万向四轮驱动电动车设计说明书,内附项目开发合同

电动汽车课程设计 本科电动汽车课程设计（方案说明书）(2008级)题 目： 万向四轮驱动电动车的设计 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 2011年6月25日 万向四轮驱动电动车的设计摘 要：近年来，纯电动汽车的研究开发越来越走向成熟，纯电动汽车大有取代普通内燃机汽车的潜力。轮毂电机驱动的纯电动汽车是电动汽车的研究热点,其省去了传统的传动机构,使汽车实现转弯半径为零的原地转向成为可能。文中提出了万向四轮驱动电动车的整体设计方案,并将详细介绍电动汽车实现万向转动的设计方案。关键词：纯电动汽车；轮毂电机；原地转向；设计方案Design of ZRT 4WD-EVAbstract ： In recent years, great success has been achieved in the research and development of PEV, which shows that pure electric vehicles have great potential to replace ICEV.PEV driven by hub motors is a hot study, which gets rid of the traditional transmission mechanism, making zero radius turning(ZRT) possible. The thesis puts forward the whole design scheme for 4WD-EV and details involved. Keywords：EV；Hub Motors；ZRT；design scheme目录题 目： 万向四轮驱动电动车的设计11 引言52 纯电动汽车动力系统的研究分析62.1 纯电动汽车动力系统的相关特性与要求62.2 电动机的比较与选择62.3 纯电动汽车的轮毂式驱动系统的初步分析与计算82.3.1 轮毂式电动汽车发展现状82.3.2 电动轮汽车结构分析92.3.3 轮毂式电动汽车关键技术102.3.4 电机选用方案113 转向差速控制研究123.1 电子差速控制模型分析123.2 改进的电子差速控制方案123.3 对驱动电机的转矩控制134 纯电动汽车蓄电池的选用145 zclq-1电动汽车设计性能参数的计算166 部分总成图示及整体效果图227 轮毂电机电动汽车原地转向的研究与设计247.1 汽车原地转向的可行性分析：247.2258 结论259 致谢26参考文献27附录28项目设计合同书28各总成中英文词汇对照（部分）30评价与个人工作总结31项目设计小组讨论会会议记录及项目进度报告一览33参考车smart参数一览431 引言汽车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生石油资源的依赖。 在能源方面，目前世界汽车保有量约8亿辆，并以每年3000万辆的速度递增，预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆，主要增幅来自发展中国家。我国汽车产销保持快速增长，2007年汽车产量接近900万辆。作为能源消费大国，我国形势更为严峻， 2007年中国原油消费总量约为3.5亿吨，其中净进口原油1.6亿吨，占原油消费总量的45.7，能源大量进口危及到国民经济正常运行和国家能源安全。 汽车数量增加、石油需求增加。在环境方面，交通能源消耗也是造成局部环境污染和全球温室气体排放的主要原因之一。调查研究表明，平均而言大气污染的42%来源于交通运输。据有关部门2002年统计，在全国600多座城市中，空气质量达到国家一级标准的城市不足1。 汽车环境污染严重。经过多年讨论和探索，国内外对于汽车工业未来发展比较一致的看法是：21世纪是一个面临能源和环境巨大挑战的世纪，传统燃油汽车将向高效低排放的电动汽车方向发展。纯电动汽车听起来好像未来世界的产品，其实早在1837年，苏格兰人就发明了纯电动汽车。当然，那时候电动汽车的性能不能与现在的同日而语。从那以后，研究纯电动汽车的热潮就此起彼伏。曾经有段时间，纯电动汽车技术上停滞不前，大家对电动汽车失去信心，通用及福特就关闭纯电动汽车的工厂。电动汽车的命运是和能源危机相反相成的，能源危机越严重，大家研究电动汽车的动力越强。目前日益高涨的油价，又激起了汽车厂家研究纯电动汽车的激情。 纯电动汽车其实是个能下金蛋的母鸡，它不仅对电池技术起到促进作用，还带动其他一些新技术的发展，比如电机系统、驱动系统、能源管理系统等等。 电动车辆的驱动电机属于特种电机，是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速，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，直流电动机基本上已被交流电动机、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。 