纯电动汽车动力传动系设计

设计说明书纯电动汽车动力传动系统设计学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 纯电动汽车动力传动系统设计摘 要本文针对纯电动汽车的传动系的结构布置和参数匹配进行了深入的分析探讨。首先，现对国内外的发展现状进行了深入了解。然后对各种传动系的布置形式进行了比对，选出更为适合本文紧凑型纯电动汽车的布置形式并加以改进。然后通过整车的动力性计算，对电机、变速器以及动力电池等进行参数匹配。然后对关键部件进行必要的校核，应用ansys进行模态仿真。通过advisor进行CYC-NEDC、CYC-UDDS、CYC-ECE-EUDC、CYC-1015四种不同工况下的仿真。最终验证本方案是否具有可行性以及合理性。关键字：纯电动汽车，动力传动系统，参数匹配，建模仿真Design of Powertrain System for Pure Electric VehicleABSTRACTIn this paper, the structure and parameter matching of the driveline of pure electric vehicle are analyzed. First of all, now on the development of the status quo at home and abroad in-depth understanding. And then the arrangement of various transmission systems were compared, select more suitable for the compact type of pure electric vehicle layout and to be improved. And then through the vehicles dynamic calculation, the motor, transmission and power battery parameters such as matching. And then the necessary verification of key components, the application of ansys for modal simulation. Simulation of CYC-NEDC, CYC-UDDS, CYC-ECE-EUDC, CYC-1015 four different conditions is carried out by advisor. And finally verify whether the program is feasible and reasonable.Key words: Pure electric vehicle, Powertrain, Parameter matching, Modeling and simulation 目 录1 绪论11.1 研究背景及意义11.2 近年来国内外研究现状：21.2.1 国内发展现状：21.2.2 国外研究现状：31.3 本文研究的主要内容及研究思路52 纯电动汽车传动系的方案设计62.1 设计目标62.2 传动系统设计方案的比较分析62.2.1 机械驱动布置形式62.2.2 机电集成布置形式82.2.3 电机驱动桥整体式布置形式82.2.4 轮毂电机驱动布置形式92.3 本章小结93 纯电动汽车整车参数匹配设计103.1 纯电动汽车整车参数及性能指标确定103.2 驱动电机匹配选型103.2.1 电动机类型选择113.2.2电机参数确定133.3 传动比匹配163.3.1 档位数的确定163.3.2 传动系统变速方案选择173.4 动力电池参数匹配203.4.1 动力电池类型选择203.4.2 动力电池组参数的确定223.5 本章总结244 设计方案建模26第 页 共 页4.1 AMT变速箱264.1.2 各档齿轮齿数的分配264.1.3 齿轮的弯曲应力校核284.1.4 齿轮接触应力的校核304.1.5 轴的校核314.1.6 AMT变速箱整体建模图形 324.2 主减速以及差速器的建模334.3 十字轴万向节联轴器的建模354.4 总体装配365 仿真结果385.1 ADVISOR仿真385.1.1 ADVISOR仿真模块介绍385.1.2 ADVISOR仿真模块介绍395.1.3 ADVISOR仿真结果405.2 ANSYS模态仿真456 总结49参考文献50致 谢51第 页 共 页1 绪论1.1 研究背景及意义纯电动汽车就是将传统的内燃机汽车车的燃料换为动力电池，并将整车驱动系统的核心由发动机换为电动机，不影响现有的各项交通法规对其的要求。纯电动汽车相比于传统汽车有污染小、噪音小以及能源利用率高等特点。