毕业设计（论文）-轻型电动汽车的研究与设计.doc

目 录 摘 要 1 ABSTRACT 2 第 1 章 绪 论 3 1 1 论文选题的意义 3 1 1 1 电动汽车研究的背景及必要性 3 1 1 2 电动汽车与燃油汽车的对比 5 1 2 电动汽车的发展概况 5 1 2 1 电动汽车的种类 5 1 2 2 我国电动车辆的研发现状 5 1 2 3 国外电动汽车产业发展现状 7 1 3 电动汽车的主要研究类容 8 1 4 课题的主要任务 9 第 2 章 纯电动汽车 EV 的基本结构和动力性能 9 2 1 纯电动汽车的基本结构 9 2 2 EV 的类型 11 2 3 EV 的动力性能 13 第 3 章 轻型电动运输车的电能储存装置的研究与设计 15 3 1 电动汽车电能储存装置的种类及主要性能指标 15 3 1 1 电动汽车电能储存装置的种类 15 3 1 2 电能储存装置的主要性能指标 16 3 2 蓄电池 二次电池 的结构和工作原理 17 3 2 1 铅酸蓄电池 17 3 2 2 镍氢电池 19 3 2 3 锂离子电池 20 3 2 4 燃料电池 21 3 3 蓄电池的管理系统 22 本章小结 23 第 4 章 轻型电动运输车的驱动电机的研究与设计 24 4 1 各种电动机的性能比较 24 4 1 1 电动车辆对电动机性能要求 24 4 1 2 电动汽车电动机的参数设计 25 XX 大学本科毕业设计 论文 第 II 页 共 45 页 4 2 交流驱动系统 27 4 2 1 异步电机及其控制方案 27 4 2 2 同步电机及其驱动方案 28 本章小结 28 第 5 章 轻型电动运输车的结构布置及简单设计 29 5 1 储能装置的结构形式 29 5 2 电驱动的结构形式 31 5 3 电动汽车设计基础 32 5 3 1 总体布置 32 5 3 2 质量和质心位置 33 5 3 3 电动汽车的典型工况与性能指标 34 5 3 4 传动装置 36 5 4 整车总体参数设计 选择和确定 36 5 4 1 主要尺寸参数 36 5 4 2 质量参数 36 5 4 3 行驶性能参数 36 5 4 4 电动机功率的选择 37 5 4 5 动力电池的参数选择 37 5 5 轻型电动运输车的动力系统布置图和整车装配简图 38 结 束 语 40 致 谢 40 参考文献 41 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 1 页 共 45 页 摘摘 要要 随着科学技术的发展 汽车已成为人们日常生活中离开不了的代步和运输工具 可以肯定的说 汽车改变了人们的生活方式 提高了人们的生活质量 汽车工业已 经成为改变整个社会面貌的一个重要手段 但是 面对日益严重的能源短缺与环境 恶化问题 新型车辆的开发利用愈来愈受到各国政府和工业界的高度重视 在这种 背景下 清洁无污染 零排放 既能提高交通工具的性能 环保 又能节约动力 能源 的纯电动汽车成为当今乃至未来最有发展前途的交通工具之一 作为大型 企业和场馆以及经常在市区内运作的轻型运输车辆 考虑其长期以低速和怠速为主 要运行方式 并伴有较为频繁的制动减速和停车启动 若以传统的燃油机作为驱动 动力 其效率相当低 同时也将排放更多的有害气体 既对能源是一种严重的浪费 又对环保造成更为不利的影响 因此 以纯电力驱动的轻型电动运输车具有很大节 能环保意义 同时迫于环保和能源可持续发展的双重压力 轻型电动运输汽车在轻 型运输车具有很大的发展前景 所以 本文以轻型电动运输汽车作为研究与设计的 对象 具有很大的研究价值 同时符合汽车工业的发展要求 关键词 能源 电动汽车 储能装置 驱动电机 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 2 页 共 45 页 Abstract With the development of science and technology the car has become people daily life won t leave the car and carriage tool Can say for sure car changed people s life style and improve the quality of people s lives auto industry has become the social change is an important means of social appearance But the serious shortage of energy and environmental degradation problems development and utilization of new vehicles by governments and industry more and more attention In this context clean zero emission pollution both to improve transport performance environmental protection and can save power energy of pure electric vehicles and even the future become the most promising means of transport As a large enterprises and venues and often in the operation of the light