微型电动汽车的结构设计与拆装.doc

2008级综合课程设计

题目：微型电动汽车的结构设计与拆装

组 员：
XXX（X班）
XXX（X班）
XXX（X班）
XXX（X班）
XXX（X班）
XXX（X班）

指导老师：
苏 航
付立军
赵秀春

二零一一年十二月十六日
目 录

一 目的 1
二 文献概述 1
三 微型电动汽车的结构设计 2
3.1 电力驱动系统 3
3.2电源系统 4
四 拆装 4
4.1摩托车的“心脏”—发动机 4
4.2直流无刷电机 5
4.3铅酸电池 6
五 总结 7

一 目的
本次的综合课程设计主要目的就是把原来的沙滩四轮车改装为电动的四轮车，将沙滩四轮车的汽油发动机拆掉，用一个直流电动机代替作为驱动系统，再加上电瓶来供电，用一个电阻控制器作为调节电机快慢的控制系统，最后能使四轮车跑起来。大四上学期我们都学了电动汽车的基础知识，对电动汽车的结构与设计有了一定的了解，我们希望学与致用，同时锻炼自己的动手能力，也加强对电动车的了解。

二 文献概述
汽车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生石油资源的依赖。
在能源方面，目前世界汽车保有量约8亿辆，并以每年3000万辆的速度递增，预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆，主要增幅来自发展中国家。
就整体而言，我国传统能源汽车的研发水平、自主创新能力，与世界水平相比仍有不小差距。但在新能源汽车方面，我国并不落后。进入新世纪以来，以汽车动力电气化为主要特征的新能源电动汽车技术突飞猛进。油电混合动力技术进入产业化，锂动力电池技术取得重大突破，车用燃料电池技术不断进步。
我国目前每天有超过９亿度低谷电，可供5000万辆左右电动汽车充电。我国锂资源、稀土资源和镁资源丰富，可以为电动汽车关键部件提供原材料资源保障。我国电动自行车、电动摩托车等轻型电动车保有量已超过5000万辆，在世界上遥遥领先，这为新能源电动汽车产业化奠定了良好基础。
我国政府高度关注电动汽车的研发和产业化。2005年国务院政府工作报告提出“要鼓励和发展清洁汽车”，《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出：“鼓励开发使用节能环保和新型燃料汽车。”2006年2月，国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》将“低能耗与新能源汽车”和“氢能及燃料电池技术”分别列入优先主题和前沿技术。2007年6月公布的《中国应对气候变化国家方案》鼓励混合动力汽车、纯电动汽车的生产和消费。
国家发展与改革委员会通过发布一系列政策，强调开展电动汽车的研究与推广。近两年发布的《节能中长期专项规划》、《高技术产业发展“十一五”规划》、《能源发展“十一五”规划》，均强调要大力发展电动汽车及零部件和配套基础设施。
电动汽车的共性关键技术代表了未来汽车能源和动力技术的发展走向。为增强各国在未来能源与交通技术方面的竞争力，各国都从不同的角度对技术研发进行支持。
首先，我国在传统汽车技术方面与国外存在较大差异，通过电动汽车技术的开发，可以带动传统汽车技术的进步，缩小与国外技术的差距。
其次，在能源技术方面，通过电动汽车的发展，可以促进可再生能源和新能源技术的开发，提升我国在能源技术方面的竞争力。如在燃料电池技术方面，通过车辆的应用，促进燃料电池技术的进步。
第三，可以带动电力电子技术的进步，在电动汽车中大量采用的电力电子技术可以促进相应技术的进步。

