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纯电动中型城市客车总体设计及技术研究
分类号:U46；U27 18硕士学位论文纯电动中型城市客车总体设计及技术研究王 芳导师姓名职称 申请学位级别 论文提交日期 学位授予单位 答辩委员会主席 学位论文评阅人 工学硕士 2008 年 5 月 16 日马建教授 车辆工程 2008 年 5 月 28 日学科专业名称 论文答辩日期 长安大学 余强 刘晶郁 朝承斌教授 教授 高工Pure electric medium-sized city bus design and technology researchA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate：Wang FangSupervisor：Prof. Ma JianChang’an University, Xi’an, China论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：年月日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 （保密的论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名： 导 师 签 名：年 年月 月日 日摘要随着能源问题和环境问题的日益突出， 现有车辆使用的动力方式已经不能很好的适 应未来社会发展的需要。为此，电动汽车的发展得到了广泛的关注，各种类型的电动汽 车也在研究和开发之中。 本研究的目的就是为了积累电动客车相关方面的技术， 主要对电动汽车进行了总体 设计研究，其中包括：分析了部分电动机的优缺点，选择永磁直流电动机作为动力源； 对电动汽车的动力性进行了分析，通过最高车速、最大爬坡度和加速时间校核了电动机 的性能；介绍了部分蓄电池的性能特点，选择铅酸蓄电池作为能量源；对电动机的控制 策略进行了研究，并选择 LPC2119 为主控机，由 IGBT 组成 PWM 变换电路，设计了电 动机的控制系统和软件工作流程；提出蓄电池管理系统总体结构和各部分功能，并对蓄 电池组电压、电流、温度和均衡充放电模块进行了总体设计研究；分析了 SOC 的影响 因素和目前常用的计算方法，以 Peukert-安时法为基础设计了本研究的 SOC 计算方法， 同时设计了计算流程，并对温度、自放电、老化等进行了分析说明；对整车再生制动的 结构和控制进行了设计研究；讨论了电动汽车电动机及传动系统的结构和布置方案，设 计了蓄电池组的布置位置和安放结构，同时对油门、制动系统、电气连接、电动机冷却 系统进行了初步改装设计。关键词：纯电动汽车，电动机控制系统，蓄电池管理系统，SOC，再生制动，改装 设计，永磁直流电动iAbstractBeing more and more serious along with the energy problems and the environment problems, the motive method of the existing vehicle used can't satisfy the demand of thesocial development in the future .For this, the development of EV gotten an extensive concern, various types of EV is also being in the research and the development.The purpose of this research is to accumulated electric bus techniques.This research mainly carried on a total design to the electric passenger car, the works are as follow:I analyzed the merit and shortcoming of some electric motors, and choosed the permanence magnet DC motor to analyzed the motive of the electric passenger car, examine the performance ointroduced the function characteristics of some storage batteries, and choosed the Lead-acid storage battery to study the control strategy of the electric motor, and choose the LPC2119 to be main controller, and constituted the PWM transformation electric circuit by the IGBT, designed the control system of the electric motor and fput forward total structure of the storage battery management system and each parts of functions, and carried on a design and ranalyzed SOC influenceing factors, introduced some in common used calculational methods, has designed this research SOC calculational method take the Peukert-Anne hour law as the foundation, designed a calculational process in the meantime, and analyzed the influence of the temperature, local action ,aging etc.;designed the structure and the control of the regener discussed electric motor and transmission to equip of constitute and the decoration project, designed the decoration position of the storage battery set and install structure, in the meantime first step to design a refit project of the gun, the brake system,electricity conjunction,the electric motor cooling system to carry on.Keyword: EV， motor drive system， battery management system，SOC， regenerative braking， refit， permanence magnet DC motorii目录第一章 绪论.................................................................................................................................................. 11.1 普通汽车带来的问题.......................................................................................................................... 1 1.2 电动汽车的优点 ................................................................................................................................... 2 1.3 国内外电动汽车的发展 ..................................................................................................................... 2 1.4 本研究背景............................................................................................................................................. 6 1.5 本研究的主要工作 .............................................................................................................................. 8第二章 电动汽车电机与蓄电池 ................................................................................................... 112.1 电动汽车电机技术........................................................................................................ 11 2.2 本研究用电机................................................................................................................13 2.3 电机性能的匹配计算....................................................................................................14 2.4 蓄电池技术....................................................................................................................18 2.5 本研究用蓄电池 ................................................................................................................................ 20第三章 电机驱动控制策略及控制系统设计研究 ........................................................... 233.1 电机电流控制研究 ........................................................................................................................... 23 3.2 电动机控制系统硬件设计 ............................................................................................................. 