现代电动汽车电源系统研究毕业论文.doc

学位论文独创性声明 UlfJ2G414 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教存 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名（手写):签字円期：?丨年/J月I)H 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南吕人学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所和中国学术期刊（光盘版）电子杂志社将本学位论 文收录到 中国学位论文全文数据库 和 中国优秀博硕士学位论文全文数据 库 中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务。(保密的学位论文在解密后适用本授权书）摘要 摘要 现代电动汽车作为一种现代交通工具，其对环境、对人类都有着不可替代 的作用。它集中了电源制作、自动化控制、机械设计等技术于一身，系统的优 化组合能体现一部电动汽车的性能。电动汽车可以分为蓄电池电动汽车（EV)、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车，其中EV通常被认为是一种最好的“零 污染”或“超低污染”的车辆，它没有噪声和振动、操作性能好等远远优于内 燃机汽车，是当甜开发和研制取代内燃机汽车的首选车型。本文着重参照了南昌大学“昌大”一号蓄电池电动汽车的电气系统设计模 型，在其基础上进行了一些改进，设计出了一款新型的利用直流电动机驱动轻 型轿车的电源系统模型，它利用一组由 3.3V电池单元串并联而成的 144V锂电 池箱，来对三相无刷直流电动机进行驱动，并且通过TMS320LF2407ADSP来控 制PWM输出，然后，通过由IGBT器件组成的全桥逆变电路来驱动三相无刷直流 电动机的调速，从而保证了电动机的速度控制要求，为了保证电动机的稳定运 行，采用了速度电流的双反馈闭环控制，使得电动机满足电动汽车的稳定性要 求，并且还设计了一款由 TL431、PC817、HCPL316J、UC3844、LT1117 等芯片组 成的DC/DC变换，通过此电路能准确输出正负 12V、正负 15V，正负 9V还有 3.3V 的电压，通过这些电压可以给电动汽车各个电子器件以及DSP供电，维持电动 汽车的正常运行，并且对这些系统的设计参数都进行了深入研究，然后对整个 系统就行了组合优化，对以后电动汽车的电源系统研究具有一定的参考价值。关键词：电动汽车；直流电动机；TMS320LF2407ADSP ABSTRACT Modem electric vehicles as a modem means of transportation plays an irreplaceable role in its environment and mankind,which focuses on the power production,automation,mechanical design technology in one system can embody an optimal combination of the performance of electric vehicles.Battery electric vehicles contains electric vehicles(EV),fuel cell electric vehicles and hybrid electric vehicles,of which EV is one of the best zero H录 III pollution or low pollution vehicles and which does not have noise and vibration,operating performance good and so far superior to internal combustion engine vehicles,which is the one of research and development to replace the current vehicle of choice for internal combustion