毕业设计（论文）-电动汽车动力性能分析.doc

电动汽车动力系统设计学 院（系）： 机电信息工程学院 专 业： 自动化086 学 生 姓 名： 钱栋、周佳琦 学 号： 2008023617 指 导 教 师： 赵秀春 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2011-10-25 大连民族学院电动汽车动力系统设计摘 要电动汽车是解决当前能源短缺和环境污染问题可行的技术之一。电动汽车是有车载动力电池作为能量源的零排放汽车。近些年来，电动汽车的研制热潮在全世界范围内兴起，逐步向小批量商业化生产的方向发展。电动汽车技术的发展依赖于多学科技术的进步，尤其需要解决的问题是进一步提高动力性能，增加续驶里程，降低成本。考虑开发经费和开发周期。建立计算机仿真模型对电动汽车的性能进行仿真分析是很有意义的。面对人类社会对于汽车的依赖，以及越来越严重的资源和环境压力，新能源汽车无疑是解决这一矛盾的利器。而电动汽车以其零排放、零污染、低噪声的特点，将新能源汽车的优势发挥到了极致。发展电动汽车必然能够为我国汽车工业的崛起起到深远的影响。电动汽车的发展是汽车工业必然需求。本文主要是针对电动汽车的动力性能的匹配进行一定的研究和设计。主要根据某一型号的电动汽车的特性参数，运用汽车理论和其他的相关知识，对其动力性能进行分析研究。通过对电动汽车的传动比、电机参数、电池参数的计算结果，对电机、电池等主要部件进行选配，并运用MATLAB软件中的GUI工具箱，在计算机环境下建立电动汽车的仿真模型和程序代码，进行仿真实验，获得电动汽车的动力性能曲线，最后对其结果进行分析研究。关键词：电动汽车、设计、GUI、仿真电动汽车动力系统设计AbstractElectric vehicles is to solve the current energy shortage and environmental pollution problems and feasible technologies.Electric vehicle car battery is the energy source as the zero-emission vehicles. In recent years, the development boom in electric vehicles worldwide rise gradually to the low-volume commercial production direction. Electric vehicle technology development depends on a multi-disciplinary technology, in particular, need to be resolved is to further improve dynamic performance, increase the driving range and reduce costs. Considering the development of funding and development cycle. Computer simulation model to establish the performance of electric vehicles simulation analysis is of great significance.The face of human society depends for the car, and, increasingly severe pressure on resources and environment, new energy vehicles is undoubtedly a tool to resolve this contradiction. And its zero-emission electric vehicles, zero emission, low noise characteristics, the advantages of the new energy vehicles to an extreme. Development of electric vehicles must be able to play the rise of Chinas automobile industry far-reaching impact. Development