29 3.3 电机控制系统流程设计研究 ........................................................................................................ 34第四章 蓄电池管理系统设计研究............................................................................................. 394.1 蓄电池管理系统功能....................................................................................................................... 39 4.2 蓄电池管理系统总体设计 ............................................................................................................. 39 4.3 蓄电池组检测方法 ........................................................................................................................... 41 4.4 电压温度检测模块设计 .................................................................................................................. 42 4.5 电流检测模块设计 ........................................................................................................................... 45 4.6 蓄电池组的均衡充放电设计研究 ............................................................................................... 47第五章 剩余容量计算与整车再生制动研究 ...................................................................... 495.1 剩余容量计算研究........................................................................................................49iii5.2 整车再生制动研究 ....................................................................................................... 56第六章 电动汽车改装设计研究 .................................................................................................. 636.1 改装布置设计注意事项 .................................................................................................................. 63 6.2 电机与传动系统结构布置设计 .................................................................................................... 63 6.3 蓄电池组的布置及安装设计......................................................................................................... 65 6.4 车辆其他部分改装设计 .................................................................................................................. 69第七章 总结与展望 .............................................................................................................................. 737.1 总结 ........................................................................................................................................................ 73 7.2 展望 ........................................................................................................................................................ 73参考文献 ....................................................................................................................................................... 75 攻读硕士学位期间论文发表情况 ............................................................................................... 79 致谢 .................................................................................................................................................................. 80iv第一章 绪论1.1 普通汽车带来的问题在当今社会，汽车的应用已经变得非常广泛，社会建设和发展的方方面面都离不开 对汽车的依赖。 甚至在一定程度上， 一个国家的发展程度， 可以从汽车的拥有量来衡量。 世界上最发达的国家――美国，就是一个被喻为架在车轮上的国家。由此可见汽车对于 现在社会是多么的重要。 但是， 伴随着汽车带给我们许许多多好处的同时， 汽车也给我们带来了巨大的挑战。 目前，全世界都在面临两大难题――环境污染和石油资源减少。现在使用的大部分汽车 仍然在以内燃机为主要的动力源， 使用的汽油和柴油在燃烧过程中会产生大量的一氧化 碳、二氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、二氧化硫、铅化物等有害物质，对人体健康 造成巨大的损害。科学显示，当空气中的一氧化碳浓度超过百分之一时，可使人眩晕、 头痛、胸闷、咳嗽、失眠，乃至记忆力衰退；尾气中的氮氧化合物会产生酸雨；尾气还 会在特定情况下形成光化学烟雾[01,62]。由于我国汽车排放控制水平低于欧美等发达国 家，同时我国的机动车辆保有数量大，加之城市交通拥堵和人口集中度高等，使得我国 城市汽车尾气污染严重。广州市空气污染的主要来源是： 机动车尾气占 22％ ，工业污 染源占 20.4％ ， 建筑工地扬尘占 19.2％， 汽车尾气被市民评为 “最不可忍受的污染物” ； 位列我国第一批环保模范城的深圳市，大气污染中机动车尾气污染已占 70％ ，每年排 放的各种有害物质达 20 多万吨，并且还在以每年超过 20％的速度上升[02]。 目前汽车所需要的能源几乎全部来自于石油制品。随着社会的发展，汽车的年产量 和保有量增长迅速，所需要的石油制品量也越来越大。根据相关资料，汽车的能源消耗 量占到了石油消费的 50%，50 年后，世界人口将从 60 亿增加到 100 亿，汽车的数量也 将从 7 亿辆增加 25 亿辆；目前我国的汽车保有量为每 1000 人 14 辆，50 年后将达到每 1000 人 188 辆，那时候，我国的汽车拥有量也将超过 4 亿辆，汽车数量的增加将使得石 油消费量剧增。从 1993 年开始我国成为能源净进口国，其中每年石油进口量递增 1000 万吨左右，而且呈逐年加大的趋势。到 2000 年，我国进口石油 7000 多万吨，2004 年进 口原油 1.2 亿吨，预计到 2010 年石油总需求规模将达到 3.5-3.8 亿吨，石油进口依存度 将达到 51.4%-52.6%[03,04,64]。11.2 电动汽车的优点电动汽车，英文为 Electric Vehicle，缩写 EV。电动汽车是一种电力驱动的道路交通 工具。它包括蓄电池电动汽车（BEV） 、混合动力电动汽车（HEV）和燃料电池电动汽 车（FCEV） 。它相比较于燃油汽车有其突出的特点： ①污染气体排放少。混合动力电动汽车比普通燃油汽车的有害物质排放量大大减 少，燃料电池和蓄电池电动汽车则在使用中基本上不排放有害气体。在能量转换方面， 电能也比直接燃烧燃油更清洁。根据美国加州空气资源委员会的统计，在洛衫矶地区广 泛的使用电动汽车后，可降低碳氢化合物 98%，一氧化碳可降低 99%，二氧化碳也有大 幅度降低[05]。 ②能量利用效率高，可实现能源多样化。电动汽车在能量利用率方面比燃油汽车要 高， 在使用中短时间停车可以不用消耗能量， 同时电动汽车还可以对制动能量进行回收， 给蓄电池进行充电，从而提高了电动汽车的能量利用效率，延长续驶里程。另一方面， 电动汽车的能源可以由发电厂提供电能给蓄电池充电或者是氢气和氧气在燃料电池中 产生电而获得，给蓄电池充电的电能也可通过水能、风能、核能、太阳能、热能、潮汐 能、天然气、可燃冰等来获得，使得能源多样化，减少对石油的依赖程度，提高国家能 源安全和国家经济安全。 ③排放的废弃热量少。普通内燃机汽车在运行时排出大量废热气，导致环境温度升 高，进一步对大城市的“热岛效应”产生影响。电动汽车排出热气量少或者根本就没有 热气排出，可以减轻城市的“热岛效应” 。 ④噪声低。电动机运行时的噪声要比内燃机小得多，所以电动汽车工作时比普通汽 车安静。 ⑤可以改变传统汽车结构。由于电动机的小型化，可以布置在车身的许多部位，从 而实现不同的车身结构，满足新使用要求和外型要求。传统汽车由于发动机的限制而无 法满足这些要求。1.3 国内外电动汽车的发展上世纪 80 年代以来，特别是近十几年，现代计算机技术、相关设计软件、微电子 技术、新材料技术、控制理论、电子电力等技术的飞速发展，给电动汽车的发展提供了2坚实的基础。各国政府都出台了电动汽车发展政策，大力推动其发展。各研究机构和公 司也在各种场合里展示了各自开发的电动汽车概念车，提出了一些新的构思和理念，在 实用方面也取得了一定的进展，一些车型已经批量生产投入实用。 1.3.1 国外电动汽车发展 美国 1991 年美国三大汽车公司通用、福特、戴姆勒-克莱斯勒成立了先进电池联合体 （USABC） ，合作研究电动汽车用动力蓄电池。同年 10 月美国电力研究院（EPRI）也 参加了先进电池联合体来参与电动汽车的开发。 1993 年， 美国政府推行新一代汽车伙伴 计划 PNGV（Partnership for New Generation of Vehicle）计划，制定了三大目标：①改善 和增强美国汽车制造商的竞争力；②将具有商业可行性的新技术应用到传统车辆上；③ 开发出三倍于现有车辆燃油效率的新一代车辆。 