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毕业设计（论文）任务书 学生姓名 于洪琳 系部 汽车工程系 专业、班级 车辆工程 07 指导教师姓名 王国田 职称 实验师 从事 专业 汽车服务 是否 外聘 是 否 题目名称 城市纯电动中型客车的总体设计 一、设计（论文） 目的、意义 随着能源问题和环境问题的日 益突出，现有车辆使用的动力方式已经不能很好的适应未来社会发展的需要。为此，电动汽车的发展得到了广泛的关注，各种类型的电动汽车也在研究和开发之中。 本研究主要对电动汽车进行了总体设计研究，其中包括：分析部分电动机的优缺点，选择电动机作， 对电动汽车的动力性进行分析，通过最高车速、最大爬坡度和加速时间校核电动机性能的研究，积累电动客车相关方面的技术，同时，通过电动汽车电动机及传动系统的结构和布置方案，设计蓄电池组的布置位置和安放结构， 熟练应用 具有一定的实验技能和生产实践知识。 二、设计（论文）内容、 技术 要求 （研究方法） 主要内容： 1 研究电动汽车电动机的特点，并分析电动客车的动力性 2 研究电动客车的控制策略 3 分析电动汽车蓄电池性能特点及存在问题，设计蓄电池管理系统 4 研究纯电动汽车能量回收原理，设计再生制动系 统的结构 5 设计电动客车总体布置 图 技术要求： 1 研究电动汽车电动机的特点，并分析电动客车的动力性 2 研究电动客车的控制策略 ，并 设计蓄电池管理系统 3 研究纯电动汽车能量回收原理，设计再生制动系统的结构 4 设计电动客车电 机与传动系统机构布置、蓄电池组的布置、安装设计及电动汽车总体布置 图 、设计 （论文） 完成后应提交的 成果 论文一份（ 2 万字以上），论文内容符合要求。 1 设计再生制动系统结构原理图 2 设计电动客车总体布置 图 四、设计 （论文） 进度安排 资料收集，整理，完成开题报告 第 12 周 论文的撰写，完成中期检查 第 39 周 毕业论文提交 第 913 周 毕业论文修改 完善 第 1316 周 毕业论文答辩 第 17 周 五、主要参考资料 1 万沛霖主编电动汽车的关键技术 M北京：北京理工大学出版社 2 陈全世，朱家琏，田光宇先进电动汽车技术 M北京：化学工业出版社 3 李春卉电动汽车的发展现状及趋势研究 J汽车工业研究， 2005 六、备注 指导教师签 字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日 毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目 :城市纯电动中型客车的总体设计 院 系 名 称 : 汽车工程系 专 业 班 级 : 车辆工程 07 学 生 姓 名 : 导 师 姓 名 : 开 题 时 间 : 指导委员会 审查意见： 签字： 年 月 日 开题报告撰写要求 一、“开题报告”参考提纲 1. 课题研究目的 和意义 ； 2. 文献综述（ 课题研究 现状及分析）； 3. 基本内容 、 拟解决的主要问题 ； 4. 技术路线或研究 方法； 5. 进度安排； 6. 主要参考文献。 二、“开题报告”撰写规范 请参照黑龙江工程学院本科生毕业设计说明书及毕业论文撰写规范要求 。 字数应在 4000 字以上，文字要精练通顺，条理分明，文字图表要工整清楚。 毕业设计（论文）开题报告 学生姓名 系部 汽车工程系 专业、班级 车辆工程 07 指导教师姓名 职称 实验师 从事 专业 汽车服务 是否外聘 是否 题目名称 城市纯电动中型客车的总体设计 一、 课题研究 现状、 选题 目的 和意义 1、研究现 状 在 “ 节能低碳 ” 呼声愈高的今天，发展新能源车逐渐成为当前汽车工业的潮流所趋，各类新能源技术的研发如雨后春笋般涌现。而我国不久前出台的个人购买新能源汽车补贴政策和节能与新能源汽车产业发展规划则是直接传递出更为明确的信号 在节能与新能源汽车的技术路线方面，我国政府将选择以纯电动汽车为主的战略趋向，实现汽车工业跨越式发展。这样，纯电动汽车再次被推上了新能源汽车产业化进程的风口浪尖。 纯电动汽车是完全由可充电电池提供动力源的汽车。它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽 车前进。从全球汽车业的情况看，随着动力电池技术的不断进步，纯电动汽车也实现了快速发展，并逐渐朝着产业化方向迈进。 我国推动纯电动汽车产业化有良好的发展基础。目前我国电动自行车、电动摩托车等轻型电动车保有量已经超过 5000 万辆，且轻型电动车产销量已经超过全球的 90%。轻型电动车的发展在潜移默化地影响消费者的同时，也带动了国内动力电池、电机等产业的发展。近几年，我国纯电动客车市场发展迅速，研发投入持续提高。我国研发的纯电动客车主要有公交客车和旅游客车。其中纯电动公交客车占 85%；豪华旅游客车占 12%，其它用途市 场份额很少占 3%。 新能源汽车未来逐渐替代传统汽油车已成为各国发展汽车产业的共识，作为核心部件的动力电池则更被企业和投资者看好。当前许多知名的汽车制造商都致力于开发动力电池的电动汽车。 日本东京电力公司宣布，将带头参与有关的基础建设，明年在首都率先建 200 多个充电站，三年后将增加到 1000 个以上，为电动汽车解决好 “ 肚子问题 ” ，为新车型的上市做好基础准备。而且，日产汽车相关负责人称，预计旗下 电动车的电池成本，四年内可望大幅下降。日产将于今年底在日本、美国和欧洲推出 动车。 美国底特律三巨头在削减皮卡、大型 型的同时，也将大笔研发费用砸在新能源车型的开发上，而通用汽车在 2010 年推出的新能源汽车雪佛兰 寄予更高的希望。按照底特律方面的分析，以通用这款车为代表的新能源汽车应该成为新的美国汽车精神的标志。 