市区电动巡逻车设计论文

　 题

　目

　 市区电动巡逻车设计

　 学生姓名

　xxxxxxxx

　 学号

　xxxxxxx

　 所在学院

　 机械工程学院

　 专业班级

　xxxxxxxxxxx

　指导教师

　 xxxxxx

　完成地点

　 xxxxx

　市区电动汽车设计 作

　者:xxx 所在单位：（xxxx 机械工程学院 xxxxx 班级，xx xx xxxx）

　指导教师:xxx

　 [ [ 摘要] ]

　面对传统汽车导致的环境污染和能源危机等突出问题,开发高效清洁的内燃机技术、研发新能源汽车已成为汽车工业的一种发展趋势。目前,混合动力汽车和纯电动汽车的技术要求高、配套基础设施不完善,成本明显高于传统汽车,在市场上推广使用还有待时日;而低速纯电动汽车的技术要求低、成本低、市场接受度高,具有非常好的发展前景。驱动电机系统性能决定了低速纯电动汽车的动力性和经济性,设计开发出适用于低速纯电动汽车用的驱动电机将在低速纯电动汽车的发展与推广中起到重要作用。

　随着世界环境的污染、全球石油危机日益严重而带动的石油价格不断上涨给汽车工业带来了不可忽视的冲击，也增强了人们开发新能源的意识，而新能源汽车更是人们关注的一大焦点。

　目前电瓶式纯电动汽车以噪音小、耗能低、无污染、成本低、结构简单而成为新能源汽车发展的主流，世界很多国家都投入了大量的人力、财力去开发电动汽车。

　本文主要围绕电动汽车的电动机以及目前普遍使用的电动车控制系统主要参数作出分析，例如转速与转矩的关系、转速与功率的关系、功率与转矩的关系以及传动比、蓄电池的比能量等，设计出合理的电动车动力系统和控制系统。

　本文主要采用的技术有：

　1. 电动机的转速，转矩，功率 2. 电动机的主要调速方法 3. 蓄电池的主要参数以及续航能力的评估 关键词：电动机、转矩、PWM 调速、直流无刷电动机、EV

　Design of electric vehicle in urban area The Author :xx (Grade 11,Class 1,Major Testing and Monitoring Technology and Instrumentation ,xxx University of Technology xxxxxx,xxxx Tutor:xxxxx

　[Abstract]：

　：Facing the problems of conventional cars lead to the environmental pollution and energy crisis, clean and efficient development of internal combustion engine technology, R & D of new energy vehicles has become a trend in the automotive industry. At present, hybrid vehicles and pure electric vehicles requirements high, supporting infrastructure is not perfect, cost is obviously higher than that of conventional cars, in the market to promote the use of and awaited; and low technology of pure electric vehicles requirements low, low cost, market acceptance of high, with very good prospects for development. Motor drive system performance determines the speed of pure electric vehicles power and economy, the design and development of the application in low-speed electric vehicle drive motor in low speed the development and promotion of pure electric vehicles play an important role.

　 With the increasingly serious pollution of the environment of the world, the global oil crisis driven by rising oil prices to the automobile industry brings the impact can not be ignored, so as to enhance the awareness of people to develop new energy, and new energy vehicles is a major focus of people"s attention.

　Currently the battery type pure electric vehicles with low noise, low energy

　consumption, no pollution, low cost, simple structure, and become the main stream in the development of new energy vehicles, many countries of the world into a lot of manpower and financial resources to the development of the electric car.

　This paper mainly focuses on the electric vehicle motor and currently in widespread use of electric vehicles control and the main parameters of the system to make analysis, such as relationship between the relationship between the rotational speed and torque, speed

　and power, power and torque and transmission ratio, battery than the energy design reasonable electric vehicle drive system and control system. The main techniques used in this paper are: 1 motor speed, torque, power 2 main motor speed control method 3 main parameters as well as battery endurance capacity assessment Key words:Motor, torque, PWM speed control, brushless DC motor, EV

　目录

　第 1 章 绪论.....................................................................1 1.1研究背景.....................................................................2

　1.1.1环境污染................................................................3

　1.1.2能源危机................................................................4

　1.1.3电动汽车优势............................................................5

　1.2电动巡逻车车发展现状及趋势..................................................6

　 1.2.1国内电动巡逻车发展现状.................................................7

　 1.2.2国外电动巡逻车的发展现状...............................................8

　 1.3 充电站的建立与分析.........................................................9 第 2 章 电动汽车的基本结构设计..................................................10

　2.1 电动汽车的基本组成......................................................11

　 2.1.1电气控制系统的原理....................................................12

　 2.1.2传动系统的结构及工作原理..............................................13

　 2.1.3电源系统的结构及工作原理..............................................14 2.2电动汽车基本结构机动力参数设计基本要求......................................15

