I摘 要在不可再生能源日益供需狀態(tài)緊張以及生態(tài)環(huán)境逐漸趨向惡化的今天，伴隨著人們?nèi)找嬖鲩L的收入，開始富裕起來的人們對汽車這種傳統(tǒng)出行方式的需求也越來越明顯。然而，穹頂之下，傳統(tǒng)汽車的燃料所依賴的汽油、柴油所產(chǎn)生的汽車尾氣也正是我們?nèi)缃褚造F霾為典型的各種形式的氣候問題元兇之一，所以汽車領域在以“可持續(xù)發(fā)展”為基礎， “科學發(fā)展觀”為指導的科技創(chuàng)新里必然要使用一種以新型綠色、低排放甚至零排放的新型能源來作為新型汽車的動力來源，因此純電動汽車這種以電能這種清潔能源以其來源廣、零排放、易儲存、安全性高的優(yōu)勢作為動力的新型汽車應運而生。此次的畢業(yè)論文題目，就是根據(jù)目前汽車市場上方興未艾的純電動汽車為研究基礎，通過輪轂電機這種新型的動力傳動方式來實現(xiàn)小型純電動汽車的多種新穎的行進動作以及很大程度上簡化傳統(tǒng)汽車的傳動系統(tǒng)，即從傳統(tǒng)“三大件” （發(fā)動機、變速箱、底盤）簡化為僅需合理的設計好底盤即可。這次所設計的課題是以輪轂電機技術為基礎，市場化方向定位為市區(qū)中老年人代步車，車身結(jié)構(gòu)為 3 門 2 座兩廂，通過四個具備輪轂電機的車輪以適時四驅(qū)的形式行駛的一種體現(xiàn)低成本、環(huán)保、節(jié)能、便利等諸多優(yōu)勢的純電動汽車。本設計是關于純電動汽車諸多動力方案之一的輪轂電機進行進一步的研究。利用 CAXA 以及 CATIA 等二維與三維軟件來對本設計進行繪圖。其包括輪胎、輪輞、電機、旋轉(zhuǎn)變壓器、盤式制動器。關鍵詞：輪轂電機；純電動；旋轉(zhuǎn)變壓器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 錄摘要 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????IAbstract??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????II目錄 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????III第一章 緒論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 純電動汽車發(fā)展的概況 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1.1 國外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀 ??????????????????????????????????????????????????????21.1.2 國內(nèi)電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀 ??????????????????????????????????????????????????????21.2 選題的背景和意義 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31.3 本文的結(jié)構(gòu) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51.4 本章小結(jié) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5第二章 整車設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.1 汽車整體初步方案的選擇 ?????????????????????????????????????????????????????????????????62.1.1 電池的選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.1.2 電動汽車的幾種驅(qū)動方式 ??????????????????????????????????????????????????????82.2 基于輪轂電機技術的電子差速轉(zhuǎn)向分析 ???????????????????????????????????????122.2.1 轉(zhuǎn)向原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????132.2.2 電子差速實現(xiàn)方式 ????????????????????????????????????????????????????????????????142.2.3 特殊用途的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu) ????????????????????????????????????????????????????????????152.3 車輛的阻力 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????162.3.1 滾動阻力 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????162.3.2 空氣阻力 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????202.4 本章小結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20第三章 方案分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????213.1 