vehicles consider its long term with low and idle for main operation mode and accompanied by frequent braking deceleration and parking if the traditional machine as driving force fuel efficiency also be quite low emissions more harmful gases both for energy is a serious waste of environmental protection and cause more adverse effects Therefore the pure electric light electric truck driver has a great significance energy saving and environmental protection and sustainable energy development under the double pressure light electric car in light truck transport has great development prospects Therefore based on the light electric car research and design transportation as the object of study has great value and conform to the requirements of the development of automobile industry Keywords energy electric vehicles energy storage devices drive motor 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 3 页 共 45 页 第第 1 章章 绪绪 论论 1 1 论文选题的意义 1 1 1 电动汽车研究的背景及必要性 汽车自问世以来 已逐渐成为人们生产和生活中不可缺少的工具 成为现代社 会文明的重要组成部分 但是 汽车在其发展过程中 伴生了 2 个严重问题 环境 污染和能源危机 图 1 1 汽车数量增加 石油需求增加 从世界范围看 剩余石油约为 1400 亿 t 未来几十年石油仍将是各国的重要战 略资源 目前全球石油年产量为 32 亿 t 估计 2010 2020 年将达到 35 39 亿 t 因 此 地球上现已探明的石油储藏量只能满足人类充分使用 40 50 年 从我国能源与 环境状况看 2000 年进口石油 7000 万 t 预计 2010 年后将超过 1 5 亿 t 同时 随着汽车保有量的增加 汽车尾气对全球大气环境的污染也日益严重 有关研究结果表明 各类机动车辆排气污染已占城市大气污染物的 70 以上 其中 排放的 CO 对空气污染的分担率约为 80 NOx 约为 40 成为影响城市居民生活 质量的重要污染源 根据国家环保中心预测 2010 年汽车尾气排放量将占空气污染 源的 64 如果进一步使用传统内燃机技术发展汽车工业 必将给我国能源安全和 环境保护造成巨大压力 因此 开发低废气排量 低油耗的新型汽车成为当今汽车 界的紧迫任务 1 如上所述 随着石油资源的逐渐枯竭 能源危机的加剧 直接严重的冲击着传统燃 油汽车 同时 由于世界各地人民的环保观念 意识的增强 对汽车排放标准发热 要求越来越高 促使人们致力于减少汽车排放的研究 开发无污染的新能源汽车 电动汽车是解决能源短缺 环境危机的有效途径之一 所以 电动汽车作为燃油汽 车的替代品 是汽车技术革命的重要内容 是 世纪汽车工业发展的潮流 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 4 页 共 45 页 1 1 2 电动汽车与燃油汽车的对比 电动汽车是指以车载电源为动力 用电机驱动车轮行驶 符合道路交通 安全 法规各项要求的车辆 它使用存储在电池中的电来发动 在驱动汽车时有时使用 12 或 24 块电池 有时则需要更多 电动汽车与燃油汽车相比 有着自身许多特点 下面表 1 1 中给出了电动汽车与 燃油汽车性能和用途方面的比较 2 表 电动汽车与燃油汽车性能和用途比较 性 能用 途 项 目 机 动 性 废 气 排 放 噪 声 震 动 操 作 难 易 能 源 补 给 购 置 费 用 维 修 费 用 大 范 围 作 业 连 续 作 业 不 通 风 场 所 低 噪 声 场 所 狭 窄 场 所 易 燃 爆 场 所 低 温 场 所 电 动 汽 车 汽 油 汽 车 柴 油 汽 车 注 好 适用 一般 差 不适用 1 能源效率高 多样化 电动汽车的研究表明 其能源效率已超过汽油机汽车 特别是在城市运行 汽 车走走停停 行驶速度不高 电动汽车更加适宜 电动汽车停止时不消耗电量 在 制动过程中 电动机可自动转化为发电机 实现制动减速时能量的再利用 有些研 究表明 同样的原油经过粗炼 送至电厂发电 经充入电池 再由电池驱动汽车 其能量利用效率比经过精炼变为汽油 再经汽油机驱动汽车高 因此有利于节约能 源和减少二氧化碳的排量 另一方面 电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的 依赖 可将有限的石油用于更重要的方面 向蓄电池充电的电力可以由煤炭 天然 气 水力 核能 