電動汽車畢業(yè)設計

南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）1畢業(yè)論文電動汽車控制設計新能源的利用系別自動控制系班級電氣化0941姓名王發(fā)志指導老師冀俊茹2011年10月南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）2前言隨著世界環(huán)境的污染、全球石油危機日益嚴重而帶動的石油價格不斷上漲給汽車工業(yè)帶來了不可忽視的沖擊，也增強了人們開發(fā)新能源的意識，而新能源汽車更是人們關注的一大焦點。目前電瓶式純電動汽車以噪音小、耗能低、無污染、成本低、結構簡單而成為新能源汽車發(fā)展的主流，世界很多國家都投入了大量的人力、財力去開發(fā)電動汽車。本文主要圍繞電動汽車的電動機以及目前普遍使用的電動車控制系統(tǒng)主要參數(shù)作出分析，例如轉速與轉矩的關系、轉速與功率的關系、功率與轉矩的關系以及傳動比、蓄電池的比能量等，設計出合理的電動車動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。本文主要采用電動機的轉矩、轉速、功率；電動機的主要調速方式進行分析。關鍵詞電動機發(fā)動機轉矩變頻調速交流電動機目錄南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）3前言2第一章電動汽車構造與原理5第一節(jié)電動車的種類5第二節(jié)蓄電池電動車7第三節(jié)燃料電池電動車9第二章電動車動力及控制系統(tǒng)設計11第一節(jié)電動車驅動電機種類11第二節(jié)直流驅動電動機與控制14第三節(jié)交流驅動電動機與控制16第三章我國電動汽車的缺點與發(fā)展20第一節(jié)我國電動汽車的缺點20第二節(jié)電動汽車的發(fā)展趨勢21結束語23參考文獻24致謝言25附錄26電動汽車控制設計南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）4新能源的利用汽車工業(yè)的告訴發(fā)展，汽車帶來的環(huán)境污染、能源短缺、資源枯竭和安全等方面的問題越來越突出。為了保持國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，保護人類居住環(huán)境和能源供給，各國政府不惜巨資，投入大量人力、物力，尋求解決這些問題的各種途徑。我國面臨的形式也十分嚴峻，國內的石油儲藏量和開采量相當有限，隨著汽車保有量的增加，石油需求越來越多，目前已不能自給，不足部分主要通過進口來滿足，而且每年成遞增趨勢。由于電動汽車具有突出的環(huán)保方面的優(yōu)勢，使得電動汽車的開發(fā)和研究成為各國開發(fā)綠色汽車的主流。電動汽車使用的能源是可以用與發(fā)電的一切能源。因此使用電動汽車可以擺脫汽車對化石燃料的依賴，改善能源結構，使能源供給多樣化，使能源的供給有保障。電動汽車在解決道路交通事故方面和傳統(tǒng)汽車相比也具有一定優(yōu)勢。因此，開發(fā)電動汽車是迎接汽車面臨挑戰(zhàn)的重要對策之一。電動汽車具有良好的環(huán)保性能和可以以多種能源為動力的顯著特點，即可以保護環(huán)境，又可以緩解能源短缺和調整能源結構，保障能源安全。目前發(fā)展電動汽車已成為各國政府和汽車行業(yè)的共識，電動汽車的研發(fā)已成為汽車行業(yè)的熱點。因此，無論是從設計、研究和開發(fā)的觀點，還是從實用的角度來看，了解和掌握電動汽車技術的社會需求會越來越大。第一章電動汽車構造與原理南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）5第一節(jié)電動車的種類電動汽車的分類，如圖11電動汽車類純電動汽車混合動力汽燃料電池汽鉛酸蓄電池鈉硫電池鎳鋅電池空氣電池鋰離子電池內燃機電池燃料電池蓄燃料電池電蓄電池電容蓄電池燃料電池儲能器電容飛輪H2燃料電池甲醇燃料電重燃料電池純電動汽車車是以車載電源為能源的汽車，又稱為EV。