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纯电动轿车动力性优化设计及研究 摘要 随着汽车产业的高速发展，随之而来的环境污染和能源短缺问题日益突 出，电动汽车以其绿色环保低噪声等优点，逐渐成为各国汽车工业发展的重点。 近几年来，许多国家投入了大量的人力物力研究电动汽车，如何快速高效地开 发出符合市场需求的电动汽车成为了各国迫在眉睫的课题，但是电动汽车的关 键技术还未能得到很好的解决，尤其是动力电池续航时间短和充电时间长的问 题，所以在电池技术还未解决之前，如何在电池相同的条件下，合理选择整车 的相关部件，使匹配达到最优，从而使整车的动力性和续驶里程更理想，成为 摆在我们面前的课题，也是本文研究的目的所在。 本文以某型单速比电动汽车为研究对象，根据设定的整车动力性和续驶里 程要求，匹配设计了两挡变速器、电机、电池等关键参数。并利用基于 m a t l a b s i 删li n k 平台的电动汽车仿真软件a d v i s o r 建立整车相关部件的仿真 模型，并对整车模型、电机模型、电池模型、传动系模型等进行了分析研究， 根据建立的模型，对电动汽车的动力性和续驶里程进行仿真研究。仿真结果表 明，整车传动系统的设计基本符合设计要求。 本文根据电动汽车的整体性能要求，对传动系速比进行了优化，并将优化 前后的数据进行了仿真对比，结果表明优化后的参数更加符合设计目标。 最后，对电动汽车整车性能进行试验。试验结果表明，其动力性和续驶里 程均能满足设计要求，并且与仿真结果进行对比，验证模型的正确性和参数匹 配的合理性。 本文对某型纯电动汽车传动系统进行的参数匹配设计的研究，为提升该款 电动汽车的动力性和续驶里程提供了一定的理论依据和参考价值。 关键词：纯电动汽车；传动系；仿真；a d v i s o r a s t u d yo nt h eo p t i m i z a t i o nf o rt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo fp u r ee l e c t r i c 、厂e h i c l e a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h ea u t o m o b i l e i n d u s t r y ， t h e r e s u l t i n g e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na n de n e r g ys h o r t a g et u m s o u tt ob em o r es e r i o u s t h e r e f o r e ，e l e c t r i cv e h i c l e s ，f o ri t se n v i r o n m e n t a lf r i e n d l ya n dl o w n o i s e ，g r a d u a l l y b e c o m et h ee s s e n t i a lp a r to ft h ea u t o m o b i l e d e v e l o p m e n t si nm a n yc o u n t r i e s r e c e n t l y ，m a n yc o u n t r i e sp u ts u b s t a n t i a le f f o n st od e v e l o pe l e c t r i cv e h i c l e s h o w t oq u i c k l ya n de f n c i e n t l yd e v e l o pa ne l e c t r i cv e h i c l em e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so f t h em a r k e tist h eu r g e n ts u b je c tf o rc o u n t r i e s h o w e v e r ，s o m ek e yt e c h n i c s ，s u c ha s i n s u f f i c i e n tb a t t e r ys u p p o r ta n dl o n gc h a r g i n gt i m e ，h a v e n tb e e nm u c hi m p r o v e d a sar e s u l t ，b e f o r e i m p r o v i n g t h e b a t t e r yt e c h n i c s ， h o wt os e l e c tv e h i c l e c o m p o n e n t si no r d e rt oa c h i e v et h eo p t i