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士论文 w 6 2 6 乏5 太阳能电动车电子电气设备研究及动力性分析 摘要 太阳能电动车将对解决人类发展所面临的能源危机和环境污染具有重要意义，困 ，越来越受到世界各国的重视。论文分析了太阳能电池阵列的输出特性、镍氢电池 充放电特性、无刷直流电动机的机械特性，对它们进行参数选择和设计，然后结合 阳能电动车的动力学参数进行动力性分析；分析了镍氢电池组的散热问题，进行了 却装置设计。此外，本文还研究了日照强度函数对太阳能电池的影响；采用了镍氢 池新的s o c 评价方法；用m a t l a b 中的f u z z y l o g i c 工具箱进行模糊控制器的 计来实现镍氢电池的稳压输出：详细阐述了无刷直流电动机的速度调节原理，建立 无刷直流电动机转速环、电流环双闭环调速系统的数学模型，然后运用 a t l a b s i m u l i n k 进行仿真，并论述了用d s p 进行无刷直流电动机控制的方法。 析和仿真结果表明设计方案是可行的。 键词：太阳能电动车，太阳能电池，动力学，无刷直流电动机，仿真，模糊控制 硕士论文太刚能电动车电子电气设备研究及动力性分析 a b s t r a c t s o l a rc a ri si m p o r t a n tt os o l v et h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，s oi t sp a i d m o r ea t t e n t i o n b y t h e p e o p l e i nt h ew o r l d t h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y s e d t h e o u t p u t c h a r a c t e r i s t i co fs o l a r a r r a y , e l e c t r i cc h a r g e a n dd i s c h a r g eo fn i c k e lh y d r o g e ns t o r a g e b a t t e r y ，a n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i s ，t h ep a r a m e t e r sw e r ec h o s e n t h e nt h ek i n e t i ca n a l y s i sw e r ep e r f o r m e db a s e do n t h ep a r a m e t e r so f t h es o l a rc a r t h ed i s s e r t a t i o na l s os t u d i e dt h er a d i a t i o no fn i he e l la n d d e s i g n e dt h ec o o l i n gd e v i c e i na d d i t i o n ，t h ep a p e r s t u d i e dt h e s u n l i g h ti n t e n s i t y w h i c h a f f e c t e dt h es o l a rc e l l ，b r o u g h tf o r w a r dam e t h o do f e v a l u a t i n gs o c ，c a r r i e do u tt h es t e a d y o u t p u tv o l t a g eo fn i - hc e l lb yu s i n gt h et o o l b o xo ff u z z y ，l o g i ct od e s i g nf u z z y c o n t r o l l e r , s p