新型電動(dòng)自行車及動(dòng)力反饋制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 新型電動(dòng)自行車及動(dòng)力反饋制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) new electrick bicycle brake system and power feedback 學(xué)生姓名 學(xué)院名稱 專業(yè)名稱 指導(dǎo)教師 20*年 5 月27 日 摘要 20 世紀(jì)汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，資源無節(jié)制消耗，污染物的過量排放，還有受油價(jià)上漲 和環(huán)保意識(shí)等因素的影響，電動(dòng)自行車已成為大部分人的選擇。但是，電動(dòng)自行車的動(dòng) 力性能由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)決定且續(xù)駛里程（即能量供給）受限于蓄電池的存儲(chǔ)電量，為提高動(dòng) 力性能和續(xù)航里程，須對(duì)電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性及能量回收控制策略進(jìn)行分析研究。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) ii 本文研究了電

2、動(dòng)自行車在制動(dòng)過程中的能量回饋，設(shè)計(jì)了永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在電 動(dòng)自行車制動(dòng)過程中的能量再生反饋控制系統(tǒng)。從理論上分析了永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)利 用位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法,并對(duì)換相過程做較詳細(xì)的介紹。 本文首先系統(tǒng)的對(duì)電動(dòng)自行車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析，分別對(duì)電動(dòng)自行車的運(yùn)行阻 力、慣性力、再生制動(dòng)力以及所需要的牽引力進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)所需要的牽引力，在本 設(shè)計(jì)中也對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)和電池進(jìn)行了選型計(jì)算。再其次，本文對(duì)電動(dòng)自行車的能量 反饋控制方案進(jìn)行了研究，內(nèi)容包括輪轂電機(jī)的調(diào)速、電動(dòng)車再生制動(dòng)的控制。本文著 重研究并設(shè)計(jì)了永磁無刷直流輪轂電機(jī)的能量的回收。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車；動(dòng)力性能；再生

3、制動(dòng)；電機(jī)控制；永磁無刷直流輪轂電機(jī) 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) iii abstract automobile industries have development of high speed in 20 century. however, dynamical performances of electric vehicle are decided by drive systems and extension of driving range(energy supply) restricts development, prevalence and is limit to electri

4、city capacity of storage battery. in order to improve dynamical performances and extension of driving range, we must analyze and research traits of drive motor and control tactic of energy recycle in electric vehicle. in this paper, the electric bike in the braking energy in the process of feedback,

5、 the design of the permanent magnet brushless dc motor in the electric bicycle brake renewable energy in the process of feedback control system. in theory analysis of the use of permanent magnet brushless dc motor position rotor position sensor detection method, and for the process of doing a more d

6、etailed briefing. firstly, the paper analyzes the composing of in-wheel motor in detail. secondly, its subsystem of carried on analysis to the movement appearance of the dynamoelectric bicycle, to the movement resistance, inertial dint, braking force and need of led dint to carry on a calculation. a

7、ccording to need of lead dint, in this design also to do pmbldcm and battery to carry on to choose a calculation. thirdly, the paper presents research work on eb energy feedback control strategy, which involves in-wheel motor pwm modulation, the regenerative braking of eb close-loop control. the dua

8、l polar driving method for permanent magnet brushless dc in-wheel motor is emphasized. keywords permanent magnet brushless dc motor (pmbldcm) energy feedback motor control regenerative braking permanent magnet brushless dc 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 目 錄 摘要.i abstract.ii 1 緒論.1 1.1 課題來源，目的，意義與該課題的市場(chǎng)前景.1 1.2 有關(guān)電

9、動(dòng)自行車的概念.1 1.2.1 什么是電動(dòng)自行車.1 1.2.2 電動(dòng)自行車的種類.1 1.2.3 電機(jī).2 1.2.4 電池.2 1.2.5 控制器.3 1.3 電動(dòng)自行車整車參數(shù)的設(shè)計(jì).3 1.4 設(shè)計(jì)任務(wù).3 1.5 研究意義.4 2 電動(dòng)自行車動(dòng)力性能分析.5 2.1 電動(dòng)車運(yùn)行方程.5 2.2 電動(dòng)自行車的行駛力學(xué).6 2.2.1 車輛模型.6 2.2.2 電動(dòng)車阻力計(jì)算.7 2.2.3 空氣阻力.8 2.2.4 電動(dòng)車慣性力的計(jì)算.8 2.2.5 電動(dòng)車的牽引力計(jì)算.9 2.3 電動(dòng)自行車的動(dòng)力性能.10 2.3.1 自行車基本參數(shù)介紹.11 2.4 制動(dòng)系統(tǒng).11 2.4.1 電

10、動(dòng)自行車剎車分類.11 2.4.2 制動(dòng)力的分析與求解.11 2.4.3 手動(dòng)制動(dòng)器的設(shè)計(jì).12 2.5 蓄電池的種類和結(jié)構(gòu).14 2.6 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì).15 2.6.1 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)兩輪電動(dòng)車性能的影響.15 2.6.2 電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成.16 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) ii 2.6.3 無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).16 3 電動(dòng)自行車的運(yùn)行控制.18 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇.18 3.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn).18 3.1.2 電動(dòng)機(jī)容量選擇的原則.19 3.1.3 電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與冷卻.19 3.1.4 選擇步驟：.20 3.1.5 無刷直流電動(dòng)輪轂的選型計(jì)算.20 3.1.6

11、電動(dòng)自行車的續(xù)行距離.21 3.2 無刷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng).22 3.2.1 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性.22 3.2.2 脈寬調(diào)制（pwm）.23 3.2.3 傳感器.23 3.3 電動(dòng)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).24 3.3.1 控制系統(tǒng)的組成.24 3.3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.24 4 電動(dòng)自行車的能量回收.28 4.1 制動(dòng)模式與能量的分析.28 4.2 能量回饋的控制策略.29 4.3 電動(dòng)自行車能量的消耗評(píng)價(jià)方法.29 4.3.1 能量流分配關(guān)系及能量測(cè)量.30 4.3.2 能耗影響因素分析.30 4.4 制動(dòng)效能及制動(dòng)能量回收的約束條件.30 4.4.1 自行車的制動(dòng)效能.30 4.5 制動(dòng)能

12、量回收控制算法.31 4.5.1 制動(dòng)能量回收的約束條件.31 4.6 永磁無刷直流電機(jī)相關(guān)性能及其能量回饋制動(dòng)原理.32 4.6.1 永磁無刷直流電機(jī)及其基本工作原理.32 4.6.2 直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式.33 4.6.3 永磁無刷直流電機(jī)能量回饋制動(dòng)原理.35 結(jié)論.39 致謝.40 參考文獻(xiàn).41 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) iii 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 1 1 緒論 1.1 課題來源，目的，意義與該課題的市場(chǎng)前景 當(dāng)今時(shí)代，電動(dòng)自行車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚拇焦ぞ?，改變了人們?生活方式提高了人們的生活質(zhì)量。自上世紀(jì)以來，汽車工業(yè)的發(fā)展就開始面臨兩大難以 回避的

