毕业论文微型纯电动汽车总体设计与计算

1、河 北 工 业 大 学 毕业设计说明书毕业设计说明书( (论文论文) ) 作 者： 邱凡 学 号： 070261 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： 微型电动汽车总体设计与计算 指导者： 卞学良 教授 (姓 名) (专业技术职务) 评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2011 年 5 月 28 日 毕业论文中文摘要 微型电动汽车总体设计与计算微型电动汽车总体设计与计算 摘要： 电动汽车(electric vehicle，简称 ev)是当前解决能源短缺和环境污染问 题可行的技术之一。电动汽车是由车载动力电池作为能量源的零排放汽车。近些 年来，电动汽车的研制热潮在全世界范

2、围内兴起，逐步向小批量商业化生产的方 向发展。电动汽车技术的发展依赖于多学科技术的进步，尤其需要解决的问题是 进一步提高动力性能，增加续驶里程，降低成本。 本文基于微型燃油汽车的一些基本参数，研究整车驱动形式，整车总布置方 案。对整车动力学匹配计算，主要部件的选择。按照动力性能要求，运用汽车理 论、电动机和电池相关知识，对电动机的功率、传动比，蓄电池进行主要参数设 计与匹配计算。 关键词： 电动汽车 总体设计 参数匹配 续驶里程 （空（空 2 2 行）行） keywordskeywords： （小（小 4 4 号号 宋体）宋体） （小（小 4 4 号黑体）号黑体） 毕业论文外文摘要 title

3、title overall design and calculation of micro-electric vehicle abstractabstract electric vehicle is one of available ways to solve the problems of energy sources lack and pollution of environment. pure electric vehicle whose energy is power battery loaded on the vehicle is a kind of zero emission ve

4、hicles. in recent years, the upsurge of developing electric vehicle is rising all over the world, and developing to the small amount commercialization production gradually. the development of electric vehicle is relying on the progress of several subjects. especially, further raising the dynamic per

5、formance, increasing the driving range and reducing cost are very necessary. in view of the development funds and times, use the computer to establish the simulation models to simulate the performance is a better way. this paper, based on one micro-fuel cars, the power form, configuration and chassi

6、s structure are defined. according to the dynamic performance, such important parameters as the power of the motor can be calculated by using the knowledge of vehicle, motor and battery. then the other parameters: reduction ratio, the parameters of battery also can be calculated. keywordskeywords：el

7、ectric vehicle overall design driving range parameters matching 目 录 1 绪论.1 1.1 电动车的发展历史及国外的研究情况.2 1.2 国内的研究情况.4 2 纯电动车的原理与构造.6 2.1 工作原理.7 2.2 主要结构及特点.7 2.3 纯电动汽车的技术介绍.11 3 微型纯电动车部件选择与设计.12 3.1 微型纯电动车蓄电池系统.12 3.2 微型纯电动车电机驱动系统.14 3.3 微型纯电动车悬架系统.22 3.4 微型纯电动车转向系统.30 4 微型电动车总体参数与性能计算.33 4.1 车型、驱动、布置形式的选

8、择.33 4.2 整车参数的选择.33 4.3 电机功率的确定.34 4.4 计算微型电动车的爬坡度与加速时间.37 4.5 蓄电池组的数量与电池参数.37 4.6 座椅的设计.38 4.7 轮胎的选择.39 5 纯电动车的发展瓶颈与展望.40 结论.42 参 考 文 献.43 致 谢.44 河北工业大学 2011 届毕业论文 1 1 绪论绪论 最初世界各国开始试图发展新能源汽车的主要原因是石油价格持续飙升造成能 源紧缺，而拥有大量人口和消费潜力的金砖四国开始全面普及家庭汽车消费，这加 剧了石油危机轰轰烈烈爆发！于是人们提出了新能源汽车这个概念，尝试混合动力 汽车、燃料电池汽车或者是太阳能汽车

9、等等，然而经过几年摸索之后，大家发现这 些模式都不能从根本上解决问题，只有纯电动汽车才能够满足快速削减石油消费的 根本目标。全球碳排放标准的推出强化了主要国家推动纯电动汽车产业普及的动力 的欲望，由于汽车尾气和工业污染给大气层和地球生存环境带来日趋严重破坏，人 类必需在未来二十年内努力将碳排放量指标恢复到合理水准，而削减碳排放量保护 生存环境显然已经是比赚钱更迫切更紧急的事情。推广和普及纯电动汽车是行之有 效手段并且也是削减碳排放量重点方向之一！ 近年中国人对汽车的需求急剧增长,达到了用井喷来形容的程度,汽车目前烧掉 了汽油的 85%,这还不算未来汽车拥有量的增长可能形成的新的需求. 如今中国

