纯电动汽车的设计

广州工程技术职业学院毕业 课题： 纯电动汽车的设计 专业： 作者： 指导老师： 1 广州工程技术职业学院毕业设计 2 摘要 由于传统汽车的能源和环境问题的日益突出，汽车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便 捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生 石油资源的依赖。没有环保就没有汽车业的未来，电动汽车以其清洁和使用可再生能源的优势，使得 对于电动汽车的研究、商业化和产业化处于日渐重要的地位。动力驱动系统作为电动汽车的重要系统， 它的传动效率对于电动汽车的能耗经济性有着重要的影响。 内燃机的发展，到今天已经相当成熟，这意味着它有一套成熟的系统、和工艺。对中国的汽 车工业而言，门槛很高。从经济角度讲，国内汽车企业对于中、高端的传统汽车技术，与其投巨资研 发不如直接购买，但也就难以摆脱永远跟在人家后面跑的局面。 业内人士指出，要从根本上解决中国汽车工业崛起的问题，强力推动电动汽车发展是一条不 得不走的出路。其理由是，相对于发达国家汽车工业，中国目前的劣势——传统内燃机技术基础的薄 弱，反而会成为优势，因为这意味着中国的历史包袱比他们更轻。此外，我国在内燃机汽车技术上距 国际先进水平有近 20 年的差距，但在电动汽车方面则全然不同，差距仅有 5 年，在某些技术上甚至 还具有局部优势。 试想，当国内的国民使用车制造专家们：奇瑞、吉利、比亚迪、长安、哈飞、夏利等汽车制造厂 都开始批量生产电动汽车的时候，价格便宜、使用成本低、家用插座就可以充电、而且环保的电动汽 车，必将满大街都是，中国汽车跑遍全世界的梦想也会因此实现。而汽车也不再是奢侈品，而是老百 姓都买得起、用得起的家用电器。 本文基于在对传统汽车改造成的纯电动汽车的基础上了其传动系统的效率问题。 关键词：电动汽车、能耗利用率、电机、应用。 广州工程技术职业学院毕业设计 3 Abstract Motor vehicles as a result of the traditional energy and environmental issues become increasingly prominent, and cars are an important means of transport in modern society, providing a convenient and comfortable travel services, vehicle fuel, however the traditional process in the use of a large amount of harmful emissions, and aggravated of non-renewable resources, dependence on oil. Eco-car industry, there would be no future for electric vehicles with its clean and use the advantages of renewable energy sources, making electric vehicles for research, commercialization and industrialization is increasingly important role. Drive systems for electric vehicles as an important system for the transmission efficiency of the energy consumption of electric vehicles have an important economic impact. The development of internal combustion engines, and today is already quite mature, which means that it has a mature system, standards and processes. China's automobile industry, the high threshold. From an economic perspective, the domestic automobile enterprises in the traditional high-end automotive technology, with its huge R & D investment as a direct purchase, but it is always difficult to shake off the others behind with the situation. The industry have pointed out that in order to fundamentally solve the problem of the rise of China's automobile industry, a strong promotion of the development of electric vehicles is a way out had to go. The reason is that the automobile industry vis-à-vis developed countries, China's current weaknesses - based on traditional internal combustion engine technology is weak, it will be advantage, because it means that China's historical burden lighter than they are. In addition, the internal combustion engine of our car from the international advanced technical level of the gap over the past 20 years, but electric vehicles in a completely different side, the gap is only 5 years, even in some technology also has the local advantage. Just imagine, when the