　2.2.1 电动汽车的结构.........................................................16

　2.2.2 电动汽车性能参数.......................................................17

　 2.3 纯电动汽车的系统组成........................................................18

　 2.3.1 电源..................................................................19

　2.3.2电池管理系统...........................................................20

　2.3.3 电机驱动系统..........................................................21

　 2.3.4车身和底盘.............................................................22

　 2.3.5悬挂...................................................................23

　 2.4车身及附件的总体的设计.......................................................24

　 2.4.1车身外观的基本形式.....................................................25

　2.4.2座椅的分布设计.........................................................26

　 2.4.3警示灯的设计...........................................................27

　 2.4.4警示灯的外观形式以及位置分布的设计.....................................28

　 2.4.5警务工具箱的设计........................................................29

　 2.4.6喊话器的设计............................................................30

　 第 3 章传动系参数设计..............................................................31

　3.1概述........................................................................32 3.2电机参数设计................................................................33

　 3.2.1电动机额定功率..........................................................34

　 3.2.2电动机额定转矩..........................................................35

　 3.2.3驱动力..................................................................36

　 3.2.4行驶阻力................................................................37

　 3.3传动比....................................................................38

　 3.3.1电动机加速性能..........................................................39

　 3.4电池参数的确定............................................................40 第 4 章 电机的选择以及电路系统设计..............................................41 4.1设计方案....................................................................42

　 4.1.1

　电机的选择...........................................................43

　 4.1.2

　控制器的选择.........................................................44

　 4.1.3PWM 调制方式...........................................................45 4.2系统结构框图................................................................46 4.3 单片机外围器件的设计.......................................................47

　4.3.1

　电源电路..............................................................48

　4.3.2

　单片机主控制电路......................................................49

　 4.3.2.1 51 单片机............................................................50

　 4.3.2.2 ISP 电路.............................................................51

　 4.3.2.3 L298 驱动模块........................................................52

　 4.3.3

　调速器输入电路........................................................53

　 4.3.4 控制模拟器.............................................................54

　4.3.5

　换相逻辑接口..........................................................55

　 4.3.6

　L298 驱动电路..........................................................56

　4.3.7

　无刷电机驱动电路......................................................57

　4.3.8 防盗报警...............................................................58

　4.3.9

　保护电路..............................................................59 4.4软件设计与分析..............................................................60

　4.4.1

　主程序流程图..........................................................61

　4.4.2

　PWM 频率...............................................................62

　4.4.3 子程序流程图...........................................................63

　4.4.3.1 模拟控制键子程序..................................................64

　4.4.3.2 正反转子程序......................................................65

　4.5程序清单及总电路图..........................................................66 致谢................................................................................67 参考文献............................................................................68 附录1

　总电路图文件.................................................................69 附录2

　总程序文件...................................................................70 附录3

　总车装配演示动画.............................................................71 附录4

　实物小车演示视屏.............................................................72

　第一章

　绪论

　1 1.1 研究背景

　在当今社会随着物质文明的提高交通工具也随着不断地改变，当然汽车工业的发展也在不断的加快步伐，从而使得全球汽车保有量的快速增加,因此汽车带给我国的能源危机和环境污染等问题也越来越突出，越来越严重。所以发展清洁、高效和可持续发展的城市交通车辆成为汽车工业发展的主要趋势，也成为当今汽车行业不得不解决的实际问题。

　1 1.1.1 环境污染

　传统燃油汽车对环境的污染十分严重，其主要包括:大气污染、水质污染和噪声污染三方面。在这几个方面中,汽车对大气污染的程度十分严重。汽车对大气污染包括两方面: ①汽车排放的尾气中含有的硫化物、氮氧化物、氟氯烃等酸性化合物加剧了臭氧层破坏和酸雨的形成;②汽车排放出的 CO、NOX、未燃烧完全碳氢化合物、固体颗粒和臭味气体对车辆集中的城市环境造成严重污染。尤其是在大城市,传统燃油汽车行驶产生的废气、细小微粒污染物、燃油蒸发排放物等已经成为城市污染的主要来源。

　2 1.1.2 能源危机

　交通运输工具应用的大部分能量来源于石油燃料,是不可再生资源。随着世界汽车保有量的日益增加,运输行业对石油资源的消耗速率也将日益加快。根据国际能源组织的最新预测,从世界范围来看石油将在未来 40 年左右枯竭,天然气将在 60 年内用尽,煤炭也只能用 220 年左右。同时按中国剩余可采储存量和能源消费速率来看,石油还可以开采 13 年,天然气为 40 年,煤炭为 60 年,均快于全球能源枯竭速度。2012 年我国一次能源消费量 36.2 亿吨,消耗全世界 20%的能源,单位 GDP 能耗是世界平均水平的 2.5 倍,美国的 3.3 倍,日本的 7 倍,同时高于巴西、墨西哥等发展中国家。