除了单电机驱动电动汽车外，电动汽车可以实现四轮驱动，它为每个轮都分配轮毂电机。四轮驱动的电动汽车可省略内燃机汽车所需的机械式操纵换挡装置、离合器、自动变速器、传动轴和机械差速器等,因而其驱动系统和整车结构布置十分简洁,传动效率高。由此，四轮轮毂电机驱动电动汽车，为汽车原地转向提供了基础，原地转向将成为现实，在拥挤的交通道路状况下，为人们提供更为灵活的交通工具。2 纯电动汽车动力系统的研究分析2.1 纯电动汽车动力系统的相关特性与要求电动汽车的驱动电动机通常要能够频繁的启动停车、加速减速，低速或爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大而工业驱动电机通常优化在额定的工作点。因此，电动汽车驱动电动机比较独特，应单独归为一类。它们在负载要求、技术性能以及工作环境等方面的主要区别归纳如下: 电动汽车驱动电动机需要有一倍的过载转矩以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求而工业驱动电动机只要求有倍的过载转矩 电动汽车驱动电动机的最高转速要求达到在公路上巡航时基速的一倍。工业驱动电动机只要求达到恒功率时基速的倍 电动汽车驱动电动机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计而工业驱动电动机通常只根据典型的工作模式进行设计即可. 电动汽车驱动电动机要求有高的功率密度和好的效率图在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率，从而能够降低能量消耗，延长继驶里程。而工业驱动电动机通常对功率密度、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。 为使多电动机协调运行，要求电动汽车驱动电动机可控性高、稳态精度高、动态性能好而工业驱动电动机只有某一种特定的性能要求。 电动汽车驱动电动机往往被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气及频繁震动等恶劣的工作条件下而工业驱动电动机通常在某个固定的位置工作。2.2 电动机的比较与选择 目前，可用于电驱动系统的主要有直流电机系统、感应电机系统、无刷直流电机系统、永磁同步电机系统、开关磁阻电机系统。（1）直流电机驱动系统由于直流电动机励磁绕组的磁场与电枢绕组的磁场是垂直分布的，因而其控制原理非常简单。通过用永磁材料代替直流电动机的励磁绕组，由于有效地利用了径向空间，从而可使电动机的定子直径大大减小。由于永磁材料的磁导率较小，因而电枢反应减小，互感增加。但是直流电动机的主要问题是，由于有换向器和电刷，这使得它的可靠性降低，且需要定期维护。不过，由于技术成熟和控制简单，直流电动机一直在电驱动领域有着突出的地位。实际上，串励、并励、他励和永磁等各种直流电动机目前在电动汽车上都有应用。（2） 异步电机驱动系统由于感应电动机低成本、高可靠性及免维护等特性，因而在电动汽车驱动电动机领域里，它是应用很广的一种无换向器电动机。但传统的变频变压控制技术等，不能使感应电动机满足所要求的驱动性能。主要原因在于它的动态模型的非线性。随着微机时代的到来，采用矢量控制法控制感应电动机可以克服由于其非线性带来的控制难度。矢量控制也称为解祸控制。不过，采用矢量控制的电动汽车感应电动机在轻载及有限的恒功率工作区域运行时效率较低。异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高。异步电机矢量控制技术调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动汽车的驱动系统。目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品尤其在美国，但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。最大缺点是驱动电路复杂，成本高相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。（3） 永磁同步电机驱动系统永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者，己在国内外多种电动车辆中获得应用。用永磁材料代替传统同步电动机的励磁绕组，永磁同步电动机就能去掉传统的电刷、滑环以及励磁绕组的铜损。永磁同步电动机由于采用正弦交流电及无刷结构，也被称为永磁无刷交流电动机或正弦永磁无刷电动机。由于这种电动机实质上是同步电动机，它们不经电磁转换就可以通过正弦交流电或脉宽调制方式使其运行。当永磁体嵌在转子表面时，由于永磁材料的磁导率与空气相似，因而这种电动机的运行特性与非凸极同步电动机一样。