电动汽车电控系统发展现状及其趋势.pdf

1、大 众 用 电 2 0 0 8 5 世 界 汽 车 工 业 发 展 到 今 天 无 论 从 生 产 技 术 规 模 经 济 效 益 等 各 方 面 来 看 都 取 得 了 巨 大 的 成 就 但 是 随 之 而 来 的 是 石 油 能 源 的 逐 渐 趋 于 枯 竭 环 境 污 染 日 益 严 重 和 全 球 温 室 效 应 这 些 都 是 全 人 类 的 公 害 为 此 节 省 能 源 低 排 放 甚 至 是 零 排 放 的 电 动 汽 车 成 为 了 有 效 的 解 决 手 段 近 几 十 年 来 世 界 各 国 政 府 以 及 各 大 汽 车 制 造 商 都 在 汽 车 新 能 源 汽

2、车 新 动 力 以 及 新 型 电 动 汽 车 方 面 做 了 不 少 研 究 也 开 发 出 了 很 多 成 功 的 产 品 在 电 动 汽 车 方 面 研 究 工 作 主 要 涉 及 纯 电 动 汽 车 混 合 动 力 汽 车 以 及 燃 料 电 池 汽 车 其 中 纯 电 动 汽 车 是 研 究 最 早 的 技 术 但 是 电 池 技 术 以 及 成 本 问 题 成 为 其 产 业 化 的 障 碍 燃 料 电 池 汽 车 尤 其 是 立 足 于 氢 能 基 础 上 的 燃 料 电 池 汽 车 正 在 成 为 电 动 汽 车 研 发 的 新 热 点 但 技 术 尚 不 成 熟 在 这 种

3、背 景 下 混 合 动 力 汽 车 作 为 一 种 过 渡 技 术 被 世 界 各 国 尤 其 是 美 日 等 国 加 以 研 究 我 国 政 府 及 各 大 汽 车 生 产 商 也 在 加 大 混 合 动 力 汽 车 的 研 发 力 度 电 动 汽 车 的 研 发 中 存 在 几 个 关 键 技 术 如 电 池 技 术 电 机 驱 动 及 其 控 制 技 术 电 动 汽 车 整 车 技 术 电 控 技 术 等 本 文 主 要 就 电 动 汽 车 电 控 技 术 的 发 展 现 状 及 趋 势 作 简 要 分 析 1 电 动 汽 车 电 控 技 术 简 介 电 控 系 统 是 电 动 汽 车

4、的 大 脑 由 各 个 子 系 统 构 成 每 一 个 子 系 统 一 般 由 传 感 器 信 号 处 理 电 路 电 控 单 元 控 制 策 略 执 行 机 构 自 诊 断 电 路 和 指 示 灯 组 成 在 不 同 类 型 的 电 动 汽 车 上 电 控 系 统 存 在 一 些 区 别 但 总 体 来 说 一 般 都 包 括 能 量 管 理 系 统 再 生 制 动 控 制 系 统 电 机 驱 动 控 制 系 统 电 动 助 力 转 向 控 制 系 统 以 及 动 力 总 成 控 制 系 统 等 各 个 子 系 统 功 能 不 是 简 单 的 叠 加 而 是 综 合 各 子 系 统 功 能

5、来 控 制 电 动 汽 车 2 能 量 管 理 系 统 能 量 管 理 系 统 是 多 能 源 电 动 汽 车 的 核 心 它 由 3 部 分 组 成 功 率 分 配 功 率 限 制 和 充 电 控 制 其 工 作 原 理 可 以 简 单 归 纳 为 由 电 子 控 制 单 元 根 据 数 据 采 集 电 路 采 集 到 的 电 池 状 态 信 息 以 及 其 它 相 关 信 息 进 行 数 据 分 析 和 处 理 并 形 成 最 终 的 指 令 和 信 息 发 送 到 相 应 的 功 能 模 块 它 所 完 成 的 功 能 包 括 维 持 电 动 车 所 有 蓄 电 池 组 件 的 工 作

6、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 的 显 示 与 电 机 控 制 技 术 相 比 能 量 管 理 技 术 还 不 是 很 成 熟 如 何 实 现 无 损 电 池 的 充 电 监 控 电 池 的 充 放 电 状 态 避 免 过 充 电 现 象 并 对 电 池 实 行 定 期 的 实 时 的 检 测 诊 断 和 维 护 最 大 限 度 地 保 证 电 池 的 正 常 可 靠 的 运 行 是 很 多 学 者 正 在 研 究 的 方 向 而 在 能 量 管 理