2001 年 5 月， 小布什政府发表的题为 《国 家能源计划》的国情咨文中关于“氢燃料电池的报告”一文中明确要求大力发展电动汽 车用燃料电池， 为此， 2001 年 1 月美国能源部长在底特律国际车展上首次宣布了 Freedom CAR 计划，2003 年财政年度拨款 15.3 亿美元用于该计划。2004 年 12 月，通用汽车公 司与戴姆勒-克莱斯勒汽车公司对外宣布，双方将在开发混合动力电动汽车的技术领域 携手，共同推进此项技术的发展。美国政府和各大公司的努力取得了大量成果：福特公 司推出了 Prodigy(天才)概念车、P2000，通用公司推出了 Precept、EV1、EV2，克莱斯 勒有 ESX3 等车型[06,07,09,51,52,65]。 欧洲 法国政府鼓励开发电动汽车和充分利用电力资源，在政策上给予大力支持，为开发 电动汽车提供资助。法国政府、法国电力公司、标志-雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司 共同承担开发和推广电动汽车的协议，共同出资组建了电动汽车的电池公司，和 SAFT 公司共同研究和开发高能电池。标致-雪铁龙汽车公司生产的电动汽车已经在巴黎和波 尔多等地投入实用。 德国政府十分重视环境保护，投入大量资金用于电动汽车的研究与应用。德国政府 指定奔驰汽车公司和大众汽车公司合资建立德国汽车工业有限公司的科技研发机构。 1992 年德国政府拨款 2200 万马克，在 Rugen 岛建立欧洲电动汽车试验基地。在具体车 型上，宝马公司研发了氢动力的宝马 7 系轿车，奔驰公司在其的 S、C、ML、A 级车的3基础上推出混合动力和纯电动车。 同时，欧盟也制定了一些与电动汽车及其能源有关的发展计划：FP（Framework Programme)系列计划、欧盟燃料电池研究发展示范计划、欧盟燃料电池巴士示范计划和 欧洲电动汽车城市运输系统（ELCIDIS）计划等[06,51,52]。 日本 1991 年日本通产省制定了“第三界电动汽车普及计划” 。2001 年 5 月，在小泉首相 倡导下，日本政府制定了“低公害车开发普及行动计划” ，并在积极推行这一综合性的 行动计划。该计划包括了燃料电池电动汽车的开发。 年，日本经济产业省负 责实施了日本氢燃料电池示范工程（Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project） 。 据报道，日本为燃料电池汽车设定的日标是 2010 年之前在日本国内普及 5 万辆。日本 三大汽车公司丰田汽车公司、 本田汽车公司和日产汽车公司也投入大量人力物力进行电 动汽车的研究和普及， 在实用方面走在了世界的前列。 例如， 丰田公司的 Prius1、 Prius2、 RAV4-EV，本田公司的 Insight，日产公司的 Avenir HEV、Tino HEV 等[06,07,09]。 除了美国、欧洲和日本外，印度也在积极的推动电动汽车的研究发展。2001 年印度 推出了 Reva 电动汽车，该车装有一台 13kw 的他励直流电机，最高车速为 65km/h，一 次充电可行驶 80km。表 1.1 给出了部分国外电动汽车的技术参数。表 1.1 生产厂商 车型 电动机 蓄电池类型 蓄电池容量 Ah 最高车速 Km/h 一次充电续驶 里程（km） 通用 EV-1 交流感应 铅酸 55 部分国外电动汽车技术参数 克莱斯勒 EPIC 交流感应 镍氢 丰田 RAV4 永磁同步 镍氢 95[08]PSA P106SAXO 直流他励 镍镉 100日产 ALTRA EVZ 永磁同步 锂离子 100120128 128 （SAEJ-1634）215 215（10~15 工况）90 85（欧洲工 况）193 193（10~15 工况）144 （公路）1.3.2 国内电动汽车发展现状 2001 年 9 月，我国科技部在“十五”期间的国家“863”计划中，特别设立了电动4汽车重大专项。该专项将从国家汽车产业发展战略高度出发，选择新一代电动汽车技术 作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研单位，以官、产、学、 研四位一体的方式，进行联合攻关。计划在“十五”期间，促进我国符合市场经济发展 要求的研发体系、机制和人才队伍的形成，以电动汽车的产业技术平台为工作重点，力 争在电动汽车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得重大突破，集中有限资源 抢占新一代电动汽车制高点，促进我国汽车工业实现跨越式发展。 电动汽车重大专项提出“三横三纵”研究开发布局。以燃料电池汽车、混合电动汽 车、纯电动汽车为“三纵” ，以多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池及燃料电 池等关键零部件为“三横” ，引领电动汽车整车开发和关键零部件的技术进步[11,13]。 通过重大科技专项的实施，我国电动汽车产业化技术得到了长足发展，自主研发的 电动汽车整车产品，各具技术特点，拥有知识产权，达到了专项预定的目标。以下是国 内部分企业及科研单位电动汽车研发的情况： 天津清源电动车辆有限责任公司 天津清源公司以天津一汽生产的 XL2000、威乐和威姿 3 款轿车为基础开发了相关 的纯电动轿车，该系列纯电动轿车已经完成了新产品公告所要求的各项试验[10]。 东风汽车公司 东风汽车公司与湖北省的高校和科研力量共同组成了东风电动汽车股份有限公司， 专门生产电动汽车。 2003 年以来， 该公司研制的 6 辆混合动力客车在武汉进行示范运行， 截至到 2005 年年底，6 台样车累计安全行驶 4 5. 3 万公里，载客 8 5. 9 万人次。2005 年 1 月 3 日， 首批下线的 15 台东风混合动力电动公交车向用户交付， 标志着东风汽车公司 第一个在国内实现混合动力电动汽车商收化销售。东风混合动力城市公交车 EQ6110HEV，拥有完全自主知识产权。其整车水平国内领先，与国际先进技术相当， 某些关键技术处于国际领先水平[11]。 上海汽车工业集团 上海燃料电池车动力系统有限公司联合上海汽车工业集团和同济大学共同承担了 国家 863 电动汽车重大专项――燃料电池轿车项目，已经研制出了“春晖一号”“超越 、 一号”“超越二号”“超越三号”燃料电池动力系统和试验样车。使我国的燃料电池电 、 、 动车的基本性能已经与国外车辆相当[11]。5清华大学 清华大学是我国最早开发和研制电动汽车的单位。 开发了 EV6580 型电动小型客车， 该车使用永磁有刷电机，以 40km/h 等速行驶可续驶 120km。由清华大学联合多家单位 研制了燃料电池城市客车，研发并制定了整车总体设计、系统集成、综合控制系统开发 等一整套开发技术以及整车设计和测试标准等， 所解决的关键技术问题都可用于其他相 关电动车产品的开发[12,13]。 北京理工大学 北京理工大学也是我国电动汽车研究的重要单位， 该大学今年来先后研发成功了多 款电动汽车， 其中包括了 BFC6100EV、 BK6120EV、 HFF6112GK50EV、 HFF6850GK60EV 等，不少生产的试验车在北京进行了试运行，取得了很好的效果，在我国的电动客车研 究领域走在了前头，具备了一定的产业化发展技术实力[14]。表 1.2 给出了部分北京理工 大学研发的电动汽车参数。表 1.2 车型 蓄电池 容量 Ah 电动机 额定功率 kw 最高车速 km/h 加速时间 (0~50km/h) s 最大爬坡度 % 续驶里程 (40km/h)km 北京理工大学研发的电动汽车技术参数 HFF6850GK60EV 水平铅酸 255 直流 55 80 37[15]HFF6112GK60EV 水平铅酸 255 直流 100 90 30.4BFC6110EV 锂离子 600 直流 100 95 24.9BK6120EV 锂离子 400 交流异步 100 90 20.7≥ 20%165≥ 20%155≥ 20%300≥ 20%2101.4 本研究背景 1.4.1 我国发展电动城市客车的优势 目前国外对电动汽车的研究还主要集中在轿车方面，虽然我们也要发展电动轿车， 但是根据我国的国情和工业经济基础，优先发展电动城市客车并使之商业化、实用化则 更为重要和可行。 首先，城市客车相比于轿车来使用路线固定，停靠站点固定，而且有集中的停放场6所，便于充电设施的布置，可有效解决充电设施分布广，先期资金投入大的难题[16]。 其次，在我国，城市交通拥堵和汽车尾气排放问题日益严重，公共交通发展越来越 受到人们的重视。城市客车的需求量将出现较快增长，优先发展电动城市客车将使我国 公交车发展处于世界领先位置，增强国际竞争力，同时也能大大缓解城市交通问题，提 高城市环境的和谐性和人们出行的方便性。 再次，我国的客车发展已经达到国际先进水平，在此基础上发展电动城市客车要相 对来说容易一些。同时，客车车体宽大，布置电动机、蓄电池、燃料电池和相关的设备 也比较容易，成本不会太高。对轿车而言，空间有限，对电动机等部件的要求高，成本 投入巨大，而且短期内不会有较大的改善。 最后，虽然电动城市客车单车的运行成本要比电动轿车的高，但是总的来看运行成 本和社会效益比还是优于电动轿车，而且政府和企业也还是可以承受。 1.4.2 电动城市客车市场需求 据预测，我国每年要更换新增 1.7 万辆公交车，其中 10%到 20%要求是节能环保的 电动客车。 2008 年，北京将举办以“绿色、科技、人文”为宗旨的奥运会，北京市政府将为奥 运会提供大量的环保车辆。全市在 2008 年将新增 2766 辆公交车，到奥运会前，公交运 营车辆规模将首次突破 2 万辆，达到 20879 辆，新型环保公交车将占到 92.5%，北京将 成为世界上拥有新型环保公交车最多的城市[18]。预计到 2008 年举办奥运会时，北京将 组建一支拥有 1000 辆电动公交车的特殊奥运车队，这批奥运电动公交车定单将为中国 电动汽车行业带来巨大的商机和发展机遇， 必将有力地促进我国电动汽车事业的快速发 展。届时，北京将组建一支世界上规模最大的电动汽车队伍。 目前上海拥有公交车辆 1.8 万辆，燃油客车仍是上海城市公交客车的主力，在十五 期间，上海将更新 8000 辆以上的公交车辆，加快发展电动公交车。2010 年上海将举办 世博会，场馆将采购环保电动客车 1000 辆[66]。 2010 年广州亚运会，场馆也将全部采用环保电动客车。武汉市计划，连续几年每年 出资 1000 万元，从东风电动汽车公司采购 100 台混合动力客车投入公交运营。 国家电网公司制定的“十一五”电动汽车推广实施方案，拟到 2010 年，共投入 78 亿元，完成与电动车配套的供、充电系统建设。公司系统内部启动 1979 辆工程、公务7电动汽车运营；在公司经营区域内，使电动公交商业化运营线路达到 420 条，电动公交 车达 4200 辆[17]。1.5 本研究的主要工作1.5.1 本研究电动客车总体结构 参考电动汽车基本结构[19,60,61]，提出本研究的电动客车总体结构如图 1.1 所示。本 研究的电动城市客车由三个部分组成：电力驱动部分、能源部分和辅助控制部分。其中 电力驱动部分主要功能就是为电动客车提供动力，包括了电动机、电动机控制系统、机 械转动装置等。能源部分的主要功能是为电动机和车载电子设备提供电力，包括了蓄电 池组和蓄电池管理系统。辅助控制部分的功能是为电动客车提供对车辆辅助控制，包括 了风扇、转向系统、制动系统和照明系统等。电力驱动子系统 车轮 永磁直流 电机 变速器 主减速器差速器 车轮加速踏板 制动踏板主控制器PW M 功率转化器蓄电池管理 系统铅酸蓄电池辅助动力源制动、照明暖风和冷风 能源子系统 辅助子系统图 1.1电动汽车总体结构图[19]1.5.2 本研究的主要工作 本研究将要完成的主要工作包括： 1.针对该车的使用条件，选择电动机，通过计算 0-40km/h 加速时间、最大爬坡度、 最高车速来验证电动机性能是否满足要求。选择控制策略，设计电动机控制系统。 2.通过分析各种蓄电池的性能优缺点和本研究的使用条件，具体选择某型蓄电池来 组成蓄电池组作为本研究电动客车的动力源。 同时对蓄电池管理系统进行总体设计和研 究。 3.对 SOC 的计算方法进行设计和研究。84.对整车再生制动的结构、控制策略和控制逻辑进行研究。 5.在原车的基础上进行改装，根据原车的实际结构，研究电动机、蓄电池组和控制 系统在车辆上的布置，以及对制动系统、转向系统、油门等的改装设计研究。 图 1.2 为本研究用的陕西丽山客车厂生产的 LS6600C1 中型城市客车，表 1.3 给出 了该车的一些技术参数。图 1.2本研究用的中型城市客车 表 1.3 客车数据 生产厂商 陕西骊山客车厂原车型号 原整车总质量骊山 LS0车长 mm 车高 mm 变速器型号 轮胎 5200 CAS5-20A 6.50-16 型（含乘员）kg 车宽 mm 轴距 mm 底盘型号
