（车辆工程专业论文）电动教练车的设计与仿真.pdf

摘要 随着汽车工业的发展和人们生活节奏的加快，汽车作为交通工具越来越多的被人们 所使用，学习驾车成为一种趋势。由于学员驾驶水平和训练场地的限制，传统燃油教练 车的性能不能达到最佳，这导致了大量的污染物排放，因此开发研究零排放的纯电动教 练车势在必行。本文在传统燃油桑塔纳教练车的基础上进行改装设计，使其成为纯电动 教练车，并对改装后的纯电动教练车进行性能仿真。主要内容如下： 首先，论述了国内外电动汽车的发展现状，并结合电动汽车常见的结构形式，确定 了电动教练车的结构形式。考虑到成本和教练车的实际使用状况，本文只是用电动机取 代发动机，保留了原车的传动系统。 其次，根据电动教练车的性能要求，结合电动车用电机和动力电池的对比，对电动 教练车用电机和动力电池进行选择匹配及布置设计。通过计算，选取z y c d 6 型电机作 为电动教练车的驱动电机，并布置在原车发动机处；选取6 - d z m 1 0 0 型铅蓄电池作为 电动教练车的动力电池，共需要1 0 组，其中4 组布置在电动教练车的后备箱中，6 组布 置在电动教练车的车头部分。 再次，理论上分析电动汽车的动力性和经济性指标，利用a d v i s o r2 0 0 2 对电动教 练车进行建模，并对其性能进行仿真。仿真的结果为：最高车速为4 8 7k m h ，最大加 速度为1 1 州s 2 ，最大爬坡度为7 6 ，2 0k m h 等速情况下的续驶里程为1 0 0 3 4k m 。这 些仿真结果均符合电动教练车的设计要求。 最后，对电动教练车的使用经济性进行分析，并与原燃油教练车进行了对比，结果 为：电动教练车的使用成本和维修成本比原燃油教练车的低，折旧成本比原燃油教练车 的高，但综合成本还是电动教练车的低，每百公里节省6 3 5 4 元，即电动教练车的使用 经济性比原燃油教练车使用经济性要好。 关键词：电动教练车，性能，a d v i s o r2 0 0 2 ，仿真 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ep a c es p e e d e d - u po fl i f e ，m o r ea n d m o r ec a r sa r eu s e da st r a n s p o r tb yp e o p l e ，s ol e a r n i n gt od r i v eb e c o m e sat r e n d b e c a u s eo f t h el e v e lo fd r i v i n ga n dt h er e s t r i c t i o no ft r a i n i n gg r o u n d ，t h et r a d i t i o n a lf u e ld r i v e r - t r a i n i n g c a rc a l ln o ta c h i e v et h eb e s tp e r f o r m a n c ew h i c hl e a d st oal a r g en u m b e ro fp o l l u t a n te m i s s i o n s ， s oi ti si m p e r a t i v et or e s e a r c ht h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a rw h i c hi sz e r oe m i s s i o n t h i s p a p e rd e s i g n s t h ee l e c t r i c d r i v e r - t r a i n i n g c a l b a s e do nt h et r a d i t i o n a lf u e ls a n t a n a d r i v e r - t r a i n i n gc a r , a n ds i m u l a t e st h ep e r f o r m a n c eo f t h em o d i f i e de l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a r t 1 1 em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , i td i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i cc a r sa th o m ea n da b r o a d ，a n dd e t e r m i n e s t h es t r u c t u r eo ft h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a r c o n s i d e r i n gt h ec o s ta n dt h ea c t u a lu s i n gs t a t u s o ft h ed r i v e r - t r a i n i n gc a r , i tm e r e l yr e p l a c e st h ee n g i n ew i t ht h em o t o