engine vehicles.This paper made reference to the electric vehicle battery electrical system design model in the Nanchang University which is called the first 4chang da electric vehicle.On its based,a number of improvements in the power system model are designed and a new type of sedan driven by DC motor is designed too,which uses the 144V lithium battery series-parallel case composed with a set of 3.3V battery cells,to drive three-phase brushless DC motor,and by TMS320LF2407A DSP to control the PWM output,and then,to drive three-phase brushless DC motor speed making use of the full-bridge inverter circuit composed with the IGBT device,thus ensuring the motor speed control requirements.For ensuring the stable operation of the motor,using dual-speed current feedback loop control,making the stability of the motor to meet the requirements of electric vehicles,and the DC/DC transformation is also designed by the TL431,PC817,HCPL316J,UC3844,LT1117 and other chips,through the positive and negative output of this circuit can accurately 12V,15V,3.3V,9V voltage,which voltage can give electric vehicles of various electronic devices and DSP power to maintain the normal operation of electric vehicles.On design parameters of these systems in-depth research and then the whole system on the line optimization,on the future of electric vehicle power system has some reference value.Key Words：electric vehicle；Electric vehicle；the DC motor；TMS320LF2407A DSP 目录%11 l l.l课题研究背景和来源.1 1.2 电动汽车的发展历程.1 1.3 电动汽车的最新成果.3 ABSTRACT 1.4 电动汽车的发展障碍.4 1.5 论文的主要工作.5 第 2 章电动汽车的初步设计参数.6 2.1 车辆的设计要求.6 2.2 电动汽车辅件的功耗.7 2.3 本章小结.8 第 3 章电动汽车的基本原理.9 3.1 车辆的一般描述.9 3.1.1 牵引电动机的特性.9 3.1.2 加速度.10 3.1.3 阻力的求法.10 3.1.4 汽车的牵引力和车速.13 3.2 本章总结.15 第 4 章电动汽车的蓄电池.16 4.1 纯电动汽车对电池性能的要求.16 4.2 电源应用框图.16 4.3 电源蓄电池的选择.17 4.4 锂电池的充电方式及其装置.18 4.4.1 恒压充电.19 4.4.2 恒流充电.20 4.4.3 最大功率充电.20 _ HS_ 4.4.4 典型的充电装置.21 