混合动力自行车驱动装置方案设计【电动车】【CAD图纸和文档资料全套】
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XXXX 大学本科毕业设计说明书 摘要 混合动力自行车是自行车家族中的一个重要成员。美国通用公司和克莱斯勒公司前 总裁现都潜心于研究混合动力自行车及其电池，德国的奔驰公司和日本的本田、铃木、 雅玛哈等世界知名的汽车、摩托车公司和松下（松下和丰田合作搞电动汽车） 、三洋等世 界知名企业都在投入巨资研发混合动力自行车的基础上，现已进入产业化阶段。由此可 见混合动力自行车的发展前景。 本文首先系统的对混合动力自行车的运行状态进行了分析，分别对混合动力自行车 的运行阻力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行了计算。根据所需要的牵引 力，在本设计中也对无刷直流电动机和电池进行了选型计算。然后本文还对混合动力自 行车在费电驱动情况下，飞轮变速机构进行设计。 关键词关键词：混合动力自行车；电机控制；永磁无刷直流轮毂电机 ；飞轮 XXXX 大学本科毕业设计说明书 I Abstract The mixed power bicycle is an important member of the family of bicycle. The United States General Company and former president of Chrysler Corporation are concentrated on the study of hybrid electric bicycle and its battery, the German Benz Corp and Japans Honda, Yamaha Suzuki, such as the world famous automobile, motorcycle company and Panasonic (Panasonic and Toyota cooperation make electric cars), Sanyo and other world famous enterprises in the foundation invested heavily in research and development of hybrid bicycle, has now entered the stage of industrialization. The development prospects of this hybrid bicycle. In this paper, the hybrid bike running state first system are analyzed, respectively, running resistance of hybrid bicycle inertia force, braking force and traction force required to calculate the. According to the traction force, in this design has also carried on the selection calculation of Brushless DC motor and battery. Then the hybrid bicycle driving in electricity situation, to design the flywheel transmission mechanism. Keywords: hybrid bike; motor control; permanent magnet brushless DC wheel hub motor; flywheel XXXX 大学本科毕业设计说明书 目 录 摘要I ABSTRACTII 第一章 绪论 .1 1.1 国内外研究现状和发展趋势 .1 1.1.1 国内发展趋势 1 1.1.2 国外发展趋势 1 1.2 研究意义 .2 1.3 设计任务 .3 第二章 混合动力自行车动力性能分析 .4 2.1 电动车运行方程 .4 2.2 混合动力自行车的行驶力学 .5 2.2.1 车辆模型 .5 2.2.2 电动车阻力计算 .6 2.2.3 空气阻力 .7 2.2.4 电动车惯性力的计算 .7 2.2.5 电动车的牵引力计算 .8 2.3 混合动力自行车的动力性能 .9 2.3.1 自行车基本参数介绍 .10 2.4 制动系统 .10 2.4.1 混合动力自行车刹车分类 .10 2.4.2 制动力的分析与求解 .11 2.4.3 手动制动器的设计 .12 2.5 蓄电池的种类和结构 .13 2.6 动力传动系统设计 .14 2.6.1 驱动方式对两轮电动车性能的影响 .14 2.6.2 混合动力自行车驱动系统的构成 .15 2.6.3 无刷直流电动机驱动系统 .16 第三章 混合动力自行车的运行控制 .17 3.1 电动机的选择 .17 3.1.1 直流电动机的特点 .17 3.1.2 电动机容量选择的原则 .18 3.1.3 电动机的发热与冷却 .18 3.1.4 选择步骤： .19 XXXX 大学本科毕业设计说明书 