欧洲车企似乎对电动车没什么兴趣，而是在氢动能或是燃料电池车方面建树颇多，这也代表了欧洲车企对未来车市的一个把握方向。不过，尽管欧洲车企不像日本、美国那样对电动车充满憧憬，但还是有一些车企开发出了一些电动车型。例如，大众近日推出了可再生能源驱动的电动车辆高 尔夫“。这辆高尔夫 “同样是采用目前最为流行的 “ 插电式（ ” 混合动力技术，在电力驱动模式下可行驶 50 公里。 在纯电动车的基础设施建设方面，国外已经进行了不错的尝试。日本东京目前有 87 个充电站，楼宇、路旁的充电桩随处可见。在美国加州斯坦福大学里，有专供电动汽车充电的停车位，每两个车位之间就有一个充电桩。而且美国的家庭普遍拥有车库，充电问题更易得到解决。 政治家指出：一个国家的领导人，无不关心本国的能源安全。石油是国防力量的血液，是头号战略物资。要对其厉行 节约。发展电动车是时代赋予我们的使命，国务院领导同志极为重视。不论是从应对能源和环境的挑战出发，还是从现实中国汽车产业的跨越式发展出发，我们都必须这样做。 科学家指出：石油是高品位的化石燃料，由千万年生成，是不可再生能源。社会发展快速消耗使其日趋稀缺，面临枯竭。电动车的前途在于可使用二次能源电力，而电力除火电外，还有水能、风能、太阳能、核能等多种清洁的、可再生能源的发电所支持。发展电动车可实现能源资源和电力资源的合理利用。电动车是新世纪交通车辆的理想选择和发展方向。 经济学家指出：理解我们的汽车企业家， 心中那份对传统汽车工业难以割舍的感情。但是，在商言商，我们必须为眼前处境三思而行。且不说我们在传统汽车上比人家有 20 年的技术差距，再花上1600 个亿也难以与之并肩，已经失去了赶超机遇，何况人家早已设置了利益壁垒，在等着我们左突右冲，叫你无功而返呢。 光说石油资源日趋稀缺，就足以将我们的汽车工业引向不归之路。我国学者曾对美国的汽车战略做过认真研究，美国之所以将汽车战略的重点放在传统汽车上，是因为他们在汽车及其相关产业上投入大积累厚，优势高。尽管他们也认识到电动汽车将取代燃油车，为眼前利益他们也只能硬 着心肠往前走了。而我国则不同，没有他们那种传统汽车包袱。从各方面来说，发展节能环保型电动汽车，都是中国汽车工业的最佳选择。在电动车领域，我们几乎与发达国家同步。差距还不算太大，绝对是我们极好的赶超机会。 社会学家指出：城市化使人口集中，交通拥挤，燃油汽车在密集的人群中排放有害气体，其危害程度是可怕的。这只是多数人有所不知而已。陈清泉院士说过，在美国因空气污染引发疾病所需花费的关怀费用约等于每烧 1 加伦汽油 1 美元。按这标准计算，我国一台公交汽车每天耗油 60 升所引起的疾病关怀花费为每天 130 元。这 130 元的环境 成本原来是受害者承担了 !可见燃油汽车比电动汽车的所谓“经济性好”，原来是以公害为代价！目前世界上有 10 个污染最严重的城市，就有七个在中国。老外来中国工作竞享受本国的有害补助！严重地降低了我国城市的综合竞争力。环境制约着我国的可持续发展。发展电动车将改善这一切。 2、目的和意义 随着能源问题和环境问题的日益突出，现有车辆使用的动力方式已经不能很好的适应未来社会发展的需要。为此，电动汽车的发展得到了广泛的关注，各种类型的电动汽车也在研究和开发之中。 纯电动汽车是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车，即以车载电 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。它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车前进。目前，电动汽车的电池种类主要包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等。 早在 近 年北京车展之 时 ，一些中外主流汽车企业都亮出了自己的电动汽车。与传统燃油能源汽车相比，电动汽车在经济性能和环保性能方面都具有比较独特的优势。 首先，电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是 “ 零污染 ” 。 而且，电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。 其次，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。当采用交甲型 感应电动机时，电机无须保养维护，更重要的是容易操纵。 再次，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，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排放。 最后，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。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。 发展电动汽车必须解决好 4 个方面的关键技术：电池技术、电机驱动及其控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术。 电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量 (E)、能量密度 (比功率 (P)、循环寿命 (L)和成本 (C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高 效电池。 到目前为止，电动汽车用电池经过了 3 代的发展，已取得了突破性的进展。