毕业设计-纯电动车电力驱动系统设计（全套含CAD图纸）
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纯电动汽车电力驱动系统设计CAD图纸
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任务书 院(系) 专业班级 学生姓名 一、毕业设计题目 纯电动汽车电力驱动系统设计 二、毕业设计工作自 年 月_ _日 起至 年 月 日止三、毕业设计进行地点: 四、毕业设计内容要求：要求运用所学知识，分析电动汽车的结构和参数以及传动机理，选择适当的驱动电动机、储能装置，选取适当的变速装置设计纯电动汽车的电力驱动系统。最终上交的毕业设计内容包括：1、开题报告一份；2、系统原理图、系统结构总图、部件图及明细表；3、完整的毕业论文一份；4、外文翻译。指 导 教 师 系(教 研 室) 系(教研室)主任签名 批准日期 接受设计任务开始执行日期 学生签名 开题报告题 目 纯电动汽车电力驱动系统设计 学生姓名 学号 所在院(系) 专业班级 指导教师 年 月 日题 目纯电动车电力驱动系统设计一、 选题的目的及研究意义题目：纯电动汽车电力驱动系统设计目的：符合所学专业，顺应时代的要求，是旧设备与新技术的结合过度点，具有创新性。研究意义：在当今世界主流能源（石油等）日趋不可逆减少的情况下，人们渐渐的迫切需要一种新的能源代替老一代的作为动力源。随着技术的日趋成熟，不论从动力来源，产生条件，做工过程，做功后的排放物，设备的损耗与保养等，电力驱动渐渐变的比传统的热传动更具有优越性。电与磁又不可分，在日后的技术扩展，应用拓宽方面也有优势。所以，研究纯电动汽车是当前的大方向，而核心的电力驱动系统也是研发的前沿。电动汽车将逐步替代石化燃料汽车已经成为趋势，除了动力源外，其传动系统，转向系统，制动系统均与传统汽车并无太大差别。综合现有的汽车技术，提前研究电动汽车，分析其与传统汽车的异同点，可以很好的为以后做技术储备。二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等2.1本课题相关领域的研究现状：全球范围内研究电动车相关技术最早于上世纪七十年代，但因为技术材料等原因的限制，截至到目前，广泛意义的电动车也仅限于电动自行车与小载荷、短行程的小型汽车，或者有空间装载大型电动机组的城市公交和轨道列车或者电生磁的磁悬浮列车。但这些车辆要么过大要么过小，不能很好的适应我们的日常需求所以处于辅助地位。2.2本课题相关领域的发展趋势：随着技术的发展，蓄电池的储能增加，电动机的体积渐小，功率渐大，利用率大增，这也使得电力驱动从实验室迈向实际应用成为可能。日后用电力做功替代热功是发展趋势。作为主要交通工具的汽车也必将顺应时代潮流，燃料发动机将被电动机逐步取缔。现在各大汽车生产商已将较成熟的电动车产品投入市场，但因城市相关配套设施如充电站，维护点等建设不全面，等到电动车普及还有一段路要走。随着风电，水电，核电的发展，电力的主要获取渠道也从火电渐渐转移，成本也随之降低，现在已经有一些大型城市例如伦敦等配有城内供电站使得电动车使用更方便。随着充电方式的进步，时间的减少，其应用领域也从短途用车向着人们日常生活用车所转移。2.3本课题的研究方法及应用领域：现阶段主要以试验为主，通过理论验证出经济又实用的方案，试产样车，做各项性能测试，安全测试，寿命测试等。测试结果良好的话，可小批量投放到市场（最好是大型城市，配套设备也相对齐全）。市场反应良好的话，政府也会适当参与调整，到时候围绕着电动汽车的一个产业网将会兴起。从发电站，变电站，输电线，充电站，再到汽车的能源流动线。从材料科学，金属化工发展的高储能电池。车内CAN总线，电子控制。还有新一代的4S店及一系列售后维护保养产业。应用前景是十分光明的。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明3.1本课题将要解决的主要问题及思路与方法：本课题将要解决的主要问题电动机、储能装置、变速器的选择与布置，参考各个装置的体积，功率，质量来选择合适的布局方式与正确的部件。参考现有的一些成熟技术与市场相关产品，吸取成功经验并运用所学知识尝试解决现有的一些不足之处。在将现有的成熟技术掌握验证后考虑进一步的改良。3.2拟采用的研究方法或试验方案：主要方法还是理论验证。参考现有资料，结合所学知识进行纸上测算，整体尺寸，变速装置，电机性能，功效等数据。绘制草图，拟定布局方案，绘制结构图，零件图，装配图等。四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明1肖生发.汽车构造M.北京大学出版社,2006.2李卓森.汽车知识纵览M.机械工业出版社,2000.3徐维新.现代汽车新技术M.上海科学技术出版社,1999.4刘世恺.汽车百年史话M.人民交通出版社,2005.5王望予.汽车设计M.机械工业出版社,2004.6余志生.汽车理论M.机械工业出版社,2004.7傅定芳.电工学基础M.人民卫生出版社,2006.8索左曼洛夫斯基.混合电动车辆基础M.北京理工出版社,2001.9陈清泉.现代电动汽车技术M.北京理工出版社,2004.10孙旭东.电机学M.清华大学出版社,2006.11网络.五、毕业设计进程安排2014.03 2014.03.15收集材料撰写开题报告。2014.03.152014. 2014.04开始初步设计，选择合适电机，电池，变速装置，做好大致布局，确定尺寸区间等，对电动车的整体设计及各部件布局做进一步规划。2014.04.052014.04.21主要解决四个问题：（1）电动机的确定（2）蓄电池的确定（3）车的整体质量确定(4)变速器确定。检测所设计的系统的可行性与可靠性，性价比的考量。对所设计的汽车进行数据测算，动力性，制动性，经济性的计算。2014.04.212014.05.20总结设计心得，整理毕业设计所有资料，绘图，撰写设计说明书。