1、隨著能源問題和環境問題的日益突出，現有車輛使用的動力方式已經不能很好的 適應未來社會發展的需要。為此，電動汽車的發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

2、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；蓄電池管理系統；再生制動ABSTRACTBeing more and more serious along with the en ergy problems and the en viro nmen tproblems, the motive method of the exist ing vehicle used can't satisfy the dema nd of t

3、hesocial developme nt in the future .For this, the developme nt of EV gotte n an exte nsive concern, various types of EV is also being in the research and the developme nt.The purpose of this research is to accumulated electric bus tech niq ues.This researchma inly carried on a total desig n to the

4、electric passe nger car, the works are as follow:la nalyzed the merit and shortco ming of some electric motors, and choosed the perma nen cemag net DC motor to be the motive source;a nalyzed the motive of the electric passe nger car,exam ine the performa nee of the electric motor;i ntroduced the fun

5、 cti on characteristics of somestorage batteries, and choosed the Lead-acid storage battery to be the en ergy source;study thec on trol strategy of the electric motor, put forward total structure of the storagebattery man ageme nt system and each parts of fun cti ons, and carried on a desig n and re

6、searchto each part; desig ned the structurea nd the con trol of the rege nerative brak ing system; discussed electric motor and tran smissi onto equip of con stitute and the decorati on project, desig ned the decorati on positi on of thestorage battery set and in stall structure, in the mean time fi

7、rst step to desig n a refit project ofthe the brake system, to carry on.Keyword: EV refit ； motor drive system； battery management system regenerativebrakingIl目錄摘要IABSTRACTII第1章緒論11.1選題的背景、目的及意義 11.2國內外電動汽車的現狀及發展 31.3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 62.1電動汽車電機的分類及特點 62.2電動汽車對電機性能的要求 72.3本研究用電動機82.4電動機性能計算

8、9電動車的使用情況及性能選擇 9電動汽車的動力性 10電動機校核 112.5電動機驅動控制策略 13電動汽車的電機驅動控制策略分析 13永磁直流無刷電動機的控制策略 14電機電流控制研究 142.6本章小結17第3章 蓄電池技術及其管理系統設計 183.1蓄電池的分類及特點 183.2蓄電池存在的問題213.3本研究用蓄電池 錯誤！未定義書簽。3.4蓄電池管理系統總體設計 錯誤！未定義書簽。3.5各檢測模塊基本設計錯誤！未定義書簽。電壓溫度檢測模塊設計 錯誤！未定義書簽。電流檢測模塊設計錯誤！未定義書簽。3.6蓄電池組的均衡充放電設計 錯誤！未定義書簽。3.7本章小結30第4章電動汽車能量回收

9、及再生制動系統 314.1制動模式與能量的分析 314.2再生制動能量回收的重要性錯誤！未定義書簽。4.3制動能量回收的約束條件 錯誤！未定義書簽。4.4再生制動系統結構設計 錯誤！未定義書簽。4.5再生制動控制策略 224.6再生制動控制邏輯及操縱方式 364.7本章小結37第5章 電動客車的總體設計 235.1改裝布置設計注意事項 235.2電機與傳動系統結構布置設計 235.3蓄電池組的布置及安裝設計 40蓄電池組布置的要求 40蓄電池組布置設計 41蓄電池框架和軌道的設計 425.4制動系統改裝設計 285.5本章小結29結論30參考文獻31致謝33附錄49第1章緒論1.1選題的背景、

10、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，其發展速度不斷加快，與人們生活的聯系越來 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境保護、能源短缺、道路交通事故等方面 越來越嚴峻的挑戰，并帶來了一系列負面效應。汽車的環境公害包括汽車在生產過程 中、使用中和報廢后的環境大氣污染、水質污染、廢棄物、環境噪聲、電波對人體的 危害及對用電器的干擾等。汽車的環境大氣污染包括兩層含義：其一是汽車排放的CQ 硫化物SQ、氮氧化物NQ氟氯烴等使溫室效應加劇、臭氧層破壞和形成酸雨等大氣 環境問題；其二是汽車排出的 CO N