10、石油 短缺,相当程度上依靠进口.可进口价格高涨不说,来源还没有保障.进口石油又成了 中国战略家必须考虑的军事问题.从长远看中国的四轮车必须要寻找非石油替代动力.对 烧油车来说纯电动车就是一个可能的替代.近几年来城市交通发生拥堵的主要原因是 私家车急剧上升。通过分析可知我国的人均可用交通资源甚少(与国外相比差十几倍)， 所以要改善交通首先必须设法减小交通工具载人的人均占用交通资源的“面积时 数”。由于我国城市家庭呈小型化结构等因素，现实中，私家车在上下班高峰期所 载人数几乎均为 12 人，即车载率总是相当低，这无疑是对紧缺交通资源极大的奢 侈浪费。所以电动微型轿车的推出无疑是节约交通资源和能源的

11、体现！大多数城市 中国人的上班距离不超过 20 公里,在中国城市里,车速也很少能达到 60 公里.这样, 一个重量约 330 公斤的(半个奥托大小),载两个人,航程 7080 公里.最大时速 55 公 里的超微型城市上班车就可以满足很多人的需要.当然近距离也可以开电动两轮车上 班.可下雨,冬天吹风,夏天晒太阳时就会感到不如封闭的超微型 4 轮电动车.并且二 者安全性也是完全不同的.最近的信息是,日本的富士公司投产一种类似这种档次的纯 电动车.(可以买来仿制)因日本的国情与中国类似,(上班距离短)一定可以获得成功.对 一些收入低的家庭,这种车有较低的进入门坎,对一些富裕的家庭,这种车还可以作为家

12、 河北工业大学 2011 届毕业论文 2 庭的第二辆车.在出城跑远路时用汽油车(混合动力车),在城内跑近路时可用超微电动 车.家里的妇女和老人也可以开. 这样的超微低性能四轮城市电动上班车,中国量产价 格可能在两万元以下,(重量是电动摩托车的 4 倍,价格约为电摩 2500 元的六倍)它几乎 没有污染和噪音,通过性好,停车占地少,最重要的是:可以节省约 1/3 的汽油使用量.种 种迹象表明,象电动摩托车一样,这种穷富兼顾,老少皆宜的超微电可能成为销量最大的 四轮乘用车,从而成为真正的国民车. 本课题 从微型电动汽车的研究开发入手，重点进行微型电动汽车的总体设计，零部件选型， 性能计算以及主要部

13、件设计，为开发新型微型电动打下基础。 技术参数要求 载客量 2 至 3 人，动力源为蓄电池，额定功率 5kw，主电深度不超过 80%时，电 动轿车最高时速 35km/h，匀速行驶的行驶里程 90km，作为城市老年人代步车使用， 总体尺寸小，结构紧凑，重量轻，成本低。可以满足城市工况的行驶要求。 技术路线 1.查阅并了解微型电动汽车国内外研究发展趋势，搜集相关资料。 2.进行微型电动汽车总体设计和零部件选型。 3.进行微型电动汽车总体性能计算。 4.运用 auto-cad 软件进行微型电动汽车总体设计图纸。 1.11.1 电动车的发展历史及国外电动车的发展历史及国外研究情况研究情况 早在 19

14、世纪后半叶的 1873 年，英国人罗伯特戴维森（robert davidsson） 制作了世界上最初的可供实用的电动汽车。这比德国人戴姆勒（gottlieb daimler）和本茨（karl benz）发明汽油发动机汽车早了 10 年以上。 戴维森发明的电动汽车是一辆载货车，长 4800mm，宽 1800mm，使用铁、锌、汞 合金与硫酸进行反应的一次电池。其后，从 1880 年开始，应用了可以充放电的二次 电池。从一次电子表池发展到二次电池，这对于当时电动汽车来讲是一次重大的技 术变革，由此电动汽车需求量有了很大提高。在 19 世纪下半叶成为交通运输的重要 河北工业大学 2011 届毕业论文

15、3 产品，写下了电动汽车需求量有了很大提高。在 19 世纪下半叶成为交通运输的重要 产品，写下了电动汽车在人类交通史上的辉煌一页。1890 年法国和英伦敦的街道上 行驶着电动大客车，当时的车用内燃机技术还相当落后，行驶里程短，故障多，维 修困难，而电动汽车却维修方便。 在欧美，电动汽车最盛期是在 19 世纪末。1899 年法国人考门吉纳驾驶一辆 44kw 双电动机为动力的后轮驱动电动汽车，创造了时速 106km 的记录。 1900 年美国制造的汽车中，电动汽车为 15755 辆，蒸汽机汽车 1684 辆，而汽 油机汽车只有 936 辆。进入 20 世纪以后，由于内燃机技术的不断进步，1908