虽然纯电动汽车的出现时间很早，但是由于纯电动汽车的续驶里程短以及充电时间长的缺点，始终没有广泛使用1。随着科学技术的不断革新，通过应用各种全新的技术手段，现在已经将纯电动汽车的缺点最大程度的削减。目前来看，纯电动汽车大有崛起之势，在节能减排以及环保的大环境下，纯电动汽车必将成为未来交通工具的主力军。就目前的发展来看，我国的纯电动汽车面临着重大的发展机遇，但伴随着机遇而来的必然是严峻的挑战。虽然我国纯电动汽车的发展进入关键时期，而且国内很多企业将工作重心移向新能源产业。但是由于国内纯电动汽车行业起步较晚，核心技术相对于国外的先进技术不具备竞争力1。而且由于国内关于纯电动汽车的研究起步晚，所以政府相应的统筹协调能力还没有充分发挥。虽然我国这方面的相关企业其起步较晚，但是发展不慢，目前与世界尖端技术虽然还是存在差距，但正在一步一步缩短这方面的研究。如果想要在国际上站稳脚跟，必须提高核心技术的竞争力，这样才能保证我国汽车行业的可持续发展。而纯电动汽车目前没有得到广泛应用的主要原因就是续驶里程的问题，针对这个问题，一方面需要开发续航能力更强的电池，另一方面传动系统作为汽车的核心组成部分，应该开发更加合理，传动效率跟高的布置形式。而且技术的创新是纯电动汽车行业发展的必经之路1。近年来，关于纯电动汽车的研究主要集中在能量存储系统、电驱动系统和控制策略的开发研究三方面。动力电池作为纯电动汽车的唯一动力源，不仅是纯电动汽车电机所需电能的提供者，还需要为整车的娱乐系统等设施供电。所以动力电池的性能好坏直接影响了整车的续驶里程。而最早期纯电动汽车的动力电池多为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池虽然成本不高，但是不仅其寿命短，而且充电速度慢。并不能满足人们对纯电动汽车充电快，续驶里程高的要求。所以，铅酸蓄电池逐渐被目前主流的锂电池、镍镉电池、飞轮电池以及燃料电池等替代。虽然这些电池在性能上都要优于铅酸蓄电池，但是并不能满足上述要求。短期内并不能开发出拥有更优秀性能的动力电池来改善续驶里程低的问题。所以，纯电动汽车的整车控制策略的研究开发从未停止。整车控制系统是纯电动汽车实现整车控制和管理的关键，是实现和提高整车控制功能和性能水平的一个重要技术保证。在纯电动汽车的整车控制系统策略的研发过程中，其技术核心就体现在整车控制软件的架构设计、转矩控制策略以及对整车和各系统得能量管理上。而且就目前的技术而言，短期内并不能开发出动力电池来满足大续驶里程的要求。所以，研发出一套合理的，高效的纯电动汽车的传动系是短期内提高纯电动汽车续驶里程行之有效的方法。1.2 近年来国内外研究现状：1.2.1 国内发展现状：我国早在上世界60年代就已经开始了对纯电动车的相关研究工作。虽然开始的很早，但一直未引起政府的重视，所以我国正式对纯电动汽车的研制开始与1981年，但是由于当时国际上对纯电动汽车的宣传和需求并没有现在这么强烈，所以对电动汽车的研究投入很少，研发也很零散。但是到了上世纪的90年代，我国纯电动汽车的研究掀起了一股高潮，国内的不少高校以及企业投入到了纯电动汽车的研发中，并且取得了一些成果2。比如说1993年香港大学研制出4座电动轿车U2001，配置了45kW永磁直流无刷电机和26 V镍氢蓄电池。其中，永磁无刷直流电机采用了特殊设计，可以在很广的转速范围内高效率工作。该车采用了一系列20世纪90年代水平的高新技术，采用声频导航系统提高了安全性，便于用户驾驶，采用智能能量管理系统使能量的转化和传递达到最优。U2001轿车的最高速度为110kmh，048kmh的加速时间为6.3S，以88kmh的速度行驶时，一次充电的续驶里程为l76km。大连交通大学李律鸣在FMPMG的理论分析基础上，设计了一种永磁厂条只是永磁齿轮代替传统变速箱的新型传动系统，运用汽车相关知识进行了传动系统设计，参考国内外最新纯电动汽车参数配置，提出了模型参数设计过程，利用Ansoft有限元仿真软件建立模型，并进行静态和动态仿真。利用Ansoft逐一分析了FMPMG各结构参数和转矩的关系，针对所设计方案进行参数优化2。还有同济大学先后试制成我国第一台由直流无刷轮毂电机独立驱动的4轮驱动燃料电池微型电动汽车“春晖一号”和“春晖二号”以及“超越”系列混合动力电动汽车。“春晖一号”四轮电驱动燃料电池轿车最高时速50 kmh，配置锂离子蓄电池和燃料充氢电池2种混合动力，续驶里程150km“超越一号”燃料电池混合动力轿车已经通过验收，主要技术参数为：0100kmh的加速时间小于等于30S，14S内可以加速到80kmh，最高时速为105kmh，最大爬坡度20，续驶里程230km“超越三号”主要技术参数为：0100kmh的加速时间小于等于20S，最高时速120 kmh，最大爬坡度20，续驶里程200km这些都是在上世界90年代纯电动汽车发展浪潮之下较为突出的成果。纯电动汽车在我国的发展速度之快还要得力于政府的好政策。