第 1 代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池 (由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。第 2 代是碱性电池，主要有镍镉 (镍氢 (钠硫 ()、锂离子 (锌空气 (多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。第 3 代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转 变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，但目前还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破问。 电动机与驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性。目前，电动汽车用电动机主要有直流电动机 (感应电动机 (永磁无刷电动机 (开关磁阻电动机 ( 类。 近几年来，由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采 用矢量控制和直接转矩控制。由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合电动汽车的控制。美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机。永磁无刷电动机可以分为由方波驱动的无刷直流电动机系统(由正弦波驱动的无刷直流电动机系统 (它们都具有较高的功率密度，其控制方式与感应电动机基本相同，因此在电动汽车上得到了广泛的应用。 电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，非常适应于电动汽车的驱动系统，有极好的应用前景。目前，由日本研制的电动汽车主 要采用这种电动机。 开关磁阻电动机 (有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快和成本较低等优点。实际应用发现 在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，应用受到了限制。 随着电动机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电动机控制系统。 电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外，车体本身也包含很多高新技术，有些节能措施比提高电池储 能能力还易于实现。采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽车自身质量减轻 30%实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减少 50%；汽车车身特别是汽车底部更加流线型化，可使汽车的空气阻力减少 50%。 电动汽车要获得非常好的动力特性，必须具有比能量高、使用寿命长、比功率大的蓄电池作为动力源。而要使电动汽车具有良好的工作性能，就必须对蓄电池进行系统管理。 能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车，除了有良好的机械性能、电 驱动性能、选择适当的能量源 (即电池 )外，还应该有一套协调各个功能部分工作的能量管理系统，它的作用是检测单个电池或电池组的荷电状态，并根据各种传感信息，包括力、加减速命令、行驶路况、蓄电池工况、环境温度等，合理地调配和使用有限的车载能量；它还能够根据电池组的使用情况和充放电历史选择最佳充电方式，以尽可能延长电池的寿命。 世界各大汽车制造商的研究机构都在进行电动汽车车载电池能量管理系统的研究与开发。电动汽车电池当前存有多少电能，还能行驶多少公里，是电动汽车行驶中必须知道的重要参数，也是电动汽车能量管理系统应该完 成的重要功能。应用电动汽车车载能量管理系统，可以更加准确地设计电动汽车的电能储存系统，确定一个最佳的能量存储及管理结构，并且可以提高电动汽车本身的性能。 在电动汽车上实现能量管理的难点，在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。 综上所述，结合我国的各方面情况，发展纯电动汽车是刻不容缓的大事件。在我所在的这样一个老工业城市， 用纯电动中型客车作为城市公交车更是一件值得付出努力是事情。所以我毅然决定研究 此课题。希望能给我国的纯电动汽车 行业尽一点绵薄之力！ 二、设计（论文） 的基本内容 、 拟解决的主要问题 1、研究的 基本 内容 （ 1） 研究电动汽车电动机的特点，并分析电动客车的动力性 （ 2） 研究电动客车的控制策略 （ 3） 分析电动汽车蓄电池性能特点及存在问题，设计蓄电池管理系统 （ 4） 研究纯电动汽车能量回收原理，设计再生制动系统的结构 （ 5） 设计电动客车总体结构图 2、 拟解决的主要问题 （ 1）分析部分电动机的优缺点，选择合适的电动机作为动力源；对电动汽车的动力性进行分析 （ 2）介绍部分蓄电池的性能特点，选择合适的蓄电池作为能量源；分析蓄电池管理系 统的总体结构以及各部分功能 （ 3）研究电动机的控制策略，简单了解电动机的控制系统和软件工作流程 （ 4）设计研究整车的再生制动结构和控制系统 （ 5）研究电动汽车电动机及传动系统的结构和布置方案，设计蓄电池组的布置位置和安放结构以及电动汽车的总体结构 三、技术路线（研究方法） 四、进度安排 资料收集，整理，完成开题报告 第 12 周 论文的撰写，完成中期检查 