（车辆工程专业论文）滑板式燃料电池电动汽车的仿真与建模.pdf

武汉理工大学硕士论文 摘要 汽车自诞生已有一百多年的历史，这种现代化的交通工具给我们带来了 便捷，也带来了污染，同时燃油汽车也消耗了大量的石油资源，环境问题、 能源危机已经摆在了人类可持续发展的面前。幸而，随着人类科技的发展， 电动汽车被事实证明是一个不错的解决方案，现在的电动汽车都有共同的特 征：保护环境，能源无污染或者污染少：高效节能，能源利用效率高。电动 汽车已经被认为是二十一世纪首选的清洁、高效交通运输工具。 燃料电池电动车( f c e v ，f u e l c e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 作为第三代电动汽 车，它由燃料电池作为动力源，它直接将燃料的化学能转变为电能，通过电 能驱动电机使车辆运行，只排放出水或极少的污染物，能量转化效率高，同 时还保持了传统汽车的加速快、极速高、续驶里程长等性能，成为电动车研 究开发的热点。在当今燃料电池电动汽车的发展中，燃料电池汽车的系统配 置、整车布置及驱动方式等关键技术的探讨和研究都是燃料电池汽车发展的 关键问题。因此，对燃料电池电动车的整车性能、驱动系统的结构、工作原 理的研究有着十分重要的意义。 本文主要介绍了动力系统中燃料电池、蓄电池、电机的主要类别和特点。 就武汉理：l = 大学和东风公司联合开发的燃料电池电动车( 6 0 k w ) 为研究对象， 在总体方案确定后，通过a d v i s o r p s a t 软件针对燃料奄池电动车的整车 性能进行了建模与仿真。运用u n i g r p h i e s 三维设计软件给出了滑板式底盘的 响j 截方案和电动车轮的设计方案。同时，本文还基于汽车理论和自适应控制 理论针对电动车轮的特性，使用m a t l a b 软件建立了电动轮的控制模型。 关键字：燃料电池电动汽车，滑板式，电动车轮 武汉理工大学硕士论文 a b s t r a c t v e h i ci ew a sc r e a t e dah u n d r e dy e a r s a g o ，w h i c h i sam o d e r n c o n v e y a n c e i tb r i n g su sc o n v e n i e n c ea n dp o l l u t i o na n dc o n s e sp l e n t y o fp e t r o l e u ma sw e l lt h ee n v i r o n m e n tp r o b l e ma n de n e r g yc r i s i sh a v e b e e ni nt h ew a yo ft h ec o n t i d o u sd e v e l o p m e n to ft h eh u m a ns o c i e t y f o r t u n a t e l y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ， e l e c t r i cv e h i c l ei sp r o v e dt ob eag o o dc h o i c ea n dap r o t e c t i o nm e t h o d f o rt h er e s e r v a t - i o no fe n v i r o n m e n t e l e c t r i cv e h i c l ei sc o n s i d e r e d t h em o s te f f i c i e n ta n dc l c a nc o n v e y a n c ei n2 1c e n t u r y ， f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ( f c e v ) i sc o n s i d e r e dt h et h i r dv e r s i o n o fe i e c t r i cv e h i c l e f u e lc o l li st h ep o w e rs o u r c eo ff u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l e ，w h i c hd i r e c t l yt r a n s l a t e st h ec h e m i c a le n e r g yi n t o e l e c t r i c i t y ，w h i c hi ss u p p l l e dt ot h em o t o rt od r i v et h ev e h i c l e f u e l c e l le l e c t r i cv e h i c l eo n l ye m i t sw a t e ro rl i t t l ec o n t a m i n a t i o na n d h a sah i g he f f i c i e n c y n e v e r t h e l e s s ，t h ea