如果把永磁体埋入转子的磁路中，凸极就会产生附加的磁阻转矩，从而使电动机的恒功率区域有更宽的转速范围。如果有意利用转子的凸极，而去掉励磁绕组或永磁体，就可得到同步磁阻电动机，其结果简单，成本低廉，但输出功率相对较低。和感应电动机一样，永磁同步电动机通常也采用矢量控制方法以满足电动汽车电动机驱动的高性能要求。由于其本身的高能量密度与高效率，它在电动汽车的应用领域与感应电动机相比有较大的竞争优势。（4） 无刷直流电机驱动系统通过改变永磁直流电动机定子和转子的位置，就可得到永磁无刷直流电动机。“直流”并不指直流电动机，实际上，这种电动机采用交流方波供电，因此也称为永磁无刷方波电动机。这种电动机最明显的好处是去掉了电刷，从而也排除了由电刷引起的许多问题另一个优点是能产生较大的转矩，因为它的方波电流和磁场是垂直的。而且，这种无刷结构使电枢绕组具有更代表性的区域。由于通过整个结构的热传导有了改善，电负荷的增加可产生更高的功率密度。与永磁同步电动机不同的是，这种永磁无刷直流电动机通常装有转轴位置传感器。（5） 开关磁阻电机驱动系统开关磁阻电机基本上是由可变磁阻步进电动机直接衍生而来。开关磁阻电动机具有结构简单，制造成本低廉，转矩转速特性好等优点，适合于电动汽车驱动。虽然它的结构简单，但决不意味着其设计和控制也简单。由于其磁极端部的严重磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，使其设计和控制非常困难和精细。而且，经常引起噪声问题。（6） 永磁混合电动机驱动系统永磁混合电动机包括永磁和磁阻混合、永磁和磁滞混合以及永磁和励磁绕组混合。第一种，把永磁体嵌入转子的磁回路中，永磁同步电动机同时产生永磁转矩和同步磁阻转矩。另外，如果把永磁体和开关磁阻结构结合起来，就产生了另一种永磁和磁阻混合的电动机，这就是所谓的双凸极永磁电动机。第二种，综合利用永磁转矩和磁滞转矩的新型永磁混合电动机，它把永磁体嵌入磁滞环内表面的槽中，这种磁滞混合电动机具有启动转矩高，运行平稳且安静等独特优点，适用于电动汽车。第三种，把永磁体置于转子内，直流励磁绕组放在内定子上，通过控制励磁电流的大小和方向，很容易调节电动机的气隙磁通，这样，就容易得到满足电动汽车驱动要求的转矩转速特性。综合考虑，根据以上几种电机驱动系统的介绍，结合电动汽车驱动电机的要求，可以看到，永磁同步电机由于其不需经电磁转换便可以通过正弦交流电或脉宽调制方式使其运行，控制相对感应电机简单，而且有附加磁阻转矩，恒功率区调速范围更宽。适用于感应电机的先进控制技术也同样适用于永磁同步电机。在车体有限的空间里，永磁电机可以做到较高的功率密度且结构简单，工作稳定。加上我国永磁材料丰富，己开发出高剩磁密度和高矫顽力的永磁材料应用于电机。所以，本次设计采用永磁同步电机作为纯动力汽车驱动电机。2.3 纯电动汽车的轮毂式驱动系统的初步分析与计算2.3.1 轮毂式电动汽车发展现状轮毂式电动汽车是一种新兴的驱动式电动汽车，有两种基本形式，即直接驱动式电动轮和带轮边减速器电动轮。它直接将电机安装在车轮轮毂中，省略了传统的离合器、变速器、主减速器及差速器等部件，简化了整车结构，提高了传动效率，并且能通过控制技术实现对电动轮的电子差速控制。电动轮将成为未来电动汽车的发展方向。目前国际上对轮毂式电动汽车的研究主要以日本为主。日本庆应义塾大学的电动汽车研究小组已试制了5种不同形式的样车。其中，1991年与东京电力公司共同开发的4座电动汽车IZA，采用Ni-Cd电池为动力源，以4个额定功率为6.8kW、峰值功率达到25kW的外转子式永磁同步轮毂电机驱动，最高速度可达176km/h。1996年，该小组联合日本国家环境研究所研制了电动轮驱动系统的后轮驱动电动汽车ECO，该车的电动轮驱动系统选用永磁直流无刷电动机，额定功率为6.8kW，峰值功率为20kW，并配以行星齿轮减速机，该电动轮采用机械制动与电机再生制动相结合的方式。2001年，该小组又推出了以锂电池为动力源，采用8个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动轿车KAZ。该车安装了8个车轮，大大增加了该车的动力，从而使该车的最高速度达到311 km/h。KAZ的电动轮系统中采用高转速、高性能内转子型电动机，其峰值功率可达55 kW，提高了KAZ轿车的极限加速能力，使其0100km/h加速时间达到8s。为了使电动机输出转速符合车轮的实际转速要求，KAZ电动轮系统匹配行星齿轮减速机构。KAZ前轮采用盘式制动器，后轮采用鼓式制动器。2003年日本丰田汽车公司在东京车展上推出的燃料电池概念车FINE-N也采用了电动轮驱动技术。美国通用汽车公司2001年试制的全新线控4轮驱动燃料电池概念车Autonomy也采用电动轮驱动型式，电动轮驱动系统灵活的控制与布置方式，使该车能更好地实现线控技术。国内对电动轮驱动方式的研究也取得了一些进展。