第 39 周 毕业论文提交 第 913 周 毕业论文修改完善 第 1316 周 毕业论文答辩 第 17 周 研究电动汽车电机的特点，初步选择合适电机，并分析电动客车的动力性 研究电动客车的控制策略，合理选择蓄电池，并设计蓄电池管理系统 研究纯电动汽车能量回收原理，设计再生制动系统的结构 设计电动客车电机与传动系统机构布置 蓄电池组的布置和安装设计 电动 汽车的总体结构 材料收集，并且根据题目中的要求，对所要设计的车辆的部分参数进行初步设定及计算 五、 参考文献 01 万沛霖主编 M京理工大学出版社， 02 章桐，贾永轩编著；索荣电动汽车网组编 M械工业出版社， 03 胡骅，宋慧主编 M民交通出版社， 04 李涵武，赵雨旸主编 M尔滨工业大学出版社 ， 05 06 李兴虎 M京理工大学出版社， 07 陈全世，朱家琏，田光宇 M学工业出版社， 2007 08 陈清泉著 代电动车、电机驱动及电力电子技术 M械工业出版社， 09 of rt of 002 10 陈清泉，孙逢春，祝嘉光 M京理工大学出版社， 2002 11 余志生主编 M械工业出版社， 2003 12 温照方主编 M. 北京：北京理工大学出版社， 2004 13 王益全编著 M学出版社， 14 于长官 M尔滨工业出版社， 2005 15 罗飞 M学工业出版社， 2005 16 李春卉 J17 徐哲 J18 张立国，宁国宝 J19 万钢 五”电动汽车重大科技专项进展综述 J2006 20 张羽中，毛永志 J21 王书贤，邓楚南 J2006 22 肖攀，陈广伟，邓楚南 J23 张付义 J24 谭元文，刘溧 J、备注 指导教师意见： 签字： 年 月 日 黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 摘 要 随着能源问题和环境问题的日益突出，现有车辆使用的动力方式已经不能很好的适应未来社会发展的需要。为此，电动汽车的发展得到了广泛的关注，各种类型的电动汽车也在研究和开发之中。 本研究的目的就是为了积累电动客车相关方面的技术，主要对电动汽车进行了总体设计研究，其中包括：分析了部分电动机的优缺点，选择永磁直流电动机作为动力源；对电动汽车的动力性进行了分析，通过最高车速、最大爬坡度和加速时间校核了电动机的性能；介绍了部分蓄电池的性能特点，选择铅酸蓄电池作为能量源；对电动机的控制策略进行了研究，提出蓄电池 管理系统总体结构和各部分功能，并对蓄电池组电压、电流、温度和均衡充放电模块进行了总体设计研究；对整车再生制动的结构和控制进行了设计研究；讨论了电动汽车电动机及传动系统的结构和布置方案，设计了蓄电池组的布置位置和安放结构，同时对制动系统进行了初步改装设计。 关键词 ：纯电动汽车改装设计；电动机控制系统；蓄电池管理系统；再生制动 黑龙江工程学院本科生毕业设计 of t of in V an V is in of is to on a to as of C to be of of of to be of of of on a of of of in to a to EV 龙江工程学院本科生毕业设计 i 目 录 摘 要 I 1 章 绪 论 1 题的背景、目的及意义 1 内外电动汽车的现状及发展 3 设计的研究内容及预期结果 5 第 2 章 电动汽车电机技术 6 动汽车电机的分类及特点 6 动汽车对电机性能的要求 7 研究用电动机 8 动机性能计算 9 动车的使用情况及性能选择 9 动汽车的动力性 10 动机校核 11 动机驱动控制策略 13 动汽车的电机驱动控制策略分析 13 磁直流无刷电动机的控制策略 14 机 电流控制研究 14 章小结 17 第 3 章 蓄电池技术及其管理系统设计 18 电池的分类及特点 18 电池存在的问题 21 研究用蓄电池 21 电池管理系统总体设计 23 检测模块基本设计 26 压温度检测模块设计 26 黑龙江工程学院本科生毕业设计 电流检测模块设计 27 电池组的均衡 充放电设计 29 章小结 30 第 4 章 电动汽车能量回收及再生制动系统 31 动模式与能量的分析 31 生制动能量回收的重要性 33 动能量回收的约束条件 33 生制动系统结构设计 34 生制动控制策略 37 36 章小结 37 第 5 章 电动客车的总体设计 38 装布置设计注意事项 38 机与传动系统结构布置设计 38 电池组的布置及安装设计 40 电池组布置的要求 40 电池组布置设计 41 电池框架和轨道的设计 42 动系统改装设计 43 章小结 44 结 论 45 参考文献 46 致 谢 48 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章 绪 论 题的背景、目的及意义 1、普通汽车带来的问题 汽车自诞生起已有 100 多年历史，其发展速度不断加快，与人们生活的联系越来越紧密。汽车也不再是一个简单的代步和运输工具，它已成为许多人的生 活必需品和文化生活的一部分。但同时也面临着来自环境保护、能源短缺、道路交通事故等方面越来越严峻的挑战，并带来了一系列负面效应。汽车的环境公害包括汽车在生产过程中、使用中和报废后的环境大气污染、水质污染、废弃物、环境噪声、电波对人体的危害及对用电器的干扰等。汽车的环境大气污染包括两层含义：其一是汽车排放的 化物 氧化物 氯烃等使温室效应加剧、臭氧层破坏和形成酸雨等大气环境问题；其二是汽车排出的 燃碳氢化合物 粒物 而对人类 和动植物产生的危害，与此有关的汽车造成的空气污染大多数人们可以直接感受到，如在机动车道和人行道没有分开的道路上，汽车行驶扬起数米高的尘土、排气的刺鼻臭味、柴油车排出的黑烟等严重地威胁着人们的身体健康。特别是在大城市中，汽车行驶时排出的气体污染物、微粒污染物、蒸发排放物等已成为城市空气污染的主要来源。