喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 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(jīng)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(chǎn)實踐知識。 二、設計（論文）內(nèi)容、技術要求（研究方法） 主要內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(qū)動電動機運轉(zhuǎn)，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(chǎn)業(yè)化方向邁進。 我國推動純電動汽車產(chǎn)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(jīng)超過5000萬輛，且輕型電動車產(chǎn)銷量已經(jīng)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(nèi)動力電池、電機等產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)可望大幅下降。日產(chǎn)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(qū)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(qū)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(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)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(qū)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(qū)動電動機運轉(zhuǎn)，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(jīng)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(nèi)燃機汽車工作時產(chǎn)生的廢氣，不產(chǎn)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(nèi)燃機產(chǎn)生的噪聲，電動機的噪聲也較內(nèi)燃機小。 ????其次，電動汽車較內(nèi)燃機汽車結構簡單，運轉(zhuǎn)、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(zhuǎn)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(wǎng)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(qū)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(jīng)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(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(qū)動電機應具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速高、啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)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(qū)動的電動汽車幾乎都采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。由于直接轉(zhuǎn)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(qū)動的無刷直流電動機系統(tǒng)(BLDCM)和由正弦波驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)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(zhuǎn)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(qū)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(jīng)網(wǎng)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(chǎn)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(zhì)材料如鎂、鋁、優(yōu)質(zhì)鋼材及復合材料，優(yōu)化結構，可使汽車自身質(zhì)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(qū)動性能、選擇適當?shù)哪芰吭?