13、挑戰(zhàn)：能源短缺與環(huán)境保護(hù)。根據(jù)目前世界石油總儲(chǔ)量和年產(chǎn)量計(jì)算，石油資源 最多再能支持三四十年的工業(yè)消費(fèi)，再加上政治、局部戰(zhàn)爭等不穩(wěn)定因素對(duì)能源安全的 影響，汽車的燃料供應(yīng)存在著潛在的隱患。此外汽車廢氣造成的大氣污染日益嚴(yán)重。針 對(duì)上述問題，現(xiàn)在電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車已經(jīng)進(jìn)入中國市場(chǎng)。 該課題的目的是通過對(duì)電動(dòng)自行車制動(dòng)能量的回收過程進(jìn)行分析和研究，為提高制 動(dòng)能量回收能力提出解決方案。 該課題的意義：首先本設(shè)計(jì)的課題使我們對(duì)電動(dòng)自行車有了進(jìn)一步的了解，對(duì)制動(dòng) 能量再生有了新的認(rèn)識(shí)，所謂制動(dòng)能量再生，是指電動(dòng)自行車減速制動(dòng)時(shí)將其中一部分 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量這里是電能，并且將其充進(jìn)電池。制動(dòng)

14、能量再生方法原理 是先將電動(dòng)自行車制動(dòng)或減速時(shí)的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在電池中，同時(shí)產(chǎn)生一 定的負(fù)荷阻力使電動(dòng)自行車速度降低；當(dāng)電動(dòng)車再次起動(dòng)或加速時(shí)再生系統(tǒng)又將存儲(chǔ)的 能量再次轉(zhuǎn)化為電動(dòng)自行車行駛時(shí)所需要的動(dòng)能。這樣就可以提高一次充電的續(xù)行距離， 避免了不必要的能量損失。 1.2 有關(guān)電動(dòng)自行車的概念 1.2.1 什么是電動(dòng)自行車 電動(dòng)自行車是以電池作為輔助能源，具有兩個(gè)車輪，能實(shí)現(xiàn)人力騎行、電動(dòng)或電助 動(dòng)功能的特種自行車。它雖然具有普通自行車的外表特征，但更主要的是，它是在普通 自行車的基礎(chǔ)上，安裝電動(dòng)機(jī)、控制器、電池、轉(zhuǎn)把、閘把等操縱部件和顯示儀表系統(tǒng) 的、機(jī)電一體化的個(gè)人交通工具。

15、 1.2.2 電動(dòng)自行車的種類 電動(dòng)自行車以其驅(qū)動(dòng)力性質(zhì)、整車結(jié)構(gòu)及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分成以下三 種類型： 按驅(qū)動(dòng)力性質(zhì)分：有電動(dòng)型和助力型兩種。 按整車結(jié)構(gòu)分：有兩輪、三輪、電動(dòng)輪椅三種。 按電動(dòng)機(jī)形式及驅(qū)動(dòng)方式分：有直驅(qū)車輪的輪轂式直流電動(dòng)機(jī)、中軸鏈?zhǔn)津?qū)動(dòng)的柱 式直流電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)箱式驅(qū)動(dòng)的柱式和盤式直流電動(dòng)機(jī)。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 2 1.2.3 電機(jī) 由于電動(dòng)自行車要求的功率較小，所帶有的能源有限，故希望電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體 積小、功率高，而其中以直流電機(jī)最為合適。目前，電動(dòng)自行車所使用的電機(jī)大多數(shù)為 有刷直流電動(dòng)機(jī)，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步與電子元件成本的不斷下降，無刷直流

16、電機(jī)將成 為今后電動(dòng)自行車的發(fā)展主流。 1、有刷直流電機(jī) 電動(dòng)自行車上使用的有刷直流電機(jī)主要有兩種：一是印制繞組電機(jī)，二是繞線盤式 電機(jī)。前者的應(yīng)用較后者多一點(diǎn)。有刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是控制系統(tǒng)簡單，成本較低，過 載能力強(qiáng)，但需要換向器（整流子） ，影響電機(jī)的效率。 有刷直流電機(jī)又可以分為有齒和無齒兩種。有刷有齒電機(jī)是一種高速電機(jī)，所謂 “有齒”就是通過齒輪減速機(jī)構(gòu)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速降低（國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電動(dòng)自行車的轉(zhuǎn)速不 超過 20） 。由于高速電機(jī)通過齒輪減速，其特點(diǎn)是騎車者的感覺動(dòng)力較強(qiáng)，而且爬hkm/ 坡的能力較強(qiáng)。但是電動(dòng)輪轂是封閉的，只是在出廠前加注了潤滑脂，用戶很難進(jìn)行日 常保養(yǎng)。而且齒輪本身

17、就有機(jī)械磨損，一年左右因?yàn)闈櫥蛔銓?dǎo)致齒輪磨損加劇，噪音 增大，影響電機(jī)和電池的壽命。另一種是有刷無齒電機(jī)，這是一種外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)，沒 有齒輪減速機(jī)構(gòu)，直接采用低速輸出，消除了齒輪噪音，其電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較有刷有齒電 機(jī)要小，故動(dòng)力性能和爬坡性能相對(duì)要弱一些。但運(yùn)行安全，電刷磨損小、噪音小這是 他的優(yōu)點(diǎn)。 2、無刷直流電機(jī) 無刷直流電機(jī)由于沒有電刷，不需要齒輪減速，從根本上消除了電刷磨損和齒輪磨 損，不存在定期更換電刷，而且噪音很小。因此，他無干擾、壽命長、效率高、運(yùn)行可 靠、維護(hù)簡單，且轉(zhuǎn)速由于不受機(jī)械換向的限制，可在寬廣的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，與有刷 直流電機(jī)相比成本低，但是控制系統(tǒng)復(fù)雜成本高。 無

18、刷直流電機(jī)就起結(jié)構(gòu)而言，是由電動(dòng)機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置傳感器以及電子電路換向組 成。電動(dòng)自行車上采用的是無刷電動(dòng)輪轂電動(dòng)機(jī)一般制成多相，如采用三相，它的電樞 放在定子上，永磁磁極位于轉(zhuǎn)子上。反映電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)，通過定子 換向電路去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組聯(lián)接的相應(yīng)的功率器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子 上產(chǎn)生一個(gè)跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)，位置傳感器通 過電子換向線路不斷的送出信號(hào)，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，保證在一定的范圍內(nèi)定 子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)成正交關(guān)系，保持轉(zhuǎn)矩連續(xù)不斷的產(chǎn)生，輸出機(jī)械功率，從而實(shí)現(xiàn)了 無接觸式電磁換向。 我國電動(dòng)自行車用無刷直流電機(jī)的研制和生產(chǎn)