無刷電機的特性分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????21IV3.1.1 永磁無刷直流電機驅(qū)動基本原理 ????????????????????????????????????????213.1.2 永磁體的材料性能 ????????????????????????????????????????????????????????????????213.1.3 擴展轉(zhuǎn)速技術 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????223.1.4 無檢測技術 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????223.2 輪轂電機制動的比較與選擇 ?????????????????????????????????????????????????????????233.2.1 鼓式制動 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????233.2.2 浮鉗式制動 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????243.3 本章小結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26第四章 汽車總體性能及關鍵零部件的設計和選用 ????????????????????????????????????274.1 電動汽車動力性能計算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????274.2 輪轂電機參數(shù)選擇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????284.3 轉(zhuǎn)速的確定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????294.4 功率的確定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????294.5 轉(zhuǎn)矩校核 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????304.6 加速性能校核 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????314.7 初選幾段重要軸頸尺寸 ???????????????????????????????????????????????????????????????????314.7.1 根據(jù)最大垂直工況設計 ????????????????????????????????????????????????????????324.7.2 根據(jù)最大側(cè)向力工況設計 ????????????????????????????????????????????????????344.7.3 最大縱向力工況 ????????????????????????????????????????????????????????????????????374.8 關鍵零部件強度校核 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????404.9 本章小結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40結(jié)論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40致謝 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40參考文獻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40VCONTENTSAbstract.錯誤！未定義書簽。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 緒 論1.1 純電動汽車發(fā)展的概況純電動汽車發(fā)展至今，種類較多，通常按車輛用途、車載電源數(shù)目以及驅(qū)動系統(tǒng)的組成進行分類。按照用途不同分類，純電動汽車可分為電動轎車、電動貨車和電動客車三種。（1）電動轎車是目前最常見的純電動汽車。除了一些概念車，純電動轎車已經(jīng)有了小批量生產(chǎn)，并已進入汽車市場。（2）電動貨車用作功率運輸?shù)碾妱迂涇嚹壳斑€比較少，而在礦山、工地及一些特殊場地，則早已出現(xiàn)了一些大噸位的純電動載貨汽車。（3）電動客車，目前純電動小客車也較少見；純電動大客車用作公共汽車，在一些城市的公交線路以及世博會、世界性的運動會上，已經(jīng)有了良好的表現(xiàn)。純電動汽車采用電動機中央驅(qū)動形式，直接借用了內(nèi)燃機汽車的驅(qū)動方案，由發(fā)動機前置前驅(qū)發(fā)展而來，由電動機、離合器、變速箱和差速器責成。用電驅(qū)動裝置替代了內(nèi)燃機，通過離合器將電動機動力與驅(qū)動輪進行連接或動力切斷，變速箱提供不同的傳動比以變更轉(zhuǎn)速—功率曲線匹配的需要，變速器實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時兩車輪不同車速的行駛。純電動汽車采用雙電動機電動輪驅(qū)動方式，機械差速器被兩個牽引電動機所代替，兩個電動機分別驅(qū)動各自車輪，轉(zhuǎn)彎時通過電子差速控制以不同車速行駛，省掉了機械變速器?，F(xiàn)在純電動汽車所獨有的以蓄電池作能量源的一種結(jié)構(gòu)，蓄電池可以布置在上的四周，也可以集中布置在車的尾部或者布置在底盤下面。