4.5 蓄电池对电动汽车性能的影响.21 4.6 本章总结.22 .23 5.1 升降压斩波电路（Buck-Boost电路）.23 5.1.1 电感电流连续导电模式.23 5.1.2 电感电流断续导电模式.24 5.2 25 第 6 章电动汽车的电动机.26 6.1 纯电动汽车电源系统的构造图.26 6.2 电动汽车的电动机选择.27 6.2.1 三相无刷直流电动机的结构与特点.28 6.2.2 调速控制框图设计.31 6.2.3 三相无刷直流电动机的工作原理.32 6.2.4 三相无刷直流电动机的性能分析.36 6.3 逆变器的分析.39 6.4 三相无刷直流电动机的DSP驱动.40 6.5 TMS320LF2407A DSP 芯片.43 6.5.1 TMS320LF2407A DSP 特点.43 6.5.2 TMS320LF2407A DSP 总体结构.44 6.6 电动机的能量回收.45 6.7 回馈制动的数学模型.46 6.8 本章小结.47 第 7 章电动汽车电动机的仿真控制图.49 7.1 数学模型的建立.49 7.1.1 三相无刷直流电动机的动态数学模型.49 7.1.2 逆变器的数学模型.49 7.1.3 电流和转速双闭环的数学模型.50 7,2 仿真模块的建立.50 IV 7.3 仿真结果以及分析.55 7.4 本章小结.57 第 8 章电子设备以及DSP供电电源.58 8.1 TL431 模块.59 8.2 pc817 模块.60 8_ 3 HCPL316J 模块.60 8.4 UC3844 模块.61 8.5 LT1117 模块.63 8.6 本章小结.63 第 9 章电动汽车的蓄电池管理系统.64 9.1 中央处理系统（CPS).65 9.2 显示器.66 9.3 数据传输.66 9.4 电池的性能管理.66 9.4.1 电池的荷电状态管理（S0C).66 9.4.2 电池组的热管理.68 9.5 本章小结.68 第 10 章总结与展望.70 if.72 参考文献.73 攻读学位期间的研究论文.76 第I章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究背景和来源 在现代社会，汽车越来越成为当代人的主要交通工具之一。据最新调査显 示，我国汽车的销售量每年都成两位数增长，这说明了我们国家的汽车市场呈 现一片大好形势，然而，随着各国对环境问题的円益重视，作为污染源之一的 汽车行业，也面临这巨大的环境压力。现如今，我国汽车的保有量已经达到 3000 多万辆，年石油消耗量达到 7500 多力吨，从而给能源的需求带来了巨大的压力，当然对环境的影响也是如此。据调查，对环境产生破坏作用的因素当中，最大的莫过于每年机动车辆数量的 急速增长，它们每年向大气中排放的尾气总量已经远远超过大气所能容纳吸收 的含量。在北京、上海、深圳等一线城市，机动车辆排放的碳氮氧化物的污染 物已经成为城市污染的重头戏。据知名人士估计，在未来的 10-15 年之内，我 国的汽车总量可能会达到 1 亿辆，如此巨大的基数，产生的消耗与污染，不得 不引起全国乃至全世界人民的关注，如何在高速发展的今天，为我们创造一个 舒适的生活环境，为我们在汽车消费不断提高的同时又能对环境不造成污染 呢？诸如此类问题，最好的解决办法之一就是寻找荇代能源，对汽车进行相应 的改造，从而使得电动汽车从新迎来了一个崭新的发展机遇。电动汽车具有节 能，降低油耗等等优点，已经被很多国家提上国家战略资源的高度，这是前所 未有的举措，我们国家也不例外。当前，我们国家已经启动了电动汽车研发的“863”计划，全力促进我国汽车行业发展的研究与开发2。在此社会背景下，我校万晓凤教授与景德镇昌河汽车合作研制出了一款快 速清洁节能的“昌大一号”电动汽车，它利用锂电池作为能源，利用现代汽车 制造技术研发的一款新型电动汽车，本课题就是以此汽车为模型，对“昌大一 号”电动汽车的驱动电动机进行了改进，讨论并利用了直流电动机设计电动汽 车的优越性和可行性。1.2 电动汽车的发展历程 随着各国对电动汽车的円益重视，电动汽车迎来了一个发展的黄金时期。第 1 苹 绪 论 2 现在的电动汽车有蓄电池电动车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车，它 们已经成为了现在交通和运输家庭新成员，也可称之为老成员，因为对于电动 汽车的研究，在 1881 年就有人开始进行研究，比现在的燃油汽车研究的时间都 早。