电动汽车传动系参数设计及动力性仿真

目 录摘要2Abstract2第一章 绪论31.1 课题研究的目的与意义31.2 国内外电动汽车的现状与发展趋势41.2.1 国外发展趋势41.2.2 国内发展趋势51.3 研究主要内容6第二章 电动汽车传动系的参数设计72.1 电动汽车传动系统布置方式72.2 蓄电池数学模型82.3 交流电机的数学模型82.4 电动汽车传动系统设计102.4.1 电动机参数设计112.4.2 传动系统传动比设计132.4.3 电池组容量设计142.5 设计实例152.5.1 电动机参数选择152.5.2 传动系统传动参数设计162.5.3 蓄电池参数设计16第三章 电动汽车动力性仿真173.1 电动汽车动力性评价指标183.2 ADVISOR 软件简介183.3 利用ADVISOR对汽车进行动力性仿真18 3.3.1 ADVISOR的参数输入界面19 3.3.2 利用ADVISOR对PRIUE纯电动车模拟计算21第四章 论文总结25致谢参考文献26电动汽车传动系参数设计及动力性仿真摘要：当今关于环保和能源问题备受关注，为解决这些问题，电动汽车呈献出加速发展的趋势。在汽车市场竞争日趋激烈的今天，如何快速、低成本的开发出技术指标高、符合市场需要的电动汽车，成为了新的课题。计算机仿真技术的开展，极好地解决了这一难题。根据课题的要求和客观条件允许，本文采用了ADVISOR仿真软件，对PRIUS型纯电动汽车进行仿真。本文在对电动汽车相关技术进行了综合分析的基础上，根据PRIUS纯电动汽车的特点，对动力电池、异步电机和整车受力情况建立了数学模型，主要对整车的动力性进行仿真，设定以下几项计算任务:工况行驶和续驶里程计算、最高车速、最大爬坡度计算和加速性能等，在学习ADVISOR软件的基础上进行了开发，建立了PRIUS型电动汽车的模型，并进行了动力性的计算。仿真结果表明，车辆的续驶里程、车速、加速性能和爬坡性能等动力性能基本满足性能指标要求，说明PRIUS纯电动轿车的整车匹配的方案是合理的，零部件的参数选择能够确保整车动力性能达到要求的指标。关键词:电动汽车，动力性能，仿真，ADVISOR Electric vehicle transmission design and dynamic simulation parameterABSTRACT：Nowdays, sources of energy and environmental protect being things all the world .Therefore, electric vehicle (EV) as a means of transportation, having developing better and better. In order to develop a new EV fast, low cost, high technology and according with the acquirement of the market, choose advance vehicle simulate a new kind EVPRIUS.In the dissertation, the author analyzed the technology of the EV, and founded the mathematic model of PRIUS with the battery, motor and the automobile, to simulate the dynamic property of PRIUS. The result of the simulation indicate that target of the EV, include speed, accelerate, and other functions, can be fulfilled the requirement. It hoped that the simulation result can provide consult to the production in the future . KEY WORD：electric vehicle ,dynamic property, simulation, ADVISOR第一章 绪 论随着科学技术的进步和经济的发展，汽车已经成为了人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具。汽车工业在当代世界经济活动中发挥了巨大的作用，是当今世界最大、最重要的工业部门之一，是世界大多数国家的支柱产业。但是与此同时，汽车工业的发展所带来的对石油资源需求的急剧增加和对环境严重的负面影响也日益引起了人们的关注，为了适应发展的趋势，世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动汽车开发投入的力度，加速电动汽车的商业化步伐。