太阳能 风力 潮汐等能源转化 除此之外 如果夜间向蓄电池 充电 还可以避开用电高峰 有利于电网均衡负荷 减少费用 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 5 页 共 45 页 2 结构简单 使用维修方便 电动汽车较内燃机汽车结构简单 运转 传动部件少 维修保养工作量小 当 采用交流感应电动机时 电机无需保养维护 更重要的是电动汽车易操纵 3 动力电源使用成本高 续驶里程短 目前电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善 尤其是动力电源 电池 的寿命短 使用成本高 电池的储能量小 一次充电后行驶里程不理想 电动车的价格较贵 但从发展的角度看 随着科技的进步 投入相应的人力物力 电动汽车的问题会逐 步得到解决 扬长避短 电动汽车会逐渐普及 其价格和使用成本必然会降低 1 2 电动汽车的发展概况 1 2 1 电动汽车的种类 1 外供电源的电动车辆 包括各种架空线供电车辆 电气 火车 城市有轨电车和无轨电车等 和各种 轨道供电车辆 地铁 轨道车等 它们由架空线或轨道输入电能 直接用电动机来 驱动车辆行使 它们的特点是不需要装置复杂的能量转换装置 动力性好 运输能 力大 结构简单 但受到架空线或轨道的线路长度的限制 只能在固定的线路和轨 道范围内行使 不能自由驰骋 2 自携电源的电动车辆 包括纯电动车辆 燃料电池车辆和混合动力电动车辆 它们的特点是不受架空 线或轨道的线路和长度的限制 可以自由驰骋不同的道路上合没有道路的地方 越 野 并且可以在外星 地面 上行驶 电动车辆的共同点是 1 必须具备一种或 多种电源 包括蓄电池 超级电容器和燃料电池 2 必须具备电动机驱动系统 包括直流电动机 交流电动机 永磁电动机 开关磁阻电动机 轮毂电动机驱动系 统等 3 混合动力电动车轮毂除配备电力驱动系统外 还平配备了有能燃机驱动 系统 1 2 2 我国电动车辆的研发现状 我国电动车辆的研究开始于上世纪 80 年代 长期以来我国政府相关部门积 3 极组织开展电动汽车的自主创新 九五 期间 电动汽车列入国家重大科技产业工 程 十五 十一五 期间电动汽车列入国家 863 计划 在自主创新过程中 坚持 了政府支持 以核心技术 关键部件和系统集成为重点的原则 确立了以混合电动 汽车 纯电动汽车 燃料电池汽车为 三纵 以整车控制系统 电机驱动系统 动 力蓄电池 燃料电池为 三横 的研发布局 通过产学研紧密合作 我国电动汽车自 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 6 页 共 45 页 主创新取得了重大进展 香港大学在 1993 年试制了 U2001 EV 纯电动轿车 是我国最早研发的 EV 采 用比能量 52km h 140A h 循环寿命 2000 次的镍 镉电池组 镍镉电池组的总电压 264V 布置在后排座椅的后下部 表 1 2 香港大学 U2001 EV 电动轿的技术性能 项目单位U2001EV项目单位U2001EV 装载质 量 Kg273电动 机 最大功率Kw50质 量 参 数 整车质 量 Kg1820最高车速Km h 130 型式镍 镉电 池 容量 A h 140 续驶里程 88km h Km270 循环寿 命 次2000 电池组 质量比 能量 Kw k g 52 性能参数 加速时间 0 48km h S6 3 比亚迪汽车公司的 ET 纯电动汽 车 图 1 1 其相关技术参数如下所 示 4605mm 1832mm 1590mm 3100mm 整备质量 1205kg 满载 1505kg 165km h 30 0z100km h 8 5s Range 350km Witnout 300km With AC Li io 动力电池组 296V 200Ah 400kg 图 1 2 比亚迪公司开发纯电动汽车 接触式充电 5h 快充 60 DOD1 m 汽车质量 kg 行驶加速度 m dt du 2 s 9 汽车行驶方程式 j FFFFF iwft 10 匀速下总驱动力 F N Wf FFF 11 续驶里程 S m F E S qmcTB 7 03600103 式中 蓄电池总能量 KW h B E 电机及控制器效率 取 0 9 mc 电池平均放电效率 取 0 95 q 第 3 章 轻型电动运输车的电能储存装置的研究与设计 纯电动车辆以蓄电池储存的电能为主要电源 燃料电动车辆和混合动力电动车 辆上以蓄电池作为辅助电源 蓄电池的类型和性能对电动车辆的电力驱动有重要的 影响 总体来说 HEV 和 EV 对电源的主要要求有如下 6 个方面 1 高的比能量 增长一次充电可行驶的距离 2 大的比功率 保证在大电流工作时可平稳放电和提高加速 爬坡性能 3 循环寿命长 4 安全可靠 免维护 5 环境友好 可再生 6 成本低廉 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 16 页 共 45 页 3 1 电动汽车电能储存装置的种类及主要性能指标 3 1 1 电动汽车电能储存装置的种类 电动汽车的电能储存装置可分为二次电池 超级电容器和飞轮电池三类 1 二次电池 二次电池亦称为可充电电池 蓄电池习惯上指铅酸蓄电池 也属于二次电池 现代混合动力汽车上的最常见的二次电池有铅酸蓄电池 镍氢电池 锂离子电池 镍金属氢化物电池四类 2 超级电容器 超级电容器是高能量密度的储能元件 或者称为电蓄能器 它能存贮大量电荷 并且能迅速地充放电 利用它可以把蓄电池的冲击负载降低到适宜的水平 这样蓄电 池需设计达到平均能量密度和平均循环寿命 