of electric vehicles is the inevitable demand for the automotive industry.This article is for the dynamic performance of electric vehicles matching a certain research and design. A model based mainly on the characteristic parameters of electric vehicles, the use of automotive theory and related knowledge, its dynamic performance analysis. By the transmission ratio of electric vehicles, electrical parameters, cell parameters, calculated on the motor, battery and other major components for matching, and use a GUI toolkit in MATLAB software, the computer environment, the establishment of electric vehicle simulation models and procedures code, the simulation experiments, to obtain electric vehicle power performance curve, the final results were analyzed.Key Words： Electric vehicles, design, GUI, simulation- III -目 录摘 要I第一章 绪论11.1 电动汽车发展的意义11.2 国内外电动汽车的发展状况21.2.1 国外发展状况21.2.2 国内发展状况21.3 电动汽车的结构和特点31.4 研究的关键技术51.5 本文研究的主要内容5第二章 电动汽车系统的组成62.1 车载电源62.2 电池管理系统62.3 驱动电机和驱动系统72.4 控制技术72.5 车身底盘82.6 安全防护8第三章 电动汽车的传动系103.1 差速半轴方案设计103.2 电动轮设计方案103.3 动力传动方案的选择11第四章 参数设计与计算134.1 车辆的动力性分析134.2 传动比的设计174.3 电机选配184.3.1 电动机的参数设计194.3.2 电机机械特性214.3.3 电机的加速性能224.3.4 爬坡性能244.3.5 汽车行驶阻力254.4 电池27 4.4.1 电池选配.27 4.4.2 电池组能量的选择.27 4.4.3 续驶里程的计算.28 4.4.4续航能量的计算.29第五章 性能仿真295.1 GUI工具箱简介29 5.2 电动汽车动力系统界面的设计.30 5.3 主要程序（例：爬坡度）.31电动汽车动力系统设计第一章 绪论1.1 电动汽车发展的意义众所周知，当今社会已经成为了“轮子上的社会”，人类越来越依赖于各种各样的交通工具。其中，汽车无疑是应用最广泛，人类依赖程度最高的交通方式。但是面对巨大保有量的燃烧化石燃料的汽车，人类社会面临着越来越大的资源和环境的双重压力。面对这种局面，新能源汽车的研发越发被人们所重视，世界各汽车大国都开展了自己的新能源汽车的研究。各种新能源汽车中，电动汽车以其独特的零污染、零排放、低噪声特征，吸引了众多研究者的目光。环境问题是指由于人类活动作用于周围环境所引起的环境物质变化，以及这种变化对人类的生产、生活和健康造成的影响。随着人类社会的发展进步，人类活动在日常生产生活中会不断影响和改造着自然环境，但是与此同时自然环境仍以其固有的自然规律变化着，人类与环境不断地相互影响和作用，就产生了环境问题。目前已经人类所认识到的环境问题主要有多种：全球变暖、臭氧层破坏、空气污染、酸雨、淡水资源危机、能源短缺、森林资源锐减、有毒化学物品污染、噪声污染等等。其中由于汽车的使用所产生的环境问题有很多。传统汽车由于使用柴油和汽油，燃料燃烧不完全所导致尾气中含有大量的有害物质。上述的全球变暖、空气污染、酸雨、能源短缺等问题都与有直接的关系，这些污染问题已经逐渐影响到人类的生存和发展。能源是人类社会经济发展的重要物质基础，是生产力发展的主要动力源泉。