domestic car manufacturers to use the national experts: Chery, Geely, BYD, Chang'an, Hafei, Xiali, such as automobile factory started mass production of electric vehicles, the prices cheap, the use of low cost outlet for Home can charge, and environmentally-friendly electric vehicles will be filled, the Chinese car traveled all over the world will also achieve the dream. The car is no longer a luxury, but ordinary people can afford, affordable household appliances. In this paper, based on the traditional vehicle transformed into a pure electric vehicle based on an analysis of the efficiency of its transmission system. Key words: electric vehicles, energy utilization, electrical, application. 广州工程技术职业学院毕业设计 4 目录 第一章：绪论 ...........................................................................................................................................................................5 1.1：引言 ..........................................................................................................................................................................5 1.2：电动汽车发展的必要性 ..........................................................................................................................................6 1.3：电动车基本结构： ..................................................................................................................................................6 1.4：电动汽车的效益 ....................................................................................................................................................10 1.5、电动汽车的前景 ....................................................................................................................................................10 1.6、电动汽车的经济性 ................................................................................................................................................11 第二章：改装 .........................................................................................................................................................................13 2.1：能耗经济性的评价 ...............................................................................................................................................13 2.2：能耗利用率 ...........................................................................................................................................................13 2.3：能耗利用率的改善 ...............................................................................................................................................15 2.4：蓄电池组与电机的匹配 .......................................................................................................................................15 2.5：电机与机械传动系统的匹配 ...............................................................................................................................16 