（车辆工程专业论文）微型高级纯电动乘用车动力系统的建模与仿真.pdf

摘要 燃油汽车给人类带来了严重的环境污染和石油资源危机问题，为了解决这两 大问题，世界各国不得不积极寻求开发排放低、使用新能源的新型交通工具。电 动汽车被看成是能够解决内燃机汽车诸多问题的重要途径之一，电动汽车呈现出 加速发展的趋势。在汽车市场竞争日趋激烈的今天，如何快速、低成本的开发出 技术指标高、符合市场需要的电动汽车，成为了新的课题。 本文在对电动汽车相关技术进行综合分析的基础上，结合电动汽车的结构特 点，通过比较几种常见的动力传动系统布置方案，针对电动汽车的特殊要求及其 对动力系统的基本要求，同时考虑到成本问题和现有技术水平，提出了一种e v 动力传动系方案。在此基础上，针对选用的动力传动方案，进行了e v 动力传动 系中电机、蓄电池和变速器的选型和参数设计，构建了一个完整的e v 动力系统， 并利用m a t l a b 软件编程构建了两个g u i 界面( e v 乘用车性能计算平台和e v 乘 用车性能测试平台) 对前面的参数设计过程和参数设计的结果进行了正逆向验 证，结果表明构建的e v 动力系统中各动力元件的参数设计能够满足设计要求。 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，以a d v i s o r 为仿真平台，依据动力系统的结构、 电机的控制策略和整车的工作模式，对相关模块进行修改，建立了e v 传动系的 电机，蓄电池、电机控制器以及整车的仿真模型，利用建立的模型，在a d v i s o r 仿真软件中选择e c e - e i j d c 、u d d s 和h w f e t 三个循环工况对所建立的动力系统进 行了仿真分析，得出了该纯电动乘用车动力性、经济性以及一些重要性能曲线的 仿真结果；对于纯电动汽车，它的部件非常多，用来表示它的参数也很多，为了 更好的研究纯电动车特有的影响性能的因素，以便更好地分析各部件选型结果对 整车性能的影响，在e c e - e u d c 循环工况下，本文对纯电动车提供了选用不同电 池( 镍氢电池铅酸电池) 和不同变速器( 两挡五档) 两种仿真结果的比较，仿真 结果表明，选用不同的电池和不同的变速器对整车的性能有一定影响，对本电动 车来说，选用镍氢电池和两挡变速器的配置，其动力性能最好，利于蓄电池的使 用，且车辆的续驶里程、车速、加速性能等基本满足性能指标要求，说明该电动 车的整车匹配方案是合理的，零部件的参数选择是合理的；最后，利用a d v i s o r 中的自动尺寸设计方法对电动汽车传动系统的主要参数，进行了优化计算，根据 计算结果，利用a d v i s o r 进行了再次仿真并与优化前的仿真结果进行了比较，结 果表明，优化后，整车的性能进一步提高。 关键词：纯电动汽车，交流异步电机，参数设计，建模，仿真 a b s t r a c t a u t o m o b i l eh a sc a u s e ds e r i o u sp o l l u t i o na n dc r i s i so fp e t r o l e u m i no r d e rt or e s o l v e t h e s ep r o b l e m s ，e a c hc o u n t r yh a st od e v e l o pn e w - s t y l ev e h i c l e st h a te n j o yl o w e m i s s i o na n du s en e we n e r g yr e s o u r c e s e l e c t r i cv e h i c l ei sr e g a r d e da so n eo ft h e i m p o r t a n ta p p r o a c h e st h a tc a nr e s o l v et h e s ep r o b l e m sc a u s e db ya u t o m o b i l et h a t p o w e r e db yi n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e t h e r e f o r e ，e l e c t r i cv e h i c l e 饵v ) a sam e a n s o ft r a n s p o r t a t i o n ，h a v i n gd e v e l o p i n gb e t t e ra n db e t t e r i no r d e rt od e v e l o pan e we v f a s t , l o wc o s t ，h i g ht e c h n o l o g ya n da c c o r d i n gw i t ht h ea c q u i r e m e n to ft h em a r k e t , c h o o s ea d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t i o nb yc o m p u t e ri sa g o o dw a