（光学工程专业论文）纯电动汽车驱动系统选型及仿真研究.pdf

摘要 随着汽车保有量的增加，能源危机和环境污染的问题日益严重，世界各国 都在寻求一种可以代替传统燃油汽车的交通工具。纯电动汽车具有运行噪声低， 行驶无排放污染物等的优点，逐渐得到广泛关注，并且各国把纯电动汽车当作 未来汽车产业的发展方向。 本论文结合企业预研项目，在传统汽车的基础上把某型燃油车改造成纯电 动汽车，以纯电动汽车的驱动系统为研究对象。驱动系统主要元件包括电动机、 蓄电池、传动装置，本文简要介绍几种常见驱动电机、蓄电池以及变速器类型， 通过分析比较其优缺点，结合纯电动汽车工作特性要求，选择三相交流感应电 动机为驱动电机，锂离子蓄电池作为动力能源，手动两挡变速器为传动系的变 速器。 根据汽车设计理论，把纯电动汽车的动力性和续驶里程当作设计指标要求， 对纯电动汽车驱动系统主要元件参数进行匹配设计。电动机参数主要包括额定 功率、峰值功率及其转速，蓄电池参数主要包括电池组容量、电压以及组数， 传动系参数主要包括主减速器比、变速器各挡传动比，只有这些参数合理匹配， 才能满足整车性能要求。为了验证参数设计的合理性，用m a t l a b 计算动力性能 指标，利用a d v i s o r 仿真软件建立纯电动汽车整车模型以及各模块仿真模型， 选择c y ce c ee u d c 工况进行仿真模拟试验，以纯电动汽车行驶动力性为基 础，对最高车速、最大爬坡度、加速时间以及续驶里程进行仿真研究分析，通 过分析仿真结果可知驱动系统主要元件参数设计基本合理。 为了进一步提高整车性能，对纯电动汽车驱动系统参数进行优化，运用 a d v i s o r 软件中的a u t o s i z e 功能主要针对电动机功率的大小以及蓄电池组数目进 行优化，得到电动机的峰值功率和蓄电池组数目有所减小，在相同的工况下进 行仿真实验，比较优化前后仿真结果，可知该车的动力性不仅满足行驶要求， 而且与实际设计指标更为接近，由于电动机参数和蓄电池参数得到优化，减少 了整车质量，在循环工况下整车的续驶旱程得到提高。因此本文采用的这种优 化方法是合理可行的，为企业对已经设计好的纯电动汽车驱动系统优化提供了 参考。 关键词：纯电动汽车，驱动系统，参数设计，仿真优化 a b s t r a c t w i t ht h en u m b e ro fc a ri n c r e a s i n g ，t h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n p r o b l e mb e c o m e m o r ea n dm o r es e r i o u s ，a l lc o u n t r i e si nt h ew o r l da r es e e k i n gak i n d o ft r a f f i ct o o lw h i c hc a nt a k et h ep l a c eo ft r a d i t i o n a lf u e la u t o m o b i l e t h ee l e c t r i c v e h i c l e sh a s a d v a n t a g e s w h i c ha r el o wn o i s ea n de m i s s i o np o l l u t i o nw h e n n m n i n g ，t h e r e f o r e ，t h e e l e c t r i cv e h i c l e s g r a d u a l l yg e t e x t e n s i v ec o n c e r n ，a n da r e r e g a r d e da st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t h ef u t u r ea u t oi n d u s t r y c o m b i n a t i o no ft h ee n t e r p r i s ep r o j e c t ，o nb a s i so ft r a d i t i o n a lc a r , t h ef u e lc a rw a s c o n v e r t e di n t oe l e c t r i cv e h i c l e ，t h et h e s i sc h o o s ed r i v es y s t e mo ft h ee l e c t r i cv e h i c l ea s r e s e a r c ho b je c t t h ed r i v es y s t e mm a i nc o m p o n e n t sc o n s i s to fm o t o r 、b a t t e r ya n d t r a n s m i s s i o n ，t h et h e s i si n t r o d u c e ss e v e r a lc o m m o nm o t o r 、b a t t c r i e sa n d t r a n s m i s s i o nt y p