小型纯电动汽车轮毂电机及大角度转向系统的数字化设计（全套含CAD图纸）

I摘 要在不可再生能源日益供需状态紧张以及生态环境逐渐趋向恶化的今天，伴随着人们日益增长的收入，开始富裕起来的人们对汽车这种传统出行方式的需求也越来越明显。然而，穹顶之下，传统汽车的燃料所依赖的汽油、柴油所产生的汽车尾气也正是我们如今以雾霾为典型的各种形式的气候问题元凶之一，所以汽车领域在以“可持续发展”为基础， “科学发展观”为指导的科技创新里必然要使用一种以新型绿色、低排放甚至零排放的新型能源来作为新型汽车的动力来源，因此纯电动汽车这种以电能这种清洁能源以其来源广、零排放、易储存、安全性高的优势作为动力的新型汽车应运而生。此次的毕业论文题目，就是根据目前汽车市场上方兴未艾的纯电动汽车为研究基础，通过轮毂电机这种新型的动力传动方式来实现小型纯电动汽车的多种新颖的行进动作以及很大程度上简化传统汽车的传动系统，即从传统“三大件” （发动机、变速箱、底盘）简化为仅需合理的设计好底盘即可。这次所设计的课题是以轮毂电机技术为基础，市场化方向定位为市区中老年人代步车，车身结构为 3 门 2 座两厢，通过四个具备轮毂电机的车轮以适时四驱的形式行驶的一种体现低成本、环保、节能、便利等诸多优势的纯电动汽车。本设计是关于纯电动汽车诸多动力方案之一的轮毂电机进行进一步的研究。利用 CAXA 以及 CATIA 等二维与三维软件来对本设计进行绘图。其包括轮胎、轮辋、电机、旋转变压器、盘式制动器。关键词：轮毂电机；纯电动；旋转变压器IIAbstractOur country in non renewable energy increasingly tense and the gradual deterioration of the ecological environment in twenty-first Century, along with the increasing of income, people gradually affluent demand for cars the traditional way to travel is becoming more and more obvious.However, the traditional automobile fuel on gasoline is one of our climate issues in various forms of culpritsnow, so the car in the field of “sustainable development“ is the basis of “scientific development view“ science and technology innovation as the guidance in thebound to use a new type of green, low emissions and even 0 emissions as newenergy the energy source of the car, so the power came into being as a pure electric vehicle energy.This design makes a further study of wheel motor electric vehicle power solutionson the many. To the design of drawing by CAXA and CATIA in 2D and 3D software.Including tires, rims, motor, rotary transformer, disc brake.Keywords：three degrees of freedom；mechanical arm；Model teaching aidIII目 录摘要 IAbstractII目录 III第一章 绪论 11.1 纯电动汽车发展的概况 11.1.1 国外电动汽车的发展现状 21.1.2 国内电动汽车的发展现状 21.2 选题的背景和意义 31.3 本文的结构 51.4 本章小结 5第二章 整车设计 62.1 汽车整体初步方案的选择 62.1.1 电池的选择 62.1.2 电动汽车的几种驱动方式 82.2 基于轮毂电机技术的电子差速转向分析 122.2.1 转向原理 132.2.2 电子差速实现方式 142.2.3 特殊用途的转向结构 152.3 车辆的阻力 162.3.1 滚动阻力 162.3.2 空气阻力 202.4 本章小结 20第三章 方案分析 213.1 无刷电机的特性分析 21IV3.1.1 永磁无刷直流电机驱动基本原理 213.1.2 永磁体的材料性能 213.1.3 扩展转速技术 223.1.4 无检测技术 223.2 轮毂电机制动的比较与选择 233.2.1 鼓式制动 233.2.2 浮钳式制动 243.3 本章小结 26第四章 汽车总体性能及关键零部件的设计和选用 274.1 电动汽车动力性能计算 274.2 轮毂电机参数选择 284.3 转速的确定 294.4 功率的确定 294.5 转矩校核 304.6 加速性能校核 314.7 初选几段重要轴颈尺寸 314.7.1 根据最大垂直工况设计 324.7.2 根据最大侧向力工况设计 344.7.3 最大纵向力工况 374.8 关键零部件强度校核 404.9 本章小结 40结论 40致谢 40参考文献 405小型电动汽车轮毂电机及大角度转向系统的数字化设计,指导教师：,LOREM IPSUM DOLOR SIT AMET,轮毂电机的前景,1,Prospect ofHub motor,设计方案的选择,2,Selection of design scheme,方案成果展示,3,Program results show,后续改进方向,4,Follow the direction of improvement,轮毂电机的优势,省略大量传动部件，车辆结构更简单/可实现多种复杂的驱动方式/便于多种复杂的驱动方式/节约大量车体空间,轮毂电机这一具有革命性质的应用最典型的莫过于比亚迪唐这一款车型，利用了传动+电动的混动传动方式。