在上世界90年代纯电动汽车的发展浪潮下，我国政府将纯电动汽车确定为汽车产业的主要发展方向，与此同时不再将普通混合动力汽车作为节能车对待，并取消对普通混合动力汽车的支持政策。因为该政策的出台，使得不少企业放弃了普通混合动力汽车的研发，转型发展纯电动汽车。经过漫长的研究和测试，终于在2006年引来了我国第一批纯电动汽车可以进入市场的准入公告3。由此便吸引了更多的企业投身于纯电动汽车的研发事业中。在这些企业中有不少都是现在纯电动汽车行业的领头羊。比亚迪股份有限公司凭借其在电池领域的优势，率先将电动轿车实现商业化。2008年12月15日，推出世界第一款双模电动车F3DM。纯电动模式可持续行驶100多公里。电池循环充电2000次后容量还有80%以上，实际可使用4000次。目前比亚迪已经在北京、上海、深圳、西安等四大基地完成了内部实验性电动汽车充电站的建设。2010年，在广州国际车展上，比亚迪公司推出了全球首款批量投放纯电动出租车E6；同时2012年北京国际车展比亚迪有望推出性价比更高的纯电动汽车“秦”。不仅比亚迪一家国内企业在纯电动汽车方面做得很出色。在2010年10月的广州国际车展上，长安、江淮、奇瑞等自主品牌也纷纷推出了自主研发的纯电动汽车。如今，在能源危机和环境危机日益加剧的形式下，国内的电动汽车犹如雨后春笋一般涌现。1.2.2 国外研究现状： 在纯电动汽车的发展历程中，依然是以日本、美国等国家处于技术领先的位置。虽然其他国家的纯电动汽车在车速、续驶里程、加速性能都不及这些国家所研发的纯电动汽车。但是其他各国都没有放弃对纯电动汽车的研发，都根据自己的国情选择适合自己的技术路线。在这些技术领先的国家中，日本是资源最为匮乏的国家，大部分的能源都要依赖于海外进口。而且石油资源是最为匮乏的资源之一，并且在进口的石油资源中，有大约百分之二十五都用在了运输部门，这其中的百分之五十都消耗在了汽车产业上。所以，纯电动汽车的发展对日本的能源状况的改善起了重大作用3。1967年，日本为了促进本国电动汽车产业的发展成立了日本电动汽车协会在之后的20年间，日本制定了电动汽车的开发计划和第三届电动汽车普及计划，并制定了汽车生产和保有量目标。本田公司作为日本主要的汽车制造商之一，在电动汽车方面的研究主要集中在混合动力和燃料电池汽车两个方向。在1999年推出Insight、2004年推出Accord Hybrid、2006年推出Civice Hybrid都显示了本田公司在混合动力电动汽车上做的努力。燃料电动汽车方面也于2006年试行FCX，该车由交流同步电动机驱动，最高车速为160km/h，可以连续行使570km。与本田相比，丰田公司在电动汽车领域也取得了更大的成功，只是丰田主要把研究的重点放在了混合电动汽车，自上世纪80年代开始，丰田公司就研制了EV10-EV40的一系列电动汽车。1995年普锐斯研制成功并于1997年投放市场并取得很大成功3。普锐斯2005属于重度混合动力电动汽车，它采用永磁同步电动机和四缸发动机共同驱动，使得该车的节能与续航能力更加突出，因此更具有实用性，截至2010年年底，全球销量已经超过140万辆，是当前最成功的混合动力电动汽车。2013年，本田公司为电动汽车设计了一套新的动力系统。为了获得比原有的电动汽车更好的市场竞争力，这个动力系统兼具有高功率和低损耗的特点，具备世界上最先进的能源转化效率和比同类电动汽车更卓越的动态性能。为了实现高的能源转换效率，这种动力系统还配备了新开发的电动伺服制动系统进行协同控制；为了实现高动态性能，电动马达装配了新形状的转子，动力控制单元也装配了具有高导热散热性能的部件。因为配备了三重并行模块组和一个制冷系统，电池系统虽结构紧凑，但支持大功率输出。这个创新的动力系统带来了优良的结果，汽车一次行驶里程数可以达到82英里，能源转化力达到世界先进水平29千瓦时/100英里，同时，它的加速性能相当于2.0排量的汽车的性能。在欧洲地区，法国也是石油匮乏的国家。在法国，汽油的价格十分的昂贵，大概是美国的四倍之高。而且为了满足国内的需求，每年要从国外进口大量的石油。所以，纯电动汽车的发展对法国解决石油匮乏也起着重要的作用。在政府的积极推动鼓励下，雷诺-日产联盟、标致-雪铁龙和日本三菱汽车公司合作，相继推出了多款环保电动汽车。其中雪铁龙的C-Zero的动力系统为一台永磁同步电动机，当转速在3200-6200rpm时，最大功率为48kw，最大扭矩为182N.m，0100km/h加速时间为15s，最高车速约为130km/h。一次充电后可行驶160公里（日本10-15模式）。雪铁龙C-Zero采用锂电池供电，充电需要6个小时，而快速充电时，只需要半小时就可达到80%的电量。德国在新能源汽车方面也做出了重要贡献。宝马也是氢动力发动机车型研究的先行者。在2009年德国政府批准的500亿欧元的经济刺激计划中，很大一部分资金用于电动汽车研发、“电动汽车充电站”网络建设和可再生能源的开发。