同济大学研制的“春晖”系列燃料电池概念车采用了4个直流无刷轮毂电机独立驱动的电动轮模块。比亚迪于2004年在北京车展上展出的ET概念车也采用了电动汽车最新驱动方式：4个轮边电机独立驱动模式。中国科学院北京三环通用电气公司研制的电动轿车用直流无刷轮毂电机，又称电动车轮。单个电动车轮功率为7.5 kW，电压264 V，双后轮直接驱动。中船总公司724研究所的4轮电动汽车，其电动机性能指标为：额定功率3 kW，额定转速3000r/min，额定电压为110 V。2.3.2 电动轮汽车结构分析电动轮式电驱动系统有直接驱动式电动轮和带轮边减速器电动轮两种基本形式。这取决于是采用低速外转子还是高速内转子电动机。直接驱动式电动汽车采用低速外转子电动机，电动轮与车轮组成一个完整部件总成，采用电子差速方式，电机布置在车轮内部，直接驱动车轮带动汽车行驶。其主要优点是电机体积小、质量轻和成本低，系统传动效率高，结构紧凑，既有利于整车结构布置和车身设计，也便于改型设计。这种电动轮直接将外转子安装在车轮的轮辋上驱动车轮转动。然而电动汽车在起步时需要较大的转矩，也就是说安装在直接驱动型电动轮中的电动机必须能在低速时提供大转矩。为了使汽车能够有较好的动力性，电动机还必须具有很宽的转矩和转速调节范围。由于电机工作产生一定的冲击和振动，要求车轮轮辋和车轮支承必须坚固、可靠，同时由于非簧载质量大，要保证车辆的舒适性，要求对悬架系统弹性元件和阻尼元件进行优化设计，电机输出转矩和功率也受到车轮尺寸的限制，系统成本高。带轮边减速器电动轮电驱动系统采用高速内转子电动机，适合现代高性能电动汽车的运行要求。它起源于矿用车的传统电动轮，属于减速驱动类型，这种电动轮允许电动机在高速下运行，通常电动机的最高转速设计在400020000 r/min，其目的是为了能够获得较高的比功率，而对电动机的其它性能没有特殊要求，可以采用普通的内转子高速电动机。减速机构布置在电动机和车轮之间，起到减速和增矩的作用，从而保证电动汽车在低速时能够获得足够大的转矩。电机输出轴通过减速机构与车轮驱动轴连接，使电机轴承不直接承受车轮与路面的载荷作用，改善了轴承的工作条件；采用固定速比行星齿轮减速器，使系统具有较大的调速范围和输出转矩，充分发挥驱动电机的调速特性，消除了电机输出转矩和功率受到车轮尺寸的影响。设计中主要考虑解决齿轮的工作噪声和润滑问题，其非簧载质量也比直接驱动式电动轮电驱动系统的大，对电机及系统内部的结构方案设计要求更高。图2-1为轮边减速器型电动轮示意图。图2-1 轮边减速器型电动轮示意图2.3.3 轮毂式电动汽车关键技术（1） 轮毂电机及其控制技术目前电动轮所用的低速外转子电动机和高速内转子电动机都是径向磁通永磁轮式电机。高速内转子电机的结构与传统的永磁同步电机或无刷直流电机基本相同。电机的最高转速主要受线圈和摩擦损耗以及变速机构承受能力等因素的限制。外转子轮式永磁电机作为电动汽车直接驱动的执行器，电机采用表面安装NdPeB磁钢的外转子定子多极少槽结构。外转子结构在车轮直径固定的约束条件下，使电枢直径增加，提高了电机能力；同时，外转子结构使电机散热条件恶化，对长时间过载能力有一定影响。定子采用多极少槽结构，减小体积、简化结构，有利于产生所需的电势谐波以提高力能指标。永磁转子位置传感器采用磁阻式多极旋转变压器，与电机本体一体化安装，结构紧凑。电机驱动采用轴角变换技术，使用轴角变换芯片将旋转输出信号变换为数字位置信号，供相电流指令合成电路产生各相的电流指令；相电流指令与电流负反馈信号经电流调节器(CR)处理，控制SPWM型逆变功率电路，驱动电机运行。轮毂式电动汽车一般有2个或4个轮边电机，对多个电机实行协调控制。实现电动汽车驱动的关键技术是驱动电机的运行控制，其中包括车辆行驶的稳定性控制、转向差速控制、系统动力性能优化和节能控制等。在稳定性控制中，以牵引控制为主要研究方向，系统的综合节能策略在电池技术没有足够进步之前，也相当重要。为了更好地对车辆进行研究和优化设计，留意电动汽车的有效数学模型和快速有效的系统运行控制算法。（2） 能源及能量管理系统电池是电动汽车的动力源泉，也是制约电动汽车发展的关键因素。由于电动汽车的车载能量有限，其行驶里程远远达不到燃油车的水平，能量管理系统的目的就是最大限度地利用有限的车载能量，增加行驶里程。智能能量管理系统采集从各个子系统输入的传感器信息，这些传感器包括车内外气温传感器、充放电时电源电流和电压传感器、电动机电流和电压传感器、速度和加速度传感器以及车外环境和气候传感器等。能量管理系统能实现以下基本功能：优化系统的能量分配；预测电动汽车电源的剩余能量和继续行驶里程；提供最佳的驾驶模式；再生制动时合理地调整再生能量；自动调整温度控制方式。智能管理系统如同电动汽车的大脑，同时具有功能多、灵活性好、适应性强的特点。2.3.4 电机选用方案与传统电动汽车相比，轮毂式电动汽车的整车结构、传动效率、动力性能、续驶里程等都有非常明显的优势，是未来电动汽车的发展方向。综合考虑，我们决定以轮毂式带轮边减速器电动轮作为驱动系统。