CA改装后总质量（含乘员，估计）kg9第二章 电动汽车电机与蓄电池电动机和蓄电池是电动汽车上的两个关键组成部分， 它们性能的好坏直接关系到电 动汽车的各方面性能。 目前在电动汽车上较广泛使用的电动机包括直流电机、 永磁电机、 感应电机和开关磁阻电机，这些电机各有个自的特点，但是都还不能很好的满足电动汽 车在使用中对电机提出的要求。电动汽车上使用的蓄电池则包括了铅酸蓄电池、镍-镉 蓄电池和锂离子蓄电池等，它们也有各自的优缺点。2.1 电动汽车电机技术2.1.1 直流电机 直流电机（DCM）是最早发明的电动机，到现在已经有 100 多年的历史。直流电机 按照励磁方式的不同可以分为：他励、并励、串励、短复励等。直流电机的优点是：具 有优良的电磁转矩控制特性，启动转矩、制动转矩大，易于快速启动、停车；调速比较 方便，调速范围宽，易于平滑调速；由于磁场和电枢可以分别控制，因此控制起来比较 容易，而且控制性能好；直流电机制造技术很成熟，驱动系统价格较便宜。 直流电机的缺点是效率较低、质量大、结构较复杂、体积大、价格高、可靠性差等。 同时，直流电机上有电刷和换向器，它们容易磨损，在高速运行时还会产生火花，严重 时形成“环火” ，限制了直流电动机的转速提高[20,21]。 2.1.2 感应电机 感应电机（IM）有绕线式和鼠笼式两种类型，其具有结构简单、坚固、成本低、可 靠性高、转矩脉动小、噪声小、转速极限高、无需位置传感器及免维护等优点，因此得 到广泛应用。 感应电机的最大缺点是驱动电路复杂， 相对永磁电机而言， 其效率和功率密度偏低， 因此有被其它新型永磁电机逐步取代的趋势[22,63]。 2.1.3 开关磁阻电机 开关磁阻电机（SRM）具有高起动转矩、低起动电流；高效率、低损耗、耐温；电 机结构简单，适应于高速运转；功率电路简单；可靠性好；良好的适应性、低成本等优 点。 但是开关磁阻电机又有转矩有脉动；振动和噪声较大；驱动控制系统复杂，控制器10价格高；在高峰和高峰电流时容易产生电磁兼容性问题等缺点。当前在电动汽车上的应 用极少[21,22]。 2.1.4 永磁电机 永磁电机（PMM）可以分为永磁直流电机、永磁无刷直流电机和永磁同步电机。 永磁同步电机由于其功率密度和效率高、体积小、惯性低、响应快以及调速范围宽等优 点，使其成为电动车驱动电机中强有力的竞争者，发展前景广阔。永磁无刷直流电机则 具有以下优点：综合效率和功率密度高、体积小、重量轻、结构简单牢固、免维修或少 维修、运转费用低、出力大[20,67]。 在普通直流电机的基础上，使用永磁体代替励磁线圈和磁极，就构成了永磁直流电 机。 使用永磁体可节省空间、 减少励磁损失， 因此永磁直流电机的功率密度和效率较高， 永磁体的磁导率低，因而可以减少永磁直流电机的电枢反应，使换向得以改善。但由于 存在换向器和电刷，永磁直流电机也会产生转矩波动、摩擦和射频干扰（RFI）[20,22]。 图 2.2 为永磁直流电动机的结构图[28]。2 1 3 45 7 6图 2.2永磁直流电动机的结构图1 换向器 2 电刷 3 机壳 4 球轴承 5 端盖 6 永磁极 7 电枢以上的各种电机都有各自的优缺点，也在电动汽车的发展中有着不同的应用和前 景，表 2.1 给出了一些电机的性能比较。表 2.1 电机类型 功率密度 最大效率% 效率%（10%负 载） 转速范围 r/min 直流电机 差 85~89 80~87
各种电动机性能比较 感应电机 一般 94~95 79~85 [03]永磁同步 电机 好 95~97 90~92 开关磁阻 电机 一般 不足 90 78~86 不到 1500011表 2.1 各种电动机性能比较 电机类型 费用/轴功率 $/kw 控制装置成本 牢固性 可靠性 尺寸及质量 易操作性 直流电机 10 1 差 差 大，重 最好 感应电机 8~12 3.5 好 好 一般，一般 好[03]（续） 永磁同步 电机 10~15 2.5 一般 一般 小，轻 好 开关磁阻 电机 6~10 4.5 好 好 小，轻 好2.1.5 电动汽车用电机的要求 电动汽车用电机在需要充分满足作为汽车的行走功能的同时， 还应满足运行时的舒 适性、对环境适应性、一次充电的续驶里程等要求。电动汽车用电机的要求具有比一般 工业用电机更为严格的技术规范。对电汽车用电机的要求可归纳如下[03,20]： ①高电压，高转速。在允许的范围内，尽可能的采用高电压、高转速，可以减小电 机的尺寸，同时可以降低逆变器的成本。 ②在整个运行范围内的高效率。包括电机、控制器和传动装置的综合效率，以延长 电动汽车的一次充电续驶里程和提高制动能量回收的能力， 而且在宽功率变化范围内具 有较高效率。 ③电机需要较大的过载能力，以满足短时间加速行驶与最大爬坡度的要求。 ④电机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、 减速、制动等所需的功率与扭矩。 ⑤电气系统和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。 ⑥电机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并且运行时噪声低，能够在较恶劣的环 境下长期工作。同时体积小、质量轻，价格便宜，使用维修方便等。2.2 本研究用电机永磁直流电机控制简单，通过 PWM 的控制，实现无级调速，调速性能优良，因而 广泛应用于我国工业控制领域。 本研究基于降低研究和开发成本， 缩短研究周期的角度， 选择包头永磁电机研究所研制的额定功率为 35kw 的 ZYCD 永磁直流电机作为驱动电 机。 ZYCD 型永磁直流电动车电机是专为电动汽车及混合动力电动汽车研制的驱动电12机，该电机的定子采用高性能钕铁硼永磁材料励磁，转子为大气隙结构；具有能量转换 效率高且高效区宽广、体积小、重量轻、换向性能好、电刷寿命长等优点，同时还有控 制系统简单、成本低、可以降低整车成本的优点，在不少国内研究的电动汽车上都得到 了应用。其外型如图 2.3 所示，表 2.2 则给出了电机的主要性能参数。图 2.3 表 2.2 电动机型号 电机类型 额定电压 V 额定功率 kw 额定电流 A 额定转速 r/min 工作制 S min 最高电压 V 最大功率 kw本研究用的永磁直流电机YZCD 永磁直流电机技术参数 生产厂家 最高转速 r/min 最大电流 A 额定转矩 Nm 最高转矩 Nm 电枢电感 mH 电枢电阻 Ω 额定效率 % 电机质量 kg 包头永磁电机研究所
143 0.18 0.0256（22 ） 92 145ZYCD-35 电动汽车永磁直流电 机 210 35 174
602.3 电机性能的匹配计算电动机性能选择是很重要的。所选的电动机功率太小，则不仅不能使电动汽车达到 设计的性能要求，而且容易损坏电动机。如果电动机的功率太大，虽然能使电动汽车的 后备功率增多，加速性能、爬坡性能和负载性能能够提高，但是又带来了体积和质量的 增加， 同时电动机长时间工作在低负荷状态下， 使得电动机工作效率低， 从而造成浪费。 在目前电动汽车的电能储备不是很丰富的情况下， 合理的选择驱动电动机性能是很重要 的。 2.3.1 车辆的使用情况及性能选择13由于条件的限制，在电动汽车开发时必须提出合理而且恰当的整车动力性能指标， 从而能够更好的选择动力电动机和动力蓄电池，及相关的其他设备。以北京市区使用的 电动公交车为例，通过十五“863”重大专项课题的研究，制定了我国的典型城市公交 车行驶工况。如下表 2.3。表 2.3 参数名称 平均速度 km/h 平均行驶速度 km/h 平均加速度 m/ 平均减速度 m/ 中国典型城市公交车行驶工况部分参数 参数指标 16.1 22.5 0.36 -0.53 参数名称 最高车速 km/h 总行驶里程 km 最大加速度 m/ 最大减速度 m/[06]参数指标 60.00 5.83 1.25 -2.47根据上述统计分析结果，以北京为例，结合市区道路的特点可以提出北京市区电动 公交车的动力性能指标如下：最高车速≥70km/h；0～50km/h 加速时间≤25s；最大爬 坡度≥15%[06]。 本课题所选车型为中型客车，载员人数为 16 人，主要用于城市之内的乘客运输工 作，这就对车辆的动力性能有较高的要求，具体来说就是最高车速不能太低，一般要求 在 70~90km/h 之间；同时，车辆要有一定的爬坡能力，爬坡能力不能低于 16%；对加速 能力的要求是 0~50km/h 加速时间不大于 25s。 2.3.2 电动汽车的动力性 除了特别全新设计的电动汽车以外， 现有的电动汽车在外型上与普通的内燃机汽车 没有什么区别。它们都是采用通过橡胶轮胎来与地面相接触，相互作用，从而产生驱动 力驱动车辆前进，在力学原理上不存在本质的区别。电动汽车在行驶时，由蓄电池组对 电动机提供电能，由电动机将电能转换为机械能，用以克服各种阻力，驱动电动汽车行 驶。 ⑴电动汽车驱动力 电动机发出的扭矩 Te（Nm） ，经过传动系传到驱动轮上，通过与地面的作用转变为 驱动力 Ft（N） ，对保留有变速器和主减速器的电动汽车有 Ft 与 Te 的关系式：Ft =Te i g i 0 η t r（2.1）14其中：ig 为变速器传动比，i0 为主减速器传动比，ηt 为传动系机械效率，r 是车轮的滚动 半径（ m ）[23]。 ⑵电动汽车行驶方程 电动汽车行驶受力如图 2.4 所示。电动汽车在路面上行驶时受到滚动阻力 Ff（Nm） 和空气阻力 Fw（Nm） ，加速阻力 Fj（Nm）和重力沿道路坡面方向的分力――坡道阻力Fi（Nm） 。uFwdu/dtFz1Ff1Fi Fz2 G Ft Ff2图 2.4电动汽车行驶受力图电动汽车的驱动力要与行驶总阻力平衡，因此有：F t = Ff + F W + Fi + F j（2.2）公式（2.2）又可以具体写为：Ft = G f c o s α +du a CDA 2 u a + G s in α + δ m 2 1 .1 5 dt（2.3）其中：G 表示车辆总重力（N） f 表示滚动阻力系数，α 表示坡道与水平面的夹角（0） ， ，CD 表示车辆的空气阻力系数，A 表示车辆的迎风面积（m2） ua 表示车辆的行驶速度 ，（km/h） δ 表示汽车旋转质量换算系数，δ&1，m 表示车辆的质量（kg）[23]。 ， ⑶电动汽车功率平衡方程 电动汽车行驶时，不仅驱动力和行驶阻力互相平衡，电动机的功率和电动汽车行驶 的阻力功率也总是平衡的。 电动汽车运动所消耗的功率有滚动阻力功率 Pf（kw） 、空气阻力功率 Pw（kw） 、坡 道阻力功率 Pi（kw）以及加速阻力功率 Pj（kw） 。这样就得到电动汽车行驶功率平衡方 程式[23]：Pe =1 (Pf + PW + Pi + Pj ) ηt（2.4）经过单位换算整理得电动汽车功率平衡方程式为：15Pe =C A 1 Gf cos α G sin α δm du ( ua + ua + D u3 + ua ) a ηt 140 3600 dt（2.6）2.3.3 电动机校核根据前面所给出的永磁直流电机的技术参数和对电动汽车所作的动力性分析， 可以 通过对电动汽车的加速时间、 最大爬坡度和最高车速等性能指标进行校核是否能达到设 计要求，来检验所选电机性能是否满足要求。