1.1课题研究的目的和意义电动汽车是集汽车技术、电子及计算机技术、电化学技术、能源与新材料技术于一体的高新技术产品，是人类新一代的清洁交通工具，与普通内燃机汽车相比，具有无污染、噪声低及节省石油资源的特点。基于以上电动汽车自身特点，它的推广有着不可估量的意义。电动汽车作为“绿色的交通工具”，它的投入运行不仅对缓解世界能源危机以及环境问题有着重要的作用，对于我国自身相关产业的发展以及我国汽车业在国际中的地位也有着及其重要的意义。首先，电动汽车是我国汽车工业赶超世界先进水平的大好机会。中国在内燃机汽车技术上距国际先进水平有近20年的差距，但在电动汽车等环保型汽车的生产研发方面仅有5年的差距。这意味着中国有可能在环保汽车时代到来之前，在谈判桌上找到自己的位子。建立我国电动汽车整车的网络、总成及通讯协议规程，开发电动汽车基本车辆控制器模块，发展带有电子管理系统的高性能动力蓄电池组和具有数字控制系统的电机驱动系统，可大力促进我国电动汽车零部件产业的形成。专家人士介绍无论采取何种类型的电动汽车作为突破口都将带动新的产业链形成，形成一石多鸟的效应。以电子产品为例，据估计，由于应用的大大提高，电子产品在汽车造价的比例将由传统汽车的10%上升到电动汽车的60%，按照到2030年我国电动汽车生产规模为1000万辆，平均每辆车售价为10万元计算，我国电动汽车产业化所带动的电子产品市场容量将达到6000亿元。与此同时，由于电动汽车对材料的轻量化要求还将是新材料、新技术的试验场，为新材料、新技术的开发提供了用武之地。比较而言，电动汽车作为机械、冶金、电子、能源、新材料和计算机产品的集成，同时也是信息技术、生物技术、数字技术等多种高新技术的集成，是典型的高新技术产品，其最终目标是智能化、数字化和轻量化。在这一实现过程中，与传统汽车相比，其对相关产业的带动效益将大上几倍。1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1国外发展状况早在19世纪30年代，英、法等国就有人研究电动汽车。1831年，约亨利(J.Henry)发明了直流电动机，不久世界上第一辆电动汽车问世。1834年，苏格兰人(T.Davenport)发明了第一部真正具有实际意义的电动汽车，比1886年诞生的第一台内燃机汽车还要早半个世纪，这部电动车采用的能源是不可充电的简单玻璃封装蓄电池。1859年，法国人普兰特(G.Plante)发明了世界上第一只可充电的铅酸蓄电池，为电动汽车的实际应用开辟了道路。1881年，法国人特鲁夫(G.Trouve)第一次将直流电机和可充电电池用于私人车，在同年巴黎举行的国际电器展览会上，特鲁夫展出了一辆能实际操作使用的电动三轮车。这辆车重160kg，时速达到12km/h。1888年，金鲍尔(F.Kimball)发明的电动汽车在美国波士顿投入运营。1890年，在美国的依柯化州诞生了美国第一辆蓄电池汽车，时速达到23km/h。1893年，在芝加哥的世界博览会上电动汽车第一次取代了马车被用作礼宾车。1895年1915年是早期电动汽车的黄金时代，在这一时期美国电动汽车占领了美国私人机动车的主要市场。这个时期的电动汽车代表了当时车辆制造技术的精华。高雅的四轮轿车、运货车都可以随时启动，加速时完全没有噪音，在欧美各大城市可以以40km/h的速度行驶，成为当时都市中的一道亮丽的风景线。1894年，法国人保尔普沙思(Paul Pouchain)制造了一辆电动四轮敞蓬小汽车，54个蓄电池分成6组，电动机功率2kW，总质量1365kg，可乘坐两个乘客，时速可调整为16km、12.8km、9.6km三种速度和倒车。如图1-1所示的电动汽车是于1894年出现在纽约街头的第一辆商用电动汽车，续驶里程为32.1948.28km。图1-1早期的电动汽车1897年，英国伦敦街头出现第一辆电动出租车，它的驱动电机采用的是双绕组的直流电机，用变换绕组连接进行变速。车载有约600kg的铅酸电池，总重约1300kg，行驶里程为80km。1899年，法国人金纳茨(C.Jenatzy)制造的炮弹型铝合金车身的“永不满足号”(The Never Satisfied)电动汽车时速达98km/h，在美国创下当时的最高时速纪录。1900年，美国售出的4200辆机动车中，38%是电动汽车，22%是内燃机汽车，还有40%的蒸汽机车。1910年，爱迪生(T.Edison)发明的镍铁蓄电池一度成为电动汽车的主要能源。1912年，是电动汽车的全盛时期。全美注册的电动汽车达3.4万辆之多，其中包括轿车、卡车等等。电动汽车的很多性能如经济性、动力性等不如燃油机汽车，所以电动汽车的发展曾一度陷入低迷。直到20世纪六七十年代发生了两件重大事件：一件是汽车的排放污染在美国等发达国家相继出现光化学烟雾，严重地威胁了人们的健康与生命安全，导致1960年美国加州首先立法控制汽车排放的污染物，此后在美国其它地区、日本以及欧洲各国相继实施。