世界经济发展充分表明，能源的的增长速度与国民生产总值同步增长。20世界50-70年代，世界资本主义 经济大发展与充足的廉价能源供给，特别是石油供给密切相关，石油供给问题是能源问题的重要内容。石油资源的蕴藏量不是无限的，容易开采利用的储量已经不多，剩余储量的开发难度越来越大，到一定的限度就会失去继续开采的价值。在世界能源消费以石油为主导的条件下，如果能源消费结构不做改变，就会发生能源危机。如今已经步入2011年，在过去的2010年，全球的汽车保有量几乎接近10亿辆，而到2015年这一数字还将增加20%，将超过12亿辆，汽车的快速发展带给环境和能源的压力将迅速增大，所以节能环保的电动汽车是人类发展的必须选择。为了适应这个世界的发展趋势，世界各国政府、学术界、工业界都在加大对电动汽车的开发投入力度，加速电动汽车发展的步伐。电动汽车可以部分或者全部利用电能。电能可以通过其他的形式能量的转换获得，如：水能（水力发电）、风能（风力发电）、化学能（电池）、光能（光电池、太阳能电池等），可以大大减少石油资源的使用量，而其这些新能源不会产生有害的排放和温室气体。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高了经济效益。电动汽车的有害物排放很少甚至可以实现零排放，减小对环境的污染。此外电动汽车还有一个明显的优势，就是不会产生噪声污染。燃油汽车的发动机和复杂的机械传动装置会对环境产生噪声污染。而电动汽车用电动机驱动，电动机工作时噪音很小，因此电动汽车运行时非常的安静。无论从环境问题方面来考虑，还是从能源问题方面来考虑。研究和发展电动汽车将具有很大的历史性的意义。1.2 国内外电动汽车的发展状况1.2.1 国外发展状况德、日、法、美这几个世界著名的汽车工业发达国家，到目前为止都研制出家庭的实用电动车，其中包括大客车、电动轻型客车、电动轿车和电动摩托车。德国早在1972年就开始研制电动汽车，以“电动道路交通协会”为中心，在联邦政府的支持下开展电动汽车的开发试验工作，目前已制造出300辆汽车投入使用；日本与1976年成立“日本电动汽车协会”，目前参加该协会的共有47名成员，日本政府制定了鼓励电动汽车开发与应用政策，1978年为了促进电动汽车的推广，日本电动汽车协会制定了“电动汽车试用制度”，每年给试用者试用费。试用车主要用于公司、政府下属机构、公园的事物联络车、服务车、试用地区遍布日本各地。日本通产省计划到2000年普及20万辆电动汽车；法国很早就在城市环卫部门使用电动汽车，目前巴黎已经有数百辆电动汽车在运行，全国有上千辆电动汽车在试行，并计划在五年内有一批电动汽车投放到市场。法国的电动汽车基本上采用铅酸电池，而SAFT公司正在努力使镍铬电池商品化。法国环境能源厅对电池的研究开发及电动汽车的试验给予了资助，地方政府对购买电动汽车的用户提供一定数量的保证金，以鼓励电动汽车的推广。美国是世界上对污染限制最严格的国家，目前美国在电动汽车研制开发方面处于领先地位。美国采取政府干预，以能源部为中心，对电动汽车进行了大量的研究和开发，1989-1992年投入了1亿多美元，1995年计划有1万辆电动汽车投入使用。除汽车工业发达的国家外，其他国家也非常重视电动汽车的开发，并取得了相应的成效，加拿大、奥地利、瑞典、韩国等国都投入巨资研制新一代的电动汽车，以期解决能源和城市的环境状况。1.2.2 国内发展状况面对世界各国开发电动汽车迅速发展的步伐，80年代初我国对电动汽车就开展了研究。我国电动汽车研制曾列入八五计划。目前，我国政府也积极为关注开发电动汽车，曾明确指示，要把电动汽车列入国家重大攻关项目，并将锂离子电池作为的短期充电能源，重点开发研究。国家科委也将电动汽车列入“九五”攻关重大项目。近几年，国家科委、国家计委又投入了大量资金，大量组织电动汽车的开发研究，并已研制出部分样车，如以清华大学为主研制的16座电动中巴车，采用直流无刷电机作为电动汽车的驱动电机，采用铅酸电池为动力源，现正在试验中；以北京理工大学为主研制的大客车，正在运行。湖北东风汽车厂牵头组织的电动汽车开发组，东风汽车公司、武汉工业大学、中国船舶工业总公司712研究所等单位联合开发的电动轿车，以盘式永磁直流电机为动力，应用IGBT为调速控制系统和免维护铅酸电池为能源，一次充电续驶里程可达130km，最高车速为90km/h；而郑州华联电动车辆研究所研制的电动轿车，采用交流同步电机，额定功率10kw，过载能力4倍，IGBT控制系统；华南理工大学研制的电动轻型客车EV6630，现已投入试运行中，还有北方工业大学、武汉长江电力公司、天津汽车研究所等也研制出了自己的电动汽车样车。