城市純電動中型客車的總體設計

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SY-025-BY-2 畢業(yè)設計（論文）任務書 學生姓名 于洪琳 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 車輛工程07-4班 指導教師姓名 王國田 職稱 實驗師 從事 專業(yè) 汽車服務 是否外聘 □是■否 題目名稱 城市純電動中型客車的總體設計 一、設計（論文）目的、意義 隨著能源問題和環(huán)境問題的日益突出，現(xiàn)有車輛使用的動力方式已經不能很好的適應未來社會發(fā)展的需要。為此，電動汽車的發(fā)展得到了廣泛的關注，各種類型的電動汽車也在研究和開發(fā)之中。 本研究主要對電動汽車進行了總體設計研究，其中包括：分析部分電動機的優(yōu)缺點，選擇電動機作，對電動汽車的動力性進行分析，通過最高車速、最大爬坡度和加速時間校核電動機性能的研究，積累電動客車相關方面的技術，同時，通過電動汽車電動機及傳動系統(tǒng)的結構和布置方案，設計蓄電池組的布置位置和安放結構，熟練應用CAD等繪圖軟件，并具有一定的實驗技能和生產實踐知識。 二、設計（論文）內容、技術要求（研究方法） 主要內容： 1 研究電動汽車電動機的特點，并分析電動客車的動力性 2 研究電動客車的控制策略 3 分析電動汽車蓄電池性能特點及存在問題，設計蓄電池管理系統(tǒng) 4 研究純電動汽車能量回收原理，設計再生制動系統(tǒng)的結構 5 設計電動客車總體布置圖 技術要求： 1 研究電動汽車電動機的特點，并分析電動客車的動力性 2 研究電動客車的控制策略，并設計蓄電池管理系統(tǒng) 3 研究純電動汽車能量回收原理，設計再生制動系統(tǒng)的結構 4 設計電動客車電機與傳動系統(tǒng)機構布置、蓄電池組的布置、安裝設計及電動汽車總體布置圖 三、設計（論文）完成后應提交的成果 論文一份（2萬字以上），論文內容符合要求。 1 設計再生制動系統(tǒng)結構原理圖 2 設計電動客車總體布置圖 四、設計（論文）進度安排 資料收集，整理，完成開題報告 第1~2周 論文的撰寫，完成中期檢查 第3~9周 畢業(yè)論文提交 第9~13周 畢業(yè)論文修改完善 第13~16周 畢業(yè)論文答辯 第17周 五、主要參考資料 1 萬沛霖主編．電動汽車的關鍵技術[M]．北京：北京理工大學出版社 2 陳全世，朱家璉，田光宇．先進電動汽車技術[M]．北京：化學工業(yè)出版社 3 李春卉．電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究[J]．汽車工業(yè)研究，2005 六、備注 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 本科學生畢業(yè)論文 城市純電動中型客車的總體設計 系部名稱： 汽車工程系 專業(yè)班級： 車輛工程 07-4班 學生姓名： 于洪琳 指導教師： 王國田 職 稱： 實驗師 黑 龍 江 工 程 學 院 二○一一年六月 The Graduation Design for Bachelor's Degree Pure electric medium-sized city bus Design and technology research Candidate：Yu Honglin Specialty：Vehicle Engineering Class：07-4 Supervisor：Experimentalist. Wang Guotian Heilongjiang Institute of Technology 2011-06·Harbin 畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目:城市純電動中型客車的總體設計 院 系 名 稱: 汽車工程系 專 業(yè) 班 級: 車輛工程07-4班 學 生 姓 名: 于洪琳 導 師 姓 名: 王國田 開 題 時 間: 2011.2.28 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 開題報告撰寫要求 一、“開題報告”參考提綱 1. 課題研究目的和意義； 2. 文獻綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）； 3. 基本內容、擬解決的主要問題； 4. 技術路線或研究方法； 5. 進度安排； 6. 主要參考文獻。 二、“開題報告”撰寫規(guī)范 請參照《黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計說明書及畢業(yè)論文撰寫規(guī)范》要求。字數(shù)應在4000字以上，文字要精練通順，條理分明，文字圖表要工整清楚。 畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 于洪琳 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 車輛工程07-4班 指導教師姓名 王國田 職稱 實驗師 從事 專業(yè) 汽車服務 是否外聘 □是■否 題目名稱 城市純電動中型客車的總體設計 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1、研究現(xiàn)狀 在“節(jié)能低碳”呼聲愈高的今天，發(fā)展新能源車逐漸成為當前汽車工業(yè)的潮流所趨，各類新能源技術的研發(fā)如雨后春筍般涌現(xiàn)。而我國不久前出臺的個人購買新能源汽車補貼政策和《節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》則是直接傳遞出更為明確的信號——在節(jié)能與新能源汽車的技術路線方面，我國政府將選擇以純電動汽車為主的戰(zhàn)略趨向，實現(xiàn)汽車工業(yè)跨越式發(fā)展。這樣，純電動汽車再次被推上了新能源汽車產業(yè)化進程的風口浪尖。 純電動汽車是完全由可充電電池提供動力源的汽車。它利用蓄電池作為儲能動力源，通過電池向電機提供電能，驅動電動機運轉，從而推動汽車前進。從全球汽車業(yè)的情況看，隨著動力電池技術的不斷進步，純電動汽車也實現(xiàn)了快速發(fā)展，并逐漸朝著產業(yè)化方向邁進。 我國推動純電動汽車產業(yè)化有良好的發(fā)展基礎。目前我國電動自行車、電動摩托車等輕型電動車保有量已經超過5000萬輛，且輕型電動車產銷量已經超過全球的90%。輕型電動車的發(fā)展在潛移默化地影響消費者的同時，也帶動了國內動力電池、電機等產業(yè)的發(fā)展。近幾年，我國純電動客車市場發(fā)展迅速，研發(fā)投入持續(xù)提高。我國研發(fā)的純電動客車主要有公交客車和旅游客車。其中純電動公交客車占85%；豪華旅游客車占12%，其它用途市場份額很少占3%。 新能源汽車未來逐漸替代傳統(tǒng)汽油車已成為各國發(fā)展汽車產業(yè)的共識，作為核心部件的動力電池則更被企業(yè)和投資者看好。當前許多知名的汽車制造商都致力于開發(fā)動力電池的電動汽車。 ????日本東京電力公司宣布，將帶頭參與有關的基礎建設，明年在首都率先建200多個充電站，三年后將增加到1000個以上，為電動汽車解決好“肚子問題”，為新車型的上市做好基礎準備。而且，日產汽車相關負責人稱，預計旗下Leaf等電動車的電池成本，四年內可望大幅下降。日產將于今年底在日本、美國和歐洲推出Leaf電動車。 ????美國底特律三巨頭在削減皮卡、大型SUV車型的同時，也將大筆研發(fā)費用砸在新能源車型的開發(fā)上，而通用汽車在2010年推出的新能源汽車雪佛蘭Volt被寄予更高的希望。按照底特律方面的分析，以通用這款車為代表的新能源汽車應該成為新的美國汽車精神的標志。 ????歐洲車企似乎對電動車沒什么興趣，而是在氫動能或是燃料電池車方面建樹頗多，這也代表了歐洲車企對未來車市的一個把握方向。不過，盡管歐洲車企不像日本、美國那樣對電動車充滿憧憬，但還是有一些車企開發(fā)出了一些電動車型。例如，大眾近日推出了可再生能源驅動的電動車輛高爾夫“TwinDrive”。這輛高爾夫“TwinDrive”同樣是采用目前最為流行的“插電式（Plug-In）”混合動力技術，在電力驅動模式下可行駛50公里。 在純電動車的基礎設施建設方面，國外已經進行了不錯的嘗試。日本東京目前有87個充電站，樓宇、路旁的充電樁隨處可見。在美國加州斯坦福大學里，有專供電動汽車充電的停車位，每兩個車位之間就有一個充電樁。而且美國的家庭普遍擁有車庫，充電問題更易得到解決。 政治家指出：一個國家的領導人，無不關心本國的能源安全。石油是國防力量的血液，是頭號戰(zhàn)略物資。要對其厲行節(jié)約。發(fā)展電動車是時代賦予我們的使命，國務院領導同志極為重視。