另一件是1973年爆发中东战争引起的石油危机，西方国家的汽车工业依赖进口石油，石油危机严重的威胁到这些国家的利益和安全。这两大事件结束了电动汽车的冬眠状态，掀起了研究、开发及应用电动汽车的又一高潮。电动汽车的发展和开发得到了各国政府的大力支持，特别是发达国家如美国、日本、法国、德国等，电动汽车的开发与研制工作居世界领先水平。1966年1967年，美国的通用、福特和美洲汽车公司分别开发了新型的电动汽车，电动汽车进入了现代发展时期。20世纪70年代，克莱斯勒与通用汽车合作开发了ETV-1型电动汽车。除了三大汽车公司外，许多独立的专业电动车开发公司也纷纷成立，投入电动车的市场竞争之中11。70年代末期，德国戴姆勒-奔驰汽车公司生产了一批LE306电动汽车，采用铅酸电池，电压180V，容量180Ah，质量1000kg。最高时速50km/h，最大爬坡度为16%，原地起步加速到50km/h时间为14s，续驶里程可达120km。90年代初，美国通用公司开发出EV1电动汽车，最高时速可达128km/h，从静止加速到96km/h的时间小于9s，一次充电可行驶144km，堪称90年代电动汽车的经典之作。同期，美国福特汽车公司和通用电气公司联合开发了ETX-EV、ETX-EV。戴姆勒-克莱斯勒公司开发了“新电力汽车四代”，续驶里程达到450km。1990年，美国通用公司推出“冲击”(Impact)电动汽车，最高车速120km/h，一次充电的最大续驶里程196km，加速性能为8s(096.6km/h)，对于220V和110V的电池充电时间分别为23h和810h。1991年美国三大公司签订协议，合作研究电动车车用先进电池，成立先进电池联合体(USABC)。1992年美国政府资助3.5亿美元，让通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司组成美国先锋电子财团VSABC积极从事电动汽车的开发。1993年福特汽车公司研制成功电动汽车生态之星(E-costar)，并先后生产81辆分赴美国各地试运行；克莱斯勒公司的道厅EDIC微型电动面包车也同样令人注目，该车装用镍铁电池，备有自动加水系统，220V电压充电，8小时充满，最高时速100km/h。1995年美国已有190多家企业研制和开发电动汽车，并进行小批量生产。在20世纪90年代末，丰田研制出一种蓄电池电动车RAV-4EV，该车097km/h的加速时间为18s，充电一次可连续行驶130160km。1998年，尼桑汽车公司在日本和美国销售的Ahtra-EV，采用尼桑公司自己开发的锂离子动力电池(LiB)，循环寿命长，可反复充电1200次，使用寿命约为10年，一次充电可行驶124km，最高车速可达75km/h。1999年底，三菱公司展出FTO-EV，装备了新开发的大容量、高输出的锂离子电池和大功率、高效率的永磁同步电动机。2002年，丰田公司推出了燃料电池车的最新成果FCHV-4混合动力车。采用一种高性能TNC氢燃料电池，该车可载5人，最高车速可达150km/h，续驶里程为250km。该车的另一个主要特点是装有备用电池，可使汽车在制动时重新发电，这意味着汽车在重填燃料之前可继续行驶一段比较长的里程。2002年1月，在北美国际汽车展览会上，美国通用汽车公司展出了Autonomy(自主魔力)燃料电池汽车。2004年11月的广州国际车展上，本田公司推出了FCX燃料电池汽车。1.2.2国内发展状况早在20世纪20年代，在我国的某些城市就出现过早期的、最为原始的蓄电池车。40年代重庆进行过电动汽车的研究与试验，由于条件所限未能实现。解放以来，我国曾多次兴起电动汽车的研制热潮。第一次是在1958年的大跃进年代，当时由于许多技术问题未能解决，致使研制工作半途而废。第二次是在60年代初的三年困难时期，国内石油奇缺，为了自力更生解决能源需求，再次兴起电动汽车的研制热潮，取得了不小的进展。1962年，上海公用事业研究所进行“蓄电池微型汽车研究”研制成SWD-S2电动汽车，整车满载质量为968kg，行驶车速达28.4km/h，一次充电的持续里程为82.2km，但该车实际运行了几千公里，蓄电池的循环寿命达到110次。由于蓄电池的技术没过关，寿命太短，研制工作终止。第三次是70年代初，人们奋力恢复濒于崩溃的经济，在我国一些地方又开始了电动汽车的研究，但没有取得突破性的进展。进入80年代，我国改革开放，经济起飞，在北京、上海、天津、洛阳、武汉、杭州、珠海等地研制电动汽车此起彼伏。1987年12月成立了中国电工技术学会电动车辆研究会。同期我国已研制出多辆电动汽车，如清华大学研制的电动中型面包车，四川的“中山胡”牌电动微型车，郑州华联电枢高科技有限公司研制的电动牵引车及HL-42型电动轿车等等。1993年，香港大学研制出4座电动轿车U2001，它配置了功率为45kW的永磁直流无刷电动机和264V镍蓄电池组。