I 3.1.5 无刷直流电动轮毂的选型计算 .19 3.1.6 混合动力自行车的续行距离 .20 3.2 无刷电动机的调速控制系统 .21 3.2.1 直流电动机的机械特性 .21 3.2.2 脉宽调制（PWM）22 3.2.3 传感器 .22 3.3 电动车控制系统设计 .23 3.3.1 控制系统的组成 .23 3.3.2 控制系统设计方案 .23 第四章 混合动力自行车的能量回收 .27 4.1 制动模式与能量的分析 .27 4.2 能量回馈的控制策略 .28 4.3 混合动力自行车能量的消耗评价方法 .28 4.3.1 能量流分配关系及能量测量 .29 4.3.2 能耗影响因素分析 .29 4.4 制动效能及制动能量回收的约束条件 .29 4.4.1 自行车的制动效能 .29 4.5 制动能量回收控制算法 .30 4.5.1 制动能量回收的约束条件 .30 4.6 永磁无刷直流电机相关性能及其能量回馈制动原理 .31 4.6.1 永磁无刷直流电机及其基本工作原理 .31 4.6.2 直流电动机的制动方式 .32 4.6.3 永磁无刷直流电机能量回馈制动原理 .34 第五章 变速装置的设计 .39 5.1 变速装置工作原理 .39 5.2 变速装置设计 39 5.2.1 设计条件 39 5.2.2 链轮的高速齿片（48 齿）和飞轮（28 齿）的设计参数 41 结论 .42 致谢 .43 参考文献 .44 XXXX 大学本科毕业设计说明书 0 第一章 绪论 1.1 国内外研究现状和发展趋势 混合动力自行车是自行车家族中的一个重要成员。美国通用公司和克莱斯勒公司前 总裁现都潜心于研究混合动力自行车及其电池，德国的奔驰公司和日本的本田、铃木、 雅玛哈等世界知名的汽车、摩托车公司和松下（松下和丰田合作搞电动汽车） 、三洋等世 界知名企业都在投入巨资研发混合动力自行车的基础上，现已进入产业化阶段。由此可 见混合动力自行车的发展前景。 我国混合动力自行车车的研究相比欧美国家起步较晚。直到上个世纪 90 年代中期， 我国才掀起开发研究的高潮，虽然我国混合动力自行车研究起步晚，但从技术的角度， 我们并不落后于世界。我国混合动力自行车产业基本保持与世界同步发展1。 混合动力自行车核心技术包括三个方面：电机与传动、控制器与控制技术、电池等, 涉及电气、电力电子、控制、机械等多学科。本论文研究的是驱动装置的方案设定，故 重点介绍电机与传动方面的研究成果。 1.1.1 国内发展趋势 目前我国混合动力自行车所使用的电机一般为直流电机,它具有体积小,效率高,调速性 能优良等特点。直流电机有可分为有刷直流电机和无刷直流电机。有刷直流电机内部有 碳刷和换向器，它应用技术成熟,高速范围宽,构成的控制系统简单,成本相对较低,过载能 点强,因为通过机械换向,故不需要位置传感器。无刷直流电机内部没有电刷(碳刷)和换向 器,其转子一般由永磁体构成,这样构成的永磁无刷直流电机因其转子没有励磁损耗,效率较 高,得到了广泛的应用。但无刷直流电机也有一定的缺点就是由于控制系统相对较为复杂, 所以成本相对较高。不过随着永磁无刷直流电机的性价比不断提高,其应用将日趋广泛。 在传动技术方面，主要有一下几种： 摩带式传动：摩带头易磨损打滑，效率不高. 中置式传动：将电机和减速机构放置于中轴位置，国内使用较少。 侧挂式传动：属于轴传动范围，具有轴传动的优点。 轮榖式传动：传动效率高，造型精巧，应用越来越广泛。 国内常用的是轮毂式传动。 1.1.2 国外发展趋势 前面讲到从技术角度，国内的混合动力自行车技术并不落后于世界，故这里选取国 外一些典型的混合动力自行车进行介绍。 日本：艾纳库尔非助力电动自行车，可以三种方式骑行（电驱，人力，或两者结合） ， XXXX 大学本科毕业设计说明书 1 装备的电源为 Cd-Ni 电池。骑行时人力先启动，之后再转入电动模式。为双斜梁车架的 坤车，电池板为后置式，车型为轮毂电动机后躯式。智能控制器固定在中轴后上方。 美国：军马牌电动自行车。中轴链驱动，电池斜放在前斜梁上，装有 7 档变速箱， 并有电脑控制系统和防盗密码，电动机功率为 375w，可称全球自行车用电动机之首。 欧洲：以德国为例。德国电动自行车电源以 Cd-Ni 电池为主，充一次电续驶能力一 般为 20km。 发展趋势 电动机：重量轻，容易安装，易省电能，并且容易调控转速。 电动机的调速控制方面：采用最新电力电子器件和集成电路，达到智能控制的境地。 控制电路中兼有对电池电量监视系统，当电池放电达到临界点时可以自动切断电源，保 护电池免受过量放电而损坏或影响寿命。 电池：趋于坚实耐用，镉镍，氢镍电池自不必说，就是铅酸电池也可以任意放置而 不必担心漏 。 1.2 研究意义 从技术角度看：混合动力自行车是电动自行车和汽油助力车的技术结合产品，它继 承了汽油助力车行驶里程不受限制与电动车零排放行驶两者的优点，适应了城市化的环 境要求，如城市内选择零排放（电池动力）行驶，郊外远距离里程选择 HEV （内燃机发 电/ 电池混合动力）行驶。 从我国国情及国家的政策看：13 亿的人口基数巨大，若全民普及汽车，交通、环境、 燃料消耗的压力之大难以想象。电动自行车、摩托车已是广大国民生活中不可替代的个 人交通工具。而混合动力自行车是电动自行车和摩托车的升级取代技术之一，是当今世 界混合动力车技术系统蓬勃发展的另一个主流轻型化、小型化的个人交通工具。 