其中电动部分又分为四个具备轮毂电机技术的车轮以及前后桥的两台步进电机，最终四台轮毂电机使得在车体流线不具备优势的情况下仍然可以为4.9秒的百公里加速成绩起到有目共睹的作用。,轮毂电机的典型应用,汽车整体方案选择,1.电池：磷酸铁离子电池 2.转向：基于电子差速的四轮转向 3.电机：永磁无刷直流外转子电机 4.制动：浮钳式制动 5.悬挂：双横臂式悬挂,磷酸铁锂电池：相比于早起的锰酸锂电池，磷酸铁锂电池在能量密度上未有太大差别，但其稳定性是目前车用锂电池中最好的，当电池温度处于500600高温时，其内部化学成分菜开始分解，而同属锂电池的钴酸锂电池在180250时内部化学成分已处于不稳定状态。也就是说，磷酸铁锂电池的安全性在锂电池中首屈一指，也正因为如此，磷酸铁锂电池也称为目前电动车电池的主要门类之一。,永磁无刷直流电机：永磁无刷直流电动机具有结构简单，运行可靠，功率密度满足应用，调速性能好，成本较低廉，安全性高，重量轻等优点。相对于本次设计的市场化方向及其性能足够满足要求，所以本次设计选择了更贴近使用要求的永磁无刷直流电动机。,虽然盘式制动器相对于鼓式制动器成本较为昂贵，但却有体积小、散热好、制动效果好且不易变形等优势更加适合本课题的要求，因此选用浮钳式盘式制动器,在获得相同刹车力矩的情况下，鼓式制动装置的刹车鼓的直径可以比盘式制动的刹车盘还要小上许多；制造成本低廉,制动器的比较与选择,双横臂式独立悬挂：,为了凸显轮毂电机所具备的结构简单的特性，可以实现如动图中这一新颖的行进动作，本次设计针对汽车底盘悬挂部分进行了相应的设计与优化：底盘的悬挂部分选择了双横臂式独立悬挂方案，其双横臂的特性使得又可以保证车轮在进行90旋转的时候不会对底盘及悬挂本身产生干涉，同时作为独立式悬挂又可以从整体上保证了汽车本身的通过性能从而提高了乘坐的舒适度。,汽车整体及轮毂电机的性能参数,汽车整体 最大总质量：1365kg 前轴载荷最大770kg 最高车速：70km/h 汽车轴距：2000mm 汽车前轮距：1440mm 质心高度：空载510mm；满载500mm 轮胎型号175/65R14,轮毂电机电机参数：电动机4台额定转矩：100Nm峰值转矩：150Nm额定功率：5kw峰值功率：7.5kw额定转速：480r/min峰值转速：1350r/min电压：144V壳体径向尺寸：300mm壳体轴向尺寸：110mm,汽车整体装配爆炸图展示,轮毂电机装配爆炸图展示,汽车整体的运动仿真,三维图效果展示,后续设计可优化改进的方向,轮毂电机技术作为一个全新的具有革命性质的技术固然很有潜力和前景，然而在相对有限的时间和知识储备中，本次毕业设计还有很大的改进与提升空间：1.轮毂电机内部结构的简化2.转向系统的细化与改进3.车体线形的改进4.电机的储能方式的设计,THANKS 感谢各位,一生情,一辈子,I摘 要在不可再生能源日益供需状态紧张以及生态环境逐渐趋向恶化的今天，伴随着人们日益增长的收入，开始富裕起来的人们对汽车这种传统出行方式的需求也越来越明显。然而，穹顶之下，传统汽车的燃料所依赖的汽油、柴油所产生的汽车尾气也正是我们如今以雾霾为典型的各种形式的气候问题元凶之一，所以汽车领域在以“可持续发展”为基础， “科学发展观”为指导的科技创新里必然要使用一种以新型绿色、低排放甚至零排放的新型能源来作为新型汽车的动力来源，因此纯电动汽车这种以电能这种清洁能源以其来源广、零排放、易储存、安全性高的优势作为动力的新型汽车应运而生。此次的毕业论文题目，就是根据目前汽车市场上方兴未艾的纯电动汽车为研究基础，通过轮毂电机这种新型的动力传动方式来实现小型纯电动汽车的多种新颖的行进动作以及很大程度上简化传统汽车的传动系统，即从传统“三大件” （发动机、变速箱、底盘）简化为仅需合理的设计好底盘即可。这次所设计的课题是以轮毂电机技术为基础，市场化方向定位为市区中老年人代步车，车身结构为 3 门 2 座两厢，通过四个具备轮毂电机的车轮以适时四驱的形式行驶的一种体现低成本、环保、节能、便利等诸多优势的纯电动汽车。本设计是关于纯电动汽车诸多动力方案之一的轮毂电机进行进一步的研究。利用 CAXA 以及 CATIA 等二维与三维软件来对本设计进行绘图。其包括轮胎、轮辋、电机、旋转变压器、盘式制动器。关键词：轮毂电机；纯电动；旋转变压器IIAbstractOur country in non renewable energy increasingly tense and the gradual deterioration of the ecological environment in twenty-first Century, along with the increasing of income, people gradually affluent demand for cars the traditional way to travel is becoming more and more obvious.However, the traditional automobile fuel on gasoline is one of our climate issues in various forms of culpritsnow, so the car in the field of “sustainable development“ is the basis of “scientific development view“ science and technology innovation as the guidance in thebound to use a new type of green, low emissions and even 0 emissions as newenergy the energy