目前純電動汽車主要有蓄電池電動車和燃料電池電動車。蓄電池電動車是由充電式蓄電池為能源的電動車。目前這種電車普遍使用的電池一般都是鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池又有很多種類，常見的有個干呵電式蓄電池、濕荷電式蓄電池、閥控式蓄電池、免維護蓄電池、膠體蓄電池、水平板式蓄電池等。動力部分廣泛使用的是直流串勵電動機和直流他勵電動機，這種電機啟動轉矩大，具有“軟“的機械特性，與汽車的行駛特性非常相符。但直流電動機由于存在換向火花，比功率較小、效率較低，控制電流大，維護保養(yǎng)工作量大，南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）6隨著電機技術和電機控制技術的發(fā)展，勢必逐漸被直流無刷電動機（BCDM）、開關磁阻電動機（SRM）和交流異步電動機所取代。燃料電池電動車目前使用的較少，因為燃料電池由于技術還不成熟其結構復雜，價格昂貴等缺點而限制了其適用范圍，不過燃料電池轉換效率高、無污染、運行噪聲低、續(xù)駛里程長、無需充電時間（加氫式）等優(yōu)點被電動車未來的發(fā)展所看好。其動力和控制部分除了電池組部分有所不同外其他都大同小異。第二節(jié)蓄電池電動汽車南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）7121蓄電池電動汽車的主要結構加速器控制器電池接觸器電動機變速器/差速器車輪蓄電池電動車是由動力蓄電池向電動機供電從而驅動汽車行駛，是目前運用最廣泛的電動車，其結構主要由動力蓄電池（車載電源）、控制器、接觸器、控制電路、附加電路、DC/DC、DC/AC、電動機、變速器、附加電器、車身等組成。蓄電池電動車是由多個動力蓄電池串聯(lián)組成的電池組為電動車供電，電池組一般是36V400V的直流電源，為了便于向一些低壓用電設備供電，動力電池組還有DC/DC轉換器。動力電池組采用并聯(lián)或者串聯(lián)的方式進行組合，在EV（電動汽車）上占據(jù)很大一部分有效的裝載空間，在布置上有相當?shù)碾y度，通常有“集中”布置和“分散”布置兩種形式。控制器是電動車大腦，它控制著電池電量的輸出、電動機的轉速、轉向、過載保護、能量反饋等等，目前使用的控制器分為兩大類直流控制器和交流控制器。直流控制器使用比較廣泛的是串勵電機控制器和他勵電機控制器，在是使用方面也都有各自的優(yōu)勢。交流控制器現(xiàn)在在技術上也有了很大的提高，不如變頻調速，不過由于成本高所以在使用范圍上收到了很大限制。電動機是整個電動車的動力輸出部分，就像汽車的發(fā)動機?，F(xiàn)在電動車上使用的電動機以直流電動機為主流，交流電動機目前在電動車上還沒有得南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）8到廣泛應用。直流電機在電動車上應用最廣泛的主要有串勵電機和他勵電機。交流電動機的使用還是以三相交流異步電動機為主。122電動車原理1、蓄電池有關電池的常見術語放電電池向外電路輸送電流的過程。放電容量電池在規(guī)定條件下的放電電量或有效工作時間。儲存壽命電池在規(guī)定條件下儲存結束時，電池仍能保持規(guī)定的性能和儲存期限。電池極端電池連接外電路的部件。電動勢組成電池的兩個電極的平衡電位差。放電率放電率指放電是的速率，通常用“時率”和“倍率”表示。充電將外電路輸入蓄電池的電能轉換為化學能儲存起來的操作過程。充電率蓄電池在規(guī)定的時間內充到額定容量所需的電流值。恒壓充電充電時保持充電器端電壓不變的一種充電方法。恒流充電充電時保持充電電流不變的一種沖電方法。