在 20 世纪 70 年代，福特公司就丌发了一款钠硫电池电动汽车，到了 1990 年，美国通用公司也推出了一款“冲击”的电动汽车。在二十世纪 90 年代初期,美国通用汽车公司和福特汽车公司以及克莱斯勒汽车公司强强联合起来，研制 出了多种汽车能源以及多种电子配件，因此使得电动汽车的发展又推上了一个 新台阶，除此之外，欧洲国家，比如法国，政府部门也格外重视电动汽车的研 发，相继与法国电力公司和标志-雪铁龙汽车公司也共同组建了电动汽车研制中 心，他们和美国汽车公司一样，从电动汽车高性能电源的研究，到相关部件领 域都一一进行了深入研究，到 1997 年时，在法国的电动汽车产量就己经达到了 2000 辆。当然还有德国，德M以二战前原有的工业为基础，政府部门也投入相 当大的物力、人力、财力对电动汽车进行研究，在 1991 年的时候，在拜尔州就 投入了 300 多辆电动汽车行驶在大街小巷，在 1992 年在政府的指定支持下，奔 驰和大众合资建立了电动汽车的研制丌发，并且建立了试验基地。在亚洲，早 在 1971 年，在R本通产省，一些企业就制订了电动汽车的开发计划，到 2000 年时，其电动汽车的年产量就达到了 10 万辆之多31。在我国，虽然发展较晚，但我国的以清华大学为代表的许多高校也推出了自行设计的电动汽车，尽管水 平与国外还有点差距，但是相差水平不是很远，还是有机会赶上。现在的交通工具有飞机、火车，汽车等等，他们都是受发动机动力进行推 动，到如今，己经统治了动力系统 100 多年，现在，随着各种环保问题的突出，人们必须进行新一代动力的研究，电动汽车作为新型汽车，他的目标是达到与 内燃机汽车相同的技术性能，从而代替高燃油汽车成为现时代的交通工具。现 在，德国、日本、法国等国都己经着手这方面的研究，其中德国现在己经建立 了吕根岛试验基地，它是德国最大的电动汽车示范区，是由德国联邦教育、科 学研究和技术部共同资助的，而且大众、宝马、奔驰、欧宝等品牌汽车都在此 有实验项目，法国也有它们的拉罗歇尔市电动汽车示范区，円本的大阪市都成 为了电动汽车的示范区3，在广东省汕头市的南澳岛上，我国也建立了电动汽 车的实验测试示范区，其中有由清华大学设计和北京客车总厂改装的 6580EV的 大客车、华南理工大学设计和广州云山汽车组装的客车等等都在此基地进行实 验，这些实验所得的数据，为我国电动汽车企业的发展起到了一定的参考作用。笫 1 章 绪 论 3 1.3 电动汽车的最新成果 在最近举办的北京车展中，当今世界各大汽车公司都展现了其公司对电动 汽车研制的最新成果，例如有比亚迪公司展示的比亚迪F6DM双模电动汽车，它 能快速充电，在充电 10 分钟之后，蓄电池的电量便可达到满负荷的 70%以上;而且充满整个蓄电池仅需要 9 个小时，它在充满电时，仅利用蓄电池供电可持 续行驶距离达 100 公里。当然，它在利用其他的动力行驶时，续航能力可达 400 公里左右，这样的行驶能力和一般的燃油汽车一次性续航能力相差不大。从而 使得混合动力汽车具有很大的发展前景，虽然前期的投资较大，但是据说现在 的DM成本仅在 5 万左右，如果该系统能够加以改进进行量产的话，业内人士估 计，成本费用能降低到 3 万左右，上海汽车厂、通用汽车、奇瑞汽车、吉利汽 车等国内外知名汽车企业，都展现出了自己的纯电动汽车。其中，奇瑞，作为 自主品牌领头羊的汽车企业，展出了包括M卜EV、M3-EV、G5-EV在内的多款纯 电动汽车，它们都是新能源汽车中的佼佼者，这些汽车以宏大的阵容，展现出 了我们国家自主创新，利用新能源发掘新能源的不竭力量。据说，此次奇瑞参 展的M1-EV、M3-EV、G5-EV纯电动汽车都采用了奇瑞C-PET新能源技术，而且 各种车型也己经通过各项性能、安全、质量等指标的测试，并且其各项指标均 达到了世界电动汽车行业的领先水平，已经具备批量推向市场的条件。比如 M1-EV型号的纯电动汽车，其是在瑞麒Ml平台的基础上进行改进，经过研发工 程师们精心打造的一款高速锂离子纯电动汽车，具备了世界一流的技术水平。它使用的电驱动系统为一款 336V45kw的电动机，锂电池的容量为 60Ah;最高 车速达 120km/h;如果采用奇瑞独创的里程增加器技术后，它的续航里程就可 达 250km;充电模式为电压双充电，利用了专业 3C与家庭 220V电瓜技术，充 电方便快捷；并且其电能损耗很低，一百公里耗电仅仅在 12 度左右，同时在安 全碰撞测试中，其以优异的成绩，安全的通过了测试。