11、O、SQ、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 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，環境公害是汽車行業 面臨的最大挑戰。汽車

12、面臨的挑戰之二是能源供應問題。從人類對可持續發展的觀點出發，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，汽車研發和制造行業必須加大對 汽車新能源的研究和開發的力度。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、氣田的發現，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

13、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。據估計，即 使在采用先進技術、繼續節能、加速可再生能源開發利用以及依靠市場力量優化資源 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 缺額可能多達數億噸。隨著世界經濟的持續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，環境污染會變得更為嚴重。開發新的替代能源、提高熱能轉換的效 率和節約能源被認為是解決或緩解環境污染和保障能源供給的有效方法。對我國及一些發展中國家而言，汽車保有量遠低于發達國家目前的水平。因而汽 車

14、保有量將會在較長一段時間內持續高速增長?？梢灶A見，我國在未來對傳統的車用 燃料的需求將持續大幅度增長。因此，開發不使用傳統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境污染和保障能源供給具有重要的戰略意義。由于電動汽車具有突出的優勢，特別是在環保方面的優勢，使得電動汽車的開發 和研究成為各國開發綠色汽車的主流。電動汽車使用的能源是可以用于發電的一切能 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汽車 相比也具有一定優勢。因此，開發電動汽車是迎接汽車面臨挑戰的重要對策之一2 o2

15、、電動汽車的優點近幾年來，隨著能源危機和環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) 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電廠提供，火力發電廠的大氣污染物主要是 NO，根據電動汽車 所消耗電力折算出以火力發電來估計 NQ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、

16、風力、潮汐等能源轉化，從而可節省 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， 電動機可自動轉化為發電機，實現制動減速時能量的再利用。即使考慮原油的發電效 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、免疫系統也是有危害的

17、。發動 機性能是影響汽車噪聲、振動的重要因素。傳統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，可與各個電子控制系統包括 無級變速、防抱死制動系統（ABS、制動能量回收系統、安全氣囊系統、自動空調系 統等相協調，在電動汽車上實現計算機智能控制。3、我國發展城市電動客車的優勢目前國外對電動汽車的研究還主要集中在轎車方面， 雖然我們也要發展電動轎車， 但是根據我國的國情和工業經濟基礎，優先發展電動城市客

18、車并使之商業化、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，公共交通發展越來 越受到人們的重視。城市客車的需求量將出現較快增長，優先發展電動城市客車將使 我國公交車發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，提高城市環境的和諧性和人們出行的方便性。再次，我國的客車發展已經達到國際先進水平，在此基礎上發展電動城市客車要 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

19、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于電動轎車，而且政府和企業也還是可以承受1,2。1.2國內外電動汽車的現狀及發展1、我國電動汽車發展現狀我國電動汽車發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，培養了一支能力較強的研發隊伍，人才儲 備體系正在日趨完善。目前，我國許多科研機構、

20、高等院校都增設了與電動汽車研發 有關的機構和人員，并把電動汽車及相關零部件的研發列為重點課題，這為我國電動 汽車產業的發展打下了良好的基礎。近年來，隨著全球汽車工業重心開始向中國市場轉移，電動汽車的產業化進程明顯加快。據不完全統計，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，自主創新能力得到較大提升，國內許多企業已開始涉足與電動汽車相關的電池、 發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

21、際金融危機不斷蔓延，各國汽車企業的發展都受到很大影響，企業生存 面臨著極大挑戰。針對這一形勢，按照國務院指示，國家發展改革委組織制定了汽 車工業調整和振興規劃，對我國汽車工業發展進行了全面規劃部署，財政部、科技部 等部門也制定了節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，國內汽車企業紛紛增加對電動汽車及相關零部件的研發投入，我國電 動汽車產業正在進入高速發展的新階段。2國外電動汽車發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