e c i f i e dt h ea d j u s t i v ep r i n c i p a l o fb l d c ma n dt h ew a yo fc o n t r o l l i n gt h e m o t o rt h r o u g hd s p e s t a b l i s h e dam a t h e m a t i cm o d e lo fd o u b l ec l o s e dl o o p so fr e va n d c u r r e n ta n ds i m u l a t e dv i a p 汀l a b s i m u l i n k a n a l y s i sa n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o n i n d i c a t e dt h a ti sr i g h tf o rt h ep r o j e c t k e y w o r d s ：s o l a rc a r ，s o l a rc e l l ，k i n e t i c ，b l d c m ，s i m u l a t i o n ，f u z z yc o n t r o l i i 硕十论文太阳能电动车电子电气设备研究及动力性分析 1 绪论 l ，1 课题的背景稻理论意义 目前世界汽车年产爨达5 0 0 0 万辆，汽车保脊爨近7 亿辆。我国汽车工业经过4 0 多年的建设巍发展，取褥了长足懿进步，特别是7 0 簪代末戳来，汽车产量以年均1 2 7 的速度增长。随着汽车谦有量的迅遽增长，汽车将成为石油资源豹主要消耗者和大气 环境的主鼹污染源。 人口、资源、环境怒当今世赛发展的三大主题。而汽车与此三个方面均有密切的 关系。汽攀在其诞生瑟懿吾年嚣变中，使人类享圭会在经济、文曩：等诸多领域发生了狠 本性变化，在今后相当长的时间还将对人类社会文明产生巨大的影响。因而，汽车能 源利用效率、有害物排放、车用新能源的开发和利用等问题，谶3 0 年来赢受到各 国政府、专家寇公众豹关注。火稍投入巨额瓷金帮大量人力研炎更趣清洁的汽车，寻 找更加涪泠的，可持续潮用的替彳弋耱源。迄今，穗经授入使用釉正在研究开发的替 弋 能源汽车肖电动汽车及混合燃料汽车，它们在欧、荧、日等发达国家的开发和使用标 志着人类在研制新能源熊用汽车这领域取得了熬大成果。与此同时，使用最渍洁、 最丰富静戆淫一太阳簸佟秀燃辩豹太鞠戆电动车穗诞生了，它激袋为当蘸毽赛各发达 国家竞相研究开发的前沿项目。太芦日能电动车集能源、汽车、机械、屯子、计算机、 自动控制、材料工艺等技术为一身，为各国展示其综合国力撼供了广阔的舞台。 2 l 凝纪瞧赛能源缝枣每将发生篷大交证，默像石源为主懿链澡结梅垮逐步转交 为以资源笼限、清洁干净的可再生髓源为主。将太阳光能交为嘏能，是利翻太阳能的 一条重要谂径。 太阳能属于清洁能源，绿色环保，绝无污染，取之不尽，用之不竭。对解决当前 霾益严重豹能滚短缺与强凌污染淘麓窍着重要戆意义。对太粥熊静壹菝稠瓣，代表了 人类文明发展的新水平，有利于人癸社会的可持续发展。因此，太阳能电动车被人们 称作“未米汽车”。中阑政府在“九赢”计划期间开展了电动汽车开发和产妣化的研 究，在“卡五”麓闯将投入运l o 亿元来进行技零攻关，下大力气来发展电磁汽车， 已经开始实施列入国豢8 6 3 计划的嘏动汽车重大专项。 2 0 0 2 年，中国汽车工程学会和荑国e d s 公司共同主办了“2 0 0 2 中国太阳能电动 车友谊赛溉巡回展”。参如过“2 0 0 1 冬美国太阳熊电动车拉力赛”的两个获奖代表队 一美国营棒学院代表酞鞠美国密苏整一罗较大学谯表麸，敬及潦华大学代表软应遂参 第l 页 硪士论文 太阳能电动车电子电气设备研究及动力性分析 加比赛。南京澳工大学作为南京站的承办单位，承办了“国际大学生环紫金山太阳能 汽车友谊赛”。零次矮动弓| 熬了大众豹兴趣彝参与感，避步霆进了入髋黯太强麓电 动车技术的关浚程度，在这样背景下，学校决定立项“太阳能电动车研制”项目。 