極化極化是電池由靜止狀態(tài)即電流為零轉入工作狀態(tài)產(chǎn)生的電池電壓、電極電為的變化現(xiàn)象。上一節(jié)我們說過，目前電動車上普遍使用的電池一般還都是鉛酸蓄電池，但是這種電池有普通電池還有很大區(qū)別。動力鉛酸蓄電池既要求有瞬時大電流南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）9放電特點，又要求鉛酸蓄電池有持續(xù)大電流放電的能力。123驅動電機和驅動系統(tǒng)驅動電機是EV的動力裝置，這也是EV與內燃機汽車的根本區(qū)別之處。現(xiàn)代EV所采用驅動電機主要是交流電動機、永磁電動機、和開關阻尼電動機等。電動車驅動系統(tǒng)由驅動電動機和驅動操縱系統(tǒng)共同組成，隨著電動車結構形式不同，采用了不同驅動系統(tǒng)。電動車的驅動系統(tǒng)由集中驅動系統(tǒng)和輪轂驅動系統(tǒng)兩驅動系統(tǒng)。電動車的驅動系統(tǒng)總布置形式有以下幾種（1）傳統(tǒng)驅動模式（2）電動機驅動橋組合式驅動系統(tǒng)（3）電動機驅動橋整體式驅動系統(tǒng)（4）輪轂電動機分散驅動系統(tǒng)第三節(jié)燃料電池電動汽車131燃料電池電動汽車的構成燃料電池電動汽車的外形和內部空間與普通內燃機汽車幾乎沒什么差別，特別是燃料電池電動轎車與普通內燃機轎車的外形無任何區(qū)別。單憑外形是無法區(qū)分燃料電池汽車與普通內燃機汽車的。燃料電動汽車與傳統(tǒng)汽車南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）10不同之處在于動力系統(tǒng)。燃料電池電動汽車的動力系統(tǒng)主要由動力控制單元、電動機、電池組、燃料箱、儲能裝置及燃料加入口等組成。燃料電池電動汽車的動力系統(tǒng)組成是很復雜的，主要組成為燃料系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、控制器、燃料電池組、蓄電池、DC/DC轉換器、DC/AC逆變器、電動機或發(fā)電機及驅動齒輪等。132燃料電池電動汽車的種類雖然燃料電池汽車的歷史并不長，但由于燃料電池汽車具有突出的環(huán)保、節(jié)能優(yōu)勢，各種各樣結構的燃料電池汽車不斷問世。為了便與區(qū)分各種燃料電池汽車的結構特征，對燃料電池汽車進行科學的分類是十分必要的，目前常見的方法有三種。1、是根據(jù)汽車是否帶有儲能設備（如蓄電池、飛輪等）分類，據(jù)此可把燃料電池汽車分為純燃料電池汽車和混合（復合）式燃料電池汽車。2、根據(jù)燃料特點把燃料電池汽車分為直接燃料電池汽車和重整燃料電池汽車。3、分句燃料氫的儲存方式的不同可以把燃料電池汽車分為壓縮氫燃料電池汽車、液氫燃料電池汽車和合金吸附氫燃料電池汽車三種。134燃料電池電動汽車的驅動形式驅動電機及其控制系統(tǒng)是燃料電池汽車的心臟，它的主要功能是使電能轉變?yōu)闄C械能，并通過傳統(tǒng)系統(tǒng)將能量傳動到車輪驅動車輛行駛。其基本構成有兩個部分電機及控制器。電機由控制器控制，是一個將電能轉變?yōu)闄C械能的裝置。控制器的作用是將動力源的電能轉變?yōu)檫m合于電南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）11機運行的另一種形式的電能，所以控制器本質上是一個電能變換控制裝置。目前，燃料電池可以采用的電機驅動系統(tǒng)有直流電機驅動系統(tǒng)、異步電機驅動系統(tǒng)、同步電機驅動系統(tǒng)和開關磁阻電機驅動系統(tǒng)。第二章電動車動力及控制設計第一節(jié)電動車驅動電機種類211電動車電機的分類電動機是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能的轉換或傳遞的一種電磁裝置。