新型电动自行车及动力反馈制动系统设计.doc

毕业设计(论文) 新型电动自行车及动力反馈制动系统设计 new electrick bicycle brake system and power feedback 学生姓名 学院名称 专业名称 指导教师 20*年 5 月27 日 摘要 20 世纪汽车产业高速发展，资源无节制消耗，污染物的过量排放，还有受油价上涨 和环保意识等因素的影响，电动自行车已成为大部分人的选择。但是，电动自行车的动 力性能由驱动系统决定且续驶里程（即能量供给）受限于蓄电池的存储电量，为提高动 力性能和续航里程，须对电动自行车驱动电机的特性及能量回收控制策略进行分析研究。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) i 本文研究了电动自行车在制动过程中的能量回馈，设计了永磁无刷直流电动机在电 动自行车制动过程中的能量再生反馈控制系统。从理论上分析了永磁无刷直流电动机利 用位置传感器检测转子位置的方法,并对换相过程做较详细的介绍。 本文首先系统的对电动自行车的运行状态进行了分析，分别对电动自行车的运行阻 力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行了计算。根据所需要的牵引力，在本 设计中也对无刷直流电动机和电池进行了选型计算。再其次，本文对电动自行车的能量 反馈控制方案进行了研究，内容包括轮毂电机的调速、电动车再生制动的控制。本文着 重研究并设计了永磁无刷直流轮毂电机的能量的回收。 关键词关键词：电动自行车；动力性能；再生制动；电机控制；永磁无刷直流轮毂电机 徐州工程学院毕业设计(论文 ) ii 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 electricity 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, 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 detailed 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. according 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 dual 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 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 目 录 摘要i abstract.ii 1 绪论.1 1.1 课题来源，目的，意义与该课题的市场前景.1 1.2 有关电动自行车的概念.1 1.2.1 什么是电动自行车.1 1.2.2 电动自行车的种类.1 1.2.3 电机.2 1.2.4 电池.2 1.2.5 控制器.3 1.3 电动自行车整车参数的设计.3 1.4 设计任务.3 1.5 研究意义.4 2 电动自行车动力性能分析.5 2.1 电动车运行方程.5 2.2 电动自行车的行驶力学.6 2.2.1 车辆模型.6 2.2.2 电动车阻力计算.7 2.2.3 空气阻力.8 2.2.4 电动车惯性力的计算.8 2.2.5 电动车的牵引力计算.9 2.3 电动自行车的动力性能.10 2.3.1 自行车基本参数介绍.11 2.4 制动系统.11 2.4.1 电动自行车刹车分类.11 2.4.2 制动力的分析与求解.11 2.4.3 手动制动器的设计.12 2.5 蓄电池的种类和结构.14 2.6 动力传动系统设计.15 2.6.1 驱动方式对两轮电动车性能的影响.15 2.6.2 电动自行车驱动系统的构成.16 徐州工程学院毕业设计(论文 ) i 2.6.3 无刷直流电动机驱动系统.16 3 电动自行车的运行控制.18 3.1 电动机的选择.18 3.1.1 直流电动机的特点.18 3.1.2 电动机容量选择的原则.19 3.1.3 电动机的发热与冷却.19 3.1.4 选择步骤：.20 3.1.5 无刷直流电动轮毂的选型计算.20 3.1.6 电动自行车的续行距离.21 3.2 无刷电动机的调速控制系统.22 3.2.1 直流电动机的机械特性.22 3.2.2 脉宽调制（pwm）23 3.2.3 传感器.23 3.3 电动车控制系统设计.24 3.3.1 控制系统的组成.24 3.3.2 控制系统设计方案.24 4 电动自行车的能量回收.28 4.1 制动模式与能量的分析.28 4.2 能量回馈的控制策略.29 4.3 电动自行车能量的消耗评价方法.29 4.3.1 能量流分配关系及能量测量.30 4.3.2 能耗影响因素分析.30 4.4 制动效能及制动能量回收的约束条件.30 4.4.1 自行车的制动效能.30 4.5 制动能量回收控制算法.31 4.5.1 制动能量回收的约束条件.31 4.6 永磁无刷直流电机相关性能及其能量回馈制动原理.32 4.6.1 永磁无刷直流电机及其基本工作原理.32 4.6.2 直流电动机的制动方式.33 4.6.3 永磁无刷直流电机能量回馈制动原理.35 结论.39 致谢.40 参考文献.41 徐州工程学院毕业设计(论文 ) ii 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 0 1 绪论 1.1 课题来源，目的，意义与该课题的市场前景 当今时代，电动自行车已经成为人们日常生活不可缺少的代步工具，改变了人们的 生活方式提高了人们的生活质量。