轮毂电机制动能量回收控制器设计(附件)
如何提高纯电动汽车的续驶里程与能源利用效率是汽车行业研究的重点问题，而制动能量回收再利用是众多方法之一。本文选取直流无刷电机作为双轮毂电动汽车的驱动电机，对双轮毂电动汽车的能量回收控制器进行研究。首先，对直流无刷电机的电路和工作原理进行分析，采用通用的三相桥式逆变电路作为电机的驱动电路，开关管导通方式采用两两导通。另外，分析在制动回馈时，直流无刷电机作为发电机的工作原理及开关管导通顺序。其次，叙述制动能量回收控制器的控制原理与总体设计。再次，对于控制器所涉及的芯片STC89C52RC、LM2576HV、XL6009E1 ，介绍其作用并查阅芯片手册计算搭建外围电路。最后，用Altium Designer设计绘制控制器总的电路图，并完成PCB设计。关键词轮毂电机、制动回馈、STC89C52RC、能量回收控制器
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究意义 1
1.2 轮毂电机的发展现状 2
1.2.1 国外轮毂电机驱动技术发展现状 2
1.2.2 国内轮毂电机驱动技术发展现状 3
1.3 能量回收发展现状 4
1.4 本文研究内容 4
2 轮毂电机制动能量回收控制器设计 5
2.1 轮毂电机的结构和工作原理 5
2.2 轮毂电机的驱动电路和运行状态 6
2.3 轮毂电机再生制动 8
2.4 轮毂电机制动能量回收控制器原理 10
3 元件选型 11
3.1 制动能量回收控制器MCU选型 11
3.1.1 控制芯片STC89C52RC简介 11
3.1.2 STC89C52RC芯片内部结构 12
3.1.3 STC89C52RC芯片引脚和功能接口介绍 12
3.2 超级电容输出端降压电路芯片选择 14
3.2.1 降压电路芯片选择 14
3.2.2 芯片LM2576HV外围电路元件选择 14
3.3 超级电容输入端升压电路芯片选择 15
4 轮毂电机制动能量回收控制器原理图绘制 17
4.1 绘制电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
源电路 17
4.2 串口通信电平转换电路 17
4.3 超级电容输出端降压控制电路 17
4.4 超级电容输入端升压控制电路 18
4.5 轮毂电机制动能量回收控制器原理总图 18
5 PCB绘制 19
5.1 元器件导入与布局 19
5.2 添加Mark点 20
5.3 添加泪滴 20
5.4 覆铜、布置地过孔 21
5.5 DRC规则检查 21
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
1 绪论
汽车自从诞生已有百年，从三个轮子变到四个轮子，从奢侈品转变为千家万户的代步工具。汽车工业极大地加快了人类脚步，但随着汽车保有量的不断增加，汽车所带来的弊端也不断的显现。在传统能源日益减少的情况下，传统燃油汽车消耗大量的化石能源，产生大量汽车尾气，对环境污染日益严重，而新能源汽车却可以解决目前的困境，新能源汽车可以实现零污染、零排放，这样只需从源头治理废气排放问题。但中国主推的纯电动汽车仍然存在续驶里程短、动力电池单体比能量低、充电时间长等问题。因此，我们如果找到一些能提高能源利用率的方法，就可能解决目前的困境。而制动能量回收再利用就是其中的一种方法。
1.1 课题的研究意义
目前，电动汽车仍有许多问题亟待解决。电动汽车续驶里程短：以长安CS15EV为例，综合续航里程为300公里，在60km/h等速情况下为350公里。再以吉利帝豪GSe为例，在NEDC循环工况下，它的综合续航里程为353公里，在60km/h等速情况下，续航为460公里。但在实际使用时，需要考虑行驶阻力和路况，因此实际续驶里程应该略低一些，并且若在电池电量低于20%继续使用，则会加速电池损坏。电动汽车充电时间长：一般正常的充电时间为8小时左右，快速充电时间为2小时左右。电动汽车的配套设施不完善：目前，国内的充电站覆盖率很低。