16、年美国 福特汽车公司 t 型车问世，以流水线生产方式大规模批量制造汽车使汽油机汽车开 始普及，致使在市场竞争中蒸汽机汽车与电动汽车由于存在着技术及经济性能上的 不足，使前者被无情的岁月淘汰，后者则呈萎缩状态。 目前主要发达国家在纯电动汽车领域内的动作： 1、美国在燃料电池汽车与纯电动汽车之间徘徊 1991 年，美国通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司共同协议，成立 了“先进电池联合体”（usabc），共同研究开发新一代电动汽车所需要的高能电池， 并且与美国能源部签订协议在 19911995 年间投资 2.26 亿美元来资助电动汽车用 高能电池的研究。20 世纪 90 年代中期，美国克林

17、顿政府曾制订了发展电动车的“新 一代汽车伙伴(pngv)计划”，集中研究电池驱动的纯电动汽车。但鉴于当时蓄电池 技术还未能获得关键性突破，纯电动汽车一次充电后的续驶里程短，充电时间长， 降低电池造价困难，在技术上也难以解决处理废旧电池二次污染、回收困难的问题， 而且电池价格昂贵，商业化进展缓慢。 相关： 美国加州经过 13 年在环保及环保车辆的探索实践，表示不再积极鼓励发展纯电 动汽车，而转向了燃料电池。ev1、chryslerepic 等相继停产，通用曾经也宣布不再 继续加大对纯电动汽车研究的投入，只是对已经在路上使用的电动汽车进行维护。 不过美国国家实验室还在继续进行纯电动汽车先进驱动系统

18、、先进电池及其管理系 统等的深入研究。2002 年，美国人开始意识到走了弯路，美国能源部批准经费 l500 万美元，用于“工业研究、开发和演示使用电池的电动汽车”的费用共担项目，包 括使用效率和动力储存、供电质量等。小型、低速、特种用途的纯电动汽车不断发 展。 河北工业大学 2011 届毕业论文 4 2、欧洲拥有先进技术但工业化重视程度不足 与美国相比，欧洲更崇尚追求完美零污染的纯电动汽车。成立于 1990 年的欧洲 “城市电动车”协会至今在欧共体组织内已有 60 座城市参与，帮助各城市进行电动 汽车可行性的研究和安装必要的设备，并指导城市的电动汽车运营。其中最为成功 和著名的就是电动标致 1

19、06 车型，这种以镍镉电池为动力的电动汽车已经在欧洲各 国，尤其是在政府部门当中拥有大量的用户。这与法国政府给予纯电动汽车高度重 视和支持，出台了许多鼓励研发和生产产业化的优惠、支持、补贴和扶持政策密切 相关。法国政府、法国电力公司、标致-雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司签属协议， 共同承担开发和推广电动汽车，共同合资组建了电动汽车的电池公司萨夫特 （saft）公司承担电动汽车的高能电池的研究和开发，以及电池的租赁和维修等工 作。但它终究还是没有能成功地解决一次充电后的续驶里程短的问题，因此也没有 进行更大规模的扩张，而是更多地转向清洁柴油车的产业化。目前，还有一些机构 继续在做纯电动汽车的研究开

20、发，例如体现法国政府意向的法国重要的国营企业， 法国电力公司与达索集团签约了纯电动汽车的合作开发项目。追随法国进行理论研 究和产品开发的是比利时，主要集中在高等院校之中，例如布鲁塞尔和列日 （liege）大学。但是比利时没有自己的汽车工业，没有很多的企业投资，只有有限 的政府资助，缺乏实际运用效果。此外还有意大利着重两轮纯电动车的研发和运营， 瑞士则侧重研究超级电容器，尤其是电动城市轻轨方面的研究。 3、日本嗅觉敏锐步步领先已提前进入推广期 日本从 70 年代开始开发纯电动车，许多汽车企业都陆续进行了一些产品发布与 销售运行，但坚持下来进行研发和销售的只有大发和铃木两家。到了 90 年代之后，

21、 由于环境等问题，一些大汽车企业重新开始研发第二代纯电动车，丰田、本田、日 产等陆续进行了一些产品发布与销售运行。然而由于技术与价格等方面的原因，在 新能源汽车研发战略中，更多的日本汽车企业选择了混合动力汽车作为重点发展方 向，坚持纯电动汽车蓄电池技术研发的重点落在三菱重工、富士重工等动力装备类 企业。纯电动汽车的产品开发向小型化发展，单人和 2 人车型成为主力车型，车辆 技术、零部件技术、充电设施技术都已相对成熟。截止到 2002 年，日本纯电动汽车 的保有量为 2696 台。目前，日本电动车辆协会、汽车协会、汽车电子协会等部门已 经初步建立了一些纯电动汽车共同利用系统，进行实用化试运行和试