目前电动汽车在全世界已经使用的约4万辆，电动汽车虽然有低噪音、零排放、综合应用能源等突出优点，但其综合性能还达不到实用的要求，如价格高、一次充电续驶里程短、充电时间较长、电池能量有限和循环寿命短、受这些因素的制约，使其在目前尚难以达到产业化阶段。仍有许多关键技术需进一步深入研究、试验和开发；值得指出的是，我国汽车工业较发达国家落后，但电动汽车技术与其他国家比较，差距就不明显，有些技术还占优势，如电动车辆用的驱动电机和控制技术方面，就有某些优势，我们可以预言，现在各国大力研究电动汽车技术，必然取得突破性的进展，21世纪将是电动汽车取代燃油汽车的时代。1.3 电动汽车的结构和特点电动汽车一般由车身、底盘、动力系统组成，其车身和底盘与传统汽车的相类似，或者甚至是有所简化。故电动汽车的车身和底盘这里不做详细的讨论。而电动汽车的动力系统和传统汽车有着本质的不同，传统汽车由内燃机提供动力，动力从内燃机输出后，送达飞轮和离合器，再进一步传递到传动系，直至驱动车辆运行。并且内燃机消耗化石燃料，燃料储存在燃油箱中。但是电动汽车使用电动机提供动力，动力输出到传动系后，其过程和传统汽车相一致，甚至还因为的电动汽车的相关特性有所简化。电动机的能量来自于动力电池。由此可见，电动汽车的结构相对来说比较简单。电动汽车的关键技术便是对控制流程中的各个节点和整个系统进行精确有效的控制，目前这一方面，也是电动汽车科研力量研究的重点。电子控制器功率变换器三相感应 电动机固定速比变速器和差速器车轮车轮能量管理系统镍氢电池蓄电池充电器辅助动力源空调器动力转向系统制动踏板加速踏板电力驱动子系统转向盘电源子系统辅助子系统交流电源图1.1 一种典型的电动汽车系统组成电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其他污染物显著减少。由于电厂都建于远离入口密集的城市，对人类伤害较少，而其电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害物质比较容易，且已有相关的技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等。解决了人类对石油能源日益枯竭的担心。电动汽车还可以利用晚间用电低谷时的富余电力充电，使发电设备得到充分的利用，大大提高了经济效益。有研究表明，电动汽车的能量利用率比传统汽车要高。而其电动汽车的结构简单，便于维修，相对于传统汽车来说，具有更大的市场竞争力。正是这些优点，电动汽车的研究和应用成为了汽车工业的一个“热点”。但是电动汽车的发展面临着很多困难，目前蓄电池单位重量储存的能量较少，还因电动汽车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格过贵，至于使用成本，有些比传统汽车要贵，但有些仅为传统汽车的三分之一。这主要取决于电池的寿命和当地的油、电价格。对于电动汽车而言，目前最大的障碍是基础设施建设及价格影响了产业化的进程，电动汽车所需的基础配套设施，不单单是一家企业能够解决的，而需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会。不仅如此，人们在实践中发现，尽管电动汽车的基本技术，如电动机技术、电池技术有着上百年的发展历史，而简单原始的电动汽车也有百年左右的发展程，但是用现代汽车运用眼光去审视它们的时候，并希望把这些技术整合到现代汽车上的时候，却不尽如人意。而摆是大家面前的是一系列的瓶颈技术的突破。1.4 研究的关键技术首先我们需要考虑的是传动系统的参数匹配，电动汽车经常行驶在市区车流密度比较大的情况下，行驶速度在30到50公里左右，故先考虑去掉传动比小于1的两个档位（即四、五挡）。由于电动汽车通常行驶的路面较好，很少有起伏不平或者有较大的坡度，故去掉原变速器的1挡（爬坡挡）。那么接下来就是从剩下的2挡和三挡中确定一个能够满足整车技术要求的挡位。但是如果此两个挡位都不能满足要求，则需要重新设计要求的传动比。根据电动机转矩可以确定电动汽车的驱动力，然后利用电机转速与汽车行驶速度之间的关系计算车速，既可得到合适的传动系统的设计方案。1.5 本文研究的主要内容本文结合微型纯电动汽车项目，主要进行以下工作：1. 论述电动汽车的发展背景和概况，明确本文研究的目的和意义；2. 分析纯电动汽车的动力传动系统的基本构成和布置形式，并研究传动系统的类型、特点、工作特性，电池电机的工作特性及传动系统特性；3. 