车辆工程课程设计

1、 本科专业课程设计题目新能源汽车动力与驱动系统总体的设计学 院:汽车与交通工程学院专 业:车辆工程学 号: 201223079026同学姓名:杨曼华指导老师:郑安文日 期:2016.01欢迎下载摘 要日益严峻的环境污染和能源危机对汽车工业的进展提出了极为严峻的挑战。为了汽车工业的可持续进展，以使用电能的电动机作为驱动设备的电动汽车能真正实现“零污染”，现已成为各国汽车研发的一个重点。纯电动汽车是指利用动力电池作为储能动力源，通过电池向电机供应电能，驱动电机运转，从而推动车辆前进。而在电动汽车争辩的众多技术选型中，依靠轮边驱动的电动汽车渐渐成为一种新颖的电动汽车选型方向。本文设计了一种新型双电机

2、独立驱动桥，该方案接受锂离子动力电池作为动力源，两台永磁直流无刷电机作为驱动装置，依靠两套减速齿轮组分别进行减速，用短半轴带动车轮旋转。在系统构型设计的基础上，进行了包括电动机、电池在内的动力系统参数匹配。关键词：纯电动汽车；锂离子；双电机系统Abstract Increasingly serious environmental pollution and energy crisis put forward on the development of the auto industry is extremely severe challenges. In order to the sustai

3、nable development of automobile industry, to use the power of the motor as driving device of the electric car can truly realize zero pollution, has become a national automobile research and development of a key. So-called pure electric vehicles is the use of power battery as energy storage power sou

4、rce, through the battery power to the motor, drive motor running, pushing forward vehicle. In the electric car research, technology selection, depending on the round edge drive electric cars gradually become a new direction of the electric car type selection. This paper designs a new type of double

5、motor drive axle independently, the scheme adopts the lithium ion power battery as a power source, two permanent magnet brushless dc motor as drive device, rely on two sets of gear group respectively for slowing down, with a short half shaft drives the wheels. On the basis of the system configuratio

6、n design, the power system parameters, including electric motors, batteries, matching.Key words:Electric vehicles;Li+;Dual motor system目 录摘要.Abstract.设计任务.1 绪论.1 1.1 电动汽车进展背景.1 1.2 电动汽车进呈现状与趋势.12 总体方案设计.2 2.1 电池的选择.2 2.2 电动机性能分析与选择.3 2.3 驱动系统布置形式.53 动力系统参数设计.9 3.1 整车参数.9 3.2 电动机参数匹配与选择.9 3.3 电池参数匹配与

7、选择.11 3.4 电池组数目的确定.11 3.5 减速比的确定.12 3.6 动力性分析.124 相关性能校核.14小结.15参考文献.16设计任务 1.动力和驱动系统总体方案确定。依据课程设计子题目和设计要求，对现有动力与驱动系统方案进行综合分析比较，并确定最终布置方案，画出布置方案草图。 2.对动力和驱动系统进行匹配设计。依据设计要求及给定的设计参数，对电动机、电池、发动机或发电机等关键部件进行比较选型，并计算确定相应的额定功率、最小工作电压、最大工作电压、动力电池模块的数量及容量。驱动系统中有传动变速装置的，还需对挡位数、传动比进行选择和计算。3.相关性能校核。依据所选动力装置的特性，

8、对整车动力性和续驶里程进行校核计算，画出驱动力-行驶阻力平衡图等动力学特性图。4.设计说明书撰写。依据毕业设计规范，完成设计说明书的撰写。子题目及设计参数 1.纯电动汽车动力与驱动系统总体设计车辆类型设计参数城市客车最高车速（km/h）10080续航里程（km）10090整备质量（kg）（总质量）6680（29座）3200（14座）98005100中速客车最高车速（km/h）150120续航里程（km）200150整备质量（kg）13501250SUV轿车最高车速（km/h）180160续航里程（km）250200整备质量（kg）15001400载货汽车最高车速（km/h）8090续航里程（k

