（机械制造及其自动化专业论文）混合动力摩托车电驱动系统的研究.pdf

摘簧 摘要 全球瞧的裁源与环境阍蘧键毽各鬣汽举工渡纷纷商黉馕羯麟戆漾、辨动力方 淘发震。与浅翠跑较起来，虽然 l # 溪小缀数爨纛大游摩托零在逮方筒的发最却澄 有受虱最够瓣羹橇。参考混合动力键动汽攀鹣成戆经验，开发瀛会动力摩援车十 分其有可行性，也辩必会程节约髓源稻降低排放等方瑟发挥誉大俸帮。 混合动力瘴援霉系统动力由使两l p g 燃鹣翡发动撬帮轮羧蕊整流无剩邀动 机提供，本文圭蔡涂遮麾撼车的电驱动设计部分。为了掇蹴混合渤力摩托举的动 力毽能、燃油缀济性霖霸# 液性髓，合理选择秘题酝辫耪动力漾焚为踅甍。鞭鼗， 本文罄先缝合毫驱动系统开发乎螽结构霸魄驱动参与动力辕池爨寸姻不同抒驶王 况，分褫了车辆鞠凌力特瞧，驭镶定电驱髓系统不懑运行工凝下辩渤率翻转矩嚣 爨，程戴基础土测定了擎辆电辍貔系统浆控剩繁鼹。 结合窟流秃利电动机和摩托军的特点，本文掇继了一种竣攀片檄魏控剿核心 嬲瞧驱动羧皋4 嚣绩掏，遵择集藏了搿癸、p w m 输窭等遗舍奄麓橇藏截动链懿 劁b e g a l 瓯臻为技劁核心，通过由m o s f e t 和栅极驱动熊成电路构成的三稻逆 燹桥实瑶了对涎测电麓祝投利。另终，黪了使驾驶者了麟窜颟运费姨提，系统谴 用l e d 模块澍攀辅的参数进行摄示。系绫软 牛没计以动力特技分蛎必基础，缘 念考惑攀蠛豹动力性姥、燃酒缀济蝗戮教行驶道稳串邀漓状态，对瞧驱鹚下懿攀 辅起动、牵邃p d 闼鞴调节殴及车辆状态参数浆袭羹零褥鑫了横袋纯酌设计方 案。 邀劾机运舒试验数褥漩绢，零文掰佟翡毽论分柝垂确，摄爨戆控制蠢寰燕麓 行的，熙控制器成本低廉、开发简单，因诧，为下一疹麓苹动力随配和性髓掇并 掇供了理谂镶攘秘瑷蜜参考。 燕键诵混合翡力摩捅牵；壹流笼弼魄劫枫；a v 疑单片糖 躲蹙满锹 a 较谢m t 蠢8 s t 融c i r 菊喇矗弘n g we n e f g ys o u 搿黼d 黼ro f 瞄 e l ei s 醅e nr 姻e a 聪h e d 主nm a n yc 。u 州藕e s 靠疆妇n 礴张l 耐h 辫i 枣s o 娃蠹e 罐擀h 赫盘穗e 辩转n o 搭拍l 簦g e 糊瓣瑚碟融料妇q c i 熊 a b o u tt h i sb e c 洲s eo f 沁l o wd i s p l 8 c e m e n lr e 抬r r j n gt ot 1 1 e c c e s so f h y b r i de i e c 岍cv e h i c l 船，a h y b 耐m o 船r c y c l es y s t e m s 耗醛i b e w h i c hw i l l 曲l ya ni m p o r t a n tr o l e ns 州i i i g 微e 婚7s o 谨c e 黼dr e d l l c i l l gd r a i n 伯e 躺v ep o w 嚣o f t h eh y b d 娃撼。熏。嘲潮ee 般s i 辩o f e 憋i 冉e 璐妇gl p g 蠹翻鑫n 鑫w 酶靠s 移l e b r 啪h i e s s 【cm o t o h o w e v 钟h e r eo n l yt h ee i e c 试c 出i v e 掣s t e 璐呈彗搬酞i d _ 懿e d 法如瓿量t 。l t sv 档y 瓤p 。如n | 静s e l 献鑫辣莲臻越c h 融。瓤硅琏s 。f p 嗍确i c hl oe 醢勰c 嚣辆e 辨蝾雠靠瑚瞄醒d r i v i n 函 羲砖n s 秣糊建 o 藕艄de 矗鑫鹊锄i 辅 。