SC7130纯电动汽车参数匹配设计【含CAD图纸+文档全套资料】
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目录摘要I第1章 绪 论11.1电动汽车发展概述11.1.1国外电动汽车的发展概述11.1.2 国内电动汽车发展概述21.2 本论文研究的目的和意义31.3 本文研究的主要内容4第2章 电动汽车的基本结构52.1 电动汽车的基本组成52.1.1 电源52.1.2 电池管理系统52.1.3电机驱动系统62.1.4 底盘和车身62.1.5 辅助设施72.2 纯电动汽车的动力传动系统的基本结构及布置方式72.3 本章小结9第3章 电动汽车动力传动系统参数选择及匹配103.1 某型纯电动汽车的整车参数和性能指标103.2 电动机参数匹配设计103.2.1 电动机最高转速及额定转速的选择113.2.2 电动机峰值功率及额定功率的匹配113.2.3 电动机额定电压的选择133.3 电动汽车传动系统参数设计133.3.1 传动系传动速比设计133.3.2 传动系变速器的选择153.3.3 档位数和换挡规律对整车的性能影响分析173.4 电池组参数匹配设计183.4.1 电池组参数的确定203.5 匹配结果213.6 本章小结22第4章 建立整车动力学模型234.1 Matlab/Simulink的简介234.2 电机模型的建立234.3 电池模块的建立254.4 变速器模块的建立264.5 整车模型的建立274.5.1 汽车行驶动力学方程274.5.2 整车动力学模型的建立28第5章 仿真结果与分析305.1 循环工况的选择305.2 仿真结果与分析305.2.1 ECE-EUDC循环工况仿真与分析305.2.2 日本1015工况仿真与分析325.3 本章小结34第6章 全文总结及展望356.1 全文总结356.2 展望35致 谢36参考文献37摘要随着环境污染和能源短缺的问题日益突出，纯电动汽车以其零排放、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。本文首先对纯电动汽车的基本结构及相关的动力电池技术、电动机及其控制技术和能量管理技术进行了介绍。纯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。通过比较几种常见的驱动系统布置方案，对蓄电池、电机等动力元件进行选型。在此基础上，对参数选择和参数问的合理匹配进行分析研究，提出一套比较合理的纯电动汽车驱动系统参数的设计理论原则。本论文以SC7130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、传动比及变速箱等。并利用Matlab/Simulink仿真软件建立了电动汽车的蓄电池、电动机、传动系等仿真模型。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；Matlab/Simulink AbstractAlong 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. First discuss the basic structure of the electric vehicle and its reference techonology,the battery,the motor and its control，and the energy management systemThe main difference between the electric vehicle and the fuel vehicle is the drive systemDespite of the electric vehicle is using for reference of the fuel vehicle，but it has its owned character,the structure，performance and techonology parametersThen select the power parts of battery and motor through the compare of different kinds of drive system disposalBased on the disposal,study the parameters selection and their matching，and put forward a reasonable principle to design the drive system of electric vehicle，and choose the parameters of the under design electric vehicle.In this thesis, based on SC7130 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 Matlab/Simulink to build the simulation models about the battery, the motor, the power-train and so on. According to the requirement of the electric vehicle dynamic performance, acceleration ability, maximum speed, 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.Key words: pure electric vehicles; power-train system; parameter matching Matlab/SimulinkI第1章 绪 论内燃机汽车经过一百多年的发展，逐步实现了机电一体化，其性能也越来越完善。