　图 1-1 运输部门和其它部门的全球石油日消耗量(百万桶) 上图表明石油消耗量的主要途径是交通工具，1997 年其消耗量占全球石油消耗量的 49%,在 1990 年到 2020 年的这三十年间无论是发达的工业国家还是发展中国家,交通运输对石油资源的消耗比例日益增加。世界范围内的石油应用增量大多数出现在交通运输部门,工业化国家运输部门石油消耗是其它部门的两倍还要多,发展中国家预计在 2020 年以后交通运输部门的石油消耗量将超过其他所有部门的总和。可以预见在 2020 年以后世界范围内交通运输部门消耗的石油资源将是巨大的,因此大力发展可替代能源的新能源汽车将对世界能源利用产生巨大影响。

　3 1.1.3 电动汽车的优势

　电动汽车(Electric Vehicle)是指以车载电源为动力,用电动机驱动车轮行驶,且满足道路安全法规对汽车的各项要求的车辆。电动汽车相对于其他传统汽车主要具有以下优点: (1)电动汽车以电能作为动力源,环境公害小,排放污染小,纯电动汽车基本上可以实现零排放。

　电动汽车可利用能源具有多样性,除了传统的火电之外,水力、风能、太阳能等清洁能源所产生的电能都可用作电动汽车的驱动动力源。电动汽车还具有能量回馈机制,当汽车在刹车制动的时候,车轮带动电机转动将电动汽车的一部分动能转化为电能存储在蓄电池中,进一步提高了电动汽车的有效能源利用率。

　(2)较低的噪声污染:内燃机汽车行驶过程中的噪声主要来自于发动机工作噪声、轮胎和路面的摩擦噪声以及车身与高速气流的摩擦噪声;在中低速时主要噪声来自于发动机的工作噪声,轮胎噪声和空气噪声可以忽略。表 1.2 提供了电动汽车和内燃机汽车的噪声对比

　由表 1.2 中的数据可知电动汽车行驶噪声比内燃机汽车行驶噪声低很多,在很大程度上可以降低城市噪声污染。综上所述,电动汽车在保护环境和节约资源等方面都具有重要意义。随着石油资源的日益短缺和对环境保护要求的不断提高,电动汽车相对于传统内燃机汽车的优势将更加明显。同时,随着电动汽车技术的发展和进步,电动汽车各项性能指标将会更加接近传统汽车,电动汽车的价格也将进一步降低,电动汽车必将成为未来的主要交通工具之一。

　2 1.2 电动巡逻车车发展现状及趋势

　1 1.2.1 国内电动巡逻车发展现状 中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“要鼓励和发展节能环保汽车”。《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出“增强汽车工业自主创新能力,鼓励开发使用节能环保和新型燃料汽车”。国家发展与改革委员会在《汽车产业发展政策》中提出“汽车产业要结合国家能源结构调整战略和排放标准的要求,积极开展电动汽车、车用动力电池等新型动力的研究和产业化”。《中国节能技术政策大纲》中同样也强调要“研究电动汽车等新型动力”。节约能源法修订草案提到,国家鼓励开发、生产、使用醇酸燃料汽车、混合动力汽车、电动汽车、燃气汽车等新能源汽车。《中国应对气候变化国家方案》是我国第一部应对气候变化的全面的政策性文件,也是发展中国家颁布的第一个应对气候变化的国家方案,方案提出“研究鼓励混合动力

　汽车、纯电动汽车的生产和消费政策”。

　我国电动汽车发展索面临的问题有：

　1)电机原材料、控制器核心部件研发能力较弱,依赖进口,如娃钢片、电机高速轴承、位置/转速传感器、IGBT 模块等。进口产品成本高,影响电机系统产业化。

　2)我国车用电机的机电集成水平与国外差距较大。控制器集成度较低,体积、重量相对偏大。

　3)我国车用电机系统尚处于起步阶段,制造工艺水平落后,缺乏自动化生产线,造成产品可靠性、一致性差。产业化规模较小,成本较高。

　4)现阶段国家出台的电动汽车驱动电机系统标准较少,且不完善。如:不同类型电机系统采用同一检测标准,缺乏可靠性、耐久性评价方法等。

　与国际先进水平相比,我国节能与新能源汽车关键技术仍存在较大差距。动力电池技术在系统集成、一致性控制等方面与国外差距显著。此外,在整车设计开发流程、底盘开发及整车、发动机、变速器的匹配技术、碰撞安全性、NVH、燃料替代等汽车共性技术方面,我国的技术水平与国外先进水平相比也存在较大差距。

