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1、 车辆工程领域 类 别： （专业硕士） 上课时间： 2014 年 9 月至2014 年 11 月 考 生 成 绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师 （签名） 重庆大学研究生院制电动汽车轮毂电机技术【摘要】随着社会的快速发展，汽车领域所面临的能源紧缺和环境污染两大问题受到了高度重视，电动汽车的开发和应用已经成为研究热点。由于布局更为灵活，不需要复杂的机械传动系统，轮毂电机越来越受到人们的关注。再生制动系统在电动汽车的能量利用和续航里程等方面有着重要的作用，是电动汽车领域的一项关键的节能技术，再生制动系统的研究对电动汽车的应用有着重要的意义。超级电容可以进行短时大电流充放电，而且充放

2、电循环次数可达上万次，故能很好的解决电动汽车制动能量回收的问题。【关键词】电动汽车；轮毂电机；再生制动；超级电容1.研究背景随着石油等不可再生资源的日渐减少，大气环境越来越差，电动汽车以其低污染、低能耗等优势为各个国家及各大汽车厂商所青睐。然而电动汽车现在主要面临的问题有：续驶里程短、充电时间长等。所以动力电池技术、驱动电机技术和电子控制系统技术为电动汽车目前面临的主要技术问题。轮毂电机驱动电动汽车以其结构简单、能量利用率高等优点成为汽车发展的新宠儿。汽车在制动过程中车辆的动能一直没有被很好的利用，大都被转换为热量耗散掉了。特别是在市区等复杂的城市工况下，红绿灯较多，车速较低，制动频繁，制动能

3、量回收的意义显得尤为明显。目前车辆的制动能量回收技术主要有飞轮储能制动能量回收、液压储能制动能量回收和电化学能储能制动能量回收等。而电化学储能制动能量回收因为其能量主要以电能的形式流动，构造简单，控制方便，具有很好的发展前途。电动汽车中的蓄电池与驱动电机结构为电化学储能制动能量回收提供了方便。超级电容作为一种全新的储能元件的出现，具有十分重要的意义。超级电容有着蓄电池所不具备的优点。超级电容的充放电速率要比电池快的多，功率密度要比蓄电池大得多。利用超级电容可以迅速的回收制动过程中产生的能量。2.轮毂电机技术轮毂电机驱动电动汽车因为独特的特点，越来越受到人们的关注，许多汽车企业已经将其列为公司发

4、展规划当中。由此可见，轮毂电机技术正逐步被人们所重视。有人预言：未来电动汽车的发展趋势将是轮毂电机直接驱动汽车。这主要是因为轮毂电机直接驱动技术有着以下的优点：1） 传动效率高是轮毂电机驱动技术最大的技术优势：普通的内燃机驱动汽车，在市区路况时，平均能量利用率仅为20%，而轮毂电机直接驱动技术可使能量利用率达到90%。轮毂电机没有传统的变速器、轴或齿轮，直接将转子与车轮安装在一起。这样既提升了性能，也让电动机更为紧凑，便于安装在汽车上，同时腾出了更多内部空间用于配置动力电子设备，如集成式逆变器、电子控制系统和软件。图为轮毂电机结构。图 轮毂电机结构2） 轮毂电机驱动技术结构简单，车内空间得到提

5、升。轮毂电机驱动车辆与传统汽车相比，取消了发动机、离合器、变速器、主减速器、传动轴等机械装置，底盘结构得到简化的同时，车内空间得到明显改善。而且轮毂电机驱动汽车各组成模块之间主要由线束连接，省去了传统的机械连接，可以更好的布置动力电池及车内其他设备。3） 轮毂电机驱动技术使车辆的行驶稳定性得以提高。对于ABS防抱死系统等底盘控制系统，轮毂电机驱动技术可以通过单独控制不同的车轮转速来实现这些功能。与传统车相比，控制系统的复杂程度得以简化，还提高了响应速度和精度，传统车延迟50-100毫秒，而轮毂电机最快响应时间 毫秒。轮毂电机驱动汽车操纵稳定性更高。4） 动力驱动系统布置更加多样化。由于轮毂电机