所選用的蓄電池應該能提供足夠高的比能量和比功率，并且在車輛制動時能回收再生制動能量。具有高比能量和高比功率的動力電池對純電動汽車的加速性和爬坡能力。為了解決一種蓄電池不能同時滿足對比能量和比功率的要求這個問題，可2以在純電動汽車同時采用兩種不同的蓄電池，其中一種能提供高比能量，另外一種提供高比功率。兩種電池作混合能量源的基本結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)不僅分開了對比能量和比功率的要求，而且在汽車下坡或制動時可利用蓄電池回收能量。燃料電池所需的氫氣不僅能以壓縮氫氣、液態(tài)氫或金屬氫化物的形式儲存，還可以由常溫的液態(tài)燃料如甲醇或汽油隨車產(chǎn)生。一個帶小型重整器的純電動汽車的結(jié)構(gòu)，燃料電池所需的氫氣由重整隨車產(chǎn)生。1.1.1 國外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀美國在今年第二季度在全世界范圍內(nèi)銷售了 7931 臺電動車，這一數(shù)字領先于其他所有市場，銷量環(huán)比上漲 28%。其他市場的數(shù)字分別是日本 4240 臺，法國 2056，德國 1284。而在中國，今年的第一季度僅有 235 臺電動汽車售出，比上一季度的 343 臺下降了 31%。日本將會是這個產(chǎn)業(yè)的領頭羊，到 2017 年，日本將生產(chǎn) 77.9 萬輛電動車，占其汽車生產(chǎn)總量的 9.7%。德國和美國也有可能將電動汽車的產(chǎn)量推升至21.83 萬輛和 36.23 萬輛，分別占汽車市場總產(chǎn)量的 3.55%和 3%。在此期間，中國的產(chǎn)量可能會達到 273150 輛，僅為汽車總產(chǎn)量的 1%。隨著電動汽車行業(yè)競爭的不斷加劇，大型電動汽車企業(yè)間并購整合與資本運作日趨頻繁，國內(nèi)優(yōu)秀的電動汽車企業(yè)愈來愈重視對行業(yè)市場的研究，特別是對企業(yè)發(fā)展環(huán)境和客戶需求趨勢變化的深入研究。正因為如此，一大批國內(nèi)優(yōu)秀的電動汽車品牌迅速崛起，逐漸成為電動汽車行業(yè)中的翹楚。1.1.2 國內(nèi)電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀新能源汽車的發(fā)展方向有多種，但其中之一的氫燃料電池技術不成熟，成本昂貴，是 20 年之后的技術。中國也沒有氫燃料電池反應所必需的鉑。雖然3沒有公開申明，但據(jù)傳國家內(nèi)部決策層曾明確表示中國不適宜發(fā)展氫燃料電池汽車，只作為科研跟蹤。從技術發(fā)展成熟程度和中國國情來看，純電動汽車應是大力推廣的發(fā)展方向，而混合動力作為大面積充電網(wǎng)絡還沒建立起來之前的過渡技術。但混合動力車動力系統(tǒng)復雜，成本昂貴。比亞迪 F3DM 有兩套動力系統(tǒng)，其公布的動力系統(tǒng)成本增加了 5 萬元，相當于每年要節(jié)省 8 千元的油費才能比傳統(tǒng)汽油車經(jīng)濟?；旌蟿恿Φ膬?yōu)勢是保留了傳統(tǒng)汽油汽車的使用生活方式，根據(jù)汽油機和電動機混合程度，充電次數(shù)和傳統(tǒng)汽油汽車加油次數(shù)相當，或者不用充電。行駛距離也不受限制。純電動車省去了油箱、發(fā)動機、變速器、冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃汽油發(fā)動機動力系統(tǒng)，電動機和控制器的成本更低，且純電動車能量轉(zhuǎn)換效率更高。因電動車的能量來源——電，來自大型發(fā)電機組，其效率是小型汽油發(fā)動機甚至混合動力發(fā)動機所無法比擬的。純電動汽車因此使用成本在下降。按比亞迪 F3e 純電動車公布的數(shù)據(jù)，百公里行駛耗電 12 度，依照 0.5元的電價算，百公里使用成本才 6 元。而其原形車 F3 汽油車百公里耗油 7.6升，按目前 6.2 元的油價，成本是 46.5 元。相比之下，電動車的使用成本才是傳統(tǒng)汽油汽車的八分之一。純電動車的缺點是它改變了傳統(tǒng)汽車的使用生活方式，需要每天充電。傳統(tǒng)的汽車使用習慣是大致一到兩周加一次油。而且每次出行也有幾百公里的距離限制，雖然一個家庭遠距離出行可能一年就這么幾次。1.2 選題的背景和意義汽車在全球保有量的不斷增加使人類社會面臨能源短缺、全球變暖、空氣質(zhì)量水平下降等諸多挑戰(zhàn)，同時也推動的汽車自身技術的發(fā)展，為此汽車工程師正在不斷努力降低油耗的方法，尋求各種代用燃料以及開發(fā)不用或少用汽油4的新型車輛；越來越多的認識已認識到各種類型電動汽車和燃料電池汽車是實現(xiàn)清潔汽車的解決方案，全世界的汽車業(yè)界也正在為此努力并投入巨大的資金和人力。眾所周知，電動汽車相對于傳統(tǒng)汽車最大的特點是在行駛過程中很少甚至沒有排放污染，熱輻射低，噪聲低且環(huán)境友好。然而輪轂電機技術特點在于將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內(nèi)，因此將電動車輛的機械部分大大簡化。輪轂電機技術并非新生事物，早在 1900 年，就已經(jīng)制造出了前輪裝備輪轂電機的電動汽車，在 20 世紀 70 年代，這一技術在礦山運輸車等領域得到應用。而對于乘用車所用的輪轂電機，日系廠商對于此項技術研發(fā)開展較早，目前處于領先地位，包括通用、豐田在內(nèi)的國際汽車巨頭也都對該技術有所涉足。輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機的轉(zhuǎn)子型式主要分成兩種結(jié)構(gòu)型式：內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式。