由此可见，汽车排入大气的有害污染物除使城市空气中的有害污染物增加、产生光化学烟雾和硫酸烟雾外，还导致大气臭氧层破坏、地球温暖化和酸雨的形成等。因此，就目前的情况来看，环境公害是汽车行业面临的最大挑战。 汽车面临的 挑战之二是能源供应问题。从人类对可持续发展的观点出发，人类应设法减少对有限的石油资源的消耗，并且应积极研究石油资源枯竭后汽车的能源来源。另外随着汽车保有量的增长，石油的供应日趋紧张，汽车研发和制造行业必须加大对汽车新能源的研究和开发的力度。目前世界范围内使用的主要能源有石油、煤、天然气、核能、水能、风能以及可再生能源等。虽然每年都有新的油田、气田的发现，但这些资源都是有限的，总有一天会消耗殆尽。随着世界人口的增加和生活水平的提高，人类对能源需求的增加速度很快，石油资源的枯竭速度正在加剧。 我国面临的形势也十 分严峻，国内的石油储藏量和开采量相当有限，随着汽车保有量的增加，石油需求越来越多，目前已不能自给，不足部分主要通过进口来满足。由于进口石油又与石油安全问题密切相关，所以又带来了石油安全问题。据估计，即黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 使在采用先进技术、继续节能、加速可再生能源开发利用以及依靠市场力量优化资源配置的条件下， 2010 年世界能源仍短缺 8%，到 2040 年将短缺 24%左右，其中石油短缺额可能多达数亿吨 5。 随着世界经济的持续增长和世界人口的增加、人民生活水平的提高，人均能源消耗将会高速增加，环境污染会变得更为严重。开发新的替代能源 、提高热能转换的效率和节约能源被认为是解决或缓解环境污染和保障能源供给的有效方法。 对我国及一些发展中国家而言，汽车保有量远低于发达国家目前的水平。因而汽车保有量将会在较长一段时间内持续高速增长。可以预见，我国在未来对传统的车用燃料的需求将持续大幅度增长。因此，开发不使用传统燃料的代用燃料和电动汽车、降低单位里程的燃料消耗量对缓解环境污染和保障能源供给具有重要的战略意义。 由于电动汽车具有突出的优势，特别是在环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。电动汽车使用的能源是可以用于发电 的一切能源。因此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给得到有效保障。电动汽车在解决道路交通事故方面和传统汽车相比也具有一定优势。因此，开发电动汽车是迎接汽车面临挑战的重要对策之一 2。 2、电动汽车的优点 近几年来，随着能源危机和环境污染的全球性两大突出问题日益严重，特别是随着电动汽车自身难点的不断解决，使电动汽车具有更多突出的特点 1。 （ 1） 污染低 电动汽车由电力驱动，在行驶中不排放有害气体，即使电动汽车所消耗的电力由使用石油燃料的火力发电厂提供，火力 发电厂的大气污染物主要是 据电动汽车所消耗电力折算出以火力发电来估计 不到同类型汽油车的 10%。 （ 2） 可使用多种能源 由于电动汽车使用二次电力能源，它不受石油资源的限制，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，从而可节省日渐枯竭的石油资源。而且电动车利用夜间大量富裕电力充电，有利于电网均衡负荷，减少了能源浪费，提高了电力系统整体效益。 （ 3） 效率高 电动汽车的研究表明 ，此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，电动汽车没有怠速损失，在制动时能回收能量， 80%以上的电池能量可由电动机转为汽车的动力，电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 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。即使考虑原油的发电效率，配送电效率，充放电效率等，其最终效率也比内燃机高。 （ 4） 噪声低 噪声对人的听觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫系统也是有危害的。发动机性能是影响汽车噪声、振动的重要因素。传统汽车和电动汽车相比，由动力部分引起的噪声和振动，特别 是在加速时，电动机的噪声和振动要比发动机低得多。 （ 5） 更有利于智能化 由于电动汽车已达到电气化，所以电动汽车系统中更利于采用先进的电子信息技术，提高汽车智能化程度。电动汽车的电动机控制系统，可与各个电子控制系统包括无级变速、防抱死制动系统（ 制动能量回收系统、安全气囊系统、自动空调系统等相协调，在电动汽车上实现计算机智能控制。 3、我国发展城市电动客车的优势 目前国外对电动汽车的研究还主要集中在轿车方面，虽然我们也要发展电动轿车，但是根据我国的国情和工业经济基础，优先发展电动城市客车并使之商业化、 实用化则更为重要和可行。 首先，城市客车相比于轿车来使用路线固定，停靠站点固定，而且有集中的停放场所，便于充电设施的布置，可有效解决充电设施分布广，先期资金投入大的难题 20。 其次，在我国，城市交通拥堵和汽车尾气排放问题日益严重，公共交通发展越来越受到人们的重视。城市客车的需求量将出现较快增长，优先发展电动城市客车将使我国公交车发展处于世界领先位置，增强国际竞争力，同时也能大大缓解城市交通问题，提高城市环境的和谐性和人们出行的方便性。 再次，我国的客车发展已经达到国际先进水平，在此基础上发展电动城市客车 要相对来说容易一些。同时，客车车体宽大，布置电动机、蓄电池、燃料电池和相关的设备也比较容易，成本不会太高。对轿车而言，空间有限，对电动机等部件的要求高，成本投入巨大，而且短期内不会有较大的改善。 