　差距分别表现在：①整车集成技术：在整车集成匹配、高效内燃机、自动变速箱、汽车电子及控制技术等方面尚有差距。②轻量化设计制造技术：汽车结构优化轻量化方面,我国轿车轻量化系数均大于国外同级别汽车水平,缺乏整体解决思路和工程化应用经验。轻量化材料应用方面,多数自主品牌轿车产品很少采用先进高强度钢。③汽车电磁兼容技术：我国已经制订了较为完善的汽车电磁兼容性标准体系,明确规定了测量方法及最大干扰的允许值。随着动力系统的电动化,电动汽车的电磁兼容问题比传统汽车更为突出,与发达国家相比还有待进一步完善。④电动汽车的相关标准体系：1:1前我国发展屯动汽车的产业体系不完善,配套设施建设滞后,关键零部件产品的通用性差,导致关键零部件生产企业的市场竞争力不强,技术标准体系和试验检测能力须进一步增强。

　2 1.2.2 国外电动巡逻车的发展现状

　1）美国 在美国电动汽车的研究和开发得到了美国政府的支持,并且投入了大量的资金和科研力量。此外,联邦政府和地方政府出台了一系列鼓励电动汽车发展的政策措施。在这些积极因素的推动下,美国的电动汽车产业化进行取得了较快的发展。

　2）日本 日本是全球范围内最早开始发展电动汽车的国家之一,日本政府特别重视电动汽车的研究和开发。2010 年 5 月,日本经济产业省公布了 “新一代汽车战略 2010”,为日本汽车业设定的总体战略

　目标是“使 R 本发展成为新一代汽车的研发中心”。计划到 2020 年,日本市场电动汽车和混合动力汽车将分别达到 80 万辆和 120 万辆,以电动汽车和混合动力汽车等为主的“新一代汽车”的新车销售比例达到 50%“新一代汽车”的保有量达到 1350 万辆。

　3）德国 2009 年 8 月,德国政府就颁布了《国家电动汽车发展计划》,2010 年 5 月德国政府在柏林正式启动“国家电动汽车计划”。计划到 2013 年实现电动汽车批量生产,未来 10 年内电动汽车、燃料电池汽车保有量要分别达到 100 万辆、50 万辆。

　4 4 ）各大汽车集团的电动汽车发展情况

　1)戴姆勒公司 在 2009 年第 63 届法兰克福车展上,戴姆勒旗下的梅塞德斯-奔驰公司推出 B 系 F-CELL 氧燃料电动汽车,续航里程达 400 公里。另外该公司还展出新版 Smart 电动车,续航里程达 115 公里。在 2011年底特律车展上。奔驰公司展出了最新的 SLS AMG E-cell 纯电动车和 B 系纯电动车。该公司近年主要在电动汽车领域开展以下对外合作。

　(1)2009 年 1 月,戴姆勒联合美国电动车制造商 Tesla 开展了电动汽车和充电设施方面的研发工作,共同研发电动车电池、电力驱动系统和整车制造等;目前将 Tesla 公司锂电池和充电器成功整合到戴姆勒 Smart 电动汽车上。

　(2)2009 年 3 月,戴姆勒与德赢创(Evonik)公司合作成立 Accumotive 有限责任公司,专门从事电动车电池开发生产。

　(3)2009 年 6 月,戴姆勒与德国第二大公用事业公司启动 Smart 电动车实验工作。

　(4)2010 年 3 月,戴姆勒宣布,与中国比亚迪股份有限公司签署备忘录,双方将共同开发新型电动汽车。双方还将在中国建立用于开发和测试电动汽车的技术中心; 2)大众公司 在 2009 年第 63 届法兰克福车展上,大众汽车展出新一代“E-Up”,续航里程达 130 公里,预计与 2013 年投放市场;大众旗下奥迪还展出电动 R8 概念车型;在 2010 年 3 月上旬円内瓦车展上,大众展示途锐 V6 TSI Hybrid 混合动力 SUV 车型,该车型以 3. 0 V6 TSI 增压直喷汽油发动机和电动机作为驱动系统,根据车辆行驶状况,控制系统则控制车辆以发动机或电动机分别独立或共同来驱动车辆前进。大众汽车电动车战略市场包括欧洲、北美和中国,计划到 2018 年,大众将成为电动汽车市场领先者,电动汽车销售额占公司销售总额的 3%。近年,公司主要在电动汽车领域开展以下对外合作: (1)2008 年 6 月,大众公司宣布与日本三洋公司达成协议,共同开发电池技术。

　(2)以)09 年 2 月,大众公司与 FI 本东芝公司签署备忘果,共同开发电动汽车动力系统 39 和附属电子部件,双方还有意合作开发新一代电动汽车高能源密度电池。

