双电机后轮驱动型微型纯电动汽车的参数匹配和Advisor仿真

河南理工大学万方科技学院本科毕业设计论文摘要 随着环境污染和能源短缺的问题日益突出，纯电动汽车以其零放、降低噪声等优点而倍受关注，世界各国都把电动汽车作为汽车工业的发展方向。 近几年来，尽管许多国家都投入大量的人力物力来研究电动汽车，但到目前为止动力电池和关键性技术还未取得有效的突破，动力电池的续驶里程和充电时间大大制约了电动汽车的发展和普及。因此，在电池问题解决之前，如何合理的选择部件及相关参数，使匹配达到最优，在蓄电池相同的条件下，更好的满足整车动力性要求和最大的增加续驶里程，一直是研究追求的目标，也是本论文研究的主要目的。 本论文以某微型纯电动汽车作为研究对象，以整车的动力性作为指标要求从汽车的动力学出发，匹配设计了传动系统的关键参数，包括电机参数，电池参数，传动比及变速箱档位数选择等。并利用ADVIOSR仿真软件建立了电动汽车的蓄电池、电动机、传动系、车身等仿真模型。根据电动汽车的动力性要求进行了其加速性能，最高车速，最大爬坡度和续驶里程等性能的仿真研究。仿真结果表明其传动系参数的选择和匹配基本合理。 本文对纯电动汽车传动系统所进行的参数选择匹配及仿真研究，为发展纯电动汽车及开发满足纯电动汽车性能的传动系统，提供了一定的理论依据、技术参考和研究方法。关键词：纯电动汽车；传动系统；参数匹配；ADVISORAbstract Along with the increasingly concern about the shortage of energy and the pollution of the environment ,pure electric vehicles have been developed for its benefit of zero emission and low noise .Many countries make electric vehicles as the development direction of automobile industry.In recent years ,although there are many countries which have launched large manpower and material to study electric vehicles ,dynamic battery and certain key techniques have not been brought through effectively up to now .The range and charging time of battery limited popularization and development of electric vehicles .Therefore how to select these parts and relational parameters reasonably, makes the conditions ,makes the electric vehicle meet the request of dynamic performance and increases the range, which is the goal people studied ,then which is the important content of the papers.In this thesis ,based on some type of EV as research object .According to the power-train requirement of electric vehicle，considering the dynamics of the vehicle, the key parameters of power-train including motor parameters ,battery parameters ,transmission ratio ,transmission gear several choice and so on ,which are designed and matched. Utilizing the simulation soft of ADVISOR to build the simulation models about the battery ,the motor ,the power -train ,the vehicle body and soon .According to the requirement performance ,acceleration ability ,maximum peed ,climbing performance ,cruising range are simulated .The results indicate that the choice of power-train