其中外轉(zhuǎn)子式采用低速外轉(zhuǎn)子電機，電機的最高轉(zhuǎn)速在 1000-1500r/min，無減速裝置，車輪的轉(zhuǎn)速與電機相同；而內(nèi)轉(zhuǎn)子式則采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，配備固定傳動比的減速器，為獲得較高的功率密度，電機的轉(zhuǎn)速可高達 10000r/min。隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現(xiàn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競爭力。輪轂電機的優(yōu)點，相對于傳統(tǒng)以電動機為動力的純電動汽車的優(yōu)越性在于：省略大量傳動部件，讓車輛結(jié)構(gòu)更簡單，可實現(xiàn)多種復雜的驅(qū)動方式，便于采用多種新能源車技術等等。對于輪轂電機技術近年來的應用現(xiàn)狀，國外輪轂電機驅(qū)動技術的應用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是以輪胎生產(chǎn)商或汽車零部件生產(chǎn)商為代表的研發(fā)團隊開發(fā)的集成化電動系統(tǒng)；二是整車生產(chǎn)商與輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)生產(chǎn)商聯(lián)合開發(fā)的電動汽車。而在我國國內(nèi)對于輪轂電機的研究多集中于高校，產(chǎn)品均為電動汽車，與此同時，自主品牌汽車廠商也紛紛推出了自己的輪轂電機技5術產(chǎn)品，國內(nèi)的汽車商雖然能夠生產(chǎn)電動汽車，但是對于輪轂電機驅(qū)動技術的研究尚不成熟，尤其是在高轉(zhuǎn)矩輪轂電機開發(fā)方面，與國外先進產(chǎn)品仍有一定差距。1.3 本文的結(jié)構(gòu)本文的第 1 章為引入的緒論，概括了純電動汽車發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢；本文的第 2 章為方案分析，較為詳細的闡述了輪轂電機方案選擇及其優(yōu)缺點；本文的第 3 章為主要零部件的選擇和設計分析，選取電池、電動機整體為對象具體的分析和設計；本文的第 4 章為電機整體的參數(shù)設計，零件的設計與校核。1.4 本章小結(jié)本章緒論部分主要對本次畢業(yè)設計的選題及研究目標進行了相關的介紹，主要目的是能夠?qū)υ擃}目有個初步的了解并確定設計方向。對于輪轂電機技術選題的意義以及它在國外和國內(nèi)相關領域的發(fā)展情況進行了簡要的介紹，讓大家對輪轂電機技術的起源發(fā)展及歷史有一定了解。6第二章 整車設計2.1 汽車整體初步方案的選擇2.1.1 電池的選擇電動汽車電池分兩大類，蓄電池和燃料電池。蓄電池適用于純電動汽車，包括鉛酸蓄電池、鎳基電池、鈉硫電池、二次鋰電池、空氣電池。燃料電池專用于燃料電池電動汽車，包括堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽電池(MCFC )、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC )、直接甲醇燃料電池(DMFC )。燃料電池由。燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原。如果在陽極(即外電路的負極，也可稱燃料極)上連續(xù)供給氣態(tài)燃料(氫氣)，而在陰極(即外電路的正極，也可稱空氣極)上連續(xù)供給氧氣(或空氣)，就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學反應，并產(chǎn)生電流。由此可見燃料電池與常規(guī)電池不同，它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內(nèi)，而是儲存在電池外部的儲罐中。當它工作(輸出電流并做功)時，需要不間斷地向電池內(nèi)輸人燃料和氧化劑并同時排出反應產(chǎn)物。因此，從工作方式上看，它類似于常規(guī)的汽油或柴油發(fā)電機。由于燃料電池工作時要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，所以燃料電池使用的燃料和氧化劑均為流體( 氣體或液體) 。最常用的燃料為純氫、各種富含氫的氣體(如重整氣)和某些液體( 如甲醇水溶液) ，常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等氣體和某些液體(如過氧化氫 和硝酸的水溶液等) [1]。燃料電池陽極的作用是為燃料和電解液提供公共界面，并對燃料的氧化產(chǎn)生催化作用，同時把反應中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)酵怆娐坊蛘呦葌鬏數(shù)郊靼搴笤?向外電路傳輸。陰極(氧電極)的作用是為氧和電解液提供公共界面，對氧的還原產(chǎn)生催化作用，從外電路向氧電極的反應部位傳輸電子。由于電極上發(fā)生的反應大多為多相界面反應，為提高反應速率，電極一般采用多孔材料并涂有電催化劑。電解質(zhì)的作用是輸送燃料電極和氧電極在電極反應中所產(chǎn)生的離子，并能阻止電極間直接傳遞電子。隔膜的作用是傳導離子、阻止電子在電極間直接傳遞和分隔氧化劑與還原劑。因此隔膜必須是抗電解質(zhì)腐蝕和絕緣的物質(zhì)，并具有良好耐潤濕性。圖 2-1 燃料電池 圖 2-2 特斯拉磷酸鐵鋰電池組1）電池組電動汽車電池組由多個電池串聯(lián)疊置組成。一個典型的電池組大約有 96個電池，充電到 4.2V 的鋰離子電池而言，這樣的電池組可產(chǎn)生超過 400V 的總電壓。