第三章：设计比较与分析： .........................................................................................................................................17 3.1：设计方案 ................................................................................................................................................................17 3.2：系统分析： ............................................................................................................................................................18 3.3：系统的软件设计 ...................................................................................................................................................18 3.4：测试结果与分析： ................................................................................................................................................20 第四章：电动车的应用。 .....................................................................................................................................................21 4.1：纯电动客车 ...........................................................................................................................................................21 4.2：纯电动场地车 ........................................................................................................................................................22 结论： .....................................................................................................................................................................................24 致谢： .....................................................................................................................................................................................25 参考文献： .............................................................................................................................................................................26 附图： 所有图片请参照附图（1）、附图（2）、附图（3）、附图（4）、附图（5）。 广州工程技术职业学院毕业设计 5 第一章：绪 论 1.1:引言  汽车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使 用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生石油资源的依赖。 在能源方面，目前世界汽车保有量约 8 亿辆，并以每年 3000 万辆的速度递增，预计到 2020 年全 球汽车保有量将达到 12 亿辆，主要增幅来自发展中国家。我国汽车产销保持快速增长，2007 年汽车 产量接近 900 万辆。作为能源消费大国，我国形势更为严峻， 2007 年中国原油消费总量约为 3.5 亿 吨，其中净进口原油 1.6 亿吨，占原油消费总量的 45.7％，能源大量进口危及到国民经济正常运行和 国家能源安全。 汽车数量增加、石油需求增加 在环境方面，交通能源消耗也是造成局部环境污染和全球温室气体排放的主要原因之一。调查研 究表明，平均而言大气污染的 42%来源于交通运输。据有关部门 2002 年统计，在全国 600 多座城市 中，空气质量达到国家一级标准的城市不足 1％。 汽车环境污染 经过多年讨论和探索，国内外对于汽车工业未来发展比较一致的看法是：21 世纪是一个面临能 源和环境巨大挑战的世纪，传统燃油汽车将向高效低排放的电动汽车方向发展。 纯电动汽车听起来好像未来世界的产品，其实早在 1837 年，苏格兰人就发明了纯电动汽车。当 然，那时候电动汽车的性能不能与现在的同日而语。从那以后，研究纯电动汽车的热潮就此起彼伏。 曾经有段时间，纯电动汽车技术上停滞不前，大家对电动汽车失去信心，通用及福特就关闭纯电动汽 车的工厂。电动汽车的命运是和能源危机相反相成的，能源危机越严重，大家研究电动汽车的动力越 强。目前日益高涨的油价，又激起了汽车厂家研究纯电动汽车的激情。 纯电动汽车其实是个能下金蛋的母鸡，它不仅对电池技术起到促进作用，还带动其他一些新技术 的发展，比如电机系统、驱动系统、能源管理系统等等。 电动车辆的驱动电机属于特种电机，是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能， 驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速，足够大的启动扭矩，体积小、质量轻、效率高且有动 态制动强和能量回馈的性能。