22、运营。 河北工业大学 2011 届毕业论文 5 1.21.2 国内的研究情况国内的研究情况 我国纯电动汽车的研究开始于 20 世纪 60 年代，到了 90 年代掀起了一股电动汽 车热，部分高校、汽车研究所以及生产企业联合开发充电电池和纯电动汽车，并取 得了一些成果。2001 年，我国确立“十五”国家高新技术研究发展计划（863 计划） 电动汽车重大专项项目，明确了我国的电动汽车战略发展基本原则，即燃料电池汽 车发展居首位、第二为混合动力电动汽车、纯电动汽车兼顾一下，提出“三横三纵” 研发布局，并招标确定纯电动轿车由上汽奇瑞、天津汽车来牵头研制。2006 年开始 实施的国家中长期科技规划对电动汽

23、车研发战略也大体相同。按照项目规定进程， 纯动力电动汽车功能样车已经实现，纯电动轿车和纯电动客车在国家质检中心的型 式认证试验中各项指标均满足有关国家标准和企业标准的规定，关键零部件高功率 镍氢电池、锂离子电池性能有了较大提高。在过去十年，中国已经成功取得了纯电 动摩托车全球老大的位置，而汽车工业即始终在关键技术上落后于国际先进水平 30 年，这成为世界工厂最大的耻辱。但在纯电动汽车技术开发上的差距并不大，几乎 站在同一起跑线上，而且关键零部件技术平台相同，有专家认为研发水平最大差距 不超过 5 年。甚至在某些领域，如锌-空气电池和锂电池研究方面，已经达到世界领 先水平。 与世界其他国家一样，

24、电动汽车研发工作在我国也正在如火如荼的进行着。十 五期间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现我 国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，设立电动汽车重大科技专项，通过组 织企业、高等院校和科研机构，集中国家、地方、企业、高校、科研院所等方面的 力量进行联合攻关。为此，从 2001 年 10 月起，国家共计拨款 8.8 亿元作为这一重 大科技专项的经费。 我国电动汽车重大科技专项实施 4 年来，经过 200 多家企业、高校和科研院所 的 2000 多名技术骨干的努力，目前已取得重要进展：燃料电池汽车已经成功开发出 性能样车，燃料电池轿车累计运行 4000km，燃料电池客

25、车累计运行 8000km；混合动 力客车已在武汉等地公交线路上试验运行超过 14 万 km；纯电动轿车和纯电动客车均 已通过国家有关认证试验。 目前纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心的型式认证试验，各项指 标均满足有关国家标准和企业标准的规定。天津清源电动车辆有限公司等单位研发 的纯电动轿车，其整车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已超过法国雪铁 河北工业大学 2011 届毕业论文 6 龙公司赠送的纯电动轿车和箱式货车，初步形成了关键技术的研发能力。北京理工 大学等单位初步完成了北京理工科凌电动车辆股份有限公司密云电动车辆产业化生 产基地的建设，并于 2003 年 12 月 30

26、日顺利通过北京市公共交通总公司组织的示范 运行车组验收。小批量研发生产的 4 种车型、近 40 辆公交车即将投入北京市奥运电 动示范车队的示范运行。2008 年 3 月 9 日，山东时风（集团）有限责任公司“经济 型电动轿车” ，经国家机动车质量监督检验中心（重庆）检测表明，整车技术指标符 合企业技术标准，其中最高车速 46.1km/h，耗电率 8.0kwh/100km，一次充电续驶里 程 102 km。2008 年预计生产 1 万辆，2009 年达到 5 万辆，2010 年达到 10 万辆【4】。 对于中国而言，大力发展和推广纯电动汽车拥有三重特殊战略意义其一是 中国持续增长的国民经济水平已

27、经将能源消费提升至极限，如果纯电动汽车全面替 代传统汽车，将会使得中国获得两倍至三倍以上的能源自由度，进而为经济可持续 发展提供充足动力。其二是中国从现在开始全面推广普及纯电动汽车，相当于在未 来 20 年中把发达国家上百年工业化道路重新再走一遍，国内已经大量普及的传统汽 车逐步淘汰升级，会带来巨大市场和新利润增长点。其三是拥有 13 亿人口的中国在 粗放式工业化进程中所遭遇的环境污染问题已经到了刻不容缓需要解决时刻，以前 是用牺牲环境带保“鸡的屁”，目前出现了一个又能创造“鸡的屁”又能修复和保 护环境之渠道，不赶快抓住机会还要等待什么呢？机不可失，时不再来，中国必将 继续推出一系列推广和普及