22、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關注的焦點，展現出良好 的發展前景。美國、日本、德國等發達國家電動汽車技術高度重視，從汽車技術變革和產業升 級的戰略出發，頒布制定了優惠的政策措施，積極促進本國電動汽車產業發展，以期 提升本國汽車工業國際競爭力。據不完全統計，到目前為止，發達國家累計用于電動 汽車的科研開發和產業化發展的資金已達數十億美元。憑借雄厚的實力和巨額的資金 投入，發達國家的汽車制造商已經在全球汽車工業新一輪競爭中占據了有利地位。特 別是

23、以豐田為代表的日本汽車企業，已經在混合動力技術方面掌握了絕對優勢，并在 北美等國際市場上形成了相當的規模1617。從全球主要汽車生產廠家的發展計劃看，電動汽車的產業化時代正在到來。目前,“低排放”汽車（主要指混合動力汽車）已進入大規模產業化階段，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。特別是近年爆發國際金融危機以來，面 對嚴峻形勢，發達國家的政府紛紛出臺相關政策，加快了電動汽車的發展步伐。據權 威部門預測，未來10年，將是電動汽車產業格局形成的關鍵時期，電動汽車將成為拉動經濟發展新的增長點2

24、 o1.3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，根據原車的實際結構，研究電動機、蓄電池組和控 制系統在車輛上的布置。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

25、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是最早發明的電動機，到現在已經有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 優點是：具有優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

26、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

27、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，具有很高的功率密度。五是綜合效率高，明顯高出有刷直流的效率及歐盟CEME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

28、于繞線直流電動機的工作特性。另外，控制系統較為復雜。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 ）4000-600012000-20000>150004000-1

29、0000功率密度低中較咼高功率因數（%一82-8560-6590-93峰值效率（%85-8994-9585-9095-97負荷效率（%80-8790-9278-8697-85過載能力（%200300-500300-500300恒功率區比例一1:51:31:2.25電動機質里重中輕輕電動機外形尺寸大中小小可靠性一般好好優良結構的堅固性差好優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

30、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THSB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350 N m 提高到4000Nm?？梢?，應用高電壓系統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

31、殼等途徑降低電動機的質量，各 種控制裝置和冷卻系統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，以實現降低車重，延長續駛里程；而工業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

32、駛與最大爬坡 度的要求，而工業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、穩態精度、動態性能，以滿足多部電 動機協調運行，而工業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。&電氣系統安全性和控制系統的安全性應達到有關的標準和規定。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，能夠在較惡劣的環境下長期工作。10、結構簡單適合大批量生產，使用維修方

33、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勺控制，實現無級調速，調速性能優良，因而 廣泛應用于我國工業控制領域。本研究基于降低研究和開發成本，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 換效率高且高效區寬廣、體積小、重量輕、換向性能好、電刷壽命長等優點，同時還 有控制系統簡單、成本低、可以降低整車成本的優點，在不少國內研究的電動汽車上 都得到了應用。其外型

34、如圖2.1所示，表2.2則給出了電機的主要性能參數。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電機型號ZYCD-60電源電壓V384額定電壓 V350最高電壓V384額定功率 kw60最大功率 kw100額定轉速 rpm2000最大轉速 rpm2500額定效率%92最大轉矩 N.m1000工作制 minS2-60重量kg3002.4電動機性能計算電動車的使用情況及性能選擇由于條件的限制，在電動汽車開發時必須提出合理而且恰當的整車動力性能指標， 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。以市區使用的電 動公交車為例，結合市區道路的特點可以提出電動公交車

35、的動力性能指標如下：最高 車速70km/h; 050km/h加速時間w 25s；最大爬坡度15%。本課題所選車型為中型客車，載員人數為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7090km/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050km/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SWB6940H型城市客車，表2.3給出了該車的一些基本參數配置。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配置型號申沃牌SWB6940HG整車總

