精品毕业论文基于advisor的纯电动汽车传动系参数匹配及优化

摘 要 随着环保和能源问题的口益突出，电动汽车以其零排放、低噪声等优点而倍受关注，世界各国都把电动汽车作为汽车工业的发展方向。 近年来，虽然许多国家都投入大量资金人力研究电动汽车，但目前为止动力电池和其它一些关键性技术还没有取得有效地突破，动力电池的续驶里程和充电时间大大制约了电动汽车的发展和普及。因此，在电池问题解决之前，如何合理地选择这些部件及有关参数，使匹配达到最优，在相同蓄电池条件下，更好地满足动力性要求和最大地增加续驶里程，一直是研究者们追求的目标，也是本论文研究的主要目的。 在这篇论文选取某种型号的电动汽车作为研究对象，在对其动力传动系统的参数设计进行分析研究的基础上，对电动汽车动力传动系统的参数进行了较为合理的、简洁的选择和匹配。 本论文还对电动汽车的核心部件牵引电机三相异步交流电动机以及蓄电池的数学模型进行了分析；基于电动汽车的专用软件ADVISOR（Advanced Vehicle Simulation，高级车辆仿真器）建立了电动汽车的蓄电池、电动机、传动系、车身以及电动车辆的整车仿真模型，并用ADVISOR对模型进行了仿真试验，仿真结果验证了匹配参数和仿真模型的合理性。本论文还针对仿真结果以及动力性要求和续驶里程要求，应用区间算法对传动系速比进行了优化设计和ADVISOR中的自动尺寸设计（Auto-size）对电动机效率、蓄电池容量、传动系传动比等主要参数进行了优化处理。同时，对于得到的优化结果予以仿真计算，得到了一些反映电动汽车性能的曲线，验证了优化结果的合理性及优化方法的有效性。关键词电动汽车；传动系统；遗传算法；优化；仿真分析AbstractThere were increasing concerns about environmental and energy problems,electric vehicles have been developed for its benefit of zero emission and lownoise. Many countries make electric vehicles as the development direction ofautomobile industry. Recently, although there are lots of countries which have launched into largefund and many talents to study electric vehicles, dynamic battery and certain keytechniques have not brought through effectively until now. The range and charging time of battery limited popularization and development of electric vehicles. Therefore how to select these parts and relational parameters reasonably makes the electric vehicle meet the request of dynamic performance and range,which is the goal people studied, then which is the important content of the papers. In this paper, the method and principle of parameters design for electromotor, the ratio of power train and batteries capacity of electric vehicles were explored and discussed. Based on some type of EV, the parameters of power train of EVS were selected and designed more reasonably and pithily. This paper studied key pacts mathematics models of EV, such as electromotor, battery. Moreover, simulation models of whole vehicle and key pacts, such as battery, electromotor, vehicle body were built in EV dynamic simulation soft of advanced vehicle simulator (ADVISOR). Then the dynamic performance of EVS was simulated with the soft of ADVISOR. The simulation results have demonstrated that the designed parameters and the simulation models are rational.Additionally, in the virtue of analyzed simulation result and the requests of dynamic performance and range, the thesis optimized certain main parameters utilizing design parameters optimization method of automobile power train on the basis of genetic algorithm (GA) and Auto-size in ADVISOR, motor efficiency, battery capacity, transmission ratio etc. Meanwhile, optimization result was simulated and computed by advanced vehicle simulator. Then the performance curves which were caught by ADVISOR have demonstrated that the optimization method is correctness and the simulation model is validity.Key Words electric vehicle, power-train, genetic algorithm，optimization, analysis of simulation53- -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 本课题研究的意义和背景11.2纯电动汽车发展状况21.2.1国外纯电动汽车发展概况21.2.2国内纯电动汽车发展概况31.3纯电动汽车面临的主要问题和发展趋势31.3.1纯电动汽车面临的主要问题31.3.2纯电动汽车的发展趋势41.4研究微型纯电动汽车的意义及必要性51.5本课题主要研究内容6第2章 电动汽车电气系统设计及传动系参数匹配72.1 电动汽车改装设计的思路72.2 电动汽车传统布置方式82.3蓄电池的数学模型92.4 交流电动机的选择112.5 电动汽车传动系统参数设计112.5.1 电动机参数设计122.5.2 传动系传动比设计142.5.3 电池组容量设计162.6 设计实例162.6.1 电动机参数的选择172.6.2 传动比的确定182.6.3蓄电池参数的选择192.7基于ADVISOR 的纯电动汽车的性能仿真212.7.1定义车辆的仿真参数212.7.2运行仿真232.7.3仿真结果232.7.4基于ADVISOR建立纯电动汽车的整车模型242.7.5仿真结果262.8 本章小结30第3章 纯电动汽车传动系参数的遗传算法优化323.1 遗传算法的简介323.1.1遗传算法的特点323.1.2遗传算法的数学模型323.1.3遗传算法的理论依据333.2基于遗传算法优化汽车传动系统的步骤333.3 基于遗传算法优化速比的适应度函数的建立343.3.1 惩罚函数343.3.2目标函数353.3.3约束条件的确定373.4 应用遗传算法优化传动系主减速比及变速比393.5 本章小结41第4章 基于Auto-Size的传动系参数优化设计424.1 Auto-Size简述424.2 在Auto-Size界面设定优化初始值434.3 仿真结果474.4 优化前后结果比较494.5本章小结50结 论51致 谢52参考文献53第1章 绪 论1.1 本课题研究的意义和背景能源危机和环境污染问题是电动汽车发展重要的推动力量目前我国城市的大气污染已由煤烟型污染转向煤烟和机动车混合型污染。随着人们环保意识的不断增强，以及人们对提高城市空气质量的强烈愿望和要求，减少汽车尾气污染物已成为政府和社会各界的一项极为迫切的任务。同时，我国也是能源消费大国，若按照目前的汽车增长速度发展下去，所造成的能源医乏将会制约我国的经济发展。由于电动汽车节能和环保的优点，各国政府和主要汽车公司都对电动汽车的研究和开发给予了高度的重视，并取得了一定的成就1,2。此外，电动汽车的发展还能够促进高科技的发展和新兴工业的出现，进而对经济发展产生重要的影响。电动汽车在广义上可分为3类，即纯电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车F(CEV)。