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混联式电动汽车整车匹配与直流电机驱动系统设计(修改1)


刘文庆:混联式电动汽车整车匹配与无刷直流电机驱动该系统设计

混联式电动汽车整车匹配与无刷直流电机驱动系统设计





随着环境的恶化和石油资源的匮乏,人们对节能和环保的需求更加迫切。伴随着这 样的情况,混合动力电动汽车就兴起了。 混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle)是传统燃油汽车和纯电动汽车相结 合的新车型,具有燃油汽车的动力性能和较低的排放,是当前解决节能、环保问题切实 可行的过渡方案。混合动力汽车的动力性、燃油经济性和排放性能与驱动系统参数的匹 配以及车辆行驶过程中的协调控制密切相关。 本文首先分析了混合动力汽车的驱动系统结构类型和各自的特点,对电力辅助型混 合动力汽车的组成及其工作模式进行了介绍,并在此基础上提出了一种能综合考虑各部 件功率和重量的驱动系统设计方法。 通过对驱动系统的部件之间参数匹配分析,论文以一种基于MATLAB环境下 ADVISOR2002的驱动系统部件建模方法。通过对混合动力电动汽车个主要部件的仿真建 模,可以对不同行驶循环下车辆的动力性能和燃油经济性进行仿真计算。论文最后针对 电力辅助型混合动力汽车,综合考虑车辆的行驶性能、燃油经济性以及行驶过程中电池 SOC的大小,综合仿真比较分析。仿真的结果表明,该种匹配的车型与传统的车型相比 具有明显的优势,在兼顾汽车动力性的基础上,满足了低油耗和低排放的要求。 关键词:混合动力电动汽车,整车匹配, ADVISOR, 性能仿真,驱动系统设计

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Matching for Power-Split Hybrid Electric Vehicle and Design of Brushless Direct Current Motor (BLDCM) Drive System Abstract
With the deterioration of the environment and scarce oil resources, people's demand for energy-saving and environmental protection is more urgent. Along with this situation, hybrid electric vehicles are on the rise. Hybrid electric vehicles (HEV) is the traditional fuel vehicles and pure electric vehicles combined with the new models, with fuel car's dynamic performance and low emissions, is the current solution energy saving, environmental protection practical transition program. Hybrid vehicle power, fuel economy and emissions performance and driving system parameters matching and vehicles in the process of coordination and control are closely related. This paper analyzes the hybrid vehicle drive system structure types and their characteristics, the power assist hybrid vehicle of the composition and mode of operation are described, and on this basis propose a comprehensive consideration of the various components can be power and by weight of the drive system design. Through between the components of the drive system parameter matching analysis, thesis based on MATLAB environment ADVISOR2002 drive system components modeling. Through the hybrid electric vehicle simulation modeling of major components, can be of different driving cycle the vehicle power performance and fuel economy are simulated. Final thesis for the power-assisted hybrid cars, considering the vehicle performance, fuel economy and the process of moving the battery SOC size, integrated simulation comparative analysis. The simulation results show that this kind of matching models, compared with the traditional model has obvious advantages in both on the basis of vehicle dynamics to meet the low fuel consumption and low emissions. Key Words: Hybrid Electric Vehicles, Vehicle Matching, ADVISOR, Performance Simulation, Drive Systems Design

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摘 要 ........................................................................................................................................................ 1 目 录 ........................................................................................................................................................ 3 第 1 章:绪论 ................................................................................................................................................ 4 1.1:本课题研究的背景及意义........................................................................................................... 4 1.11:背景 .................................................................................................................................... 4 1.12:本课题研究的意义............................................................................................................. 5 1.2:混合电动汽车简介....................................................................................................................... 5 1.21:混合电动汽车发展历史..................................................................................................... 6 1.22:混合电动汽车分类............................................................................................................. 6 1.3:本课题研究的主要内容............................................................................................................... 9 第 2 章:混合动力电动汽车整车参数匹配 .............................................................................................. 10 2.1:混合动力电动汽车整车方案选型 ............................................................................................. 10 2.2 :整车动力系统匹配设计........................................................................................................... 11 2.21:发动机............................................................................................................................... 11 2.22:电动机............................................................................................................................... 11 2.23:电池 .................................................................................................................................. 12 2.3:车身设计匹配............................................................................................................................. 12 第 3 章:混合动力电动汽车无刷直流电机驱动系统设计 ...................................................................... 14 3.1:直流电机简介............................................................................................................................. 14 3.2:无刷直流电机仿真模块解读..................................................................................................... 16 3.3:无刷直流电机驱动系统硬件设计 ............................................................................................. 18 3.31:无刷直流电机结构............................................................................................................. 18 3.32:无刷直流电机工作原理................................................................................................... 19 3.33:无刷直流电机控制系统硬件设计 ................................................................................... 20 第 4 章:基于 ADVISOR2002 软件的混合动力电动汽车仿真 .................................................................. 23 4.1:仿真软件简介............................................................................................................................. 23 4.2:混合动力电动汽车建模............................................................................................................. 24 4.3:仿真参数设置............................................................................................................................. 29 4. 4:仿真结果及分析....................................................................................................................... 34 4.41 整体仿真结果...................................................................................................................... 34 4.42 油耗利用率仿真分析.......................................................................................................... 36 第 5 章:总结与展望 .................................................................................................................................. 38 致 谢 ...................................................................................................................................................... 39 参考文献 ...................................................................................................................................................... 40 附录 A:插图列表清单 ............................................................................................................................... 42 附录 B:插表列表清单 ............................................................................................................................... 43 附录 C:外文文献及中文翻译 ................................................................................................................... 44

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第 1 章:绪论
自人类发明汽车以来,汽车在人类身边已经陪着人类度过了一百多年的历史。这一 百多年在人类悠久的历史上也许只是弹指一挥间,但是对于人类的影响却是举足轻重, 甚至说不可或缺。 1886年, 世界上第一辆汽车在德国诞生, 一百多年来, 汽车缩短了人们之间的距离, 改变了人们的生活方式,提高了生活质量。今后50年,世界人口将由60亿增加到100亿, 汽车数量也将会有将由7千万增加到2亿5千万。但我们在享受汽车文明的同时,也必须 面对汽车带来的负面影响:环境污染和能源危机等。 据统计,目前世界上空气污染最严重的10个城市中7个在中国,国家环保中心称, 20lO年汽车尾气排放将占空气污染源的64%。近来,以北京的沙尘雾霭为代表的环境恶 化正在逐步恶化。 上个世纪末人们关注的是汽车节能、排放和安全技术,而本世纪初,入们已经更多 的将目光转向汽车新能源和环保技术。如果仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业, 将会给燃油的需求和环境保护造成巨大压力。研制开发更节能、更环保、使用替代能源 的新型汽车,成为当务之急。因此,在世界各国,特别在我国进行电动汽车的研究势在 必行,有着深远的历史和现实意义。 1.1:本课题研究的背景及意义 1.11:背景 环境恶化: 一般来说,造成生态环境的恶化的原因是多方面的,主要是全球生态面临的问题越 来越多,而且例如像中国这样的国家正处于大力发展经济中,对环境和生态的意识比较 薄弱,环境恶化的程度要甚于发达国家。 环境恶化主要表现为:资源破坏,生态破坏,土地沙化,物种减少,沙尘暴,水土 流失,人类生活环境恶化,水体污染,酸雨,光化学污染,等等。环境恶化是工业文明 给人类造成不可持续发展的突出问题,亟待解决。 环境的恶化造成的危害也是不可估量的,其危害主要变现为:生存环境恶化,大气污 染,水污染,土地污染,固体废物污染,等等。种种的迹象都在表明,环境的恶化正在 一步一步地吞噬着我们。而我们都要为自己当初的工业文明骄傲而买单,环境恶化就是 给我们的惩罚。幸于,人类已经开始意识到自己的问题,正在着手解决。 能源危机: 众所周知,能源危机肯定会造成经济的衰退。在上个世纪出现了几次比较大规模的 能源危机。1973年,石油主要输出国阿拉伯国家因不满西方国家支持以色列而采取的石 油禁运;1979年,由于伊朗爆发革命石油短缺;1990年,又爆发了波斯湾战争,导致石 油价格暴涨。等等。 自从三次科技革命以来, 能源成为了国家经济的命脉。 然而地球上的能源是有限的, 于是在各个大国之间引发了一些与石油有关或纯粹是为了石油的战争。 为了争夺对世界 资源与能源的控制权,导致了两场世界大战的爆发:一战中31个国家15亿人口卷入了战 争,伤亡人数达3100万,其中死亡1000万人,军费支出与战争损失共计3877亿美元;二
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战中这个数字成倍增长,年的战争中有60个国家参与,总伤亡人数达9000万人,死亡了 5000万人,直接军费支出1117亿美元,物质损失近3万亿美元。二战后美苏两个超级大 国为了争夺资源与能源展开了40多年的冷战,中东石油,南非的黄金和金刚石,扎伊尔 的铜矿??石油战争永无宁日! 世界经济的现代化,得益于化石能源,如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的 投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。然而,这一经济的资源载体 将在 21 世纪上半叶迅速地接近枯竭。石油储量的综合估算,可支配的化石能源的极限, 大约为 1180 到 1510 亿吨,以 1995 年世界石油的年开采量 33.2 亿吨计算,石油储量大 约在 2050 年左右宣告枯竭。天然气储备估计在 131800 到 152900 兆立方米。年开采量 维持在 2300 兆立方米,将在 57 到 65 年内枯竭。煤的储量约为 5600 亿吨。1995 年煤炭 开采量为 33 亿吨,可以供应 169 年。铀的年开采量为每年 6 万吨,根据 1993 年世界能 源委员会的估计可维持到 21 世纪 30 年代中期。核聚变到 2050 年还没有实现的希望。 化石能源与原料链条的中断,必将导致世界经济危机和冲突的加剧,最终葬送现代市场 经济。事实上,近 10 年来,中东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置 与分配而引发。这种军事冲突今后还将更猛烈、更频繁;在国内,也可能出现由于能源 基地工人下岗而引发的许多新的矛盾和冲突。 总之,能源危机迟早会爆发,而且它的爆发将将带来不可估量的灾难!