计算传动系速比和电机参数，及其对整车性能的影响，并选择一款驱动电机，建立其仿真模型，获得传动系统参数匹配在仿真模型中，对动力性的影响结果。4. 对纯电动汽车的动力性进行分析，在动力分析过程中，主要分析最高车速、爬坡度和加速性数据，以及结合被选择电机的台架试验数据，分析仿真结果，以验证所设计的匹配参数是否合格。第二章 电动汽车系统的组成采用电能作为车载动力源的电动车辆，已经有100多年的历史。显然，电动车辆和传统车辆在结构上最显著的区别就是动力源装置的不同。电动汽车使用电池-电动机系统，取代了传统汽车采用的内燃机。一般来说，电动汽车有以下几个部分组成：2.1 车载电源在目前使用的电动汽车上，车载动力源一般都是各式各样的蓄电池。利用周期性的充电来补充电能，动力电池组是电动汽车的关键装备，它的能量密度对电动汽车性能起着决定性的影响。目前，电动汽车的电池已经过了三代的发展。第一代电池都是铅酸电池，由于铅酸电池的比能量和比功率都不能满足电动汽车的性能要求，所以就进一步发展了阀控铅酸电池、铅布电池等。使得铅酸电池的比能量有所提高，仍然能够满足作为电动汽车的动力源要求。第二代高能电池有镍镉电池、镍氢电池、钠硫电池、锂离子电池等。第二代电池的比能量和比功率要比一代的铅酸电池高得多，大大提高了电动汽车的动力性和续驶里程。但是第二代电池现在依然是在电能-化学能-电能的化学反应中储存和供给能量，有一些特殊的使用条件和使用局限性。其中有些高能电池还需要复杂的管理系统和温度控制系统，各种电池对充电技术还有不同的要求。而其二代电池在使用一定的次数后会出现老化和报废的情况，几乎或者完全丧失充放电能力，并且会造成污染，这无疑增加了电动汽车的使用成本。第三代电池是也燃料电池为主的电池，燃料电池将燃料化学能转化为电能，能量转化效率高，比能量和比功率高，并且燃料电池能量转化的过程可以连续性的进行，反应过程能够有效的控制，燃料电池是比较理想的汽车用电池。但是燃料电池往往有毒有害而且价格昂贵，需要对电动汽车进行额外的设计，增加了设计和制造成本。除此之外，飞轮储能器、超级电容也是常见的电动汽车车载动力源。飞轮储能器是电能-机械能-电能转换装置，可以瞬间输出很高的功率，而超级电容具备了电能-电位能-电能转换的能量，而且充电时间比起传统的电池来说有很大的提高。以上各种电池都有自己的优缺点，但是综合现有的技术条件及相关技术成本，本文的讨论对象是使用高能锂电池作为动力源的电动汽车。2.2 电池管理系统对电池组的管理包括：对动力电池组的充电放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈的电流、电池的自放电率、电池温度等进行控制。因为个别蓄电池性能变化后，影响到整个动力电池组的性能，用蓄电池管理系统对整个动力电池组和每一个动力电池组中的每一个单体电池进行控制，保持各个电池间的一致性，还要建立动力电池组的维护系统，来保证电动汽车的正常运行。由于充放电性能对电动汽车动力电池的性能表现有着重要的影响，所以电动汽车动力电池对充电时的电压和电流有一定的要求。因此高效率的充电装置和快速充电装置也是电动汽车使用时必须的辅助设备。一般常见的充电装置有地面充电器、车载充电器、接触式充电器和感应式充电器等。电池充电系统、管理系统、维修系统和再生制动能力的回收等，是一个全新的系统工程。其是保证电动汽车安全稳定工作的必要条件，所以重要性不压于电动汽车本身。如何建立充电站系统，使电动汽车充电就像传统汽车在加油站加油那样方便、那样普及。与此同时，我们应该建立蓄电池回收和报废工厂，使电动汽车达到更加绿色的效果。2.3 驱动电机和驱动系统驱动电机是电动汽车的动力装置，这是电动汽车和传统汽车的根本差别，现代电动汽车一般使用的是交流电机、永磁电机或者开关磁阻电机。由于电动汽车制动时使用再生制动，一般可以回收10%-15%的能量。再生制动能量是电动汽车节能和增加续驶里程的重要措施之一，再生制动显然不可能在内燃机汽车上实现。在电动汽车的制动系统中，还保留常规的制动系统和ABS，以保证车辆在紧急制动时，有足够可靠的制动性能。电动汽车的驱动系统由驱动电机和驱动系统共同组成，随着电动汽车机构形式的不同，采用了不同的驱动系统，电动汽车的驱动系统有电动轮方案（轮边驱动系统）和差速半轴方案（集中驱动系统）两种方案。电动轮方案是采用多电机驱动的方法，将电机装配于车轮上，或者和轮边减速器相配合。差速半轴方案采用的是单电机系统，其动力布置方案和传统的汽车相一致，即电动机输出扭矩，通过变速装置传输到差速器上，差速器再通过半轴传输到轮上。