城市纯电动中型客车的总体设计毕业论文

PAGEII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ABSTRACTBeingmoreandmoreseriousalongwiththeenergyproblemsandtheenvironmentproblems,themotivemethodoftheexistingvehicleusedcan'tsatisfythedemandofthesocialdevelopmentinthefuture.Forthis,thedevelopmentofEVgottenanextensiveconcern,varioustypesofEVisalsobeingintheresearchandthedevelopment.Thepurposeofthisresearchistoaccumulatedelectricbustechniques.Thisresearchmainlycarriedonatotaldesigntotheelectricpassengercar,theworksareasfollow:Ianalyzedthemeritandshortcomingofsomeelectricmotors,andchoosedthepermanencemagnetDCmotortobethemotivesource;analyzedthemotiveoftheelectricpassengercar,examinetheperformanceoftheelectricmotor;introducedthefunctioncharacteristicsofsomestoragebatteries,andchoosedtheLead-acidstoragebatterytobetheenergysource;studythecontrolstrategyoftheelectricmotor,putforwardtotalstructureofthestoragebatterymanagementsystemandeachpartsoffunctions,andcarriedonadesignandresearchtoeachpart;designedthestructureandthecontroloftheregenerativebrakingsystem;discussedelectricmotorandtransmissiontoequipofconstituteandthedecorationproject,designedthedecorationpositionofthestoragebatterysetandinstallstructure,inthemeantimefirststeptodesignarefitprojectofthethebrakesystem,tocarryon.Keyword:EVrefit；motordrivesystem；batterymanagementsystem；regenerativebraking黑龙江工程学院本科生毕业设计PAGE39目录摘要 IABSTRACT II第1章绪论 11.1选题的背景、目的及意义 11.2国内外电动汽车的现状及发展 31.3本设计的研究内容及预期结果 5第2章电动汽车电机技术 62.1电动汽车电机的分类及特点 62.2电动汽车对电机性能的要求 72.3本研究用电动机 82.4电动机性能计算 92.4.1电动车的使用情况及性能选择 92.4.2电动汽车的动力性 102.4.3电动机校核 112.5电动机驱动控制策略 132.5.1电动汽车的电机驱动控制策略分析 132.5.2永磁直流无刷电动机的控制策略 142.5.3电机电流控制研究 142.6本章小结 17第3章蓄电池技术及其管理系统设计 183.1蓄电池的分类及特点 183.2蓄电池存在的问题 213.3本研究用蓄电池 213.4蓄电池管理系统总体设计 233.5各检测模块基本设计 263.5.1电压温度检测模块设计 263.5.2电流检测模块设计 273.6蓄电池组的均衡充放电设计 293.7本章小结 30第4章电动汽车能量回收及再生制动系统 314.1制动模式与能量的分析 314.2再生制动能量回收的重要性 334.3制动能量回收的约束条件 334.4再生制动系统结构设计 344.5再生制动控制策略 374.6再生制动控制逻辑及操纵方式 364.7本章小结 37第5章电动客车的总体设计 385.1改装布置设计注意事项 385.2电机与传动系统结构布置设计 385.3蓄电池组的布置及安装设计 405.3.1蓄电池组布置的要求 405.3.2蓄电池组布置设计 415.3.3蓄电池框架和轨道的设计 425.4制动系统改装设计 435.5本章小结 44结论 45参考文献 46致谢 48附录 49黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章绪论1.1选题的背景、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CO2、硫化物SOx、氮氧化物NOx、氟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CO、NOx、SOx、未燃碳氢化合物HC、颗粒物PM和臭味气体等造成的局部空气污染，进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NOx，根据电动汽车所消耗电力折算出以火力发电来估计NOx的排放量，也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，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（ABS）、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]。1.2国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]。1.3本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0-50km/h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。第2章电动汽车电机技术2.1电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（DCM）是最早发明的电动机，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（IM）有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，具有很高的功率密度。五是综合效率高，明显高出有刷直流的效率及欧盟CEMED效率标准。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（SRM）具有高起动转矩、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2.1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/min）4000-600012000-20000>150004000-10000功率密度低中较高高功率因数（%）—82-8560-6590-93峰值效率（%）85-8994-9585-9095-97负荷效率（%）80-8790-9278-8697-85过载能力（%）200300-500300-500300恒功率区比例—1:51:31:2.25电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2.2电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THS的274V提高到THSB的500V;在尺寸不变的条件下，最高功率由33kw提高到50kw,最大转矩由350N·m提高到400ON·m。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8000一12000r/min，高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300V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.适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜等。2.3本研究用电动机永磁直流电机控制简单，通过PWM的控制，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60kw的ZYCD永磁直流电机作为驱动电机。ZYCD型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2.1所示，表2.2则给出了电机的主要性能参数。图2.1本研究用的永磁直流电机表2.2ZYCD永磁直流电机技术参数电机型号ZYCD-60电源电压V384额定电压V350最高电压V384额定功率kw60最大功率kw100额定转速rpm2000最大转速rpm2500额定效率%92最大转矩N.m1000工作制minS2-60重量kg3002.4电动机性能计算2.4.1电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70~90km/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0~50km/h，加速时间不大于25s。图2.2为本研究用的上海申沃客车有限公司生产的SWB6940HG型城市客车，表2.3给出了该车的一些基本参数配置。