19、廠家有上海微電機(jī)研究所、浙江臥龍 集團(tuán)等。今后二合一輪轂式無刷直流電機(jī)和無位置傳感器無刷直流電機(jī)是電動(dòng)自行車車 用電機(jī)的發(fā)展方向。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 3 1.2.4 電池 電池是電動(dòng)車的動(dòng)力源，電池質(zhì)量直接影響電動(dòng)自行車的行駛里程和壽命。目前電 池選用的是鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等。 鎳鎘電池屬堿性電池，我國產(chǎn)量較大，主要生產(chǎn)廠家有深圳比迪亞有限公司和上海 電池廠等。鎳鎘電池可以快速充電，其過充、過放電性能均好，循環(huán)壽命較長，達(dá) 2000 次。但它的價(jià)格是鉛酸電池的 4.5 倍，而且舊電池得不到很好的回收，會(huì)因重金屬鎘造成 嚴(yán)重的污染。常用的是 24v 5ah，重量，一次充電

20、續(xù)行里程，按標(biāo)準(zhǔn)的 80%kg2 . 3km16 放電，壽命約 500 次。 1.2.5 控制器 控制器是電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是電動(dòng)自行車的大腦。其主要的作用是提高電 機(jī)和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護(hù)電機(jī)及蓄電池以及降低電動(dòng)自行車在受到破壞時(shí)的 損傷程度。 電動(dòng)自行車常用的無刷直流電機(jī)的控制器的目的是有兩種類型：一是采用專用集成 電路制作的控制器；另一種是采用單片機(jī)為控制器件的控制器。前者針對(duì)無刷電機(jī)的控 制要求，將控制邏輯集成在芯片內(nèi)，一般該類控制器稱為模擬控制器；后者采用單片機(jī)， 用編程的方法來模擬無刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過修改程序可以適應(yīng) 不同規(guī)格的無刷電動(dòng)機(jī)，增加功

21、能方便，如果電機(jī)缺相保護(hù)，堵轉(zhuǎn)保護(hù)，添加力矩傳感 器，可以根據(jù)不同的電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以達(dá)到良好的匹配等，通常將此類控制器稱為 數(shù)字式控制器。但無論是數(shù)字式還是模擬式控制器，其工作原理大致相同；用電子控制 代替電刷控制線圈電流換向，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器信號(hào)，決定換向的順序和時(shí)間， 從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 1.3 電動(dòng)自行車整車參數(shù)的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)前先將文章中計(jì)算需要的數(shù)據(jù)假定如下： 整車質(zhì)量（） 50 2 mkg 重力加速度（） 10g 2 /m s 滾動(dòng)阻力系數(shù)（） u0.02 人重（） 70 1 mkg 車輪直徑（） 400dmm 后軸轉(zhuǎn)子直徑（） 10dmm 1.4 設(shè)計(jì)任務(wù) 對(duì)電動(dòng)

22、自行車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析，分別對(duì)電動(dòng)自行車的運(yùn)行阻力、慣性力、再 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 4 生制動(dòng)力以及所需要的牽引力進(jìn)行計(jì)算。 利用現(xiàn)代電子技術(shù)及電動(dòng)機(jī)發(fā)電反饋制動(dòng)理論，設(shè)計(jì)一套能夠在電氣制動(dòng)的同時(shí)， 發(fā)電給電瓶充電的發(fā)電反饋制動(dòng)系統(tǒng)。 利用該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)將自行車及人體的動(dòng)能通過電動(dòng)機(jī)的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電能， 并經(jīng)過相應(yīng)的處理和控制電路，達(dá)到給電瓶充電和自行車減速的雙重目的。 完成發(fā)電反饋制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械連動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電反饋制動(dòng)電控系統(tǒng)、發(fā)電反饋回路的設(shè) 計(jì)、電動(dòng)機(jī)選型。 1.5 研究意義 首先本設(shè)計(jì)的課題使我們對(duì)電動(dòng)自行車有了進(jìn)一步的了解，對(duì)制動(dòng)能量再生有了新 的認(rèn)識(shí)，所謂制動(dòng)能量

23、再生，是指電動(dòng)自行車減速制動(dòng)時(shí)將其中一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其 他形式的能量這里是電能，并且將其充進(jìn)電池。制動(dòng)能量再生方法原理是先將電動(dòng)自行 車制動(dòng)或減速時(shí)的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在電池中，同時(shí)產(chǎn)生一定的負(fù)荷阻力使 電動(dòng)自行車速度降低；當(dāng)電動(dòng)車再次起動(dòng)或加速時(shí)再生系統(tǒng)又將存儲(chǔ)的能量再次轉(zhuǎn)化為 電動(dòng)自行車行駛時(shí)所需要的動(dòng)能。這樣就可以提高一次充電的續(xù)行距離，避免了不必要 的能量損失。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 5 2 電動(dòng)自行車動(dòng)力性能分析 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池、控制器、電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪等組成。電動(dòng)自行車的動(dòng)力性評(píng) 價(jià)指標(biāo)有最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度。然而，電動(dòng)機(jī)的最大功率與額定功率下觀

24、察甚多，而最大功率工況不能長時(shí)間運(yùn)行，因此必須用電動(dòng)機(jī)的額定工況計(jì)算電動(dòng)自行 車的最大爬坡度和最高車速。電動(dòng)自行車的加速過程和起步時(shí)間較短，理論上可以用電 動(dòng)機(jī)的外特性進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。下面從自行車直線行駛動(dòng)理學(xué)模型來進(jìn)行分析。 2.1 電動(dòng)車運(yùn)行方程 電動(dòng)自行車在路面上運(yùn)行，有各種不同方向和不同大小的作用力作用在電動(dòng)自行車 上，電動(dòng)自行車牽引學(xué)主要研究對(duì)自行車運(yùn)行有直接影響的力，也就是與電動(dòng)自行車方 向相平行的外力及外力的分力，這些力可以分為三種： 電動(dòng)自行車的牽引力它是由電力機(jī)車的牽引電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的，并通過動(dòng)輪與路面f 的相互作用力而引起的外力。它與電動(dòng)自行車的運(yùn)動(dòng)方向相同，其大小由開車的人決

25、定。 電動(dòng)自行車運(yùn)行阻力它是由電動(dòng)自行車運(yùn)行時(shí)由多種原因引起的阻止電動(dòng)車運(yùn)行w 的外力，其大小是不可以控制的。 電動(dòng)自行車的制動(dòng)力它是由機(jī)車和車輛上的制動(dòng)裝置所產(chǎn)生的，并通過輪與鋼軌b 的相互作用而引起的外力，用來使電動(dòng)自行車減速或停車。它與電動(dòng)自行車的運(yùn)行方向 相反。 這三種力以不同的方式形成作用于電動(dòng)自行車上形成的合力：c 牽引運(yùn)行時(shí)：合力；wfc 慣性運(yùn)行時(shí)：合力；wc 制動(dòng)時(shí)：合力。)(bwc 電動(dòng)車運(yùn)行方程是把電動(dòng)車當(dāng)作一個(gè)平移的鋼體，表示電動(dòng)車在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)， 作用在電動(dòng)車上諸力的關(guān)系式。在工程上用它計(jì)算電動(dòng)車運(yùn)行時(shí)所需要的制動(dòng)力、慣性 力。 電動(dòng)車在運(yùn)行時(shí)狀態(tài)有三種： 牽引狀態(tài)