c c e l e r a t i o n ，s p e e da n d t r a v e l i n gd i s t a n c eo ff u e lc o l le l e c t r i cv e h i c l er e m a i nt h es a m eo f t r a d i t i o n a lv e h i c l e ，s ot h ef u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l eb e c o m e st h e h o t s p o to ft h ed e v e l o p m e n to fe 1 e c t r i cv e h i c l e w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ff c e va t lo v e rt h ew o r l d ，t h ek e yp r o b l e m so ff u e lc e ne l e c t r i c v e h i c l ea r et h es y s t e ma r r a n g e m e n t ，v e h i c l ea r r a n g e s e n t ，d r i r i n g m e t h o da n ds oo n s ot h er e s e a r c ho ft h ec a p a b i l i t yo ft h ev e h i c l e ， d r i v et r a i ns t r u c t u r ea n dp r i n c i p l ei sv e r yi m p o r t a n t ， t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ev a r i e t ya n dc h a r a c t e ro ft h ef u e lc e l l ， b a t t e r ya n dm o t o r t h ef u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ( 6 0 k w ) i n t r o d u c e d i nt h i sa r t i c l ei s d e v e l o p e db yd o n g f e n gm o t o rc o m p a n ya n d w u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y t h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l ei ss i m u l a t e d a n ds t u d i e db ya d v i s o ra n dp s 般。t h ea r r a n g e m e n to ft h es k a t e b o a r d a n de l e c t r i cw h e e la r ed e s i g n e db yu g b a s e do n t h e p r i n c i p l e o f v e h i c l ea n dc o n t r o lp r i n c i p l eo fs e l f - a d a p t a b i l i t y ，t h ec o n t r o l l i n g m o d e lo fe l e c t r i cw h e e li sm o d e l e d k e yw o r d s ：f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，s k a t e b o a r d ，e l e c t r i cw h e e l 武汉璎工大学硕士论文 第1 章绪论 1 。1 时代背景 自1886 年卡尔，本茨制造出世界上第一辆汽车以来，汽车已有l0 o 多年憨历史。这秘瑗代铯鲍交逶工其绘我爨攀亲便捷、舒适的犀彝重，逛带 给了我们各种污染，如废气污染、噪声污染和电磁污染等等，它们围绕在我 们周围，其中梵以蘸两秘最鸯严重，c02 我大量撑放，产生潺室效皮，导 致全球气候变暖。随着人类社会的进步，科学技术的发展，生活水平的提高， 入们对象活质熬的要求也越来越毫。缳护环境，节约淤的意识也越皋越强。 然而，燃油车辆的发展不仅加利了全球环境的污染，而且还消耗了大懿的石 油。据宿关资料调查，一般工救化城市中的空气污染约毒4 2 悬燃油窜辆排 放的尾气所制，而全球已探明帮油资源仅能开发使用4 0 多年。也就怒说， 照此下去再过40 多年，汽车就无油可用，全世界就光车可用。 谣对环境问题、能源危机，人类融经作出了努力的探索。搴实证明电动 汽车就是一个不错的解决方案，现在电动车有多种多样的形式，但是玄们都 有着共闻的特征：保护环境，能源无污染或者污染少：离效节能，能源的利 用效率离。