毕业设计开题报告
电气工程及其自动化
一、前言
汽车是现代文明的主要标志之一，同时也是人类智慧的结晶[1]。汽车工业作为国民经济支柱产业之一，在国内市场中，具有潜力大、产业关联度高、带动就业面广、积累资金能力强等特点，在促进国民经济快速发展上，做出了巨大的贡献[2]。它虽然在推动社会快速发展上起到不可磨灭的作用，但给人类带来的危害也是相当大的。
随着汽车数量剧增，它给空气、土地资源、水资源、人文环境及人类的生存和健康带来诸多不利影响[3]。这些影响还会相互叠加，从而引发更多不可预知的问题。其中，尾气污染和噪声污染是内燃机汽车对环境的两大危害，它们威胁着我们赖以生存的大气，同时也威胁着我们的身心健康[4]。
由于燃油在汽缸内的不充分燃烧，汽车尾气中含有一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物以及对人体产生不良影响的一些其他固体细微颗粒物[5]。以二氧化碳为例，它是造成温室效应的主因。目前，全世界二氧化碳的排放量已超过200亿吨，其中汽车的排放量约占10%～15%，汽车尾气排放物中的二氧化碳
占废气总量的20%。据统计，城市噪声中，交通运输噪声占75%，而汽车在交通噪声中占了85%[2]。
本田 honda普通的内燃机汽车是石油的消耗大户，撇开我国人均石油占有量极低的情况，就全世界而言，石油毕竟属于一次能源，而且还是不可再生能源，终有一天会消耗殆尽。再加上每年汽车总产量都在不断地攀升，石油消耗的速度会越来越快。而电动汽车所用燃料都是可再生、不易产生环境污染的能源，因此电动汽车的研发和生产显得迫在眉睫[6,7]。
二、电动汽车的分类及现状
电动汽车是指以自载电池为电源，依靠大功率电动机提供动力的新型交通工具[5]。早在19世纪后半叶，英国人罗伯特·戴维森（Robert Davidsson）制作了世界上最初实用电动汽车。这比德国人戴姆勒（Gottlieb Daimler）和本茨（Karl Benz）
发明汽油发动机汽车早了10年以上。进入20世纪以后，不断进步的内燃机技术，以及制造汽油机汽车的流水线生产方式致使蒸汽机汽车与电动汽车在市场竞争中，由于存在着技术及经济性能上的不足，前者被无情的岁月淘汰，后者则呈萎缩状态[8]。由于电动汽车具有低排放甚至是零排放、低噪声、能量效率高、驱动能源多样化、结构简单、便于维修等优点[9,10]，在20世纪90年代初，许多世界汽车集团公司如Ford、GM、Nissan、Toyota和Honda等，都投入了大量资金研制出多种电动汽车以及电动汽车概念车，如Ford的Think city，GM的EV1，Toyota的RA V4、PRIUS和FCEV，Honda的EV PLUS、Insight和
FCX2V3等[11,12]目前，电动汽车一般分为三类：纯电动汽车（PEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）[13]。
纯电动汽车（PEV）完全由可充电电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）向电动机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车前进。它由电源、驱动电动机、电动机调速控制装置、传动装置、行驶装置、转向装置制动装置和工作装置等部分组成[14]。其技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。只要克服蓄电池单位重量能够存储的能量太少，且电池较贵，以及电动汽车充电站的普及这两个难题，基本上就能实现批量生产这一目标[15]。其中众泰汽车的众泰5008EV就是一个很好的例子。
浙江金华市的众泰控股集团有限公司成功开发出一次充电可行驶200公里的电动汽车。除一次充电可长距离行驶外，在车上还配备了车载充电机，只要有220V民用电源的地方就可为电动汽车补充电源。这款电动汽车最大功率27千瓦，最高车速可达110公里/小时，充满电后续驶里程为200公里，百公里耗电仅12度，比同级别的汽油车至少节约了4/5的成本[16]。
混合动力汽车（HEV）是将内燃机和电动机/发电机配合运用的汽车。内燃机的存在解决了耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题，而有了电动机，在短途行驶时，则可以关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放，不过长距离高速行驶基本不能省油。他最大的缺点是，有两套动力，就必须
配备两套控制系统，因此结构复杂，价格较高。混合动力电动汽车在结构上可以分为串联式、并联式和混联式。目前，如丰田（TOYOTA）公司的PRIUS系列车、本田（HONDA）公司的EV PLUS车都属于混合动力汽车[17]。