即電池)外，還應該有一套協(xié)調(diào)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(diào)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(nèi)容、擬解決的主要問題 1、研究的基本內(nèi)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(wǎng)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(qū)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] 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系、專業(yè)、班級 汽車工程系車輛工程07-4班 指導教師 王國田 職 稱 實驗師 設計成果明細： 答辯委員會評語： 答辯委員會主任簽字（蓋章）： 系部公章： 年 月 日 備 注： 注：“類別”欄填寫畢業(yè)論文或畢業(yè)設計 畢業(yè)設計（論文）過程管理材料 題 目 城市純電動中型客車的 總體設計 學生姓名 于洪琳 院系名稱 汽車與交通工程學院 專業(yè)班級 車輛工程07-4班 指導教師 王國田 職 稱 實驗師 教研室 車輛工程教研室 起止時間 2011.2.28-2011.6.24 教 務 處 制 畢業(yè)設計指導教師評分表 學生姓名 于洪琳 院系 汽車與交通工程學院 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 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 10 2 題目工作量；題目與工程實踐、社會實際、科研與實驗室建設等的結合程度 10 3 綜合運用知識能力（設計涉及學科范圍，內(nèi)容深廣度及問題難易度）；應用文獻資料能力 15 4 設計（實驗）能力；計算能力（數(shù)據(jù)運算與處理能力）；外文應用能力 20 5 計算機應用能力；對實驗結果的分析能力（或綜合分析能力、技術經(jīng)濟分析能力） 10 6 插圖（圖紙）質(zhì)量；設計說明書撰寫水平；設計的實用性與科學性；創(chuàng)新性 20 7 設計規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等） 5 8 科學素養(yǎng)、學習態(tài)度、紀律表現(xiàn)；畢業(yè)論文進度 10 得 分 X= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 工作態(tài)度： 好□ 較好□ 一般□ 較差□ 很差□ 研究能力或設計能力：強□ 較強□ 一般□ 較弱□ 很弱□ 工作量： 大□ 較大□ 適中□ 較少□ 很少□ 說明書規(guī)范性： 好□ 較好□ 一般□ 較差□ 很差□ 圖紙規(guī)范性： 好□ 較好□ 一般□ 較差□ 很差□ 成果質(zhì)量（設計方案、設計方法、正確性） 好□ 較好□ 一般□ 較差□ 很差□ 其他： 指導教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計評閱人評分表 學生 姓名 于洪琳 專業(yè) 班級 車輛工程07-4 指導教 師姓名 王國田 職稱 實驗師 題目 　城市純電動中型客車的總體設計 評閱組或預答辯組成員姓名 李涵武、齊曉杰、林明、王國田、王永梅、田芳 出席 人數(shù) 5 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 10 2 題目工作量；題目與工程實踐、社會實際、科研與實驗室建設等的結合程度 10 3 綜合運用知識能力（設計涉及學科范圍，內(nèi)容深廣度及問題難易度）；應用文獻資料能力 15 4 設計（實驗）能力；計算能力（數(shù)據(jù)運算與處理能力）；外文應用能力 25 5 計算機應用能力；對實驗結果的分析能力（或綜合分析能力、技術經(jīng)濟分析能力） 15 6 插圖（圖紙）質(zhì)量；設計說明書撰寫水平；設計的實用性與科學性；創(chuàng)新性 20 7 設計規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等） 5 得 分 Y= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 回答問題： 正確□ 基本正確□ 基本不正確□ 不能回答所提問題□ 研究能力或設計能力：強□ 較強□ 一般□ 較弱□ 很弱□ 工作量： 大□ 較大□ 適中□ 較少□ 很少□ 說明書規(guī)范性： 好□ 較好□ 一般□ 較差□ 很差□ 圖紙規(guī)范性： 好□ 較好□ 一般□ 較差□ 很差□ 成果質(zhì)量（設計方案、設計方法、正確性） 好□ 較好□ 一般□ 較差□ 很差□ 其他： 　 評閱人或預答辯組長簽字： 年 月 日 注：畢業(yè)設計（論文）評閱可以采用2名評閱教師評閱或集體評閱或預答辯等形式。 畢業(yè)設計答辯評分表 學生 姓名 于洪琳 專業(yè) 班級 車輛工程07-4 指導 教師 王國田 職 稱 實驗師 題目 城市純電動中型客車的總體設計 答辯 時間 月 日 時 答辯組 成員姓名 李涵武、齊曉杰、林明、王國田、王永梅、田芳 出席 人數(shù) 5 序號 評 審 指 標 滿 分 得 分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況，題目難易度、工作量、與實際的結合程度 10 2 設計（實驗）能力、對實驗結果的分析能力、計算能力、綜合運用知識能力 10 3 應用文獻資料、計算機、外文的能力 10 4 設計說明書撰寫水平、圖紙質(zhì)量，設計的規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等）、實用性、科學性和創(chuàng)新性 15 5 畢業(yè)設計答辯準備情況 5 6 畢業(yè)設計自述情況 20 7 畢業(yè)設計答辯回答問題情況 30 總 分 Z= 答辯過程記錄、評語： 自述思路與表達能力：好□ 較好□ 一般□ 較差□ 很差□ 回答問題： 正確□ 基本正確□ 基本不正確□ 不能回答所提問題□ 研究能力或設計能力：強□ 較強□ 一般□ 較弱□ 很弱□ 工作量： 大□ 較大□ 適中□ 較少□ 很少□ 說明書規(guī)范性： 好□ 較好□ 一般□ 較差□ 很差□ 圖紙規(guī)范性： 好□ 較好□ 一般□ 較差□ 很差□ 成果質(zhì)量（設計方案、設計方法、正確性） 好□ 較好□ 一般□ 較差□ 很差□ 其他： 　 答辯組長簽字： 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(jīng)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 