parameters can satisfy the requirement.In this paper ,research on Electric Vehicle Power-train System Parameter Matching and Simulation provide the theoretical basis, technical reference and research methods for the development of pure electric vehicles and the Power-train System which can satisfy the vehicles performance.Keywords : pure electric vehicles ;power-train systemparameter matching ;ADVISOR目录第一章：绪论11.1课题研究的目的和意义11.1.1 发展新能源汽车是缓解石油短缺的重要措施11.1.2 发展新能源汽车是降低环境污染的有效途径21.1.3 发展新能源汽车是汽车工业发展的必由之路21.1.4 发展新能源汽车是智能电网建设的重要内容31.2纯电动汽车的产业化发展31.2.1美国41.2.2欧洲51.2.3日本61.2.4国内纯电动汽车的发展现状及趋势71.3研究的主要内容10第2：章纯电动汽车基本结构及关键技术112.1纯电动汽车的基本结构112.1.1电力驱动模块122.1.2车载电源模块132.1.3辅助模块132.2纯电动汽车的关键技术132.2.1电动机及控制技术132.2.2蓄电池152.2.3电池管理系统182.2.4轻量化技术192.3纯电动汽车的主要性能评价212.4本章小结23第3：章纯电动汽车动力系统参数匹配设计243.1微型电动汽车动力传动系统匹配简介243.1.1微型电动汽车动力传动系统布置方式253.1.2各种驱动电机概述273.2电机匹配理论分析293.2.1微型电动汽车动力性要求及分析293.2.2汽车的行驶方程303.2.3功率匹配353.2.4单一传动比匹配设计363.2.5电池匹配理论设计383.2.6匹配设计结果39第四章：基于ADVISOR的微型电动汽车动力性仿真404.1ADVISOR仿真软件概述404.2仿真模型的建立414.3循环工况仿真分析464.4结论484.5本章小结48第五章：全文总结与展望505.1全文总结505.2展望51致谢52参考文献53第一章：绪论1.1课题研究的目的和意义汽车工业是国民经济的支柱产业，它与人们的生活息息相关，已成为现代社会必不可少的组成部分。但是，以石油为燃料的传统的汽车工业，在为人们提供快捷、舒适的交通工具的同时，增加了国民经济对化石能源的依赖，加深了能源生产与消费之间的矛盾。随着资源与环境双重压力的持续增大，发展新能源汽车已成为未来汽车工业发展的方向。1.1.1 发展新能源汽车是缓解石油短缺的重要措施 发展新能源汽车是减少对国外石油依赖，解决快速增长的能源需求与石油资源终将枯竭的矛盾的必由之路。近年来，我国汽车市场发展迅速，已成为全球第二大汽车市场。2009 年，我国汽车保有量突破7000 万辆，产销量双双突破1300 万辆，石油年消耗量将会达到1.2 亿吨。目前，我国人均GDP 已超过3000 美元，消费结构升级是必然趋势，加之我国正处于工业化、城市化和机动化的重要阶段，汽车需求的快速增长难以避免。我国每千人汽车拥有量仅为38 辆，与139 辆的世界平均水平存在很大差距，汽车消费市场还有相当大的发展空间。预计到2020年，我国汽车保有量将达到1.5 亿辆，如果全部使用化石能源，石油年消耗量将达2.5 亿吨，约占届时我国石油总消耗量的55。因此，大力发展新能源汽车是缓解我国石油短缺、降低石油对外依存度的重要措施。1.1.2 发展新能源汽车是降低环境污染的有效途径 新能源汽车不燃烧汽油和柴油，所使用的锂电池是国际公认的环保电池。加之与传统汽车相比，电动车在启动时没有污染，具有极好的环保性能。就效率而言，传统汽车的能源转化效率只有17，电动车的效率是90，即使考虑燃煤发电的效率损失，电动车的总效率也大于30，约为传统汽车的二倍，节能效果十分明显。特别是近年来，世界各国高度关注温室气体排放和气候变化问题，我国虽然是发展中国家，人均温室气体排放量水平较低，但由于我国人口众多，多年来国民经济持续快速发展，能源消费量已居世界第二位，今后所面临的国际社会的压力将逐步增大。有调查显示，全球大概25的二氧化碳是来自于汽车的尾气。我国如能在新能源汽车领域率先实现突破，将会改变我国在气候变化上的被动地位，并为全球解决日益严重的能源环境问题做出贡献。1.1.3 发展新能源汽车是汽车工业发展的必由之路 新能源汽车将催生汽车动力技术的一场革命，并必将带动汽车产业升级，建立新型的国民经济战略产业，是汽车工业发展的必由之路。新能源汽车的使用成本非常低廉。将其百公里的用电成本进行换算，电的成本仅是油的成本的20，也就是说，使用新能源汽车仅需花五分之一的钱就可以跑到与原来相当的公里数。