自上世纪以来，汽车工业的发展就开始面临两大难以 回避的挑战：能源短缺与环境保护。根据目前世界石油总储量和年产量计算，石油资源 最多再能支持三四十年的工业消费，再加上政治、局部战争等不稳定因素对能源安全的 影响，汽车的燃料供应存在着潜在的隐患。此外汽车废气造成的大气污染日益严重。针 对上述问题，现在电动汽车、电动自行车已经进入中国市场。 该课题的目的是通过对电动自行车制动能量的回收过程进行分析和研究，为提高制 动能量回收能力提出解决方案。 该课题的意义：首先本设计的课题使我们对电动自行车有了进一步的了解，对制动 能量再生有了新的认识，所谓制动能量再生，是指电动自行车减速制动时将其中一部分 机械能转化为其他形式的能量这里是电能，并且将其充进电池。制动能量再生方法原理 是先将电动自行车制动或减速时的一部分机械能转化为电能存储在电池中，同时产生一 定的负荷阻力使电动自行车速度降低；当电动车再次起动或加速时再生系统又将存储的 能量再次转化为电动自行车行驶时所需要的动能。这样就可以提高一次充电的续行距离， 避免了不必要的能量损失。 1.2 有关电动自行车的概念 1.2.1 什么是电动自行车 电动自行车是以电池作为辅助能源，具有两个车轮，能实现人力骑行、电动或电助 动功能的特种自行车。它虽然具有普通自行车的外表特征，但更主要的是，它是在普通 自行车的基础上，安装电动机、控制器、电池、转把、闸把等操纵部件和显示仪表系统 的、机电一体化的个人交通工具。 1.2.2 电动自行车的种类 电动自行车以其驱动力性质、整车结构及电动机驱动方式的不同，可以分成以下三 种类型： 按驱动力性质分：有电动型和助力型两种。 按整车结构分：有两轮、三轮、电动轮椅三种。 按电动机形式及驱动方式分：有直驱车轮的轮毂式直流电动机、中轴链式驱动的柱 式直流电动机、电动箱式驱动的柱式和盘式直流电动机。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 1 1.2.3 电机 由于电动自行车要求的功率较小，所带有的能源有限，故希望电机的驱动系统的体 积小、功率高，而其中以直流电机最为合适。目前，电动自行车所使用的电机大多数为 有刷直流电动机，但是随着技术的进步与电子元件成本的不断下降，无刷直流电机将成 为今后电动自行车的发展主流。 1、有刷直流电机 电动自行车上使用的有刷直流电机主要有两种：一是印制绕组电机，二是绕线盘式 电机。前者的应用较后者多一点。有刷直流电机的优点是控制系统简单，成本较低，过 载能力强，但需要换向器（整流子） ，影响电机的效率。 有刷直流电机又可以分为有齿和无齿两种。有刷有齿电机是一种高速电机，所谓 “有齿”就是通过齿轮减速机构，将电机转速降低（国家标准规定电动自行车的转速不 超过 20） 。由于高速电机通过齿轮减速，其特点是骑车者的感觉动力较强，而且爬hkm/ 坡的能力较强。但是电动轮毂是封闭的，只是在出厂前加注了润滑脂，用户很难进行日 常保养。而且齿轮本身就有机械磨损，一年左右因为润滑不足导致齿轮磨损加剧，噪音 增大，影响电机和电池的寿命。另一种是有刷无齿电机，这是一种外转子式电动机，没 有齿轮减速机构，直接采用低速输出，消除了齿轮噪音，其电机输出转矩较有刷有齿电 机要小，故动力性能和爬坡性能相对要弱一些。但运行安全，电刷磨损小、噪音小这是 他的优点。 2、无刷直流电机 无刷直流电机由于没有电刷，不需要齿轮减速，从根本上消除了电刷磨损和齿轮磨 损，不存在定期更换电刷，而且噪音很小。因此，他无干扰、寿命长、效率高、运行可 靠、维护简单，且转速由于不受机械换向的限制，可在宽广的范围内平滑调速，与有刷 直流电机相比成本低，但是控制系统复杂成本高。 无刷直流电机就起结构而言，是由电动机本体转子位置传感器以及电子电路换向组 成。电动自行车上采用的是无刷电动轮毂电动机一般制成多相，如采用三相，它的电枢 放在定子上，永磁磁极位于转子上。反映电动机定转子位置传感器输出信号，通过定子 换向电路去驱动与电枢绕组联接的相应的功率器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子 上产生一个跳跃式旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子位置的旋转，位置传感器通 过电子换向线路不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，保证在一定的范围内定 子磁场与转子磁场成正交关系，保持转矩连续不断的产生，输出机械功率，从而实现了 无接触式电磁换向。 我国电动自行车用无刷直流电机的研制和生产厂家有上海微电机研究所、浙江卧龙 集团等。