電動機也稱（俗稱馬達），在電路中用字母“M”（舊標準用“D”）表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。電動機可分為交流電動機、直流電動機、交/直流點動機、控制電動機、開關、磁阻電動機及信號電動機等多種。適用于電力驅動的電動機可分為直流電動機和交流電動機兩大類。目前在電動汽車上已應用的和應用前景的有直流電動機、交流感應電動機、永磁無刷電動機、開關磁阻電動機等。212電動車驅動電機電動汽車由電動機驅動，電動機是電動汽車的關鍵部分。要使電動汽車具有良好的使用性能，驅動電機應具有較寬的調速范圍及較高的轉速、足夠大的啟動扭距，還要具有體積小、質量輕、效率高且具有動態(tài)制動性強和能南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）12量回饋的性能。213電動汽車對電動機的基本要求電動汽車的運行，與一般的工業(yè)應用不同，非常復雜。因此，對驅動系統(tǒng)的要求是很高的，主要有1高電壓。在允許的范圍內，盡可能采用高電壓，可以減小電動機的尺寸和導線等裝備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本。工作電壓由THS的274V提高到THSB的500V在尺寸不變的條件下，最高功率由33KW提高到50KW,最大轉矩由350N“M提高到400ON“M。可見，應用高電壓系統(tǒng)對汽車動力性能的提高極為有利。2轉速高。電動汽車所采用的感應電動機的轉速可以達到8000一12000R/MIN，高轉速電動機的體積較小，質量較輕，有利于降低裝車的裝備質量。（3）質量輕，體積小。電動機可通過采用鋁合金外殼等途徑降低電動機的質量，各種控制裝置和冷卻系統(tǒng)的材料等也應盡可能選用輕質材料。電動汽車驅動電動機要求有高的比功率電動機單位質量的輸出功率和在較寬的轉速和轉矩范圍內都有較高的效率，以實現(xiàn)降低車重，延長續(xù)駛里程而工業(yè)驅動電動機通常對比功率、效率及成本進行綜合考慮，在額定工作點附近對效率進行優(yōu)化。4電動機應具有較大的啟動轉矩和較大范圍的調速性能，以滿足啟動、加速、行駛、減速、制動等所需的功率與轉矩。電動機應具有自動調速功能，以減輕駕駛員的操縱強度，提高駕駛的舒適性，并且能夠達到與內燃機汽車加速踏板同樣的控制響應。南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）135電動汽車驅動電動機需要有4一5倍的過載，以滿足短時加速行駛與最大爬坡度的要求，而工業(yè)驅動電動機只要求有2倍的過載就可以了。6電動汽車驅動電動機應具有高的可控性、穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)性能，以滿足多部電動機分馬力電動機協(xié)調運行，而工業(yè)驅動電動機只要求滿足某一種特定的性能。7電動機應具有高效率、低損耗，并在車輛減速時，可進行制動能量回收。8電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)的安全性應達到有關的標準和規(guī)定。電動汽車的各種動力電池組和電動機的工作電壓可以達到300V以上，因此必須裝備高壓保護設備以保證安全。9能夠在惡劣條件下可靠工作。電動機應具有高的可靠性、耐溫和耐潮性，并在運行時噪聲低，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作。10結構簡單適合大批量牛產(chǎn)，使用維修方便價格便宜等。第二節(jié)直流電動機與控制直流電動機具有較好的軟機械特性在電動車上得到了廣泛的應用，其調速方式是通過改變勵磁繞組電流的大小來控制電動機的轉速。換向則是通過換向接觸器改變勵磁繞組電流的方向從而達到電動機翻轉的目的。南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）14221直流電動機的基本構造直流電動機主要由靜止的定子和旋轉的轉子組成。