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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 I 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(jīng)不能很好的 適應(yīng)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(guān)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(guān)方面的技術(shù)，主要對電動汽車進行了總 體設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計研究；對整車再生制動的結(jié)構(gòu) 和控制進行了設(shè)計研究；討論了電動汽車電動機及傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布置方案，設(shè)計 了蓄電池組的布置位置和安放結(jié)構(gòu)，同時對制動系統(tǒng)進行了初步改裝設(shè)計。 關(guān)鍵詞：純電動汽車改裝設(shè)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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 II 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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 i 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(nèi)外電動汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 1.3 本設(shè)計的研究內(nèi)容及預(yù)期結(jié)果 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5 第 2 章 電動汽車電機技術(shù)???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????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(qū)動控制策略 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13 2.5.1 電動汽車的電機驅(qū)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(jié) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17 第 3 章 蓄電池技術(shù)及其管理系統(tǒng)設(shè)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(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????23 3.5 各檢測模塊基本設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 3.5.1 電壓溫度檢測模塊設(shè)計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 ii 3.5.2 電流檢測模塊設(shè)計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 3.6 蓄電池組的均衡充放電設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 3.7 本章小結(jié) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37 第 5 章 電動客車的總體設(shè)計?????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.1 改裝布置設(shè)計注意事項 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.2 電機與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.3 蓄電池組的布置及安裝設(shè)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(shè)計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????41 5.3.3 蓄電池框架和軌道的設(shè)計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????42 5.4 制動系統(tǒng)改裝設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????43 5.5 本章小結(jié) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????44 結(jié) 論???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45 參考文獻???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????46 致 謝???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48 附 錄???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????49 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 1 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(yīng)。汽車的環(huán)境公害包括汽車在生產(chǎn)過程 中、使用中和報廢后的環(huán)境大氣污染、水質(zhì)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(yīng)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(chǎn)生的危害，與此有關(guān)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(chǎn)生光化學(xué)煙霧和硫酸煙霧外，還導(dǎo)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(yīng)問題。從人類對可持續(xù)發(fā)展的觀點出發(fā)，人類應(yīng) 設(shè)法減少對有限的石油資源的消耗，并且應(yīng)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(yīng)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(nèi)使用的主要能源有石油、煤、天然 氣、核能、水能、風(fēng)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(nèi)的石油儲藏量和開采量相當(dāng)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(guān)，所以又帶來了石油安全問題。據(jù)估計，即 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 2 使在采用先進技術(shù)、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(jīng)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(zhuǎn)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(nèi)持續(xù)高速增長?？梢灶A(yù)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(jié)構(gòu)，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(qū)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(yīng)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(fēng)力、潮汐等能源轉(zhuǎn)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(wǎng)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(zhuǎn)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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 3 電動機可自動轉(zhuǎn)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(nèi)燃機高。 （4）噪聲低 噪聲對人的聽覺、神經(jīng)、心血管、消化、內(nèi)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(shù)，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(diào)系 統(tǒng)等相協(xié)調(diào)，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(jīng)濟基礎(chǔ)，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(shè)施的布置，可有效解決充電設(shè)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(lǐng)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(jīng)達到國際先進水平，在此基礎(chǔ)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(guān)的 設(shè)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(nèi)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(nèi)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(xué)、 上海同濟大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位，在“863”計劃和“十五”國家科技專項等國 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 4 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(gòu)、高等院校都增設(shè)了與電動汽車研 發(fā)有關(guān)的機構(gòu)和人員，并把電動汽車及相關(guān)零部件的研發(fā)列為重點課題，這為我國電 動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 近年來，隨著全球汽車工業(yè)重心開始向中國市場轉(zhuǎn)移，電動汽車的產(chǎn)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(fēng)、北汽、奇瑞、 吉利、力帆等在內(nèi)的整車企業(yè)超過 150 家，包括一汽、上汽、宇通等在內(nèi)的從事混合 動力客車研制和生產(chǎn)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(nèi)許多企業(yè)已開始涉足與電動汽車相關(guān)的電池、 發(fā)動機等關(guān)鍵零部件的研制和生產(chǎn)，技術(shù)水平與國際先進水平的差距正在縮小。 