今后二合一轮毂式无刷直流电机和无位置传感器无刷直流电机是电动自行车车 用电机的发展方向。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 2 1.2.4 电池 电池是电动车的动力源，电池质量直接影响电动自行车的行驶里程和寿命。目前电 池选用的是铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等。 镍镉电池属碱性电池，我国产量较大，主要生产厂家有深圳比迪亚有限公司和上海 电池厂等。镍镉电池可以快速充电，其过充、过放电性能均好，循环寿命较长，达 2000 次。但它的价格是铅酸电池的 4.5 倍，而且旧电池得不到很好的回收，会因重金属镉造成 严重的污染。常用的是 24v 5ah，重量，一次充电续行里程，按标准的 80%kg2 . 3km16 放电，寿命约 500 次。 1.2.5 控制器 控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。其主要的作用是提高电 机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池以及降低电动自行车在受到破坏时的 损伤程度。 电动自行车常用的无刷直流电机的控制器的目的是有两种类型：一是采用专用集成 电路制作的控制器；另一种是采用单片机为控制器件的控制器。前者针对无刷电机的控 制要求，将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟控制器；后者采用单片机， 用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可以适应 不同规格的无刷电动机，增加功能方便，如果电机缺相保护，堵转保护，添加力矩传感 器，可以根据不同的电机进行结构的优化以达到良好的匹配等，通常将此类控制器称为 数字式控制器。但无论是数字式还是模拟式控制器，其工作原理大致相同；用电子控制 代替电刷控制线圈电流换向，根据电机内的位置传感器信号，决定换向的顺序和时间， 从而决定电机的转向和转速。 1.3 电动自行车整车参数的设计 在设计前先将文章中计算需要的数据假定如下： 整车质量（） 50 2 mkg 重力加速度（） 10g 2 /m s 滚动阻力系数（） u0.02 人重（） 70 1 mkg 车轮直径（） 400dmm 后轴转子直径（） 10dmm 1.4 设计任务 对电动自行车的运行状态进行了分析，分别对电动自行车的运行阻力、惯性力、再 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 3 生制动力以及所需要的牵引力进行计算。 利用现代电子技术及电动机发电反馈制动理论，设计一套能够在电气制动的同时， 发电给电瓶充电的发电反馈制动系统。 利用该系统能够实现将自行车及人体的动能通过电动机的发电运行状态转化为电能， 并经过相应的处理和控制电路，达到给电瓶充电和自行车减速的双重目的。 完成发电反馈制动系统机械连动机构、发电反馈制动电控系统、发电反馈回路的设 计、电动机选型。 1.5 研究意义 首先本设计的课题使我们对电动自行车有了进一步的了解，对制动能量再生有了新 的认识，所谓制动能量再生，是指电动自行车减速制动时将其中一部分机械能转化为其 他形式的能量这里是电能，并且将其充进电池。制动能量再生方法原理是先将电动自行 车制动或减速时的一部分机械能转化为电能存储在电池中，同时产生一定的负荷阻力使 电动自行车速度降低；当电动车再次起动或加速时再生系统又将存储的能量再次转化为 电动自行车行驶时所需要的动能。这样就可以提高一次充电的续行距离，避免了不必要 的能量损失。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 4 2 电动自行车动力性能分析 动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、驱动轮等组成。电动自行车的动力性评 价指标有最高车速、加速时间和最大爬坡度。然而，电动机的最大功率与额定功率下观 察甚多，而最大功率工况不能长时间运行，因此必须用电动机的额定工况计算电动自行 车的最大爬坡度和最高车速。电动自行车的加速过程和起步时间较短，理论上可以用电 动机的外特性进行设计计算。下面从自行车直线行驶动理学模型来进行分析。 2.1 电动车运行方程 电动自行车在路面上运行，有各种不同方向和不同大小的作用力作用在电动自行车 上，电动自行车牵引学主要研究对自行车运行有直接影响的力，也就是与电动自行车方 向相平行的外力及外力的分力，这些力可以分为三种： 电动自行车的牵引力它是由电力机车的牵引电动机所产生的，并通过动轮与路面f 的相互作用力而引起的外力。它与电动自行车的运动方向相同，其大小由开车的人决定。 电动自行车运行阻力它是由电动自行车运行时由多种原因引起的阻止电动车运行w 的外力，其大小是不可以控制的。 电动自行车的制动力它是由机车和车辆上的制动装置所产生的，并通过轮与钢轨b 的相互作用而引起的外力，用来使电动自行车减速或停车。