理想化的电动车，可以用氯作为能擞源，由h2 和02 发生化学 反应产生电能驱动汽车，效率离能量密度大丽鼠反应烈产生承，对环境无污 染，所滞的氢则可由水力、太阳能、风力及核能等等自& 源提供。然而，这一 切还膏簇予科技的进步，解决蒸中兹实雳纯随题；可豢的是，我们在大街上 已经可以看到电动车的麝影，电动车融烃开始逐步取代传统汽车了。 因此，电动车除了传统汽车豹功潮外，其凝大酶特征就魑节能和环傈。 人类与环境共存和保护全球经济的可持续发展的美好愿望必将推动电动车 瞽及馒糟及萁发展。 世界上各个发达瞽家无一不是政府的法授弓l 导、政策扶持和国家计划， 大力笈浸电动汽车；同辩国井的各大汽率厂商墩是采麓多种多样酶形戏发震 自己的电动车项目，已期在未来的国家发展和企业竞争中取得优势地位。 电劝车辆粲机电纯等各学季萼领域串静最新技术与一体，燕汽车、魄力拖 武汉理工大学硕士论文 动、智能控制、化学电源、计算机、新能源、新材料等工程技术最新成果的 集残产物，开发电韵汽车怼秘学援本忍莺甍经济爱袋将起戮巨大静带动榫 用，为国家带来巨大社会和经济效益。 为逶应交纯逐速熬枣殇需求，握麓竞争力，瓒代企垃必须解决t q c s 闯 题( t i m et om a r k e t ，q u a l i t y ，c o s t ，s e r v i c e ) ，而这又是当前产品开发与原 型王其掰不昊誊靛。嚣筵，系绫建摸帮镜真磷究显撂椿舞重要。逶遭建立鼗 学模型并对实际情况进行彷真分析，而不需生产实际产品，将产品在计算机 上缮以本矮传瑷。具蠢舞度集戏，嵌遴成型，分表会终戆薅鬣。这些特征不 仅便于灵活的调整设计方案，优化设计参数，而且可以降低科研费用，缩短 开发髑麓。计冀凝骥韵设诗成为解决t q c s 闼鼷强毒力的手段。c a d 技零与款 科学及蕻他相关技术的结合将加快高附加值产品的产业化进程，给整个社会 带来毅蛇经济壤长。 就我国的现状而言，我国正出在缀济的犬发展时期，人口、环境、资源 一个处遴不好，酆会产生重大戆影响。终荧发震孛莺窳载中嚣嚣监着发展经 济和保护环境的双重任务，而中国经济的发展，直接罨致了环境的污染和资 源的大爨滇耗。其中，汽车就是城市懿污染和蠢油的游艇鲍主要原因，戈了 实现可持续性发展，推广电动荜的使用已是势在必行。同时，中国的汽车工 业在传统汽车领域里已经大大落后于发达国家，两电动车的发展无疑怒汽车 发展的又一个新浪潮，机会就猩眼前，为了在朱来国家的竞争中赢得优势， 中国人应该抓健这一潍褥的桃会。 1 2 汽车的主要发展方向 2 1 传统汽车 1 8 8 3 年，德国人戴姆勒在舆托的四冲程往复活赛戏煤气梳的基础上发暖 的压缩比较大和转速徽离的汽油机。判1 8 8 6 年，世界诞生了第一辆由戴姆 勒制造的四轮汽油车。 石油资源的开发利用推动了燃油汽车的技术进步，相对予电动汽率昂贵 的侩格秘较短鲍行驶跋离，燃浊汽车( 汽浊内燃规与綮浊内燃枫) 走泼时黪 人们掇供了价格更加便宜、行驶更可靠、便捷的交通工具，成为当时人人都 矗 武汉理工大学硕士论文 哄的起的汽车。 健统汽车及肉燃机技零经过百多年静发展，各方覆郡日趋成熟，发动机 的汽油赢喷技术、精确的电控投术、合理的自动变速器技术、新型轻爨化的 搴孝糕、诗葵援麓粒豹汽车设诗案l 造技本等等楚终传统汽车发矮戆基臻巍美， 熙重要的是基于传统汽攀的一整个生产制造、商业流通、基础设施及社会环 凌也 艮完善，巍l 源供疲状况没有明显瑟证之前，捷绞茂车是不哥l 遇出审 场。 ， 1 2 。2 混合毫动汽车 在传统汽翠的发展受到能源和环境的限制，同时纯电动汽擎的发展受至q 援寒和藏本凝瀚蹲，作为一种逸渡车辆嶷垄韵瀵合动力车辆豹骈究逐澎热超 来。特别是进入2 0 世纪9 0 年代随着电子技术及控制技术的发展，混合动 力车辆的研究进入高潮。混合动力车辆技术是在传统汽车和纯电动汽车技术 c i 句基础上发展起来的。 滢合动力鼙辆技零燕锋对传统内燃橇翡缺藤蘸| 弼魄漶，电税静调节俸用， 是传统内燃机的工作范围远离低效工作区间，从丽提高内燃极的总体工作效 率，并潢是车麓复杂行鼗工嚣麴要求。函筵不论是健蠲许么燃瓣内燃枫，混 合动力率辆技术都能很好的与之相适应，提高率辆的燃料使用效率。 混合动力邀动车辆技术苇用电驱动技术弥补传绞驱动技拳瓣不霆，蒹膏 两种车辆技术的长处而较小的依赖于幼力电池的性能和较少受制于现阶段 动力电漶数玲撩，姨悉窍效剥羯了传绞牵辍羲中年戆发展基辍l i 髑兰今壤涟、 电子及控制技术的技术避步，袭现出较强的技术适应性。然而，由于混合动 力车辆依然淡耗燃油，产生摊赦污染，糖对于未来世赛对清洁攀鳜的要求和 人类石油资源的有限性，混合动力车辆技术只是一种过渡性产晶，其过度性 取决于犍赛2 渡、环境状况数变化羁其缝车瓤技术特别是混合凌力皂赛技术 的发展。 。2 。3 缝毫赣汽车 正是世界环境污染的状况不断恶化的现状和人们对环境污染的忧虑，世 赛对电动汽车豹发展梳遇了浮望。 越来越严格的排放法规，给各国汽车生产商提出了新的挑战，使用传统 - 3 * 武汉理工大学硕士论文 的技术方法降低汽车排放面临越来越嵩的成本压力和控制难题，电动汽车由 于具有行驶孛豹零排放或趣低排放，艇够满足当今最严格的撵鼓法规的要 求，因而又一次得到汽车生产商的重视。 电凌事豹发展吏爨嫘旋上升豹历史。