电动轮可以减小电动机的直径，便于在电动汽车的底盘下布置，能够减轻电动汽车的满载质量，轮毂电机除了改变汽车的传动形式，每个车轮都是有独立的电机来驱动，这与内燃机汽车是截然不同的。每一种电机都可以根据需求组成电动轮系统或者差速半轴系统。2.4 控制技术 对于大多数汽车使用者来说，加速踏板、方向盘、制动踏板等操作装置是非常熟悉的，电动汽车也应该继承和尊重这种习惯，通过加速踏板和控制手柄，将加速踏板和手柄的位移信号转换成电信号，输入中央控制器，通过电动汽车的控制模块来控制电机的运行。电动汽车的控制系统主要是对于动力电池组的管理和对电动机的控制，随着车辆行驶的工况变化。而引起电动机输出功率、转矩和转速的变化，必然引起动力电池组的电压和电流的变化。通常采用电压表、电流表、电功率表和温度表等仪表来显示。特别是对动力电池组的剩余电量和剩余续驶里程的显示有重要意义。由于电动汽车的高度电气化，因此更加有条件实现机电一体化和采用自动化的控制系统和管理系统，一般用中央控制器中的计算机来进行控制和管理。另外，控制系统还包括整车低压系统的电子和电器装置。现代化卫星导航系统和雷达防撞系统。现代控制理论在电动汽车中得到了广泛的应用。电动汽车出装备传统汽车的一些先进设备外，电动轮、四轮转向、再生制动和太阳能的利用等，都可以在电动汽车上有独特的作用。2.5 车身底盘电动汽车现今已具备了各种车型，包括电动汽车、电动客车（微型、小型、中型和大型）、电动货车（微型、小型、中型和大型）及其他改装的电动车辆。为了适应各行各业的需求，现在尤其是微型电动汽车已经有了丰富多彩的造型，电动汽车车身造型已和传统汽车能够相匹敌。由于电动汽车的动力电池组的质量和其所占据的空间很大，为减少电动汽车的整车质量和体积，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的总成，并且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，补偿因为装载动力电池组而增加的负载。在底盘的布置上还要足够的空间存放动力电池组，并且要求线路连接方便、充电方便、检查方便和装卸方便。这就需要电动汽车的底盘布置方面打破传统汽车底盘的布置模式，增加承载空间的跨度和承载构建的强度，并且充分考虑电池泄漏或其他原因对底盘造成的腐蚀侵害。在电动汽车上采用滚动阻力小的子午线轮胎，这种子午线轮胎的滚动阻力系数很小，使得电动汽车的滚动阻力大大减小。2.6 安全防护电动汽车动力电池组具有很高的直流电压，人身接触时会有生命危险。因此还需要设置安全防护系统，确保驾驶员、乘客和维修员在驾驶、乘坐和维修时的人身安全。另外在撞车、翻车或者发生短路的时候，控制人员可以及时切断电路，以保不至后续灾害的发生，同时还需要注意防止电池中的电解液溢出对乘客造成伤害。电动汽车必须装备电气装置的故障知道检测系统和故障报警系统，在电气系统发生故障时控制电动汽车不能启动等。及时防止事故的发生。第三章 电动汽车的传动系一般来说，电动汽车的传动系统有两种驱动方式：差速半轴方案和电动轮方案。3.1 差速半轴方案设计 差速半轴方案和传统汽车的传动系是基本类似的。动力从电动机传出后，或经过变速器或者减速器增加扭矩，然后通过差速器分配到左右半轴上面并传递到驱动轮上。采用此方案的电动汽车，其控制方式和传统汽车是一致的。电动机控制器接受速度给定（踏板）信号、制动（踏板）信号、PDRN信号，控制电机旋转,通过机械传动装置驱动左右车轮。而在转向时，左右两侧车轮不等速，则是靠差速器和半轴实现的。显然，这是和传统汽车相一致的技术，能够保证车辆的安全性和可靠性，对于研发和制作成本的控制是很有帮助的。蓄电池速度给定PDRN制动（踏板）电机控制器电动机传动装置驱动轮图3.1.1 差速半轴方案3.2 电动轮设计方案该设计方案比较新颖，因为它取消了传统汽车上必然存在的差速器和半轴，取而代之的是将电动机直接与车轮连接，并且是单一驱动轮对应单一的驱动电机。实际上，我们常见的电动自行车，就是采用这样的动力布置，即采用轮毂电机驱动车轮，而不经过其他的机械传动装置的传动。蓄电池速度给定PDRN制动（踏板）电机控制器左电动轮右电动轮图3.2.1 电动轮方案在这样的方案中，我们显然不需要机械差速装置，取而代之的是电子差速技术。即在汽车的左右两侧车轮转速不等时，该方案使用电子差速器代替机械差速功能，需要把转向盘转角信号送到电机控制器，以此来控制两侧电动轮的速度和和滚过的距离。