最后，虽然电动城市客车单车的运行成本要比电动轿车的高，但是总的来看运行成本和社会效益比还是优于电动轿车，而且政府和企业也还是可以承受 1,2。 内外电动汽车的现状及发展 1、我国电动汽车发展现状 我国电动汽车发展始于上世纪九十年代。中科院电工所、上海 811 所、清华大学、上海同济大学、北京理工大学等单位， 在“ 863”计划和“十五”国家科技专项等国家项目的支持下，取得了阶段性的研究成果，培养了一支能力较强的研发队伍，人才储黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 备体系正在日趋完善。目前，我国许多科研机构、高等院校都增设了与电动汽车研发有关的机构和人员，并把电动汽车及相关零部件的研发列为重点课题，这为我国电动汽车产业的发展打下了良好的基础。 近年来，随着全球汽车工业重心开始向中国市场转移，电动汽车的产业化进程明显加快。据不完全统计，目前，我国包括比亚迪、上汽、一汽、东风、北汽、奇瑞、吉利、力帆等在内的整车企业超过 150家，包括一汽、上汽、宇通 等在内的从事混合动力客车研制和生产的厂家就有 30多家。特别是随着我国电动汽车的制造体系逐步建立，自主创新能力得到较大提升，国内许多企业已开始涉足与电动汽车相关的电池、发动机等关键零部件的研制和生产，技术水平与国际先进水平的差距正在缩小。 当前，国际金融危机不断蔓延，各国汽车企业的发展都受到很大影响，企业生存面临着极大挑战。针对这一形势，按照国务院指示，国家发展改革委组织制定了汽车工业调整和振兴规划，对我国汽车工业发展进行了全面规划部署，财政部、科技部等部门也制定了节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管 理暂行办法，推出了“十城千辆”计划等一系列国家行动方案，加大了对电动汽车的政策支持力度。在此激励政策的鼓舞下，国内汽车企业纷纷增加对电动汽车及相关零部件的研发投入，我国电动汽车产业正在进入高速发展的新阶段 1。 2、国外电动汽车发展状况和趋势 新能源汽车主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、氢动力汽车、代用燃料汽车等。通常人们所说的电动汽车主要是指混合动力汽车和纯电动汽车。目前，在众多的新能源汽车当中，电动汽车以其优越的使用性能和相对低廉的销售价格，得到了市场的广泛认可和普遍欢迎，日益成为全球 汽车工业关注的焦点，展现出良好的发展前景。 美国、日本、德国等发达国家电动汽车技术高度重视，从汽车技术变革和产业升级的战略出发，颁布制定了优惠的政策措施，积极促进本国电动汽车产业发展，以期提升本国汽车工业国际竞争力。据不完全统计，到目前为止，发达国家累计用于电动汽车的科研开发和产业化发展的资金已达数十亿美元。凭借雄厚的实力和巨额的资金投入，发达国家的汽车制造商已经在全球汽车工业新一轮竞争中占据了有利地位。特别是以丰田为代表的日本汽车企业，已经在混合动力技术方面掌握了绝对优势，并在北美等国际市场上形成了相当的 规模 16,17。 从全球主要汽车生产厂家的发展计划看，电动汽车的产业化时代正在到来。目前，“低排放”汽车 (主要指混合动力汽车 )已进入大规模产业化阶段，在全球的累计销量已超过 100万辆，“零排放”汽车 (主要指纯电动汽车 )的批量生产时间已提前到 2015黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 年，比原来预计的时间提前了 10年至 15年。特别是近年爆发国际金融危机以来，面对严峻形势，发达国家的政府纷纷出台相关政策，加快了电动汽车的发展步伐。据权威部门预测，未来 10 年，将是电动汽车产业格局形成的关键时期，电动汽车将成为拉动经济发展新的增长点 2。 设计的研究内容及预期结果 1、 针对本研究电动客车的使用条件，选择电动机，通过计算 0h 加速时间、最大爬坡度、最高车速来验证电动机性能是否满足要求。选择控制策略并对其进行研究。 2、 通过分析各种蓄电池的性能优缺点和本研究的使用条件，具体选择某型蓄电池来组成蓄电池组作为本研究电动客车的动力源。同时对蓄电池管理系统进行总体设计和研究。 3、 对整车再生制动的结构、控制策略和控制逻辑进行研究。 4、 在原车的基础上进行改装，根据原车的实际结构，研究电动机、蓄电池组和控制系统在车辆上的布置。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 第 2 章 电动汽车电机技术 动汽车电机的分类及特点 电动汽车电动机可分为交流电动机、直流电动机、交 /直流两用电动机、控制电动机 （ 包括步进、测速、伺服、自整角等 ） 、开关磁阻电动机及信号电动机等多种。适用于电力驱动的电动机可分为直流电动机 （ 将直流电能转换为机械能的电动机 ） 和交流电动机 （ 将交流电能转换为机械能的电动机 ） 两大类。目前在电动汽车上已应用的和有应用前景的有直流电动机、交流感应 （ 异步 ） 电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等。 1、直流电动机 直流电动机（ 最早发明的电动机，到现在已经有 100 多年的历史。直流电动机按照励磁方式的不同可以分为：他励、并励、串励、短复励等。直流电动机的优点是：具有优良的电磁转矩控制特性，启动转矩、制动转矩大，易于快速启动、停车；调速比较方便，调速范围宽，易于平滑调速；由于磁场和电枢可以分别控制，因此控制起来比较容易，而且控制性能好；直流电动机制造技术很成熟，驱动系统价格较便宜。 直流电动机的缺点是效率较低、质量大、结构较复杂、体积大、价格高、可靠性差等。