7、系 统 中 数 据 采 集 模 块 的 可 靠 性 剩 余 能 量 估 算 模 块 的 精 度 安 全 管 理 模 块 等 方 面 有 待 进 一 步 提 高 3 再 生 制 动 控 制 系 统 传 统 汽 车 的 制 动 过 程 多 依 靠 摩 擦 的 方 式 消 耗 车 辆 行 驶 的 动 能 而 降 低 车 速 其 制 动 能 量 转 化 为 热 能 散 发 到 周 围 环 境 中 去 而 电 动 汽 车 在 制 动 时 可 以 将 牵 引 电 机 转 换 为 发 电 机 依 靠 车 轮 拖 动 电 机 产 生 电 能 和 车 轮 制 动 力 矩 从 而 在 减 缓 汽 车 速 度 的

8、同 时 将 部 分 动 能 转 化 为 电 能 储 存 起 来 回 收 了 能 量 提 高 了 汽 车 的 续 航 里 程 一 般 而 言 电 动 汽 车 制 动 能 量 回 馈 系 统 的 原 理 如 附 图 所 示 再 生 制 动 能 量 回 馈 系 统 的 研 究 是 电 动 汽 车 开 发 中 的 一 个 重 要 环 节 其 设 计 开 发 需 要 综 合 考 虑 汽 车 动 力 学 特 性 电 机 发 电 特 性 电 池 安 全 保 证 与 充 放 电 特 性 等 多 方 面 的 问 题 采 用 再 生 制 动 技 术 需 要 满 足 2 个 要 求 1 要 满 足 制 动 效 能

9、制 动 效 能 恒 定 性 制 动 时 汽 车 的 方 向 稳 定 性 以 及 最 大 限 湖 南 大 学 汽 车 车 身 先 进 设 计 制 造 国 家 重 点 实 验 室 余 群 明 石 小 波 王 雄 波 杨 振 东 电 动 汽 车 技 术 5 电 动 汽 车 电 控 系 统 发 展 现 状 及 其 趋 势 充 电 系 统 回 馈 发 电 控 制 系 统 汽 车 运 行 工 况 刹 车 制 动 下 坡 滑 行 高 低 速 运 行 动 力 电 池 组 逆 变 器 及 电 机 驱 动 系 统 电 动 机 发 电 机 附 图 电 动 汽 车 制 动 能 量 回 馈 系 统 原 理 图 3 6

10、E x p e r t s P l a t f o r m专 家 讲 堂 栏 目 编 辑 梁 学 造 大 众 用 电 2 0 0 8 5 度 地 提 高 制 动 能 量 的 回 收 程 度 2 要 满 足 司 机 操 作 的 习 惯 舒 适 性 能 的 要 求 而 这 些 性 能 的 满 足 主 要 依 赖 于 合 理 设 计 能 量 管 理 系 统 以 及 系 统 的 控 制 策 略 控 制 策 略 方 面 的 3 种 典 型 控 制 策 略 有 并 行 制 动 系 统 控 制 策 略 最 佳 制 动 能 量 回 收 控 制 策 略 以 及 理 想 制 动 力 分 配 控 制 策 略 其 中

11、 并 行 制 动 系 统 控 制 策 略 是 在 传 统 汽 车 制 动 系 统 的 基 础 上 加 入 电 机 制 动 其 驱 动 轴 在 制 动 时 是 采 用 机 械 制 动 系 统 与 再 生 制 动 系 统 联 合 制 动 最 佳 制 动 能 量 回 收 控 制 策 略 是 在 保 证 制 动 要 求 的 前 提 下 最 大 限 度 地 回 收 制 动 能 量 理 想 制 动 力 分 配 控 制 策 略 是 在 保 证 最 佳 制 动 性 能 的 前 提 下 尽 量 回 收 制 动 能 量 这 3 种 控 制 策 略 中 并 行 制 动 系 统 控 制 策 略 较 简 单 另 2 种