26、，電動(dòng)車在電動(dòng)機(jī)的牽引力作用下，起動(dòng)，加速或等速運(yùn)行； 慣性運(yùn)行，電動(dòng)車在運(yùn)行中牽引電動(dòng)機(jī)斷電后靠慣性運(yùn)行； 制動(dòng)運(yùn)行，電動(dòng)車在運(yùn)行中切斷牽引電動(dòng)機(jī)的電源，并且施加機(jī)械或電氣的制動(dòng)力， 減速運(yùn)行。 電動(dòng)車在牽引等速狀態(tài)下，沿運(yùn)行方向作用在電動(dòng)車上的力有牽引力、靜阻力f 和慣性力。根據(jù)靜法原理，可列出如下方程 0 f a w 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 6 式(2.1) 0 0 a ffw 這就是牽引等速運(yùn)行狀態(tài)下的基本方程。 2.2 電動(dòng)自行車的行駛力學(xué) 2.2.1 車輛模型 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出特性與車子的動(dòng)力性能直接相關(guān)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出更該滿 足車子的動(dòng)力性能要求。在設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車驅(qū)

27、動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，為了使電動(dòng)自行車達(dá)到要求的 動(dòng)力性能指標(biāo)，首先必須建立電動(dòng)自行車的力學(xué)模型，對(duì)電動(dòng)自行車行駛過程中力與功 率的平衡進(jìn)行分析，以得到電動(dòng)自行車的需求特性。電動(dòng)自行車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要是 由能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括蓄電池和能量管理系統(tǒng)，動(dòng)力 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。 電動(dòng)自行車在行駛過程中，由動(dòng)力蓄電池輸出電能給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)輸出功率，用 于克服電動(dòng)自行車本身機(jī)械裝置中的內(nèi)部阻力以及行駛條件決定的外部阻力消耗的功率， 外部阻力即電動(dòng)自行車的行駛阻力。從分析電動(dòng)汽車行駛時(shí)的受力狀況出發(fā)，建立直線 行駛方程式，是分析電動(dòng)自行車直線行駛性能的基礎(chǔ)。 圖 2

28、-1 車輪行駛時(shí)的受力分析 電動(dòng)自行車運(yùn)行時(shí)的阻力系數(shù)為： 式(2.2) f d ku d 式中： 車輪與地面之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取 0.02； f k f k 車輪直徑，;dmm 軸承的直徑，；dmm 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 7 軸承的摩擦系數(shù)，取 0.002；u 所以阻力系數(shù)： 0205 . 0 400 10 002 . 0 02 . 0 需要說明的是車輪與地面之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)是隨著路面狀況的不同，其數(shù)值也 f k 在不斷改變。參考文獻(xiàn)27給出正常行駛的不同路段的滾動(dòng)摩擦系數(shù)表 2-1。 表 2-1 不同路面的滾動(dòng)摩擦系數(shù) 路面特征 f k 全新堅(jiān)硬的柏油、混泥土、小方石塊路面

29、0.01-0.02 經(jīng)壓軋的坑洼波動(dòng)的碎石路，混泥土路面 0.02-0.03 壓壞的柏油路面 0.03-0.04 良好路面 0.045 一般的土路 0.05-0.15 松沙路面 0.15-0.3 2.2.2 電動(dòng)車阻力計(jì)算 電動(dòng)自行車的靜阻力主要是基本阻力和坡道阻力，空氣阻力因車速不高，計(jì)算時(shí)可 以不予考慮。 基本阻力是電動(dòng)車經(jīng)常受的阻力?；咀枇τ米枇ο禂?shù)求得，電動(dòng)車的基本阻力用 下式計(jì)算： 式（2.3）gmmmgf)( 211 式中 人的質(zhì)量，=70； 1 m 1 mkg 電動(dòng)自行車空載時(shí)的質(zhì)量，=50。 2 m 2 mkg 所以基本阻力為： nf06.2402005 . 0 10)705

30、0( 1 坡道阻力是電動(dòng)自行車載坡道上運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)車的重力沿坡道傾斜方向的分力。設(shè) 為坡道的傾斜角，這時(shí)坡道的阻力為： 2 f 式（2.4）sin)( 212 gmmf 式中的“”符號(hào)表示：上坡運(yùn)行時(shí)取“+” ，下坡運(yùn)行時(shí)取“-” 所以電動(dòng)自行車的靜阻力為： 式（2.5） 01212 () (sin)fffmm g 若電動(dòng)自行車在水平地面上行駛時(shí)電動(dòng)車的靜阻力為： 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 8 nf06.24)002005 . 0 (10)7050( 0 2.2.3 空氣阻力 車子向前進(jìn)，必須借助一定的力量。騎車人每踏蹬的力量叫前進(jìn)力，也叫向前推力。 前進(jìn)力與用力、傳動(dòng)比、曲柄(即中軸到

31、腳蹬的連桿)長以 y 代表前進(jìn)力，q 代表踏蹬力 量，i 代表曲柄長度，d 代表傳動(dòng)比，它們之間的關(guān)系用公式表示則為： 式（2.6）dqy/ 前進(jìn)力與踏蹬力量，曲柄長度成正比，與傳動(dòng)系數(shù)則成反比。 人們騎著自行車前進(jìn)時(shí)，即使在無風(fēng)天也會(huì)感到有風(fēng)從耳邊飛過，速度越快人感覺 到的風(fēng)力越大，阻礙前進(jìn)的效果越明顯。因?yàn)槿藗儾皇窃谡婵罩序T車，而是四周始終被 空氣包圍著。從物理學(xué)觀點(diǎn)來講：人騎車行進(jìn)時(shí)，人和車給前方空氣以擠壓力，而空氣 給人和車以反作用力，即空氣阻力。經(jīng)過測(cè)量，風(fēng)速在 40 公里每小時(shí)的情況下，垂直于 風(fēng)向每平方米面積受到的壓力為 11 公斤。不論風(fēng)速 40 公里每小時(shí)或是每小時(shí) 40 公

32、里的 速度騎行時(shí)，它們垂直于風(fēng)向的每平方米面積上所受到的空氣壓力都是 11 公斤。 人們騎車前進(jìn)時(shí)，必須突破空氣阻力，這就需要力量。不同風(fēng)級(jí)所產(chǎn)生的風(fēng)速和垂 直風(fēng)向每平方米所受到的壓力均不相同，只有克服這些因素，車子才能向前行駛。 2.2.4 電動(dòng)車慣性力的計(jì)算 電動(dòng)車的慣性力除了平移之外，還有車輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子等螺旋部件的旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn) 慣性矩。為了簡化計(jì)算，將這些旋轉(zhuǎn)慣性矩折算成平移移動(dòng)的慣性力。這樣電動(dòng)自行車 慣性力即為： 式 121212 ()()(1)() a wmm amm amm a （2.7） 電動(dòng)自行車的慣性力，； a wn 旋轉(zhuǎn)慣性系數(shù)，參照礦用機(jī)車的數(shù)據(jù)，電動(dòng)自行車取 0.0