m a li st h ek e yp o i n tf o ru s ，w h i c hi sa l s ot h e r e s e a r c hm o t i v a t i o no ft h i ss t u d y t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dd r i v i n gd i s t a n c eo f v e h i c l ec a nb ei m p r o v e db yb a t t e r yb a s e do nt h es a m eb a t t e r yc o n d i t i o n s b a s e do nac e r t a i nt y p eo fs i n g l eg e a re l e c t r i cv e h i c l e ，t h ew o r kd e s i g n sa n d c o m p u t e ss o m ek e yp a r a m e t e r so fat w o - g e a rt r a n s m i s s i o n ，am o t o ra n db a t t e r i e s a c c o r d i n gt o t h ev e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n db a t t e r ys u p p o r t e dd r i v i n g d i s t a n c e s i m u l a t i o nm o d e l so fv e h i c l ec o m p o n e n t sa r ed e v e l o p e du s i n gs o f t w a r e a d v i s o rb a s e do nm a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r m t h em o d e l so ft h ev e h i c l e ， m o t o r ，b a t t e r ya n dt r a n s m i s s i o ns y s t e ma r ea n a l y z e d b a s e do nt h em o d e l ，t h e d y n a m i cp e r f b r m a n c ea n dt h eb a t t e r ys u p p o r t e dd r i v i n gd i s t a n c e a r es i m u l a t e d r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e v e l o p e dt r a n s m i s s i o n s y s t e mb a s i c a l l y m e e t st h e r e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l lr e q u i r e m e n t so fe l e c t r i c v e h i c l ep e r f o r m a n c e ，t h e g e a rr a t i o so ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e ma r eo p t i m i z e d t h ep a r a m e t e r so b t a i n e df r o m b e f o r ea n da f t e rt h eo p t i m i z a t i o na r es i m u l a t e da n dc o m p a r e d r e s u l t ss h o wt h e o p t i m i z e d p a r a m e t e r sc a ni m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e f i n a l l y ，e x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u tr e g a r d i n gt h ee l e c t r i cv e h i c l ep e r f b r m a n c e t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a t b o t ht h ev e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n db a t t e r ys u p p o r t e dd r i v