【文章內容簡介】 考慮到本次畢業(yè)設計 的時間、經費等等因素，以及出于方便安裝調試的目的 ，本次設計的車架主體選用 工業(yè) 6060W 鋁型材，通過角件連接，搭建了一個長方體鋁框，可以方便的與驅動與轉向 系統(tǒng)進行連接，其內部空間可以安放復合電源，其頂部空間也可以在日后的其他研究中放置與添加其他零部件以及實驗操作儀器，進行功能的豐富與擴展。 該工業(yè) 6060W鋁型材結構圖 車架 及結構圖如下： 四輪轉向電動平臺車底盤結構設計 5 圖 工業(yè) 6060W 鋁型材 結構圖 圖 車架主體結構圖 驅動系統(tǒng)設計 一般微型純電動車驅動系統(tǒng)有兩種結構形式，一種是使用輪轂，另一種是通過直流電機以及聯軸器、減速器構成驅動系統(tǒng)。 相比通過直流電機以及聯軸器、減速器構成驅動系統(tǒng)重量大、體積笨重、安裝不易，輪轂電機具有體積小、重量輕、結構簡單、安裝方便等等 優(yōu)點，故此本次設計選用輪轂電機作為本四輪轉向平臺車的驅動裝置，選配 10 寸橡膠輪胎。 其結構圖如下： 四輪轉向電動平臺車底盤結構設計 6 圖 驅動系統(tǒng)結構圖 轉向系統(tǒng)設計 本次畢業(yè)設計之初，擬選用步進電機作為轉向驅動機構，通過齒輪驅動車輪轉動來達到控制轉向的目的，后來考慮到齒輪的機械加工加工周期長、費用高，故最終選用步進電機作為驅動機構，通過聯軸器連接車輪與步進電機，來完成轉向控制。 本章小結 本章 主要從復合電源系統(tǒng)、底盤結構兩個方面分別 簡要概述了一下本次畢業(yè)設計的四輪轉向平臺車的總體設計方案，并展示了部分結構圖示。 四輪轉向電動平臺車底盤結構設計 7 第三章 復合電源 系統(tǒng) 選型設計 復合電源 概念 復合電源系統(tǒng)是將兩個或者兩個以上的能量存儲裝置組合在一起，以使每一個能量存儲裝置都能發(fā)揮其優(yōu)點，并使其缺點可由其他的能量存儲裝置予以補償。本質上，復合電源系統(tǒng)對兩個基本能量存儲裝置的要求為：一個具有高比能量，而另一個具有高比功率 [1]。 有資料表明 在汽車常用的能量儲存裝置中 ，所具有的比能量比較高的是 電化學蓄電池和燃料電池，而 所具有的 比功率比較高的則是 超級電容器和飛輪電池。因此，本次畢業(yè)設計選用鉛蓄電池和超級電容器并聯構成 四輪轉向平臺車復合電源系統(tǒng)，并通過 添加一個 功率分配器 對其 進行功率分配， 復合電源系統(tǒng)總體 結構如圖 所示： 圖 復合電源系統(tǒng)總體結構 復合電源工作原理 復合電源系統(tǒng)工作原理如圖 所示， 車輛在行駛過程中的需求功率會不斷變化，當車輛行駛 期間 需求功率大 于最大穩(wěn)態(tài)行駛功率 時，蓄電池以及超級電容都會對外輸出功率 ， 其中 超級電容器 組作為輔助功率輸出裝置 用于 輸出 最大穩(wěn)態(tài)功率以外的 需求 功率； 而當 車輛行駛期間需 要的 功率介于零到最大穩(wěn)態(tài)行駛功率之間時，則只有蓄電池對外輸出功率以驅動電機輸出扭矩使車輛正常行駛；當車輛行駛期間需求功率小于零時， 超級電容器 則會 吸收車輛在進行 再生制動 的時候 驅動電機 反饋 的再生制動能 ，從而提高能量利用率 。 已有實驗表明 蓄電池 的 能量特性 比較突出 ，而超級電容器 的 功率特性 比較突出 [1]， 所以 在蓄電池和超級電容器之間需要 添加一個 功率分配控制器來協(xié)調 蓄電池和超級電容器組 的輸入輸出特性，從而 合理分配 蓄電池和超級電容器 的輸出 功率。 如果不添加這個功率分配控制器，將導致 蓄電池 與超級電容器的輸出端電壓相等，從而 使得 超級 電容器 只能在蓄電池輸入輸出功率發(fā)生快速變化時提供功率輔助， 而無法控制 其負載均衡 。 四輪轉向電動平臺車底盤結構設計 8 圖 復合電源系統(tǒng)工作原理 圖 （ a）是車輛在穩(wěn) 定 行駛工況時 復合電源系統(tǒng) 的工作模式圖。當車輛穩(wěn)定行駛時， 驅動 車輛 行駛 所需要 的功率全部都由鉛酸蓄電池供給。