德国瓦尔塔汽车工业公司的Eberhard Meissner等对未来电动汽车动力系统的能量管理和电池监测的发展趋势进行了预测，将能量管理定义为能量回馈、能量流动、能量存储和能量消耗的综合控制，同时给出了能量管理、电池管理和电池状态监测之间的层次关系，将电池管理和电池监测归结于能量管理的范畴，延长了电池的使用寿命。1.3 本文研究的主要内容及研究思路在全球节能减排以及环保的大环境下，世界各国都在为纯电动汽车的发展做着突出的贡献，其中有不少核心技术已经相当的完善成熟。只是还有一些技术还没有突破，但这都只是受到硬件的缺乏和经验不足的制约，解决这些技术问题都只是时间上的问题。随着科学技术不断的发展进步，这些关键技术都将被突破。本文就针对紧凑型纯电动轿车进行传统系统的设计、参数匹配、建模以及动力性仿真研究，希望可以对纯电动汽车的发展贡献自己的一份微薄之力。本文的主要思路如下： （1）研究国内外纯电动汽车的发展状况，明确本题目的研究工作重点 （2）详细了解纯电动汽车的基本结构和工作原理。 （3）对纯电动汽车的传动系统的结构形式进行深入分析，明确各种布置形式的优缺点，选择本文适合的传动系布置形式。 （4）确定了传动系的布置形式之后，根据纯电动汽车的动力性指标进行计算，确定电机等动力元件的主要参数，并进行参数匹配，其中就包括了驱动电机以及动力电池等。 （5）计算出各部分的主要参数之后，对主要部件用三维绘图软件建模，并用ansys进行模态分析。 （6）对纯电动汽车的进行整车的动力仿真，验证该传动系的设计可行性以及合理性。2 纯电动汽车传动系的方案设计 与传统燃油汽车相比，纯电动轿车由驱动电机驱动，完全代替发动机来进行工作。电机驱动有两大优势：首先电机调速性能好就是其较为显著的特点，可以以较高的效率在大转速范围内工作；其次电机的响应速度要比发动机快的多，主要是由于纯电动汽车的整车行驶是依靠电信号来控制驱动电机。但是整车的唯一动力源为动力电池，所以动力电池需要给电信号的传输以及整车的运行提供能量，所以电池能量不足是电动车最为突出的缺点。因此纯电动汽车有一套合理的能量传递结构以及完善的电源管理系统来高效的利用电池能量并使驱动电机高效工作显得尤为重要。动力传动系统作为电动汽车的动力源，与汽车整车性能密切相关4。因此，在驱动系统部分的设计时，各部分结构类型的选择的正确与否对纯电动汽车是否具有良好的整车性能是非常重要的。在确定各个部件时，需要明确电动机、动力电池的工作性能与型号，以及传动装置的布置形式，最后综合对比，选择最适合本款电动汽车的各个部件，能让整车性能达到最佳。2.1 设计目标 本文将设计一类基于AMT变速器的传统系，并且依据纯电动汽车的工作输出特性来进行设计计算，在设计过程中遵循以下几点： （1）尽可能的降低整车的百公里油耗，但要保证纯电动汽车的动力性要求 （2）尽最大可能利用能量电池的电能 （3）关键部件要进行校核，满足强度要求 （4）设计方案具有可行性2.2 传动系统设计方案的比较分析2.2.1 机械驱动布置形式 这种基于AMT变速器传动系统的布置形式是在内燃机汽车的结构基础之上进行改造的，因此在某些结构上会与内燃机汽车的布置形式相类似。例如会有内燃机汽车上所有的离合器，差速器等机械传动机构。但与内燃机汽车结构所不同的是用电动机代替传统内燃机并且用动力电池组代替传统的燃料作为动力源5。在本文所设计的布置形式之下，驾驶员可以根据不同的路况选择两到三个不同的档位来进行驾驶，这样可以使得电机总是处于一种高效率的状态下进行工作，可以使得电机的转矩与纯电动汽车车轮转速的合理匹配。 纯电动汽车在日常行驶的过程中，会遇到各种各样不同的行驶状况，其中就包括了起步阶段、加速阶段、上坡阶段、匀速行驶阶段、下坡阶段、减速阶段以及刹车制动阶段等，而面对如此多种多样的行驶状况，传统的机械传动系统很难对纯电动汽车的动力与电机进行正确的匹配。（1）在纯电动汽车在正常行驶的过程中，当其所需的功率恒定，单电机的传动系统只能满足电动汽车最高车速或动力性能的要求之一。（2）如果采用传统机械传动系统在纯电动汽车上，如果想提高整车的动力性能，只能通过单一的提升电机功率的方法实现。但是一味的提高电机功率，其比功率是不变的，这样带来的后果就是随着电机功率的提高电机的整体尺寸也会变大。而点击的尺寸变大必然引起电机的质量上升，间接使得电机的电压或电流增大，使得乘车的安全性能下降，并且上述的影响最终都会导致制造成本以及难度的增加。 一般来说纯电动汽车会增加能量回收装置进行能量回收进而提高续驶里程，而所谓能量回收既在制动或者下坡阶段通过对电机倒拖的方法将电动汽车的动能转化为储存在动力电池中的电能。虽然有能量回收装置，但通常能量回收装置只能回收到20%的能量，这是因为在理论上实现电能的回收会使得电机的瞬时电流增大甚至超过了电机的最大承受能力。而传统机械式传动系统效率会很低，当在电机高效率区域以外以及制动或下坡阶段进行能量回收的时候，这会使得纯电动汽车的续驶里程进一步降低5。 