i n gd i s t a n c ec a n m e e tt h er e q u i r e m e n t s f u r t h e r m o r e ，r e s u l t sf r o mt e s t sa r ec o m p a r e dt ot h o s ef r o m s i m u l a t i o nv a l i d a t i n gt h em o d e la n ds e l e c t e dp a r a m e t e r s t h er e s e a r c hw o r ki n v e s t i g a t e st h ep a r a m e t e rm a t c h i n go ft h et r a n s m i s s i o n s y s t e mo fa ne l e c t r i cv e h i c l ew h i c hc a np r o v i d es u g g e s t i o n sa sw e l la s r e f e r e n c e s i i f o r i m p r o v i n gt h ev e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n db a t t e r ys u p p o r t e dd r i v i n g d i s t a n c eo ft h ee l e c t r i cv e h i c l e k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；s i m u l a t i o n ；a d v i s o r i i i 致谢 本论文顺利的完成，我首先要感谢我尊敬的导师一谢峰教授。谢老师在我 论文撰写的过程中给予的悉心指导，渊博的学术知识，严谨求实的治学态度， 丰富的社会人生经验以及豁达的胸怀，使我受益匪浅! 从谢老师身上看到了他 工作中严以待己宽以待人的工作作风，这将是我学习的榜样! 在此我要向我的 导师谢峰教授致以最崇高的敬意和最衷心的感谢! 感谢唐永琪老师和姜武华老师在论文研究过程中给予的帮助，两位老师深 厚的专业理论及实践经验使我受益匪浅，两位老师和蔼的性格，对学生，对他 人的诚恳让我敬佩不已! 他们对生活和工作的态度将会对我今后的工作学习产 生深远的影响! 同时感谢机电专业的其他老师给予的学业上的指导与帮助。 感谢赵强、王文辉、程林等师兄对我学习和生活上的帮助。感谢同窗好友 孙源，师弟邵世超、魏瑞、杨智能等给予的帮助。大家共同创造了良好的学习 环境和氛围，关系融洽，互帮互助。 特别要感谢我的父母，亲人和朋友。感谢父母在我求学路上所付出的一切， 感谢他们给予我无私的关心和疼爱，时刻感动着我，并激励着我前进。在我困 惑迷茫时，是他们指引着找到正确的方向! 最后，对参与评阅论文以及出席答辩委员会的诸位专家教授表示衷心的谢 意! i v 作者：郭康泽 2 0 12 年4 月 插图清单 图1 1 电动汽车“三纵三横 的研发格局5 图2 一l 某型纯电动汽车系统组成与工作原理图7 图2 2 电驱动的六种结构形式9 图3 1 永磁直流无刷电机原理结构图2 0 图3 2 永磁直流无刷电机机械特性2 1 图3 3 永磁直流无刷电机2 4 图3 4 电机控制器2 4 图3 5 电机m a p 图2 5 图3 6 平直路面上车辆运行牵引力( 上) 与阻力( 下) 速度曲线2 7 图3 72 5 坡道上车辆驱动力( 上) 与阻力( 下) 速度曲线2 8 图3 8 电机在基速以下恒转矩特性2 8 图3 9 电机在基速以上恒功率特性2 9 图3 1 0 两挡变速器3 0 图3 1 1 锂电池放置图3 3 图4 1a d v i s o r 仿真结构流程图3 6 图4 2a d v i s o r 界面3 6 图4 3 电动汽车仿真界面3 8 图4 4 运行仿真界面3 9 图4 5 仿真参数图4 0 图4 6 某型纯电动汽车仿真结构图4 1 图4 7 车身仿真模型4 2 图4 8 车轮仿真模型4 4 图4 9 主减速器仿真模型4 5 图4 1 0 电机的等效电路4 6 图4 1 1 电机的仿真模型4 7 图4 1 2 锂离子电池等效电路4 7 图4 13 电池仿真模型4 8 图4 1 4n e d c 工况下车速与时间的关系图4 9 图4 1 5 汽车仿真参数输入窗口5 0 图4 16 爬坡度参数设定5 0 图4 1 7 加速度参数设定5 1 图4 1 8 单次n e d c 工况下电动汽车仿真结果图5 2 图4 1 9s o c 随时间变化曲线图5 2 图4 2 0n e d c 工况下续驶里程图5 2 图4 2 16 0 k m h 等速工况下续驶里程图5 3 v i i i 图5 1g a d s t 组织结构及各函数之间关系图5 6 图5 2 单次n e d c 工况下电动汽车仿真结果图5 9 图5 3n e d c 工况下续驶里程图5 9 图5 46 0 k m h 等速工况下续驶里程图6 0 图6 1 某型纯电动汽车试验车辆6 2 i x 表格清单 表1 1 国内外进行纯电动汽车研发的部分公司和主要车型3 表2 1 三类电池性能参数1 3 表2 2 电机性能比较1 3 表3 1 纯电动汽车整车主要参数1 7 表3 2 原某型纯电动汽车的动力性和续驶里程技术参数表1 8 表3 3 纯电动汽车改进后要达到的动力性能指标18 表3 。