鼓1 8 3 4 苹荚鏊久这遗波黪在毒 兰顿城街上演示他自己制造的小电池率开始，电池车逐步发展，但由于性 憝鳇原嚣，簧绞汽车褥到了大发展，露现在由于上述漂因，电动车豹发展 又成为了热点。电动翠的发展商赖于技术的进步，尤其是进一步提高动力系 统静性麓，降低其成本，雨当蓊制绞噫动车发鼹最关键的阔蔻勰是电浊稷电 机。解决了这两个问题，完善电动车的动力系统，势必极大地推动电动车的 研究祁发展。 电动车最擞著的特点就是频繁地起停、加减速，而不是运行于某一恒速 下。对电动车性能的评价鸯三个重要参数：最高车速；充电一次熬续使里程； 加速性、过载能力和爬坡能力。一般情况下最高车速越高，车辆的加速性能 越好，过载能力积爬坡2 力越犬，丽充瞧一次续使里褪越短。 基于电动率的特点，要求起所使用的电机不仅要脊较高的瞬时功率和功 率密度( w k g ) ，以提赢车速，增大过载能力；还应有较高的赢低综合效率， 增加充电一次的续驶墼程。另外，电动车还必须坚固、可靠、价格低廉。 纯逛洼汽霉秘燃料连池汽车分别技月电能秘氢毙。电能帮甄毙的来源极 其广泛，电能可以通过传统的燃煤；燃气，燃油( 包括重油) 发电厂获得 也可以利用核能、水熊、风能、地热能、潮汐髓等可褥生能源获得，氛的制 取方法也很多，生物制氢、水解、醇类燃料的獯整等等。使用纯电动汽车和 燃料电池电动汽车的确可以有助于减小车辆对石油的依旗。减小污染物 ( c o 、h c 、n o x 、p m ) 及温室气体摊放。 对缒电池汽车释燃拳季电池汽车褥富，由予都能提供荦亍驶中黔零排艘，毽 而更加适合未来世界愈加严格的环保法规要求。氢能中# 为最有希望的未来能 源，燃料电池车辆似乎也成为最有希望的未来汽车，但由于燃辩电池技术复 杂，在其关键技术以及制氢、储氢等技术取得突破之前，燃料稳随车辆还有 很长一段路要悫。纯电动车辆作为最麓单的一种电动霉辆，由于受电池技术 的制约，其技术性能特掰是续驶里程逐远达不蓟传统车辆的水平，葡时由子 一茎堡望三奎鲎堡主鎏塞： 其离昂的电池价格导致车辆总成本居崭不下，极大地妨碍了纯电动车辆的商 业攫广。 纯电动汽率昂贵的价格和相对于传统车辆较低的性能妨碍了电动汽车 豹亵数化推广；同时，缝电动擎辆斡方便运器褥要鼓会凝建更多戆应惫充电 设施綦础设施不足，也妨碍了纯电动车辆的推广使用。虽然备国政府对纯 电动汽攀的贿买露使用提供缀多优惠黢策及汽车生产褒采用缀多掰的营镂 模式，如车辆出租，但电动汽率的市场销售依然很差。 露瞧池电动车受骜电池豹犍侩辕鼹骧割，近麓悫也难激取代传绫车辆 的主导地位，燃料电池汽车可以说是未来车辆冉勺发展方向，但燃料电池技术 走向成熬和傻翊更专铸对日，剑氢、髓惑、热熬技术鲍发震完藩也阻磷羞燃 料电池雄辆推广。 当令世雾，一些缎游实力较强，料技农乎鞍裹懿黧家旱就将星光集中在 电动汽车的麓展上。他们的电幼汽车的发展已由试运行阶段向推广应用方向 过渡；墨本从1 9 9 6 年嚣始向溅内用户提销藏黯车，憨量日本携丰墨靼本墨 公司采用镍氢电池的r a v 4 e v 和h o nd ae v 迨将进入北凝市场；美国从1 9 9 7 年开始向美国用户推销巍晶车；欧洲以法国为代表，橼志与雪铁燕集豳生产 的s a x o 的电动车从1 9 9 6 年起斑推向了市场；貔国十分重视电动车的研究和 开发，但中国的电动擎露前还处于研究阶段，只有少慧的电动公交车和专用 车试运营。广州市电动公司开发了混合动力公菸汽车，武汉理工大学开发了 混合动力轿车，上海交通太学_ 歼发了燃料电池攀等。 1 2 4 三种汽车的比较 练上所述，根据传统汽车、混合呶动汽车、纯电动汽车各自的特点作以 下比较，觅表1 i ： i 技术成本燃浊经济蛙污染排敷续驶里程发展蘸爨 传统汽率成熟低差差长差 溅合瞧动汽车爱震逐速较裹一般一簸一般一觳 纯电动汽率脊成熟高好好短好 武汉理工大学硕士论文 表1 1 三类汽车的特点比较 。3 本文采翔的技术路线、方法及英耄义 基干以上的分析，传统汽擎的发展将受到能源和环境的严熏限制：混合 亳裁汽车虽然蠢藿较努靛g 澡、嚣凌、技术及藏本翦平衡点，毽是由予鑫隽 的限制，混合动力汽车利用内燃机发电，以电力或内燃机动力混合驱动汽车 行装，魏越汽瀵充分燃烧，毒稠予绦妒繇凌，露餐然没毒姨攫本上解决污染 和油耗问题。混合电动率只会憋一种过渡性的产品；纯电动汽率无疑成为了 寒柬汽攀发展鑫冬主滠方囱，裁夔羲戆接寒发震壤嚣，誉毫邀技拳豹发麓莓着 储能比小的关键技术短期内无法实现突破，然而燃料电池技术的发展却取得 了飞速豹发展，燃料惫涟( f c ) 具鸯缒量转健率裹，燃辩多撵证，黪壤污 染小，噪音低，可靠性强，维修性好的优点，蔡反应过程不涉及到燃烧，能 量转化攀霹毫这8 0 ，实际馒髑效率怒簧逶内燃飒豹2 镶以上。基藏，质子 交换膜燃料电池( p e m f c ) 作为第5 代燃料电池由于鼠有能塞转化率商，低 温启动性好，无邀解质泄漏等饯点，被公认戈爨有希望成走电动汽车我理想 动力源。 燃料电池颦驰最犬优点是满洼、光污染，所排出蛉唯一废赛物是水分。 在全球环境保护问题备受关注的今天，燃料电池车作为“清洁牟”越来越受 到人们的重视。世界各太汽车厂商都认海，近期内真纛有可取代传统汽车 的清洁交通工蒜，也许只有燃料电池军。为此，他们纷纷敦健本国政绗制定 相应的产业政策。目前，美国、欧洲和臣本的汽车厂家都在加紧开发燃料电 池技术，预计3 + 4 年聪，燃料壤池车将达到批麓生产阶段，并投放市场。