2014.05.202014.06.01 准备并答辩。六、指导教师意见1对开题报告的评语开题报告符合要求，内容完整，时间安排合理2对开题报告的意见及建议同意开题，按照开题报告内容及时间完成毕业设计指导教师（签名）： 年 月 日 所在院（系）审查意见：审核通过负责人签字(盖公章) 年 月 日 6 纯电动车电力驱动系统设计摘要：我国是个人口大国，随着近些年我国国民经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，汽车的需求和保有量都迅速的加大，而由此引发的对能源的消耗，环境的影响问题渐渐严重。发展具有零排放、高能源效率的纯电动汽车显得尤为重要。电动汽车是以电力作为能源、由电机驱动的的汽车。电动汽车具有结构简单、使用方便和节能环保以及小噪声的特点。所以发展电动汽车符合我国的基本国情。电动汽车动力总成主要包括能源系统、驱动系统。动力总成是电动汽车最重要的子系统，决定了整车的动力性和经济性，是电动汽车产业化的关键。本文对动力传动系部件的设计参数进行研究，根据纯电动汽车性能要求进行主要参数的设计及匹配，通过对概念车型的计算，验证该概念车辆动力性能的可行性。分析影响续驶里程、最高车速和最大爬坡度的各种因素，提出能够很好地提高电动汽车动力性能的措施和方法。进一步计算主要参数，分析电动汽车的结构和参数以及传动机理，选择适当的驱动电动机、储能装置，选取适当的变速装置设计纯电动汽车的电力驱动系统。关键词：电动汽车 电力驱动系统 参数匹配 传动系统 Pure electric vehicles electric drive system designAbstract：Our country is populous country in recent years, with the rapid development of Chinas national economy, peoples living standards improve, demand for cars and ownership are rapidly increasing, and the consequent energy consumption, the impact of environmental issues getting serious. Development of zero-emission, energy-efficient electric car is very important. Electric vehicles based on electricity as an energy source, driven by the motor car. Electric cars have a simple structure, easy to use and energy saving features and a small noise. Therefore, the development of electric vehicles in line with Chinas basic national conditions.Electric vehicle powertrain including energy systems, drive systems. Electric vehicle powertrain is the most important subsystem determines the vehicles power and economy, and is key to the electric vehicle industry. In this paper, the design parameters of powertrain components research, design, and matched according to the main parameters of a pure electric vehicle performance requirements, by calculating the concept models to verify the feasibility of the concept vehicle dynamic performance. Analyze the impact of various factors driving mileage, maximum speed and maximum gradeability proposed could well improve the performance of electric vehicle measures and methods. Further calculations main parameters, as well as analysis of the structure and parameters of the transmission mechanism of electric vehicles, select the appropriate drive motor, energy storage devices, select the appropriate electric vehicle transmission design electric drive systems.Keywords: electric cars, electric drive systems, parameter matching, transmission目录引 言11.绪论21.1研究背景及意义21.2国内外纯电动汽车的发展状况31.2.1国外纯电动汽车的发展状况31.2.2 国内电动汽车发展现状41.2.3 现代纯电动汽车开发的关键技术62.