图 2.1 机械布置形式图E-蓄电池；MC-电机控制器；M-电动机；FG-机械传动装置2.2.2 机电集成布置形式 这种布置形式相对于传统机械传动系统取消了机械传动装置，因为只有动力电池，电机以及电机控制器等装置。由于去除了机械装置，在这种布置形式下不存在变速器以及差速器，所以需要电机直接来完成两轮的差速功能和变速功能。在这种布置形式中，电机将装到驱动轴上直接实现变速和差速转换。这种布置形式不仅需要电机有大的启动功率以及后备功率，还需对电机进行控制的控制系统有较高的控制精度和良好的可靠性，进而可以保证电动车的安全、平稳行驶。但是为了能使得电机直接安装在驱动轮上，不得不采用电子差速器来解决两侧驱动轮的差速问题使电动汽车反应迅速，运行灵活，因而间接的增加了成本，并且要求电机在不同条件下的控制精度要十分可靠5。 图 2.2 机电集成布置形式图E-蓄电池；MC-电机控制器；M-电动机；2.2.3 电机驱动桥整体式布置形式 在这种布置形式下，传动系统不仅取消了离合器，还取消了变速器。这样使得该种布置形式具有传动效率高，结构紧凑和安装简单等特点。但这种布置形式与前两种布置形式有相同的弊端，都对电机的要求较高。因为该种布置形式下需要电机具有较高的起动转矩和后备功率，这样才能保证电动汽车的起动、爬坡以及加速超车的动力性5。 图 2.3 电机驱动桥整体式布置形式1-转向器 2-机电集成整体式驱动系统2.2.4 轮毂电机驱动布置形式 该种布置形式同样将机械传动装置取消，直接在车轮内侧安装电机，这种布置形式可以大大减少电机到车轮的传递，不仅有利于加快传递速度，还能使得布置形式趋于简洁，紧凑的形式，显著的提高整车的空间利用率。另外，此种布置形式要求电机的体积不能过大，这是因为电机的外转子与以往不同是安装在驱动轮的边缘上。但是由于电机直接安装在车轮内侧，驱动轮的转速的主要来源依靠于电机的转速，所以需要精确的控制电机转速，才能达到电机转速与车轮转速相匹配。 E-蓄电池；MC-电机控制器；M-电动机；图 2.4 轮毂电机驱动布置形式2.3 本章小结 就目前我国电动汽车的发展来看，大部分电动汽车都是建立在改装车的基础之上的，这就意味着电动汽车的设计是一项机电一体化的综合工程。将传统汽车改装为电动汽车并不单单是将传统汽车的发动机和燃料换为纯电动汽车的电机和动力电池，还需要对动力电池、电机、变速器、电机控制器等多个系统进行合理的参数匹配，并且还要确定整体的传动系的设计方案安全可靠，整体的轴核分配要合理等。本文综合以上几种动力系统布置形式和本文所参照的紧凑型电动轿车建立在改装车的基础上。本文设计了如下的动力系统布置方案。3 纯电动汽车整车参数匹配设计 在明确了纯电动汽车的整车参数和动力性能设计指标要求后，首先对动力传动系统的驱动电机、动力电池、布置方式进行选型和设计，然后再进行参数匹配计算。纯电动汽车整车参数的匹配是否合理决定了纯电动汽车的动力性能是否满足设计要求。所以纯电动汽车的参数匹配任务不仅要求满足动力性要求，还要在此基础上通过合理选择传动系统的各部件的参数来提高整车的行驶经济性。3.1 纯电动汽车整车参数及性能指标确定表 3.1 参数性能表参数名称 整车尺寸（mm）空气阻力系数CD整备质量（Kg）传动效率T前/后轮距（mm） 轴 距（mm）最小转弯半径（m）迎风面积A（m2）车轮滚动半径r（m）滚动阻力系数f最小离地间隙（mm）301016051600 0.359800.9113901390202542.40.2880.014170 由于汽车在日常的行驶过程中需要满足各种不同工况，其中包括了加速、减速、上坡等等。而纯电动汽车也需要面对不同的工况来行驶，因此也需要最高车速、最大爬坡度和百公里加速度等参数指标。参考了已有的纯电动车型的参数指标和各类文献，确立了如下紧凑型纯电动轿车的动力性指标： （1）最高车速：125Km/h; （2）最大爬坡度：30%; （3）加速时间：6.5s（050Km/h的加速时间）;3.2 驱动电机匹配选型 因为纯电动汽车的动力输出的主要来源就是纯电动汽车的电机，所以电机就是纯电动汽车的心脏。因此电机的选型是否合理，是否与所设计车型相匹配均会影响到纯电动汽车的动力性能。所以为了能够实现纯电动汽车的加速、减速以及停车等功能，电机必须要有足够大并且可调节的动力范围才可以实现上述的几种不同工况。其中电机的选型主要是通过对纯电动汽车的预期动力指标进行计算，得出电机的峰值功率、额定功率、最高转速、额定转速以及额定电压等参数，得出这些参数后在进行理论计算，使电机选择的参数与整车相匹配并且能够满足整车的动力参数指标，不出现动力不足或动力浪费的情况。虽然电机功率增加整车的加速性能以及最大爬坡度等动力性能越好，但并不意味着电机的功率越大越好8。因为电机功率增加会使得电机的整体尺寸以及质量增加，其成本也会随之增加。