普通汽车，不论是手动档的，还是自动档的，都用变速箱变速，电动车变速是电机驱动，没有变速箱，而且非常强劲。此外，电动车的四轮驱动，原理简单，容易实现，且运行维护方便，不用换机油。新能源汽车的上述特点，决定了它具有强大的生命力和广阔的市场发展前景。设想到2020 年，我国新能源汽车占届时汽车保有量的20，约3000 万辆，年可以节约石油5000 万吨，相当于一个大庆油田一年的石油产量。1.1.4 发展新能源汽车是智能电网建设的重要内容 传统的电力系统，实际用电负荷的波动性与发电机组额定工况下所要求的用电负荷稳定性之间存在固有矛盾，如何处理电力系统的峰谷差一直是电网企业头疼的问题。我国电力装机已突破8 亿千瓦，并将继续快速增长，但目前电站的年利用小时数仅为5000 小时，也就是说，许多机组是为了应对电力系统短时间的峰值负荷而建设的，如果措施得法，建设6 亿千瓦的装机容量就够用了。试想，如果政府大力提倡发展新能源汽车，各个城市的居民都去买电动车，晚上用低谷的低价电为电动充电，白天高峰时还可以用较高的价格向电网卖电，起到削峰填谷的作用，那么峰谷差的问题就可以迎刃而解了。按照这样的设想建立起来的电网，将具有一定的自我调节能力，电力系统的发、输、配、售、用以及调度等各个环节将会形成有效的互动，成为一个智能化的有机整体，从而极大地提高电力系统的安全性和可靠性。可以预计，作为智能电网建设的重要组成部分，新能源汽车将带来电力系统的一场革命。1.2纯电动汽车的产业化发展 纯电动汽车在美、日、欧等国家和地区得到小规模的商业化推广应用，目前世界上有近4万辆纯电动汽车在运行，主要应用在市政用车、公交车、公务用车和私人用车等预域。纯电动汽车已在续驶里程、动力性能、快速充电等方面取得了可喜的进展，即将进入实用化阶段。纯电动汽车的发展越来越受到世界各国的重视，各主要汽车公司积极参与，在产品研发、示范和试用方面取得了很大进步。1.2.1美国 从历届美国总统颁布的能源发展战略趋势看，美国政府深刻认识到必须减少对进口石油的依赖，而且出台了多项汽车交通领域的能源法案及国家计划。在发展车用能源的战略选择上，美国已从以往重点进行燃料电池技术研发的单一化发展格局向多元化格局转变。图1.1美国通用Volt 图1.2 Volt原理示意图通用雪佛兰Volt是一款增程型电动汽车，采用了最新研发的E-Flex动力推进系统其中的“E”表示“电”，电力是EFlex车型的唯一驱动方式。而“Flex”代表的是“灵活”，表示用以驱动汽车的电力可以从各种途径取得。在行驶距离较短的情况下，增程型电动汽车的行驶完全仅仅依靠车载电池组提供的电力来完成，使用纯电动模式可在城市道路上行驶约64公里，而在相对较长的行驶距离情况下，可以由内燃机或者燃料电池提供额外的电能来驱动车辆。电池组和动力推进系统经过精准的设置，可以使车辆在由电池组提供足够的电能的时候，不需要发动机或者燃料电池进行工作来产生额外的电力。在纯电动驾驶过程中，电池组的电能完全可以保证仅需要使用电力就能够保证车辆顺利实现加速、高速行驶，以及爬坡等各种性能。电能耗尽后，E-Flex动力推进系统可以将汽油、乙醇等能源转化成电能，从而延长车辆的行驶里程。1.2.2欧洲欧洲地区延续其一贯的纯电动汽车与清洁柴油等替代能源汽车的技术研发优势。特别是欧盟委员会又颁布了更为严格的二氧化碳排放标准，更多欧洲国家政府和跨国汽车公司将零排放的纯电动汽车作为产品研发主要方向，纷纷推出纯电动汽车。 图1.3雪铁龙电动汽车 图1.4 C-Zero结构示意图 雪铁龙C-Zero的动力系统为一台永磁同步电动机，当转速在3200-6200rpm时，最大功率为48kw，最大扭矩为182N.m，0100km/h加速时间为15s，最高车速约为130km/h。一次充电后可行驶160公里（日本10-15模式）。雪铁龙C-Zero采用锂电池供电，充电需要6个小时，而快速充电时，只需要半小时就可达到80%的电量。奔驰Smart电动车型配置输出功率为40马力的电机。电机放置在该车的车尾,采用后驱结构。其从0加速到60公里/小时所需的时间为6.5秒，最高时速可达100公里/小时。Smart电动车的电动机由锂离子电池提供电能，最大可储存14KW的电能，续航里程可达115公里。锂离子电池被安放在车身的中部，凭借每百公里仅消耗十二千瓦电量，Smart电动汽车成为城市交通中最节能、最环保的车型之一。 图1.5奔驰Smart图 1.6 Smart结构示意图1.2.3日本日本是最早开始发展电动汽车的国家之一。日本工业发达，人口密度大，资源极度困乏，城市污染严重。因此，日本政府特别重视电动汽车的研究和开发。日产Leaf使用锂电池组，电池组最大能支持120hp马力的电动机。匹配的电动机的峰值马力和扭矩输出分别为107hp和280Nm，动力数值与普通家用车的性能接近。Leaf的快充模式能够在半小时内将电池组电量补充到80%，大大改善了电池组不能迅速补给的难题。但快速充电仅适用于紧急之需，将电池充满仍然需要8小时。 图1.7日产Leaf图 1.8 Leaf电池及电机结构1.2.4国内纯电动汽车的发展现状及趋势国内企业从事纯电动汽车研发、少量产业化生产与试运营的有东风、天津清源、北京理工科凌、比亚迪、万向等企业。