电动汽车动力总成参数匹配与设计102.1纯电动汽车的动力总成102.1.1动力总成的基本形式102.1.2动力蓄电池组及其管理系统132.1.3动力电机及其控制原理142.2 纯电动汽车驱动系统参数选择与计算162.2.1动力性能指标162.2.2电动机功率选择162.3电池组的数量与容量的选择182.4主减速比与变速箱传动比的选择202.5计算实例202.5.1动力性能指标的确立202.5.2整车参数的确定202.5.3电机参数确定212.5.4电池组个数和容量的确定212.5.5主减速比和变速箱传动比的确定212.5.6参数选择小结212.6本章小结223.动力总成控制策略设计233.1控制系统结构及功能233.1.1整车控制系统结构233.1.2 CAN网络体系253.1.3控制系统的功能定义263.2电机过载管理273.2.1，电机负载过载273.3能量管理策略283.4本章小结294.全文总结和研究展望305参考文献32引 言由于经济的持续快速发展，我国对能源的需求急速增长。中国已成为全球第一能源消费大国。中国能源研究会预测，我国能源需求将继续增长，这将进一步推动能源价格的普遍上涨。交通运输业是目前我国能源消耗最大，也是能源消耗增长最快的行业之一。与此同时，交通运输所造成的污染日趋严重。汽车尾气排放已成为我国各大中城市污染的主要来源之一，交通所造成的污染已经影响到人们的生活质量。例如最近各大城市的雾霾天气。因此，降低能源消耗、减少环境污染，以保持交通运输的可持续发展，已成为我国交通运输业可持续发展所面临的首要任务。纯电动汽车作为绿色环保的交通工具，它的投入运行不仅对缓解能源危机以及环境问题有着重大的作用，对于我国自身相关汽车产业的发展以及我国汽车业在国际中的地位及竞争力也有着及其积极的意义。以电池为能源的电动汽车（EV）将成为21世纪中叶及其日后汽车工业和汽车运输的主力。世界各大国家、汽车公司、研究部门和科研大学，从20世纪70年代起就投入了大量的人力、物力和财力来开展EV的开发与研究，并且研制出多种多样的EV，其中有的已经接近或达到内燃机汽车的动力性能，其中部分车型已经批量生产和投入运营。我国将EV的研究和开发列为“十五”期间、“国家865计划电动汽车重大专项”中的重点科技攻关项目，由科技部领导和组织了多个研究院所、企业、高等院校，来开展EV的研究和开发制造，使我国EV的开发和制造技术有了飞速的进展。由于EV涉及到汽车车身、底盘、储能电池、电动机、驱动系统、自动控制、新材料和新工艺等方面的科学和技术。而它们又都是独立的系统学科和技术。本篇论文仅就以纯电动汽车的电力驱动系统为研究对象，对其结构模型、驱动模式、特点和主要技术性能做了基本的研究和阐述。本篇论文中列举了一些公式、插图、和表格等，方便阅读、参考和使用。1.绪论1.1研究背景及意义在当今世界主流能源（石油等）日趋不可逆减少的情况下，人们渐渐的迫切需要一种新的能源代替老一代的作为动力源。汽车工业的高速发展以及人们对于汽车使用需求的不断增加，带动了汽车产量和保有量的持续上升。从而加剧了能源问题和环境问题。我国是个人口大国，随着近些年我国国民经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，汽车的需求和保有量都迅速的提升，而由此引发的能源、环境问题日趋严重。从1993年开始，中国就开始成为石油净进口国。此后几年内，我国的石油进口量每年递增1000万吨左右，而且逐年加大。2003年递增量达到2000万吨。2004年，中国原油进口达1.227亿吨，首次突破1亿吨大关。2006年，中国原油进口量达1.452亿吨，2007年我国的石油进口量几乎突破两亿吨，比专家预计的年限提前了3年。目前，中国己成为全球第二大能源消费国，预计能源消费的增长势头还将继续。国际能源机构 (IEA)预测，随着越来越多中国消费者购买汽车，到2030年后，中国石油消耗量的80%将需要依靠进口。汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅颗粒及硫氧化合物等。一辆轿车一年排出的有害废气比自身车重重3倍。在我国南方的许多城市，汽车尾气己经超越工业污染成为大气污染的首要污染源，汽车尾气被市民评为“最不可忍受的污染物”。在位列我国第一批环保模范城的深圳市，大气污染中机动车尾气污染己占70%，每年排放的各种有害物质达20多万吨，并且每年以超过20%的速度上升。控制汽车污染，成为该市每年召开“两会”期间的热点话题。以解决能源危机与环保需求问题为出发点，以纯电动汽车为代表的新能源汽车的发展受到全球广泛关注。纯电动汽车具有低噪声、无污染、能量来源多样化、能量效率高的特点，是解决城市化中的汽车问题的最佳途径。发展纯电动汽车将对调整我国产业结构、提高重点领域的创新能力和市场竞争能力，促进经济社会协调发展产生深远且积极的影响。纯电动汽车的研发是电动汽车发展的首要着手点。根据我国目前发展的具体国情结合汽车使用管理和运行优势，首先发展纯电动汽车并使其商业化更符合我国的实际情况。随着技术的日趋成熟，不论从动力来源，产生条件，做工过程，做功后的排放物，设备的损耗与保养等，电力驱动渐渐变的比传统的热传动更具有优越性。其充电的便利性，维护成本低下，安全性能更高等优势将逐步被社会接纳认可。电与磁又不可分，在日后的技术扩展，应用拓宽方面也有优势。所以，研究纯电动汽车是当前的大方向，而核心的电力驱动系统更是研发的前沿。电动汽车将逐步替代石化燃料汽车已经成为趋势，除了动力源外，其传动系统，转向系统，制动系统均与传统汽车并无太大差别。综合现有的汽车技术，提前研究电动汽车，分析其与传统汽车的异同点，可以很好的为以后做技术储备。1.2国内外纯电动汽车的发展状况1.2.1国外纯电动汽车的发展状况世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进展和突破。现代电动汽车一般可分为四类：纯电动汽车（PEV）、混合动力电动汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）、外接充电式混合动力电动汽车（PHEV）。