它与电动自行车的运行方向 相反。 这三种力以不同的方式形成作用于电动自行车上形成的合力：c 牵引运行时：合力；wfc 惯性运行时：合力；wc 制动时：合力。)(bwc 电动车运行方程是把电动车当作一个平移的钢体，表示电动车在不同运行状态时， 作用在电动车上诸力的关系式。在工程上用它计算电动车运行时所需要的制动力、惯性 力。 电动车在运行时状态有三种： 牵引状态，电动车在电动机的牵引力作用下，起动，加速或等速运行； 惯性运行，电动车在运行中牵引电动机断电后靠惯性运行； 制动运行，电动车在运行中切断牵引电动机的电源，并且施加机械或电气的制动力， 减速运行。 电动车在牵引等速状态下，沿运行方向作用在电动车上的力有牵引力、静阻力f 和惯性力。根据静法原理，可列出如下方程 0 f a w 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 5 式(2.1) 0 0 a ffw 这就是牵引等速运行状态下的基本方程。 2.2 电动自行车的行驶力学 2.2.1 车辆模型 驱动系统的动力输出特性与车子的动力性能直接相关。驱动系统的动力输出更该满 足车子的动力性能要求。在设计电动自行车驱动系统时，为了使电动自行车达到要求的 动力性能指标，首先必须建立电动自行车的力学模型，对电动自行车行驶过程中力与功 率的平衡进行分析，以得到电动自行车的需求特性。电动自行车的动力传动系统主要是 由能量存储系统和动力驱动系统组成。能量存储系统包括蓄电池和能量管理系统，动力 驱动系统包括驱动电动机和驱动控制系统。 电动自行车在行驶过程中，由动力蓄电池输出电能给电动机，电动机输出功率，用 于克服电动自行车本身机械装置中的内部阻力以及行驶条件决定的外部阻力消耗的功率， 外部阻力即电动自行车的行驶阻力。从分析电动汽车行驶时的受力状况出发，建立直线 行驶方程式，是分析电动自行车直线行驶性能的基础。 图 2-1 车轮行驶时的受力分析 电动自行车运行时的阻力系数为： 式(2.2) f d ku d 式中： 车轮与地面之间的滚动摩擦系数，取 0.02； f k f k 车轮直径，;dmm 轴承的直径，；dmm 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 6 轴承的摩擦系数，取 0.002；u 所以阻力系数： 0205 . 0 400 10 002 . 0 02 . 0 需要说明的是车轮与地面之间的滚动摩擦系数是随着路面状况的不同，其数值也 f k 在不断改变。参考文献27给出正常行驶的不同路段的滚动摩擦系数表 2-1。 表 2-1 不同路面的滚动摩擦系数 路面特征 f k 全新坚硬的柏油、混泥土、小方石块路面 0.01-0.02 经压轧的坑洼波动的碎石路，混泥土路面 0.02-0.03 压坏的柏油路面 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 电动车阻力计算 电动自行车的静阻力主要是基本阻力和坡道阻力，空气阻力因车速不高，计算时可 以不予考虑。 基本阻力是电动车经常受的阻力。基本阻力用阻力系数求得，电动车的基本阻力用 下式计算： 式（2.3）gmmmgf)( 211 式中 人的质量，=70； 1 m 1 mkg 电动自行车空载时的质量，=50。 2 m 2 mkg 所以基本阻力为： nf06.2402005 . 0 10)7050( 1 坡道阻力是电动自行车载坡道上运行时，电动车的重力沿坡道倾斜方向的分力。设 为坡道的倾斜角，这时坡道的阻力为： 2 f 式（2.4）sin)( 212 gmmf 式中的“”符号表示：上坡运行时取“+” ，下坡运行时取“-” 所以电动自行车的静阻力为： 式（2.5） 01212 () (sin)fffmm g 若电动自行车在水平地面上行驶时电动车的静阻力为： 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 7 nf06.24)002005 . 0 (10)7050( 0 2.2.3 空气阻力 车子向前进，必须借助一定的力量。骑车人每踏蹬的力量叫前进力，也叫向前推力。 前进力与用力、传动比、曲柄(即中轴到脚蹬的连杆)长以 y 代表前进力，q 代表踏蹬力 量，i 代表曲柄长度，d 代表传动比，它们之间的关系用公式表示则为： 式（2.6）dqy/ 前进力与踏蹬力量，曲柄长度成正比，与传动系数则成反比。 人们骑着自行车前进时，即使在无风天也会感到有风从耳边飞过，速度越快人感觉 到的风力越大，阻碍前进的效果越明显。因为人们不是在真空中骑车，而是四周始终被 空气包围着。从物理学观点来讲：人骑车行进时，人和车给前方空气以挤压力，而空气 给人和车以反作用力，即空气阻力。经过测量，风速在 40 公里每小时的情况下，垂直于 风向每平方米面积受到的压力为 11 公斤。不论风速 40 公里每小时或是每小时 40 公里的 速度骑行时，它们垂直于风向的每平方米面积上所受到的空气压力都是 11 公斤。 人们骑车前进时，必须突破空气阻力，这就需要力量。不同风级所产生的风速和垂 直风向每平方米所受到的压力均不相同，只有克服这些因素，车子才能向前行驶。 