6、具备单个车轮独立驱动的特性，因此无论是前驱、后驱还是四驱形式，它都可以比较轻松地实现，全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。同时轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向（不过此时对车辆转向机构和轮胎的磨损较大），对于特种车辆很有价值。像图所示的AHED“先进混合电驱动”样车的8轮电驱动很轻松就能实现。图 AHED“先进混合电驱动”5） 轮毂电机驱动汽车能更合理的分配轴荷。轮毂电机驱动汽车取消了质量较大的动力总成，只要合理的布置动力电池，就很容易实现前后轴荷50:50，降低了新产品的开发难度。6）

7、轮毂电机驱动车辆的制动能量回收效率更高。轮毂电机驱动汽车，车轮的转速与电机转子的转速一致，在制动时，轮毂电机发电，直接将电能回收，与传统汽车相比，去了机械传动部分，使制动能量回收效率得到提高。7） 轮毂电机驱动汽车使整车噪声得以降低。轮毂电机的噪声与传统汽车动力总成的噪声相比，减小10-15分贝。轮毂电机驱动汽车的驾驶舒适性更好。8） 轮毂电机驱动汽车也使线性控制技术更加容易实现，采用轮毂电机可以匹配包括纯电动、混合动力和燃料电池电动车等多种新能源车型，如图所示。图 轮毂电机匹配多种新能源车型3.再生制动技术车辆的制动形式主要包括液压制动、气压制动、气压液压混合制动和机械制动等。这些制动方式的

8、原理是相同的，都是通过摩擦的方式将汽车行驶过程中的动能转变为热能消耗掉，使车辆减速或者停止，通过这些制动装置制动时，会有一些缺点：1） 在复杂路况中，车辆常常会出现频繁制动或长时间制动，这会导致制动器表面产生大量的热量，使摩擦表面温度升高，制动效果会明显减弱甚至不起作用，对整车安全性造成很大的影响。2） 制动过程中，车辆行驶所具有的动能被转换为热量耗散掉，增加了车辆行驶中的能量损失，使汽车的能量利用率降低。如果车辆在制动过程中采用制动能量回收技术，汽车的电能消耗可以得到较为明显的改善，同时制动器热负荷能够减小，磨损度也会下降，因此车辆的安全性得到提高。车辆在制动过程中的动能，到目前为止还没有很

9、好的被回收，通常会转换为热能或其他形式的能量消耗掉。制动过程中所耗散的能量在车辆总的动能中占有很大的比重，这部分能量有很大的开发潜能。为了解决这一问题，再生制动技术逐渐发展起来，并成为了研究热点。再生制动又称再生回馈制动，电动汽车在制动时，将汽车行驶的动能或势能通过传动系统传递给发电机，然后将其转换成电能，为动力电池充电，以实现制动能量的再生利用。同时，产生的发电机制动转矩又可通过传动系统对驱动轮施加制动力，这样不但实现了再生制动能量的回收，还减少了制动器温升，提高了制动效能和制动安全性能。再生制动技术是一项先进的制动技术，通过电机的辅助制动，将制动过程中车辆部分动能或势能回收到蓄电池，提高了

10、电动汽车的能量利用率，并且可以进一步降低尾气的排放。因此，再生制动技术的开发和应用对电动汽车具有重要的意义。图为电动汽车再生制动系统。图 再生制动系统4.超级电容及其应用电动汽车能依赖于本身电机的特性轻松的将车载动能转化为电能，但由于汽车制动过程一般都是很短暂的，故所产生的电流将会很大，而一般的车载蓄电池是承受不了短时大电流充电的，这不仅效率会很低，而且会损害电池，降低其使用寿命。由于超级电容可以进行短时大电流充放电，而且充放电循环次数可达上万次，故能很好的解决电动汽车制动能量回收的问题。再次，由于超级电容不仅可以大电流充电，而且可以大电流放电，这使得超级电容和动力蓄电池一起作为电动汽车的动力