e ，t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c o fe l e c t r i cv e h i c l e ，w ec h o o s ei n d u c t i o nm o t o ra sd r i v em o t o r ，l i t h i u mi o nb a t t e r ya s m o t i v ep o w e rp r o d u c e r ，m a n u a lt w os p e e dt r a n s m i s s i o na sv a r i a b l es p e e dg e a r b a s e do nt h ev e h i c l ed e s i g nt h e o r y , t h ep o w e rp e r f o r m a n c ea n dd r i v i n gr a n g eo f t h ee l e c t r i cv e h i c l ea r et r e a t e da sd e s i g ni n d e xr e q u i r e m e n t s ，w ed e s i g nm a i n c o m p o n e n t sp a r a m e t e r so fe l e c t r i cv e h i c l e d r i v es y s t e m m o t o rp a r a m e t e r sm a i n c o n s i s to f p o w e rr a t i n g 、p e a kp o w e ra n dr o t a t es p e e d ，s t o r a g eb a t t e r yp a r a m e t e r sm a i n c o n s i s to fc a p a c i t yo fc e l l 、v o l t a g ea n db a t t e r yn u m b e r ，t r a n s m i s s i o nd e v i c e p a r a m e t e r sc o n s i s to fg e a rr a t i oa n df i n a ld r i v e sr a t i o ，o n l yt h e s ep a r a m e t e r sm a t c h e d r a t i o n a l ，c a nv e h i c l ep e r f o r m a n c em e e t i no r d e rt op r o v er a t i o n a lo ft h ep a r a m e t e r s d e s i g n ，w i t ht h eh e l po fm a t l a bw ec o u n tp o w e rp e r f o r m a n c ei n d e x ，t h r o u g h a d v i s o rs i m u l a t i o n s o f t w a r ew es e tu pw h o l ev e h i c l em o d e la n ds u b m o d u l e s i m u l a t i o nm o d e l ，a f t e rt h a tw ep e r f o r m e ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so nc o n d i t i o nt h a t c y c e c e e u d cd r i v i n gc y c l e o n b a s i so fa u t o m o b i l ed r i v i n gd y n a m i c s ，w e a n a l y s em a x i m u ms p e e d 、m a x i m u mg r a d e a b i l i t y 、a c c e l e r a t i o nt i m ea n dd r i v i n g r a n g e ，t h r o u g hs i m u l a t i o nr e s u l ta n a l y s i s ，w ek n o wt h a tt h ep a r a m e t e r so fd r i v es y s t e m m a i nc o m p o n e n t sw ed e s i g ni sr e a s o n a b l e f o ri n c r e a s i n gw h o l ev e h i c l ep e r f o r m a n c e ，w ec a no p t i m i z ed r i v es y s t e m p a r a m e t e r s w ec h o o s em o t o rp o w e ra n db a t t e r yn u m b e ra so p t i m i z a t i o no b j e c t i