不論是從應對能源和環(huán)境的挑戰(zhàn)出發(fā)，還是從現(xiàn)實中國汽車產業(yè)的跨越式發(fā)展出發(fā)，我們都必須這樣做。 科學家指出：石油是高品位的化石燃料，由千萬年生成，是不可再生能源。社會發(fā)展快速消耗使其日趨稀缺，面臨枯竭。電動車的前途在于可使用二次能源電力，而電力除火電外，還有水能、風能、太陽能、核能等多種清潔的、可再生能源的發(fā)電所支持。發(fā)展電動車可實現(xiàn)能源資源和電力資源的合理利用。電動車是新世紀交通車輛的理想選擇和發(fā)展方向。 經濟學家指出：理解我們的汽車企業(yè)家，心中那份對傳統(tǒng)汽車工業(yè)難以割舍的感情。但是，在商言商，我們必須為眼前處境三思而行。且不說我們在傳統(tǒng)汽車上比人家有20年的技術差距，再花上1600個億也難以與之并肩，已經失去了趕超機遇，何況人家早已設置了利益壁壘，在等著我們左突右沖，叫你無功而返呢。 光說石油資源日趨稀缺，就足以將我們的汽車工業(yè)引向不歸之路。我國學者曾對美國的汽車戰(zhàn)略做過認真研究，美國之所以將汽車戰(zhàn)略的重點放在傳統(tǒng)汽車上，是因為他們在汽車及其相關產業(yè)上投入大積累厚，優(yōu)勢高。盡管他們也認識到電動汽車將取代燃油車，為眼前利益他們也只能硬著心腸往前走了。而我國則不同，沒有他們那種傳統(tǒng)汽車包袱。從各方面來說，發(fā)展節(jié)能環(huán)保型電動汽車，都是中國汽車工業(yè)的最佳選擇。在電動車領域，我們幾乎與發(fā)達國家同步。差距還不算太大，絕對是我們極好的趕超機會。 社會學家指出：城市化使人口集中，交通擁擠，燃油汽車在密集的人群中排放有害氣體，其危害程度是可怕的。這只是多數(shù)人有所不知而已。陳清泉院士說過，在美國因空氣污染引發(fā)疾病所需花費的關懷費用約等于每燒1加倫汽油1美元。按這標準計算，我國一臺公交汽車每天耗油60升所引起的疾病關懷花費為每天130元。這130元的環(huán)境成本原來是受害者承擔了!可見燃油汽車比電動汽車的所謂“經濟性好”，原來是以公害為代價！目前世界上有10個污染最嚴重的城市，就有七個在中國。老外來中國工作競享受本國的有害補助！嚴重地降低了我國城市的綜合競爭力。環(huán)境制約著我國的可持續(xù)發(fā)展。發(fā)展電動車將改善這一切。 2、目的和意義 隨著能源問題和環(huán)境問題的日益突出，現(xiàn)有車輛使用的動力方式已經不能很好的適應未來社會發(fā)展的需要。為此，電動汽車的發(fā)展得到了廣泛的關注，各種類型的電動汽車也在研究和開發(fā)之中。 純電動汽車是一種采用單一蓄電池作為儲能動力源的汽車，即以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。它利用蓄電池作為儲能動力源，通過電池向電機提供電能，驅動電動機運轉，從而推動汽車前進。目前，電動汽車的電池種類主要包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。 ????早在近年北京車展之時，一些中外主流汽車企業(yè)都亮出了自己的電動汽車。與傳統(tǒng)燃油能源汽車相比，電動汽車在經濟性能和環(huán)保性能方面都具有比較獨特的優(yōu)勢。 ????首先，電動汽車無內燃機汽車工作時產生的廢氣，不產生排氣污染，對環(huán)境保護和空氣的潔凈是十分有益的，幾乎是“零污染”。而且，電動汽車無內燃機產生的噪聲，電動機的噪聲也較內燃機小。 ????其次，電動汽車較內燃機汽車結構簡單，運轉、傳動部件少，維修保養(yǎng)工作量小。當采用交甲型H1N1流感應電動機時，電機無須保養(yǎng)維護，更重要的是容易操縱。 ????再次，電動汽車的研究表明，其能源效率已超過汽油機汽車。特別是在城市運行，汽車走走停停，行駛速度不高，電動汽車更加適宜。電動汽車停止時不消耗電量，在制動過程中，電動機可自動轉化為發(fā)電機，實現(xiàn)制動減速時能量的再利用，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排放。 ????最后，電動汽車的應用可有效地減少對石油資源的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面。除此之外，如果夜間向蓄電池充電，還可以避開用電高峰，有利于電網均衡負荷，減少費用。 發(fā)展電動汽車必須解決好4個方面的關鍵技術：電池技術、電機驅動及其控制技術、電動汽車整車技術以及能量管理技術。 電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發(fā)展的關鍵因素。電動汽車用電池的主要性能指標是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循環(huán)壽命(L)和成本(C)等。要使電動汽車能與燃油汽車相競爭，關鍵就是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。 到目前為止，電動汽車用電池經過了3代的發(fā)展，已取得了突破性的進展。第1代是鉛酸電池，目前主要是閥控鉛酸電池(VRLA)，由于其比能量較高、價格低和能高倍率放電，因此是目前惟一能大批量生產的電動汽車用電池。第2代是堿性電池，主要有鎳鎘(NJ-Cd)、鎳氫(Ni-MH)、鈉硫(Na/S)、鋰離子(Li-ion)和鋅空氣(Zn/Air)等多種電池，其比能量和比功率都比鉛酸電池高，因此大大提高了電動汽車的動力性能和續(xù)駛里程，但其價格卻比鉛酸電池高。第3代是以燃料電池為主的電池。燃料電池直接將燃料的化學能轉變?yōu)殡娔?，能量轉變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應過程，能量轉化過程可以連續(xù)進行，因此是理想的汽車用電池，但目前還處于研制階段，一些關鍵技術還有待突破問。 電動機與驅動系統(tǒng)是電動汽車的關鍵部件，要使電動汽車有良好的使用性能，驅動電機應具有調速范圍寬、轉速高、啟動轉矩大、體積小、質量小、效率高且有動態(tài)制動強和能量回饋等特性。目前，電動汽車用電動機主要有直流電動機(DCM)、感應電動機(IM)、永磁無刷電動機(PMBLM)和開關磁阻電動機(SRM)4類。 近幾年來，由感應電動機驅動的電動汽車幾乎都采用矢量控制和直接轉矩控制。由于直接轉矩的控制手段直接、結構簡單、控制性能優(yōu)良和動態(tài)響應迅速，因此非常適合電動汽車的控制。美國以及歐洲研制的電動汽車多采用這種電動機。永磁無刷電動機可以分為由方波驅動的無刷直流電動機系統(tǒng)(BLDCM)和由正弦波驅動的無刷直流電動機系統(tǒng)(PMSM)，它們都具有較高的功率密度，其控制方式與感應電動機基本相同，因此在電動汽車上得到了廣泛的應用。PMSM類電機具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性低、響應快，非常適應于電動汽車的驅動系統(tǒng)，有極好的應用前景。目前，由日本研制的電動汽車主要采用這種電動機。 開關磁阻電動機(SRM)具有簡單可靠、可在較寬轉速和轉矩范圍內高效運行、控制靈活、可四象限運行、響應速度快和成本較低等優(yōu)點。實際應用發(fā)現(xiàn)SRM存在轉矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器等缺點，應用受到了限制。 隨著電動機及驅動系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化。變結構控制、模糊控制、神經網絡、自適應控制、專家控制、遺傳算法等非線性智能控制技術，都將各自或結合應用于電動汽車的電動機控制系統(tǒng)。 電動汽車是高科技綜合性產品，除電池、電動機外，車體本身也包含很多高新技術，有些節(jié)能措施比提高電池儲能能力還易于實現(xiàn)。采用輕質材料如鎂、鋁、優(yōu)質鋼材及復合材料，優(yōu)化結構，可使汽車自身質量減輕30%-50%；實現(xiàn)制動、下坡和怠速時的能量回收；采用高彈滯材料制成的高氣壓子午線輪胎，可使汽車的滾動阻力減少50%；汽車車身特別是汽車底部更加流線型化，可使汽車的空氣阻力減少50%。 電動汽車要獲得非常好的動力特性，必須具有比能量高、使用壽命長、比功率大的蓄電池作為動力源。而要使電動汽車具有良好的工作性能，就必須對蓄電池進行系統(tǒng)管理。 能量管理系統(tǒng)是電動汽車的智能核心。一輛設計優(yōu)良的電動汽車，除了有良好的機械性能、電驅動性能、選擇適當?shù)哪芰吭?即電池)外，還應該有一套協(xié)調各個功能部分工作的能量管理系統(tǒng)，它的作用是檢測單個電池或電池組的荷電狀態(tài)，并根據(jù)各種傳感信息，包括力、加減速命令、行駛路況、蓄電池工況、環(huán)境溫度等，合理地調配和使用有限的車載能量；它還能夠根據(jù)電池組的使用情況和充放電歷史選擇最佳充電方式，以盡可能延長電池的壽命。 