从节能的角度看：混合动力自行车比电动车及汽油车更加节约能源。据初步测算， 一辆轻型电动车（250W 400W）百公里耗电约 3 度左右，以年行驶 1 万公里计算，全 年耗 300 度，以 0.8 元/ 度平均价计算，电费大约需要 240 元。而与目前百公里油耗 3 升的摩托车相比（10000km）油费约为 1800 元，而以 1.6 升排量、百公里油耗 7 升的汽 车相比，每辆汽车（10000km）油耗 700 升，油费约为 4000 元；而每辆混合动力电动车 百公里油耗 1 升 600 元。每年与摩托车同比油耗将节约 1100 元左右，与汽车同比油耗 将节约 3400 元左右。 从环保角度看：混合动力自行车排放量是摩托车的 1/3，汽车（以 1.6 升排量为例） 的 1/40。而且混合动力自行车是汽油发电和电池交替驱动的，这样废气排放量又可以减 少一半左右。 从电池的利用率角度看：混合动力自行车的电池寿命可以提高 2 倍以上，因为边骑 车边充电的浮充电特性使电池容量经常保持较满的状态，避免了深度循环放电导致的电 XXXX 大学本科毕业设计说明书 2 池损坏。 1.3 设计任务 对混合动力自行车的运行状态进行了分析，分别对混合动力自行车的运行阻力、惯 性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行计算。 利用现代电子技术及电动机发电反馈制动理论，设计一套能够在电气制动的同时， 发电给电瓶充电的发电反馈制动系统。 利用该系统能够实现将自行车及人体的动能通过电动机的发电运行状态转化为电能， 并经过相应的处理和控制电路，达到给电瓶充电和自行车减速的双重目的。 完成发电反馈制动系统机械连动机构、发电反馈制动电控系统、发电反馈回路的设 计、电动机选型。 完成人工脚踏运行时变速机构的设计 XXXX 大学本科毕业设计说明书 3 第二章 混合动力自行车动力性能分析 动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、驱动轮等组成。混合动力自行车的动力 性评价指标有最高车速、加速时间和最大爬坡度。然而，电动机的最大功率与额定功率 下观察甚多，而最大功率工况不能长时间运行，因此必须用电动机的额定工况计算混合 动力自行车的最大爬坡度和最高车速。混合动力自行车的加速过程和起步时间较短，理 论上可以用电动机的外特性进行设计计算。下面从自行车直线行驶动理学模型来进行分 析。 在设计前先将文章中计算需要的数据假定如下： 整车质量（） 50 2 mkg 重力加速度（） 10g 2 /m s 滚动阻力系数（） u0.02 人重（） 70 1 mkg 车轮直径（） 400Dmm 后轴转子直径（） 10dmm 2.1 电动车运行方程 混合动力自行车在路面上运行，有各种不同方向和不同大小的作用力作用在混合动 力自行车上，混合动力自行车牵引学主要研究对自行车运行有直接影响的力，也就是与 混合动力自行车方向相平行的外力及外力的分力，这些力可以分为三种： 混合动力自行车的牵引力它是由电力机车的牵引电动机所产生的，并通过动轮与F 路面的相互作用力而引起的外力。它与混合动力自行车的运动方向相同，其大小由开车 的人决定。 混合动力自行车运行阻力它是由混合动力自行车运行时由多种原因引起的阻止电W 动车运行的外力，其大小是不可以控制的。 混合动力自行车的制动力它是由机车和车辆上的制动装置所产生的，并通过轮与B 钢轨的相互作用而引起的外力，用来使混合动力自行车减速或停车。它与混合动力自行 车的运行方向相反。 这三种力以不同的方式形成作用于混合动力自行车上形成的合力：C 牵引运行时：合力；WFC 惯性运行时：合力；WC 制动时：合力。)(BWC 电动车运行方程是把电动车当作一个平移的钢体，表示电动车在不同运行状态时， XXXX 大学本科毕业设计说明书 4 作用在电动车上诸力的关系式。在工程上用它计算电动车运行时所需要的制动力、惯性 力。 电动车在运行时状态有三种： 牵引状态，电动车在电动机的牵引力作用下，起动，加速或等速运行； 惯性运行，电动车在运行中牵引电动机断电后靠惯性运行； 制动运行，电动车在运行中切断牵引电动机的电源，并且施加机械或电气的制动力， 减速运行。 电动车在牵引等速状态下，沿运行方向作用在电动车上的力有牵引力、静阻力F 和惯性力。根据静法原理，可列出如下方程 0 F a W 式(2.1) 0 0 a FFW 这就是牵引等速运行状态下的基本方程。 2.2 混合动力自行车的行驶力学 2.2.1 车辆模型 驱动系统的动力输出特性与车子的动力性能直接相关。驱动系统的动力输出更该满 足车子的动力性能要求。在设计混合动力自行车驱动系统时，为了使混合动力自行车达 到要求的动力性能指标，首先必须建立混合动力自行车的力学模型，对混合动力自行车 行驶过程中力与功率的平衡进行分析，以得到混合动力自行车的需求特性。混合动力自 行车的动力传动系统主要是由能量存储系统和动力驱动系统组成。能量存储系统包括蓄 电池和能量管理系统，动力驱动系统包括驱动电动机和驱动控制系统。 混合动力自行车在行驶过程中，由动力蓄电池输出电能给电动机，电动机输出功率， 用于克服混合动力自行车本身机械装置中的内部阻力以及行驶条件决定的外部阻力消耗 的功率，外部阻力即混合动力自行车的行驶阻力。