U2001轿车最高速度110km/h，048km/h的加速时间为6.35s，以88km/h的速度运行时，一次充电的续驶里程为176km。1996年3月26日，中国远望集团总公司研制的两辆大客车YW6-120DD在北京亮相，最高时速可达90km/h，最大行驶里程为150km，采用三相异步电动机驱动。2001年，科技部组织实施了电动汽车重大科技专项。四年过去，在电动汽车关键技术、系统集成技术及整车技术上取得了较大进展，目前，小型纯电动车辆已通过产品型式认证试验，混合动力汽车已开始商业化试验示范运行，燃料电池汽车已经研制实用样车，即将开始商业示范运行。各类电动汽车进入实用化考核阶段。我国电动汽车的发展正步入大规模产业化的前夜。“2008年北京奥运会”和“2010年上海世博会”对电动汽车有着20亿元的市场规划和需求。由此在国内掀起了一股空前的研发热潮，首批74项课题于2002年1月开始攻关，全国几乎所有与此相关的企业、高校和研究所都已相继加入，目前，总投入3亿元。国家科学技术部在国内选定了北京、天津、武汉和威海4个城市作为电动汽车示范运行城市，经过多年运行来看，其整体效果还是不错的。所以近来，山东、江西、广东等地的城市也开始陆续使用电动汽车来替代原有的公交车辆。2004年11月12日，同济大学推出了燃料电池轿车“超越二号”，最高时速达118km，原地起步加速到最高时速耗时24.8s，续驶里程为168km。2005年2月3日，东风汽车公司和武汉理工大学合作联合研发的东风燃料电池电动汽车“楚人一号”通过专家组验收。节能和环保的要求促进了电动汽车的发展。展望未来的几十年，在新技术的支持下，将继续发展蓄电池及先进的驱动系统。纯电动汽车将主要用于小型车辆市场，比如社区交通。混合动力电动汽车能满足使用者的需求，将得到迅速发展。由于燃料电池电动汽车几乎可以达到零排放，而且比内燃机车辆驱动能力好，所以从长远来看，它将成为未来的主流车辆。通过各方面的共同努力，必然会迎来一个清洁电动汽车的新时代。1.3研究的主要内容(1)本论文将对电动汽车电动机、传动系的传动比和电池组容量等参数设计的原则和方法进行分析和探讨。(2)号的电动汽车作为研究对象，对动力传动系的主要参数进行合理的选择和匹配；基于ADVISOR建立整车动力传动系统及关键零部件如电动机、电池等的性能仿真模型。(3)用电动汽车仿真软件ADVISOR中的自动尺寸设计方法对电动机功率、蓄电池容量等参数进行优化处理。(4)对优化结果应用仿真软件ADVISOR对整车动力性进行仿真计算，验证以镍氢电池为能源的电动汽车的加速性、爬坡性、最大车速等动力性及续驶里程是否满足设计指标要求，从而验证优化方法及结果的合理性和有效性。 第二章 电动汽车传动系的参数设计2.1电动汽车传动系统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运行性能的好坏。目前，电动汽车的动力传动系统具有以下四种布置方式：(1)第一种与传统汽车传动系统的布置方式一致，带有变速器。这种布置可以提高电动汽车的起动扭矩，增加低速时电动汽车的后备功率。(2)第二种取消了离合器和变速器。这种方式对电动机的要求较高，不仅要求电动机具有较高的起动转矩，而且要求具有较大的后备功率，以保证电动汽车的起动、爬坡、加速超车等动力性。(3)第三种布置方式将电动机装到驱动轴上，直接由电动机实现变速和差速转换。这种传动方式同样对电动机有较高的要求，大的起动转矩和后备功率，同时不仅要求控制系统有较高的控制精度，而且要具备良好的可靠性，从而保证电动汽车行驶的安全、平稳。(4)第四种布置同第三种布置方式比较接近，将电动机直接装到了驱动轮上，由电动机直接驱动车轮行驶。目前，我国的电动汽车大都建立在改装车的基础上，其设计是一项机电一体化的综合工程。改装后高性能的获得并不是简单地将内燃机汽车的发动机和油箱换成电动机和蓄电池便可以实现的，它必须对蓄电池、电动机、变速器、减速器和控制系统等参数进行合理的匹配，而且在总体方案布置时必须保证连接可靠、轴荷分配合理等等才能获得。鉴于目前国内对电动机及其控制系统的研究还未达到使用电动轮的要求，故本论文的研究仍然建立在传统汽车传动系统的基础上。2.2蓄电池的数学模型在当前的电动汽车仿真软件中，电池模型多采用内阻模型。内阻模型将电池看成是一个理想的电压源和一个电阻串联的等效电路，简化模型如图2-1所示。 图中 单体电池电动势（V）； 工作电压（V）； 工作电流（A）； 等效内阻（）。由图2-1所示得到电池的电压特性方程为： 电池电动势和内阻受多个因素影响，数值随电池状态时时变化，但通常只考虑主要因素的影响，例如在电动汽车的仿真软件ADVISOR中，内阻模型将和看作荷电状态SOC(State of Charge)和温度T的函数。下面为了简化计算，暂将其视为常数。