28、纯电动汽车的国家级政策 2 2 纯电动汽车的原理与构造纯电动汽车的原理与构造 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。电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车，大部分车 辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以 车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。本身不排放污染大气的有 害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著 减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定 不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力 可以从多

29、种一次能源获得，如煤、核能、水力、风力、光、热等，解除人们对石油 资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电， 使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有关研究表明，同样的原油 河北工业大学 2011 届毕业论文 7 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，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。有专 家认为，对于电动车而言，目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业 化的进程，与混合动力相比，电动车更需要基础设施的

30、配套，而这不是一家企业能 解决的，需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会。 优点:技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。缺点: 目前蓄电池单 位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格 较贵，至于使用成本，有些使用价格比汽车贵，有些价格仅为汽车的 1/3，这主要取 决于电池的寿命及当地的油、电价格。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景 被广泛看好，但当前技术尚不成熟。 2.12.1 工作原理工作原理 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 2.22.2 主要结构及特点主要结构及特点 电动汽车的组成包括：电力驱动

31、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。 电源电源 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， 河北工业大学 2011 届毕业论文 8 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，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度 较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍 镉电池、锂电池

32、、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发 展开辟了广阔的前景。 驱驱动动电电动动机机 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（ bldcm）、开关磁阻电动机（ srm）和交流异步电 动机所取代，如无外壳盘式轴向磁场直流串励电动机。 电电动动机机调调速速控控制制装装置置 电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向

33、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

34、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。 传传动动装装置置 河北工业大学 2011 届毕业论文 9 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

35、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。 行行驶驶装装置置 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。 转转向向装装置置 转向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

36、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。 制动装置制动装置 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。 工作装置工作装置 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。 结构特点结构特点 内燃机汽车的特点是装备有发动机、发动机控制装置、机械式动力转动系统、 燃油箱、排气

37、系统等，能量的补充方式为向燃油箱加入燃油，通常无法回收利用减 速和下坡时的能量。蓄电池电动车与内燃机汽车的最大区别是动力系统的差别，传 统内燃机汽车动力系统的构造示意图如图所示，动力系统的起点是发动机，动力经 离合器、变速器、万向节、传动抽、主减速器、差速器和驱动半轴传至车轮，其能 河北工业大学 2011 届毕业论文 10 源来自燃料箱，燃料可以是柴油、汽油、液化石油气、天然气和醇类等，用完之后 可通过加油站补充。蓄电池电动车汽车的最大特点是装备有蓄电池、电动机、电动 机控制装置和能源管理系统等，能量的补充方式为充电，可在充电站或停车场进行， 充电站使用的充电器多为快速充电器。由于电动机被拖动

38、时，即可发电，因此蓄电 池电动汽车一般都带有可回收减速和下坡是能量回收（再生）系统。纯电动汽车， 相对燃油汽车而言，主要差别（异）在于四大部件，驱动电机，调速控制器、动力 电池、车载充电器。相对于加油站而言，它由公用超快充电站。纯电动汽车之品质 差异取决于这四大部件，其价值高低也取决于这四大部件的品质。纯电动汽车的用 途也在四大部件的选用配置直接相关。纯电动汽车时速快慢，和启动速度取决于驱 动电机的功率和性能，其续行里程之长短取决于车载动力电池容量之大小，车载动 力电池之重量取决于选用何种动力电池如铅酸、锌碳、锂电池等，它们体积，比重、 比功率、比能量、循环寿命都各异。这取决于制造商对整车档次

39、的定位和用途以及 市场界定、市场细分。纯电动汽车的驱动电机目前有直流有刷、无刷、有永磁、电 磁之分，再有交流步进电机等，它们的选用也与整车配置、用途、档次有关。另外 驱动电机之调速控制也分有级调速和无级调速，有采1用电子调速控制器和不用调 速控制器之分。电动机有轮毂电机、内转子电机、有单电机驱动、多电机驱动和组 合电机驱动等。电机及调速控制器的选用和配制对整车档次和价位也有影响。公用 超快充电站是纯电动汽车商业化的基础设施，将它做完善到位了才能使前者畅行无 忧，反之则是它的短腿，受其制约和影响，欧洲、美国电动汽之商业实践充分说明 了这点。我们对此认识到了，但行动不力。另外，充电机与车载电池之电