另外汽车工业的发展促进了国民经济的发展，同时汽车也成为人们生 活中不可缺少的交通运输工具。因此，汽车行业已成为大多数国家的支柱产业。但是，传统燃油汽车给人类带来利益的同时也给人类带来了巨大的危害，由于汽车的有害气体的排放和噪声污染，人们的身体健康也因此受到了威胁。随着 世界上汽车保有量的日益增加，汽车排出的废气对环境的污染也越来越严重。 同时伴随着当今世界各国对能源的需求越来越多，而现今石油储存量越来越少， 燃油汽车将面临着能源短缺和环境污染的双重压力。因而，当今汽车工业的发展势必向低噪声、零排放、低碳环保的方向发展，既走可持续发展的道路。所以，电动汽车将成为未来发展的主要趋势。电动汽车与传统内燃机汽车相比具有较多的优点。纯电动汽车具有零排放，低噪声、安全可靠且操作简单等优点，可被称为“绿色的交通工具”1。电动汽车零排放技术将会减轻汽车尾气对大气的污染，由于传统汽车造成的能源短缺，环境污染的问题日益严重，因此当今世界开发研制电动汽车将成为各国政 府，学术界及汽车行业的主要任务。1.1电动汽车发展概述1.1.1国外电动汽车的发展概述汽车尾气的排放污染和能源危机促使世界各国汽车行业都在迅速研制和开发电动汽车，并且有了一定的成果。由于日本是能源短缺的工业大国，城市污染较严重，早在 30 多年前就开始了对新能源电池的研究。同时日本对新能源电动汽车的开发与研制工作也启动的较早。日本的电动汽车技术在全世界来说，是少数几个国家中发展速度最快的之一，尤其混合动力汽车的发展日本在世界 上居首位。1997年12月，世界上第一款混合动力轿车 PRIUS 由丰田汽车公司 在日本市场上进行推出2000 年 7 月至 9 月，该轿车开始向北美、欧洲出口。现在该轿车已遍布世界上20多个国家。目前市场上销售的产品已经是第二代产品，其汽车的综合性能有了进一步的提高，成本也有了降低。据有关统计数据 显示，全球混合动力汽车市场 90%的份额被丰田汽车公司占据。2004 年9 月15日，丰田汽车公司与一汽集团就混合动力汽车项目，在北京签订了合作协议，并宣布在 2005 年内，丰田PRIUS混合动力轿车由双方共同生产。因此，PRIUS混合动力轿车在中国市场上也有了销售。接着，丰田汽车公司还推出了搭载软 混合动力系统的CROWN轿车和 ESTIMA混合动力汽车。丰田汽车公司推广的混合动力系统的经济性能和行驶动力性能居世界的前列。除此之外，本田汽车 公司研制的Insight混合动力电动汽车销售状况良好。Civic 混合动力汽车由本田田汽车公司于2002年4月在美国市场上销售。在2006 年，日产汽车公司把 Altima 牌混合动力汽车投放到美国市场，这是日产与丰田公司合作生产的第一个混合动力汽车产品2、3。美国的汽车公司在电动汽车的研制开发方面和日本相比较要差很多，美国的三大汽车公司生产、销售的纯电动汽车还是小批量，还没有达到一定的规模。然料电池电动汽车和混合动力汽车还未能实现产业化，因此日本的混合动力汽 车在美国市场上占据了重要的地位。混合动力电动汽车研发合同由美国能源部与三大巨头汽车公司在 1993 年签订。其中三大汽车公司分别投入的资金如下：通用投入1.48亿美元，克莱斯勒投入8480万美元，福特投入1.38亿美元，这些资金预计使用5年来研发电动汽车。在此基础上，目前已推出三款混合动力 概念车 Daimler Chrysler DodgeESX3、GM Precept 、Ford Prodigy。在 2004年12月14日，通用汽车公司与戴姆勒-克莱斯勒汽车公司共同合作开发混合动力电动汽车，以此推动混合动力汽车的发展。在2009年2月，在金融风暴的冲击下，美国政府大力支持本国电动汽车的研发，三大汽车公司配合政府支持各企业的新能源项目4、5、6、7。欧洲各国汽车公司也都在开发和研究新能源电动汽车项目。就目前来看，法国是世界上电动汽车的普及程度和保有量最多的国家，据估计已有2万辆不同的电动汽车投入使用，纯电动汽车大概约有8000辆8。总的来说，目前，日本和美国的电动汽车研究处于世界的领先水平，其他国家对电动汽车的研究还处在一定的阶段。1.1.2 国内电动汽车发展概述1981年，我国开始正式对电动汽车进行研制，当时全世界各行各业的人对电动汽车的认识还不够，往电动汽车上投入的精力和资本都很少。近年来，我国对电动汽车的研究、开发提上了日程。国家和汽车企业开始对电动汽车投入大量的资金，并且国家在电动汽车研发方面给以积极有效的引导9。2006 年 6 月，“十一五”的“863”计划节能与新能源汽车重大项目通过论证。12 月，由13名成员组成的“十一五”的“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家正式成立。这些专家来自不同的单位，涵盖了节能与新能源汽车整车技术研究和开发，驱动电机，蓄电池等关键部件技术研究的方面，以及技术标准和实验测试技术应用方 面。这一构成有利于对项目的整体技术方向的把握并促进项目实现产学研结合。“十五”期间，中国在电动汽车研究方面投入 24 亿元，“十一五”期间有望增 加到 50 亿元。2006 年2007 年，中国新能源汽车产业取得了重大的进展，中国自主研制的纯电动、混合动力和燃料电池三类新能源汽车整车产品相继问世；混合动力和纯电动客车实现了规模示范。国内的比亚迪、奇瑞、吉利、长安、哈飞等汽车企业，纷纷在各大国际车展上频频亮相，展出了自行研发的混合动 力汽车，从而在这场新能源的竞争中，取得了不可估量的首发权。2008 年，北京成功举办了以“绿色、科技、人文”为主题的奥运会，且在 奥运期间使用了许多电动汽车，排放标准达到了世界上最严格的要求，电动汽 车无形中在奥运会期间得到了很好的宣传。2009 年 2月5日，国家出台了节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法，这一举措刚好适应经济的发展，同时节能减排。政府并对不同类型的电动车给予了不同资金的补助。