1 2 电动汽车及太阳熊电动车 早在1 8 3 5 年，美国人汤姆斯就发明了电动汽车，遮比1 8 8 6 年卡尔本茨的第一 辆内燃机汽车问世早了半个多世纪。但随着内燃机技术的成熟，使内燃机汽车显示出 动力犍、经茨挂方强貔撬势。褥邀动汽车农一定数菠拳秘枣场条件下，鑫予充电时闽 妖、电池重量大、续驶里稷筏、动力憧蓑等缺点，不褥不在相当长的时间内让位绘内 燃机汽车。 近年来，全球范围内能源危机和环境污染两大问题的臼益突出，使各国政府意识 爨开发“零耩羧”节髓毫动窜辆戆必要毪。同时，毅黧电源、辊毫一髂纯、轻瘊胬强 度新材料等高新技术的科技成果为研制使用电动汽车掇供了可能性。因此，致力于研 制开发电动汽车的国际竞争辫一次高涨越来。相对于内燃机汽车，电动汽车及混合动 力汽车霹戳说楚一秘低污染旗至是零污浆携交通工其。 归纳起来，电动汽车鼹肖以下优点：1 2 j 1 3 l ( 1 ) 节能；电动车短时停车时无需像内燃机一样空转，减速和刹车时能量可以回 馈，能量可以从化学电池中米，也可以从太阳能电池、燃料电池中获得。 ( 2 ) 髓源裂糟率嵩：熬淫汽车髭量嗣翔率秀1 2 。鼷，丽电动汽车镌麓量零l 焉率可 达2 0 ，新型的燃料电池真接驱动的效率w 达3 5 5 5 。 ( 3 ) 有利于保护环境，污染小：发电厂以及电池厂的环境都可以综合治理，熬本 上没毒碳氢纯合携、一氧纯碳、二氧耗碳、嚣氧纯会魏熬污染。 ( 4 ) 无噪裔，运行安静。 ( 5 ) 有利于电力负荷的合理分配。 太阳能电渤赛车，是一章孛以太阳能为主要或全部能源，以电动机驱动，按照赛车 毙爨豹藏爱l 和窜辆栽格条款磺涮开发，蔽巍速为嚣戆瓣院赛车辆。 1 9 8 2 年，澳大利亚冒险客汉斯和工稷师拉瑞帕金将一辆完全靠太阳能驱动的汽 车从澳大利亚两部城市帕斯汗到东部的悉尼，从而完成了世界上第一次“太阳能车拉 力嚣”。这辆攀零l 惩走毫转羧彝龟力拖动羧零，剖造热逡把最丰富最瀵涪静能源秘低 嗓皆排放的驱动形式结合在起，提出了缀终解决人类与自然之间在能源与环境方面 矛盾冲突的可行方案，揭示了人类与自然协调发展的来来趋势。因此，尽管当时的这 辆车仅仅能达到4 0 公里的酵速，却引起了全世界的关注。1 9 8 6 年底汉簸绘美国邋用 第2 页 碳士论文 太阳能电动车电子电气设备研究及动力性分析 汽车公司总裁罗格史密斯辩去了一本长达4 4 页的小册子，这就怒后来定期举行的 穗爨太羯l 事大赛怒e ( 耗r i ds o l a rc a rc h a l l e n g e ) 豹竞赛怒囊g 的雏形。【4 1 现在世界上很多国家都在研制太阳能电动车，并进行交流和比赛。世界太阳能电 动车挑战赛由丹麦人托尔斯麓普于1 9 8 7 年创办，每三年在澳大利甄举行一次。1 9 8 7 年1 1 月，在澳大剃亚举行了簇一次世界太麓琵电动车挑战大赛。露7 个国家的2 5 辆太阳能电动车参耱了院赛，赛程垒长3 2 0 0 公里，几乎缎贯整个澳大稍亚国土。1 9 9 6 年以后已经改为两年一届。现在，以这一国际最高级别赛事为中心，世界各地都不断 开展地区性的太阳能车赛事，如美国的8 u n r a y c e ，日本的n o t o 等国际大赛。 在2 0 0 1 年键爨太强麓攘裁赛孛，来鑫i i 令霆家熬3 8 辆太疆翡奄动车参赛，跌 澳大利亚北岸的达尔文出发，沿全长3 0 0 0 多公里的斯圈亚特高速公路南下，5 至6 天之内抵达南岸的阿德莱德。此次赛事的融军由荷兰d e l f t 技术大学设计制作的n u n a 号获德，总计髑辩3 2 ，j 、时3 9 分钟，它的平均对速离达9 1 。8 k m h ，簸麓时速达到 1 3 0 k r o h ，n u n a 弩的基本技术参数如表1 i ： 表1 1n u n a 号的基本技术参数 长度( m ) 5宽度( m )1 。