世界各大汽車制造商的研究機構都在進行電動汽車車載電池能量管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)。電動汽車電池當前存有多少電能，還能行駛多少公里，是電動汽車行駛中必須知道的重要參數(shù)，也是電動汽車能量管理系統(tǒng)應該完成的重要功能。應用電動汽車車載能量管理系統(tǒng)，可以更加準確地設計電動汽車的電能儲存系統(tǒng)，確定一個最佳的能量存儲及管理結構，并且可以提高電動汽車本身的性能。 在電動汽車上實現(xiàn)能量管理的難點，在于如何根據(jù)所采集的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數(shù)據(jù)，來建立一個確定每塊電池還剩余多少能量的較精確的數(shù)學模型。 綜上所述，結合我國的各方面情況，發(fā)展純電動汽車是刻不容緩的大事件。在我所在的這樣一個老工業(yè)城市，用純電動中型客車作為城市公交車更是一件值得付出努力是事情。所以我毅然決定研究此課題。希望能給我國的純電動汽車行業(yè)盡一點綿薄之力！ 二、設計（論文）的基本內容、擬解決的主要問題 1、研究的基本內容 （1）研究電動汽車電動機的特點，并分析電動客車的動力性 （2）研究電動客車的控制策略 （3）分析電動汽車蓄電池性能特點及存在問題，設計蓄電池管理系統(tǒng) （4）研究純電動汽車能量回收原理，設計再生制動系統(tǒng)的結構 （5）設計電動客車總體結構圖 2、擬解決的主要問題 （1）分析部分電動機的優(yōu)缺點，選擇合適的電動機作為動力源；對電動汽車的動力性進行分析 （2）介紹部分蓄電池的性能特點，選擇合適的蓄電池作為能量源；分析蓄電池管理系統(tǒng)的總體結構以及各部分功能 （3）研究電動機的控制策略，簡單了解電動機的控制系統(tǒng)和軟件工作流程 （4）設計研究整車的再生制動結構和控制系統(tǒng) （5）研究電動汽車電動機及傳動系統(tǒng)的結構和布置方案，設計蓄電池組的布置位置和安放結構以及電動汽車的總體結構 三、技術路線（研究方法） 材料收集，并且根據(jù)題目中的要求，對所要設計的車輛的部分參數(shù)進行初步設定及計算 研究電動汽車電機的特點，初步選擇合適電機，并分析電動客車的動力性 研究電動客車的控制策略，合理選擇蓄電池，并設計蓄電池管理系統(tǒng) 研究純電動汽車能量回收原理，設計再生制動系統(tǒng)的結構 設計電動客車電機與傳動系統(tǒng)機構布置 蓄電池組的布置和安裝設計 電動汽車的總體結構 四、進度安排 資料收集，整理，完成開題報告 第1~2周 論文的撰寫，完成中期檢查 第3~9周 畢業(yè)論文提交 第9~13周 畢業(yè)論文修改完善 第13~16周 畢業(yè)論文答辯 第17周 五、參考文獻 [01] 萬沛霖主編.電動汽車的關鍵技術[M].北京：北京理工大學出版社，1988.12 [02] 章桐，賈永軒編著；索榮電動汽車網組編.電動汽車技術革命[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.4 [03] 胡驊，宋慧主編.電動汽車[M].北京：人民交通出版社，2006.8 [04] 李涵武，趙雨旸主編.汽車電器與電子技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006.7 [05] C.C.Chan and Y.S.Wong.Electric Vehicles:Charge Forward,IEEE Power and Energy Magazine,Nov./Dec.2004 [06] 李興虎.電動汽車概論[M].北京：北京理工大學出版社，2005.8 [07] 陳全世，朱家璉，田光宇.先進電動汽車技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007 [08] 陳清泉著.陳清泉院士論文選集：現(xiàn)代電動車、電機驅動及電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.7 [09] C.C.Chan,The State of the Art of Electric and Hybrid Vehicles,Proceedings of the IEEE,Vol.90,NO.2,Feb 2002 [10] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術[M].北京：北京理工大學出版社，2002 [11] 余志生主編.汽車理論第三版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003 [12] 溫照方主編.電機與控制[M]. 北京：北京理工大學出版社，2004 [13] 王益全編著.電動機原理與實用技術[M].北京：科學出版社，2005.7 [14] 于長官.現(xiàn)代控制理論及應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，2005 [15] 羅飛.運動控制系統(tǒng)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005 [16] 李春卉.電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究[J].汽車工業(yè)研究，2005.5 [17] 徐哲.我國電動汽車發(fā)展與對策研究[J].上海汽車，2006.5 [18] 張立國，寧國寶.國內電動汽車發(fā)展綜述[J].汽車工業(yè)研究，2006.12 [19] 萬鋼.中國“十五”電動汽車重大科技專項進展綜述[J].中國科技產業(yè)，2006 [20] 張羽中，毛永志.純電動公交車是城市公交的發(fā)展方向[J].新材料產業(yè)，2007.NO.8 [21] 王書賢，鄧楚南.電動汽車用電機技術研究[J].微電機，2006 [22] 肖攀，陳廣偉，鄧楚南.電動汽車的電池技術研究[J].北京汽車，2005.NO.6 [23] 張付義.城市公交電動客車設計與開發(fā)[J].城市車輛，2005.2 [24] 譚元文，劉溧.電動汽車再生制動系統(tǒng)的結構與控制策略研究[J].北京汽車，2007.NO.2 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 摘 要 隨著能源問題和環(huán)境問題的日益突出，現(xiàn)有車輛使用的動力方式已經不能很好的 適應未來社會發(fā)展的需要。為此，電動汽車的發(fā)展得到了廣泛的關注，各種類型的電 動汽車也在研究和開發(fā)之中。 本研究的目的就是為了積累電動客車相關方面的技術，主要對電動汽車進行了總 體設計研究，其中包括：分析了部分電動機的優(yōu)缺點，選擇永磁直流電動機作為動力 源；對電動汽車的動力性進行了分析，通過最高車速、最大爬坡度和加速時間校核了 電動機的性能；介紹了部分蓄電池的性能特點，選擇鉛酸蓄電池作為能量源；對電動 機的控制策略進行了研究，提出蓄電池管理系統(tǒng)總體結構和各部分功能，并對蓄電池 組電壓、電流、溫度和均衡充放電模塊進行了總體設計研究；對整車再生制動的結構 和控制進行了設計研究；討論了電動汽車電動機及傳動系統(tǒng)的結構和布置方案，設計 了蓄電池組的布置位置和安放結構，同時對制動系統(tǒng)進行了初步改裝設計。 