36、質量（含成員）kg13500車長mm9436車寬mm2420車咼mm2980軸距mm4500底盤型號SWB6940HG輪胎規格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）kg14500242電動汽車的動力性除了特別全新設計的電動汽車以外，現有的電動汽車在外型上與普通的內燃機汽 車沒有什么區別。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出的扭矩Te（

37、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：Teigi。T(2.1)n r為傳動系機械效率，r是車Ft = r其中：ig為變速器傳動比，i 0為主減速器傳動比, 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 （Nn）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動力要與行駛總阻力平衡，因此有：(2.2 )Ft = F f+ Fw+ Fi + Fj公式(2.2

38、 )又可以具體寫為：C D AduaFt = Gfcos a + 21-15 u2a + Gsin a +S m dt(2.3 )其中：G表示車輛總重力(N) , f表示滾動阻力系數，a表示坡道與水平面的夾 角(°) , CD表示車輛的空氣阻力系數，A表示車輛的迎風面積(m 2), Ua表示車輛 的行駛速度(km/h), S表示汽車旋轉質量換算系數，S >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

39、Pw (kw)、坡道阻力功率Pi (kw)以及加速阻力功率P (kw)。這樣就得到電動汽車行駛功率平衡方 程式11:丄Pe =T+ P w + P i + Pj)(2.4 )經過單位換算整理得電動汽車功率平衡方程式為：1 Gf cos：Gsin ：CdA、m duPe =T ( 3600 U a + 3600 Ua + 76140 U3a + 3600 dt Ua)(2.5 )電動機校核根據前面所給出的永磁直流電機的技術參數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

40、核計算有關的電動汽車傳動系的參數。表2.4電動汽車傳動系相關參數主減速比i 06.2一擋5.5682CDA ( m )4.00二擋3.616f0.012變速器變速比三擋2.348r0.496四擋1.525nT0.90五擋1d1.1倒擋5.0111最高車速要求校核根據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：Pemaxmugf(3600 Uemax +CdA76140 UemaX3)(2.6)相關參數由表2.2、表2.3和表2.4

41、給出，其中n t = 0.90，ma = 14500kg, f = 0.012,Uamax = 70km/h, C dA = 4.00mPemax10.9v/ 14500 9.8 0.012X(3600703 ) = 56.8776140 70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cos a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：dua 1Cd Adt = m （Ft- Gf -21.15 u2a）（2.7）則加速時間

42、可由下式計算：u。、.m1"410CdA20 門Ft -Gf -Uat =36 dUadua =362115 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1u0 dt3.6 ° dUa dua =13.6u0 m0 Rdua(2.9)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。相關參數由表2.2、表2.3和表2.4給出，其中S = 1.1，m = 14500kg,f = 0.01213.601.114500Ft -14500 9.8dua = 17經計算，本研究電動汽車0至50 km/h加

43、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1Cd AdUasin a =G (Ft- Gfcos a -2115u2a- S m dt )(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:旦sina = G - f cos a(2.11)讓電機采用恒最大轉矩1000Nm驅動電動汽車爬坡，相關參數由表2.2、表2.3和表 2.4 給出，其中 G = mg, m = 14500kg, g = 9.8, f = 0.012sin a =Ft- 0.012 cos a = 2314500 x 9.8經計算得

44、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T 3 =const，但實際上當30時不可能達到TX，因此，在工程可實現的范圍內，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 車輛驅動中占據統治地位。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

45、的離合器、變速器實現對內燃機輸出轉矩、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 的發動機控制系統通過調節發動機的燃油噴射、節氣門的開度和點火時刻(如車輛有自動變速系統，還相應地自動換檔，調節變速器的傳動比)，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46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。可見，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，必導致行駛狀態的變化。對于電動車輛，一般繼承己被

46、人們接受的傳統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，也應具有與傳統內燃機車輛一致或更優良的驅動響應。因此，對電動汽車，尤其是對取消了傳統車輛傳動系統的輪式驅動方式，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。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，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 節電動機的輸出轉矩，使輸出轉