日本丰田汽车公司商品化的混合动力车PRIUS是一辆以汽油化学能和电能为驱动力的混合动力汽车。2008年4月底丰田普锐斯混合动力车在全球的总销量已超过百万，达102.8万辆。PRIUS因此被称为丰田在美国市场的“挣钱机器”[8]。
燃料电池汽车（FCEV）是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。燃料电池的能量转换效率比内燃机高出数倍，从能源利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。但燃料电池成本过高，给其推广造成一定阻碍[1]。FCEV具有很大的潜力，可望在10～15年以后实现实用化[18-21]。目前，在我国，上海通用上海泛亚汽车技术中心、东风电动车辆公司有研制出相关车型[22]。
三、电动汽车驱动系统中电动机的比较
电机驱动系统是实现整车驱动性能的关键，而驱动电机则是关键的关键[7]。目前，电动汽车驱动系统中采用的驱动电机有很多，其中主要有直流电动机（DC）、开关磁阻电动机（SRM）、交流异步电动机（M）和直流无刷电动机（BCDM）[23]。
1.直流电动机
目前电动汽车上广泛采用直流电动机，因为这种电机具有“软”的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但由于直流电动机存在换向火花，效率较低，维护保养工作量大，这些都限制了汽车整体性能的提高[24]。
2.开关磁阻电动机
开关磁阻电动机70年代开始研制，80年代中期发展起来的新型交流调速系统。它兼有异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的特点，它结构简单，没有换向器，控制方法灵活，启动转矩大，调速范围大，维护容易，成本低并且能在恶劣的环境下稳定工作[25]。
3.交流异步电动机
交流异步电动机（又称感应电机）以鼠笼式感应电机应用最为广泛。结构简单，运行可靠，维修方便，价格便宜，并且对环境的适应性好。但是感应电机的噪声比较大，效率比其他开关磁阻电机和直流无刷电动机低，且存在损耗大，需要不停地冷却问题有待解决[26]。
4.直流无刷电动机
应用于电动汽车驱动系统的直流无刷电动机主要是永磁无刷电机。它按驱动电流不同可以分由方波驱动的无刷直流电动机系统（BLDCM ），和由正弦波驱动的永磁同步电动机系统（PMSM ）。
直流无刷电动机一方面保留了直流有刷电动机良好的调速控制和运行特性，并消除了其由于机械换向而产生的火花，具有功率密度高、散热性能好和转速高等优点。另一方面，高性能的稀土永磁材料、新型大功率半导体器件和功能强大的计算机芯片都为大功率的直流无刷电动机在电动汽车驱动系统中的应用奠定了坚实而强大的基础[23,27]。另外，我国是一个稀土大国，稀土藏量约占世界总矿藏量的3/4，这为研究和开发驱动器件，以及促进我国高科技的发展提供了相当便利的条件[7]。
以上简单介绍了各电机的特性，下面我们用表格的形式来呈现它们之间的特性关系。
表1 电机驱动系统评价指标[7]
n P T T T =
ζ—过载转矩系数；n P P P P =ζ—峰值过载功率系数；m T P T =ρ—转矩密度；
m
P P P =ρ—功率密度； P T (N ·m)为峰值过载转矩；n T (N ·m)为额定转矩；
P P (kW)为峰值过载功率；P P (kW)为额定功率；m(kg)为驱动电机的质量；m ax N (r/min)为最大转速；n N (r/min)为额定转速。
表2 各种驱动电动机性能比较[23]
从上述两表中可以看出，直流无刷电动机的总体性能比其他几种电机好。
四、课题的研究内容及大体思路
此次研究的课题题目为“直流无刷电动机在电动汽车驱动系统的应用设计”。从其中可理解为，以直流无刷电动机为电动汽车中的驱动电机，完成其驱动系统的设计。
电动汽车的驱动系统，根据驱动电机的数量，可分为单电机驱动系统和多电机驱动系统。单电机驱动系统使用传统的机械差速器，将电机动力分配到驱动轮，该驱动系统一般为二轮驱动。在此二轮驱动形式中，根据驱动电机在车辆中的位置和驱动轮的位置，可分为前置后驱(FR)、前置前驱(FF)、后置后驱(RR)、中置后驱(MR)等形式。多电机驱动系统采用多个电机驱动各驱动轮，该系统可分为二轮驱动系统和四轮独立驱动系统，其中二轮驱动系统又分为两前轮独立驱动和两后轮独立驱动。
在单电机驱动系统中，前轮驱动系统是如今最为广泛应用的。相比于其他单电机驱动系统，它有降低汽车的成本，减轻整车的重量，扩大车内的空间等优点。但是由于大多数重量都集中于车的前部，车的后部将会变得轻些，这将导致汽车
发布评论