从20世纪70年代起，世界发达国家均投入巨资进行电动汽车的商业化开发和应用。经历了基础研究、关键技术突破、产品开发和试验，车队和小区域的试用，现在正在转入小批量商业化生产和实际应用探索的阶段。美国政府以能源部为中心，在电动汽车的研制开发过程中连续的逐年递增投入资金。1976年美国制订了电动车辆研究计划。1984一1985年美国能源部拨款1900万美元支持电动车的研制。据美国电动汽车协会1995年发表的统计数据，美国有190家电动汽车研发、生产企业。通用的电动车第二代EV-l与 1996年开始小批量商业化生产。至2000年大约售出 1110辆。福特公司2002年推出全新的THINK都市车。不过近些年由于纯电动车的价格太高且续驶里程未能满足使用者的需求，因此诸如EV-1、Chrysler EPIC等第一代技术不是很成熟的电动汽车已相继停产。然而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。另外小型、低速、特种用途的纯电动汽车也在不断的发展。欧洲各国成立了欧洲电动汽车协会，并得到欧洲经济委员会的支持和资助。法国的标致一雪铁龙与雷诺两大汽车公司一直在积极研制电动汽车，1990年J5和C25电动货车投人生产，1995年标致和雪铁龙电动汽车投入生产。法国在电池、电子控制和电机技术等电动汽车技术方面列世前茅。1992年德国政府拨款2200万马克，在吕根(Rugen)岛建立欧洲电动汽车试验基地。戴姆勒公司计划在2010年推出小型车smart品牌和豪华车梅塞德斯一奔驰品牌的电动车。目前Eleetri。Smart在欧洲部分城市己有运行。如图1.1所示为Eleetricsmart正在伦敦街头运行和在充电站充电。图1.1在城市中运行的 EleetrieSmart日本政府一直很重视电动汽车的发展，很早就制定了电动汽车发展计划。1991年通产省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。1997年后日本汽车制造商推出了装载镍氢、镭离子电池的第二代纯电动汽车。90年代末，丰田公司研制出RAV-4型纯电动车。尼桑汽车公司1998年在日本和美国销售的Ahra-EV公司自己开发的铿离子动力电池，使用寿命约为10年。三菱公司在1999年底展出的FTO-V上，装备了新开发大容量、高输出的镭离子电池和大功率的永磁同步电动机。目前世界各国政府和著名的汽车制造商都在如火如茶的进行电动汽车产品的开发，其中以美国的蓝鸟客车公司、英国的FRAZER-ASH公司为代表的电动客车和电动轿车已经上市，在英国已有4万多辆电动汽车在使用。法国则是世界上推广应用纯电动汽车最成功的国家之一，成立了电动汽车推广应用国家部际协调委员会，在巴黎和拉罗谢尔已经建立了比较完善的纯电动汽车充电站网等纯电动车运行需要的基础设施，制定了优惠的支持和激励使用电动汽车的政策，且已经初步形成了纯电动汽车运行体系。在近年的国际性大型运动会上，电动汽车也成为各国展示其科技实力和环保意识的工具之一。亚特兰大奥运会使用了美国蓝鸟客车公司生产的纯电动客车作为公务和电视转播车，悉尼奥运会购买了英国FRAZER-NASH公司的近400辆电动客车作为接送运动员车辆。 1.2.2 国内电动汽车发展现状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荼的进行着，而且我国电动汽车的研发与国外在技术水平与产业化方面差距不大。新的中国汽车产业调整和振兴规划中称，将实施新能源汽车战略，推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车及其关键零部件的产业化。启动国家节能和新能源汽车示范工程，由中央财政安排资金给予补贴，支持大中城市示范推广混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等节能和新能源汽车。我国于20世纪70年代曾开展蓄电池汽车的研究。90年代“八五”期间蓄电池电动汽车被列为国家重点攻关项目，以清华大学为主，开发出我国第一代蓄电池汽车。“九五”期间，将电动汽车项目确定为国家重大科技产业工程项目加以实施，同期国内推出了若干种电动汽车样车。“十五”和“863”计划中，特别设立电动汽车重大项目，选择新一代电动汽车技术作为我国科技创新的主攻方向，组织联合攻关，以电动汽车产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键储能技术、系统集成技术及整车技术上取得重大突破。“十一五” 将电动汽车单列出来并纳入国家规划，将“新能源产业振兴规划”更名为“新兴能源的发展规划”，扩大新能源的研发范畴。我国电动汽车重大科技专项实施4年来，经过200多家企业、高校和科研院所的2000多名技术骨干的努力，目前已取得重要进展：燃料电池汽车已经成功开发出性能样车，在整车操控性能、行驶性能、安全性能、燃料利用率等方面均已得到较大提高。一汽、东风、长安、奇瑞等汽车公司对混合动力汽车的开发投入了较大的人力、物力。各车型均已完成功能样车开发。纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心的型式认证试验，各项指标均满足有关国家标准和企业标准的规定，初步形成了关键技术的研发能力。北京理工大学承担了国家高技术研究发展计划项目和2008年北京奥运会电动车项目，同时承担北京市电动汽车示范运行管理中心的筹建和运行管理工作。以北京理工大学、北京理工科凌电动车股份有限公司、北京公交车厂和北方华德客车股份有限公司为团队的北京纯电动客车已顺利通过北京市公共交通总公司组织的示范运行车组验收。小批量研发生产的4种车型近40辆公交车已经投入北京市一区一线电动示范车队的示范运行。同济大学和上海燃料电池汽车动力系统有限公司等共同承建国家高技术研究发展计划电动汽车重大专项燃料电池项目，也已试制出“春晖一号”、“春晖二号”和“超越”系列混合动力电动车。