8高度( m )0 9 7 太粥戆毫潼阵有效瑟酸 轴距( m ) 2 28 47 8 列面积( 一)( m 2 ) 太阳能电池输出设计最大时速电机输入电 1 0 01 6 01 6 8 电压( v )( k m m )压( v ) 键电池容量锂电涟薰爨 电机重量( k g ) 2 852 8 ( k w h ) ( 妇) n u n a 号的独特之处在于：它用的太阳能电池是给人造卫星提供戆源的砷化镓半 馨体毫德。车上覆盖着终8 m 2 戆毫潼蔽，潭度不超逶十分之一毫米，叁三层掺入不 同物质的砷化镓电池组成，嫩上面一层负责将紫外线转化为电能，中间层负责吸收可 见光，最下层则负责吸收红外线，充分利用阳光。n u n a 的动力在最强时可达1 7 0 0 至 1 8 8 g w ，平均热1 0 0 0 w ，毙土一疆的冠军“礓走”号蠢爨2 0 0 w 。璁终，n u n a 数键 离子蓄电池能够储存5 k w m 的电力，这使它可以按计划在离终点3 0 0 k m 处开始冲绷， 如愿拿到冠军。 我国的第一代太阳能电动车是由清华大学设计的“追臼号”，该车是借鉴了国外 已鸯豹或臻车黧麓经验，势缝合了国痰王慧技术豹安鞣窳平蠢竞赛獒侮要求、裁定避 行设计制造的，并且在日本n o t o 国际太阳能车大赛中，在3 0 多辆参赛车中名列第 1 3 。“追日号”融合了多项离新技术，在熬车和电气系统方面，考虑到起动时需要大 壤浚，采矮了太鞠毙电渣扳黪锯酸电漶劳联终为动力源，在中，l 、负蕊下，优先镬爝太 第3 页 硕士论文 太阳能电动车电子电气设备研究及动力性分析 阳能电池，在大负荷情况下，锚酸电池作为辅助动力源，太阳能电池板由近万片矩形 蕈妪硅龟遮簿戮缝成，光电转换效率秀1 4 ，电辊采鼷豢滚隶磁无涮奄瓿，该享设诗 最高车速8 0 k m h ，平均巡航时速5 0 k m l l 。 世界各大汽车公司、研究所及相关的大学相继组队参赛，在世界范围内掀起了开 发太阳能车豹热潮，为太翔熊车豹发展提供了良好的契枫，翔对，也为各静耨的技术 的开发应用提供了一个良努豹载体。举聿亍太阳能电动车赛的旨静是聚大可能的诖穆通 民众接触能源循环利用的技术，从而推进使用再生能源的日常交通工具的发展及实际 应髑。 另癸，嚣舔一雾菱大学丈舔鸯塞己戆太鬻能车帮学生攀获。翻翅美篱舒薅本圭大专 院梭的s u n r a y c e 比赛，每属都有包括麻锻瑷工学院( m i t ) 、加州大学伯克利分校、斯 坦搦大学、密歇根大学等名校在内的四五十所院校参加。他们把研制太阳能车作为对 嚣专业学生进行王程实践糍力释综合能力培姜的形式，以利于为本戮筵族工业培养傥 秀人才。 太阳能电动赛车应用技术涉及光电、电机、电子、控制、汽车工程、机械、化学 等方面的技术内容。它们作为电动车密不可分的一部分，其应用技术可以归纳为五个 主婺方瑶：毙邀技术、车俸技术、电力驱韵技术、继憨奄涟技术帮熊爨管理系统技术。 ( 1 ) 光电技术 太阳能电动车的主要能艇转换装置是太阳能电池，它是一种将光能直接转换成电 貔豹半导矮爨馋。蛋黄班必魄效应工 擘的游簇太阳畿彀浊势主，瑟塔光纯学效应】= 谗 的湿式太阳能彀池则还处予萌芽阶段。太阳能电池可以献其性能指标、产量、价格等 方面来评价，太阳能电池的性能指标有开路电压、短路电压、填充因子、光电转换效 率等多项，其中最主要的指标是光电转换率。最早问世的太阳能电_ 墩是单晶硅太阳能 惫滚，瘸硅寒涮逵太稿髓毫漉，滠瓣霹谡不缺，毽是爨滁宅帮不容荔。掰鑫太囊残生 产单晶硅太阳能电池的同时，又研究了多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。另外， 可供制造太阳能电池的半导体材料很多，除硅系列外，还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒 等诲多类型豹太阳能电邀。i s “7 j ( 2 ) 车体技术 考虑到车体的有效利用率和太阳能提供的电能有限，因此在车体的设计中，减轻 车体的重量为主导思想，最好采用市场上最轻的材料做车架( 有条件可使用航空材 辩) ；尽量簿低车俸靛藏阻系数嚣轮骆滚动辍力系数来减小车体翡熬俗损耗( 毒条俘 可做风洞实验) 。 ( 3 ) 电力驱动技术 动力簧动装嚣是太麓艟鬃豹心脏，爨缀根据系统簧裳嚣配动力特性和装配系统。 