12、 比 较 复 杂 而 且 要 求 精 确 的 计 算 和 控 制 总 体 来 说 国 内 关 于 制 动 能 量 回 收 的 研 究 还 处 在 初 级 阶 段 如 何 设 计 更 加 合 理 的 系 统 及 其 控 制 策 略 以 满 足 制 动 要 求 和 人 性 化 要 求 使 再 生 制 动 与 电 动 汽 车 性 能 匹 配 更 加 优 化 将 成 为 电 动 汽 车 研 究 的 重 要 方 向 4 电 机 驱 动 控 制 系 统 电 机 驱 动 控 制 系 统 的 好 坏 关 系 着 电 动 汽 车 能 否 安 全 可 靠 地 运 行 电 机 驱 动 系 统 主 要 由 电 机 电

13、 力 电 子 变 流 器 数 字 控 制 器 和 传 感 器 等 几 个 核 心 部 分 组 成 其 中 电 机 的 使 用 具 体 情 况 可 以 参 见 附 表 从 附 表 可 以 看 出 目 前 电 动 汽 车 电 机 驱 动 系 统 中 主 要 采 用 感 应 电 机 永 磁 同 步 电 机 和 开 关 磁 阻 电 机 电 机 驱 动 控 制 系 统 由 电 力 电 子 逆 变 器 向 I G B T 集 成 模 块 发 展 传 感 器 向 集 成 智 能 传 感 器 发 展 在 电 机 的 控 制 方 法 方 面 传 统 的 控 制 方 法 是 直 流 电 机 的 励 磁 控 制 法

14、 与 电 枢 电 压 控 制 法 开 关 磁 阻 电 动 机 的 角 度 位 置 控 制 电 流 斩 波 控 制 以 及 电 压 控 制 感 应 电 机 主 要 有 V F 控 制 转 差 频 率 控 制 矢 量 控 制 和 直 接 转 矩 控 制 等 等 近 几 年 来 出 现 了 许 多 先 进 的 控 制 方 法 包 括 自 适 应 控 制 变 结 构 控 制 模 糊 控 制 和 神 经 网 络 控 制 闭 环 控 制 鲁 棒 控 制 滑 模 控 制 专 家 系 统 模 型 参 考 自 适 应 控 制 非 耦 合 控 制 交 叉 耦 合 控 制 以 及 协 调 控 制 等 都 适 用 于

15、 电 机 驱 动 5 电 动 助 力 转 向 系 统 电 动 助 力 转 向 系 统 通 常 由 传 感 器 电 子 控 制 单 元 电 动 机 电 磁 离 合 器 和 减 速 机 构 等 组 成 其 工 作 原 理 是 电 子 控 制 单 元 根 据 转 向 盘 的 输 入 力 矩 转 动 方 向 以 及 汽 车 速 度 等 信 号 决 定 电 动 机 的 旋 转 方 向 和 助 力 电 流 的 大 小 并 将 指 令 传 递 给 电 动 机 通 过 离 合 器 和 减 速 机 构 将 辅 助 动 力 施 加 到 转 向 系 统 中 从 而 完 成 实 时 控 制 的 助 力 转 向 日 本

16、 是 进 行 电 动 助 力 转 向 系 统 开 发 最 早 的 国 家 欧 美 国 家 其 次 而 我 国 相 对 较 晚 现 今 电 动 助 力 转 向 系 统 日 趋 完 善 在 降 低 自 重 减 少 生 产 成 本 控 制 系 统 发 热 电 流 消 耗 内 部 摩 擦 与 整 车 进 行 匹 配 获 得 合 理 的 助 力 特 性 以 及 保 证 良 好 的 路 感 方 面 取 得 了 重 大 的 进 步 电 动 助 力 转 向 系 统 的 进 一 步 发 展 一 方 面 需 要 开 发 可 靠 性 高 成 本 低 的 传 感 器 另 一 方 面 需 要 开 发 满 足 助 力 要

17、 求 驾 驶 员 舒 适 性 要 求 以 及 低 成 本 的 助 力 电 机 而 可 靠 性 高 低 成 本 高 效 率 以 及 高 功 率 的 直 流 无 刷 电 机 是 今 后 助 力 电 机 的 研 究 方 向 此 外 如 何 设 计 合 理 的 控 制 策 略 以 保 证 电 动 助 力 转 向 系 统 的 动 态 性 能 稳 定 性 能 以 及 可 靠 性 保 证 驾 驶 员 获 得 良 好 的 路 感 使 系 统 能 与 整 车 上 其 他 控 制 子 系 统 相 互 通 信 协 调 以 实 现 整 车 综 合 控 制 是 今 后 研 究 的 重 点 而 更 多 的 先 进 控 制

