混合动力自行车驱动装置方案设计开题报告

1、1 选题的背景与意义1.1 国内外研究现状和发展趋势混合动力自行车是自行车家族中的一个重要成员。美国通用公司和克莱斯勒公司前总裁现都潜心于研究混合动力自行车及其电池，德国的奔驰公司和日本的本田、铃木、雅玛哈等世界知名的汽车、摩托车公司和松下（松下和丰田合作搞电动汽车）、三洋等世界知名企业都在投入巨资研发混合动力自行车的基础上，现已进入产业化阶段。由此可见混合动力自行车的发展前景。我国混合动力自行车车的研究相比欧美国家起步较晚。直到上个世纪90年代中期，我国才掀起开发研究的高潮，虽然我国混合动力自行车研究起步晚，但从技术的角度，我们并不落后于世界。我国混合动力自行车产业基本保持与世界同步发展1。 混合动力自行车核心技术包括三个方面：电机与传动、控制器与控制技术、电池等,涉及电气、电力电子、控制、机械等多学科。本论文研究的是驱动装置的方案设定，故重点介绍电机与传动方面的研究成果。国内目前我国混合动力自行车所使用的电机一般为直流电机,它具有体积小,效率高,调速性能优良等特点。直流电机有可分为有刷直流电机和无刷直流电机。有刷直流电机内部有碳刷和换向器，它应用技术成熟,高速范围宽,构成的控制系统

2、简单,成本相对较低,过载能点强,因为通过机械换向,故不需要位置传感器。无刷直流电机内部没有电刷(碳刷)和换向器,其转子一般由永磁体构成,这样构成的永磁无刷直流电机因其转子没有励磁损耗,效率较高,得到了广泛的应用。但无刷直流电机也有一定的缺点就是由于控制系统相对较为复杂,所以成本相对较高。不过随着永磁无刷直流电机的性价比不断提高,其应用将日趋广泛。在传动技术方面，主要有一下几种：摩带式传动：摩带头易磨损打滑，效率不高.中置式传动：将电机和减速机构放置于中轴位置，国内使用较少。侧挂式传动：属于轴传动范围，具有轴传动的优点。轮榖式传动：传动效率高，造型精巧，应用越来越广泛。国内常用的是轮毂式传动1。国外前面讲到从技术角度，国内的混合动力自行车技术并不落后于世界，故这里选取国外一些典型的混合动力自行车进行介绍。日本：艾纳库尔非助力电动自行车，可以三种方式骑行（电驱，人力，或两者结合），装备的电源为Cd-Ni电池。骑行时人力先启动，之后再转入电动模式。为双斜梁车架的坤车，电池板为后置式，车型为轮毂电动机后躯式。智能控制器固定在中轴后上方。美国：军马牌电动自行车。中轴链驱动，电池斜放在前斜梁上，装

3、有7档变速箱，并有电脑控制系统和防盗密码，电动机功率为375w，可称全球自行车用电动机之首。欧洲：以德国为例。德国电动自行车电源以Cd-Ni电池为主，充一次电续驶能力一般为20km2。 发展趋势电动机：重量轻，容易安装，易省电能，并且容易调控转速。电动机的调速控制方面：采用最新电力电子器件和集成电路，达到智能控制的境地。控制电路中兼有对电池电量监视系统，当电池放电达到临界点时可以自动切断电源，保护电池免受过量放电而损坏或影响寿命。电池：趋于坚实耐用，镉镍，氢镍电池自不必说，就是铅酸电池也可以任意放置而不必担心漏 3。1.2 研究意义从技术角度看：混合动力自行车是电动自行车和汽油助力车的技术结合产品，它继承了汽油助力车行驶里程不受限制与电动车零排放行驶两者的优点，适应了城市化的环境要求，如城市内选择零排放（电池动力）行驶，郊外远距离里程选择HEV （内燃机发电/ 电池混合动力）行驶。从我国国情及国家的政策看：13 亿的人口基数巨大，若全民普及汽车，交通、环境、燃料消耗的压力之大难以想象。电动自行车、摩托车已是广大国民生活中不可替代的个人交通工具。而混合动力自行车是电动自行车和摩托车的升级