目前电动汽车所采用的电动机中，直流电动机基本上已被交流电动机、 永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。电动汽车所用的电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型 化方向发展。 除了单电机驱动电动汽车外，电动汽车可以实现四轮驱动，它为每个轮都分配轮毂电机。四轮驱 动的电动汽车可省略内燃机汽车所需的机械式操纵换挡装置、离合器、自动变速器、传动轴和机械差 速器等,因而其驱动系统和整车结构布置十分简洁,传动效率高。 借助高度发达的现代计算机控制技术,直接控制车轮转速,可实现各电动轮的电子差速和驱动防滑, 广州工程技术职业学院毕业设计 6 提高行驶与操纵稳定性。通过合理分配各电动轮的驱动力，可提高加速极限性能及恶劣路面条件下的 行驶性能。 汽车瞬时多变的运行工况需要对电机及电池进行正确控制。控制系统应该结构简单、响应迅速、 抗干扰能力强，参数变化具有鲁棒性。控制系统还应该拥有制动能量回收功能，以提高续航里程。制 动能量回收系统由超级电容或飞轮及其控制器组成，利用超级电容或飞轮吸收再生制动能量，具有非 常突出的优点。 当车辆制动时，电机工作于发电机工况，将一部分动能或重力势能转化为电能储存在超级电容或 飞轮中，由于超级电容或飞轮的功率密度大，可以更快速、高效地吸收电机回馈能量。在车辆起动和 加速时，利用双向 DC/DC 将存储的能量释放出来，协助电池向电机供电，不但增加了电动汽车一次 充电的行驶里程，而且避免了蓄电池的大电流放电，达到了节约能源、降低刹车片磨损和提高蓄电池 寿命的目的。 1.2:电动汽车发展的必要性  有鉴于此，本世纪六七十年代，电动汽车开始复苏。现在随着电力电子、控制、等技术的发 展在世界各国激发了研究、开发、应用电动汽车的热潮，可以预见电动汽车 将是 21 世纪的重要交 通工具。电动汽车具有舒适干净、噪声低、不污染环境、操作简单可靠及使用费用低等优点，被称为 绿色汽车。电动汽车技术则提供了对大气污染问题的一种解决方法，它不产生尾气排放，运行时几乎 不产生污染，是一种真正意义上的零污染汽车。唯一使电动汽车产生污染的是为电动汽车提供能量、 需要不断充电的蓄电池。而蓄电池的废弃物则主要以无机物为主，是有形的和易于收集的，人们利用 现有的成熟技术可以对其进行处理，以达到零污染排放的目的。 从汽车发展的历史来看电动汽车（EV，Electric Vehicle）其实比燃油汽车还要早诞生几年，但受 电池和驱动控制技术的局限,其发展却远远落后于燃油汽车。电动汽车是以电池为动力的汽车，与燃 油汽车有显著的区别。汽车虽给国民经济带来了发展给人类带来了方便，但也给人类带来了巨大的灾 害，42%的环境污染是来源于燃油汽车的排放，80%的城市噪声是由交通工具产生的，当今世界石油 储量日趋减少，而燃油汽车是消耗石油的大户！，因而当今汽车工业发展势必寻求低噪声、零排放、 综合利用能源的方向。 1.3：电动车基本结构：  1.3.1 电动汽车的工作原理与技术概述 电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。 电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统 由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。 蓄电池——电流——电力调节器——电动机——动力传动系统——驱动汽车行驶 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。 广州工程技术职业学院毕业设计 7 蓄电池供电给，照明系统，测量系统，驱动系统。 蓄电池通过整流和逆变器后通过变压器变压，变压器副边根据需要选择几个绕组，电压器吃来的 高频交流电整流为直流，分别给照明系统，测量系统和驱动系统供电。测量电压装置中需要测量电路 中的电压和电流（输入输出，用互感器）进行观测，还有汽车速度，电池温度等等（用传感器）。 电动车技术特点 ●无污染，噪声低 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”。众所周知，内燃机汽车废气中的 CO、HC 及 NOX、微粒、臭气等污染物形成酸雨 酸雾及光化学烟雾。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。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。 ●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。 ●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。 ●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。 1.3.2. 电源 电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱 动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展， 许多新型电池也在发展中。这些电源（电池）主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮 电池等，新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。 广州工程技术职业学院毕业设计 8 1.3.3. 驱动电动机 驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目 前电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有"软"的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。 但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机 控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BCDM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动 机所取代。 1.3.4. 