2.2.4 电动车惯性力的计算 电动车的惯性力除了平移之外，还有车轮、电机转子等螺旋部件的旋转部件的旋转 惯性矩。为了简化计算，将这些旋转惯性矩折算成平移移动的惯性力。这样电动自行车 惯性力即为： 式 121212 ()()(1)() a wmm amm amm a （2.7） 电动自行车的惯性力，； a wn 旋转惯性系数，参照矿用机车的数据，电动自行车取 0.075； 电动自行车的加速度，启动时的加速度取 0.03-0.05。a 2 /m s 将值代入式（2.6）得： 式（2.8 12 1.075() a wmm a ） 将式(2.5)、式(2.7)带入式（2.1）整理后得到电动自行车牵引运行时需要机车给出的 牵引力为： 式 12 () (sin0.1075 )fmm ga 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 8 （2.9） 将数据带入得： nf05.31)05 . 0 1075 . 0 0205 . 0 (10)7050( 电动车在惯性运行的状态下牵引电动机断电，牵引力消失。电动自行车依靠已具有 的能量克服阻力继续运行，如果轨道坡度不大，电动自行车是减速运行的，在这种情况 下，沿运行方向作用在电动自行车的力只有静阻力和惯性力。令式(2.1)中的等于 f a w f 零，可得到惯性运行状态下的基本方程为： 式（2.100 a fw ） 将式（2.5） 、式（2.7）带入式（2.9） ，可以得到惯性运行时列车的加速度的表达式： 式 1 (sin) 1.075 ag w （2.11） 由上式可以看出，电动自行车上坡或沿水平运行时，及下坡时，电sin0a 动自行车减速运行；只有在下坡运行时，电动自行车是加速运行的。sin 2.2.5 电动车的牵引力计算 现在分析牵引电动机给出的转矩怎样转化成自行车的牵引力，牵引力与哪些因素有 关。 电动自行车的后轮，是牵引电动机的主动轮。设电动自行车的质量为，作用在该 2 m 轮对上的力见图 2-2。为牵引电动机传递到该轮上的转矩；为运行阻力，为地面 mf 0 n 的支持力。将转矩用一个作用在轮轨接触点和轮心的等效力偶代替，则力偶的大小 m 为： 11 f 式 11 2m f d （2.12） 当轮胎接触点处的时，摩擦与力偶力总是大小相等方向相反，车轮在 maxf ff f f 11 f c 点处无滑移，在轮心处的作用下，车轮以 c 点为瞬心，向前滚动前进。轮心处 11力， ff 即为一个轮上的牵引力，与阻力平衡。 11 ff 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 9 图 2-2 电动自行车牵引力分析 若时，车轮在 c 点受力不平衡，车轮将克服路面的摩擦阻力空转而不前进。 maxf ff 实际上，由于车轮的圆度误差不均与磨损以及轨面状况等因素的影响，车轮在 c 点 处不可能保持理想的无滑动滚动、免不了有滑移。为考虑这一因素影响，将摩擦系数值 取低一点。理论上把这个系数称为粘着系数；车轮与路面之间的摩擦力相应得称为粘着 力；这种牵引方式称为粘着牵引。 表 2-2 不同路面状况的粘着系数 路面特征粘着系数 全新坚硬的柏油、混泥土（干） 0.015 柏油路面（湿） 0.01 混泥土路面（湿） 0.009 泥土路面（干） 0.045 泥土路面（湿） 0.1 松沙路面 0.1 冰面 0.001 影响粘着系数的因素很多，其中主要有： 1、车轮与路面的状态 带有花纹的轮面或干燥的路面，粘着系数较大，路面潮湿， 有冰、血、霜或油垢的路面粘着系数较小。 2、运行速度的高低 随着运行速度增加,加剧了车轮与路面的纵向和横向的滑动及机 车振动，粘着系数减小。 3、电动自行车特性的差异，车轮直径的大小不同，各车轮间的负载分布不均、电动 机的分布等都对粘着系数有影响。参考文献27得到表 2-2。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 10 2.3 电动自行车的动力性能 电动自行车因为以蓄电池存储的电能为能量来源，所以衡量电动自行车性能的一项 重要指标是最大续驶里程，而且，电动自行车采用的是电机驱动系统，其输出特性和一 般自行车也不相同。 电动自行车的电机驱动系统将蓄电池输出的电能转化为车轮的旋转动能，从而驱动 电动自行车运行。它决定了电动自行车的动力性能，它的能量转化效率也直接影响到电 动自行车的最大行驶里程。由此可见，研究电动自行车驱动系统对提高电动自行车性能 具有重要意义。 另外，电动自行车因为采用电机驱动系统，可以利用电动机的逆向工作性能，制动 时的能量进行回馈，增强其制动性能。 电动自行车的动力性能值是自行车在良好路面上直线行驶时由自行车受到的纵向外 力决定的，所能达到的平均行驶速度29。下面介绍自行车的主要动力性能指标：最高车 速、加速时间、最大爬坡度。 自行车的最高车速：在水平良好的路面上，自行车所能达到的最高行驶车速。 自行车的加速时间：常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明自行车的加速能 力。