畢業論文-微型純電動汽車總體設計與計算(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的組成包括：電力驅動及控制系統、驅動力傳動等機械系統、完成既定任務的工作裝置等。電力驅動及控制系統是電動汽車的核心，也是區別于內燃機汽車的最大不同點。電力驅動及控制系統由驅動電動機、電源和電動機的調速控制裝置等組成。電 動汽車的其他裝置基本與內燃機汽車相同 。 電源 電源為電動汽車的驅動電動機提供電能，電動機將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝置或直接驅動車輪和工作裝置。目前，電動汽車上應用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，但隨著電動汽車技術的發展，鉛酸蓄電池由于比能量較低，充電速度較慢，壽命較短，逐漸被其他蓄電池所取代。正在發展的電源主要有 鈉硫電池 、鎳鎘電池、鋰電池 、燃料電池、 飛輪電池 等，這些新型電源的應用，為電動汽車的發展開辟了廣闊的前景。 河北工業大學 2021 屆畢業論文 8 驅動電動機 驅動電動機的作用是將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝置或直接驅動車輪和工作裝置。目前電動汽車上廣泛采用直流串激電動機，這種電機具有 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，維護保養工作量大，隨著電機技術和電機控制技術的發展，勢必逐漸被直流無刷電動機（ BLDCM）、開關磁阻電動機（ SRM）和交流異步電動機所取代，如無外殼盤式軸向磁場直流串勵電動機 。 電動機調速控制裝置 電動機調速控制裝置是為電動汽車的變速和方向變換等設置的，其作用是控制電動機的電壓或電流，完成電動機的驅動轉矩和旋轉方向的控制。 早期的電動汽車上，直流電動機的調速采用串接電阻或改變電動機磁場線圈的匝數來實現。因其調速是有級的，且會產生附加的能量消耗或使用電動機的結構復雜，現在已很少采用。目前電動汽車上應用較廣泛的是晶閘管斬波調速，通過均勻地改變電動機的端電壓，控制電動機的電流，來實現電動機的無級調速。在電子電力技術的不斷發展中，它也逐漸被其他電力晶體管（入 GTO、 MOSFET、BTR 及 IGBT 等）斬波調速裝置所取代。從技術的發展來看，伴隨著新型驅動電機的應用，電動汽車的調速控制轉變為直流逆變技術的應用，將成為必然的趨勢。 在驅動電動機的旋向變換控制中，直流電動機依靠接觸器改變電樞或磁場的電流方向，實現電動機的旋向變換，這使得電路復雜、可靠性降低。當采用交流異步電動 機驅動時，電動機轉向的改變只需變換磁場三相電流的相序即可，可使控制電路簡化。此外，采用交流電動機及其變頻調速控制技術，使電動汽車的制動能量回收控制更加方便，控制電路更加簡單。 傳動裝置 電動汽車傳動裝置的作用是將電動機的驅動轉矩傳給汽車的驅動軸，當采用電動輪驅動時，傳動裝置的多數部件常常可以忽略。因為電動機可以帶負載啟動，所以電動汽車上無需傳統內燃機汽車的離合器。因為驅動電機的旋向可以通過電路控制實現變換，所以電動汽車無需內燃機汽車變速器中的倒檔。當采用電動機無級調速控制時，電動汽車可以忽略傳統汽車的變速 器。在采用電動輪驅動時，電動汽車也可以省略傳統內燃機汽車傳動系統的差速器。 行駛裝置 河北工業大學 2021 屆畢業論文 9 行駛裝置的作用是將電動機的驅動力矩通過車輪變成對地面的作用力，驅動車輪行走。它同其他汽車的構成是相同的，由車輪、輪胎和懸架等組成。 轉向裝置 轉向裝置是為實現汽車的轉彎而設置的，由轉向機、方向盤、轉向機構和轉向輪等組成。作用在方向盤上的控制力，通過轉向機和轉向機構使轉向輪偏轉一定的角度，實現汽車的轉向。多數電動汽車為前輪轉向，工業中用的電動叉車常常采用后輪轉向。電動汽車的轉向裝置有機械轉向、液壓轉向和液壓助力轉向等類型 。 制動裝置 電動汽車的制動裝置同其他汽車一樣，是為汽車減速或停車而設置的，通常由制動器及其操縱裝置組成。在電動汽車上，一般還有電磁制動裝置，它可以利用驅動電動機的控制電路實現電動機的發電運行，使減速制動時的能量轉換成對蓄電池充電的電流，從而得到再生利用 。 工作裝置 工作裝置是工業用電動汽車為完成作業要求而專門設置的，如電動叉車的起升裝置、門架、貨叉等。貨叉的起升和門架的傾斜通常由電動機驅動的液壓系統完成。 