source of the car, so the power came into being as a pure electric vehicle energy.This design makes a further study of wheel motor electric vehicle power solutionson the many. To the design of drawing by CAXA and CATIA in 2D and 3D software.Including tires, rims, motor, rotary transformer, disc brake.Keywords：three degrees of freedom；mechanical arm；Model teaching aidIII目 录摘要 IAbstractII目录 III第一章 绪论 11.1 纯电动汽车发展的概况 11.1.1 国外电动汽车的发展现状 21.1.2 国内电动汽车的发展现状 21.2 选题的背景和意义 31.3 本文的结构 51.4 本章小结 5第二章 整车设计 62.1 汽车整体初步方案的选择 62.1.1 电池的选择 62.1.2 电动汽车的几种驱动方式 82.2 基于轮毂电机技术的电子差速转向分析 122.2.1 转向原理 132.2.2 电子差速实现方式 142.2.3 特殊用途的转向结构 152.3 车辆的阻力 162.3.1 滚动阻力 162.3.2 空气阻力 202.4 本章小结 20第三章 方案分析 213.1 无刷电机的特性分析 21IV3.1.1 永磁无刷直流电机驱动基本原理 213.1.2 永磁体的材料性能 213.1.3 扩展转速技术 223.1.4 无检测技术 223.2 轮毂电机制动的比较与选择 233.2.1 鼓式制动 233.2.2 浮钳式制动 243.3 本章小结 26第四章 汽车总体性能及关键零部件的设计和选用 274.1 电动汽车动力性能计算 274.2 轮毂电机参数选择 284.3 转速的确定 294.4 功率的确定 294.5 转矩校核 304.6 加速性能校核 314.7 初选几段重要轴颈尺寸 314.7.1 根据最大垂直工况设计 324.7.2 根据最大侧向力工况设计 344.7.3 最大纵向力工况 374.8 关键零部件强度校核 404.9 本章小结 40结论 40致谢 40参考文献 40VCONTENTSAbstract.错误！未定义书签。Chapter1 Introduction11.1 Development of pure electric vehicle .11.1.1 Development of electric vehicles abroad.21.1.2 Development of electric vehicle in China21.2 Background and significance of the topics .31.3 Structure of this paper.51.4 Summary of this chapter .5Chapter2 Vehicle design.62.1 Choice of the overall scheme of the car62.1.1 Battery selection.62.1.2 Several driving modes for electric vehicles .82.2 Electronic differential speed steering analysis122.2.1 Steering principle .132.2.2 Electronic differential speed implementation 142.2.3 Special purpose steering structure .152.3 Vehicle resistance .162.3.1 Rolling resistance.162.4 Summary of this chapter .20Chapter3 Plan analysis .203.1 Characteristic analysis of brushless motor213.1.1 Permanent magnet brushless DC motor driver 213.1.2 Material properties of permanent magnets 21VI3.1.3 Extended speed technology223.1.4 No-detection technology223.2 Comparison and selection of wheel motor braking 233.2.1 Drum brake 233.2.2 Floating clamp brake243.3 Summary of this chapter .26Chapter4 Overall performance and selection of key parts of vehicle 274.1 Electric vehicle power performance calculation.274.2 Parameters selection for hub motor 284.3 Determination of rotational speed.294.4 Determination of power 294.5 Torque check.304.6 Speed up performance verification .314.7 Primary key axis neck size314.7.1 Maximum vertical working condition design 324.7.2 Maximum lateral force working condition design.344.7.3 Maximum longitudinal force condition .374.8 Strength check of key parts.394.9 Summary of this chapter .42Conclusion 43Thanks.44Reference 451第一章 绪 论1.1 纯电动汽车发展的概况纯电动汽车发展至今，种类较多，通常按车辆用途、车载电源数目以及驱动系统的组成进行分类。