表 2.4 给出了与校核计算有关的电动汽车 传动系的参数。表 2.4 主减速比 6.17 3.48 0.013 0.367 0.90 1.1 变速器变速比 电动汽车传动系相关参数 一挡 二挡 三挡 四挡 五挡 倒挡 5.568 2.832 1.634 1 0.814 5.011CD A （ m 2 ）f rηt⑴最高车速要求校核 根据设计期望的最高车速（70km/h） ，可以进行电机的最大功率的计算，从而验证 所选电动机的功率是否达到要求。在电动汽车以最大车速行驶时，没有加速度，也就没 有加速阻力，也可以忽略坡道阻力，公式（2.6）可以化为：Pe m a x = 1 m agf CDA ( u a m ax + u 3 m ax ) a η t （2.8）相关参数由表 1.3、表 2.2 和表 2.4 有，经计算，要达到最高车速 70km/h 所需的功 率为 31.73kw，小于所选电动机的 35kw 的额定功率，所以电动机功率满足要求。 ⑵加速时间要求校核 在平直路面上，坡道阻力等于 0，滚动阻力中的 cos α 等于 1，电动汽车由静止加速 到 u0 的加速度可由公式（2.3）推导有：du 1 CDA 2 = ( Ft ? G f ? ua) dt δm 2 1 .1 5（2.9）则加速时间可由下式计算： u0 dt 1 1 t = ∫0 d u d u = 3 .6 3 .6∫u0 0δm du CDA 2 Ft ? G f ? ua 2 1 .1 5（2.10）16在通常情况下，起步加速时车速较低，空气阻力可以忽略不记，所以又可以写为t =1 3 .6∫u0 0dt 1 du = du 3 .6∫u0 0δm du Ft ? G f（2.11）为了提高电动汽车的加速能力，对电动机采用恒转矩控制即电动汽车以 143Nm 最 大转矩加速， 相关参数由表 1.3、 2.2 和表 2.4 有。 表 经计算， 本研究电动汽车 0 至 40km/h 加速时间为 14s，从而加速能力满足要求。 ⑶最大爬坡度要求校核 由公式（2.3）可以推导出爬坡度计算公式sin α =1 C A 2 du (Ft ? Gf cos α ? D u a ? δm ) G 21.15 dt（2.12）在计算最大爬坡度的时候，空气阻力可以忽略不记，加速阻力忽略不记，则公式（2.12） 可以化为：s in α =Ft ? f cos α G（2.13）让电机采用恒最大转矩 143Nm 驱动电动汽车爬坡，相关参数由表 1.3、表 2.2 和表2.4 有，经计算得电动汽车最大爬坡度为 22%，爬坡能力也满足要求。通过以上计算可以看出所选电动机满足电动汽车性能要求。2.4 蓄电池技术2.4.1 铅酸蓄电池铅酸（Lead-acid）蓄电池是一种技术成熟的蓄电池，以其价格便宜、适用性好、可 靠性高、大电流放电性能良好等优点得到了广泛的应用[57]。虽然铅酸蓄电池存在着能量 密度低、循环寿命短等问题，但是在现阶段，铅酸蓄电池还是在一定程度上满足了电动 汽车的使用要求。目前我国蓄电池研究的水平，也使得铅酸蓄电池被广泛应用在我国研 制的电动汽车上。2.4.2 镍-镉蓄电池镍-镉（Ni-Cd）蓄电池是一种充电容易、寿命长、质量小、维护方便，可以制成无 需维护的密封和全密封结构的电池。其缺点是重金属镉对环境有污染、存在记忆效应、 电池开路电压低等。这些都限制了镍镉蓄电池的推广应用[06]。172.4.3 镍-氢蓄电池镍-氢（Ni-MH）蓄电池不存在重金属污染问题，被称为“绿色电池” ，许多公司都 把镍氢蓄电池作为今后混合动力汽车和燃料电池汽车使用的首选蓄电池。其优点是：能 量密度、功率密度均较大，循环使用寿命在现有电动汽车用蓄电池中是最高的；快速充 电和深度放电性能好；无重金属污染，全密封免维护。但同时也存在着成本高、单体电 池电压低、自放电损耗大、对环境温度敏感等缺点[06,24]。2.4.4 锂离子蓄电池锂离子（Lithium-ionization）蓄电池是所有可充电蓄电池中，综合性能最优的一种 新型蓄电池。与其他蓄电池相比，锂离子蓄电池应用于电动汽车，在容量、功率方面均 具有较大优势。目前锂离子蓄电池在能量密度、放电率、充放电寿命及密封性等方面均 满足了美国 USABC 的中期目标。但是锂离子蓄电池还存在着快速充放电性能差、价格昂 贵和过充放电的保护等问题[24,69]。2.4.5 锌-空气蓄电池锌-空气（Zinc-air）蓄电池是一次性电池，也称为金属燃料蓄电池。其特点是：比 能量大，性能稳定，安全性好，锌可以回收再利用，制造成本低，不污染环境。在国外 电动汽车上已经有一定的应用。但是锌-空气蓄电池能量释放速度缓慢，比功率较低， 充电时间漫长[38]。 表 2.5 给出了以上 5 种蓄电池的性能参数。表 2.5 比能量 Wh/kg Lead-Acid Ni-Cd Ni-MH Zn/Air Li-Ion 30-50 40-50 50-70 230 120-140 各种蓄电池性能参数 比功率 W/kg 200-400 150-350 150-300 105 200-300[25]能量密度 Wh/L 60-100 80-100 100-140 269 240-280循环寿命 次 400-600 800-0 NA 1200价格 美元/kWh 120-150 300-350 150-200 100 150-1802.4.6 蓄电池存在的问题①能量密度低18由于电池的质量能量密度和体积能量密度都很低，与汽油和柴油相比有较大的差 距，造成了电动汽车的运行效率较低，同时也限制了电动汽车的动力性能。 ②快速充电能力差，充电耗费时间长 目前的蓄电池充电时间都较长，一般情况下充电需 10～12 小时，就算使用快速充 电也远远达不到内燃机汽车加油的速度。这就使得电动汽车的使用效率较低，推广使用 难度大。 ③蓄电池价格昂贵 目前的动力蓄电池的价格一直居高不下， 整个动力蓄电池组的价格占整个电动汽车 成本的很大一部分，这使得目前电动汽车在价格方面对内燃机汽车不具备竞争优势。 ④汽车附属设备使用受到限制 由于动力蓄电池的性能限制，电动汽车的能量很宝贵，不能随便浪费，这就要对车 载用电设备进行较严格的要求，避免影响电动汽车的基本性能。 正因为存在这些问题和不足，同时又不能在短时间内得到解决，所以对蓄电池的管 理就显得很重要。2.5 本研究用蓄电池2.5.1 研究用铅酸蓄电池图 2.5 为本研究纯电动中型城市客车所选用的 12V-110Ah 铅酸蓄电池，由广州某公 司生产，技术参数见下表 2.6。蓄电池组总电压为 288V，总容量为 110Ah。图 2.5 表 2.6 型号 额定容量 Ah研究用铅酸蓄电池本研究使用的铅酸蓄电池参数 电压 V 单体质量 kg 12 306-DA-110 110通过计算车辆在平直路面上匀速行驶的续驶里程来检查所选蓄电池容量是否满足 要求。车辆运行时的电量消耗率 λ a （ A ? h / km ）可由下式计算：19λa =P × 1000 Uu a η（2.14）其中：U 为蓄电池组总电压。则续驶里程 s（km）为s=其中：C 为蓄电池总容量。C λa（2.15）由公式（2.14）和（2.15）可以得本车的续驶里程图，如图 2.6 所示。本车以 40km/h 的速度匀速行驶时，续驶里程为 99.8km，可以满足使用要求。图 2.6续驶里程图2.5.2 蓄电池放电特性本课题组利用饶线电位器，对该型蓄电池进行了 30A、40A、50A、60A 四个电流 值的恒流放电特性试验，结果如下：图 2.7蓄电池 30A（左）和 40A（右）放电曲线20图 2.8蓄电池 50A（左）和 60A（右）放电曲线从图 2.7 和图 2.8 中可以看出，蓄电池以不同的放电率进行放电时，放电时间长短 不一样：放电电流越大，放电时间越短，容量越小；反之则放电时间越长，容量越大。21第三章 电机驱动控制策略及控制系统设计研究3.1 电机电流控制研究3.1.1 永磁直流电动机的特性⑴永磁直流电动机基本方程 直流电机在电动运行时的基本方程（忽略电刷的压降）为：? E = Ce n ? ? ? ? U d0 = E + Id R ? ? ?Te = CT Id ?（3.1）其中：E 为电动机反电动势（V） Ce 为电动机在额定磁通下电动势转速比（V/(r/min)） ， ，n 为电动机转速（r/min） Ud0 为电动机输入端电压（V） Id 为电枢电流（A） R 为电 ， ， ，动机电枢回路电阻（Ω） Te 为电动机输出的电磁转矩（Nm） CT 为电动机在额定磁通 ， ， 下的转矩转速比（Nm/(r/min)） CT = ， ⑵永磁直流电动机机械特性 当电动机电枢两端加恒定电压（Ud0=常数）时，电动机转速随电磁转矩变化的关系60 [26,27] 。 Ce 2πn=f(Te)，称为直流电动机的机械特性。其表达式为： n= U d0 R a + R ? Te Ce Ce CT（3.2）其中 Ra（Ω）为电枢回路串联电阻。特性图如图 3.1 所示[28]。n U 1& U 2& U 3 U1 U2 U30Te图 3.1永磁直流电动机机械特性图由图 3.1 可以知道，电动机转速随着电磁转矩的增大而减小。22⑶永磁直流电动机转矩特性 在端电压 Ud0 一定的情况下稳态运行时， 永磁直流电动机的电磁转矩 Te 随电枢电流Id 变化而变化的特性称为转矩特性，即 Te=f(Id)，如图 3.2 所示[28]。其表达式为： Te = Id CTTe（3.3）0图 3.2永磁直流电动机转矩特性图从图 3.2 可以看出，改变电枢电流的大小可以很好的实现对电磁转矩的调节。 ⑷永磁直流电动机效率特性 在端电压 Ud0 恒定的情况下，永磁直流电动机的效率 η 随电枢电流 Id 变化的特性称 为效率特性，即 η=f(Id)，如图 3.3 所示。其计算表达式为：η=P2 ∑ P ) ×100% × 100% = (1 ? P1 P1（3.3）其中，P1 为电动机输入功率，P2 为电动机的输出功率， ∑ P 为各项损耗功率[28]。0Id图 3.3永磁直流电动机效率特性图3.1.2 电动机驱动控制策略对于永磁直流电机驱动系统，一般可以采用电压控制、电流控制和转速控制等三种23控制方法。为了能够更好的与普通内燃机的驾驶特性相同，本研究采用电流控制的控制 策略，也就是转矩控制方式。电子油门踏板的变化对应于电动机的输出力矩，在稳定时 则对应于电动机的输出转速。在行驶中，驾驶员通过控制电枢电流的大小来调节电动机 的输出转矩，使输出转矩跟随车辆需求转矩的变化，完成对车速的控制。如果把驾驶员 也看成是控制环节，那么驾驶员对车速的调节也就构成了一个转速闭环控制，与电流的 闭环控制一起组成对永磁直流电动机的双闭环控制。3.1.3 永磁直流电动机驱动控制数学模型⑴永磁直流电动机动态方程 图 3.4 为永磁直流电动机的动态等效电路图[30]。其中，Ud0 为电枢端电压，Id 为电枢 电流，R 为电动机电枢回路的电阻，L 为电动机电感，E 为电动机反电动势，n 为电动 机转速，Te 为电动机电磁转矩，TL 为负载转矩。+IdRLTL+Udo EMn,Te? ? ? ? ? ? ? ? ?图 3.4 直流电动机动态等效电路永磁直流电动机动态方程如下：Ud 0= R Id + LdId + E dt（3.4）E = C en Te ? TL Te = CTG D 2 dn = × 375 dt Id其中：GD2――电力拖动系统运动部分折算到电动机轴上的转动惯量，Nm 2[29,30]。 ⑵电动机驱动控制模型 由方程组（3.4）可以得到下式24CeCT Id ? CeTL =? ?? GD2 ? (Ud0 ? R Id ? L Id ) 375（3.5）进行拉普拉斯变换，并令全部初始条件为零：GD2 CeCT Id (s) ? CeTL (s) = (sUd0 (s) ? RsId (s) ? Ls2 Id (s)) 375整理得：（3.6）Id (s) =1 GD2 ( sUd0 (s) + Ce TL (s)) GD2 2 GD2 375 Ls + Rs + CeCT 375 375（3.7）公式（3.7）可以表示为图 3.5 所示的框图，由此可以看出，电枢电流由端电压和负 载转矩决定，前者是控制输入量，后者是扰动输入量。TL (s)CeU d0 (s)GD s 3752+GD 2 2 GD 2 Ls + Rs + Ce CT 375 375I d (s)图 3.5永磁直流电动机驱动控制框图取GD 2 375=5.62 kgm 2 [29]， 计算得 Ce=0.0685， T=0.654， C 其他参数见表 2.2， 则公式 3.7） （可以写为：I d (s) =