电动机调速控制装置 电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电 流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。 早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其 调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车 上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电 动机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（入 GTO、MOSFET、 BTR 及 IGBT 等）斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽 车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。 在驱动电动机的旋向变换控制中，直流电动机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电动 机的旋向变换，这使得电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电动机驱动时，电动机转向的改变只 需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术， 使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。 1.3.5. 传动装置 电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动 装置的多数部件常常可以忽略。因为电动机可以带负载启动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的 离合器。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换，所以电动汽车无需内燃机汽车变速器中的 倒档。当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电动轮驱动时， 电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。 1.3.6. 转向装置 专项装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在 方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。多数电动汽 车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向 和液压助力转向等类型。 1.3.7. 制动装置 电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及其操纵装 置组成。在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发 电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。 广州工程技术职业学院毕业设计 9 1.3.8. 行驶装置 行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。它同其他 汽车的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。 1.3.9. 工作装置 工作装置是工业用电动汽车为完成作业要求而专门设置的，如电动叉车的起升装置、门架、货叉 等。货叉的起升和门架的倾斜通常由电动机驱动的液压系统完成。 电动汽车的技术内容包括： ●驱动电池技术：镍氢电池，镍镉电池，铅酸电池，钠硫电池，锂离子电池、燃料电池等，应具 有比功率和比能量高，能满足动力性和续驶里程的要求：充电时间短、充电动循环多，以方便使用和 保证寿命。 ●电机技术：主要有四种电机：直流电机、永磁电机、开关磁阻电机、交流感应电机。要求重量 轻、效率高、可靠性好。 ●驱动系统控制与集成技术：多采用单片机和功率器件配合作为控制系统，功率器件主要使用 IGBT（绝缘栅双极晶体管）。 ●电池监视与管理系统技术 ●充电系统技术 ●电动汽车整车布置及匹配技术+ 电动汽车与内燃机汽车相比有以下优点： 1、效率高——对能源的利用, 电动汽车的总效率至少在 19%以上( 采用燃料电池时效率远高于这一 数值) , 而内燃机汽车效率低于 12%, 由此可见, 电动汽车更加节能。 2、环境污染小——电动汽车排出的废气非常少甚至不排出废气, 产生的废热也明显少于内燃机汽车． 3、可使用多种能源——可直接利用电厂输出的电能, 也可以通过太阳能、化学能、机械能转化而获 得电能。 4、噪音低——即使靠近正在高速运转的电动机也不会感觉到让人不舒服的噪音, 而内燃机的噪音则 非常大。 需要改进的问题： 电动汽车尚需解决的问题:若要获得广泛的应用甚至完全替代内燃机汽车, 电动汽车还需要解决 以下问题。 广州工程技术职业学院毕业设计 10 1 蓄电池的能量密度、使用寿命还有待进一步提高。 2 充电时间需要大幅缩短, 即蓄电池要具备快速充电性能。 3 电池以及整车的安全性能。 4 配套设施需要跟进建设, 包括充电站, 未来燃料电池原料的储存与加载设备等。 1.4:电动汽车的效益  (1)污染小。纯电动汽车和燃料电池电动汽车在本质上是一种零排放汽车，一般无直接排放污染 物，间接污染物主要产生于非可再生能源的发电与氢气制取过程。其污染物可以采取集中治理的方法 加以控制；混合动力电动汽车在纯电动行驶模式下同样具有零排放的效果，同时由于减少了燃油消耗， CO2 排放可降低 30%以上。另外，电动汽车比同类燃油车辆噪声也低 5 分贝以上，大规模推广电动 汽车将大幅度降低城市噪音。 (2)节约能源。据测算，传统燃油从开采到汽车利用的平均能量利用率仅为 14%左右，采用混合 动力技术后，能量利用率可以提高 30%以上。纯电动汽车可以利用电网夜间波谷充电，提供了电网 的综合效率。 (3)优化能源消耗结构。我国已探明的石油储量仅占世界石油储量的 2～3%，从 1993 年我国成 为石油进口国。目前，我国交通运输约占石油总消耗的一半。由于电动汽车具有能源来源多元化的特 点，各种可再生能源可以转化为电能或氢能加以有效利用；同时，利用电网对电动汽车进行充电，增 加了电力在交通能源领域中的应用，减少了对石油资源的依赖，优化了交通能源构成。 