而无需达到最大峰值能量密度和循环寿 命 超容量电容器也可以用来存储制动时产生的再生能量 3 飞轮电池 飞轮以一定角速度旋转时就具有一定的动能 飞轮电池正是以其动能转换成电能 的 它有一个电机 充电时为电机 电机带动飞轮加速 储能 放电时为发电机对 外输出电能 飞轮电池的比能量可达 150w h kg 比功率达 5000 10000W kg 使 用寿命长达 25 年 可供电动汽车行驶 500 万公里 3 1 2 电能储存装置的主要性能指标 1 比能量 也称质量比能量 质量能量密度 指单位质量的电能储存装置所 能输出的能量 单位为 J kg W h kg 或 kW h kg 比能量越高 汽车用电能行使 的距离越长 在计算比能量时 应使用的质量为电能储存装置的总质量 能量密度 也称体积比能量 指单位体积电能储存装置所能输出的能量 单位为 W h L 或 kW h L 能量密度越高 汽车的载重量和车内空间越大 2 比功率 也称质量比功率 质量功率密度 是指单位质量电能储存装置所具 有电能的功率 单位为 W kg 或 kW kg 电能储存装置的比功率越大 汽车加速 爬 坡性能越好 最高车速越高 几种电能储存装置的比能量和比功率比较如表 3 1 所示 表 3 1 几种电能储存装置的比能量和比功率比较 电池种类比能量 W h kg比功率 W kg 铅酸洗电池30 40300 500 镍氢电池40 50500 800 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 17 页 共 45 页 锂离子电池60 70500 1500 锂聚合物电池 50 600 1100 飞轮电池1 550 300 超级电容器2 8400 4500 3 功率密度 亦称体积比功率 是指单位体积电能储存装置所具有的电能功率 单位为 W L 或 kW L 功率密度越高 汽车的载重量个车内空间也越大 4 寿命 电能储存装置的寿命通常指其使用时间的长短或充放电的循环次数的 多少 单位为年 小时或循环次数 显然电能储存装置的寿命越长越好 5 充 放电效率 充电效率指充入电能储存装置的电能占充电时消耗的电能的 百分比 放电效率指电能储存装置的输出电能占放电时电能储存装置消耗的电能的 百分比 显然 充 放电效率越高越好 考虑到本文所研究的轻型电动运输车的工作性质和有关的技术要求 以及各类 储存装置的发展现状 将选定二次电池为电能储存装置主要的研究对象 并以此装 置完成轻型电动车的整车设计 3 2 蓄电池 二次电池 的结构和工作原理 3 2 1 铅酸蓄电池 1 铅酸蓄电池的工作原理 正极 负极 正极 负极 424422 2SOH2PbOPbSOHPbSOPb 放电 充电 2 铅酸蓄电池的构造 图 3 1 为普通铅酸蓄电池的构造 铅酸蓄电池的基本单元是单体电池 每个单 体电池都是由正极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 18 页 共 45 页 图 3 1 铅酸蓄电池的结构图 3 铅酸蓄电池的特性 铅酸蓄电池的特性主要有以下几个方面 铅酸蓄电池的电动势与开路电压 图 3 2 铅酸蓄电池充电特性 图 3 3 铅酸蓄电池的放电特性 图 3 4 1 铅酸蓄电池的电动势与开路电压 铅酸蓄电池的电动势和开路电压与电解液的浓度的关系曲线如图 3 2 所示 42SO H 铅酸蓄电池在放电过程中 的浓度会逐渐减小 如果的密度下降到 42SO H 42SO H 1 2g cm 时 铅酸蓄电池就必须充电 3 图 3 2 铅酸蓄电池开路电压与电解液硫酸的浓度的关系曲线 2 铅酸蓄电池充电特性 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 19 页 共 45 页 在蓄电池充电开始 蓄电池的端电压迅速地上升 图 3 3 中 A B 段 当达到 B 点 以后 蓄电池的端电压上升逐渐缓慢 图 3 3 中 B C 段 达到充电量 90 左右 蓄 电池的端电压再次上升 图 3 3 中 C D 段 当蓄电池的端电压达到 D 点时 蓄电池 的两极开始析出气体 出现 过充 现象 应停止充电 蓄电池的充电性能是与蓄 电池中 PbO 在化学反应过程生成的速度有关 4 PbSO 图 3 3 铅酸蓄电池的充电特性 3 铅酸蓄电池恒电流的放电特性 蓄电池开始放电时 蓄电池的端电压随放电电流增大下降较快 图 3 4 中 A B 段 然后蓄电池的端电压随放电电流的增大保持稳定状态 图 3 4 中 B C 段 当 蓄电池放电电流超过 D 点后 蓄电池的端电压迅速下降 达到蓄电池所规定的终止 电压 超过 D 点时 蓄电池呈 过放 状态 蓄电池 过放 时将使蓄电池损坏 蓄电池的放电性能是与蓄电池中在化学反应过程中生成为 Pb 的速度有关 图 3 4 铅酸蓄电池的放电特性 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 20 页 共 45 页 4 铅酸蓄电池的技术性能 铅酸蓄电池之所以能得到广泛应用 其主要原因是其开路电压高 放电电压平 稳 充电效率高 能够在常温下正常工作 生产技术成熟 价格便宜 规格齐全 铅酸蓄电池在国内外开发生物第一代汽车上有着广泛应用 但是 铅酸蓄电池带来 的严重环境污染与研制电动车的初衷相违背 也制约了其未来的发展市场 3 2 2 镍氢电池 1 镍氢电池的工作原理 图 3 2 正极 负极 正极 负极 222 Ni OH KOHNi OH HKOHNiOOH2 放电 充电 2 镍氢电池的构造 镍氢电池的负极是储氢合金 正极是氢化镍 