汽车直线行驶时，转向盘转角为零，两侧电动轮等速旋转。转向时，转向盘有一定的转角，电动机调速器根据转角的大小控制两个电动轮以不同的转速旋转。此方案机械传动装置的体积和质量大大减小，效率显著提高，通过控制模块对电机转速和扭矩的控制，而达到车轮不打滑不抱死的目的，以实现转速差速器的作用。这样的电子差速系统，精简了车身结构，减小了车身质量，效率显著提高。但是由于控制系统变得复杂，增加了设计时的难度。不过由于是多电机驱动，电动轮方案对于电机的要求到是比差速半轴方案有所降低，可以降低电机的研发成本，而电机数量的增多和控制模块的复杂化，这样必然增加了制造成本，不利于电动汽车的市场表现。3.3 动力传动方案的选择根据整车的基本参数要求，综合考虑市场上可选择电机和电池的表现，我们认为该型电动汽车可采用固定速比的传动方式。即电机动力输出后，直接到达减速器，或通过差速器和车轴，传送到车轮上。实践证明，使用固定速比的该型电动汽车的确可以通过对减速比和动力配置的优化选择，满足动力要求。电动轮方案是现在颇受关注的传动方式，它把电动机直接耦合或者通过单级减速装置耦合到车轮上，不需要半轴和差速装置。如若电动轮技术的控制模块能够稳定工作，电动轮无疑可以实现更好的动力性、更好的通过性和出色的稳定性，对于提升车辆性能有很大的作用。不过由于电动轮在控制技术在控制过程中，是控制两台独立的电机配合工作，不仅要有前后向行驶的能力，而其要实现电子差速。故电动轮方案必然使得控制模块变得更加复杂化，增加研发的成本和难度。并且在目前的市场上，也很难见到采用电动轮技术的成熟车型。相比之下，差速半轴的传动方式，因其结构简单，零部件易于获得，控制方式简单而其类似于传统汽车，维修也相对容易。市场上多见此类型汽车，可见其在成本控制和市场认可度上具有优势，因此设计选择这种传动方式。第四章 参数设计与计算电动汽车是集机械、电子、控制等多门知识为一体的一项综合艺术产品。为了了解电动汽车的基本原理及工作特性，为了进一步论述电动汽车的动力系统，有必要对车辆的动力学进行分析。4.1 车辆的动力性分析在电动汽车行驶时，电池为电机提供运行能量，电机动力输出经传动系到达车轮。因此在计算满足电动汽车行驶要求的性能应该针对全部行驶工况。从分析电动汽车行驶时的受力状况出发，建立行驶方程模型，这是分析电动汽车行驶性能的基础。驱动系统的动力输出特性与车辆的动力性能直接相关。驱动系统的动力输出应该满足车辆的动力性要求。对电动汽车进行动力系统匹配的时候，首先必须建立电动汽车的行驶动力学模型，对电动汽车行驶过程中力与功率的平衡进行分析。车辆行驶过程中力的平衡关系如图4.1.1所示。根据力的平衡关系，我们得出汽车的行驶方程式为： （4.1.1）式中：-驱动力； -为行驶阻力之和。图4.1.1 汽车行驶过程中受力示意图 车辆行驶的驱动力是路面左右在汽车驱动轮上的，电动汽车的电动机输入轴输出转矩，经过车辆传动系传传递到驱动轮的驱动力矩为，使驱动轮和地面之间产生相互作用。车轮与地面作用的圆周力为。同时，地面对驱动轮产生反作用力。这两个力大小相等，方向相反，地面对驱动轮产生的反作用力与驱动轮行驶方向一致，是推动汽车前进的外力，即驱动力。它不仅与车辆驱动系统提供的牵引力有关，而其与车轮和路面之间的接触状态有关。其数值为： （4.1.2）式中：-驱动力； -作用于驱动轮上的转矩； -车轮半径。电动汽车采用电动机驱动，所以电动汽车中的是由电机输出的转矩经传动系统传递到车轮上的。令传动系统的总传动比为，传动机械效率为，驱动电机输出的转矩为，则有: (4.1.3)式中：-作用于驱动轮上的转矩； -电动机转矩； -传动机械效率。因此电动汽车的驱动力为： （4.1.4）式中：当汽车在水平路面行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的阻力。当汽车在坡道上行驶时，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。因此汽车在行驶过程中的总阻力为： （4.1.5）式中：-滚的阻力； -空气阻力； -坡度阻力； -加速阻力。其中：（1） 滚的阻力： （4.1.6）式中：-作用于车辆上的法向负荷； -滚动阻力系数，取决于轮胎材料、轮胎结构、轮胎温度、轮胎充气压力、路面粗糙度、路面材料等因素； -路面的倾斜角。（2） 空气阻力 （4.1.7）式中：-空气阻力系数； - 空气密度，一般； -迎风面积； -相对速度，在无风时即车辆的行驶速度。在无风条件下汽车的运动，即为汽车的行驶速度。