目前，这3种电动汽车都处于不同的发展阶段，面临着不同的困难和挑战3。纯电动汽车技术基本成熟，但由于电池技术的发展缓慢，使它在爬坡、加速和一次充电后续驶里程的不足很难令人们满意。可是由于其真正实现了零排放，所以在低速短距离的运输场合，纯电动汽车仍有广阔的发展前景4一9。 当前，纯电动汽车正在向微型化发展。一般微型汽车整车质量在1800吨以下，车长小于3.5米，车宽不大于1.5米，具有体积小、质量轻、机动灵活等特点。微型汽车的特点给整车布置，电池电机质量和体积带来了新的约束。因此，针对微型汽车的特点，从总体上对微型纯电动汽车进行理论分析和设计，势在必行。电动汽车电驱动系统不是一个简单的电力拖动系统，而是有限能量电源供电，复杂工况下工作的电驱动系统。探求复杂工况、有限能量电源供电的条件下，各个因素对整车动力性、续驶里程等性能的影响，对电气系统进行整体设计，优化匹配电池、电机，采用合理的驱动系统的控制方法是微型电动汽车研发的首要工作。本课题将从微型纯电动汽车的特点出发，通过理论和仿真分析，解决上述问题，完成微型纯电动汽车电驱动系统的设计。1.2纯电动汽车发展状况1881年世界上第一辆以可充电电池为动力的电动汽车诞生了，比内燃机汽车还早一些。但是受电池和驱动控制系统的局限，其发展远远落后于内燃机汽车。20上个世纪70年代初期，能源危机和石油短缺使电动汽车重新获得生机。以美、日为代表的国家开始了电动汽车的第二次开发热潮，并在许多关键技术的基础研究上取得成果。但是，石油价格在20世纪70年代末期开始下跌，使得电动汽车商业化失去了动力，电动汽车发展显著变慢，开始走入低谷。20世纪80年代，人们日益关注空气质量和温室效应所产生的影响;到了上个世纪90年代，一些国家开始实行严格的排放法规，电动汽车被认为是符合“零排放”标准的唯一可用的技术，世界范围内又掀起第三次电动汽车研究和开发热潮。至90年代末期，国外大汽车公司已开发生产了100多种型号的纯电动汽车、燃料电动汽车和混合动力汽车1.2.1国外纯电动汽车发展概况世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，取得了一定程度的进展和突破，日本、欧洲、美国在率先研发电动汽车上形成了三大流派10。美国电动汽车的研究和开发，得到了美国政府的支持，投入了大量的资金和科研力量，使得资金来源有可靠的保证，在应用现代技术上得到广泛的支持。在美国三大汽车公司之间，共同协议来促进电动汽车的开发和研究。以三大汽车公司为主导，利用大汽车公司雄厚的技术开发力量和先进制造条件，开发出不同特点的电动汽车。并充分利用汽车、机电、电子、控制和材料等行业的优势，分工开发电动汽车的各种总成和技术单元。推动电动汽车迅速的发展和不断的改进提高。但是，经过多年的实践探索，因为纯电动汽车的价格太高和行驶里程未能满足使用者的需求，因此诸如Evl，ChyrslerEPIC等已相继停产。目前美国国家实验室还继续进行纯电动汽车的先进驱动系统、先进电池及其管理系统等的深入研究10。欧洲是很崇尚纯电动汽车的。各国政府鼓励开发电动汽车，在政策上给予支持，投入了大量的资金。目前在法国已有十几个城市运行电动汽车且有比较完善的充电站等服务设施，政府机关带头使用电动汽车。英国政府投资2000多万英磅支持开发电动车，实行多项优惠政策给使用者免收牌照税、养路费，夜间充电只收1/2的电费。德国政府在吕根(Rugne)岛建立欧洲电动汽车试验基地，组织了四大公司62辆各类电动车在吕根半岛城运行试验，对64辆电动汽车和电动汽车的系统工程进行长达4年的大规模试验，并有很多国家和城市都派有电动汽车参加吕根岛的实验。此外，瑞士、瑞典、意大利、丹麦、奥地利、捷克、匈牙利等也都在开展电动汽车的研发工作。日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一。日本从1965年开始电动车的研制并正式把电动车列入国家项目，1967年成立了日本电动车协会，促进了电动车事业的发展，1971年日本通产省就制定了电动汽车的开发计划，到1991年通产省又制定了第三届电动汽车普及计划，用于推动电动汽车的普及与应用，日本各汽车制造商均开始了纯电动汽车的开发4。当前日本小型、低速、特种用途纯电动汽车也在不断发展。在日本，纯电动汽车与智能交通系统TIS的组合已成为目前电动汽车技术水平下实用化和商业化的新途径。1.2.2国内纯电动汽车发展概况与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也正在如火如茶的进行着。“十五”期间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，设立“电动汽车重大科技专项”，通过组织企业、高等院校和科研机构，集中国家、地方、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关。