低速纯电动车辆动力系统设计.doc

天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education 毕 业 设 计 专 业：汽车维修工程教育 班级学号： 汽修0902班 - 33 学生姓名： 高阳 指导教师： 宋建锋 副教授 二一三年六月天津职业技术师范大学本科生毕业论文低速纯电动车辆动力系统设计Design of Low-speed electric vehicle power system专业班级：汽修0902班学生姓名：高阳指导教师：宋建锋 副教授学 院：汽车与交通学院2013 年 6 月摘 要伴随着环境污染的日益加重和不可再生能源危机的加重，拥有新能源作为动力的高效电动汽车则成为了发展方向的重中之重。如今，国内外在电动汽车领域上的技术都在快速发展着，一些知名的汽车大牌公司已经研制出了不同型号的电动产品并且面世。可是在电动汽车走进你我生活的同时，还需要解决不少的问题。 本论文对低速纯电动汽车的动力参数进行计算和仿真，根据低速纯电动汽车本身性能要求进行主要参数的计算和匹配，通过对自定义工况下车型的计算，建立仿真模型，并在AVL-cruise软件下进行仿真实验，模拟得到其动力性能，验证在计算的参数下，该模型电动车的动力性能；在不考虑经济性、技术性的相关问题下，分析所对应的最高车速、续驶里程、最大加速度、平均行驶速度等各种因素的具体情况；进一步研究和探讨主要动力参数的确定方法，设计并仿真出一套可行的低速纯电动汽车的动力参数设计方案。关键词：低速纯电动车辆；传动系；参数匹配；cruise仿真 ABSTRACTAccompanied by environmental pollution is increasing and non-renewable energy crisis aggravated, with new energy efficient electric vehicles as a power has become the most important direction of development. Today, the technology at home and abroad in the field of electric vehicles in the rapid development, some well-known big car companies have developed different types of electric products available. But while electric vehicles into your life, you also need to solve a lot of problems.In this thesis, the dynamic parameters of the low-speed pure electric vehicles, calculation and simulation, the main parameters are calculated based on the performance requirements of the low-speed pure electric vehicles and matching custom conditions calculation models, the establishment of the simulation model, and in the AVL-cruise software simulation, the simulated dynamic performance, verify the calculated parameters, the model the dynamic performance of electric vehicles; does not consider issues related to economic, technical analysis corresponding to the maximum speed, driving mileage, maximum acceleration, average speed and other factors; further research and to explore the main driving force to determine these parameters, the design and simulation of dynamic parameters design a viable low-speed pure electric vehicles.Key words：Low-speed electric vehicle；power-train；The parameter match；Cruise simulation.