33、75； 電動(dòng)自行車的加速度，啟動(dòng)時(shí)的加速度取 0.03-0.05。a 2 /m s 將值代入式（2.6）得： 式（2.8 12 1.075() a wmm a ） 將式(2.5)、式(2.7)帶入式（2.1）整理后得到電動(dòng)自行車牽引運(yùn)行時(shí)需要機(jī)車給出的 牽引力為： 式 12 () (sin0.1075 )fmm ga 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 9 （2.9） 將數(shù)據(jù)帶入得： nf05.31)05 . 0 1075 . 0 0205 . 0 (10)7050( 電動(dòng)車在慣性運(yùn)行的狀態(tài)下牽引電動(dòng)機(jī)斷電，牽引力消失。電動(dòng)自行車依靠已具有 的能量克服阻力繼續(xù)運(yùn)行，如果軌道坡度不大，電動(dòng)自行車是減

34、速運(yùn)行的，在這種情況 下，沿運(yùn)行方向作用在電動(dòng)自行車的力只有靜阻力和慣性力。令式(2.1)中的等于 f a w f 零，可得到慣性運(yùn)行狀態(tài)下的基本方程為： 式（2.100 a fw ） 將式（2.5） 、式（2.7）帶入式（2.9） ，可以得到慣性運(yùn)行時(shí)列車的加速度的表達(dá)式： 式 1 (sin) 1.075 ag w （2.11） 由上式可以看出，電動(dòng)自行車上坡或沿水平運(yùn)行時(shí)，及下坡時(shí)，電sin0a 動(dòng)自行車減速運(yùn)行；只有在下坡運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)自行車是加速運(yùn)行的。sin 2.2.5 電動(dòng)車的牽引力計(jì)算 現(xiàn)在分析牽引電動(dòng)機(jī)給出的轉(zhuǎn)矩怎樣轉(zhuǎn)化成自行車的牽引力，牽引力與哪些因素有 關(guān)。 電動(dòng)自行車的后輪

35、，是牽引電動(dòng)機(jī)的主動(dòng)輪。設(shè)電動(dòng)自行車的質(zhì)量為，作用在該 2 m 輪對(duì)上的力見圖 2-2。為牽引電動(dòng)機(jī)傳遞到該輪上的轉(zhuǎn)矩；為運(yùn)行阻力，為地面 mf 0 n 的支持力。將轉(zhuǎn)矩用一個(gè)作用在輪軌接觸點(diǎn)和輪心的等效力偶代替，則力偶的大小 m 為： 11 f 式 11 2m f d （2.12） 當(dāng)輪胎接觸點(diǎn)處的時(shí)，摩擦與力偶力總是大小相等方向相反，車輪在 maxf ff f f 11 f c 點(diǎn)處無滑移，在輪心處的作用下，車輪以 c 點(diǎn)為瞬心，向前滾動(dòng)前進(jìn)。輪心處 11力， ff 即為一個(gè)輪上的牽引力，與阻力平衡。 11 ff 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 10 圖 2-2 電動(dòng)自行車牽引力分析 若時(shí)

36、，車輪在 c 點(diǎn)受力不平衡，車輪將克服路面的摩擦阻力空轉(zhuǎn)而不前進(jìn)。 maxf ff 實(shí)際上，由于車輪的圓度誤差不均與磨損以及軌面狀況等因素的影響，車輪在 c 點(diǎn) 處不可能保持理想的無滑動(dòng)滾動(dòng)、免不了有滑移。為考慮這一因素影響，將摩擦系數(shù)值 取低一點(diǎn)。理論上把這個(gè)系數(shù)稱為粘著系數(shù)；車輪與路面之間的摩擦力相應(yīng)得稱為粘著 力；這種牽引方式稱為粘著牽引。 表 2-2 不同路面狀況的粘著系數(shù) 路面特征粘著系數(shù) 全新堅(jiān)硬的柏油、混泥土（干） 0.015 柏油路面（濕） 0.01 混泥土路面（濕） 0.009 泥土路面（干） 0.045 泥土路面（濕） 0.1 松沙路面 0.1 冰面 0.001 影響粘著系

37、數(shù)的因素很多，其中主要有： 1、車輪與路面的狀態(tài) 帶有花紋的輪面或干燥的路面，粘著系數(shù)較大，路面潮濕， 有冰、血、霜或油垢的路面粘著系數(shù)較小。 2、運(yùn)行速度的高低 隨著運(yùn)行速度增加,加劇了車輪與路面的縱向和橫向的滑動(dòng)及機(jī) 車振動(dòng)，粘著系數(shù)減小。 3、電動(dòng)自行車特性的差異，車輪直徑的大小不同，各車輪間的負(fù)載分布不均、電動(dòng) 機(jī)的分布等都對(duì)粘著系數(shù)有影響。參考文獻(xiàn)27得到表 2-2。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 11 2.3 電動(dòng)自行車的動(dòng)力性能 電動(dòng)自行車因?yàn)橐孕铍姵卮鎯?chǔ)的電能為能量來源，所以衡量電動(dòng)自行車性能的一項(xiàng) 重要指標(biāo)是最大續(xù)駛里程，而且，電動(dòng)自行車采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其輸出特性和一

38、 般自行車也不相同。 電動(dòng)自行車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將蓄電池輸出的電能轉(zhuǎn)化為車輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，從而驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)自行車運(yùn)行。它決定了電動(dòng)自行車的動(dòng)力性能，它的能量轉(zhuǎn)化效率也直接影響到電 動(dòng)自行車的最大行駛里程。由此可見，研究電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)提高電動(dòng)自行車性能 具有重要意義。 另外，電動(dòng)自行車因?yàn)椴捎秒姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以利用電動(dòng)機(jī)的逆向工作性能，制動(dòng) 時(shí)的能量進(jìn)行回饋，增強(qiáng)其制動(dòng)性能。 電動(dòng)自行車的動(dòng)力性能值是自行車在良好路面上直線行駛時(shí)由自行車受到的縱向外 力決定的，所能達(dá)到的平均行駛速度29。下面介紹自行車的主要?jiǎng)恿π阅苤笜?biāo)：最高車 速、加速時(shí)間、最大爬坡度。 自行車的最高車速：在水平良好的路面上，自

39、行車所能達(dá)到的最高行駛車速。 自行車的加速時(shí)間：常用原地起步加速時(shí)間與超車加速時(shí)間來表明自行車的加速能 力。原地起步加速時(shí)間是指汽車由低檔起步，并以最大的加速度逐步換至最高檔后到預(yù) 定的距離或預(yù)定速度所需的時(shí)間。超車加速時(shí)間，是指用最高檔由較低車速全力加速到 高速所需的時(shí)間。 自行車能爬上的最大的坡度是指用滿載時(shí)自行車在良好路面上的最大爬坡度表示的。 2.3.1 自行車基本參數(shù)介紹 a.整車整備質(zhì)量：包括動(dòng)力蓄電池，不包括乘員或裝載質(zhì)量，隨車工具，車載充電 器。 b.功率：指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。功率越大轉(zhuǎn)速越高，自行車的最高速度也 越高，常用最大功率來描述自行車的動(dòng)力性能。最大功率一般用