髓k 搬i s 辨弹釉 l 艇臻0 眦y e l e s 撺礴u i 碍m e n # o fp a w e r a n dt o r q ，矗r s t yt h ed y n a m i cp e m 咖蛐c e - sa n a l y s e dt l j n k i n go fd i 船r c n t 九埘咀j n gc 彻d i t j o n s 巍n ds t m e t l j r eo f 啦em 咖y e 酶o nt h eb 船e 艚t 射i a 酶i s 协ec o n 觚ls 嚣毹e g yi sd e c i d e d b a s eo nt h ec 址岍i c t e ro fb 兀l s h i e s se ) cm o t o ra f i dm o t o r c y c l e ，t h ec o n t r o l l e ro ft l l ee l e c 雠c d f i v es y s 协ml sd e s l 秘e d 州懒m i c 黼。船o l l 帮a t m e 彗a l 飘i n 氆鲫姗蛾如a 盛p 删。唧媾 w h i c h ss u i t a b l et oc o n h im o t o t h ec o n t li s 糟a l i 勰d 幽r o u g h 讯r e ep h 鹪e 融v e n t o re 嘲p o s e d 姆m o s f e 譬醐纛鹣心v 差c 。l 建翊d i 蛙摊，挺蛰擞翻娃 c l s 酗i 辨蕊泌d i $ p l 帮妇船獭 n g s 豫勰 o f 斑e 辩o o r c y e l e + 嚣鑫s e 妣舾。v es 雠l e 翻氇l y s s ，氆es y s 靶啦s o 瓤珏r e 穗i n 凳i n gi sp 撼辩n t 嘲协 i m p v ec a p a c h i 。s0 f f h em 0 协r c y c i el 溆ed ”a m i c ，f i l e lc o n s 啪p t i o ne t c ，籼db a 溉r yc o n d i t i o ni s m o n i t o r e d t l es o 嚣啊a 糟穗c o l p o s e db ym o d u k so fm o 缸) r c y c i es 协心s p e e dt 鼍m i n gw l 也p i d c o r r e c t o ra n dd i s p i a y f t h en l n n i n ge x 弦r i m e n to ft h em o t o r c y o l e l e m 剁堪蚺碡嚣谯矬l 也e 龇噼沁瓣矬韩鑫玲s t s 毽 c o r r e c to nr u n n i n gc o n d h i o n ，a n d 幽ec o r l 订o ls e 科i sf e 躺i b l e t 嘛c o n 竹o l l e ri sv 。| yc h e 蹿拍d s h 鞋p l ew i 穗e 聪e 鞋e 摊t 辨糖黼矗e 。a l l 氇e 燃稍f e 酶s 瓤壤遮p 辞站rp 蹲s e 越氇e 淞i so n 扳瓣1 l h l y 姻d 糙勤2 a l i o 臻f 醢n e 惑g 避薛w o 墩。鑫b y 醚dm a 沁噼e l es h 豁p 蝴e rm 蘸豳轴承 i ( 嚣y 撇r 幽 b y b 黼m o 沁研礴霉；b “幽l e s sd el 弧o t o r ；a v rm i c r o n 缸硌h e 如p w m 独创性声明 本人声明赝呈交的论文是我个人在导嬲指导下遴行静磺究工俘及取褥敬磅 究成果。尽我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人毫经发表域撰写避豹磅究成果，毯苓包含冀获撰l l 哀工监大学或其它教弯褫稳 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已奁论文中律了臻确的说翳菇表示了落意。 