盡管汽車電源系統(tǒng)將電池組看作單個高壓電池，每次都對整個電池組進行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨立考慮每個電池的情況。如果電池組中的一個電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過多個充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。如果這個電池的充電狀態(tài)沒有周期性地與其它電池平衡，那么它最終將進入深度放電狀態(tài)，從而導致?lián)p壞，并最終形成電池組8故障。為防止這種情況發(fā)生，每個電池的電壓都必須監(jiān)視，以確定充電狀態(tài)。此外，必須有一個裝置讓電池單獨充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。電池組監(jiān)視系統(tǒng)的一個重要考慮因素是通信接口。就 PC 板內(nèi)的通信而言，常用的選項包括串行外設接口(SPI)總線、I2C 總線，每種總線的通信開銷都很低，適用于低干擾環(huán)境。另一個選項是控制器局域網(wǎng)(CAN)總線，這種總線在汽車應用中被廣泛使用。CAN 總線具有誤差檢測和故障容限特性，但是它的通信開銷很大，材料成本也很高。盡管從電池系統(tǒng)到汽車主 CAN 總線的連接是值得要的，但在電池組內(nèi)采用 SPI 或 I2C 通信是有優(yōu)勢的。綜上所述，對于本文中的電動汽車所面臨的使用環(huán)境（市區(qū)為主） ，考慮到使用環(huán)境中對安全性及結(jié)合當前充電樁等相關配套設備的實用性，所以本設計中將采用在比亞迪 S6 等車型中所使用的磷酸鐵鋰電池，盡管能量密度并非最高，但其所帶來的安全性和可循環(huán)充電次數(shù)、可預見的經(jīng)濟性等方面的優(yōu)異行仍是本方案的最佳選擇。2.1.2 電動汽車的幾種驅(qū)動方式在現(xiàn)代電驅(qū)動系概念性的視于圖 2-3 中。該電驅(qū)動系有三個主要的子系統(tǒng)組成：電動機驅(qū)動、能源和輔助子系統(tǒng)。電動機驅(qū)動子系統(tǒng)由車輛控制器、電力電子變換器、電動機、機械傳動裝置和驅(qū)動輪組成；能源子系統(tǒng)包含能源、能量管理單元和能量的燃料供給單元；輔助子系統(tǒng)由功率控制單元和輔助電源組成。9圖 2-3 通用 EV 結(jié)構(gòu)的概念性圖示基于來自加速和制動踏板的控制輸入，車輛控制器想電力電子變換器給出正確的控制信號，變換器行駛控制電動機與能源之間的功率流的功能。起因于EV 再生制動所導致的反向功率流，以及該再生能量可儲存與能源之中，構(gòu)成了有接受能量能力的能源。大多數(shù)的 EV 蓄電池組、超級電容器組以及飛輪組都可容易的具有接收再生能量的能力。能量管理單元與車輛控制器相配合，控制再生制動及其能量的回收，它與能量的燃料供給單元一起控制燃料供給單元，并監(jiān)控能源的使用性能。輔助電源為所有的 EV 輔助設備，尤其是車內(nèi)氣候控制和功率控制單元，提供不同電壓等級的所需功率。由于在電驅(qū)動特性和能源方面的多樣性，可有各種可能的 EV 結(jié)構(gòu)形式，如圖 2-4 所示。1）圖 2-4a 表明了第一種可供選擇的結(jié)構(gòu)，其中電驅(qū)動裝置替代了傳統(tǒng)車輛驅(qū)動系的內(nèi)燃機，它由電動機、離合器、變速器和差速器組成。離合器和變速箱可有自動傳動裝置予以替代，離合器用以將電動機的動力連接到驅(qū)動輪，或從驅(qū)動輪處脫開。變速箱提供一組傳動比，以變更轉(zhuǎn)速—功率（轉(zhuǎn)矩）曲線匹配在和的需求。差速器是一種機械器件（通常是一組行星齒輪） ，當車輛沿10著玩去的路徑行駛時，它使兩側(cè)車輪以不同的轉(zhuǎn)速驅(qū)動。圖 2-4 a)2）如圖 2-24 b 所示，借助于電動機在大范圍轉(zhuǎn)速變化中所具有的恒功率特性，可用固定當?shù)凝X輪傳動裝置替代多速變速箱，并縮減了對離合器的需要。這一結(jié)構(gòu)不僅減小了機械傳動裝置的尺寸和重量，而且由于不需要換擋，故可簡化驅(qū)動系的控制。圖 2-4 b）3）如圖 2-4c 所示，類似于如 2-2b 中的驅(qū)動系，電動機、固定當?shù)凝X輪傳動裝置和差速器可進一步集成為單個組合件，而其兩側(cè)的軸連接兩邊的驅(qū)動輪。整個驅(qū)動系由此得以進一步的簡化和小型化。圖 2-4 c)114）在圖 2-4d 中，機械差速器被兩個牽引電動機所替代。該兩電動機分別驅(qū)動相應側(cè)的車輪，并當車輛沿彎曲路徑行駛時，兩者以不同的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。圖 2-4 d)5）如圖 2-4e 所示，為進一步簡化驅(qū)動系，牽引電機可安置在車輪內(nèi)，即使用本文所涉及的輪轂電機。這種配置是通常所說的輪式驅(qū)動。一個薄型行星齒輪組可用以降低電動機轉(zhuǎn)速，并增大電動機轉(zhuǎn)矩。該薄型行星齒輪組具有高減速比以及輸入和輸出軸縱向配置的優(yōu)點。圖 2-4 e)6）如圖 2-4f 所示，通過完全舍棄電動機和驅(qū)動輪之間任何的機械傳動裝置，應用于論事驅(qū)動的低速外轉(zhuǎn)子型電動機可直接連接至驅(qū)動輪。此時電動機的轉(zhuǎn)速控制等價于輪速控制。然而，這一配置要求電動機在車輛啟動和加速運行時具有高轉(zhuǎn)矩性能。12圖 2-4 f)a) 配置多檔傳動裝置和離合器的傳統(tǒng)驅(qū)動系 b) 無離合器需求的單擋傳動裝置 c)固定擋的傳動裝置和差速器的集成 d) 兩個獨立的電動機和帶有驅(qū)動軸的固定擋傳動裝置 e)配置兩個獨立電動機和固定擋傳動裝置的直接驅(qū)動 f) 兩個分離的輪式驅(qū)動形式C—離合器 D —差速箱 FG—固定擋的齒輪傳動裝置 GB—變速箱 M—電動機綜上所述，使用輪轂電機技術的 f 型傳動方式無疑在驅(qū)動結(jié)構(gòu)上極大的簡化了傳動裝置，所以在技術研發(fā)的過程中可以節(jié)約大量的人力資源，縮短研發(fā)周期，極大的降低汽車成本?