在上海世博会上，著名的各大汽车公司都向世界推广各自独特的汽车新理念，同时对未来汽车发展的方向作出预测，并得出结论新能源汽车已经 成为关注的焦点，再加上无污染电动汽车在各个场馆都有大量的使用，这些现象都将促进电动汽车在国内的迅速发展10。计划到2020年，我国新能源汽车和传统汽车的汽车技术达到先进水平，部分技术处于世界领先水平，我国将变成世界上的汽车强国。用新能源代替传统汽车上的燃油，全力推进汽车能源动力系统的转型。计划到 2015 年，纯电动汽车的保有量应用达50万辆以上；新的电动技术广泛应用于传统汽车，混合动力汽车比例将达到年产量的30%以上，电动汽车的关键零部件及电动汽车整车产业化达到一个新的水平。新车平均单车油耗比2009年下降30%以上，达到国际先进水平。1.2 本论文研究的目的和意义 纯电动汽车和传统内燃机汽车一样有着复杂的系统，它涉及到各个学科领域。纯电动汽车的主要性能指标是最高车速、加速能力、最大爬坡度和续驶里程等，电动汽车能否达到这些指标的要求，动力传动系统起着重要的作用，因此，要满足整车的动力性能，传动系统参数合理的选择及优化仿真即是本论文研究的重点。目前动力电池技术还不够成熟，有待进一步的研究与开发，电池性能的好 坏直接影响了纯电动汽车的续驶里程，续驶里程如果能达到较理想的值，那么 电动汽车的使用数量将会增加。除电池之外，纯电动汽车动力传动系部件参数 对纯电动汽车的动力性、续驶里程等都有显著的影响15。因此，本文结合某型 纯电动汽车项目，对纯电动汽车传动系的参数进行选择和计算，并利用仿真软 件Matlab/Simulink对其进行仿真分析并对所选的传动系参数进行优化。在电池和电机参数不变的条件下，提高整车的传动系效率增加电动汽车的续驶里程，以及为将来开发研制满足纯电动汽车性能的传动系统奠定了理论依据。1.3 本文研究的主要内容本论文研究的主要内容如下：1）对纯电动汽车动力传动系参数设计的原则和方法进行分析和探讨。 2）对动力传动系的主要参数进行合理的选择和匹配。 3）应用电动汽车仿真软件 Matlab/Simulink建立整车动力传动系统及关键部件的性能仿真模型。 4）针对已经建立好的仿真模型运行仿真，并对仿真结果作出分析，验证动力性及续驶里程能否满足整车的动力性求。第2章 电动汽车的基本结构2.1 电动汽车的基本组成对于传统内燃机汽车，纯电动汽车的结构有很大差别，具体组成包括：电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。2.1.1 电源电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，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。本文讨论的对象使用高能锂电池作为动力源的电动汽车，锂离子电池由于其比能量大、放电电压高、循环寿命长、无记忆效应、具有快速充电能力、自放电速率小、具有多种安全保护措施、密封良好，无泄漏现象、环保等众多优点，使得其在未来电动汽车中的应用前景非常广阔。2.1.2 电池管理系统电池管理系统一直是电动汽车发展中的一项关键技术，电池组管理系统最基本的作用是监控电池的电池电压、电流和温度，通过对这些参数的测量，预测蓄电池的SOC和相应的剩余行驶里程，管理电池的工作情况，避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。电池管理系统按照实现方式可以分为两大类：一类是基于芯片的电池管理系统；另一类是基于分立式器件的电池管理系统。基于芯片的电池管理系统一般将前端采集电路、均衡电路以及电量计量算法、通讯功能等集成在芯片中，辅以外围电路完成对电池的管理功能。具有更小的体积、更高的集成度等优势；基于分立器件的电池管理系统，有基于纯硬件和基于软硬件协调工作的解决方案，而软硬件协调工作方案由于实现更灵活、功能更完善，被广泛采用。该方案在产品设计的灵活性上占有一定优势。2.1.3电机驱动系统电机驱动系统包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和车轮，其功用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。 图2-1 电机驱动系统 目前电动汽车驱动系统主要分为4类：1）、直流电动驱动系统，这种驱动系统结构简单、电磁转矩控制特性优良，在城市无轨电车上广泛应用但重量和体积也较大；2）、感应电机驱动系统，这种驱动系统结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、转矩脉动低、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高、矢量控制调速技术比较成熟，但驱动电路复杂，成本高；3）、永磁无刷电机系统，这种驱动系统功率密度较高、电机尺寸小、体积小、转子结构简单、稳定性好；4）新一代牵引电机系统，这种系统即开关磁阻电机驱动系统，具有高密度、高效率、低成本、宽调速。2.1.4 底盘和车身电动汽车的车身与传统汽车基本相同，底盘中的传动系比内燃机汽车有所简化。在底盘的布置上还要有足够的空间存放动力电池组，并且要求线路连接方便，充电方便，检查方便和装卸方便。能够实现动力电池组的整体机械化装卸。这就要求在电动汽车的底盘的布置上，打破传统的内燃机汽车底盘布置模式，加大承载空间的跨度和承载结构件的刚度，并且充分考虑防止动力电池组渗出的酸或碱液对底盘结构件的腐蚀侵害。车身采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽车自身质量减轻30%-50%；实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，使汽车的滚动阻力减少50%；汽车车身特别是汽车底部更加流线型化，可使汽车的空气阻力减少50%。2.1.5 辅助设施 辅助系统包括辅助动力源、动力转向系统、导航系统、空调器、照明及除霜装置、刮水器和收音机、安全保护装置等，借助这些辅助设备来提高汽车的操纵性、安全性和乘员的舒适性。