燃 料电池率在2 l 世纪初实现商业伲已不褥是梦想。 茵魏，基予以上事实叉根獭本人参与东风汽车公司与武汉理王大学的燃 料电池电动车开发项嗣所作研究工作，本文主要的研究对象为滑板式燃料电 泡电动车，论文静主簧研究内容分象为燃料龟涟汽车鹃往莪镄冀，潺扳式赢 盘的结构设计，电动率轮的研究。 燃料电港汽车静傍囊是奁a d v i s o r p s a t 软俘上完成鹣，滤辩嘏洼汽 - 6 - 武汉理工大学硕士论文 车的主疆部件为电机，鬻电池和燃料电池，在建模和仿真之前，必须对这三 个主要罄转懿糖类、工馋鼹理竣及建摸暴理鸯掰了髂。镑囊软辞 a d v i s o r p s a t 是当前比较先进的汽率仿真软件，特删是对擒合电动率、蓄 电浊电动汽车裁燃料电邀汽车豹性韪谚真。本文仿真戆重点奁于燃料魄渔电 动汽车添统的输入和输出，着麓对燃料电池汽车性能的分析。 在j c 尊燃料呶逸电动汽车蛇性能仿冀完成愿，进入? 燃料电池汽车舆体的 结构设计，在文中通过对滑板式汽车和电动车轮技术原理和结构的学习与理 熊，利用u g ( u n i g r a p h i e s ) 强大的三维实体邈模功鼹，建立? 滑板式汽车 底盘和电动车轮的三维数字模溅。 电动车轮三维模型的建立，必然鬻簧进行控制，文中基予汽车理论制定 了多个电动车轮间的协调控制藏略；綦于自适应控制联论，建立了单个电动 车轮的控制器，最后，应用m a t l a b 软件完成了电动车轮组( 4 个) 的协 调控制策略和嘏动车轮控裁器的建模。 武汉蠼工大学硕士论文 第2 簟燃料电池电动汽车的仿真 2 1 纯电动汽车的主要发展方向 2 1 1 薷电池电动汽车 蓄彀洼电动汽车以豢电涟德存毫熊，共可淡爱复突逛，垂魄链壤奄褪运 作驱动汽车。目前的电动车用电池多种多样，电动车早期主要使用铅酸电池， 其可靠憋好、艨檬料易褥、馀掺便宜，魄功率上基本瀵是电动攀斡动力性要 求，只怒它的比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电干予驶里程较短， 使鼹寿愈短：镶镊电漶魄量魄镪酸电池赢，霹快速兖瞧，德嚣使用海命较 长，但初置费用较高，特产生冀金属铺污染：钠硫电磁性能较好但是存在高 温腐蚀严重，电池寿命较短，热能不稳定，使髑安全性不太理想，福特公司 的m n i v a n 电动车就是使用这种电池：键电池的性能较好，但是价格太高， 不易普及使用；锌空气电池的比能量较离2 0 0 k w * h k g ，美国的c r x 呶动车 就是傻弼此种电池，但它也有鸯命短、眈功率小、不能输出大电流及难充电 等缺点；镍氢电池的单体电池陂急补充充电性能好，一次充电詹行驶里程长， 而且起动加速性能好，不会对周围环境造成污染，易维护，可弧在环境温度 - - 2 8 - 8 0 的条件下难常工作，循环寿命可达到6 0 0 0 次或7 年，l 壁在离 温条件下往角辩奄荷羹急尉下降，毒藏电损耗较大，价格较贵，综合魄较， 镍氢电池性能优良，实现性也较高，通用汽车公司将优先使用它发展电动车。 2 1 2 燃料电池电动汽车 燃料电池韪一种将存储的燃料和氧化剂的化学自e 邋过电极及应直接转化 为龟能的发电装置，它转换效率高，基本无污染，将燃料电池作为汽率的动 力源开发出汽率。 燃料电池汽车的开发涉及剽多学科多专业，凡乎粪括了应用电化学、材 料技术、电机技术、电力电子和机械学科的高新技术，对每一个部件既需要 控制又需要系统整合，辅助予糯应的软件并配禽科学的设计方法，需婺各个 开发部门的协调运作、合理的篱理，综合各个学科、专业，燃料电池汽车才 可能并发成功。区剐予传统豹内燃梳汽车，在汽车车身下燃辩电涟汽率豹主 武汉理工大攀硕士论文 要部件肖：燃料电池、储氢罐、电机、电机控制器、减速器、电池组及控制 器、蕈囱瓮戮交换爨、冷帮求箱、麓号调制器等，鲡銎2 - t 。 凝2 - 1 然辩毫漶汽车主要都 孛示意器 2 。 2 燃糕壤洼戆主婺类整 按电解质划分，翻前正开发的燃料电池童要有五太类j 减性燃料电池 ( a f c ) ，一般以k o h 必毫解震；磷酸燃辩电洮 6 0 物燃料电剂 池(2 珂用天然气或甲 烷燃料 熔融碳酸n o s 0 ， 6 5 01 可用空气柞氧纯 1 工作溢度过高 6 0 盐燃料电剂2 。启动慢 沲2 研用天然气或甲 烷燃料 质子交换霞子交换膜8 0 1 0 01 寿命长l ，对c d 非常6 0 膜燃料电2 可用空气作氧化敏感 池裁2 反应耪器翔热 3 窟温工作 4 魄功率大 5 崩动迅速 6 输出囊率莓陵意 调整 表2 1 各圭耍燃糕电滚豹特瞧鞋：较表 2 1 3 飞轮寇池龟蘧汽车 飞轮电池是一种用物理方法储能，荛国飞轮系统公司已改装了一辆克莱斯 1 m 武汉理工大学硕士论文 勒l h s 轿车，假飞轮电池的制造和使用都用困难，成本较高。 2 4 太阳栽电动汽车 太阳能电动汽车利用太阳熊电池撮供电能，电机驱动汽车，但是其成本 毫彝使髑有矮大翡隈裁。 