4、取代技术之一，是当今世界混合动力车技术系统蓬勃发展的另一个主流轻型化、小型化的个人交通工具。从节能的角度看：混合动力自行车比电动车及汽油车更加节约能源。据初步测算，一辆轻型电动车（250W 400W）百公里耗电约3 度左右，以年行驶1 万公里计算，全年耗300 度，以0.8 元/ 度平均价计算，电费大约需要240 元。而与目前百公里油耗3 升的摩托车相比（10000km）油费约为1800 元，而以1.6升排量、百公里油耗7 升的汽车相比，每辆汽车（10000km）油耗700 升，油费约为4000 元；而每辆混合动力电动车百公里油耗1 升600 元。每年与摩托车同比油耗将节约1100 元左右，与汽车同比油耗将节约3400 元左右。 从环保角度看：混合动力自行车排放量是摩托车的1/3，汽车（以1.6 升排量为例）的1/40。而且混合动力自行车是汽油发电和电池交替驱动的，这样废气排放量又可以减少一半左右。从电池的利用率角度看：混合动力自行车的电池寿命可以提高2 倍以上，因为边骑车边充电的浮充电特性使电池容量经常保持较满的状态，避免了深度循环放电导致的电池损坏4。2 研究的基本内容与拟解决的主

5、要问题2.1研究的基本内容设计具有可行性的蓄电池供能驱动和辅助动力单元（人力脚踏机械能）驱动的混合动力方案。1. 电机：包括各种车用电机的对比，电机的选择2. 电池：铅酸蓄电池，碱性蓄电池，燃料电池的对比和选择3. 传动系统：摩带式，侧挂式，轮榖式，中置式传动的对比，与电机最佳配合的设计4. 控制系统：控制器的选择，混合驱动实现方式的研究以及驱动电路的设计 2.2 拟解决的主要问题 1 如何选择最佳的电机 2 如何选择最佳的蓄电池 3 如何设计蓄电池供能驱动和辅助动力单元（人力脚踏机械能）最佳配合方式 5 如何对动力进行总成优化 6 如何对整车结构进行合理布局 7 如何对驱动装置局部进行合理布局 8 如何选择最优的控制器 9 如何对控制系统的驱动电路进行最优设计 3 技术路线、研究方案与可行性分析驱动方式的确定电机的确定电池的确定YesYes配合方案的设计，比较及选择NoNoNo控制系统中控制器的选择，驱动电路的设计及其优化NoYesYes3.1驱动方式的选择轮榖式：把直流电动机做成车轮的轮毂形式，以便于直接安装在车轮上。轮毂式直流电动机的外形尺寸岁电动机类型而定，而电动机的功率大小也

6、决定了电动机的外形尺寸。轮毂电动机装在前轮直接驱动前轮称为前驱，装在后轮直接驱动后轮称为后驱。前驱式结构和安装都比较简单，而后驱不仅安装和调试费事，而且电动机外部构造也显得复杂。不过就性能来说是一样的。中轴式：直流电动机安装在自行车中轴部位，通过链条驱动自行车后轮。一般通过减速机构末级链轮带动链条。综合电动箱：作为一个综合体，能够作为车用电源的电池，指令机构的控制器，执行机构的电动机，传动机构的减速系统。都是后轮驱动式。对后轮的驱动方式又可分为2种：链条驱动式和摩擦驱动式。链条驱动式是由减速机的末级带动链条。摩擦驱动式是由一个腰鼓形的钢辊做摩擦轮驱动车轮轮胎转动，摩擦轮由电机直接带动，并与电机组成一个整体，以悬吊的方式固定在电动箱内5。3.2 电机的选型混合动力自行车对电机的性能有四大要求：即加速性能，稳速性能，长时工作性能和爬坡性能。所以电机选择的原则是：1.根据传动方式确定电机的类型2根据运行要求，用途以及轮径确定电动机的几个额定值，如功率，转速，转矩等。根据用途和车型确定电动机的额定电压。电机类型的选择：(1)高速有刷电机加减速器,该电动轮毅存在“有刷”,和“减速器”2 个薄弱环