y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea u t h o ra n a l y z e dt h et e c h n o l o g yo ft h ee v , a n a l y z e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r eo ft h ep o w e rt r a i no fe v ；t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no f s e v e r a lc o l l o c a t i n gs c h e m e so ft h ep o w e rt r a i n , t h et y p eo fs t o r a g eb a t t e r ya n dm o t o r a r ec h o s e n o nt h ea b o v eb a s i s ，t h es e l e c t i o nt r a i n , t h et y p eo fp a r a m e t e r sa n dm a t c h a m o n gt h ep a r a m e t e r sa r es t u d i e d , t h e nap r i n c i p l e so ft h ep a r a m e t e rd e s i g no ft h e p o w e rt r a i na r eb r o u g h tf o r w a r d w h i l eb r i e f l ya n a l y z i n gt h et h e o r e t i cf o u n d a t i o n , c o n f i g u r a t i o n a n d f u n c t i o n , r e g a r d i n ge n e r g y c o n s e r v a t i o na n d e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na st h em a i ng o a l , t h es t y l es e l e c t i o n ，p a r a m e t e rd e s i g n a n dm a t c h i n g a n a l y s e so ft h ee vs y s t e m sm a i np a r t sa r ec a r r i c do n 。t w oi n t e r f a c e sh a sb e e n c o n s t r u c t e du s i n gt h em a t i a bp r o g r a m m i n g ( e vp e r f o r m a n c ec a l c u l a t i n gp l a t f o r m a n de v p e r f o r m a n c et e s t i n gp l a t f o r m ) a n dv e r i f i c a t e dp a r a m e t e rd e s i g nh a v i n gd o n e , f i n a l l yt h er e s u l ti n d i c a t e d t h a te v s y s t e mh a v er e a c h e dd e s i g nd e m a n d u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n k , r e g a r da d v i s o ra st h es i m u l a t i o n p l a t f o r m ，t h ee v s i m u l a t i o nm o d e l sa r ec o n s t r u c t e db a s e do nm o d i f i c a t i o no f a d v i s o r ss i m u l i n km o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ep o w e r t r a i ns c h e d u l e ，c o n t r o ls t r a t e g y a n dw o r k i n gm o d eo ft h ee vs y s t e m t h e n , t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n df u e l e c o n o m yo nt h ee c e + e u d c , u d d s ，a n dh w f e td r i v i n gc y c l ea r es i m u l a t e db y a d v i s o rs o f t w a r e c o m p a r e dw i t ht h ed i f f e r e n ts t o r a g eb a t t