ra n dr e t a i n st h e t r a n s m i s s i o no ft h eo r i g i n a lc a r s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so f t h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a r , i t c h o o s e st h em a t c h e dm o t o ra n dp o w e rb a t t e r yf o r t h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a ra n dd e s i g n s t h el a y o u to ft h e m ，w h i c hc o m b i n e d 谢t ht h ec o n t r a s to ft h em o t o ra n dp o w e rb a r e r y b y c a l c u l a t i n g ，i ts e l e c t sz y c d - 6m o t o ra st h ed r i v em o t o rf o rt h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a r , a n dl a y si ta tt h ep l a c eo ft h ee n g i n eo ft h eo r i g i n a lc a r ；i ts e l e c t s10g r o u p s6 - d z m - 10 0 l e a d a c i db a t t e r ya st h ep o w e r b a a e r yf o rt h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a r , a n dt h ea r r a n g e m e n t i st h a t4g r o u p sl a yi nt h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a rt r u n ka n d6g r o u p sl a yi nt h ef r o n tp a r to f t h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a r t h i r d l y , i tt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e st h ed y n a m i ca n de c o n o m i ci n d e xo ft h ee l e c t r i cc a r , a n d s i m u l a t e st h ep e r f o r m a n c eo fi tb yu s i n ga d v i s o r2 0 0 2 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na l ea s f o l l o w s ：t h em a x i m u ms p e e di s4 8 7k i n h , t h em a x i m u ma c c e l e r a t i o nr a t ei s1 1r n s z ，t h e m a x i m u mg r a d ea b i l i t yi s7 6 ，t h ed r i v i n gr a n g eo f 2 0k m hi s10 0 3 4k m t h e s er e s u l t sa r e i nl i n e 、撕mt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fe l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a l l a s t l y , i ta n a l y z e st h eu s i n ge c o n o m yo ft h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a r , w h i c hc o m p a r e d 、访t l lt h et r a d i t i o n a lf u e ld r i v e r - t r a i n i n gc a r , t h er e s u l ta r ea sf o l l o w s ：t h eu s ea n dm a i n t e n a n c e i i c o s t so ft h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a ra r el o w e rt h a nt h et r a d i t i o n a lf u e ld r i v e r - t r a i n i n gc a r ； t h ed e p r e c i a t