签名： 日期；生碰f ，侈 关于论文使蔫授权的说明 本人完众了解北京工业大学有关保留、使用学使论文的规定，即；学校有权 俣整送交论文的复鼙 牛，允谗论文被套阗彝爨耀；学校可以公毒论文夔全都畿帮 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 穰密戆论文程瓣密基波遵守戆浚定) 签名：蹲燧轹燮，吼! 上! ! 彩一寻 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 当今，全球范围的能源和环保问题越来越受到人们的广泛关注。为了与经济 的快速发展相适应，汽车作为现代化的交通工具和国民经济的支柱产业，虽然给 人类生存带来了众多的能源、环境方面的负面影响，却依然以强劲的势头在世界 范围内迅猛发展。 为了缓解月趋严峻的环境和能源问题给人类带来的威胁，实现人类社会的可 持续发展，很多国家的都在电动汽车、混合动力电动汽车的研发方面投入了大量 的人力、物力，不断地开发出新产品并投入市场，取得了很好的经济和社会效益。 混合动力汽车是当今世界汽车工业发展的前沿技术，在解决能源利用和环境保护 上具有广阔的前景，已经在日本、美国、欧洲等国家和地区形成应用的趋势。它 也是中国汽车产业发展政策重点发展产品，符合中国能源、环保战略发展方向。 1 2 电动汽车的发展状况 1 2 1 电动汽车的发展历史 电动汽车的历史可以追溯到1 9 世纪3 0 年代，并在1 9 世纪末的法国诞生了 第一辆以可充电的铅酸电池为电源的电动汽车。在随后的几十年里，美国、英国、 法国的一些公司都不断的研制出更加先进的电动汽车。法国b g s 公司的电动汽 车依靠专门为自己设计的蓄电池，其续行历程达到了约2 9 0k m ，而当时的“j a l n a i s c o i l t e n t e ”电动汽车在1 8 9 9 年5 月创下了当时的燃油汽车都无法实现的1 1 0 k r 【l l l 的速度。然而，1 9 1 1 年汽车起动机的发明使燃油车在性能、价格方面的优势迫 使电动汽车渐渐渡出市场。 1 22 近二十年电动汽车和混合动力技术的发展状况 2 0 世纪8 0 年代阻来，由于大气污染和温室效应使得人类的生存环境状况日 益恶化，一些国家和城市率先出台了针对汽车尾气排放的更加严格的标准，并用 法规强制执行。1 9 9 0 年，美国加州大气资源管理局( c a i 国) 颁布了一项法规， 规定1 9 9 8 年在加州出售的汽车中的2 必须是零排放车辆( z 目oe i l l i s s i o n v e h i c j e s ) ，到2 0 0 3 年应该达到1 0 蚶“。人们对汽车排放污染的关注和类似的法 v e h i c l e s ) 到2 0 0 3 年应该达到1 0 蚶”。人们对汽车排放污染的关注和类似的法 北京工业大学工学硕士论文 规的颁布，促使电动汽车这种唯一符合零排放的技术迅速发展起来。 近2 0 年来，电动汽车已经真正进入了商业化。世界范围内的，尤其是美国、 日本和欧洲的大的汽车公司纷纷开发出了具有自己特色的电动汽车。这些电动汽 车根据动力源的不同大体可以分为三类：纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料 电池汽车。在早期，纯电动汽车由于其结构比较简单、易于控制的特点，得到了 广泛的发展。美国通用公司在1 9 9 0 年1 月生产出第一辆定型的电动汽车i n l p a c t ， 其性能完全可以与今天的燃油车相媲美。同时其他的汽车公司也纷纷研制出自己 的电动汽车产品，如福特公司的e c o s t a r 、e s c o n 、c 畸和n e i 曲b o l l r 等，n i s s 姐 公司的m 盯c h 系列、f e v 系列以及p r a 试ej o y 和a j n a ，丰田公司的e v 系列， 法国雪铁龙公司的p e u g e o t 系列和c i 仃0 e n 系列。 在随后的时间里，混合动力和燃料电池电动汽车成为汽车工业的热点。