题组十四 第26题：电动汽车
〖真题回顾〗
（2023年1月浙江高考真题）26. 阅读材料，完成下列问题。
材料一墨西哥是拉美地区重要的发展中国家，国内资金缺乏，高速公路等基础设施建设滞后。20世纪90年代以来，墨西哥大量吸引外资，现已发展成为拉美地区重要的外国投资目的地和贸易大国。汽车产业是墨西哥国民经济的支柱产业，通过进口零部件，在国内装配后出口，其中80%的汽车出口到美国，形成特色显著的汽车产业发展模式。目前，墨西哥拟利用本国丰富的锂矿资源发展电动汽车产业，推动汽车产业转型升级。
材料二下图为墨西哥略图。
（1）说出制约该国高速公路建设的地形条件。
（2）简述该国汽车产业发展模式的劣势。
（3）分析该国电动汽车产业发展的基本思路。
〖基础知识〗
1、概念：电动汽车(BEV)是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。
2、工作原理：蓄电池——电流——电力调节器——电动机——动力传动系统——驱动汽车行驶。
3、电动汽车的种类：纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)。
（1）纯电动汽车由电动机驱动的汽车：
优点：技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。 缺点：蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本，有些使用价格比汽车贵，有些价格仅为汽车的1/3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。电动汽车技术仍不成熟，充电技术、续航里程、可靠性等方面仍需改进，而报废电池的处理和电网系统的优化亦为需要解决的关键问题。
（2）混合动力：根据动力系统结构形式可分为以下三类：串联式混合动力汽车（SHEV）、并联式混合动力汽车（PHEV）、混联式混合动力汽车（CHEV）
优点：
①采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。
第17期2023年9月无线互联科技WirelessInternetTechnologyNo.17September,2023
作者简介:祝必梁(1988—),男,浙江金华人,工程师,硕士;研究方向:物联网,两轮电动车智能化。智能两轮电动车VCU中控系统设计
祝必梁
(浙江利尔达物联网技术有限公司,浙江杭州311121)
摘要:VCU是实现车辆控制决策的核心电子控制单元。文章介绍的两轮电动车VCU在防盗器功能上
结合了GPS定位、GPRS网络通信、BLE蓝牙通信控制系统。VCU配合云服务器、手机终端可以实现
数据实时查看,GPRS网络通道可以实现远程控制车辆,近场无网络时可以用BLE蓝牙通道控制
车辆。关键词:智能中控;VCU;电动车
中图分类号:TP319 文献标志码:A
0 引言 电动车智能化已慢慢从新能源汽车衍生到两轮电
动车上[1]。传统两轮电动车智能化体验弱,随着客户
对两轮电动车智能化的接受程度越来越高,智能改造
升级也跟随新能源汽车的脚步不断升级。据中国自行
车协会数据,2021年电动两轮车保有量为3.4亿辆,市
场规模达800亿元。但整个行业智能化渗透率不足5%,市场前景广阔,智能化转型升级正处于风口中。
1 系统整体设计概述 VCU中控系统主控由BLE芯片FR8018HA和CAT1
模组NT26U组成。FR8018HA芯片支持Open开发,负
责BLE通道的通信和VCU控车全部逻辑。NT26U是一
款适用于TDD-LTE/FDD-LTE多网络制式CAT1模组。NT26U也支持Open开发,主要负责GPRS网络通道通信
和GPS数据采集。除了BLE通道和GPRS通道通信外,VCU还有和电机控制器通信的485通道。
2 主控模块2.1 CAT1模组NT26U
NT26U是利尔达的CAT1模组,供电电压为3.3~3.8V,采用FreeRtos系统。CAT1和BLE芯片通过
UART串口交互,CAT1串口接收的BLE数据并通过
GPRS网络通道上传服务器,服务器数据下发CAT1
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目录 ............................................................................................................................ - 1 -
第1章 电动汽车电机驱动系统项目总论 ................................................................. ７
