新型电动自行车的设计

摘要

20世纪汽车产业高速发展，资源无节制消耗，污染物的过量排放，还有受油价上涨和环保意识等因素的影响，电动自行车已成为大部分人的选择。但是，电动自行车的动力性能由驱动系统决定且续驶里程（即能量供给）受限于蓄电池的存储电量，为提高动力性能和续航里程，须对电动自行车驱动电机的特性及能量回收控制策略进行分析研究。

本文研究了电动自行车在制动过程中的能量回馈，设计了永磁无刷直流电动机在电动自行车制动过程中的能量再生反馈控制系统。从理论上分析了永磁无刷直流电动机利用位置传感器检测转子位置的方法,并对换相过程做较详细的介绍。

本文首先系统的对电动自行车的运行状态进行了分析，分别对电动自行车的运行阻力、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。再其次，本文对电动自行车的能量反馈控制方案进行了研究，内容包括轮毂电机的调速、电动车再生制动的控制。本文着重研究并设计了永磁无刷直流轮毂电机的能量的回收。

关键词：电动自行车；动力性能；再生制动；电机控制；永磁无刷直流轮毂电机 

Abstract

Automobile industries have development of high speed in 20 century. However, Dynamical performances of electric vehicle are decided by drive systems and extension of driving range(energy supply) restricts development, prevalence and is limit to electricity capacity of storage battery. In order to improve dynamical performances and extension of driving range, we must analyze and research traits of drive motor and control tactic of energy recycle in electric vehicle.  

In this paper, the electric bike in the braking energy in the process of feedback, the design of the permanent magnet brushless DC motor in the electric bicycle brake renewable energy in the process of feedback control system. In theory analysis of the use of permanent magnet brushless DC motor position rotor position sensor detection method, and for the process of doing a more detailed briefing.

Firstly, the paper analyzes the composing of in-wheel motor in detail. Secondly, Its subsystem of carried on analysis to the movement appearance of the dynamoelectric bicycle, to the movement resistance, inertial dint, braking force and need of led dint to carry on a calculation. According to need of lead dint, in this design also to do PMBLDCM and battery to carry on to choose a calculation. Thirdly, the paper presents research work on EB Energy feedback control strategy, which involves in-wheel motor PWM modulation, The regenerative braking of EB close-loop control. The dual polar driving method for permanent magnet brushless DC in-wheel motor is emphasized. 

Keywords   Permanent Magnet Brushless DC Motor (PMBLDCM)  Energy feedback  Motor control  regenerative braking  permanent magnet brushless DC   

目       录

摘要 I

Abstract II

1  绪论 1

1.1 课题来源，目的，意义与该课题的市场前景 1

1.2 有关电动自行车的概念 1

1.2.1 什么是电动自行车 1

1.2.2 电动自行车的种类 1

1.2.3 电机 2

1.2.4 电池 2

1.2.5 控制器 3

1.3 电动自行车整车参数的设计 3

1.4 设计任务 3

1.5 研究意义 4

2 电动自行车动力性能分析 5

2.1 电动车运行方程 5

2.2 电动自行车的行驶力学 6

2.2.1 车辆模型 6

2.2.2 电动车阻力计算 7

2.2.3 空气阻力 8

2.2.4 电动车惯性力的计算 8

2.2.5 电动车的牵引力计算 9

2.3 电动自行车的动力性能 10

2.3.1 自行车基本参数介绍 11

2.4 制动系统 11

2.4.1 电动自行车刹车分类 11

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 14

2.6 动力传动系统设计 15

2.6.1 驱动方式对两轮电动车性能的影响 15

2.6.2 电动自行车驱动系统的构成 16

2.6.3 无刷直流电动机驱动系统 16

3 电动自行车的运行控制 18

3.1 电动机的选择 18

3.1.1 直流电动机的特点 18

3.1.2 电动机容量选择的原则 19

3.1.3 电动机的发热与冷却 19

3.1.4 选择步骤： 20

3.1.5 无刷直流电动轮毂的选型计算 20

3.1.6 电动自行车的续行距离 21

3.2 无刷电动机的调速控制系统 22

3.2.1 直流电动机的机械特性 22

3.2.2 脉宽调制（PWM） 23

3.2.3 传感器 23

3.3 电动车控制系统设计 24

3.3.1 控制系统的组成 24

3.3.2 控制系统设计方案 24

4 电动自行车的能量回收 28

4.1 制动模式与能量的分析 28

4.2 能量回馈的控制策略 29

4.3 电动自行车能量的消耗评价方法 29

4.3.1 能量流分配关系及能量测量 30

4.3.2 能耗影响因素分析 30

4.4 制动效能及制动能量回收的约束条件 30

4.4.1 自行车的制动效能 30

4.5 制动能量回收控制算法 31

4.5.1 制动能量回收的约束条件 31

4.6 永磁无刷直流电机相关性能及其能量回馈制动原理 32

4.6.1 永磁无刷直流电机及其基本工作原理 32

4.6.2 直流电动机的制动方式 33

4.6.3 永磁无刷直流电机能量回馈制动原理 35

结论 39

致谢 40

参考文献 41

1  绪论

1.1 课题来源，目的，意义与该课题的市场前景

当今时代，电动自行车已经成为人们日常生活不可缺少的代步工具，改变了人们的生活方式提高了人们的生活质量。自上世纪以来，汽车工业的发展就开始面临两大难以回避的挑战：能源短缺与环境保护。根据目前世界石油总储量和年产量计算，石油资源最多再能支持三四十年的工业消费，再加上政治、局部战争等不稳定因素对能源安全的影响，汽车的燃料供应存在着潜在的隐患。此外汽车废气造成的大气污染日益严重。针对上述问题，现在电动汽车、电动自行车已经进入中国市场。

该课题的目的是通过对电动自行车制动能量的回收过程进行分析和研究，为提高制动能量回收能力提出解决方案。

该课题的意义：首先本设计的课题使我们对电动自行车有了进一步的了解，对制动能量再生有了新的认识，所谓制动能量再生，是指电动自行车减速制动时将其中一部分机械能转化为其他形式的能量这里是电能，并且将其充进电池。制动能量再生方法原理是先将电动自行车制动或减速时的一部分机械能转化为电能存储在电池中，同时产生一定的负荷阻力使电动自行车速度降低；当电动车再次起动或加速时再生系统又将存储的能量再次转化为电动自行车行驶时所需要的动能。这样就可以提高一次充电的续行距离，避免了不必要的能量损失。