2 2 燃料电池电动汽车的主要部件 2 2 1 质子交换膜燃料电池的工作和建模原理 2 2 ，1 1 质子交换膜燃料电池的工作原理 质子交换膜燃料电渔酌工作原理缬下： 1 质子交换膜燃料电池中燃料电极( 负极) 上产生的化学反皮方程式如下： 燃瓣极：h 2 _ 2 h + 2 e ( i ) 2 质子交换膜电池中氧电极( 正极) 上产生的化学反应方程戏如下： 氧气极：2 h + + 1 2 0 2 + 2 e t t 2 0 ( 2 ) ：质予交换膜燃料电池总的化学反应如下： 总体：h 2 + 1 2 0 2 一h 2 0 ( 3 ) 质子交换膜燃料电浊的工作原理图如下图2 4 ： r # l 量 图2 堪质子交换膜燃拳毒电池的王传鼹理图 燃料电池的运作原理( 如图2 - 4 ) ，也就是电池含商阴阳两个电极，分别 充满电撰渡，嚣两个电极闻则为具有渗透性的薄膜质构成。氢气由燃料电邋 的阳极进入，氧气( 或空气) 则由阴搬进入燃料电池。经由催仡剂的作用， 武汉理工大学硕士论文 晌还随负荷的变化而改变，而凤车用电机的电压一般较高，因此在燃料电池 系统毂壤塞漩经鬻配鬟d c d c 爵压交换器及按靠壤稳。 5 系统控制单元 为使质子交换膜燃糕电浚这静复杂熬系统嫒黠藏褒全、稳定熬工馋，控 制系统必须完成对上述蹈个小系统地会理控制，以实现燃料电池组与斋个功 能单元的协调工作。 2 2 i 3 燃树淑池的建模原理 建立燃料电池模型较为复杂，依攒燃料电池的工作机理，燃料电池得到 所需鹤率要求以后，曹先，燃料供给系统将决定商燃料电泡携供多少燃科， 这部分燃料产生的功率还要扣除燃料呶池本身消耗的功率，同时，还要考虑 燃料电沲电压和电流的交佬，燃孝车电滤的工僚又会带来热量，滚瘦静变化叉 影响燃料电池的工作状态，最殿，燃料的消耗又会产生摊放。于是，燃料消 耗与输窭功率，燃籍消耗与捧放 4 种薨 擅餐车1 1 - m 曩曩车 哞i 黛辑事中高域精隼 膏曩瓣苇 袭3 1 中阐汽车分类标准 2 ，按赘车构成方式 发动机前置、后轮驱动( f r ) 这是轿车采用的最普通的布置型式。由于牟室内地板止设计有变速箱积 传动掐的通道，影响了乘坐舒适性，不翻于熬车小型化和轻爨纯设计。 发动机前置、前轮驱动( f f ) 轿笮的这种布置鹜式，是，j 、型轿擎确保室内空阐宽敞的设计主流。 发动机后置、后轮驱动( r r ) 轿车的这种布置黧式与鞭丽群麓使室内赣亟板宽敞，毽由于发动枫布置 在整擎后部，敞行李舱( 行李箱) 布置在前部，而受车身前部造型以及前轮和 操缴税褐等静彩臻，使得行李舱容鬏露疆，黧图3 - i 掰示。 武汉理工大学硕士论文 如图3 ，1+ 整车构成方式 ( 2 ) 按有无车架分类 轿车结构可按有无车架分为有车架结构和无车架结构2 类。前者将发 动机及底盘各总成固定安装在具有整车长度的完整车架上，并且车身通过橡 胶悬置装置与车架连接，车架是整车承载的主体，又称为车身非承载式结构。 后者则是将发动机和底盘各总成直接安装在车身本体上，车身承受整车载 荷，又称为车身承载式结构。 3 按车身型式及使用性能分类 ( 1 ) 普通轿车 一般布置两排座椅，前座左、右分开，乘坐4 人一5 人，有2 门和4 门型式，是具有固定车顶的厢式轿车，如图3 2 所示。 武汉理工大举硕士论文 ( c ) 轻型疆羊 ( f ) 搬舒事 、圈3 2按车身裂式及使用性能的分类 ( 2 ) 大型商级轿车 、 擎隽奄要露分隽2 摊座裁3 撂痊2 静，冀最重要黪特点怒嚣座梵燕痉礴 是最佳乘坐位鬣。在驾驶员座与乘员鹰之间设有可升降的玻璃隔离装鬣，且 后座空闽宽敞，内馋裘华，设镰齐全，势摄据爨要设墨特殊装蘩敷安全装置， 4 乘坐6 人，8 人的黼式轿车。在高缴轿车的设计中必须明确，高级轿车并 j # 只求豪华，键决不可仅敛车辍鲍座位数、动力性、秧距与率长或室内设置 豪华稷度等某个指标为依据来称其为黼级轿擎，对高级轿车的要求是多方面 的，必须能镣会特殊鹩场合象熙需要。 ( 3 ) 轻型轿车 尺寸比普通轿车小，一般为两门廪，车离比较低，前座比后座要重视， 空间识眈詹座宽敞，怒前座为主座的轿车。 ( 4 ) 篷顶轿车 肇顶为可折叠式躺软篷。顶篷支汗对可形成完全封闭酌擎身，莉灞手动 或液压漫置将顶篷折叠缩放于行李舱前部的擎身内，便成为一辆敞篷轿车， 有2 门或4 门黧式。为提高稳率时匏滚全往，现代篷预轿车缳留部分车颈翮 武汉理工大学硕士论文 立柱。由于车顶是活动式的，车顶与侧窗处的密封性能应采取特殊的结构措 涟鸯瑟戳绦、疰。 ( 5 ) 硬顶轿车 姊鼹与硬溪赣车穰织，毽暴毒疆窥车矮，一般采翅金霪鼗整糕卷遮斡疆 车顶，有2 门溅4 门型式。与普通轿率相比，率项轻巧，且车门无窗框、车 薅中捩恶上部分，车身铡嚣遴逶感强，毽车身维耨剐瞧不如蛰通赣车好，密 封性能要求高。此外，将有中楗上部分而无车门窗框的厢式轿车称为有中柱 的硬顶轿车。 ( 6 ) 旅行擎 多为普通轿车的炎型车，将普通辚车的车顶向后延长至窜抟后端嚣成。 由于军寝被加长，后瘫可设2 排座椅，乘7 人一8 入。一般詹座的空间及布 置设计以实现多用途为主，势设嚣屠搿门采用f f 布置型式，屡地援保持 平整，精座可前移、翻转或折叠，是一种具有较大的载物容积的多用途轿车。 4 按攀身外形分类 。 轿车按其牵身外形特征，一般可分为厢墼、流线瑟和敞蘧麓。勇。方面p 从轿攀的外形和空间利用率来考虑，义可分为一厢式轿车，= 厢式轿车年畴 厢式轿车。显然，一黼式轿车舆有最大限发地嗣精车身底部甏积之上窀闯酌 特征，是现代多用途轿车设计的主流。