§1.1 项目背景 ....................................................................................................... ７
第27卷 第4期2023年4月 电 机 与 控 制 学 报Electric Machines and Control Vol.27No.4Apr.2023 新型Halbach阵列永磁游标电机结构优化设计王秀平, 姜胜龙, 曲春雨(沈阳工程学院电力学院,辽宁沈阳110136)摘 要:为提高永磁游标电机(PMVM)的输出转矩,发挥Halbach永磁体阵列的聚磁优势,提出转子侧Halbach阵列永磁体游标电机。采用解析分析法和有限元法,对比分析PMVM和Halbach永磁体阵列A型结构永磁游标电机(HPMVMA),结果显示采用Halbach永磁体阵列后提高了电机的空载反电势和输出转矩,减少了永磁体用量,但也带来了电机转矩脉动的增加。因此,在HPMVMA调制齿之间加入永磁体,构成新型Halbach永磁体阵列B型结构永磁游标电机(HPMVMB),对HPMVMB进行了永磁体、调制齿、定子齿宽等结构参数的优化,经过运行性能和经济指标对比分析,结果表明,与HPMVMA相比,HPMVMB永磁体用量增加20%的情况下,永磁体利用率和电机转矩密度分别提高了40.8%和69.01%,而转矩脉动下降了11.74%。通过有限元仿真验证了电机理论的有效性,并为游标电机的设计与优化提供了一定思路。关键词:永磁游标电机;Halbach阵列;转矩密度;转矩脉动;结构优化DOI:10.15938/j.emc.2023.04.014中图分类号:TM351文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)04-0140-08
收稿日期:2021-11-01基金项目:国家自然科学基金(51777127);辽宁省教育厅科研项目(LJKZ1085);沈阳市科技计划项目(22-322-3-23)作者简介:王秀平(1978—),男,博士,副教授,研究方向为特种电机及其控制技术;姜胜龙(1996—),男,硕士,研究方向为新型电机及其控制;曲春雨(1979—),女,硕士,高级工程师,研究方向为新能源汽车驱动电机及其控制。通信作者:姜胜龙StructuraloptimizationdesignofHalbacharraypermanentmagnetcursormotorWANGXiuping, JIANGShenglong, QUChunyu(SchoolofElectricPower,ShenyangInstituteofEngineering,Shenyang110136,China)Abstract:Inordertoimprovetheoutputtorqueofpermanentmagnetverniermotor(PMVM)andgivefullplaytotheadvantagesofHalbachpermanentmagnetarray,arotor-sideHalbacharraypermanentmagnetverniermotorisproposed.ThePMVMandHalbachpermanentmagnetarrayA-typePMVM(HPMVMA)werecomparedandanalyzedbyanalyticalmethodandfiniteelementmethod.Theresultsshowthattheno-loadbackEMFandoutputtorqueofthemotorareimproved,andtheamountofperma-nentmagnetisreduced,butthetorquerippleofthemotorisincreased.Therefore,HalbachpermanentmagnetarrayB-typePMVM(HPMVMB)wasconstructedbyaddingpermanentmagnetbetweenthemod-ulationteethofHPMVMA.Thestructuralparameterssuchaspermanentmagnet,modulationteethandstatortoothwidthofHPMVMBwereoptimized.Theoperationperformanceandeconomicindicatorswerecomparedandanalyzed.TheresultsshowthatcomparedwithHPMVMA,whentheamountofHPMVMBpermanentmagnetincreasesby20%,theutilizationrateofpermanentmagnetandthetorquedensityofthemotorareincreasedby40.8%and69.01%,respectively,andthetorquerippleisdecreasedby11.74%.Thevalidityofthemotortheoryisverifiedbyfiniteelementsimulation.Copyright©博看网. All