2.2 纯电动汽车的动力传动系统的基本结构及布置方式 电动汽车的动力传动系统是电动汽车的核心部分，其性能决定着电动汽车动力性能的好坏。图 2-1 为纯电动汽车动力传动系统的基本组成，由结构图可以看出该动力传动系统主要包括电源系统和电力驱动系统两分。电源系统主要有蓄电池和电子控制系统等组成。电力驱动系统主要由变速器传动装置、电动机、驱动车轮等组成；其中，电子控制系统主要包括各种传感器、电机驱动器及控制器。由图可知：控制器在电能转化为机械能中起着重要的作用。电机的转速，转矩，都有控制器来控制，然后在经过变速器，电机的机械能最终传给车轮。从图中知加速踏板、制动踏板、档位、电机及转向盘输出的信号反馈给控制系统，然后控制系统对接收的信号经过处理后在传送到到电动机驱动器，电机的输出功率就会得到控制，实现控制驱动电机的转速和转矩，输出的动能 经过变速器最终传给车轮，然后汽车按驾驶员的要求行使11。图 2-2 纯电动汽车动力传动系统基本组成目前，电动汽车的动力传动系统常见的布置形式有以下几种：16,17 （1）电机+传统汽车变速器这种布置方式和传统的内燃机汽车传动系统布置方式相同，装有变速器和离合 器。这种车是将发动机换成电动机，属于改装型电动汽车。这种布置可以提高电动汽车的启动转矩，增加后备功率。（2）固定速比减速器 因这种传动系统取消了变速器和离合器，减轻了整车的质量。取消了变速器和离合器后，这就要求电动机有足够高的起动转矩，有足够大的后备功率，以此来满足电动汽车的行驶需求。（3）电机驱动桥一体化 这种布置方式依然是取消了变速器和离合器。与第二种布置方式不同的是将电动机装到驱动桥上，变速和差速转换直接由电动机来实现。这种传动方式对电动机和控制系统都有较高的要求，同样要求有足够大的起动转矩和后备功率，同时要求控制系统有较高的控制精度和良好的可靠性，这样才能保证电动汽平稳、安全的行驶。（4）轮辐电机 这种布置方式同第三种布置方式相似，此种方式是将电动机直接装到驱动轮上， 机械能不在经过驱动轴传递，而是由电机直接驱动车轮行驶。（5）电机+变速器 此种布置方式与第一种方式的不同之处在于没有安装离合器，只安装变器。安装变速器可以提高整车的动力性能和整车的效率，且传动系统的结构不至于那么复杂。 目前，我国的电动汽车的研发技术还不够成熟，大都是以传统发动机汽车为基础进而研发设计的。电动汽车高性能的实现，并不是简单地将传统的内燃 机汽车的发动机和油箱改换成电动机和蓄 电池。它必须通过对传动系统各部件如电动机、蓄电池、减速器、变速器、和控制系统等参数进行合理匹配选择和计算。本论文将要参考第二种和第五种传动系统的布置方式，然后根据某型纯电动汽车要求的参数，通过计算来确定最终使用哪一种布置方案。2.3 本章小结电动汽车与传统汽车差别较大，传统汽车是由发动机气缸的往复运动，驱动车辆行驶。而电动汽车是由电机旋转驱动电机。电机驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。本章详细讨论电动汽车的5大系统，即电源、电池管理系统、电机驱动系统、车身及底盘、辅助设施。对于电动汽车的设计研发，有一定的综合指导作用。第3章 电动汽车动力传动系统参数选择及匹配3.1 某型纯电动汽车的整车参数和性能指标本文参考同类型纯电动车的相关技术参数获得如下数据，表3.1，3.2所示为整车参数和性能指标： 表3.1 纯电动汽车整车主要技术参数 技术参数 单位 参数值满载质量 kg1365空气阻力系数 - 0.32迎风面积1.89传动效率-95%车轮滚动半径m0.266滚动阻力系数-0.02 表3.2 纯电动汽车动力性能指标要求动力性能参数单位参数值 加速性能s050km/h 的加速时间10080km/h 的加速时间25 最大爬坡度- 最高车速 续驶里程km等速工况下150；循环行驶工况下1153.2 电动机参数匹配设计电动汽车的动力性评价指标即汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度，电动汽车的动力性评价指标与传统内燃机汽车评价指标相同。但是，电动机机械特性与传统汽车发动机的机械特性有很大的区别，即电动机的峰值功率与额定功率可差3倍或者更高，但是在最大功率工况下电动机不能长时间工作，因此必须在电动机的额定工况下计算电动汽车的最高车速，最大爬坡度可以在最大功率工况下计算。汽车的起步过程和加速过程时间较短，在理论上可以用电动机的驱动特性进行设计计算。电动机与传统发动机特性不同的是，电动机的机械特性是低速时恒转矩和高速时恒功率，如果传动系有多个挡位时，其驱动力与内燃机汽车相比也有许多不同，所以在选择挡位和速比、计算最高车速等 考虑的因素与内燃机汽车也不同。在纯电动汽车的电机参数选择和设计中，通常以汽车的最高车速，最大爬坡度和最大加速度来初步选择电动机的功率。通过上述三种汽车行驶状态下的计算，所选择的电动机功率应大体上等于或者大于汽车以最高车速、最大爬坡度或者最大加速度行驶时行驶阻力消耗的功率之和。电动机参数设计主要包括 电动机的额定电压、额定转速、额定功率、峰值功率、最大转矩及最高转速等参数。3.2.1 电动机最高转速及额定转速的选择电动机的转速越高，就意味着对电动机的制造精度和制造工艺要求就越高，和电机相连的变速器或减速器的的尺寸也会受到影响，此外还会提高制造成本。 转速在 30006000r/min 的为低速电动机，转速在600010000r/min的为中速电机，转速高于10000r/min 的为高速电动机。中速和高速电动机成本较高、而且制造工艺复杂，对电磁材料的性能，轴承的承载能力有较高的要求。因此在本文中将采用低于6000r/min的低速电机18。电动机最高转速与额定转速的比值有一个范围，这个范围也被称为电机扩大恒功率区系数，值的大小与电动机的转矩的大小有关，值越大，电动机在低速下就可以获得较大的转矩，大转矩有利于汽车的爬坡和加速。但值不易过大，过大会导致功率损耗。因此，一般值取24之间，因此电动机的额定转速范围应该在12002500r/min 之间。