關鍵詞：純電動汽車改裝設計；電動機控制系統(tǒng)；蓄電池管理系統(tǒng)；再生制動 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 ABSTRACT Being more and more serious along with the energy problems and the environmentproblems, 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 researchmainly carried on a total design to the electric passenger car, the works are as follow:Ianalyzed the merit and shortcoming of some electric motors, and choosed the permanencemagnet DC motor to be the motive source;analyzed the motive of the electric passenger car,examine the performance of the electric motor;introduced the function characteristics of somestorage batteries, and choosed the Lead-acid storage battery to be the energy source;study thecontrol strategy of the electric motor, put forward total structure of the storagebattery management system and each parts of functions, and carried on a design and researchto each part; designed the structureand the control of the regenerative braking system; discussed electric motor and transmissionto equip of constitute and the decoration project, designed the decoration position of thestorage battery set and install structure, in the meantime first step to design a refit project ofthe the brake system, to carryon. Keyword: EV refit；motor drive system；battery management system；regenerativebraking 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 目 錄 摘 要 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????I ABSTRACT???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????II 第 1 章 緒 論???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.1 選題的背景、目的及意義 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2 國內外電動汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 1.3 本設計的研究內容及預期結果 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5 第 2 章 電動汽車電機技術???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????6 2.1 電動汽車電機的分類及特點 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????6 2.2 電動汽車對電機性能的要求 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????7 2.3 本研究用電動機 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8 2.4 電動機性能計算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 2.4.1 電動車的使用情況及性能選擇 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????9 2.4.2 電動汽車的動力性 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10 2.4.3 電動機校核 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 2.5 電動機驅動控制策略 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13 2.5.1 電動汽車的電機驅動控制策略分析 ???????????????????????????????????????????????????????????13 2.5.2 永磁直流無刷電動機的控制策略 ???????????????????????????????????????????????????????????????14 2.5.3 電機電流控制研究 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14 2.6 本章小結 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17 第 3 章 蓄電池技術及其管理系統(tǒng)設計?????????????????????????????????????????????????????????18 3.1 蓄電池的分類及特點 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????18 3.2 蓄電池存在的問題 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 3.3 本研究用蓄電池 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 3.4 蓄電池管理系統(tǒng)總體設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????23 3.5 各檢測模塊基本設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 3.5.1 電壓溫度檢測模塊設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 i 3.5.2 電流檢測模塊設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 3.6 蓄電池組的均衡充放電設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 3.7 本章小結 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 第 4 章 電動汽車能量回收及再生制動系統(tǒng)?????????????????????????????????????????????????31 4.1 制動模式與能量的分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31 4.2 再生制動能量回收的重要性 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33 4.3 制動能量回收的約束條件 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33 4.4 再生制動系統(tǒng)結構設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 4.5 再生制動控制策略 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37 4.6 再生制動控制邏輯及操縱方式 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????36 4.7 本章小結 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37 第 5 章 電動客車的總體設計?????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.1 改裝布置設計注意事項 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.2 電機與傳動系統(tǒng)結構布置設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.3 蓄電池組的布置及安裝設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40 5.3.1 蓄電池組布置的要求 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40 5.3.2 蓄電池組布置設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????41 5.3.3 蓄電池框架和軌道的設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????42 5.4 制動系統(tǒng)改裝設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????43 5.5 本章小結 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????44 結 論???