西安交通大学在电动汽车关键技术领域研究开发了15项国家发明专利，正式授权5项。在国家“十五”、“十一五”863重大项目支持下，重点开展电动汽车动力系统关键技术研发，己开发纯电动微型汽车、纯电动高速轿车、plug-in混合动力轿车以及混合动力公交客车4个动力系统平台。形成了年产6万辆纯电动轿车总装线和年产8万套动力系统的生产线。纯电动轿车己批量出口欧美，截至2008年，清源公司已累计出口各类电动汽车3000余辆。北京奥运会、残奥会期间，有500辆纯电动、混合动力和燃料电池汽车为奥运服务，其规模超过历届奥运会，成为展示“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”理念的移动名片。500辆新能源车辆，均是我国863计划的自主创新研发成果，包括55辆纯电动大客车、25辆混合动力客车、75辆混合动力轿车、20辆燃料电池轿车、3辆燃料电池城市客车以及320多辆各类纯电动场地车。如图1.2所示，为我国已经研制并投入到实际运行的纯电动轿车和纯电动客车。图1.2 纯电动轿车和奥运中的纯电动客车配合纯电动车辆运行的地面配套基础设施建设也取得了一定的成就。奥运期间北京建成了一套较完善的配套设施，包括为车辆提供能量补充的充电站及充电监控网络;对车辆的远程实时监控、运行数据自动化采集、记录和分析的电动汽车智能化管理系统;车辆日常维护、保养的综合服务体系。这套设施是国际上规模最大、充电机数量最多的电动汽车充电站，并首次实现了电池更换自动化。整个充电站占地面积5000平方米，站内布置240台9千瓦充电机。在奥运期间通过自动更换、机械实施动力电池分箱组合式快速更换，为50辆京华电动客车提供24小时电池充电、更换服务，以及相应的整车、电池维护保养服务。图1.3 纯电动车充电站和正在充电的电动车完善广阔的充电辅助网络的配备是纯电动车的运行和发展的关键。国家电网公司已经下发“加快各地充电站建设”的通知。明确支持加快在上海、北京、天津等大城市加快电动汽车充电站建设。在几大城市的首批充电站建成后，将成为“示范运行”的纯电动汽车补充电力的基站。全国范围内大规模建设电动汽车充电站网络展露曙光。目前国内自主研发的纯电动轿车和纯电动客车很多均已进行了国家质检中心的型式认证试验，各项性能指标均满足有关国家标准和企业标准的规定。纯电动轿车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标己超过法国雪铁龙公司等国外大型汽车生产企业研制的纯电动轿车和厢式货车，初步形成了关键技术的研发能力。1.2.3 现代纯电动汽车开发的关键技术纯电动车以动力电池作为能源，由电动机驱动，基本结构系统可分为3个子系统，即电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。纯电动车相对于传统车在技术优势上有很多有利条件。纯电动车因采用电池而带来在能源、环保和降噪方面显示出优越性和具有强大的竞争能力，采用电机还可以实现无级调速和再生制动功能，除此之外电动汽车还能更快地实现机电一体化和采用现代电子控制技术。现代电动车是一个复杂的系统工程，它的理论基础是将汽车技术、电机技术、驱动技术、电力电子技术、能源存储技术和现代控制理论有机的结合起来，实现系统的集成优化。总结起来纯电动车开发的关键技术主要有以下几个方面。1高功率密度驱动电机研究电动车辆的驱动电机属于特种电机，它是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有宽的调速范围及高的转速，足够大的启动扭矩，体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。目前电动汽车所采用的电动机中，直流电动机基本上己被交流电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。电动汽车所用的电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。当今世界己研制出功率密度超过1kw/kg，额定点的效率大于90%的小型电动机，电机满足低速恒扭矩、大扭矩和高速恒功率的牵引控制要求。常用的电机基本特性比较如下表1.1所示:表1.1 各种电机基本特性对比直流电机交流感应电机永磁式电机开关阻尼电机功率密度低中高较高过载能力（%）200300500300300500峰值效率（%）85899495959790负荷效率（%）8087909285977885功率因数（%）-828590936065恒功率区-1:51：2.251:3转速范围（r/min）40006000120002000040001000015000可靠性一般好优良好结构的坚固差好一般优良电机尺寸大中小小电机质量重中小小2车用动力蓄电池的选择目前主要限制电动汽车发展的是车用动力蓄电池，其比能量、比功率、循环使用寿命低和成本高。因蓄电池的性能决定了电动汽车的性能指标，能量密度决定电动汽车一次充电续驶里程，功率密度决定电动汽车的加速性能和最高车速。当前世界各发达国家都制定了相应的发展电动汽车动力蓄电池的计划，如美国三大公司于1991年1月签定了一个为期12年的协议，成立了先进电池研究联合体，合作研究车用蓄电池，并发布了中长期目标，如表1.2所列。可作为电动汽车蓄电池的有很多种，如铅酸、镍镉、镍氢、钠硫、镭离子及飞轮电池和燃料电池等，其中最有前景的是镍氢、钠硫、镭离子及飞轮电池和燃料电池。表1.2 先进蓄电池中长期目标性能中期目标长期目标比能量（C/3放电率）/(Whkg)80100200比功率（80%放电深度）/(Wkg)150200400循环寿命（80%放电深度）/次6001000销售价格/（美元/Kwh）150100使用温度/30654085充电时间/h636效率（C/3放电，6h充电）/%7580自放电1.5（48h）55km/h;最大爬坡度15%;0-40km/h的加速时间150km。