47、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節，那么駕駛員對車速的調節也就構成了一個轉速閉環控 制，與電流的閉環控制一起組成對永磁直流電動機的雙閉環控制。電機電流控制研究1、永磁直流電動機的特性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< Udo = E + IdR（ 2.12）Te = CTld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），Uo為電動機輸入端電壓（V），I d為電樞電流（A），R為 電動機電樞回路電阻（Q），Te為電動機

48、輸出的電磁轉矩（Nm） ，CT為電動機在額定 磁通下的轉矩轉速比（Nm/（r/min） ） ，Ct = 60 Ce12。2兀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=數）時，電動機轉速隨電磁轉矩變化的關系n=f（T e），稱為直流電動機的機械特性。其表達式為：Ud0 Ra + R T/c re、n =1° - Te（2.13）CeCeCT其中Fa （Q）為電樞回路串聯電阻，特性圖如圖2.4所示13。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。永磁直流電動機轉矩特性在端電壓UU0 一定的情況下穩態運行時，永磁直流電動機的電磁轉

49、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(l d)，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對電磁轉矩的調節 永磁直流電動機效率特性在端電壓Ubo恒定的情況下，永磁直流電動機的效率n隨電樞電流ld變化的特性稱為效率特性，即n =f(l d)，如圖2.6所示。其計算表達式為：(2.15)n 二里 x 100% =(1- J) x 100%13圖2.6永磁直流電動機效率特性圖其中，P為電動機輸入功率，P為電動機的輸出功率，刀P為各項損耗功率2、本研究電動機驅動控制系統

50、本研究的電動機控制系統框圖如圖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U，通過PI調節器和PWM功率變換器來完成對電動機的調速。圖2.7永磁直流電動機控制系統框圖電流PI調節在閉環調速系統中，常常會遇到動態穩定性和靜態穩定性問題，這就需要有校正 裝置。對電動機驅動控制系統進行串聯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調速系統，采用PI調節器就能很好的滿足校正任務。PWM變換器在電動機控制系統中，控制電壓信號改變時， PWM變換器的輸出電壓并不能立即 發生改變，必

51、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 節，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，電動汽車驅動電機總的發展趨勢是由通用走向專用，由直流走向交流。電 動機作為電機驅動系統的動力源，是電動汽車動力系統的核心，已成為電動汽車發展 的瓶頸。相信隨著電機技術、電力電子技術、微電子技術、自控技術的飛速發展和更 加完美的結合，電動車用電機必將發展成為可靠、易維護、低成本、高效率、寬調速、 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：L

52、ead-acid battery荷電狀態下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態下，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，電池內部沒有自由酸液，因此 電池可放置在任意位置。（3 ）泄氣系統。電池內壓超出正常水平后，VRLA（Valve-Regulated Lead AcidBattery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， 保證電池內沒有多余氣體。（4）維護簡單。由于獨一無二的氣體復合系統使產生的氣體轉化成水，在使用VRLA（Valv

53、e-Regulated Lead Acid Battery即“閥控式密圭寸鉛酸蓄電池”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 ）質量穩定，可靠性高。采用先進的生產工藝和嚴格的質量控制系統，VRLA（Valve-Regulated Lead Acid Battery即“閥控式密圭寸鉛酸蓄電池”的縮寫 ）電池的質量穩定，性能可靠。電壓、容量和密封在線上進行100%僉驗。2、鎳-氫蓄電池鎳-氫（Ni - H2）

54、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電解質溶液（20C時，密度為1.30g cm3）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等。主要缺點為：容器需要耐高壓，一般充電后氫壓達3

55、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) 發明，已有100多年歷史。在20世紀前50年研制生產的是極板(或袋式)電池，從 20世紀50年代開始研制生產燒結式電池，從 20世紀60年代研制生產密封式電池。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使用，不會有電液溢出，形狀 有圓柱形、扁形(扣式)。全密圭寸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模使用，預期有被淘汰的可能。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點，而且較好地克服了二次鋰電池的缺點，循環 壽