如 n i s s a i l 公司开发了的n n o 混合动力电动汽车和直接用氢的燃料电池汽车f c v 。 福特公司的e s c a p e 混合动力电动汽车和p 2 0 0 0 燃料电池电动汽车，p 2 0 0 0 采用 t h ! i l k 质子交换( p e m ) 燃料电池系统驱动，整车质量为1 5 1 4 k g ，最高车速为 1 2 8 k r n l l ，续驶里程可达1 6 0 k m 。本田公司的发动机主动型混合动力系统i n s i 曲t 于2 0 0 0 年1 0 月上市，其燃油经济性为2 6 3 0 k 耐l ，并且满足了加州超低排放标 准。而丰田的p r i u s 是世界上第一种大批量生产的混合动力汽车，其最高车速为 1 6 0 蛔柏，o 9 6 k l l l 的加速时间为1 2 7 s ；市区和公路符合工况的燃油经济性为 2 0 k 州l ，新p r i u s 达到了燃油消耗量在5 5 m p g 的指标，与相似尺寸的中型轿车 c a i r 时相比，燃油效率高出了两倍【2 】。 在刚剐过去的2 0 0 5 年东京国际汽车展上，丰田汽车推出了全新开发的两款 燃料电池混合动力车f i i l e - x 埘嘶d 和e s t i l l l a h y b d d 。作为欧洲汽车业巨头的德国 梅塞德斯奔驰则推出了具备虚拟显示系统( v i m l a ld i s p l a y ) 以减轻驾驶负担 的f 6 0 0h y g e n i u s 燃料电池概念车，其燃料电池运用氢氧的交互化学反应产生 电力，其最大输出功率为6 0 k w ，持续行驶距离为4 0 0 k m 。整个系统的最大输出 功率为8 5 k w ，最大转矩为3 5 0 n - m 。 1 3 摩托车的发展状况 1 3 1 摩托车的历史及发展状况 1 8 8 5 年德国人戴姆勒制造出第一辆真正意义上的以汽油为燃料的摩托车，在 之后的几年当中不断有人改进摩托车技术3 1 。1 8 9 3 年意大利人设计出第一辆配备 四冲程单缸汽油发动机的摩托车。此后人们不断加强对摩托车进行专门的研究设 第1 章绪论 计。二战后，摩托车成为大众的消费热点，产量逐年上升。1 9 7 2 年，世界两轮摩 托车年产量首次突破千万辆大关，此后每年产量都在千万辆以上。 上世纪8 0 年代以后，摩托车产业开始进入巅峰时期，这个时期依然是以日本 和欧美国家代表技术的最高水平，但发展中国家的摩托车产业也逐渐壮大起来。 进入2 1 世纪，摩托车的发展在发展中国家中尤为迅猛，包括中国在内的亚洲和非 洲的一些国家不断生产出成本低廉的实用型摩托车，产量逐年升高，并大量出口 国外。2 0 0 3 年世界摩托车总的贸易额为1 2 0 5 3 亿美元，比上一年增长1 8 【4 j 。 1 3 2 中国摩托车行业发展状况 1 9 5 0 年第一辆国产摩托车在北京诞生。我国摩托车工业也自上世纪7 0 年代 末开始起步，之后产销量一直不断攀升，并从1 9 9 3 年起，中国摩托车年产量一 直居世界第一位吼2 0 0 4 年，中国摩托车产销17 0 0 万辆，占世界总量的一半。 经过2 0 多年的快速发展，现在己成为世界上摩托车生产第一大国。商务部市场 建设司数据显示，2 0 0 5 年中国摩托车累计产销分别为17 7 6 7 2 万辆和17 7 4 5 1 万辆，同比增长6 7 5 和6 5 2 。据有关部门预测：到2 0 1 0 年市场需求量为1 4 4 万1 5 5 万辆，社会保有量为116 7 7 万辆。 随着中国加入w t o ，摩托车产业的营销体制逐渐的完善及消费群体走向成 熟，市场竞争的主要特征将从低层次的价格竞争表现为产品开发能力，以及产品 性能、质量等方面。 1 3 3 电动和混合动力摩托车的发展 数量庞大的燃油摩托车的存在使能源紧张和环境恶化的状况更加严峻。摩托 车行业的发展和技术的创新工作直接面临着石油能源危机和环境污染控制的严 峻挑战。混合动力摩托车已经成为摩托车产业的一个研究热点。 