电动汽车研究开发已取得了一系列成果:开发出了电动汽车概念车、燃料电池汽车样车和一系列关键零部件，并制订了相关政策和技术标准10。1.3纯电动汽车面临的主要问题和发展趋势1.3.1纯电动汽车面临的主要问题纯电动汽车是以二次电池为储能载体二次电池以铅酸电池镍氢电池埋离子电池为主。由于二次电池目前在储电量、充放电性能、使用寿命、成本等方面无法与内燃机相比，因此近一时期以来，研究进展不大，大多数研究单位已将研究目标转为混合动力汽车。续驶里程有限目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100-300km，并且这个数字通常还需要保持适当的行驶速度及具有良好的电池管理系统才能得到保证，而绝大多数电动汽车在一般行驶环境下的续驶里程只有50-100km。比起传统燃油汽车而言，电动汽车的较短续驶里程成为其致命要点。成本过高 目前各式电动汽车能示范运行的，都是在原燃油汽车的底盘、车厢基础上改装而成的，即将发动机、油箱等系统全数拆下，然后装上电机、电池等相关配套设备就形成电动汽车。电池、电机及其控制其技术复杂，其成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技术，致使电动汽车的造价居高不下。蓄电池性能难以满足要求电动汽车使用的普通蓄电池使用寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。若采用动力足、寿命较长的电池，其成本较高。普通燃油汽车填充燃料方便快捷，而当今市场上的电动汽车充电时间一般在6-8小时，给电动汽车的使用带来极大不便。现有电动汽车所使用的电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和质量。如果电动汽车自身整备质量大，就会影响加速性能和最大车速的提高。电动汽车基础设施有待建设电动汽车即将进入商业化阶段，与大批量电动汽车正常运行有关的基本配套设施和法律法规还不健全。充电站、蓄电池更换站、维修站建设基本上处于空白阶段。电动汽车的基础设施建设是一项巨大的工程，需要政府、社会组织、电动汽车厂商、电力部门、电池厂商的通力合作，短期内这些问题还得不到很好的解决。1.3.2纯电动汽车的发展趋势研究目前国内外纯电动汽车的发展情况，可以看出，纯电动汽车的研发出现了难以进行下去的问题。一方面是由于纯电动汽车面临的成本和续驶里程等问题，一直没有很好的解决;另一方面，和人们对电动汽车的要求过于完美化，提出不切实际的过高要求有关。纯电动汽车是比较接近于实际应用的电动汽车，但要使其进一步发展，则需要我们给它一个恰当的定位，而不是拘泥于加速性、一次续驶里程、整车质量等指标。当前纯电动汽车正向微型化和专用化方向发展。特别是纯电动汽车的微型化，已经成为必然趋势。微型电动汽车是已进入市场、商业化的轻型纯电动汽车新品种。它包括高尔夫球车、社区内采购和代步用车和特殊场合用车。微型电动车电机功率一般为25KW，最高速度为45kmh/，续驶里程为5065km。其外形是像高尔夫车，有14个座位，价格在600010000美元之间，只能用作城市内街道和社区交通、高尔夫球场和特殊场合，不能上高速公路。这种车在美国的东南和西南部已有数千辆的销量，因为那里有几百万的退休人员和在当地工作的家庭;在日本这种车有可不要年检、不要车位证停车的优惠，因此也有一定的市场。在日本还有在企业或社区内设微型电动车停放站，一般可以停二三十辆微型电动车，乘用者划卡就能把车开走，放回停放站就能继续充电。国外几种知名的微型纯电动汽车的参数如上表1一1所示.型号挪威TH!NK加拿大Feel比利时townlife韩国Covco美国 麻雀最高车速(km/h)56mph404540/64112续驶里程(km)8550-6554/7260-100电压(v)724848/60156蓄电池个数644/513电动机额定功率(kw)3.7420充电时间(h)6888826表1-1 国外知名微型纯电动汽车参数表1.4研究微型纯电动汽车的意义及必要性 微型电动汽车发展速度远快于其他类型的电动汽车，已成为一个成长和发展中的产业，这与社会的需求和其自身的特点是密切相关的。城市公共交通系统需要微型电动汽车。未来的大都市普遍以快速公共交通系统为主，如公共汽车系统、轨道交通系统等。居所到公共汽车站、地铁站或轻轨站的短距离出行通常是步行或以自行车、两轮摩托车、三轮车等作为代步工具。然而，随着生活节奏的加快和人们生活水平的提高，时间观念更加深入人心，使用自行车已经不能满足通勤者时间上的需求，需要寻求一种新型的交通工具。微型电动汽车是最好的选择2。微型电动汽车具有无污染、低噪音、小体积、低速度和易驾驶等优点，使得它可以穿梭与大城市的各种道路，能够直接到达出租车都不能到达的身居小巷，这更是其它大型交通工具所不能企及的。