；诒疚闹械脑O計需要，故選擇四個具有輪轂電機的車輪作為動力源的 f 方案。2.2 基于輪轂電機技術的電子差速轉(zhuǎn)向分析由于本文是基于輪轂電機技術而設計的車型，對于汽車的轉(zhuǎn)向方式，出于輪轂電機技術的特性，進而可以選擇很多更具靈活性的結(jié)構(gòu)，比如電子差速轉(zhuǎn)向。電子差速的方法是通過駕駛者輸入信號，恐怕那個之氣改變車輪速度實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，如圖 2-5 所示。方向盤的轉(zhuǎn)動軸底部直接連接一個誤差為 0.5%的唯一傳感器，該傳感器的位移范圍是（0~200）mm，模擬電壓輸出范圍為（0~5）V，作為電子差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的指令輸入。131.方向盤 2.轉(zhuǎn)軸 3.轉(zhuǎn)向節(jié) 4.轉(zhuǎn)向橫拉桿 5.萬向節(jié) 6.輪轂電機圖 2-5 電子差速的轉(zhuǎn)向機構(gòu)控制器2.2.1 轉(zhuǎn)向原理四輪電子差速需要對 4 個輪轂電機同時進行速度控制和差速計算，是一個復雜的控制系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)包括方向盤、位移傳感器、控制器、4 個輪轂電機、每個電機的轉(zhuǎn)子位置傳感器。圖 4 為電子差速轉(zhuǎn)向總體控制框圖。電子差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，改變車輪的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。當電動汽車需要轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向的內(nèi)側(cè)車輪速度小于外側(cè)車輪速度。由于內(nèi)外輪測的速度差異，相同時間內(nèi)，內(nèi)側(cè)車輪駛過的距離較小，外側(cè)車輪駛過的距離較大，車體必然向內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。具體轉(zhuǎn)向過程如下：首先將方向盤的角度輸出轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)可以接收的模擬信號，在執(zhí)行轉(zhuǎn)向之前，定義方向盤的角度輸出與模擬量之間的關系；然后對模擬信號的變化范圍進行分析，經(jīng)過計算即可得到不同的方向盤位置與轉(zhuǎn)向時各個車輪轉(zhuǎn)速的分配；內(nèi)外側(cè)車輪產(chǎn)生速度差異，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。14圖 2-6 電子差速轉(zhuǎn)向總體控制框圖2.2.2 電子差速實現(xiàn)方式電動汽車在進行電子差速轉(zhuǎn)向時，其當前的運行方式對電子差速方案的實施有著重要的影響。根據(jù)不同的工作模式，電子差速運行時，當前電動汽車的速度狀態(tài)和轉(zhuǎn)向角度指令都要作相應的變化和調(diào)整。電動汽車在進行勻速前進時，由于路面存在高低不平、輪胎參數(shù)有差異，4 個車輪速度必然會受到影響，導致 4 個車輪轉(zhuǎn)速不同。如果不進行糾正，就會引起電動汽車向轉(zhuǎn)速較慢的那一方轉(zhuǎn)向，若四輪車速相差較大更會引起車輛行駛的不穩(wěn)定。利用 PD 調(diào)速方法對電機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制，可提高電機調(diào)速的響應時間和調(diào)速穩(wěn)定性，有利于 4 個輪轂電機轉(zhuǎn)速的一致性協(xié)調(diào)。轉(zhuǎn)速一致性協(xié)調(diào)遵循一下法則：在電動汽車直線前進時，在采樣點時刻求出 4 個車輪轉(zhuǎn)速的最小值，使其他 3 個車輪的轉(zhuǎn)速與其始終保持一致，其流程如圖 2-7 所示。當電動汽車在加速前進時，加速踏板發(fā)出的速度指令在不斷變化，控制器15根據(jù)加速指令的變化改變控制器的 PWM 占空比輸出，輪轂電機的轉(zhuǎn)速也相應在變化。此時產(chǎn)生轉(zhuǎn)向指令，若保持電機處于加速狀態(tài)同時進行轉(zhuǎn)向操作，必然會導致在轉(zhuǎn)向過程中電動汽車的不穩(wěn)定運行。本文采取的策略是記錄向指令發(fā)生時刻的 PWM 占空比值和車速，并保持 PWM 占空比值不變。根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度計算 4 個車輪的各自的轉(zhuǎn)速，并開始實施轉(zhuǎn)向；當轉(zhuǎn)向指令結(jié)束后，PWM 的占空比值從轉(zhuǎn)向指令發(fā)生時可記錄的數(shù)據(jù)開始隨之加速踏板指令變化，車速也隨著作相應變化。具體實施策略如圖 2-8 所示。圖中 v 是電動的車輪速度，T 是電動汽車車輪的轉(zhuǎn)矩。圖 2-7 四輪速度協(xié)調(diào)流程圖 圖 2-8 加減速運行時電動車轉(zhuǎn)向策略流程圖2.2.3 特殊用途的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)前幾節(jié)中所提到的均為日常行駛過程中的轉(zhuǎn)向方式，但在實際生活中，基于輪轂電機技術的汽車通過特殊的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)特殊環(huán)境下獨特的轉(zhuǎn)向方式，例如側(cè)方位停車以及汽車的倒庫出庫等與汽車駕駛息息相關的駕駛動作。