原地起步加速时间是指汽车由低档起步，并以最大的加速度逐步换至最高档后到预 定的距离或预定速度所需的时间。超车加速时间，是指用最高档由较低车速全力加速到 高速所需的时间。 自行车能爬上的最大的坡度是指用满载时自行车在良好路面上的最大爬坡度表示的。 2.3.1 自行车基本参数介绍 a.整车整备质量：包括动力蓄电池，不包括乘员或装载质量，随车工具，车载充电 器。 b.功率：指物体在单位时间内所做的功。功率越大转速越高，自行车的最高速度也 越高，常用最大功率来描述自行车的动力性能。最大功率一般用马力或千瓦来表示，1 马 力等于 0.735 千瓦。 c.扭矩：扭矩是使物体发生转动的力。发动机的扭矩就是指从曲轴端输出的力矩。 在功率固定的条件下它与发电机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反 映了自行车在一定范围内的负载能力。 d.最大总质量（kg）：自行车满载时的总质量。 最大装载质量（kg）：自行车在道路上行驶时的最大装载质量。 e.轴距（mm）：通过车辆两车轮的中心，并垂直于车辆纵向对称平面的二垂线之间 的距离。简单的说，就是自行车前轴到后轴的距离。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 11 轮距（mm）：车的左右轮胎面中心线间的距离。 2.4 制动系统 2.4.1 电动自行车刹车分类 传统的电动自行车只是机械式刹车,使很多的能量在不知不觉中浪费,而现在我们做 的电动自行车带有了能量反馈节约了能量。带有制动能量再生系统电动自行车的制动过 程与传统的电动自行车的制动有着不同之处。再生制动力是利用在电磁场中旋转的磁极 将会产生的电磁转矩，电磁转矩的旋转方向与车轮行驶的方向相反，从而产生对电动自 行车的制动。但是这种制动方式在遇到紧急情况时将不能应付，因为他不能在短时间内 使自行车停下来。因此在做电动自行车制动时，既用了再生制动也使用了传统的带式制 动器，使电动车的刹车更有效，也能尽量减少不必要的损耗，电池一次充电行驶的路程 最长。因此在求制动力时，我们分紧急情况与正常情况。 紧急情况指的是在同一时间内既有手制动也有再生制动。 正常状况指的是只有再生制动一种情况。 2.4.2 制动力的分析与求解 图 2-3 为良好的硬路面上制动时车轮受力情况： 图中，是车轮制动器中的摩擦力矩；是再生制动力矩，即制动时再生制动系统 u t re t 作用于自行车车轮的阻力矩，为车子的阻力，为车轴对车轮的推力。有力矩平衡得： 1 f p f 式（2.13 1 /2 ure tt f d ） 由于制动力不可以大于粘着力,即： 式 1z fff （2.14） 式中，粘着力；为粘着系数；为地面对车轮的法向反作用力。f z f 将式（2.12）代入（2.13）得： /2 ure z tt f d 整理得： /2 rezu tfdt 在制动器中，有： 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 12 /2 u u t f d 为机械刹车时制动器的制动力。 u f 图 2-3 制动时车轮受力 这里以正常状态下计算为例，在正常情况下，只有再生能量制动。车轮制动器中的 摩擦力矩，那么0 u t /23.6 . rez tfdn m 本设计的电动车使用了制动能量回收技术，制动系统在原有的制动基础上增加了能 量回收，制动力矩再生制动过程与传统的制动过程的不同。 2.4.3 手动制动器的设计 电动自行车的制动器正常多数采用带式制动，带式制动器已经标准化。根据电动轮 上的刹车轮的直径为 43，所以选择的带式制动器的型号为 zbj8501-1989，额定制动mm 力矩 。mnte 250 制动带总成：内径为 45，带宽为 12；mmmm 制动带板：带长为 142.3，带宽为 12；mmmm 制动衬片：内径 45，展开长度为 24。mmmm 参考文献13，各基本尺寸见表 3-1。 表 3-1 简单制动器的各基本尺寸 de1e2ba1a2 450.60.915 0 15 0 15 选好制动器以后，应该按照配套主机的要求对制动力矩、发热情况进行验算。由于 电动自行车的工作环境比较好，散热条件也比较优越，因此在校核时不考虑发热对制动 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 13 器的影响只验算制动力矩。根据制动器的运转情况计算制动轴上的负载力矩。并考虑一 定的安全设备（安全系数，可查表获得）求出制动力矩。再参照制动器的额定制动力t 矩使。 e t e tt 根据制动对象的运动情况可以分为平移动制动和垂直移动制动两种类型。平移制动 指的是被制动的是惯性质量；而垂直制动被制动的是有惯性质量和垂直负载，且垂直负 载是主要的，如提升设备制动。 计算制动力矩时，平移制动按照： 式(2.15) fu ttt 负载力矩此处为换算到制动轴上的传动系统的摩擦力矩，； u tmn 换算到制动轴上的总摩擦力矩，。 f tmn 垂直制动按照： 式(2.16) u tt 换算到制动轴上的负载力矩，； u tmn 1 t tu 换算到制动轴上的总摩擦力矩，。 1 tmn 转化效率。 