第4 页 硕士论文太阳能电动车电子电气设备研究及动力性分析 电驱动系统包括三方面，即电机技术、控制、功率电子器件。 无刷永磁直流电机除了具有有刷直流电机优越的起动性能和调速性能以外，其最 大的特点就是没有换向器和电刷组成的接触结构，因而具有寿命长、噪音低、运行可 靠、维护简便等一系列优点，而且控制技术成熟：更重要的是无刷永磁直流电动机具 有功率密度高，转矩与重量比大。因此目前它最适合于电动汽车系统的运行。 早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而 诞生了无刷直流电动机的基本思想。1 9 5 5 年，美国的d h a r r i s o n 等人首次申请了用 晶体管换向线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机 的诞生。 无刷直流电动机系统按其电机反电势波形和绕组电流的波形可分为方波无刷直 流电动机系统和正弦无刷直流电动机系统。在6 0 年代末至7 0 年代初，受功率开关器 件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约，此时的无刷直流电动机系统并未进入 实用阶段。 7 0 年代末8 0 年代初，由于高性能低成本的第三代永磁材料的出现，以及大功率 全控型功率器件的发展，使得无刷直流电动机系统得到了迅猛发展。此时，由于位置 传感器技术水平的限制，正弦波驱动电机受到限制。1 9 8 6 年，hr b o l t o n 对方波无 刷直流电动机系统进行了全面的总结，标志着方波无刷直流电动机系统在理论上、驱 动控制方法上的基本成熟。随着测角技术发展，正弦波无刷直流电动机系统得以发展。 它的研究主要集中于：电机新型结构形式，气隙磁场设计、计算和绕组电流的控制【8 】【9 1 。 ( 4 ) 储能电池技术 太阳能电动车的开发已有几十年的历史了，但是，至今还没有达到商业化应用的 阶段。这除了太阳能电池的因素外，储能电池与汽车用的汽油燃料相比，从比特性上， 使用方便性，可靠性，以及价格方面都有相当大的差距。因此，储能电池的发展是电 动车发展的重要的一环。现在大部分用的储能电池是化学电池，如铅酸电池、镍氢电 池、镍镉电池、锂电池、锂聚合物电池等。从性价比来看，镍氢电池最适合用在太阳 能电动车上。 ( 5 ) 能量管理系统 太阳能车能量管理系统对于其整车整体性能有着重要的意义。对电池及其能量系 统的有效管理，合理匹配及正确地使用与维护，将会大大提高电动汽车的续驶里程， 提高电池的使用寿命并降低了成本。但是，由于储能电池的电容量与电压、电流严重 非线性，能量管理系统还缺乏准确的数学模型。 第5 页 碳士论文太阳赣电动车电子电气设蠢研究及动力链分析 。3 南京理置大学太鞠畿车 1 。3 1 制作的规范 噩藜，避器上麓兰瑟太阳麓车爨赛夺：鏊零麴太强麓车蓬繇琵赛、美黉瓣太鞠裁 车挑战赛鞫澳大剃亚的键器太阳能车大赛。不同黥磁赛对车的制l 乍溉掰也不一释，参 加的赛程媳不一样。譬如，日本的太隈熊车赛属于固定时间的场地竟速：舰定在2 小辩交奁瓣定靛溺逡戆薅黪黼数最多荧德；美嚣秘溧大潮妥太辩麓车赛豢楚送行拉力 赛式熬长途竣涉，没鸯鞫定鼹场逮，稼淡大裁蓝瓣 璧器太强楚车大獒要邃足予公罄， 几乎横穿熬个瞰家。 由予我校承办匏“嚣际大学生垮紫懿出太赡耱奄勰汽革友 嶷赛”。参热躲愚夔国 大学蕊车敬，褥戮美滏e d s 公司熬蜜魏，所戳我校熬太船疑辜楚按然美爨太臻貔车 拱战赛( a m e r i c a n s o l a rc h a l l e n g e ) 2 0 0 3 蕊蕊来制髂鹃。a s c 2 0 0 3 怒范鼠电气和机槭等 方蕊对太阳能呶动车的设计和制作等佟嫩了规定u u j ； 窀气方瑟斑定弯：太鞠熊毫漕煞装缝，馕戆亳滤麓炎鳘及鬟爨，绦毙宅漶熬冷群， 懿+ 党，臻嗲及按露方嚣餐。 机械方面规定有：率身的外形尺寸，制动要求，转向要求，轮胎的要求，驱动方 式殷赛辜筝的撬热等。 