本文中，電子差速系統(tǒng)雖然在日常行駛過程中足以滿足正常的使用要求，但是仍然沒有進一步發(fā)揮輪轂電機技術的優(yōu)勢。所以本文在懸掛系統(tǒng)、底盤結(jié)16構(gòu)的選擇及設計上進行了一些調(diào)整與變更，即選用橫臂式獨立懸掛并為 4 個輪胎各配備一個氣壓缸使輪胎的擺動角度可以大大提高，即 0~120°之間。如下圖 2-10 所示，如果在汽車的電控系統(tǒng)中單獨為氣壓缸設定一個轉(zhuǎn)向模式，當駕駛者在需要進行側(cè)方位停車、汽車的倒庫出庫、原地轉(zhuǎn)向等駕駛動作時啟用，電控系統(tǒng)向氣壓缸傳遞電信號使活塞桿伸出所需長度使輪胎完成所需角度的旋轉(zhuǎn)，再通過四個輪轂電機的正反轉(zhuǎn)配合，可以很大程度上簡化了停車、轉(zhuǎn)向的程序并很大程度的節(jié)約了這些過程所用的時間。如果在電控系統(tǒng)中通過汽車前后雷達配以很多廠商結(jié)合自己車型所設計的自動泊車系統(tǒng)應用到使用輪轂電機技術的汽車上，無疑會為汽車帶來不一樣的操縱樂趣的同時大大降低停車過程中由于新手司機技術上的不足所引發(fā)的汽車之間的刮蹭事故。圖 2-9 汽車底盤懸掛 圖 2-10 汽車側(cè)位停車圖2.3 車輛的阻力2.3.1 滾動阻力如圖 2-11 所示，與其運動方向相反的車輛阻力包括輪胎滾動阻力、空氣阻力 Fw 以及爬坡阻力。17圖 2-11 作用于上坡行駛車輛上的力在硬地面上，輪胎的滾動阻力基本上起因于輪胎材料的滯變作用。圖 2-12 表明作用于停頓狀態(tài)輪胎上的力 P 通過其中心。這樣，在輪胎和地面之間接觸面上的壓力對稱于中心線分布，而所產(chǎn)生的反作用力 Pz 與 P 共線。在加載和卸載過程中，作為載荷 P 的函數(shù)的形變 z，如圖 2-12 所示。由于橡膠材料形變狀態(tài)下的滯變作用，對于相同的形變 z，處于加載情況下的載荷大于卸載時的在和（見圖 2-13） 。當輪胎滾動時，如圖 2-14a 所示，在接觸面的前半部分為加載，而后半部分為卸載。從而，滯變作用導致地面反作用力的不對稱分布，使接觸面前半部分的壓力大于后半部分的壓力（見圖 2-14a） 。這一現(xiàn)象的結(jié)果是地面反作用力向前偏移。該向前偏移的地面反作用力和作用于車輪中心、鉛錘方向的載荷產(chǎn)生了一個抵制車輪滾動的扭矩。在軟地面上，滾動阻力基本上起因于地面的變形，如圖 2-14b 所示。此時，地面反作用力幾乎完全地偏移至接觸面的前半部分。18圖 2-12 在接觸表面上的壓力分布 圖 2-13 在加載和卸載情況下作為輪胎形變函數(shù) 圖 2-14 輪胎的撓曲及其滾動阻力a）硬路面 b）軟路面由合成的地面反作用力向前偏移所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩被成為滾動阻力轉(zhuǎn)矩，即： arPT?為保持車輪轉(zhuǎn)動，作用于車輪中心的力 F 應與滾動阻力距相平衡，即此力應為：19rdPfarTF?其中，r d 為輪胎的有效半徑；f r=a/rd 稱為滾動阻力系數(shù)。這樣，滾動阻力距可通過作用于車輪中心且其指向與車輪運動方向相反的一個水平力予以等值替代。這一等值力被稱為滾動阻力，即： rrPfF?式中，P 為作用于滾動車輪中心的鉛錘方向的載荷。當車輛運行在有坡度的地面上時，鉛錘方向的載荷 P 應由與地面蒸餃的分量所替代，即： ?cosfrr其中，α 為地面的傾斜角。滾動阻力系數(shù) fr 是取決于輪胎材料、輪胎結(jié)構(gòu)、輪胎溫度、輪胎充氣壓力、外胎面的幾何形狀、路面粗糙度、路面材料和路面上有無液體的函數(shù)，它對應于各種不同特征路面的典型值列于表 2-1。由在混凝土路上，轎車的滾動阻力系數(shù)可用下列經(jīng)驗公式計算： 2.5s0r)1V(f??其中 V 為車速（km/h） ；f 0 和 fs 取決于輪胎的充氣壓力。車輛性能計算中，對混凝土路面行駛的轎車，可應用如下適合于最一般充氣壓力范圍的公式： )160V(.fr??20表 2-1 不同特征路面的典型值狀況 滾動阻力系數(shù)混凝土或瀝青路面上的汽車輪胎 0.013壓實的沙礫路面上的汽車輪胎 0.02瀝青碎石路 0.025未鋪路面 0.05田野 0.1~0.35混凝土或瀝青路面上的載貨汽車輪胎 0.006~0.01鐵軌上的車輪 0.001~0.0022.3.2 空氣阻力以特定速度運動的車輛將遇到阻礙其運動的空氣阻力的作用，即形狀阻力和外殼摩擦力。即形狀阻力，而空氣阻力的表達式為： 2wDfw)V(CA21F???式中，車速是 V，車輛迎風正面的面積 Af，車身形狀和空氣密度 的函?數(shù)，C D 是車身形狀特空氣阻力系數(shù)；V w 是車輛運動方向上的風速分量 [2]。2.4 本章小結(jié)本章的主要是介紹了一些關于汽車總體上根據(jù)本論文所面市場而選定的一些方案以及整體驅(qū)動的數(shù)據(jù)計算所依據(jù)的公式，為后續(xù)更詳盡的數(shù)據(jù)的計算展開鋪墊。并且在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的設計上為相對與傳統(tǒng)汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了一種新的思路。21第 3 章 方案分析3.1 無刷電機的特性分析3.1.1 永磁無刷直流電機驅(qū)動基本原理用詞無刷直流電動機驅(qū)動主要有無刷直流電動機、基于數(shù)字信號處理器（DSP）的控制器和基于電力電子的功率變換器所構(gòu)成。由位置檢測器檢測電動機轉(zhuǎn)子的位置。