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45 參考文獻???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????46 致 謝???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 0 第 1 章 緒 論 1.1 選題的背景、目的及意義 1、普通汽車帶來的問題 汽車自誕生起已有 100 多年歷史，其發(fā)展速度不斷加快，與人們生活的聯(lián)系越來 越緊密。汽車也不再是一個簡單的代步和運輸工具，它已成為許多人的生活必需品和 文化生活的一部分。但同時也面臨著來自環(huán)境保護、能源短缺、道路交通事故等方面 越來越嚴峻的挑戰(zhàn)，并帶來了一系列負面效應。汽車的環(huán)境公害包括汽車在生產過程 中、使用中和報廢后的環(huán)境大氣污染、水質污染、廢棄物、環(huán)境噪聲、電波對人體的 危害及對用電器的干擾等。汽車的環(huán)境大氣污染包括兩層含義：其一是汽車排放的 CO2、硫化物 SOx、氮氧化物 NOx、氟氯烴等使溫室效應加劇、臭氧層破壞和形成酸雨 等大氣環(huán)境問題；其二是汽車排出的 CO、NO x、SO x、未燃碳氫化合物 HC、顆粒物 PM 和臭味氣體等造成的局部空氣污染，進而對人類和動植物產生的危害，與此有關的汽 車造成的空氣污染大多數(shù)人們可以直接感受到，如在機動車道和人行道沒有分開的道 路上，汽車行駛揚起數(shù)米高的塵土、排氣的刺鼻臭味、柴油車排出的黑煙等嚴重地威 脅著人們的身體健康。特別是在大城市中，汽車行駛時排出的氣體污染物、微粒污染 物、蒸發(fā)排放物等已成為城市空氣污染的主要來源。由此可見，汽車排入大氣的有害 污染物除使城市空氣中的有害污染物增加、產生光化學煙霧和硫酸煙霧外，還導致大 氣臭氧層破壞、地球溫暖化和酸雨的形成等。因此，就目前的情況來看，環(huán)境公害是 汽車行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。 汽車面臨的挑戰(zhàn)之二是能源供應問題。從人類對可持續(xù)發(fā)展的觀點出發(fā)，人類應 設法減少對有限的石油資源的消耗，并且應積極研究石油資源枯竭后汽車的能源來源。 另外隨著汽車保有量的增長，石油的供應日趨緊張，汽車研發(fā)和制造行業(yè)必須加大對 汽車新能源的研究和開發(fā)的力度。目前世界范圍內使用的主要能源有石油、煤、天然 氣、核能、水能、風能以及可再生能源等。雖然每年都有新的油田、氣田的發(fā)現(xiàn)，但 這些資源都是有限的，總有一天會消耗殆盡。隨著世界人口的增加和生活水平的提高， 人類對能源需求的增加速度很快，石油資源的枯竭速度正在加劇。 我國面臨的形勢也十分嚴峻，國內的石油儲藏量和開采量相當有限，隨著汽車保 有量的增加，石油需求越來越多，目前已不能自給，不足部分主要通過進口來滿足。 由于進口石油又與石油安全問題密切相關，所以又帶來了石油安全問題。據(jù)估計，即 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 1 使在采用先進技術、繼續(xù)節(jié)能、加速可再生能源開發(fā)利用以及依靠市場力量優(yōu)化資源 配置的條件下，2010 年世界能源仍短缺 8%，到 2040 年將短缺 24%左右，其中石油短 缺額可能多達數(shù)億噸 [5]。 隨著世界經濟的持續(xù)增長和世界人口的增加、人民生活水平的提高，人均能源消 耗將會高速增加，環(huán)境污染會變得更為嚴重。開發(fā)新的替代能源、提高熱能轉換的效 率和節(jié)約能源被認為是解決或緩解環(huán)境污染和保障能源供給的有效方法。 對我國及一些發(fā)展中國家而言，汽車保有量遠低于發(fā)達國家目前的水平。因而汽 車保有量將會在較長一段時間內持續(xù)高速增長?？梢灶A見，我國在未來對傳統(tǒng)的車用 燃料的需求將持續(xù)大幅度增長。因此，開發(fā)不使用傳統(tǒng)燃料的代用燃料和電動汽車、 降低單位里程的燃料消耗量對緩解環(huán)境污染和保障能源供給具有重要的戰(zhàn)略意義。 由于電動汽車具有突出的優(yōu)勢，特別是在環(huán)保方面的優(yōu)勢，使得電動汽車的開發(fā) 和研究成為各國開發(fā)綠色汽車的主流。電動汽車使用的能源是可以用于發(fā)電的一切能 源。因此使用電動汽車可以擺脫汽車對化石燃料的依賴，改善能源結構，使能源供給 多樣化，使能源的供給得到有效保障。電動汽車在解決道路交通事故方面和傳統(tǒng)汽車 相比也具有一定優(yōu)勢。因此，開發(fā)電動汽車是迎接汽車面臨挑戰(zhàn)的重要對策之一 [2]。 2、電動汽車的優(yōu)點 近幾年來，隨著能源危機和環(huán)境污染的全球性兩大突出問題日益嚴重，特別是隨 著電動汽車自身難點的不斷解決，使電動汽車具有更多突出的特點 [1]。 （1）污染低 電動汽車由電力驅動，在行駛中不排放有害氣體，即使電動汽車所消耗的電力由 使用石油燃料的火力發(fā)電廠提供，火力發(fā)電廠的大氣污染物主要是 NOx，根據(jù)電動汽 車所消耗電力折算出以火力發(fā)電來估計 NOx的排放量，也不到同類型汽油車的 10%。 （2）可使用多種能源 由于電動汽車使用二次電力能源，它不受石油資源的限制，電動汽車的應用可有 效地減少對石油資源的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面。向蓄電池充電的電 力可以由煤炭、天然氣、水力、核能、太陽能、風力、潮汐等能源轉化，從而可節(jié)省 日漸枯竭的石油資源。而且電動車利用夜間大量富裕電力充電，有利于電網均衡負荷， 減少了能源浪費，提高了電力系統(tǒng)整體效益。 （3）效率高 電動汽車的研究表明，此能源效率已超過汽油機汽車，特別是在城市運行，汽車 走走停停，行駛速度不高，電動汽車沒有怠速損失，在制動時能回收能量，80%以上 的電池能量可由電動機轉為汽車的動力，電動汽車停止時不消耗電量，在制動過程中， 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 2 電動機可自動轉化為發(fā)電機，實現(xiàn)制動減速時能量的再利用。即使考慮原油的發(fā)電效 率，配送電效率，充放電效率等，其最終效率也比內燃機高。 （4）噪聲低 噪聲對人的聽覺、神經、心血管、消化、內分泌、免疫系統(tǒng)也是有危害的。發(fā)動 機性能是影響汽車噪聲、振動的重要因素。傳統(tǒng)汽車和電動汽車相比，由動力部分引 起的噪聲和振動，特別是在加速時，電動機的噪聲和振動要比發(fā)動機低得多。 （5）更有利于智能化 由于電動汽車已達到電氣化，所以電動汽車系統(tǒng)中更利于采用先進的電子信息技 術，提高汽車智能化程度。電動汽車的電動機控制系統(tǒng)，可與各個電子控制系統(tǒng)包括 無級變速、防抱死制動系統(tǒng)（ABS） 、制動能量回收系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)、自動空調系 統(tǒng)等相協(xié)調，在電動汽車上實現(xiàn)計算機智能控制。 3、我國發(fā)展城市電動客車的優(yōu)勢 目前國外對電動汽車的研究還主要集中在轎車方面，雖然我們也要發(fā)展電動轎車， 但是根據(jù)我國的國情和工業(yè)經濟基礎，優(yōu)先發(fā)展電動城市客車并使之商業(yè)化、實用化 則更為重要和可行。 首先，城市客車相比于轎車來使用路線固定，?？空军c固定，而且有集中的停放 場所，便于充電設施的布置，可有效解決充電設施分布廣，先期資金投入大的難題 [20]。 其次，在我國，城市交通擁堵和汽車尾氣排放問題日益嚴重，公共交通發(fā)展越來 越受到人們的重視。城市客車的需求量將出現(xiàn)較快增長，優(yōu)先發(fā)展電動城市客車將使 我國公交車發(fā)展處于世界領先位置，增強國際競爭力，同時也能大大緩解城市交通問 題，提高城市環(huán)境的和諧性和人們出行的方便性。 