結構特點 內燃機汽車的特點是裝備有發動機、發動機控制裝置、機械式動力轉動系統、燃油箱、排氣系統等， 能量的補充方式為向燃油箱加入燃油，通常無法回收利用減速和下坡時的能量。蓄電池電動車與內燃機汽車的最大區別是動力系統的差別，傳統內燃機汽車動力系統的構造示意圖如圖所示，動力系統的起點是發動機，動力經離合器、變速器、萬向節、傳動抽、主減速器、差速器和驅動半軸傳至車輪，其能源來自燃料箱，燃料可以是柴油、汽油、液化石油氣、天然氣和醇類等，用完之后可通過加油站補充。蓄電池電動車汽車的最大特點是裝備有蓄電池、電動機、電動機控制裝置和能源管理系統等，能量的補充方式為充電，可在充電站或停車場進行，充電站使用的充電器多為快速 充電器。由于電動機被拖動時，即可發電，因 此蓄電池電動汽車一般都帶有可回收減速和下坡是能量回收（再生）系統。 純電動汽車，相對燃油汽車而言，主要差別（異）在于四大部件，驅動電機，調速控制器、動力電池、車載充電器。相對于加油站而言，它由公用超快 充電站 。純電動汽車之品質差異取決于這四大部件，其價值高低也取決于這四大部件的品質。純電動汽車的用途也在四大部件的選用配置河北工業大學 2021 屆畢業論文 10 直接相關。純電動汽 車時速快慢，和啟動速度取決于驅動電機的功率和性能，其續行里程之長短取決于車載動力電池容量之大小，車載動力電池之重量取決于選用何種動力電池如鉛酸、鋅碳、鋰電池等，它們體積，比重、比功率、比能量、循環壽命都各異。這取決于制造商對整車檔次的定位和用途以及市場界定、市場細分。純電動汽車的驅動電機目前有直流有刷、無刷、有永磁、電磁之分，再有交流步進電機等，它們的選用也與整車配置、用途、檔次有關。另外驅動電機之調速控制也分有級調速和無級調速，有采 [1]用電子調速控制器和不用調速控制器之分。電動機有輪轂電機、內轉子電機、 有單電機驅動、多電機驅動和組合電機驅動等。電機及調速控制器的選用和配制對整車檔次和價位也有影響。公用超快充電站是純電動汽車商業化的基礎設施，將它做完善到位了才能使前者暢行無憂，反之則是它的短腿，受其制約和影響，歐洲、美國電動汽之商業實踐充分說明了這點。我們對此認識到了，但行動不力。另外，充電機與車載電池之電纜連接器問題必須規范，形成電池品種、電壓分檔、快慢（功率大小）諸要素的一致，否則純電動汽車及公用超快充電站無法有效無法對接，這個產業目前白紙一張，待我們去開拓，但必須規劃、設計成型后實施，以免徒勞，以免勞命傷財。純電動汽車之四大部件及公用充電站之大型充電機，專用電纜、線纜連接器乃至計費、收費系統，這是汽車行業新的零部件，沒它們將是無米之炊，沒做到位、不完善則是短腿受其制約。同時與此相關的零部件制造商應以此形成產業鏈，共圖發展。國家發政委 “新能源汽車 公告管理辦法和實施細則 ”已于 2021 年 11 月 1 日施行。“城鎮鄉村農用（專用）電動汽車通用技術條件 ”也在醞釀過程中，純電動汽車商業化在農村已經初現雛形，我們不該視而不見。 將來符合國際和符合市場需求的純電動汽車必定遵守以下幾項： 電動車輛研發制造運營必須符合國家各項相關法規。整車、零部件性能必須滿足國家技術標準和各項具體要求。 電動車輛是以電為能源，由電動機驅動行駛的，不再產生新的污染，不再產生易燃、易爆之隱患。 電動車輛儲能用的電池必須是無污染、環保型的。且具有耐久的壽命，具備超快充電（ 23C以上電流）的功能。車輛根據用途確定一次充電之續行里程，以此裝置夠用電量的電池組，充分利用公用充電站超快充電以延長續行里程。 電動機組應 有高效率的能量轉換。剎車、減速之能量的直接利用和回收，力求車輛之綜合能源利用的高效率。根據車輛用途和行駛場合設定最高車速，且不得超過交通法規的限定值，以合理選擇電動機的功率和配置電池組容量。 車輛駕駛操作，控制簡單有效、工作可靠，確保行車安全。 機械、電氣裝置耐用少維修。車輛運營之費用低廉。 以目標市河北工業大學 2021 屆畢業論文 11 場需求為依據，提供實用、合適車型滿足之，力求做到技術、經濟、實用、功能諸方面的綜合統一。 將來產業化、商業化為用戶所歡迎的電動汽車，必定符合以下幾點特征：準確的定位、恰當的用途、宜駛的區域、最佳的效 能。合適的車型、經濟的配置。可靠的性能、便當的操控。環保的電池、耐久的壽命、夠用的電量、超快的充電、完善的網絡、到位的服務。低廉的費用、最少的維修。 技術概述 電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各項要求的車輛。