4 电机参数一2 3 表3 5 锂电池参数3 2 表3 6 某型纯电动汽车传动系参数表一3 3 表4 1n e d c 工况参数表一5 1 表4 2 改进后的纯电动汽车动力性和续驶里程值图5 3 表4 3 改进后的纯电动汽车动力性和续驶里程与原型车比较图5 3 表5 1 优化后的纯电动汽车动力性和续驶里程值图6 0 表5 2 优化前后仿真结果对比表6 0 表6 1 最高车速试验数据6 3 表6 2 加速性能试验数据6 4 表6 36 0 k m h 等速续驶里程试验数据6 4 x 第一章绪论 1 1 前言 据史料记载，远在轩辕黄帝时期，我国就已经有车的出现，在人类对高效 运输要求越来越高的情况下，汽车制造技术也日臻完善，从十八世纪产业革命 开始，一直持续到2 0 世纪中后期，以瓦特的蒸汽机为代表作，以及随后一系列 的重大科技发明与进步，使得各种机械动力的运输成为现实，汽车也成为了这 一个多世纪以来最重要的交通工具。但是随着汽车工业的高速发展，环境污染 的日益严重，全球性的能源危机一触即发，新一轮的汽车技术革命已经开始， 随着发展的深入，必将改变人类的出行交通理念。 1 2 课题的背景 国内发展纯电动汽车的背景： 最近一段时期，国家密集出台了一系列新能源汽车发展的利好政策。2 0 1 1 年1 1 月，国家发改委、工业和信息化部、科技部以及财政部联合发布关于进 一步做好节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知。2 0 1 1 年1 2 月，工业和 信息化部部长苗圩在全国工业和信息化工作会议上强调，在战略性新兴产业领 域，2 0 1 2 年我国将实施新能源汽车等4 个专项计划以及l5 个细分领域的规划。 2 0 1 1 年12 月2 7 日外商投资产业指导目录( 2 0 1 1 年修订) 在鼓励类栏目增加 了新能源汽车关键零部件等条目。同时国家税务总局、工信部、财政部等联合 发布的“首批不属于车船税征收范围的车型目录”，则包括纯电动乘用车4 2 款、 燃料电池乘用车7 款。 合肥市作为国家首批五个私人购买新能源汽车补贴试点城市之一，国家财 政补贴最高额度可以达到6 万元，因此在发展新能源汽车方面有先天优势。合 肥市对于新能源汽车的发展有如下规划： 推出一系列纯电动汽车、混合动力汽车，将新能源汽车产业做大做强，不 断推出纯电动客车，新能源客车，1 2 米长豪华纯电动客车，1 l 米长混合动力公 交车，完善新能源汽车产品线，同时提高汽车整体技术层次和档次，实现规模 化产业。计划到2 0 1 5 年末，实现十万辆新能源汽车的推广普及目标，其中，在 居民小区、宾馆、商场、办公楼等汽车密集地建设配套的充电站，同时建设新 能源汽车的检验检测中心，实施电池租赁的商业模式，并且做好废旧电池的回 收试点工作，争取在新能源汽车的制造和普及方面达到世界先进水平。 在全国汽车行业都在进行产业化调整和结构升级的格局下，假如企业没有 把握住机会进行转型发展，那么在新一轮的汽车行业竞争中，必然会失去发展 的先机，甚至被甩在身后。 1 3 纯电动汽车的特点【2 ，3 ，4 】 纯电动汽车因为完全采用电机驱动，因而相比较于普通的燃油汽车有其特 有之处。 1 、污染少 纯电动汽车是由电能驱动的，在行驶过程中并不排出有害物质，即便纯电 动汽车消耗的电能由火电厂供应，火电厂排放的污染物主要是氮氧化物，根据 纯电动汽车消耗的电能折合火力发电而估计的氮氧化物排放量，也达不到同类 燃油汽车的百分之十。 2 、可以使用多样化的能源 因为纯电动汽车使用的是二次电能，因而它不受石油能源的限制，纯电动 汽车的推广可以有效的减少人类对石油的过度依赖，可以将有限的石油资源应 用到更需要的方面上。向蓄电池供电的电能可以由水力、风力、潮汐能、核能、 煤炭、太阳能等等转化得来，从而可以节约大量的石油资源，同时，纯电动汽 车还可以在夜间使用富余电力进行充电，从而改善供电系统的峰谷负荷平衡问 题，降低电网因为低负荷运转而产生的费用，进一步提高电力系统的效益。 3 、高效率 对纯电动汽车的研究显示，它的能源利用效率以及远远超过普通燃油汽车， 尤其是城市道路行驶工况，汽车开开停停，行驶速度较低，纯电动汽车并不会 因为汽车的怠速而损失能量，在纯电动汽车停止过程中并不消耗电能，同时在 汽车制动过程中，纯电动汽车的电动机可以作为发电机对电池进行充电，实现 汽车在制动减速时候能量的再次回收利用，从而实现了能量的回馈，因此纯电 动汽车的效率比燃油汽车要高。 