其中以苏州“星恒”电源有限公司生产的锂离子电池锂为动力源，采用四个额定功率为6.8kw轮毂电机驱动系统选用永磁同步电动机，额定功率为6.8kw，峰值功率为20kw，使电动机输出转速符合车轮的实际转速要求，并配速比为1:4.588的行星齿轮减速机构,最高时速达到150km/h。KAZ的轮毂电机系统中采用高转速的高性能内转子型电动机，其0-100km/h加速时间仅16秒。KAZ的前后轮没有采用相同型式的制动器，而是前轮采用盘式制动器，后轮采用鼓式制动器。轮毂电机采用机械制动与电机再生制动相结合的方式，机械制动力矩由鼓式制动器提供，制动力分配规律的基本原则是不损害制动效能的前提下，尽可能多的回收制动能量，有效延长了续驶里程。图2-2为KAZ的前、后轮毂电机系统的结构图。图2-2 KAZ的前、后轮毂电机系统的结构图3 转向差速控制研究轮边驱动系统没有传统的减速机构和机械式差速器，因而在转向时需考虑对两个轮边电机的转速和转矩进行重新分配来实现差速控制，从而减少汽车转向时轮胎的磨损和滑移，提高汽车行驶稳定性。3.1 电子差速控制模型分析在车辆低速转弯时，通常采用模型分析车辆的转向差速控制。该模型有如下几个假设条件：(1)车体刚性；(2)车轮纯滚动，即不考虑已发生滑移、滑转和轮胎离开地面的运行状态；(3)轮胎侧向变形与侧向力成正比，即不考虑轮胎材质与结构上的非线性和因垂直载荷不同造成的轮胎侧向弹性为控制目标，以驱动轮转矩为控制变量，在保证汽车操纵稳定性和平顺性的前提系数的变化。3.2 改进的电子差速控制方案改进后的电子差速控制方案在控制车轮转速的基础上以车轮滑移率下，当汽车直线行驶时，平均分配两驱动轮的转速和转矩；在汽车转向时，对两侧车轮输入不同转速和转矩，使两驱动轮的滑移率最低，确保行驶安全性。（1） 转向时离心力对载荷的影响在汽车转向时，离心力产生的侧翻力矩对驱动轮垂直载荷影响较大。沿平直道路行驶的汽车可认为两后轮垂直载荷相同。如下式：b为质心到后轮的距离，m为汽车质量。转弯时离心力产生的侧翻力矩为： Mx=FaH （2）H为汽车质心到地面的高度转弯时后轮的载荷为：v为汽车速度对的车体和30的转弯状况，可以由代替，且误差小于5%。由此可得驱动轮内外侧的载荷比：3.3 对驱动电机的转矩控制控制踏板输入相当于转矩控制指令，采用线性调节负反馈的电流控制，从图2控制框图得出输出特性，如式(8)所示。图3-1 转矩控制图式中：R为电机相电阻，Kt为转矩系数，Kc为电动势系数。 转弯行驶时内外侧轮的转矩差及内外侧轮实际所需转矩分别为：4 纯电动汽车蓄电池的选用当前研究开发的电动汽车动力电池主要包括铅酸电池、镍金属电池、锂离子蓄电池、高温钠电池、金属空气电池、超级电容、飞轮电池以及具有更好发展远景的燃料电池和太阳能电池。（1） 铅酸电池：铅酸电池已有多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源，它也是成熟的电动汽车蓄电池。铅酸电池正负电极分别为二氧化铅和铅，电解液为硫酸。铅酸电池又可以分为两类，即注水式铅酸电池和阀控式铅酸电池。前者价廉，但需要经常维护，补充电解液；后者通过安全控制阀自动调节密封电池体内在充电或工作异常时产生的多余气体，免维护，更符合电动汽车的要求。总体上说，铅酸电池具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。由于铅酸电池的技术比较成熟，经过进一步改进后的铅酸电池仍将是近期电动汽车的主要电源，正在开发的电动汽车用先进铅酸电池主要有以下几种：水平铅酸电池、双极密封铅酸电池、卷式电极铅酸电池等。（2） 镍金属电池:目前在电动汽车上使用的镍金属电池主要有镉镍电池和氢镍电池两种。镉镍电池和铅酸电池相比，能够达到比能量55Wh/kg，比功率200W/kg，循环寿命2000次，而且可以快速充电，虽说其价格为铅酸蓄电池的45倍，但由于其在比能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。但由于其含有重金属镉，在使用中不注意回收的话，就会形成环境污染，目前许多发达国家都已限制发展和使用镉镍电池。而氢镍电池则是一种绿色镍金属电池，它的正负极分别为镍氢氧化物和储氢合金材料，不存在重金属污染问题，且其在工作过程中不会出现电解液增减现象，电池可以实现密封设计。镍氢电池在比能量、比功率及循环寿命等方面都比镉镍电池有所提高，使用氢镍电池的电动汽车一次充电后的续驶里程曾经达到过600公里，目前在欧美已实现了批量生产和使用。氢镍电池就其工作原理和特点是适合电动汽车使用的，它已被列为近期和中期电动汽车用首选动力电池，但其还存在价格太高，均匀性较差（特别是在高速率、深放电下电池之间的容量和电压差较大），自放电率较高，性能水平和现实要求还有差距等问题，这些问题都影响着氢镍电池在电动汽车上的广泛使用。