而且电机的功率过大会使得电机不能总在其高效率的区域工作，降低了电机的工作效率，进而影响了整车的行驶经济性和续驶里程。如果与上述相反，电机功率过小，虽然电机的整体尺寸缩小，节省空间，但是不能满足纯电动汽车的基本动力性指标，影响到整车的加速性能等，甚至可能会造成电机的损坏。所以，通过理论计算得出电机的额定功率、峰值功率、额定转速以及最高工作转速等参数，进而选择满足整车预期动力性设计指标的电机是尤为重要的。 如图所示，电机具有低速等转矩和高速恒功率的机械特性，因为电机的这种机械特性，我们可以将电机的工作区域通过额定转速为分界，分为与之相对应的恒转矩区域和恒功率区域。通过下图可以看出电机额定转速以上为恒功率区域，而电机额定转速以下为恒转矩区域。为了使得纯电动汽车在其起步、加速以及爬坡等短时极限工况下可以正常行驶，就需要与之相匹配的电机具有一定的过载能力，这就是电机的峰值工作特性。虽然电机具有峰值工作特性，但这只是短时或者瞬时的，不可以使电机长时间处于峰值功率附近工作，如果长时间处于该种状态进行工作，会大幅度缩短电机的使用寿命，甚至使得电机出现不可恢复的故障导致电机的报废。 图 3.1 驱动电机输出特性图3.2.1 电动机类型选择 由于电机是纯电动汽车的唯一动力源，而且车用电机所处的工作环境比较差，需要在振动大、冲击大、灰尘大、温度变化大的恶劣环境下工作，所以纯电动汽车的驱动系统对电机的要求较高，必须满足可靠性、耐久性和适应性的要求。除了需要电机可以应对恶劣，还要具备低速大转矩和高速恒功率的特性，这是因为在日常行驶时，车速的变化范围很大，而电机作为唯一动力输出，必须要有较宽的调速范围，才能满足车速的大变化范围8。现对电动汽车常用的四种电机，直流电动机、交流感应电动机、开关磁阻电动机、永磁电动机特性作如下对比：表 3.2 电机性能比对表项 目直流电机交流感应电机开关磁阻电机永磁电机结 构有电刷和换向器，可靠性差结构简单；牢固可靠性高由磁阻电机和开关电路控制器组成有永磁体不需要励磁电流，效率高外形尺寸大中小小质 量重中轻轻最高转速（rpm）4000-60009000-15000100004000-10000效率（%）75-8585-9285-9390-95可靠性一般优优良价 格高便宜一般高缺 点有电刷易产生火花，引起电磁干扰维修复杂控制系统复杂输出转矩脉动大，具有非线性特性需要检测转子磁极位置，永磁体有退磁的问题优 点结构简单，转矩控制特性良好结构简单，调速范围广，较小的转动惯量，技术比较成熟，维修比较简单结构简单，牢靠起动时的转矩大，可调范围宽广，效率高体积小，重量小所以能量密度大，控制器比较简单，效率比较高运用前景发展初期得到青睐，与其他驱动技术相比劣势较多目前大部分电动汽车都选择其作为动力来源尚未成熟，发展受到限制大多数使用在特殊电动汽车上，如太阳能电动汽车 （1）如果单单从成本方面考虑到话，用直流电机作为驱动电机是成本最低的，而且直流电机技术很成熟，与其配合使用的控制器的成本也不高，并且无极调速便利。但是直流电机的体积较大，占用空间大，质量大，效率低。但是这都是次要原因，主要是因为在直流电机上需要使用碳刷和换向器，而碳刷和换向器属于耗材，需要定期维护，并且由于碳刷和换向器的存在限制了直流电机的最高转速，所以目前来说，直流电机只能应用在低速、廉价的观光电车上。 （2）相对于直流电机来说，交流感应电机解决了直流电机的弊端。具有效率高、结构简单、坚实可靠、免维护、体积小、重量轻、易于冷却、寿命长等许多优点。而且交流感应电机的成本比直流电机的成本要低，但是与交流感应电机配合使用的控制器的成本略高，但随着电子技术的发展，该部分的成本也在随之降低。 （3）开关磁阻电机的优点和缺点都很明显，其主要优点就是结构紧凑且牢固，很适合作为车用电机进行高速运行，而且开关磁阻电机的驱动电路的结构简单、成本低、性能可靠。而且开关磁阻电机能够以较高的效率工作在很宽的转速范围内，并且可以轻松实现四象限控制。但由于本身结构的问题，开关磁阻电机的电磁噪声大，转矩脉动大。相比较于永磁电机，功率密度和效率都偏低。 （4）通常永磁电机还分为永磁无刷直流电机和永磁交流同步电机。这两种电机都有各自的优点。前者的输出转矩大，同时转矩脉动大也是其缺点。后者相对于前者的转矩脉动不大，但是其控制电路较为复杂，增加了整个电机的成本。而且对于其他同功率的电机来说，其转矩比无刷直流电机的转矩要小。永磁电机可以利用适量算法实现宽范围的恒功弱磁调速。综上所述，本文选择永磁无刷直流电机作为此款纯电动汽车的电机。因为直流电机驱动技术相对于其他技术发展的较为成熟，并且性能安全可靠、成本低。而永磁无刷电机又具有寿命长、噪音低、电子干扰小以及没有换向器和电刷等优点。因此永磁无刷电机可以实现纯电动汽车优越的启动性和调速性，是本文驱动电机的不二之选。3.2.2电机参数确定 电机的功率大小对整车的性能影响是十分关键的，而电机的功率通常又包括额定功率和最大功率。