则空气阻力为： （4.1.8）（3） 坡度阻力 (4.1.9) 式中：-汽车质量； ； -爬坡角度。（4） 加速阻力 （4.1.10）式中：-车辆旋转质量换算系数，一般情况下：，其中的合理估算值为0.04；的合理估算值为0.0025； -车辆质量； -行驶加速度。车辆行驶时，不仅驱动力和行驶阻力平衡，电动机功率和车辆行驶阻力功率也总是平衡的。即：在车辆行驶的每一刻，电动机发出的功率总是等于机械传动损失的功率与全部运动阻力所消耗的功率之总和。在电动汽车中，为电动机的输出功率。为滚动阻力功率，为空气阻力功率，为坡度阻力功率，为加速阻力功率。则有： （4.1.11）依据以上式子可以推导出，可得出车辆在行驶过程中的平衡方程如下： （4.1.12） （4.1.13）式中：-电动机输出功率（KW）； -电机输出转速（rpm）。根据与其他的车型类比，我们确定了如下一款的电动汽车参数进行本次的动力系统匹配设计。如表4.1.1所示：表4.1.1 某型电动汽车的设计参数参考表参数单位符号数值外形尺寸汽车质量1600迎风面积2.339总传动比8.9车轮半径0.0297滚动阻力系数0.015空气阻力系数0.040传动效率0.9最高车速120最大爬坡度25()续驶里程1004.2 传动比的设计在电动机输出一定的特性时，传动系的传动比的选择，依赖与整车的动力性能指标要求，即电动汽车的传动比是选择应该满足汽车最高期望车速、最大爬坡度以及加速性的要求。（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。 （4.2.1）式中：，为主减速器传动比，变速箱传动比； -电机的最大转速； -最高车速。其中，我们依据已经选择的参数并且参照其他车型，我们确定电机最大转速为12000转。于是我们可以求得： （4.2.2）（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。由电机的最高转速对应的最输出扭矩和最大行驶车速对应的行驶阻力确定传动系的速比下限为： （4.2.3） 式中：最大车速下对应的行驶阻力； 最高车速下对应的输出转矩； 车轮半径，其值为0.297； 传动效率，其值为0.9。 （4.2.4） 计算得： （4.2.5） 根据与其他车型类比，我们取 （4.2.6） 由电机的最大输出转矩对应的行驶阻力和最大爬坡度对应的行驶阻力确定传动系速比下限。 （4.2.7） （4.2.8） （4.2.9）其中我们取为参考值，于是得： （4.2.10） 通过上面的计算，我们得到了传动比的范围为（），所以我们结合这个结果在所得的传动比范围内选择传动比，并通过与其他同类车型类比，最后确定此设计车型的传动比为8.9。4.3 电机选配首先，电动机的功率必须满足电动汽车的最高车速的功率要求，以保证电动汽车在良好的路面情况下，能够过得较高的行驶速度。加速性能和爬坡能力，电动机的功率越大，电动汽车的后备功率就越多，从而其加速性能和爬坡性能就会越好。但是过多的后备功率会导致电动机的体积和质量增加，且由于电动机不能经常工作在额定功率附近，效率下降，增加电动汽车不必要的能量消耗。确定电机的主要参数的依据是：(1) 动力系统的额定功率必须满足车辆以最高车速行驶；(2) 动力系统必须满足车辆加速性的要求；(3) 动力系统必须满足车辆以最大爬坡度爬坡的要求；(4) 动力系统必须满足车辆以额定转矩在常规车速行驶的要求；(5) 根据汽车的动力性指标选择最适合的驱动电机。4.3.1 电动机的参数设计 我们通过所选择的汽车设计参数，通过计算确定电机的参数。（1） 通过该设计所要求的汽车的最高车速确定电机的额定功率电动机的额定功率由最高车速确定： （4.3.1）其中：传动系效率，值为0.9；电动汽车的质量，值为1600；滚动阻力系数，其值为0.015；空气阻力系数，其值为0.40；迎风面积，其值为2.339；最大车速（设计要求达到120km/h）。于是可求得：=31.9kw （2） 根据最大爬坡度计算电机的功率 （4.3.2）其中：为爬坡速度（定为20km/h）； 坡角度（25%为14度） 于是有计算出=22.3kw（3） 通过常规车速求电动机的额定转速和额定转矩拟定常规车速为（40km/h），于是我们由此数据可以计算出电动机的额定转速。 （4.3.3） 式中：变速箱传动比（取2.1）； 主减速器传动比（取4.266）； 拟定的常规车速（取40km/h）； 车轮半径（其值为0.297）。 通过计算我们可以得到： （4.3.4） 电动机的额定转矩由