1.12:本课题研究的意义 根据国家有关资料显示,中国石油储备量仅占全球的2%,专家预计全球现有石油储 备量仅可维持100年左右的消耗,而中国如果按现有消耗量,不到50年国内原油资源将 消耗殆尽。因此,开发新能源成为应对能源危机的不二选择,而能以液态方式替代化石 能源的,又非生物能源莫属。近年来,生物能源在国内有一定发展,但是原料、技术仍 然是产业发展的瓶颈,并未普及应用,亟需进一步发展壮大。 对此,国家出台了一系列的法律法规,对生物能源产业给予扶持,同时号召企业参 与到相关产品的研发和生产之中,借助市场经济的力量来帮助生物能源产业做大做强。 作为一家专业从事新型能源及相关产业研发、生产、销售、服务为一体的综合型企业, 很多新能源企业积极响应国家号召,在党和国家能源发展战略和科技发展方针的指导 下,不断深化企业内部体制改革,调整产业发展方向和布局,拓展研究领域,加强科技 产业转化工作,在生物能源、再生能源利用领域深耕细作,终于取得了突破性的发展。 而作为一个当代大学生, 深刻意识到从全球环境的减速恶化到国内部分城市的雾霭 弥漫,再到我们身边可利用的自然资源越来越少,都在直接表明着解决能源短缺与环境 危机,环境的保护和寻求新能源迫在眉睫。作为这其中重要的一个举措,开发环保与低 耗的混合动力电动汽车势在必行。 混合动力电动汽车采用电动机和发动机同时作为驱动系统,是汽车的心脏。在不同 的工况下,发动机和电动机的工作方式也不同,可以尽最大限度的降低功耗,减少排污 从而达到保护环境的目的。同时,为缩短研究开发时间,采用计算机仿真技术,可以降 低研究费用,缩短开发周期,提高该课题研究的可操作性和成功的几率。因此,对电动 汽车的驱动系统软硬件进行研究、以及利用计算机仿真技术对电动汽车的性能进行研究 具有非常重要的意义。 1.2:混合电动汽车简介
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所谓混合动力电动汽车汽车,是指拥有两种不同动力源的汽车。这两种动力源在汽 车不同的行驶状态(如起步、低中速、匀速,加速,高速,减速或者刹车等)下分别工 作,或者一起工作,通过这种组合达到最少的燃油消耗和尾气排放,从而实现省油和环 保的目的。 1.21:混合电动汽车发展历史 早在一百多年前,由于当时电池和电机的发展较内燃机成熟,而且石油的运用还没 有普及,使电动汽车在早期的汽车领域中占有举足轻重的位置。据统计,在1890年在全 世界4200辆汽车中,有38%为电动汽车,40%为蒸汽车,22%为内燃机汽车。到了1911 年,就已经有电动出租汽车在巴黎和伦敦的街头上运营,到了1912年在美国更有至少3, 4万辆电动汽车运行。但由于石油的大量开采和内燃机的种种优越性,电动汽车渐渐被 人们忽视。直到上世纪70年代石油危机的爆发,给世界各国政界一次不小的打击,开始 考虑替代石油的其他能源,包括风能、太阳能、电能等可再生能源。因此从政治经济方 面考虑,才又给了电动汽车第二次机遇,又一次被人瞩目。 第三次机遇开始于若干年前,世界上除了已存在的能源问题之外,环境保护问题也 逐渐成为了各个方面所关心重大课题,内燃机汽车的排放污染,给全球的环境以灾难性 的影响,因此开发生产零污染交通工具成为各国所追求的目标,电动汽车的无(低)污染 优点,使其成为当代汽车发展的主要方向”。 由于70年代燃油短缺问题和80年代大气污染问题的冲击,对电动汽车的研究与 开发近年又重新受到了人们的关注。 为了保护环境, 世界各国都分别制定了严格的法律、 法规来限制汽车尾气排放.环境保护法是开发电动汽车最直接的原因。只有电动汽车才 能满足不断严格化的超低排放或零排放的要求,所以从二十世纪晚期开始,世界各国都 纷纷将对汽车研究的重点转向电动汽车上,并研制出很多类型及品种的电动汽车。 1.22:混合电动汽车分类 1)串联式混合动力电动汽车 (SHEV) 串联式混合动力系统用电动机驱动车轮,电动机的电力来自发动机。串联式混合动 力系统利用发动机动力发电,从而带动电动机驱动车轮。其基本结构是由电动机、发动 机、发电机、HV 蓄电池、变压器组成。由一个小输出功率的发动机进行准稳恒性运转来 带动发电机,直接向电动机供应电力,或一边给 HV 蓄电池充电一边行驶。由于内燃发 动机的动力是以串联的方式供应到电动机, 所以称为“串联式混合动力系统”。 如下图:
Fuel Engine Transmission

Generator

Battery

Power Converter

Motor

图 1-1 串联式混合动力电动汽车驱动系统结构示意图
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注:各符号代表的意思 Fuel:油箱,Engine:内燃机,Generator:发电机,Battery:蓄电池,Power Converter:功率转 换器,Motor:驱动电机,Transmission:传动装置(离合器,变速箱等)

2) 并联式混合动力电动汽车(PHEV) 并联式混合动力系统使用电动机和发动机两种动力来驱动车轮用发动机来给 HV 蓄 电池充电,其基本结构是由电动机、发动机、HV 蓄电池、变压器和变速器组成。并联式 混合动力系统中利用 HV 蓄电池的电力来驱动电动机。因电动机兼用为发电机,所以不 能一边发电一边用来行驶。动力的流向为并联,所以称为“并联式混合动力力系统”。
Fuel Engine Transmission

Battery

Power Converter

Motor

图 1-2 并联式混合动力电动汽车驱动系统结构示意图 注:各符号代表的意思 Fuel:油箱,Engine:内燃机,Battery:蓄电池,Power Converter:功率转换器,Motor:驱动电 机,Transmission:传动装置(离合器,变速箱等)

3)混联式(串、并联式)混合动力电动汽车(PSHEV) 混联式混合动力利用电动机和发动机来驱动车轮,并可用发电机来发电及自行充 电。混联式混合动力利用电动机和发动机这两个动力来驱动车轮,同时电动机在行驶当 中还可以发电。根据行驶条件的不同,可以仅靠电动机驱动力来行驶,或者利用发动机 和电动机驱动行驶。另外还安装有发电机,所以可以一边行驶,一边给 HV 蓄电池充电。 基本结构由电动机、发动机、HV 蓄电池、发电机、动力分离装置、电子控制单元(变压 器、转换器)组成。利用动力分离装置将发动机的动力分成两份,一部分用来直接驱动 车轮,另一部分用来发电,给电动机供应电力和 HV 蓄电池充电。电动机擅长从低速带 开始发挥威力,而发动机则在高速带大显身手。本系统通过理想地控制二者,可在所有 条件下提供高效率的行驶。混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、 辅助动力系统和电池组等部分构成。

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Fuel

Engine Transmission

Generator

Battery

Power Converter

Motor

图 1-3 混联式混合动力电动汽车驱动系统结构示意图 注:各符号代表的意思 Fuel:油箱,Engine:内燃机,Generator:发电机,Battery:蓄电池,Power Converter:功率转 换器,Motor:驱动电机,Transmission:传动装置(离合器,变速箱等)

4)复合式混合电动汽车 复合式混合动力电动汽车的结构更复杂。其结构与混联式混合动力电动汽车相似, 二者主要区别在于复合式中与发动机连接的电机允许功率流双向流动,而混联式中与发 动机连接的发电机只允许功率流单向流动。一般采取双轴驱动的形式,前轴采用发动机 和电动机复合驱动,后轴采用电驱动。两个电机都即可以驱动汽车行驶,也可以在刹车 时再生制动,向电池组充电。复合式混合动力电动汽车虽然结构复杂、成本高,但驱动 系统的质量轻,因此增加了车辆装配的灵活性,而且,同时回收四个车轮的制动动能可 以大大提高车辆的燃油利用率和燃油经济性。
Fuel Engine FT