得到， 电池的放电功率为： 电池的最大输出功率为： 是一个理论的计算值。在实际应用中为了防止过大的放电电流而产生过大的热量进而影响到电池寿命，通常要求电池工作电压处于2/31倍的范围内，这样也可以保证电池具有较高的效率。故在实际应用中电池的最大功率应限制为：2.3交流电动机的数学模型电机驱动系统是电动汽车中最关键的系统，驱动系统的类型和性能直接决定了电动汽车的运行性能。作为电动汽车的牵引电机，应具有宽的调速范围、高的转速及足够大的起动转矩，还要求体积小、重量轻、效率高，并且能实现动态制动和能量回馈。由于直流电机具有良好的起动能力和调速性能，早期开发的电动汽车大多数都采用直流电机作为驱动电机。然而随着电子技术和自动控制技术的发展，以及各种高性能电力电子元件的出现，交流调速技术有了迅速的发展，现已经能获得同直流电机一样优良的调速性能。而且交流感应电机所具有的结构简单、运行可靠和维护方便等优点非常适合电动汽车的要求。所以，在近来的电动汽车研制中，驱动系统都竞相采用交流感应电机(1) 电流、电压、磁链方程交流感应电动机三相定子绕阻的电流为： 式中 定子绕组电流的频率； 钉子绕组电流的幅值； 三相定子绕组中电流的角速度。 转子绕阻的电流为： 式中 转子绕组单位电流幅值；三相转子绕组中电流的角速度；转子绕组中电流频率；磁极对数；负载转速； 旋转磁场的转速； 式中K转子绕阻和定子绕阻的匝数比。三相定子绕阻、转子绕阻的电压平衡方程式可写为： 将上述各量度折算到定子的一侧，电压方程可转写为矩阵形式：式中 、各相绕组的瞬时电流； 、各相绕组的瞬时电压； 、各相绕组的全磁链； 、定子、转子绕组的电阻。每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组的磁链可表示为： 式中 、各绕组的互感。对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通和漏感磁通之和，因此，定子各项自感为： 转子各项自感为： 式中 定子漏感； 转子漏感； 定子互感，转子互感。两相绕组之间只有互感。互感又分为两类：定子三相绕组之间和转子三相绕组之间位置都是固定的，所以互感为常值；定子任意的一相与转子的任意一相之间的位置是变化的，互感随着角位移的变化而变化。现在先讨论第一类，由于三相绕组的轴线在空间的相位差是120。在假定气隙磁通为正弦分布的条件下，第一类互感为： 第二类互感为： (2)使用交流电机的电动汽车的主电路的功率模型当采用交流感应电机时，电动汽车的主电路是指给电动汽车行驶提供所需能量的电路，即动力蓄电池组到控制器或逆变器之间的直流电路，以及逆变器与交流电机之间的交流电路，将这两条电路称为电动汽车的主电路。三相交流感应电动机功率为： 式中 逆变器输出端的线电压；逆变器输出端的电流；交流感应电动机的功率因素。2.4电动汽车传动系统参数设计电动汽车动力传动系统的设计应该满足车辆对动力性能的要求和续驶里程的要求。车辆行驶的动力性能可以用以下四个指标来评价：(1)起步加速性能车辆在设定时间内由静止加速到额定车速或走过预定的距离的能力。(2)以额定车速稳定行驶的能力对电动汽车来说，蓄电池和电动机应该能提供车辆以额定车速稳定行驶的全部功率需求，并且根据我国的道路状况至少能克服坡度为3%的路面阻力。(3)以最高车速稳定行驶的能力在电动汽车上，电动机发出的功率应该能够维持车辆以最高车速行驶。(4)爬坡能力电动汽车能以一定的速度行驶在一定坡度的路面上。另外，在电动汽车上的蓄电池所输出的电能和电量应该能够维持电动汽车在一定工况下行驶额定的里程。2.4.1电动机参数设计电动机的功率包括额定功率和最大功率。电动机的功率选得越大，则电动汽车的后备功率越多，加速和爬坡性能越好，但同时电动机的体积和质量也会迅速增加，而且会使电动机不能经常工作在峰值功率附近，从而会出现大马拉小车的现象，使电动机的效率下降。因此，电动机的功率不能选得太大，应该依照电动汽车的最高行驶车速、爬坡和加速性能来确定电动机的功率。设计中常常以先保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率。已知电动汽车期望的最高车速，选择的电动机功率应大体上等于但不小于汽车以最高车速行驶时行驶阻力消耗的功率之和。电动汽车以最高车速行驶消耗的功率： 式中 整车质量（kg）；滚动阻力系数；迎风阻力系数。 迎风面积（m）电动汽车以某一车速爬上一定坡度消耗的功率： 式中 电动汽车行驶的速度（km/h）； 坡度。电动汽车在水平路面上加速行驶消耗的功率： 式中 汽车旋转质量换算系数； 车轮的转动惯量（kgm）； 飞轮的转动惯量（kgm）； 车轮的半径（m）； 变速箱传动比； 主减速器传动比。总之，电动汽车的电动机功率应能同时满足汽车对最高车速、加速度及爬坡度的要求。所以电动汽车电动机的额定功率： 电动汽车电动机的最大功率：式中 机械传动系统效率； 电动机的过载系数。