（3） 锂离子蓄电池：锂离子蓄电池是90年代发展起来的高容量可充电电池，能够比氢镍电池存储更多的能量，比能量大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应和环境污染，是当今各国能量存储技术研究的热点，主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面的研究。锂离子蓄电池中，锂离子在正负极材料晶格中可以自由扩散，当电池充电时，锂离子从正极中脱出，嵌入到负极中，反之为放电状态，即在电池充放电循环过程中，借助于电解液，锂离子在电池的两极间往复运动以传递电能。锂离子蓄电池的电极为锂金属氧化物和储锂碳材料，根据电解质的不同，锂离子蓄电池一般可分为锂离子电池和锂聚合物电池两种。（4） 锌空气电池（Zinc-air）：锌空气电池是一种机械更换离车充电方式的高能电池，正极为Zinc，负极为Carbon（吸收空气中的氧气），电解液为KOH。锌空气电池具有高比能量（200Wh/kg），免维护、耐恶劣工作环境，清洁安全可靠等优点，但是其具有比功率较小（90W/kg），不能存储再生制动的能量，寿命较短，不能输出大电流及难以充电等缺点。一般为了弥补它的不足，使用锌空气电池的电动汽车还会装有其它电池（如镍镉蓄电池）以帮助起动和加速。（5） 高温钠电池：高温钠电池主要包括钠氯化镍电池（NaNiCl2）和钠硫蓄电池两种。钠氯化镍电池是1978年发明的，其正极是固态NiCl2，负极为液态Na，电解质为固态-Al2O2陶瓷，充放电时钠离子通过陶瓷电解质在正负电极之间漂移。钠氯化镍电池是一种新型高能电池，它具有比能量高（超过100Wh/kg），无自放电效应，耐过充、过放电，可快速充电，安全可靠等优点，但是其工作温度高（250-350），而且内阻与工作温度、电流和充电状态有关，因此需要有加热和冷却管理系统。而钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车蓄电池，它已被美国先进电池联合体(USABC)列为中期发展的电动汽车蓄电池，钠硫蓄电池具有高的比能量，但它的峰值功率较低，而且这种电池的工作温度近似300，熔融的钠和硫有潜在的毒性，腐蚀也限制了电池的可靠性和寿命。电动汽车用动力蓄电池与一般启动蓄电池不同，它是以较长时间的中等电流持续放电为主，间或以大电流放电（起动、加速时），并以深循环使用为主。电动汽车对电池的基本要求可以归纳为以下几点：1、高能量密度；2、高功率密度；3、较长的循环寿命；4、较好的充放电性能；5、电池一致性好；6、价格较低；7、使用维护方便等。综合经济性、性能、可靠性等因素考虑：锂离子电池是高容量可充电电池，具有比能量大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应和环境污染等优点，并且安全性好。所以选用锂离子电池。天津电源研究所生产的方形锂离子电池：表4-1天津电源研究所生产的方形锂离子电池参数表项目单位35Ah100个串联项目单位35Ah100个串联平均电压V3.6360充放电寿命次200200额定电容Ah3535质量Kg1.16116比能量Whkg110108.62体积L0.5252能量密度WhL240240自放电率月1010比功率Wkg2202205 zclq-1电动汽车设计性能参数的计算表5-1 zclq-1主要性能参数一览表参数选择及计算过程如下：1、轮胎初选参选原型smart fortwo 2011款 1.0 MHD 硬顶标准版整备质量750kg，座位数*2，即设计zclq-1单个轮胎平均承受能力237.5kg据GB/T 2978-2008选用轮胎规格参数如下：表5-2 轮胎175/50 R13参数表2、传动比由前面设计方案（四）有选用轮毂电机为轮边减速器式，其传动比为1：4.588效率为96.2%3、续驶里程电池组能量=额定容量额定电压=35A比能量=50匀速行驶的续驶里程：（良好干燥路面情况下）滚动阻力系数f=0.01滚动阻力：空气阻力：（为空气阻力系数取0.3，A为迎风面积）总驱动力设续驶里程为s上式：蓄电池组的总能量12.6传动系统总效率设为0.92电动机及其控制器效率0.96蓄电池平均放电效率0.954、制动距离：干燥良好路面上 5、爬坡能力发动机扭矩N1： 车重量G： 950kg(自重+2个乘员)1档传动比Xc： 4.588:1 轮胎直径D： 0.506 (轮胎175/50 R13)变速箱效率p1： 96%变速箱到前轮的效率p2：95% (前驱)滚动摩擦p0： 0.011）、变速箱输出轴的扭矩2）、前轮的扭矩 3）、前轮的牵引力结果：在1档的条件下前轮的牵引力 =152.5kg行驶阻力（不考虑风阻）：1、平路阻力：最大爬坡度：最大爬坡度汽车最大爬坡度的单位是“%”，而非一般人想像的“”！大多数的车最大爬坡度是30%（把斜坡看成一个三角形，两个直角边之比），换算成角度大约是16.7！6、迎风面积的计算（使用smart的尺寸计算）迎风面积就是指汽车从前向后看主视图的面积。