提高车辆能源的利用率，是解决上述问题的一个有效途径。在城市工况下，由于红绿灯、堵车，汽车频繁的工作在启动、加速、减速、制动4种状态下。传统的内燃机汽车在制动、减速时，只能通过机械摩擦进行制动，汽车的动能全部转化为摩擦热能耗散掉了，这种制动方式浪费了汽车行驶的动能，使能量利用率降低。纯电动汽车用电机作为驱动系统。在电动汽车正常行驶情况下，电机作为电动机工作，电动汽车电池的能量转化为电动汽车行驶的动能。在电动汽车减速和制动情况下，电机作为发电机工作，把电动汽车行驶的动能转化为电动汽车电池的能量。用上述办法，可以增加汽车的行驶里程数，同时提高汽车的能源利用率。美国电为科学院在研究能量回收时，在城市中做了实验，实验结果显示：采用再生制动技术的车辆，则汽车续驶里程可以増加10%~25%。所以，对电动汽车制动能量进行回收是重要的研究方向[1]。
1.2 轮毂电机的发展现状
1.2.1 国外轮毂电机驱动技术发展现状
国外有两大阵营进行轮毂电机研究：轮胎公司通常研究电动轮系统，而整车公司通常与电机公司共同研究电动汽车[2]。
2003年，在东京汽车展上，日本BRIDGESTONE公司展出了自己研发的轮毂电机和低滚动阻力轮胎匹配技术。这款轮毂电机具有消弱振动的功能，装有特殊的悬架，并且具有低滚动阻力和高耐磨性的特点。如图1.1所示。
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图1.1 普利司通轮毂电机
2006年，西门子公司把转向系、悬架、制动器、驱动电机全部放置在一个车轮里，进一步发展了轮毂电机技术。
庆应义塾大学清水浩教授与明电社等企业共同开发出Eliica高速无轨电动汽车，该车有8个驱动轮，采用轮轴诱导驱动，百公里加速4.2s，汽车最高时速为370公里每小时。
2013年，福特公司与舍费勒合作展示一款嘉年华改装版本。这款汽车是后轮驱动并且使用轮毂电机驱动技术。该汽车的两个后轮毂中集成了电机、冷却系统、制动系统、电子控制器，并且具有特别的转向系，可以将车子平移着停入车位。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究意义 1
1.2 轮毂电机的发展现状 2
1.2.1 国外轮毂电机驱动技术发展现状 2
1.2.2 国内轮毂电机驱动技术发展现状 3
1.3 能量回收发展现状 4
1.4 本文研究内容 4
2 轮毂电机制动能量回收控制器设计 5
2.1 轮毂电机的结构和工作原理 5
2.2 轮毂电机的驱动电路和运行状态 6
2.3 轮毂电机再生制动 8
2.4 轮毂电机制动能量回收控制器原理 10
3 元件选型 11
3.1 制动能量回收控制器MCU选型 11
3.1.1 控制芯片STC89C52RC简介 11
3.1.2 STC89C52RC芯片内部结构 12
3.1.3 STC89C52RC芯片引脚和功能接口介绍 12
3.2 超级电容输出端降压电路芯片选择 14
3.2.1 降压电路芯片选择 14
3.2.2 芯片LM2576HV外围电路元件选择 14
3.3 超级电容输入端升压电路芯片选择 15
4 轮毂电机制动能量回收控制器原理图绘制 17
4.1 绘制电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
源电路 17
4.2 串口通信电平转换电路 17
4.3 超级电容输出端降压控制电路 17
4.4 超级电容输入端升压控制电路 18
4.5 轮毂电机制动能量回收控制器原理总图 18
5 PCB绘制 19