同时，直流电动机上有电刷和换向器，它们容易磨损，在高速运行时还会产生火花，严重时形成“环火”，限制了直流电动机的 转速提高 3， 10。 2、异步电动机 感应电动机（ 绕线式和鼠笼式两种类型，其具有结构简单、坚固、成本低、可靠性高、转矩脉动小、噪声小、转速极限高、无需位置传感器及免维护等优点，因此得到广泛应用。 感应电动机的最大缺点是驱动电路复杂，相对永磁电动机而言，其效率和功率密度偏低，因此有被其它新型永磁电机逐步取代的趋势 21。 3、永磁无刷电动机 永磁无刷直流电动机因为没有碳刷与换向器，所以没有维修与保养的需要；由于采用永磁转子，所以没有励磁损耗的问题。与其他电动机相比其特点有：一是低频转矩大，启动转矩 可以达到额定转矩的两倍或更高。二是转速弹性大，运转精度高，并且不受电压与负载变动的影响。三是结构简单牢固、免维修或少维护、运转费用更低，没有保养维修的烦恼。四是永磁无刷直流电动机尺寸小、质量轻，具有很高的功率密黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 度。五是综合效率高，明显高出有刷直流的效率及欧盟 永磁无刷直流电动机的主要不足是励磁不能控制，因此永磁电动机不能得到类似于绕线直流电动机的工作特性。另外，控制系统较为复杂。 4、开关磁阻电动机 开关磁阻电动机（ 有高起动转矩、低起动电流；高效率、低损耗、耐温；电动机结构简单 ，适应于高速运转；功率电路简单；可靠性好；良好的适应性、低成本等优点。 但是开关磁阻电动机又有转矩有脉动；振动和噪声较大；驱动控制系统复杂，控制器价格高；在高峰和高峰电流时容易产生电磁兼容性问题等缺点。当前在电动汽车上的应用极少 3,21。 5、各种电动机的性能比较 3 表 各种电动机的性能比较 项 目 直流电动机 异步电动机 开关磁阻电 动机 永磁无刷电 动机 转速范围（ r/ 4000200015000 4000率密度 低 中 较高 高 功率因数（ %） 8200值效率（ %） 85455荷效率（ %） 80087载能力（ %） 200 3000000 恒功率区比例 1:5 1:3 1:动机质量 重 中 轻 轻 电动机外形尺寸 大 中 小 小 可靠性 一般 好 好 优良 结构的坚固性 差 好 优良 一般 控制操作性能 最好 好 好 好 控制器成本 低 高 一般 高 动汽车对电机性能的要求 汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速、停车等。在低速或爬坡时需要高转矩，在高速行驶时需要低转矩。电动机的转速范围应能满足汽车从零到最大行驶速度的要求，即要求电动机具有高的比功率和功率密度。电动汽车电动机应满足的主要要求可归纳为如下 10个方面 : 1、 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。工作电压由 74 V 提高到 的 500 V;在尺寸不变的条件下，最高功率由 33 0 大转矩由 350 N 8 提高到 400m。可见，应用高电压系统对汽车动力性能的提高极为有利。 2、 转速高。电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到 8 000 一 12 000 r/转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低 整 车的 整 备质量。 3、 质量轻，体积小。电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低电动机的质量，各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。电动汽车驱动电动机要求有高的比功率 (电动机单位质量的输出功率 )和在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率，以实现降低车重，延长续驶里程 ;而工 业驱动电动机通常对比功率、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。 4、 电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。电动机应具有自动调速功能，以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。 5、 电动汽车驱动电动机需要有 4一 5倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求，而工业驱动电动机只要求有 2倍的过载就可以了。 6、 电动汽车驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电动机 协调运行，而工业驱动电动机只要求满足某一种特定的性能。 7、 电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。 8、 电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。电动汽车的各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到 300 V 以上，因此必须装备高压保护设备以保证安全。 9、 能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并在运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作。 10、 结构简单 产，使用维修方便 ， 价格便宜等。 