从分析电动汽车行驶时的受力状况出 发，建立直线行驶方程式，是分析混合动力自行车直线行驶性能的基础。 XXXX 大学本科毕业设计说明书 5 图 2-1 车轮行驶时的受力分析 混合动力自行车运行时的阻力系数为： 式(2.2) f d Ku D 式中： 车轮与地面之间的滚动摩擦系数，取 0.02； f K f K 车轮直径，;Dmm 轴承的直径，；dmm 轴承的摩擦系数，取 0.002；u 所以阻力系数： 0205 . 0 400 10 002 . 0 02 . 0 需要说明的是车轮与地面之间的滚动摩擦系数是随着路面状况的不同，其数值也 f K 在不断改变。参考文献27给出正常行驶的不同路段的滚动摩擦系数表 2-1。 表 2-1 不同路面的滚动摩擦系数 路面特征 f K 全新坚硬的柏油、混泥土、小方石块路面0.01-0.02 经压轧的坑洼波动的碎石路，混泥土路面0.02-0.03 压坏的柏油路面0.03-0.04 良好路面0.045 一般的土路0.05-0.15 松沙路面0.15-0.3 2.2.2 电动车阻力计算 混合动力自行车的静阻力主要是基本阻力和坡道阻力，空气阻力因车速不高，计算 时可以不予考虑。 基本阻力是电动车经常受的阻力。基本阻力用阻力系数求得，电动车的基本阻力用 下式计算： 式（2.3）gmmMgF)( 211 式中 人的质量，=70； 1 m 1 mkg 混合动力自行车空载时的质量，=50。 2 m 2 mkg 所以基本阻力为： XXXX 大学本科毕业设计说明书 6 NF06.2402005 . 0 10)7050( 1 坡道阻力是混合动力自行车载坡道上运行时，电动车的重力沿坡道倾斜方向的分力。 设为坡道的倾斜角，这时坡道的阻力为： 2 F 式（2.4）sin)( 212 gmmF 式中的“”符号表示：上坡运行时取“+” ，下坡运行时取“-” 所以混合动力自行车的静阻力为： 式（2.5） 01212 () (sin)FFFmm g 若混合动力自行车在水平地面上行驶时电动车的静阻力为： NF06.24)002005 . 0 (10)7050( 0 2.2.3 空气阻力 车子向前进，必须借助一定的力量。骑车人每踏蹬的力量叫前进力，也叫向前推力。 前进力与用力、传动比、曲柄(即中轴到脚蹬的连杆)长以 Y 代表前进力，Q 代表踏蹬力量， I 代表曲柄长度，D 代表传动比，它们之间的关系用公式表示则为： 式（2.6）DQY/ 前进力与踏蹬力量，曲柄长度成正比，与传动系数则成反比。 人们骑着自行车前进时，即使在无风天也会感到有风从耳边飞过，速度越快人感觉 到的风力越大，阻碍前进的效果越明显。因为人们不是在真空中骑车，而是四周始终被 空气包围着。从物理学观点来讲：人骑车行进时，人和车给前方空气以挤压力，而空气 给人和车以反作用力，即空气阻力。经过测量，风速在 40 公里每小时的情况下，垂直于 风向每平方米面积受到的压力为 11 公斤。不论风速 40 公里每小时或是每小时 40 公里的 速度骑行时，它们垂直于风向的每平方米面积上所受到的空气压力都是 11 公斤。 人们骑车前进时，必须突破空气阻力，这就需要力量。不同风级所产生的风速和垂 直风向每平方米所受到的压力均不相同，只有克服这些因素，车子才能向前行驶。 2.2.4 电动车惯性力的计算 电动车的惯性力除了平移之外，还有车轮、电机转子等螺旋部件的旋转部件的旋转 惯性矩。为了简化计算，将这些旋转惯性矩折算成平移移动的惯性力。这样混合动力自 行车惯性力即为： 式 121212 ()()(1)() a Wmm amm amm a （2.7） XXXX 大学本科毕业设计说明书 7 混合动力自行车的惯性力，； a WN 旋转惯性系数，参照矿用机车的数据，混合动力自行车取 0.075； 混合动力自行车的加速度，启动时的加速度取 0.03-0.05。a 2 /m s 将值代入式（2.6）得： 式（2.8 12 1.075() a Wmm a ） 将式(2.5)、式(2.7)带入式（2.1）整理后得到混合动力自行车牵引运行时需要机车给 出的牵引力为： 式 12 () (sin0.1075 )Fmm ga （2.9） 将数据带入得： NF05.31)05 . 0 1075 . 0 0205 . 0 (10)7050( 电动车在惯性运行的状态下牵引电动机断电，牵引力消失。混合动力自行车依靠已 具有的能量克服阻力继续运行，如果轨道坡度不大，混合动力自行车是减速运行的，在 这种情况下，沿运行方向作用在混合动力自行车的力只有静阻力和惯性力。令式 F a W (2.1)中的等于零，可得到惯性运行状态下的基本方程为： F 式（2.100 a FW ） 将式（2.5） 、式（2.7）带入式（2.9） ，可以得到惯性运行时列车的加速度的表达式： 式 1 (sin) 1.075 ag w （2.11） 由上式可以看出，混合动力自行车上坡或沿水平运行时，及下坡时，sin ，混合动力自行车减速运行；只有在下坡运行时，混合动力自行车是加速0a sin 运行的。 2.2.5 电动车的牵引力计算 现在分析牵引电动机给出的转矩怎样转化成自行车的牵引力，牵引力与哪些因素有 关。 混合动力自行车的后轮，是牵引电动机的主动轮。设混合动力自行车的质量为， 2 m 作用在该轮对上的力见图 2-2。为牵引电动机传递到该轮上的转矩；为运行阻力， MF 为地面的支持力。