2.4.2传动系传动比设计在电动机输出特性一定时，传动系的传动比如何选择，依赖于整车的动力性指标要求，即电动汽车传动比的选择应该满足汽车最高期望车速、最大爬坡度以及对加速度时间的要求。(1)传动系速比的上限传动系速比的上限由电动机最高转速和最高行驶车速确定。 式中 主减速器的传动比； 变速器的传动比。(2)传动系速比的下限传动系速比的下限由下述两种方法算出的传动系速比的最大值确定。由电动机最高转速对应的最大输出扭矩和最大行驶车速对应的行驶阻力确定传动系速比下限：式中 最高车速对应的行驶阻力（N）； 电动机最高转速对应的输出扭矩（NM）。由电动机的最大输出扭矩和最大爬坡度对应的行驶阻力确定传动系速比下限： 式中 最大爬坡度对应的行驶阻力（N）； 电动机最大输出扭矩（NM）。2.4.3电池组容量设计电池组容量的选择主要考虑车辆行驶时的最大输出功率和消耗的能量，以保证电动汽车对动力性和续驶里程的要求25。(1)由电动汽车所需的最大功率选择电池组数目蓄电池的携带能量必须大于或等于电动汽车的最大能耗，如此才能保证电动汽车行驶要求。所以要求电池组数目：式中 电动机的工作效率； 电动机控制器的工作效率； 单个电池组所包含的电池的数目。(2)由续驶里程选择电池组的数目在汽车充电前，蓄电池所携带的能量必须保证电动汽车能够行驶一定的里程。所以电池组数目：式中 L续驶里程（km）； W电动汽车行驶1km所消耗的能量（km）； Cs单个电池的电压（V）。从(1)(2)中选择较大者确定电池组组数。2.5、设计实例电动汽车的整车参数和技术性能如下表：技术性能参数符号单位参数值整车整备质量Mkg1350滚动阻力系数f0.014迎风面积A1.9迎风阻力系数CD0.3轮胎滚动半径Rm0.28最大期望车速UaKm/h90加速性能Ts050km/h的加速时间10s5080km/h的加速时间30%续驶里程Lkm等速230工况1502.5.1电动机的参数选择直流电动机的电枢电压、电流和磁通之间耦合较弱，具有良好的机械特性，能在大范围内平滑调速，起动、制动性能良好。但随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现。由于换向器的存在，使其维护工作量加大，最高转速、使用环境都受到限制。而且交流电动机经过多年的研制，不断的取得新的突破，逐步获得电动汽车的青睐。所以本论文选取交流感应电动机。由公式计算得到电动机的最大功率为=71.3348kW。电动汽车所用的电动机具有较大的过载能力，最大功率可达额定功率的3倍左右。因此，按匀速模式选择的电动机功率完全能够满足加速模式下动力性能的要求。参考ADVISOR并查阅电工手册选择交流电机参数：额定功率=30kW；额定电压 =220V；最大电流=180A；过载系数=2.4；最高转速9000r/min。2.5.2传动系统传动参数的选择目前，电动汽车主要在市区和城市近郊使用，它所遇到的工况多种多样，最低稳定车速在36km/h范围内，最高车速可达100km/h(本论文中要求)，甚至更高。电动汽车在行驶过程中所遇到的阻力变化很大，变化范围在6倍以上，而单靠电动机的力矩变化是不能满足电动汽车行驶性能要求的。因此，在电动机和驱动轮之间需要安装减速器和变速器，一方面使电动汽车满足行驶性能要求，另一方面使电动机经常保持在高效率的工作范围内工作，减轻电动机和动力电池组的负荷。为了满足电动汽车行驶阻力的变化范围，减轻电动机和动力电池的负荷，提高工作效率，又使传动系统的结构不过于复杂以至降低工作效率，本论文采用档变速器。(1)主减速器速比的选择设传动系变速器第档为直接档即，又有电动机的最高稳定转速r/min，所以由公式得：=1，又有电动机的最高稳定转速=9000r/min ，所以由上述公式得，7.9170，1.3326参考多种汽车主减速器速比经验值及ADVISOR仿真试验的反复验证，初步确定主减速器速比为=4.3245。（2）变速器速比的选择汽车传动系各档的传动比大体上按等比级数分配，这种分配变速器速比的方法使汽车经常工作在大的功率范围内，可以充分利用蓄电池所提供的一次充放电的有限能量，提高动力性，增加续驶里程。由公式得到，=2.0898；根据等比级数的分配方法：2.5.3蓄电池参数的选择电动汽车动力电池的选用不仅应该考虑动力性因素还应该考虑环保方面的因素。以铅酸电池、锂电池、镍镉电池、镍氢电池四种当今最热门的电动汽车储能电池为代表，比较四种电池的性能参数，见下表：铅酸锂电池镍镉镍氢能量密度（Wh/L）60100250110190比能量(Wh/kg)305012014040505080功率密度(W/L)120480比功率(W/kg)200400200300150350150300续驶里程(mph)60195120250循环寿命(次)400600120080020008001000充电时间(h)81735606能量效率(%)656590可回收利用率(%)97509990价格($/kWh)100200300200铅酸电池由于价格低廉、原料易得、使用可靠、可大电流放电及技术成熟等优点一直占领着电动汽车的车用电池市场。