18、 策 略 如 人 工 智 能 控 制 方 法 将 应 用 于 电 动 助 力 转 向 系 统 的 控 制 中 6 动 力 总 成 控 制 系 统 动 力 总 成 控 制 系 统 包 括 动 力 总 成 控 制 单 元 发 动 机 电 控 单 元 电 机 控 制 器 A M T 控 制 器 及 动 力 电 池 管 理 系 统 其 中 动 力 总 成 控 制 单 元 用 以 确 定 发 动 机 与 电 动 机 输 出 功 率 的 比 例 以 满 足 汽 车 的 动 力 性 能 经 济 性 排 放 性 等 性 能 指 标 保 证 换 档 操 作 过 程 的 平 顺 性 多 能 源 动 力 总 成 控

19、 制 单 元 的 研 究 成 为 近 年 来 电 动 汽 车 技 术 发 展 和 产 业 进 程 中 的 重 要 研 究 开 发 方 向 在 这 方 面 国 外 已 开 发 出 了 不 少 成 熟 的 动 力 总 成 控 制 器 我 国 尚 处 于 起 步 阶 段 而 动 力 系 统 结 构 控 制 策 略 和 控 制 逻 辑 的 研 究 将 成 为 动 力 总 成 控 制 单 元 的 重 点 7 结 束 语 世 界 各 国 都 在 大 力 研 究 电 动 汽 车 技 术 作 为 电 动 汽 车 技 术 核 心 的 电 控 系 统 仍 然 是 研 究 的 重 点 我 国 虽 然 起 步 稍 晚

20、 但 只 要 抓 住 机 遇 加 大 电 动 汽 车 关 键 技 术 包 括 电 动 汽 车 电 控 系 统 的 研 发 力 度 就 有 可 能 在 世 界 汽 车 工 业 新 一 轮 竞 争 中 取 得 领 先 地 位 使 我 国 汽 车 工 业 得 到 长 远 发 展 附 表 国 内 外 电 动 汽 车 电 机 使 用 具 体 情 况 研 发 单 位 第 一 汽 车 集 团 公 司 美 国 电 动 车 亚 洲 公 司 汕 头 国 家 电 动 汽 车 试 验 示 范 区 天 津 清 源 电 动 车 辆 有 限 公 司 东 风 电 动 车 辆 股 份 有 限 公 司 一 汽 集 团 湘 潭 电

21、 机 股 份 有 限 公 司 株 洲 时 代 集 团 公 司 日 野 汽 车 丰 田 三 菱 本 田 通 用 戴 姆 勒 克 赖 斯 勒 电 动 车 类 型 混 合 动 力 轿 车 C A 7 1 8 O A E Q Y 6 7 2 0 H E V 混 合 动 力 客 车 E Q 6 1 1 0 H E V 混 合 动 力 客 车 解 放 牌 C A 6 1 0 0 S H 8 混 合 动 力 客 车 X D 6 1 2 0 混 合 动 力 电 动 城 市 客 车 T E G 6 1 1 2 0 C K H E V 混 合 动 力 公 交 车 混 合 动 力 汽 车 H I M R C o a

22、 s t e r 混 合 动 力 车 丰 田 P r i u s 串 联 式 C a n t e r 混 合 动 力 车 I n s i g h t C i v i c H y b r i d A c c o r d H y b r i d P r e c e p t E S X 3 电 机 类 型 直 流 电 机 交 流 电 机 开 关 磁 阻 电 机 交 流 异 步 感 应 电 机 变 频 调 速 感 应 异 步 电 动 发 电 机 三 相 交 流 异 步 电 机 三 相 交 流 电 机 交 流 感 应 电 机 永 磁 同 步 交 流 电 动 机 交 流 感 应 电 机 薄 型 D C 无 刷 电 机 交 流 电 机 直 流 永 磁 无 刷 电 机 3 7 专 家 讲 堂E x p e r t s P l a t f o r m 栏 目 编 辑 梁 学 造