　(3)2009 年 5 月,大众与中国比亚迪公司签署备忘录,准备在混合动力和纯电动车领域开展合作。

　(4)2009 年 12 月,大众出资收购日本铃木公司 19. 9%的股份,双方将在电动、混合动力车研发等方面开展合作。

　3)宝马公司 在 2009 年第 63 届法兰克福车展上,宝马公司首次推出混合动力车 ActiveHybrid 7 和ActiveHybrid X6。在 2010 年 3 月北美车展上,宝马公司将展出 BMW Active 效电动车;这是宝马公司自 Mini E 之后的第二款纯电动车。

　4)福特公司 近十年来,福特汽车公司一直致力于清洁能源技术幵发与研究。福特汽车每年投入约 75 亿美元用于开发清洁能源技术、提高燃料经济性等研究。目前,福特已同通用、克莱斯勒在电池技术方面展开合作;同时,与奔驰公司也就燃料电池达成合作。在中国,福特已经与清华大学等学术机构合作,积极探索适合中国市场的新能源技术。福特在 2009 年底特律车展对外发布了 BEV 电动车(Battery electric vehicle)发展计划,包括电动厢型车、小型电动车与新一代 Hybrid/Plug-In Hybrid 油电复合动力车将会陆续推出。目前,Escape Plug-In Hybrid、Focus Electric 等新能源车型己经上市销售,C-MAX Energi、C-MAX Hybrid 等车型将于 2012 年在北美市场上市销售。

　5) F1 产汽车 日产汽车公司于 1947 年发布了其研发的第一款电动汽车。从上世纪 60 年代开始,R 产公司更加积极地致力于电动汽车的开发,研制并销售了一系列电动车型。1997 年,FI 产汽车发布了全球首辆装备锂离子电池的电动汽车 Prairie Joy。在 2005 年的东京车展上,FI 产汽车展出了首辆安装层叠式紧凑型锂离子电池的 Pivo 电动汽车,续航里程更长的 Pivo 2 在 2007 年东京车展上亮相。

　目前,日产汽车致力于在全球范围内实现汽车零排放的目标,零排放纯电动汽车円产龄风(NISSAN LEAF)首先于 2010 年底至 2011 年初在美国,日本和欧洲等地上市,计划 2011 年进入中国进行示范推广,2012 年实现全球大规模推广。

　1.3

　充电站的建立与分析

　 发展电动汽车首先要建设完备的与之匹配的充电站系统。充电站是给电动汽车提供持续动

　能的场所。动力蓄电池就如同燃料汽车的燃油一样，通过一系列能量转化形成发动机所需的动能，充电站就是为动力蓄电池提供持续运行的能量，因此动力蓄电池的技术以及发展就成为充电站乃至电动汽车发展的关键问题，决定了电动汽车的发展格局。

　一、电动汽车充电设备概述 电动汽车充电设备主要包括充电站及其附属设施，如充电机、充电站监护系统、充电桩、配电室以及安全防护设施等。

　电动汽车充电机是一种专为电动汽车的车用电池充电的设备，按安装方式不同可分为车载式和非车载式两种，分别采用相应的充电方式完成对车载蓄电池充电的功能。车载充电机指安装在电动汽车内部的充电机；非车载充电机指安装在电动汽车外，与交流电网连接，并为电动汽车动力电池提供直流电能的充电机。一般情况下，充电机应至少能为以下三种类型动力蓄电池中的一种充电：铁锂离子蓄电池、铅酸蓄电池、镍氢蓄电池。根据电流种类不同，充电桩可分为交流充电桩和直流充电桩两种。交流充电桩是安装在电动汽车外、与交流电网连接，为电动汽车车载充电机提供交流 电源的供电装置，同时具备计量计费功能；直流充电桩是固定安装在电动汽车外、与交流电网连接，为电动汽车动力电池提供小功率直流电源的供电装置，直流充电桩具有充电机功能，可以实时监视并控制被充电电池状态，同时直流充电桩可以对充电电量进行计量。

　二、电动汽车充电设备技术发展现状及其趋势 根据充电方法不同，电动汽车的充电技术可分为：常规充电方式、快速充电方式、无线充电方式、更换电池充电方式等。

　1．常规充电方式 该充电方式根据相应电池的充电曲线，采用恒流、恒压的传统充电方式对电动车进行充电，使整个充电过程更接近电池的固有特性，有效避免了电池被过充和欠充的问题。这种方式以比较低的充电电流为蓄电池充电,相关技术成熟可靠，所以相应的充电机的工作和安装成本也比较低。典型的充电时间为8～10h ( SOC可达到95%以上)。对电池和电动汽车来说，这种方式是最安全可靠的充电方式，它对电网没有特殊要求。