40、馬力或千瓦來表示，1 馬 力等于 0.735 千瓦。 c.扭矩：扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩就是指從曲軸端輸出的力矩。 在功率固定的條件下它與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，轉(zhuǎn)速越快扭矩越小，反之越大，它反 映了自行車在一定范圍內(nèi)的負(fù)載能力。 d.最大總質(zhì)量（kg）：自行車滿載時(shí)的總質(zhì)量。 最大裝載質(zhì)量（kg）：自行車在道路上行駛時(shí)的最大裝載質(zhì)量。 e.軸距（mm）：通過車輛兩車輪的中心，并垂直于車輛縱向?qū)ΨQ平面的二垂線之間 的距離。簡單的說，就是自行車前軸到后軸的距離。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 12 輪距（mm）：車的左右輪胎面中心線間的距離。 2.4 制動(dòng)系統(tǒng) 2.4.1 電動(dòng)自行

41、車剎車分類 傳統(tǒng)的電動(dòng)自行車只是機(jī)械式剎車,使很多的能量在不知不覺中浪費(fèi),而現(xiàn)在我們做 的電動(dòng)自行車帶有了能量反饋節(jié)約了能量。帶有制動(dòng)能量再生系統(tǒng)電動(dòng)自行車的制動(dòng)過 程與傳統(tǒng)的電動(dòng)自行車的制動(dòng)有著不同之處。再生制動(dòng)力是利用在電磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的磁極 將會(huì)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)方向與車輪行駛的方向相反，從而產(chǎn)生對(duì)電動(dòng)自 行車的制動(dòng)。但是這種制動(dòng)方式在遇到緊急情況時(shí)將不能應(yīng)付，因?yàn)樗荒茉诙虝r(shí)間內(nèi) 使自行車停下來。因此在做電動(dòng)自行車制動(dòng)時(shí)，既用了再生制動(dòng)也使用了傳統(tǒng)的帶式制 動(dòng)器，使電動(dòng)車的剎車更有效，也能盡量減少不必要的損耗，電池一次充電行駛的路程 最長。因此在求制動(dòng)力時(shí)，我們分緊急情況與正常

42、情況。 緊急情況指的是在同一時(shí)間內(nèi)既有手制動(dòng)也有再生制動(dòng)。 正常狀況指的是只有再生制動(dòng)一種情況。 2.4.2 制動(dòng)力的分析與求解 圖 2-3 為良好的硬路面上制動(dòng)時(shí)車輪受力情況： 圖中，是車輪制動(dòng)器中的摩擦力矩；是再生制動(dòng)力矩，即制動(dòng)時(shí)再生制動(dòng)系統(tǒng) u t re t 作用于自行車車輪的阻力矩，為車子的阻力，為車軸對(duì)車輪的推力。有力矩平衡得： 1 f p f 式（2.13 1 /2 ure tt f d ） 由于制動(dòng)力不可以大于粘著力,即： 式 1z fff （2.14） 式中，粘著力；為粘著系數(shù)；為地面對(duì)車輪的法向反作用力。f z f 將式（2.12）代入（2.13）得： /2 ure z t

43、t f d 整理得： /2 rezu tfdt 在制動(dòng)器中，有： 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 13 /2 u u t f d 為機(jī)械剎車時(shí)制動(dòng)器的制動(dòng)力。 u f 圖 2-3 制動(dòng)時(shí)車輪受力 這里以正常狀態(tài)下計(jì)算為例，在正常情況下，只有再生能量制動(dòng)。車輪制動(dòng)器中的 摩擦力矩，那么0 u t /23.6 . rez tfdn m 本設(shè)計(jì)的電動(dòng)車使用了制動(dòng)能量回收技術(shù)，制動(dòng)系統(tǒng)在原有的制動(dòng)基礎(chǔ)上增加了能 量回收，制動(dòng)力矩再生制動(dòng)過程與傳統(tǒng)的制動(dòng)過程的不同。 2.4.3 手動(dòng)制動(dòng)器的設(shè)計(jì) 電動(dòng)自行車的制動(dòng)器正常多數(shù)采用帶式制動(dòng)，帶式制動(dòng)器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)電動(dòng)輪 上的剎車輪的直徑為 43，所以選擇

44、的帶式制動(dòng)器的型號(hào)為 zbj8501-1989，額定制動(dòng)mm 力矩 。mnte 250 制動(dòng)帶總成：內(nèi)徑為 45，帶寬為 12；mmmm 制動(dòng)帶板：帶長為 142.3，帶寬為 12；mmmm 制動(dòng)襯片：內(nèi)徑 45，展開長度為 24。mmmm 參考文獻(xiàn)13，各基本尺寸見表 3-1。 表 3-1 簡單制動(dòng)器的各基本尺寸 de1e2ba1a2 450.60.915 0 15 0 15 選好制動(dòng)器以后，應(yīng)該按照配套主機(jī)的要求對(duì)制動(dòng)力矩、發(fā)熱情況進(jìn)行驗(yàn)算。由于 電動(dòng)自行車的工作環(huán)境比較好，散熱條件也比較優(yōu)越，因此在校核時(shí)不考慮發(fā)熱對(duì)制動(dòng) 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 14 器的影響只驗(yàn)算制動(dòng)力矩。根據(jù)

45、制動(dòng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況計(jì)算制動(dòng)軸上的負(fù)載力矩。并考慮一 定的安全設(shè)備（安全系數(shù)，可查表獲得）求出制動(dòng)力矩。再參照制動(dòng)器的額定制動(dòng)力t 矩使。 e t e tt 根據(jù)制動(dòng)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)情況可以分為平移動(dòng)制動(dòng)和垂直移動(dòng)制動(dòng)兩種類型。平移制動(dòng) 指的是被制動(dòng)的是慣性質(zhì)量；而垂直制動(dòng)被制動(dòng)的是有慣性質(zhì)量和垂直負(fù)載，且垂直負(fù) 載是主要的，如提升設(shè)備制動(dòng)。 計(jì)算制動(dòng)力矩時(shí)，平移制動(dòng)按照： 式(2.15) fu ttt 負(fù)載力矩此處為換算到制動(dòng)軸上的傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力矩，； u tmn 換算到制動(dòng)軸上的總摩擦力矩，。 f tmn 垂直制動(dòng)按照： 式(2.16) u tt 換算到制動(dòng)軸上的負(fù)載力矩，； u tmn 1 t

