的比例几乎达到100%，再生利用效率最高可达977，低水平的也在85%90%。近十年来“密封动力型铅蓄电池”领域技术进步明显,不仅开发了14h大容量电池,还使放电寿命特性曲线从一般的“抛物线型”变成理想的“马鞍型”，从而延长了电池寿命。由此,轻型电动车技术和产业化在中国的快速发展,正在拉开全球交通工具电动化的序幕。2电动汽车电气系统工作原理 与燃油汽车相比，电动汽车的结构特点是灵活的,这种灵活性源于电动汽车具有以下几个独特的特点：首先,电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不
5、是通过刚性联轴器和转轴传递的，因此,电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性;其次,电动汽车驱动系统的布置不同(如独立的四轮驱动系统和轮毂电动机驱动系统等）会使系统结构区别很大,采用不同类型的电动机会影响到电动汽车的质量、尺寸和形状;不同类型的储能装置也会影响电动汽车的质量、尺寸及形状。另外，不同的补充能源装置具有不同的硬件和机构,例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电机充电,或者采用替换蓄电池的方式，将替换下来的蓄电池再进行集中充电。 电动汽车系统可分为电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。其中，电力驱动子系统又由电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成；主能源子系统由主
6、电源、能量管理系统和充电系统构成；辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。根据制动踏板和加速踏板输入的信号,电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电系统一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力源供给电动汽车辅助系统不同等级电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘也是一个很重要的输入信
7、号,动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。 现代电动汽车很多采用三相交流感应电动机，相应的功率转换器采用脉宽调制逆变器,机械变速传动系统一般采用固定速比的减速器或变速器与差速器。镍氢电池也是被电动汽车广泛采用的一种典型的动力能源,相应的能源补充系统就是充电器。采用不同的电力驱动系统可构成不同结构形式的电动汽车。由发动机前置前轮驱动的燃油车发展而来，它由电动机、离合器、变速器和差速器组成。离合器用来切断或接通电动机到车轮之间传递动力的机械装置,变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员可选择不同的变速比,把力矩传给车轮。如果用固定速比的减速器，去掉离合器可减少机械传动装置的质量、缩
8、小其体积。电动机也可以装在车轮里面，称为轮毂电动机,可进一步缩短从电动机到驱动车轮的传递路径。为了将电动机转速降低到理想的车轮转速,可采用固定减速比的行星齿轮变速器，它能提供大的减速比,而且输入和输出轴可布置在同一条轴线上。表示了另一种使用轮毂电动机的电动汽车结构,这种结构采用低速外转子电动机,彻底去掉了机械减速变速器,电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上,车轮转速和电动汽车的车速控制完全取决于电动汽车的转速控制。 3.电动汽车电气系统的功用和组成 在汽车业界，如何削减汽车的二氧化碳排放量已成为重要课题。作为一个有效的解决途径，电动汽车已成为各大汽车厂商竞争的焦点。电动车是一种安全、经济、清洁
9、的绿色交通工具,不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，而且能够更方便地采用现代控制技术实现其机电一体化的目标，因而具有广阔的发展前景。现有电动汽车的组成包括:电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。其大致可以分为以下几个主要部分:蓄电池、电池管理、充电系统、驱动系统、整车管理系统及车体等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。驱动系统为电动车提供所需的动力，负责将电能转换成机械能。无论何种电动车的驱动系统，均具有基本相同的
10、结构,都可以分成能源供给子系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分,其中电气驱动子系统是电动车的心脏，主要包括电动机、功率电子元器件及控制部分;电动车驱动系统均具有相同或相似的功能模块。电源为电动汽车的驱动电动机提供电能,电动机将电源的电能转化为机械能,通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展,铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢,寿命较短,逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等,这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。驱动电动机的作用是将电源的电能转化为
11、机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机,这种电机具有软的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花,比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展,势必逐渐被直流无刷电动机（BCD)、开关磁阻电动机(SRM）和交流异步电动机所取代。 电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。早期的电动汽车上,直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的,且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂,现在
12、已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用,电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用,将成为必然的趋势。 在驱动电动机的旋向变换控制中，直流电动机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向,实现电动机的旋向变换，这使得孔子哈电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电动机驱动时，电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可,可使控制电路简化。此外,采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收
13、控制更加方便，控制电路更加简单。 电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。因为电动机可以带负载启动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的离合器。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换,所以电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档。当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电动轮驱动时,电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。 行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。它同其他汽车的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。 转向装置是为实现汽车的转弯而设置的
14、，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度,实现汽车的转向。多数电动汽车为前轮转向,工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。 电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的,通常由制动器及其操纵装置组成。在电动汽车上,一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流,从而得到再生利用。工作装置是工业用电动汽车为完成作业要求而专门设置的,如电动叉车的起升装置、门架、货叉等。货叉的起升和门架的倾
15、斜通常由电动机驱动的液压系统完成。.电动车电气驱动系统的类型特点 电动机的类型对电气驱动系统以及电动车整体性能影响非常大，评价电动车的电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。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。 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。目前,我国电动车电驱动系统仍以直流电机驱动为主，普遍采用从蓄电池到功率变换器再到驱动电机的单向能量传递方式，它存在着很多不足。具体而言，直流电机虽
16、然具有结构简单、可控制性好、调速范围宽、起动转矩倍数较大、控制电路相对简单、成本较低等优点,但它的缺点同样不可忽视。有刷直流电机由于存在着机械换向部件电刷或换向器,很容易导致火花,噪声和震动严重,电磁干扰问题突出，而且电刷或换向器的维护比较困难，使用寿命较短,此外，电机的体积十分庞大，造成有限空间的浪费;无刷直流电机虽然克服了有刷电机的一些缺陷,但它的转子位置检测困难,整机价格颇高，性价比相对较低。再从系统效率角度来看，由于绝大多数系统采用单向功率传递,使得车辆在刹车减速或下坡滑行时白白地浪费了大量能量。此外，电刷、换向器等的机械震动、摩擦，也造成了系统效率的降低。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。