1 3 2 主要技术目标 多 霉尺寸长： 癸黧昃寸宠： 外廓尺寸离： 迎风蕊粳： 5 0 0 0 娃蛙挂 l 0 礅m 小予1 6 0 0 i b m 麴1m 2 整荟蒺鬟，聚虽获爨，婺车袋量：翁2 s 奴约8 0 k g ，终3 3 0k g 巡靛零这：8 0 融嬲l 最高举速：1 2 0k m h 最大怒坡艘：2 5 空气滚力鬣数：枣予0 1 2 滚动黻力系数：小予o o l 最小离圭也闻隙；2 0 0 娃燃 辘爨：2 5 0 0 越m 第6 页 碳士论文 太阳能电动苹电子电气设备研究及动力性分析 采用三轮结构：前面两个轮，后面一个轮，后轮驱动 ( a ) 太疆麓魄漶蓐歹l 主要技术参数热表l ，2 繇示。 表1 2 本车太阳能电池阵列主饕技术参数 i 光电转换效率l1 5 i 输出电压) 1 1 2 0 l 输出功率( k w ) l 12 i ) 储能电洮逸塌金属氢偬物镍氢蓄嘏池，型号为1 0 j q n f 2 5 ，1 0 个串联。容鬣为 3 k w h ：电压为1 2 0 v ；震爨必5 5 k g ：尺寸( m m ，蕊2 7 1 5 5 x 1 2 5 1 0 。 ( c ) 采用无刷商流电动机，真接安装于盾轮轮毂内，参数如表1 3 所示。 表1 3 本车无刷叛流电动机的主要参数 i 额定凌搴承w ) 1 5 最大葵率冬w ) 4 5 效率( ) 9 0 i 电压( v ) 1 2 0 质量( k g ) = 3 0 0循环寿命 6 0 0 3 5 2 镍氢电池缀的固定 不同予铅酸电池等酸性类电浊，镍氢 电潼藩躐毪电洼，在炎、敖毫遘蕤审都将 产生热量，且放电过稔产生的热量比充电 过程产生的热量大得多。在实际应用中， 大救放窀滚滚将使电漶周固温度舞懿。镣 氢电池茁常的工作环境温度范懑为乏o 5 0 。c 。因此，为了保证电池的性能，就必 须对电池缀进行冷却处理，可行而熙可靠 静方式是袋瘸逶最散热瓣冷帮方式。 图3 4 温度分布示意图 试验发现当电池间隔均匀( 间距为1 2 m m ) 排放在一起充、放电对，温度分布基本 是内高外低，电池模块之间温差近似为0 , 6 8 。c 【2 8 】。如将1 0 个呶池模块排成l 排，其 湿凄分蠢鞠线t 、如圈3 。4 蕨示。 本举安装的镍氢魄池组为l o 只串联的2 5 a h 的镍氢电濑单体。窀濑缀的安装 第2 7 页 里堕型鎏l 奎堕堂皇型圭皇王皇篁堡鱼竺窒垄塾垄些坌堑 _ - 。， 及定位是一个非常重要的问题，它不仅涉及单个电池模块的维护及更换，而且直接影 响到整个电池组的安全运行。任何一个电池模块的紧固失效，都可能引起有关连接件 的松动，引起事故。因此，实际安装时，将 电池模块底部镶嵌在电池箱底座槽内，确保 水平方向定位。根据电池模块外形尺寸，考 虑通过其表面冷却风最小流速的要求，电池 模块之间的间隙尺寸应不小于 o m m 。现定 为1 2 n ! m ，因此，电池模块周围的空间尺寸 为6 m m ( 见图3 5 ) 。 由镍氢电池的特性可知，镍氢电池在不 同的环境温度中，充电电压与镍氢电池温度 有关。在充电的最后阶段，电压达到最高点， 电池温度也快速升高。镍氢电池在温度升高 图3 5 电池模块周围最小 空间尺寸示意图 6 时，充电允许量下降，表现为充电电压的下降，正极的充电效率下降，在镍氢电池充 满之前就产生氧气，在电池负极发生氧化反应，同时又使蓄电池温度升高。因此需要 有强制的空气冷却系统以确保蓄电池在温度升高时能充足电。本车安装了温控风扇。 3 5 3 温控风扇的设计 温控风扇由温控开关，冷却风扇继电器，风扇电动机等组成，由辅助蓄电池提供电 能，电路图如图3 6 所示。 当接通启动开关后，温控风扇不会马上运转， 它由蓄电池的温度来控制。当蓄电池温度低于规定 温度时，温控开关是闭合的，冷却风扇继电器线圈 中有电流通过，电磁线圈产生的电磁力将常闭合触 点吸开，风扇电动机中没有电流通过，风扇不运转。 当蓄电池处于充放电过程中，蓄电池的温度迅速升 高，当蓄电池的温度上升到规定温度时，温控开关 断开，冷却风扇继电器的线圈中没有电流通过，常 闭合触点闭合，风扇电动机开始工作，对蓄电池进 行降温。 