Power Converter

Motor

Battery

Power Converter

Motor

RT

图 1-4 混联式混合动力电动汽车驱动系统结构示意图 注:各符号代表的意思 Fuel:油箱,Engine:内燃机,Generator:发电机,Battery:蓄电池,Power Converter:功率转 换器,Motor:驱动电机,FT:前轮传动装置,RT: 后轮传动装置。

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1.3:本课题研究的主要内容 本课题以一款混联式混合动力电动汽车进行匹配研究,开发一款适合市区混合电动的 出租车。其主要针对以下问题进行研究讨论: 1)混合电动汽车主要参数的确定,进而根据实际应用适当合适的修改相关数据,以达 到相关要求。 2) 基于 MATLAB6.5 环境下 advisor 软件对整车主要部件建模。包括发动机,蓄电池, 电机和变速箱等。 3) 混合电动汽车主要部件的特性分析。利用 ADVISOR 软件模拟仿真,综合各方面考 车辆的行驶性能,燃油经济性和电池荷电状态等。 在此基础上利用 ADVISOR 软件对混联式混合动力电动汽车进行整车性能仿真模拟研 究, 校验核对各设计数据是否符合实际工况需求, 在取得的成果的基础上撰写毕业论文。

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第 2 章:混合动力电动汽车整车参数匹配
2.1:混合动力电动汽车整车方案选型 本课题是以某款车型为基础进行研究,通过修改和设计部分部件实现混合电动出租 车而出租车由于用途比较特殊,所以选择一款合适且相近的车型尤为重要。 早在 20 世纪四五十年代,出租车并不是谁都可以随便乘坐的。当年,出租车专门 负责接待来穗的外国元首、政府首脑与高级官员、参加交易会的外商、海外华侨、港澳 同胞等等,被誉为广州市的“国宾车队”,需要外汇券才能乘坐。上世纪六七十年代, 出租汽车的经营方式发展为定点候客,乘客到站找车,司机接单载客。而司机完成一趟 接待任务后,必须空车赶回服务点等候下一次的出车指示,不得中途载客。上世纪 70 年代中后期,随着人民生活水平的逐步改善,市民对出租车的需求也日益增长。1978 年春天,毗邻港澳的广州逐步打开对外开放的窗口,一些新的经营观念和服务方式开始 冲击南粤大地。广州市汽车公司从香港市民“打的”中得到启发,毅然决定结束历年来 “路上空驶的士不载人”的怪现象,在 1978 年 4 月春交会期间用中英文印制的近万张 《告来宾信》送到了国内外乘客的手中:“在没有汽车服务点的地方需要用车时,如遇 空车可招手示意叫车。”这是国内出租汽车行业的第一次改革,打破了历年来传统的封 闭型服务方式和经营老格局,随后“扬手即停”服务迅速在全国铺开。 现在,出租车作为人们出行必不可少的交通工具,在人们的生活中扮演着举足轻重 的地位。众所周知,出租车大部分时间都是在市区里面行驶,又由于市区的路况比较复 杂,走走停停是常见的事情,又要响应国家号召,节能减排。综合各方面的原因考虑, 要求出租车发展的趋势不仅要满足人们日常的交通需求,更要符合国家的标准,甚至要 做到表率作用。 查询资料并结合导师所给的意见,最终选择比亚迪 F3DM 这款车型。作为全球新能 源汽车领导者,比亚迪在电动车领域动作频频。继奔驰携手比亚迪之后,比亚迪官方宣 布,全新科技的比亚迪 F3DM 低碳版双模电动车于 2010 年 3 月 29 日上市。比亚迪 F3DM 为 F3 所属系列下的最新车系。 选择比亚迪 F3DM 不仅因为其动力充裕,另外一个主要原因就是经济环保。在燃油 经济性方面,F3DM 双模电动车纯电动状态下百公里耗电仅为 14 度,电费按 0.6 元/kwh 计算, 其行使 100 公里的花费约为 8.4 元人民币。 双模动力系统采用的比亚迪最新发 DM 动机, 使得系统中的发动机在任意工况下的最低燃油消耗率不足 250g/kwh。 而且相关调 查显示,超过 90%的人每天用车不超过 100 公里,这意味使用比亚迪 DM 双模电动车,绝 大部分人将远离油价高企的困扰。 因为用电的成本仅为使用燃油的 1/5, 对消费者来说, 这无疑是一种绝对经济的选择。 在混合动力模式下,其排放优于欧Ⅳ。F3DM 双模电动车的上市及普及,一方面能够 有效减轻人类对石油资源的依赖, 另一方面, 将在很大程度上缓解全球气候恶化的情况。 从另外一个方面来说,价格也是一个优势。混合电动汽车总给人一种很贵的感觉。 其实不然。F3DM 现已售两款车型,分别是 14.98 万与 16.98 万,但是一旦国家补贴与城 市补贴政策落实以后,将会在 10 万以下了。如深圳,国家补贴 5 万,深圳市政府补贴 3 万,那么这个车就卖 8.98 万

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2.2 :整车动力系统匹配设计 比亚迪 F3DM 输出功率为 125KW, 并达到排量为 3.0L 发动机的动力输出水平。 在起 步阶段,比亚迪 DM 双模电动车的瞬间加速性能,远超过 3.0L 级别的发动机所能达到的 水平。据介绍,搭载铁电池的比亚迪 DM 双模电动车纯电动续航里程达 100 公里。而该 公司研发的铁电池在极端高低温和碰撞实验中也“岿然不动”,体现出较高的安全指 数。除容量高、安全性好外,该款车的铁电池还大大降低了材料成本,进一步加快其商 业化步伐。 2.21:发动机 比亚迪 F3DM 采用的发动机型号为 BYD371QA,全铝发动机的排量为 1.0L,输出功率为 50KW,最大转速为 7500rpm,最大扭矩为 90Nm。 详细参数见下表: 发动机型号 BYD371QA 排量 998mL 燃料类型 油电混合动力 供油方式 多点电喷 燃油箱容积 50L 最大功率—功率值 50kW 最大功率—转速 7500r/min(rpm) 最大扭矩—扭矩值 90Nm 最大扭矩—转速 4000—4500r/min(rpm) 气缸排列型式 L型 发动机位置 前置 进气型式 自然吸气 汽缸数 4 每缸气门数 4 压缩比 10.5:1 缸体材料 铝合金 环保标准 国4 最大马力 68Ps
表 2-1 发动机主要参数

2.22:电动机 比亚迪 F3DM 配备两台电动机,电动机一为主电动机,输出功率为 50KW;电动机二 为副电动机,输出功率为 25KW,必要的时候可以变成发电机,以满足供电需求。 在纯电动(EV)工作情况下,两电动机都运作,动力总成为两者之和 75kw。转矩为 140Nm,转速为 4000 至 4500rpm。在一般情况下,电量充足是,只有电动机运行,发动 机不工作,动力和 75kw;当电量消耗到一定程度时,汽油发动机就会介入工作,副电动
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机就会变成发电机对电池等充电, 此时动力为 100kw;当汽车需要快速提速时, 两台电动 机和汽油发动机都协同工作,动力总成为 125kw。在刹车或者其他需要的工况时,副电 动机也可以对电池进行充电。 电动机部分参数间下表: 电动机类型 无刷直流电动机 电动机 M1 50kw 电动机 M2 25kw 电动机总功率 75kw 转速 4000-4500rpm 转矩 140Nm
表 2-2 电动机主要参数 注:为了后续的简化模型,以便其他工作的顺利进行,电动机总功率暂时定为两电动机功率之 和。默认把两个电机模型简化成一个电机模型。

2.23:电池 该车型采用的是比亚迪自主研发的 ET-POWER 磷酸锂铁电池,功率达到 75kw。提供 两种充电方式,快充 80%左右电量只需要 15 到 20 分钟;普通充电也仅仅只需要 1 到 2 个小时。充满电后最长续航能力在 100km,最高时速可达到 150km/h。 此外,铁电池的原材料广泛,无污染,可回收利用,其耐热性和抗压性等都已经通过 了国家的相关测试,而且电池循环充电可达到 4000 此,甚至更多。 其电池的详细参数见下表: 电池类型 额定电压 电池容量 电池质量 电池数量 循环充电次数 ET-POWER 磷酸锂铁电池 330V 60Ah 200kg 100(块) 4000 次左右
表 2-3 电池主要参数

2.3:车身设计匹配 根据官网提供的数据可以清楚的得到比亚迪 F3DM 车型车身的相关数据,该车配备 CVT 无级变速,前轮驱动,含司机在内 5 座,三厢 4 门车型。官方给出的综合油耗为 2.7L/100km,市区油耗 3.5L/100km,百公里等速综合油耗 2.67L。 具体车身相关信息见下表: 长 4533mm 宽 1705mm 高 1520mm
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轴距 前轮距 后轮距 最小离地间隙 整备质量 满载质量 最高车速 最大爬坡度 加速时间(0—100 km/h) 最小转弯半径 驱动方式 乘员人数(含司机) 车门数 车身型式 变速箱类型 制动类型 前悬挂类型 前轮胎规格 综合工况油耗 市区工况油耗 市郊工况油耗 百公里等速油耗

2600mm 1480mm 1460mm 170mm 1560kg 1935kg 150km/h 30% 10.5s 5m 前轮驱动 5 4 三厢 CVT 无级变速 盘式 麦弗逊式独立悬架 195/60 R15 2.7L/100km 3.5L/100km 2.3L/100km 2.67L(综合)
表 2-4 车身主要参数