4 、低噪声 噪声不但对听力有影响，而且还会对人类的内分泌系统、神经系统、心脑 血管系统造成不利的影响。传统的燃油汽车的噪声来源主要由发动机产生，而 纯电动汽车并无发动机，其电机产生的噪声比燃油汽车要低很多。 5 、结构简单，维修使用较方便 纯电动汽车相比较普通的燃油汽车，少了很多运转和传动部件，维修保养 工作量小，而且纯电动汽车易于操控。 6 、有利于智能化 因为纯电动汽车已经实现电气化，因此有利于在电动汽车中使用先进的电 子信息技术，实现电动汽车的智能化。纯电动汽车的电机控制系统可与各个电 控系统，比如防抱死制动系统、制动能量回馈系统、安全气囊系统、自动空调 系统等等相配合，提高纯电动汽车的智能化水平。 7 、蓄电池成本较高，续驶里程较短 现今纯电动汽车技术还没有燃油汽车那么成熟，蓄电池成本高，寿命短， 2 而且一次充电储能较小，续驶里程不理想，纯电动汽车总体造价过高。 从我国的国情出发，国内对纯电动汽车的呼声会越来越高，伴随着科技的 发展，同时投入大量的人力物力，纯电动汽车技术上的难题将会得到解决，电 动汽车的普及并不遥远，并且相应的价格和使用成本也会下降。 1 4 国内外纯电动汽车的研究现状 近十几年以来，世界各大著名汽车生产商都在抓紧研发各种纯电动汽车， 并且取得了一定的成就和突破【5 ，6 1 。日本是最早开始涉足电动汽车的国家之一， 日本国土狭小、人口众多、资源匮乏、环境污染严重，因而日本政府非常重视 对电动汽车的投入与开发，早在1 9 6 7 年，日本便成立了电动汽车协会，以此来 促进电动汽车的发展，经过几十年发展，日本已经是世界上在电动汽车领域技 术最先进的国家之一。美国政府也非常支持电动汽车的发展，投入了大量的人 力物力，解决了资金的问题，在新技术的应用上得到了广泛的支持。美国以通 用、福特和克莱斯勒三大汽车公司为主导，整合各大汽车公司的技术优势和先 进的制造条件，开发出各式各样的电动汽车。美国发展电动汽车主要有以下几 大计划：p n g v 计划( 新代汽车合作组织) 、f r e e d o mc a r 计划( 自由合作汽车 研究计划) 、e v 电池利用项目、a v p 计划等。欧盟方面为了提高各成员国的科技 水平，提升各国的科技竞争力，充分整合各成员国的科研力量，避免各国科研 工作的重复，欧盟也制定一系列统一的发展计划。跟电动汽车相关的计划有： f p f r a m e w o r kp r o g r a m 系列计划、欧盟燃料电池研究发展计划、欧盟燃料电 池巴士示范计划和欧盟电动汽车城市运输系统计划等。 国外以及国内进行纯电动汽车研发的部分公司和主要车型如表卜1 所示： 表1 1 国内外进行纯电动汽车研发的部分公司和主要车型 序 公司名称汽车名称汽车特点 目前状 号态 日本丰田汽车公 f t e vi i 纯电动汽 锂离子电池 1 续驶里程9 0 k m概念车 司 主 最高车速1 0 0 k m h 美国t e s l a 汽车m o d e ls 纯电动汽 锂离子电池 2 续驶里程4 8 3 k m 样车 制造公司 奎 最高车速1 9 3 k m h 德国大众汽车公 锂离子电池 3 e u p 纯电动汽车续驶里程1 3 0 k m样车 司 最高车速1 3 5 k m h 德国e w e 公司与 锂离子电池 4e w ee 3 纯电动汽车 续驶里程1 7 0 k m样车 卡曼公司 最高车速1 4 0 k m h 德国宝马汽车公 锂离子电池 5 m i n ie 纯电动汽车 续驶里程2 0 0 k m 示范运 司 行 最高车速1 5 2 k m h 比亚迪汽车股份 锂离子电池 6 f 3 e 纯电动汽车续驶里程3 5 0 k m 示范运 有限公司 行 最高车速1 5 0 k m h 吉利汽车股份有 锂离子电池 7 纯电动汽车l c e续驶里程8 0 k m 示范运 限公司 行 最高车速7 0 k h 江淮汽车股份有 锂离子电池 批量上 8 同悦纯电动汽车续驶里程1 0 0 k 限公司 市 最高车速9 5 k m h 长城汽车股份有 锂离子电池 9 精灵e v续驶里程1 8 0 k m 示范运 限公司 行 最高车速1 3 0 k m h 海南海马汽车有 磷酸铁锂电池 示范运 1 0 福仕达e v续驶里程1 0 0 k m 限公司 行 最高车速8 0 k m h 同世界各国一样，近十几年来我国在电动汽车领域的研究也是如火如荼的 开展，我国虽然在传统燃油汽车方面落后于西方国家较多，但是在电动汽车领 域，我国与国外先进水平差距并不大，基本处于同一起跑线，甚至在某些领域 处于世界领先地位。“八五 期间我国就启动了电动汽车的研发工作，国内多所 高校、汽车企业、科研机构均投入了大量的资金、科研力量研发电动汽车，并 且取得了一系列的研究成果。“九五”期间我国又展开了：“空气净化工程”。“十 五，期间，科技部又提出了我国开展电动汽车的实施计划，国家科教工作领导 小组批准电动汽车专项计划为我国“十五”时期重点实施的1 2 个重大专项之一。 2 0 0 6 年，在节能减排的宏观政策调控下，科技部于“十一五 期间又实施了“8 6 3 ” 计划电动汽车重大项目。