目 录1 绪 论11.1 引言11.2 国内外电动汽车发展现状11.2.1 国外电动汽车发展现状11.2.2 国内电动汽车发展现状21.3 本文研究的意义31.4 本文的主要内容42 电动汽车的基本结构52.1 电动汽车的基本组成52.1.1 电源与电池管理系统52.1.2 电机驱动系统72.1.3 传动系统92.1.4 底盘和车身92.1.5 辅助设施102.2 本章小结103 传动系参数设计123.1 概述123.1.1 驱动力123.1.2 行驶阻力133.2 参数计算153.3 电机参数设计163.3.1 电动机额定功率163.3.3 电动机加速性能173.4 电池参数的确定183.5 本章小结184 建立整车仿真模型194.1 AVL CRUISE车辆动力学仿真分析平台194.2 电机模型的建立194.3 电池模型的建立214.4 整车模型的建立224.5 本章小结235 仿真及结果分析245.1 整车仿真及结果分析245.1.1 循环工况实验（Cycle Run）245.1.2 最大爬坡度实验（Climbing Performance）255.1.3 最高车速试验（Constant Drive）255.1.4 最大牵引力试验（Maximum Traction Force）265.2 电机仿真结果分析275.3 电池仿真结果分析275.4 本章小结27结 论29参考文献30致 谢32天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计(论文)1 绪 论 1.1 引言由于经济持续快速发展，中国经济的持续增长对能源的需求快速输出。 3月25日，2012年，中国能源研究会公布的去年，中国一次能源消耗煤炭3250万吨，同比增长8，中国面临着成为世界上第一个主要消费能源国。中国能源研究会预测，中国的能源需求将继续增长，这将促进常规能源价格的进一步上升。此外，国际油价也是在一路上涨。去年，中国的原油平均每年进口石油价格为每桶61美元，相当于每天付出4亿美元在进口原油上。近期，在伦敦市场上出售的布伦特原油期货价格也达到113美元一桶，超过了平时102美元一桶的价格调整，同比增长约11，纽约原油期货价格上涨了超过10以上的价格调整。如果国际油价上涨10，进口石油，每天相当于今年上涨到6亿500万美元，与调整前相比较每一天超过50万美元左右的价格。交通运输是最大的中国能源消费，它是能源消耗增长最快的行业之一。同时，交通所造成的污染越来越糟；车辆污染等排放，所造成的污染越来越影响人们的生活质量。因此，降低能源消耗，减少污染环境，为了保持交通运输的可持续发展，是中国可持续发展的首要任务。纯电动汽车作为绿色环保的交通工具，它的开发与运用，不仅可以对能源危机进行缓解，还可以对环境的保护做出突出的贡献，对于中国这个可持续发展国家来说，具有重大而长远的意义。1.2 国内外电动汽车发展现状1.2.1 国外电动汽车发展现状世界各地的汽车厂商都在加紧对电动汽车的研制和开发，而且取得了不同程度上的进展和突破。现代的电动汽车可以根据动力源和驱动方式分为四大类：分别是纯电动汽车（PEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）、混合动力电动汽车（HEV）、外接充电式混合动力电动汽车（PHEV）。 作为发达国家的美国，一直以乙醇和生物柴油等可再生能源作为发展的主要方向；同时，美国也以混合动力汽车也作为新能源环保汽车的主体来发展；在2005中旬，混合动力汽车在美国正式进入了商业化推广阶段，只要大众消费者购买通用、丰田、福特等符合生产条件的混合动力汽车，就可以享受多项政府优惠，例如税款抵免等。在奥巴马上任总统之后，希望汽车的发展以新能源为主，通过发展新能源汽车来摆脱对海外石油的依赖，从而达到自给自足的现状，并且重新规定了燃油汽车的排放标准和电动汽车的相关政策，政府极力扶持新能源汽车的资助项目，促进新能源汽车在市内的基础设施建设等策略，美国政府进一步推动汽车产品朝着“低能耗”和“环保型”的方向发展。德国作为一个汽车大国，对于新能源汽车的研究也处于世界领先的水平；在06年，德国政府就已经把新能源汽车列为国家的“高科技战略”中了，并且在之后的两年中，德国政府又相继颁布了关于新能源汽车的国家电动汽车发展计划，该计划的目标是预计在到达2020年时，德国能够拥有100万台新能源汽车；德国政府新网能够通过国家电动汽车发展计划使该国的能够在世界电动汽车市场之中占有一席之地；德国在极力研究新能源汽车的同时，也同样在进行相关基础设施的建设，达成一体化进步。包括奔驰、大众、宝马和欧宝在内的多家德国汽车巨头都在积极研发电动汽车。