　2．快速充电方式

　快速充电方式是指在短时间内使蓄电池达到或接近充满状态的一种方法。该充电方式以1-3C

　的大充电电流在短时间内为蓄电池充电。充电功率很大，能达到上百千瓦。该充电方式的充电时间与燃油车的加油时间接近。其典型的充电时间是可达到20～30min，但这种充电方式对电池寿命有很大的影响。此外该充电方式对电网也有较高的要求, 要建设专用电网，一般应靠近10kV 变电站附近或服务中心中使用，还需采取较为复杂的谐波抑制措施，与前者相比安装成本相对较高，只适合大型充电站使用。

　3．更换电池的充电方式 该方式要求车辆电池组设计标准化，易于更换。车辆运营中需要及时的更换电池，同时充电站可以对电池进行专业化管理，但由于电池组快速更换专业化要求高，只适用于标准的充电站，这种电池更换系统要求昂贵的机械装置和大量的蓄电池，同时,存放大量未充电和已充电的蓄电池需要很多空间,修建一个蓄电池更换站所需空间远大于修建一个正常充电站或快速充电站所需的空间，因此这种电池更换系统的初始成本很高，而且，目前车载动力电池的电气和尺寸参数还没统一标准，市场应用还需等待时日。

　4．非接触式充电方式 电动汽车非接触充电方式的研究目前主要集中在感应式充电方式，不需要接触即可实现充电，目前，日产和三菱都有相关产品推出，其原理是采用了可在供电线圈和受电线圈之间提供电力的电磁感应方式，即将一个受电线圈装置安装在汽车的底盘上，将另一个供电线圈装置安装在地面，当电动汽车驶到供电线圈装置上，受电线圈即可接受到供电线圈的电流，从而对电池进行充电。

　综上所述，电动汽车的充电还是采用普通充电为主、快速补充充电为辅的充电方式。对于电动公交车而言，充电站设在公交车总站内。在晚间下班后利用低谷充电，时间5～6小时。全天运行的车辆，续驶里程不够时，可利用中间休息待班时间进行补充充电。充电器的数量和容量根据车队的规模而定，充电站由车队管理。1C～3C的快速充电模式，已经在探讨应用，但应确保在电池的安全和使用寿命的前提下进行，所以电动汽车充电方面还有很大的发展空间以及很长的发展道路，充电站的建设关系到电动汽车行业的发展格局，对于发展东东汽车行业有着决定性作用。

　第 第 2 2 章

　电动汽车基本结构机动力参数匹配

　 1 2.1 纯电动汽车的工作原理

　1 2.1.1 电气控制系统的控制原理

　纯电动汽车的电气控制系统通常包括低压电器子系统，高压电器子系统和整车网络化控制子系统三部分。

　高压电子系统主要由动力电池，驱动电机和功率转换器等大功率，高电压的电气设备组成，根据车辆行驶的功率需求完成从动力电池到驱动电机的能量转变与传输过程。低压电器系统采用12V/24V电源，一方面为灯光，刮水器等车辆的常规低压电器供电，另一方面为整车控制器，高压电气设备的控制电路和辅助部件供电。纯电动汽车各种电器设备的工作统一由整车控制器协调控制。一般电动汽车电气控制系统的结构图如图 2-1 所示

　图 2-1 电动汽车电气控制系统结构

　图 2-1

　一般电动汽车电气控制系统的结构图 纯电动汽车低压电器控制主要由 DC/DC 转换器，辅助蓄电池和若干电压电气设备组成。低压电器 传 动系 系 统

　电机

　电机控制器

　 充电机 动力电池组 电池管理系统 整车控制器 仪表 高 压 配电箱

　DC/DC 24v 蓄电池 池 监 控模块 其他车身附件 制动气泵 DC/AC 制动气泵 DC/AC 助力转向 DC/AC 助力转向 DC/AC 电动空调 DC/AC 电动空调 DC/AC

　绝缘监测仪

　电除霜 通信线束

　低压线束

　高压线束

　主要包括灯光系统，仪表系统，娱乐系统，电动车窗，刮水器，除霜和各种控制器。

　纯电动汽车是一个高度集成的电气化系统包括驱动电机控制系统，电池管理系统，车载充电系统，电动辅助系统，低压电器系统等多个子系统，必须通过一个整车控制系统来进行各子系统的协调控制。