當(dāng)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(wù)院指示，國家發(fā)展改革委組織制定了《汽 車工業(yè)調(diào)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(nèi)汽車企業(yè)紛紛增加對電動汽車及相關(guān)零部件的研發(fā)投入， 我國電動汽車產(chǎn)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?fàn)顩r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(dāng)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(guān)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(shù)高度重視，從汽車技術(shù)變革和產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)在混合動力技術(shù)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(dāng)?shù)囊?guī)模 [16,17]。 從全球主要汽車生產(chǎn)廠家的發(fā)展計劃看，電動汽車的產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化階段，在全球的累計銷量 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 5 已超過 100 萬輛， “零排放”汽車(主要指純電動汽車)的批量生產(chǎn)時間已提前到 2015 年，比原來預(yù)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(guān)政策，加快了電動汽車的發(fā)展步伐。據(jù)權(quán) 威部門預(yù)測，未來 10 年，將是電動汽車產(chǎn)業(yè)格局形成的關(guān)鍵時期，電動汽車將成為 拉動經(jīng)濟發(fā)展新的增長點 [2]。 1.3 本設(shè)計的研究內(nèi)容及預(yù)期結(jié)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(shè) 計和研究。 3、對整車再生制動的結(jié)構(gòu)、控制策略和控制邏輯進行研究。 4、在原車的基礎(chǔ)上進行改裝，根據(jù)原車的實際結(jié)構(gòu)，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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 6 第 2 章 電動汽車電機技術(shù) 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(guān)磁阻電動機及信號電動機等多種。 適用于電力驅(qū)動的電動機可分為直流電動機（將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機）和 交流電動機（將交流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機）兩大類。目前在電動汽車上已應(yīng)用 的和有應(yīng)用前景的有直流電動機、交流感應(yīng)（異步）電動機、永磁無刷電動機、開關(guān) 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(jīng)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(fù)勵等。直流電動機的 優(yōu)點是：具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，啟動轉(zhuǎn)矩、制動轉(zhuǎn)矩大，易于快速啟動、停 車；調(diào)速比較方便，調(diào)速范圍寬，易于平滑調(diào)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(shù)很成熟，驅(qū)動系統(tǒng)價格 較便宜。 直流電動機的缺點是效率較低、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)較復(fù)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?nèi)菀啄p，在高速運行時還會產(chǎn)生 火花，嚴重時形成“環(huán)火” ，限制了直流電動機的轉(zhuǎn)速提高 [3，10] 。 2、異步電動機 感應(yīng)電動機（IM）有繞線式和鼠籠式兩種類型，其具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固、成本低、 可靠性高、轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲小、轉(zhuǎn)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(yīng)用。 感應(yīng)電動機的最大缺點是驅(qū)動電路復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn) 矩大，啟動轉(zhuǎn)矩可以達到額定轉(zhuǎn)矩的兩倍或更高。二是轉(zhuǎn)速彈性大，運轉(zhuǎn)精度高，并 且不受電壓與負載變動的影響。三是結(jié)構(gòu)簡單牢固、免維修或少維護、運轉(zhuǎn)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(zhì)量輕，具有很高的功率密 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 7 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(fù)雜。 4、開關(guān)磁阻電動機 開關(guān)磁阻電動機（SRM）具有高起動轉(zhuǎn)矩、低起動電流；高效率、低損耗、耐溫； 電動機結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)于高速運轉(zhuǎn)；功率電路簡單；可靠性好；良好的適應(yīng)性、低成 本等優(yōu)點。 但是開關(guān)磁阻電動機又有轉(zhuǎn)矩有脈動；振動和噪聲較大；驅(qū)動控制系統(tǒng)復(fù)雜，控 制器價格高；在高峰和高峰電流時容易產(chǎn)生電磁兼容性問題等缺點。當(dāng)前在電動汽車 上的應(yīng)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(guān) 磁 阻 電動 機 永 磁 無 刷 電動 機 轉(zhuǎn) 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(zhì) 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(jié) 構(gòu) 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(zhuǎn) 矩，在高速行駛時需要低轉(zhuǎn)矩。電動機的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)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(yīng)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(nèi)，盡可能采用高電壓，可以減小電動機的尺寸和導(dǎo) 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(zhuǎn)矩由 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 8 350 N·m 提高到 400ON·m?？梢?，應(yīng)用高電壓系統(tǒng)對汽車動力性能的提高極為有利。 2、轉(zhuǎn)速高。電動汽車所采用的感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速可以達到 8 000 一 12 000 r/min，高轉(zhuǎn)速電動機的體積較小，質(zhì)量較輕，有利于降低整車的整備質(zhì)量。 3、質(zhì)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(zhì)量， 各種控制裝置和冷卻系統(tǒng)的材料等也應(yīng)盡可能選用輕質(zhì)材料。電動汽車驅(qū)動電動機要 求有高的比功率(電動機單位質(zhì)量的輸出功率)和在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)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(qū)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(yīng)具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能，以滿足啟動、加速、 行駛、減速、制動等所需的功率與轉(zhuǎn)矩。電動機應(yīng)具有自動調(diào)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(nèi)燃機汽車加速踏板同樣的控制響 應(yīng)。 5、電動汽車驅(qū)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(qū)動電動機只要求有 2 倍的過載就可以了。 6、電動汽車驅(qū)動電動機應(yīng)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(diào)運行，而工業(yè)驅(qū)動電動機只要求滿足某一種特定的性能。 7、電動機應(yīng)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(yīng)達到有關(guān)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(shè) 備以保證安全。 9、能夠在惡劣條件下可靠工作。