微型电动汽车的最高时速一般为45km/h,虽然比一般小汽车的速度慢，但比步行或骑自行车快得多，完全能够满足通勤者上下班节约时间的要求。因此微型电动汽车作为代步工具是相当合适的。另外，微型电动汽车的低速度也提高了它在居住区行驶时的安全性。驾驶微型电动汽车，比驾驶小汽车简单得多，即使老人或者下肢残疾的的人也能够操纵自如。因此，微型电动汽车不仅适合于通勤者的慢速交通需要，也能为非通勤者的短距离慢速交通提供方便。1.5本课题主要研究内容本论文将对电动汽车电动机、传动系的传动比和电池组容量等参数设计的原则和方法进行分析和探讨。(1) 以某型号的电动汽车作为研究对象，对动力传动系的主要参数进行合理的选择和匹配；基于ADVISOR建立整车动力传动系统及关键零部件如电动机、电池等的性能仿真模型。(2) 应用区间优化方法对纯电动汽车的传动系速比进行优化处理。(3) 应用电动汽车仿真软件ADVISOR中的自动尺寸设计方法对电动机功率、蓄电池容量等参数进行优化处理。针对优化结果应用仿真软件ADVISOR对整车动力性进行仿真计算，验证以镍氢电池为能源的电动汽车的加速性、爬坡性、最大车速等动力性及续驶里程是否满足设计指标要求，从而验证优化方法及结果的合理性和有效性。 第2章 电动汽车电气系统设计及传动系参数匹配电动汽车的设计主要有改装设计和全新设计两种方法18。对于改装的电动汽车，燃油汽车中原来安装发动机以及相关组件的部位由电动机、电机驱动控制器和电池所代替，由于采用现有的燃油汽车的底盘，对于小批量生产而言，这种方法比较经济。而且，在电动汽车开发的初期，可以集中精力来开发电动汽车用电池和电动机控制系统等。2.1 电动汽车改装设计的思路传统的燃油汽车用液态的汽油或柴油作为燃料，内燃机驱动；而电动汽车采用蓄电池作为能源，由电动机来驱动，因此，两者驱动系统在结构上较大差别，其驱动示意图分别如图2-1和图2-2所示：汽油驱动轮传动系变速器离合器内燃机图 2-1 传统汽车驱动系统示意图驱动轮传动系变速箱离合器电动机蓄电池 图 2-2 电动汽车驱动系统示意图对比图2-1和图2-2可知，燃油汽车与电动汽车的最大区别在于系统和能源供应系统的不同。改装时，主要的改动是将燃油汽车的内燃机与油箱匹配的蓄电池、电动机、电机驱动控制器及相关设备来代替。其改装工艺流程一般可用图2-3来表示。首先选择一辆与所设计的电动汽车在载客量或载货量相近似的内燃机汽车，并且要求这辆汽车外形应具有低空气阻力系数的流线型造型，车身应是有利于电池组安放的有车架的非承载式车身。改装时，首先根据设计性能要求和待改车的特点，设计电动汽车电驱动的结构形式、储能装置的结构形式及整车布置。然后，拆除原发动机及其相关电路，保留原车蓄电池、原车照明、车身电器及配电系统保持不变，保留变速器和离合器，主要是为了提高汽车的起动转矩，克服电动机不能反转的欠缺，是汽车能实现倒档1。接下来，安装各个部件调试、测试、运行。车辆管理BMUUPMUU性能测试 与运行测试 电池 电动机相关部件燃油汽车底盘车身 纯电动汽车底盘运行测试计与喷涂观设计纯电动汽车评价图2-3 电动汽车改装设计的工艺流程图2.2 电动汽车传统布置方式电动汽车的动力传动系统是电动汽车的核心部分，其性能决定着电动汽车性能的好坏。目前，电动汽车的动力传动系统具有以下四种布置方式10,14：(1) 第一种与传统汽车传动系统的布置方式一致，带有变速器。这种布置可以提高电动汽车的起动转矩，增加低速时电动汽车的后备功率。(2) 第二种取消了离合器和变速器。这种方式对电动机的要求高，不仅要求电动机具有较高的起动转矩，而且要求具有较大的后备功率，以保证电动汽车的起动、爬坡、加速超车等动力性。(3) 第三种布置方式将电动机装到驱动轴上，直接由电动机实现变速和差速转换。这种传动方式同样对电动机有较高要求，大的起动转矩和后备功率，同时不仅要求控制系统有较高的控制精度，而且要具备良好的可靠性，从而保证电动汽车行驶的安全、平稳。(4) 第四种布置同第三种布置方式比较接近，将电动机直接装到了驱动轮上，由电动机直接驱动车轮行驶。目前，我国的电动车大都建立在改装车的基础上，其设计是一项机电一体化的综合工程。改装后高性能的获得并不是简单地将内燃机汽车的发动机和油箱换成电动机和蓄电池就可以实现的，它必须对蓄电池、电动机、变速器、减速器和控制系统等参数进行合理的匹配，而且在总体方案布置时必须保证连接可靠、轴荷分配合理等才能获得。本论文的研究仍然建立在传统汽车传动系统的基础上。2.3蓄电池的数学模型在当前的电动汽车仿真软件中，电池模型多采用内阻模型。内阻模型将电池看成是一个理想的电压源和一个电阻串联的等效电路13，简化模型如图2-4所示。图 2-4 内阻模型等效电路图中 E0单体电池电动势(V)； U工作电压(V)； I工作电流(A)； Rint等效内阻()。