再次，我國的客車發(fā)展已經達到國際先進水平，在此基礎上發(fā)展電動城市客車要 相對來說容易一些。同時，客車車體寬大，布置電動機、蓄電池、燃料電池和相關的 設備也比較容易，成本不會太高。對轎車而言，空間有限，對電動機等部件的要求高， 成本投入巨大，而且短期內不會有較大的改善。 最后，雖然電動城市客車單車的運行成本要比電動轎車的高，但是總的來看運行 成本和社會效益比還是優(yōu)于電動轎車，而且政府和企業(yè)也還是可以承受 [1,2]。 1.2 國內外電動汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展 1、我國電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀 我國電動汽車發(fā)展始于上世紀九十年代。中科院電工所、上海 811 所、清華大學、 上海同濟大學、北京理工大學等單位，在“863”計劃和“十五”國家科技專項等國 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 3 家項目的支持下，取得了階段性的研究成果，培養(yǎng)了一支能力較強的研發(fā)隊伍，人才 儲備體系正在日趨完善。目前，我國許多科研機構、高等院校都增設了與電動汽車研 發(fā)有關的機構和人員，并把電動汽車及相關零部件的研發(fā)列為重點課題，這為我國電 動汽車產業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎。 近年來，隨著全球汽車工業(yè)重心開始向中國市場轉移，電動汽車的產業(yè)化進程明 顯加快。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，我國包括比亞迪、上汽、一汽、東風、北汽、奇瑞、 吉利、力帆等在內的整車企業(yè)超過 150 家，包括一汽、上汽、宇通等在內的從事混合 動力客車研制和生產的廠家就有 30 多家。特別是隨著我國電動汽車的制造體系逐步 建立，自主創(chuàng)新能力得到較大提升，國內許多企業(yè)已開始涉足與電動汽車相關的電池、 發(fā)動機等關鍵零部件的研制和生產，技術水平與國際先進水平的差距正在縮小。 當前，國際金融危機不斷蔓延，各國汽車企業(yè)的發(fā)展都受到很大影響，企業(yè)生存 面臨著極大挑戰(zhàn)。針對這一形勢，按照國務院指示，國家發(fā)展改革委組織制定了《汽 車工業(yè)調整和振興規(guī)劃》 ，對我國汽車工業(yè)發(fā)展進行了全面規(guī)劃部署，財政部、科技 部等部門也制定了《節(jié)能與新能源汽車示范推廣財政補助資金管理暫行辦法》 ，推出 了“十城千輛”計劃等一系列國家行動方案，加大了對電動汽車的政策支持力度。在 此激勵政策的鼓舞下，國內汽車企業(yè)紛紛增加對電動汽車及相關零部件的研發(fā)投入， 我國電動汽車產業(yè)正在進入高速發(fā)展的新階段 [1]。 2、國外電動汽車發(fā)展狀況和趨勢 新能源汽車主要包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車、氫動力汽車、 代用燃料汽車等。通常人們所說的電動汽車主要是指混合動力汽車和純電動汽車。目 前，在眾多的新能源汽車當中，電動汽車以其優(yōu)越的使用性能和相對低廉的銷售價格， 得到了市場的廣泛認可和普遍歡迎，日益成為全球汽車工業(yè)關注的焦點，展現(xiàn)出良好 的發(fā)展前景。 美國、日本、德國等發(fā)達國家電動汽車技術高度重視，從汽車技術變革和產業(yè)升 級的戰(zhàn)略出發(fā)，頒布制定了優(yōu)惠的政策措施，積極促進本國電動汽車產業(yè)發(fā)展，以期 提升本國汽車工業(yè)國際競爭力。據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前為止，發(fā)達國家累計用于電動 汽車的科研開發(fā)和產業(yè)化發(fā)展的資金已達數(shù)十億美元。憑借雄厚的實力和巨額的資金 投入，發(fā)達國家的汽車制造商已經在全球汽車工業(yè)新一輪競爭中占據(jù)了有利地位。特 別是以豐田為代表的日本汽車企業(yè)，已經在混合動力技術方面掌握了絕對優(yōu)勢，并在 北美等國際市場上形成了相當?shù)囊?guī)模 [16,17]。 從全球主要汽車生產廠家的發(fā)展計劃看，電動汽車的產業(yè)化時代正在到來。目前， “低排放”汽車(主要指混合動力汽車)已進入大規(guī)模產業(yè)化階段，在全球的累計銷量 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 4 已超過 100 萬輛， “零排放”汽車(主要指純電動汽車)的批量生產時間已提前到 2015 年，比原來預計的時間提前了 10 年至 15 年。特別是近年爆發(fā)國際金融危機以來，面 對嚴峻形勢，發(fā)達國家的政府紛紛出臺相關政策，加快了電動汽車的發(fā)展步伐。據(jù)權 威部門預測，未來 10 年，將是電動汽車產業(yè)格局形成的關鍵時期，電動汽車將成為 拉動經濟發(fā)展新的增長點 [2]。 1.3 本設計的研究內容及預期結果 1、針對本研究電動客車的使用條件，選擇電動機，通過計算 0-50km/h 加速時 間、最大爬坡度、最高車速來驗證電動機性能是否滿足要求。選擇控制策略并對其進 行研究。 2、通過分析各種蓄電池的性能優(yōu)缺點和本研究的使用條件，具體選擇某型蓄電 池來組成蓄電池組作為本研究電動客車的動力源。同時對蓄電池管理系統(tǒng)進行總體設 計和研究。 3、對整車再生制動的結構、控制策略和控制邏輯進行研究。 4、在原車的基礎上進行改裝，根據(jù)原車的實際結構，研究電動機、蓄電池組和 控制系統(tǒng)在車輛上的布置。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 5 第 2 章 電動汽車電機技術 2.1 電動汽車電機的分類及特點 電動汽車電動機可分為交流電動機、直流電動機、交/直流兩用電動機、控制電 動機（包括步進、測速、伺服、自整角等） 、開關磁阻電動機及信號電動機等多種。 適用于電力驅動的電動機可分為直流電動機（將直流電能轉換為機械能的電動機）和 交流電動機（將交流電能轉換為機械能的電動機）兩大類。目前在電動汽車上已應用 的和有應用前景的有直流電動機、交流感應（異步）電動機、永磁無刷電動機、開關 磁阻電動機等。 1、直流電動機 直流電動機（DCM）是最早發(fā)明的電動機，到現(xiàn)在已經有 100 多年的歷史。直流 電動機按照勵磁方式的不同可以分為：他勵、并勵、串勵、短復勵等。直流電動機的 優(yōu)點是：具有優(yōu)良的電磁轉矩控制特性，啟動轉矩、制動轉矩大，易于快速啟動、停 車；調速比較方便，調速范圍寬，易于平滑調速；由于磁場和電樞可以分別控制，因 此控制起來比較容易，而且控制性能好；直流電動機制造技術很成熟，驅動系統(tǒng)價格 較便宜。 直流電動機的缺點是效率較低、質量大、結構較復雜、體積大、價格高、可靠性 差等。同時，直流電動機上有電刷和換向器，它們容易磨損，在高速運行時還會產生 火花，嚴重時形成“環(huán)火” ，限制了直流電動機的轉速提高 [3，10] 。 2、異步電動機 感應電動機（IM）有繞線式和鼠籠式兩種類型，其具有結構簡單、堅固、成本低、 可靠性高、轉矩脈動小、噪聲小、轉速極限高、無需位置傳感器及免維護等優(yōu)點，因 此得到廣泛應用。 感應電動機的最大缺點是驅動電路復雜，相對永磁電動機而言，其效率和功率密 度偏低，因此有被其它新型永磁電機逐步取代的趨勢 [21]。 3、永磁無刷電動機 永磁無刷直流電動機因為沒有碳刷與換向器，所以沒有維修與保養(yǎng)的需要；由于 采用永磁轉子，所以沒有勵磁損耗的問題。與其他電動機相比其特點有：一是低頻轉 矩大，啟動轉矩可以達到額定轉矩的兩倍或更高。二是轉速彈性大，運轉精度高，并 且不受電壓與負載變動的影響。三是結構簡單牢固、免維修或少維護、運轉費用更低， 沒有保養(yǎng)維修的煩惱。四是永磁無刷直流電動機尺寸小、質量輕，具有很高的功率密 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 6 度。五是綜合效率高，明顯高出有刷直流的效率及歐盟 CEMED 效率標準。 永磁無刷直流電動機的主要不足是勵磁不能控制，因此永磁電動機不能得到類似 于繞線直流電動機的工作特性。另外，控制系統(tǒng)較為復雜。 4、開關磁阻電動機 開關磁阻電動機（SRM）具有高起動轉矩、低起動電流；高效率、低損耗、耐溫； 電動機結構簡單，適應于高速運轉；功率電路簡單；可靠性好；良好的適應性、低成 本等優(yōu)點。 但是開關磁阻電動機又有轉矩有脈動；振動和噪聲較大；驅動控制系統(tǒng)復雜，控 制器價格高；在高峰和高峰電流時容易產生電磁兼容性問題等缺點。