　整车控制系统主要包括整车控制器，电机控制器，电池管理系统，车身控制管理系统，信息显示系统和通信系统。

　作为纯电动汽车核心系统之一，高压电器子系统有两种驱动类型，即直流电机驱动系统和交流电机驱动系统，其不同之处不同的工作特性，控制方法。其结构图如图 2-2,2-3

　图 2-2

　直流电机驱动系统

　图 2-3 交流电机驱动系统

　2 2.1.2 传动系统的结构及工作原理

　纯电动汽车的几种传动系统布置的形式如下图 第一种传统形式（C 离合器，D 差速器，GB 变速器，M 电机）

　图 2-4 常规驱动形式

　图 2-5 固定速比减速器传动系统 M FG D M GB D C

　 图 2-6 第三种传动形式

　 图 2-7 双电机-固定速比变速器一体化传动系统 FG M M FG M FG D

　 图 2-8 双电机-固定速比变速器一体化轮边驱动传动系统

　 图 2-9 双轮毂电机驱动系统

　其中轮毂驱动有两种一种是内转子型，另一种是外转子型。

　在此设计中采用双轮毂电机驱动方式。

　基本形式 如下图所示 M M FG FG M M

　图 2-10

　Autodesk maya2013 电机驱动的俯视图

　图 2-11

　Autodesk maya2013 电机驱动形式的主视图 3 2.1.3 电源系统的结构及工作原理 作为纯电动汽车的能量来源，动力电池组承担着为驱动电机以及为汽车辅助系统供能的作用。而作为动力电池组与外界进行接触的媒介，动力电池箱承担了对动力电池的能量传导，安全防护，性能维护的任务，对动力电池组性能的充分发挥起到了越来越多的作用。

　2 2.2 电动汽车基本结构机动力参数设计基本要求

　1 2.2.1 电动汽车的结构

　电动汽车的结构组成为：

　（1）

　电机控制器及转换装置 （2）

　高压空调压缩机 （3）

　电控水冷管路 （4）

　牵引电机 （5）

　电动助力转向装置 （6）

　变速器 （7）

　模块化动力总成悬架 （8）

　电控真空泵 （9）

　高压制冷/加热装置及控制器 （10）

　整车控制单元（VCU）

　（11）

　电池箱和电池单体 （12）

　交流充电器 （13）

　DC/DC 转换器 2 2.2.2 电动汽车性能参数

　电动汽车性能主要包括动力性、经济性、制动性能、操纵稳定性、平顺性及通过性,由于电动汽车的制动性能、操纵稳定性、平顺性和通过性与传统内燃机汽车基本相同,在此重点讨论电动汽车的动力性及经济性。汽车的动力性是指汽车在良好的路面上直线行驶时由汽车受到纵向外力决定的、所能达到的平均速度。汽车动力性主要由三个指标来评定:最高车速 Vmax、最大爬坡度 imax 和加速时间 tf。传统内燃机汽车的燃油经济性是指:在保证动力性的条件下,汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力,通常以百公里油耗(L/100km)为参考标准。对于配置蓄电池的电动汽车,以 kWh 为单位度量输出端所消耗的能量更为合适。蓄电池的定额一般以 kWh 测定,然后即可以容易的按蓄电池容量计算出行驶路程。

　(1)最高车速:在使用较大功率驱动电机或者较大传动比变速箱时,牵引力曲线与阻力曲线(滚动阻力加上空气阻力)通常没有交点。在这种情况下,常用电机的转速来求得最高车速 Vmax(m/s):

　 公式.....................

　3 2.3 纯电动汽车的系统组成

　 对于传统内燃机汽车，纯电动汽车的结构有很大差别，具体组成包括：电力驱动及控制系统、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。

　 纯电动汽车作为机械，电子，能源，计算机，信息技术等多种高新技术的集成，是典型的高新技术产品，其最终目标是实现智能化，数字化和轻量化。目前研制开发的的关键技术主要有电池，驱动电机，电机控制，车身和底盘设计及能量管理技术等，其系统组成框图如图 1-3 所示

　图 2-12

　车身底盘的系统组成 2.3.1 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，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。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、镍铬电池、锂电池、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。

　2 2.3.2 电池管理系统

　整车控制器 功率转换器 电机 机械传动装置 车轮 车轮 能源管理系统 电池组 充电器 汽 车 电 CAN 总线 加速 减速 电子驱动系统 能源子系统 能源

　 电池管理系统一直是电动汽车发展中的一项关键技术，电池组管理系统最基本的作用是监控电池的电池电压、电流和温度，通过对这些参数的测量，预测蓄电池的 SOC 和相应的剩余行驶里程，管理电池的工作情况，避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。

　电池管理系统按照实现方式可以分为两大类：一类是基于芯片的电池管理系统；另一类是基于分立式器件的电池管理系统。基于芯片的电池管理系统一般将前端采集电路、均衡电路以及电量计量算法、通讯功能等集成在芯片中，辅以外围电路完成对电池的管理功能。具有更小的体积、更高的集成度等优势；基于分立器件的电池管理系统，有基于纯硬件和基于软硬件协调工作的解决方案，而软硬件协调工作方案由于实现更灵活、功能更完善，被广泛采用。该方案在产品设计的灵活性上占有一定优势。