e r ya n dd i f f e r e n tg e a r b o x o fs i m i l a rd y n a m i cp e r f o r m a n c e , t h ef u e le c o n o m ya n de m i s s i o no ft h ee v s y s t e ma r e g r e a t l yi m p r o v e d t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h et a r g e to ft h ee v , i n c l u d es p e e d , a c c e l e r a t e ，a n do t h e rf u n c t i o n , c a nb ef u l f i l l e dt h er e q u i r e m e n t f i n a l l y , t h e nt h ea u t o s i z ed e s i g nm e t h o di na d v i s o ri su s e dt oc a r r yo nt h eo p t i m i z e d c o m p u t a t i o no fm a i np a r a m e t e ro ft r a n s m i s s i o ns y s t e mo fe v , n a m e l yt ob e s i d e s p a r a m e t e ro ft h eg e a rb o xv e l o c i t yr a t i o ；a c c o r d i n gt ot h ec o m p u t i n gr e s u i t , i th a s c a r r i e do nt h es i m u l a t i o n0 n c em o r e a n dt h er e s u l th a sc o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o n r e s u l tb e f o r et h eo p t i m i z a t i o n , f i n a l l yi n d i c a t e d ：t h ee n t i r ev e h i c l ep e r f o r m a n c ea l e f u r t h e re n h a n c e da f t e rt h eo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：p u r ee l e c t r i cv e h i c l e , a ca s y n c h r o n o u sm o t o r , p a r a m e t e rd e s i g n ， m o d e l i n g , s i m u l a t ! o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研触繇丝日期碑呈孥 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印， 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：壁堡垒导师签名： 辞咩醐耻 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 目前世界汽车工业可持续发展面临的两大难题为环境污染和石油资源匾乏。 现代城市高层建筑鳞次栉比，使汽车排放的污染物不易稀释扩散，造成局部地区 排放物浓度过高。同时汽车排放物的高度恰好在地面附近，处于人们呼吸的空间 区域，因此，它对人体健康的危害最大。内燃机汽车尾气排放的有害物质主要有： 一氧化碳( c o ) 、氮氧化合物( n 、碳氢化合物( h c ) 、二氧化硫( s 仉) 等气体以及 微粒。据估计，大气污染的6 0 来自于内燃机汽车。在美国，排放到大气中的污 染物中6 6 的c o 、4 3 的n o ! 、3 7 的铅、3 1 的碳氢化合物、3 3 的c o , 、2 0 的微 粒都来自燃油汽车。英国交通车辆排放的n o , 占5 0 、c o 占8 0 以上。其他国家 因内燃机汽车所引起的大气污染同样严重。据北京环保部门测定，市区大气污染 在夏季的6 7 、冬季的3 0 是由汽车造成的。噪音污染是内燃机汽车对环境的另 一个污染，城市8 0 的噪音污染是由交通车辆造成的。据统计，目前我国有三分 之二以上的城市人口生活在噪音水平较高的环境中，有3 0 以上的城市人口生活 在难以忍受的噪音水平中。随着我国汽车工业的快速发展，车辆急剧增加，我国 城市交通的噪音水平正在迅速增加。交通噪音严重影响了人们的身体健康，给人 们的听觉系统、神经系统、心血管系统、内分泌系统、免疫系统以及心理造成极 大危害。 另外，目前汽车消耗的能源几乎完全依赖于石油制品，汽车保有量的逐年上 涨使能源问题逐渐成为制约汽车可持续发展的重要因素。随着汽车工业的发展， 汽车保有量和年产量迅速增加。