但近几年来，镍氢电池技术逐渐纯熟，它的续驶里程和使用寿命是铅酸电池的两倍，更兼在实际使用中它的能量密度和峰值功率密度较高，大有后来者居上的趋势。锂电池具有高能量密度、高功率密度和很长的循环寿命，可防止过充电和过放电，是理想的动力电池，但成本太高、发热严重，到目前为止还处于试验阶段。镍镉电池属碱性蓄电池能量密度、比能量、比功率较高，但含镉，重金属污染严重。镍氢电池是一种新型环保的高容量二次电池，其特性和镍镉电池相似，只是以吸藏氢气的合金材料(MH)取代了镍镉电池中的负极材料镉(Cd)。较之上述其它电池镍氢电池有许多优点：能量密度高，是镍镉电池的1.52倍；可快速充放电，低温性能好；可密封，耐过充放电性能强；无毒无环境污染，不使用贵金属；无记忆效应。综合考虑电池的各项性能及发展前景，本论文选用Ovonie公司研制的镍氢电池，比电容达250Ah，比电压1.2V，比能量达80Wh/kg，比功率230W/kg。（1）由电动机功率确定电池组的数目由式求得单个电池的最大输出为=1.3853kW，进而由式得，（2）由续驶里程确定电池组的数目由式(2-28)得，考虑到电池放电深度一般不超过80%，故取综合(1)(2)，取电池组数目n=22。电动汽车传动系统主要参数都是由汽车行驶时所消耗的能量出发推导计算得到的，理论上，它的动力性、续驶里程都应该满足设计要求。下面通过仿真试验进行验证。匹配设计参数详见下表：参数符号参数值电动机额定功率最大转速额定电压30kw9000r/min220V传动系速比主减速器速比1档变速器速比2档变速器速比3档变速器速比4.32452.08981.44561蓄电池额定容量额定电压电池组数目250A.h290V22第三章 电动汽车动力性仿真3.1电动汽车动力性评价指标电动汽车种类繁多、性能各异，如何建立一个统一的性能标准，以评价这些不同厂家生产的、不同类型的电动汽车，成为电动汽车发展的一项基础研究。对于传统的燃油汽车，最高时速和加速能力是最重要的性能指标。由于每次加满油的行驶里程已远远超过了人们的一般要求，因而行驶里程对燃油汽车来讲，只是次要的性能指标。在环保意识不断提高的今天，人们己不再简单地追求汽车最高车速和加速性能，燃油汽车的废气排放己成为汽车性能的又一重要的考核指标。此外，汽车的舒适性、安全性等等也都会成为汽车推销商的卖点。对于电动汽车，一次充电后的电大行驶里程则是最重要的性能指标。这是因为，一辆1.5L的燃油汽车加满油之后至少可行驶500km，而大部分的现代电动汽一次充电后的行驶里程在100一200km左右，远低于燃油汽车，还不能完全满足人们对现代机动车辆的要求，从而成为制约电动汽车发展的主要因素。因此人们在评价电动汽车的性能时，主要考虑如下性能指标:（1） 最大行驶里程(km)电动汽车每次充满电后的最大行驶里程;（2） 加速能力(s)电动汽车从静止加速到一定的时速，如040、060km/h所需的时间；（3） 最高车速(km/h)电动汽车所能达到的最高车速。在不同的行驶方式下(如在繁华的都市街道上，需不断制动、起动，和在高速公路上，可以匀速连续驾驶)，行驶里程有很大的差异，为了合理的评价机动车的性能，人们制定了统一的机动车驾驶模式。由于不同国家或地区的驾驶条件差异很大，各个国家分别制定有自己的驾驶模式，其中主要有:美国联邦都市驾驶模式(EUDC)、欧洲驾驶模式(EDC)、美国机动车工程师协会(SAE)驾驶模式、日本电动汽车协会的驾驶模式。由于我国的电动汽车开发起步较晚，目前尚未建立自己的电动汽车驾驶测试标准式，而一直沿用美国或欧洲的标准，本文仿真时选用美国联邦都市驾驶模式(EUDC)。3.2 ADVISOR软件简介ADVISOR采用逆向和正向相结合的建模方法。逆向建模方法是假设汽满足所要求的行驶循环的轨迹功率需求，从而来反推计算动力系各个总成应该如何执行以输出相应的功率。这种方法的优点是不需要驾驶员模型，可以仅通过迭代法来预测汽车的各项性能。ADVISOR采取了模块法的建模方法，所以它的各个总成模块可以很容易的扩充和改进，各个模块可以随意的组合使用。此外，用户也可以根据自己的需要，建立新模型，来定义设计者需要的汽车模型。ADVISOR提供了两种方式来定义车辆传动系统的类型。一种是ADVISOR内部保存了包括Insight和Prius在内的37种电动汽车的数据文件，用户可以选择合适类型的汽车，在此基础上加以修改。另一种是ADVISOR内部保存了传统汽车、电池电动汽车、燃料电池汽车、并联混合动力汽车、串联混合动力汽车、混联混合动力汽车等8种类型的传动系统，用户可以以此为模板定义自己的传动系统。另外用户还可以自定义新类型的传动系统增加到ADVISOR的模板库中。