除了以上企业之外，在 北京本次车展上，国内还有很多汽车企业也相继展出了自主生产的纯电动汽车 系列，具有一定代表性的有EK-3、E6、MINI奔奔等；国外汽车企业，比如通用、大众等跨国企业，则相继展出了雪佛兰Volt、甲壳虫E-Up等纯电动汽车。国 内具有代表性的企业还有众泰，他们这次展出的纯电动汽车，是融合国际上技 笫 1 苹 绪 论 术比较成熟的小排量车型与多项自主创新专利技术为一体而研制成功的。他展 示的车是利用当今最具发展潜力的锂电池作为动力电池，锂离子总能量为 25kw 时，它的最高车速能达到llkm/h，而且在充满电后它的续驶里程能达到为 200 公里以上，并且它还具有低功耗的优点，行驶一百公里耗电仅需要 12 度，这相 对同级别的汽油汽车，至少可以节约 4/5 的使用成本，而且车内配青的充电器，也有两种模式可以选择，一种是家用电源充电模式，另外一种是快速充电模式，进一步提升了充电便利性。除此之外还有国外的阿尔特公司生产的竹风系列轿 车，这是一款纯电动汽车，续航里程能达到 160km，最高时速为 140km/h，长、宽、高为 100*100*100,动力电池使用锰酸锂离子电池，最大功率能达到 60kw,最大扭矩为 216N*m，竹风概念车这款两厢四人座的纯电动车，采用了前置前驱 的结构形式，装备有 60kW/216Nm永磁同步电机，它的性能较高，其中电机和 逆变器的综合效率能够高达 95%;蓄电池采用了 17kW*h的高性能锰酸锂离子电 池，同时为了方便用户更换电池，该公司还为此汽车设计了快速更换电池功能;再有就是通用公司生产的通用EN-V电动联网概念车能源:纯电力驱动整车质量 为 415kg，续航里程为 40km，最高时速能达到 40km/h，动力电池为锂离子电池，它的最大行驶功率为 18kw,最大扭矩为 400N m，这些都是现代电动汽车飞速 发展的典型代表5。1.4 电动汽车的发展障碍 电动汽车发展至今，已有一定的发展经验，如今现在各国每年都会投入大 量资金进行研发，从而使电动汽车的发展带来了新的发展契机。针对当今电动 汽车的发展进程，现总结电动汽车的优点如下(1)政府政策有效支持(2)降低石油消耗节能环保(3)长期来看，总体拥有成本也有优势 虽然电动汽车因具有以上优点己经在我国有了一定的发展，但是由于电动 汽车存在种种技术瓶颈，使其在发展当中遇到了重重阻碍，现一一列举如下：a电池使用寿命短而更换成本高 b电动车空调问题 c能量回收困难续航里程短第 1 草 绪 论 5 d电池适应性差 e电量耗尽问题 f基础设施尚不完善 1.5 论文的主要工作 本文针对当前的电动汽车的现状，对电动汽车的关键技术进行了详细彻底 的研究：(1)首先深入地分析研究了当今电动汽车的蓄电池技术，在和其他I电池 的参数对比当中，能充分表明锂电池在电动汽车蓄电池的应用中所特有的优势。(2)其次，本论文着重对电动汽车的驱动电机进行了深入研究，从三相无 刷直流电动机结构特征，到其在电动汽车运用上的特点，以及其在控制电路上，都进行了一定的设计研究，对于电机的控制，采用了常用的DSP控制技术，利 用所设计的双闭环控制，使电动汽车的速度控制更加准确、更加安全。(3)除此之外，对于电动机的控制，设计了系统的双闭环控制数学模型以 及仿真模型，并且对系统进行了仿真，从仿真结果看出，所设计的双闭环控制 系统对电机速度控制起到了应有的效果(4)文章最后，针对电动汽车的整个电源系统，简单叙述了辅助器件电源 电压的转换电路和蓄电池的管理系统。辅助器件是电动汽车的电源系统的一部 分，本文设计出一种新电路，利用该电路的转换，可以实现辅助器件的电源电 压供应。第 2 章屯动汽车的初步设计参数 第 2 章电动汽车的初步设计参数 2.1 车辆的设计要求 参数如表 2-1 所示：表2-1电动汽车各部件参数 结合现有产品技术参数，选用了当前最具有发展潜力的锂电池作为供电电 池，利用电池片的串并联技术组装成直流总电压为 120V,容量为lOOAh，电动 机选用尤耐特三相无刷直流电动机，型号BLT7.5/18-2500/216,它的额定电压 为 110V，额定功率为25KW，峰值功率为30kw，额定转数为2500rpm,最高转数 为4800rpm,额定扭矩为100N in,峰值扭矩为140N_ m,额定相电流为227,峰值相电流为354A，电机效率为 95.4%,采用的冷却方式为空气冷却方式，采 