9、m）120150整备质量（kg）40005000 2.燃料电池汽车动力与驱动系统总体设计 3.串联混合动力汽车动力与驱动系统总体设计 4.并联混合动力汽车动力与驱动系统总体设计 5.混联混合动力汽车动力与驱动系统总体设计欢迎下载1 绪论1.1 电动汽车进展背景世界上最早消灭的汽车实际上就是电动汽车，比传统内燃机汽车早了整整半个世纪，只不过那时的蓄电池还是不行充电的。电动汽车是以电池为动力来源的，相对于传统的内燃机汽车对环境以及噪声污染要小很多，而且还有利于节省燃油，缓解全球石油危机。而且，电动汽车实行制动时，能量可以实现回收是其最大的特点。如今，电动汽车大致被划分成：纯电动与混合动力以及燃料电

10、池。在经济高速进展以及能源问题日益突出的当今社会，电动汽车已不再是一种简洁的交通运输工具，而是一种社会责任与价值理念的产物。同时，电动汽车也是技术要求较高的科技产品，它代表了全球汽车行业进展的最新科技成果。全世界范围内的政府机构与企业，在提升电动汽车研发力量方面已经达成共识。在我国电动汽车早期的进展阶段，只有企业自主的研发行为，没有形成市场合力，再者由于技术限制以及资金问题，使得电动汽车的研发未能持续进展。随着我国以及国际石油危机的到来，我国也曾消灭过电动汽车的研发高潮期，并取得一些争辩成果，但最终还是未能实现量产。 二十世纪九十年月我国将电动汽车列出国家科技攻关项目，重点攻关电动汽车关键技术

11、。然后又将其列入国家重大科技产业工程项目，主要针对电动汽车产业化的相关技术、试验、法规等内容进行深化争辩。1.2 电动汽车进呈现状与趋势 2001年我国将电动汽车列为国家高新技术争辩进展方案(863)重大专项项目之一，以期改善国家能源平安状况和城市污染严峻的现状，保证汽车产业乃至整个国民经济的健康可持续进展。“十五”期间我国“三纵三横”的进展布局，其中“三纵”是指燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车，“三横”包括动力蓄电池技术、驱动电机技术、把握系统技术。“十五”期间由整车企业领头，高校和零部件供应商乐观协作，产、学、研相结合，自主研发具有国际先进水平的纯电动、混合动力、燃料电池汽车，并乐观

12、推动电动汽车的商品化、产业化进程，特殊是在纯电动汽车方面的成就尤为令人瞩目，在CAN总线分布式把握、高压电平安管理单元集成、一体化电动动力总成模块设计等方面 都取得了突破性进展。电动汽车是将来汽车工业实现可持续进展的最好选择，但这种替代的过程必定是漫长而艰辛的。近期来看，考虑到电池成本、技术牢靠性等方面的影响因素，混合动力汽车是很好的过渡产品，能够同时满足节能环保和消费市场要求：但从中长期来看，一旦动力电池和相关把握技术取得突破，纯电动车、燃料电池车将会是实现低能耗、零排放的最优选择。2 总体方案设计 纯电动汽车的整车动力性、经济性在很大程度上取决于动力系统零部件的选型和参数匹配。电池和电机是

13、纯电动汽车的关键部件，对于传动系统参数的影响很大；反过来，传动系统确定以后也会对电池和电机的选择形成边界条件。电机功率太大会造成效率的损失；电机功率太小会影响车辆爬坡、加速等性能。电池组太多会造成载荷偏重、布置困难，对能量管理系统要求也会偏高；电池组太小可能会无法满足电机大功率运行的需求，从而降低车辆性能，电池组长期超负荷工作也会削减使用寿命。2.1 电池的选择 电动汽车市场化争辩的核心就是其续驶里程，而电动汽车的能源系统是其续驶里程的重要保证，也是其打算性因素。电动汽车主要的能量来源便是蓄电池，因而蓄电池是否最优将最终影响到整车的经济性为此，电动汽车的蓄电池应当具备三个方面的要求：一、在制造