U d 0 (s) + 2 TL (s) s + 142.22s + 44.29 s + 142.22s + 44.292（3.8）也就是本研究中的永磁直流电动机的控制数学模型。3.1.4 本研究电动机驱动控制系统数学模型本研究的电动机控制系统框图如图 3.6 所示。加速踏板和制动踏板的控制信号被送 入主控制器，与电枢电流的反馈电压信号相比较，然后主控制器输出控制电压 U* ，通 i 过 PI 调节器和 PWM 功率变换器来完成对电动机的调速[29]。25蓄电池组T加速踏板控制信号 制动踏板控制信号 主控制器U'i PI调节器 UcPWM功率变换器M-Ui电枢电流负反馈图 3.6永磁直流电动机控制系统框图⑴电流 PI 调节 在闭环调速系统中，常常会遇到动态稳定性和静态稳定性问题，这就需要有校正装 置。对电动机驱动控制系统进行串联校正可以采用比例微分（PD） 、比例积分（PI）和 比例微积分（PID） 。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，采用 PI 调节器就能 很好的满足校正任务。电流调节器的传递函数为G (s ) =KP( Tis + 1) T is（3.9）式中，Kp 为比例调节系数，Ti 为积分时间常数[31]。 ⑵PWM 变换器的传递函数 在电动机控制系统中，控制电压信号改变时，PWM 变换器的输出电压并不能立即 发生改变，必须要到下一个方波周期才能改变，可以将 PWM 变换器看成是一个滞后环 节，它的延时时间最大不会超过一个开关周期 Ts。因此，PWM 变换器的传递函数可以 近似为：W P W M (s) =K PW M Ts s + 1（3.10）式中，KPWM 为 PWM 变换器的放大系数[32]。 ⑶电动机控制系统的数学模型 电动汽车电动机驱动控制系统的结构框图如 3.7 所示[29]。其中， 为控制系统设定 输入的控制电压信号，K K P (Tis + 1) 为电流调节器的传递函数， PWM 为主回路 PWM 转 Ts Ts s + 1 i26换 器 的 近 似 传 递 函 数 ， TL (s) 为 电 动 机 的 负 载 转 矩 的 传 递 函 数 ，GD 2 s 、 Ce 、 3751 为直流永磁电动机的传递函数， (s)为电动机电枢电流传递函 GD GD 2 2 Ls + Rs + Ce CT 375 3752数， U i 为电枢电流电压的反馈信号， α 为电枢电流负反馈系数。TL (sCeU* iK p (Ts + 1) i-Ts iK PWM Tss + 1GD 2 375+GD 2 2 GD 2 Ls + Rs + Ce CT 375 375I d (s)Uiα图 3.7电动汽车电动机驱动控制系统框图在仅考虑控制系统电动机电枢电流 (s)与电流给定电压 之间的关系时，由图 3.7 可以得到本研究电动机驱动控制系统的传递函数[29]：G(s) =K P K PWMGD 2 2 GD 2 GD 2 Ti (Ts s + 1)( Ls + Rs + C e C T ) + α K P K PWM (Ti s + 1) 375 375 375GD 2 (Ti s + 1) 375（3.11）由传递函数可以看出，该电动机驱动控制系统为一个三阶系统，系统传递函数 G(s) 的特征方程为：GD 2 2 GD 2 GD 2 Ti (Tss + 1)( Ls + Rs + Ce CT ) + αK P K PWM (Ts + 1) = 0 i 375 375 375展开合并后可化为：（3.12）GD 2 GD 2 GD 2 LTs Ti s 3 + ( RTs Ti + LTi )s 2 375 375 375 （3.13） GD 2 GD 2 GD 2 RTi + α K P K PWM Ti )s + C e C T Ti + α K P K PWM + (C e C T Ts Ti + =0 375 375 37527公式（3.13）也可以写为a 3s3 + a 2s 2 + a1s + a 0 = 0（3.14）根据罗斯稳定判据和霍尔维茨稳定判据， 三阶系统稳定的条件为： 3&0， 2&0， 1&0， a a a 且 a1a2-a0a3&0[31]。显然可以知道 a3、a2、a1 都是大于零的，通过计算分析，a1a2-a0a3 也是 大于零的。所以控制系统是稳定可控的。3.2 电动机控制系统硬件设计3.2.1 电动机控制系统总体设计图 3.8 为本研究所设计的电动汽车电动机驱动控制系统结构框图。蓄 电 池 组 低通滤波PWM霍尔电 流传感 器M隔离驱动低通滤波车速信号 电动机温度 蓄电池组电压 蓄电池组电流 制动信号 加速信号 车辆上其他控制 和检测模块 机、液精屏、其他智能设备图 3.8 电动机控制系统结构框图LPC2119启动信号增量式光 电编码器主要由永磁直流电机和以 LPC2119 为核心的主控制器构成。铅酸蓄电池组成蓄电 池 组 作 为 电 源 为 直 流 电 机 提 供 电 能 ， 选 用 德 国 优 派 克 （ EUPEC ） 公 司 生 产 的FF800R12KF4 模块为功率模块。同时控制系统还包括了增量式光电编码器、电容器、驱动电路、隔离电路和其它一些电子器件。使用霍尔感应电流传感器 TBC300E 来检测 电枢电流的大小，该传感器的额定输入为 ± 290A，检测精度为 ± 0.5%，电流信号经过低 通滤波处理后被送入 LPC2119 的 ADC（模拟数字变换器） 。同时送入 LPC2119 的 ADC28的还有蓄电池组电源的电压和电流通过互感器检测处理过的信号。 电机的转速信号由一 个 512 线的增量式光电编码器产生，经电平转换后送入 LPC2119。LPC2119 中的 2 路PWM 输出经驱动、隔离后，用于驱动 FF800R12KF4。电动汽车驱动系统的主回路采用水冷散热， 以保证工作中产生的热量能够及时的散 发掉。另外，通过 CAN 总线把电动汽车驱动系统的各种运行状态量输出到显示器上显 示；通过 CAN 总线将电动汽车驱动系统的工作状态、制动踏板信号、倒车状态信号一 起输送到车尾的车灯控制器；通过 CAN 和 RS-232 转换模块将 CAN 总线上传送的驱动 系统的各种信号送入计算机，计算机使用软件来记录、保存和分析这些信号，为驱动系 统的调试和改进提供数据依据；通过 LPC2119 的 A/D 通道采集电子油门信号和制动踏 板信号[29]。3.2.2 主控制器 LPC2119本研究主控制器选用 PHILIPS 的 LPC2119， 其具有强大的电机控制能力， 是电机控 制 器 的 一 个 良 好 选 择 。 LPC2119 是 基 于 一 个 支 持 实 时 仿 真 和 跟 踪 的 16/32 位ARM7TDMI-STM CPU，并带有 128 KB 嵌入的高速 Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控 制的应用可使用 16 位 Thumb 模式将代码规模降低超过 30%，而性能的损失却很小。实 行流水线作业，提供 Embedded ICE 逻辑，支持片上断点和调试点，具有先进的软件开 发和调试环境。 极低的功耗、 多个 32 位定时器、 路 10 位 ADC、 4 LPC2119 具有非常小的 64 脚封装、2 路 CAN，PWM 通道、多个串行接口，包括 2 个 16C550 工业标准 UART，高速 I2C 接口(400 kHz)和 2 个 SPI 接口，46 个 GPIO 以及多达 9 个外部中断，特别适用于汽车、工 业控制应用以及医疗系统和容错维护总线[33]。3.2.3 功率变换器由于 PWM 具有：主电路简单；开关频率较高；调速范围宽；系统频带宽，快速响 应好，动态抗干扰能力强；道通能耗小，电能转换效率高等优点，同时本研究所选择的 电机控制系统的主控制器 LPC2119 里自带了 PWM 单元， 所以选用 PWM 变换器。 PWM 有一象限型、 二象限型和四象限型 PWM 之分。 一象限型又分为第一象限和第二象限型， 它们都只能工作在一种模式下（电动机模式或再生制动模式） ；二象限型能够工作在两 种模式下， 因而在电动汽车驱动中是首选； 四象限型可以实现电动机在四个象限的控制。29因为本研究的电动客车保留有原车的变速器，可以用倒档来实现倒车，不用电动机工作 在反转状态，因此选用二象限 PWM 变换器。 直流电动机功率变换器原理如图 3.9 所示[34]。 主要由两只 IGBT 功率管 VT1 和 VT2、 两只反并联的功率二极管 VD1 和 VD2、滤波电容 C、直流电动机 M 和蓄电池组组成， 可以实现电动机的二象限内运行。控制电路通过控制 VT1 和 VT2 的栅极开关信号，即PWM 的方法实现对电动机的控制。 控制调制信号的占空比 ρ = （Ton ） 可以从 0～100% 调 T节，所以直流电动机的平均电压 Ud0 可以在 0～Ub（Ub 为蓄电池组端电压）之间任意调 节[34]。A B VT1 F G H V T2 N J V D2 K C V D1 D R L + QEM-P图 3.9二象限 PWM 变换器原理图当电机处于电动状态时，通过关断 VT2 管，在 VT1 管栅极上施加 PWM 脉冲信号来 实现控制。当 t 落在 Ton 时间段内时，VT1 管导通，电源电压 Ub 通过 VT1 加到直流电动 机上，电枢绕组中的电流经 VT1 和电源形成回路，这时电动机的端电压为电源电压 Ub； 当 t 落在 Toff 时间段内时，VT1 管关断，电枢电流经 VD2 续流。续流时，电枢两端的电 压为零，蓄电池组不再向电动机输送能量。电动时电机的电压、电流波形如图 3.10 的右 图所示[34]。 电机制动减速时，Ton 减小，使得 Ud 减小，由于惯性的作用，E 和 n 来不及变化， 造成 E&Ud。当 t 落在 Toff 时间段内时，VT2 导通，负电流经 VT2 与电机形成回路，产生 能耗制动；当 t 落在 Ton 时间段内时，VT2 关断，负电流经过 VD1 流回蓄电池组。制动 时电机的电压、电流波形如图 3.10 的左图所示[34]。30U iuidUbUb Ud EE UdT on Tid Ton T tt id图 3.10 电机电动（右）和制动（左）状态的电压、电流波形图由以上可以知道：U d0 = ρ× U b =Ton × Ub T（3.15）从中可以看出，Ud0 是随着 ρ 的改变而改变，ρ 越大即 Ton 在 T 中所占的比重越大，Ud0 就越大，反之则越小。这样，只要改变占空比 ρ，就可以改变 Ud0 的大小，从而改变电枢电流的大小。3.2.4 主回路功率器件本研究中的主回路功率器件的选取是非常关键的。 在给电动汽车电动机控制选择功 率半导体器件时，主要是考虑：①所需的额定电压、额定电流、开关频率、能量损耗及 其动态特性；②要有足够大的开关频率，以提高功率变换器的功率密度和整体效率，降 低逆变器的音频噪声， 但开关频率不能过大， 否则会增加开关能量损耗， 降低电路效率， 产生严重的电磁干扰噪声；③功率器件应采用简单安全的基极或门极驱动；④器件要有 较高的动态特性；⑤抗过载能力强；⑥功率半导体器件工作可靠性高、尺寸小、性价比 高。 从日前现代电动汽车电子技术发展情况看，BJT 、MOSFFT 、IGBT 在电动汽车 电气驱动系统中己经得到了广泛的应用。但 BJT 正逐渐被 IGBT 取代；IGBT 技术性能 优良， 价格一般， 综合性能好； MOSFFT 适合于功率较小的电动汽车电气驱动控制系统。 随着性能的进一步提高和价格的降低，MCT 将成为未来最有发展的功率半导体器件。 