日本一直也很重视新能源汽车的研制和开发，并且混合动力汽车已经在日本形成了产业化；目前在国内，丰田、本田、尼桑等日系车相当的热销，在国外，也十分受到消费者的青睐，让其他汽车公司倍感压力。日本之所以能能再新能源汽车上获得如此的成就，是因为日本为了攻克在电池方面的难题，建立了一个开发高性能混合动力电池的汽车产业联盟，共同研究和实施了“革新性蓄电池尖端科学基础研究专项”的新项目。为了推进国内新能源汽车的发展和使用，在09年，日本开始实施了“绿色税制”，它的实施对象包括各类电动汽车、清洁柴油车、天然气车以及其他低能耗低排放的汽车。此外包括韩国、英国、法国等国也都在积极开展电动汽车的研发工作。1.2.2 国内电动汽车发展现状 与世界各国一样，我国也在努力地进行各类电动汽车的研发中，在关于最新的汽车产业调整中，我国将实行新的新能源汽车战略，推动各类电动汽车及其零部件的研究和开发，还有相关基础性设施的建设。并且由中央财政拨款进行资助，对各大城市的新能源汽车，如纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等的推广和实行进行支持和援助。中国在20世纪70年代的时候进行的过蓄电池汽车的研究。 1990年“八五”计划期间，蓄电池电动车更是作为国家重点科技攻关项目进行研究，清华大学作为研究的主要人员，并且研制出了中国的第一代蓄电池汽车。在“九五”期间，电动汽车项目被确定国家重大科学工程和工业发展对象，并且在之后的一段时间里，推出了电动汽车的样车。“十五”和“863”计划中，特别是建立大型电动汽车项目，选择新一代电动汽车技术作为中国的科技创新的前进方向，联合研究机构，以电动汽车产业化技术平台为重点，尝试电气设备的汽车技术，系统集成和技术的汽车技术并且获得重大突破。在最近的五年中，电动汽车作为我们的重大科技实施项目，经过全国将近200家汽车企业、高校以及研究所的多名骨干的努力，已经取得了较大的进展；燃料电池的电动汽车样车已经问世，与之前电动汽车各类参数相比，在行驶性能、操控性能、安全性能、舒适性能上都有了很大的改进和提高。一些汽车公司，如：东风、长安、比亚迪、一汽等知名公司，对混合动力和纯电动车辆的开发和研究都有了相当明显的结果，各项指标都达到了国家标准和企业规定，形成了继续攻关的研发能力。而低速纯电动汽车作为纯电动汽车中的代表，得到的实施力度越大，越是证明新能源汽车得到广大人民的认可，欧盟各国、日本等对低速电动车进行单独的管理，这类电动车的牌照区别于其他燃油车，消费者可享受到购车的补贴、免年检、过路等费用的优惠政策。在欧洲一些国家已经为低速电动车专门划分了行驶的道路，以推行低速电动车的使用。在欧盟相关标准规定中，低速电动车不用参加NCAP碰撞测试，不需要安装气囊，但需要满足对轮胎、喇叭、后视镜、安全带、灯具等汽车部件的要求。作为新型能源交通工具的代表，低速纯电动汽车的研发与实施，具有跨时代的意义。1.3 本文研究的意义对于纯电动汽车来说，动力系统主要的参数有传动比参数、电动机参数、电池组参数；在电机输出特性一定的同时，传动系的传动比如何选择，将依靠整车的动力性指标来确定，也就是本论文最后的研究工况，即纯电动汽车传动比的选择满足汽车的最高车速、最大爬坡度和对加速度时间的要求，要提高传动系速比，第一可以增加最大扭矩。第二减小最高行驶速度。而电动机的功率包括额定功率和最大功率，电动机的功率选得越大，则电动汽车的后备功率就越多，而且加速和爬坡的性能就会越好，同时电动机的体积和质量也会增加，而且会使电动机不能经常工作在峰值功率附近，从而造成电动机的效率下降。因此，电动机的功率也不能选得太大，.由于汽车的行驶工况会比较复杂，所以需要电机具有一定量的过载能力，就是能承受较大的过载电流，能发出高于额定转矩 1-2倍以上的转矩，因为电机具有一定的效率特性，所以在一定的转速和功率下，具有一定的效率，因为电动汽车的能量源是有限的，所以在选择电机功率时，需要综合考虑以上这些因素，尽量使电机在实际运转过程中，能够经常处于高效率的范围，以获得较高的能量转化效率。综上所述，对比不同低速纯电动车辆的动力系统参数，从中使用不同的动力系统参数进行匹配，从而得到性能更好的动力系统参数匹配是此次研究的目的。1.4 本文的主要内容1.学习纯电动汽车，动力系统的构成和结构原理2.分析纯电动车辆动力系统的相互匹配和影响关系3.针对特定的性能指标要求进行动力系统的选择和计算 4.基于CRUISE仿真环境对选择的动力系统进行仿真验算5.