而且电机的功率并不是越大越好，虽然电机的功率增大后，可以提高整车的速度，增加后备功率，但是功率增加之后电机通常不能在高效率的区域工作，而且会出现“大马拉小车”的浪费现象，造成能源的浪费。所以电机功率的选择一定要根据整车的性能指标，包括最高车速、爬坡度和加速性能等，这样才能使得所选电机和整车参数匹配。 在计算电机的功率时，可以运用车辆理论所学知识，通过对纯电动汽车的各项参数列行驶阻力平衡方程和驱动力方程计算出相应的动力源所需功率： （1）根据最高车速确定需求的功率 在通常的设计过程中，纯电动汽车的预期最高速度是已知的，所以会常常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。一般选择的电机功率大体上大于等于汽车以最高速度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为： （3.1） 式中：为纯电动汽车的最高行驶速度速，km/h；为最高车速确定的需求功率，kw；M为纯电动汽车的质量，kg；f为车轮的滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，。将已知的参数带入公式中得： （2）根据最大爬坡度确定需求的功率 电动汽车以某一车速爬上最大坡度消耗的功率为： （3.2） 式中，为电动汽车行驶速度，km/h；i为坡度；为爬坡时的行驶速度，取；M为整车质量，kg；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，。本文所设计的最大爬坡度为30%，即i=30%。 将已知代入上述公式得： （3）根据电动汽车加速性能确定电动机功率 根据百公里加速时间的需求进行分析，电动汽车加速过程中需要较大的后备功率，其瞬时车速可以根据经验公式得： （3.3）式中，为末速度；为加速时间；x为拟合系数，一般取0.5左右。 纯电动汽车在加速过程中，需要克服加速阻力以及空气阻力，并且空气阻力会随车速的增加呈二次方增长趋势，所以，本文原则加速末端进行计算： （3.4）式中，dt为设计过程的迭代步长，通常去0.1s就能满足精度要求；为汽车旋转质量换算系数，=1.0；u为汽车加速过程的瞬时车速，km/h；M为纯电动汽车的质量，kg；f为车轮的滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，； 根据汽车加速从0到50Km/h所需要的时间为6.5s，将已知代入上式：根据以上三种情况分别计算出了各自所需最大功率，为满足动力性的这三项指标，驱动电机峰值功率Ppeak必须满足上述所有的要求，即： （3.5） 为满足电动汽车的三项动力指标，并为能够为整车提供一定的后备功率，故该电动轿车的峰值功率取Ppeak=45Kw。 电机额定功率的设计方法与传统电机相类似，通常是取最高设计车速的90%或我国高速公路最高限速120Km/h匀速巡航行驶的功率作为电机额定功率的下限值: （3.6） 式中，Pn为额定功率（Kw）；max为最高设计车速的90%（km/h）将已知代入上述公式中：计算得到电机额定输出功率下限值为21.28Kw，本文取驱动电机的额定功率为25Kw。根据以上，选择大洋电机公司生产的TYD020W01型号的永磁同步电机，参数如下：表 3.3 电机参数表参数名称额定功率（Kw）峰值功率（Kw）最高转速（r/min）峰值扭矩（N.m）额定转速（r/min）电池电压（V）254590001283000336 与此电机相匹配的控制器为km6025w06型号的控制器。3.3 传动比匹配3.3.1 档位数的确定 在电机的参数已知的情况下，传统系统的变速器和主减速器的参数匹配是十分重要的，因为传动系的传动比的选择对整车的性能影响重大。因为传动比的选择不能单单考虑到汽车的动力性要求，还需要兼顾到汽车的行驶经济性的影响。这就关系到电机在不同行驶状况下的不同工况，如若传动比合适能使得电机大部分时间处于高效区工作，可以使得电机的工作效率提高，进而提升整车的续驶里程。 除了变速器和主减速器的参数匹配之外，还要考虑纯电动汽车传动系统的档位数目。而整车的档位数目通常是由车辆的使用条件和性能来决定的，一般的轿车除了倒挡外有5个档位。因为档位数目多可以增加车辆在高效率区工作的机会，进而降低了车辆的能源消耗，提高续驶里程。同时也可使得整车的加速爬坡能力有所提高。虽然档位增加有一定的好处，但是档位增加之后会使得变速器的结构更为复杂，体积和质量增加，控制难度提高。所以，针对不同的车辆以及参数指标选择合适的档位，既可以提高整车的动力性和经济性，也可以降低制造成本。 在选择变速器的类型以及参数时，不仅仅只考虑到加工工艺和成本，更多的应该综合考虑到成本和对整车性能的影响。因为变速器的质量、体积及档位数的设计是否合理，对整车的质量和体积乃至整车的性能都会产生重大的影响。