由图2-4所示得到电池的电压特性方程为： (21)电池电动势E0和内阻Rint受多个因素的影响，数值随电池状态时时变化，但通常只考虑主要因素的影响，例如在电动汽车的仿真软件ADVISOR中，内阻模型将E0和Rint看做荷电状态SOC（State of charge）和温度T的函数。下面为了简化计算，暂将其视为常数。得到，电池的放电功率为： (22)电池的放电效率为： (23)电池的最大输出功率为： (24)是一个理论的计算值。在实际应用中为了防止过大的放电电流而产生过大的热量进而影响到电池的寿命，通常要求电池工作电压处于2/31倍的E0内，这样也可以保证电池具有较高的效率。故在实际应用中电池的最大功率应限制为： (25)蓄电池储存的总能量6: (26)式中 单个电池组的容量(Ah)； 单个电池组的电压()； 电池组的数目； 电池组的放电深度，用百分数表示。2.4 交流电动机的选择电机驱动系统是电动汽车中最关键的系统，驱动系统的类型和性能直接决定了电动汽车的运行性能。作为电动汽车的牵引电机，应具有宽的调速范围、高的转速及足够大的起动转矩，还要求体积小、重量轻、效率高，并且能实现动态制动和能量回馈。由于直流电机具有良好的起动能力和调速性能，早期开发的电动汽车大多数都采用直流电机作为驱动电机。然而随着电子技术和自动化技术的发展，以及各种高性能电力电子元件的出现，交流调速技术有了迅速的发展，现已经能够获得同直流电机一样优良的调速性能。而且交流感应电机所具有的结构简单、运行可靠和维护方便等优点非常适合电动汽车的要求。所以，在近来的电动汽车研制中，驱动系统都竞相采用交流感应电机18。2.5 电动汽车传动系统参数设计电动汽车动力传动系统的设计应该满足车辆对动力性能的要求和续驶里程的要求13。车辆行驶的动力性能可以用以下四个指标来评价：(1) 起步加速性能 车辆在给定时间内由静止加速到额定车速或走过预定的距离的能力。(2) 以额定车速稳定行驶的能力 对电动汽车来说，蓄电池和电动机应该能提供车辆以额定车速稳定行驶的全部功率需求，并且根据我国的道路状况至少能克服坡度为3%的路面阻力。(3) 以最高车速稳定行驶的能力 在电动汽车上，电动机发出的功率应该能够维持车辆以最高车速行驶。(4) 爬坡能力 电动汽车能以一定的车速行驶在一定坡度的路面上。另外，在电动汽车上的蓄电池所输出的电能和电量应该能够维持电动汽车在一定工况下行驶额定的里程。2.5.1 电动机参数设计车架电动机的功率包括额定功率和最大功率。电动机的功率选的越大，则电动汽车的后备功率越多，加速度和爬坡性越好，但同时电动机的体积和质量也会迅速增加，而且会使电动机不能经常工作在峰值功率附近，使电动机的效率下降。因此，电动机的功率不能选的太大，应该依照电动汽车的最高行驶车速、爬坡和加速性能来确定电动机的功率1318。设计中常以先保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率。已知电动机期望的最高车速，选择的电动机功率应大体上等于但不小与汽车以最高车速行驶时行驶阻力消耗的功率之和。电动汽车以最高车速行驶消耗的功率： (217) 式中 整车质量(); 滚动阻力系数； 迎风阻力系数； 迎风面积()。电动汽车以某一车速爬上一定坡度消耗的功率： (218)式中 电动汽车行驶速度(); 坡度。电动汽车在水平路面上加速行驶消耗的功率： (219) (220)式中 汽车旋转质量换算质量； 车轮的转动惯量()； 飞轮的转动惯量(); 车轮半径(); 变速箱传动比； 主减速器传动比。总之，电动汽车的电动机功率应能同时满足汽车对最高车速、加速度及爬坡度的要求。所以电动汽车电动机的额定功率： (221)电动机的最大功率： (222)式中机械传动系统效率；电动机的过载系数。纯电动汽车以某一速度匀速行驶时，整车能量消耗为： (223) (224)式中每个状态的电动汽车的行驶速度();每个状态电动汽车消耗的功率();电动汽车的传动效率，它与主减速器及变速器速比有关。2.5.2 传动系传动比设计传动系传动比如何选择，依赖于整车的动力性指标要求，即电动汽车传动比的选择应该满足汽车最高期望车速、最大爬坡度以及对加速时间的要求18。(1) 传动系速比的上限传动系速比的上限由电动机最高转速和最高行驶车速确定。 (225) (226)式中主减速器的传动比；变速器的传动比。(2) 传动系速比的下限传动系速比的下限由下述两种方法算出的传动系速比的最大值确定。由电动机最高转速对应的最大输出扭矩和最大行驶车速对应的行驶阻力确定传动系速比下限： (227)其中 (228)式中最高车速对应的行驶阻力()；电动机最高转速对应的输出扭矩().由电动机的最大输出扭矩和最大爬坡度对应的行驶阻力确定传动系速比下限： (229)其中 (230)式中最大爬坡度对应的行驶阻力();电机最大输出扭矩()。2.5.3 电池组容量设计电池组容量的选择主要考虑车辆行驶时的最大输出功率和消耗的能量，以保证电动汽车对动力性和续驶里程的要求28。