定子由主磁極、換向極、電刷裝置和機座組成。主磁極鐵芯上套有線圈，通入直流勵磁電流便會產(chǎn)生磁場，即主磁場。換向極也由鐵芯及套在上面的線圈組成，其作用是產(chǎn)生附加磁場。以減弱換向片與電刷之間的火花，避免燒蝕。機座除作電動機的機械支架外，還作為各磁極間磁的通路。轉子由轉子鐵芯、轉子繞組、換向器、軸和風扇組成。轉子鐵芯用來安裝轉子繞組，并作為電動機磁路的一部分。轉子繞組的主要作用是產(chǎn)生感應電動勢并通過電流，以產(chǎn)生電磁轉矩。換向器由換向片組成，換向片按一定規(guī)律與轉子繞組的繞組元件連接。222直流電機的控制1直流串勵電動機直流串勵電動機具有較好的軟機械特性在電動車上得到了廣泛的應用，其調速方式是通過改變勵磁繞組電流的大小來控制電動機的轉速。換向則是通過換向接觸器改變勵磁繞組電流的方向從而達到電動機翻轉的目的。串勵電動機的特點1、電樞線圈與勵磁線圈串聯(lián)2、電樞電流與勵磁電流相同3、在換向結構中需安裝換向接觸器，依靠控制器外圍接線，改變勵磁電流方向完成換向。4、無再生制動，釋放加速器，一般只能滑行，無平滑制動；只能反接制動，能量通過電機發(fā)熱消耗，對電機損傷較大5、轉矩和速度曲線固定，無調節(jié)空間，控制器必須與電機相匹配，無南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）15法根據(jù)需要選擇速度和轉矩。3直流他勵電動機直流他勵電動機的調速方式一般采用改變電動機電樞的供電電壓來控制電動機的轉速。換向則可以由控制器直接控制電動機的正反轉。他勵電動機的特點1、勵磁線圈與電樞線圈各自獨立，便于換向，勵磁電流小于電樞電流，優(yōu)越的制動性能。2、無需換向接觸器，降低系統(tǒng)成本；減少活動部件；依靠控制器內部“MOSFETS”改變勵磁電流方向完成換向；3、再生制動釋放加速器，自發(fā)平滑制動；降低電機發(fā)熱，延長使用壽命；無需再生制動接觸器，降低成本，減少活動部件。4、在選擇轉矩和速度曲線之間有更大的空間，控制器必須與電機相匹，滿足爬坡所需的速度和轉矩。第三章我國電動汽車的缺點與改進我國電動汽車雖然發(fā)展的速度很快，但是相比起來還是存在許多缺點的，比如電池的使用壽命電池的調節(jié)系統(tǒng)與評價系統(tǒng)等很多方面都是需要改進的。南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）16第一節(jié)我國電動汽車的缺點1、續(xù)駛里程目前市場上使用的電動汽車一次充電后的續(xù)駛里程一般為100300KM，并且這個數(shù)字通常還需要保持適當?shù)男旭偹俣燃熬哂辛己玫碾姵卣{節(jié)系統(tǒng)才能得到保證，而絕大多數(shù)電動汽車在一般行駛環(huán)境下的續(xù)駛里程只有50100KM。比起傳統(tǒng)燃油汽車而言，電動汽車的較短續(xù)駛里程成為其致命的弱點。2、蓄電池使用壽命太短普通蓄電池充放電次數(shù)僅為300400次，即使性能良好的蓄電池充放電次數(shù)也不過700900次，按每年充放電200次計算，一個蓄電池的壽命最多為4年，與燃油汽車的壽命相比太短。另外，不同類型的電池在性能方面都有各自的優(yōu)勢和不足。例如，鉛酸電池成本低，原材料豐富且易于回收，但續(xù)駛里程短、加速動力差且壽命短。鎳鎘電池加速動力足、壽命較長，但其成本高、可回收性差。鈉硫電池的比能量較高，能夠提供較長的續(xù)駛里程，但它要求的工作環(huán)境較苛刻，且其活性物質具有強腐化性并易爆炸。就整體來看，成熟電池的壽命都相對較短。3、蓄電池尺寸和質量的制約現(xiàn)有電動汽車所使用的電池都不能在儲存足夠能量的前提下保持合理的尺寸和質量。