将转矩用一个作用在轮轨接触点和轮心的等效力偶代替，则力偶 0 N M XXXX 大学本科毕业设计说明书 8 的大小为： 11 F 式 11 2M F D （2.12） 当轮胎接触点处的时，摩擦与力偶力总是大小相等方向相反，车轮在 maxf FF f F 11 F C 点处无滑移，在轮心处的作用下，车轮以 C 点为瞬心，向前滚动前进。轮心处 11 FF 力，即为一个轮上的牵引力，与阻力平衡。 11 FF 图 2-2 混合动力自行车牵引力分析 若时，车轮在 C 点受力不平衡，车轮将克服路面的摩擦阻力空转而不前进。 maxf FF 实际上，由于车轮的圆度误差不均与磨损以及轨面状况等因素的影响，车轮在 C 点 处不可能保持理想的无滑动滚动、免不了有滑移。为考虑这一因素影响，将摩擦系数值 取低一点。理论上把这个系数称为粘着系数；车轮与路面之间的摩擦力相应得称为粘着 力；这种牵引方式称为粘着牵引。 表 2-2 不同路面状况的粘着系数 路面特征粘着系数 全新坚硬的柏油、混泥土（干）0.015 柏油路面（湿）0.01 混泥土路面（湿）0.009 泥土路面（干）0.045 泥土路面（湿）0.1 松沙路面0.1 冰面0.001 XXXX 大学本科毕业设计说明书 9 影响粘着系数的因素很多，其中主要有： 1、车轮与路面的状态 带有花纹的轮面或干燥的路面，粘着系数较大，路面潮湿， 有冰、血、霜或油垢的路面粘着系数较小。 2、运行速度的高低 随着运行速度增加,加剧了车轮与路面的纵向和横向的滑动及机 车振动，粘着系数减小。 3、混合动力自行车特性的差异，车轮直径的大小不同，各车轮间的负载分布不均、 电动机的分布等都对粘着系数有影响。参考文献27得到表 2-2。 2.3 混合动力自行车的动力性能 混合动力自行车因为以蓄电池存储的电能为能量来源，所以衡量混合动力自行车性 能的一项重要指标是最大续驶里程，而且，混合动力自行车采用的是电机驱动系统，其 输出特性和一般自行车也不相同。 混合动力自行车的电机驱动系统将蓄电池输出的电能转化为车轮的旋转动能，从而 驱动混合动力自行车运行。它决定了混合动力自行车的动力性能，它的能量转化效率也 直接影响到混合动力自行车的最大行驶里程。由此可见，研究混合动力自行车驱动系统 对提高混合动力自行车性能具有重要意义。 另外，混合动力自行车因为采用电机驱动系统，可以利用电动机的逆向工作性能， 制动时的能量进行回馈，增强其制动性能。 混合动力自行车的动力性能值是自行车在良好路面上直线行驶时由自行车受到的纵 向外力决定的，所能达到的平均行驶速度29。下面介绍自行车的主要动力性能指标：最 高车速、加速时间、最大爬坡度。 自行车的最高车速：在水平良好的路面上，自行车所能达到的最高行驶车速。 自行车的加速时间：常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明自行车的加速能 力。原地起步加速时间是指汽车由低档起步，并以最大的加速度逐步换至最高档后到预 定的距离或预定速度所需的时间。超车加速时间，是指用最高档由较低车速全力加速到 高速所需的时间。 自行车能爬上的最大的坡度是指用满载时自行车在良好路面上的最大爬坡度表示的。 2.3.1 自行车基本参数介绍 a.整车整备质量：包括动力蓄电池，不包括乘员或装载质量，随车工具，车载充电器。 b.功率：指物体在单位时间内所做的功。功率越大转速越高，自行车的最高速度也越 高，常用最大功率来描述自行车的动力性能。最大功率一般用马力或千瓦来表示，1 马力 等于 0.735 千瓦。 XXXX 大学本科毕业设计说明书 10 c.扭矩：扭矩是使物体发生转动的力。发动机的扭矩就是指从曲轴端输出的力矩。在 功率固定的条件下它与发电机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映 了自行车在一定范围内的负载能力。 d.最大总质量（kg）：自行车满载时的总质量。 最大装载质量（kg）：自行车在道路上行驶时的最大装载质量。 e.轴距（mm）：通过车辆两车轮的中心，并垂直于车辆纵向对称平面的二垂线之间 的距离。简单的说，就是自行车前轴到后轴的距离。 轮距（mm）：车的左右轮胎面中心线间的距离。 2.4 制动系统 2.4.1 混合动力自行车刹车分类 传统的混合动力自行车只是机械式刹车,使很多的能量在不知不觉中浪费,而现在我们 做的混合动力自行车带有了能量反馈节约了能量。带有制动能量再生系统混合动力自行 车的制动过程与传统的混合动力自行车的制动有着不同之处。再生制动力是利用在电磁 场中旋转的磁极将会产生的电磁转矩，电磁转矩的旋转方向与车轮行驶的方向相反，从 而产生对混合动力自行车的制动。但是这种制动方式在遇到紧急情况时将不能应付，因 为他不能在短时间内使自行车停下来。因此在做混合动力自行车制动时，既用了再生制 动也使用了传统的带式制动器，使电动车的刹车更有效，也能尽量减少不必要的损耗， 电池一次充电行驶的路程最长。因此在求制动力时，我们分紧急情况与正常情况。 紧急情况指的是在同一时间内既有手制动也有再生制动。 正常状况指的是只有再生制动一种情况。 2.4.2 制动力的分析与求解 图 2-3 为良好的硬路面上制动时车轮受力情况： 图中，是车轮制动器中的摩擦力矩；是再生制动力矩，即制动时再生制动系统 u T re T 作用于自行车车轮的阻力矩，为车子的阻力，为车轴对车轮的推力。