电动自行车制动的是惯性质量属于平移制动，根据 2.14 计算。这里需要说明的是电 动自行车除了摩擦力矩还有直流电动机的再生制动。所以需将公式 2.14 改为： 式(2.17) refu tttt 再生制动力矩。上章节已经计算出了的取值范围。 re t re t mn gwdmmtf 92 . 4 2/4 . 00205 . 0 10)7050( 2/)( 21 mn gdmmtu 2402/4 . 010)7050( 2/)( 21 由于是一个范围值,那么就可以求出制动力矩的一个最大与最小的范围.最小是 re tt 再生制动力矩达到最大,此时 re tmn 6 . 3 mntttt refu 48.2316 . 392 . 4 240 最大是再生制动力矩达到最小为 0,此时 re t 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 14 mntttt refu 08.235092 . 4 240 所以刹车的制动力矩，满足，即选择的带式制动器满mnt08.23548.231 e tt 足要求可以使用。 2.5 蓄电池的种类和结构 蓄电池是电动自行车的能源载体，是电动自行车的核心部件之一，主要分为阀控密 封铅酸蓄电池、胶体电池、锂离子电池、镍氢电池和燃料电池等。电动车对蓄电池的要 求是容量大，寿命长，重量轻，价格廉。铅酸蓄电池的优点是价格最低，内电阻小、电 压稳定，具有良好的防振性能和密封性能；锂离子电池和镍氢电池虽然重量轻，寿命长， 但是价格昂贵。在电动自行车的电源广泛采用铅酸蓄电池。但铅酸蓄电池的比能量和比 功率都很低，随着科技的发展近年来又使用了新型的蓄电池如镉-镍电池。 镉-镍电池放电时，正极还原为，充电时，又被氧化成niooh 2 ()ni oh 2 ()ni oh ，电极反应表示为：niooh 22 ()nioohh oeni ohoh 放 充 负极海绵状镉放电时氧化生成氢氧化镉，充电时氢氧化镉还原为镉，电极反 应表示为： 22cdohe 放 2 充 c d(o h ) 电池的总反应的表示式为： 222 222()()nioohcdh oni ohcd oh 放 充 镉-镍电池体系以氢氧化钾或氢氧化钠水溶液为液，加入适当的氢氧化锂可以延长电 池的寿命。氢氧化钾（或钠）不参加反应，但是放电时消耗水，充电时生成水。氢氧化 物只起导电的作用，在充电过程中密度和组成没有明显的变化。 参考文献6，选择的型号为：gny-12 其中：g镉为负极 ，n镍为正极，y圆柱形，12额定容量为 12 。ha 参考文献镉-镍电池理论比能量为 214.3，实际比能量为：35。h/kgwh/kgw 说明：电池的容量是指电池工作，即电池放电时能提供的电量，有理论容量，实际 容量，额定容量（或公称容量）之分，常以或为单位。为了比较不同系列的电a hma h 池，常用比容量的概念即单位质量或单位体积的电池所能给出的电量来衡量，公别以 或表示。在表中列出了各种电池体系的理论比容量。/a h kg/a h l 2.6 动力传动系统设计 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 15 现有电动自行车车大致可以分为以下几个主要部分:蓄电池、电池管理、充电系统、 驱动系统整车管理系统及车体等。驱动系统为电动车提供所需的动力,负责将电能转换成 机械能。无论何种电动车的驱动系统,均具有基本相同的结构,都可以分成能源供给子系 统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分,其中电气驱动子系统是电动车的心脏,主 要包括电动机、功率电子元器件及控制部分。 2.6.1 驱动方式对两轮电动车性能的影响 目前两轮电动车主要有三种：一是全电动型自行车，二是电动助力自行车(pas),三是 电动摩托车。全电动自行车完全依靠电力就可以行驶，电动助力自行车电机的出力是需 要人力的驱动为前提的,人力和电力的比通常为 1：1,即所谓的 1+1 系统,这种系统在日本 较为通常采用。无论它们两者有这样那样的区别,至少有一点是共同的,这就是要求人力能 够正常骑行,而电动摩托车无需考虑人力骑行问题。由于受当前电池技术的限制以及电动 自行车对蓄电池容量要求不高,当前发展电动自行车以及电动助力车是较为适宜的。根据 国家质量技术监督局 1999 年 10 月 1 日颁布实施的电动自行车通用技术条例规定,电 动自行车的最高时速不得超过 20km。由于这个速度较低,永磁直流电机、永磁无刷直流电 机、开关磁阻电机及交流异步电机这四种电机都能够胜任,但考虑到成本、机械加工以及 技术复杂程度等因素,目前两轮电动车主要采用永磁直流电机以及永磁无刷直流电机。而 开关磁阻电机以及交流异步电机主要用在电动汽车。永磁直流电机以及永磁无刷直流电 机当前都有质量较好的产品,如上海新联的永磁直流有刷电机,采用轮毂电机直接驱动方式, 由于磁阻造成的力矩,以及人力骑行时的电机发电问题,实际使人力骑行时感到十分费力。 中轴式对机械的设计和制造水平较高。通过采用双飞结构,解决了人力骑行困难问题。