3.2.2 电动机峰值功率及额定功率的匹配电动机是电动汽车行驶的动力源，对整车的动力性有直接的影响。所选的电动机功率越大，整车的动力性也就越好，但是如果功率过大，电动机的质量和体积也会增大，且电机的工作效率不高，这样就不能充分利用有限的车载能源，从而使续驶里程降低。因此，电机功率参数设计时通常参考汽车的最高车速，加速时间和最大爬坡度。首先，根据电动汽车以最高车速确定电动机的功率： （3-1）式中：M 为整车质量(kg)；f 为滚动阻力系数； 为迎风阻力系数；A 为迎风面积（）；为最高行驶车速（km/h）。其次，根据电动汽车以某一车速爬上最大坡度来计算所消耗的功率： （3-2）式中：为电动汽车行驶速度（km/h）, i为坡度。最后，根据电动汽车加速性能确定电动机功率。电动汽车在水平路面上加 速行驶消耗的功率： (3-3) (3-4) 式中，为汽车旋转质量换算系数； 为飞轮的转动惯量（）；为车轮的转动惯量（）；R为车轮半径（ m ）；为变速器传动比；为主减速器传动比。电动汽车的电动机功率必须能同时满足汽车动力性能的任何一种要求。所以电动汽车电动机的峰值功率： （3-5）电动汽车电动机的额定功率为： （3-6）式中，t 为机械传动系统效率； 为电动机的过载系数。 按照整车动力性要求，将表3.1中的整车参数代入上述公式，经过计算得到电动机的峰值功率和额定功率。根据性能指标最高车速 =80km/h,代入式（3-1）得到 Pmax1=13kw。汽车爬坡时，此时电机的功率可以达到峰值功率，因为通常情况下爬坡时间较短，电机可以在较短时间内以峰值功率工作。所以汽车的峰值功率可由汽车爬最大坡度计算出来。将最大坡度设值为20%，爬坡时的车速 =15km/h ，代入式(3-2)计算得Pmax2=15.79kw 。根据动力性要求050km/h 的加速时间小于10s，同时考虑电机的后备功率约20%，由公式 3-3，3-4经过计算得Pmax3=13.6kw。所选择的电机功率必须同时满足上述三项动力性指标的要求，最终确定电动机峰值功率为Permax=16kw。因此，电动机的额定功率可根据峰值功率由式（3-6）求出。电动机过载系数取为2，由式3-6得电动机额定功率=8kw。3.2.3 电动机额定电压的选择电动机额定电压与电动机的额定功率成正比，额定功率越大额定电压也就越大。电动机额定电压选择与电动汽车的电池组的电压有密切的关系。因此，要选择合适的电池组的电压和电流以满足整车能源的需要。不过最终都是由所选取的电动机的参数来决定额定电压。因为前面已经确定电机的额定功率， 所以在此确定电动机的额定电压范围为70V100V。综合考虑电动机的整体性能和成本,以及能和即将选择的传动系统部件完好的匹配,本论文中选择某型永磁同步电动机,具体参数如下。 表3.3电动机参数 类型永磁同步式最大转矩 额定转速2000r/min最高转速5300r/min额定转矩电动机质量40kg峰值功率16kw控制器质量10kg额定电压80v电动机尺寸3.3 电动汽车传动系统参数设计能否满足车辆的动力性能和续驶里程是纯电动汽车动力传动系统参数设计首先要考虑的问题。车辆行驶的动力性能可以用以下四个指标来评价： （1）起步加速性能。汽车由静止起步并以最大的加速度加速到某一车速或在某一预定的距离加速行驶所需的最短时间。 （2）最高车速稳定行驶的能力。在水平良好的路面上，电动机发出的功率应该能够维持电动汽车以最高车速行驶的能力。 （3）额定车速稳定行驶的能力。对电动汽车来说，蓄电池和电动机提供的全部功率能满足车辆以额定车速稳定行驶的能力。 （4）爬坡能力。电动汽车提供的功率能使其爬上最大坡度路面的能力。除此之外，电动汽车上动力电池组的能量应该能够维持电动汽车行驶一定的续驶里程。3.3.1 传动系传动速比设计电动汽车的核心电气传动系统代替机械推进系统、电池代替汽油作为车载能源，在实现零排放或少排放的前提下，满足燃油汽车各项功能、价格指标的要求。传动系参数的设计主要包括变速器档位的选择和各档传动系速比的计算，以及主减速器速比的选择和计算。电动机确定后，即电动机的机械特性不变时， 传动系的各参数主要根据整车的动力性指标要求来确定。电动汽车传动系参数 的选择应该满足电机基速以下大转矩以适应快速起动、加速、负荷爬坡、频繁启停等要求，电机基速以上小转矩、恒功率、宽范围以适应最高车速和公路飞驰、超车等要求。在电动机整个转矩/转速运行范围内，效率最优化，以谋求电池一次充电后的续驶里程尽可能长。传动系速比的上限： （3-7）式中，为主减速器的传动比； 为变速器的传动比；i 为传动系速比；为电动机最大转速；为最高行驶车速；R 为车轮半径。 把表3.1中的相关数据代入公式 3-7 中可得出 i 6.64。 （2）传动系速比的下限:根据电动汽车以最大车速行驶时，汽车受到的行驶阻力，电动机以最高转速旋转时，输出的最大转矩，来确定传动系速比下限为： (3-8) 式中，为最高车速对应的行驶阻力；为电动机最高转速对应的输出转矩；为机械传动系统效率，为滚动阻力，为空气阻力。根据电动汽车最大爬坡度对应的行驶阻力和电动机低转速下对应的最大输出转矩来确定传动系速比下限为： (3-9)式中， 为电动汽车爬最大坡度时的行驶阻力；为电动机最大输出转矩， 为坡度行驶阻力。由于爬坡阻力比平直路上行驶时的阻力要大的多。故应由公式 3-9来确定传动系速比下限。由公式3-9来计算传动速比的下限，其中 =94，其它参数由表3.1中可得，代入相关数据计算可得： i 11.22483.3.2 传动系变速器的选择由于纯电动汽车技术还处在发展初期，它的续驶里程制约了纯电动汽车的适用区域，它适合于在市区或着近郊等短途区域使用。纯电动汽车的最高车速一般在80km/h 左右。由于路况的复杂多样，在行驶过程中电动汽车遇到的阻力变化范围较大，又因电动机本身的力矩变化范围是有限的，不能满足汽车行驶的要求。因此，可以考虑像传统汽车一样在电机和驱动轮之间加减速器和变速 器。安装了传动系统以后，电动汽车的动力性能就容易被满足，且可以提高电机的工作效率，也可以减小电机和动力电池的负荷。