用Y型接法；对于其他的电子器件所需电源，有9V、15V、12V和 3.3V 等，我们需设计一种电路图，对其进行DC/DC变换，变换成多种电伍等级的电 源，初步设想利用各种芯片技术座位 4 位 整车长/mm 4025 宽/mm 1715 尚/mm 1670 整车质量/kg 1560 满载质量/kg 1820 最高车速/(km/h)110 一次充电行程/km 200(1015 工况）电池形式 円产索尼锂离子 电扭/容量 28V/100A.h 总电压/V 120 电机类型 三相无刷直流电动机 最大功率（kw/r/min)28/4800 最大转矩（N-m/r/min)140 驱动方式 前轮驱动 充电器类别 接触式 滚动阻力系数 0.01 空气阻力系数 0.3 迎风正面的面积 2.Ora2 传动装置效率 0.9 加速时间（加速到lkm/h)10sls 第 2 章屯动汽车的初步设计参数 进行DC/DC变换，利用芯片技术可以节省成本，而且电路简单，易于控制。除此参数之外，还有很多损耗功率的电气设备，包 括显示仪表电源、空调、收音机、驱动控制器、车头与车尾灯、喇叭、雨刮器、电动车窗等等，他们都会消耗电源的功率，对于电动汽车来说，不得不考虑这 些电动汽车辅助设备的电源供应。与内燃机相比，因为这些辅助子系统在电动 汽车的应用中相差不大，我们可以把这些设备按部就班的运用到电动汽车上，因为电动汽车的辅助设备的供应电源绝大多数是 12V直流电源，因此在设计中，需经过斩波器把电源电压斩成 12 直流电压，以便这些设备的应用。2.2 电动汽车辅件的功耗 电动汽车和燃油汽车一样，车载设备除了电动机以外，还有很多辅助设备，辅助设备对于电源来说，其也会消耗一部分能量损耗，从而影响蓄电池的使用 寿命，现把各种常用辅助期间的损耗列表列出如下：总的消耗占据了整个辅助系统总耗电量的 75%.还可以看出，这些辅助器件总的 功耗大约为 4.8kw，对于有限的电动汽车蓄电池能量来说，也是主要的能量消 耗输表2-2电动汽车辅助子系统的功耗 子系统 工作状态 功耗/W 空调器 连续 2 0004 000 收音机 连续 20 接触器 连续 20 驱动控制器 迮续 150 能M管理系统 连续 一 J 150.车头灯和尾灯 迮续 120 喇叭 断续 10 仪表 连续 30 停车灯、转向灯及车内灯 断续 50 动力转向系统 连续 400 液压制动成气压制动 连续 1500 电动车窗 断续 80 车窗除霜器 迕续 250 雨刮器 连续 40 从表 2-2 中可以看出，辅助子系统的主要功耗在空调器和气压制动，它们 第 2 章屯动汽车的初步设计参数 出。2.3 本章小结 本文分别介绍了电动汽车的设计参数与辅助器件的功率损耗，电动汽车的 设计参数是本文所计算各种部件数据的直接参考，在选定电动汽车的参数时，进行了大量的调研，对于当甜的技术发展，对于此电动汽车的设计，在技术层 面上，也分析了其设计可行性，对于辅助器件的损耗，与一般的燃油汽车并无 区别，故可直接选用。第 3 章电动汽车的基本原理 第 3 章电动汽车的基本原理 3.1 车辆的一般描述 3.1 J牵引电动机的特性 直流电动机大致可分为采用永久磁铁的永磁式电动机和采用电磁铁的绕组 励磁式电动机，在电动汽车的应用中，一般对于小功率的电动机运用PM电动机，大中型功率的电动机则选用串励、并励或者复励电动机，在过去很长一段时间，由于直流电机需要有换向器、电刷等装置才能运行，从而限制了它在电动汽车 上的应用。随着技术的不断发展，无刷电机的出现，弥补了有刷电机的不足，从而使得直流电机在一些场合得到了应用，无刷电机作为直流电机，它也具有 与其他直流电机同样的转矩-转速特性，见图 3-1 所示：从图 3-1 可以看出，电动机在低速区域运行时，它具有恒转矩特性，即电 动机在基速以下，电动机保持恒定的转矩运行，而且电动机的功率不断的线性 增长，随着速度的不断增加，当电动机达到基速时，电动机转矩曲线出现拐点，而且随着速度的进一步增加，转矩出现非线性减小，但是电动机的功率会保持 不变，达到最大值，即电动机此时具有恒功率特性。在低速区域，功率随着电 动机转速的增加，功率也逐步递增，直到速度达到基速，功率一直保持恒定。这对于电动汽车启动时，需要很大转矩，在高速时，需要固定功率的要求是相 一致的。图3-1电动机功率转矩与转速的关系曲线图 第 3 章屯动汽车的基本原理 3.1.2 加速度 车辆的加速度大小是衡量汽车性能好坏的一个重要因素，一般而言，汽车 在一定的时间内其速度增加的很快，说明它的加速性能是很好的。