1 9 5 0 年全球汽车产量为1 0 0 0 万辆，保有量为6 9 0 0 万辆，到1 9 8 8 年年产量猛增到4 5 0 0 万辆，保有量达到5 3 7 亿辆。这些汽车要 消耗大约数亿吨的石油制品，相当于全球石油产量的一半。随着汽车在全球每一 个角落的普及，石油的消耗量还会不断增加，但是地球的石油蕴藏量是有限的。 据有关专家估计，地球上己探明的石油储藏量在5 0 年内即将耗尽。而对我国， 形势则更为严峻，根据1 9 9 5 年的统计数据，我国石油资源可开采量仅供我国开 采2 2 年。据统计，1 9 9 0 年我国在用汽车汽油消耗量为1 9 6 2 万吨、柴油消耗量 为4 8 9 万吨，2 0 0 0 年在用汽车汽油消耗量为5 5 2 6 万吨，年增长率为1 9 9 ，柴 油消耗量为1 7 0 5 万吨，年增长率为4 2 7 ，估计到2 0 1 0 年，我国汽车耗油量将 达到7 6 5 5 8 0 5 5 万吨。在2 1 世纪初，能源问题尤其是具有战略地位的石油资源 问题，已成为世界范围内迫切要求各国政府和科学工作者认真对待和优先解决的 重大课题。 武汉理工大学硕士学位论文 在治理大气污染方面，各国汽车尾气排放法规制定得日趋严格，在一定程度 上促进了汽车向“清洁化”方向发展。针对我国实际情况，国家机械工业部也制 定了汽车排放控制目标：2 0 1 0 年实现与国际水平同步。面对日趋严格的排放法 规，人们普遍看好电动汽车，因为电动汽车本身没有排放污染并具有能量效率高、 能源多样化、结构简单、维修使用方便等优点，被誉为“绿色汽车”。 面对环境污染问题和石油资源危机问题，全世界各国不得不积极寻求开发排 放低、使用新能源的新型交通工具。9 0 年代以来，电动汽车的研究己再度在全 世界范围内兴起，它被看成是能够解决内燃机汽车诸多问题的重要途径之一。世 界各国不惜投入大量的人力物力来研究和开发电动汽车。 1 2 电动汽车概述 1 2 1 电动汽车的发展历程 电动汽车是指全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，包括纯电动 汽车e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) 、混合动力电动汽车 i e v ( h y b r i dv e h i c l e ) 和燃料电池汽车f c e v ( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 三种类型。 从电动汽车的发展历程来看，到目前为止，共经历了三次发展浪潮。 第一次浪潮。1 8 8 5 1 9 1 5 年进入电动车发展的早期黄金时代。早期电动车 的商业生产在1 9 1 2 年达到高峰，当时美国就有3 0 0 多家企业生产电动汽车，如 b a k e r 公司。1 8 9 9 年美国生产电动汽车共1 5 7 5 辆，而此时内燃机汽车生产只有 9 3 6 辆，同年电动汽车还以1 0 6 k m h 的速度打破了当时汽车最高车速的世界记录。 随后，由于电池技术的限制，电动汽车续驶里程短、充电时间长、使用不方便的 难题在当时的技术条件下，始终无法得到很好的解决。而在这段时间里，内燃机 技术却发展非常迅猛，再加上1 9 世纪末2 0 世纪初发现了大量的油田，使得内燃 机汽车所需的能源有了保障。因此，在上世纪3 0 年代末早期电动汽车的商业生 产就进入了尾声，被动力性能较好的内燃机汽车完全取代而退出历史舞台。 第二次浪潮。直到上世纪7 0 年代，两次石油危机和中东战争以及地球的生 态环境的不断恶化，使得节能和环保成为汽车发展的两大主题。汽车作为石油消 耗品首当其冲地成为节能的主要力量。降低燃油消耗、开发零排放或超低排放汽 车成为当时各国汽车工业共同研究的课题。电子喷射发动机和催化转换器，以及 美国c o m u t a 公司1 9 7 8 年再次投放市场的二人座c o m u t a 电动汽车，正是这个时 代的产物。 第三次浪潮。自上世纪9 0 年代初美国加利福尼亚州立法强制推行零废气排 放政策以来，世界上很快又兴起一场电动汽车的研究开发热潮，所涉及的领域包 2 武汉理工大学硕士学位论文 括车辆、机械、电子、新材料、加工、能源等各个方面，内容十分广泛。世界发 达国家及国外著名汽车公司都十分重视电动汽车的研究和开发，不惜投入巨资， 并制定了一些相关的政策、法规来推动电动汽车和动力电池的发展。美国的三大 汽车公司通用、福特和克莱斯勒为此专门成立了一个美国先进电池联合会 ( u s a b c ，即u n i t e ds t a t e sa d v a n c e db a t t e r yc o n s o r t i u m ) ，提供巨资着重开 发与电动车配套的电池，并制定了近期、中期和长期的电池技术发展规划和技术 要求。欧洲主要发达国家以及日本也都有相应的机构协调电动汽车及电池的发 展。 1 2 2 当前国内外纯电动汽车( e v ) 的发展概况 1 2 2 1 国外e v 的发展概况 近几十年来，三分汽车天下的美、日、欧洲国家的8 0 多家公司( 其中有美国 的福特、通用汽车、克莱斯勒公司，日本的丰田、日产、本田公司，法国的雷诺、 标致、雪铁龙公司，意大利的菲亚特公司以及瑞士的荷拉奇和埃苏拉公司等) 不 惜投入巨额资金，研究开发新一代电动汽车。 