相关英文科技文献翻译，5000字以上2 电动汽车的基本结构2.1 电动汽车的基本组成与传统内燃机汽车相比，纯电动汽车的结构有很大差别，具体组成包括：电力驱动及控制系统、安全保护机械系统、驱动力传动系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统则由电动机、电源和电动机的调速控制装置等电器组成，是纯电动汽车的核心部分，也是和内燃机汽车的区别之处；汽车行驶时，由蓄电池输出电能通过控制驱动电动机运转，电动机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。电动汽车的其余装置则基本与内燃机汽车相同。图2-1 电力驱动系统示意图2.1.1 电源与电池管理系统 纯电动汽车的电源系统包括车载电源、能量管理系统和充电器等。它的功能是向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况及控制充电机向蓄电池充电。纯电动汽车的车载电源是以动力蓄电池组为主，用周期性的充电来补充电能。动力蓄电池组是EV的关键装备，储存的电能、质量以及体积，对EV的性能起决定性的影响，也是发展EV的主要研究和开发方向。动力电池是混合动力汽车、电动汽车和燃料电池汽车锁必备的车载式储能电源，电池主要由一下几个部分构成：(1) 电极。不同的电极是采用了不同的材料，能够释放出电能的电极连接板构成，电极还用于支撑和固定电池中参加化学反应的“活性物质”。电池在放电时，在电池内部，在电池发生氧化反应并失去电子的电极为正极，获得电子的电极为负极。在电池外部，从电池壳题两端伸出正极和负极的接线柱，通过接线柱与负载连接，由外电路获得电子的电极为正极，向外电路输出电子的电极为负极。(2) 电解质。电解质是促使电池进行电化学反应的物质，电解质一半有酸性电解质、碱性电解质、中性电解质和有机物电解质等。电解质的形态有也太电解质，胶质电解质和固态电解质等。(3) 隔离物。在电池内部如果发生正极和负极的接触时，就会在电池内部形成“短路”，使电池在内部呈放电状态，并消耗电池的电能。因此，在电池内部需要用隔离物将电池中正极和负极隔开，防止电池内部短路。隔离物有：微孔橡胶隔板、微孔塑胶隔板等固体状隔离物；无纺布、玻璃纤维、网状隔板等膜状隔离物；硅胶等液状隔离物。(4) 外壳。外壳材料通常有上一轮、金属等。EV发展的症结在于蓄电池，蓄电池技术对EV的制约仍然是EV发展的难题；建立充电站系统、报废蓄电池回收和处理工厂，是推广EV的关键问题。纯电动汽车的常用电源有铅酸蓄电池、镍-锡蓄电池、镍-氢蓄电池和锉离子蓄电池等。而车载电源的发展经历了以下几个阶段。 (1)第一代EV蓄电池是铅酸蓄电池。其优点是技术成熟且成本低；其缺点是，比能量和比功率较低，不能满足EV续驶里程和动力性能的需求，但进一步发展了铅布蓄电池、阀控铅酸蓄电池等，使铅酸蓄电池的比能量有所提高。 (2)第二代EV蓄电池是高能蓄电池。第二代EV高能蓄电池类型比较多，镍基电池主要有镍镉蓄电池、镍锌蓄电池、镍氢蓄电池、镍金属氢化物蓄电池、镍铁蓄电池等。比能量和比功率都比铅酸蓄电池高是它的优点，极大提高了EV的动力性能和续驶里程；其缺点是，有些高能蓄电池需要复杂的蓄电池管理系统和温度控制系统，各种蓄电池对充电技术有不同的要求，而且电化学蓄电池中的活性物质在使用一定的期限后会老化变质，以至完全丧失充电和放电功能而报废，从而使EV的使用成本较高。(3)第三代EV蓄电池是锂电池。锂是最轻的金属元素，金属锂暴露在空气中或遇到水时会发生燃烧。锂的电极性很强，从锂的单位质量中可以获得大的电子容量，具有高的电压和质量比能量。锂电池在性能、容量、功率等方面比其他类型的电池具有较大的优势。但锂电池遇到空气或水分，会发生燃烧或爆炸，其中磷酸铁锂离子电池安全性较高，但体积较大，质量较重。在我国对于锂电池的研发及其在各种电动汽车上的应用已占据主导地位。EV车载电源由两部分组成，分别是高压电源和低压电源。高压电源是动力蓄电池组提供的155V-380V的高压直流电，动力蓄电池组是供电动机工作的唯一动力源，空调系统的空调压缩机，动力转向系统的转向油泵和制动系统的真空泵等，也需要动力蓄电池组提供动力电能；动力蓄电池组通过DC/AC转换器，供应12V或24V的低压电，并储存到低压蓄电池组中，作为仪表、照明和信号装置等工作的电源。 蓄电池管理系统用于对动力蓄电池组充电与放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈电流、蓄电池温度等进行控制;个别蓄电池性能变化后会影响到整个动力蓄电池组的性能，故需用蓄电池管理系统来对整个动力蓄电池组及其每一单体蓄电池进行监控，保持各个单体蓄电池间的一致性。动力蓄电池组必须进行周期性的充电，高效率充电装置和快速充电装置是EV使用时所必须的辅助设备，可采用地面充电器、车载充电器、接触式充电器或感应式充电器等进行充电。 