图2.2本研究用的中型城市客车表2.3本研究用中型城市客车的基本参数配置型号申沃牌SWB6940HG整车总质量（含成员）kg13500车长mm9436车宽mm2420车高mm2980轴距mm4500底盘型号SWB6940HG轮胎规格9.00R20额定载客(含驾驶员)(人)：61/28-37改装后总质量（含乘员，估计）kg145002.4.2电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Te（Nm），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Ft（N），对保留有变速器和主减速器的电动汽车有Ft与Te的关系式：Ft=（2.1）其中：ig为变速器传动比，i0为主减速器传动比，ηr为传动系机械效率，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2.3所示。电动汽车在路面上行驶时受到滚动阻力Ff（Nm）和空气阻力Fw（Nm），加速阻力Fj（Nm）和重力沿道路坡面方向的分力——坡道阻力Fi（Nm）。图2.3电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：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj（2.2）公式（2.2）又可以具体写为：Ft=Gfcosα+u2a+Gsinα+δm（2.3）其中：G表示车辆总重力（N），f表示滚动阻力系数，α表示坡道与水平面的夹角（°），CD表示车辆的空气阻力系数，A表示车辆的迎风面积（m²），ua表示车辆的行驶速度（km/h），δ表示汽车旋转质量换算系数，δ>1，m表示车辆的质量（kg）[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Pf（kw）、空气阻力功率Pw（kw）、坡道阻力功率Pi（kw）以及加速阻力功率Pj（kw）。这样就得到电动汽车行驶功率平衡方程式[11]：Pe=(Pf+Pw+Pi+Pj)（2.4）经过单位换算整理得电动汽车功率平衡方程式为：Pe=(ua+ua+u3a+ua)（2.5）2.4.3电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2.4给出了与校核计算有关的电动汽车传动系的参数。表2.4电动汽车传动系相关参数主减速比i06.2变速器变速比一挡5.568CDA（m）4.00二挡3.616f0.012三挡2.348r0.496四挡1.5250.90五挡11.1倒挡5.0111、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（2.5）可以化为：Pemax=（uemax+uemax3）(2.6)相关参数由表2.2、表2.3和表2.4给出，其中ηT=0.90，ma=14500kg,f=0.012,uamax=70km/h,CDA=4.00m2Pemax=×(＋)=56.87经计算，要达到最高车速70km/h所需的功率为56.87kw，小于所选电动机的60kw的额定功率，所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cosα等于1，电动汽车由静止加速到u0的加速度可由公式（2.3）推导有：=（Ft-Gf-u2a）(2.7)则加速时间可由下式计算：t=dua=dua(2.8)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=dua=dua(2.9)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1000Nm最大转矩加速。相关参数由表2.2、表2.3和表2.4给出，其中δ=1.1，m=14500kg,f=0.012t=dua=17经计算，本研究电动汽车0至50km/h加速时间为17s，从而加速能力满足要求。由公式（2.3）可以推导出爬坡度计算公式sinα=（Ft-Gfcosα-u2a-δm）（2.10）在计算最大爬坡度的时候，空气阻力可以忽略不记，加速阻力忽略不记，则公式（2.10）可以化为：sinα=-fcosα(2.11)让电机采用恒最大转矩1000Nm驱动电动汽车爬坡，相关参数由表2.2、表2.3和表2.4给出，其中G=mg,m=14500kg,g=9.8,f=0.012sinα=-0.012cosα=23经计算得电动汽车最大爬坡度为23%，爬坡能力也满足要求。通过以上计算可以看出所选电动机满足电动汽车性能要求。2.5电动机驱动控制策略2.5.1电动汽车的电机驱动控制策略分析理想的车辆驱动应用场合下原动机的输出特性为恒功率特性，即Tω=const，但实际上当ω→0时不可能达到T→∞，因此，在工程可实现的范围内，理想的车辆原动机的输出特性，即在低速时为恒转矩特性，在高速时则为恒功率特性。对于传统的燃油汽车，内燃机以其热效率高、重量小、体积紧凑的特点，在传统车辆驱动中占据统治地位。内燃机在其主要工作转速范围内，为近似的恒力矩特性，且高效率工作的转速范围较窄。为适应车辆行驶的不同驱动力的要求，由内燃机车辆传动系中的离合器、变速器实现对内燃机输出转矩、转速的再分配。