它使用存儲在電池中的電來發動。在驅動汽車時有時使用 12 或24 塊電池，有時則需要更多。 無污染，噪聲低 電動汽車無內燃機汽車工作時產生的廢氣，不產生排氣污染，對環境保護和空氣的潔凈是十分有益的，幾乎是 “零污染 ”。眾所周知，內燃機汽車廢氣中的 CO、 HC 及NOX、微粒、臭氣等污染物形成酸雨酸霧及光化學煙霧。電動汽車無內燃機產生的噪聲，電動機的噪聲也較內燃機小。噪聲對人的聽覺、神經、心血管、消化、內分泌、免疫系統也是有危害的。 能源效率高，多樣化 電動汽車的研究表明，其能源效率已超過汽油機汽車。特別是在城市運行，汽車走走停停，行駛速度不高，電動汽車更加適宜。電動汽車停止時不消耗電量，在制動過程中，電動機可自動轉化為發電機，實現制動減速時能量的再利用。有些研究表明，同樣的原油經過粗煉，送至電廠發電，經充入電池，再由電池驅動汽車，其能量利用效率比經過 精煉變為汽油，再經汽油機驅動汽車高，因此有利于節約能源和減少二氧化碳的排量。 另一方面，電動汽車的應用可有效地減少對石油資源的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面。向蓄電池充電的電力可以由煤炭、天然氣、水力、核能、太陽能、風力、潮汐等能源轉化。除此之外，如果夜間向蓄電池充電，還可以避開用電高峰，有利于電網均衡負荷，減少費用。 結構簡單，使用維修方便 電動汽車較內燃機汽車結構簡單，運轉、傳動部件少，維修保養工作量小。當采用交流感應電動機時，電機無需保養維護，更重要的是電動汽車易操縱。 河北工業大學 2021 屆畢業論文 12 動力電源使用成本高 ，續駛里程短 目前電動汽車尚不如內燃機汽車技術完善，尤其是動力電源（電池）的壽命短，使用成本高。電池的儲能量小，一次充電后行駛里程不理想，電動車的價格較貴。但從發展的角度看，隨著科技的進步，投入相應的人力物力，電動汽車的問題會逐步得到解決。揚長避短，電動汽車會逐漸普及，其價格和使用成本必然會降低。 3 微型純電動車部件選擇與設計 微型電動車蓄電池系統 電動汽車目前還存在價格較高、續駛里程較短、動力性能較差等問題，而這些問題都是和電源技術密切相關的。目前制約電動汽車發展的關鍵因素是動力蓄電池不理想，對 于開發電動汽車的競爭，最重要的就在于開發車載動力電池的競爭。 對電源系統的要求如下 : (1) 高的比能量和能量密度 ； (2) 高的比功率和功率密度 ； (3) 快速充電和深度放電的能力 ； (4) 使用壽命長 ； (5) 自放電率小 , 充電效率高 ； (6) 安全性能良好 , 且成本低廉 ； (7) 免維修 ； (8) 對環境無危害 , 可回收性好。 目前國內純電動汽車使用的主要是鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池這三類。 各種主要電動車用蓄電池對比見表 1。目前能大量生產供應的只有鉛蓄電池和鎘鎳蓄電池。由于鎘鎳電池性能價格比不如鉛 蓄電池而且存在鎘污染，性能優良的 MHNi電池有可能很快進入市場。本文將重點討論鉛蓄電池、 MHNi、鋰離子及鈉氯化鎳蓄電池的進展情況。質子交換膜燃料電池（ PEMFC）是唯一可以在性能上與燃油汽車競爭的電池，本文將介紹其最近發展情況情況。 表 1 各種主要電動車用蓄電池對比 河北工業大學 2021 屆畢業論文 13 能 電池種類 比能量 Wh/kg 能量密度 Wh/L 比功率 W/kg 循環壽命 (次 ) 價格 (相對 ) 商品化 程度 鉛酸 鎘鎳 MHNi NaNiCl2(ZEBRA) 鋰離子 35 50 65 86 100 90 80 135 132 170 150 200 150 157 300 500 1000 1000 1000 1200 100 500 400 500 1000 大量生產 大量生產 試制 中試 試制 研究顯示，鋰電池將是未來動力電池的發展方向，鋰離子電池的比容要好于鎳氫電池，具有重量輕、儲能大、功率大、無污染（也無二次污染）、壽命長、自放電系數小、溫度適應范圍寬泛等優點，其壽命也可以比鎳氫電池做得好。因此鋰離子電池逐漸取代 鉛和鎳氫電池，成為純電動汽車蓄電池的核心技術。雖然目前鋰離子電池成本較高但它在其他方面的優越性能較高仍然會成為今后純電動車蓄電池的主流隨著技術的不斷發展成本勢必會不斷減小，綜合考慮微型純電動車蓄電池采用鋰離子電池最佳。 鋰電池工作原理：