长度L1: 2695mm高H1：1559mm宽L2：1542mm迎风面积SSH1L21559154224039787、风阻系数风阻系数是通过风洞实验和下滑实验所确定的一个数学参数，用它可以计算出汽车在行驶时的空气阻力。风阻系数正面风阻力2(空气密度x车头正面投影面积x车速平方)。一辆车的风阻系数是固定的，根据风阻系数即可算出车辆在各种速度下所受的阻力。一般来讲，我们在马路上看到的大多数轿车的风阻系数在0.280.4间，流线性较好的汽车如跑车等，其风阻系数可达到0.25左右，一些赛车可达到0.15左右。8、滚动阻力系数滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需之推力与车轮负荷之比。滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关。表5-3 滚动阻力系数一览表路面类型滚动阻力系数路面类型滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面0.010-0.018泥泞土路（雨季或解冻期）0.100-0.250一般的沥青或混凝土路面0.018-0.020干砂0.100-0.300碎石路面0.020-0.025湿砂0.060-0.150良好的卵石路面0.025-0.030结冰路面0.015-0.030坑洼的卵石路面0.035-0.050压紧的雪道0.030-0.050压紧土路干燥的0.025-0.035雨后的0.050-0.150估算车轮胎在良好的路面上的滚动阻力系数为汽车的行驶速度式中系数的数值如下：表5-4 数值表SRHRSR-M+Sf0f1f40.0072-0.0120以上0.00025-0.002800.00065-0.002以上0.0081-0.00980.0012-0.00250.0002-0.00040.0085-0.01200.0025-0.00340.0005-0.0010SR级（允许最高车速为180km/h）HR级（允许最高车速为210km/h）SR-M+S（用于泥浆和积雪覆盖路面）9、传动系统总效率96%表5-5 传动系各部件的传动效率表部件名称单级减速主减速器96%双级减速主减速器92%旋转质量换算系数=1.29过载系数：2电机额定功率： 额定转速=1100r/min 最高转速 1600r/min电机效率：85% 电机加速性能：0100km/h 16s车轮滚动半径 10、车速计算巡航车速：最高车速：11、理论计算百公里加速时间最大扭矩100Nm（1600转）轮胎直径0.246m r=0.2461档时 减速比主减速比1档减速比14.5884.588 扭矩1004.588458.8 驱动力F扭矩/r=458.8/0.246=1865牛顿, 车质量750千克加上驾驶员质量假设136千克886千克 由Fma 得aF/m1865/8862.1 在1600转时1档最大速度148.38/4.588=32.34km/h，换算为v=8.98m/s 由v=at 得tv/a=8.98/2.1=4.2s 2档时 减速比主减速比2档减速比11=1 扭矩1001100 驱动力F扭矩/r=100/0.246=406.5牛顿 aF/m406.5/8860.46 在1600转时2档加速到50km/m，换算为v=13.89m/s由v=at 得tv/a=(13.89-8.98)/0.46=10.7s在1600转时2档加速到100km/m，所以取用100km/m换算为v=27.7m/s由v=at 得tv/a=(27.7-8.98)/0.46=40.7s2010-4-21 00:05达到50km/h所需时间4.2 +10.7=14.9秒达到100km/h所需时间4.2 +40.7 =44.9秒6 部分总成图示及整体效果图（1） 底盘总布置示意图图6-1 底盘总布置示意图（1-轮胎 2-电动机 3-前轴 4-电池组 5-后轴）（2） 整车外观效果图图6-2 整车外观效果图7 轮毂电机电动汽车原地转向的研究与设计7.1 汽车原地转向的可行性分析：新车型的研发是一个非常复杂的系统工程，以至于它需要几百号人花费上3、4年左右的时间才能完成。本文综合项目条件及内容仅对项目汽车原地转向技术实现可行性进行论证。项目背景：在汽车行业已经固化的情况下进行创新改革自主开发的迫切性：21世纪，社会进入了信息时代，知识经济和网络经济迅猛发展，技术创新对企业和国家的发展越来越重要；入世在即，世界各大汽车企业加快了进入中国市场的步伐，包括信息技术在内的各种新技术都在汽车上得到采用，但是汽车的转向还是和以前一样没有太大的改变，所以我们想对汽车的转向问题进行深入的研究探讨并对结果进行生产。自主开发的可能性：万向转动汽车的设计主要难题就在于如何实现汽车的万向转动所以我们就这个问题进入了深入的研究；1、 实现万向转动的目的一直以来，有车族饱受交通拥堵和停车位稀缺的折磨。现在，我们设计出的一款万向转动电动车或许可以完美地解决这个问题。