按照用途不同分类，纯电动汽车可分为电动轿车、电动货车和电动客车三种。（1）电动轿车是目前最常见的纯电动汽车。除了一些概念车，纯电动轿车已经有了小批量生产，并已进入汽车市场。（2）电动货车用作功率运输的电动货车目前还比较少，而在矿山、工地及一些特殊场地，则早已出现了一些大吨位的纯电动载货汽车。（3）电动客车，目前纯电动小客车也较少见；纯电动大客车用作公共汽车，在一些城市的公交线路以及世博会、世界性的运动会上，已经有了良好的表现。纯电动汽车采用电动机中央驱动形式，直接借用了内燃机汽车的驱动方案，由发动机前置前驱发展而来，由电动机、离合器、变速箱和差速器责成。用电驱动装置替代了内燃机，通过离合器将电动机动力与驱动轮进行连接或动力切断，变速箱提供不同的传动比以变更转速功率曲线匹配的需要，变速器实现转弯时两车轮不同车速的行驶。纯电动汽车采用双电动机电动轮驱动方式，机械差速器被两个牵引电动机所代替，两个电动机分别驱动各自车轮，转弯时通过电子差速控制以不同车速行驶，省掉了机械变速器。现在纯电动汽车所独有的以蓄电池作能量源的一种结构，蓄电池可以布置在上的四周，也可以集中布置在车的尾部或者布置在底盘下面。所选用的蓄电池应该能提供足够高的比能量和比功率，并且在车辆制动时能回收再生制动能量。具有高比能量和高比功率的动力电池对纯电动汽车的加速性和爬坡能力。为了解决一种蓄电池不能同时满足对比能量和比功率的要求这个问题，可2以在纯电动汽车同时采用两种不同的蓄电池，其中一种能提供高比能量，另外一种提供高比功率。两种电池作混合能量源的基本结构，这两种结构不仅分开了对比能量和比功率的要求，而且在汽车下坡或制动时可利用蓄电池回收能量。燃料电池所需的氢气不仅能以压缩氢气、液态氢或金属氢化物的形式储存，还可以由常温的液态燃料如甲醇或汽油随车产生。一个带小型重整器的纯电动汽车的结构，燃料电池所需的氢气由重整随车产生。1.1.1 国外电动汽车的发展现状美国在今年第二季度在全世界范围内销售了 7931 台电动车，这一数字领先于其他所有市场，销量环比上涨 28%。其他市场的数字分别是日本 4240 台，法国 2056，德国 1284。而在中国，今年的第一季度仅有 235 台电动汽车售出，比上一季度的 343 台下降了 31%。日本将会是这个产业的领头羊，到 2017 年，日本将生产 77.9 万辆电动车，占其汽车生产总量的 9.7%。德国和美国也有可能将电动汽车的产量推升至21.83 万辆和 36.23 万辆，分别占汽车市场总产量的 3.55%和 3%。在此期间，中国的产量可能会达到 273150 辆，仅为汽车总产量的 1%。随着电动汽车行业竞争的不断加剧，大型电动汽车企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的电动汽车企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的电动汽车品牌迅速崛起，逐渐成为电动汽车行业中的翘楚。1.1.2 国内电动汽车的发展现状新能源汽车的发展方向有多种，但其中之一的氢燃料电池技术不成熟，成本昂贵，是 20 年之后的技术。中国也没有氢燃料电池反应所必需的铂。虽然3没有公开申明，但据传国家内部决策层曾明确表示中国不适宜发展氢燃料电池汽车，只作为科研跟踪。从技术发展成熟程度和中国国情来看，纯电动汽车应是大力推广的发展方向，而混合动力作为大面积充电网络还没建立起来之前的过渡技术。但混合动力车动力系统复杂，成本昂贵。比亚迪 F3DM 有两套动力系统，其公布的动力系统成本增加了 5 万元，相当于每年要节省 8 千元的油费才能比传统汽油车经济。混合动力的优势是保留了传统汽油汽车的使用生活方式，根据汽油机和电动机混合程度，充电次数和传统汽油汽车加油次数相当，或者不用充电。行驶距离也不受限制。纯电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统，相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统，电动机和控制器的成本更低，且纯电动车能量转换效率更高。因电动车的能量来源电，来自大型发电机组，其效率是小型汽油发动机甚至混合动力发动机所无法比拟的。纯电动汽车因此使用成本在下降。按比亚迪 F3e 纯电动车公布的数据，百公里行驶耗电 12 度，依照 0.5元的电价算，百公里使用成本才 6 元。而其原形车 F3 汽油车百公里耗油 7.6升，按目前 6.2 元的油价，成本是 46.5 元。相比之下，电动车的使用成本才是传统汽油汽车的八分之一。纯电动车的缺点是它改变了传统汽车的使用生活方式，需要每天充电。传统的汽车使用习惯是大致一到两周加一次油。而且每次出行也有几百公里的距离限制，虽然一个家庭远距离出行可能一年就这么几次。1.2 选题的背景和意义汽车在全球保有量的不断增加使人类社会面临能源短缺、全球变暖、空气质量水平下降等诸多挑战，同时也推动的汽车自身技术的发展，为此汽车工程师正在不断努力降低油耗的方法，寻求各种代用燃料以及开发不用或少用汽油4的新型车辆；越来越多的认识已认识到各种类型电动汽车和燃料电池汽车是实现清洁汽车的解决方案，全世界的汽车业界也正在为此努力并投入巨大的资金和人力。众所周知，电动汽车相对于传统汽车最大的特点是在行驶过程中很少甚至没有排放污染，热辐射低，噪声低且环境友好。然而轮毂电机技术特点在于将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化。