11、源，为蓄电池进行分担，降低电动汽车对蓄电池的要求，同时改善电动汽车的启动加速和爬坡性能。超级电容作为新型的储能器件,有着诸多的优点: 1） 相对于其他传统的储能器件如电池，超级电容有着较高的功率密度。由于其本身的内阻比较小，而且能在电解液界面和电极材料本体内都能对电荷进行快速的储存和释放，故其输出输入功率可高达数千瓦/千克，是一般蓄电池的数十倍。2） 超级电容有着较长得充放电循环寿命。由于其在充电和放电过程中，没有发生任何电化学反应，只有离子和电荷的传递过程，几乎可以说是没有损耗，故循环寿命可达上万次，远远高于一般的蓄电池。3） 超级电容相对于一般的蓄电池，另一重要的特性就是可以大电流的进行充

12、放电。由于其本身的工作原理特性，直接决定了超级电容的这一特性，这可以使超级电容在极短的时间内完成充电，又可以再较短的时间内进行大功率输出，这是蓄电池不可能做到的。4） 由于超级电容冲完电后，漏电流极小，故其拥有较长的储存寿命。一般蓄电池可以进行自放电，故漏电现象比较严重，但超级电容由于其内部电解液相对比较稳定，且内部电荷的迁移运动是在电场的作用下产生的，并没有发生电化学反应，故其存寿命几乎可以说是无限的。5） 超级电容的工作温度范围很宽，可工作于-50C70C左右，且在不同的温度下，特性都相对比较稳定。当然作为一种刚面世不久的新型储能器件，超级电容也有着很多缺点，如成本价格比较髙,能量密度低,

13、比能量只有2千瓦/千克左右，故作为近几年比较热门的研究领域，超级电容技术也有待进一步的发展。5.未来展望当今的电动汽车技术相对于以前已经有了巨大的提升，不论在安全性，舒适性方面还是在电池技术方面，都有了长足的发展，但相对于内燃机汽车的性能还是有诸多方面的不足，发展电动汽车必须解决好4个方面的关键技术：电池技术、能量管理技术、电机驱动及其控制技术以及电动汽车整车技术。1） 电池技术，电池作为电动汽车的动力源，在很多方面可以直接决定电动汽车的诸多性能，如续航里程，加速爬坡性能，使用寿命，安全性等等，当今电动汽车所使用的电池主要还是以蓄电池为主，由于其相对较低的能量密度，寿命短，成本高，充电慢等因素

14、，还是很难使电动汽车的性能赶超内燃机汽车。2） 能量管理技术，电动汽车以电机为主要驱动力来源，使得电动汽车在能量的控制方面比内燃机汽车更加容易掌控。能量管理技术主要是针对电池的能量管理，若能根据不同的行车状态，良好的控制电池的每个单元进行合理的放电，便能增加电池的续航里程能力及延长寿命，但当今的技术并没做的很好。3） 电机驱动及控制技术，电机的驱动系统和控制系统是电动汽车的总要组成部分，可以在很多方面影响及决定电动汽车的性能，如安全性，舒适性，高效性等方面，特别是高效性方面，由于电池技术很难再短时间能得到重大的突破，故高效的驱动系统可以缓解因电池技术瓶颈所带来的一些问题。4） 电动汽车整车技术

15、，电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外，车体本身也包含很多高新技术，有些节能措施比提高电池储能能力还易于实现。采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽车自身质量减轻30%-50%；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减少50%；汽车车身特别是汽车底部更加流线型化，可使汽车的空气阻力减少50%。参考文献1沈文强. 基于超级电容的电动汽车高效驱动系统设计D.浙江大学,2014.2刘玉龙. 轮毂电机驱动汽车制动能量复合回收装置研究D.吉林大学,2014.3李晓菲. 纯电动汽车发展路线之争J. 商用汽车新闻,2014,13:6-7.4徐哲. 我国电动汽车发展现状与对策研究J. 上海汽车,2006,05:6-9.5林辉. 轮毂电机驱动电动汽车联合制动的模糊自整定PID控制方法研究D.吉林大学,2013.6杨宇. 轮毂电机驱动电动汽车的电制动特性研究D.吉林大学,2013.7卢东斌. 四轮驱动电动汽车永磁无刷轮毂电机驱动系统控制研究D.清华大学,2012.8田超贺. 轮毂电机驱动电动汽车再生制动控制策略研究D.北京交通大学,2012.