14、方面，要使用寿命尽可能长，成本把握要低。二、在使用方面，要具有较高的能量与功率密度，充电要尽可能快，放电要深，对工作环境限制较少（环境温度范围宽）。三、在维护及回收利用方面，要修理便利、可回收性好。同时，还得考虑到回收与修理成本。 蓄电池是电动汽车车的动力来源，是能源系统的根本。因此，其质量的优劣将会制约电动汽车的性能，进而影响其行车里程。目前，市场上比较常见的、应用比较广泛的电池为铅-酸(Lead-Acid)蓄电池、镍-氢(Ni-MH)蓄电池以及锂离子(Li-Ion)蓄电池。 本文在查阅相关资料的基础上，对在我国使用较广泛的几种蓄电池其主要性能指标做了比较整理，具体的如下表2.1所示。表2.

15、1 电池性能参数对比电池类别铅酸电池镍氢电池锂离子电池电解质酸性碱性聚合物单位工作电压（V）21.23.6可充电寿命（次）30050050010006001200功率密度（W/L）120480能量密度（Wh/L）60100150200250能量效率（%）659065可回收利用率（%）979098允许负载高最低低循环寿命（次）400600800100018002000环境污染污染无污染无污染质量比能量（Wh/kg）3540608090160体积比能量（Wh/L）70200270 （1）铅-酸蓄电池 铅酸蓄电池由于进展较早，其生产工艺已经相当成熟，产品质量也相对较高。加之铅的分布较广、价格相对低廉

16、，比较经济有用。因此，在电动汽车电池技术相对还不成熟的初始阶段被大量应用，是电动自行车的主要动力源。但随着技术的革新，铅酸电池各方面的缺点也越来越明显：首先，铅酸蓄电池的质量和体积较大，使得电动汽车自身质量变大，可利用空间变小，加大了能量的自身损耗；其次，铅酸蓄电池的利用率受外界影响大，连续工作效率低；再次，铅酸蓄电池在使用后，受自身条件限制，回收利用难度较大。 （2）镍-氢蓄电池 镍氢蓄电池具有很高的比能量，这样可以为电动汽车供应充分的动力，用于满足其多工况的要求。同时，无重度污染，绿色环保也是其一大优势。在使用方面，镍氢蓄电池使用寿命比其他蓄电池明显长很多，充放电性能也比较突出，进展前景较

17、大。同时，镍氢蓄电池由于成本较高现阶段大规模生产难度较大，但由于其在能量和寿命两方面的优势，应当会成为我国今后一段时期开发的主要产品。目前在我国已经有部分镍氢蓄电池用在微小型车上了。 （3）锂离子蓄电池 锂离子蓄电池不但具有能量存储量大、质量轻、效率高、功率大等优点，还具有寿命较长、无污染、对使用环境以及温度范围要求不高。唯一的缺点就是发热量大，制造成本高，需要在开头阶段高投入。 综合上述各种电池的特性，结合本电动汽车的特性，本文选用锂离子电池作为电动汽车的动力源。2.2 电动机性能分析与选择 电动汽车电动机主要的作用就是将电能转化成驱动力，给汽车供应动力，同时又能将驱动力转化成电能，存储在蓄

18、电池中。它是电动汽车的“心脏”，其能否正常并且有效、稳定的运转是格外重要的。因此，对电动汽车的各项性能来说，电动机的选择是格外重要的。 电动汽车在日常的行驶过程中，会经受各种不确定的工况，这样便会时常产生快速启动或制动、紧急加速或减速。通常在这些工况下需要不同的转矩和转速，以及能量的快速回收。为了使电动汽车的各项性能满足要求，作为经常使用的电动机必需满足以下三点：一、为了使电动汽车具有瞬时加速及持续爬坡力量，就要求电动机在任何情形下必需能过载。电动机应尽可能满足电动汽车面对各种简单工况下的行驶要求，对自身转速有比较宽的调整范围。二、为了削减电动汽车自身的能量消耗，提高电动机空间布置的牢靠性以及