v eb y u s i n ga u t o s i z eo fa d v i s o r ，t h i so p t i m i z a t i o nm e t h o dr e d u c em o t o rp o w e ra n d i i b a t t e r yn u m b e r ，w ep e r f o r m e ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so ns a m ed r i v ec y c l e ，w i t h c o m p a r i n gr e s u l t s ，w ek n o wt h a td y n a m i cp e r f o r m a n c e n o to n l ym e e tr e q u i r e m e n t ， b u ta l s om u c hc l o s e rt oa c t u a ld e s i g ni n d e x b e c a u s em o t o rp o w e ra n db a t t e r yn u m b e r g e to p t i m i z e d ，t h ew e i g h t o fv e h i c l e g e tr e d u c e d ，t h ed r i v i n gr a n g eg e t c r e a s e d t h e r e f o r e ，t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o do ft h i sp a p e ri s f e a s i b l e t h i st h e s i s p r o v i d e s ar e a s o n a b l eo p t i m i z a t i o nm e t h o du s i n go p t i m i z e i n gd r i v es y s t e mf o r e n t e r p r i s e k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，d r i v es y s t e m ，p a r a m e t e r sd e s i g n ，s i m u l a t i o n i i l 武汉理i ：人学硕七学位论文 1 1 电动汽车研究的背景 第1 章绪论 伴随着科学技术的不断创新和突破，汽车产业也得到飞速发展。虽然汽车 产业的飞速发展方便了人们的日常出行，但同时汽车所排放的尾气污染了空气， 也危害了人们的身体。世界各地人民环保意识的增强，对汽车排放标准的要求 也越来越高，以及由世界金融危机所带来的油价持续攀升和日益严峻的节能减 排压力，促使了人们对新能源汽车的研究和开发。因此，汽车产业的发展趋势 是向排放污染物为零，产生的噪声低以及能够综合利用各种可再生能源的方向 发展。 电动汽车结构简单，能量来源方式较多，行驶时噪声较低，尾气排放污染 物几乎为零，基于这些特点，电动汽车的研发得到广泛关注【l 】。传统的汽车排放 污染严重、燃油消耗量大，而电动汽车为解决这些问题提供了有效的途径。所 以，随着电子、材料、控制等高新方面技术的发展，电动汽车的发展也将得到 突破，势必会替代传统燃油汽车，成为未来重要的交通工具。 1 2 电动汽车概述 1 2 1 电动汽车的定义及其优点 电动汽车是指通过驱动电机把车载电源所存储的电能转化为驱动车轮的动 力，并且符合道路行驶安全要求的汽车。电动汽车与传统内燃机汽车最大的区 别在于驱动系统组成元件不同，电动汽车是用驱动电机取代传统燃油汽车的发 动机，驱动车轮滚动的动力能源由蓄电池或燃料电池提供。与传统汽车相比， 电动汽车自身具有许多优点，具体如下： ( 1 ) 电动汽车运行无污染、噪声低 电动汽车主要依靠电力驱动行驶，不会排出污染环境的有害气体，采用这 种交通运行工具能对环境保护和净化空气起着很重要的作用。而传统内燃机汽 车行驶时容易产生一氧化碳、碳氢化合物、n o x 、微粒等尾气污染物，这些极 易形成酸雨和光化学烟雾，给环境造成极大的污染。而且传统内燃机汽车在行 武汉理l ：人。硕十学位论文 驶时产生的噪声和振动比较大，尤其是加速爬坡时表现明显，因为产生的噪声 影响人的听觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫等系统，使人体不舒服。 ( 2 ) 电动汽车能源利用率高、多样化 由相关实验数据表明，在行驶相同里程的前提下，电动汽车所消耗的能源 成本比传统汽车要低。尤其是在城市道路行驶时，汽车行驶速度一般不高，经 常处于走走停停的状态，此时电动汽车的优越性显得更加明显。电动机具有能 源回馈功能，电动汽车在减速制动的时候一部分能源会得到回收再利用，减少 了能源的流失。根据相关研究资料，开发的原油提炼成汽油经发动机作用转化 为机械能这一过程中能量流失比较严重，而把开发的原油用作发电，产生电能 经电动机转化为机械能这一过程损失能量就相对少了，而且此种能量的转化方 式产生的二氧化碳也较少，有利于缓解温室效应乜1 。 