并且，在超級電容器組的剩余電量不足時，蓄電池除了要對外輸出提供車輛穩(wěn)定行駛的功率之外，同時還要輸出一部分功率來給超級電容器組充電，以使超級電容器組在加速或上坡時有足夠的電量輸出以滿足此時需求的功率。 圖 （ b）是車輛在加速或爬坡工況時復合電源系統(tǒng)的工作模式圖。當車輛在加速或者爬坡時，蓄電池輸出 的功率小于最大穩(wěn)態(tài)行駛功率，而超級電容器組則作為輔助功率輸出裝置負責輸出 超過 最大穩(wěn)態(tài)行駛功率 的那部分功率 。當然，在超級電容器剩余電量不足時，則由鉛酸蓄電池單獨提供車輛在加速或者爬坡時所需求的功率。 圖 （ c）是車輛在制動或者下坡時復合電源系統(tǒng)的工作模式圖。當車輛進行制動或者下坡行駛時，電動機會反饋部分再生制動功率，此時的再生制動功率由超級電容器組獨自吸收，而為了防止鉛酸蓄電池受到大功率的沖擊 ，鉛酸蓄電池在車輛進行再生制動時不吸收再生制動功率。 （ a）穩(wěn) 定 行駛 工況 （ b）加速或爬坡工況 四輪轉向電動平臺車底盤結構設計 9 （ c）制動或下坡工況 圖 復合電源系統(tǒng)不同工況工作模式原理圖 復合電源系統(tǒng)儲能裝置參數匹配 蓄電池參數匹配 蓄電池是制約當今世界純電動汽車發(fā)展水平的一個關鍵因素，作為純電動汽車重要的儲能裝置，要想在全國乃至全球范圍內全面推動純電動汽車的發(fā)展與推廣，蓄電池必須滿足比功率高、比能量高、使用壽命長和價格低廉等等條件。目前，常用的純電動汽車動力蓄電池是鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池這三種動力蓄電池的簡單性能對比如表 所示。 表 動力蓄電池性能比較 系統(tǒng) 比能量/(Wh/kg) 比功率/(W/kg) 能量效率 (%) 循環(huán)壽命 工作溫度范圍 (℃ ) 自放電(%/48h) 價格 /(美元 /kWh) 鉛蓄電池 20~50 50~400 80 300~400 0~+45 120~150 鎳氫電池 70~95 200~300 70 750~1200+ 30~+50 6 200~350 鋰離子電池 80~130 200~300 95 1000+ 30~+55 200 表 這三種蓄電池性能的對比表明，鎳氫電池與鋰離子電池都能夠較好的滿足純電動汽車對蓄電池各方面性能的要求，但是其市場價格相對于鉛酸蓄電池的市場價格比較高昂，而這一點將制約這兩種蓄電池在純電動汽車上的運用。而鉛酸蓄電池盡管有著些許的缺點，但是其比較低的價格反而大大提高了其同鎳氫電池與鋰離子電池的市場競爭力。另外，由于其問世時間更早，應用更廣泛，因而鉛蓄電池的技術也相對成熟。鑒于鉛酸蓄電池的技術比較成熟，而且價格低廉，純電動汽車尤其是微型純電動汽車一般選擇鉛蓄電池作為能量純純裝置，因此在本次畢業(yè)設計的復合電源系統(tǒng)選擇 鉛酸蓄電池作為高比能量的能量存儲裝置。 當復合電源系統(tǒng)能量儲存裝置整體的能量和功率剛好能夠滿足車輛在行駛的時候需求的能量和功率的時候，是復合電源系統(tǒng)的最理想設計。蓄電池在進行容量計算的時候，其性能參數要滿足 系統(tǒng)的電壓等級要求、能量要求、功率要求、最大充放電電流要求等 [1]， 然而因為有超級電容器補償放電的原因，復合電源系統(tǒng)能量儲存裝置中的鉛酸蓄電池在進行參數匹配的時候只需要滿足電壓等級要求和能量要求 。本次畢業(yè)設計的復合電源系統(tǒng)主要是一種微型無人四輪轉向平臺車，其整車參數如表 。根據本次設計的參數要求， 本 次畢業(yè)設計選用的 蓄電池電壓等級取為 36V。 四輪轉向電動平臺車底盤結構設計 10 電池能量的計算公式為： 1 0 0 0/CUD O U=W b a tte ryb a tte ryb a tte ry （ 31） 式中 ： batteryW 蓄電池組的實際能量（ kWh）； DOU 蓄電池組的平均工作電壓（ V）； batteryU 蓄電池放電深度，本文取 ； batteryC 蓄電池的安時容量（ Ah）。 