i o nc o s ti sh i g h e rt h a nt h et r a d i t i o n a lf u e ld r i v e r - t r a i n i n gc a r , b u tt h ei n t e g r a t e d c o s to ft h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a ri sl o w e r , s a v i n g6 3 5 4y u a np e r10 0k r n ，s ot h eu s i n g e c o n o m yo ft h ee l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a ri sb e t t e rt h a nt h a to ft h et r a d i t i o n a lf u e l d r i v e r - t r a i n i n gc a r k e y w o r d s ：e l e c t r i cd r i v e r - t r a i n i n gc a r , p e r f o r m a n c e ，a d v i o s r2 0 0 2 ，s i m u l a t i o n 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 汽车的实用化历时不到1 0 0 年的时间，虽然期间经历了两次世界大战，但汽车工业 仍然达到了史无前例的繁荣。然而，近年来由此引发的诸多负面问题也接踵而至，比如： 能源问题、大气污染、温室效应等【l 】。这些问题使人们开始考虑研究更为环保的汽车结 构，其中电动汽车被越来越多的提及。 电动汽车的使用是解决能源问题和污染问题的主要手段之一，而且随着石油危机的 加剧，发展电动汽车的呼声越来越高，这是因为电动汽车有着传统燃油汽车无法比拟的 优点 2 1 ： ( 1 ) 效率高。电动汽车，尤其是纯电动汽车驱动汽车行驶的动力源是电机，动力 电池的能量转化为汽车动力的效率高达8 0 以上，而传统燃油汽车的效率要低的多。此 外，电动汽车还可以回收制动时的能量，这更加提高了电动汽车的能量利用效率。 ( 2 ) 环境污染低。在行驶过程中纯电动汽车不排放尾气，而混合动力电动汽车排 放很少的尾气，所以与传统燃油汽车相比较，它的环境污染要低的多。 ( 3 ) 噪音低。汽车的噪音主要来源于动力源的噪音，由于工作原理的不同，发动 机比电动机的噪音要高很多，所以电动汽车行驶时的噪音比燃油汽车小的多。 ( 4 ) 行驶平稳、驾驶简单轻便。有的电动汽车将传统燃油汽车的传动系去除，采 取固定传动比的形式，这样行驶过程中就不存在换挡的问题，所以行驶比较平稳，驾驶 也相当轻便。 当然，电动汽车也存在一些缺点，比如受到动力电池比功率和比能量低的限制，电 动汽车的动力性和续驶里程都比较低；另外动力电池的质量和体积比较大，这导致了电 动汽车的整车整备质量的增加。虽然电动汽车存在这样一些不足，但随着技术的进步， 这些问题会逐步解决，电动汽车必然会在以后的汽车舞台上扮演更重要的角色。 1 2 电动汽车的发展概况 1 2 1 我国电动汽车的发展 我国电动汽车的研究始于6 0 年代。1 9 7 7 年上海车辆管理所与吉林工业大学( 现吉林 大学) 合作试制了s h d l 7 0 型微型电动汽车，最高车速为4 0k m h ，续驶里程为7 0k m ； 第一章绪论 1 9 8 3 年上海汽车拖拉机研究所试制了s h d 6 1 0 型轻型厢式电动汽车，最高车速为 4 2 k m h ，续驶里程为7 9 k m 。从8 0 年代末到9 0 年代初，国家计委和国家科委分别立项， 组织汽车研究单位和高等院校与生产厂家联合研制开发电动汽车。1 9 9 2 年天津汽车研 究所试制了微型厢式电动车；清华大学在国家计委支持下，开发研究了永磁直流电机驱 动的中型厢式车；武汉长江动力公司研制了8 8 座直流电机驱动的双层电动大客车；上 海新联电动车公司和新联电动车研究所研制了直流电机驱动的电动微型轿车【3 】。 虽然我国电动汽车没有欧美等国家起步早，但国家从维护能源安全、提高汽车工业 竞争力和实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，从“八五 开始到现在，电 动汽车研究一直是国家的计划项目。 “八五”期间，电动汽车列入国家科技攻关计划，重点开展电动汽车关键技术的研 究。“九五 期间，正式列入国家重大科技产业工程项目，主要开展电动概念车研究、 电动改装车开发、试验示范区建设、运行机制和政策法规及技术标准的研究。通过1 0 年的研究攻关，在电动汽车技术方面取得了重大突破，并为“十五以及以后电动汽车 技术的发展奠定了良好的基础。国家于2 0 0 1 年正式启动了“十五 国家高新技术研究 发展计划( 8 6 3 ) 之电动汽车重大专项项目。“十五 期间国家在电动汽车重大专项中 投资数亿元，确立了以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车为“三纵”，以多能 源动力总成、驱动电机和动力蓄电池共性关键技术为“三横 的“三纵三横”研发布局 吲【5 】，如图1 1 所示。