另一方面，电动汽车主要依靠电力驱动车轮，而石油资源逐年减少对电动 汽车产业的发展影响较小。因为自然界存在着各种各样的可再生能源，随着技 术的突破这些能源町以转化为电能为电动汽车动力源蓄电池充电。而且夜间用 电量相比白天会低很多，可以在夜间用电低峰期给动力源充电，避开用电高峰 期，使电网负荷得到均衡，合理利用了电能，提高了充电安全性。 ( 3 ) 电动汽车构成部件简单、使用安全环保 电动汽车依靠蓄电池转化的机械能进行驱动，与传统内燃机汽车相比，结 构比较简单，传动部件较少，整车质量也较轻，维修保养比较方便。此外，电 动汽车排放无污染，不需要安装复杂的尾气净化装置和适时的进行尾气检测， 节省了费用，降低了运行成本。 ( 4 ) 电动汽车使用安全性高 电动汽车主要由蓄电池存储能源，通过电机转化为驱动车轮机械能，不需 装发动机和燃油箱，减小了整车质量，也能防止燃烧系统故障造成的发动机起 火以及车辆碰撞过程中油箱的爆炸，提高了汽车行驶安全性。同时，电动汽车 不用加放冷却水、添加燃油等降低了驾驶员工作的强度。 1 2 2 电动汽车的分类 根据驱动系统构成元件和能源的使用不同，可以把电动汽车分为纯电动汽 车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车这三类。 1 纯电动汽车 纯电动汽车是指行驶时所需的机械能全部由蓄电池存储的能源提供，而且 2 武汉理。i ：人学硕十学何论文 动力性和一次充电续驶里程能满足一定行驶工况要求的车辆。目前，纯电动汽 车受续驶里程的影响主要运行在城市工况。常用作纯电动汽车储能的蓄电池主 要由铅酸电池、镍氢电池以及锂离子电池。蓄电池的容量对电动汽车续驶里程 起着关键性的影响，蓄电池的容量越大对蓄电池技术要求也越高，由于蓄电池 技术的发展受到限制，这成为制约纯电动汽车被广泛应用。此外电动机控制系 统的开发、新型材料在车身上的应用、电池管理系统的设计以及蓄电池充电配 套设施等关键技术都影响着纯电动汽车的整车性能和推广应用。 2 混合动力汽车 所谓混合动力汽车是指车辆配备有两种提供动力源的装置，一种是热动力 源，主要由汽油机或柴油机组成，另外一种是电动力源，包括蓄电池和驱动电 机。由于装备的电机可以驱动车轮行驶，这样动力系统就可以根据整车行驶的 实际工况需求灵活的控制，同时发动机可以工作在性能最佳的区域范围内，达 到节能减排的目的。目前，混合动力汽车主要采用串联式、并联式和混联式三 种不同的混合动力系统。 ( 1 ) 串联式混合动力系统在传统内燃机的作用下，把发电机发出的电能由控 制单元提供给蓄电池，通过电动机把蓄电池的电能转化为驱动车辆行驶的动力。 在这种动力系统工作下，发电机发出的能源和驱动电机实际需求的能源可以由 蓄电池调节，确保汽车正常行驶。 ( 2 ) 并联式混合动力系统由传统的内燃机驱动和电动机驱动两套驱动系统 组成，这两个动力来源系统根据实际的行驶工况不仅可以在控制系统作用下协 调工作，还可以独自运转驱动汽车行驶1 。尤其是当汽车行驶在城市繁华道路上 可以关闭发动机，仅依靠蓄电池单独驱动，减少了发动机所排出的尾气对城市 环境的污染。 ( 3 ) 混联式混合动力系统主要是内燃机驱动系统和电动机驱动系统都具有 机械调速装置，这两套装置在齿轮系作用下结合在一起，达到协调电动机和内 燃机二者之间的转速。 3 燃料电池电动汽车 燃料电池电动汽车是依靠氢气、甲醇等可燃气体为燃料，发生化学反应， 在电动机作用下把化学能转化为动能从而驱动车轮滚动的汽车h 1 。燃料电池在发 生化学反应过程中基本上不产生对环境和人体有害的物质，因此燃料电池电动 汽车是一种清洁环保的交通工具。而且燃料电池发生反应时能量转换效率是内 燃机的3 4 倍，从能源的利用和环境保护两方面考虑，燃料电池电动汽车的发 3 武汉理一l ：人学硕十学位论文 展也是有必要的。目前，氢气和氧气分别被用作燃料电池电化学反应用的还原 剂和氧化剂，而氢气的供应和储存比较困难，这增加了开发燃料汽车的难度。 综合考虑以上三种电动汽车，与混合动力汽车和燃料电池电动汽车相比， 纯电动汽车组成零部件较少，驱动系统相对简单。因此本文主要针对纯电动汽 车这种电动汽车类型进行研究。 1 3 国内外纯电动汽车的研发现状 1 3 1 国外纯电动汽车的发展 2 0 世纪6 0 年代以后，由于汽车的普及，汽车排放的有害气体严重污染大气， 直接威胁人类的健康和赖以生存的环境。2 0 世纪7 0 年代以来的石油危机唤起了 人类对有限石油资源的关注，电动汽车的研究开发得到重视，国外著名的汽车 公司不惜投入巨大的人力物力来研究、试验、试用电动汽车，并制定了相关的 法规政策来推动电动汽车的发展。 1 美国纯电动汽车的发展 美国的汽车历史发展悠久，技术也比较成熟，它们对电动汽车的研发比较 早，也取得了一些研究成果。9 0 年代初期，通用汽车公司就在在洛杉矶展出了 第一辆纯电动概念车e v - 1 。该车由三相交流感应电动机驱动，装备有高容量铅 酸电池和镍氢电池，最高行驶车速为8 0 k r n h ，充满电时间仅为6 小时，一次充 电可以行使7 5 - - 1 3 0 公里瞄1 。