如今我国已经初步建立电动汽车：“三纵三横”的研发 格局，如图卜1 所示，纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车三种整车技 术称为“三纵”，驱动电机、蓄电池、动力总成系统三种关键技术为“三横。 2 0 0 9 年国家相关部门公布了汽车产业调整和振兴规划，该规划显示新能源 汽车发展的目标是电动汽车的产销量达到一定的规模，完善电动汽车基础设施 的建设，健全电动汽车配套体系，到2 0 1 1 年底，实现5 0 万辆纯电动汽车、充 电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车的产量。 4 图1 1 电动汽车“三纵三横”的研发格局 1 5 课题的来源及意义 本课题来源于合肥工业大学为某整车厂做的某型纯电动汽车传动系统改 进优化设计的研发项目。纯电动汽车动力传动系统主要包括：电力驱动系统、 动力蓄电池管理系统、整车控制系统。 汽车作为推动过人类文明向前推进的现代工业的产物，无论是生产、技术 还是规模、效益等等方面都取得了巨大的成绩，同时汽车使用的石油资源越发 枯竭、环境污染日益严重以及全球性的温室效应这些严峻的问题随之而来【l j 。 因而，新能源汽车成为了人们最关心的议题之一，对于整个汽车行业而言，以 新能源为特点的绿色化、低碳化的发展趋势已经迫在眉睫，节能环保的电动汽 车成为解决这些问题的寄托所在，各国政府的重视，更是促进了电动汽车的发 展，电动汽车将迎来一个崭新的时期。 电动汽车是基于内燃机汽车衍生出来的车型，是以车载电池为能量源，全 部或者部分由电机驱动的汽车，是涉及机械、电气、化学、控制等多学科交叉 的高科技产品。 谓之电动，是因为它的动力源是电池的电能而非汽油( 或柴油) 等石油化 工产品。现今在开发的电动汽车可以分为三类：纯电动汽车( e 1 e c t r i cv e h i c l e ， e v ) 、混合动力电动汽车( h y b r i de 1 e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 和燃料电池电动汽 车( f u e lc e lle 1e c t r icv e h ic l e ，f c e v ) 。纯电动汽车主要是由蓄电池、电机 及其控制系统构成，并通过蓄电池向电机提供电能，从而使汽车行驶。混合动 力电动汽车是在内燃机汽车上增加一套由电机和蓄电池构成的辅助动力系统， 它既有发动机又同时有电机，可以由电机单独驱动汽车行驶，同时也可以发动 机和电机共同作用驱动汽车，它解决了纯电池汽车行驶里程短的问题。燃料电 池电动汽车采用燃料电池发电作为电源，并存储在蓄电池里面，并通过电机来 驱动汽车前进。本文探讨的是纯电动汽车。 1 6 本文研究的主要内容 本文结合了某乘用车主机厂某型纯电动汽车的研究开发项目，对纯电动汽 车的一些关键技术做了进一步研究并对减速器进行由单速比到两档速比的升 级，具体工作有如下几个方面： 1 、本文首先介绍了纯电动汽车的发展现状，纯电动汽车的特点，纯电动汽 车的总体结构、主要参数以及纯电动汽车的关键技术。 2 、针对某型纯电动汽车动力性不佳的情况，重新对原型车进行动力系统各 部件即动力蓄电池、电动机以及传动系的参数设计匹配与选型。 3 、运用电动汽车仿真软件a d v i s o r ，根据某型纯电动汽车的动力系统结构， 建立整车、传动系、动力蓄电池以及电动机的性能仿真模型。 4 、选择合适的行驶工况对某型纯电动汽车进行动力性能仿真研究，来验证 仿真模型的正确性。 5 、对传动系速比进行优化，并进行仿真与优化前进行对比，使整车性能进 一步提升。 6 、对整车进行动力性和续驶里程的试验验证。 1 7 本章总结 本章强调了发展纯电动汽车的迫切性，介绍了纯电动汽车的特点，以及国 内外纯电动汽车的发展现状，最后简单介绍了本论文主要的研究内容。 6 第二章纯电动汽车及其关键技术 2 1 纯电动汽车的基本结构 纯电动汽车同传统燃油汽车类似，也是由动力系统、车身、底盘、电气装 置组成，其中纯电动汽车的车身和电气装置与传统汽车基本一样，底盘部分的 传动系统有所简化，不同点主要在动力系统。 如图2 1 所示，纯电动汽车一般可以分为以下三个子系统组成：电力驱 动子系统、能源子系统以及辅助控制子系统。 图2 - 1 某型纯电动汽车系统组成与工作原理图 图中双线表示机械连接；粗线表示电气连接；细线表示控制信号连接；箭 头表示信号或者电能的传输方向。 电源子系统由电池、充电器和能量管理系统等组成。电池为纯电动汽车的 驱动电机提供电能，电机再将电能转化为机械能，然后通过机械传动装置驱动 车轮使汽车行驶。电池是制约纯电动汽车发展的主要原因之一，作为纯电动汽 车的电池应该具有比能量高，比功率高等特性，以便满足纯电动汽车的动力特 性和续驶里程要求。此外，电池还应具备与纯电动汽车相当的使用寿命，高效 率，低使用成本，免维护等特点。