三 微型电动汽车的结构设计
电动汽车由电力驱动系统、电源系统和辅助系统等三部分组成。
电力驱动系统包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和车轮，其功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，并能够在汽车减速制动时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。后一种功能称作再生制动。
电源系统包括电源、能量管理系统和充电机，其功用主要是向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。
辅助系统包括辅助动力源、动力转向系统、导航系统、空调器、照明及除霜装置、刮水器和收音机等等，借助这些辅助设备来提高汽车的操纵性和乘员的舒适性。
各个系统在电动汽车上的布置各式各样，这是因为在电动汽车上能量是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传输的，因此，电动汽车各个系统或各个部件的布置有很大的灵活性。例如一辆电动机前置，前轮驱动的电动汽车。充电机经汽车前端的充电接口向置于汽车尾部的蓄电池充电。在汽车行驶时，蓄电池经控制器向电动机供电。来自加速踏板的信号输入控制器并通过控制器调节电动机输出的转矩或转速。电动机输出的转矩经汽车传动系统驱动车轮。
3.1 电力驱动系统
电动汽车的电力驱动方式基本上可分为电动机中央驱动和电动轮驱动两种。由电动机、固定速比减速器和差速器等构成的电动机中央驱动系统。在这种驱动系统中，由于没有离合器和变速器，因此可以减少机械传动装置的体积和质量。
另一种电动机中央驱动系统的布置形式，它与前轮驱动、横向前置发动机的燃油汽车的布置形式相似，将电动机、固定速比减速器和差速器集成一体，两根半轴连接两个驱动车轮，这种布置形式在小型电动汽车上应用最普遍。
电动汽车的驱动电动机在20世纪90年代以前主要采用直流电动机。它具有起动加速时驱动力大、调速控制简单、技术成熟等优点。但是直流电动机的电枢电流由电刷和换向器引入，换向时产生电火花，换向器容易烧蚀，电刷容易磨损，需经常更换，维护工作量大。接触部分存在摩擦损失，不仅使电机效率降低，还限制了电动机的工作转速。
目前，无换向器真流无刷电动机已经面世，它由电动机本体、转子转角传感器和电子开关控制电路组成。其中电子开关控制电路起到了普通直流电动机中换向器的作用。直流无刷电动机既有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等诸多优点，又具备运行效率高、无励磁损耗、运行成本低和调速性能好等特点。因此，它在电动汽车上的应用与日俱增。例如，宝马公司生产的BMWEI电动汽车和东京电力公司开发的IZA电动汽车，均采用永磁直流无刷电动机作为电动轮。
3.2电源系统
电源是制约电动汽车发展的因素。作为电动汽车的电源应该具有高比能和高比功率等性能，以满足汽车的动力性和续驶里程的要求。另外，还应具有与汽车使用寿命相当的循环寿命、效率高、成本低和免维护等特点。
目前用于电动汽车上的电源主要是蓄电池，其次是燃料电池。蓄电池是能量存储装置，通过外界充电实现储能；燃料电池是能量生成装置，通过化学反应产生电能。蓄电池技术成熟，价格合理，而燃料电池则被认为是最有发展前途的电动汽车动力源。
蓄电池的主要性能指标有：①比能量--单位电池质量所能存储的电量(W·h/kg)，是评价电动汽车整车质量和续驶里程的指标；②能量密度--单位电池体积所存储的电量(W·h/L)，它影响蓄电池的尺寸；③比功率--单位电池质量所能输出的功率(W/kg)，是评价电动汽车加速性、爬坡能力及最高车速的指标；④功率密度--单位电池体积所能输出的功率(W/L)；⑤循环寿命--蓄电池充、放电一次称为一个循环，循环寿命表示更换电池前所能完成的循环数。循环寿命短，将增加电动汽车的维护费用。
四 拆装
4.1摩托车的“心脏”—发动机
摩托车发动机拆装是一门锻炼我们动手能力和理解发动机工作原理的课程，通过此课程，我们学习了摩托车发动机的内部构造并了解了各零件的作用和功能。
发动机是摩托车的“心脏”，购买或使用摩托车，必须要了解摩托车发动机。摩托车发动机与汽车发动机不同的主要地方在于，汽车发动机不管是汽油机还是柴油机，都是4冲程发动机；而摩托车发动机不但有4冲程，还有2冲程发动机。以单缸机为例，4冲程发动机指“进气”、“压缩”、“作功”、“排气”四个冲程，整个工作循环曲轴旋转2周，活塞上下各2次。而2冲程发动机只有“进气压缩”和“作功排气”两个冲程，整个循环曲轴旋转1周，活塞上下各1次。2冲程发动机结构简单，重量轻，功率高。由于完成一个工作循环，2冲程发动机比4冲程发动机少转1周，因此当两者的发动机工作容积、压缩比和转速相等的话，从理论上讲2冲程发动机的功率是4冲程发动机的两倍，实际测量也有1.5-1.6倍之间。
4.2直流无刷电机
我们将用直流无刷电机替换摩托车发动机，功率大概2KW，48V直流供电。无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。早在上世纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。本世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。直流无刷电机原理图如下：

图 直流无刷电机原理图
无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。下图为无刷大功率直流电机实物图：

图 无刷大功率直流电机
无刷电机的优点：①电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍，代表了电动车的发展方向；②属静态电机，空载电流小；③效率高；④体积小。
缺点：①低速起动时有轻微振动，如速度加大换相频率增大，就感觉不到振动现象了；②价格高，控制器要求高；③易形成共振，因为任何一件东西都有一个固有振动频率，如果无刷电机的振动频率与车架或塑料件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象，但可以通过调整将共振现象减小到最小程度。所以采用无刷电机驱动的电动车有时会发出一种嗡嗡的声音是一种正常的现象；④脚踏骑行时较费力，最好是电力驱动与脚踏助力相结合。
4.3铅酸电池
本次课程设计采用的是铝酸蓄电池，铅酸蓄电池广泛地应用于电动汽车上，其主要原因是技术成熟，价格便宜，可靠性好，单体额定电压高(2.0V)。另外，输出电流大以及良好的高、低温性能等均适合电动汽车使用。但是铅酸蓄电池存在比能量低，充电时间长，使用寿命较短等缺点。
五 总结
这学期的综合课程设计我们选择的是沙滩四轮车的改装，我们学习了四轮车的拆装、直流无刷电机与铅酸电池的安装、电子控制、机械加工，在拆装四轮车发动机的时候，我们学到的不仅是沙滩四轮车的拆装方法和其构造，以及电动车的设计构造，更重要的是学到了一种考虑、解决问题的思想和方法。我们是自动化汽车方向的，而四轮车上的许多零部件的结构及工作原理都与汽车相似，学习四轮车的改装对我们以后学汽车是有一定帮助的。沙滩四轮车上的一些零件的特殊结构及功能，其实就是一些我们都熟悉的知识原理的结合造就的，了解后感觉它并不深奥，只是在设计一个零件时，我们要更全面的考虑问题，要敢于尝试，敢于多问问题，然后去解决问题。这一次我们分组配合完成，大家都非常积极地分工合作，拆机的拆机，接线的接线，研究线路图的认真思索。
对于这次综合课程设计，我们学到了很多东西，同时也感谢老师们指导以及学院的大力支持，我相信我们学到的知识对以后会有很大的帮助。

报告人签字：（手写） xxx
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