7、节,目前仅有个别厂家采用,主要原因是这类驱动方式有较快的加速性和较强的爬坡能力。实际上,这也是通过大电流消耗较多能量获得的。(2)低速有刷电机。该型电机存在“有刷”一个薄弱环节,但因转速较低,相对于高速有刷电机而言,换向器和电刷间存在的问题得到较大改善。再加上因为没有减速器,所以在不长的时间内逐步取代了高速有刷电机,但这种电机仍存在两方面的问题。问题之一是因为仍有换向器和电刷,所以机械磨损、电火花、更换电刷和维护依然存在。问题之二是这种电机功率密度低,耗材多,制造成本高。(3) 高速无刷电机加减速器。该电动轮毅有“减速器“一个薄弱环节,它和低速有刷电机相比,对各个方面综合分析难分伯仲。(4)低速无刷电机。该电动轮毅因为不存在以上2个薄弱环节,所以可靠性高,寿命长,效率高,免维护,是值得推广采用的一种驱动电机。在不久的将来,在电动车行业将得到广泛使用。尤其是目前已解决与其配套的控制器故障率高等问题,应用前景十分广阔.电机功率的选择（如图一）：图一对于特殊情况下,如路况不好、坡度较大而使用的电动自行车,可选用较大功率的电机。应该说明,在选用电机功率时,不是简单地选用150 w还是180w电

8、机,实际上电机功率是由电机的额定工作点决定的,而电机的额定工作点是电机的机械特性曲线和自行车的负载特性曲线的交点。同样一台电机应用在不同规格(16寸,18寸、20寸、22寸、24寸)的车体上,车速是不同的,电机实际输出功率也不同。电机效率的选择：在选用电机时,除注意最高效率外,更重要的是分析电机特性曲线,以确定电机实际工作点是否在最高效率点附近。另外,依据电机效率选择电机时,除研究分析额定效率外,还应注意到电机的体积和重量。一般情况下,体积大、重量重的电机有较高的效率,但制造成本、价格相对较高。除此之外，电机选择是还和爬坡能载能力和加速性，外表结构有关。这里不做重点研究，只需尽可能使电机质量小一些6。3.3电池的选择由于蓄电池的应用率最高，故本文主要讨论蓄电池的选择7。选择混合动力自行车使用的蓄电池应主要考虑以下问题:(l) 较高的体积比能量电动自行车属于一种昂贵的民用消费品,一般都具有较为美观的外型,整车品牌厂均在这方面大下功夫,电池盒模具已经定型,采购的蓄电池外型尺寸一般为150mm x 8mm x 98mm。因此,蓄电池供应商必须在此框架下,做增加容量的文章。提高容量的意义是十分

9、重要的。(2) 良好的循环寿命 (3) 良好的工艺一致性3.4 配合方案的设计，比较及选择配合方案需要达到的要求：1在脚踏和电力驱动并用时，骑车人能与电机很好的配合，不致感到紧张和过急。2在单独脚踏驱动时不会感到吃力8。方案一：电池控制器电动机链条链轮驱动轮人力驱动 方案一方案一采用人力驱动和电机驱动两套独立驱动系统。可以采用人力单独驱动，电机单独驱动或者人力和电动机混合驱动三种工作方式。在启动，低速及轻载行驶时，电机关闭，可以完全由人力驱动。在正常行驶，加速及爬坡工况时，人力和电机同时工作驱动自行车。两种驱动系统互相独立，不会因为其中一个系统损坏而影响另一个系统，同时结构较简单。电池控制器电动机链条链轮驱动轮人力驱动发电机方案二（1）电池控制器电动机发电机链条链轮驱动轮人力驱动 方案二（2）方案二 ：方案二加入一个发电机，人力驱动输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。在这种结构中，人力驱动的唯一功能就是用来发电，而驱动车轮的转矩全部来自电动机。当人力驱动的发电功率大于电动机的功率是（如减速滑行，低速行驶等）控制器控制发电机想电池充电，当人力驱动的发电功率低于电动机所需的功率时（如起步，加速，高速，爬坡），电池向电动机提供额外的电能。电池控制器电动机链条链轮驱动轮人力驱动功率分离装置发电机 方案三

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