(1) 由电动汽车所需的最大功率选择电池组数目蓄电池携带的能量必须大于或等于电动汽车的最大能耗，如此才能保证电动汽车行驶要求。电池组数目： (231)式中 电动机的工作效率； 电动机控制器的工作效率； 单个电池组所包含的电池的数目。(2) 由续驶里程选择电池组的数目在汽车充电前，蓄电池所携带的能量必须能保证电动汽车能够行驶一定的里程。所以电池组数目： (232)式中续驶里程()；电动汽车行驶1km所消耗的能量();单个电池的电容()2.6 设计实例下面是某一型号的纯电动汽车的整车技术参数：表21 纯电动汽车的整车技术参数及性能要求技术性能参数符号单位 参数值整车整备质量Mkg890滚动阻力系数F0.0144迎风面积Am21.9迎风阻力系数CD0.3轮胎滚动半径Rm0.28轴距Lmm2468重心高度hm0.509额定载客4最大期望车速Uakm/h100加速性能Ts050km/h的加速时间105080km/h的减速时间15最大爬坡度i20%续驶里程0Lkm等速2302.6.1 电动机参数的选择交流电动机经过多年的研制，不断的取得新的突破，逐步被采用到电动汽车上。本论文选取交流感应电动机。由公式(217)(222)计算得到电动机的最大动率为。电动汽车所用的电动机具有较大的过载能力，最大功率可达额定功率的3倍左右。因此，按匀速模式选择电动机功率完全能够满足匀加速模式下动力性能的要求。查阅资料并结合ADVISOR选择交流电机的参数：额定功率;额定电压;最大电流;过载系数；最高转速。2.6.2 传动比的确定目前，电动汽车主要在市区城市近郊使用，它所遇到的工况多种多样，最低车速到最高车速的变化范围很大。电动汽车在行驶过程中所遇到的阻力的变化很大，变化范围在6倍以上，而单靠电动机的力矩变化是不能满足电动汽车的行驶性能要求的。因此，在电动汽车和驱动轮之间需要安装减速器和变速器，一方面使电动汽车满足行驶性能要求，另一方面使电动汽车经常保持在高效率的工作范围内，减轻电动机和动力电池的负荷11。根据以上要求，本论文采用三档变速器。(1) 主减速器速比的确定 把传动系变速器第三档定位直接档即，又有电动机的最高稳定转速，所以由公式(225)得，。由公式(227)、(229)得，。参考多种汽车主减速比经验值及ADVISOR反复试验，初步确定主减速比为4.3245。(2) 变速器速比的确定汽车传动系各档的传动比大体上按等比级数分配，这种分配变速器速比的方法使汽车经常工作在大的功率范围内，可以充分利用蓄电池所提供的一次充放电的有限能量，提高动力性，增加续驶里程。由公式(226)(229)得到，；根据等比级数的分配方法：(233)得， 2.6.3蓄电池参数的选择从满足电动汽车的动力性和环保两个方面来选择电池。以当今最热门的铅酸电池、锂电池、镍氢电池、镍镉电池为代表，比较四种电池的性能参数，见下表22表22 四种电池性能比较铅酸锂电池镍镉镍氢能量密度(WhL-1)60100250110190比能量(Whkg-1)305012014040505080功率密度(WL)120480比功率(Wkg-1)200400200300150350150300续驶里程(mph)60195120250循环寿命(次)400600120080020008001000充电时间(h)81735606能量效率(%)656590可回收利用(%)97509990价格($/kWh)100200300200铅酸电池由于价格低廉、原料易得、使用可靠、可大电流放电及技术成熟等优点一直占领着电动汽车的车用电池市场。但近几年来，镍氢电池技术逐渐成熟，它的续驶里程和使用寿命是铅酸电池的两倍，更连在实际使用中它的能量密度和峰值功率密度较高，大有后来者居上的趋势30。锂电池具有高能量密度、高功率密度和很长寿命的循环寿命，可防止过充电和过放电，是理想的动力电池，但成本太高、发热严重，到目前为止还处于试验阶段。镍镉电池属于碱性蓄电池，能量密度、比能量、比功率较高，但含镉，重金属污染严重6,16。镍氢电池是一种新型环保的高容量二次电池，其特性和镍镉电池相似，只是以吸藏氢气的合金材料(MH)取代了镍镉电池中的负极材料镉(Cd)。较之上述其它电池，镍氢电池有许多优点：能量密度高，是镍镉电池的1.52倍；可快速充放电，低温性能好；可密封，耐过充放电性能强；无毒无环境污染，不使用贵金属；无记忆效应16。综合考虑电池的各项性能及发展前景，本论文选用ovonie公司研制的镍氢电池，比电容达250Ah，比电压1.2V，比能量达80Wh/kg,比功率230W/kg16。(1) 由电动机功率确定电池组数目由式(25)求得单个电池的最大输出功率为KW,进而由式(231)得，。(2) 由续驶里程选择电池组的数目由式(232)得。考虑到电池放电深度一般不超过80%，故取。综合(1)(2),取电池组数目。电动汽车传动系统主要参数都是由汽车行驶时所消耗的能量出发推导计算得到的，理论上，它的动力性、续驶里程都应该满足设计要求。下面通过仿真试验进行验证。