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第 3 章:混合动力电动汽车无刷直流电机驱动系统设计 电机(英文:Electric machinery,俗称“马达”)是指依据电磁感应定律实现电 能转换或传递的一种电磁装置。在电路中用字母 M(旧标准用 D)表示。它的主要作用 是产生驱动转矩,作为用电器或各种机械的动力源。发电机在电路中用字母 G 表示。它 的主要作用是利用机械能转化为电能,目前最常用的是,利用热能、水能等推动发电机 转子来发电。 按工作电源种类划分:可分为直流电机和交流电机。 1)直流电动机按结构及工作原理可划分:无刷直流电动机和有刷直流电动机。 2)其中交流电机还可划分:单相电机和三相电机。 按结构和工作原理可划分:可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。 1)同步电机可划分:永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。 2)异步电机可划分:感应电动机和交流换向器电动机。 按起动与运行方式可划分:电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动 机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。 按用途可划分:驱动用电动机和控制用电动机。 1)驱动用电动机可划分:电动工具(包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工 具)用电动机、家电(包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟 机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等)用电动机及其它通用小型机械设备(包 括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等)用电动机。 2)控制用电动机又划分:步进电动机和伺服电动机等。 按转子的结构可划分:笼型感应电动机(旧标准称为鼠笼型异步电动机)和绕线 转子感应电动机(旧标准称为绕线型异步电动机)。 按运转速度可划分:高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速 电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

3.1:直流电机简介 直流电机(direct current machine)是指能将直流电能转换成机械能(直流电 动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能 和机械能互相转换的电机。 当它作电动机运行时是直流电动机, 将电能转换为机械能; 作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。 直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分 称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电 刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感应电动 势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电 枢绕组、换向器和风扇等组成。

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图 3-1 直流电机

图 3-2 直流电机内部结构

国产电机型号一般采用大写的英文的汉语拼音字母的阿拉伯数字表示, 其格式 为: 第一部分用大写的拼音字母表示产品代号, 第二部分用阿拉伯数字表示设计序号, 第三部分用阿拉伯数字表示机座代号,第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁心长度代 号。 本研究将重点研究直流电机,下面给出两款直流电机的比较情况: 项目 无刷直流电机 有刷直流电机 换向 借助转子位置传感器实现电 由电刷和换向器进行机械换 子换向 向 维护 由于没有电刷和换向器,很 需要周期性维护 少需要维护 寿命 比较长 比较短 机械特性(速度/力 平(硬)在负载条件下能在 中等平(中等硬)。在较高速 矩) 所有速度上运行 度上运行时,电刷摩擦增加, 有用力矩减小 效率 由于没有电刷压降,所以效 有点刷地影响,中等 率高 速出功率/外形尺寸 由于电枢绕组设置在与机壳 中等/低。电枢产生的热量消 相连的定子上,容易散热。 散在气隙内, 这样增加了气隙 这种优异的热传导特性允许 温度,从而限制了输出功率/ 减小电动机的尺寸,所以输 外形尺寸之比 出功率/外形尺寸之比高 转子惯量 低。因为永磁体设置在转子 转子惯量高, 限制了动态特性 上,改善了动态响应 速度范围 比较高。 没有电刷/换向器给 比较低, 存在电刷给予的机械 予的机械限制 限制 电气噪声 低 电刷的电弧将对附近的设备 产生电磁干扰 制造价格 比较高 低 控制 复杂和价格贵 简单和价格不贵
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控制要求

为了使电动机运转必须要有 对于一个固定的速度而言, 不 控制器,但同样的控制器可 需要控制器; 有变速要求的时 用于变速控制 候才需要控制器
表 3-1 两款直流电机比较

这两款电机都是属于直流电机,无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发 展起来的,这一渊源关系从其名称中就可以看出来。考虑到其各自的有缺点和本课题 的需求上,本文选择无刷直流电机作为研究的主要对象,进行整车的匹配。 3.2:无刷直流电机仿真模块解读 无刷直流电机(Brushless DC Motor,简称 BLDCM) ,是随着电力电子技术和永磁材 料的发展而逐渐成熟起来的一种新型电机。为了有效的减少控制系统的设计时间,验算 各种控制算法,优化整个控制系统,有必要建立 BLDCM 控制系统仿真模型。大家都知 道仿真模型都是基于数学模型的基础上建立,高度抽象出来的模型。

图 3-3 无刷直流电机控制原理框图

以上图为基础,按照模块化建模的思想搭建的系统的仿真模型。整个控制系统主要 包括电动机本体模块、逆变器模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。利用MATLAB 的丰富的电气元件库的丰富性,在SIMULINK环境下的SIMPOWERSYSTEM中的machine的仿 真模型,但又因为在SIMLINK中电气元件都是封装好了的,在调用的时候,如果不展开 只是会显示一个符号。

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电机封装模型

图3-4 Simulink下电机封装模型

如上图红色的圈住部分和红色箭头指示所显示,就会一步步的调用出库里面的电机 模型,把刚调用封装好的的电机模型,展开就会看到其内部仔细的电路原理图,如下:

图3-5 Simulink下电机展开模型

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注:在上图中的各符号代表的意思是, 3.3:无刷直流电机驱动系统硬件设计 3.31:无刷直流电机结构 无刷直流电机的结构原理图如下所示:它是由电机本体,位置传感器和电子换向器 组成,下面将分别对无刷直流电机的每一部分进行讨论。

图 3-6 无刷直流电机结构

1)电机本体 无刷直流电动机在磁路结构上最大特点是用永久磁钢做转子。其转子结构主要有三 种:圆柱式、星形式和拼块式。由于圆柱式和星形式性能比较差.现在一般采用拼块式 转子磁路结构。无刷永磁直流电动机的定子结构类似于普通的交流电机。绕组跨距大, 在电磁上接近或等于电弧度兀绕组的各个线圈在空间上存在重叠区域,故将这种绕组称 作重叠绕组。但是轮毂式电机是扁平形的,如果采用大跨距的重叠绕组则绕组端部的周 向长度可能比绕组有效轴向长度大得多,甚至于绕组端部的轴向长度也比有效长度大, 绕组的利用率显然不高。如果采用轴向气隙结构,则有效气隙往往很大,降低了磁钢的 利用率和电机的效率。 2)电子换向器 电子换相器是由功率开关和位置信号处理电路构成,主要用来控制定子各绕组通电 的顺序和时间。无刷直流电动机本质上是自控同步电动机,电机转子跟随定子旋转磁场 运动,因此,应按一定的顺序给定子各相绕组轮流通电,使之产生旋转的定子磁场,而 各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。由于电子换向线路的导 通次序与转子转角同步,因而起到了机械电刷和换向器的换向作用。电子开关的结构与 相数和驱动方式有关,主要有3种形式:半桥、H桥和全桥功率控制器等。半桥式电子换 向电路的特点是绕组采用星形结法,中性点接电源,每相绕组用一个功率开关控制,绕 组中的电流方向不能变化,因此绕组产生磁场的方向也不能变化,在一个360。电角周 期内每相绕组导通一次。H桥式电子开关电路的特点是每个绕组独立并采用一个H桥电子 开关电路控制,可以灵活地改变绕组电流的大小和方向,易于实现四象限驱动控制。因 为功率开关器件数量等于相数的4倍,所以H桥功率控制器一般只在单相或两相无刷直流
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电机中采用。全桥式电子开关电路的特点是功率开关器数目等于绕组相数的2倍,每个 绕组的首端与一个桥臂相连。全桥式电子开关电路中,电枢绕组中只有导通相绕组才有 电流流过,而没有导通的相绕组没有电流流过。全桥式与H式电子开关电路都要注意通 相上、下桥功率管同时导通会引起电源回路直接短路的问题。早期的无刷直流电机的换 向器大多由晶闸管组成,但随着新型可关断全控型器件的发展,在中小功率的电动中换 向器多由功率MOSFET或IGBT构成,具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。 3)位置传感器 位置传感器在直流无刷电机中起着检测转予磁极位置的作用,位置传感器与电机本 体一样也由静止部分和运动部分组成,即由位置传感器定子和位置传感器转予组成。当 定子绕组的某一相通电时,该电流与转子磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩,驱动 转子旋转,再由位置传感器将转予磁极位置变换成电信号,去控制电子换向线路,从而 使定子各相绕组按一定次序通电,使定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换向, 从而使电机能够连续工作,因而位置传感器与功率开关一起,起着与传统有刷直流电机 的机械换向器和电刷相类似的作用。位置传感器的种类很多,且各具有特点,目前在无 刷直流电机中常用的有以下的几种:电磁式位置传感器,光电式位置传感器,霍尔式位 置传感器等等。 3.32:无刷直流电机工作原理