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(nèi)外電動汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展 3 1.3 本設計的研究內(nèi)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(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 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 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 附 錄 49 53 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 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(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、NOx、SOx、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(nèi)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(nèi)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(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(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(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，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，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，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(jīng)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(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、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(chǎn)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(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、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的電池、發(fā)動機等關鍵零部件的研制和生產(chǎn)，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(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(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(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(chǎn)業(yè)格局形成的關鍵時期，電動汽車將成為拉動經(jīng)濟發(fā)展新的增長點[2]。 1.3 本設計的研究內(nèi)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 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(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(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?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(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，因此得到廣泛應用。 感應電動機的最大缺點是驅(qū)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(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。三是結構簡單牢固、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(zhuǎn)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(zhuǎn)；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(zhuǎn)矩有脈動；振動和噪聲較大；驅(qū)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(chǎn)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(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(zhuǎn)矩，在高速行駛時需要低轉(zhuǎn)矩。電動機的轉(zhuǎn)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(nèi)，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(zhuǎn)矩由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(zhuǎn)速高。電動汽車所采用的感應電動機的轉(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。 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(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(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)子為大氣隙結構；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(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?shù)恼噭恿π阅苤笜?，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(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。 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?yōu)轵?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 的關系式： Ft = （2.1） 其中：ig為變速器傳動比，i0為主減速器傳動比，ηr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）。 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） 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（°），CD 表示車輛的空氣阻力系數(shù)，A 表示車輛的迎風面積（m 2），ua 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)，δ>1，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） 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） 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)。 表2.4 電動汽車傳動系相關參數(shù) 主減速比i0 6.2 變速器變速比 一擋 5.568 CDA（m） 4.00 二擋 3.616 f 0.012 三擋 2.348 r 0.496 四擋 1.525 0.90 五擋 1 1.1 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) 相關參數(shù)由表2.2、表2.3和表2.4給出，其中ηT = 0.90， ma = 14500kg, f = 0.012, uamax = 70km/h, CDA = 4.00m2 Pemax = ×( ＋ ) = 56.87 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）推導有： = （Ft- Gf - u2a） (2.7) 則加速時間可由下式計算： t = dua = dua (2.8) 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) 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 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）可以推導出爬坡度計算公式 sinα=（Ft- Gfcosα-u2a-δm） （2.10） 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) 讓電機采用恒最大轉(zhuǎn)矩1000Nm 驅(qū)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 = 23 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(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 (如車輛有自動變速系統(tǒng)，還相應地自動換檔，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，相應的加速踏板踏位控制下的驅(qū)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(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。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(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），CT 為電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速比（Nm/(r/min)），CT = Ce[12]。 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(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)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 （2.13） 其中Ra（Ω）為電樞回路串聯(lián)電阻, 特性圖如圖2.4 所示[13]。 0 U1 ＞U2 ＞U3 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(zhuǎn)矩Te 隨電樞電流Id 變化而變化的特性稱為轉(zhuǎn)矩特性，即Te=f(Id)，如圖2.5 所示[13]。其表達式為： Te = Id CT （2.14） 圖2.5 永磁直流電動機轉(zhuǎn)矩特性圖 從圖2.5 可以看出，改變電樞電流的大小可以很好的實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。 ⑷永磁直流電動機效率特性 在端電壓Ud0 恒定的情況下，永磁直流電動機的效率η 隨電樞電流Id 變化的特性稱為效率特性，即η=f(Id)，如圖2.6 所示。其計算表達式為： η=×100% =(1-)×100% (2.15) 其中，P1為電動機輸入功率，P2為電動機的輸出功率，∑P為各項損耗功率[13]。 圖2.6 永磁直流電動機效率特性圖 2、本研究電動機驅(qū)動控制系統(tǒng) 本研究的電動機控制系統(tǒng)框圖如圖2.7 所示。加速踏板和制動踏板的控制信號被送入主控制器，與電樞電流的反饋電壓信號相比較，然后主控制器輸出控制電壓Ui，通過PI 調(diào)節(jié)器和PWM 功率變換器來完成對電動機的調(diào)速。 PI調(diào)節(jié)器 PWM功率變換器 M 蓄電池組 電樞電流負反饋 加速踏板控制信號 制動踏板控制信號 主控制器 圖2.7 永磁直流電動機控制系統(tǒng)框圖 ⑴電流PI 調(diào)節(jié) 在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性和靜態(tài)穩(wěn)定性問題，這就需要有校正裝置。對電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)進行串聯(lián)校正可以采用比例微分（PD）、比例積分（PI）和比例微積分（PID）。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，采用PI 調(diào)節(jié)器就能很好的滿足校正任務。 ⑵PWM 變換器 在電動機控制系統(tǒng)中，控制電壓信號改變時，PWM 變換器的輸出電壓并不能立即發(fā)生改變，必須要到下一個方波周期才能改變，可以將PWM 變換器看成是一個滯后環(huán)節(jié)，它的延時時間最大不會超過一個開關周期Ts。 2.6 本章小結 總之，電動汽車驅(qū)動電機總的發(fā)展趨勢是由通用走向?qū)Ｓ?，由直流走向交流。電動機作為電機驅(qū)動系統(tǒng)的動力源，是電動汽車動力系統(tǒng)的核心，已成為電動汽車發(fā)展的瓶頸。相信隨著電機技術、電力電子技術、微電子技術、自控技術的飛速發(fā)展和更加完美的結合，電動車用電機必將發(fā)展成為可靠、易維護、低成本、高效率、寬調(diào)速、高功率密度和高集成度的智能電機。 第3章 蓄電池技術及其管理系統(tǒng)設計 3.1 蓄電池的分類及特點 1、鉛酸蓄電池 電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。 英語：Lead-acid battery 荷電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。其特點如下： （1）完全密封。在正常操作中，電解液不會從電池的端子或外殼中泄露出。 （2）沒有自由酸。特殊的吸液隔板將酸保持在內(nèi)，電池內(nèi)部沒有自由酸液，因此電池可放置在任意位置。 （3）泄氣系統(tǒng)。電池內(nèi)壓超出正常水平后，VRLA(Valve-Regulated Lead Acid Battery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫)電池會放出多余氣體并自動重新密封，保證電池內(nèi)沒有多余氣體。 （4）維護簡單。由于獨一無二的氣體復合系統(tǒng)使產(chǎn)生的氣體轉(zhuǎn)化成水，在使用VRLA(Valve-Regulated Lead Acid Battery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫)電池的過程中不需要加水。 （5）使用壽命長。采用了有抗腐蝕結構的鉛鈣合金欄板VRLA(Valve-Regulated Lead Acid Battery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫)電池可浮充使用10-15年。 （6）質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高。采用先進的生產(chǎn)工藝和嚴格的質(zhì)量控制系統(tǒng)，VRLA(Valve-Regulated Lead Acid Battery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫)電池的質(zhì)量穩(wěn)定，性能可靠。電壓、容量和密封在線上進行100%檢驗。 2、鎳 – 氫蓄電池 鎳 – 氫（Ni – H2）電池亦稱氫 – 鎳（H2- Ni）電池。常見的鎳 – 氫蓄電池是高壓鎳 – 氫電池。高壓氫 – 鎳電池是20世紀70年代初由美國M.Klein和F.Stockel等首先研制的，單體電池氫電極為負級，鎳電極為正極，在氫電極和鎳電極間夾有一層KOH電解質(zhì)溶液（20℃時，密度為1.30g·cm-3）的石棉膜。氫電極是用活性炭作載體，聚四氟乙烯（PTFE）粘結式多孔氣體擴散電極，它由含鉑催化劑的催化層、多孔聚四氟乙烯防水層組成。鎳電極可以用壓制的Ni(OH)2電極。 高壓鎳 – 氫電池的優(yōu)點主要是比能量較高、壽命長、耐過充過放以及可以通過氫壓來指示電池荷點狀態(tài)等。主要缺點為：容器需要耐高壓，一般充電后氫壓達3~5MPa,這就需要用較重耐壓容器，降低了電池的體積比能量及質(zhì)量比能量；自放電較大；不能漏氣，否則電池容量減小，并且容易發(fā)生爆炸事故；成本高；能量密度低。因此，目前研制的高壓氫– 鎳電池主要是應用于空間技術[6,22]。 3、鎳 – 鎘蓄電池 鎳 – 鎘（Ni–Cd）亦稱鎘–鎳Cd–Ni7電池于1898年由瑞典尤格爾（W.jungner）發(fā)明，已有100多年歷史。在20世紀前50年研制生產(chǎn)的是極板（或袋式）電池，從20世紀50年代開始研制生產(chǎn)燒結式電池，從20世紀60年代研制生產(chǎn)密封式電池。 電動汽車用Ni–Cd電池應采用密封和全密封結構的電池。