以汽车为例，驾驶者主要的控制输入是对加速踏板(俗称油门)的操作，由此汽车的发动机控制系统通过调节发动机的燃油喷射、节气门的开度和点火时刻(如车辆有自动变速系统，还相应地自动换档，调节变速器的传动比)，调整车辆驱动特性以响应驾驶者的操作。一般内燃机汽车的变速器有4—6档，在不同变速档位下，相应的加速踏板踏位控制下的驱动特性。可见，在行驶阻力不变条件下，不同的踏板踏位对应于不同的行驶车速;在行驶车速不变的条件下，不同的踏板踏位对应不同的驱动力矩。换句话说，在任意档位下，加速踏板踏位的变化，必导致行驶状态的变化。对于电动车辆，一般继承己被人们接受的传统内燃机车辆踏板式或手柄式的控制方式，对驾驶者的驱动意识，也应具有与传统内燃机车辆一致或更优良的驱动响应。因此，对电动汽车，尤其是对取消了传统车辆传动系统的轮式驱动方式，更需作细致的深入分析和比较，以确定与之相匹配的电机控制策略。2.5.2本研究电动机用驱动控制策略对于永磁直流电机驱动系统，一般可以采用电压控制、电流控制和转速控制等三种控制方法。为了能够更好的与普通内燃机的驾驶特性相同，本研究采用电流控制的控制策略，也就是转矩控制方式。电子油门踏板的变化对应于电动机的输出力矩，在稳定时则对应于电动机的输出转速。在行驶中，驾驶员通过控制电枢电流的大小来调节电动机的输出转矩，使输出转矩跟随车辆需求转矩的变化，完成对车速的控制。如果把驾驶员也看成是控制环节，那么驾驶员对车速的调节也就构成了一个转速闭环控制，与电流的闭环控制一起组成对永磁直流电动机的双闭环控制。2.5.3电机电流控制研究1、永磁直流电动机的特性⑴永磁直流电动机基本方程直流电机在电动运行时的基本方程（忽略电刷的压降）为：E=CE=CenUd0=E+IdRTe=CTId（2.12）其中：E为电动机反电动势（V），Ce为电动机在额定磁通下电动势转速比（V/(r/min)），n为电动机转速（r/min），Ud0为电动机输入端电压（V），Id为电枢电流（A），R为电动机电枢回路电阻（Ω），Te为电动机输出的电磁转矩（Nm），CT为电动机在额定磁通下的转矩转速比（Nm/(r/min)），CT=Ce[12]。⑵永磁直流电动机机械特性当电动机电枢两端加恒定电压（Ud0=常数）时，电动机转速随电磁转矩变化的关系n=f(Te)，称为直流电动机的机械特性。其表达式为：n=-Te（2.13）其中Ra（Ω）为电枢回路串联电阻,特性图如图2.4所示[13]。0U0U1＞U2＞U3U1U2U3图2.4永磁直流电动机机械特性图由图2.4可以知道，电动机转速随着电磁转矩的增大而减小。⑶永磁直流电动机转矩特性在端电压Ud0一定的情况下稳态运行时，永磁直流电动机的电磁转矩Te随电枢电流Id变化而变化的特性称为转矩特性，即Te=f(Id)，如图2.5所示[13]。其表达式为：Te=IdCT（2.14）图2.5永磁直流电动机转矩特性图从图2.5可以看出，改变电枢电流的大小可以很好的实现对电磁转矩的调节。⑷永磁直流电动机效率特性在端电压Ud0恒定的情况下，永磁直流电动机的效率η随电枢电流Id变化的特性称为效率特性，即η=f(Id)，如图2.6所示。其计算表达式为：η=×100%=(1-)×100%(2.15)其中，P1为电动机输入功率，P2为电动机的输出功率，∑P为各项损耗功率[13]。图2.6永磁直流电动机效率特性图2、本研究电动机驱动控制系统本研究的电动机控制系统框图如图2.7所示。加速踏板和制动踏板的控制信号被送入主控制器，与电枢电流的反馈电压信号相比较，然后主控制器输出控制电压Ui，通过PI调节器和PWM功率变换器来完成对电动机的调速。PI调节器PI调节器PWM功率变换器M蓄电池组电枢电流负反馈加速踏板控制信号制动踏板控制信号主控制器图2.7永磁直流电动机控制系统框图⑴电流PI调节在闭环调速系统中，常常会遇到动态稳定性和静态稳定性问题，这就需要有校正装置。对电动机驱动控制系统进行串联校正可以采用比例微分（PD）、比例积分（PI）和比例微积分（PID）。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，采用PI调节器就能很好的满足校正任务。⑵PWM变换器在电动机控制系统中，控制电压信号改变时，PWM变换器的输出电压并不能立即发生改变，必须要到下一个方波周期才能改变，可以将PWM变换器看成是一个滞后环节，它的延时时间最大不会超过一个开关周期Ts。2.6本章小结总之，电动汽车驱动电机总的发展趋势是由通用走向专用，由直流走向交流。电动机作为电机驱动系统的动力源，是电动汽车动力系统的核心，已成为电动汽车发展的瓶颈。相信随着电机技术、电力电子技术、微电子技术、自控技术的飞速发展和更加完美的结合，电动车用电机必将发展成为可靠、易维护、低成本、高效率、宽调速、高功率密度和高集成度的智能电机。第3章蓄电池技术及其管理系统设计3.1蓄电池的分类及特点1、铅酸蓄电池电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。英语：Lead-acidbattery荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。其特点如下：（1）完全密封。在正常操作中，电解液不会从电池的端子或外壳中泄露出。