5.1 元器件导入与布局 19
5.2 添加Mark点 20
5.3 添加泪滴 20
5.4 覆铜、布置地过孔 21
5.5 DRC规则检查 21
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
1 绪论
汽车自从诞生已有百年，从三个轮子变到四个轮子，从奢侈品转变为千家万户的代步工具。汽车工业极大地加快了人类脚步，但随着汽车保有量的不断增加，汽车所带来的弊端也不断的显现。在传统能源日益减少的情况下，传统燃油汽车消耗大量的化石能源，产生大量汽车尾气，对环境污染日益严重，而新能源汽车却可以解决目前的困境，新能源汽车可以实现零污染、零排放，这样只需从源头治理废气排放问题。但中国主推的纯电动汽车仍然存在续驶里程短、动力电池单体比能量低、充电时间长等问题。因此，我们如果找到一些能提高能源利用率的方法，就可能解决目前的困境。而制动能量回收再利用就是其中的一种方法。
1.1 课题的研究意义
目前，电动汽车仍有许多问题亟待解决。电动汽车续驶里程短：以长安CS15EV为例，综合续航里程为300公里，在60km/h等速情况下为350公里。再以吉利帝豪GSe为例，在NEDC循环工况下，它的综合续航里程为353公里，在60km/h等速情况下，续航为460公里。但在实际使用时，需要考虑行驶阻力和路况，因此实际续驶里程应该略低一些，并且若在电池电量低于20%继续使用，则会加速电池损坏。电动汽车充电时间长：一般正常的充电时间为8小时左右，快速充电时间为2小时左右。电动汽车的配套设施不完善：目前，国内的充电站覆盖率很低。
提高车辆能源的利用率，是解决上述问题的一个有效途径。在城市工况下，由于红绿灯、堵车，汽车频繁的工作在启动、加速、减速、制动4种状态下。传统的内燃机汽车在制动、减速时，只能通过机械摩擦进行制动，汽车的动能全部转化为摩擦热能耗散掉了，这种制动方式浪费了汽车行驶的动能，使能量利用率降低。纯电动汽车用电机作为驱动系统。在电动汽车正常行驶情况下，电机作为电动机工作，电动汽车电池的能量转化为电动汽车行驶的动能。在电动汽车减速和制动情况下，电机作为发电机工作，把电动汽车行驶的动能转化为电动汽车电池的能量。用上述办法，可以增加汽车的行驶里程数，同时提高汽车的能源利用率。美国电为科学院在研究能量回收时，在城市中做了实验，实验结果显示：采用再生制动技术的车辆，则汽车续驶里程可以増加10%~25%。所以，对电动汽车制动能量进行回收是重要的研究方向[1]。
1.2 轮毂电机的发展现状
1.2.1 国外轮毂电机驱动技术发展现状
国外有两大阵营进行轮毂电机研究：轮胎公司通常研究电动轮系统，而整车公司通常与电机公司共同研究电动汽车[2]。
2003年，在东京汽车展上，日本BRIDGESTONE公司展出了自己研发的轮毂电机和低滚动阻力轮胎匹配技术。这款轮毂电机具有消弱振动的功能，装有特殊的悬架，并且具有低滚动阻力和高耐磨性的特点。如图1.1所示。
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图1.1 普利司通轮毂电机
2006年，西门子公司把转向系、悬架、制动器、驱动电机全部放置在一个车轮里，进一步发展了轮毂电机技术。
庆应义塾大学清水浩教授与明电社等企业共同开发出Eliica高速无轨电动汽车，该车有8个驱动轮，采用轮轴诱导驱动，百公里加速4.2s，汽车最高时速为370公里每小时。
2013年，福特公司与舍费勒合作展示一款嘉年华改装版本。这款汽车是后轮驱动并且使用轮毂电机驱动技术。该汽车的两个后轮毂中集成了电机、冷却系统、制动系统、电子控制器，并且具有特别的转向系，可以将车子平移着停入车位。
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