當前在電動汽車 上的應用極少 [3,21]。 5、各種電動機的性能比較 [3] 表 2.1 各種電動機的性能比較 項 目 直 流 電 動 機 異 步 電 動 機 開 關 磁 阻 電動 機 永 磁 無 刷 電動 機 轉 速 范 圍 （ r/min） 4000-6000 12000-20000 >15000 4000-10000 功 率 密 度 低 中 較 高 高 功 率 因 數(shù) （ %） — 82-85 60-65 90-93 峰 值 效 率 （ %） 85-89 94-95 85-90 95-97 負 荷 效 率 （ %） 80-87 90-92 78-86 97-85 過 載 能 力 （ %） 200 300-500 300-500 300 恒 功 率 區(qū) 比 例 — 1:5 1:3 1:2.25 電 動 機 質 量 重 中 輕 輕 電 動 機 外 形 尺 寸 大 中 小 小 可 靠 性 一 般 好 好 優(yōu) 良 結 構 的 堅 固 性 差 好 優(yōu) 良 一 般 控 制 操 作 性 能 最 好 好 好 好 控 制 器 成 本 低 高 一 般 高 2.2 電動汽車對電機性能的要求 汽車行駛的特點是頻繁地啟動、加速、減速、停車等。在低速或爬坡時需要高轉 矩，在高速行駛時需要低轉矩。電動機的轉速范圍應能滿足汽車從零到最大行駛速度 的要求，即要求電動機具有高的比功率和功率密度。電動汽車電動機應滿足的主要要 求可歸納為如下 10 個方面: 1、高電壓。在允許的范圍內，盡可能采用高電壓，可以減小電動機的尺寸和導 線等裝備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本。工作電壓由 THS 的 274 V 提高到 THS B 的 500 V;在尺寸不變的條件下，最高功率由 33 kw 提高到 50 kw,最大轉矩由 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 7 350 N·m 提高到 400ON·m?？梢?，應用高電壓系統(tǒng)對汽車動力性能的提高極為有利。 2、轉速高。電動汽車所采用的感應電動機的轉速可以達到 8 000 一 12 000 r/min，高轉速電動機的體積較小，質量較輕，有利于降低整車的整備質量。 3、質量輕，體積小。電動機可通過采用鋁合金外殼等途徑降低電動機的質量， 各種控制裝置和冷卻系統(tǒng)的材料等也應盡可能選用輕質材料。電動汽車驅動電動機要 求有高的比功率(電動機單位質量的輸出功率)和在較寬的轉速和轉矩范圍內都有較高 的效率，以實現(xiàn)降低車重，延長續(xù)駛里程;而工業(yè)驅動電動機通常對比功率、效率及 成本進行綜合考慮，在額定工作點附近對效率進行優(yōu)化。 4、電動機應具有較大的啟動轉矩和較大范圍的調速性能，以滿足啟動、加速、 行駛、減速、制動等所需的功率與轉矩。電動機應具有自動調速功能，以減輕駕駛員 的操縱強度，提高駕駛的舒適性，并且能夠達到與內燃機汽車加速踏板同樣的控制響 應。 5、電動汽車驅動電動機需要有 4 一 5 倍的過載，以滿足短時加速行駛與最大爬 坡度的要求，而工業(yè)驅動電動機只要求有 2 倍的過載就可以了。 6、電動汽車驅動電動機應具有高的可控性、穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)性能，以滿足多部 電動機協(xié)調運行，而工業(yè)驅動電動機只要求滿足某一種特定的性能。 7、電動機應具有高效率、低損耗，并在車輛減速時，可進行制動能量回收。 8、電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)的安全性應達到有關的標準和規(guī)定。電動汽車的 各種動力電池組和電動機的工作電壓可以達到 300 V 以上，因此必須裝備高壓保護設 備以保證安全。 9、能夠在惡劣條件下可靠工作。電動機應具有高的可靠性、耐溫和耐潮性，并 在運行時噪聲低，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作。 10、結構簡單.適合大批量生產，使用維修方便，價格便宜等。 2.3 本研究用電動機 永磁直流電機控制簡單，通過 PWM 的控制，實現(xiàn)無級調速，調速性能優(yōu)良，因 而廣泛應用于我國工業(yè)控制領域。本研究基于降低研究和開發(fā)成本，縮短研究周期的 角度，選擇包頭永磁電機研究所研制的額定功率為 60kw 的 ZYCD 永磁直流電機作為 驅動電機。 ZYCD 型永磁直流電動車電機是專為電動汽車及混合動力電動汽車研制的驅動電 機，該電機的定子采用高性能釹鐵硼永磁材料勵磁，轉子為大氣隙結構；具有能量轉 換效率高且高效區(qū)寬廣、體積小、重量輕、換向性能好、電刷壽命長等優(yōu)點，同時還 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 8 有控制系統(tǒng)簡單、成本低、可以降低整車成本的優(yōu)點，在不少國內研究的電動汽車上 都得到了應用。其外型如圖 2.1 所示，表 2.2 則給出了電機的主要性能參數(shù)。 圖 2.1 本研究用的永磁直流電機 表 2.2 ZYCD 永磁直流電機技術參數(shù) 電 機 型 號 ZYCD-60 電 源 電 壓 V 384 額 定 電 壓 V 350 最 高 電 壓 V 384 額 定 功 率 kw 60 最 大 功 率 kw 100 額 定 轉 速 rpm 2000 最 大 轉 速 rpm 2500 額 定 效 率 % 92 最 大 轉 矩 N.m 1000 工 作 制 min S2-60 重 量 kg 300 2.4 電動機性能計算 2.4.1 電動車的使用情況及性能選擇 由于條件的限制，在電動汽車開發(fā)時必須提出合理而且恰當?shù)恼噭恿π阅苤笜耍?從而能夠更好的選擇動力電動機和動力蓄電池，及相關的其他設備。以市區(qū)使用的電 動公交車為例，結合市區(qū)道路的特點可以提出電動公交車的動力性能指標如下：最高 車速≥70km/h；0～50km/h 加速時間≤25s；最大爬坡度≥15% [7]。 本課題所選車型為中型客車，載員人數(shù)為 61 人，主要用于城市之內的乘客運輸 工作，這就對車輛的動力性能有較高的要求，具體來說就是最高車速不能太低，一般 要求在 70~90km/h 之間；同時，車輛要有一定的爬坡能力，爬坡能力不能低于 16%； 對加速能力的要求是 0~50km/h，加速時間不大于 25s。 圖 2.2 為本研究用的上海申沃客車有限公司生產的 SWB6940HG 型城市客車，表 2.3 給出了該車的一些基本參數(shù)配置。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 9 圖 2.2 本研究用的中型城市客車 表 2.3 本研究用中型城市客車的基本參數(shù)配置 型號 申沃牌 SWB6940HG 整車總質量（含成員）kg 13500 車長 mm 9436 車寬 mm 2420 車高 mm 2980 軸距 mm 4500 底盤型號 SWB6940HG 輪胎規(guī)格 9.00R20 額定載客(含駕 駛員)(人)： 61/28-37 改裝后總質量（含乘員，估 計）kg 14500 2.4.2 電動汽車的動力性 除了特別全新設計的電動汽車以外，現(xiàn)有的電動汽車在外型上與普通的內燃機汽 車沒有什么區(qū)別。它們都是采用通過橡膠輪胎來與地面相接觸，相互作用，從而產生 驅動力驅動車輛前進，在力學原理上不存在本質的區(qū)別。電動汽車在行駛時，由蓄電 池組對電動機提供電能，由電動機將電能轉換為機械能，用以克服各種阻力，驅動電 動汽車行駛。 1、電動汽車驅動力 電動機發(fā)出的扭矩 Te（Nm） ，經過傳動系傳到驅動輪上，通過與地面的作用轉變 為驅動力 Ft（N） ，對保留有變速器和主減速器的電動汽車有 Ft 與 Te 的關系式： Ft = r iTge?0 （2.1） 其中：i g為變速器傳動比，i 0為主減速器傳動比，η r為傳動系機械效率，r 是 車輪的滾動半徑（m） [11]。 2、電動汽車行駛方程 電動汽車行駛受力如圖 2.3 所示。電動汽車在路面上行駛時受到滾動阻力 Ff（Nm）和空氣阻力 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） 。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 10 圖 2.3 電動汽車行駛受力圖 電動汽車的驅動力要與行駛總阻力平衡，因此有： Ft = Ff+ Fw+ Fi+ Fj （2.2） 公式（2.2）又可以具體寫為： Ft = Gfcosα+ u2a + Gsinα+δm （2.3）15. ACDdtua 其中：G 表示車輛總重力（ N） ，f 表示滾動阻力系數(shù)， α 表示坡道與水平面的 夾角（°） ，C D 表示車輛的空氣阻力系數(shù)，A 表示車輛的迎風面積（m 2） ，u a 表示 車輛的行駛速度（km/h） ，δ 表示汽車旋轉質量換算系數(shù)，δ>1，m 表示車輛的質量 （kg） [11]。 