電動機應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單.適合大批量生產(chǎn)，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(diào)速，調(diào)速性能優(yōu)良，因 而廣泛應(yīng)用于我國工業(yè)控制領(lǐng)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(qū)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(qū)動電 機，該電機的定子采用高性能釹鐵硼永磁材料勵磁，轉(zhuǎn)子為大氣隙結(jié)構(gòu)；具有能量轉(zhuǎn) 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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 9 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(nèi)研究的電動汽車上 都得到了應(yīng)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(shù)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(zhuǎn) 速 rpm 2000 最 大 轉(zhuǎn) 速 rpm 2500 額 定 效 率 % 92 最 大 轉(zhuǎn) 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(dāng)?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(guān)的其他設(shè)備。以市區(qū)使用的電 動公交車為例，結(jié)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(nèi)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(chǎn)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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 10 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(zhì)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(zhì)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(shè)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(nèi)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(chǎn)生 驅(qū)動力驅(qū)動車輛前進，在力學(xué)原理上不存在本質(zhì)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(zhuǎn)換為機械能，用以克服各種阻力，驅(qū)動電 動汽車行駛。 1、電動汽車驅(qū)動力 電動機發(fā)出的扭矩 Te（Nm） ，經(jīng)過傳動系傳到驅(qū)動輪上，通過與地面的作用轉(zhuǎn)變 為驅(qū)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(guān)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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 11 圖 2.3 電動汽車行駛受力圖 電動汽車的驅(qū)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(fēng)面積（m 2） ，u a 表示 車輛的行駛速度（km/h） ，δ 表示汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，δ1，m 表示車輛的質(zhì)量 （kg） [11]。 3、電動汽車功率平衡方程 電動汽車行駛時，不僅驅(qū)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(jīng)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(shù)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(shè)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(guān)的電 動汽車傳動系的參數(shù)。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 表 2.4 電動汽車傳動系相關(guān)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(shè)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(guān)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(jīng)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(dǎo)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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 13 為了提高電動汽車的加速能力，對電動機采用恒轉(zhuǎn)矩控制即電動汽車以 1000Nm 最大轉(zhuǎn)矩加速。相關(guān)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(jīng)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(dǎo)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(zhuǎn)矩 1000Nm 驅(qū)動電動汽車爬坡，相關(guān)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(jīng)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(qū)動控制策略 2.5.1 電動汽車的電機驅(qū)動控制策略分析 理想的車輛驅(qū)動應(yīng)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(dāng) ω→0 時不可能達到 T→∞，因此，在工程可實現(xiàn)的范圍內(nèi)，理想的車輛 原動機的輸出特性，即在低速時為恒轉(zhuǎn)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(nèi)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(qū)動中占據(jù)統(tǒng)治地位。內(nèi)燃機在其主要工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，為近似的恒力矩特性， 且高效率工作的轉(zhuǎn)速范圍較窄。為適應(yīng)車輛行駛的不同驅(qū)動力的要求，由內(nèi)燃機車輛 傳動系中的離合器、 變速器實現(xiàn)對內(nèi)燃機輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)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(diào)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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 14 自動變速系統(tǒng)，還相應(yīng)地自動換檔，調(diào)節(jié)變速器的傳動比)，調(diào)整車輛驅(qū)動特性以響 應(yīng)駕駛者的操作。 一般內(nèi)燃機汽車的變速器有 4—6 檔，在不同變速檔位下，相應(yīng)的加速踏板踏位 控制下的驅(qū)動特性。可見，在行駛阻力不變條件下，不同的踏板踏位對應(yīng)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(yīng)不同的驅(qū)動力矩。換句話說， 在任意檔位下，加速踏板踏位的變化，必導(dǎo)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(nèi)燃機車輛踏板式或手柄式的控制 方式，對駕駛者的驅(qū)動意識，也應(yīng)具有與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛一致或更優(yōu)良的驅(qū)動響應(yīng)。 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(qū)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(qū)動控制策略 對于永磁直流電機驅(qū)動系統(tǒng)，一般可以采用電壓控制、電流控制和轉(zhuǎn)速控制等三 種控制方法。為了能夠更好的與普通內(nèi)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(zhuǎn)矩控制方式。電子油門踏板的變化對應(yīng)于電動機的輸出力矩，在 穩(wěn)定時則對應(yīng)于電動機的輸出轉(zhuǎn)速。在行駛中，駕駛員通過控制電樞電流的大小來調(diào) 節(jié)電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，使輸出轉(zhuǎn)矩跟隨車輛需求轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)也就構(gòu)成了一個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速比 （V/(r/min)）， n 為電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩 （Nm），C T 為電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速比（Nm/(r/min)），C T = Ce[12]。?260 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 15 ⑵永磁直流電動機機械特性 當(dāng)電動機電樞兩端加恒定電壓（Ud0=常數(shù)）時，電動機轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩變化的關(guān) 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(zhuǎn)速隨著電磁轉(zhuǎn)矩的增大而減小。 ⑶永磁直流電動機轉(zhuǎn)矩特性 在端電