至今，美国z a p 公司已经累计生产和销售各种纯电 动车辆十多万辆，其中，2 0 0 7 年该公司研发出一款名为z a p x 的新概念纯电动 紧凑型s i s v ，该车全铝车架，全轮驱动，最高车速可达2 4 0 k m h ，续驶里程为 5 6 0 k m ，尤其是加速性能很好，经测试从静止加速到9 6 k m h 的时间仅为4 8 s 。 为了加速传统汽车业务的转换和再造，开发出更加节能的汽车，福特汽车公司 采取了纯电动汽车市场导入和支持在美国境内建造基础充电设施的强力措施， 并且在2 0 1 1 年推出了一款以锂离子为动力电池的纯电动轿车。2 0 0 7 年通用汽车 公司研发的雪佛兰v o l t 概念车的量产版在2 0 1 0 年下线，还有目前已进入实车研 发阶段的赛欧电动概念车，该车将于2 0 1 3 至2 0 1 4 年之间实现量产。另外，纯 电动版本的雪佛兰s p a r k 微型轿车，也将于2 0 1 3 年开始在美国和全球市场进 行选择性的限量销售。 此外，美国政府也采取相应的措施支持纯电动汽车的发展，加利福尼亚州 j 下计划建造全美首个电动汽车充电网络，其总投资为l o 亿美元。根据规划，为 4 武汉理i ：人学硕十学位论文 了方便电动汽车驾驶者随时充电和更换电池，在2 0 1 2 年底，在旧金山、奥克兰 等城市的所有居民区、商厦、停车场将完成电池充电站和更换站的安装。 2 日本纯电动汽车的发展 日本石油资源短缺，为了占领未来汽车市场，非常重视纯电动汽车的研发。 其主要汽车公司如三菱、日产、丰田、本田为了在激烈的汽车市场竞争中占有 一席之地，投入大量的人力和物力进行电动汽车研发。三菱从2 0 0 9 年开始在日 本销售纯电汽车i m i e v ，2 0 1 0 年以后还出口到美国和欧洲，据测算，如果使用 夜间给其蓄电池充电，其使用成本不到传统汽车的1 1 0 。2 0 1 0 年日产在日本和 美国市场推出一款装备锂离子电池的纯电动轿车，其性能非常优越。丰田汽车 公司一直固守混合动力市场，2 0 1 0 年也推出了纯电动汽车r a v 4 一e v ，它具有“零 污染和低维护的优点，在市内道路行驶条件下，最高车速可达到1 2 5 k m h ，一 次充电后的续驶里程达到2 1 5 k m 。本田汽车公司也不甘落后，计划将于2 0 1 2 年 实现按照“零污染 的高度环保性要求来设计的纯电动汽车e v - p l u s ，它采用镍 氢蓄电池和永磁无刷电动机，整车性能良好，其最岛车速为1 3 0 k m h ，充一次电 可行驶2 1 0 k m ，电力消耗为1 3 0 l ( w l a ：l l 。 3 欧洲主要国家纯电动汽车的发展 欧洲国家各政府对发展新能源汽车项目也很支持，目前法国是世界上电动 汽车推广普及最好的国家之一，标致一雪铁龙与雷诺两大汽车公司一直在积极研 制纯电动汽车，早期研发的纯电动汽车主要有标致1 0 6 、雪铁龙a x 、雷诺c l i o 等，主要用作商业运行，拥有了大量客户。2 0 0 7 年，法国电池生产商b o l l o r e 与 意大利p i n i n f a r i n a 汽车设计公司建立合资企业，生产纯电动汽车b z e r o ，计划年 产量1 5 万辆，并与2 0 1 0 年开始在欧洲、美国销售，该车在城市工况下一次充 电的续驶里程达2 5 0 k m 。 随着能源问题和减排压力的增加，德国纯电动汽车的研发具有悠久的历史。 1 9 9 0 年宝马公司发布了纯电动汽车e v l ，2 0 0 8 年1 1 月还发布了纯电动汽车 m i n l l ，该车采用锂离子动力电池，续驶里程超过2 0 0 k m ，最高车速达到1 5 2 k m h 。 同时，目前宝马正在基于宝马l 系轿车开发一款纯电动汽车，该车命名为c i t y e l e c t r i cs p r i n t e r ，将于2 0 1 2 年底发布。最近，为了推动纯电动汽车的发展，满 足已经投放市场应用的奔驰s m a r t 纯电动汽车和其他电动汽车的充电需求，戴姆 勒汽车集团也与德国能源公司合作将在国内的主要城市完善电动汽车充电设 施。 意大利为了减少大气污染，早在2 0 世纪8 0 年代末就建立了电动汽车车队， 武汉理。r 人学硕十学位论文 投入5 2 辆电动汽车进行试验，这些车均采用铅酸蓄电池。在2 0 1 0 年底特律车 展上，菲亚特纯电动汽车5 0 0 b e v 亮相，该车采用功率为2 2 k w 的电动机驱动， 动力电池为锂离子，其最高车速可达9 6 k m h ，对该车使用专用充电站充电，电 池充满仅需5 h 。 1 3 2 国内纯电动汽车的发展 随着我国汽车保有量的逐年增加导致石油短缺环境恶化，我国政府也开始 重视电动汽车的研发，为了在未来汽车市场竞争中立于不败之地，各大汽车厂 商联合相关高校和科研机构对电动汽车关键技术进行研究以取得突破。“八五 期间，国家计委和科委正式把纯电动汽车项目列为国家研究和攻关计划。“九五 期间，纯电动汽车又被国家科技部列为国家重大产业工程项目，通过努力纯电 动汽车的开发取得很大进展，国家电动汽车运行示范区得到建立。同时，依靠 国外先进技术和政府的扶持，我国成功开发了第一辆具有完全自主知识产权的 纯电动公交车b j d 6 1 0 0 e v ，并完成了三年的运行示范载客试验。 “十五”和“十一五”期间，把电动汽车作为产品研发的方向，发展适于 我国实际国情需要的纯电动汽车，把城市公共汽车作为重点，使纯电动汽车的 商业化得到了稳步推进。