早在1 9 7 6 年7 月，美国国会通过电动汽车和复合汽车的研究开发和样车 试用法令，以立法的形式、政府资助和财政补贴等手段加速发展电动汽车。此 后，美国国会和地方政府制定了一系列强制性法规和政策，特别是1 9 9 0 年9 月 美国加利福尼亚州大气资源局颁布了对全球普及电动汽车有着不可忽视影响的 “加州立法”，规定在该立法正式生效的1 9 9 8 年加州境内销售的零排放汽车要占 汽车销售总额的2 9 6 ，2 0 0 0 年要达到1 0 ，到2 0 1 8 年时，美国电动汽车的总数将 超过7 0 0 万辆。1 8 7 3 年试制成功第一台电动汽车。美国政府以能源部为中心， 对电动汽车的研制进行了连续的逐年递增投入资金。美国e p r i ( 电力能源研究 所) 推行了实用电动汽车普及活动。 1 9 9 1 年美国3 大汽车公司签定协议， 合作研究电动汽车用先进电池，合作 开发高性能电动汽车电池。其中，通 用公司1 9 9 7 年开发的具有最先进的 动力系统的1 9 9 7 双座e v l ，如图1 所示。该车为前轮驱动，采用一台 1 0 2 k w 的三相感应电机，装备由2 6 图卜1 通用e v l 电动车 个铅酸电池组成的电池组。电池组可 以6 6 k w 的非车载感应充电器或1 2 k w 的车载感应充电器进行充电。该车的电机 在转速为0 7 0 0 0 转输出恒转矩1 6 4 0 n t o ，在转速为7 0 0 0 1 4 0 0 0 转输出恒功率 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 2 k w ，使得e v l 可以获得1 2 8 k m h ( 电子限速) 的最高车速和o 9 6 k m h 加速小 于9 s 的性能。据称“在动力性、安全性和舒适性方面都达到和接近汽油机轿车 水平”，但由于成本过高，已于2 0 0 0 年初停产。 日本于1 9 7 6 年成立了“日本电动汽车协会”日本政府制定了鼓励电动汽 车开发与应用的相关政策。1 9 7 1 年在通产省领导下制订了一个时间为6 0 年、总 经费5 7 亿日元的研究计划。经过2 0 多年的研究，特别是近1 0 年的努力，日本 电动汽车已经取得很大的发展。1 9 7 8 年为了促进电动汽车的推广，日本电动汽 车协会制订了“电动汽车试用制度”，协会将每年给予试用者以试用费。本田公 司自8 0 年代末就开始了电动汽车的研究开发，丰田公司自1 9 9 2 年开始重视电动 车的研究。在2 0 世纪9 0 年代末，丰田研制出一种蓄电池电动车r a y 4e v 如图 卜2 所示。该车的动力装置是一台免维护的功率为5 0 k w 、转矩为1 9 0 n m 的永磁电 动机，由2 8 8 v 镍氢电池为其提供电能。该电池组由2 4 个1 2 v 组件构成，装在车 的地板下面，充一次电需5 6 h ，最高车速为1 2 7 k m h 。2 0 0 5 年日本富士通工 业公司推出以小型高能锂电池为动力的电动轿车r l e ，如图卜3 所示，为电动轿 车产品又增加了新成员。r l e 使用了新型锂电池，这种电池用专用充电器5 分钟 内可充电9 0 9 6 ，使用这种电池，r l e 连续运行距离达到1 2 0 公里。 图l - 2 丰田r a v 4e y 电动车图图卜3 富士通r l e 电动车 欧洲各国成立了欧洲电动汽车协会，并得到欧洲经济委员会的支持和资助。 英国和法国对电动汽车是应用在先的国家。英、法在大力研究先进电动汽车的同 时积极开发推广应用限定范围的电动汽车。目前已有约十几万辆电动汽车在英国 运行。另外，德国、意大利等都投巨资用于开发电动汽车，并制定相应的优惠政 策。 1 2 2 2 国内e v 的发展概况 国内电动汽车的研究始于2 0 世纪6 0 年代，但当时的研究开发都是零散和小 规模的，投入也很少。“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( 含相关技术) 研究、电动改装车开发、试验小范区建设、 4 武汉理工大学硕士学位论文 运行机制和政策法规及技术标准的研究。通过十年的研究攻关，在电动汽车技术 方面取得了重要突破，并为“十五”以及今后电动汽车技术和产业的发展奠定了 良好的基础。“十五”期间，国家从维护我国能源安全和改善大气环境、提高汽 车工业竞争力、实现中国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，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。 国家“十五”8 6 3 电动汽车重大专项，投资数亿，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。其中，纯电动汽车布局 在北京和天津，客车由北京理工科凌电动车辆有限公司，轿车由天津清源动力有 限公司研发，后奇瑞汽车公司也加入。 “十五”期间，在国家8 6 3 计划电动汽车重大专项连续两期的滚动支持下， 我国在纯电动汽车的核心部件研发、总成集成以及整车系统设计上实现了令人瞩 目的技术创新和跨越。