轮毂电机技术并非新生事物，早在 1900 年，就已经制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车，在 20 世纪 70 年代，这一技术在矿山运输车等领域得到应用。而对于乘用车所用的轮毂电机，日系厂商对于此项技术研发开展较早，目前处于领先地位，包括通用、丰田在内的国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外转子电机，电机的最高转速在 1000-1500r/min，无减速装置，车轮的转速与电机相同；而内转子式则采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器，为获得较高的功率密度，电机的转速可高达 10000r/min。随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现，内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。轮毂电机的优点，相对于传统以电动机为动力的纯电动汽车的优越性在于：省略大量传动部件，让车辆结构更简单，可实现多种复杂的驱动方式，便于采用多种新能源车技术等等。对于轮毂电机技术近年来的应用现状，国外轮毂电机驱动技术的应用主要体现在两个方面：一是以轮胎生产商或汽车零部件生产商为代表的研发团队开发的集成化电动系统；二是整车生产商与轮毂电机驱动系统生产商联合开发的电动汽车。而在我国国内对于轮毂电机的研究多集中于高校，产品均为电动汽车，与此同时，自主品牌汽车厂商也纷纷推出了自己的轮毂电机技5术产品，国内的汽车商虽然能够生产电动汽车，但是对于轮毂电机驱动技术的研究尚不成熟，尤其是在高转矩轮毂电机开发方面，与国外先进产品仍有一定差距。1.3 本文的结构本文的第 1 章为引入的绪论，概括了纯电动汽车发展的现状和趋势；本文的第 2 章为方案分析，较为详细的阐述了轮毂电机方案选择及其优缺点；本文的第 3 章为主要零部件的选择和设计分析，选取电池、电动机整体为对象具体的分析和设计；本文的第 4 章为电机整体的参数设计，零件的设计与校核。1.4 本章小结本章绪论部分主要对本次毕业设计的选题及研究目标进行了相关的介绍，主要目的是能够对该题目有个初步的了解并确定设计方向。对于轮毂电机技术选题的意义以及它在国外和国内相关领域的发展情况进行了简要的介绍，让大家对轮毂电机技术的起源发展及历史有一定了解。6第二章 整车设计2.1 汽车整体初步方案的选择2.1.1 电池的选择电动汽车电池分两大类，蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车，包括铅酸蓄电池、镍基电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池。燃料电池专用于燃料电池电动汽车，包括碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐电池(MCFC )、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC )、直接甲醇燃料电池(DMFC )。燃料电池由。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原。如果在阳极(即外电路的负极，也可称燃料极)上连续供给气态燃料(氢气)，而在阴极(即外电路的正极，也可称空气极)上连续供给氧气(或空气)，就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。由此可见燃料电池与常规电池不同，它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外部的储罐中。当它工作(输出电流并做功)时，需要不间断地向电池内输人燃料和氧化剂并同时排出反应产物。因此，从工作方式上看，它类似于常规的汽油或柴油发电机。由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体( 气体或液体) 。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体(如重整气)和某些液体( 如甲醇水溶液) ，常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体(如过氧化氢 和硝酸的水溶液等) 1。燃料电池阳极的作用是为燃料和电解液提供公共界面，并对燃料的氧化产生催化作用，同时把反应中产生的电子传输到外电路或者先传输到集流板后再7向外电路传输。阴极(氧电极)的作用是为氧和电解液提供公共界面，对氧的还原产生催化作用，从外电路向氧电极的反应部位传输电子。由于电极上发生的反应大多为多相界面反应，为提高反应速率，电极一般采用多孔材料并涂有电催化剂。电解质的作用是输送燃料电极和氧电极在电极反应中所产生的离子，并能阻止电极间直接传递电子。隔膜的作用是传导离子、阻止电子在电极间直接传递和分隔氧化剂与还原剂。因此隔膜必须是抗电解质腐蚀和绝缘的物质，并具有良好耐润湿性。图 2-1 燃料电池 图 2-2 特斯拉磷酸铁锂电池组1）电池组电动汽车电池组由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有 96个电池，充电到 4.2V 的锂离子电池而言，这样的电池组可产生超过 400V 的总电压。尽管汽车电源系统将电池组看作单个高压电池，每次都对整个电池组进行充电和放电，但电池控制系统必须独立考虑每个电池的情况。如果电池组中的一个电池容量稍微低于其他电池，那么经过多个充电/放电周期后，其充电状态将逐渐偏离其它电池。如果这个电池的充电状态没有周期性地与其它电池平衡，那么它最终将进入深度放电状态，从而导致损坏，并最终形成电池组8故障。为防止这种情况发生，每个电池的电压都必须监视，以确定充电状态。此外，必须有一个装置让电池单独充电或放电，以平衡这些电池的充电状态。