有力矩平衡得： 1 F p F 式（2.13 1 /2 ure TT F D ） 由于制动力不可以大于粘着力,即： 式 1z FFF （2.14） 式中，粘着力；为粘着系数；为地面对车轮的法向反作用力。F z F XXXX 大学本科毕业设计说明书 11 将式（2.12）代入（2.13）得： /2 ure z TT F D 整理得： /2 rezu TFDT 在制动器中，有： /2 u u T F D 为机械刹车时制动器的制动力。 u F 图 2-3 制动时车轮受力 这里以正常状态下计算为例，在正常情况下，只有再生能量制动。车轮制动器中的 摩擦力矩，那么0 u T /23.6 . rez TFDN M 本设计的电动车使用了制动能量回收技术，制动系统在原有的制动基础上增加了能 量回收，制动力矩再生制动过程与传统的制动过程的不同。 2.4.3 手动制动器的设计 混合动力自行车的制动器正常多数采用带式制动，带式制动器已经标准化。根据电 动轮上的刹车轮的直径为 43，所以选择的带式制动器的型号为 ZBJ8501-1989，额定mm 制动力矩 。mNTe 250 制动带总成：内径为 45，带宽为 12；mmmm 制动带板：带长为 142.3，带宽为 12；mmmm 制动衬片：内径 45，展开长度为 24。mmmm 参考文献13，各基本尺寸见表 3-1。 表 3-1 简单制动器的各基本尺寸 XXXX 大学本科毕业设计说明书 12 de1e2Ba1a2 450.60.915 0 15 0 15 选好制动器以后，应该按照配套主机的要求对制动力矩、发热情况进行验算。由于 混合动力自行车的工作环境比较好，散热条件也比较优越，因此在校核时不考虑发热对 制动器的影响只验算制动力矩。根据制动器的运转情况计算制动轴上的负载力矩。并考 虑一定的安全设备（安全系数，可查表获得）求出制动力矩。再参照制动器的额定制T 动力矩使。 e T e TT 根据制动对象的运动情况可以分为平移动制动和垂直移动制动两种类型。平移制动 指的是被制动的是惯性质量；而垂直制动被制动的是有惯性质量和垂直负载，且垂直负 载是主要的，如提升设备制动。 计算制动力矩时，平移制动按照： 式(2.15) fu TTT 负载力矩此处为换算到制动轴上的传动系统的摩擦力矩，； u TmN 换算到制动轴上的总摩擦力矩，。 f TmN 垂直制动按照： 式(2.16) u TT 换算到制动轴上的负载力矩，； u TmN 1 T Tu 换算到制动轴上的总摩擦力矩，。 1 TmN 转化效率。 混合动力自行车制动的是惯性质量属于平移制动，根据 2.14 计算。这里需要说明的 是混合动力自行车除了摩擦力矩还有直流电动机的再生制动。所以需将公式 2.14 改为： 式(2.17) refu TTTT 再生制动力矩。上章节已经计算出了的取值范围。 re T re T mN gwDmmTf 92 . 4 2/4 . 00205 . 0 10)7050( 2/)( 21 mN gDmmTu 2402/4 . 010)7050( 2/)( 21 XXXX 大学本科毕业设计说明书 13 由于是一个范围值,那么就可以求出制动力矩的一个最大与最小的范围.最小是再 re TT 生制动力矩达到最大,此时 re TmN 6 . 3 mNTTTT refu 48.2316 . 392 . 4 240 最大是再生制动力矩达到最小为 0,此时 re T mNTTTT refu 08.235092 . 4 240 所以刹车的制动力矩，满足，即选择的带式制动器满mNT08.23548.231 e TT 足要求可以使用。 2.5 蓄电池的种类和结构 蓄电池是混合动力自行车的能源载体，是混合动力自行车的核心部件之一，主要分 为阀控密封铅酸蓄电池、胶体电池、锂离子电池、镍氢电池和燃料电池等。电动车对蓄 电池的要求是容量大，寿命长，重量轻，价格廉。铅酸蓄电池的优点是价格最低，内电 阻小、电压稳定，具有良好的防振性能和密封性能；锂离子电池和镍氢电池虽然重量轻， 寿命长，但是价格昂贵。在混合动力自行车的电源广泛采用铅酸蓄电池。但铅酸蓄电池 的比能量和比功率都很低，随着科技的发展近年来又使用了新型的蓄电池如镉-镍电池。 镉-镍电池放电时，正极还原为，充电时，又被氧化成NiOOH 2 ()Ni OH 2 ()Ni OH ，电极反应表示为：NiOOH 22 ()NiOOHH OeNi OHOH 放 充 负极海绵状镉放电时氧化生成氢氧化镉，充电时氢氧化镉还原为镉，电极反 应表示为： 22CdOHe 放 2 充 C d(O H ) 电池的总反应的表示式为： 222 222()()NiOOHCdH ONi OHCd OH 放 充 镉-镍电池体系以氢氧化钾或氢氧化钠水溶液为液，加入适当的氢氧化锂可以延长电 池的寿命。氢氧化钾（或钠）不参加反应，但是放电时消耗水，充电时生成水。氢氧化 物只起导电的作用，在充电过程中密度和组成没有明显的变化。 参考文献6，选择的型号为：GNY-12 其中：G镉为负极 ，N镍为正极，Y圆柱形，12额定容量为 12 。hA 参考文献镉-镍电池理论比能量为 214.3，实际比能量为：35。h/KgWh/KgW 说明：电池的容量是指电池工作，即电池放电时能提供的电量，有理论容量，实际 XXXX 大学本科毕业设计说明书 14 容量，额定容量（或公称容量）之分，常以或为单位。