Rights Reserved. Keywords:permanentmagnetverniermachine;Halbacharray;torquedensity;torqueripple;structureoptimization0 引 言在工业生产和日常生活中,电机被应用到各个领域中[1]。游标电机由于其“磁齿轮效应”能够在低速条件下产生大转矩,引起了国内外学者的关注[2]。自游标电机概念提出以来,各种拓扑结构相继被提出,主要分为单齿开口槽结构,多齿分裂极结构。近年来,随着国内外学者的关注,游标电机迅速发展,衍生出很多其他类型游标电机并取得应用。例如在高精度控制领域,应用微型游标电机于相机调焦系统,在日常生活中作为驱动电机应用于电动汽车,同时游标电机在舰船驱动领域也有所应用。表贴式永磁型游标电机(permanentmagnetverniermachine,PMVM)由于其结构简单,在低速下能够产生高转矩等优势,适用于直接驱动系统,近年来在汽车电子行业应用广泛[3-5],随着“碳达峰,碳中和”战略的提出,必然会迫使传统汽车行业发生改革,电动汽车行业将会快速发展,游标电机由于特有的磁场调制原理,在低速条件下能产生较高的转矩,未来有望大范围应用于电动汽车驱动电机。德国斯图加特大学TobiasTymosch教授在文献[6]中提出采用Halbach阵列应用于超导永磁同步电机,Halbach阵列表现出更好的内外磁场强度,且对比发现,采用Halbach阵列后电机功率密度提高了近40%。重庆大学杨明磊博士在文献[7]中采用永磁体分块Halbach结构,改进后电机气隙磁感应强度基波幅值明显增大,且谐波得到了有效地削减,电机的电磁性能进一步提高。近年来,游标电机和磁通切换电机等调制磁通的电机研究越来越多,为了方便研究分析,要计算电机谐波分量和磁通密度的平均值。华中科技大学郭思源博士在文献[8]中基于精确子域模型,以子域分析技术为基础,计算了永磁游标电机的气隙磁场分布,并对电机的输出转矩进行了理论分析。三峡大学井立兵教授在文献[9]中采用非均匀的Hal-bach永磁体阵列来提高气隙磁密波形正弦性,削弱谐波对电机电磁性能的影响。通过有限元分析发现采用非均匀Halbach永磁体阵列能够有效地提高波形的正弦性。韩国浦项科技大学BonkilKoo教授和朝鲜大学JaehongKim教授在文献[10]中研究了正弦磁化Halbach环形磁体的最佳厚度,研究表明,与优化前电机相比,Halbach结构提供了极低的惯性设计和齿槽转矩。为了提高Halbach阵列永磁体利用率,中东科技大学ArashAllahyari教授在文献[11]中提出一种常见的方法是在不同方向磁化永磁体段,最简单的做法是使用两种径向和周向磁化的永磁体。还有研究证实,永磁体采用Halbach阵列可增加永磁体的某侧磁通量。这会进一步提高电机的反电势和转矩。此外,传统PMVM电机中使用带有整数槽的分布绕组,这种长端绕组导致电机结构复杂,同时长端绕组占据了机器体积的很大一部分。为了解决这个问题,日本大阪大学K.Okada教授在文献[12]中采用了分数槽集中绕组,研究发现采用分数槽集中绕组有效的降低了电机的铜损耗,同时采用集中绕组降低了端部绕组长度,提升了电机转矩密度。国内外学者早已将Halbach永磁体阵列应用在内转子PMVM上,但Halbach永磁体阵列在外转子结构上应用尚未得到充分研究。在PMVM基础上本文提出一种新型外转子Halbach永磁游标电机拓扑。电机采用分数槽集中绕组,更短的端部绕组长度能够有效地降低电机的铜耗,提高电机的效率。转子上具有Halbach永磁体阵列,在定子调制齿之间嵌入永磁体,使来自转子和定子上永磁体的主磁通沿同一方向流动。进而提高电机的空载反电势和输出转矩。1 电机结构对比PMVM结构示意图如图1所示,电机采用外转子结构,定子上有三相分数槽集中星形绕组,用于旋转2个磁极的磁场,每个定子有3个调制齿。为提高电机的负载转矩,提出了Halbach阵列A型PMVM(Halbachpermanentmagnetvernierma-chineA,HPMVMA)和Halbach阵列B型PMVM(HalbachpermanentmagnetverniermachineB,HPM-VMB)两种不同的拓扑结构,如图2和图3所示。141第4期王秀平等:新型Halbach阵列永磁游标电机结构优化设计