2006年，我国第一批纯电动轿车取得了产品准入公告，吸引更多企业加入蓄电池或纯动力汽车的研发或试运营，如咸阳威力克能源有限公司、博信电池（上海）有限公司、上海瑞华集团、深圳雷天绿色电动源有限公司、中信国安黄金有限公司、合肥工业大学等。东风公司是国内最早从事电动汽车研发的汽车企业之一，开发了游览车、多功能车、工业专用车和高尔夫球车等4大系列、近20个品种的纯电动车，包括东风纯电动轿车（EQ7160EV）、纯电动富康轿车（EQ7140EV）、纯电动客车（EQ6690EV）等。2003年东风纯电动车实现商品化销售以来，已累计销售1000余台，进入行业前三甲。截止到2005年11月，参与示范运营的东风纯电动小巴有93台。到2010年，东风电动车公司计划实现纯电动场地车销售5000辆的年产销量。“十五”期间，国家863计划电动汽车重大专项项目中纯电动轿车研制点之一在天津汽车。天津市电动车辆研究中心与天津一汽产品开发中心联合众多汽车技术研究中心与大学资源，组建天津清源电动车辆有限责任公司，承担863计划重点项目“XL-2纯电动轿车”研发工作，各项技术指标达到了国际先进水平，全车总重1600公斤，最高时速达到140千米/小时，续驶里程超过260千米，0千米/小时50千米/小时的加速时间6.8秒，被认为是国内水平最高又最接近产业化的电动车型。2005年，清源公司开发的6辆“幸福使者”纯电动汽车出口美国，这是国内电动汽车整车第一次出口。根据美方要求，该车作为美国家庭用车，最高时速限定为40公里，最大续驶里程100公里，整车定价近1万美元。之后，清源公司继续向美国出口纯电动轿车，2005年出口总数达到112辆，2006年销往欧美500辆，2007年国际市场订单已超过1000辆。2006年底，清源公司在天津滨海新区建设电动汽车研发制造基地，将形成一条年产2万辆纯电动汽车的生产线。“十一五”期间，北京理工大学作为整车总体单位承担了 863 电动汽车重大专项“纯电动客车项目”，作为技术依托单位承担了北京市科技奥运电动汽车特别专项“电动汽车运行示范、研究开发及产业化”等项目。已完成纯电动准低地板公交车、纯电动中巴客车、纯电动旅游客车、纯电动超低地板公交车等四种车型的整车开发、型式认证和定型设计，并进行了 40 余辆的小批量试生产，各项动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已达到或接近国际水平；组建电动汽车示范车队，在北京市开展“一线一区”两种模式示范运行。目前，北京理工大学等单位已经完成了北京理工科凌电动车辆股份有限公司密云电动车辆产业化生产基地的建设，初步形成了关键技术的研发能力和产业化配套能力。著名电池制造商比亚迪在动力电池方面的研究成果一直处于世界的前沿，该公司最新研发的车用产品的充电时间已缩短到89小时，最高续驶里程可达450500公里，最高时速可达120180公里/小时，0100公里/小时加速时间小于13秒。2006年7月，比亚迪为加速纯电动汽车的商业化步伐，推出一款全新技术的电动轿车F3e。这款车基于F3平台而开发，装载比亚迪在全球首家推出的技术“铁”动力电池“ET-power”，一次充电能够行使350km，单次充电时间22分钟。“ET-power”是以比亚迪在电池领域里的最新发明“铁电池”为核心技术支持的纯电动汽车动力体系。（注：E表示环保和电力environment和electric的首字母，T则表示技术technology，power则表示动力和能量）同时，比亚迪计划首批200台纯电动出租车于07年投入示范性商业运营。目前比亚迪已经在北京、上海、深圳、西安等四大基地完成了内部实验性电动汽车充电站的建设，计划先在企业内部进入“电动汽车”时代。万向集团公司从1999年开始涉足电动汽车领域，目前已经研制出了纯电动轿车和纯电动公交车，运行总里程已经超过了15万公里。其纯电动轿车最高时速为126公里，经济时速下最大续驶里程为380公里，百公里平均耗电量为11千瓦时；纯电动公交车最高时速为90公里，经济时速下的最大续驶里程为280公里，百公里平均耗电量为70千瓦时，充电方式采用设置换电站快速更换电池组方式。2006年4月，万向集团公司研制的锂离子电池驱动纯电动汽车在杭州开始示范运行。1.3研究的主要内容（1）介绍发展纯电动汽车战略意义及国内外纯电动汽车发展趋势及现状。（2）介绍纯电动汽车的基本结构及关键技术，如电机及控制系统、蓄电池及管理系统、车身及底盘轻量化等技术。（3）分析了纯电动汽车直线行驶的各种阻力，完成某一车型的动力驱动系统的参数匹配设计计算。涉及驱动电机及控制系统参数的选择、传动比的选择、电池组参数的设计（4）掌握仿真软件ADVISOR的使用方法，利用ADVISOR仿真软件对匹配设计的传动系统参数进行动力性仿真。第2：章纯电动汽车基本结构及关键技术2.1纯电动汽车的基本结构 纯电动汽车的主要结构由电力驱动控制系统、汽车底盘、车身以及各种辅助装置等部分组成。