对于汽车的 加速度，通常运用以下式子进行运算：a=dVIF.-ISL(3.1)dt 綱y 其中，V为车辆汽车速度；xFl为汽车的总牵引力；匕为总阻力，包括轮 胎滚动阻力、空气阻力和爬坡阻力；，为汽车的总质量；为动力系中表征旋 转组件效应的质量系数，由此可以看出，汽车的加速度取决于牵引力、阻力和 汽车的质量M。按照设计要求，汽车的速度从加速到lkm/h时，时间为 10s，所以由 公式可得 a=(100-0)八 3.6*10)=2.8(tn/s).3.1.3 阻力的求法 从加速度的公式中可以看出，加速度的大小不仅取决于电动机的牵引力，而且还和汽车的各种阻力相关联。汽车的阻力，一般分为三种：滚动阻力、空 气阻力以及爬坡阻力6Fi，现介绍如下：1、滚动阻力 汽车的滚动阻力矩指的是由合成的地面反作用力向前偏移所产生的转矩，其值可用下式求得：Tr=Pa(3.2)其中P为作用于车轮中心的铅锤方向的载荷 为了保持车轮转动，作用于车轮中心的力F应与滚动阻力矩相等，所以车 轮中心的力 F=i=Pf(3.3)rd rd 10 第 3 章屯动汽乍的基本原理 (3.4)式中，Q为轮胎的有效半径；称之为滚动阻力系数。滚动阻力系数 取决于轮胎材料、轮胎结构、轮胎温度、轮胎充气m力、路面粗糙度、路面材 料等条件。一般滚动阻力系数有很多的经验公式，例如在混凝土行使的轿车，它的阻 力系数可以表述为：V,-fr=f0+f/r MOO 式中，V为车速（km/h);f；和fs取决于轮胎的充气压力。在一般的汽车的性能计算中，可以认为滚动阻力系数是速度的线性函数，对于混凝土路面行驶的轿车，可应用如下适合于最一般充气压力范围的计算公 式：f=0.01(1+)(3.5)r 100 按照电动汽车的一般速度为lkm/h，在混凝土路面行驶的轿车，其滚动阻 力大概为 0.02,近年来，已经开发出其滚动阻力系数小于 0.01 的低阻力轮胎，本课题的轮胎的滚动阻力系数为 0.01。按照我们的设计要求，当电动汽车以lOOkm/h运行在平坦道路上，它的滚 动阻力F=200N 2、空气阻力 汽车的空气阻力是指汽车在运行的过程中，汽车所受到的空气对它的一种 与行驶速度相反的作用力，它是车速、车辆迎风正面面积Af、车辆形状和空气 密度P的函数，一般空气阻力运用下式计算可得：Fw=MfCD(V+Vw)2(3.6)式中，eD表示车辆形状特征的空气阻力系数；指车辆运动方向上的风速 分量。据相关资料记载，如果轿车车身形状为敞开式，其值为 0.5-0.7;为篷车式,其值为 0.5-0.7;浮桥式车身，其值为 0.4-0.55;楔形车身（即前灯和保险杠集 成在车身内，车底底部覆盖，优化冷却气流)，其值为 0.3-0.4;k型车身（小阻 断面)，其值为 0.23;优化的流线型设计，其值为 0.15-0.20;货车、大型载重汽 车，其值为 0.8-1.5;公共汽车为 0.6-0.7;流线型公共汽车为 0.3-0.4;摩托车为 第 3 章电动汽车的基本原理 0.6-0.7.按我们的要求，该电动汽车采用优化的流线型设计，故其空气阻力可取为 0.30由设汁参数以及上面公式可以得出电动汽车在晴朗的天气时，以lOOkm/h 运行速度运行时，其空气阻力F.约等于 306N.3、爬坡阻力 爬坡阻力指的是汽车运行在爬坡过程中，由于受重力的影响，会有一个使 汽车往后退的阻力，一般爬坡阻力可表达为：Fg=Mvgsina 式中，Mv为汽车的总质量，g为重力加速度；为路面倾斜角。因为一般倾斜角都很小，通常用坡度值替换，坡度定义为.H f.i=tana*sina L 在有些文献中，轮胎的滚动阻力和爬坡阻力统称为路面阻力，即 Frd=Ff+Fg=Mvg(frcosa+sina)当“很小时，简化为 Fni=Ff+Fg=Mvg(f+i)在平坦的道路上，i取为 0.因为电动汽车要求速度变化在-lkm/h时，所需要的时间为 10s左右，所以汽车的加速度为 V-V.(100-0)1000,a=-=-1-=2.8m/s t 10 x3600 又因为电动机为直流电动机，所以电动机的额定功率为 2;r 14 Ps=T2=140 x 4800=25kw 从而可知满足汽车加速度要求的电机功率为 25kw，因为电机的过载系数一般为 2-3 倍，所以电动机的最大功率为 50kw-75kw，所以我们选择的电机满足功率要 求。