其中燃料电池轿车布局在上海，依托上海燃料电池汽车动力系统 有限公司和同济大学，燃料电池客车布局在北京，依托清华大学和北京客车厂等；混合 动力轿车布局在武汉，依托东风电动汽车公司，后奇瑞和长安公司也加入，混合动力客 车布局在武汉和长春，依托一汽集团和东风电动汽车公司，利用其各自的底盘技术进行 开发；纯电动轿车布局在天津，依托天津清源动力有限公司，之后奇瑞汽车公司也加入， 纯电动客车布局在北京，依托北京理工科凌电动车辆有限公司。“十一五 期间，根据 不同的市场需求，建立相应的纯电动汽车动力系统技术平台，优化整车总体技术方案， 进一步提高电机和动力电池系统的性能，并满足产业化需求，降低成本，完善批量化生 产工艺，扩大应用范围和产业规模，实现大批量的商品销售。 2 长安大学硕士学位论文 电动驱i 动专题i 电池 i 专题 l 图1 1 “三纵三横 研发布局 根据“十一五 计划，我国现在重点发展纯电动汽车，并有了一定的成果，但其性 能还有待进一步提高。全国有若干个城市进行了纯电动汽车的示范运行，但是规模都比 较小。2 0 0 5 年1 月，天津市的2 2 辆轿车和1 辆公共汽车的示范运行通过了国家验收。 同年6 月，小批量研发生产的4 种车型近4 0 辆公交车在北京市一区一线( 北京市内公 交1 2 1 线和密云电动汽车示范区) 示范运行。 国家电网公司高度重视电动汽车的应用推广工作。2 0 0 6 年以来，国家电网公司开 展了大量的电动汽车关键技术研究和推广应用工作，并积极推动电动汽车的应用和能源 供给基础设施的建设。 在2 0 0 8 北京奥运会上，电动汽车示范运行取得了良好效果，对我国电动汽车的发 展将起到了很好的助推作用。奥运会期间，5 0 辆锂离子电池纯电动客车在奥运中心区 的奥运村、媒体村和北部赛区等线路上为奥运官员、媒体记者和运动员提供2 4 小时全 天候的运输服务。奥运会期间的电动汽车示范运行不仅起到了引导作用，而且带动了我 一 一一制题一一控专一 第一章绪论 国电动汽车及其能源供给技术的发展。 1 2 2 国外电动汽车的发展 1 、日本 从世界范围的电动汽车产业化发展现状看，日本是最早开始发展电动汽车的国家之 一。由于日本国土面积狭小，石油资源匮乏，几乎完全依赖进口，而且日本人口密集， 工业发达，城市污染严重，所以日本政府特别重视研究和开发电动汽车。 1 9 9 7 年丰田公司在日本市场上推出了世界第一款批量生产的混合动力轿车p r i u s 。 并于2 0 0 0 年7 月出口北美，同年9 月出口欧洲，现在已在四十多个国家销售，其全球 销量已超过1 0 0 万辆，占全球混合动力汽车市场9 0 的份额。其目前出售的轿车是经过 多次改进后的第二代产品，生产工艺更为成熟，据丰田公司测试，p r i u s 轿车在城市工 况下比同等排量的花冠轿车节油4 4 4 ，在市郊节油2 9 7 ，综合节油4 0 5 。继p r i u s 混合动力轿车之后，丰田还推出了e s t i m a 混合动力汽车和搭载软混合动力系统的 c r o w n 轿车，在普及混合动力汽车方面走在了世界前列。此外，本田公司开发的i n s i g h t 混合动力电动汽车也已投放市场且供不应求，在2 0 0 9 年4 月份日本新车( 不含排气量 6 6 0 c c 以下的微型车) 销量排行榜上荣登榜首。 目前日本发展电动汽车主要有以下几项计划【6 】： ( 1 ) 低公害汽车开发普及行动计划 计划包括现处于实用阶段的低公害汽车的普及和燃料电池汽车等下一代低公害汽 车的开发，主要对象为： 其一，处于实用阶段的低公害汽车。所谓的处于实用阶段的低公害汽车是指环境负 荷较小并且政府致力普及的汽车，包括压缩天然气汽车、纯电动汽车、混合动力电动汽 车、甲醇汽车和低燃耗且低排放的认证车辆( 即达到合理使用能源相关法律的燃耗 标准，又通过低排放车辆认证实施要领( 纲要) 认证) 。 其二，燃料电池汽车等下一代低公害汽车。主要包括燃料电池汽车以及通过技术创 新和采用新燃料而能够减轻环境负荷的车辆。 ( 2 ) 专项研究计划 专项研究计划主要是针对电动汽车技术，主要涉及的内容包括：锂电池技术开发、 氢能利用技术开发、质子膜燃料电池系统的验证研究、质子膜燃料电池系统的普及基础 事业、质子膜燃料电池系统的技术开发等。 4 长安大学硕士学位论文 2 、美国 和日本相比，美国在电动汽车方面是有定差距的，三大汽车公司( 通用汽车公司、 福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司) 也只是小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动 力和燃料电池电动汽车还未实现产业化，日本的混和动力电动汽车在美国市场上占据了 主导地位【7 】【8 】。 近年来，美国政府投入了大量的资金和科研力量来进行电动汽车的研究和开发，这 不仅使电动汽车的研究有了可靠的资金来源，而且在先进技术的应用上得到了广泛的支 持。现任总统奥巴马在竞选时曾承诺动用4 0 亿美元资金推动新能源汽车的销售，当选 后在制定经济刺激计划时又将新能源的应用作为重要支柱。奥巴马新能源政策着眼于两 个大方向：第一，降低美国对海外石油的依赖，计划未来1 0 年向清洁能源领域投资1 5 0 0 亿美元，以推动新能源的市场化。到2 0 1 5 年，投入使用1 0 0 万辆美国本土生产的充电 式混合动力汽车；到2 0 3 0 年，美国石油的绝对消费量要减少3 0 以上。