而二厢戒轿车邋常根据其后窗的倾角 叉分为童瞽式、舱背式帮方鹜式3 种，懿霾3 3 新示。 圊圆镑 t ) 一纛式( 醇= 曩式 一 砖- - m 戎 图3 3按车身外形的分类 3 1 。2 现代轿车整车结构鍪式的新特煮： 1 蒜类车型界限的模糊 现代汽翠各个率黧的界限已经不再箨么清额，轿事与客车、辚车与越 3 3 - 武汉理工大学硕士论文 野车、轿车与卡车，他们之间相互借鉴特征，衍生出m p v 、s u v 、p i c k u 口等 等蘩懿牵鍪。 2 车型布置的紧凑 隧羞承载式车身技零、狻立式悫絮戆笈浸，汽攀各主簧熬搏豹奄置越 来越紧凑，汽车设计特别是轿苹设计实现了车身总体尺寸不变或减小的情况 下，霹令车轮糍汽车擎蹙戆窭令爱上礴嚣，车蠹霹裂鬟豹乘坐察趣蔻表遮大。 3 电动汽车的布置特点 奄动汽擎可以延续传统汽车静车赛鑫嚣模式，将逛港毫提安敷避发动 机舱，但是由于电动汽车与传统汽车农动力源、传动方式、驱动方式的不同， 馒褥彀动汽车仪在车身及悬浆镰方厦与传统汽率青蓉较大的棚间之处。恧在 其他方面，电渤汽车裔q 整车布鬣较传统汽车有着革命性的交化，趋向予更紧 凑更灵活。特别是燃料电池汽窜的滑援式( s k a t e b o a r d ) 布要形成，如图3 - 4 ， 3 - 5 所示，是汽车整车布置的一个全新概念，窕将汽率的动力、驱动、制动、 转向、愚架等举辆的主要系统郝集成到鼹个车轮和几英寸的底板内，如图3 - 6 所示，鞘用同一底盘平螽配合不同的车身可以设计出多种车型如图3 - 7 所示。 圈3 - 4s k a t e b o a r d 式瘾鑫蚕3 - 5s k a t e b o a r d 式底蠹鞫车身 武汉理工大学硕士论文 图3 - 6s k a z e b o a r d 式底盘的布置 图3 7 同一平台不同车型示意图 武汉理工大学硕士论文 3 2 燃料电池电动汽车的具体子系统 3 2 1 驱动子系统 驱动方式： 由于电动车和传统发动机的不同特点，电动车可以采用四种驱动方式； 1 与传统燃油汽车相同，单驱动电机的整车布置，使用减速器和差速 器传动； 2 单驱动电机的整车布置，省略减速器： 3 双驱动电机的整车布置，进一步省略差速器，两电动机同轴分别驱动 左右车轮，既轴驱；也可不省略差速器，两电机分别驱动前后轴； 4 多驱动电机的整车布置，每个车轮由自己的电机驱动，再进一步，将 电动机直接装在车轮内，既轮驱。可以预见，轮式驱动既完全消除了传动中 的机械磨损，提高了传动效率，又具有最小的体积、最轻的重量，同时故障 率降低。因此，轮式驱动是电动车的最佳驱动方式。日本东京电力公司的擎a 型电动车就采用了四轮直接驱动方式，中科院j b 京三环公司和啥尔滨工业大 学的电动车也采用轮式驱动。轮式驱动控制方式较为复杂，在控制上还有待 进一步发展。 3 2 2 制动子系统 1 电动汽车与传统汽车一样有自己的鼓式或盘式制动系统，可以实现 a b s 、e b d 等等制动力电子控制。 2 区别传统汽车，电动汽车的驱动电机，可产生制动力矩辅助刹车， 同时像发电机一样将汽车的动能转化为电能，向蓄电池逆向充电，实现制动 再生能量的回收。 3 2 3 转向子系统 电动汽车的转向系统可以延用传统汽车的转向系统，也可以使用全新的 转向系统，例如省去转向机，直接由电机推动车轮发生偏转实现转向，即实 现了结构的简单化，也可实现转向的精确化控制、快速响应。 3 2 4 悬架子系统 电动汽车的悬架系统可以延用传统汽车的悬架系统，独立悬架、主动悬 3 6 - 武汉理工大学硕士论文 架等等技术都可以应用到电动汽车上，同时由于电动汽车转向系统的简化， 前悬架可以做的更紧凑，多连杆式悬架是目前很有发展前途的方向。 3 2 5 电器及附件 由于电动汽车相对于传统汽车在动力源上的区别，电动汽车有了功率和电 压更高的电力源，使得各种电器在汽车上应用的限制得到突破，空调、娱乐 设施、电子通讯设备可以大量应用，同时由于电压的升高，高电压的总线技 术会使效率也提高。 3 3 燃料电池电动汽车的电动车轮系统 3 3 1 电动车轮的理论及结构 轮式驱动的电动车轮，简单就是在传统汽车的制动鼓或制动盘和标准轮 辋之间的空间内装安上一个高效的电机。电机作为车轮转动的动力源，如图 3 7 所示，四个车轮都采用这种结构，理论上每个车轮都可以独立控制自己 的转速和力矩，从而实现汽车行驶的最佳控制，获得最佳的行驶效果。 电动车轮是以电力为能源，电机驱动及其控制技术为基础的，其作用是 将能量存储系统输出的电能转变为机械能，车辆行驶时推动车辆克服行驶中 的滚动阻力、空气阻力、加速阻力和爬坡阻力；车辆制动时电动机又起到发 电机的作用，产生制动力矩同时将动能回收给能量存储系统。由于电机的转 速转矩特性：低转速时扭矩大，高转速时扭矩小，十分符合车辆的行驶速度 范围宽和负载变化大的转矩转速特性，与传统的燃油汽车相比，电动车轮系 统可以省去复杂笨重的变速机构就能提供满足车辆行驶的动力。 电动车轮= 传统汽车的发动机+ 离合器+ 变速器+ 传动轴+ 差速器+ 半轴。 电动车轮为汽车设计带来了很多的优点和便利，几乎可以从一个全新的角度 开始汽车的设计。省去了传统汽车的发动机系统和动力传动系统，包括变速 器、传动轴、万向节和驱动轴等等，在一个车轮内就整合了整个驱动和传 动系统，这样不但增加了更多的车身空间被用来放置电池、燃料电池或者辅 助装置等部件，同时还给车身的布置带来前所未有的自由度。 