除电力驱动控制系统，其他部分的功能及结构基本与传统汽车相似，所以电力驱动控制系统决定了整个纯电动汽车的结构组成及性能特征，相当于传统汽车的发动机与其他功能以机电一体化方式相结合。图2.1纯电动汽车原理示意图 电力驱动控制系统按工作原理划分为：电力驱动模块、车载电源模块和辅助模块三大部分。2.1.1电力驱动模块 电力驱动模块主要由电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置等组成。纯电动汽车仍保留加速踏板、制动踏板等操纵装置，只不过在纯电动汽车上是将踏板机械位移量转换为电信号而已。（1）电子控制器。它是电力驱动模块的控制中心，主要对整辆电动汽车的控制起协调作用。根据踏板的电信号，向电机控制器发出控制指令，对电动机的旋转进行控制，从而实现电动汽车的起动、加速、刹车制动。（2）功率转化器。它的功能是按控制器的指令及电机的速度、电流反馈信号，对电动机的转速、转矩和旋转方向进行控制。直流电动机主要是通过斩波进行调压调速控制的；永磁电动机主要是通过PWM转换器进行调压调速控制的；感应电动机是通过DC/AC转化器进行调频调压矢量控制的；对于磁阻电机是通过控制其脉冲频率来进行调速的。（3）电动机。电动机在纯电动汽车中具有提供动力和发电的双重功能。汽车正常行驶时，电机提供动力来源，当汽车刹车或下坡时，充当发电功能，进行能量回收。对电动机的选型一定要根据负载特性和汽车行驶的特性进行选择，汽车在起动或爬坡时需要有较大的启动转矩和短时过载能力，并有较宽的调速范围和优良的调速特性，即在低速恒转矩、高速为恒功率。控制系统是最为关键的部件，电动汽车的动力性能主要决定于驱动系统的性能，并直接影响车辆的各种性能指标，如汽车的最高速度、加速性与爬坡性能及续行里程等。（4）机械传动装置。电动汽车的机械传动系统的功能是将电动机的驱动转矩传输给驱动轴，从而带动汽车车轮行驶。由于电动机本身就具有优良的调速特性，其变速结构可被大为简化，甚至可采用固定减速比就可满足整车性能的要求。2.1.2车载电源模块主要由蓄电池电源、能源管理系统和充电控制器三部分组成。（1）蓄电池电源。蓄电池是纯电动汽车的部件中唯一能提供驱动行驶所需的电能和各种辅助电器的能源。蓄电池在车上安装前需要通过串并联的方式组合成所需要的电压。另外，由于制造工艺等因素及蓄电池其电解液浓度和特性差异，要求对其性能相近的蓄电池进行配组，这样做有利于蓄电池的一致性和使。 （2）能量管理系统。主要功能是进行能源分配，协调各部件的能量管理，提高能量利用效率。它需与充电器共同控制充电。为提高电池的可靠性和延长其寿命，需要实时监控蓄电池的状态，对其各个性能参数等进行监测。（3）充电控制器。它是把电网电能转化为对汽车蓄电池充电要求的制式，即把交流电整流为蓄电池需要的直流电，电动汽车普遍使用三段式充电器，第一个阶段叫恒流阶段，第二个阶段叫恒压阶段，第三个阶段叫涓流阶段。2.1.3辅助模块它包括低压电源、转向和各种辅助装置等。2.2纯电动汽车的关键技术 2.2.1电动机及控制技术（1）电动车用电动机性能分析；目前，电动汽车用电动机主要有直流电动机（DCM）、感应电动机（IM）、永磁无刷电动机（PM-BLM）和开关磁阻电动机（SRM）4类，其性能对比见表2.1。 表2.1 电动汽车用电动机及其性能比较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。当今世界已研制出功率密度超过1 kW/kg，额定点的效率大于90%的小型电动机，电机满足低速衡（大）扭矩和高速衡功率的牵引控制要求。（2）控制系统 随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单、响应迅速、抗干扰能力强，参数变化具有鲁棒性，可大大提高整个系统的综合性能。电动汽车再生制动控制系统可以节约能源、提高续驶里程，具有显著的经济价值和社会效益。再生制动还可以减少刹车片的磨损，降低车辆故障率及使用成本。图1所示为XJTUEV 1电动汽车再生制动控制系统的结构图。该系统由超级电容或飞轮及其控制器组成，利用超级电容或飞轮吸收再生制动能量，具有非常突出的优点。当车辆制动时，电机工作于发电机工况，将一部分动能或重力势能转化为电能储存在超级电容或飞轮中，由于超级电容或飞轮的功率密度大，可以更快速、高效地吸收电机回馈能量。在车辆起动和加速时，利用双向DC/DC将存储的能量释放出来，协助电池向电机供电，不但增加了电动汽车一次充电的行驶里程，而且避免了蓄电池的大电流放电，达到了节约能源、降低刹车片磨损和提高蓄电池寿命的目的。2.2.2蓄电池纯电动汽车行驶里程完全依赖蓄电池的能量，电池的容量越大，可以实现的续行里程越长，但蓄电池的体积大、重量重，反过来会影响整车的续行里程。纯电动汽车对动力电池技术要求的五要素，即足够高的功率密度、足够高的能量密度、足够的循环寿命、足够的安全可靠性、能够接受的成本。而上述五个范畴的内禀性质，又彼此制约，高要求难以得到技术上的全方位满足而只能寻求平衡，同时，又要与汽车燃油技术进行对比，这正是整个动力电池技术面临的最大挑战。