纯电动汽车在电动汽车重大专项的实施过程中取得了一项 又一项第一：第一辆基于c a n 总线分布式控制的电动汽车；第一辆集成高压电安 全管理单元的电动汽车；第一套满足整车模块化设计的一体化电动动力总成，已 经成功匹配多种轿车车型；关键技术首先得到技术界认可，目前唯一获得国家技 术发明奖；开发基于多通讯端口的高速数据记录仪及分析系统，并最先用于运行 数据分析和控制策略优化研究；开发基于g p s g p r s g i s 的车载远程终端和无线 远程监控标定系统，实现示范运行车辆的智能化控制、管理；第一辆圆满完成正 面实车碰撞的锂离子电池电动汽车；纯电动客车、轿车在必比登世界清洁汽车挑 战赛上获得骄人成绩。 北京理工大学、北京理工科凌电动车辆有限公司等完成以尼奥普兰公交大客 车为基本车型的纯电动豪华旅游客车样车2 台，经过了国家质检中心型式认证试 验和5 0 0 0 k m 可靠性试验；完成了科技奥运计划规定的1 5 辆纯电动准低地板公交 车的生产任务，组建了示范车队。完成以北京公交公司的公交车为基础车型的纯 电动超低地板公交车b k 6 1 2 0 一e 、，和纯电动准 低地板公交车h f f g k6 11 p e v 客车样车试 制。小批量研发生产的4 种车型近4 0 辆公 交车已投入北京市公交电动汽车示范车队 的示范运行。建立北京、天津、威海和武汉 四个电动汽车示范区，将有2 0 辆电动客车图l - 4 ) 【l 纯电动轿车 在北京示范运行。 天津清源动力开发了5 辆x l 2 0 0 0 纯电动轿车如图1 - 4 所示，在交通部通州 汽车试验场按照电动汽车定型试验规程进行了有关标准检验。该公司继出口美国 5 武汉理工大学硕士学位论文 6 辆电动汽车试销后，又与美国公司签定了1 0 0 多辆电动汽车的出口订单。 比亚迪汽车销售公司在电动汽车的自主研发方面投入巨资，在上海建立的汽 车研发中心承担起电动汽车和新款轿车的研发任务。其首款电动汽车f 3 e 已 经研制成功，如图卜5 所示。f 3 e 实现了零排放、零污染和零噪声，其车载储能 装置由8 块锂电池构成，已具备能耗大幅降低、汽车电子控制水平进入国际前列 等技术特点，并通过了触电防护及动力性能等相关测试，最高车速达到1 5 0 公里 4 , 时，一次性充电的续驶里程达到3 5 0 公里。完全实现家用电流充电，一个半 小时即能达到充电饱和状态。比亚迪同时在上海研发中心建成了国内第一个电动 汽车充电站，如图1 _ 6 所示。电动汽车充电站内设有4 台充电柜，采用数字显示 和触摸屏智能控制充电，同时充电柜拥有充电刷卡、收费打印等功能。 图卜5 比亚迪f 3 e 电动汽车图1 - 6 电动汽车充电站 1 3 纯电动汽车的优点和存在的问题 1 3 1 纯电动汽车的优点 纯电动汽车主要有如下优点： 首先，电动汽车清洁、无污染。在行驶过程中，电动汽车没有废气排放。尽 管电厂仍有污染，但比燃油污染要小同时电动汽车噪音相对较小，能够大大降 低人口稠密城市的噪音水平。 其次，电动汽车的能量效率高、可利用的能源多样化。电动汽车的能源效率 大大超过了内燃机汽车，有人把从原油到汽车的能源做一个比较，就不难看出电 动汽车的能量利用率高出传统的燃油车辆利用率，如图i - 7 所示。特别是对于城 市道路交通中走走停停的交通状况，电动汽车在运行中停车不消耗能源。在制动 过程中，电动机自动转变成发电机，把制动能量转化为给蓄电池充电的能量，从 而提高了电动汽车的能量利用效率。 6 武汉理工大学硕士学位论文 0 蟾濉斑蠊 m r 。_ ( 燃油) 取抽 膈懈 i 电力抟输i 簿电德 电曲汽噜：i 麟油摊壤 翱秘站 ” 淼油 汽袖， 1 0 蝇，残 图卜7 电动汽车和传统燃油车辆能力转换效率的比较 另一方面，电动汽车的能源可以有多种途径提供，如煤炭、天然气、核能、 水力、太阳能、风能以及潮汐能等多种能源产生的电能。如图1 - 8 所示。而且， 电动汽车的电池充电主要利用夜间非高峰用电时进行，这样有利于均衡电网负 荷、降低设备与管理费用、减少消费者的费用等。 图1 - 8 电动汽车能源多样化 另外，电动汽车结构简单、维修使用方便。电动汽车在结构上比内燃机汽车 简单，运动部件少，大大降低了日常维修费用，驾驶操作更加简单。 综上所述，随着世界各国环保及节能意识的增强，电动汽车必将成为2 l 世 纪汽车工业的重要发展趋势。 1 3 2 目前纯电动汽车e v 存在的问题 电动汽车代表着汽车工业未来发展的方向，但是，即使全球各地都有电动汽 车陆续上路，如何克服驱动系统和电池容量、效率以及充电方式便利性等问题， 都是电动汽车商业化的关键。从技术角度看，现有电池汽车存在下列主要问题： 1 ) 续驶行程有限。目前市场上使用的电动汽车一次充电后的典型续驶里程 一般为1 0 0 至2 4 0 k i n ，并且这个数字通常还需要保持适当的行驶速度及具有良好 的电池调节系统才能得到保证。而绝大多数商用电动汽车城市行驶环境下的续驶 7 武汉理工大学硕士学位论文 里程一般只有5 0 8 0 k m 。比起传统内燃机汽车而言，电动汽车的较短续驶里程 成为其“致命”的弱点。 2 ) 电池寿命太短。尽管电池品种繁多，各有千秋，但其装备电动汽车后， 普遍存在续驶里程短、加速动力差且寿命短等问题。镍锡电池成本高、可回收性 差，但其加速动力足、寿命较长。钠硫电池的能量动力比值较高，能够提供较 长的续驶里程和较大的加速动力，但它要求的工作环境较苛刻，且其活性物质具 有强腐化性并易爆炸。