一 武汉理王大学硕士论文 ，7。| t 籼，、 - j 、， 图3 7 电动轮+ 制动器 3 3 。2u g 软件的介绍 1 游兰绦设计软件静特点 在开发燃料电池汽车的过程中采用现代化的设计方法会取得事半功倍 酌效果，c a d 簸是被逶年来发震懿薪羧术：美溪e d s 公司舞发静u n i g r a p h i c 软件具备强大的曲面遗型和兰维实体建模能力，能实现虚拟数配。本文将介 绍基于该软佟，采用艘援装配设计方法，对燃料毫渣汽车整体布置进行的并 发和电动车轮的结构设计。 u n i g r a p h i c s 是一令集c a d c a e c a m 一体纯懿三壤参数纯较 睾，剃震宅 强大的混合式绘图结构，能方便地绘制出复杂的曲西和实体以及造型特征， 弼对u g 还昊有强大鲍虚黎装配功能，经用a s s e m b l i e s 模块可鞋搜零部件灵 活地配对和定位，并保持关联性，可以方便地实现燃料电池汽车整体布置的 开发，妇圈3 - 8 所示。 2 三维建模过程 2 1 夔瑟建模 汽车设计中不仅需蒙良好的机械性能，其车身造裂也越来越受到广泛的 关注。努的攀赛造型蠖可以提离汽车鳃性能，瞧 常窍现代气患，爨褥淡费 者的认可。基于曲面建模的一般过程：由点生成线，再由线生成面。 武汉理工大举硕士论文 利用u g 中m o d e l i n k 模块下的c u r v e 、e d i tc u r v e 、f r e ef r o mf e a t u r e 、 e d i tf r e ef r o mf e a t u r e 予模块载霹篮竞袋汽车车隽觞莛甏选鍪。蓠先， 确定曲面上的关键点，再利用着这些点生成光滑的曲线，接着用这些曲线扫 攘出兹瑟，缮爨戆夔蘸不一定正礁，霹鼓调繁莲线戆麴率揍魏嚣趋远宠美， 最后将得到的一片片曲面缝合、拼接越来得到所需的曲面，整个过程将是一 个不凝反复完游的过程。趋嚣造型不仅逶震予汽车终形，还遥震予汽攀表黎 空间的构造，运用同样的方法可以精确描述汽车内部诃装配空间的位激和大 小。 1 i 墙蛉 i l 涮 爹 嚣 蚕嘟嘲i呤 善 薷蓬 每瀚 噬l v 回了 i 图3 - 8 虚拟装配漉獠 2 。2 零部件兰维建模 汽车内部的各个缀成蕊件剐可以通过m o d e l i n g 模块下的f o r m f e a t u r e 、 f e a t u r eo p e r a t i o n 、e d itf e a t u r e 予模块进行实体建模。逐用长方体、匮 柱体、球俸、圆锥体等基本形体通过布尔运算构造复杂的三绒形体，在此基 础上对三维形体进行倒角。拔模、薄壳莓操作，得到耩确的零部件三维模型a 同时u g 提供了可变参数的特征建模，荦j 甭u g 中的e d i tf e a t u r e 模块可以方 便地修改已建立模型的参数，丽不用褥次重新建模，节约设计人员大爨的时 间。实例串静电视、电澹、藏翩器等郜律都胃以精确建立三缭模墼 2 3 转换二维正程图 搜霜u g 髓建立哥褪诧程度禳裔麴三维数字模鍪，当需要各静绘图数搭 武汉理工大学硕士论文 时，可以快速、方便地从三维模型中提取，不需费时地重新输入数据。还可 疆将三维模鳌转换为：维工糕强，u g 中兹d r a f t i n g 模块赣g l 方便羹塾| 实现既 功能，生成投影图、向视图、剂视图尊口局部放大图等，并且猩三维模烈修改 鑫链蠡麓更赣。 2 4 零部件参数计算 凑于u g 申懿虚撅设诗楚三维实体设计，瑟且琴默斌予冬秘麓鹱，健爨 u g 中的a n a l y s i s 模块可进行简单的分析，可以直接从计算机中获得零部件 夔钵积、质爨、质心、嚣积、藏夏。臻性矩等参数售患。可以方便遮对汽车鳇 轴荷进行分析，平衡前后轴的承载比例。 3 虑救装配 3 1 虚拟装配的规划 农燃料电池汽车粒车身於形确定羼，汽车设计j 遑程中涉及的零瓤 牛往 往会徽多，建立的零部件模型数量会狠庞大，要将全部零部件模型装既在一 个模裂空间中会很复杂。为此，在应用u g 进行虚拟装配时，耍做好零部件 装配的规划建立装配的层次。一般先豢确立装配的主模型，谯主模型下建立 子装蓐已，通过分级式树状图层结构方式即按零部件间设计的逻辑依附关系 来确定备模型闯的父子关系，扶而实现装配的层次划分。例如将汽车的车身 模型设为主模型，其下设发动机舱、乘员舱、行李舱三个子装配，述可以在 发动机簸子装配下再设电杌与减速嚣、电池缀与均衡器、控嗣器予装配等。 3 2 零部件的虚拟装配 零部悻装配对都黉餐入戮鲁己静差模型中，潞箍供了三种方式缝对定 位( a b s o l u t e ) 、配对定位( m a t e ) 和薰新定位( r e p o s i t i o n ) ，绝对定位可 用于建立主禳整，耄赣定证胃瘸子缓入较孤或豹与其德零舔传没有是位关系 的零部件，酉已对定位燕要用予相互有约束关系零部件的装配，这一机制克服 了童杰建模弱无终素敬态，麓确保设诗靛模蘩阔吴鸯浚谤大爨掰定义豹正确 关系，如平行、共轴或共面等，配对定位过稷实际上就是对誉部件的六个自 由凌避毒亍终寒懿遘稷。逶遘终寒管毽，霉使汽车设诗过程串零寒搏攘整鼓特 定的装配关系或约束得以保存