匹配设计参数详见表23。表23 电动汽车参数匹配参数符号参数值电动机额定功率最大转速额定电压30KW9000r/min220V传动系速比主减速器速比一档变速器传动比二档变速器传动比三档变速器传动比4.32452.08981.44561蓄电池额定容量额定电压电池组数目250Ah290V222.7基于ADVISOR 的纯电动汽车的性能仿真ADVISOR(Advanced Vehicle Simulation OR ,高级车辆仿真器)是由美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Labratory)在MatlabR和SimulationR软件环境下开发的仿真软件。该软件从1994年开始开发与使用，目前最新版本是ADVISOR2002，它也是目前世界上能在网站免费下载和用户数量最多的电动汽车仿真软件5。2.7.1定义车辆的仿真参数定义车辆的仿真参数有如下步骤：1. 选择传动系统类型ADVISOR提供了两种方式来定义车辆传动系统的类型。一种是ADVISOR内部保存了包括Insight和Prius在内的37中电动汽车的数据文件，用户可以选择合适类型的汽车，在此基础上做修改。另一种是ADVISOR内部保存了传统汽车、电动汽车、燃料电池汽车、并联混合动力汽车、串联混合动力汽车、混联混合动力汽车等八种类型的传动系统作为模板，用户可在此基础上定义自己的传动系统。另外用户还可以自定义新类型的传动系统增加到ADVISOR的模板库中7,8。2. 设置部件的仿真参数ADVISOR设计了车辆(Vehicle)、发动机(FuelConverter),能源储存系统(Energy Storage System 简称ESS)和电动机(Motor)等多个部件的仿真模型包括版本、类型和部件的参数值。其中版本是指模型的种类，通常不同版本的模型有不同的仿真效果。类型是指部件的类型。例如发动机模型Fuel Converter 的版本有内燃机ic和神经网络的内燃机nnic和燃料电池fcell 3个版本，其中内燃机的模型又有点燃si和压燃ci两种类型，发动机模型的参数包括质量、功率、缸径和特性图等，用户可以在修改ADVISOR已有电动汽车的数据的基础上，建立和保存自己的传动系统的数据文件。例如在建立发动机和能源储存系统的特性图方面，ADVISOR提供了辅助工具engmodel 和barmodel 帮助用户将离散的测试数据通过数学插值算法自动生成连续的特性图；另外ADVISOR还设计了Image2map功能来实现直接从扫描的jpg、bmp等格式的部件特性图的图像文件中提取特性数据的功能。 部件的参数值可以在GUI(用户图形界面)上修改，也可以直接打开MATLAB的M文件修改。此外ADVISOR特别设计了自动尺寸(Autosize)功能和比例计算(scale)功能12,21。自动尺寸功能可以计算出满足特定性能要求的车辆部件的参数值，从而为用户设计提供参考，这是一个优化计算的过程，ADVISOR可以选择MATLAB和优化软件VisuaDOC作为计算引擎(solution engine),车辆的加速性能和爬坡能力作为约束条件，设计变量包括发动机的功率、能源储存系统中充电电池的的数目和电动机的功率等。优化目标包括最小化部件的尺寸和车辆的质量、最大化城市/公路混核燃料经济性。通常VisualDOC的优化 计算能力比MATLAB更强大，在ADVISOR仅提供演示版本的VisualDOC,它最多可以计算5个设计变量和20个约束的优化问题。因为用户在设计新部件时通常缺少现成的参数值，所以必须选择一个已经存在的某部件的初始化文件的数据作为基础，比例计算出新部件的参数值。目前ADVISOR提供了对发动机的比例计算功能，它是以发动机的缸径和行程作为比例因子来计算的。3. 设计控制策略ADVISOR提供了并行电路辅助(parallel electric assist)、自适应控制策略(Fuzzy Logic Control Strategy)和本田Insight控制策略等6种控制策略模板，用户也可以设计自己的控制策略，ADVISOR提供了以下两方面的设计控制策略的功能：(1)在Simulation中输入控制策略的模型与使用GUI修改控制参数；(2)使用MATLAB和VisualDOC作为优化引擎，来优化控制策略的控制参数(Opimize cs vars)。它以最小化CO、HC、NOX、PM等有害气体的排放量和最大燃油经济性为目标，对能源储存系统的充电准柜台上限(cs hi soc)和充电状态下限(cs lo soc)等8个控制参数进行优化，用户可以动态观察到优化叠代计算过程中控制参数值的变化情况12,13。2.7.2运行仿真运行仿真前用户可以选择性的定义如下的仿真项目：(1) 选择仿真工况ADVIDOR提供了道路循环(Drive Cycle)、多重循环(Multiple)和测试过程(Test Procedure