46、tu 換算到制動(dòng)軸上的總摩擦力矩，。 1 tmn 轉(zhuǎn)化效率。 電動(dòng)自行車制動(dòng)的是慣性質(zhì)量屬于平移制動(dòng)，根據(jù) 2.14 計(jì)算。這里需要說明的是電 動(dòng)自行車除了摩擦力矩還有直流電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)。所以需將公式 2.14 改為： 式(2.17) refu tttt 再生制動(dòng)力矩。上章節(jié)已經(jīng)計(jì)算出了的取值范圍。 re t re t mn gwdmmtf 92 . 4 2/4 . 00205 . 0 10)7050( 2/)( 21 mn gdmmtu 2402/4 . 010)7050( 2/)( 21 由于是一個(gè)范圍值,那么就可以求出制動(dòng)力矩的一個(gè)最大與最小的范圍.最小是 re tt 再生制動(dòng)力矩達(dá)到

47、最大,此時(shí) re tmn 6 . 3 mntttt refu 48.2316 . 392 . 4 240 最大是再生制動(dòng)力矩達(dá)到最小為 0,此時(shí) re t 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 15 mntttt refu 08.235092 . 4 240 所以剎車的制動(dòng)力矩，滿足，即選擇的帶式制動(dòng)器滿mnt08.23548.231 e tt 足要求可以使用。 2.5 蓄電池的種類和結(jié)構(gòu) 蓄電池是電動(dòng)自行車的能源載體，是電動(dòng)自行車的核心部件之一，主要分為閥控密 封鉛酸蓄電池、膠體電池、鋰離子電池、鎳氫電池和燃料電池等。電動(dòng)車對(duì)蓄電池的要 求是容量大，壽命長，重量輕，價(jià)格廉。鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格最

48、低，內(nèi)電阻小、電 壓穩(wěn)定，具有良好的防振性能和密封性能；鋰離子電池和鎳氫電池雖然重量輕，壽命長， 但是價(jià)格昂貴。在電動(dòng)自行車的電源廣泛采用鉛酸蓄電池。但鉛酸蓄電池的比能量和比 功率都很低，隨著科技的發(fā)展近年來又使用了新型的蓄電池如鎘-鎳電池。 鎘-鎳電池放電時(shí)，正極還原為，充電時(shí)，又被氧化成niooh 2 ()ni oh 2 ()ni oh ，電極反應(yīng)表示為：niooh 22 ()nioohh oeni ohoh 放 充 負(fù)極海綿狀鎘放電時(shí)氧化生成氫氧化鎘，充電時(shí)氫氧化鎘還原為鎘，電極反 應(yīng)表示為： 22cdohe 放 2 充 c d(o h ) 電池的總反應(yīng)的表示式為： 222 222()(

49、)nioohcdh oni ohcd oh 放 充 鎘-鎳電池體系以氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液為液，加入適當(dāng)?shù)臍溲趸嚳梢匝娱L電 池的壽命。氫氧化鉀（或鈉）不參加反應(yīng)，但是放電時(shí)消耗水，充電時(shí)生成水。氫氧化 物只起導(dǎo)電的作用，在充電過程中密度和組成沒有明顯的變化。 參考文獻(xiàn)6，選擇的型號(hào)為：gny-12 其中：g鎘為負(fù)極 ，n鎳為正極，y圓柱形，12額定容量為 12 。ha 參考文獻(xiàn)鎘-鎳電池理論比能量為 214.3，實(shí)際比能量為：35。h/kgwh/kgw 說明：電池的容量是指電池工作，即電池放電時(shí)能提供的電量，有理論容量，實(shí)際 容量，額定容量（或公稱容量）之分，常以或?yàn)閱挝?。為了比較不同系列

50、的電a hma h 池，常用比容量的概念即單位質(zhì)量或單位體積的電池所能給出的電量來衡量，公別以 或表示。在表中列出了各種電池體系的理論比容量。/a h kg/a h l 2.6 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 16 現(xiàn)有電動(dòng)自行車車大致可以分為以下幾個(gè)主要部分:蓄電池、電池管理、充電系統(tǒng)、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整車管理系統(tǒng)及車體等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為電動(dòng)車提供所需的動(dòng)力,負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換成 機(jī)械能。無論何種電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),均具有基本相同的結(jié)構(gòu),都可以分成能源供給子系 統(tǒng)、電氣驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)三部分,其中電氣驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)是電動(dòng)車的心臟,主 要包括電動(dòng)機(jī)、功率電子元器件及控制部分。 2.6.

51、1 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)兩輪電動(dòng)車性能的影響 目前兩輪電動(dòng)車主要有三種：一是全電動(dòng)型自行車，二是電動(dòng)助力自行車(pas),三是 電動(dòng)摩托車。全電動(dòng)自行車完全依靠電力就可以行駛，電動(dòng)助力自行車電機(jī)的出力是需 要人力的驅(qū)動(dòng)為前提的,人力和電力的比通常為 1：1,即所謂的 1+1 系統(tǒng),這種系統(tǒng)在日本 較為通常采用。無論它們兩者有這樣那樣的區(qū)別,至少有一點(diǎn)是共同的,這就是要求人力能 夠正常騎行,而電動(dòng)摩托車無需考慮人力騎行問題。由于受當(dāng)前電池技術(shù)的限制以及電動(dòng) 自行車對(duì)蓄電池容量要求不高,當(dāng)前發(fā)展電動(dòng)自行車以及電動(dòng)助力車是較為適宜的。根據(jù) 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 1999 年 10 月 1 日頒布實(shí)施的電動(dòng)自行車

52、通用技術(shù)條例規(guī)定,電 動(dòng)自行車的最高時(shí)速不得超過 20km。由于這個(gè)速度較低,永磁直流電機(jī)、永磁無刷直流電 機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)及交流異步電機(jī)這四種電機(jī)都能夠勝任,但考慮到成本、機(jī)械加工以及 技術(shù)復(fù)雜程度等因素,目前兩輪電動(dòng)車主要采用永磁直流電機(jī)以及永磁無刷直流電機(jī)。而 開關(guān)磁阻電機(jī)以及交流異步電機(jī)主要用在電動(dòng)汽車。永磁直流電機(jī)以及永磁無刷直流電 機(jī)當(dāng)前都有質(zhì)量較好的產(chǎn)品,如上海新聯(lián)的永磁直流有刷電機(jī),采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式, 由于磁阻造成的力矩,以及人力騎行時(shí)的電機(jī)發(fā)電問題,實(shí)際使人力騎行時(shí)感到十分費(fèi)力。 中軸式對(duì)機(jī)械的設(shè)計(jì)和制造水平較高。通過采用雙飛結(jié)構(gòu),解決了人力騎行困難問題。旁 掛式相對(duì)

53、要求較低,只是在后輪上增加了一條鏈條來驅(qū)動(dòng),而且騎行時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng),因此不存 在磁阻轉(zhuǎn)矩以及發(fā)電問題,可減輕人力負(fù)擔(dān)問題,如果在造型上下點(diǎn)功夫。無疑旁掛式將是 電動(dòng)自行車非常好的驅(qū)動(dòng)方式。值得一提的是上述的驅(qū)動(dòng)方式還可以進(jìn)一步劃分,如除了 輪轂直接驅(qū)動(dòng)方式外,輪轂電機(jī)還有帶減速齒輪(減速比為 1：7 和 1：22 兩種)以及同步帶 減速齒輪(減速比為 1：25)；中軸式可以繼續(xù)劃分為同軸式(減速比為 1：50)以及非同軸式 (減速比為 1：35)。用于電動(dòng)自行車的電機(jī)功率 70235w,主要為 135180w。按照轉(zhuǎn)速可 以歸為三類：一是低速電機(jī),主要用于輪轂直接驅(qū)動(dòng)方式,電機(jī)轉(zhuǎn)速為 174rp