（2）没有自由酸。特殊的吸液隔板将酸保持在内，电池内部没有自由酸液，因此电池可放置在任意位置。（3）泄气系统。电池内压超出正常水平后，VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“阀控式密封铅酸蓄电池”的缩写)电池会放出多余气体并自动重新密封，保证电池内没有多余气体。（4）维护简单。由于独一无二的气体复合系统使产生的气体转化成水，在使用VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“阀控式密封铅酸蓄电池”的缩写)电池的过程中不需要加水。（5）使用寿命长。采用了有抗腐蚀结构的铅钙合金栏板VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“阀控式密封铅酸蓄电池”的缩写)电池可浮充使用10-15年。（6）质量稳定，可靠性高。采用先进的生产工艺和严格的质量控制系统，VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“阀控式密封铅酸蓄电池”的缩写)电池的质量稳定，性能可靠。电压、容量和密封在线上进行100%检验。2、镍–氢蓄电池镍–氢（Ni–H2）电池亦称氢–镍（H2-Ni）电池。常见的镍–氢蓄电池是高压镍–氢电池。高压氢–镍电池是20世纪70年代初由美国M.Klein和F.Stockel等首先研制的，单体电池氢电极为负级，镍电极为正极，在氢电极和镍电极间夹有一层KOH电解质溶液（20℃时，密度为1.30g·cm-3）的石棉膜。氢电极是用活性炭作载体，聚四氟乙烯（PTFE）粘结式多孔气体扩散电极，它由含铂催化剂的催化层、多孔聚四氟乙烯防水层组成。镍电极可以用压制的Ni(OH)2电极。高压镍–氢电池的优点主要是比能量较高、寿命长、耐过充过放以及可以通过氢压来指示电池荷点状态等。主要缺点为：容器需要耐高压，一般充电后氢压达3~5MPa,这就需要用较重耐压容器，降低了电池的体积比能量及质量比能量；自放电较大；不能漏气，否则电池容量减小，并且容易发生爆炸事故；成本高；能量密度低。因此，目前研制的高压氢–镍电池主要是应用于空间技术[6,22]。3、镍–镉蓄电池镍–镉（Ni–Cd）亦称镉–镍Cd–Ni7电池于1898年由瑞典尤格尔（W.jungner）发明，已有100多年历史。在20世纪前50年研制生产的是极板（或袋式）电池，从20世纪50年代开始研制生产烧结式电池，从20世纪60年代研制生产密封式电池。电动汽车用Ni–Cd电池应采用密封和全密封结构的电池。密封Ni–Cd电池指液体密封或称液密、半密封电池。这种电池允许任意姿态使用，不会有电液溢出，形状有圆柱形、扁形（扣式）。全密封结构的电池有圆柱形和方形两种。Ni–Cd电池的主要特点是容易充电、寿命长、维护方便，可以制成无需维护的密封和全密封结构的电池。缺点是镉对环境的污染较大，开路电压低，维护不当易报废，这些都限制了电池的大规模使用，预期有被淘汰的可能[6]。4、锂离子蓄电池锂离子蓄电池是在二次锂电池技术的基础上发展起来的一种全新概念的蓄电池。该类电池不仅保持了二次锂电池的优点，而且较好地克服了二次锂电池的缺点，循环寿命长，电池容量高，安全性好，是一类具有很大开发价值的蓄电池。锂离子电池的优点主要有6方面：（1）能量密度高。与同等容量的Ni–Cd或Ni–MH电池相比，锂离子电池的重量轻，其能量密度是这两类电池的1.5~2倍。（2）电压高。锂离子电池的端电压高达3.7V，是Ni–Cd或Ni–MH电池电压的3倍。（3）无污染，环保型。（4）循环寿命长。寿命超过1000次。（5）负载能力大。锂离子电池可以大电流连续放电，适合于动力电源。（6）安全性好。由于使用优良的负极材料，克服了电池充电过程中锂枝晶的生长问题，使得锂离子电池的安全性大大提高。同时采用特殊的可恢复配件，保证了电池在使用过程中的安全性[6,22]。5、空气电池锌–空气电池的特点（1）比能量大。锌空气电池的理论比能量可达1350W·h·kg-1,但锌空气电池的实际比能量仅为180~230W·h·kg-1，仍然是铅酸电池的4.35~5.5倍。能量密度达230W·h·L-1，也是铅酸电池的2~3倍。采用锌空气电池后，电动汽车能够明显地增加续驶里程。（2）采用机械充电模式，弥补了蓄电池充电时间长的不足。（3）性能稳定。锌空气电池具有良好的一致性，没有其他类型电池充电和放电不均匀现象。允许深度放电，电池的容量不受放电强度和温度的影响。能在-20~80℃的温度范围内正常工作。锌空气电池可以完全实现密封免维护，便于电池组能量的管理。（4）安全性好。锌空气电池能够有效地防止因泄漏、短路引起的起火或爆炸。锌没有腐蚀作用，可以完全实现密封免维护，对人体不会造成伤害和危险。（5）锌可以回收利用、制造成本低。锌的来源丰富，生产成本较低。回收再生方便，且成本也较低，可以建立废电池回收再生工厂。锌在循环使用过程中，不会污染环境。锌空气电池应用中存在的主要问题是：结构复杂，电池效率低，空气极和电解液的管理难度大[6]。铝–空气电池的特点（1）比能量大。