用氢氧化钾作为电解质 在正负极之 间有隔膜 共同组成镍氢单体电池 在金属铂的催化作用下 完成充电和放电的可逆反 应 氢气是没有毒性的物质 无污染 安全可靠 使用寿命长 而且不需要补充水分 3 镍氢电池的技术性能 镍氢电池的比能量可达 75 80W h kg 比功率达 160 230W k g 循环使用寿 命超过 600 次 随着镍氢蓄电 池技术的发展 其比能量可超 过 80W h k g 循环使用寿命 可超过 2 000 次 远景价格可降 至 150 美元 kW h 丰田 E2com 电动车采用该种蓄电池 该车最高速可达 100km h 续 驶里程 100 km 3 2 3 锂离子电池 3 2 镍氢电池 Ni MH 充放电原理图 1 锂离子电池的工作原理 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 21 页 共 45 页 锂离子电池反应是一种理想的可逆反应 锂离子电池是一个锂离子浓差电池 充电时锂离子从正极化合物中脱出经过电解质嵌入负极晶格 负极处于富锂态 正 极处于贫锂态 同时电子的补偿电 荷从外电路供给到负极 保证负极 电荷平衡 放电时则相反 锂离子 从负极脱出 经过电解质嵌入正极 正极处于富锂态 图 3 3 由于 锂离子电池正负极材料都用层间化 合物 所以在正常充放电时 锂离 子在层状机构的碳材料和层状结构 的氧化物的层间嵌入和脱出 只引 起层间距的变化 不会引起晶体结 构的破坏 所以伴随着充 放电的 进行 正负极材料的化学结构基本 不变 因此从充 放电反应的可逆性看 图 3 3 锂离子电池充放电原理 锂离子电池反应是一种理想的可逆 反应 称之为 摇椅式 锂离子电池体系 锂的电化学氧化还原反应基本模式为 在锂离子电池中正极采用不同的材料时 锂的电化学氧化反应为 作为正极 2 MnO 42 2 OLiMneLiMnO2 作为正极 2 NiO 2 2 LiNiOeLiNiO 作为正极 2 CoO 2 2 LiCoOeLiCoO 在锂离子电池中正极还原反应为 6 eLiC6LiC 2 锂离子电池的构造 锂离子电池的单体电池做成圆柱形或棱柱形 锂离子电池由正极 负极和固体 锂离子导体组成 它们封装在外壳中 3 锂离子的技术性能 锂离子电池的最大优点是比能量高 锂离子电池理论值可达 570W h k g 因 此 受到各汽车公司的重视 目前其比能量为 100W h kg 比功率为 200 W k g 循环使用寿命为 1200 次 充电时间 2 4 h 日产 Hypenm ini 电动车采用该种蓄 电池 其最高车速达 100 km h 续驶里程为 130 km 4 锂离子电池存在问题 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 22 页 共 45 页 1 导电率低 实际电容量低 低温下放电性能差 已有部分解决方案 2 成品率低 批次间稳定性差是制约成本下降的关键因素 3 安全性仍有一定隐患 聚合物锂电池是未来方向之一 3 2 4 燃料电池 燃料电池 FCEV 是一种将储存在燃料 氢气或碳氢化合物 和氧化剂 氧气或空 气 中的化学能通过电化反应直接转化为电能的发电装置 与目前的热力发动机相 比较 燃料电池直接将化学能转化为电能 由于不通过热机过程 故不受卡诺循环 的限制 因而具有很高的能量转换率 实际效率可达 60 80 是普通内燃机的 2 3 倍 燃料电池的燃料和氧化剂由外部源源不断地供给 与普通蓄电池相比 不需要更换或充电 因而能像发动机一样源源不断地向外部供应能量 试验和试用 最多的车用燃料电池是质子交换膜燃料电池和磷酸燃料电池 它没有复杂的运动机 构 而且生成物主要是水 因此 运行平稳且无污染 制造成本高是燃料电池商业 化所面临的主要问题 目前燃料电池的制造成本约为 30 美元 kW 而高性能内燃 机的制造成本则是 5 美元 kW 另外 其比功率仅为常规内燃机的 1 3 随着科学 技术的发展和进步 燃料电池前景是看好的 1 燃料电池基本原理 燃料电池是化学能直接转化成电能的一种动力设备 原理图如图 3 4 所示 燃料 电池的基本反应步骤 1 反应物向燃料电池内部传递 2 电化学反应 3 离子传导以及电子传导 4 产物排出 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 23 页 共 45 页 图 3 4 燃料电池的工作原理 2 燃料电池的结构 燃料电池系统主要包括燃料电池反应堆 压缩机 流量控制器 加热器 散热 器 加湿器等 各种不同的燃料电池系统的组成有所区别 图 3 5 的结构是复杂系 统实验室的燃料电池系统的结构图 将燃料电池系统的各个部件模块化 用户就可 以选择所需要的部件 组成合适的燃料电池系统 3 燃料电池存在问题 燃料电池十分复杂 涉及化学热力学 电化学 电催化 材料科学 电力系统 及自动控制等学科的有关理论 其能量密度极高 接近于汽油和柴油的能量密度 几乎是零污染 号称 终极电池 代表着电动车未来的发展方向 也是各国重点研 发的领域之一 目前国内一辆轿车所用燃料电池的成本约在 100 万人民币左右 北 京市引进的三辆 零排放 燃料电池公交车 每辆成本更是高达千万 由于成本太 高 燃料电池目前离产业化还有较长的距离要走 预计在 2025 年才会大规模商业化 3 3 蓄电池的管理系统 我国已开发多种应用在电动车辆上的蓄电池管理模块 根据电动车辆所采用的 动力电池的类型和动力电池的组合方法 电池组管理系统主要包括 1 动力电池 组管理系统 2 高压电线线路管理系统 3 热 温度 管理系统 表 3 2 