3.1.4 汽车的牵引力和车速(3.7)(3.8)(3.9)(3.10)(3.11)(3.12)汽车的动力系由动力装置、用离合器连接的手动传动装置或带有自动装置 的转矩变换器、变速箱、末端传动齿轮、差速器、驱动轴和驱动轮所组成8。第 3 章屯动汽车的基本原理 F-TW ht-rd 式中，Np为输出端转速。车轮中心的平移速度（车速）为 30(m/s)(3.17)(3.18)由动力装置传递到驱动轮的转矩表达式为：TwVoV.Tp(3.13)式中，ig为传动装覽的传动比，iNm/N。，（Nin为输入端转速，t为输出 端转速)，i。为末端传动齿轮的传动比；7,为动力装置到驱动轮的传动线效率；Tp为传动动力装置的输出转矩。因为本电动汽车采用的是 5 个前进挡，其中 1 挡传动比为 4.03、2 挡传动比 2.36、3 挡传动比 1.53、4 挡传动比 1.15、5 挡传动比为 0.85 驱动轮上的牵引力为(3.14)把（3-1)带入（3-2)中，得(3.15)驱动轮的转速（r/min)表达式为(3.16)把（3-14)带入（3-15)得 V=E-l(m/s)30U,汽车的性能一般由其最大的行驶速度、爬坡能力以及加速度的大小等参数 加以描述。汽车的最高速度：指在平坦的道路上，在动力全加载情况下，车辆所显示 的恒定巡航车速，最高速度取决于牵引力和阻力以及质量大小，当牵引力与阻 力相等时，速度达到最大值，即 第 3 章屯动汽车的基本原理 MgffCosa+l/CDAfV2(3.19)rd 2 第 3 章屯动汽车的基本原理 V npmard 3uX(3.20)式中，npmix为电动机的最大转速；igmn为传动装置的最小传动比。爬坡能力通常定义为汽车能以某一恒定速度克服的坡度，当汽车以恒定速 度在相对较小的小坡度路面上行驶时，其平衡方程式为=Mvgfr+-yaCDAfV2+Mvgi(3.21)推出 卜 Mg (3.22)其中扣一(l/2)ACDAfV2被称之为运行系数。Mvg Mvg 当车辆行驶在大坡度的路面上时，车辆爬坡能力可计算为：sin a:(3.23)车辆的加速性能一般由在一定的单位加速时间内，在水平路面上，车辆有 初速度为零加速到某确定的速度所行驶的距离加以描述。dv Ff-Fu,dt Mv、故(1/2)ACDAfV2 _ 咖fr)一 6 式中，5 为质量系数，一般质量系数表达式为：IVL(3.24)5=1+-(3.25)Mvrd2 Mvr2 其中，九为车轮的总角动量；/为与动力装置有关的旋转组件的总角动量 3.2本章总结 本章利用汽车的运行公式，对电动汽车的各种参数进行了运算，从电动机第 3 章电动汽车的基本原理 的特性推出其运行转矩牵引力大小，以及它的加速度大小，文中还利用了运动 学原理，对电动汽车的各种阻力进行了介绍和计算，为电动汽车的电动机控制 提供了一定的数据参考，最后利用上述各种计算参数，对电动汽车的牵引力以 及车速进行了计算，计算结果满足了设计的要求。第 4 章电动汽午的蓄电池 第 4 章电动汽车的蓄电池 4.1 纯电动汽车对电池性能的要求 纯电动汽车的行驶里程大小，一般都取决于蓄电池的能量高低，蓄电池的 容量大，行驶的距离就相对较长，但是并不是蓄电池的容量越大越好，因为随 着蓄电池的容量的递增，它的体积也会增大，从而使得其重量也相应变大，从 这可以看出，中间会存在一个最佳拐点，当然除了这些之外，还需要设计优化 制动装置，使得蓄电池的能量能得到最充分的利用。一般纯电动汽车对蓄电池 的具体要求如下9:(1)蓄电池必须有充足的能量以及容量，以便保证典型的蓄电池放电要求，即 连续放电不超过 1C，典型的峰值放电不超过 3C，并且当安装了回馈制动装置时，电池组必须能够接受高达 5C的脉冲电流冲动。(2)蓄电池还必须要保证在实现深度放电的时候，不会影响它的使用寿命，在 某些情况下，还必须能够实现满负荷功率运行以及全放电运行方式。(3)需要保证蓄电池的安全运行，即安装电池管理系统和热管理系统，以便显 示电池组的剩余能量与实现温度控制。(4)由于蓄电池容积比较大，故其设计、空间布置以及安装要合理。4.2 电源应用框图 蓄电池的作用框图如下：从图 4-1 可以看出，直流电源有两个作用，第一个作用是直流电源经过斩 波电路，斩波成电动机所需要的电源，并且电动机能通过反馈环节对斩波电路 进行控制，从而保证电动机所需要的电源能够稳定运行，另外一个作用是指直 流电源通过 图 4-1 电源应用框图 第 4 章屯动汽车的蓄电池 DC/DC