电池组监视系统的一个重要考虑因素是通信接口。就 PC 板内的通信而言，常用的选项包括串行外设接口(SPI)总线、I2C 总线，每种总线的通信开销都很低，适用于低干扰环境。另一个选项是控制器局域网(CAN)总线，这种总线在汽车应用中被广泛使用。CAN 总线具有误差检测和故障容限特性，但是它的通信开销很大，材料成本也很高。尽管从电池系统到汽车主 CAN 总线的连接是值得要的，但在电池组内采用 SPI 或 I2C 通信是有优势的。综上所述，对于本文中的电动汽车所面临的使用环境（市区为主） ，考虑到使用环境中对安全性及结合当前充电桩等相关配套设备的实用性，所以本设计中将采用在比亚迪 S6 等车型中所使用的磷酸铁锂电池，尽管能量密度并非最高，但其所带来的安全性和可循环充电次数、可预见的经济性等方面的优异行仍是本方案的最佳选择。2.1.2 电动汽车的几种驱动方式在现代电驱动系概念性的视于图 2-3 中。该电驱动系有三个主要的子系统组成：电动机驱动、能源和辅助子系统。电动机驱动子系统由车辆控制器、电力电子变换器、电动机、机械传动装置和驱动轮组成；能源子系统包含能源、能量管理单元和能量的燃料供给单元；辅助子系统由功率控制单元和辅助电源组成。9图 2-3 通用 EV 结构的概念性图示基于来自加速和制动踏板的控制输入，车辆控制器想电力电子变换器给出正确的控制信号，变换器行驶控制电动机与能源之间的功率流的功能。起因于EV 再生制动所导致的反向功率流，以及该再生能量可储存与能源之中，构成了有接受能量能力的能源。大多数的 EV 蓄电池组、超级电容器组以及飞轮组都可容易的具有接收再生能量的能力。能量管理单元与车辆控制器相配合，控制再生制动及其能量的回收，它与能量的燃料供给单元一起控制燃料供给单元，并监控能源的使用性能。辅助电源为所有的 EV 辅助设备，尤其是车内气候控制和功率控制单元，提供不同电压等级的所需功率。由于在电驱动特性和能源方面的多样性，可有各种可能的 EV 结构形式，如图 2-4 所示。1）图 2-4a 表明了第一种可供选择的结构，其中电驱动装置替代了传统车辆驱动系的内燃机，它由电动机、离合器、变速器和差速器组成。离合器和变速箱可有自动传动装置予以替代，离合器用以将电动机的动力连接到驱动轮，或从驱动轮处脱开。变速箱提供一组传动比，以变更转速功率（转矩）曲线匹配在和的需求。差速器是一种机械器件（通常是一组行星齿轮） ，当车辆沿10着玩去的路径行驶时，它使两侧车轮以不同的转速驱动。图 2-4 a)2）如图 2-24 b 所示，借助于电动机在大范围转速变化中所具有的恒功率特性，可用固定当的齿轮传动装置替代多速变速箱，并缩减了对离合器的需要。这一结构不仅减小了机械传动装置的尺寸和重量，而且由于不需要换挡，故可简化驱动系的控制。图 2-4 b）3）如图 2-4c 所示，类似于如 2-2b 中的驱动系，电动机、固定当的齿轮传动装置和差速器可进一步集成为单个组合件，而其两侧的轴连接两边的驱动轮。整个驱动系由此得以进一步的简化和小型化。图 2-4 c)114）在图 2-4d 中，机械差速器被两个牵引电动机所替代。该两电动机分别驱动相应侧的车轮，并当车辆沿弯曲路径行驶时，两者以不同的转速运转。图 2-4 d)5）如图 2-4e 所示，为进一步简化驱动系，牵引电机可安置在车轮内，即使用本文所涉及的轮毂电机。这种配置是通常所说的轮式驱动。一个薄型行星齿轮组可用以降低电动机转速，并增大电动机转矩。该薄型行星齿轮组具有高减速比以及输入和输出轴纵向配置的优点。图 2-4 e)6）如图 2-4f 所示，通过完全舍弃电动机和驱动轮之间任何的机械传动装置，应用于论事驱动的低速外转子型电动机可直接连接至驱动轮。此时电动机的转速控制等价于轮速控制。然而，这一配置要求电动机在车辆启动和加速运行时具有高转矩性能。12图 2-4 f)a) 配置多档传动装置和离合器的传统驱动系 b) 无离合器需求的单挡传动装置 c)固定挡的传动装置和差速器的集成 d) 两个独立的电动机和带有驱动轴的固定挡传动装置 e)配置两个独立电动机和固定挡传动装置的直接驱动 f) 两个分离的轮式驱动形式C离合器 D 差速箱 FG固定挡的齿轮传动装置 GB变速箱 M电动机综上所述，使用轮毂电机技术的 f 型传动方式无疑在驱动结构上极大的简化了传动装置，所以在技术研发的过程中可以节约大量的人力资源，缩短研发周期，极大的降低汽车成本。基于本文中的设计需要，故选择四个具有轮毂电机的车轮作为动力源的 f 方案。2.2 基于轮毂电机技术的电子差速转向分析由于本文是基于轮毂电机技术而设计的车型，对于汽车的转向方式，出于轮毂电机技术的特性，进而可以选择很多更具灵活性的结构，比如电子差速转向。电子差速的方法是通过驾驶者输入信号，恐怕那个之气改变车轮速度实现转向，如图 2-5 所示。方向盘的转动轴底部直接连接一个误差为 0.5%的唯一传感器，该传感器的位移范围是（0200）mm，模拟电压输出范围为（05）V，作为电子差速转向系统的指令输入。131.方向盘 2.转轴 3.转向节 4.转向横拉杆 5.万向节 6.轮毂电机图 2-5 电子差速的转向机构控制器2.2.1 转向原理四轮电子差速需要对 4 个轮毂电机同时进行速度控制和差速计算，是一个复杂的控制系统。硬件结构包括方向盘、位移传感器、控制器、4 个轮毂电机、每个电机的转子位置传感器。图 4 为电子差速转向总体控制框图。电子差速转向系统通过调整电机转速，改变车轮的转速实现差速转向。当电动汽车需要转向时，转向的内侧车轮速度小于外侧车轮速度。由于内外轮测的速度差异，相同时间内，内侧车轮驶过的距离较小，外侧车轮驶过的距离较大，车体必然向内侧偏转，从而实现转向。具体转向过程如下：首先将方向盘的角度输出转换成控制系统可以接收的模拟信号，在执行转向之前，定义方向盘的角度输出与模拟量之间的关系；然后对模拟信号的变化范围进行分析，经过计算即可得到不同的方向盘位置与转向时各个车轮转速的分配；内外侧车轮产生速度差异，实现转向。14图 2-6 电子差速转向总体控制框图2.2.2 电子差速实现方式电动汽车在进行电子差速转向时，其当前的运行方式对电子差速方案的实施有着重要的影响。