2.2.2电动机功率选择电机具有一定的效率特性，即在一定的转速和功率，对应一定的效率。由于纯电动汽车的能量源是有限的，在选择电机功率时，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。根据纯电动汽车的最高车速选择，电机功率的选择既要满足整车具有一定的车速，又要根据整车的使用条件，使得电机经常在趋近满负载状态下运行。必须满足纯电动汽车最高车速的要求，以保证在良好的工况下或空载时，能以较高的车速行驶。考虑纯电动汽车主要是作为城市交通工具，大多数情况下是以中、低速驶，因此，电机的功率不能选择得过大，否则会使其经常处于部份负荷下工作，使得电机效率大大下降，浪费蓄电池有限的电能。若给出了期望的最高车速，选择的电机功率应大体上等于但不小于最高车速行驶时所需功率之和，即： (2-1)式中：电机额定功率 M整车质量 g重力加速度 f滚动阻力系数 最大车速 空气阻力系数 A迎风面积 动力传动系统效率在给定，M，g，f，A，值后，便能求出应有功率值根据纯电动汽车的加速性能要求选择电机的功率越大，则纯电动汽车的后备功率就越多，从而其加速性能越好。但过多的后备功率又会增加纯电动汽车不必要的能量消耗。在水平良好路面上，车辆的行驶加速度计算式为： (2-2)式中：车辆行驶驱动 车辆行驶空气阻力 车辆滚动阻力 转动质量换算系数，对纯电动汽车其计算式为 (2-3)式中：驱动轮的转动惯量 电机输出轴和传动轴的转动惯量 变速箱传动比 主减速器传动比 r车轮半径 动力传动系统效率由以上两式可知，纯电动汽车由起步加速到车速V的加速时间为： (2-4)根据车辆的爬坡性能要求来选择纯电动汽车的运动方程式：=+ (2-5)式中：纯电动汽车的驱动力 纯电动汽车滚动阻力，； 纯电动汽车的空气阻力，在爬坡时，速度低可忽略此项， 纯电动汽车坡道阻力， ； 加速阻力，因在匀速爬坡时，故加速度为零 坡道角度由上式可知，纯电动汽车的爬坡度计算式： (2-6)由以上各式可知，电机额定功率的取值应满足：按照式（3-1）的计算最高车速不小于期望值车速；按照式（3-4）的计算起步加速时间不超过期望值；按照式（3-6）的计算爬坡角度最大值不小于期望值。由于电动汽车行驶工况较为复杂，需要电机有一定的过载能力，即能承受较大的过载电流，电机最大功率取值： (2-7)式中：电机过载系数。2.3电池组的数量与容量的选择1.电池组数量的选择动力电池组串联起来为电机供电，动力电池模块最小数目： (2-8)式中：动力电池模块最小数目； 电机最小工作电压，V； 动力电池模块最小电压，V； 动力电池需向电机提供足够的功率以满足电机的峰值功率要求，池模块数目的最大值为： (2-9)式中：动力电池模块最大数目； 电机最大功率，kw； 动力电池功率密度，W/kg； 电机及其系统控制效率； 动力电池模块质量，kg。2.电池组容量的选择 动力电池的容量主要是由纯电动汽车的续驶里程决定，限值可由设计的纯电动汽车的续驶里程范围得到： (2-10)式中：动力电池组容量，Ah； L续驶里程，km； e单位距离消耗的能量，kj/km； 动力电池组模块工作电压，V； DOD放电深度； 在选择电池的容量时，既要满足汽车的续驶里程的设计要求，又要考虑整车的空间结构帮底盘承载能力。因为选择电池容量越大，电池组所贮存的电能越多，续驶里程相应延长，但电池组的重量增加，整车的整备质量增加，导致行驶阻力也增加，反过来又影响纯纯电动汽车的续驶里程。2.4主减速比与变速箱传动比的选择在选择变速箱传动比的时候，存在无档或多档两种方案，主要根据所选电机的性能和动力性的要求来确定，如果所选电机的调速范围足够宽，能够达到动力性和最高车速的要求，就可以直接采用固定速比的变速箱，这样不仅可以减轻纯电动汽车的质量，而且驾驶时无需换档，驾驶更为轻松。设总的传动比为。（1）的选择首先应满足车辆最高行驶速度要求，由最高车速与电机最高转速确定传动比的上限。 (2-11)(2) 由电机的最高转速对应的最大输出转矩和最高车速对应的行驶阻力确定速比的下限值。 (2-12)（3）由电机输出最大转矩和最大爬坡度对应行驶阻力确定。 (2-13)当确定以后就可以确定的大小。 (2-14)2.5计算实例2.5.1动力性能指标的确立此电动汽车初步指标定位：最高车速55km/h;最大爬坡度15%;0-40km/h的加速时间150km。2.5.2整车参数的确定综合任务书，结合相关参考资料，暂得出此次设计的汽车整车参数为此次设计的车辆整车质量（满载）暂定为900kg，车宽1700mm，前后轮距2100mm。详细参数见表2.2参数名称符号单位数值整车质量（满载）MKg900滚动阻力系数f0.02空气阻力系数0.3迎风面积A2.21车轮滚动半径rm0.29传动系机械效率0.9表电机参数确定根据式（2-1）可求得6.9kw，取=13kw。2.5.4电池组个数和容量的确定根据式（2-8）计算电池模块最小数目=8，由式（2-9）可得电池模块最大数目=12，取=10。由式(2-10)得电池容量57.9Ah，实际取容量120Ah。2.5.5主减速比和变速箱传动比的确定由式（2-11-2-13)，可得7.69511.529，取=5.125，=参数选择小结各部件参数见表2.3部件设计参数设计值电机（AC）13kw24kw2956r/min5800r/min75V57.8A锂离子电池额定输出电压额定标准放电容量120V120Ah传动系主减速比固定速比5.1252.142.6本章小结1) 通过比较常见的几种纯电动汽车动力传动系统的布置方案发现：电动轮方案虽然有比较明显的优点，但相关的技术并不是十分的成熟，考虑到现在交流电机及其控制技术已经比较成熟，变速范围很宽，同时所设计的纯电动汽车主要用于城市交通，所以采用了固定速比的方案。2) 由于飞轮电池和超级电容用作纯电动汽车储能元件仍存在着一些技术难点和缺陷，使得蓄电池成了目前纯电动汽车储能元件的主流。作为近期目标铅酸电池仍将在纯电动汽车上得到广泛的应用，而镍氢电池、锂离子电池、镍氢电池随着技术的不断成熟、造价和使用成本的降低使用将越来越广泛。