图 3-7 无刷直流电机工作原理图

1)工作原理 现以图3-7所示来说明。图中的BLDCM为无刷直流电动机本体,PS为电动机本体同轴 连结的转子位置传感器, 控制电路对位置传感器的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PI 『M信号,经过驱动放大送至逆变器各功率开关管,从而控制电动机的各相绕组按一定 顺序工作,而在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。 现以常用的二相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例来说明其工作原理,当转子 稀土永磁体适当位置时, 转子位置传感器输出磁极位置信号, 经过控制电路, 使功率V1、 V6导通,即绕组A、B二相通电,A进B出,电枢绕组在空间的合成磁势为Fl,使转子顺时 针方向转动。电流的流通路径为:电源正极一V1管一A相一B相一V6管一电源负极,当转 子转过60。电角度,到达另一适当位置时。位置传感器输出信号,经逻辑控制后使开关 管V6截止、V2导通,Vl仍导通,则A、C二相通电,A进C出。此时转子继续沿顺时针方向
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转动,电流路径为:电源正极一V1管一A相一c相一v2管一电源负极。依次类推,当转子 继续沿顺时针方向转动时,功率开关管的导通顺序为v3V2一V3V4一v5v4一v5V6一VIV6? ?,转子受到合成磁场的作用沿顺时针方向连续转动。 2)无刷直流电机的单片机控制 无刷直流电动机是伴随数字控制技术而产生和发展起来的,因此,采用单片机为主 数字控制是无刷直流电机的主要控制手段。三相全桥无刷直流电机中,不管采用二二导 通方式还是三三导通方式,都有6种导通状态,转予每转60。换一种状态.导通状态的 转换通过软件来完成。软件控制导通状态转换非常简单,即根据位置传感器的输出信号 H1、H2、H3,使用控制器不断地输出命定,使相应的功率管导通。通过适当的控制可以 实现二二导通和三三导通方式的功率管导通情况。 无刷直流电动机的转速控制原理与普通直流电动机一样,可以通过P雕方法来控制 电枢电流,实现转速控制。只要根据三个位置传感器信号来改变开关管的通电顺序就可 以实现电动机的正、反转,这可以由软件控制来完成。 3.33:无刷直流电机控制系统硬件设计 为了研究无刷直流电机驱动系统,先选取霍尔传感器的直流无刷电动机(BLDCM)作 为研究对象进行研究,控制系统器硬件主要由中央处理单元电路、驱动及逆变单元电路 和外围辅助电路组成。外围辅助电路有:位置检测电路、蓄电池电压采集电路、电机主 回路电流采样电路、串口通讯接口电路、驾驶员的转速给定电路、DC/DC变换电路等。 本文所侧重的是设计的驱动电路如图3—8(a)所示。在驱动电路中,PWM0~PWM3 为中央处理电路输出的3路PWM波,PWM0、1、2由IR2101的8in脚输入,HO脚输出控制功 率逆变电路中上半桥的三个高端功率开关管,而三路开关量D00、D01、D02由IR2101的 Lin脚输入,L0脚输出控制功率逆变电路中下半桥的三个低端功率开关管。

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图3-8(a) 驱动系统电路图

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图3-8(b) 驱动系统电路图

电路中,与IR2101的8脚相连的电容是自举电容,为IR2101内部的三路驱动高端功率 MOSFET器件的功率驱动器提供悬浮电源。D3与0.1uF的电容串联,要求它们具有足够的 反向耐压值,并且必须大于被驱动MOSFET器件工作的主电路中的峰值母线电压,同时为 了防止自举电容两端电压放电,并且满足主电路功率开关频率的要求,应选择高频快恢 复二极管。由于IR2101内部的驱动器输出阻抗较低,直接驱动舯S门功率器件,会引起 它的快速开通和关断,引起MOSFET器件漏源极间电压的震荡,为此在MOSFET器件的栅极 与IR2101的输出之间串联一个小电阻,如图3—8(a)中所示的R1、R2。另外,当功率 管处于关断状态时,电机电流通过开关管两端的续流二极管续流,当开关管导透时,续 流二极管通过其反向恢复状态脱离导通状态.这时出现一个尖峰电流,也会带来振荡和 射频干扰。 同样采用栅极电阻的方法可以减少尖峰电流。 栅极电阻增大, 开关时间变长, 开关损耗增加,但是尖峰电压和电流减少。
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第 4 章:基于 ADVISOR2002 软件的混合动力电动汽车仿真 随着汽车工业的发展,汽车在设计和制造都又了新的要求。更贴近实际的一些仿真 软件开始应运而生。其实,早在上个世纪七十年代就有很多国家开始研制电动汽车仿真 软件,到现在为止,汽车的仿真软件已经发展很多种类了,而且他们各有所长。其总结 起来有如下特点: 仿真模型采用模块化的思想设计开放仿真模型和源代码与其它多种软 件进行联合仿真通常电动汽车的仿真方法分为前向方法和后向方法电动汽车仿真软件 的仿真模型采用动态模型、稳态模型、准稳态模型和实验数据;实验图表相结合的设计 策略;智能化辅助设计功能;硬件在回路的实时仿真和快速原型功能;虚拟现实。 选择基于Windows环境的MATLAB软件作为仿真平台。采用标准的Windows操作系统的 GUI(图形用户界面)界面。目前国内较常用的有三种,即:ADVISOR仿真软件、PSAT仿真 软件和EVSIM仿真软件。 4.1:仿真软件简介 PSAT仿真软件为响应美国政府的新一代车辆合作计划(Partnership for a New Generation of Vehicles,简称PNGV),美国Argonne国家实验室(Argonne National Laboratory,简称ANL)开发了PSAT(PNGV System Analysis Toolkit,PNGV系统分析工 具包)软件。美国能源部将PSAT作为支持“Freedom CAR”和“Fuels Partnership”行 动的首选工具软件。PSAT是一种灵活的,并且可以反复使用的车辆模拟工具,是为了满 足对汽车系统建模和控制的需要而设计的。 EVSIM仿真软件是香港大学电动汽车国际研究中心的研究人员开发的一种电动汽车 仿真软件,该软件可用于电动汽车系统水平上的设计、仿真和优化,它是基于MATLAB的 Window版本的一种数学工具, 可用于求解一系列代表整车系统中各子系统之间相互作用 的方程。为了便于用户输入数据和处理数据,该系统采用交互式的图形用户界面。 ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator,高级车辆仿真器)是由美国可再生能源实验 室 NREL(National Renewable Energy Laboratory)在 MATLAB 和 SIMULINK 软件环境下开 发的高级车辆仿真软件。 该软件从 1994 年 11 月份开始开发和使用,最初是用来帮助美国能源部 DOE(Department of Energy)开发某混合动力汽车的动力系统,随后功能逐渐扩展,可以 对传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的各种性能作快速分析,是世界上能在网站上 免费下载和用户数量最多的汽车仿真软件。目前最新的免费版本是 ADVISOR2002,付费 版本为 ADVISOR2004, 由于该软件通过大量的实践被证实具有较好的实用性,现在世界上 许多生产企业、研究机构和高校都在使用该软件做汽车仿真方面的研究。 2003 年被其竞争对手年奥地利国李斯特内燃机及测试设备公司 AVL 收购了版权, 自此,AVL 公司停止了对 Advisor 的研发更新,全心研发和销售其 Cruise 软件。 ADVISOR 是 MATLAB 和 SIMULINK 软件环境下的一系列模型、 数据和脚本文件,它在给 定的道路循环条件下利用车辆各部分参数,能快速地分析传统汽车、纯电动汽车和混合 动力汽车的燃油经济性、动力性以及排放性等各种性能。此外,该软件的开放性也允许 对用户自定义的汽车模型和仿真策略做仿真分析。它主要有以下特点: 1)仿真模型采用模块化的思想设计。ADVISOR 软件分模块建立了发动机、离合器、 变速器、主减速器、车轮和车轴等部件的仿真模型,各个模块都有标准的数据输入/输出 端口,便于模块间进行数据传递,而且各总成模块都很容易扩充和修改,各模块也可以随
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意地组合使用,用户可以在现有模型的基础上根据需要对一些模块进行修改,然后重新 组装需要的汽车模型,这样会大大节省建模时间,提高建模效率。 2)仿真模型和源代码全部开放。ADVISOR2002 的仿真模型和源代码在全球范围内完 全公开,可以在网站上免费下载。用户可以方便地研究 ADVISOR 的仿真模型及其工作原 理,在此基础上根据需要修改或重建部分仿真模型、调整或重新设计控制策略,使之更接 近于实际情形,得出的仿真结果也会更合理。 3)采用了独特的混合仿真方法。现在的汽车仿真方法主要有前向仿真和后向仿真两 种,仿真软件也多采用其中的一种方法,使两种方法优劣不能互补,而 ADVISOR 采用了以 后向仿真为主、 前向仿真为辅的混合仿真方法,这样便较好地集成了两种方法的优点,即 使仿真计算量较小,运算速度较快,同时又保证了仿真结果的精度。 4)在 MATLAB 和 SIMULINK 软件环境下开发研制。 MATLAB 是世界上顶尖的可视化科学 计算与数学应用软件,其语法结构简单、数值计算高效、图形功能完备,集成了诸多专业 仿真工具包,而且它还提供了方便的应用程序接口(API),用户可以在 MATLAB 环境下直接 调用 C、Fortran 等语言编写的程序。MATLAB 内置的计算程序、专业的仿真工具以及与 其他应用程序的接口,会减少汽车模型的搭建和仿真计算过程中工作量,同时也方便了 熟悉不同编程语言的用户之间的合作。 5)能与其他多种软件进行联合仿真(Co-simulation)。汽车是一个复杂的系统,其仿 真更是涉及机械、电子、控制等多个领域,工作量很大,ADVISOR 软件开发过程中也难以 涉及所有领域,这样就限制了它一些功能的实现。但是 ADVISOR 设计了开放的软件接口, 能与 Saber、Simplorer、VisuaDOC、Sinda/Fluint 等软件进行联合仿真,为用户改进和 拓展其功能提供了方便。 虽然 ADVISOR 软件也有一些缺陷,例如,它的部件模型都是准静态的 (quasi-static),不能预测小于十分之一秒左右时间范围内的一些现象;机械振动、电磁 振荡等许多动态特性也不能通过 ADVISOR 软件进行仿真,但它的优越性仍然吸引了国内 外的众多用户。 4.2:混合动力电动汽车建模 ADVISOR 设计了车辆(vehicle)、发动机(Fuel Converter,燃料转换器),蓄电池 系统(Energy Storage System,能源储存系统)和电机系统(Motor)等多个部件的仿真模 型,每个仿真模型都有各自的部件数据文件,它们\Advisor2002\data 目录下的各自子 目录中。其中车辆的部件数据文件\ADVISOR2002\data\vehicle 目录中。 以下给出它的格式: Advisor 的文件系统包括四种类型的文件: 输入文件:输入文件是Mat lab 的脚本文件(*.m),又包括汽车描述文件和汽车部件 文件,它们在材泛mat lab 的工作空间中定义汽车各项参数以及各个部件参数,必要时 调用其他输入文件,以完成对汽车的定义。这些参数都将在仿真的计算过程中用到。例 如Prius:的汽车描述文件为VEH-PRIUS-JPN.m,它定义了汽车的质量、运行中的阻力系 数等等各项参数。再如汽车部件描述文件MC_AC83.m , ”WH-HEAVY.m ,FC-PRIUS-JPN.m 等。 模型文件:Simulink 模型文件(*mdl), 描述汽车的模型, 调用计算公式对输入计算, 得到输出结果。 输出文件:也是Matlab 的脚本文件(*m),对系统的计算结果进行处理,包括绘制成 的关系图表和错误检测。
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控制文件:对输入输出的处理,包括Advisor 的图形用户界面和优化程序等。 Advisor 定义的所有模型和数据文件都是以一个规定前缀(大写)加上下划线构成,在这 些文件中定义的变量引用相同的前缀(小写),在Simulink 的模型中则加上尖括号(<>)。 Advisor 的所有组件文件如下: ACC-*m-附加负载文件; CYC-*m-循环工况文件; ESS-*m-尾气处理装置数据文件; FC-*m-燃油转化装置数据文件; PTC_*m-传动系统数据文件(包括齿轮箱的gb_文件和最终驱动装置的fd-文件; MC_*m-驱动电动机及其控制器数据文件; PTC_*m-传动控制数据文件,包括发动机控制、离合器控制和混合系统控制策略; TC*m-转矩连接装置数据文件; VEH*m-汽车数据文件; 根据相关情况的具体需要,可以从以下的几个方面来具体去建立该系统模型的文 件。 1. 车身系统模块 车型 整车整备 风 阻 系 迎 风 面 重 心 轴 距 长宽高 质量 数(CD) 积(FA) 高 度 (L) (H) 比 亚 1560kg 0.3 2.2m*m 0.6m 2.6m 4.533m*1.705m*1.490m 迪 F3DM
表 4-1 车身系统模块参数