轉(zhuǎn)子的位置信息輸入到基于 DSP 的控制器，隨即由該控制器向功率變換器提供門控信號，從而導通和關斷特定的電動機定子磁極繞組。按這種方式，控制電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 [3]。 3.1.2 永磁體的材料性能目前用于電機的永磁體材料有三類：1）鋁鎳鈷（Al、Ni、Co、Fe） ；2）陶瓷（鐵氧體） ，例如鋇鐵氧體（BaOx6Fe 2O3）和鐵酸鍶（SrOx6Fe 2O3） ；3）稀土永磁材料，即釤鈷（SmCo）和釹鐵硼（NdFeB） 。1）鋁鎳鈷鋁鎳鈷的主要優(yōu)點是其高剩余磁通密度和低溫度系數(shù)。這種材料剩磁 Br的溫度系數(shù)為 0.02%/ ，且其最高工作溫度為 520 。這些優(yōu)點使很高的氣C? C?隙磁密，以及高運行溫度成為可能。遺憾的是，矯頑力很低，且其退磁曲線呈現(xiàn)高度的非線性。因此，鋁鎳鈷不僅易于磁化，而且也很容易退磁。鋁鎳鈷永磁體已用于額定功率為幾瓦到 150kW 范圍內(nèi)的電機。2）鐵氧體22鋇鐵氧體、鐵酸鍶與鋁鎳鈷相比鐵氧體具有較高的矯頑力，但同時剩磁較低。鐵氧體的溫度系數(shù)相對較高，即 Br 的溫度系數(shù)為 0.20%/ ，矯頑力 HcC?的溫度系數(shù)為 0.27%/ 。最高工作溫度為 400 。鐵氧體的主要優(yōu)點是低成C??本和高阻抗，這意味著永磁體內(nèi)無渦流損耗。3）稀土永磁體現(xiàn)今，釤鈷市一中廣泛接受的硬磁材料，它具有高剩磁、高矯頑力、高能量積、線性退磁曲線和低溫度系數(shù)的優(yōu)點。其溫度系數(shù)（0.03~0.045）%/ ，而 Hc 的溫度系數(shù)為（ 0.14~0.40）%/ 。最高工作溫度為C? C?250~300 。釤鈷非常適合做小體積的電機，從而電機具有高比功率和低轉(zhuǎn)動慣量。價格昂貴是釤鈷唯一的缺點。3.1.3 擴展轉(zhuǎn)速技術永磁無刷直流電動機由于其受到限制的弱磁能力，故其固有的恒功率范圍小。這起因于永磁體磁場的存在，該磁場只能通過與轉(zhuǎn)子磁場反向的定子磁場成分予以弱化。其轉(zhuǎn)速比 ?通常小于 2[5]。最近，已開發(fā)使用附加的勵磁繞組來擴展永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速范圍。該技術的關鍵是控制勵磁電流，使得由永磁體提供的氣隙磁場在高速恒功率運行期間可被弱化。由于永磁體和勵磁繞組的存在，這種電動機被稱作永磁混合式電動機。永磁混合式電動機可獲得的轉(zhuǎn)速比約為 4。永磁混合式電動機驅(qū)動的最佳效率圖如圖所示。但是，永磁混合式電動機具有結(jié)構(gòu)相對復雜的缺點，其轉(zhuǎn)速比仍不足以滿足車輛性能需求，特別是在越野汽車中，因此需要有多檔的傳動裝置。3.1.4 無檢測技術永磁無刷直流電動機驅(qū)動的運行主要依賴于位置檢測器 [6]，以獲得轉(zhuǎn)自位23置信息，從而恰當?shù)膱?zhí)行各相的導通或關斷。位置檢測器通常不是三維霍爾效應傳感器，就是光編碼器。這些位置檢測器都是高成本、易損的原件。因此，位置檢測器的存在不僅提高了電動機驅(qū)動的成本，而且嚴重地降低了系統(tǒng)的可靠性，并限制了其在某些環(huán)境中的應用，如軍用。如果位置檢測器失效，則無位置檢測器技術可有效的繼續(xù)系統(tǒng)的運行。已有幾種無檢測器技術被開發(fā)，這些技術的大多數(shù)都是以電壓、電流和反電動勢的檢測為基礎的，主要分為四類：1）使用所檢測的電流、電壓、電機的基本方程和代數(shù)計算的一類；2）使用觀測器的一類；3）使用反電動勢法的一類；4）與前三類不同，采用新技術的一類。3.2 輪轂電機制動的比較與選擇3.2.1 鼓式制動鼓式制動器也叫塊式制動器（如圖 3-1） ，是靠制動塊在制動輪上壓緊來實現(xiàn)剎車的。鼓式制動是早期設計的制動系統(tǒng)，其剎車鼓的設計 1902 年就已經(jīng)使用在馬車上了，直到 1920 年左右才開始在汽車工業(yè)廣泛應用。鼓式制動器的主流是內(nèi)張式，它的制動塊(剎車蹄)位于制動輪內(nèi)側(cè)，在剎車的時候制動塊向外張開，摩擦制動輪的內(nèi)側(cè)，達到剎車的目的 [7]。近三十年中，鼓式制動器在轎車領域上已經(jīng)逐步退出讓位給盤式制動器。但由于成本比較低，仍然在一些經(jīng)濟類轎車中使用，主要用于制動負荷比較小的后輪和駐車制動。優(yōu)點：鼓式制動器造價便宜，而且符合傳統(tǒng)設計。 四輪轎車在制動過程中，由于慣性的作用，前輪的負荷通常占汽車全部負荷的 70%-80%，前輪制動力要24比后輪大，后輪起輔助制動作用，因此轎車生產(chǎn)廠家為了節(jié)省成本，就采用前盤后鼓的制動方式。不過對于重型車來說，由于車速一般不是很高，剎車蹄的耐用程度也比盤式制動器高，因此許多重型車至今仍使用四輪鼓式的設計。缺點：鼓式制動器的制動效能和散熱性都要差許多，鼓式制動器的制動力穩(wěn)定性差，在不同路面上制動力變化很大，不易于掌控。而由于散熱性能差，在制動過程中會聚集大量的熱量。制動塊和輪鼓在高溫影響下較易發(fā)生極為復雜的變形，容易產(chǎn)生制動衰退和振抖現(xiàn)象，引起制動效率下降。另外，鼓式制動器在使用一段時間后，要定期調(diào)校剎車蹄的空隙，甚至要把整個剎車鼓拆出清理累積在內(nèi)的剎車粉。圖 3-1 鼓式制動器3.2.2 浮鉗式制動盤式制動器有液壓型的（如圖 3-2） ，由液壓控制，主要零部件有制動盤、分泵、制動鉗、油管等。盤式制動器散熱快、重量輕、構(gòu)造簡單、調(diào)整方便。特別是高負載時耐高溫性能好，制動效果穩(wěn)定，而且不怕泥水侵襲，在冬季和惡劣路況下行車，很多轎車采用的盤式制動器有平面式制動盤、打孔式制動盤以及劃線式制動盤，其中劃線式制動盤的制動效果和通風散熱能力均比較好。盤式制動器沿制動盤向施力，制動軸不受彎矩，徑向尺寸小 [8]。