如果電動汽車自身裝備質量大，就會影響加速性能和最大車速南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）17的提高。4、電動汽車價格昂貴主要是電池技術復雜，成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技術，致使電動汽車的造價居高不下。電動汽車蓄電池的價格約為100美元KWH，甚至有的高達350美元KWH，成本太高，用戶難以承受。第二節(jié)電動汽車的發(fā)展1、純蓄電池驅動的超微型汽車這種汽車降低了汽車的動力性和續(xù)駛里程的要求，充電過程比較簡單，車速不高較適合于市內或社區(qū)小范圍內使用。由于多數(shù)采用了鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等高性能電池，車輛性能較有保證，已進人小批量試生嚴階段。比如，日本的HYPERMINI采用了高性能鋰離子電池，最高時速為90KM，一次充電可行駛115KM是一款適合未來城市道路行駛的家庭轎車。2、驅動電機呈多樣性發(fā)展美國傾向于采用交流感應電機，其主要優(yōu)點是結構簡單、可靠，質量較小，但控制器技術較復雜；日本多采用永磁無刷直流電機優(yōu)點是效率高起動扭矩較大，質量較小，但成本較高，且有高溫退磁、抗振性較差等不足；德國、英國等大力開發(fā)開關磁阻電機，優(yōu)點是結構簡單、可靠成本較低缺點是質量較大，易于產(chǎn)生噪聲。目前我國也研制成了稀土永磁無刷直流電機和開關磁阻電機電動機的使用尚無定論，有待今后在使用中考驗。3、混合動力汽車南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）18由于受到蓄電池性能的嚴重制約使純蓄電池型電動汽車的產(chǎn)業(yè)化進程舉步維艱，于是混合動力汽車成了內燃機汽車和電動汽車之間的過渡產(chǎn)品，既充分發(fā)揮了現(xiàn)有內燃機技術優(yōu)勢，又盡可能發(fā)揮電機驅動無污染的優(yōu)勢?；旌蟿恿ζ噷F(xiàn)有內燃機與一定的儲能元器件通過先進控制系統(tǒng)相結合，可以大幅度降低油耗，減少污染物排放，同時技術成熟、價格便宜。燃料電池汽車燃料電池汽車在成本和整體性能上，特別是行程和補充燃料時間上明顯優(yōu)于其他電池的電動汽車，開且燃科電池所用的燃科甲醇、汽油、柴油、天然氣等來源廣泛，又可再生，并可實現(xiàn)無污染、零排放等環(huán)保標準。所以燃料電池轎車已成為世界各大汽車公司21世紀初激烈競爭的焦點。日本東洋經(jīng)濟報道“當代技術革命將徹底改變2L世紀汽車業(yè)的面貌，這一改變就是在近幾年出現(xiàn)的燃料電池車”。目前，在電動汽車的商業(yè)化運作上，無論從產(chǎn)品技術還是從市場開發(fā)方面都還面I臨許多亟待解決的問題，這就需要政府的大力支持。比如，加快制定相關技術標準，出臺對節(jié)能、環(huán)保汽車的稅費減免和補貼措施，在基礎設施建設上提供便利條件等。南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）19結束語本設計在冀老師的悉心指導和嚴格要求下業(yè)已完成，從課題選擇、方案論證到具體設計和調試，無不凝聚著冀老師的心血和汗水，在三年的大專學習和生活期間，也始終感受著導師的精心指導和無私的關懷，我受益匪淺。在此向冀老師表示深深的感謝和崇高的敬意。畢業(yè)設計，也許是我大學生涯交上的最后一個作業(yè)了。想籍次機會感謝三年以來給我?guī)椭乃欣蠋煛⑼瑢W，你們的友誼是我人生的財富，是我生命中不可或缺的一部分。大學生活即將匆匆忙忙地過去，但我卻能無悔地說“我曾經(jīng)來過。”大學三年，但它給我的影響卻不能用時間來衡量，這三年以來，經(jīng)歷過的所有事，所有人，都將是我以后生活回味的一部分，是我為人處事的指南針。就要離開學校，走上工作的崗位了，這是我人生歷程的又一個起點，在這里祝