金属空气电池虽然具有明显的安全、干净、低成本等特点， 但目前还只是发展的初期阶段。就整体来看，还没有非常理想的电池。 3 ) 电池尺寸、重量的制约。现有电动汽车所使用的电池，都不能在储存足 够能量的前提下保持合理的尺寸和重量。例如，现有电动汽车电池的外体积一般 要达到5 5 0 l ，这么大体积的电池用于家庭轿车上时，就必然要挤占轿车的行李 厢空间甚至乘客空间。同样，一部重量为2 0 0 0 k g 的电动汽车，其电池重量达到 了1 2 7 0 k g ，这也必然使其性能大打折扣。 4 ) 电动车价格昂贵。主要是电池技术复杂，成本太高，另外也由于采用一系 列新材料、新技术，致使电动汽车的造价居高不下。时下电动车用燃料电池的价 格大约为8 2 2 5 7 3 1 6 4 5 5 3 美元k w ，但汽车内燃机的价格都是1 6 4 5 5 2 2 4 6 8 2 7 美元k w 左右。故降低成本是关键。 5 ) 间接污染严重。电动汽车本身虽无排放污染，但其间接污染也是不能忽视 的。如铅酸电池中的铅，从开采、冶炼到生产的排污，都会对环境造成污染。再 如所用电能，相当大一部分来自火力发电，煤炭燃料也会造成大气污染。 如果要真正解决汽车废气污染问题，少量电动汽车的投入使用将无济于事。 有人认为，电动汽车只是将污染源从汽车排气管转移到发电厂的烟囱中。研究证 明，在美国新英格兰地区，内燃汽车排放的废气，是提供电能的发电厂污染的6 倍。而在洛杉矶，由于发电厂使用天然气和无污染的核能，电动汽车的污染实际 上只有内燃汽车的百分之一。 电动汽车是未来汽车发展的一个方向，但任何市场形成的主要因素仍在于消 费者。如何让消费者在方便的时间、地点，很容易地取得车辆所需的动力能源， 提升车辆的附加价值，都是电动汽车走近大众必须加以解决的问题。 1 4 研究目的和内容 面对能源、环境问题的严峻挑战，研制高效、节能、环保的电动汽车成为新 一代汽车产业发展的主导方向，而其动力系统的研究是影响电动汽车发展的关键 问题。本课题就是基于此而制定的。研究的主要内容如下： 1 ) 分析电动汽车的结构特点，通过比较几种常见的动力传动系统布置方案， 8 武汉理工大学硕士学位论文 对其蓄电池、电机等动力元件和变速器进行选型，对参数选择和参数间的合理匹 配进行分析研究，并对各部件进行参数设计，建立其仿真模型。 2 ) 对蓄电池进行选型后，分析其充放电特性并进行参数识别，建立蓄电池 的仿真模型。 3 ) 建立动力元件及整个动力传动系统的动力学模型，在此基础上进行动力 性仿真，分析影响电动汽车动力性能的因素。 4 ) 研究纯电动车特有的影响性能的因素，对纯电动车提供了选用不同储能 电池和不同变速器两种仿真结果进行比较，分析各部件选型结果对整车性能的影 响。 5 ) 利用a d v i s o r 中的自动尺寸设计方法对电动汽车传动系统的主要参数， 即对除了变速箱传动比以外的参数，进行了优化计算，并与优化前的仿真结果进 行比较。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章e v 动力系统的结构分析 动力传动系统是电动汽车最主要的系统，电动汽车运行性能的好坏主要是由 其动力传动系统的性能决定的。电动汽车动力传动系统由蓄电池、控制器、电动 机、变速器、主减速器、驱动轮等组成。电机控制器接受从加速踏板( 相当于内 燃机汽车的油门) 、刹车踏板和p r n d ( 停车、倒车、空挡、前进) 控制按键的输出 信号，控制电动机的旋转，通过减速器、传动轴、差速器、半轴等机械传动装置 驱动车轮旋转。 电动汽车动力传动系统采取什么样的结构型式，其参数怎样匹配，将对电动 汽车的动力性能产生重要的影响。 2 2e v 动力传动系统布置方式 e v 动力传动系统的基本布置方式一般有机械驱动、机电集成化驱动、机电 一体化驱动和电动轮驱动四种布置方式。 。 2 2 1 机械驱动一差速半轴方式 这种驱动布置的特点是用蓄电池、电机及其控制系统取代了原来的内燃机及 其控制系统作为电动汽车的动力源，布置示意图见图2 - 1 在这种布置方式中， 一般选用或保留了内燃机汽车的变速器、传动轴和半轴等传动部件，其优点是这 种布置方式只需用电动机及其控制系统对燃油汽车的发动机进行置换，就能得到 一辆电动汽车，工作相对简单，方便将传统汽车改装成电动汽车；缺点是因为传 动链相对较长，传动效率较低，并且不能充分满足电动汽车的动力性能的要求。 早期的电动汽车开发常采用这种布置方式。一 图2 - 1 机械驱动布置方式结构简图 1 一电动机；2 一控制器；3 一变速器；4 - - 传动轴：5 - - 驱动轮；6 - - 后桥 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 机电集成化驱动布置方式 机电集成化驱动布置方式类似于差速半轴驱动方式。这种布置方式充分利用 电动机的调速范围宽的特点，取消了传动效率低、操纵烦琐的齿轮变速箱，只采 用部分传动齿轮，保留差速器和半轴，从而使得动力传动系统得到了简化，并提 高了传动效率。 图2 2 机电集成化驱动布置方式结构简图 i 一控制器；2 一电动机；3 一驱动轮；4 一传动箱体 2 2 3 机电一体化驱动布置方式 机电一体化驱动布置方式在机电集成化驱动布置方式基础上，进一步减少了 传动元件。