动力电池组需要多节单体电池或多个蓄电池串联起来组成 动力电池组的总电 压为 200 400V 动力电池组管理系统一般采用微处理器通过标准通信接口 CAN 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 24 页 共 45 页 总线和控制模块等对动力电池组进行管理 图 3 6 表 3 2 电池组管理系统 动力电池组管理系统线路管理系统热管理系统 检测电池组电压 监测电池组电流 不一致性 电池和老化电池 检测 SOC 的显示装置 车辆在线可行驶里程显示装置 自动诊断系统和报警系统 安全防护系统 动力电池组分组及连 接 高压电力电总线 CAN 快速接插器 断电流 传感器 电池组和单元电池的温度 测试 温度管理 ECU 及温度传感 器 通风管道系统和风扇 热能的管理与利用 图 3 6 动力电池组管理系统 1 电动机 2 逆变器 3 继电器 4 充电器 5 电池组 6 冷却风扇 7 电池管 理系统 8 SOC 里程 显示器 9 中央控制器 10 驾驶员信号输入 V 电压计 A 电流计 T 温度计 本章小结本章小结 本章通过对一些电动汽车常用电池作了比较系统的研究 尽管我们希望所选用 的电池就有高的比能量又有高的比功率 但是通过分析各种电池的原理 结构和技 术性能 我们知道在现有的技术条件下 兼顾二者有一定得难度 不过我们相信 随着科学技术的发展和人们对电动汽车及电能储存装置的重视 我们会一一攻克这 方面的难题 研究出更加环保 更高效率的 EV 用动力电池 另外 从对各类电池的性 能和特点分析来看 锂离子竞争潜力很大 将成为未来 EV 用电池的主导 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 25 页 共 45 页 第 4 章 轻型电动运输车的驱动电机的研究与设计 电动车辆较普遍地采用直流电动机 交流电动机 永磁电动机和开关磁阻电动 机 4 1 各种电动机的性能比较 电机是电动汽车的驱动单元 它的技术性能直接影响车辆运行的动力性和经济 性 所以选择设计符合电动汽车运行要求的电机 具有调速范围宽 起动转矩大 后备功率高 效率高 功率密度大和可靠性高的特性 如对感应电机 要求提高额 定工作点 基频1000HZ 以上 和工作电流密度 降低铜耗 高导电率材料 和铁耗 高磁导率 而且 电机采用液体冷却提高热容量 减少体积和质量 电机技术与 电力电子技术 微电子技术和控制技术完美结合 最后发展成为可靠 易维护 高 功率高密度 高集成度的智能电机 牵引电机种类多 应用在电动汽车上的电机主 要包括直流电机 鼠笼式感应电机 永磁同步电机 包括永磁无刷直流电机 和开 关磁阻电机它们的性能比较见表4 1 表 4 1 电动汽车用电动机的性能比较 项目交流感应电动 机 永磁同步电动 机 直流电动机开关磁阻电动 机 功率密度一般好差一般 力矩转速特性好好一般好 转速范围 9000 150004000 100004000 6000 15000 最大功率 94 9595 9785 89 小于 90 效率 10 负荷 时 79 8590 9280 8778 86 易操作性好好最好好 可靠性好一般差好 结构的坚固性好一般差好 尺寸及质量一般 一般小 轻大 重小 轻 成本低高较高较高 控制器成本比 3 52 514 5 4 1 1 电动车辆对电动机性能要求 电动汽车通过电机控制器驱动电机 电机将电能转换为机械能来驱动汽车 电 动汽车对驱动控制系统的基本要求如下 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 26 页 共 45 页 1 足够大的起动转矩 以满足电动汽车快速启动 加速 爬坡 频繁启 停的 要求 通常电机的过载系数应达 3 4 2 电机的调速范围大 一般在 25 100 最大转速范围内 近似有小转矩 恒功率的输出特性 满足电动汽车最高车速和公路巡航行驶工况的要求 3 具有良好的效率特性 在较宽的转速 转矩范围内 获得最优的效率 提高 一次充电后的持续行驶里程 一般要求在典型的驾驶循环区 获得 85 93 的效 率 4 再生制动时的能量回收率高 5 快速的转矩响应特性 在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动 转矩 在多电机系统中 要求电机可控性高 稳态精度和动态特性好 4 1 2 电动汽车电动机的参数设计 1 电动机的参数选择原则 电动机的参数选择包括电动机额定功率 电动机峰值功率 额定转速 最高转 速和额定电压等 电动机外特性的特点是在额定转速以下 以恒转矩模式工作 在 额定转速以上 以恒功率工作 根据 电动汽车动力性能试验方法 GB T18385 规定 用 V即车辆能够持续行驶超过 30 分钟的最高平均车速衡量车辆的动力性 30 因此电动机的功率应指可以连续工作 30min 以上的功率 正确选择电动机的额定参数非常重要 如果选择过小 电动机经常在过载状态 下运行 相反 如果选择太大 电动机经常在欠载状态下运行 效率及功率因数降 低 不仅浪费电能 而且增加动力电池的容量 综合经济效益下降 2 电动汽车电动机功率的确定方法 通常 从保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率 最高车速虽 然只是汽车动力性能的一个指标 但它实质上也反映了汽车的加速能力和爬坡能力 所选择的电动机功率应不小于汽车在良好路面上以最高车速行驶时的阻力功率之和 即 式 4 1 3 maxmax t 761403600 1 pv AC v Gf D 式中 v 车辆的最高车速 km