根据安装时 advisor 软件所存储的路径,在 ADVISOR2002\data 下找到原来已有 的车身文件,要求和所设计的汽车车身类型基本相近。复制原有车身文件,重命名后 并在此基础上面修改相关参数。主要修改部分后的.M 文件如下:

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注:1). 红色圈住的部分为主要参数修改部分。 2). the vehicle is 1560kg(整车整备质量 1560kg); veh_CD=0.3(车辆风阻系数 0.3); veh_FA=2.2(车辆迎风面积 2.2 平方米); veh_cg_height=0.6(车辆重心高 0.6 米); veh_wheelbase=2.6(车辆轴距 2.6 米); 2. 电机系统模块 电机类型 最大功率 最大扭矩 额定转速 无刷直流电机 75kw 140n.m 4000-4500rpm
表 4-2 电机系统模块参数

在 ADVISOR2002\data\motor 中根据功率, 扭矩和转速等找到需要的电机类型, 或者相近相似的电机类型。复制原有.M 文件电机模型文件程序,重命名后,在此 基础上面修改文件程序,如下:

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注:1). 红色圈住的部分为主要参数修改部分。 3. 蓄电池系统模块 电池类型 额定电压 电池容量 质量 铁锂电池 330V 60Ah 200kg
表 4-3 蓄电池系统模块参数

数量(块) 100

在 ADVISOR2002\data\energy_storage 中根据额定电压,电池容量和电池类
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型等找到需要的电机类型,或者相近相似的电机类型。复制原有.M 文件中电池模 型文件程序,重命名后,在此基础上面修改文件程序,如下:

注:1). 红色圈住的部分为主要参数修改部分。 4. 发动机系统模块 型号 排量 371QA 1.0L

最大功率 50km

最大扭矩 90n.m

最大转速 7500rpm

表 4-4 发动机系统模块

在 ADVISOR2002\data\ fuel_converter 中根据排量,最大功率和最大扭矩, 最大转速等找到需要的电机类型,或者相近相似的发动机类型。复制原有.M 文件 中发动机模型文件程序,重命名后,在此基础上面修改文件程序,如下:

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注:1). 红色圈住的部分为主要参数修改部分。

4.3:仿真参数设置 在前几章节已经明确提出了该车型的相关主要参数,现在在根据上述所修改的.M 文件设置仿真参数,步骤如下: 1)在 Matlab 软件环境下启动 ADVISOR(注:由于 ADVISOR2002 此版本只能适合在 Matlab7.0 以下成功运行, 所以在选择 Matlab 安装时也特别要注意)。 MATLAB 中输入 在 “>>ADVISOR”单击回车键,一般情况下就会出现如下界面:

图 4-1 ADVISOR2002 启动界面

上图就是 ADVISOR2002 软件的界面,点击选择“Metric” ,也就是把运行的环境设 置为公制。在点击“Start”按钮启动 ADVISOR2002。 2)成功启动 ADVISOR2002 后,会出现如下操作界面。根据上一节中修改的混合动 力汽车各部件模块系统的数.M 据文件,以“Vehicle”(车身)参数设置为例,单击 “Vehicle”按钮,选择就会出现一个对话框,让你选择你需要的汽车参数配置文件,
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也就是你刚修改过得.M 文件,选择确定后,该.M 文件就会被链接到该数据库中。

图 4-2 M 文件加载流程

其他的汽车参数类似地选择,完全选择完各个需要的汽车参数,完成设置,就会出 现如下界面。

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图 4-3 仿真界面参数设置图

根据已经修改的.M 文件,完成设置后,得到如上的界面,红色圈住的部分按编号依 次是:1 表示车身.M 模型的文件;2 表示发动机的.M 模型文件;3 表示尾气排放系统.M 文件; 表示电池.M 系统模型文件; 表示电机系统模型.M 文件; 表示变速系统模型.M 4 5 6 文件;7 表示车轮/轴距系统模型.M 文件;8 表示动力总成控制系统模型.M 文件。 3)完成汽车参数设置后,点击“Continue” ,进入仿真参数设置的界面。如下:

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图4-4 仿真初始设置界面

该页面的右上部分有一组三选一的单选按钮,分别对应‘Drive Cycle” “Multiple Cycles”和“Test procedure”。选中“Drive Cycle”后,可以在弹出的下拉菜单中 选择一种循环工况,这些工况包括: NEDC电动汽车循环工况;FTP美国环保署测试工况; ECE欧盟循环测试工况;UDDS美国城市道路工况等。 若要进行蓄电池充电量修正(SOC correction),可以同时设置要测试的循环次数, 缺省为一次。“Initial Conditions”按钮对起动时的状况进行设置。“cycle filter” 平滑循环工况的输出。“constant Road Grade”用一个恒定的坡度代替循环工况中的 坡度变化,本次研究设置恒定的坡度为零度。“Interactive Simulation”则允许进行 实时交互式仿真。 “Trip Builder”按钮允许将选定工况首尾相连进行测试。 “Multiple Cycles”保存包括了初始状况的设置信息,然后在同样的初始条件下,运行选中的各种 循环工况。若要运行多种工况测试时,选择该项将提高仿真速度。“Test Procedure” 恰当的将不同的工况按照某些规则组合起来进行测试,得到一个组合的燃油效率。选中 后将在页面左下方的对话框中详细描述。此外,还可选择加速和爬坡能力测试。若要观 察最多三个变量对汽车的影响,选择“Parametric study”,设置需要观察的变量的上 下限以及中间的数据点数,参数分析会对这些变量值构成的输入矩阵运行一系列的仿 真。单击“Elec.Aux.loads”按钮用来选择汽车的辅助电气设备,并设置它们的开关时 间仿真参数设置。 3)点击“Initial Conditions”后,进入如下界面,对该仿真的各项参数进行初 始的设置。初始设置中包括两项:爬坡能力测试(Gradeability test)和加速能力测 试(Acceleration test) 。 而初始设置“Grade Test”又包括“Test conditions”和“Solution conditions” 。