40、缆连接器 问题必须规范，形成电池品种、电压分档、快慢（功率大小）诸要素的一致，否则 纯电动汽车及公用超快充电站无法有效无法对接，这个产业目前白纸一张，待我们 去开拓，但必须规划、设计成型后实施，以免徒劳，以免劳命伤财。纯电动汽车之 四大部件及公用充电站之大型充电机，专用电缆、线缆连接器乃至计费、收费系统， 这是汽车行业新的零部件，没它们将是无米之炊，没做到位、不完善则是短腿受其 制约。同时与此相关的零部件制造商应以此形成产业链，共图发展。国家发政委“新 能源汽车公告管理办法和实施细则”已于 2007 年 11 月 1 日施行。 “城镇乡村农用（专 用）电动汽车通用技术条件”也在酝酿过程中，纯电

41、动汽车商业化在农村已经初现雏 形，我们不该视而不见。 将来符合国际和符合市场需求的纯电动汽车必定遵守以下 几项：1、电动车辆研发制造运营必须符合国家各项相关法规。整车、零部件性能必 河北工业大学 2011 届毕业论文 11 须满足国家技术标准和各项具体要求。2、电动车辆是以电为能源，由电动机驱动行 驶的，不再产生新的污染，不再产生易燃、易爆之隐患。3、电动车辆储能用的电池 必须是无污染、环保型的。且具有耐久的寿命，具备超快充电（2-3c 以上电流）的 功能。车辆根据用途确定一次充电之续行里程，以此装置够用电量的电池组，充分 利用公用充电站超快充电以延长续行里程。4、电动机组应有高效率的能量转换

42、。刹 车、减速之能量的直接利用和回收，力求车辆之综合能源利用的高效率。5、根据车 辆用途和行驶场合设定最高车速，且不得超过交通法规的限定值，以合理选择电动 机的功率和配置电池组容量。6、车辆驾驶操作，控制简单有效、工作可靠，确保行 车安全。7、机械、电气装置耐用少维修。车辆运营之费用低廉。8、以目标市场需 求为依据，提供实用、合适车型满足之，力求做到技术、经济、实用、功能诸方面 的综合统一。 将来产业化、商业化为用户所欢迎的电动汽车，必定符合以下几点特征：准确 的定位、恰当的用途、宜驶的区域、最佳的效能。合适的车型、经济的配置。可靠 的性能、便当的操控。环保的电池、耐久的寿命、够用的电量、超快

43、的充电、完善 的网络、到位的服务。低廉的费用、最少的维修。 2.32.3 纯电动汽车技术介绍纯电动汽车技术介绍 技术概述 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。 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

44、、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， 河北工业大学 2011 届毕业论文 12 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

45、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

46、，电动汽车会逐渐普及，其价格和使用成本必然会降低。 3 3 微型纯电动车部件选择与设计微型纯电动车部件选择与设计 3.1 微型电动车蓄电池系统微型电动车蓄电池系统 电动汽车目前还存在价格较高、续驶里程较短、动力性能较差等问题，而这些 问题都是和电源技术密切相关的。目前制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池 不理想，对于开发电动汽车的竞争，最重要的就在于开发车载动力电池的竞争。对 电源系统的要求如下: (1) 高的比能量和能量密度； (2) 高的比功率和功率密度； (3) 快速充电和深度放电的能力； (4) 使用寿命长； (5) 自放电率小, 充电效率高； (6) 安全性能良好, 且成本低廉；

47、(7) 免维修； (8) 对环境无危害, 可回收性好。 河北工业大学 2011 届毕业论文 13 目前国内纯电动汽车使用的主要是铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池这三类。各种主要电 动车用蓄电池对比见表 1。目前能大量生产供应的只有铅蓄电池和镉镍蓄电池。由于 镉镍电池性能价格比不如铅蓄电池而且存在镉污染，性能优良的 mh-ni 电池有可能 很快进入市场。本文将重点讨论铅蓄电池、mh-ni、锂离子及钠氯化镍蓄电池的进展 情况。质子交换膜燃料电池（pemfc）是唯一可以在性能上与燃油汽车竞争的电池， 本文将介绍其最近发展情况情况。 表 1 各种主要电动车用蓄电池对比 能 电池种类 比能量 wh/kg

48、能量密度 wh/l 比功率 w/kg 循环寿命 (次) 价格 (相对) 商品化 程度 铅酸 镉镍 mh-ni nanicl2(zebra) 锂离子 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 大量生产 大量生产 试制 中试 试制 研究显示，锂电池将是未来动力电池的发展方向，锂离子电池的比容要好于镍氢 电池，具有重量轻、储能大、功率大、无污染（也无二次污染） 、寿命长、自放电系 数小、温度适应范围宽泛等优点，其寿命也可以比镍氢电池做得好。因此锂