日本丸红公司早在1 9 9 2 年就成功开发世界第一台实用型电动踏板车e s x 2 ，它的动力总成p u s e 2 1 与新型电池组合，可以充分满足驾驶者一天的行驶 距离需求。 2 0 0 4 年8 月，本田公司开发出搭载电动马达和内燃发动机的5 0 c c 混合动力 踏板摩托车，如图1 1 所示。利用引擎发电直接驱动后轮马达的“串联行驶”和 马达辅助引擎行驶的“并联行驶”之间进行切换。在匀速行驶等低负荷状态下采 用串联行驶、在加速行驶等高负荷状态下采用并联行驶。与h o n d a 生产的标准 版5 0 c c 踏板摩托车相比，3 0 k l l l 匀速行驶时的升公里达到标准尺寸踏板摩托车 - 3 北京工业大学工学硕士论文 “d i o z 4 ”的1 6 倍以上，c 0 2 排放降低3 7 以上，而车身霆量只增加了不到1 0 k g 。 圈1 1 本田公司开发的5 0 c c 混合动力摩托车 f i g 1 一lh y 嘶de l e c 订i cm o t o 糟y c l eb yh o n d a 目前国内的电动摩托车很多仅仅悬“放大的电动自行车”，而混合动力技术 在摩托车主静寂磊氇只楚在校多大专院校和磷究所逶行实验经的研究，虽然也取 得了一定的成绩，尤其在混合动力电机控制和动力匹配控制方耐积累了丰富的经 验，髓楚至今述没有裔麓亿静产品赉聪，所戳魏项研巍还有穰大鹣发袋空闻。 1 。4 混合动力技术概述 一缎认舞，混会动力技术燕指车辅既毒志燃梳驱麓又有耄秘橇驱魏。稷器溜 合动力系统的鳞构不同，混合动力系统可分为串联式、并联式和混联式，而前两 耱是要# 瘦曩魄较多豹类鍪，冀缝麴藏理框图浆圈l - 2 掰示嘲。黧孛b 表示蓄瞧 池，e 淡示内燃机，f 袭示油箱，g 表示发电机，m 表示电动机，p 表示功率转 换器，罩表示传囊装嚣。 t a ) 串联式b ) 并联式 a ) s e r i e s”p m n # l 稠1 - 2 串联释并联混合动力系统络捣示意图 f 谤l - 2s c h e m 州c so f s e r i e s dp a r a l l e lh y 嘶ds y s t e m 4 第1 犟绪论 由予鼯源与环境鳇原阂，燃濑袈的发鼹受到了黢利，两缝愈动窜辆的续行爨 稷由于电源筋最隈鼗并不能完全满足入稻韵需求，农这_ 耱憾琵下溪套动力技术成 魏一种解决翘鬟懿骜 弋方法。溅会动力牵辆撼然不能这戮电动举的零播藏，逛燕 绥杼量程讶淤这剥缝毫麓攀熬2 碡倍。褥嚣驶摆弼熬里程，其瀵糕鄹翅# 救媳铰燃 油攀少攫多。葜主要煦缺点就是绩祷复杂、成本较高。 1 ，4 。 内燃巍与燃料供给 针辩环境嗣鼹源的形势话趋恐往，一塑耩鼗零不酝应稻至l 汽车发动撬上，铡 魏霹变按求、汽演褒接喷射系绫以及汽晕均质混会气燃卷火等。 高往能的“缭色发动机”穗经成为竞辐开发靛热赢，采霜液纯石漓气& p g ) 昶哭然气 6 穗强，h ) 。摄舞式( 2 。1 4 ) 可 1 6 第2 章混合动力摩托举系统力掌特性分析 以得出此时车辆的功率输出需求为： 只= 二( 只+ 鬈+ 只) l | p = 去( 1 9 6 + o j 0 1 6 p 2 + 2 0 0 争r ( 2 _ 2 0 ) o 。8 5 、露 转矩输出需求为： r = 兄，= 2 9 。2 n m ) ( 2 2 1 ) 将电机的驱动力一阻力平衡圈与l p g 发动机驱动力图椭结合褥出的关系如图 2 4 所示。由图我髓可以羲出，嘏钒的大驱动力迸阉在低速，丽发动机的大驱动 力区间在高速。我们完全可以按设想的那样，在低速时用电机驱动前轮并在适当 对候转换为发动机驱动。 所以，根据下图可以得出如下结论，电机可以取代摩托车的一挡和二挡，并 农车速3 0 妇妇左右时直接切换到发动机的三挡，充分利用了电机和发动机的高 驱动力( 大转矩) 的区间，解决了发动机在低转速时排放污染及噪声污染的问题。 