第二，担负起 碳减排的重要责任，到2 0 1 2 年，保证发电量的1 0 来自于可再生能源；到2 0 2 5 年，达 到2 5 。同时实施“总量控制和碳排放交易 计划，到2 0 2 0 年，美国碳排放比2 0 0 5 年减少2 5 ；到2 0 5 0 年，碳排放比2 0 0 5 年降低8 0 。奥巴马一上任就对加利福尼亚 州严厉的减排法规进行放行，美国另外1 3 个州也相继采用加利福尼亚州的汽车减排标 准，这意味着美国4 0 的汽车市场都将实行减排新标准，对美国乃至全球新能源汽车的 发展有着深远的影响。奥巴马曾表示联邦政府将购买1 7 6 万辆包括新能源汽车在内的 节能汽车，这些汽车将由美国三大汽车厂商制造。同时，奥巴马在考察加利福尼亚州一 家电动汽车测试中心时宣布，美国能源部将设立2 0 亿美元的政府资助项目，用以扶持 新一代电动汽车所需的电池组及其部件的研发，其中驱动混合动力汽车行驶的电池组技 术是需要突破的关键。这些措施不仅是奥巴马总统鼓励发展新能源汽车的具体体现，而 且能够促进汽车厂商和科研机构采取相应的措施来加快新能源汽车的市场化进程。 美国发展电动汽车的计划主要有以下几项： ( 1 ) p n g v 计划( 新一代汽车伙伴计划) “p n g v 计划 的主要内容是研发出一系列新型的纯电动和混合动力电动汽车，并 保证较高的动力性能，减少排放和车辆生命周期费用。“p n g v 计划”所面临的技术问 题包括3 个主要部分：一是在减轻车身和底盘的质量的同时要满足安全性要求；二是在 增加能量转化效率的同时要满足排放标准；三是在提高燃料效率同时不增加成本。除了 这些技术问题外，“p n g v 计划 还有一些非技术方面的问题：一是用于生产新车型的 第一章绪论 原材料转化为成品时需要考虑合理的经费；二是汽车制造业需要改革，特别是在企业结 构、汽车部件的生产和组装、投资、劳务分配和能源等方面；三是要考虑顾客接受纯电 动和混合动力电动汽车的程度以及其是否负担得起。 ( 2 ) f r e e d o mc a r 计划( 自由车计划) “f r e e d o mc a r 计划 的主要内容是在不损害汽车的使用自由、不损害选择汽车的 自由和不增加使用成本的前提下，研究风险较高的实用技术，利用国内可再生能源制造 氢燃料电池。同时，还要在使用本国燃料的前提下，研究出没有排放污染的全功能轿车 和载货汽车，并要求不损害汽车的安全性、灵活性和选购的自主性。 “f r e e d o mc a r 计划”的目标为：。不受燃油的限制、没有排放污染、选购自己喜欢 的汽车、不受限制随时随地驾驶、燃料便宜、添加方便。“f r e e d o mc a r 计划”的战略 步骤为：第一，发展可负担起的氢燃料电池汽车技术及相应的氢燃料基础设施；第二， 继续支持可降低燃油消耗率和减少环境污染技术的发展；第三，发展可用于多种车辆的 燃料电池技术，而不只限于某一种汽车。 ( 3 ) 电动汽车电池利用研究项目 2 0 0 2 年，美国能源部批准经费1 5 0 0 万美元，用于“工业研究、开发和演示使用电 池的电动汽车 的研究，项目包括：电池使用效率、动力储存和供电质量等。该项目批 准6 个月后，美国议会制定了相应的法律。 ( 4 ) 招标计划 美国能源部制定了一个2 亿美元的招标计划，为1 5 个地区提供2 0 0 0 万美元的 配套基金，用于电动汽车示范项目、超低含硫柴油和代用燃料汽车、基础设施建设和交 通系统的多样性的研究。 ( 5 ) 氢燃料的研究和发展 美国能源部制定了3 项与氢燃料相关的发展计划，包括：氢燃料研究发展计划、氢 燃料发展的技术评估、信息发布及培训计划和效率高、成本低、对环境影响小的可再生 氢燃料生产方法的研究计划。 ( 6 ) 公共汽车氢燃料演示项目 美国政府批准了总费用为1 5 亿美元的氢燃料电池公共汽车示范项目，以从事氢燃 料的生产、储存及在运营的公共汽车中的使用。 ( 7 ) 绿色校车示范项目 美国能源部建立了一个3 亿美元的绿色校车示范项目，主要是鼓励学校使用纯电动 6 篓室奎堂堡主兰篁堡苎； 二一 _ - _ _ - _ _ _ - _ 。- _ - - _ _ 。、_ ，- _ 。一一 汽车、天然气燃料电池汽奄和超低硫磺柴油机校车。为了促进天然气燃料电池校车发展 和验证天然气燃料电池校车的可行性，美国当地= 轧政府拿出2 5 0 0 万美元用于与私人燃 料电池制造商的合作，保证使用不少于2 辆天然气燃料电池校车用来评价天然气燃料电 池的效果。 除此之外，美国1 4 家电池和新材料企业宣布成立“先进交通运输用电池生产联盟 ， 以加速锂电池容量技术的开发，提高车用锂电池的制造能力。 3 、德国 在传统燃油汽车方面德国走在了世界的前列，但在“绿色汽车”的竞赛中却落后于 其他国家。近年来德国砬府十分重视环境保护，并投入大量资金用于电动汽车的研制， 指定奔驰汽车公司和大众合资建立了德国汽车工业有限公司的科技开发机构。1 9 9 1 年， 在拜尔州投入了3 0 0 辆电动汽车进行运行。1 9 9 2 年政府拨款2 2 0 0 万马克，在吕根岛建 立欧洲电动汽车试验基地，并对6 2 辆电动汽车进行了长达4 年的大规模运行试验，同 时也有很多其他国家和城市的电动汽车参加了吕根岛的试验。1 9 9 4 年德国展示出了1 9 种电动轿车，1 3 种电动面包车和4 种电动大客车，并且都进入了实用阶段。