3) 随着功率半导体性能的不断提高和价格的降低，交流感应电机驱动系统将成为未来的主流；永磁同步电机驱动系统，随着成本的降低和可靠性的迸一步提高，在纯电动汽车上也将在一定范围内得到应用；4) 纯电动汽车动力传动系统设计应同时满足车辆的动力性能和续驶里程要求，在动力性能指标和续驶里程指标确定的情况下，运用基本的汽车理论和电机知识进行动力学匹配计算，实现对驱动系统参数的合理选择。3.动力总成控制策略设计纯电动汽车动力总成的控制是基于整车控制系统实现的。纯电动汽车整体上按照电驱动的特点可划分为由电力驱动系统、能源系统、整车控制系统及辅助系统等系统组成。其中电力驱动系统由驱动电机及电机控制单元、机械传动装置和驱动车轮等组成;能源系统由动力蓄电池组及电池的能量管理系统和充电等系统组成;整车控制系统由整车控制器及网络通讯等系统组成;辅助系统是由车载显示等其它系统组成。整车控制系统除了需要完成动力总成的控制之外同时还需要管理其它附属部件，并协调好各个部分工作，完成通讯和控制，使它们正常可靠的工作，保证车辆获得较好的动力性和经济性。为了保证整车的统一协调和安全可靠，在对纯电动客车动力总成控制的设计上，要以整车性能为目标，主要从能量协调管理、驱动和制动等方面入手。控制策略考虑以下因素:在车辆行驶过程中，使动力电池组避免过度放电和过度充电，延长动力电池组的使用寿命;使电机避免长时间过载，尽可能的工作在高效区;使车辆制动时完成能量回馈，提高车辆的行驶经济性。3.1控制系统结构及功能3.1.1整车控制系统结构 整车控制系统要根据驾驶员的操作和当前的整车及部件工作的状况，在能保证安全和动力性要求的前提下代替驾驶员选择尽可能优化的工作条件，合理的控制能量的流动输出，以达到最佳经济性。与传统燃油车相比，纯电动车使用了更多的控制系统，例如电池组管理及其控制系统、电机及其控制系统、电动空调及其控制系统、驾驶员信息显示和预警系统等等。为了完成各个控制系统间信息的传递和交换，综合考虑可靠性、成本等因素，电动汽车需要进行整车网络化综合控制和管理。电动汽车整车控制系统是由整车控制器、通讯系统、部件控制器以及驾驶员操纵系统构成。纯电动客车整车控制系统以整车控制器为中心，通过CAN通信建立起来的控制通信网络。控制简图如图3.1图3.1车内CAN控制线示意图纯电动车整车控制系统部件多、结构复杂，工作传送信息量大。需要整车控制系统从全局的角度协调控制汽车各部件的工作状态，从而完成性能设计目标。控制系统的部件都有自己的控制器，为实现分布式分层控制提供了基础，可以完成控制系统的的拓补分离和功能分离。控制器是系统核心，承担了数据交换、安全管理和能量分配的任务。纯电动客车通过整车控制器与驾驶员进行信息的交流。驾驶员的驾驶意图通过操纵部件把信息直接发送给整车控制器。 驾驶员所能控制的是钥匙开关、加速踏板、制动踏板、变速箱挡位等，整车控制器则是将钥匙开关、加速踏板、制动踏板、变速箱档信息及CAN网络上其它控制系统的节点数据、车辆传感器数据、车辆运行状态数据等进行采集处理，同时将其处理结果以控制消息的方式通过CAN总线发布，其它控制系统的中央处理单元根据从CAN总线接收的信息进行相应的操作处理。与此同时，整车控制器又将必要的信息通过车辆仪表显示出来。这样，整车控制器就实现了与驾驶员的沟通和整车的控制。整车控制器需要处理的信号和数据如表3.1所示。表3.1 控制系统传输处理数据汇总整车信息模拟量加速踏板开度、制动踏板开度、制动主缸压力、车速开关量钥匙开关、充电开关、方向信号、档位信号、前进、后退、控制器开关、暖气开关、气泵开关、油泵开关、手制动开关等电机信息电机的转速、转矩、温度；电枢的电流、电压、报警信号等电池信息电池的总电压、总电流、动力电池组充电状态、SOC值、电池单体温度和电压等3.1.2 CAN网络体系 CAN的全称是ContronerAreaNetwork是控制器局域网的简称。CAN总线是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多电控模块之间的数据交换而开发的一种串行通信协议，属于现场总线范畴。CAN总线的设计充分考虑了汽车上恶劣工作环境，可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维。通信距离跟波特率有关，通信可靠性较高。CAN总线在诸多现场总线中独占鳌头，成为汽车总线的代名词，现已被列入ISO国际标准，称为ISO11898。与一般的通讯总线相比，CAN总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可以概括如下:(l)通信方式灵活，网络上任意节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息。(2)CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。(3)在发生信息传送碰撞时，低优先级的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪的情况。(4)CAN只需要通过报文滤波即可实现点对点。一点对多点及全局广播等几种方式传送接受数据，无需专门“调度”。(5)CAN的直接通信距离可达10km(传输速率在5Kbps以下);最高通讯速率可达1MbPs。(6)CAN上节点数主要取决于总线驱动电路，目前最多可达110个。(7)CAN总线通信格式采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。(8)CAN的每帧信息都有CRC校验以及其它检错措施，保证了通信可靠。(9)CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理。(10)CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。