尤其是在纯电动汽车的传动系中，速比、档位和换挡规律对整车的性能有着重大的影响。 综上所述，纯电动汽车的变速器需要兼顾到成本以及经济性，本文选择两档自动变速器的设计方案。在该方案中，一档应用较大的传动比，在这种情况下电机可以发挥其低速大扭矩的工作特性，完成其起步、加速、爬坡等工况的要求。当汽车以最高车速行驶时，需要电机输出较大功率，这时可以切换到二挡，通过小传动比结合电机的大功率来保证整车的最高车速要求。所以，该方案可以使得该电机有更好的机械输出特性。3.3.2 传动系统变速方案选择 根据上述变速器的档位对整车性能影响的分析，本文纯电动汽车的传动系统采用两档位的变速器，可以提高电机的工作范围，并且能够降低对电机和电池的要求，进而使整车能够发挥出更好的动力性能。目前市场上常用的几种自动变速器包括AT、CVT、DCT以及AMT等等。其中AMT自动变速器具有结构简单，成本较低，安装方便等特点。但是由于AMT存在换挡冲击较大的弊端并没有在乘用车辆上广泛应用和研发。但由于本文采用的为两档式自动变速器，相对于其他档位的变速器，具有换挡简单，无需排挡，而且无需在行驶过程中频繁的切换档位，所以可以将AMT变速器的弊端最大化的削弱。而且传动系无论选择何种变速器，传动系统的控制是很重要的，可以使得电机总是处于理想的工作区域。而AMT变速器是一种较为成熟的技术，因而可以满足要求。综上所述，本文采用两档自动变速器作为电动汽车传动系统方案。 若图所示，即为本文采用的两档式自动变速器的结构图，是中间轴式的自动变速器。与传统的机械式自动变速器（AMT）的结构没有大的差别。由两套啮合齿轮副和一套同步器组成，输入轴与动力电机相连接，输出轴则与主减速器相连接，将动力通过主减速器传递到驱动桥驱动整车行驶。 图 3.2 变速器布置形式3.3.3 传动系传动速比的设计 在变速器传动比的设计过程中，可以根据不同传动比满足不同的行驶工况的原则进行设计计算，找出不同档位对应的不同工况之后，利用动力学方程进行理论计算，可以计算出不同档位的不同传动比的范围。 在设计计算的过程中，我们用ig1和ig2分别表示变速器的一档、二挡的传动比。用来表示主减速器的传动比，二者的成绩为某一档位的总传动比，例如表示变速器一档的总传动比。 （1）确定主减速器传动比 电动机的转速很高，相比传统内燃机汽车发动机的转速轻易便可达到几千转，甚至上万转，但是低功率电机的转矩就不如传动汽车了。因此为了能够满足汽车的加速性能和爬坡性能，在设计主减速器的传动比时，应该尽可能的选取较大的数值。由电动机转速与汽车行驶速度的关系： （3.7） 得到传动系传动比应满足最大车速的要求，且i0应大于1，并且取1，所以采用放缩法得：式中，nmac为电动机最高转速（r/min）：r为电动汽车车轮的滚动半径（m）；为电动汽车最高车速（km/h）。 同时，为使得电动汽车在最高车速是仍能输出峰值功率还应满足下述条件： 式中，npmax为电动机最大功率时的转速（r/min），且npmax=3000r/min。由上述计算可知i0的范围为：，经过综合分析考虑，因电机转速高，转矩小，因此需要选择稍大的主减速器传动比，最终选择i0=4。（2）确定变速器传动比 作为变速器一档的传动比，为大传动比，因此该传动比必须要满足纯电动汽车的最大爬坡度的要求。为了能够满足该要求，纯电动汽车在行驶过程中驱动轮的转矩要小于等于地面附着力的最大值。 （3.8） 将已知条件代入上述式子得： 纯电动汽车在行驶过程中，若驱动力小于或等于驱动轮与路面间的附着力时，才能够满足以最大传动比驱动时而驱动轮不打滑，即 （3.9）式中路面附着系数用表示，该数值的取值范围随外界环境的变化而变化，例如在干燥的水泥路面，取值大概为0.71.0，潮湿水泥路面，取值大概为0.40.6，而刚开始下雨时路面：取值大概为0.30.4，综合考虑本文选取=0.6。 代入已知得： 即： 为纯电动车的第二个档位，是小传动比。小传动比是为了满足整车的最高车速的动力性能而设计。这就要求整车以最高车速行驶时，二档的传动比可以满足其驱动轮的驱动力不小于行驶阻力。因为i2需要满足电动汽车的最高车速，所以下面的式子成立， （3.10） 代入已知得： 通过上面的理论计算可以算出两档自动变速器各档位的传动比范围，但是具体的传动比还是要综合考虑到成本和整个变速器的加工难易程度来决定，参考了部分现有车型的传动比，综合整车的经济性、动力性，选择电动汽车传动系各档位速比分别为。3.4 动力电池参数匹配 动力电池作为纯电动汽车的关键技术，当前纯电动汽车之所以没有得到广泛推广的最根本原因便是因为动力电池技术没有得到很好的突破，很难同时兼顾动力电池选择的性能和价格。影响动力电池各方面性能的原因有很多，其中包括了外因和内因。外因就是使用环境的不定因素，可能是低温或者是高温。而内因就是动力电池的材料，这里就包括了动力电池的正负极板、有机电解液、隔膜、电池盖、电池壳等几部分。虽然各部分材料的不同都会对动力电池的性能