铝空气电池的理论比能量可达8100W·h·kg-1，目前的铝空气电池的实际比能量只达到350W·h·kg-1，但也是铅酸电池的7~8倍、锂电池的2.3倍，采用铝空气电池后，能够明显提高电动汽车的续驶里程。（2）可采用机械充电模式。（3）质量轻。电池质量大幅度减小，可使电动汽车的整备质量降低，电动汽车的续驶里程延长。（4）铝没有毒性和危险性。铝对人体不会造成伤害。铝还可以回收循环使用，不污染环境。铝的原材料丰富，已具有大规模的铝冶炼厂，生产成本较低。铝回收再生方便，回收再生成本也较低，可以采用更换铝电极的方法解决铝空气电池充电较慢的问题。虽然铝空气电池含有高的比能量，但比功率较低，充电和放电速度比较缓慢，电压滞后，自放电率较大，还需要采用热管理系统来防止铝空气电池工作时的过热问题。铝空气电池应用中需解决的主要问题是：结构复杂，工作过程起泡，空气极寿命短，电池效率低，需CO2清除剂，铝成本高。由于铝不可能在水溶液中重新电沉积到电极上，因此，不能像一般的蓄电池那样充电，只能采用更换电极的机械充电模式[6]。所以，铝–空气电池很少用于生活中，空气电池部分只考虑锌–空气电池。表3.1给出以上几种蓄电池的性能参数表3.1各种蓄电池性能参数[14]——比能量Wh/kg能量密度Wh/L比功率W/kg循环寿命次价格美元/kWhLead-Acid30-5060-100200-400400-600120-150Ni-Cd40-5080-100150-350800-2000300-350Ni-H250-70100-140150-300800-2000150-200Zn/Air180-230230105NA100Li-Ion120-140240-280200-3001200150-1803.2蓄电池存在的问题修正电制动力。如果电制动力小于整车的请求制动力，则不足部分通过再生制动控制模块控制机械制动控制模块补足所需机械制动力，这时根据电制动力是否达到最大分为两种情况：如果电制动力没有达到最大，则只有前轮的机械制动参与制动，整车制动力由电制动力和前轮机械制动力共同提供；如果电制动力达到最大，则前后轮机械制动力和电制动力共同提供制动力。最后一种情况就是电机无法提供电制动力，这时整车制动由原车机械制动系统来完成。2、操纵方式本研究采用再生制动操纵机构与制动踏板一体化。根据制动踏板被踩下加速度的不同，可分为两种不同的制动请求。第一种为正常制动操作方式，即为机电复合制动。随制动踏板下压，电制动力从逐渐增强到恒定不变，而摩擦制动力逐渐加强。第二种为紧急制动操作方式。此时制动踏板被急速踩下，摩擦制动力急剧增加，电制动不再工作，防止因瞬时充电功率过大而对蓄电池等电路器件造成损坏。4.7本章小结能量回收及再生制动系统对整车性能有很大影响，通过再生能量的回收，达到了能量的循环利用，延长了电动汽车续驶里程．通过对永磁无刷直流电机控制分析，可以将车辆动能转化为电能且回馈到电池中去，同时可产生制动力矩，进行车辆制动。在驱动控制时，以电机绕组电流(驱动力矩)为控制对象，采用的电机绕组电流闭环控制具有与传统汽车相似的驾驶特性．在再生制动控制时，以回馈到电池的回馈电流为控制对象，所控制的再生电流有效地控制在电池的最大充电电流范围内．再生制动与机械制动联合制动的策略，可提高了车辆的制动性能，在有效地回收能源的基础上，提高了制动的强度、灵敏性和可靠性。第5章电动客车的总体设计5.1改装布置设计注意事项进行电动汽车改装，就是使用电动汽车的动力系统和能源系统来改造替换原车的动力系统和能源系统，以及相关部分的改动。在进行总体布置方案设计时，除了要考虑底盘和车内空间是否能容纳得下所选的部件外，还应考虑以下几点：（1）整车布置时，要遵循尽量不改变原车前后轴荷分配的原则，以避免改装后车辆的操纵稳定性和制动效能有太大变化。因为原车底盘己通过试验鉴定，其轴荷分配是合理的。（2）电动机安装时，尽量水平放置。若电动机倾斜安装，其对输出端轴承会产生附加的轴向载荷，使其工作条件变坏。电机控制系统应尽量靠近电机安放，以方便控制及减少能量损耗。（3）蓄电池的布置应根据实际情况，尽可能靠近整车的质心位置，并尽量靠近电动机和电动机控制系统，以提高整车的稳定性、操纵方便性及减少连接电阻的电能损耗。（4）电池架的设计应使蓄电池的检查、拆卸和安装方便、可靠。（5）保留离合器与变速器时，电动机输出端与离合器、变速器之间不宜用传动轴进行连接，而应另外设计一个法兰盘式联轴装置进行直接刚性连接，这样一方面可以增加其刚度，另一方面也可以减少传动环节，降低机械损失，提高输出效率，延长续驶里程。5.2电机与传动系统结构布置设计原车的传动系统包括了发动机、离合器、变速器、主减速器和差速器以及传动轴。电动机要安装，就要考虑整个动力的传递通道，电动机输出的动力如何传递到驱动车轮上。根据原车的实际情况，本研究提出了三个方案。第一方案：电动机与离合器联结，电动机的动力通过离合器、变速器、主减速器和差速器传到驱动车轮上。其结构如图5.1所示。车轮车轮车轮电动机离合器变速器主减速器差速器车轮车轮图5.1方案一的结构框图该方案的优点是对原有车辆的改动最小，在硬件方面基本上不需要改动什么，只需把原来的发动机去掉，安装上电动机就可以了。电动汽车的运行状态的改变可以通过电动机和变速器来实现。