根据不同的工作模式，电子差速运行时，当前电动汽车的速度状态和转向角度指令都要作相应的变化和调整。电动汽车在进行匀速前进时，由于路面存在高低不平、轮胎参数有差异，4 个车轮速度必然会受到影响，导致 4 个车轮转速不同。如果不进行纠正，就会引起电动汽车向转速较慢的那一方转向，若四轮车速相差较大更会引起车辆行驶的不稳定。利用 PD 调速方法对电机转速进行闭环控制，可提高电机调速的响应时间和调速稳定性，有利于 4 个轮毂电机转速的一致性协调。转速一致性协调遵循一下法则：在电动汽车直线前进时，在采样点时刻求出 4 个车轮转速的最小值，使其他 3 个车轮的转速与其始终保持一致，其流程如图 2-7 所示。当电动汽车在加速前进时，加速踏板发出的速度指令在不断变化，控制器15根据加速指令的变化改变控制器的 PWM 占空比输出，轮毂电机的转速也相应在变化。此时产生转向指令，若保持电机处于加速状态同时进行转向操作，必然会导致在转向过程中电动汽车的不稳定运行。本文采取的策略是记录向指令发生时刻的 PWM 占空比值和车速，并保持 PWM 占空比值不变。根据车速和转向角度计算 4 个车轮的各自的转速，并开始实施转向；当转向指令结束后，PWM 的占空比值从转向指令发生时可记录的数据开始随之加速踏板指令变化，车速也随着作相应变化。具体实施策略如图 2-8 所示。图中 v 是电动的车轮速度，T 是电动汽车车轮的转矩。图 2-7 四轮速度协调流程图 图 2-8 加减速运行时电动车转向策略流程图2.2.3 特殊用途的转向结构前几节中所提到的均为日常行驶过程中的转向方式，但在实际生活中，基于轮毂电机技术的汽车通过特殊的转向结构还可以实现特殊环境下独特的转向方式，例如侧方位停车以及汽车的倒库出库等与汽车驾驶息息相关的驾驶动作。本文中，电子差速系统虽然在日常行驶过程中足以满足正常的使用要求，但是仍然没有进一步发挥轮毂电机技术的优势。所以本文在悬挂系统、底盘结16构的选择及设计上进行了一些调整与变更，即选用横臂式独立悬挂并为 4 个轮胎各配备一个气压缸使轮胎的摆动角度可以大大提高，即 0120之间。如下图 2-10 所示，如果在汽车的电控系统中单独为气压缸设定一个转向模式，当驾驶者在需要进行侧方位停车、汽车的倒库出库、原地转向等驾驶动作时启用，电控系统向气压缸传递电信号使活塞杆伸出所需长度使轮胎完成所需角度的旋转，再通过四个轮毂电机的正反转配合，可以很大程度上简化了停车、转向的程序并很大程度的节约了这些过程所用的时间。如果在电控系统中通过汽车前后雷达配以很多厂商结合自己车型所设计的自动泊车系统应用到使用轮毂电机技术的汽车上，无疑会为汽车带来不一样的操纵乐趣的同时大大降低停车过程中由于新手司机技术上的不足所引发的汽车之间的刮蹭事故。图 2-9 汽车底盘悬挂 图 2-10 汽车侧位停车图2.3 车辆的阻力2.3.1 滚动阻力如图 2-11 所示，与其运动方向相反的车辆阻力包括轮胎滚动阻力、空气阻力 Fw 以及爬坡阻力。17图 2-11 作用于上坡行驶车辆上的力在硬地面上，轮胎的滚动阻力基本上起因于轮胎材料的滞变作用。图 2-12 表明作用于停顿状态轮胎上的力 P 通过其中心。这样，在轮胎和地面之间接触面上的压力对称于中心线分布，而所产生的反作用力 Pz 与 P 共线。在加载和卸载过程中，作为载荷 P 的函数的形变 z，如图 2-12 所示。由于橡胶材料形变状态下的滞变作用，对于相同的形变 z，处于加载情况下的载荷大于卸载时的在和（见图 2-13） 。当轮胎滚动时，如图 2-14a 所示，在接触面的前半部分为加载，而后半部分为卸载。从而，滞变作用导致地面反作用力的不对称分布，使接触面前半部分的压力大于后半部分的压力（见图 2-14a） 。这一现象的结果是地面反作用力向前偏移。该向前偏移的地面反作用力和作用于车轮中心、铅锤方向的载荷产生了一个抵制车轮滚动的扭矩。在软地面上，滚动阻力基本上起因于地面的变形，如图 2-14b 所示。此时，地面反作用力几乎完全地偏移至接触面的前半部分。18图 2-12 在接触表面上的压力分布 图 2-13 在加载和卸载情况下作为轮胎形变函数 图 2-14 轮胎的挠曲及其滚动阻力a）硬路面 b）软路面由合成的地面反作用力向前偏移所产生的转矩被成为滚动阻力转矩，即： arPT为保持车轮转动，作用于车轮中心的力 F 应与滚动阻力距相平衡，即此力应为：19rdPfarTF其中，r d 为轮胎的有效半径；f r=a/rd 称为滚动阻力系数。这样，滚动阻力距可通过作用于车轮中心且其指向与车轮运动方向相反的一个水平力予以等值替代。这一等值力被称为滚动阻力，即： rrPfF式中，P 为作用于滚动车轮中心的铅锤方向的载荷。当车辆运行在有坡度的地面上时，铅锤方向的载荷 P 应由与地面蒸饺的分量所替代，即： cosfrr其中， 为地面的倾斜角。滚动阻力系数 fr 是取决于轮胎材料、轮胎结构、轮胎温度、轮胎充气压力、外胎面的几何形状、路面粗糙度、路面材料和路面上有无液体的函数，它对应于各种不同特征路面的典型值列于表 2-1。由在混凝土路上，轿车的滚动阻力系数可用下列经验公式计算： 2.5s0r)1V(f其中 V 为车速（km/h） ；f 0 和 fs 取决于轮胎的充气压力。车辆性能计算中，对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公式： )160V(.fr20表 2-1 不同特征路面的典型值状况 滚动阻力系数混凝土或沥青路面上的汽车轮胎 0.013压实的沙砾路面上的汽车轮胎 0.02沥青碎石路 0.025未铺路面 0.05田野 0.10.35混凝土或沥青路面上的载货汽车轮胎 0.0060.01铁轨上的车轮 0.0010.0022.3.2 空气阻力以特定速度运动的车辆将遇到阻碍其运动的空气阻力的作用，即形状阻力和外壳摩擦力。即形状阻力，而空气阻力的表达式为： 2wDfw)V(CA21F式中，车速是 V，车辆迎风正面的面积 Af，车身形状和空气密度 的函数，C D 是车身形状特空气阻力系数；V w 是车辆运动方向上的风速分量 2。