它采用左右两个双联式电动机作为驱动电机，这两个电机直接驱动左 右两个半轴，从而带动驱动轮旋转。其结构如图2 - 3 所示。 这种布置方式最大的进步就是取消了机械式差速器，在左右两个双联式电机 之间，配置了电子控制的差速器，用电子差速器来解决左右半轴的差速问题。采 用这种差速方式，能使电动汽车得到更好的灵活性，而且可以更方便地引入a s r ， 使电动汽车在复杂路况下获得更好的动力性能。这种布置方式打破了传统的汽车 传动系统布置方式，形成了电动汽车独特的驱动方式。 图2 - 3 机电一体化驱动布置方式结构简图 1 一控制器；2 一电动机；3 一驱动轮 这种布置方式节省了空间，提高了传动效率。它采用电子集中控制，并可能 1 l 武汉理工大学硕士学位论文 逐步实现网络化和自动化的控制。这种布置方式与前两种布置方式有着很大的不 同。电动汽车驱动系统布置方式发展到这一步才有可能充分体现电动汽车的优 势。 2 2 4 电动轮驱动布置方式 此方式取消了差速器和半轴，而将行星减速器与电动机制造为一体，称为电 动轮，轮胎直接安装在电动轮上，不但提高了传动效率，而且不占用车身和底盘 的空间，扩大乘坐的空间，利用底部空间来安装电池，并使整车的总体布置得到 简化，见图2 - 4 , 图2 - 4 电动轮驱动布置方案 1 - - 驱动轮；2 - - 电动机 它还可以对各个驱动电机进行相互独立的控制，有利于提高车辆转向灵活性 和充分利用路面附着力。这种布置方式比以上介绍的各种布置方式更能体现电动 汽车的优势。采用这种布置方式的驱动系统需要解决的问题就是如何保证车辆行 驶的方向稳定性，同时，采用这种布置方式的驱动系统其驱动电机及其减速装置 必须能够布置在车轮空间内，因此要求驱动电机的体积相对较小。现在，用于这 种布置方式的驱动电机主要有交流感应电机和永磁电机。 2 3e v 动力传动系统的设计要求 2 3 1e v 的基本结构要求 电动汽车由电动机驱动，其动力源来源于蓄电池。电动汽车的一次充电续驶 里程与蓄电池容量有关，而蓄电池容量受诸多因素的制约是有限的。如果希望提 高电动汽车的一次充电续驶里程，就要尽可能地节约蓄电池的能量。从这个角度 出发，要求电动汽车的基本结构适合以下几点： 1 ) 保证行驶安全性，采用低重心和免维护一体型蓄电池，并将其放在车身中 武汉理工大学硕士学位论文 后部的底板下。 2 ) 为了减轻车架重量，提高刚度，将大断面主车架设计成纵直车架。 3 ) 为了车厢内部具有最大限度的乘员空间，最小限度的紧缩机械空间而采 取将乘员空间与驱动系统动力源等完全分开的处置，将电动机、高压电气系统集 中配置在车身前部，利用这些技术，既实现了各个部件的高效率利用的配置，又 突出了电动汽车本身特性的要求。 2 3 2e v 对动力系统的基本要求 电动汽车通过电机控制器驱动电机，电机将电能转换为机械能来驱动汽车。 电动汽车对驱动控制系统的基本要求如下： 1 ) 足够大的起动转矩，以满足电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启 停的要求，通常电机的过载系数应达3 4 。 2 ) 电机的调速范围大，一般在2 5 i o o 最大转速范围内，近似有小转矩、 恒功率的输出特性，满足电动汽车最高车速和公路巡航行驶工况的要求。 3 ) 比功率大，以最大功率计时，一般应达( 1 1 2 5 ) k w k g 。 4 ) 具有良好的效率特性，在较宽的转速转矩范围内，获得最优的效率，提 高一次充电后的持续行驶里程，一般要求在典型的驾驶循环区，获得8 5 9 3 的效率。 5 ) 再生制动时的能量回收率高。 6 ) 快速的转矩响应特性，在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动 转矩；在多电机系统中，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好。 7 ) 具有良好的环境适应性，在不同的工作条件下都能可靠地工作。 8 ) 单位功率系统成本低，目前电气驱动系统的成本约为$ 1 0 k w ，其目标要达 至u $ 4 k w 9 ) 维护简单，工作噪声低。 2 4 本文e v 动力系统的选择 2 4 1 本文所选的e v 动力传动方案 鉴于目前国内对电机及其控制系统的研究还未达到使用电动轮的要求，考虑 到成本和技术条件的限制，本文选择第一种驱动方式即机械驱动一差速半轴方 式，和传统的内燃机汽车传动系统布置方式一样，仍然带有变速器，主要是为了 提高电动汽车的起动扭矩及增加低速时电动汽车的后备功率。与传统内燃机汽车 传动布置不同的是，其离合器和变速器可以省去，若变速器省去的话，如前所述， 武汉理工大学硕士学位论文 整个传动系就对电机的控制器要求比较高，因此，本文没有取消变速器。 2 4 2 本文e v 动力系统结构 本文e v 动力传动系统的结构如下图2 - 5 所示： 2 5 本章小结 图2 - 5 斟动力传动系统结构图 罂 1 ) 通过比较常见的几种电动汽车动力传动系统的布置方式，鉴于目前国内 电机性能及其控制系统的控制精度和可靠性还达不到使用电动轮的要求，为了提 高电动汽车的起动扭矩及增加低速时电动汽车的后备功率，动力传动系统还需要 带变速器，选用传统的内燃机汽车动力传动系统布置方案是切实可行的。 2 ) 分