由于保留了变速器，对电动机的控制也要容易得多，同时对电动机的性能方面的要求也有所降低。该方案缺点是车辆改装后质量增加较大，虽然电动机的质量比原发动机少了100多千克，但是车上增加了蓄电池组，传动系统未能减重来抵消部分蓄电池组的重量，对电动汽车的性能有一定的影响。第二方案：去掉离合器和变速器，电动机前置，电动机动力通过传动轴传递到主减速器。其结构如图5.2所示。车轮车轮车轮电动机主减速器差速器车轮车轮图5.2方案二的结构框图该方案去掉了离合器和变速器，将电动机安装在发动机和变速器拆除后留下的位置上，这样布置就减轻了车辆改装后的质量，因为中型城市客车的变速器和离合器质量较大，同时提高了电动汽车的传动效率。该方案的缺点是电动机的控制相对方案一变复杂，电动汽车运行状态的改变只能通过电动机来实现，对电动机的性能和控制要求有所提高。第三方案：去掉离合器和变速器，电动机后置。其结构如图5.3所示。车轮车轮车轮电动机主减速器差速器车轮车轮图5.3方案三的结构框图该方案去掉了离合器和变速器，将电动机放置在电动汽车的后端，直接与主减速器和差速器相连接。这样提高了电动汽车的传动效率，同时省去了离合器和变速器的质量，提高了车辆的动力性和经济性。该方案的缺点是对电动机的性能要求高，电动机布置在电动汽车的后端，使得车辆后端质量明显增大，蓄电池组也因为结构上的原因布置在车辆的后端，从而前后轴轴荷分配不合理，直接影响了电动汽车的操控性和行驶安全性，同时车辆后端的空间有限，对电动机的安装带来有一定的困难。理论上讲，因为电动机的扭矩特性是低转速时扭矩大，很适合汽车起步和爬坡。但实际上，电动汽车电动机的比功率与内燃机相比尚有较大差距，而且电动机的功率越大需要的蓄电池就越多。本课题组认为电动汽车在最高车速、载重量和爬坡性能等方面要求可以比燃油车要求略低一些。从经济性和实用性两方面考虑，在选择电动机功率时，可以小于原来的柴油发动机功率。由于电动机输出动力小，为了保证车辆的起步和爬坡，必须保留原车的变速器和万向传动装置，即采用第一种方案。该方案改装难度低，费用少，对电动机性能的要求不高，同时也降低对电动机控制系统的要求，提高了本研究的研究速度，减少研究周期，降低风险，另一方面也为后续的改装使用留有余地。5.3蓄电池组的布置及安装设计5.3.1蓄电池组布置的要求蓄电池组在电动汽车上的布置是本改装的一个重要方面。由于蓄电池条件的原因，使得在布置蓄电池组时要考虑以下几个方面的要求：1、空间性为了满足电动汽车的续驶里程，蓄电池组的体积和质量都比较大，往往需要较大的车内空间来布置。与普通汽车相比较，在同等行驶距离条件下，电动汽车所需要的电池组体积要比普通汽车的油箱体积大得多，所以布置难度也大得多。2、安全性蓄电池组高电压放电，要保证车辆乘员不会触电，保证可靠的绝缘以免引发火灾。同时要防止蓄电池可能发生的爆炸和燃烧对乘员的伤害。3、前后轴轴荷分配蓄电池组质量大，使得车辆在安装蓄电池组后可能出现车辆质心位置改变的情况，需要对电池组合理布置来保证前后轴轴荷分配合理。4、散热性蓄电池在使用中会产生热量，温度对蓄电池性能影响较大，需对蓄电池进行散热，在布置时要考虑散热要求[58]。5、维护和更换方便性维护和更换的方便性是电动汽车动力蓄电池布置设计的一个基本方面，以提高电动汽车的实用性。5.3.2蓄电池组布置设计蓄电池组的体积和质量都很大，在客车上布置并不容易。如果布置在乘客区内的话，摆放和连线都比较容易，但是这样就无法再在乘客区内乘坐乘客，对汽车的实用性有很大的影响。考虑安放在行李箱内，行李箱容积较大，可以提供足够的空间。本研究使用24块铅酸蓄电池，分别安放在4个蓄电池安放支架上，布置如图5.4所示。车轮车轮车轮车轮车轮电池组电池组电池组图5.4电动汽车电池组布置框图本研究采用的SWB6940HG中型城市客车共有四个较大的空间，左边一个布置了油箱，右边两个和尾部一个行李舱，其中尾部空间比较大，四个空间都可以考虑用来安置蓄电池组。在综合考虑蓄电池的更换维护方便性、整车轴荷平衡分布以及蓄电池管理系统要求等因素后，本研究采取了如下的方案：（1）采取把客车车身右侧原来放置油箱的地方布置一个蓄电池舱，在与右侧对称的左侧第二个行李舱的位置处也布置一个蓄电池舱，各放置一组蓄电池。（2）将原车身尾部的行李舱也用来作为蓄电池舱，放置2组蓄电池组，并在车身左、右侧围和尾部各布置的蓄电池舱保留舱门，提高安全性和方便蓄电池的更换。（3）把24块蓄电池分成4组，每6块串联组成一组，装配在一个专门设计的框架里，如图5.5所示，该框架能够在蓄电池舱中的固定轨道上移动。更换蓄电池时，使用专用的高度可调的小车，将其上面的轨道与蓄电池舱中的轨道准确对接，这样把框架从蓄电池舱移动到小车上，然后再把己经充好电的蓄电池换上，即可轻松完成蓄电池的更换工作。（4）为了提高更换速度，缩短时间，各组蓄电池之间采用快速接头(如航空插头等)来实现所有蓄电池的快速串连和拆卸。图5.5蓄电池在框架中的放置5.3.3蓄电池框架和轨道的设计蓄电池框架的设计既要满足更换时的移动方便和更换方便，又要满足客车行驶过程中的固定牢固，不能出现前后、左右和上下的过大位移等不安全现象，因此至关重要。