为了比较不同系列的电A hmA h 池，常用比容量的概念即单位质量或单位体积的电池所能给出的电量来衡量，公别以 或表示。在表中列出了各种电池体系的理论比容量。/A h kg/A h L 2.6 动力传动系统设计 现有混合动力自行车车大致可以分为以下几个主要部分:蓄电池、电池管理、充电系 统、驱动系统整车管理系统及车体等。驱动系统为电动车提供所需的动力,负责将电能转 换成机械能。无论何种电动车的驱动系统,均具有基本相同的结构,都可以分成能源供给子 系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分,其中电气驱动子系统是电动车的心脏,主 要包括电动机、功率电子元器件及控制部分。 2.6.1 驱动方式对两轮电动车性能的影响 目前两轮电动车主要有三种：一是全电动型自行车，二是电动助力自行车(PAS),三是 电动摩托车。全混合动力自行车完全依靠电力就可以行驶，电动助力自行车电机的出力 是需要人力的驱动为前提的,人力和电力的比通常为 1：1,即所谓的 1+1 系统,这种系统在 日本较为通常采用。无论它们两者有这样那样的区别,至少有一点是共同的,这就是要求人 力能够正常骑行,而电动摩托车无需考虑人力骑行问题。由于受当前电池技术的限制以及 混合动力自行车对蓄电池容量要求不高,当前发展混合动力自行车以及电动助力车是较为 适宜的。根据国家质量技术监督局 1999 年 10 月 1 日颁布实施的混合动力自行车通用 技术条例规定,混合动力自行车的最高时速不得超过 20km。由于这个速度较低,永磁直 流电机、永磁无刷直流电机、开关磁阻电机及交流异步电机这四种电机都能够胜任,但考 虑到成本、机械加工以及技术复杂程度等因素,目前两轮电动车主要采用永磁直流电机以 及永磁无刷直流电机。而开关磁阻电机以及交流异步电机主要用在电动汽车。永磁直流 电机以及永磁无刷直流电机当前都有质量较好的产品,如上海新联的永磁直流有刷电机,采 用轮毂电机直接驱动方式,由于磁阻造成的力矩,以及人力骑行时的电机发电问题,实际使人 力骑行时感到十分费力。中轴式对机械的设计和制造水平较高。通过采用双飞结构,解决 了人力骑行困难问题。旁挂式相对要求较低,只是在后轮上增加了一条链条来驱动,而且骑 行时电机不转动,因此不存在磁阻转矩以及发电问题,可减轻人力负担问题,如果在造型上下 点功夫。无疑旁挂式将是混合动力自行车非常好的驱动方式。值得一提的是上述的驱动 方式还可以进一步划分,如除了轮毂直接驱动方式外,轮毂电机还有带减速齿轮(减速比为 1：7 和 1：22 两种)以及同步带减速齿轮(减速比为 1：25)；中轴式可以继续划分为同轴 式(减速比为 1：50)以及非同轴式(减速比为 1：35)。用于混合动力自行车的电机功率 70235W,主要为 135180W。按照转速可以归为三类：一是低速电机,主要用于轮毂直接 驱动方式,电机转速为 174rpm(240)；二是中速电机,8001800rpm,轮毂式齿轮减速以及 1 级 减速的旁挂式(减速比为 1：5)；三是高速电机。24004500rpm,主要用于轮毂式同步带减 XXXX 大学本科毕业设计说明书 15 速或齿轮减速,中轴驱动、2 级减速的旁挂式(减速比为 1：22)以及摩擦式(减速比为 1：17)。 2.6.2 混合动力自行车驱动系统的构成 混合动力自行车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两个部分4。其中,机械传动 部分因混合动力自行车驱动系统布置方式不同而不同。混合动力自行车对其驱动系统有 特殊要求能够频繁地起动、停车,加、减速,对转矩控制的动态性能要求高，混合动力自行 车驱动的速度、转矩变化范围大,既要工作在恒转矩区,又要运行在恒功率区,同时还要求保 持较高的运行效率能在恶劣工作环境下可靠地工作。正因为混合动力自行车对其电机驱 动系统有这些特殊要求,所以在混合动力自行车电机驱动系统设计中,驱动电机的选择及整 流器、控制器的设计,都必须考虑到这些特殊的要求。直流电机驱动系统为混合动力自行 车的驱动系统之一,它结构简单,具有优良的电磁转矩控制特性。与直流驱动电机相匹配的 变流器是斩波器,它将固定的直流电压变成可调的直流电压,调速方法主要是调压调速和调 磁调速。采用直接转矩控制的电机驱动系统,转矩给定值的确定非常重要,它是直接转矩控 制的转矩目标值,理想情况下,电动机的输出转矩就等于该时刻的转矩给定值。所以,转矩给 定值应该能够满足负载的动力需求。因此在混合动力自行车的电机驱动系统设计中,首先 要按照混合动力自行车的性能要求,对电机驱动系统的载荷进行分析,也就是对混合动力自 行车行驶所需的的牵引力进行分析,得出合理的电动机直接转矩控制的转矩给定值。 2.6.3 无刷直流电动机驱动系统 永磁无刷电动机系统可以分为两类,一类是方波驱动的无刷直流电动机系统(BDCM), 另一类是永磁同步电动机系统(PMSM),也称之为正弦波驱动的无刷直流电动机系统。 BDCM 系统不需要绝对位置传感器,一般采用霍尔元件或增量式码盘,也可以通过检测反电 动势波形换相。PMSM 系统一般需要绝对式码盘或旋转变压器等转子位置传感器。从磁 铁所处不同位置的结构上看,永磁无刷电动机可以分成表面型、镶嵌型、深埋式等结构型 式,在混合动力自行车中也有采用盘式结构或外转子结构的。