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图 4-5 爬坡能力测试条件设置界面

初始设置“Grade Test”包括“Test conditions”和“Solution conditions”两 种情况,分别表示测试的条件和测试方案条件。在测试条件下又包括基本参数(Basic Parameters) ,开关动力系统 (Enable/Disable Systems) 和质量参数 (Mass Parameters) 。 对于测试方案条件也包括了七个小项,在这里就不做一一介绍。 初始设置加速测试( Acceleration test)中,也包括两项:测试条件( Test Conditions)和测试结果(Test Results) 。加速测试条件和前面爬坡测试条件一样, 也包括三项内容,但具体到每个部分又略有差异。值得一提的是关于测试结果,此处的 结果并不是实验仿真的结果,只是对结果的形式进行约束,话句话说,想要得到一个什 么样的仿真结果可以在此设置。
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图 4-6 加速能力测试条件设置界面

比如:上图中就是系统就默认设置了三个速度段的加速时间,分别是从 0 加速到 96.6km/h,64.4km/h 加速到 96.6km/h,和 0 加速到 137km/h 各自所用的时间。当然, 也可以根据自己的需要设置适合自己的速度,不使用系统默认的速度段。

4. 4:仿真结果及分析 4.41 整体仿真结果 根据上一节的仿真设置界面,完成仿真所需要的各项初始设置。选择在某一具有代 表性的工况下仿真。本研究就选择在 UDDS 美国城市道路工况下仿真,其仿真结果如下:

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图4-7 整体仿真结果界面

上图是在UDDS美国城市道路工况下仿真的结果。总共大致可以分为七部分。在图中 第2部分,可以通过下拉菜单选择部件以及参数, 则第1部分的图形就会显示所选择的参数在仿真过程的变化过程。例如,第二部分 的第二个图形表示的就是电池SOC在仿真过程中的变化情况,途中的表示就是电池的SOC 从0.7降到0.65以下了。 图中的第3部分,显示仿真得到的整车燃油经济性数值。 图中的第4部分,显示仿真得到的各主要尾气排放物数量。 图中的第5部分,显示仿真得到的整车的动力性指标,如加速时间,最高车速等等。 图中的第6部分为警告信息框,显示仿真过程中的一些警告信息。 图中的第 7 部分为功能按钮,包括保存、后退、帮助以及退出等等。 尤其需要提出的是,这些所仿真出来的结果大部分都是通过前面的最初的设置,才 能得以在这边显示出来, 例如第 5 部分的加速时间测试的结果就和上一节加速时间的设 置相对应。

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图 4-8 仿真结果控制流程

可以通过“Components”下拉菜单选择不同的部件,上图中选择的是发动机部件 (fuel_converter)的相关仿真结果。点击旁边的“plot control” ,可以显示出左边 的对话框,在该对话框中间有“hold on”,“hold off”,“zoom on”,“zoom off”, 可以通过这些按钮来控制各“Components” (部件)的开关等。 4.42 油耗利用率仿真分析 下图是发动机的油耗情况和尾气排放情况:

图 4-9(a)燃料消耗量

图 4-9(b)汽车尾气的排放量

根据上图可以清楚的看到在仿真的 12km 内,消耗的燃油是 0.4L。简单的可以计算 出该车型的油耗大概在 3.3L/100km,和官方公布的数据差不多,远低于一般出租车。而 且图也显示出该车型的排放情况也能满足需求。这些都要得益于它的电动系统为省油, 节省能源做出的贡献。 点击上图的“Energy Use Figure”(能量使用图形),会得到该模型的能量使用情 况。该图形大致分为两个部分: “POWER MODE”和“REGEN MODE”,即“动力方式”和“再
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生方式” 。在右下角有个“overall system Efficiency”(整体系统使用效率)为 0.268。

图 4-10 能量利用分散图

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第 5 章:总结与展望 全球性的能源与环境问题促使各国汽车工业纷纷向着使用新能源、新动力方向发 展。混合动力电动汽车融合了传统燃油汽车和纯电动汽车的优点,具有良好的性价比, 以及在技术上是最容易实现的低排放和低油耗汽车,近年来引起了各大汽车公司的关 注,已成为当今各国汽车工业研究的首选节能型汽车。 纵观全文,本文以主要进行了以下一些研究工作: 第一,简单介绍了混合动力电动汽车发展历史及分类情况,并对以后的发展方向提 出了自己的看法。 第二,系统地阐述了混合动力电动出租车各总成部件参数,匹配原则和匹配方法, 并结合计算机仿真,完成了各主要参数的匹配。对匹配结果的分析表明,所匹配的参数 是比较合理的, 匹配完成的混合动力电动出租车相对于传统出租车车燃油经济性和动力 性都有很大程度的提高。以混联混合动力电动驱动系统开发为目的,详细讨论了驱动系 统的电路以及部分硬件方案设计。 第三,在MATLAB平台上开发了混合动力电动正向仿真软件advisor 2002,用于混合 动力电动驱动总成算法的计算机仿真。 本文研究的核心内容是混联混合动力电动出租车的一些关键的技术问题。在这些问 题的研究上,本文有仍然有一些创新点。 本文对并联式混合动力电动汽车进行了各模块的匹配研究,并在对其各子系统进行 分析研究的基础上利用ADVISOR软件对并联式混合动力电动汽车进行仿真研究,对其实 际工作状况进行仿真分析,得到其 动力性,燃油经济型以及混合动力电动汽车工作过程中个模块的工作情况。这样能够很 好的预测系统将来实际工作的性能,从而不但可以为事先灵活地调整设计方案,优化设 计参数提供依据,而且可以降低研究费用,缩短开发周期。通过本次仿真,得到了比较 符合实际的整车性能参数和特性。 仿真计算结果可以检验混合动力功能是否达到预先设计的程度,验证混合动力的控 制逻辑是否合适,这样反馈可以优化控制策略。仿真过程同样也是对油耗和动力性能计 算结果的优化,在仿真模型中,对整车模型和控制策略模型进行参数标定可以达到这一 目标。以实车的数据采集和分析作为仿真研究的基准和参考,仿真可以模拟或逼近某种 功能,也可以修改或优化某些功能,在降低油耗的同时保证动力性能。仿真计算结果表 明, 目前的控制策略实现了混合动力系统的控制目标, 在降低油耗的同时确保驾驶性能。 作者认为,在以后的混合动力电动汽车的研究应该集中在以下一些方面: 1. 我们汽车行业仍处于初级发展阶段,应该进一步详细研究国外混合动力电动的 最新技术情况,避免闭门造车。 2. 大力学习和开发相关汽车仿真软件,利用这些软件开发仿真模型,进行硬件在 回路仿真试验。 3. 如果有可能尽量装车,然后进行整车的试验。

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从这学期开始,经过几个月的忙碌和工作,本次毕业设计将接近尾声,也意味着我 的大学生活即将结束。 值得肯定的是,我在这次毕业设计中收获颇丰。但是由于缺乏经验和相关方面的知 识,难免有许多考虑不周全和不懂的地方,这就多亏了亲爱的肖平老师的悉心指导、精 心点拨和热忱鼓励,如果没有肖老师的督促指导也就没有我这篇论文,在此,我要向肖 老师深深地鞠上一躬!肖老师经常说一句话是:“我们课上是老师,课下是朋友”。从 本课题开始写《开题报告》到论文完成的整个研究过程中得到肖老师的悉心指导,也见 证了这样一位难得的朋友。 在本次论文撰写的过程中,和本专业汪敏同学一起探讨问题,收获也不少。同时感 谢电气学院的研究生王勇同学给我讲解了电动机以及相关知识,并就MATLAB中电动机模 型给我做了详细的说明解释;还有电气学院钱丹同学,在电机和驱动系统电路图方面给 我提供的帮助。在此,再次向两位同学表示我最深情的感谢。 在四年的学习生活中,离不开寝室各位室友的帮忙。虽然最后一段时间大家都比较 忙,但是还能够像往常一样,并没用去挥霍荒废,而是呆在寝室安心的做毕业设计,给 我营造了一个良好的学习氛围,衷心地感谢聂高法,周迟,邓雷文,闫光辉,黄凯五位 室友。 最后感谢我的家人,是他们一直对我无私奉献这,给予我大力的支持和理解,在我 遇到困境时总是无条件地呵护着我,才有了我今天顺利的毕业。 此致 敬礼 刘文庆 2013 年 6 月 6 日星期四于 17 栋 502 寝室