电池管理系统可以根据实现方式分为两大类：第一类是依靠芯片的电池管理系统；第二类是采用分立式器件的电池管理系统；其中依靠芯片的电池管理系统一般将、把系统前端采集电路、电量计量算法、和通讯功能等集成在芯片中，而外围电路则是为辅助来实现对电池的管理，依靠芯片的电池管理系统它具有小体积、高集成度等优势；而依靠分立器件的电池管理系统，有基于纯硬件和基于软硬件协调工作的解决方案，而软硬件协调工作方案因为灵活而功能完善，所以被社会广泛采用。2.1.2 电机驱动系统在纯电动汽车上，电动机是唯一的动力源输出，在混合动力汽车上，电动机是辅助驱动装置。在电动汽车上最常采用的电动机为：直流电动机（DC Motor）、交流电动机（AC IM）、永磁电动机（BDCM）和开关磁阻电动机（SR）等电动机，电动汽车可选用的驱动电机类型如下，它主要由电子控制器、各种传感器、驱动电动机、电动机逆变器、机械传动装置和车轮等组成，其中最为关键的就是电动机逆变器，电动机不同，控制器也就有所不同，控制器将蓄电池直流电变成交流电后来驱动交流驱动电动机，电动机则将电能转化为机械能来输出转矩,再经过传动系统来实现车轮的驱动，从而带动电动汽车行驶。该系统的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，通过传动装置或直接驱动车轮的工作装置，并能够在汽车减速制动的同时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。图2-2 动力蓄电池供电示意图图2-3 电动汽车驱动系统分类图目前电动汽车驱动系统主要分为四类：（1）、直流电动驱动系统，这种驱动系统结构简单、电磁转矩控制特性优良，在城市无轨电车上广泛应用但重量和体积也较大；（2）、感应电机驱动系统，这种驱动系统结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、转矩脉动低、低噪声、矢量控制调速技术比较成熟，但驱动电路复杂，成本高；（3）、永磁无刷电机系统，这种驱动系统功率密度较高、电机尺寸小、体积小、转子结构简单、稳定性好；（4）新一代牵引电机系统，这种系统即开关磁阻电机驱动系统，具有高密度、高效率、低成本、宽调速。2.1.3 传动系统 纯电动汽车传动系统的作用是将电动机的输出转矩传递给汽车的车轮，当电动机采用电动轮驱动时，传动系统的绝大多数零部件可以忽略掉，因为此时电机可以进行负载启动，所以不需要传统内燃机汽车上常用的离合器，而驱动电机的转向则可以通过电路控制来产生变换，所以不需要传统内燃机汽车变速器中的倒车档位；当电动机采用无级调速控制时，可以忽略传统内燃机汽车上常用的变速器。如（图2-4）所示，该电动汽车动力传动系统主要是由三个电机，一个电机控制器，变速装置和蓄电池组组成。其中主电机负责驱动前轮运动，而两后轮分别装有一个小型轮毂电机，它们主要是为了实现能量的回收和后备功率的提供；车辆在一般工况下运行时，由蓄电池向主电机供电，驱动前轮来使车辆正常行驶；车辆大负荷运行时，为了保护电机，这时由蓄电池分别向前、后电机供电，通过电动机控制机控制3个电机同时工作向车辆提供所需功率；车辆在制动、下坡等需要减速的工况下工作时，前后电机均参与能量的回收，进而实现四个车轮同时回收能量。这种结构增加能量回收的同时，提高能量的利用率，有效地增加车辆的续航里程。2.1.4 底盘和车身 电动汽车的车身和底盘与传统内燃机车大致相同，底盘中的传动系比内燃机汽车有所简化。电动汽车在底盘布置上还要有足够的空间来放置动力电池组，并且要求线路连接方便，充电方便等。这就要求电动汽车在底盘的布置上，需要改变传统的内燃机汽车底盘布置方式，要扩大承载空间的跨度和结构件的刚度。由于动力电池组的质量和体积较大，所占据的空间较大，所以为了减轻纯电动汽车的整备质量，则需要广泛采用轻质材料。碳纤维增强树脂和复合材料等制造车身和底盘部分总成，并采用三维挤压成型工艺制造出结构复杂、质量小、强度大和装卸动力电池组方便的车架，补偿因装载动力电池组而增加的负载。 图2-4 电动汽车动力传递系统示意图2.1.5 辅助设施电动汽车的辅助系统中大部分设备与燃油汽车的基本相同，如图所示，其中动力转向系统、导航系统、辅助动力源、空调器、刮水器以及照明装置等。电动汽车的辅助动力源主要由DC-DC功率转换器辅助电源和组成的，其功能主要是向动力转向系统等其他辅助设备提供动力；借助这些辅助设备来提高汽车的操纵性、稳定性、还有安全性等。2.2 本章小结 电动汽车与传统内燃机汽车差别较大，传统内燃机汽车是由发动机产生动力，来驱动车辆行驶；而电动汽车不同，它是由电池提供电能来驱动电机旋转，从而带动车轮转动；电机驱动及控制系统是纯电动汽车的核心部分，也是区别于传统内燃机汽车的最大不同点。 本章详细地介绍了纯电动汽车的五大系统，即电源与电池管理系统、电机驱动系统、传动系统、车身及底盘、辅助设施五个部分；对之后的电动汽车的动力参数设计和研究，有一定的指导作用。 