(11)CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，使总线上的其他节点不受影响。纯电动客车整车CAN网络体系结构如图3.2所示。图3.2纯电动汽车CAN网络结构原理由于CAN网络有许多优点，并且适合汽车的环境，所以纯电动客车整车网络化综合控制和管理采用CAN网络。在纯电动客车上采用CAN网络，可以很好的融合各个控制系统。使纯电动客车的功能得到较好的完善，同时降低成本提高了整车性能。纯电动客车上需要CAN连接通信的系统有电机及其管理系统、电池及其管理系统、整车控制器、车载显示系统和电动附件等。3.1.3控制系统的功能定义从纯电动客车实际运行的角度来看，整车控制系统需实时采集驾驶员的操作信息和其他各个部件的工作状态信息。在解释执行驾驶员操作意图的同时要把整车的信息显示反应给驾驶员，实现数据交换。而对驾驶员不能直接做出判断和反应的信息和情况，整车控制系统应可以代替驾驶员做出分析和处理，保证车辆行驶安全。对于驾驶员不合理的和错误的操作，控制系统应该予以识别并进行提示和及时适当的限制，防止部件的损坏。在此基础上，控制系统要协调好纯电动客车整车上各个部件之间的工作以及各个能量消耗部件间的能量的分配关系。根据以上要求对整车控制器的功能定义如下:1.对汽车驱动控制的功能整车控制器需根据司机的驾驶要求、车辆状态、道路及环境状况，经过分析和处理后，向电机控制器发出指令，满足驾驶工况要求。当驾驶员踩下加速踏板时纯电动汽车的驱动电机必须按照驾驶员意图输出驱动扭矩。此时整车控制器要接收踏板开度信号并将其转换为对驱动电机的扭矩输出要求。这一功能是整车控制器的基本功能。同时整车控制器需实时监测电机的运行情况，当电机运行状态超出安全范围时，提醒驾驶员并及时做出相应的限制命令。2.完成制动能量回馈控制汽车进行回馈制动时电动机作为发电机工作，在提供制动扭矩的同时利用电动汽车的制动能量发电，并将此能量存储在储能装置中。整车控制器根据制动踏板和加速踏板信息、车辆行驶状态信息、电机工作状态、蓄电池荷电状态信息(SOC)，计算制动减速度，向电机控制器发出指令。当满足制动回馈条件时，将能量反充给蓄电池组。3.整车能量管理在纯电动汽车上，动力电池除了给驱动主电机供电以外，还要给电动空调等一些电动附件供电，整车控制器将负责整车的能量管理，同时合理的分配，以提高能量的利用率。在电池的SOC值比较低的时候，为保证有安全的续驶里程，整车控制器应该可以对空调等不影响行驶安全性的附件发出指令，限制动力电池向这类电动附件输出的功率，来增加续驶里程。4.整车网络管理在电动汽车控制器局域网(CAN)网络上整车控制器作为信息控制中心，完成组织信息传输，网络状态的监控，网络状态点管理，信息优先权的动态分配等功能。5.车辆状态的监示和故障诊断及保护总线所连接的各个子系统控制器(电机控制器、电池控制器等)应该实时的将各自控制对象的状态信息和故障诊断信息发布至CAN总线，由整车控制器通过综合数字仪表显示出来。同时，整车控制器能对故障信息及时处理并做出相应的安全保护处理。在整车控制系统开发的过程中确定控制系统功能并制定相应控制策略是第一步。以上功能是纯电动客车整车控制系统在实际行驶过程中需要实现的功能，是对整车控制系统的任务概括总结。其中除了对动力总成的控制之外还包括对其它部件的控制和管理。在本论文中侧重在对动力总成控制策略的制定。3.2电机过载管理纯电动客车采用单电机驱动，电机工作条件较差。电动客车在通常的行驶工况下，为了保证电机能有更多的工作点落在高效区内，以提高电动客车经济性能，我们选用电机额定功率尽量低。但是受车辆行驶性能要求，电动车需要一定的高速和爬坡行驶的工况，这时电机就不得不使较低额定功率的电机过载运行。电机过载运行有多种，急加速和爬坡属于机械负载过大的过载。通常在车用电机最有可能会出现的就是机械负载过大和电机的欠压过载运行。3.2.1，电机负载过载电机负载过载是指电机带动负载工作时，负载所需求电机输出的功率超过电机设定的额定功率的情况。在电动汽车实际运行中需要驱动电机系统能按要求提供足够大的起动转矩、较宽广的恒功率范围，同时在整个工作区间还应该要有较高的效率。而为了满足电动汽车起动、爬坡和急加速等工况的需要，电机就必须有很强的短时过载能力。目前电机的“过载”能力，这一指标已成为车用驱动电机系统的必要的考核指标，并提出了短时峰值工作区的概念。这种对电机高强度过载的需求，给电机的性能提出了较高的要求。电机在过载时，会产生大量的热，对电机的零部件的安全造成威胁。特别是永磁同步电机，过载产生的高温会使永磁材料出现不可逆的退磁。所以对电机过载工作的监测和控制十分重要。电机过载控制流程如图3.3所示图3.3电机过载控制流程3.3能量管理策略在电动客车中将动力电池组分组串联形成整车高压电源。从整车的角度出发，由电池管理系统和整车控制系统共同完成能量源的管理。系统中在每个电池组中布置电池测控模块，各个模块与电池管理系统中央控制器相连，再通过CAN总线和整车控制器共同形成整个能量管理系统。在借助电池管理系统的协助下完成参数监测、信息通讯、充放电控制、热管理、故障诊断等功能，同时在全局的考虑下还要针对具体的行驶情况实现安全行驶和能量的合理分配。整个管理系统布置如图3.4。图3.4 能量管理系统布置3.4本章小结简单介绍了电动汽车内部通信系统，大概描述了CAN的工作原理，借由CAN网络总线实现在汽车行驶工况中，对电动汽车电机的正常运转，电池组的正常供电，各个传动系统的稳定结合与传递以及车内其它实时数据的实时监测。4.全文总结和研究展望全文总结： 纯电动客车动力总成控制策略是整车控制系统设计和控制器开发的核心，它通过CAN网络来协调动力总成各部件的工作，是电动客车实现整车一体控制和智能控制的关键。 目前国内有关纯电动车方面的控制策略研究多局限于在部件的单独控制以及硬件系统的开发方面，较少从整车的角度研究各部件的功能控制和管理。同时，电
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