通过“十五以来的着力攻关研究，我国围绕纯电动 汽车逐步形成了一个品种多样化、相关配套能力强的产品技术链，并且在动力 电池使用方面克服了安全可靠性能、快速充放电性能等技术障碍，技术趋于成 熟。通过企业、高等院校和科研机构的强强合作，我国建立了纯电动客车的研 发基地，经过在北京、武汉、杭州等城市示范车俩以及北京奥运会期间纯电动 客车的运行表明，我国在纯电动客车的研发方面已经到达了国际领先水平。 在2 0 0 6 年北京国际汽车展上比亚迪汽车公司又推出了纯电动汽车f 3 e ，该 车采用额定容量为1 2 0 a h ，工作电压为3 1 0 v 的锂离子电池为动力源，其整车性 能接近传统燃油汽车，最高车速可达1 4 0 k m h ，最大续驶里程为3 5 0 k m ，从静止 加速到1 0 0 k m h 所用时间为1 3 5 s 。此外，用于该车的锂离子电池使用循环寿命 较长，而且可进行快速充电。 2 0 1 0 年长安汽车公司在深圳国际车展上展出长安奔奔l o v e 纯电动轿车，该 车是在长安“奔奔”小型乘用车平台上搭载性能较高的锂离子动力电池以及比 较先进的电动汽车动力总成系统进行二次开发的纯电动轿车。奔奔l o v e 纯电动 汽车根据市场需求，把研究核心技术当作企业的立足之本，把提升产品质量作 为企业发展的关键，是长安汽车公司在打造新能源轿车自主品牌上的一款杰作。 6 武汉理l ：人学硕士学位论文 该车采用永磁同步交流电动机，充满电最大续驶里程可达1 0 5 k m ，最高车速为 1 2 0 k m h ，百公里加速时间仅为1 6 s ，最大爬坡度为2 0 ，这些性能满足日常行 驶工况需求。 2 0 1 l 东风自主研发的纯电动微轿e j 0 2 在上海车展东风展台新车发布会上全 新亮相，该车续航里程可达1 1 0 - - 1 8 0 公里，最高时速超过8 0 公里，专为城市上 班族代步而设计，轻巧而易驾驶。 目前，随着人们对环境保护力度的加大，为了在汽车市场上占有一席之地， 国内各大汽车企业也不断推出自己的纯电动汽车品牌。作为国内首家提出要把 电动汽车投入量产的合资企业，东风日产公司也将于2 0 1 2 年推出纯电动汽车 l e a f 聆风，该车充电便利，充满电一次续驶里程可达1 6 0 k m ，非常适合城市道 路驾驶。此外这款纯电动车运用了输出功率可达8 0 k w ，最大输出转矩为2 8 0 n m 的同步交流电动机，在行驶过程中整车动力性能几乎可以和传统中小型燃油汽 车相媲美。 电动汽车的普及是城市建设发展的需要，根据汽车产业的“十二血”规划 要求，北京市政府出台了关于以私人名义购买纯电动汽车的车主无需摇号可直 接购买上牌的政策，这一政策的实施不仅解决了买车上牌比较难的问题，还极 大地促进了国内纯电动汽车市场的发展1 。此外，也希望政府在考虑城市规划建 设时建造更多的电动汽车充电站，方便更多的电动汽车车主快速充电，为电动 汽车的普及推广做出应有努力，同时更好的响应汽车产业的“十二五 规划要 求。 相信在不久的将来，通过政府的扶持，汽车企业和高等院校科研单位的强 强联合，我国电动汽车的研发创新能力将有一个质的飞跃，达到世界领先水平。 1 4 纯电动汽车关键技术 纯电动汽车的主要特点是装备有动力电池组储能式电源，通过唯一的驱动 元件电动机驱动。制约纯电动汽车发展的关键技术主要有：电动机选型及其控 制、蓄电池选型及能源管理、传动系统布置及其相关参数匹配、整车控制及新 型材料在减轻整车质量方面的运用等。“。 目前，驱动电动汽车行驶的电动机和传统汽车上的内燃机的功能很相似， 它具有特殊的性能，是影响电动汽车发展的关键部件之一。电动机影响电动汽 车的整车动力性。首先要求电动机应具有高转速，较宽的调速范围且启动转矩 7 武汉理_ r ：人学硕十学位论文 要足够大的功能，此外从整车轻量化和工作效率两方面考虑，要求电机的质量 小、能量转化效率高。早期，直流电动机常用作电动汽车的驱动电机，随着电 动机技术的发展，交流电动机、开关磁阻电动机、永磁电动机这三类电动机在 电动汽车上得到运用。为了满足电动汽车的性能要求，现在电动汽车上选用的 电动机已慢慢趋向于转矩响应快、调速范围比较宽、功率密度高。 随着电动机及控制技术的发展，控制系统逐步趋于数字化和智能化。模糊 控制、自适应控制、神经网络控制、遗传算法等各种智能控制技术将会在电动 汽车的电机控制系统中得到广泛应用哺1 。利用电动汽车的再生控制系统储存能 量，节约了能源，提高了能量的利用率，通过此系统可以充分利用有效的蓄电 池能源增大汽车的续驶里程。 蓄电池是电动汽车的主要动力源，是制约电动汽车发展的关键因素。蓄电 池的质量、体积及其存储的能量对整车动力性能和续驶里程有着很大的影响。 纯电动汽车的车用电池要具有比功率大、比能量高、使用成本低、循环寿命长、 安全性好等特点。但是，目前常用蓄电池的能量密度较低，质量较大，续驶里 程较短，成本过高，循环使用寿命较短，而且安全性不可靠。为了使电动汽车 的发展得到突破，需要开发出具有比功率大、比能量高且使用寿命较长的属性 的电池。发展至今，纯电动汽车的车载能源电池已经经过了三代的发展，而且 技术得到了突破使电池性能得到不断提升。