目前，纯电动汽车应用较为广泛的是铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池。（1）铅酸蓄电池，技术成熟，可靠性高、原材料资源丰富且价格便宜、比功率基本上能满足电动汽车的动力性能要求。不足之处是比能量较低，导致一次充电的行驶里程短，并且质量和体积较大，增加了汽车的自重，不利于续行里程和整车性能的提高，另外它的寿命较短，平均寿命在300次左右。（2）镍氢蓄电池其高比能量与锂离子电池相当；高比功率可使电动车有良好的启动、加速和爬坡性能，它的平均寿命可达300至600次，而且因其安全、无污染，被誉为“绿色电源”。现在，日本、美国及我国都在积极开发研制镍氢电池，它是电动汽车发展中期的主要能源，具有很大的发展前景。（3）锂离子电池具有重量轻、储能容量大、功率大、无污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围广等优点，已开始逐渐取代酸铅和镍氢电池，成为目前世界上大多数汽车企业的首选目标和主攻方向，全球已有20余家主流企业进行车载锂离子动力电池研发，如富士重工、三洋电机、NEC、东芝、美国江森自控公司等。表2.2蓄电池类型的比较图2.2镍氢蓄电池图2.3锂离子蓄电池2.2.3电池管理系统（1）管理。对动力电池组充电与放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈电流、电池温度等进行控制。个别电池性能变化后，会影响到整个动力电池组性能，故需用电池管理系统来对整个动力电池组及其每一单体电池进行监控，保持各个单体电池间的一致性。（2）充电。动力电池组必须进行周期性的充电。高效率充电装置和快速充电装置，是EV使用时所必须的辅助设备。可采用地面充电器、车载充电器、接触式充电器或感应充电器等进行充电。图2.4电池管理系统2.2.4轻量化技术车身轻量化并非不顾车辆安全一味减轻车体重量，而是在运用新材料、新技术的基础上，对车体进行合理的规划与设计，在允许的范围内减少车体重量，从而达到提升电动汽车续航能力的目的。汽车轻量化设计使生产工艺、人体工程学、工业设计、材料学、运输学、经济学等众多各不相同的学科紧密地联系在一起。轿车车身的轻量化设计与整车的安全性是一对矛盾体，如果为了满足各种法规的要求，保障乘员的安全，就应提高车身结构的碰撞吸能特性；如果为了汽车的燃油经济性、排放等因素考虑就应减轻车身的质量。因此轿车车身轻量化是在保证汽车整体性能不受影响、确保车身强度、刚度和模态等结构特性要求的前提下，减轻车身骨架质量的一种设计趋向。车身轻量化技术主要包括轻量化材料的使用和结构的轻量化设计。前者是车身轻量化的主流，即采用轻量化的金属和非金属材料，主要是采用高强度钢材、铝镁合金、工程塑料、碳纤维、新型玻璃、陶瓷和各种复合材料；后者是利用有限元法和优化设计等方法，通过改进汽车结构，使部件薄壁化、中空化、小型化及复合化以减小车身骨架和车身钢板的质量来达到轻量化目的。实际上两者是紧密相连的，往往采用轻量化材料结合轻量化结构设计，在性能不降低的前提下获得轿车车身的轻量化。 很多国家和汽车公司致力于轻量化材料方面的研究，以德国奥迪公司和日本本田公司为最。1991年奥迪公司展出了具有铝制车身的Spyder四驱跑车；随后不久的东京车展上，奥迪展示了一款抛光铝制车身的奥迪Avus。2002年第二代奥迪A8的全铝车身框架刚度提高60%，焊点减少40%，重量比竞争对手轻，以此带来更大的灵活性、安全性和平稳性。而本田公司在融入轻量化设计理念之后，一体式的铝车身结构重量仅有1270kg。由于受空间尺寸限制，有些材料的结构刚度会不足，一味轻量化会导致汽车振动、噪声与抗疲劳、防碰撞等方面能力的下降。结构轻量化成功的典型例子是发动机前置前轮驱动 (FWD)。它使传动路线明显缩短、也不用制造后桥壳、变速器和差速器装在同一壳体中，减少的零部件可以减轻整车重量，提高汽车的加速性、制动性和燃油经济性。同时还可以增加驱动轮的附着力，这对于在湿滑路面上行驶的汽车将会有很大的帮助。轿车车身轻量化设计中的结构优化包括：结构尺寸优化、结构形状优化和结构拓扑优化。多数集中在结构尺寸优化方面，产生的效果是被限定在布局之内。拓扑优化是在一定空间区域(骨架结构或连续体)内寻求材料最合理分布的一种优化方法。它的目标是根据一定的准则，在满足各种约束条件下，在结构上开孔、打洞，去除不必要的构件和材料，使结构在规定意义上达到最优，表现为“最大刚度”设计。由于拓扑优化设计自由度大，设计初期和概念设计阶段。设计初期和概念设计阶段。管件液压成形技术应用主要为底盘件、车身结构件与排气系统零部件，因其具备高刚性、尺寸精度与稳定性高、较为耐蚀、工件数少、制作过程简化、成本降低等优点，该技术在汽车制造业广泛应用。此技术保证了零部件精准的尺寸和形状，在充分利用空间、赢得更多轴力度和硬度的同时，减轻了重量。由于管件液压成形技术不仅简化了模具结构，还减少了模具副数，改善了材料严重变薄的状况，提高了产品质量，大幅度降低了生产成本，因此管件液压成形零部件需求快速增加。