最终提高整车的动力性，增大续驶里程，满足汽车行驶的需求是安装传动系统的主要目的，为了使传动系的结构不至于太复杂，本论文提出两种传动系的设计方案，即采用固定速比减速器和两档变速器。1、方案 A：纯电动汽车采用固定速比减速器采用固定速比减速器，根据以往的经验选择固定速比为8。确定固定速比后，然后对其验证，固定速比为8时，计算电动汽车的最高车速和最大爬坡度是否能满足整车的动力性要求。 （1）计算最高车速： 整车的动力性要求中,最高车速为80km/h， 所以汽车在平直路面上以80km/h 行驶时电机的转速为： (3-10) 代入数值计算得 n=6382r/min，此时电动机的转速高于基速。此时电动机的转矩为： (3-11)代入数据计算得：T32Nm所以车轮上的驱动力 Ft 为： (3-12)代入数据计算得 Ft =431.9N根据车辆水平匀速行驶动力学方程式: （3-13）由式 3-13计算得车辆以 80km/h 行驶时，此时的行驶阻力 F = 450N ，Ft F , 因此此方案不能满足最高车速要求。 （2）计算最大爬坡度假设汽车爬坡时车速为15km/h，由电动机基速以下恒转矩输出特性图知此 时电动机的转矩是峰值转矩即为94Nm。由式（3-12）得到车轮的动力Ft=2685.6N根据车辆行驶阻力方程式： （3-14）由公式（3-14）求出爬坡度为 20%时车辆所需的驱动力为 2814.5N。 Ft F ,所以方案B满足最高车速要求。 （2）计算最大爬坡度汽车爬坡时需要较大的转矩，因此变速器要置于档 ，假设此时车速为15km/h由电动机基速以下恒转矩输出特性图知此时电动机的转矩是峰值转矩即为94Nm。由式（3-12）得到车轮的驱动力 Ft=2905.7N由公式（3-14）求出爬坡度为20%时车辆所需的驱动力为 2814.5N， Ft F 。方案B满足最大爬坡度的要求。 通过两种方案的校核计算，采用固定速比减速器即不能满足车辆最高车速 要求，也不能满足最大爬坡度要求。方案B满足。因此选用方案B，速比为11.3和6.0的两档式变速器为纯电动汽车的传动系装置。3.3.3 档位数和换挡规律对整车的性能影响分析本论文经过上述的计算采用了两档式变速器。档位数的增加，可以使电动机在较高的效率区域内工作，提高其续驶里程。由于电机本身调速特性较好，因此不需要用多档位的变速器，通常情况不超过三个。档位太多会使传动系的结构过于复杂，使整车的质量过重,同时也会使传动系效率降低，整车性能也会降低。因此档位数的合理选择对整车的动力性有着较大的影响。图3.6 功率平衡图(两个档位动力中断情况）电动汽车的低档位有常规车速决定，也就是经济车速，一般是在50km/h 左右。上图3.6为功率平衡图，由 Ucg 确定档的档位后，由于电动机最高转速的限制，档和档功率曲线没有重合部分。为了提高整车的动力性，考虑到变速器的换挡规律，在C点位置由档换入档，在换入二挡后整车将工作在D 点位置，由图中知，换挡后整车将工作在D点位置，由档换入档过程中此时要产生动力中断，由图可知从C点降到D点，电动机的功率有所下降，又因动力的变化会产生换挡冲击，这对变速器的使用寿命和整车的舒适性会产生影响。因此传动系档位数的选择也要考虑到动力中断及换挡冲击对整车性能的影响。3.4 电池组参数匹配设计动力电池是整车的能量来源，整车所有的能量消耗都来自电池组。因此所选择的电池组的类型、质量和各种技术参数都会影响电动汽车的整车性能，是电动汽车的关键部件之一。电动汽车动力电池系统的参数匹配主要包括电池组的数目、电池的类型、电池组容量、电池组电压等参数的选择。根据车辆行驶时所需的最大功率和消耗的能量以及满足电动汽车对动力性和续驶里程的要求来确定电池组的容量。 （1）所选择的电池组数必须满足电动汽车行驶时所需的最大功率的要求。且蓄电池充满电后的能量必须大于或等于电动汽车所需的最大能量。因此电池组数目： （3-15）式中，为电动机峰值功率；为电池最大输出功率；为电动机效率；为电动机控制器工作效率。 （2）由电动汽车的车载能源必须满足续驶里程的要求来计算电池数目为： （3-16） 式中，L为电动汽车续驶里程；为单节电池电压；Cr为单节电池额定容量；W 为电动车行驶1km所消耗的能量。因此，电动汽车电池数目为： (3-17)经过计算n取12。 （3）电池组容量计算电动汽车上电池组的使用过程中，考虑到车辆上各种电器件使用的安全因素，规定电池的最大放电电流不能超过 300A。则电池组电压和电动机的峰值功率的关系式如下： （3-18）由上式计算出电池组电压： 53 ，因为本文所匹配的电动机额定电压范围为（70V 100V),由此确定电池的电压为80V。 （4）铅酸电池组能量的计算 电池组能量的计算公式: (3-19)式中：为电池组的能量（)；为电池组的电压（V)；C为单体电池的容量（Ah)。电动汽车以50km/h的速度行里程S（km)所需的能量可以通过下式计算： （3-20） （3-21）式中：Pele为纯电动汽车行驶所需的功率（Kw)；为纯电动汽车续驶里程S 所消耗的能量（)。有上述公式可知：当时，才能满足电动汽车的行驶需求。由电池组容量与电压可直接求出续驶里程为： （3-22）式中：为电池组的有效放电容量。一般为 30%，即放出的最大容量为70%。 按等速下车辆的续驶里程为150km，选择电池组电压为80V。由以上公式计算得：Pele=7.859kw，=23.577kw，又因所以取 =24kw,则由公式(3-19）可得C=200Ah。所以初步确定电池组的电压为 80V，容量为 200Ah.电池组个数为12。3.4.1 电池组参数的确定电动汽车上电池组的选择要从多方面因素考虑，首先是要满足电动汽车动力性能的能量消耗，其次是环保因素，经济因素，使用寿命因素等。以电动汽车上常见的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、铁锂电池为代表，来分析比较四种电池的基本性能参数，如表3.4。