电动汽车电驱动理论与设计-02-电动汽车电驱动理论基础

电动汽车电驱动系统理论与设计,王志福北京理工大学电动车辆国家工程wangzhifuQQ：13702447,第二章：电动汽车电驱动理论基础,电动汽车的构造与工作原理电动汽车构造电动汽车电驱动系统结构电动汽车动力学电动汽车受力分析动力学方程汽车行驶的附着条件与附着率电动汽车性能,车辆电传动系统的构造和工作原理,纯电动车辆传动系统,镍镉电池组：264V/140Ah/2000次，动力电池组布置在后排座椅下部；永磁直流无刷电动机45kW/50kW;130km/h048km/h加速时间6.3sRange270km88km/h,车辆电传动系统的构造和工作原理,纯电动车辆传动系统,主电源到电动机的电路；主电源-DC/DC变换器-汽车电器设备用电源-电器设备；制动能量回收到主电源；主电源充电电路,车辆电传动系统的构造和工作原理,纯电动车辆传动系统电动汽车系统可分为四个子系统：机械子系统、电力电子子系统、信息子系统和辅助控制子系统,车辆电传动系统的构造和工作原理,纯电动车辆传动系统,电动轮型传动系统,车辆电传动系统的构造和工作原理,纯电动车辆传动系统,直流电动机驱动系统,车辆电传动系统的构造和工作原理,纯电动车辆传动系统,交流电动机驱动系统,车辆电传动系统的构造和工作原理,车辆电传动系统,车辆电传动系统的构造和工作原理,车辆电传动系统,车辆电传动系统的构造和工作原理,车辆电传动的结构形式,车辆电传动系统的构造和工作原理,车辆电传动的结构形式,车辆电传动系统的构造和工作原理,车辆电传动的结构形式,车辆电传动系统的构造和工作原理,车辆电传动的结构形式,车辆电传动系统的构造和工作原理,车辆电传动的结构形式,车辆电传动系统的构造和工作原理,车辆电传动的结构形式,车辆电传动系统的构造和工作原理,车辆电传动的能源结构形式,所选用的蓄电池应该能提供足够高的比能量和比功率,两种不同的蓄电池，其中一种能提供高比能量，另外一种提供高比功率,车辆电传动系统的构造和工作原理,车辆电传动的能源结构形式,燃料电池能提供高的比能量但不能回收再生制动能量，因此最好与高比功率且能高效回收制动能量的蓄电池结合在一起使用,带小型重整器的电动汽车的结构简图，燃料电池所需的氢气由重整器随车产生,车辆电传动系统的构造和工作原理,车辆电传动的能源结构形式,当用蓄电池与电容器进行混合时，所选的蓄电池必须能提供高比能量，因为电容器本身比蓄电池具有更高的比功率和更高效回收制动能量的能力,超高速飞轮是具有高比功率和高效制动能量回收能力的储能器。超高速飞轮与具有两种工作模式（电动机和发电机）的电机转子相结合，能够将电能和机械能进行双向转换。所选用的蓄电池应能提供高比能量。飞轮最好与无刷交流电机结合使用，在蓄电池和飞轮之间加一个AC/DC转换器。,电动汽车动力学,动力性评价指标,汽车的动力性系指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶车速。具体的评价指标包括：最高车速加速时间(原地起步加速时间、超车加速时间)爬坡能力,满载良好路面上的最大爬坡度(路面车辆30%，越野及军用车辆60%)一定坡度一定车速爬坡能力(单车3%坡度60km/h),电动汽车动力学,电传动车辆的驱动力,电动汽车的电机输出轴输出转矩M，经过减速齿轮传动，传到驱动轴上的转矩Mt，使驱动轮与地面之间产生相互作用，车轮与地面作用一圆周力F0，同时，地面对驱动轮产生反作用力Ft。Ft与F0大小相等方向相反，Ft方向与驱动轮前进方向一致，是推动汽车前进的外力，定义为电动汽车的的驱动力。,电动汽车机械传动装置指与电动机输出轴有运动学联系的减速齿轮传动箱或者变速箱，传动轴以及主减速器等机械装置。机械传动链中的功率损失有：齿轮啮合点处的摩擦损失，轴承中的摩擦损失，旋转零件与密封装置之间的摩擦损失以及搅动润滑油的损失等。对于一般机械传动装置效率可以按下式计算：,电动汽车动力学,电传动车辆的驱动力,y圆柱齿轮对的效率，y0.970.98；z圆锥齿轮对的效率，z0.960.97；n传递转矩时处于啮合状态的圆柱齿轮对数；m传递转矩时处于啮合状态的圆锥齿轮对数；单排行星减速器的效率值一般取0.970.98；万向传动轴的效率取0.98,电传动车辆的动力性,车辆受力分析,依据牛顿第二运动定律，车辆的加速度可描述为：,电传动车辆的动力性,车辆受力分析,滚动阻力车辆在硬地面上，轮胎的滚动阻力基本起因于轮胎材料的滞变作用。它是在轮胎滚动时，由于轮胎胎壳挠曲所产生的作用，导致地面反作用力的不对称分布。由合成的地面反作用向前偏移所产生的转矩被称为滚动阻力矩，如图2-5（a）所示，可表达为,电传动车辆的动力性,车辆受力分析,为保持车轮转动，作用于车轮中心的力F应与滚动阻力矩相平衡，即此力应为,滚动阻力矩可通过这一等效力F表示，即定义为滚动阻力Fr,电传动车辆的动力性,车辆受力分析,空气阻力根据空气动力学原理，汽车在行驶过程中，由于空气动力的作用，在汽车行驶方向上作用于汽车上的分力被称为空气阻力，空气阻力又分为压力阻力和摩擦阻力两部分。空气阻力是车速V、车辆迎风正面的面积Af、空气密度和车辆形状的函数。空气阻力可表达为,电传动车辆的动力性,车辆受力分析,爬坡阻力当车辆爬坡或下坡时，其重量将产生一个始终指向下坡方向的分力，如图2-8所示。