3、電動汽車功率平衡方程 電動汽車行駛時，不僅驅動力和行駛阻力互相平衡，電動機的功率和電動汽車行 駛的阻力功率也總是平衡的。 電動汽車運動所消耗的功率有滾動阻力功率 Pf（kw） 、空氣阻力功率 Pw（kw） 、 坡道阻力功率 Pi（kw）以及加速阻力功率 Pj（kw） 。這樣就得到電動汽車行駛功率平 衡方程式 [11]： Pe = (Pf + Pw + Pi + Pj) （2.4）T? 1 經過單位換算整理得電動汽車功率平衡方程式為： Pe = ( ua + ua + u3a + ua) （2.5）T? 1360cos?Gf360sin7140ACD6m?dt 2.4.3 電動機校核 根據(jù)前面所給出的永磁直流電機的技術參數(shù)和對電動汽車所作的動力性分析，可 以通過對電動汽車的加速時間、最大爬坡度和最高車速等性能指標進行校核是否能達 到設計要求，來檢驗所選電機性能是否滿足要求。表 2.4 給出了與校核計算有關的電 動汽車傳動系的參數(shù)。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 11 表 2.4 電動汽車傳動系相關參數(shù) 主 減 速 比 i0 6.2 一 擋 5.568 CDA（ m ）24.00 二 擋 3.616 f 0.012 三 擋 2.348 r 0.496 四 擋 1.525T? 0.90 五 擋 1? 1.1 變 速 器 變 速 比 倒 擋 5.011 1、最高車速要求校核 根據(jù)設計期望的最高車速（70km/h） ，可以進行電機的最大功率的計算，從而驗 證所選電動機的功率是否達到要求。在電動汽車以最大車速行駛時，沒有加速度，也 就沒有加速阻力，也可以忽略坡道阻力，公式（2.5）可以化為： Pemax = （ uemax + uemax3） (2.6)T? 1360gfma76140ACD 相關參數(shù)由表 2.2、表 2.3 和表 2.4 給出，其中 η T = 0.90， ma = 14500kg, f = 0.012, uamax = 70km/h, CDA = 4.00m2 Pemax = ×( ＋ ) = 56.879.0170361.8945?37064? 經計算，要達到最高車速 70km/h 所需的功率為 56.87kw，小于所選電動機的 60kw 的額定功率，所以電動機功率滿足要求。 2、加速時間要求校核 在平直路面上，坡道阻力等于 0，滾動阻力中的 cosα 等于 1，電動汽車由靜止 加速到 u0的加速度可由公式（2.3）推導有： = （F t- Gf - u2a） (2.7)dt uam?15.1ACD 則加速時間可由下式計算： t = dua = dua (2.8)6.3 1?0udt6.31??0 215.uDt uAGfFm? 在通常情況下，起步加速時車速較低，空氣阻力可以忽略不記，所以又可以寫為 t = dua = dua (2.9)6.3 1?0udt6.31??0utf? 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 12 為了提高電動汽車的加速能力，對電動機采用恒轉矩控制即電動汽車以 1000Nm 最大轉矩加速。相關參數(shù)由表 2.2、表 2.3 和表 2.4 給出，其中 δ = 1.1， m = 14500kg, f = 0.012 t = dua = 17???08.91450.6.3utF 經計算，本研究電動汽車 0 至 50 km/h 加速時間為 17 s，從而加速能力滿足要 求。 由公式（2.3）可以推導出爬坡度計算公式 sinα= （F t- Gfcosα- u2a-δm ） （2.10）G 115.ACDdta 在計算最大爬坡度的時候，空氣阻力可以忽略不記，加速阻力忽略不記，則公式 （2.10）可以化為： sinα= - f cosα (2.11) t 讓電機采用恒最大轉矩 1000Nm 驅動電動汽車爬坡，相關參數(shù)由表 2.2、表 2.3 和表 2.4 給出，其中 G = mg, m = 14500kg, g = 9.8, f = 0.012 sinα = - 0.012 cosα = 238.91450?tF 經計算得電動汽車最大爬坡度為 23%，爬坡能力也滿足要求。 通過以上計算可以看出所選電動機滿足電動汽車性能要求。 2.5 電動機驅動控制策略 2.5.1 電動汽車的電機驅動控制策略分析 理想的車輛驅動應用場合下原動機的輸出特性為恒功率特性，即 Tω=const，但 實際上當 ω→0 時不可能達到 T→∞，因此，在工程可實現(xiàn)的范圍內，理想的車輛 原動機的輸出特性，即在低速時為恒轉矩特性，在高速時則為恒功率特性。 對于傳統(tǒng)的燃油汽車，內燃機以其熱效率高、重量小、體積緊湊的特點，在傳統(tǒng) 車輛驅動中占據(jù)統(tǒng)治地位。內燃機在其主要工作轉速范圍內，為近似的恒力矩特性， 且高效率工作的轉速范圍較窄。為適應車輛行駛的不同驅動力的要求，由內燃機車輛 傳動系中的離合器、 變速器實現(xiàn)對內燃機輸出轉矩、轉速的再分配。 以汽車為例，駕駛者主要的控制輸入是對加速踏板(俗稱油門)的操作，由此汽車 的發(fā)動機控制系統(tǒng)通過調節(jié)發(fā)動機的燃油噴射、節(jié)氣門的開度和點火時刻 (如車輛有 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 13 自動變速系統(tǒng)，還相應地自動換檔，調節(jié)變速器的傳動比)，調整車輛驅動特性以響 應駕駛者的操作。 一般內燃機汽車的變速器有 4—6 檔，在不同變速檔位下，相應的加速踏板踏位 控制下的驅動特性?？梢?，在行駛阻力不變條件下，不同的踏板踏位對應于不同的行 駛車速;在行駛車速不變的條件下，不同的踏板踏位對應不同的驅動力矩。換句話說， 在任意檔位下，加速踏板踏位的變化，必導致行駛狀態(tài)的變化。 對于電動車輛，一般繼承己被人們接受的傳統(tǒng)內燃機車輛踏板式或手柄式的控制 方式，對駕駛者的驅動意識，也應具有與傳統(tǒng)內燃機車輛一致或更優(yōu)良的驅動響應。 因此，對電動汽車，尤其是對取消了傳統(tǒng)車輛傳動系統(tǒng)的輪式驅動方式，更需作細致 的深入分析和比較，以確定與之相匹配的電機控制策略。 2.5.2 本研究電動機用驅動控制策略 對于永磁直流電機驅動系統(tǒng)，一般可以采用電壓控制、電流控制和轉速控制等三 種控制方法。為了能夠更好的與普通內燃機的駕駛特性相同，本研究采用電流控制的 控制策略，也就是轉矩控制方式。電子油門踏板的變化對應于電動機的輸出力矩，在 穩(wěn)定時則對應于電動機的輸出轉速。在行駛中，駕駛員通過控制電樞電流的大小來調 節(jié)電動機的輸出轉矩，使輸出轉矩跟隨車輛需求轉矩的變化，完成對車速的控制。如 果把駕駛員也看成是控制環(huán)節(jié)，那么駕駛員對車速的調節(jié)也就構成了一個轉速閉環(huán)控 制，與電流的閉環(huán)控制一起組成對永磁直流電動機的雙閉環(huán)控制。 2.5.3 電機電流控制研究 1、永磁直流電動機的特性 ⑴永磁直流電動機基本方程 直流電機在電動運行時的基本方程（忽略電刷的壓降）為： E = Cen Ud0 = E + IdR Te = CTId （2.12 ） 其中：E 為電動機反電動勢（V），Ce 為電動機在額定磁通下電動勢轉速比 （V/(r/min)）， n 為電動機轉速（ r/min），Ud0 為電動機輸入端電壓（V），Id 為電 樞電流（A），R 為電動機電樞回路電阻（Ω）， Te 為電動機輸出的電磁轉矩 （Nm），C T 為電動機在額定磁通下的轉矩轉速比（Nm/(r/min)），C T = Ce[12]。?260 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 14 ⑵永磁直流電動機機械特性 當電動機電樞兩端加恒定電壓（Ud0=常數(shù)）時，電動機轉速隨電磁轉矩變化的關 系n=f(Te )，稱為直流電動機的機械特性。其表達式為： n = - Te edCU0aR? （2.13） 其中R a（Ω）為電樞回路串聯(lián)電阻, 特性圖如圖2.4 所示 [13]。 n eT 0 U1 ＞U 2 ＞U 3 U1 U2 U3 圖2.4 永磁直流電動機機械特性圖 由圖2.4 可以知道，電動機轉速隨著電磁轉矩的增大而減小。 ⑶永磁直流電動機轉矩特性 在端電壓Ud0 一定的情況下穩(wěn)態(tài)運行時，永磁直流電動機的電磁轉矩 Te 隨電樞電 流Id 變化而變化的特性稱為轉矩特性，即Te=f(Id)，如圖2.5 所示 [13]。其表達式為： Te = Id C