1.5、电动汽车的前景  电动汽车技术当前的发展状况表现为：纯电动汽车技术成熟，在特定区域推广应用；混合动力汽 车技术渐趋完善，进入商业化推广阶段；燃料电池汽车技术处于新的突破前期，正在成为新的研发重 点。 纯电动汽车在特定区域得到应用 经历了长期发展，纯电动汽车技术逐步成熟，并在美、日、欧等国家得到商业化的推广应用。目 前世界上有近 4 万辆纯电动汽车在运行，其中法国 8000 辆，美国 7000 辆，在日本 7400 辆。主要用 在公共运输系统。 几乎所有的人都认为电动汽车是未来的发展趋势，但种种迹象表明，电动汽车离我们还是比 较遥远。毕竟每天提几公斤的电池上下楼，还可以锻炼身体，如果提几百公斤的电池上下楼，一般人 也做不到。电池的革命对电动汽车起决定性作用，看目前的发展速度，等到石油耗尽的时候，纯电动 广州工程技术职业学院毕业设计 11 汽车也就能顺其自然地接过化石燃料发动机的班。 国内电动汽车销售现状和市场前景如何？ 少量国际汽车公司的混合动力轿车已经在我国销售，主要是丰田公司的普锐斯和雷克萨斯。 在科技部863项目支持下我国自主开发的多款混合动力汽车已经在多个城市开展了5年多的示范 考核，到 2008 年 4 月已有超过 100 辆各式混合动力轿车和客车在全国 6 个城市进行商业运行，并有 部分混合动力客车出口国外。国产品牌的混合动力轿车将在今明两年面向公众销售，预计到 2010 年 我国混合动力汽车的保有量会超过 5 万辆。 我国纯电动汽车已实现批量出口，具有鲜明技术特色、深受城乡居民欢迎，用以解决私人交通工 具升级换代（替代摩托车、电动自行车）的微型纯电动汽车开始在部分地区销售和应用，并呈现出大 面积推广应用的趋势。 燃料电池汽车在我国仍处于技术开发示范阶段，在北京 2008 奥运会期间，我国开发的 3 辆燃料 电池城市客车和 20 辆燃料电池轿车将进行示范运行，其中燃料电池客车将在公交线路上进行商业运 行；2010 年上海世博会期间也将有更大数量的燃料电池汽车开展示范运行。 1.6、电动汽车的经济性 除了较高的研发费用外，新能源汽车由于采用了新的零部件，增加了其生产费用。如电动汽车使 用的高能量动力电池目前尚未大批量产业化，生产成本还较高，同时高性能电驱动系统和动力耦合系 统的制造成本也较高。随着新能源汽车大批量进入市场，其成本必将大幅度下降，与此同时，传统车 辆由于排放技术的升级其成本将会上升，最终新能源汽车价格会与传统车辆的相当。 毋庸置疑，随着纯电动汽车的技术进步，向石油驱动告别将不再是梦想。到那时，人们不必为石 油资源短缺而恐慌，更不必为燃烧汽油带来的污染而烦恼，只需将汽车插上电源，充电后的纯电动汽 车就能在洁净的道路上奔驰。 我国纯电动汽车技术走向成熟 综观纯电动汽车的发展，已有近 100 年的历史。上世纪 80 年代初期，纯电动车曾受到国外 众多汽车厂商的大力追捧，通用、福特、丰田、本田等汽车厂商纷纷开发了各自的纯电动汽车产品。 然而，当时纯电动汽车面临的最突出问题就是电池技术，电池的寿命、特性和容量都限制了车辆的性 能，也成为制约纯电动汽车技术进一步发展的瓶颈。 “现在，随着我国对纯电动汽车研发力度的加大，我国纯电动汽车在技术上已经非常成熟。”林程 介绍说，从 1994 年至今，科技部和北京市科委已经累计投入 1 亿多元，作为以北京理工大学为牵头 单位的北京市纯电动客车团队的研发费用。经过 10 多年的研究，纯电动汽车技术上的难点被一一攻 克。以纯电动汽车技术的核心问题电池为例，北京理工大学研发的纯电动汽车以前多是使用铅酸电池， 续驶里程和使用寿命短。经过研发，现在开始使用绿色环保的锂电池，锂电池和铅酸电池不一样，不 含重金属，不会对水源造成污染。而且锂电池能达到一个很高的能量存储水平，比铅酸电池高 2-3 倍。 以电池起家的比亚迪一直致力于纯电动汽车的研发。比亚迪新闻发言人在接受记者采访时 广州工程技术职业学院毕业设计 12 说：“比亚迪为纯电动车型配套的动力电池是铁电池，它不会对环境造成任何危害 ，其含有的所有化 学物质均可在自然界中被环境以无害的方式分解吸收，能够很好地解决二次回收等环保问题，是绿色 环保的电池。同时，铁电池已经过高温、高压、撞击等试验测试，安全性能非常好。此外，铁电池重 量虽较轻，但容量相当大，动力持久性非常好，而且瞬时放电量可以很大，保证了用户对车辆的要求。” 比亚迪研制的首款纯电动汽车 f3e 已在２００６年的北京国际车展上亮相。据介绍，f3e 最高时速达 150 公里，0-100km/h 加速时间只要 13.5 秒，百公里耗电 12 度，一次充电后行驶里程达 350 公里。 纯电动汽车技术的成熟，实质上也推动了我国新能源汽车技术创新体系和机制的发展，我国已建 立纯电动汽车研发的国家技术标准平台、测试检验平台、政策法规平台以及示范应用平台。目前，我 国已颁布纯电动汽车国家标准 20 项，并分别在北京、天津、上海、大连建立起电池公共检测中心(基 地)和试验平台，北京、天津等城市纷纷开展了纯电动汽车商业化试验示范运营。 广州工程技术职业学院毕业设计 第二章 改 装 本章基于在对传统汽车改造成的纯电动汽车的基础上分析了其传动系统的效率问题。 2.1 能耗经济性的评价 车辆能耗经济性评价指标是以一定车速或循环行驶工况为基础，以车辆行驶一定里程的能耗或 一定能耗行驶的里程数来评价。以动力电池为能源的纯电动汽车，其评价指标包括续驶里程、单位里 程能量消耗、单位能耗行驶里程等。本文以车载蓄电池组为考量，故在考虑能量利用效率时，不再考 虑蓄电池组的充电效率。纯电动汽车能耗经济性如图： 2.2 能耗利用率 国内对于纯电动汽车的研究大多是基于传统汽车的改造，将发动机和油箱用蓄电池和电机代替， 仍保留了变速器等传统部件。附图 1（图 1）为能量经过各主要传动部件的流程图。 电动汽车能源利用率： 式中，Ee，为电动汽车上的有效驱动能量；Eb为电池组在行驶中所消耗的总能量。 13 广州工程技术职业学院毕业设计 式中，Ge，为电动汽车的有效载重量；fs为车轮的滚动阻力系数；V为车辆行驶速度；T为车辆 行驶时间。 令 Ed为电动汽车车轮上的驱动能量，则： 式中，ηe，为电池组能量经由电机和机械传动系统到达驱动轮的能耗效率。 式中，ηc为机械传动效率；ηm为电机传动效率；ηb为电池放电效率。 ηw为电动汽车在一定工况下驱动轮上能量转化为有效驱动能量的效率。 式中，Gr为电动汽车总重力；φ为道路阻力系数；k为汽车在非稳定工况下空气阻力损失比等速 时空气阻力增加的速度；g为重力加速度；CD为空气阻力系数；A为汽车前迎风面积；δ为电动汽车 旋转质量换算系数。 为道路阻力系数，为电动汽车在道路循环中所需的驱动功与克服实际道路阻力所 做功的比值。φ=f+i,i 为车辆道路行驶坡度。 令ηε=Ge/Gt为汽车重力利用率，是汽车克服载重量所做的功和汽车的总重量所做的道路阻力功 的比。 