第一代是铅酸蓄电池，因为其具有 比能量较高、成本低和高倍率的充放电功能，一直在电动汽车上仍被采用。第 二代主要包括镍氢、镍镉、锂离子等碱性电池阳1 。碱性电池具有较高的比功率和 比能量，因此碱性电池更能满足电动汽车行驶时动力性和经济性的需求，但缺 点是使用价格较高，因此还需要对碱性电池进一步的研究以降低电动汽车运行 成本。第三代是燃料电池，燃料电池能量转换效率和比功率都比较高，燃料电 池结构也较简单，工作平稳可靠，采用一定的方法还可以对它的反应过程加以 控制使转化过程可以还可以持续进行。但是燃料来源单一，而且还要求对单体 电池进行严格密封，导致造价较高，此外还需要配备辅助电池系统。因此燃料 电池用作电动汽车的动力源是不理想的。 实现车辆网络控制，使电动机能更好地利用有限的车载能源，对提高续驶 里程、整车控制以及车辆轻量化技术起着重要的影响。车辆控制技术不仅能够 解决汽车电子线路复杂和电路线束增加的问题，还可以实现网络通信和资源共 享。汽车技术研究的内容之一是整车轻量化技术，通过减少整车质量可以有效 提高电动汽车的续驶罩程。 8 武汉理i ：人学硕士学位论文 1 5 论文研究的目的和意义 纯电动汽车要想代替传统燃油汽车的地位，不仅要具备符合道路行驶法规 的要求，还要具有良好的动力性、经济性以及驾驶的操作方便性。电动汽车是 一个涉及多个学科的复杂的系统工程，通常由最高行驶速度、最大爬坡度、加 速时间、续驶里程等指标评价纯电动汽车整车性能，这些设计指标的能否实现 与驱动系统有着密切的关系，而驱动系统设计是纯电动汽车的关键技术之一， 因此必须解决动力驱动系统的优化设计问题，才能提高整车的性能。 驱动系统储存能量，进行能量转化和传递，对纯电动汽车整车性能有着至 关重要的影响n 引。纯电动汽车驱动系统主要有电动机、控制器、蓄电池、变速 器以及主减速器等关键部件组成。纯电动汽车驱动系统结构如图卜2 所示。 颦轮 图1 2 驱动系统结构图 当设计一个纯电动汽车的驱动系统参数时，主要是根据整车动力性和续驶 里程的要求，确定电动机参数、蓄电池参数以及传动系传动比参数。蓄电池性 能直接影响纯电动汽车的续驶里程，电动机功率参数和传动系统参数的合理匹 配影响整车动力性。本文结合企业预研纯电动汽车项目，以整车动力性和续驶 里程要求依据，选择元件设计纯电动汽车的驱动系统，并利用a d v i s o r 仿真软 件建立整车模型和模块模型，选择工况进行仿真实验研究，验证驱动系统元件 选型和参数设计是否合理，这为国内纯电动汽车驱动系统的设计提供理论依据 和研究方法，有利于纯电动汽车的发展和普及。 1 6 本文研究的主要内容 目前，纯电动汽车还没有被推广使用，处于不断改进和试运行阶段。电动 9 武汉理一f ：人学硕十学位论文 汽车必须要在蓄电池的技术开发，驱动系统效率的提高等方面取得突破，才能 全面取代传统燃油汽车口。为了提高纯电动汽车的续驶里程和动力性能，本文 对纯电动汽车的研究内容如下： ( 1 ) 纯电动汽车驱动系统的结构分析。研究纯电动汽车的结构，并对动力驱 动系统的关键组成部分蓄电池、驱动电机、传动系工作特性进行分析。 ( 2 ) 纯电动汽车驱动系统关键元件选型与设计。探讨蓄电池、驱动电机和传 动系布局的合理选型以及驱动系统关键部件之间的的匹配。 ( 3 ) 纯电动汽车建模与性能仿真分析。利用a d v i s o r 仿真软件建立所设计 的整车及各模块模型，在不同行驶工况下对其动力性和经济性进行仿真试验， 并分析所设计的该车的最高车速、加速性能、最大爬坡度以及续使里程是否满 足其性能指标的要求。 ( 4 ) 纯电动汽车驱动系统参数优化匹配。考虑动力性能、续驶里程、整车质 量与a d v i s o r 仿真软件相结合，对驱动系统进行优化，使其在满足整车性能的 前提f 驱动系统使用成本较小。 1 7 本章小结 本章介绍了电动汽车研发的时代背景及其必要性；介绍了电动汽车与传统 燃油汽车相比自身的优越性；介绍了国内外对电动汽车的研制状况；介绍了三 种主要的电动汽车形式并结合各自特点选取纯电动汽车作为研究对象，此外还 分析了纯电动汽车发展需要解决的关键技术。目前，纯电动汽车存在蓄电池比 较昂贵、一次续驶里程较短、充电时间长、驱动电机的效率不高、传动系能量 损失较多等关键性问题，针对这些问题对纯电动汽车动力驱动系统展开研究， 使驱动系统各主要部件之间的参数合理匹配，以此提高纯电动汽车的动力性和 经济性。 1 0 武汉理j ：大学硕十学位论文 第2 章纯电动汽车驱动系统结构及元件特性分析 目前的纯电动汽车的结构形式主要通过两种方式开发设计的：一种是对传 统内燃机汽车进行改造，用电力驱动系统代替发动机，由蓄电池提供动力源的 电动汽车；另一种是基于全新设计的具有独特性能的电动汽车。不管采用哪种 结构，纯电动汽车设计时都要有驱动系统、能源和辅助子系统，其中驱动系统 是电动汽车的核心，它通过电动机将存储在蓄电池中的电能高效转化为车轮的 动能并且在下坡或减速制动时能进行能量回收；能源为电动汽车的驱动电动机 提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置使车轮滚动，一 般采用动力电池；辅助子系统的设计一般是为了提高整车的操纵性和乘坐舒适 性12 i 。 