表3.4 四种常见电池性能比较 铅酸铁锂电池镍氢镍镉 能量密度（WhL-1) 120160260180120比能量(Whkg-1) 4050 10514065 4050比功率(Wkg-1) 200400 250400 160230 150350功率密(WL-1 )120480续驶里程(mph)70190240130循环寿命(次) 500700 80012006001200 8002000能量效率(%)659065可回收利用(%)97509099充电时间（h） 8173656价格($/kWh) 100200200300 铅酸电池的技术已经比较成熟,最早的电动汽车用的就是铅酸电池作为车载能源。由表3.4中可知铅酸电池成本较低。由于原材料比较容易得到、可靠性好、放电电压较平稳，且充电效率也较高，生产技术成熟等优点在电动汽车的车用电池市场中一直占着主要地位。伴随着铅酸蓄电池技术的逐渐发展及创新，在市场能买到各种形式规格的铅酸蓄电池。应用在电动汽车上的新型铅酸电池也不断的出现，电池的性能也不断的得到了提高。铁锂电池的比能量和比功率都很大，且有很长的循环寿命，可防止过充放电，是较理想的电动汽车动力电池，但是它的经济成本较高、电池组表面易发热，铁锂电池技术还不够成熟，不过它可作为电动汽车用动力电池发展的重要目标。镍氢电池是一种比较环保的高能量电池，其比能量可达到7080Wh/kg,比功率是铅酸电池的2倍。与上述其它电池相比较镍氢电池有许多优点：比能量高、比功率达，有高倍率的放电特性，低温性能好；镍氢电池可以密封，有较 强的耐过充放电性能；对环境不会造成污染，可以称为是绿色电源，没有使用重金属；无记忆效应。虽然镍氢电池有以上的众多优点，但是还是有很多因素制约着镍氢电池在电动车汽上的广泛应用。例如镍氢电池在充电过程中容易发热，发热产生的高温会对镍氢电池产生负面影响，影响电池的使用寿命。镍氢电池不易储存，价格和铅酸电池相比较也较贵。镍镉电池属碱性电池，比能量、比功率较高，循环使用寿命较长，但含有重金属镉，污染严重，因此不适宜选用。综合考虑电池的各项性能及经济型和技术的成熟性，本论文选用铅酸电池。 国内研制开发的电动汽车车用极板铅酸蓄电池已经达到了以下性能指标：3小时率比能量42wh/kg，10min持续比功率 80w/kg,快速充电性能45h100%充电，1520min70%充电，80%DOD寿命600次。根据公式（3-15）,（3-16）,（3-17）计算得需要12节电池，每只电池电压为80v,电池组的电压80v.电池组的容量为400Ah，然后通过公式计算知具体的参数如下表3.5：表3.5 铅酸电池动力电池参数名义容量 200Ah单只电压 80v单只质量 14kg单只体积 210*175*145mm总电压 80v电池只数 12总质量 168kg电池组合方式 并联3.5 匹配结果根据整车动力性能的要求，对电动汽车传动系参数进行了合理的选择和计算。传动系统匹配的依据：首先根据整车动力性要求，对电动机的最大功率、变速器档位的选择提出要求。然后根据汽车的续驶里程要求，来确定电池组容量。本章依据以上要求对电动机、电池、变速器进行了参数计算和选择。所选的纯电动汽车的参数如下表 3.6：表3.6 纯电动汽车传动系参数表满载质量 1365kg 整备质量865kg电动机 类型永磁同步式最大转矩94Nm额定电压80v最高转速5300r/min额定转速1300/min电动机质量40kg额定转矩65电动机尺寸峰值功率16kw控制器质量10kg变速器挡11.3档6.0形式 手动变速器主减速器质量4.5kg主减速器速比3.9474动力电池名义容量200Ah单只电压80v单体质量14kg体积210*175*145mm总电压80v电池组只数12总质量168kg电池组合方式并联3.6 本章小结本章主要分析了纯电动汽车的动力传动系统的结构组成及布置方式，并给出了整车的基本参数，提出了整车的动力性要求。本章分析了传动系速比，档位数，换挡规律对整车性能的影响。同时重点对电动机，蓄电池，变速器等参数进行了选择和计算，并对变速器档位的选择提出两种设计方案，最终确定变速器的速比。传动系参数的选择为下文对传动系统所选的参数进行仿真奠定了基础。 第4章 建立整车动力学模型4.1 Matlab/Simulink的简介Matlab的名称源自Matrix Laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。Matlab将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用Matlab产品的开放式结构，可以非常容易地对Matlab的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善Matlab产品以提高产品自身的竞争能力。Simulink是Matlab软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与Matlab语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。4.2 电机模型的建立电动机的建模以电动机的电压、转矩、功率的平衡方程和运行特性方程为基础，模型采用顺逆序相结合计算方式。该模型主要包括电动机控制模块以及电动机热模块，前者在电动机控制其中执行若干逻辑控制功能，且能够避免产生超过控制器承受能力的电流，同时在车辆未行驶或者齿轮箱处于换挡关闭电动机；后者用于计算电动机温度和维持电动机正常温度。电动汽车的特点可以直接输入到模型因为他们不包含任何奇点。电力要求在第一象限，），因此可以表示为： （4-1） 否则，在第二象限( 0 , 0)则表示为： （4-2）为了便于区分，将这两种情况4-1和4-2可以组合为一个单一的效率图显示在模块中。图4.1 电机在一、三象限的效率图电动马达的模型类似IC引擎，他们的输入包括转矩、角速度、角加速度，输出是需求功率。此外，只要有一个合适的功率放大器，几乎所有的电动汽车都可以用在二或者四象限。在这里，由于损失是整个汽车的损失，从而功放没有被放入到模块里面。