49、离子电 池逐渐取代铅和镍氢电池，成为纯电动汽车蓄电池的核心技术。虽然目前锂离子电 池成本较高但它在其他方面的优越性能较高仍然会成为今后纯电动车蓄电池的主流 随着技术的不断发展成本势必会不断减小，综合考虑微型纯电动车蓄电池采用锂离 子电池最佳。 河北工业大学 2011 届毕业论文 14 锂电池工作原理：充电时锂离子从氧化物正极晶格脱出，通过锂离子传导的有 机电解液后迁移嵌入到碳负材料负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电 子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡工作原理。 锂离子电池 使用锂碳化合物作负极,锂化过渡金属氧化物作正极, 液体有机溶液或固体聚合物作 为电解液。在充放

50、电过程中, 锂离子在电池正极和负极之间往返流动。电化学反应 方程式为: lixc + li-xmyoz c + limyoz lixc 为锂碳化合物; li-xmyoz 为锂化过渡金属氧化物。放电时, 锂离子由电 池负极通过电解液流向正极并被吸收。充电时, 过程正好相反; 放电时则恰好相反， 锂从碳材料中脱出回到氧化物正极中，正极处于富锂态。 3.23.2 微型电动车电机驱动系统微型电动车电机驱动系统 电动汽车的动力性能与其驱动系统直接相关，当前驱动方案主要有四种：机械 驱动布置方案、机电集成化驱动布置方案、机电一体化驱动布置方案、轮毂电机驱 动布置方案。其中轮毂电机布置方案可以对各个驱动电机

51、进行相互独立的控制，有 利于提高车辆转向灵活性和充分利用路面附着力，这种布置方式比其他三种布置方 式更能体现电动汽车的优势，本设计便是采用此种布置方案。 采用轮毅驱动电动机驱动，电动机可以装在电动汽车的车轮轮毅中，直接驱动 电动汽车的驱动轮，蓄电池可以布置在车身底部，或者布置在行李仓内，如图。这 种布置结构简洁，更加节省了空间。代表车型比亚迪汽车公司的纯电动汽车 et。 河北工业大学 2011 届毕业论文 15 轮毂电机动力系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。轮毂 电机动力系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子型和外转子型。 图 3.2.1 所示为两种型式轮毂电机的

52、结构简图。通常，外转子型采用低速外传子电 机，电机的最高转速在 10001500r/min 左右，无任何减速装置，电机的外传子与 车轮的轮辋固定或者集成在一起，车轮的转速与电机相同。内转子型则采用高速内 转子电机，同时装备固定传动比的减速器。为了获得较高的功率密度，电机的转速 通常高达 10000r/min。减速结构通常采用传动比在 10：1 左右的行星齿轮减速装置， 车轮的转速在在 1000r/min 左右。 河北工业大学 2011 届毕业论文 16 图 3.2.1 轮毂电机的结构形式 高速内转子的轮毂电机具有较高的比功率，质量轻，体积小，效率高，噪声小， 成本低；缺点是必须采用减速装置，使

53、效率降低，非簧载质量增大，电机的最高转 速受线圈损耗、摩擦损耗以及变速机构的承受能力等因素的限制。低速外转子电机 结构简单、轴向尺寸小，比功率高，能在很宽的速度范围内控制转矩，且响应速度 快，外转子直接和车轮相连，没有减速机构，因此效率高；缺点是如要获得较大的 转矩，必须增大发动机体积和质量，因而成本高，加速时效率低，噪声大。图所示 为两种结构形式的轮毂电机。这两种结构在目前的电动车中都有应用，但是随着紧 凑的行星齿轮变速机构的出现，高速内转子式驱动系统在功率密度方面比低速外转 子式更具竞争力。 轮毂电机动力系统由于电机电制动容量较小，不能满足整车制动效能的要求， 通常需要附加机械制动系统。轮

54、毂电机系统中的制动器可以根据结构采用鼓式或者 盘式制动器。由于电动机电制动容量的存在，往往可以使制动器的设计容量可以适 河北工业大学 2011 届毕业论文 17 当减小。大多数的轮毂电机系统采用风冷方式进行冷却，也有采用水冷和油冷的方 式对电机、制动器等的发热部件进行散热降温，但结构比较复杂。 电机应用类型与特点分析 轮毂电机系统的驱动电机按照电机磁场的类型分为径向磁场和轴向磁场两种类 型。对比如下：（1）轴向磁通电机的结构更利于热量散发，并且它的定子可以不需 要铁心；（2）径向磁通电机定转子之间受力比较均衡，磁路由硅钢片叠压得到，技 术更简单成熟。 轮毂电机的电机类型分为永磁、感应、开关磁阻