而电动汽车的整车性能通常由其加速时间、最高车速、爬坡能力以及续驶 里程来评价，在纯电动汽车驱动系统设计中，电动机参数、蓄电池组参数和传 动装置传动比参数是为满足这些性能要求首要考虑的问题，因此需要分析电动 机、蓄电池以及传动装置的特性。通过分析选择合适的电动机型、蓄电池类型、 传动装置布置形式，根据整车性能要求，进行相应的参数匹配，使其性能达到 最优。 2 1 纯电动汽车传动结构介绍 纯电动汽车是完全用电动机取代发动机驱动的，而电动机驱动与发动机相 比有两大技术优势：一是由于发动机能高效产生转矩时的转速被限制在一个较 窄的范围内，为此需要通过复杂的变速机构适应这一特征，而电动机可以在相 当宽广的速度范围内高效地产生转矩n 引。二是电动机实现转矩的快速响应性指 标比发动机的高很多。由于纯电动汽车是单一依靠蓄电池作为驱动能源的汽车， 存在能量不富裕的特点，因此采用合理的能量传递结构布局来发挥驱动电机的 优势及其重要。 2 1 1 纯电动汽车对传动结构布置的要求 纯电动汽车的结构形式合理与否直接影响能量效率的传递。纯电动汽车的 良好运行状况需要传动装置的设计具有以下功能： 武汉理i ：人学硕斗：学位论文 ( 1 ) 能够实现减速增矩，保证纯电动汽车在各种循环工况下行驶时所需要的 牵引力，并且传动系各部件的安装要协调降低车辆行驶时传动系统产生的噪声。 ( 2 ) 通过传动装置传递给驱动车轮的能量损失要少以提高能量传递效率，增 大纯电动汽车的续驶里程，保证汽车运行时符合动力性要求的能量。 ( 3 ) 由于实际行驶工况的约束限制，汽车在运行过程中通过传动系的作用能 够实现汽车变速、两侧驱动轮差速行驶以及必要时中断动力的传递n 引。 2 1 2 纯电动汽车结构布置形式 由于电动机驱动的灵活性可以有多种组合方式，按驱动能源传递方式来分 类归纳出典型的基本结构主要有四种见图2 1 ：传统的驱动模式如图a 、电动机一 驱动桥组合式驱动方式如图b 、电动机一驱动桥整体式驱动形式如图c 、轮毂电机 分散式驱动形式如图d 。因为汽车在转弯行驶时，外侧车轮的转弯半径比内侧车 轮的要大，所以需要通过装备差速器以此适现左右两侧车轮不同转速的需求。 图a 和图b 两种布置形式需要采用具有行星齿轮结构的机械式差速器，图c 结构 布置可以采用机械式，图d 布置形式可以实现电子差速控制。 1 电动机2 控翻器3 变速嚣4 传动轴5 驱动轮6 后柝1 控制墨z 电动机3 驱动轮4 传动箱体 ( a )( b ) 1 辣剃器2 电动机3 驱动托 1 控制器2 轮毂电机3 驱动轮 ( c ) ( d ) 图2 1 四种典型的驱动结构 1 传统驱动模式 如图2 一l a 所示，它与传统汽车的驱动布置模式类似，由电动机代替发动机， 仍采用内燃机汽车的传动系统布置结构方案，包括离合器、变速器、传动轴和 1 2 武汉理j ：人学硕 学位论文 驱动桥等总成。其工作原理与传统汽车类似，通过离合器用来切断或接通驱动 电机到驱动车轮之间的动力传递，变速器由一套具有不同速比的齿轮机构构成， 驾驶员根据实际行驶工况需求选择不同的档位，使汽车在低速爬坡时车轮能够 获得大转矩低转速以适应爬坡能力的需要，高速行驶时车轮能够获得小力矩高 转速以适应最高车速行驶的需要n 副。由于电动机可以调速，变速器的结构可以 相应简化，档位数有两个就能满足行驶工况，倒挡可以利用电动机的正反转来 实现。而且这种驱动模式发展较早，技术比较成熟。 2 电动机一驱动桥组合式驱动方式 如图2 1 b 所示，该布置形式取消了离合器和变速器，把电动机、固定速比 的主减速器和差速器集成为一个整体，它通过固定速比的减速器来放大电动机 的输出转矩，没有可选的变速档位，也就省掉了离合器。这种布置形式虽然机 械传动结构紧凑，传动效率高，便于安装，但对电动机的要求较高，不仅要求 电动机的起动转矩比较高，以保证电动汽车起步加速的动力需求，同时还要求 具有较大的后备功率，以满足电动汽车的爬坡能力需求。 3 电动机一驱动桥整体式驱动形式 如图2 一l c 所示，该布置结构把电动机直接安装在驱动半轴上，通过电动机 的直接控制系统实现变速和差速转换，使其结构紧凑，传动效率较高。但这种 布置形式对电动机调速和转矩调节范围要求交高，对电动机的性能和控制系统 要求较高，使其系统结构变得复杂。 4 轮毂电机分散式驱动形式 如图2 1 d 所示，轮毂式电机直接装在汽车车轮里，它主要有两种结构形式： 一是内定子外转子结构，其外转子直接安装在车轮的轮缘上，因为不通过机械 减速，通常要求驱动电机为低速力矩电动机；二是用常见的内转子外定子结构， 其转子作为输出轴与固定减速比的行星齿轮变速器的太阳轮相连，而车轮轮毂 与其齿圈相连，它能提供较大的减速比用来放大其输出转矩。此种驱动模式可 以大大缩短从电动机到驱动车轮的传递途径，增大了汽车整体布局的有效空间， 提高了乘坐舒适性，但是这种布置形式对电动机的强度和控制精度要求较高。 2 。1 3 本文纯电动汽车基本结构选型 综合考虑以上四种形式，本文采用传统的机械驱动布置形式。针对目前国 内纯电动汽车大多是在传统内燃机的基础上改装设计的，而仅仅通过把传统内 燃机汽车的发动机和燃油箱更换成电动机和蓄电池储能元件，变换一些辅助控 武汉理j ：人学硕十学何论文 制系统就想获得满足整车性能指标的纯电动汽车是不可能实现的，它还需要选 择合适的电动机型、蓄电池类型、传动系布置，根据动力性