和内燃发动机模块一样，电动机模块也需要一个最大转矩判断器和一个最带转速判断器。电动机仿真模型如图4.2所示图4.2 电动机仿真模型4.3 电池模块的建立该模型以电池的开路电压及电池内阻的特性函数为基础，以电荷状态的变化趋势为依据建立起来的。1）电池开路电压和内阻计算模块：根据当前蓄电池的功率需求、电池温度以及实时的SOC值来计算单个电池的开路电压和内阻。2）功率限制模块：防止电池负载电流的功率超出SOC，等效电路和电动机控制器最小允许电压。3）电池负载电流计算模块：根据电池开路电压和内阻计算模块输出电压及内阻、功率限制模块输出电功率为输入信号，依据吉尔霍夫电压定律来求解负载电流，公式如下： （4-3）其中，I为负载电流，E为电池开路电压和内阻模块的开路电压;P为功率限制模块输出电功率。 4）SOC模块：SOC的具体计算如下公式： （4-4）其中，A为电流；h为时间。放电时，；充电时，（为折算库伦效率，一般取0.95）。5）散热模型：监控车辆行驶过程中，放电期间电池内表及表面平均温度，冷却气的平均温度及带走的热量。蓄电池模型如图4.3所示: 图4.3 蓄电池模型4.4 变速器模块的建立如图4.4为Simulink下的变速器仿真模型，它所需要的输入转矩、转速和变速器输出的转速、转矩分别通过需求路线和实际路线得到。表4.1为变速器模型中需要的参数：表4.1 变速器模型中的所需要的参数变量名变量值单位 变速器各档位比6.0 11.3_ 变速器档位数2_ 变速器质量14kg变速器所有的损失用一个仿射关系来描述： （4-5）和分别代表进出系统的功率。图4.4 变速器仿真模型图4.5 整车模型的建立4.5.1 汽车行驶动力学方程根据汽车动力学原理，驱动力-行驶阻力关系式或行驶方程可以由汽车在水平路面上匀速行驶、加速行驶和在一定坡路上行驶时所测的实验数据来推导出。 （1）驱动力方程 纯电动汽车上的电机产生的转矩 T，经过传动系统传至驱动轮上。此时作用于驱动轮上转矩，产生一对地面的圆周力，同时地面对车轮产生一个反 作用力 Ft，Ft 称为汽车的驱动力。 (4-6)式中： 为作用于驱动轮上的转矩（Nm），R 为车轮半径（m）。 则作用在驱动轮上的转矩： （4-7）式中：Pt 为驱动轮上获得的功率（kw），为驱动轮上的转速(rpm)。由公式（2-2）可知，作用在驱动轮上的转速和转矩 成反比。当功率不变时，驱动轮上的转矩越大那么转速就越小，反之亦成立。作用在驱动轮上的转速为： (4-8)驱动轮的驱动特性通常用驱动上的转矩与转速之间的关系式来表示： (4-9)式中，驱动轮的功率为: Pt =p ,P 为电机的输出功率， 为纯电动汽车机械传动系的效率。由公式 2-4 知，当驱动轮的功率不变时，汽车的行驶车速与驱动轮的转矩成反比，车速越高，驱动轮获得的转矩就越小。（2）行驶阻力方程 汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服滚动阻力和空气阻力 ，爬坡时还必须克服坡度阻力，加速时还必须克服加速阻力。因此，汽车行驶时的总阻力为： （4-10） （3）汽车的行驶方程和驱动条件 确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状况。在行驶过程中，汽车的驱动力总是与行驶阻力平衡。因此汽车的行驶方程为： （4-11）当汽车在路面上直线匀速行驶时，则驱动力必须大于或等于行驶时所遇到 的空气阻力、滚动阻力、坡道阻力之和，因此汽车行驶的驱动条件： （4-12）但是，当驱动力增大到一定程度时，会使驱动轮在地面上滑转，此时，驱动力Ft大于附着力F附 。为了避免驱动轮出现滑转的现象，必须使行驶的驱动力Ft小于附着力，即： （4-13）汽车行驶方程及驱动轮的转矩和转速方程已知的条件下，通过对传动系参数的选择和设计来满足整车动力性的要求。4.5.2 整车动力学模型的建立根据对电动汽车系统各个部件的分析和模型建立，在Matlab/Simulink平台上搭建电动汽车的整体仿真模型，该模型主要包括循环工况、车辆、变速器、电机、能量源等子模块，各模块都建立了相应的Simulink二级仿真模块，通过运用M函数来控制和传递各子模块的参数。整车模型如图4.5所示：图4.5 整车仿真模型图第5章 仿真结果与分析5.1 循环工况的选择当前评价整车性能的循环工况主要有ECE-EUDC，UDDS,HWRET和日本1015道理工况。本文选取ECE-EUDC循环工况和日本1015工况，根据车辆参数，对已建立的整车仿真模型进行仿真。5.2 仿真结果与分析5.2.1 ECE-EUDC循环工况仿真与分析 （1）电动车实际车速前面四个工况是ECE，代表城市工况，从800s开始后是EUDC工况，代表郊区工况。在电动汽车起步阶段，车速随时间的增加而增快，上升速度比较缓慢，而在车辆行驶稳定后，车速随时间的增加而增快，而且增加的比较迅速，这比较符合电动汽车的行驶规律，如图5.1图5.1 车速变化曲线 （2）荷电状态SOC值蓄电池为车辆提供动力，当车辆开始行驶蓄电池的荷电状态呈逐渐降低。当时间t达到850s左右时荷电状态下降率增加，如图5.2 图5.2电池荷电状态变化曲线 （3）电动机的转矩电机的输出转矩是电动汽车动力特性的重要指标。电动机工作时，转矩值为正值;在汽车制动时，转矩为负值，有效地回收了制动能量，这对汽车的节能、增加行驶里程非常有意义。如图5.3图5.3 电动机输出转矩变化曲线 （4）电动机特性实际工作位置图中出现的每个小圆点代表发动机的实际工作位置。从图中可以看出发动机的额定转矩大约是58，与第3章选取电动机的额定转矩为65存在一定偏差，如图5.4图5.4 电动机输出转矩随时间的变化曲线 （5）SOC值随行驶里程的变化能耗是车辆性能重要指标之一，也是决定车辆是否具有使用价值的重要参考依据。理论上，随着行驶里程的增加，蓄电池的荷电状态会逐渐减少。从仿真结果看，SOC下降只有0.02，满足行驶要求。如图5.5图5.5 SOC值随行驶里
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