旁 挂式相对要求较低,只是在后轮上增加了一条链条来驱动,而且骑行时电机不转动,因此不存 在磁阻转矩以及发电问题,可减轻人力负担问题,如果在造型上下点功夫。无疑旁挂式将是 电动自行车非常好的驱动方式。值得一提的是上述的驱动方式还可以进一步划分,如除了 轮毂直接驱动方式外,轮毂电机还有带减速齿轮(减速比为 1：7 和 1：22 两种)以及同步带 减速齿轮(减速比为 1：25)；中轴式可以继续划分为同轴式(减速比为 1：50)以及非同轴式 (减速比为 1：35)。用于电动自行车的电机功率 70235w,主要为 135180w。按照转速可 以归为三类：一是低速电机,主要用于轮毂直接驱动方式,电机转速为 174rpm(240)；二是 中速电机,8001800rpm,轮毂式齿轮减速以及 1 级减速的旁挂式(减速比为 1：5)；三是高 速电机。24004500rpm,主要用于轮毂式同步带减速或齿轮减速,中轴驱动、2 级减速的旁 挂式(减速比为 1：22)以及摩擦式(减速比为 1：17)。 2.6.2 电动自行车驱动系统的构成 电动自行车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两个部分4。其中,机械传动部分 因电动自行车驱动系统布置方式不同而不同。电动自行车对其驱动系统有特殊要求能够 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 16 频繁地起动、停车,加、减速,对转矩控制的动态性能要求高，电动自行车驱动的速度、 转矩变化范围大,既要工作在恒转矩区,又要运行在恒功率区,同时还要求保持较高的运行 效率能在恶劣工作环境下可靠地工作。正因为电动自行车对其电机驱动系统有这些特殊 要求,所以在电动自行车电机驱动系统设计中,驱动电机的选择及整流器、控制器的设计, 都必须考虑到这些特殊的要求。直流电机驱动系统为电动自行车的驱动系统之一,它结构 简单,具有优良的电磁转矩控制特性。与直流驱动电机相匹配的变流器是斩波器,它将固 定的直流电压变成可调的直流电压,调速方法主要是调压调速和调磁调速。采用直接转矩 控制的电机驱动系统,转矩给定值的确定非常重要,它是直接转矩控制的转矩目标值,理想 情况下,电动机的输出转矩就等于该时刻的转矩给定值。所以,转矩给定值应该能够满足 负载的动力需求。因此在电动自行车的电机驱动系统设计中,首先要按照电动自行车的性 能要求,对电机驱动系统的载荷进行分析,也就是对电动自行车行驶所需的的牵引力进行 分析,得出合理的电动机直接转矩控制的转矩给定值。 2.6.3 无刷直流电动机驱动系统 永磁无刷电动机系统可以分为两类,一类是方波驱动的无刷直流电动机系统(bdcm), 另一类是永磁同步电动机系统(pmsm),也称之为正弦波驱动的无刷直流电动机系统。 bdcm 系统不需要绝对位置传感器,一般采用霍尔元件或增量式码盘,也可以通过检测反 电动势波形换相。pmsm 系统一般需要绝对式码盘或旋转变压器等转子位置传感器。从 磁铁所处不同位置的结构上看,永磁无刷电动机可以分成表面型、镶嵌型、深埋式等结构 型式,在电动自行车中也有采用盘式结构或外转子结构的。深埋式永磁同步电动机因其有 高的功率密度、有效的弱控制及方便的最大效率控制而在电动车应用领域倍受青睐,是当 前电动车电动机研发的热点。用在电动车上的永磁同步电动机是将磁铁插入转子内部,得 到可同步旋转的磁极。深埋式转子结构如下图所示,这种电动机在结构设计方面主要有两 个特征:转子磁铁使用埋入式、采用多极化设计。这种设计具有显著的优点: (1)与将永磁体贴在转子表面的情况相比,将永磁体植入转子内部,则即使高速旋转, 永磁体也不会飞散,为此就使设计 10000r/min 以上的超高速电动机成为可能。 (2)对于要求的最大转矩而言,采用下图所示的转子结构,永磁电动机能做得更小。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 17 图 24 正弦波驱动的无刷直流电机的结构简图 3 电动自行车的运行控制 在实际中发电机的构造与电动机是相同的，都是通过定子与转子的磁场作用力产生 电力的。导体线圈在磁场中运动就能产生电流，导体线圈通电在磁场中就能旋转。两者 的不同点就是通电与不通电，由于电动机与发电机有着相同的构造，如果把电动机转动 起来，就像发电机一样发电。但是，这时的发电电流方向与电动机旋转时的电流方向相 反的。电动自行车在正常行驶时，车轮是旋转的，只要停止向电动机供电此时的电动机 变成了发电机为蓄电池充电。一段时间后给电机供电就又变为了电动机，将电能转化为 机械能使电动自行车能够行驶。 3.1 电动机的选择 在所有已有的电动机中,综合性能最好的是直流电动机。过去开发的电动车主要采用 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 18 有刷直流电动机,有刷直流电动机系统调速方便,改变其输入电压或励磁电流就可对其转 矩实现独立的控制,进行平滑的调速,所以有刷直流电动机调速系统具有良好的动态特性 和调速品质。但是有刷直流电动机系统由于电刷和换向器的存在而导致以下两方面的缺 点:第一,必须进行经常性的维修和保养;第二,无法实现高速大容量。这