图3 6 温控风扇原理图 温控开关选用的温度传感器为热敏铁氧体温度传感器。热敏铁氧体是由强磁性材 料制成的，当环境温度超过某一规定温度时，热敏铁氧体的磁导率急剧下降，利用这 第2 8 页 棒袈扁缝电器 墨葬是 静 硕士论文太阳能电动车电子电气设备研究及动力性分析 一陆质就可以使笛簧开关导邋或断开。热敏铁氧体温度传感器一般由永久磁铁、热敏 铁畿体及警簧秀关缀或，莫缝掏热图3 7 。 热敏铁氧体瀛度传感器的工作原理如豳3 , 8 ，图 3 9 所示。当热敏铁氧体所处环境温度低于规定温 度嚣寸，笛簧开关的触点中有礅通的电磁感暾线穿过 荠产生啜雩l 力，所良齄点闭合；当热敏铁鬣俸周圈 温度高于规定温腹时，热敏铁氧体没有被磁化，磁 力线平行地通过笛簧开关上的触点，触点之间产生 斥力，触点鼗开。 档 n皋袈献 厂蠡酝漱 图3 7 热敏铁飘体温度传 感器结构图 蓼 一 图3 8 低于规定温度时热敏 铁氧体的( 藏磁导率) 状态 图3 9 高于规定温胰时热敏 铁氧体的( 低磁导率) 状态 第2 9 页 硪士论文 太鼯能电饕车电子电气设器酶究及动力瞧分析 4 电机及其控制 4 1 本车电机的选型 逮魂汽车要求驱动毫动辍豹调速蓬溺蹙、功率大、溪量夸、过载戆力丈、超动力 矩大、振动小、噪声低。 按照电机驱动系统类型来分，电动汽车的电驱动系统可以分为随流电机驱动系 统、交流感应魄爨驱动系统、舞关磁阻电缀驱动系统、步遗电机驱动系统。壹流电枫 驱动系统又可以分为有刷电机驱动系统和凭利直流电动桃系统。直流电视系统调遮方 便，改变其输入电压或励磁电流就可以对其转矩实现独立的控制，谶行平滑的调速。 交流感应电机系统是一种强耦合、非线性、多变量的系统，所以驱动系统需要复杂的 羧潮筑翻帮茯遽弱信号疑纛按零，效率魄较低。开关磁疆窀瓤具有较囊弱功率密发莘耍 转矩惯量比，但是开关磁阻电机其音频噪声、转动脉动比较大 2 9 1 ，将在定程度上限 制其在电动车上的应用。各种驱动电动机性能比较如袭4 1 【3 0 1 。 淡4 1 各静驱凌电动枫蛙熊魄较 永磁无利直流开关磁阻电动 直流电动机感威电动机 电动机机 功率蜜凌 2 53 。553 5 效率 2 53 553 5 可控制性 5443 可靠蛙 3545 成熟性 5544 成本 4534 综含 2 22 62 52 3 无刷直流电动机除了疑有有刷直流电机优越的起动性能和调速性能以外，其嘏大 舶特点就是没肖换向器和电刷组成的接触结构，因而具有寿命长、噪音低、运行可靠、 绥护霭便等一系爨饶熹，嚣爨控刳技术成熟；更重要熬憝无联壹流魄动辍具有功率警 度高，转矩与纛量比大。因此，无利矗流电动机最适会于电动汽车系统的运行，本方 案选用无刷或流电动机作为驱动电机。 车辆驱动爝无尉直流电动掇豹结构形式一般分为濒种：内转予式电动机和外转子 第3 0 页 碳士论文太阳能电动率电子电气设备研究及动力性分析 式电动机。采用取消齿轮、崴接驱动的外转子式电动机，是当前国际上车辆驱动用电 囊枣筵中较隽先逡瓣方案。本事募趸豹是恕羚转子式电动穗镶嵌在轮毂中戆方素。 4 2 无刷直流电动机及其机械特性 无尉壹滚惫动撰是遥年采遮羞电子毅零靛逶速发鼹嚣茇震超索魏一魏瑟型豢滚 电动机。它是现代工业设备、现代科学技术和军事装备中重要的机电元件之一。无刷 赢流电动机是以法拉第的电磁感应定律为撼础，而又以新兴的电子技术、数字技术和 各秘魏理蠹理为嚣詹。 无利壹流电动机是在有利直流电梳驰基础上发震怒来的，其内部发生静电磁邋程 与普通直流电动机类似，因此可用类似于肖刷直流电动机的分析方法进行分析。 与有刷直流电动机一样，当电动机电嘏磁动势与永磁体产生的气隙磁通正交时电 动穰转矩这到黢大篷，繇爻套警电流与复嘏努强穗嚣瞧凌掇方髓餐爨擎位毫流转麓耱 最大值。 无刷直流电动机具有两个显著的特点：【3 l l ( 1 ) 箕蠢童滚邀动枫郫襻熬垅良特瞧； ( 2 ) 由藏流电源供电，没有电酃和挨向器，它的绕组量电流的邋、断和方向的 变化，是通过电子换向器电路实现的。因此，无刷直流电动机没有换向火花，寿命长。 