这一分力不是阻碍（上坡时）就是辅助（下坡时）向前的运动。在车辆性能分析中，现仅考虑上坡时的运行状态。由路面坡度所产生的力通常称为爬坡阻力,电传动车辆的动力性,动力学方程,纵向车辆运动的动力学方程可表达为若想获得轮胎与地面接触面所能支持的最大牵引力，必须确定前、后车轴上铅垂方向的载荷。通过累加作用于点R（轮胎与地面接触面的中心）的所有力矩，便可得前轴上铅垂方向的载荷)Wf为同理可得作用于后轴上的铅垂方向载荷Wr为,电传动车辆的动力性,动力学方程,轮胎与地面接触面所能支持的最大牵引力（大于该最大牵引力的任意小量的变化将引起轮胎在地面上的自旋），它通常以铅垂方向载荷和路面附着系数的乘积方式给出。因此，对前轮驱动的车辆应有,电传动车辆的动力性,动力学方程,胎与地面接触面所能支持的最大牵引力（大于该最大牵引力的任意小量的变化将引起轮胎在地面上的自旋），它通常以铅垂方向载荷和路面附着系数的乘积方式给出。因此，对前轮驱动的车辆应有,电传动车辆的动力性,动力学方程,后轮驱动的车辆应有,汽车行驶的附着条件与附着率,地面对轮胎切向反作用力的极限值称为附着力，在硬路面上它与驱动轮法向反作用力FZ成正比，常写成由于作用在驱动轮上的转矩Tt引起的地面切向反作用不能大于附着力，否则发生驱动轮滑转现象，即对于后轮驱动的汽车有汽车行驶的附着条件,电传动车辆的动力性,动力学方程,后轮驱动的车辆应有,电传动车辆的动力性,电传动车辆的功率平衡,利用功率平衡图求最高车速时，Pt应取连续功率曲线上的点求取加速度，求最大爬坡度时，Pt可以取持续15分钟工作的功率曲线上之点。,电传动车辆的动力性,电传动车辆动力性计算简便方法,Vrm为车辆以恒驱动力特性输出和以恒驱动功率特性输出的分界车速,车辆起步加速时间计算,电传动车辆的燃料经济性,汽车燃油经济性,汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。Mile/USgal=1.61km/4.55L=0.3538km/L=1/(282.6L/100km),等速百公里燃油消耗量等速百公里燃油消耗曲线工况燃油经济性美国环境保护局EPA综合燃油经济性：MPG,电传动车辆的燃料经济性,汽车燃油经济性计算,等速燃油经济性：,电传动车辆的燃料经济性,汽车燃油经济性计算,工况燃油经济性：,电传动车辆的燃料经济性,纯电动汽车燃料经济性,电动汽车在动力蓄电池完全充电状态下以一定的行驶工况，能连续行驶的最大距离，单位为km.能量消耗率(EnergyConsumption)：电动汽车经过规定的试验循环后对动力蓄电池重新充电至试验前的容量，从电网上得到的电能除以行驶里程所得到的数值，单位为Wh/km;比能量消耗率：电动汽车能量消耗率与整车质量的比值，单位为Wh(kmton)能量经济性：电动汽车以各种预定行驶规范达到的续驶里程与蓄电池再充电恢复到原有的充电状态所需要的交流电能量之比。单位：km/kWhac,电传动车辆的燃料经济性,纯电动汽车燃料经济性,等速续驶里程：,电传动车辆的燃料经济性,纯电动汽车燃料经济性,工况续驶里程：,电传动车辆的燃料经济性,纯电动汽车燃料经济性,工况续驶里程：,电动汽车单位里程的能耗在0.111.07Wh/km范围内变化。电动汽车比能耗在0.0350.11kWh/(kmton)范围内变化,电传动车辆的燃料经济性,电传动车辆的燃料经济性,混合动力电动汽车的燃料经济性,由于车辆行驶的能量来源不仅来自于电池组还消耗了车载燃料的一部分能量其燃料经济性的评价需要考虑两个方面：燃料消耗量和外界输入电量，为统一标准采用百公里运行成本评价即,Chev为混合动力车辆百公里运行成本RMB/(100km);Cfuel为燃油价格RMB/L;Celect为工业用电价格RMB/(kWh)EGrid为电池组百公里电网充电电量均值kWh/(100km),汽车的燃料经济性,V为车辆驱动系能量利用效率%qg为燃料比能量Wh/kgQt为等效的车辆单位时间燃料消耗量,g/s,电传动车辆的燃料经济性,车辆的制动特性,汽车的制动性主要由下列三方面来评价:制动效能即制动距离与制动减速度;制动效能的恒定性即抗衰退性能;制动时汽车的方向稳定性即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。,制动效能是指在良好路面上，汽车以一定初速制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度它是制动性能最基本的评价指标。汽车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度，称为抗热衰退性能。,车辆的制动特性,地面制动力,制动器制动力,取决于两个摩擦副的摩擦力：制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘间的摩擦力；轮胎与地面间的摩擦力。,车辆的制动特性,前后制动器制动力的比例关系,理想的前后制动器制动力分配曲线,车辆的制动特性,同步附着系数,线与I曲线(满载)交于B点，此时的附着系数值称为同步附着系数。,线位于I曲线的下方，制动时总是前轮先抱死，稳定工况；,线位于I曲线的