　2.3.3 电机驱动系统

　电机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。

　电机驱动系统永磁同步电机驱动器定子转子轴承定子绕组定子铁芯转子绕组转子磁钢主电路控制器功率器件散热器母线电容集成电路控制电路驱动，保护电路转子转轴

　图

　2-14

　电机的分类形式 目前电动汽车驱动系统主要分为 4 类：1）、直流电动驱动系统，这种驱动系统结构简单、电磁转矩控制特性优良，在城市无轨电车上广泛应用但重量和体积也较大；2）、感应电机驱动系统，这种驱动系统结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、转矩脉动低、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高、矢量控制调速技术比较成熟，但驱动电路复杂，成本高；3）、永磁无刷电机系统，

　这种驱动系统功率密度较高、电机尺寸小、体积小、转子结构简单、稳定性好；4）新一代牵引电机系统，这种系统即开关磁阻电机驱动系统，具有高密度、高效率、低成本、宽调速。

　4 2.3.4 车身和底盘

　电动汽车的车身与传统汽车基本相同，底盘中的传动系比内燃机汽车有所简化。在底盘的布置上还要有足够的空间存放动力电池组，并且要求线路连接方便，充电方便，检查方便和装卸方便。能够实现动力电池组的整体机械化装卸。这就要求在电动汽车的底盘的布置上，打破传统的内燃机汽车底盘布置模式，加大承载空间的跨度和承载结构件的刚度，并且充分考虑防止动力电池组渗出的酸或碱液对底盘结构件的腐蚀侵害。

　车身采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽车自身质量减轻 30%-50%；实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，使汽车的滚动阻力减少 50%；汽车车身特别是汽车底部更加流线型化，可使汽车的空气阻力减少 50%。

　其中底盘的结构图如下

　 图 2-15

　电动汽车底盘结构 5 2.3.5 悬挂

　 独立悬挂系统是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身下面的。

　悬挂分为独立悬挂与非独立悬挂。在这个言必谈操控、论必说运动的年代里，几乎所有汽车品牌多在大力的宣传自己产品优秀的操控性能，从欧系的宝马、奥迪、SAAB到日系的讴歌、英菲尼迪等高端品牌无不在极力

　宣传自己良好的操控性和运动性，就连一向以舒适性能为取向的奔驰、凯迪拉克、雷克萨斯等高端品牌也在新近的设计中加入了更多的运动取向。从以福克斯为代表的紧凑型轿车到以迈腾为代表的中级车到以宝马5 系 Li 为代表的高档车无不标榜自己的运动性能。其中悬挂在汽车中的位置如下图所示

　图 2-16 悬架在汽车底盘安装的位置

　（1）悬架的概念和分类 首先让我们来了解一下什么是悬架：悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。典型的汽车悬架结构由弹性元件、减震器以及导向机构等组成，这三部分分别起缓冲，减振和力的传递作用。绝大多数悬架多具有螺旋弹簧和减振器结构，但不同类型的悬架的导向机构差异却很大，这也是悬架性能差异的核心构件。根据结构不同可分为非独立悬架和独立悬架两种。

　悬架把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能，是汽车最重要的三大总成之一（其它两个分别是：发动机和变速箱）。从结构上看，汽车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧等简单构件组成，但汽车悬架却是一个非常难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车操纵稳定性的要求，又要保证汽车的舒适性要求，而这两方面 又是相互矛盾的。为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及严重侧倾偏向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。

　悬架的构件虽然简单但参数的确定却相当的复杂，厂家不但要考虑汽车的舒适性，操控稳定性还要考虑到成本问题。基于这三个问题不同厂家有不同的倾向性策略。也就产生了国内现在比较常见的五种悬架：麦弗逊式独立悬架、双叉臂式独立悬架、单纵臂扭杆梁式半独立悬架、连杆支柱式独立悬架、多连杆式独立悬架。

　下图为迈腾原型车大众帕萨特B6 前麦弗逊、后多连杆悬架

　图 2-17 迈腾原型车大众帕萨特B6 前麦弗逊、后多连杆悬架 （2）独立悬架

　独立悬架系统是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架系统悬架在车架或车身下面的。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动， 互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬架系统存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点，同时因为结构复杂，会侵占一些车内乘坐空间。

　现代轿车大都是采用独立式悬架系统，按其结构形式的不同，独立悬架系统又可分为横臂式、纵臂式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬架系统等。独立悬挂如下图

　 图 2-18 独立悬挂

　 （3）非独立悬架

　非独立悬架系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架系统悬挂在车架或车身的下面。非独立悬架系统具有结构简单、成本低、强度高、保...