19、安装的便利性，电动汽车电动机应尽量具有较高的比功率。同时，这样也会使能量回收更加高效、快速。三、由于电动机的工作环境具有多变性，有时还很恶劣。电动机必需可以抵制外界干扰，保证其工作的牢靠性。此外，电动机还应满足操作简洁、制造与使用成本较低，适合大规模批量生产等。 通过查阅电动汽车的相关配置资料，总结出目前电动汽车上使用比较广泛的电动机主要有下表中列出的三种。表2.2 电机性能参数对比项目直流电动机沟通感应电动机永磁电动机转速范围（r/min）300060001200020000400010000功率密度低中高功率因素（%）82859093峰值效率（%）858994959597符合效率（%）80

20、8790928597过载力量（%）200300500300电动机外形尺寸大中小牢靠性一般好优良结构牢固性差好一般把握操作性能最好好好 （1）直流电动机 直流电动机由于其最早被人们所使用的，因而其制造技术相对较成熟，操作与把握简洁，制造成本也就相对比较低。但由于其质量较大，效率较低，安装也极不便利。直流电动机的优点集中在使用便利，可调速的区间大等方面。但这些优点不足以支撑直流电动机在高速、多工况、能量利用率要求较高的电动汽车上使用。因此，直流电动机现在只能在一些微型以及短距离区间行驶的电动汽车上使用。 （2）沟通感应电动机 这些年沟通感应电动机的使用规模不断扩大，尤其是在电动汽车上。其与直流电动

21、机相比较最大的优点在于体积与质量都比较小，工作稳定，以及寿命较长。但其把握系统没有直流电机简洁，研发费用高。但随着电子以及电控技术的不断进展，两者之间的差距会越来越小，沟通感应电动机的市场占有率将会进一步提高，成为今后一段时期内的主导产品。 （3）永磁电动机永磁电动机又分为直流和沟通，直流的叫无刷电机，沟通的叫同步电机。但它们都是由永磁材料组成磁场，用电流来把握的。其特点主要是转矩比较大，车速突然变化时电流基本无冲击，当载重量发生变化时其电流变化也是很微弱的。由于永磁电动机的把握是依据电流的变化完成的，把握比较简单。因此，把握系统的精度要求比较高，研发成本也相对较高，价格较贵。但随着把握系统的

22、不断更新，其研发成本就会下降，就会实现规模化生产。随着新型永磁材料和电力电子器件的快速进展，永磁无刷直流电动机成为近年来成熟的一种新型电机。无刷直流电动机结构简洁、无机械式换向，与其他电动机相比低速时即可获得恒定的大转矩，转速范围大，高速是可获得恒定的大功率，这些特性很好的满足了电动汽车低速时要求电机转矩大，高速时要求电机转速高的特点。针对本文所设计的纯电动SUV，选用永磁无刷直流电机作为汽车的驱动电机。2.3 驱动系统布置形式 电驱动系统作为电动汽车最重要的组成部件，其主要功能与一般汽车中动力机构的功能基本相像，是动力来源。并且将电动汽车的电池组与其他部件紧密的联系起来，其结构以及性能的优劣

23、都会制约整车的性能。 电动汽车的电力驱动系统整体布置方式取决于电动机所接受的驱动方式，不同的驱动方式就会有不同的布置方式，因而其布置方式有很多种。应用比较广泛的驱动布置可划分为四种。 （1）传统机械驱动系统电动汽车的驱动系统与传统意义上汽车的机械动力系统布置形式基本全都，包括传统汽车驱动系统的全部传动装置，如离合器、变速器以及差速器等。最大的变化就是用电动机替换了发动机，保持原有构架基本不变。因此，这种布置方式的传动装置与传统汽车的传动装置功能基本一样。其中离合器主要作用为：1）可以实现动力的快速传递，完成电动汽车的起步过程；2）当汽车快速制动时防止传动系统过载，而达到爱护汽车传动系的目的；3