h max 同时 其功率要满足加速性能和最大爬坡性能的要求 即 式 4 1 dt dvmv v AC v mg v mgf a a D aa 3600761403600 sin 3600 cos1 p 3 T 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 27 页 共 45 页 式中 m 整车重量 kg G 重力加速度 f 滚动阻力系数 坡度角 v 车速 km h a C 空气阻力系数 A 迎风面积 m 旋转质量换算系数 dv dt 行使加速度 m s 传动系机械效率 4 2 交流驱动系统 4 2 1 异步电机及其控制方案 以交流感应电动机为驱动电机构成的驱动系统称交流感应电动机驱动系统 通 常简称为交流驱动系统 就交流电动机与直流电动机相比 具有效率高 体积小 质量轻 免维护 坚 实可靠 易冷却 寿命长等优点 但控制电动机的逆变器较复杂 就交流驱动系统和直流驱动系统比较而言 交流电动机本身比直流电动机成本 低 而逆变器比直流电动机控制系统成本高 然而 随着电力电子技术的不断发展 两个系统的成本差距将日益趋近 从目前来看 交流驱动系统总成本高于直流驱动 系统的成本 但由于交流驱动系统效率高 质量轻 能更有效地实现再生制动等固 有特点 具有很大的发展前景 目前应用在异步电机上的处于主流地位的驱动方案主要有矢量控制方案和直接 转矩控制方案 1 矢量控制 交流感应电动机的矢量变换控制 简称矢量控制是德国学者 Blaschke 等人于 1971 年首先提出的 矢量控制成功的解决了交流电动机电磁转矩的有效控制 像直 流调速系统一样 实现了交流电动机的磁通和转矩分别度量控制 从而使交流电动 机变频调速系统具备直流调速系统的全部优点 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 28 页 共 45 页 交流感应电动机的矢量变换控制是以产生同样的旋转磁场为准则 建立三相交 流绕组电流 两相交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等效关 系 从而可按直流电动机的控制规律来控制交流电动机 2 直接转矩控制 直接转矩控制技术是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调速技术 该技术 摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思想 去掉了 PWM 脉宽调制器和电流反馈环节 转而通过检测母线电压和定子电流 直接计算出电机的磁链和转矩 并利用两个滞 环比较器 直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制 基于直接转矩控制的异步电机调速系统原理如下 如图4 1所示 首先给定转矩指令 信号和磁链幅值给定信号 直流母线电压和相电流 被检测出来后经 s T s dc u ba i i 过静止3 2变换得到两相静止坐标系下的直轴分量和交轴分量即 所 i ui u和 得到的定子磁链和转矩的估计值与相应的给定值经滞环比较后 输出相应的逻辑信 号连同定子磁链位置角一起输出给开关表以决定相应桥臂上的功率开关器件的开关 状态 图 4 1 直接转矩控制系统框图 4 2 2 同步电机及其驱动方案 在电动汽车上使用的同步电机是永磁同步电机 PM 永磁同步电机的磁刚有内 装式和凸装式之分 前者比较流行 因内装式结构的电机具有较强的鲁棒性及可达 到较高的运行转速 还因其有效气隙较小 表现出较强的电枢反应 因此可以控制 电机在恒转矩及弱磁恒功率运行区达到高速运行 非常适合电动汽车的运行特点 永磁同步电机驱动控制系统比较复杂 因此为达到最佳控制效果 常常将两种或几 种控制方案结合运用 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 29 页 共 45 页 1 采用最大转矩控制和弱磁控制原理以实现电机的效率最佳化和宽范围的调速 该控制方案就是在低速区段内将由d q轴决定的电流向量控制在其最大效率线上 在高速区段内 由于电压饱和现象出现 则把电流控制在非常接近电压饱和边界线 上 为减少效率的损失和保证弱磁范围内转矩的最大化 该系统强调了转子位置检 测器的精度 2 集转矩控制和PWH控制于一身的控制方案 转矩控制方案可以在整个运行范 围内获得良好的转矩线性度 而PWM控制则可以对电池电压实现最有效的使用 本章小结本章小结 通过对各种电动机和电动汽车交流驱动系统的分析比较 可以看出异步电机结 构坚固 体积小 质量轻 控制方法成熟可靠 在目前的情况下异步电机交流驱动 系统事实上已使其成为电动汽车驱动系统方案的最佳选择 由于其结构坚固 体积 小 质量轻等优点 也是本文所研究电动汽车的首选 随着永磁材料性能的不断提 高和价格的下降 永磁电机的适于拖动和牵引的性能正在被广大电动汽车厂商所重 视 永磁电机交流驱动系统必将成为电动汽车驱动的主流 第 5 章轻型电动运输汽车的结构布置及简单设计 现在高性能的电动汽车通常是专门设计制造的 这种专门设计制造的电动汽车 以原有的车体和车架设计为基础 满足电动汽车独有的结构要求并充分利用了电力 驱动的灵活性 图5 1 图5 1 电动汽车结构模型图 与燃油汽车相比 电动汽车的结构特点是灵活的 这种灵活性源于电动汽车具 有以下几个独特的特点 首先 电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通过 刚性联轴器和转轴传递的 因此 