54、m(240)；二是 中速電機(jī),8001800rpm,輪轂式齒輪減速以及 1 級(jí)減速的旁掛式(減速比為 1：5)；三是高 速電機(jī)。24004500rpm,主要用于輪轂式同步帶減速或齒輪減速,中軸驅(qū)動(dòng)、2 級(jí)減速的旁 掛式(減速比為 1：22)以及摩擦式(減速比為 1：17)。 2.6.2 電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成 電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩個(gè)部分4。其中,機(jī)械傳動(dòng)部分 因電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置方式不同而不同。電動(dòng)自行車對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有特殊要求能夠 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 17 頻繁地起動(dòng)、停車,加、減速,對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能要求高，電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)的速度、 轉(zhuǎn)矩變化范圍大

55、,既要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū),又要運(yùn)行在恒功率區(qū),同時(shí)還要求保持較高的運(yùn)行 效率能在惡劣工作環(huán)境下可靠地工作。正因?yàn)殡妱?dòng)自行車對(duì)其電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有這些特殊 要求,所以在電動(dòng)自行車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇及整流器、控制器的設(shè)計(jì), 都必須考慮到這些特殊的要求。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之一,它結(jié)構(gòu) 簡單,具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性。與直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)相匹配的變流器是斬波器,它將固 定的直流電壓變成可調(diào)的直流電壓,調(diào)速方法主要是調(diào)壓調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速。采用直接轉(zhuǎn)矩 控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),轉(zhuǎn)矩給定值的確定非常重要,它是直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值,理想 情況下,電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就等于該時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩給定值。

56、所以,轉(zhuǎn)矩給定值應(yīng)該能夠滿足 負(fù)載的動(dòng)力需求。因此在電動(dòng)自行車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,首先要按照電動(dòng)自行車的性 能要求,對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的載荷進(jìn)行分析,也就是對(duì)電動(dòng)自行車行駛所需的的牽引力進(jìn)行 分析,得出合理的電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩給定值。 2.6.3 無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以分為兩類,一類是方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(bdcm), 另一類是永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(pmsm),也稱之為正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。 bdcm 系統(tǒng)不需要絕對(duì)位置傳感器,一般采用霍爾元件或增量式碼盤,也可以通過檢測(cè)反 電動(dòng)勢(shì)波形換相。pmsm 系統(tǒng)一般需要絕對(duì)式碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置傳感器

57、。從 磁鐵所處不同位置的結(jié)構(gòu)上看,永磁無刷電動(dòng)機(jī)可以分成表面型、鑲嵌型、深埋式等結(jié)構(gòu) 型式,在電動(dòng)自行車中也有采用盤式結(jié)構(gòu)或外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的。深埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)因其有 高的功率密度、有效的弱控制及方便的最大效率控制而在電動(dòng)車應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞,是當(dāng) 前電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)研發(fā)的熱點(diǎn)。用在電動(dòng)車上的永磁同步電動(dòng)機(jī)是將磁鐵插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部,得 到可同步旋轉(zhuǎn)的磁極。深埋式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如下圖所示,這種電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要有兩 個(gè)特征:轉(zhuǎn)子磁鐵使用埋入式、采用多極化設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)具有顯著的優(yōu)點(diǎn): (1)與將永磁體貼在轉(zhuǎn)子表面的情況相比,將永磁體植入轉(zhuǎn)子內(nèi)部,則即使高速旋轉(zhuǎn), 永磁體也不會(huì)飛散,為此就使設(shè)計(jì) 10000r

58、/min 以上的超高速電動(dòng)機(jī)成為可能。 (2)對(duì)于要求的最大轉(zhuǎn)矩而言,采用下圖所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),永磁電動(dòng)機(jī)能做得更小。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 18 圖 24 正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖 3 電動(dòng)自行車的運(yùn)行控制 在實(shí)際中發(fā)電機(jī)的構(gòu)造與電動(dòng)機(jī)是相同的，都是通過定子與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)作用力產(chǎn)生 電力的。導(dǎo)體線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)就能產(chǎn)生電流，導(dǎo)體線圈通電在磁場(chǎng)中就能旋轉(zhuǎn)。兩者 的不同點(diǎn)就是通電與不通電，由于電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)有著相同的構(gòu)造，如果把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 起來，就像發(fā)電機(jī)一樣發(fā)電。但是，這時(shí)的發(fā)電電流方向與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的電流方向相 反的。電動(dòng)自行車在正常行駛時(shí)，車輪是旋轉(zhuǎn)的，只要停止向電動(dòng)機(jī)供電

59、此時(shí)的電動(dòng)機(jī) 變成了發(fā)電機(jī)為蓄電池充電。一段時(shí)間后給電機(jī)供電就又變?yōu)榱穗妱?dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為 機(jī)械能使電動(dòng)自行車能夠行駛。 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 在所有已有的電動(dòng)機(jī)中,綜合性能最好的是直流電動(dòng)機(jī)。過去開發(fā)的電動(dòng)車主要采用 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) 19 有刷直流電動(dòng)機(jī),有刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)速方便,改變其輸入電壓或勵(lì)磁電流就可對(duì)其轉(zhuǎn) 矩實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的控制,進(jìn)行平滑的調(diào)速,所以有刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性 和調(diào)速品質(zhì)。但是有刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由于電刷和換向器的存在而導(dǎo)致以下兩方面的缺 點(diǎn):第一,必須進(jìn)行經(jīng)常性的維修和保養(yǎng);第二,無法實(shí)現(xiàn)高速大容量。這兩方面的缺點(diǎn)使 其在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的

60、應(yīng)用受到了限制。而無刷直流電動(dòng)機(jī)則克服了有刷直流電動(dòng)機(jī) 的缺點(diǎn),它既有有刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)越的性能,又依靠電子換向,免去了機(jī)械式電刷和換向 器。本系統(tǒng)選用無刷直流電動(dòng)機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī),就其基本結(jié)構(gòu)而言,可以認(rèn)為是一臺(tái) 有電子開關(guān)線路，永磁式同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者組成的。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng),它借助反 映轉(zhuǎn)子位置的位置信號(hào),通過驅(qū)動(dòng)控制電路,驅(qū)動(dòng)逆變電路的功率開關(guān)元件,使電樞繞組依 一定次序饋電從而在氣隙中產(chǎn)生步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng), 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)依一定規(guī)律變化,從而改變電樞繞組的通電狀態(tài),實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī) 械能量轉(zhuǎn)換。 3.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 有刷直流電動(dòng)機(jī)帶