因此，通过性能、成本和可靠性的考虑，本研究选用 IGBT 作为主控制电路的功率转换 器件[35,36,45]。 图 3.11 为本研究选取的 IGBT 模块，它是 EUPEC 公司生产的 FF800R12KF4 模块， 最高电压为 1200V，最大电流为 800A，开关频率 5000Hz。31图 3.11IGBT 模块封装图3.2.5 IGBT 驱动电路设计驱动电路的作用是将主控制器 LPC2119 的 PWM 单元输出的控制信号隔离、 放大以 驱动功率器件 IGBT。 本研究驱动器采用的是富士电机公司 EXB850 系列驱动器。 3.12 图 为该驱动器的功能方框图。图 3.12EXB850 功能方框图①连接用于反向偏置电源的滤波电容 ②电源（+20V） ③驱动输出 ④用于连接外部电容，防 止误操作 ⑤过流保护输出⑥集电极电压监视 ⑨电源（0V） （14）驱动信号输入（+） （15）驱动信号输入（ ? ）IGBT 驱动电路如图 3.13 所示。LPC2119 的 PWM 信号送到 EXB850 的输入端 14引脚，对信号进行隔离放大，以提供开、关栅极电压。其 6 脚经过二极管接至 IGBT 的 集电极，用作集电极电压的监视，为降低 IGBT 的开关损耗和限流电流上升率，在其栅 极串入电阻 RG， 电容 C2 用来吸收电源电压的变化。 EXB850 的输出与 IGBT 栅-射极间 的连线采用双绞线，长度不能大于 1m，防止干扰[29]。321562 C1 3 RGIG B TE X B 850 1 C2 9 5 4 20V T L P 521 0V驱动信号N PN14过流保护输出图 3.13IGBT 驱动电路3.3 电机控制系统流程设计研究 3.3.1 PI 控制算法为了使电动机电流跟随给定值变化，需要采用一定的控制算法。本研究采用 PI 调 节器实现对电流的控制。 一般情况下，PI 控制相对容易些，PID 控制则相对复杂一些。在 PI 控制能够满足 控制要求的时候，就不必采用 PID 控制了。 对连续的 PI 控制算法进行离散化，可得到离散化后的 PI 表达式：u k = k pek + k pT TI∑ej=1kj（3.16）其中 k 为采样序号，k=1，2，3，4……，uk 为第 k 次输出的控制值，T 为计算机控制系 统的采样周期，ek 为第 k 次采样的偏差值，kp 为比例系数， TI 为积分时间常数。 由公式（3.16）可以得到控制器在第 k-1 个采样式的输出值为：u k ?1 = k p e k ?1 + k pT TI∑ej =1k ?1j（3.17）将公式（3.16）和公式（3.17）相减并整理，可以得到：Δu k = u k ? u k ?1 = k p (e k ? e k ?1 ) + k pT ek TI（3.18）Δu k = k p Δe k + k pT e k = k p Δe k + k p Ie k TI（3.19）33其中， Δe k = e k ? e k ?1 ， I =T 。 TI3.3.2 PI 控制流程设计控制器 PI 算法程序流程如图 3.14 所示[29]。开始 累加△uk=PP+Pi 读取控制参数△uk&umaxY△uk=umax取设定电压值 I0 电枢电流反馈值 IdN△uk&uminY△uk=umin计算偏差值 ek=I0-IdN 输出控制参数 uc计算积分项 Pi=Iek为下一采样做准备 ek-1=ek计算比例项 PP=KP(ek-ek-1)采样时间到？ YN图 3.14控制器 PI 算法流程图系统在运行中，首先读取 PI 控制器的参数，通过定时器每间隔 T 秒中断一次，完 成一次 PI 控制计算，从而不断调整被控参数，LPC2119 中的 PWM 单元根据控制参数 的变化，调整 PWM 输出波形的占空比，完成实时控制任务。由于输出值会在一个相对 较小的范围内波动，所以在程序中对输出增量的大小规定了上限值 umax 和下限值 umin。3.3.3 控制器 PWM 输出流程设计控制器 PWM 输出程序流程如图 3.15 所示[29]。 其任务是根据电流控制器输出的电压 信号 uc，对 PWM 的占空比进行调节。PWM 参数初始化的设置主要包括 PWM 工作模 式的设定，脉冲周期的设定，初始参考电压 u0 的设定等。首先，对电流控制器输出的控34制电压信号 uc 的范围进行判断，控制电压 uc 的范围为 0~5V，接着让 uc 和 u0 进行比较， 通过增加和减小控制电压步长来调节控制电压 uc。开始初始化， 设定 PWM 控制参数读取 PI 控制 器输出 ucuc&0 N uc&5 N u0-uc&0NYuc=0Yuc=5Yuc=u0+△uuc=u0-△u输出 uc为下一时刻作准 备 uc=u0图 3.15PWM 输出程序流程框图3.3.4 主控制器程序设计主程序中系统的初始化工作，包括了 LPC2119 的内核初始化，模数转换子模块的 初始化，PWM 输出子模块的初始化，A/D 转换子模块的初始化，CAN 总线子模块的初 始化。 初始化完成之后， 主程序开始电流的 A/D 采样， 得到反馈的电压值并送入主控机， 接着进行 PI 控制，最后输出 PWM 控制参数。其流程图如图 3.16 所示。35开始 系统上电复位1 禁止中断 2 系统初始化A/D 采样周期到？ Y 取电流反馈电压N调用 PI 控制算法 调用 PWM 输出程序 算法图 3.16主程序流程框图3.3.5 中断流程设计中断开始，首先进行 A/D 采样：读 A/D 转换标志位，等待采样时间到，从 A/D 中读 取采样数据。 接着根据采样数据判断电压、 电流是否超过限定， 如果有则启动保护程序， 如果没有则接着判断有无加速踏板的信号，如果有则进入 PI 算法程序和 PWM 输出程序 对电动机进行控制，如果也没有加速踏板信号，则最后判断没有无制动踏板信号，若有 则启动制动控制程序，所有工作结束后退出中断。流程图如图 3.17 所示。36中断开始读取 A/D 转换 标志位等待 A/D 采样 完成读取 A/D 采样 数据 Y 过压或过流否 N Y 有无加速踏板信号 N 有无制动踏板信号 N 中断返回 图 3.17 中断流程图 Y 制动控制程序 1.PI 算法程序 2.PWM 输出程序 保护程序37第四章 蓄电池管理系统设计研究由于现有的蓄电池都存在着不同的不足， 这些不足直接影响到蓄电池在电动汽车上 使用，为了使蓄电池组的性能能够得到尽可能的发挥出来，这就需要蓄电池管理系统。 蓄电池管理系统是电动汽车上一个关键的组成部分， 本章将对蓄电池管理系统进行总体 设计研究。4.1 蓄电池管理系统功能蓄电池管理系统的作用就是用来对蓄电池组的使用进行全面管理， 它是电动汽车上 一个重要而基本的组成部分。其主要功能包括： ?检测电池电压、电路电流、电池温度等参数； ?对检测数据进行处理分析，通过显示器显示； ?对蓄电池组进行均衡充放电管理； ?计算剩余容量，提供续驶里程参考值； ?对制动能量回收进行管理； ?对电池的异常情况进行报警； ?提供安全保护。4.2 蓄电池管理系统总体设计4.2.1 蓄电池管理系统结构蓄电池管理系统结构如图 4.1 所示。电流检测模块电压、温度检测 模块主控机显示模块均衡充放电模 块图 4.1蓄电池管理系统结构示意图蓄电池管理系统由检测模块、主控机、均衡充放电模块和显示模块四个部分组成。384.2.2 各模块功能⑴主控机 主控机根据检测模块检测到的蓄电池组的各种数据信号来对蓄电池组进行管理， 防 止过流放电（放电电流大于最大允许放电电流）和欠压放电（放电过程中蓄电池电压低 于截止电压） 、防止过流充电（充电电流高于允许的最大充电电流）和过电压充电（充 电电压高于蓄电池的发泡电压） ，控制均衡充放电模块进行蓄电池组的均衡充放电，保 持蓄电池组性能一致性。同时，主控机还要计算剩余容量值和给出续驶里程数，对蓄电 池状态进行监控，发现有异常的单体电池及时报警和处理。 ⑵检测模块 检测模块的功能就是为蓄电池管理提供与之相关的蓄电池的参数数据， 其中包括了 电路电压检测、电池电流检测和温度检测。 ⑶均衡充放电模块 均衡充放电模块的功能就是实现各单体蓄电池之间性能的一致性， 延长蓄电池组的 使用寿命，维持其性能的稳定。 ⑷显示模块 显示模块的功能包括了蓄电池电流、电压、温度的显示，SOC 值和续驶里程数显示 以及各种提示和报警显示。4.2.3 UNO-2052 处理器简介主控机采用研华公司的 UNO-2052 嵌入式计算机，该产品实时操作系统技术，提供Windows CE.Net 既有解决方案，支持大部分网络接口，具有开放结构、丰富扩展功能、无风扇和无盘设计的特点，是工业级应用的理想平台。 主要特点[37]： ?内嵌 GX1-300 MHz 处理器, 64 MB/128 MB RAM； ?1 个 10/100 Base-TRJ-45 端口和 1 个 USB 端口； ?支持 UNO hdd 扩展配件； ?双 CAN 总线和一个标准 RS-232 接口； ?4 通道隔离 I/O 口； ?2 路热电偶输入； 图 4.2 和图 4.3 为主控机的主界面和蓄电池信息界面。39图 4.2主控机主界面图 4.3蓄电池信息界面4.3 蓄电池组检测方法目前对蓄电池组的检测方法主要有整组检测和单体检测两种。 整组检测的检测方法相对简单。但是如果只对整组蓄电池进行检测，很难发现其中 单体电池的缓慢变化， 包括单体电池本身的老化和因为单体蓄电池一致性问题而带来的 积累效应。整组检测无法检测单体蓄电池的性能及蓄电池组的实际容量，也就无法快速 准确的找出其中已经性能衰退的蓄电池。 实用的方法是检测每一个单体电池。 目前采用的主要是集中检测和分布检测两种方 法。集中检测法是用一套检测电路分时检测各个单体电池。检测技术比较直观，为了检 测每只蓄电池的电压，需要将每只蓄电池的电压信号引入检测设备，采用多通道切换的 技术， 即通过开关器件(继电器)把多节单体蓄电池的电压信号切换到同一个差分放大器， 经信号处理后用一只 A/D 转换器进行采样。集中检测法的缺点：需要引出较多的导线， 容易发生短路或破损，影响蓄电池组的安全；接线难度和复杂度较大；引线较长，不仅40容易引入干扰，较大的线阻也会影响测量精度。分布式检测技术，就是将单体电池电压 及温度的检测模块化、本地化，然后通过一定的传输手段将这些检测模块检测到的数据 集中起来，统一处理。分布式检测连线简单、性能可靠，容易实现较高的测量精度。但 检测模块的功耗不能大，否则将增加蓄电池的“负担” ；由于检测模块直接从被测电池 上持续取电，不利于节能和安全；当电池较多时，模块数量也多，使得成本和复杂度提 高，并且要求通信总线有较高的带载能力[38,39]。 本研究使用集中/分布式的检测方法。 该方法将全部 24 块蓄电池分成 12 个小组， 每 组 2 块蓄电池，每个小组用一个电压温度检测模块进行集中检测，电流则 24 块蓄电池 共用一个电流检测模块，这样整个系统由 13 个分布检测模块通过 CAN 总线连接而成。 集中/分布式检测除了具有前集中检测和分布检测的优点之外， 还具有增加搭建系统的灵 活性和扩展性、 提高系统的可靠性和性价比等优点。 4.4 是集中/分布式检测原理框图。 图 需要说明的是，由于温度传感器与电池没有电接触，所以检测原理图中没有画出温度检 测部分，但每个检测模块都有温度检测功能。CAN通信主控机检测模块CAN通信检测模块CAN通信检测模块CAN通信检测模块CAN通信检测模块检测模块检测模块CAN通信图 4.4CAN通信集中/分布式检测原理框图4.4 电压温度检测模块设计4.4.1 模块原理图图 4.5 为本课题组设计的检测模块原理图，其中包括了电压采集电路、温度采集电 路、DC-DC 电路和 CAN 总线等。41图 4.5检测模块原理图4.4.2 电路电压检测通过电容的充放电特性进行电压的采集， 原理如图 4.6 所示。 将电容与蓄电池并联， 电容充当一个中间桥梁的作用，利用其可以存储电能的特性，从蓄电池上得到电压值， 再通过 A/D 转换器最终完成蓄电池电压的采集[38]。