电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性 其次 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 30 页 共 45 页 电动汽车驱动系统的布置不同 如独立的四轮驱动系统和轮毂电动机驱动系统等 会 使系统结构区别很大 采用不同类型的电动机会影响到电动汽车的质量 尺寸和形 状 不同类型的储能装置 如蓄电池和燃料电池 也会影响电动汽车的质量 尺寸及 形状 另外 不同的补充能源装置具有不同的硬件和机构 例如蓄电池可通过感应 式和接触式的充电器充电 或者采用替换蓄电池的方式 将替换下来的蓄电池再进 行集中充电 5 1 储能装置的结构形式 采用不同类型的储能装置 如不同的蓄电池 燃料电池 超级电容器和高速飞 轮等 构成不同的电动汽车结构 如图5 1所示的是六种典型的结构 5 1 1 图5 2 a 所示的是现在电动汽车所独有的以蓄电池作动力源的一种结构 蓄 电池可以布置在车的四周 也可以集中布置在车的尾部或者布置在底盘下面 所选 用的蓄电池应该能提供足够高的比能量和比功率 并且在车辆制动时能回收再生制 动能量 同时具有高比能量和高比功率的蓄电池对电动汽车而言是最理想的动力能 源 比 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 31 页 共 45 页 图5 2 储能装置的结构形式 B 蓄电池 C 电容器 FC 燃料电池 FW 超高速飞轮 P 功率转换器 R 重整器 能量影响汽车的行驶里程 而比功率影响汽车的加速性和爬坡能力 5 1 2 为了解决一种蓄电池不能同时满足比能量和比功率的要求这个问题 可以往 电动汽车上同时采用两种不同的蓄电池 其中一种能提供高比能量 另外一种提供 高比功率 图5 2 b 显示的是这种蓄电池 电池作混合动力能源的基本结构 这种结 构不仅分离了对比能量和比功率的要求 而且在汽车下坡或制动时可利用蓄电池回 收能量 5 1 3 除了蓄电池以外 还可以用燃料电池作储能装置 它是一个小型的发电装置 燃料电池的工作原理是利用可逆的电解过程 即用氢气和氧气结合产生电和水 氢 气可以储存在一个车载的氢气罐里 而氧气可以直接从空气中获得 燃料电池能提 供高的比能量但不能回收再生制动能量 因此最好与一种能提供高比功率且能高效 回收制动能量的蓄电池结合在一起使用 图5 2 c 所示的就是用燃料电池和蓄电池 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 32 页 共 45 页 作混合动 力的结构框图 5 1 4 燃料电池所需的氢气不仅可以以压缩氢气 液态氢或金属氢化物的形式储存 还可以由常温的液态燃料如甲醇或汽油随车产生 图5 2 d 是一个带小型重整器的 电动汽车的结构简图 燃料电池所需的氢气由重整器随车产生 5 1 5 当用蓄电池与电容器进行混合时 所选的蓄电池必须能提供高比能量 因为 电容器本身比蓄电池具有更高的比功率和更高效回收制动能量的能力 由于用在电 动汽车上的电容器 通常称为超大容量电容器 相对而言电压较低 所以需要在蓄电 池和电容器之间加一个DC AC功率转换器 图5 2 e 显示了蓄电池和电容器作混合 动力的结构框图 5 1 6 与超大容量电容器类似 飞轮是另外一种新兴的具有高比功率和高效制动能 量回收能力的储能器 用于电动汽车的飞轮与传统低速笨重的飞轮是不同的 这种 飞轮质量轻 且在真空下高速转动 超高速飞轮与具有两种工作模式 电动机和发电 机 的电动机转子相结合 能够将电能和机械能进行双向转换 图5 2 f 显示了这种 飞轮和蓄电池作混合动力的结构 所选用的蓄电池应能提供高比能量 飞轮最好与 无刷交流电动机结合使用 因为这种电动机的效率比直流电动机高 因而应在蓄电 池和飞轮之间加一个AC DC转换器 5 2 电驱动的结构形式 采用不同的电力驱动系统可构成不同结构形式的电动汽下 根据电力驱动系统 的不同 电动汽车分为以下六种 如图 5 3 所示 5 2 1 如图 5 3 a 所示 由发动机前置前轮驱动的燃油车发展而来 它由电动机 离合器 齿轮箱和差速器组成 离合器用来切断或接通电动机到车轮之间传递动力 的机械装置 变速器是一套具有不同速比的齿轮机构 驾驶员可选择不同的变速比 把力矩传给车轮 在低速挡时 车轮获得大力矩低转速 在高速挡时 车轮获得小 力矩高转速 汽车在转弯时 内侧车轮的转弯半径小 外侧车轮的转弯半径大 差 速器使内外车轮以不同转速行驶 5 2 2 如果用固定速比的减速器 去掉离合器 可减少机械传动装置的质量 缩小 其体积 如图 5 3 b 所示 由电动机 固定速比的减速器和差速器组成电力驱动系 统 这种结构的电动汽车由于没有离合器和可选的变速挡位 不能提供理想的转矩 转速特性 因而不适合于使用发动机的燃油车 5 2 3 图 5 3 c 所示的这种结构与发动机横向前置 前轮驱动的燃油汽车的布 安徽农业大学本科毕业设计 论文 第 33 页 共 45 页 置方式类似 它把电动机 固定速比减速器利差速器集成为一个整体 两根半轴联 接驱动车轮 这种结构在小型电动汽车上应用最普遍 图 5 3 电驱动的结构形式 C 离合器 D 差速器 FC 固定器 CB 变速器 M 电动机 5 2 4 图5 3 d 所示的双电动机结构就是采用两个电动机通过固定速比的减速器分 别驱动两个车轮 每个电动机的转速可以独立地调节控制 便于实现电子差速 因 此 电动汽车不必选用机械差速器 5 2 5 电动机也可以装在车轮里面 称为轮毂电动机 可进一步缩短从电动机到驱 动车轮的传递路径 如图5 3 e