图2-5 电动汽车与燃油汽车辅助设备对比图3 传动系参数设计3.1 概述电动车辆动力传动系的设计必须以满足车辆的动力性能和行驶里程的要求。确定了汽车的动力性，是决定沿行进方向的车辆的移动情况。为此目的，有必要了解各种外力的作用在本车的行进方向沿汽车，即驱动力和行驶阻力。基于这些力量之间的平衡，建立了关于汽车动力性的方程式，可以计算出汽车的最大速度，最大加速度和爬坡能力。汽车的行驶方程式为： (3-1)公式中：Ft为驱动力；F为行驶阻力之和。3.1.1 驱动力汽车发动机产生的转矩，经传动系统至驱动轮上，此时作用在驱动轮上的转矩Tt产生一个对地面的圆周力Fo，抵免对驱动轮的反作用力Ft(方向与Fo相反)即是驱动汽车的外力，此外力称为汽车的驱动力，其公式为： (3-2)公式中：Tt为作用于驱动轮上的转矩；r为车轮半径。由于电动汽车采用电动机驱动，所以在电动汽车中Tt是由电机输出的转矩经传动系统传递到车轮上，所以令总传动比数值为i，其中变速器的传动比ig，主减速器的传动比i0，传动系统的机械效率为t，驱动电机的输出转矩是Ttq，则有： (3-3) 3.1.2 行驶阻力汽车在水平道路上匀速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力；当汽车在坡道上进行上坡行驶时，还必须克服坡度阻力；汽车加速行驶时还需要克服加速阻力。因此汽车行驶的总阻力为滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力之和，为： (3-4) 公式中：Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为坡度阻力；Fj为加速阻力，其中Ff可以等效的表示为： (3-5) 公式中：W为作用于车辆上的法向载荷；f为滚动阻力系数，它与路面种类，行驶车速以及轮胎的结构、材料等有关。可以根据不同路面，在经验公式中进行取值；(2) 空气阻力： (3-6) 公式中：为空气阻力系数；为迎风面积；空气密度，一般为1.2258Ns2m-4。为相对速度在无风条件下汽车的运动，即为汽车的行驶速度ua，则空气阻力(N)为： (3-7)(3) 坡度阻力： (3-8)公式中：为坡度，此时sin=tan=i。(4) 加速阻力： (3-9) 公式中：=为车辆旋转质量换算系数；m为车辆质量；du/dt为行驶加速度。所以，汽车行驶阻力为四个部分相加之和： (3-10) 车辆在行驶的时侯，汽车驱动力和路面产生的行驶阻力达到相互平衡的时候，电机的输出功率和车辆行驶时产生的阻力功率也是平衡的；所以在车辆行驶过程中的每一时刻，电机产生的功率Pe等于机械传动时损失的功率与全部运动阻力所消耗的功率之和；在纯电动汽车中，Pe为电机的输出功率，而车辆运行时产生的阻力功率为四项阻力功率之和，分别有有滚动阻力功率Pf、坡度阻力功率Pi、空气阻力功率Pw和加速阻力功率Pj；即： (3-11)根据汽车理论中的推导，可以得车辆行驶过程中的平衡方程如下： (3-12) (3-13)对低速纯电动汽车而言，公式中：Pe为电动机输出功率；n为电动机输出转速3.2 参数计算以普通低速纯电动汽车部分参数为依据：已知整车质量=700kg，满载质量=1000kg（四人），最高车速可以达到80km/h，满载最高车速可以达到60km/h，续航里程=80km，车轮滚动半径=0.247m，在变速箱传动比为1，主减速器为4.4的情况下：传动比固定时，需要确定在正常载荷和满载的情况下，其车轮所对应的最高转速。 (3-14)已知最高车速vmax=80km/h，传动比=4.4，车轮半径r=0.247，则： n=3780r/min已知市内车况复杂，以额定车速v=50km/h，传动比=4.4，车轮半径r=0.247，则：n=2835r/min(2) 汽车在正常情况下行驶，驱动力需要克服行驶阻力才可以进行行驶，因为这是对市内平路的环境下进行研究，即加速阻力和坡度阻力可以忽略不计 (3-15)已知f=0.015，r=0.247，CD=0.35，A=2.2/m2，m=800kg，则M=95.7Nm3.3 电机参数设计3.3.1 电动机额定功率所选电动机的功率应大于等于在平坦良好路面上以最高速度行驶时阻力的功率之和，即： (3-16) G=7009.8N，f=0.015，CD=0.35，A=2.2m2，=0.92，ua=80km/h 公式中，Pe为电动机额定功率； Cd为空气阻力系数；A为迎风面积；为传动系效率；m为整车总质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；Umax为最高车速；。3.3.2 电动机额定转矩当纯电动汽车以匀速在平地上行驶时，电机的输出转矩就是额定转矩。 (3-17)已知该车匀速行驶时的车速为60km/h，最后电机确定如下表： 表3-1 确定电机范围额定电压额定转速最大转速额定功率额定转矩72V2835r/min3780r/min6kw21.75Nm 3.3.3 电动机加速性能在水平良好路面上，车辆的行驶加速度表示为： (3-18) (3-19)公式中：Ttq为电机额定转矩；igi0为传动比；r为滚动车轮半径；为传动机构效率，；Ff为车辆行驶滚动阻力 ；M总质量；为转动质量换算系数Fw为车辆行驶的空气阻力，则：电动汽车从起步加速到速度为u的时间为 (3-20)根据纯电动汽车的最大爬坡度要求，可以计算出电动汽车所需求的最大转矩值。 (3-21)Ff=mgfsin；Fi=mgcos；ig=1，i0=4.4，=0.92，m=700kg，g=9.8m/s2，f=0.015，=tan-1（0.2）=11.33.4 电池参数的确定蓄电池的参数为：负载有效功率 * 支持时间 = 电池放出容量 * 电压 * ups逆变效率设最大行驶里程为80km，电池放电深度为0.8 （3-22）则I=82.3A 则W=102.875Ah所以电池选择为110Ah的电池（12V/110Ah电池6块）3.5 本章小结最大电池容量为110Ah，起始容量为80%，额定电压为72V，最大电压为82.2V，最小电压为60V。电池组电池数量为6，电池组总质量为300kg。综上所述，选取车型的额定功率为6kW，可以满足功率要求。电动机的最大转速为3780r/min，额定转速为2835r/min，电机采用的最大转矩为21.75 Nm，额定电压为72V。4 建立整车仿真模型4.1 AVL CRUISE 车辆动力学仿真分析平台AVL CRUISE 软件是可以实现对复杂情况车辆的动力传动系统进行仿真和分析，通过方便且容易使用的模型元件、直观简便的数据管理系统以及基于工程应用开发设计的建模流程和软件接口， CRUISE已经在整车生产商和零部件供应商之间搭建起了沟通的桥梁，软件的主要特点简述如下：1)灵活的模块化理念可以进行各种车辆和动力性能总成配置的分析，并且能够自由地在所提供的模块的基础上建立不同参数的系统模型；2)人工智能的驾驶员模型可以根据人体不同反应而真实地再现车辆的行为；3)发动机的冷启动模型考虑了高摩擦和热力学效应；4)提供了流体动力学软件Flow master、KUL I及MATALAB/SIMUL INK的接口；5)考虑了转向时车轮和车辆受力；6)有分析CVT的专用模型。Cruise提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标操作的方法从模型库中拖出相应的元件放置在工作区中，便能建立起一个系统的框图，根据研究的需要添加相应的控制模块，并正确连接数据总线，便可很快得到系统模型；用户能方便地修改动力传动系的配置，所以用它来对动力传动系统建模将是一件非常容易的事情，利用Cruise软件可以缩短研发周期，节约研发成本，减少设计的盲目性。4.2 电机模型的建立 根据市面上已有型号的电机，我们把相对应的转矩、转速及其他有关数据输入Cruise的电机模型之中，建立所需要的电机模型。 电机工作电压为72V，最大转速为2577rpm/min，转动惯量为0.15kgm2，最大转速的扭矩为21.75Nm，电机质量为10kg，达到最大功率转速时间为10s，最大温度为170，初始工作温度为50，比热容为1100J/kgK，将所计算的数据输入电机后得出特征图，如图所示： 图4-1 电机参数设置图4-2 电机外特性设置图4-3 电机效率设置4.3 电池模型的建立 根据上一章计算，得到的最大电池容量为110Ah，起始容量为90%，额定电压为12.0V，最大电压为14.2V，最小电压为10V。电池组电池数量为6，电池组质量为300kg。如下图所示：图4-4 电池参数设置如图（4-5）所示为蓄电池常用的恒流充电法，它用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，即电流I保持恒定。该控制方法比较简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚。因此，本次电池仿真中采用该方法进行参数定义。 图4-5 电池充电曲线设置图4-6 电池放电曲线设置4.4 整车模型的建立 首先新建一个project和version，需要将version进行保存后才可以读取，之后进入cruise的工作页面，将电池、电机、驾驶员模块、常量、变速器、制动器、以及车轮等模块拖入其中，并建立模型；在各个模块的的界面中输入参数，例如电机的最大电压、最高转速所对应的转矩；车轮的摩擦系数和滚动半径；电池的额定电压和电流、电池容量、电池的串联和并联数；车辆模块的满载重量、迎风面积和阻力系数；主减速器的主减速比等。