2.4 本章小结本章的主要是介绍了一些关于汽车总体上根据本论文所面市场而选定的一些方案以及整体驱动的数据计算所依据的公式，为后续更详尽的数据的计算展开铺垫。并且在转向结构的设计上为相对与传统汽车的转向系统提供了一种新的思路。21第 3 章 方案分析3.1 无刷电机的特性分析3.1.1 永磁无刷直流电机驱动基本原理用词无刷直流电动机驱动主要有无刷直流电动机、基于数字信号处理器（DSP）的控制器和基于电力电子的功率变换器所构成。由位置检测器检测电动机转子的位置。转子的位置信息输入到基于 DSP 的控制器，随即由该控制器向功率变换器提供门控信号，从而导通和关断特定的电动机定子磁极绕组。按这种方式，控制电机的转矩和转速 3。 3.1.2 永磁体的材料性能目前用于电机的永磁体材料有三类：1）铝镍钴（Al、Ni、Co、Fe） ；2）陶瓷（铁氧体） ，例如钡铁氧体（BaOx6Fe 2O3）和铁酸锶（SrOx6Fe 2O3） ；3）稀土永磁材料，即钐钴（SmCo）和钕铁硼（NdFeB） 。1）铝镍钴铝镍钴的主要优点是其高剩余磁通密度和低温度系数。这种材料剩磁 Br的温度系数为 0.02%/ ，且其最高工作温度为 520 。这些优点使很高的气C C隙磁密，以及高运行温度成为可能。遗憾的是，矫顽力很低，且其退磁曲线呈现高度的非线性。因此，铝镍钴不仅易于磁化，而且也很容易退磁。铝镍钴永磁体已用于额定功率为几瓦到 150kW 范围内的电机。2）铁氧体22钡铁氧体、铁酸锶与铝镍钴相比铁氧体具有较高的矫顽力，但同时剩磁较低。铁氧体的温度系数相对较高，即 Br 的温度系数为 0.20%/ ，矫顽力 HcC的温度系数为 0.27%/ 。最高工作温度为 400 。铁氧体的主要优点是低成C本和高阻抗，这意味着永磁体内无涡流损耗。3）稀土永磁体现今，钐钴市一中广泛接受的硬磁材料，它具有高剩磁、高矫顽力、高能量积、线性退磁曲线和低温度系数的优点。其温度系数（0.030.045）%/ ，而 Hc 的温度系数为（ 0.140.40）%/ 。最高工作温度为C C250300 。钐钴非常适合做小体积的电机，从而电机具有高比功率和低转动惯量。价格昂贵是钐钴唯一的缺点。3.1.3 扩展转速技术永磁无刷直流电动机由于其受到限制的弱磁能力，故其固有的恒功率范围小。这起因于永磁体磁场的存在，该磁场只能通过与转子磁场反向的定子磁场成分予以弱化。其转速比 通常小于 25。最近，已开发使用附加的励磁绕组来扩展永磁无刷直流电动机的转速范围。该技术的关键是控制励磁电流，使得由永磁体提供的气隙磁场在高速恒功率运行期间可被弱化。由于永磁体和励磁绕组的存在，这种电动机被称作永磁混合式电动机。永磁混合式电动机可获得的转速比约为 4。永磁混合式电动机驱动的最佳效率图如图所示。但是，永磁混合式电动机具有结构相对复杂的缺点，其转速比仍不足以满足车辆性能需求，特别是在越野汽车中，因此需要有多档的传动装置。3.1.4 无检测技术永磁无刷直流电动机驱动的运行主要依赖于位置检测器 6，以获得转自位23置信息，从而恰当的执行各相的导通或关断。位置检测器通常不是三维霍尔效应传感器，就是光编码器。这些位置检测器都是高成本、易损的原件。因此，位置检测器的存在不仅提高了电动机驱动的成本，而且严重地降低了系统的可靠性，并限制了其在某些环境中的应用，如军用。如果位置检测器失效，则无位置检测器技术可有效的继续系统的运行。已有几种无检测器技术被开发，这些技术的大多数都是以电压、电流和反电动势的检测为基础的，主要分为四类：1）使用所检测的电流、电压、电机的基本方程和代数计算的一类；2）使用观测器的一类；3）使用反电动势法的一类；4）与前三类不同，采用新技术的一类。3.2 轮毂电机制动的比较与选择3.2.1 鼓式制动鼓式制动器也叫块式制动器（如图 3-1） ，是靠制动块在制动轮上压紧来实现刹车的。鼓式制动是早期设计的制动系统，其刹车鼓的设计 1902 年就已经使用在马车上了，直到 1920 年左右才开始在汽车工业广泛应用。鼓式制动器的主流是内张式，它的制动块(刹车蹄)位于制动轮内侧，在刹车的时候制动块向外张开，摩擦制动轮的内侧，达到刹车的目的 7。近三十年中，鼓式制动器在轿车领域上已经逐步退出让位给盘式制动器。但由于成本比较低，仍然在一些经济类轿车中使用，主要用于制动负荷比较小的后轮和驻车制动。优点：鼓式制动器造价便宜，而且符合传统设计。 四轮轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车全部负荷的 70%-80%，前轮制动力要24比后轮大，后轮起辅助制动作用，因此轿车生产厂家为了节省成本，就采用前盘后鼓的制动方式。不过对于重型车来说，由于车速一般不是很高，刹车蹄的耐用程度也比盘式制动器高，因此许多重型车至今仍使用四轮鼓式的设计。缺点：鼓式制动器的制动效能和散热性都要差许多，鼓式制动器的制动力稳定性差，在不同路面上制动力变化很大，不易于掌控。而由于散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热量。制动块和轮鼓在高温影响下较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰退和振抖现象，引起制动效率下降。另外，鼓式制动器在使用一段时间后，要定期调校刹车蹄的空隙，甚至要把整个刹车鼓拆出清理累积在内的刹车粉。图 3-1 鼓式制动器3.2.2 浮钳式制动盘式制动器有液压型的（如图 3-2） ，由液压控制，主要零部件有制动盘、分泵、制动钳、油管等。盘式制动器散热快、重量轻、构造简单、调整方便。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬季和恶劣路况下行车，很多轿车采用的盘式制动器有平面式制动盘、打孔式制动盘以及划线式制动盘，其中划线式制动盘的制动效果和通风散热能力均比较好。盘式制动器沿制动盘向施力，制动轴不受弯矩，径向尺寸小 8。