24、）在不需要动力或制动时，能快速切断动力机构之间的联系，使得电动汽车在行驶时更加平安。变速器也与其在传统汽车上的功能基本一样，包含几组减速比各异的齿轮，在形成多种减速比可供驾驶员选择的同时，还可以实现驱动力的传递。当电动汽车在低档位行驶时，变速器可以供应应整车低转速或大转矩。当电动汽车在高档行驶时，变速器可以供应应整车高转速或小转矩。差速器的作用主要是当电动汽车行驶在弯道时，可以保持内车轮与外车轮之间车速的差异性，使得电动汽车平稳通过弯道。由于这种布置方式中的传动装置较多，能量损耗大，电动汽车的行驶效率就会下降。因此，这种布置方式只在早期开发中消灭过，随着技术的不断更新，现在已经很少有汽车企业再

25、去开发了。M电动机，C离合器，GB变速器，D差速器。图2.1 传统机械驱动系统 （2）机电混合系统这种布置方式是在第一种布置方式的基础上省掉了离合器与变速器。用减速比保持不变的减速器代替，这样就会使得部件数削减，从而增加整车的可利用空间。我们在具体争辩的时候，就会在很大程度上减轻我们的工作量，而且节省大量时间。由于这种布置方式在电动汽车快速启动、突然加速或者减速的时候，不能像传统内燃机汽车那样有变速器可以自由选择变速档位。为了保证电动汽车在这种工况下正常行驶，这种布置方式的电动机就必需满足在电动汽车启动时能供应大的转矩和足够大的后备功率。明显，这种布置方式与第一种相比较其传动效率要高很多，但由

26、于其结构还不够简洁、有用性也较差，因此只在一些换代电动汽车上使用。FG固定速比减速器图2.2 机电混合系统 （3）双电机系统这种布置方式比前一种又省掉了差速器，整车质量也减轻了很多，可利用空间进一步增大，这样电动汽车两个驱动轮的动力就可以由装在驱动轴上的两个电动机独立供应。差速器的功能就由两个直接装在驱动轮上的固定速比减速器来独立完成，相互之间没有影响。同时动力蓄电池的放置也更加机敏，为了削减机械传动的能量消耗，以及增加电动汽车整车可利用空间，可将动力蓄电池和两个电动机放置在同水一平面。图2.3 双电机系统 （4）轮毂电机系统 这种布置方式与前面几种布置方式最大的不同在于两个独立的电动机直接装

27、在两个驱动车轮上，同时整个动力传递系统没有传统的机械装置，这就使得传递效率大大提高，空间也得到了最大程度的利用。这种布置方式对电动机的安装位置有肯定的要求，因而电动机的体积应尽可能的小。此外，在这种布置方式下电动机的转速打算了车轮的转速以及电动汽车的行驶速度，故而在驱动轴上增加了电动机把握器，这样会使电动机的把握更加精确。由于这种布置形式完全去除掉了机械驱动系统，这就使得电动汽车驱动效能得到了很大提高，而且机构较简洁，进展前景乐观。图2.4 轮毂电机系统上述四种方案各具优缺点，本次设计则实行双电机系统，这种独特的驱动系统可以有效解决空间布置的难题，适合装备独立悬架的汽车，削减传统汽车的电动化改

28、型的难度。该系统接受断开式结构，驱动系统则接受双电机相向布置形式，结构紧凑，在具备双电机独立驱动优点的同时，电机和减速器固定到车架或车身上，成了簧载质量，避开了轮毂电动机驱动所带来的缺陷，有利于改善车辆的动力学性能。接受二级减速器，有效减小传动部件尺寸，便利整车布置，同时接受高速电机，降低了电机的成本和质量，提高了系统的牢靠性。在减速器中加入防滑装置，提高车辆在简单路面的通过性，削减双电机协调把握的简单程度，简洁扩展为四轮驱动，充分发挥车轮的路面附着力量。3 动力系统参数设计3.1 整车参数纯电动SUV整车参数如表3.1所示。表3.1 整车参数表参数数值整备质量m/kg1400车轮滚动半径r/