我们这款电动车是属于迷你型的小型汽车，它的车身长度不长，在空间较小的地方可以依靠原地转向来调整方向，这个很好的解决了交通拥堵和停车位稀缺的问题2、 实现万向转动的方法 要想实现万向转动就要对四个车轮在转弯时进行控制，所以只需要左右和前后车轮的旋转方向相反，再配合四个车轮各个配有的轮毂电机的带动就可以实现360度原地转向，这个要有开关来控制万向模式和普通模式。图7-1 汽车原地转向图示3、 实现万向转动的技术难题 针对如何实现万向转动我们进行了探探讨，现在主要的技术难题就是如何来实现左右两车轮和前后两车轮的反方向转动，和如何来控制万向模式和普通模式。 普通模式就是采用常规的方法来进行控制，前轮为转向轮，四轮驱动 万向模式则是由开关控制，首先是轮毂电机的控制，当开关闭合进入万向模式时左前(右前)和左后（右后）轮毂电机反转另外两个轮毂电机正常工作， 通过右前（左前）和右后（左后）轮毂电机驱动车辆实现了汽车的360度的转弯。7.2 8 结论本次纯电动汽车的设计历时三个半月，对我们初步掌握专业知识的团队而言，设计的难度不可谓不大，从开始的无从下手，到一步步的根据老师指导地搜集资料，小组成员集中探讨、分析、计算、选定方案、以及确定验算，在付出艰辛的汗水之后，我们完成了对电机，电池，动力传动模型，整车布置的设计方案，并对轮毂电机式纯电动汽车的原地转向作单独的分析论证，提出了一套可行的较为完善的方案。虽然本次设计总体并不完善，缺乏对部分系统的匹配和效率以及经济性、设计工艺的分析，对知识的运用和衔接不够熟练，但是通过这次设计，系统锻炼了我们动手动脑，查找收集和筛选资料，合作设计项目的能力。同时，也加深了我们对电动汽车乃至汽车设计的主要流程的理解，强化理论知识并构成体系，获益匪浅。本次设计集结了小组四位同学的成果，对初步设计的我们，一定存在很多不足，敬请各位老师批评指正。9 致谢本文是在xx教授的悉心指导下完成的，在电动汽车设计过程中，从设计流程到方案的疑惑钟勇教授均给予了帮助和指导，在此，谨向尊敬的导师致以崇高的敬意和衷心的感谢。本文的完成还得到了xx老师的帮助，在问题的探讨与处理中他的真知灼见让我受益匪浅，在此表示由衷的感谢。另外，也非常感谢我的朋友，在中英文概要中提出了宝贵的修改意见。参考文献1 王望予.汽车设计M.第四版.北京：机械工业出版社，2004.174-255.2 胡骅/宋慧.电动汽车M.第二版.北京：人民交通出版社，2006.81-213.3 余志生.汽车理论M.第五版.北京：机械工业出版社，2009.75-86.4 陈家瑞.汽车构造下册M.第三版.北京：机械工业出版社，2009.158-365.5 胡骅.电动汽车的设计思路J.世界汽车，1997：24-25.6 苏文瑾/陶元芳.电动汽车动力装置的设计J.机械工程与自动化，2010.12.6：194-198.7 科技管理部.电动汽车的最新技术（日本专刊）EB/OL.国外汽车行业动态.第五期.2010.1.8 康龙云.电动汽车最新技术M.北京：机械工业出版社，2008.7-197.9 王玲珑/黄妙华.轮毂式电动汽车驱动系统的研究与开发J.汽车电器2007.3：7-10.10 张杰/何小明.360四轮转向电动小汽车的设计A.公路与汽运.2007.1:1-4.11 卓桂荣/余卓平/陈辛波.原地转向电动汽车参数化模型的建立J.计算机集成系统.2005.5:664-668.12 卓桂荣/陈辛波/余卓平/万钢.全方位线控四轮转向电动汽车设计J.机械设计.2005.5:29-32.13 王智晶/周波.电动四轮转向汽车电子差速问题研究A.北京汽车.2010.No.3:11-14.14 冉恒奎.微型电动汽车用轮边减速器的设计与研究D.上海：同济大学机械工程学院.2008.15 余卓平/姜炜/张立军.四轮轮毂电机驱动电动汽车扭矩分配控制J.同济大学学报（自然科学版），2008.08：1115-1119.16 CB/T 2978-2008,轿车轮胎规格、尺寸、气压与负荷S.17 屈新田/王国业/刘芃.汽车电子差速系统（EDS）控制算法研究A.拖拉机与农用运输车.2009：64-66附录项目设计合同书甲方：福建工程学院车辆工程实验室乙方：zc设计有限公司依据中华人民共和国合同法和有关法规的规定，乙方接受甲方的委托，就委托设计事项，双方经协商一致，签订本合同，信守执行！一、 合同项目要求：1、纯电动2、微型车（zclq-1）3、四轮驱动（使用轮毂电机）4、万向轮（实现原地打转）5、最高车速150(km/h)以上，续驶里程100km以上，档位2前进档+1倒挡+1特殊转向控制挡；二、合同金额：共计人民币(大写)伍佰万零仟零佰零拾零元零角零分整， (小写) ￥5000000.00元三、付款方式： 1、本合同签订时，甲方支付合同总额的50%作为预付款，即人民币2500000.00元( 大写：贰佰伍拾零万零仟零佰零拾零元零角零分整)2、项目验收后甲方向乙方支付50%合同余款， 即人民币￥2500000.00元( 大写：贰佰伍拾零万零仟零佰零拾零元零角零分整)四、责任与义务：1 乙方应按甲方要求按质按量完成相关设计和制作工作。 2 乙方