14 广州工程技术职业学院毕业设计 为电动车驱动力利用率，是汽车克服总重量道路阻力所做的有用功与汽车驱动轮驱动力所做功的 比。在汽车等速情况下，K=1，dv/dt=0，ηd可简化为： 能耗利用率可以表示为： 从ηE的推导过程可以看出，该指标已经将蓄电池组、电机、传动系的固有特性和电动汽车的使 用条件相结合，反映了电动汽车具有的能力和实际使用效果。因此它作为电动汽车的匹配和经济性指 标，既反映了电动汽车动力传动系统的匹配情况，也反映了电动汽车的改善途径。 2.3 能耗利用率的改善 在电动汽车的蓄电池组、电机、变速器等部件选定后，在一定行驶条件匀速行驶时ηε、ηd、ηg 一定，从式(8)可以导出，要改善电动汽车的经济性，应从改善电动汽车从蓄电池经过电机和机械传 动系统的传动效率ηe着手。即要处理好蓄电池与电机、电机与机械传动系统的匹配。 2.4． 蓄电池组与电机的匹配 对于不同类型的电池，其输出电压可以表示为： Ub =Uo-RI 式中，Ub为电池放电的端电压；Uo为电池开路电压；R为电池内阻；I为电池放电电流。 实际放电过程中内阻 R是变化的，在进行理论计算中假定其为恒定的，并认为端电压亦恒定，放 电电流与电压是线性的。由此可以得到电池的放电功率 P、放电电流 I和放电效率ηb的关系图附图 1(图 2)电池功率、效率与放电电流的关系曲线图。。 从图 2可以看出电池的效率随放电电流的减少而增加，因此为有效利用蓄电池的有限资源，选 择电机的工作电流要尽量小，但是电流也不能太小以避免输出功率下降。 15 广州工程技术职业学院毕业设计 16 电流控制电抗器的结构及其在电路中的联结如附图 1（图 4） 2.5 电机与机械传动系统的匹配 电动汽车有宽广的工况范围，在城市交通中，电动汽车频繁工作的工况在中速区域。电动汽车的 电机不同于普通电机，它的工作范围非常广，通过电机控制系统可以调整电机的工作状态满足实际路 况的需要，但是电机的工作效率在不同工况下是不同的，不同类型的电机它的效率图是不同的。附图 1（图 3）为某款 PM 电机的效率图。 从附图 1（图 3)可以看出，要提高电机的工作效率，必须是电机的工况区域在高效区，即 0．8 以上的区域。要使电机的工况范围在 0．8以上的高效区域，必须合理匹配调速系统。 广州工程技术职业学院毕业设计 17 第三章:设计方案比较与分析： 3.1设计方案  3.1.1、电机调速控制模块： 方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只 能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但 电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个 方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。 方案三：采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可 调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛 采用的 PWM 调速技术。 兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。 3.1.2、PWM 调速工作方式： 方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信 号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。 方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出 PWM 信号，两 口的输出切换和对 PWM 的占空比调节决定电动机的转向和转速。 由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工 作制的小，所以我们采用了单极性工作制。 3.1.3、PWM 调脉宽方式： 调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这 种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便。 3.1.4、PWM 软件实现方式： 方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几 个 us。 方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的 误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围， 广州工程技术职业学院毕业设计 18 故采用方案二。 3.2、系统分析：  总体设计方案的硬件部分详细框图如图附图 3（3.1）所示。 键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过 P2.0 与 P2.1 其中一口输出与转速相应的 PWM 脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动 H型桥式电动机控制电路，实现电动机转 向与转速的控制。电动机的运转状态通过 LED 显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转 时数字向右移动，反转时数字向左移动。移动速度分 7档，快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。 每次电动机启动后开始计时，停止时 LED 显示出本次运转所用时间，时间精确到 0.1s。 系统的硬件电路设计与分析 电动机 PWM 驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图附图 3（3.2）。本电路采用的是基于 PWM 原理的 H型桥式驱动电路。 PWM 电路由四个大功率晶体管组成 H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据 两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的 保护作用。4个电感在电路中是起防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。 在实验中的控制系统电压统一为 5v 电源，因此若达林顿管基极由控制系统直接控制，则控制电 压最高为 5V，再加上三极管本身压降