深埋式永磁同步电动机因其 有高的功率密度、有效的弱控制及方便的最大效率控制而在电动车应用领域倍受青睐,是 当前电动车电动机研发的热点。用在电动车上的永磁同步电动机是将磁铁插入转子内部, 得到可同步旋转的磁极。深埋式转子结构如下图所示,这种电动机在结构设计方面主要有 两个特征:转子磁铁使用埋入式、采用多极化设计。这种设计具有显著的优点: (1)与将永磁体贴在转子表面的情况相比,将永磁体植入转子内部,则即使高速旋转,永磁 体也不会飞散,为此就使设计 10000r/min 以上的超高速电动机成为可能。 (2)对于要求的最大转矩而言,采用下图所示的转子结构,永磁电动机能做得更小。 XXXX 大学本科毕业设计说明书 16 图 24 正弦波驱动的无刷直流电机的结构简图 第三章 混合动力自行车的运行控制 在实际中发电机的构造与电动机是相同的，都是通过定子与转子的磁场作用力产生 电力的。导体线圈在磁场中运动就能产生电流，导体线圈通电在磁场中就能旋转。两者 的不同点就是通电与不通电，由于电动机与发电机有着相同的构造，如果把电动机转动 起来，就像发电机一样发电。但是，这时的发电电流方向与电动机旋转时的电流方向相 反的。混合动力自行车在正常行驶时，车轮是旋转的，只要停止向电动机供电此时的电 动机变成了发电机为蓄电池充电。一段时间后给电机供电就又变为了电动机，将电能转 化为机械能使混合动力自行车能够行驶。 3.1 电动机的选择 在所有已有的电动机中,综合性能最好的是直流电动机。过去开发的电动车主要采用 有刷直流电动机,有刷直流电动机系统调速方便,改变其输入电压或励磁电流就可对其转矩 实现独立的控制,进行平滑的调速,所以有刷直流电动机调速系统具有良好的动态特性和调 速品质。但是有刷直流电动机系统由于电刷和换向器的存在而导致以下两方面的缺点:第 一,必须进行经常性的维修和保养;第二,无法实现高速大容量。这两方面的缺点使其在电动 车驱动系统中的应用受到了限制。而无刷直流电动机则克服了有刷直流电动机的缺点,它 既有有刷直流电动机的优越的性能,又依靠电子换向,免去了机械式电刷和换向器。本系统 选用无刷直流电动机。无刷直流电动机,就其基本结构而言,可以认为是一台有电子开关线 路，永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的。电动机系统,它借助反映转子位置的 位置信号,通过驱动控制电路,驱动逆变电路的功率开关元件,使电枢绕组依一定次序馈电从 而在气隙中产生步进式旋转磁场,拖动永磁转子旋转。随着转子的转动,转子位置信号依一 XXXX 大学本科毕业设计说明书 17 定规律变化,从而改变电枢绕组的通电状态,实现无刷直流电动机的机械能量转换。 3.1.1 直流电动机的特点 有刷直流电动机带有整流子与电刷，而整流子与电刷根据转子位置不同而自动切换 连接位置，从而改变转子电流方向，这是一个很巧妙的组合。有了它，电动机一接通电 源就能旋转。但是实际应用中，这种结构还存在着一些由整流自与电刷之间的机械连接 所产生的缺点。 1、磨损问题。整流子的材料大多采用硬质合金。电刷则使用光滑而又易接触的金属 与炭化物，这种金属与碳的化合物具有相类似的润滑性。但是，无论采用多么耐磨损的 整流子材料，他们接触面之间的磨损总是会随着转子的旋转而产生，所以必须定期更换 损坏的电刷。 2、噪声问题。无论怎么精工制作，整流自娱电刷间的接触面都不会天衣无缝，噪声 是必然会产生的。 3、旋转中整流子与电刷磨擦是将由电器噪声产生。这种电器噪声会使电动机周围的 电器设备产生无动作，对混合动力自行车的电器设备产生不良影响。 正对以上缺点，在电动机选用时选用了一种以电子线路进行电流切换，而无需整流 子与电刷的无刷直流电动机，避免了以上的缺点提高了电动车的耐用度。但是无刷直流 电动机必须与一定的电子换向电路配套使用从而总的成本增加，但从控制的角度看更具 有了灵活性.利用低电平信号可方便的控制电路的切换，电动机的起停，调节转速与转矩。 3.1.2 电动机容量选择的原则 混合动力自行车在传动系统中选择一台合适的电动机是极为重要的。电动机的选择 主要是容量的选择，电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生 产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还可能出现启 动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机的容量选大了，则会使设备投资费用增 加。 选择电动机容量应根据以下两项基本原则进行。 (1)发热：电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度 max等于或略小于 电动机绝缘的允许最高工作温度 a ,即maxa。 (2)过载能力:电动机在运行时,必须具有一定的过载能力.特别是在短期工作时,由于电 动机的热惯性很大,电动机在短期内承受高于额定功率的负载功率时仍可保证 max a , 故此时,决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力.即所选电动机的最大 允许电流 Imax必须大于
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