现今发展的电池主要包括镍氢电池、镍镉电 池、锂电池、燃料电池等等。此类新型电池的使用，为纯电动汽车的发展提供 了坚实的发展保障，特别是具有较高性价比的磷酸铁锂电池的应用，为降低电 池成本、提升电池性能创造了可靠的技术物质基础，能量管理系统的功能是为 了提升电池的使用率，防止电池发生过放电和过充电现象，使电池的使用寿命 更长，并且监控电池使用状态。 电力驱动子系统是纯电动汽车的最关键部分，也是跟传统汽车相比最大的 不同之处。电力驱动子系统由驱动电机、电子控制器、功率转换器、机械传动 设备以及车轮等构成。电驱动系统的作用是将动力蓄电池中的电能转化为机械 能进而驱动汽车行驶，并且能在汽车减速制动和下坡制动过程中，实现能量的 回收。驱动电机的功能是将电池的电能转化为机械能，然后通过机械传动装置 驱动车轮。随着科学技术水平的提高，电机和电机的控制技术也在不断的发展， 如今发展的较好的电机有直流无刷电机、交流异步电机以及开关磁阻电机等等。 电子控制器就是所谓电机的控制调速装置，它的主要作用是使电动汽车变速和 方向的变换，它是通过控制电机的电流或者电压，来实现电机转矩和旋转方位 的控制。纯电动汽车用的功率转换器的作用是实现d c d c 和d c a c 的转换。d c d c 转换器称为直流斩波器，通常在直流电机驱动系统上使用。d c a c 转换器也称 为逆变器，一般在交流电机驱动系统上使用，它的功能是将电池的直流电源转 换为可调频率和电压的交流电。纯电动汽车通常使用电压输入式逆变器，主要 是由于其构造较简单同时又能实现双向的能量转换。机械传动装置的主要功能 是将电机的驱动扭矩传递给电动汽车的驱动轴。由于电机可以负载启动，因此 纯电动汽车不需要传统燃油汽车拥有的离合器，而且电动机的转向可以通过控 制电路来实现，因此纯电动汽车也不需要传统汽车具有的倒档。当使用电机无 级变速控制状态，纯电动汽车又可以去掉传统汽车上的变速器，当采用电动车 轮来实现驱动时，纯电动汽车可以省去是传统汽车传动系统上的差速器。 辅助子系统由辅助动力源、动力转向单元、空调系统、照明系统、雨刮器、 视频电脑系统以及导航系统等构成，这些辅助系统的功能与传统汽车相似，结 构原理与传统汽车略有区别，其主要作用是提高电动汽车的可操作性和司乘人 员的舒适性。 电驱动系统的不同可以形成结构形式各异的电动汽车。下面主要依据电驱 动系统的区别把电动汽车分为六种形式，如图2 2 所示【_ 7 1 。 p 一面 l ! b 一划k ) 一斟 图2 2 电驱动的六种结构形式 图中m 为驱动电机，c 为离合器，d 为差速器，f g 为固定速比变速器，g b 为变速器 图2 2 ( a ) 所示，该结构沿袭了传统燃油汽车的驱动方式，由发动机的前 置前驱形式演变而来，它是由驱动电机、离合器、变速器、差速器等构成。离 合器用来切断或者连通电动机与车轮之间动力传导，变速器可以提供不同的变 速比，驾驶员通过选择不同的速比，把扭矩传递给车轮驱动汽车行驶。在低速 档位时，可以实现低转速高扭矩，使电动汽车拥有更高的后备功率，可以用来 爬坡和加速，在高速档位时，电动汽车获得高转速低扭矩。在汽车转弯的过程 中差速器可以实现两个车轮的不同车速。 图2 2 ( b ) 所示，该结构由驱动电机、固定速比的减速器以及差速器构成， 9 冒粤 一l i 。一一i l 一 ，划 由于该结构没有使用离合器，从而减轻了传动装置的重量和体积，但是因为没 有可选速比的变速箱和离合器，它所提供的转矩转速特性不甚理想。 图2 2 ( c ) 所示，该结构与发动机横向前置，前轮驱动的布置方式类似， 把驱动电机、固定速比减速器和差速器集成在一起，成为一个整体，旁边两根 半轴连上车轮，此类结构在小型电动汽车上使用的较多。 图2 2 ( d ) 所示，该结构使用双电机结合固定速比的减速器分别驱动车轮 行驶，由于每个电机的转速可以独立的控制，因此也省去了差速器，这个结构 的优势在于较容易实现整车的控制。 图2 2 ( e ) 所示，该结构称为轮毂电动机驱动方式，将电机和固定速比的 减速器安装在车轮里面，省去了传动轴和差速器，这种结构进一步减少了电机 到驱动车轮之间的传递过程，可以提升传动效率。 图2 2 ( f ) 所示，该结构去掉了电动机和车轮之间的传动装置，使用低速 外转子电机驱动车轮，轮速的控制通过控制电机的转速来实现，这个结构对于 电机的要求较高。 本文将在结构( b ) 的基础上用两挡速比变速器取代固定速比变速器，使得 电机的转矩转速特性更加理性，从而提升整车的动力性和续驶里程。 2 2 纯电动汽车的主要参数 对纯电动汽车进行动力性设计时首先要确定汽车的总体参数，主要有整车 质量、车身参数、底盘结构参数、电池参数以及驱动电机的参数等。 1 整车质量： 现今我国的纯电动汽车主要是由现有的燃油汽车的基础上改进设计而来。 ( 1 ) 底盘以及车身的质量：对以由燃油汽车改进而来的电动汽车，其总质 量应该去掉离合器、燃油供给系统、冷却系统等等的质量。 ( 2 ) 电池的质量：假设纯电动汽车充满电后能以某速度续驶某里程，那么 可以粗略估计电动汽车所做的功，从而得到电池可以储存的能量，再根据电池 的比能量，由储存的能量除以比能量即可得出电池的质量。 ( 3 ) 电机的质量：参照对应的燃油汽车初步确定纯电动汽车所使用的电机 功率，再通过功率来确定电机的质量。 ( 4 ) 电动汽车所能承受的载荷和乘客数量由设计要求而定。 2 电池的性能： 如今纯电动汽车采用较多的是锂离子电池。其有高能量密度、使用寿命长、 环保性能好、安全方便维护等特点。 3 电机的性能： 应该合理选择驱动电机的转矩转速特性，以便提高电动汽车的动力性能。 目前使用较多的是永磁直流无刷电机。 1 0 4 底盘的结构参数： 电动汽车的底盘由于省去了发动机以及配套的辅助系统，因而较简单，底 盘参数主要有变速器的档位数选择和各级速比，机械传动效率等。 5 车身参数： 车身参数主要有迎风面积和空气阻力系数，一般空气阻力系数值在0 2 左 右。 2 3 纯电动汽车的关键技术【8 9 ，1 0 】 2 3 1 动力蓄电池技术 电源为纯电动汽车的驱动电动机供应电能，驱动电机再将电能转化为机械 能，经过机械传动装置来驱动车轮行驶。 现今，制约纯电动汽车发展的主要因素还是电池，下面我们先来简单介绍 一下纯电动汽车对动力蓄电池的基本要求。 l 、首先，蓄电池在电动汽车的能源供应中所占的比例应逐步提升，电动 汽车由混合动力到插电式双模电动汽车再到纯电动汽车的发展过程中，随着技 术的成熟，动力电池将逐步成为电动汽车的唯一能源，并且完全取代燃油，实 现零排放、零污染的愿景；其次，在保证电动汽车动力性能不受影响的前提下， 电动汽车所携带的动力电池的质量、体积以及数量均应逐渐降低。 2 、为了能使电动汽车被广大群众接受，实现普及化、商业化、市场化，动 力蓄电池的低成本是必然要求。同时为了降低蓄电池的成本，挑选质优价廉的 电池原材料以及增加蓄电池的使用寿命成为动力蓄电池研究的一个重要课题； 高容量也是蓄电池需要满足的基本要求之一，高容量是电动汽车动力蓄电池性 能要求的核心；高安全要求是动力蓄电池需要满足的重中之重，安全与否是客 户使用一个产品之前首先考虑的问题，汽车作为人们日常生活中的交通工具， 安全性对汽车的重要性毋庸置疑。对于蓄电池而言，在过充电、过放电、挤压、 短路等等情况下，能够实现不漏液、不爆炸，不会对司乘人员造成危害，成为 了动力电池的基本要求。 蓄电池的种类多样，都具有多次放电和多次充电的特点，可以循环、反复 的使用，这为成为纯电动汽车的动力源提供了必备的条件，目前，比较适合纯 电动汽车的蓄电池主要有锂离子电池、镍氢电池以及铅酸蓄电池。 锂离子电池产生的历史较短，锂离子电池被成为性能最优的充电电池，受 到客户的广泛好评。近年来，市场对锂离子电池的需求逐步增强，这也给锂离 子电池的发展带来了强力的后劲，使锂离子电池在纯电动汽车上的逐步使用成 为可能。 锂电池作为纯电动汽车车载最新的电池之一，具有以下几个特点： 1 、锂电池单体电压较高，其标称电压接近3 6 伏，相当于铅酸电池的两 倍，镍氢电池的三倍。 2 、锂电池体积较小，达到4 0 0 w h l ，在相同能量的情况下，其体积是铅 酸电池的3 0 到5 0 ，为纯电动汽车的设计提供了相对合理的结构和更加美观外 形的条件，也为纯电动汽车的合理的整车布置提供了条件。 3 、锂电池比能量高，重量却较轻，比能量有15 0w h k g ，相当于镍氢电 池的两倍，铅酸蓄电池的四倍，在能量相同的条件下，重量是铅酸蓄电池的2 5 到3 0 ，这个特点使得锂电池成为纯电动汽车的动力来源成为可能。 4 、锂电池可以循环使用，寿命较长，循环使用次数高至1 0 0 0 次上下，据 研究发现，电池组完全充放电循环使用次数可以高达6 0 0 次，电池可以连续三 到五年使用，使用寿命相当于铅酸蓄电池的两到三倍。 5 、锂电池的自放电比率较低，月平均小于5 ，相当于镍氢电池的15 。 6 、锂电池可以工作的温度范围较宽，高低温性能优良，高温可达5 5 ， 低温可低至零下2 0 。 7 、锂电池不具有记忆性，镍氢电池却有适度的记忆性，因而锂电池充电 的时候不需要像镍氢电池一样完全放完电再充电，无论什么时候皆可以充电， 并且电池可以完全放电和完全充电，而不会影响电池的寿命。 8 、锂电池所含的有毒物质相对铅酸蓄电池轻微不少，因此比较绿色环保。 9 、锂电池主要的使用材料锂、铁、锰、钒等在我国含量丰富，为锂电池 的生产保证了原材料，也为电池成本的控制提供了必要条件。 1 0 、我国开展的小功率锂电池已经形成了产业化，上下游配套全面，也为 发展锂离子动力电池提供了必要的基础。 镍氢电池也是作为纯电动汽车动力来源的另外一个重要选择，如今在混合 动力电动汽车上应用较为广泛。镍氢电池是代替镍镉电池而来的，其以氢代替 镉，因而消除重金属元素对环境的污染，被称为最环保的电池之一。相对于铅 酸电池和镍镉电池，镍氢电池的比能量较高，这更能提升车辆的续驶里程。但 是，镍氢电池自放电率较高，月均高达3 0 ，这成为了制约其在电动汽车上推 广的瓶颈之一。电池充的越满，其放电效率越高，同时温度对放电效率影