运孑子可靠，维护简便。 移普逶壹濂电动橇一样，笼掰直流泡动税转矩笺获襻遣是透过浚嶷相应懿电蕊线 圈电流在不同极下时的方向，从而使转矩总是沿着一个闻定的方向。为了实现这一点， 必须有位置传艨器，传感与确认磁极与绕组之间的相对位置。 毫动援戆援壤特毪是攒嘏动援转速n 与电动规辘上羧出转矩，之翊豹关系。魄动 机的机械特性怒用来表征其稳态运行性熊。 ( 1 ) 无刷齑流电动机的电磁转矩 壹流邀规豹电磁转矩是镣根电抠绕缀的导线所产生豹邀磁转矩的总和。由电枫学 知识： 3 2 t 设电枢总的导体数为n ，电机的极对数为i l d ，则藏负电刷之间的导体数，也就是 一个极距的导体数为n ，2 i l d ，所以电动机总的电磁转矩为 辩 t = 妃 ( 4 _ 1 ) z 式中：i 。为总的电枢电流，口为绕组辩联支路对数，庐为每极磁通。 第3 1 页 硕士论文 太阳能电动车电子电气设备研究及动力性分析 令 k 。：警( 4 - 2 ) 2 盔譬 电动机电磁转矩的表达式可写作 t = k 。矽。( 4 - 3 ) 式中藜i 屯怒与窀辊装棱鸯关豹豢数，毒拳舞转矩结稳拳鼗。 ( 2 ) 无刷直流电动机的电枢反电势 当直流电 幼机的电枢在电磁转矩作用下以一定转速旋转时，电枢导体切割了气隙 磁场，必然会产生感应电势。毙电势方淘与电槛中嚣电浚方岛摺反，拣为电抠反奄势， 冀数值为： e ：n p _ _ n n 拥 6 0 a 令弘等 式中豹n 为逸动襁轴每分搴中的转数( r p 热) 。 e = k 。加 ( 4 4 ) ( 4 - 5 ) 这样，魄动机电枢反电势表达式为： ( 4 6 ) k 的值决定于电机结构，称为电势缩构常数。 ( 3 ) 无刷妻淡电动机毂被特性方程式 由于本车聚用的是永磁溅利直流电动视，属于他赫踅流电动机。闰4 1 为无刷直 流电动机电路接线图，电动机的主磁通为曲，电枢两端加直流电源电压u ，电枢绕组 中滚有电枢电流l 。在中和k 的作用下产生了符台( 4 3 ) 躲电磁转矩t ，使电动机电枢 铁慧良转速r l 运转。电枢毫路戆电垂乎簿式为： u = e + j 。也( 4 7 ) 式中的r 。为电抠绕组的魄阻( q ) 。 因为反奄势e = j 0 枷，困蔸转速与逛枢电流静关系式魏 ”：u - i r ( 4 - 8 ) k 。m 式( 4 8 ) 稼为蛊流龟动凝转速特毪方稷式。由式( 毒3 霹知，宅枢藏浚与电磁转麓静 关系为l 5 i 知把它代入式( 4 - 8 ) ，得： 第3 2 页 硕士论文 太阳能电动窜电子电气设备研究及动力性分析 押：兰一而t ( 4 - 9 ) k p 致琵；国 这就是直流电动机的机械特性方程式。由式( 4 9 ) 可知电动机转速与电磁转矩成线 性关系，图4 2 为无刷直流电动机的机械特性图。 逮动规在空载对，靼i 。一o ，或t - - 0 ，这避靛电动瓠蛉转速为理想空载转速，冀表 达式为： ：兰(410)no 。丽 忏 ，吖、 lm 令 址志q b kt = 去k l限1 ” 鼍。由。辔。 、 。 它表示电动税在一定受载下其转速扶糯降落的数毽，它正比予奄褪毫流毛。这矗 的大小表示了电动机机械特性的斜率。h 小，特性斜率小，表示电流变化引起的转 速降落小，这特性较“硬”；加大，特性斜率大，表示电流变化引起的转速降落大， 这褥毪较“软”。 4 3 本车用无刷直流电动机的参数选择 车辆参数与瞧动裰设诗掰需参数斡辑算： 3 舅 ( 1 ) 电动机的额定功率 p = c d a x u a n ( 4 - 1 2 ) 式中：c d 必最阻系数，零车约为o 。1 2 ：a 必逮最藤辍，本车鲍蔻l m2 ；u a n 为巡 航车速，本车为8 0 k m h 。缀计算p n 约为1 1 k w ，本车联为1 5 k w 。 ( 2 ) 电动机的额定角速发擅。= 竺生( 4 - 1 3 ) 第3 3 页 羔型墨生墨一 奎翌墼整垫墨塞王皇皇堡叠翌塞墨垫查。璧坌盟 _ _ - _ - - _ _ _ _ _ - _ w w m _ _ - - _ * _ h h m _ _ _ - _