29、m0.283风阻系数CD0.33滚动阻力系数0.015旋转质量换算系数1.03迎风面积A/m21.95传动系统机械效率0.9412电动机及其把握器效率mc0.90蓄电池的平均放电效率d0.95最高时速km/h160续航km2003.2 电动机参数匹配与选择 （1）依据最高车速计算电动机最大功率 电动机的功率大小打算了电动汽车的最高车速，首先依据前文设定的最高车速来初步打算电动机功率。依据汽车行驶功率平衡方程，电动机以最高车速行驶消耗的功率为（忽视加速阻力功率和坡度阻力功率）式中 M整车整备质量（kg）； Ua最高行驶车速（km/h）； A迎风面积（m2）； f滚动阻力系数； CD迎风阻力系数。

30、 （2）依据汽车爬坡度确定电动机最大功率 同理，再利用汽车行驶功率平衡方程计算最大爬坡度行驶功率时忽视加速阻力功率和空气阻力功率。式中 ua电动SUV行驶速度（km/h）； i坡度（%）。 （3）依据电动SUV加速性能确定电动机最大功率 在计算加速行驶功率时忽视坡度阻力功率。式中 汽车旋转质量换算系数； R车轮半径（m）。综合以上各式，取计算结果最大的电动机功率作为电动汽车电动机的额定功率电动机最大功率为式中 t机械传动系统效率；电动机过载系数。将各数值带入以上各式，并结合实际条件，本文最终所选电机额定功率均为25kw,最大功率为45kw。电动机的最大转矩为结合电动机技术参数并考虑最高车速对应

31、的电动机转速nmax为其最高转速nmax的90%95%。初步确定电动机的基本技术指标，如表3.2所示。表3.2 电动机的基本技术指标最大转矩（Nm）150额定转矩（Nm）80峰值功率（kW）40额定功率（kW）20最高转速（rpm）6995额定转速（rpm）2800 图3.1中横坐标是电机转速，纵坐标是电机最大输出转矩。可见，在额定转速以前，电机可以保持恒转矩输出；在额定转速以后，电机最大可输出转矩持续下滑。图3.1 电机转矩特性图3.3 电池参数匹配与选择在对蓄电池参数进行选择是主要考虑电动汽车电机的最大消耗功率和电动汽车续航里程的设计要求。本文所选电池为锂离子电池，其单体额定电压为 12V

32、，单个蓄电池的容量为100Ah。 3.4 电池组数目的确定（1） 由电动机最大功率确定电池组数目 电动SUV运行过程中，由蓄电池向电动机供应充分的电能，电动机才能正常的工作。因此，蓄电池可供应的功率必需大于或等于电动机运行时消耗的最大功率，单个电池的最大功率为式中 E0单体电池电动势（V）； Rint等效内阻（）。所以电池组的数目式中 ec电动机把握器的工作效率； e电动机最大功率运行时的工作效率； N单个蓄电池组所包含的的电池的数目。 （2）由电动SUV续驶里程确定电池组数目 蓄电池所携带的能量应保证电动汽车能够满足其续驶里程的要求。所以电池组的数目为式中 W电动SUV运行1km所消耗的电池能量（Wh/km）；L电动汽车所设定续驶里程（km）；VT单个电池的电压（V）；CT单个电池的电容量（Ah）。由以上计算的电池组数目中选择较大的为电池组数目，n=16。 电动汽车电动机的动力都是有动力蓄电池供应的，它们之间参数的匹配是否合理尤为重要。因此，在蓄电池的参数确定后，还要对比电动机的参数，主要对比的参