在计算中心进行仿真时，首先需要建立task，并且添加相应的任务才行，之后对各个任务的工况进行设定，例如最大爬坡度的坡度，车辆是否满载等等，必须要在模型建立和工况设定两方面都没有错误的情况下才可以进行计算，否则系统会提示用户某个地方有遗漏或错误，从而终止计算。 建立系统的物理连接和线束信号连接时，首先完成工作区上的物理连接，选定各系统模型之后，根据汽车部件连接配置，用connect建立模型的物理连接；电池与电机之间有直接的物理连接关系，车轮和制动器之间也有物理连接关系，但驾驶室与制动器之间和常量之间虽然没有物理连接，但是有线束连接。所以在仿真过程中，我们需要了解汽车系统内部各部件之间的连接关系、控制关系以及信息传递关系，建立正确的物理和线束连接关系。 最后在result中查看结果，在所对应的task中，会有对应的结论图，通过这些图我们就可以查看自己计算的参数的可行性。 图4-7 整车模型搭建4.5 本章小结 通过前一章的参数计算，本章进行的AVL-cruise软件的初步操作，从最开始的任务建立到最后的模型建成，都耗费了不少的时候，由于软件是纯英文软件且运行思维不同，所以在完成第四章中颇为艰难，通过对每个模型参数的翻译和对软件运行步骤的学习，构架了如（图4-7）的模型且进行的参数的输入。5 仿真及结果分析根据纯电动汽车仿真的要求，在task中选择相应的工况，并且进行仿真前的定义，设置合适的参数进行仿真计算；在task中add的计算任务有四项：分别是Cycle Run中仿真续驶里程；Climbing Performance中仿真最大爬坡度；Constant Drive中仿真最高速度以及cruising中的最大加速度；之后再计算中心中选择single calculation的计算方式，计算完成之后，在Result Manager中提取文字和图形的结果，并进行相应的分析。5.1 整车仿真及结果分析5.1.1 循环工况实验（Cycle Run）图5-1 循环工况图 推论：由（图5-1）可知，该电动汽车达到的最高车速为 20km/h，没有达到最开始假设的最高时速80 km/h，车辆速度随着时间的增加而增大，当达到20km/h左右便不再上升而保持匀速，车速没有达到额定的速度，由此推断是电机的输出转速不够，即使通过机械效率为0.92的传动系统进行传动也无法使车轮达到设定车速。5.1.2 最大爬坡度实验（Climbing Performance）图5-2 最大爬坡度示意图推论：由（图5-2）可知，电动车辆爬坡度最高位5%，满足平路行驶所需要的最小爬坡度，但是不能满足正常车辆应满足的20%最大爬坡度，图中爬坡度线呈锯齿形，由此推断电池组容量不足，不能提供足够的功率输出。5.1.3 最高车速试验（Constant Drive）推论：由（图5-3）可知，刚起步时间段，实际车速大于额定车速；而在起步一定时间段后，实际车速保持在21km/h左右不变，不随时间的变化而变化，由此推断电池组电量不足，无法提供足够的输出转矩，从而无法达到设定车速。推论：由（图5-4）可知，车辆所受牵引力很小，且在达到车速为21km/h左右时候，牵引力下降而变为零，则没有动力输出，由此推断电池电量耗尽，无法提供输出功率；或者因为爬坡度不够而无法继续行驶。图5-3 最高车速工况图5.1.4 最大牵引力试验（Maximum Traction Force）图5-4 最大牵引力工况图5.2 电机仿真结果分析推论：由（图5-5）可知电机最大扭矩为21Nm，最大输出功率为1.9kw，最高转速为1018rpm。都没有达到最初设定的最大功率6KW和最高转速3890rpm。图中，汽车使用过程中动力性衰退的标志是输出功率显著降低，随着车速的增加， 输出功率的降低幅度增大，最大功率值向低速偏移，输出的最大功率均小于额定值。但输出功率与车速的关系未因动力性的衰退而改变，动力性衰退后的驱动轮外特性仍与混合动力电池固有外特性的走势相似，即驱动轮的输出功率也随速度的增加而增大，功率达最大值后，随速度的进一步增加则输出功率迅速下降。图5-5 电机仿真示意图5.3 电池仿真结果分析推论：由（图5-6）可知，该电动汽车最后进行仿真运行时，最大电流为135A，最大电压为79.2V；与之前第三章参数计算中电池参数计算结果相差不大。5.4 本章小结 本章通过第四章所构建的模型框架，对所计算出的各部件参数进行了不同工况下的动力仿真，基本都没有达到最初预想的参数；由此观之，汽车动力性的计算不能片面的靠计算去获得参数，而是要通过在实际的情况中，去测定不同的参数再进行动力性的参数输入和仿真，估计这样所获得的汽车动力性参数更为真实。图5-6 电池仿真模型结 论 汽车动力性分析的主要任务是对于汽车各零部件之间连接的关系和参数的匹配进行设计，以保证汽车在自己假设的环境中能够正常行驶，并且拥有良好的动力性、安全性、以及燃油经济性。本论文详细介绍了纯电动汽车的组成部分，通过在网上查阅电动汽车动力性注意事项和运