表 整車參數及動力性能參數 總長總寬總高（ mm） 900500450 整備質量（ kg） 120kg 最大總質量（ kg） 150kg 最高時速（ km/h） 30 最大爬坡度 30176。 車輪滾動半徑 （ m） 滾動阻力系數 f 傳動系機械效率 迎風面面積 A（ m2） 風阻系數 Cd 假設 平臺車以速度 v（ km/h） 勻速 行駛，其行駛 S（ km）時所需的能量 可由式（ 32）、（ 33）計算： v) AvCm gf(η36001 2d ?+=P （ 3 ） v/Pt sP==W （ 33） 式中： ? 整車傳動系機械效率； dC 風阻系數； f 滾動阻力系數； A 車輛迎風面面積 （ m2） ； P 汽車以速度 v 行駛所需的功率（ kW）； W 汽車以速度 v 行駛距離 S 所需 要 的能量（ kWh）。 將表 的參數代入上 面的公式 （ 32） 、 （ 33） ，在滿足 30km/h 等速行駛 100km 的要求的前提下蓄電池要提供的總能量為 = 。將需要的總能量代入公式 （ 31） 可以得到蓄電池容量 = 。又由于在選取蓄電池容量的時候必須滿足： WWbattery （ 34） 另外需要 對蓄電池的容量設計留有 一定的設計余量，故選擇蓄電池容量為 25Ah。所選取的蓄電池參數如表 所示。 四輪轉向電動平臺車底盤結構設計 11 表 鉛酸蓄電池參數 額定容量 25 單節(jié)額定電壓 12V 單節(jié)質量 尺寸（ mm） 175166118 總電壓 36V 電池節(jié)數 3 超級電容器參數匹配 在進行超級電容器的參數匹配時， 首先必須要滿足車輛在加速和進行再生制動時候的能量需求，其次要綜合考慮其質量、體積、價格、效率等等問題。 超級電容器最高和最低電壓的計算必須根據復合電源系統(tǒng)中的 DC/DC功率變換器的變換系數和蓄電池組的電壓，其中DC/DC功率變換器的變換系數應小于等于 4[1]， 上面進行蓄電池參數匹配的時候提到， 本次畢業(yè)設計 四輪轉向平臺車的鉛酸 蓄電池 電壓等級為 36V， 所以 超級電容器組的最小電壓 是V9=4/36=U Low 。而在實際應用中， 一般按照超級電容的電壓從其額定電壓放電到其額定電壓值得一半計算，所以超級電容器的額定電壓值為 V18=92=U2=U L owuc 。 平臺車行駛時的動能計算公式如下： 2k mv21W = （ 35） 根據超級電容器組的最高電壓值和最低電壓值的限制，可以得到超級電容器中所存儲的最大能量為： )U(C21W 22UpUCUC L owU= （ 36） 式中： UCC 超級電容電容量； UpU — 超級電容器組最高電壓值； LowU — 超級電容器組最高電壓值。 當 超級電容器組 的電壓 從額定 電壓 值降低到額定 電壓 值的一半（ 即 ULow=），則超級電容器組釋放的總能量為： 2UpUCUC UC83W = （ 37） 復合電源系統(tǒng)中超級電容器的最低能量容量必須滿足車輛在最高車速下再生制動所能回收的總能量要求或加速到最高車速時車輛所需釋放的總能量要求。即： UCW=Wk （ 38） 從而可得超級電容器的電容量為： 2UpkUC U3W8C = （ 39） 本次畢業(yè)設計的四輪轉向平臺車的最快車速是 30km/h，整車最大質量是 150kg，所以四輪轉向電動平臺車底盤結構設計 12 由式（ 35）， 本平臺車在最高車速下行駛的最大動能 KJ2085Wk ?? 。由式（ 39） 計算得超級電容器的電容量 = ?？紤]到 輪轂電機 的能量損失，及驅動電路本身的效率問題，在計算 平臺車的 最大加速能量時必須比 平臺車 最大動能高 50%[1]，可得： ）=+1 （）=+1（=WW kuc （ 310） 因此，由公式 （ 39） 可得： =CUC 通過對市場上的超級電容器產品進行分析 ， 并考慮到 上 面通過 計算 得到的 結果（ UUC=18V， CUC=） ， 可選 7 個 、 10F 的 超級電容通過串聯形成 超級電容器組。因此，按照所選超級電容器組的參數重新計算該電容器組所包含的最大能量，確定其滿足能量要求。應用式 （ 37） 可得 =Wuc ，很顯然大于式 （ 310）