2004年北美生产的典型车型中将有50%结构体零件采用管件液压成形技术制造。以管件液压成形技术制造结构件的车型，经碰撞测试结果，其安全性比传统的“冲压焊接”制造结构件要好，同时整车质量有了大幅度的降低。因此在北美制造的轿车中，空心轻体件在轿车总量的比例已从15年前的10%上升到16%，而在中型商用车、大吉普车和小货车的比例还要更高。梁、柱结构是车身骨架的基本承载单元，在车身总成中所占比例较高。评价轻量化对刚度的影响程度可使用SME(Stiffness Mass Efficient)值，即“单位质量所具有的刚度值”进行比较。SME 值越高，表明该结构在保持刚度不变的情况下轻量化效果越好，反之亦然。从结构轻量化途径考虑，在满足空间尺寸限制的前提下，增加矩形截面薄壁梁的高度为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案，增加宽度仅能提高其扭转刚度，改变壁厚没有效果。增加圆筒截面的直径为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案，改变壁厚无效。对于其它闭环截面，增大APS比值可提高其扭转刚度。与上述闭环情况相反，对于任意开环截面，增加壁厚为提高其扭转刚度的最佳方案，但开环的扭转刚度远远小于闭环。2.3纯电动汽车的主要性能评价电动车的性能指标一般包括：驱动性能、驾驶性能、车载能源系统性能等三部分，其中驱动性能取决于电机功率因素，车载能源系统性能取决于电池的容量，驾驶性能指标主要包括：最高车速性能、加速性能、最大爬坡性能、刹车性能及驾驶里程性能等驾驶模式，驾驶性能指标的优劣取决于控制系统驾驶模式的技术。（1）最高车速。即汽车行驶时所能达到的最高车速。一般电动汽车要求最高时速120km/h。而实际上最高车速是由城市实际工况决定的。在城市区域行驶的车辆一般在60km/h左右。电动汽车的最高车速主要取决于驱动电动机、最小减速比和所配蓄电池的电压等级，由于这些部件均与其重量、体积有关，即直接决定了车身车载重量及制造成本。根据现有的电动汽车及其配套部件的技术水平，随着纯电动汽车的最高车速等级不同，其制造成本将呈指数级上升。按技术与经济互促的良性循环发展规律，只能在电动汽车相关技术的进一步发展的前提下再相应的提高其最高车速指标。(2)加速性能。通常用汽车加速过程中的加速度、加速时间和加速距离来评价。纯电动汽车的加速性能通常用从静止加速到50km/h（或96km/h),以及从40km/h加速到100km/h所需要的时间。其加速性能除了由汽车惯性矩及传递到驱动轴上的转矩决定外，还受其传动链形式、变速形式、换挡程序及时间、车轮滑行量等因素的影响。对纯电动汽车而言，加速性能主要取决于电动机的启动性能和短时过载能力。(3)爬坡能力。是指汽车在良好的路面上，以最大驱动力形式所能爬行的最大坡度。其坡度用坡高与相应的水平距离之比来表示，其单位用百分比（%）来表示。纯电动汽车一般要求最大爬坡度20%。通常坡度不大时利用电动机的最大转矩特性和短时过载能力爬坡。(4)能量利用效率。纯电动汽车的能量利用效率是指汽车以某一特定速度行驶一定距离所消耗的总能量，通常用每千瓦时所能行驶的公里数（km/kw?h)来表示。纯电动汽车的能量利用效率一般要比传统内燃机汽车高30%-40%。(5)续行里程。续行里程表示电动汽车一次充满电（或储能）能够行驶的最大里程数。这是考核纯电动汽车性能的一个重要指标，它主要决定了所配电池的容量及其性能，并与驱动轮的发电回馈有关。(6)车载电源系统里程寿命。这主要是针对纯电动汽车性能的重要指标。它反映了所配电池的使用寿命。即所配电池最多能行驶的里程数。2.4本章小结本章对纯电动汽车的基本结构作了简要的介绍，并对电力驱动控制系统如电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置的功能作了较为详细的介绍，并对纯电动汽车的关键技术如电机及控制技术、电池及管理系统、轻量化技术进行较深入的探讨。本章最后详细介绍了纯电动汽车的主要性能评价指标。第3：章纯电动汽车动力系统参数匹配设计3.1微型电动汽车动力传动系统匹配简介 电动汽车的心脏是它的驱动电机，其性能必须符合汽车的动力性需求。电动汽车的动力性主要由三个指标来评定4：汽车的最高车速；汽车的加速时间和汽车的最大坡度。对电动汽车的传动系统进行匹配设计，不仅能实现电动汽车的优化的动力性能，还能提高系统效率、延长电动汽车的续驶里程。对提高整车的动力性能指标和经济性能指标具有重要的现实意义。匹配设计流程图如图3.1所示。首先需要在明确行驶工况及设计目标的基础上确定动力性要求；然后进行初步设计，初步设计中需要确定电机的性能要求及传动比；此后再进行性能校验，从最高车速、最大爬坡度、加速性能判断传动系统的设计是否能够达到动力性要求，如若不能达到要求，则重新设计，若能达到设计要求则进行下一步；最后进行能量源的匹配设计，主要是对电池的选择。