图2 0 电机的鞭动力阻力与l p 0 发动机驱动力图 f 逸2 4 b 越鞠c e c h 砒o n 争f o p e l 删i s 锄c e w 油d f i v eo f 坤g 艄g i n e 2 5 本辈小结 为了给混合动力摩托车电驱幼系统的控制镣略的实现提供理论根据，充分发 挥发动枫和电动机两种动力的优势，同时不造成资源和韵力的浪赘，本章对针对 混合动力摩托车的运行工况为出发点，对摩托车的动力性能进行了特性分析。在 介绍了混合动力鬻托车豳种运行模式静蒸础上，援出了秀驱动主癸参与静三种运 行工况：起动、加速、定速巡航。以车辆行驶动力平衡方程为依据，结合电机的 1 7 。 北京工业大学工学硕士论文 特性方程，分别对三种工况的功率和转矩需求进行了实际的计算，初步确定了电 驱动用电机的参数。 - 1 8 一 第3 章电驱动系统的组成及其工作原理 本设计以一辆残疾人三轮摩托车为开发平台，由于原车前轮需要安装轮毂式 无刷电动机，所以必须在原有车辆的基础上进行改装。在车的后方设计了电池箱 和安放l p g 储气罐的支架。对原有摩托车的前叉进行了改造，加宽了间距。同 时在外形上，为了适应外部恶劣天气，设计加装了新的外壳，如图3 1 所示，整 车结构及布局示意图如图3 2 所示。 图3 1 改装后的混台动力摩托车开发平台 f i g3 - 1p i a t 6 舢o f h y b r i d m o 幻幢y c l e b yt e n 仕e d 1 轮毂电机；2 - 前轮；3 控制器；舢警电池；5 发动机；6 _ 后轮；7 储气瓶；8 座椅 1 一m o t o r 2 一f o r ew h e e l ：3 - c 仰们1 1 盯：4 一b a t e n * 5 _ e n g i n e ：6 一b e h i n dw h l ；7 一b o m e ；8 一s e 砒 图3 2 混合动力摩托车整体结构示意图 f i g 3 - 2s c h 枷a t 【c so f h y b dm o t o r c y c l ec 0 i i f j g u r 撕o n 混合动力摩托车电驱动系统主要是对车辆运行中，电动机参与提供动力源的 混合动力摩托车电驱动系统主要是对车辆运行中，电动机参与提供动力源的 1 9 j 塞工业大学工学联士论文 工况进行控制。主要由以下四部分构成：电机驱动单元、中央处理器单元、系统 参数盥示单元稍i s p 下载接口魄路。箕控制系统的原邀图如图3 - 3 所示。 起傍控割 转惠控镧 p ，珏 p c l c d 使能 # 4 = 生芈撬= 一瓣f 鬟麓 p c 2 一驱动一 互相逆变电路 燃 l 母理制 p 7 p c 3 嵇i t 数疆总线 擎矗l o c 撼 = 爹攀援二=秘率驱察电路 镛 臻撬o c l 驱动一 。 l p c 4 黹 二鳓氧蒸矿卞了 p c 5 奔驰 p c s 船 一恻一瓣艇 争c t 藜l 羚 l 嬲 l 内| 蛐。 匿3 1 3 混合动力瘁托车羧铡系统鑫白原理圈 f 嘻3 - 3s c h e m 砒i co f c o 帆ls y s l e mf o rh y b 眦m o l o r c y c l e 3 1 电机驱动单元的组成及其工作原理 电动机是混合动力摩托军电驱动系统的动力源，根据车辆的工作特点，选择 轮毂式肇霍尔传感器瓣壹滚无联电动搬( b c m ) 麓驱动元传，如灏3 - 4 疑黎。 根据前面对车辆动力特性分析选择的电动机的主要参数见表3 一l 。 袭3 1 混食动力摩撬车轮毂电规主要参数 额定 工作 额定额定 额定效翠嫒大 功率电压电流转斑转速功率 ( w )( v )( a ) ( n - m )( r ，m i n ) ( w )( w ) 8 0 04 81 61 55 2 0 5 8 2 2 o 图3 4 混合动力摩托车的轮毂式电动机 f i g 3 - 4 m e e h s l y l eb b d c mo n l y b f i dm o t o 站y