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参考文献 [1] 张卫青. 混合动力汽车的发展现状及其关键技术[J].重庆工学院院报, 2006 年第2 期. [2] 陈清泉, 孙逢春, 祝嘉光.现代电动汽车技术[M]. 北京:北京理工大学出版社, 2002 [3] 余志生.汽车理论(第四版)[M].北京:机械工业出版社,2006. [4] 钱立军,赵韩,鲁付俊.混合动力汽车传动系结构分析[J]. 合肥工业大学学报(自 然版),2003 年12 月. [5] 陈清泉,孙逢春编译.混合电动车辆基础[M],北京理工大学出版社, 2001.11. [6] 余晨光.混合动力电动汽车驱动系统参数优化匹配[D]. 硕士学位论文.武汉:武汉 理工大学,2002.04. [7] 肖平,混合动力电动汽车整车参数匹配与电机控制系统研究[D].硕士学位论文.合 肥:安徽农业大学,2007.06. [8] 肖平,冯能莲.混合动力摩托车用无刷直流电机驱动系统研究[J]。机电工程, 2010.04. [9] 张翔,赵韩,钱立军等,电动汽车仿真软件ADVISOR[J]. 汽车研究与开发,2003, 103(4):14—16. [10] 张翔,电动汽车建模与仿真的研究.合肥工大博士后研究工作报告[R],2004.4 [11] 方丹.混合动力电动汽车的系统设计与仿真[D]. 西北工业大学硕士论文,2004.3. [12] 梁龙, 张欣等. 混合动力电动汽车驱动系统的开发与应用[J], 汽车工程. 2001 年 02期. [13] 张铁臣.电动汽车动力性的仿真[D]. 河北工业大学硕士学位论文,2004.3. [14] 王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2004. [15] 李维波,Matlab在电气工程中的应用[M].北京:中国电力出版社,2007.08. [16] 林瑞星,电机与拖动基础[M].杭州:浙江大学出版社,2002.08. [17]Paul B Keenan,Daniel A McAdams. Load Leveling Device Selection for Electric Vehicles [J].SAE98ll30:77-83. [18] Michaels Panagiotiti, George Delagrmmaatikas and Dennis Asians. Development and use of are generative Braking Model for a Parallel Hybrid Electric Vehicles[J].SAE Technical Paper,2000,995(1):1-12. [19] Xiao ling He, Battery Modeling for HEV Simulation Model Development [J], SAE2001-01-0960, 2001. [20] 殷承良,浦金欢,混合动力汽车电池的性能要求和试验[M],中国电动汽车 [21] 朱元,韩晓东等,电动汽车动力电池 SOC预测技术研究[M],电源技术.2000 年究 与开发,2002. [22] 陈清泉,孙逢春等,现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社,2002. [23] 王大兴,岑艳等,混合动力电动公交车的技术问题研究[M],中国电动汽车研究与 开发,2002. [24] 陈晓东,何仁等,混合动力电动汽车性能仿真软件研究与开发[N],交通运输工程 学报,2002 年第一期. [25] HHONBR,PINNEKMAP B. The Autark Hybrid: A Universal Power Train Concept for Passenger Cars [M]. London: International Gearing Conference, 1994.253-258.
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附录 A:插图列表清单

图 1-1 图 1-2 图 1-3 图 1-4 图 3-1 图 3-2 图 3-3

串联式混合动力电动汽车驱动系统结构示意图 并联式混合动力电动汽车驱动系统结构示意图 混联式混合动力电动汽车驱动系统结构示意图 混联式混合动力电动汽车驱动系统结构示意图 直流电机 直流电机内部结构 无刷直流电机控制原理框图

图3-4 Simulink下电机封装模型 图3-5 Simulink下电机展开模型 图 3-6 无刷直流电机结构 图 3-7 无刷直流电机工作原理图 图3-8(a) 驱动系统电路图 图3-8(b) 驱动系统电路图 图 4-1 ADVISOR2002 启动界面 图 4-2 M 文件加载流程 图 4-3 仿真界面参数设置图 图4-4 仿真初始设置界面 图 4-5 爬坡能力测试条件设置界面 图 4-6 加速能力测试条件设置界面 图4-7 整体仿真结果界面 图 4-8 仿真结果控制流程 图 4-9(a)燃料消耗量 图 4-9(b)汽车尾气的排放量 图 4-10 能量利用分散图

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附录 B:插表列表清单

表 2-1 表 2-2 表 2-3 表 2-4 表 3-1 表 4-1 表 4-2 表 4-3 表 4-4

发动机主要参数??????????????????????????????? 电动机主要参数??????????????????????????????? 电池主要参数???????????????????????????????? 车身主要参数???????????????????????????????? 两款直流电机比较????????????????????????????? 车身系统模块参数?????????????????????????????? 电机系统模块参数?????????????????????????????? 蓄电池系统模块参数????????????????????????????? 发动机系统模块???????????????????????????????

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附录 C:外文文献及中文翻译

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汽车的发展 随着世界能源危机的持续, 以及战争和能源-----石油的消耗及汽车饱有量的增加, 能源在一天一天下降,终有一天它会消失的无影无踪。石油不是在生资源。所以必须在 石油耗净之前找到一种代替品。随着科技的发展社会的进步,有人发明了电动汽车。电 动汽车将成为人们最为理想的交通工具。 世界在各各方面的发展都取得丰硕成果,尤其是随着汽车电子技术和计算机以及发 展迅速的信息时代。电子控制技术在汽车上得到了广泛应用,汽车上应用的电子装置越 来越丰富,电子技术不仅用来改善和提高传统汽车电器的质量和性能,而且还提高了汽 车的动力性、燃油经济性、可靠性以及废气排放的净化性。汽车上广泛使用电子产品不 仅降低了成本,并且减少维护的复杂性。从发动机的燃油喷射点火装置、进气控制、废 气排放控制、故障自诊断到车身辅助装置都普遍采用了电子控制技术,可以说今后汽车 发展主要以机电一体化。 汽车上广泛采用的电子控制点火系统主要有电子控制燃油喷射 系统、电子控制点火系统、电子控制自动变速器、电子控制防滑(ABS/ASR)控制系统、 电子控制悬架系统、电子控制动力转向系统、车辆动力学控制系统、安全气囊系统、主 动安全带系统、电子控制自动空调系统、导航系统还有 GPS 等。有了这些系统汽车响应 敏捷,使用功能强,可靠性高,既保证发动机动力又降低燃油的消耗,而且又满足排放 法规的标准。 汽车是现代人必不可少的交通工具。而电动汽车给我们带来无限乐趣外还能给我们 劳累一天的身心得以放松。就拿自动变速器来说吧,汽车在行驶时,可以不踩离合器踏 板,就可以实现自动换档而发动机不会熄火,这样有效的提高驾驶方便性减轻驾驶员的 疲劳强度。自动变速器主要由液力变矩器、齿轮变速器、油泵、液压控制系统、电子控 制系统、油冷却系统等组成。电子控制的悬架主要是用来缓冲路面对车身的冲击力以及 减少振动保证汽车平顺性和操纵稳定性。当汽车行驶在不平坦的道路时汽车能能根据底 盘和路面高度自动调整。当车高比设置的高度低时,就向气室或油缸充气或充油。如果 是相反,就放气或泻油。从而保证汽车的水平行驶,提高行驶稳定性。可变力动力转向 系统因能显著改变驾驶员的工作效率和状态,所以在电动汽车上广泛使用。VDC 对汽车 性能有着至关重要的作用它能根据需要主动对车轮进行制动来改变汽车的运动状态,使 汽车达到最佳的行驶状态和操纵性能,并增加了汽车的附着性,控制性和稳定性。除了 这些之外 4WS、 4WD 的出现大大提高了电动汽车的价值与性能同步提升。 ABS 具有减少制 动距离并能保持转向操作能力有效提高行驶方向的稳定性同时减少轮胎的磨损。安全气 囊的出现在很大程序上保护了驾驶员和乘客的安全,大大降低汽车在碰撞时对驾驶员和 乘客的缓冲,以过到保护生命安全的目的。 智能电子技术在汽车上得以推广使得汽车在安全行驶和其它功能更上一层楼。通过 各种传感器实现自动驾驶。 除些之外智能汽车装备有多种传感器能充分感知交通设施及 环境的信息并能随时判断车辆及驾驶员是否处于危险之中, 具备自主寻路、 导航、 避撞、
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不停车收费等功能。有效提高运输过程中的安全,减少驾驶员的

操纵疲劳度,提高乘客的舒适度。当然蓄电池是电动汽车的关键,电动汽车用的蓄电池 主要有:铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、钠硫蓄电池、钠硫蓄电池、锂电池、锌― 空气电池、飞轮电池、燃料电池和太阳能电池等。在诸多种电池中,燃料电池是迄今为 止最有希望解决汽车能源短缺问题的动力源。燃料电池具有高效无污染的特性,不同于 其他蓄电池,其不需要充电,只要外部不断地供给燃料,就能连续稳定地发电。燃料电 池汽车(FCEV)具有可与内燃机汽车媲美的动力性能,在排放、燃油经济性方面明显优于 内燃机车辆。 随着计算机和电子产品不断开级换代,电动汽车技术也在日趋成熟与完善,使得驾 驶更安全、方便、灵活、舒适。现在,电动汽车离普通消费者的距离还很遥远,只有少 数人在赶赶时髦而已。电动汽车真正能够与传统的燃油汽车相竞争,今后汽车市场终会 被电动汽车和智能汽车所取代。这只是时间性的问题这一天终究会来到的。ABS、GPS、 4WS、4WD 以及各种新时代的电子产品与现代高性能汽车默契组合、绝妙搭配,带给我们 无与伦比的精准驾驶舒适性和行驶安全性。

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