研究用电动机 永磁直流电机控制简单 ，通过 控制，实现无级调速，调速性能优良，因而广泛应用于我国工业控制领域。本研究基于降低研究和开发成本，缩短研究周期的角度，选择包头永磁电机研究所研制的额定功率为 60 磁直流电机作为驱动电机。 永磁直流电动车电机是专为电动汽车及混合动力电动汽车研制的驱动电机，该电机的定子采用高性能钕铁硼永磁材料励磁，转子为大气隙结构；具有能量转换效率高且高效区宽广、体积小、重量轻、换向性能好、电刷寿命长等优点，同时还有控制系统简单、成本低、可以降低整车成本的优点，在不少国内研究的电动汽 车上都得到了应用。其外型如图 给出了电机的主要性能参数。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 图 研究用的永磁直流电机 表 磁直流电机技术参数 电机型号 源电压 V 384 额定电压 V 350 最高电压 V 384 额定功率 0 最大功率 00 额定转速 000 最大转速 500 额定效率 % 92 最大转矩 000 工作制 2量 00 动机性能计算 动车的使用情况及性能选择 由 于条件的限制，在电动汽车开发时必须提出合理而且恰当的整车动力性能指标，从而能够更好的选择动力电动机和动力蓄电池，及相关的其他设备。以市区使用的电动公交车为例，结合市区道路的特点可以提出电动公交车的动力性能指标如下：最高车速 70km/h； 0 50km/h 加速时间 25s；最大爬坡度 15%7。 本课题所选车型为中型客车，载员人数为 61人，主要用于城市之内的乘客运输工作，这就对车辆的动力性能有较高的要求，具体来说就是最高车速不能太低，一般要求在 7090km/h 之间；同时，车辆要有一定的爬坡能力，爬坡能 力不能低于 16%；对加速能力的要求是 050km/h，加速时间不大于 25s。 图 海申沃客车有限公司 生产的 表 图 本研究用的中型城市客车 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 表 本研究用中型城市客车的基本参数配置 型号 申沃牌 车总质量（含成员） 3500 车长 436 车宽 420 车高 980 轴距 500 底盘型号 胎规格 定载客 (含 驾驶员 )(人 )： 61/28装后总质量（含乘员，估计）4500 动汽车的动力性 除了特别全新设计的电动汽车以外，现有的电动汽车在外型上与普通的内燃 机汽车没有什么区别。它们都是采用通过橡胶轮胎来与地面相接触，相互作用，从而产生驱动力驱动车辆前进，在力学原理上不存在本质的区别。电动汽车在行驶时，由蓄电池组对电动机提供电能，由电动机将电能转换为机械能，用以克服各种阻力，驱动电动汽车行驶。 1、电动汽车驱动力 电动机发出的扭矩 经过传动系传到驱动轮上，通过与地面的作用转变为驱动力 N），对保留有变速器和主减速器的电动汽车有 关系式： 0 （ 其中： r 是车轮的滚动半径（ m） 11。 2、电动汽车行驶方程 电动汽车行驶受力如图 示。电动汽车在路面上行驶时受到滚动阻力 空气阻力 加速阻力 重力沿道路坡面方向的分力 坡道阻力 图 动汽车行驶受力图 电动汽车的驱动力要与行驶总阻力平衡，因此有： （ 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 公式（ 可以具体写为： m （ 其中： G 表示车辆总重力（ N）， f 表示滚动阻力系数， 表示坡道与水平面的夹角（）， 示车辆的空气阻力系数， A 表示车辆的迎风面积（ m ）， 示车辆的行驶速度（ km/h）， 表示汽车旋转质量换算系数， 1 ， m 表示车辆的质量（ 11。 3、电动汽车功率平衡方程 电动汽车行驶时，不仅驱动力和 行驶阻力互相平衡，电动机的功率和电动汽车行驶的阻力功率也总是平衡的。 电动汽车运动所消耗的功率有滚动阻力功率 空气阻力功率 坡道阻力功率 及加速阻力功率 这样就得到电动汽车行驶功率平衡方程式 11： T1( （ 经过单位换算整理得电动汽车功率平衡方程式为： T1( 3600 3600 76140 3600m （ 动机校核 根据前面所给出的永磁直流电机的技术参数和对电动汽车所作的动力性分析，可以通过对电动汽车的加速时间、最大爬坡度和最高车速等性能指标进行校核是否能达到设计要求，来检验所选电机性能是否满足要求。表 出了与校核计算有关的电动汽车传动 系的参数。 表 动汽车传动系相关参数 主减速比 速器变速比 一挡 挡 f 挡 r 挡 挡 1 挡 龙江工程学院本科生毕业设计 12 1、最高车速要求校核 根据设计期望的最高车速（ 70km/h），可以进行电机的最大功率的计算 ，从而验证所选电动机的功率是否达到要求。在电动汽车以最大车速行驶时，没有加速度，也就没有加速阻力，也可以忽略坡道阻力，公式（ 以化为： T1（ 3600 76140 (相关参数由表 中 T = 14500f = 70km/h, (703 6 0 0 5 0 0 370761404 ) = 计算，要达到最高车速 70km/于所选电动机的 60以电动机功率满足要求。 2、加速时间要求校核 在平直路面上，坡道阻力等于 0，滚动阻力中的 ，电动汽车由静止加速到 导有： = m1 （ f - (则加速时间可由下式计算： t = 00 00 (在通常情况下，起步加速时车速较低，空气阻力可以忽略不记，所以又可以写 为 t = 00 00 (为了提高电动汽车的加速能力，对电动机采用恒转矩控制即电动汽车以 1000大转矩加速。相关参数由表 表 出，其中 = m = 14500f = t = 00 5 0 01 4 5 0 17 经计算，本研究电动汽车 0 至 50 km/7 s，从而加速能力满足要求。 由公式（ 以推导出爬坡度计算公式 黑龙江工程学院本科生毕业设计