2 0 0 9 年8 月1 9 日正式通过了“国家电动汽车发展计划 ，将投资5 亿欧元( 约合7 0 5 1 亿美元) 建设充电站网络并大力发展电动汽车电池技术，争取到2 0 2 0 年实现1 0 0 万辆电动汽车 上路，使德国在日趋激烈的电动汽车产业创新的国际竞争中处于领先地位。这项计划中 提出了未来十年有关电池技术、电网集成、市场准备以及市场启动的诸项措施，同时还 提出了加强研发工作、增强相关工程培训能力以及在电网中将电动汽车电池作为移动储 能单元加以集成的潜力。该计划的一个突出特点是将电动汽车与可再生能源结合起来， 因为只有使用可再生能源才能使电动汽车成为真正意义上的零二氧化碳和污染物排放。 4 、法国 法国是最积极研制和推广电动汽车的国家之一。法国政府、法国电力公司、标致一 雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司签署协议，共同合资组建了电动汽车的电池公司，承担 开发和推广电动汽车的义务。法国标致一雪铁龙汽车公司研发的电动货车和4 座电动轿 车已投入生产，1 9 9 5 年建成世界第一条电动轿车专用生产线。1 9 9 7 年，法国电动汽车 产量达到2 0 0 0 辆左右。2 0 0 2 年法国政府、电力公司与汽车公司签订协议，在2 0 个城 市推广电动汽车，使全国电动汽车保有辆达到1 0 万辆。2 0 0 9 年法国工业部长宣布公开 招标分批采购5 万辆电动汽车，陆续提供给政府部门，以及大型国有企业。此外，法国 邮电局已经承诺，从现在起到2 0 1 3 年，将陆续采购并投入使用1 万辆电动汽车，约占 法国邮电局业务用车总量的2 5 。 另外，法国实施相关政策措施发展电动汽车产业： ( 1 ) 给予每一辆电动汽车1 5 万法郎的补贴，其中1 万法郎给制造厂，5 0 0 0 法郎 ( 含税) 给购买电动汽车的私人或公司企业( 地方行政机关和其团体除外) ： ( 2 ) 对于购置电动汽车的地方机构和地方团体，由环境保护和能源控制署补助8 0 0 0 法郎( 不含税) ； ( 3 ) 为首批电动汽车提供销售担保： ( 4 ) 法国电池厂和汽车厂合资组成电动汽车用电池公司，将电池以租赁方式出租 给用户，公司负责维修、保养、更换及回收等，租金每月6 0 0 法郎， ( 5 ) 不允许燃油汽车停泊的区域内允许电动汽车停泊； ( 6 ) 在非免费停车场内设立电动汽车免费停车位； ( 7 ) 晚间低谷充电降价； ( 8 ) 法国电力公司承担在相应停车场及公路旁建设6 0 个充电站。 5 、其他国家 英国是生产电动汽车较先进和使用最广泛的国家，使用历史已有5 0 年之久，2 0 世 纪8 0 年代中期英国就有1 2 万辆电动汽车在运行，现全国已拥有4 0 万辆电动汽车。英 国政府为支持电动汽车的开发投资二千多万英镑，并实行多项优惠政策给使用者，例如： 免收牌照税、养路费及夜间充电只收1 2 的电费等。英国首相布朗在2 0 0 8 年的g 8 峰会 上表示英国正在进行绿色汽车革命，并介绍说英国从2 0 2 0 年开始销售的新车将全部为 纯电动或者混合动力，每公里二氧化碳排放量将控制在1 0 0 克以下。伦敦计划于2 0 1 5 年之前将伦敦打造为欧洲电动汽车之都，并建立2 5 万套电动汽车充电装置，预计到时 有1 0 万辆电动乘用车和1 0 0 0 辆电动公交车在伦敦市区使用。 瑞士是欧洲电动汽车使用效益最高的国家之一，为了防止环境污染，要求在旅游区 内只能使用电动汽车。瑞典的v o l v o 公司，意大利的菲亚特公司等都不惜投入巨额资 金研发新一代电动汽车，并力争早日实现产业化。意大利为了降低空气污染，2 0 世纪 8 0 年代末建立了电动汽车车队，并投入5 2 辆电动汽车进行试验，所有试验用车均采用 铅酸电池。 1 3 电动汽车的基本结构 根据电动机的个数和布置方式的不同，电动汽车的基本结构有多种方式，一般分为 8 长安大学硕上学位论文 单电动机方式、双电动机方式和四轮毂式电动机方式【9 】【1 0 1 。 1 3 1 单电动机方式 单电动机方式又分为有传动系统、无传动系统和无差速器系统三种方式。 1 、有传动系统 简单情况下，电动汽车是用电动机取代传统燃油汽车的发动机，如图1 2 所示，其 中m 表示电动机，c 表示离合器，g b 表示变速器，d 表示差速器。这样的改装设计是 采用单电动机，传动系包括离合器、变速器、主减速器和差速器。离合器是用来切断或 接通电动机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构， 驾驶员可选择不同的变速比，把力矩传给车轮。在低速挡时，车轮获得大力矩低转速； 在高速挡时，车轮获得小力矩高转速。汽车在转弯时，内侧车轮的转弯半径小，# 1 - 俱1 车 轮的转弯半径大，差速器使内外车轮以不同转速行驶。 图1 2 有传动系统电动汽车 还有一种有传动系统的结构，如图1 3 所示，其中f g 表示有固定速比的减速器。 这种结构是第一种结构的改进版，它去掉了离合器，这样可以减少机械传动装置的质量、 缩小其体积，使其变得更加小型化。但由于没有离合器和可选的变速挡位，不能提供理 想的转矩转速特性，因而只适合于小型电动车上。 图1 3 改进的有传动系统电动汽车 2 、无传动系统 无传动系统的电动汽车结构与发动机横向前置、前轮驱动的燃油汽车的结果类似， 9 第一章绪论 如图1 4 所示。