图3.1匹配设计流程图3.1.1微型电动汽车动力传动系统布置方式电动汽车与燃油汽车的主要区别在于它们的驱动系统不同，电动汽车结构各式各样，尽管大多数的电动汽车参数是从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴的，但电动汽车的机构和许多性能和技术参数有它本身的特征。电动汽车的组成部分的位置比普通发动机位置布置更灵活、更多样化，既可组合，也可分开，更能使整车质量分配合理，结构紧凑，完全突破了普通发动机位置相对固定的设计方案。（1）现代高性能的电动汽车通常是专门设计制造的，与燃油汽车相比，电动汽车的机构特点是灵活，这种灵活性源于电动汽车具有以下几个独特的特点2：（2）电动汽车的功率传递主要通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器，因此，电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性；电动汽车驱动系统的布置不同（如独立的四轮驱动系统和轮毂电动机驱动系统等）会使得系统结构区别大，采用不同类型的电动机会影响电动汽车的质量，尺寸和形状；不同类型的储能装置也会影响电动汽车的质量、尺寸和形状。另外，不同的补充能源装置具有不同的硬件机构，例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电机充电，或者采用替换蓄电池方式，将替换下来的蓄电池再进行集中充电。现代电动汽车很多采用三相感应电动机，相应的功率转换器采用脉宽调制控制器，机械变速传动系统一般采用固定速比的减速器。典型的结构组成如图3.1所示。综上所述，某公司FA车型选用图3。2所示结构，这种结构在微型电动车上应用最普遍。其中电动机固定速比减速器和差速器集成一个整体，取代原来发动机的位置，两根半轴连接驱动车轮；电机控制器、DC/DC，整车控制器放置于电机上，通过焊接铁架用于固定；8个6V铅酸蓄电池放置于座位底下。这种布置形式蓄电池横向分散，可以保证车厢有较大的乘坐空间。代表车型是丰田汽车公司的RAV4-EV，采用同样布置的还有EV-PLUS，电动机前置。图3.2电动汽车主要部件布置图3.1.2各种驱动电机概述电动汽车的驱动电动机通常要求能够频繁地启动/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；而工业驱动电动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，应该单独归为一类。它们在负载要求、技术性能以及工作环境等方面主要归纳如下：（1）电动汽车驱动电动机需要45倍的过载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2倍的过载就行了。（2）电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计，而工业驱动电机通常只根据典型的工作模式进行设计即可。（3）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），从而能够降低车重，延长续驶里程；而工业用电动机通常对功率密度、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近进行优化。（4）电动汽车驱动电动机往往被安装在机动车上，空间小，工作在高温，坏天气及频繁振动等恶劣的条件下，而工业用驱动电动机通常在某个固定的位置工作。动力性能是指汽车在各种力作用下的动态特性，以及动态特性对汽车使用性能的影响。电动汽车中驱动电机是电动汽车关键部分，其性能决定着电动汽车动力性能的好坏。以下为采用数字评分方法比较的几种电机的性能，主要对电动机六个方面的性能加以评价，每个性能的得分为15分。表3.1给出了比较结果，从表中可以看出，感应电机是比较容易接受的。如果永磁同步电动机的成本下降，其技术更加成熟时，这种电动机将是最受欢迎的。传统的直流电动机似乎在失去其竞争力，但开关磁阻电机和永磁混合电动机在电动汽车上的应用将有更大的发展潜力。表3.1各种驱动电动机性能比较3.2电机匹配理论分析3.2.1微型电动汽车动力性要求及分析电动汽车的动力性主要由三个指标来评定1：汽车的最高车速；汽车的加速时间和汽车的最大坡度。动力性要求如表3.2所示，整车参数如表3.3所示。汽车的最高车速：燃油汽车的最高车速大于120km/h，对于电动车来讲，由于电池容量的限制，最高车速一般较低。一般车辆市区行驶速度大多在4050 km/h，市区限速20 km/h。故FA电动车最高车速选择在65km/h。表3.2 FA电动汽车动力性要求最高车速（Vm） 最大爬坡度（) 040加速时间(tf)65km/h 23% 10s最大坡度行驶工况：燃油汽车的最大坡度不小于60%。我国某些港口、旅游观光胜地以及内地山城的城区郊区的坡度较大。根据我国的公路路线设计规范，高速公路平原微丘区最大纵坡为3%，山岭重丘区为5%；一级汽车专用公路平原微丘区最大坡度为4%，山岭重丘区为6%，一般四级公路平原微丘区为5%，山岭重丘区为9%；据文献测试泰安上泰山的汽车公路做的实地考测2，坡度在1