K1电 池 组K2 CfA/DMCUCAN图 4.6电压检测原理图因为 MCU――P87C591 的工作电压为 5V，A/D 转换电压不能超过 5V，而单体铅 酸蓄电池的电压为 11~15V，所以要把检测电压降到 5V 以下。本研究采用分压原理，即 串联两个电阻 R1 和 R2，R1=2 R2，将 Cf 与 R2 并联，这样就可以使 Cf 的电压降到 5V 以 下。424.4.3 电池温度检测通过温度芯片 DS18B20 进行温度采集， DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数 字温度传感器，数据传输接口为 1-wire 总线，温度测量范围为-55℃~125℃；内部有温 度上、 下报警设置； 不需要外部元器件即可实现测温， 适用于远距离多点温度测量系统。 图 4.7 为 DS18B20 的示意图。图 4.7DS18B20 示意图4.4.4 CAN 接口设计因为作为 MCU 的 P87C591 内部集成了 CAN 通信控制器， 所以不需再外接 CAN 控 制器了。CAN 总线驱动器采用 82C250，它是 CAN 控制器和物理总线的接口，提供对 总线的发送和接收功能。 为了增强 CAN 通信的抗干扰能力， CANTX1 和 CANTX2 并不 是直接与 82C250 的 TXD 和 RXD 相连， 而是设计了光耦隔离电路， 选用的是光耦 6N137。P87C591 通过光耦 6N137 和驱动器 82C250 实现数据的接收和发送通信任务[38]。 4.4.5 MCU 工作流程设计电压温度检测模块的 MCU 选用 P87C591，它管理蓄电池电压、温度的检测，数据 预处理和向主控机传送数据。MCU 主流程图如图 4.8 所示[38]。上电初始化后，MCU 处于查询状态，当查询到 CAN 数据到来后，先判断 CAN 送来的主控机指令地址是否是自己的，如果不是，则不处理；如果是，则先读取温度传感器的数据，然后将 K1 合上，等待 10 毫秒，断开 K1， 再合上 K2，然后从 A/D 口读取电压数据，之后断开 K2，进行数据预处理，然后将温度 数据和电压数据封装，通过 CAN 发送给主控机，最后返回继续等待下一个工作循环。43初始化查询 CAN 数据 读温度数据 合上 K1 延时 10ms 断开 K1 合上 K2 读取 A/D 数据 断开 K2 数据预处理 数据封装 CAN 发送数据等待确认Y N图 4.8MCU 主流程图4.5 电流检测模块设计4.5.1 传感器选择及检测原理蓄电池电流的检测通过电流传感器来完成。 由于磁平衡式电压输出型传感器具有性 能稳定、工耗小、与被测电流没有电接触等优点，所以选用该类电流传感器。本研究具 体选用的是南京某公司生产的 TBC300E 型传感器，结构如图 4.9 所示，其主要性能参 数见表 4.1。表 4.1 额定输入 输出 电流传感器主要参数 精度 0.5% 线性度 响应时间电源电压± 290A± 4V± 15V44≤ 0.1%≤ 1 μs图 4.9电流传感器机构图电流检测原理框图如图 4.10 所示， 电流传感器将主电源回路电流信号转换为电压信 号送给 A/D 转换器，A/D 转换器将输入的模拟电压信号转换为 8 位二进制数字信号送MCU，MCU 进行数据预处理，再通过 CAN 发送给主控机。电流传感器A/DMCUCAN检测模块图 4.10电流检测原理框图4.5.2 MCU 工作流程设计 MCU 的工作流程如图 4.11 所示。开始 CAN 查询 读 A/D 数据 数据预处理 数据封装 CAN 数据发送 N等待确认 Y 图 4.11MCU 工作流程图45首先查询 CAN 总线是否有主控机发送来的采样控制命令，如果有采样命令的话读A/D 数据， 进行数据预处理和封装， 接着通过 CAN 发送数据给主控机， 最后再返回 CAN查询等待。4.6 蓄电池组的均衡充放电设计研究4.6.1 双向无损均衡原理双向无损均衡充放电方案结构原理如图 4.12（A）所示，每个蓄电池均衡分流电路 均由两个场效应管 Q、两个二极管 D 和一个储能元件电感 L 组成。(B)图画出的是三块 电池串连时的电路连接情形。以放电为例，假设在均衡电路 1 中两蓄电池电压出现不均 衡，假设 V B1&V B2，则 Q11 导通，电池 B1 向电感 L1 充电，当 Q11 截止时，L1 为了 续流，与 B2、D12 构成回路，电感中储存的能量就转移到 B2 中，实现了能量从 B1 到B2 的转移。同理如果 VB1&VB2，则通过 Q12 的通断来实现能量从 B2 到 B1 的转移，即该电路是一种能量双向传递的均衡装置。尽管能量只在相邻电池间传递，由于能量的 传递趋势总是由电压高的电池传递到电压低的电池上，因而最终实现整组电池的均衡。 充电时，原理与放电时基本相同[40]。图 4.12双向无损均衡充放电原理图4.6.2 模块设计要延长电池组的使用寿命， 在使用过程中应使所有的单体电池均保持在同样的荷电 状态，而蓄电池的电压是蓄电池组不一致性最为直观也最容易测量的表现形式，所以， 均衡充放电设计就是在使用过程中尽量使各蓄电池电压保持相同。 本研究采用的就是以 电压为比较参数，通过单片机的控制，实现电压高的蓄电池把能量直接传递给电压低的 蓄电池。46均衡模块的原理如图 4.13 所示。 其中， 均衡电路用于实现相邻两蓄电池间的能量平 衡；蓄电池电压温度检测模块对蓄电池电压、温度进行实时采集，送给单片机，以便对 蓄电池进行实时监控；单片机在监测蓄电池状态的同时还对均衡电路进行控制，一旦发 现蓄电池间有电压差，即给相应的场效应管送出触发脉冲，使其导通，电压高的蓄电池 给电感充电，场效应管截止时，电感储存的能量给电压低的蓄电池补充充电。均衡充放电路MCU电池温度电压检 测模块图 4.13 均衡充放电原理图4.6.3 均衡充放电管理流程设计均衡充放电流程图如图 4.14 所示，首先检查是否有蓄电池在被补充，如果有又要 看补充周期到了没有，没有到则均衡充放电管理结束；如果补充周期到了，则断开充电 电路，开始采样各个蓄电池的电压，判断相邻两个蓄电池之间是否有电压差，如果有则 开启均衡充放电电路进行均衡工作并同时返回继续检查各蓄电池电压， 直到所有蓄电池 电压一致后退出均衡管理。均衡充放电管理 Y N是否有电池被补充 N 采样各电池电压 Y补充周期到否 Y 断开辅助充电两电池有压差 N 均衡充放电管理结束开启均衡充放电电路图 4.14均衡充放电流程图47第五章 剩余容量计算与整车再生制动研究蓄电池剩余容量的计算是蓄电池管理系统的一个重要组成部分，一般通过 SOC 来 表征蓄电池剩余容量的多少。再生制动也是电动汽车设计中一个需要研究的重要方面， 本章将对这两个方面进行设计和研究。5.1 剩余容量计算研究蓄电池荷电状态 SOC（State Of Charge）描述蓄电池剩余容量的多少，是蓄电池使 用过程中重要的参数之一，对剩余容量的计算也可以转换为对 SOC 的计算，本研究就 是通过计算 SOC 来显示剩余容量的多少。由于剩余容量受各种因素的影响，使得蓄电 池在使用过程中表现出高度的非线性，这为准确计算 SOC 带来了很大的难度。到目前 为止，虽然新的 SOC 计算方法不断出现，但电动汽车蓄电池 SOC 的精确计算问题一直 没有得到很好的解决。5.1.1 蓄电池剩余容量影响因素影响蓄电池容量的因素主要有放电率、温度、自放电、老化和内阻等。(1)放电率放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大，蓄电 池所能放出的电量越少。(2)蓄电池温度影响容量蓄电池温度对其容量影响较大。这是因为随着蓄电池温度升高，极板活性物质的化 学反应逐步改善，因此放电时较高的蓄电池温度会使电池放出更多的电量。但充电时过 高的温度会使更多的氧气析出，电极电压更容易达到最大值，反而会降低充电效果[41]。(3)自放电蓄电池在贮存期间，由于蓄电池内杂质的作用，如正极活性的金属离子与负极活性 物质组成微电池，发生负极金属溶解与氢气析出。又如溶液中从正极板溶解的杂质，若 其标准电极电位介于正极与负极标准电极电位之间， 则会被正极氧化， 又会被负极还原。 所以有害杂质的存在， 使正极和负极的活性物质被逐渐消耗， 从而造成蓄电池容量损失， 这种现象称为自放电[41]。(4)老化48蓄电池经历一次充电和放电称为一次循环或一个周期。 在一定放电条件下蓄电池工 作至某一规定容量值之前， 电池所能承受的循环次数， 称为循环寿命。 对于铅酸蓄电池， 随蓄电池寿命的变化，蓄电池容量也在不断变化，先是有所增加，接着是维持不变，最 后开始逐步减小，当蓄电池的容量达到额定容量的 80%时，可以认为蓄电池的寿命到了[41]。(5)内阻蓄电池内阻由欧姆内阻和极化内阻两部分组成。欧姆内阻是由电极材料、隔膜、电 解液、接线柱等产生，并与电池大小、结构和装配因素有关。极化内阻由电化学极化和 浓差极化引起，蓄电池充放电时两电极进行化学反应时的极化产生内阻。因此，蓄电池 内阻与电解液的导电率、极板结构及其面积有关，而电解液的导电率又与密度和温度有 关。蓄电池内阻的变化使电池容量的估计变得比较困难[41]。5.1.2 SOC 的估计方法目前还没有一种非常理想的 SOC 估计方法，对此的研究也在不断的进行着，也提 出了一些新的思想。这里简单介绍目前的一些估计方法。 ①放电试验法 放电试验法是最可靠的 SOC 估计方法，采用恒定电流对蓄电池进行连续放电至终 止电压，放电电流与时间的乘积即为蓄电池的剩余电量。放电试验法在实验室中经常使 用，不适合在行驶中的电动汽车上使用。 ②安时计量法 安时计量法是最常用的 SOC 估计方法。如果能提高电流的检测准确度的话，安时 法将是 SOC 估计的一种简单、可靠的方法。 ③开路电压法 蓄电池的开路电压在数值上接近蓄电池的电动势。 铅酸蓄电池电动势是电解液浓度 的函数，电解液密度随电池放电成比例降低，所以用开路电压法可以比较准确地估计SOC。但因为需要电池静置而不适合电动汽车行驶时使用[42]。④负载电压法 电池放电开始瞬间，蓄电池的电压迅速从开路电压状态进入负载电压状态，在蓄电 池负载电流保持不变时，负载电压随 SOC 变化的规律与开路电压随 SOC 的变化规律相 似。实际应用中，剧烈波动的蓄电池电压给负载电压法应用带来困难[42]。49⑤内阻法 根据蓄电池放电过程中的内阻变化来估计 SOC 的方法。内阻法适用于放电后期蓄 电池 SOC 的估计。 ⑥神经网络法 蓄电池是高度非线性的系统，对其充放电过程很难建立准确的数学模型。神经网络 具有非线性的基本特性，具有并行结构和学习能力，对于外部激励能给出相应的输出， 故能够模拟蓄电池动态特性，以估计 SOC[42]。 ⑦卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波理论应用于 SOC 估计，蓄电池被看成动力系统，SOC 是系统的一个内 部状态。该法估计较准确，缺点是处理复杂[42]。 在实际应用中，前 5 种方法简单，也经常组合着来使用，但是精度较差。后两者结 构复杂，计算困难，但是精度较高。本研究使用基于 Peukert-安时基本算法的改进算法， 同时对温度、蓄电池老化、自放电等因素进行补偿。此方法计算简单、硬件实现容易， 而且具有实时性。5.1.3 计算方法设计推导蓄电池的荷电状态被定义为剩余容量与总容量之比，即SOC =Cr ×100% Ct（5.1）其中 Cr 是计算时刻的剩余容量（Ah） Ct 为蓄电池的总容量（Ah） ， 。 由于电流是单位时间内通过导体横截面的电量， 而蓄电池容量也可以认为是蓄电池 所具有电量的多少，所以我们可以通过计算蓄电池的电量来计算蓄电池的容量。 根据电学知识， 通过一导体的瞬时电流等于通过该导体的电量变化量与对应时间变 化量之比，即i(t) =Δq dq = Δt dt（5.2）那么，电量就是电流对时间的积分，即q(t) =∫t ?∞i(τ)d τ（5.3）为了提供给驾驶员一个直观的剩余容量，蓄电池的放电量 q(t) 应该按照一个统一的 标准例如可以采用 3h 放电率电流来进行计算。qI(t)表示按照统一标准计算的流出（电流50为正）或充入（电流为负）的电量，则q I (t) =∫t ?∞η i(}