它将电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，去除传动结构， 直接将动力传递给两根半轴，使其驱动车轮。虽然这种结果没有离合器和传动系统的磨 损，但还是存在着差速器的磨损。这种结构在小型电动车上应用最普遍。 图1 4 无传动系统电动汽车 3 、无差速器系统 这种结构去除了差速器，用一台相反电动机驱动两个车轮，如图1 5 所示，其中 r m 表示相互相反电动机。它是把传统电动机的定子变成可动的结构，当转子通电时可 以相互反向旋转，旋转速度为两转子的相对速度，即当右车轴以速度n 正向旋转，左车 轴以速度n 反向旋转时，电动机的旋转速度就为2 n 。虽然这样的结构可以使装置小型 化，但也存在着一些缺点：第一，由于转子是双向的，为了给电动机供电，必须采用电 刷和集电环，如果想要去除电刷，就必须使用励磁电动机，这样使结构变的复杂。第二， 由于两转子相互反向旋转，所以为了使电动汽车朝同一个方向行驶，必须增加反向齿轮。 第三，当左右轮的速度差别很大时，电动机不起作用。 图1 5 无差速器系统电动汽车 1 3 2 双电动机方式 图1 6 是其中的一种双电动机结构，它采用两个电动机通过固定速比的减速器分别 驱动两个车轮，每个电动机的转速可以独立地调节控制，便于实现电子差速，因此，电 动汽车不必选用机械差速器，也就不存在差速器等的磨损。 1 0 长安大学硕士学位论文 图1 6 双电机电动汽车 作为上一种双电机结构的改进版，可以采用车轮内置式电动机，即使用轮毂式电动 机独立驱动车轮，如图1 7 所示。该结构采用低速外转子电动机，彻底去掉了机械减速 齿轮箱，缩短了从电动机到驱动轮的传递路径。电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘 上，车轮转速和电动汽车的车速控制完全取决于电动机的转速控制，因此对驱动电机本 身及其控制精度要求很高，而且簧载质量增加很多。 图1 7 双轮毂式电机电动汽车 1 3 3 四轮毂式电动机方式 这种结果是采用四个独立的轮毂式电动机，分别安装在四个车轮轮毂中，如图1 8 所示。这种方式使电动汽车的结构更加紧凑，车轮可以实现4 - 1 8 0 。的旋转、横向行驶 和任意旋转行驶。由于总功率是靠四台电动机分担，所以每台电动机的容量可以小一些， 同时由于没有动力传动装置，效率可以得到改善。但是这样的结构也存在一些缺点，比 如随着非簧载质量的增大，电动汽车的操作性和乘坐的舒适性下降等问题。 图1 8 四轮毂式电机电动汽车 本文是对燃油教练车进行改装设计，通过对上述几种电动汽车结构的比较，最终选 l l 第一章绪论 取图1 2 所示的结构。这是因为：第一，作为教练车，改装后还要保持原车的驾感，能 够进行换挡练习，如果采用固定速比的结构，学员只能按照一种档位来进行练习，这样 就失去了学习驾车的意义。第二，采用这种方式的成本最低，而且改装最为方便，便于 以后推广实施。 1 4 本文的主要研究内容 据资料显示，2 0 0 7 年世界汽车保有量约9 2 亿辆，预计到2 0 1 0 年全球汽车保有量 将达到1 0 亿辆，我国将突破7 0 0 0 万辆。随着汽车保有量的稳定增加，驾车出行成为人 们日常生活出行中最常见的形式，而学习驾车也将成为一种必然趋势。学习驾车过程中， 学员所使用的车辆叫做教练车。作为一种特种车辆，现在普遍使用的教练车都是燃油汽 车，但由于学员的驾驶水平和考试场地的限制，教练车要频繁的启动和刹车，而且出于 安全考虑，教练车的车速很低，所以教练车发动机的负荷率很低，导致整车的燃油消耗 很高，同时对环境造成的污染也相当严重。对教练车进行改装设计，把教练车从燃油汽 车改装为电动汽车，既可以发挥电动汽车效率高、无污染的优点，又可以最大限度的避 免电动汽车车速低、续驶里程短的缺点，因此，电动教练车是电动汽车应用推广的一个 重要领域。 目前，我国已经有地方在使用电动教练车，而且效果不错。设计改装之前，一台教 练车一个小时的驾驶培训要花费8 元左右的油费，而设计改装之后，大约只需要1 度电 的成本。但目前使用的电动教练车仅限于倒桩考试，这是因为在教练车的车顶装有电缆 收线，不适用于路考。为了实现电动教练车的路考，需要将电缆收线去掉，使其完全由 动力电池实现供电，因此对电动教练车进行更深层次的研究是十分有必要的。 本课题的目标是将传统的桑塔纳教练车改装为电动教练车，使车辆满足教练车动力 性和续驶里程的要求，并能进行各种教练车考试项目。根据课题的要求，本文的主要研 究内容如下： ( 1 ) 介绍电动汽车用电机的类型和电动教练车用电机的要求，通过对电动教练车 性能要求的计算，选取合适的电动机进行匹配，并进行安装设计。 ( 2 ) 介绍电动汽车用动力电池的类型，并在此基础上选择本课题所用的动力电池。 通过对整车尺寸参数的测量和动力电池尺寸参数的测量，确定动力电池的布置方案。 ( 3 ) 对电动教练车的动力性和续驶里程进行理论上的分析，并运用m a t l a b 进行数 值计算。 1 2 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 介绍仿真软件a d v i s o r2 0 0 2 ，并运用a d v i s o r2 0 0 2 对电动教练车进行建模， 对电动教练车的动力性和续驶里程进行仿真分析。 对比。 ( 5 ) 对电动教练车的使用经济性进行分析，并与原燃油教练车的使用经济性进行 第二章电动教练车用电机的匹配 第二章电动教练车用电机的匹配 2 1 电动车用电机的类型 电动车用电动机种类繁多，有多种分类方法，根据有无换向器将电动机分为两大类， 有换向器电动机和无换向器电动机，如图2 1 所示。 图2 1 电动机分类 表2 1 列出了几种电动机的主要参数指标【1 1 1 。 表2 1 几种主要电动机的主要参数指标 项目直流电动机感应电动机永磁电动机开关磁阻电动机 转速范围 4 0 0 0 6 0 0 012 0 0 0 - 2 0 0 0 04 0 0 0 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 ( r m i n ) 功率密度低 中 高较高 功率冈数( ) 8 2 8 59 0 9 36 0 6 5 峰值效率( ) 8 5 8 99 4 9 59 5 9 78 5 9 0 负荷效率( 呦 8 0 8 79 0 9 28 5 9 77 8 8 6 过载能力( ) 2 0 03 0 0 5 0 03 0 03 0 0 5 0 0 恒功率区比例 l ：5l ：2 2 5l ：3 电动机质量 重中轻轻 电动机外形尺寸 大中小 小 可靠性 一般好 优良好 结构坚固性差好一般优良 控制操作性能最好好好好 控制器成本低高高一般 2 1 1 有换向器电动机 一般将有换向器的直流电动机称为直流电动机，直流电动机按照励磁方式的不同又 分为自励式和他励式两类，其中自励式电动机又分为并励式、串励式和复励式三种。自 励式电动机的励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电，而他励式电动机的励磁绕组与电枢 绕组不相连，励磁绕组由其他电源供电，永磁直流电动机就属于这一种。由于此类电动 。 1 4 长安大学硕士学位论文 机使用了换向器和电刷，使电动机的可靠性下降并且需要定期维护。但因其技术成熟和 控制简单，目前在纯电动汽车上都有应用。 永磁直流电动机用永磁体代替励磁线圈和磁极，但是保持了传统直流电动机所具有 的机械特性和良好的调速性能，还有结构简单、体积较小、功率密度和效率较高等优点。 但是永磁直流电动机仍然装有换向器和电刷，导致维护工作量加大，并使电动机的最高 转速受到一定限制。不过由于这类电动机控制简单，在小功率的电动车中仍有所应用。 2 1 2 无换向器电动机 根据结构的不同，无换向器电动机分为感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机 【1 2 】 o 1 、感应电动机 感应电动机的定子和转子是由层叠和压紧的硅钢片组成，两端采用铝盖封装，在转 子和定子之间没有相互接触的部件，定子绕组是一个对称的三相绕组。感应电动机又可 以分为绕线式和鼠笼式两种类型，其中鼠笼式感应电动机在电动汽车上的应用最为广 泛。 感应电动机具有结构简单坚固、成本低、可靠性高、转矩脉动小、噪声小、转速高、 无需位置传感器和免维护等优点，因而在电动汽车中应用很广泛。由感应电动机驱动的 电动汽车一般都采用直接转矩控制和矢量控制两种方式。其中直接转矩控制结构简单、 控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合于电动汽车，美国以及欧洲研制的电动汽 车多采用这种控制方式的电动机；感应电动机的矢量控制调速技术也非常成熟，被较早 地应用于电动汽车，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品。但是感应电动机也有一 些缺点，比如驱动电路复杂、效率和功率密度偏低等，因此有被其它新型永磁电机取代 的趋势。 2 、永磁电动机 永磁电动机是用永磁体取代电流励磁以产生气隙磁场的电动机。它具有重量轻、体 积小、效率高和运行可靠等优点，在许多情况下可以实现无刷化，因此多为小型和微型 电动汽车所采用。当然它也有一些缺点，比如：在过高温度( 对钕铁硼永磁体) 和过低 温度( 对铁氧体永磁体) 下，或者在冲击电流所产生的电枢反应作用下，或者在剧烈的 机械震动下，有可能产生不可逆的退磁，使电动机的性能下降，甚至无法使用。 永磁电动机又分为永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机和永磁混合电动机【1 3 】【1 4 1 。 第二章电动教练车用电机的匹配 永磁同步电动机的定子和传统同步电动机相同，定子绕组采用对称三相矩距、分布 绕组，定子电流为三相正弦电流，只是转子上用永磁体取代了直流励磁绕组和主磁极。 与传统的同步电动机相比，采用永磁体既简化了电动机的结构，缩小了体积，实现了无 刷化，提高了可靠性，又节约了铜的损耗，提高了电动机的效率。这使得永磁同步电动 机在电动汽车的驱动电机中占据了重要地位，发展前景极为广阔，并在国内外多种电动 汽车中获得应用。 永磁无刷直流电动机是将永磁直流电动机的定、转子对调，即在直流电动机的转子 上装置永久磁铁，定子上装设三相绕组，转子上不再用电刷和换向器为转子输入励磁电 流。永磁无刷直流电动机在工作时，直接将方波电流输入定子中，控制电动机运转。永 磁无刷直流电动机的优点如下： ( 1 ) 永磁无刷直流电动机没有电刷、而是利用电子换相，这样就克服了任何由电 刷引起的问题。 ( 2 ) 永磁体安装在转子上