密封Ni–Cd電池指液體密封或稱液密、半密封電池。這種電池允許任意姿態(tài)使用，不會有電液溢出，形狀有圓柱形、扁形（扣式）。全密封結構的電池有圓柱形和方形兩種。 Ni–Cd電池的主要特點是容易充電、壽命長、維護方便，可以制成無需維護的密封和全密封結構的電池。缺點是鎘對環(huán)境的污染較大，開路電壓低，維護不當易報廢，這些都限制了電池的大規(guī)模使用，預期有被淘汰的可能[6]。 4、鋰離子蓄電池 鋰離子蓄電池是在二次鋰電池技術的基礎上發(fā)展起來的一種全新概念的蓄電池。該類電池不僅保持了二次鋰電池的優(yōu)點，而且較好地克服了二次鋰電池的缺點，循環(huán)壽命長，電池容量高，安全性好，是一類具有很大開發(fā)價值的蓄電池。 鋰離子電池的優(yōu)點主要有6方面： （1）能量密度高。與同等容量的Ni – Cd或Ni – MH電池相比，鋰離子電池的重量輕，其能量密度是這兩類電池的1.5~2倍。 （2）電壓高。鋰離子電池的端電壓高達3.7V，是Ni – Cd或Ni – MH電池電壓的3倍。 （3）無污染，環(huán)保型。 （4）循環(huán)壽命長。壽命超過1000次。 （5）負載能力大。鋰離子電池可以大電流連續(xù)放電，適合于動力電源。 （6）安全性好。由于使用優(yōu)良的負極材料，克服了電池充電過程中鋰枝晶的生長問題，使得鋰離子電池的安全性大大提高。同時采用特殊的可恢復配件，保證了電池在使用過程中的安全性[6,22]。 5、空氣電池 鋅 – 空氣電池的特點 （1）比能量大。鋅空氣電池的理論比能量可達1350W·h·kg-1,但鋅空氣電池的實際比能量僅為180~230 W·h·kg-1，仍然是鉛酸電池的4.35 ~ 5.5倍。能量密度達230 W·h·L-1，也是鉛酸電池的2 ~ 3倍。采用鋅空氣電池后，電動汽車能夠明顯地增加續(xù)駛里程。 （2）采用機械充電模式，彌補了蓄電池充電時間長的不足。 （3）性能穩(wěn)定。鋅空氣電池具有良好的一致性，沒有其他類型電池充電和放電不均勻現(xiàn)象。允許深度放電，電池的容量不受放電強度和溫度的影響。能在 -20 ~ 80℃的溫度范圍內(nèi)正常工作。鋅空氣電池可以完全實現(xiàn)密封免維護，便于電池組能量的管理。 （4）安全性好。鋅空氣電池能夠有效地防止因泄漏、短路引起的起火或爆炸。鋅沒有腐蝕作用，可以完全實現(xiàn)密封免維護，對人體不會造成傷害和危險。 （5）鋅可以回收利用、制造成本低。鋅的來源豐富，生產(chǎn)成本較低?；厥赵偕奖?，且成本也較低，可以建立廢電池回收再生工廠。鋅在循環(huán)使用過程中，不會污染環(huán)境。 鋅空氣電池應用中存在的主要問題是：結構復雜，電池效率低，空氣極和電解液的管理難度大[6]。 鋁 – 空氣電池的特點 （1）比能量大。鋁空氣電池的理論比能量可達8100 W·h·kg-1，目前的鋁空氣電池的實際比能量只達到350 W·h·kg-1，但也是鉛酸電池的7 ~ 8倍、鋰電池的2.3倍，采用鋁空氣電池后，能夠明顯提高電動汽車的續(xù)駛里程。 （2）可采用機械充電模式。 （3）質(zhì)量輕。電池質(zhì)量大幅度減小，可使電動汽車的整備質(zhì)量降低，電動汽車的續(xù)駛里程延長。 （4）鋁沒有毒性和危險性。鋁對人體不會造成傷害。鋁還可以回收循環(huán)使用，不污染環(huán)境。鋁的原材料豐富，已具有大規(guī)模的鋁冶煉廠，生產(chǎn)成本較低。鋁回收再生方便，回收再生成本也較低，可以采用更換鋁電極的方法解決鋁空氣電池充電較慢的問題。雖然鋁空氣電池含有高的比能量，但比功率較低，充電和放電速度比較緩慢，電壓滯后，自放電率較大，還需要采用熱管理系統(tǒng)來防止鋁空氣電池工作時的過熱問題。 鋁空氣電池應用中需解決的主要問題是：結構復雜，工作過程起泡，空氣極壽命短，電池效率低，需CO2清除劑，鋁成本高。由于鋁不可能在水溶液中重新電沉積到電極上，因此，不能像一般的蓄電池那樣充電，只能采用更換電極的機械充電模式[6]。 所以，鋁 – 空氣電池很少用于生活中，空氣電池部分只考慮鋅 – 空氣電池。 表3.1給出以上幾種蓄電池的性能參數(shù) 表3.1 各種蓄電池性能參數(shù)[14] —— 比能量 Wh/kg 能量密度 Wh/L 比功率 W/kg 循環(huán)壽命 次 價格 美元/kWh Lead-Acid 30-50 60-100 200-400 400-600 120-150 Ni-Cd 40-50 80-100 150-350 800-2000 300-350 Ni-H2 50-70 100-140 150-300 800-2000 150-200 Zn/Air 180-230 230 105 NA 100 Li-Ion 120-140 240-280 200-300 1200 150-180 3.2 蓄電池存在的問題 1、能量密度低 由于電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度都很低，與汽油和柴油相比有較大的差距，造成了電動汽車的運行效率較低，同時也限制了電動汽車的動力性能。 2、快速充電能力差，充電耗費時間長 目前的蓄電池充電時間都較長，一般情況下充電需10～12 小時，就算使用快速充電也遠遠達不到內(nèi)燃機汽車加油的速度。這就使得電動汽車的使用效率較低，推廣使用難度大。 3、蓄電池價格昂貴 目前的動力蓄電池的價格一直居高不下，整個動力蓄電池組的價格占整個電動汽車成本的很大一部分，這使得目前電動汽車在價格方面對內(nèi)燃機汽車不具備競爭優(yōu)勢。 4、汽車附屬設備使用受到限制 由于動力蓄電池的性能限制，電動汽車的能量很寶貴，不能隨便浪費，這就要對車載用電設備進行較嚴格的要求，避免影響電動汽車的基本性能。 正因為存在這些問題和不足，同時又不能在短時間內(nèi)得到解決，所以對蓄電池的管理就顯得很重要。 3.3 本研究用蓄電池 1、本研究用鉛酸蓄電池 圖3.1為本研究純電動中型城市客車所選用的12V-110Ah 鉛酸蓄電池，由廣州某公司生產(chǎn)，技術參數(shù)見下表3.2。蓄電池組總電壓為288V，總?cè)萘繛?10Ah。 圖3.1 本研究用鉛酸蓄電池 表3.2 本研究用鉛酸蓄電池的基本參數(shù) 型號 6-DA-110 電壓 V 12 額定容量 Ah 110 單體質(zhì)量 kg 3