55、式。其特点如下： （1）感应（异步）电机结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，转矩脉动 小，噪声低，不需要位置传感器，转速极限高；缺点是驱动电路复杂，成本高，相 对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低； （2）无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，具有 较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，已在国内外多种 电动车辆中获得应用； （3）开关磁阻式电机具有结构简单，制造成本低廉，转速/转矩特性好等特点， 适用于电动汽车驱动；缺点是设计和控制非常困难和精细，运行噪声大。 国内外典 型轮毂电机驱动系统 日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车

56、研究小组在过去的 十几年中，一直以基于轮毂电机的全轮驱动电动汽车为研究对象，至今已试制了五 种不同型式的样车。其中，1991 年与东京电力公司共同开发的电动汽车 iza，采用 ni-cd 电池为动力源，采用四个额定功率为 6.8kw，峰值功率达到 25kw 的外转子式 永磁同步轮毂电机驱动，最高时速可达 176km/h。1996 年，该小组联合日本国家环 境研究所研制了采用轮毂电机驱动的后轮驱动电动汽车 eco，轮毂电机驱动系统选用 永磁直流无刷电动机，额定功率为 6.8kw，峰值功率为 20kw，并配速比为 1：5 的行 星齿轮减速机构。轮毂电机采用机械制动与电机再生制动相结合的方式，机械制

57、动 力矩由鼓式制动器提供，制动力分配规律的基本原则是不损害制动效能的前提下， 尽可能多的回收制动能量，有效延长了续驶里程。2001 年，最新推出了以锂电池为 动力源，采用 8 个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动大轿车 kaz，最高时速达 到 311km/h。kaz 的轮毂电机系统中采用高转速的高性能内转子型电动机，其峰值功 率可达 55kw，提高了 kaz 的极限加速能力，使其 0-100km/h 加速时间仅 8 秒。为了 河北工业大学 2011 届毕业论文 18 使电动机输出转速符合车轮的实际转速要求，kaz 的轮毂电机系统匹配了一个传动比 为 4.588 的行星齿轮减速机构。kaz 的

58、前后轮没有采用相同型式的制动器，而是前轮 采用盘式制动器，后轮采用鼓式制动器。图 3.2.2 为 kaz 的前、后轮毂电机系统的 结构图。2003 年日本丰田汽车公司在东京车展上推出的燃料电池概念车 fine-n 也采 用了轮毂电机驱动技术。 河北工业大学 2011 届毕业论文 19 图 3.2.2 kaz 一体化轮毂电机系统 法国 tm4 公司设计制造的一体化轮毂电机结构如图 3.2.3 所示。它采用外转子式 永磁电动机，将电动机转子外壳直接与轮辋相固结，将电动机外壳作为车轮轮辋的 组成部分，而且电动机转子与鼓式制动器的制动鼓集成在一起，实现电机转子、轮 辋以及制动器三个回转运动物体的集成，

59、大大减轻一体化轮毂电机系统质量，集成 化程度相当高。该一体化轮毂电机系统的永磁无刷直流电动机的额定功率为 18.5kw，峰值功率可达到 80kw，峰值扭矩为 670nm，额定转速为 950rpm，最高转速 为 1385rpm，而且额定工况下的平均效率可达到 96.3%。 哈尔滨工业大学爱英斯电动汽车研究所研制开发的 ev96-1 型电动汽车也采用外 转子型轮毂电机驱动系统，选用一种称为“多态电动机”的永磁式电动机，兼有同 步电动机和异步电动机的双重特性，其额定功率为 6.8kw，峰值功率为 15kw，集成 盘式制动器，风冷散热。 河北工业大学 2011 届毕业论文 20 图 3.2.3 tm4

60、 一体化轮毂电机系统 同济大学汽车学院在 2002 年、2003 年和 2004 年分别推出了采用轮毂电机驱动 系统的四轮驱动燃料电池微型电动汽车动力平台“春晖一号”和“春晖二号”，两 者均采用四个低速永磁直流无刷轮毂电动机直接驱动，匹配相应的盘式制动器。轮 毂电机为外转子型轮毂电机，其外形结构主要考虑与双横臂悬架、轮辋及制动盘的 连接方便。为了提高轮毂电机的外形通用性，考虑在一定功率范围内的轮毂电机采 用相同的外形结构。该轮毂电机既可安装市售微型汽车制动盘，又能安装不同规格 摩托车制动盘。因此相同的底盘结构只需更换不同功率的轮毂电机，即可获得不同 的整车动力性能。轮毂电机额定功率 0.8kw