每个蓄电池框架内放置6块铅酸蓄电池，蓄电池连同框架的重量约为240kg，为了满足移动的方便性，设计采取了给每个框架布置4个滚轮和外导向轮，滚轮能在固定轨道上自由滚动，导向轮既能保证更换电池时蓄电池框架能准确地沿着轨道运动，又能对蓄电池框架的前后运动进行约束。轨道的设计本研究采用8号槽钢，并在槽钢内布置一根弹簧，这样槽钢能对在其内滚动的滚轮起到上下约束。弹簧的作用是，当蓄电池框架安装在轨道上并锁上锁止机构时，弹簧和锁止机构一块起到对蓄电池框架的左右约束。另外，为了保证蓄电池与其框架运动的一致性，结合蓄电池和蓄电池舱的尺寸，我们采用了30mm×30mm×3mm的热轧等边角钢作横向压条，从蓄电池上方将其固定在框架里，效果良好。蓄电池框架采用40mm×40mm×4mm的热轧等边角钢，框架和锁止机构等的具体结构如图5.6所示[4]。图5.6蓄电池框架及其导轨布置至此，电动汽车的两大部分的布置设计基本完成，图5.7给出了电机和蓄电池组最后的布置简图。图5.7电动客车电机和蓄电池组布置简图1.电动机2.变速器3.右蓄电池组4.后蓄电池组5.左蓄电池组5.4制动系统改装设计原车采用的是前、后独立的液压双回路行车制动系统。在助力方面安装的是真空助力器，该种助力机构，可以用小的踏板力来获得较大的制动力。助力机构安装有真空单向阀，该阀通过与发动机的进气支管连接来获得真空度，拆除了发动机后，助力系统将丧失真空源而失去助力作用，仅靠人力所产生的制动力无法完全满足客车制动时所需的制动力。为此考虑使用足够排量的电动真空泵加一个大小合适的真空罐的组合。电动真空泵从蓄电池取得电能工作，产生真空，然后用真空罐将产生的真空储存起来，待客车制动的时候提供真空助力。为了安全，需要加装一个真空不足报警装置，一旦出现真空不足立刻报警提醒驾驶员。图5.8给出了制动系统改装设计结构简图。图5.8制动系统改装设计结构简图5.5本章小结使用现有的中型城市客车为基础来改装纯电动汽车，因为目前国内对于电动汽车的研究还不是很完善成熟，许多的基础技术还有待深入研究，如果专门为研究的每一个项目开发一款专用的承载车辆，必将造成设计难度增加，时间延长，不利于电动汽车技术的快速发展；同时，目前投入电动汽车研究的资金和人力都比较有限，使用现有车型作为电动汽车的改装对象，能够集中有限的力量进行关键技术的攻关，掌握了核心技术以后，再针对成熟的电动驱动系统开发专用的承载车辆。这样的发展方式是附合我们国家目前的实际情况的，可以让我们在未来的电动汽车时代赶上汽车发达国家。结论电动汽车的研发越来越受到全社会的关注，本课题就是为了在纯电动城市客车方面积累设计和研究的经验而展开的。本研究以课题组之前设计研发的纯电动汽车试验车为基础，运用相关技术，从总体上对纯电动城市客车各相关部分进行了设计研究，也是对目前所做工作的一个总结。本论文只是该课题的开始，研究工作还在继续进行当中。本论文主要研究内容和成果如下：1、介绍了现有电动汽车电动机的特点，选择了包头永磁直流电机所研制的永磁直流电动机作为本研究电动客车的动力源，并对电动客车的动力性进行了分析和电动机的性能校核。分析了永磁直流电动机的特性，提出了控制策略。2、介绍了现有电动汽车用的蓄电池性能特点和蓄电池存在的问题。对本研究用的铅酸蓄电池进行了续驶里程的估算校核，分析了蓄电池的放电特性。针对本研究所选用的铅酸蓄电池进行了蓄电池管理系统的设计研究，给出了管理系统的总体结构和各模块功能，对蓄电池组的电压、电流、温度的检测和均衡充放电进行了初步研究。3、从再生制动能量回收的重要性出发，介绍了再生制动原理，给出了再生制动系统的结构设计方案，整车制动力分配策略。4、针对电动机及蓄电池组在改装车辆上海申沃客车有限公司生产的SWB6940HG型城市客车上的安装提出了设计方案。其中包括了电动机的安装方式和安装位置、蓄电池组的布置和安装设计等。5、本研究只是对蓄电池管理系统进行了比较初步的研究，很多环节还需要更进一步的细化，把各种功能都实现和完善化，提高对蓄电池组的管理能力，真正发挥出蓄电池管理系统的功能。6、由于再生制动对电动汽车的重要性，进一步研究和完善再生制动系统是必要的。课题组对再生制动的研究并不是很多，希望能够通过理论和试验研究两方面来共同完成再生制动系统，使之真正能够发挥应有的作用。参考文献[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，1998.12[2]章桐，贾永轩编著；索荣电动汽车网组编.电动汽车技术革命[M].北京：机械工业出版社，2010.4[3]胡骅，宋慧主编.电动汽车[M].北京：人民交通出版社，2006.8[4]张付义.城市公交电动客车设计与开发[J].城市车辆，2005.2：43-44[5]C.C.ChanandY.S.Wong.ElectricVehicles:ChargeForward,IEEEPowerandEnergyMagazine,Nov./Dec.2004[6]李兴虎.电动汽车概论[M].北京：北京理工大学出版社，2005.8[7]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，2007[8]张卫钢.纯电动试验车及其相关技术研究[D].西安：长安大学博士学位论文[9]赵辉，电池供电的永磁电动机系统的再生制动[J].电机