ADVISOR设计了车辆(Vehicle)、发动机(Fuel Converter)、能源储存系(Energy Storage System，简称ESS)和电动机(Motor)等多个部件的仿真模型。ADVISOR提供了道路循环(Drive Cycle)、多重循环(Multip1e Cycles)和测试过程(Test Procedure)3种仿真工况来仿真车辆的性能。：(1)道路循环提供了CYC-ECE，CYC-FTP和CYC-1015等56种国外标准的道路循环，另外提供了行程设计器(Trip Builder)，可以将多达8种不同的道路循环任意组合在一起，综合仿真车辆的性能。(2)多重循环功能可以用批处理的方式以相同的初始条件，快速计算和保存不同的道路循环情况下的仿真结果，并将它们显示在一起，供用户进行比较。(3)测试过程包括TEST-CITY-HWY和TEST FTP等8种国外标准的测试过程供用户选择仿真。ADVISOR的仿真结果包括：(1)仿真参数图(Parametric Results Figure)它能同时显示任意4组部件参数值随仿真时间的变化情况。(2)仿真报告(Results Figure)它包括燃料消耗率、行驶距离、有害气体排放、加速度和爬坡能力报告。(3)能源消耗图(Energy Use Figure)它报告各个部件在做功模式(POWERMODE)和能量再生模式(REGEN MODE)下的输入能量、输出能量、损失能量和效率。(4)比较仿真(Compare Simulations)该功能可以同时打开8个仿真结果文件和测试数据文件，将它们显示在同一幅坐标图上进行比较。另外提供了条形图(Bar Chart)和极坐标图(Spider Plot)两种方式进行比较。(5)重放功能(Replay)在可视化的GUI上动态显示仿真结果，它的界面与交互式仿真的GUI相同。本论文利用ADVISOR的以上特点特性，基于该软件随意组合电动汽车；通过电动汽车的一系列结构技术参数，对于任意一款电动汽车进行改装设计，对各个模块进行修改，建立自己的汽车模块，组成需要的汽车模型；应用ADVISOR对设计的模块进行仿真计算，在短时间内快速的测试汽车的部分性能。3.3、利用ADVISOR对汽车进行动力性仿真3.3.1ADVISOR的参数输入界面仿真软件ADVISOR是一款功能非常强大的软件，前面己经做过简单介绍，我认为应用ADVISOR软件的一个很大的优点是输入图型可视化，方便简捷。我们可以通过直接在ADVISOR的图形用户界面GUI下直接输入汽车的仿真参数，当然也可以通过各部件的内部.。文件来进行修改，两种方式产生的效果是一样的。下面我们通过在ADVISOR的图形用户界面翻工下输入PRIUS型电动汽车的参数。点击主界面右上角的Autosize。进入参数输入窗口，如图所示，在此窗口中可输入爬坡度任务设定、加速度任务设定汽车参数配置窗口 汽车爬坡度设定 汽车加速度设定3.3.2PRIUS型纯电动汽车的模拟计算1、定义计算任务因为本次任务是对整车的动力性进行仿真，因此设定以下几项计算任务：最高车速(Constant Drive)最大爬坡度计算(Climbing Performence)加速性能(Full Load Acceleration)2、仿真计算结果:仿真计算结果： 能源消耗情况 能源消耗示意图能源再生示意图工况行驶和续驶里程计算(CYC_EUDC)图为EUDC工况下，PRIUS纯电动汽车的加速性能、车速和里程的计算结果。工况计算结果从计算结果可以看出，在EUDC工况下，最高车速为92.1Km/h，速度为55km/h时的最大爬坡度为40%，050km/h用时4.8秒，5080km/h用时5秒，080 km用时9.8秒。利用ADVISOR软件的仿真结果可以看出汽车的动力性能非常好，可以满足电动汽车的动力性要求。第四章 论文总结本论文是基于电动汽车的各传动部分建立各自的数学模型基础之上进行的动力性能仿真，并查阅了大量资料的基础上所撰写的。论文是以PRIUS车型进行仿真的，进行了该车型的最高速度、最大爬坡度、050km/h加速时间、5080km/h加速时间。从仿真的结果可以看出PRIUS电动汽车的各个传动系统的匹配、蓄电池和电动机的.选择是合理的。（1）分析了交流感应电动机和蓄电池的数学模型。对直流电机和交流电机的优缺点以及几种代表性电池的性能作了比较，选用交流感应电动机驱动，镍氢电池作为动力源。（2）比较了几种常见的电动汽车传动系统布置方式。电动轮结构型式虽是电动汽车的发展趋势，但对电机和控制系统的要求很高，因此本论文选择了传统的结构型式。在此基础上，提出了一套比较合理的参数设计方法。（3）在所建立的数学模型上利用ADVISOR软件进行了动力性能仿真。ADVISOR软件具有强大的仿真模拟功能，为电动汽车的设计提供了行之有效的方法。本论文的不足之处在于模型的建立与实际情况略有差距，另外我国没有自己的道路环境系统，该论文是利用美国所制定的道路环境。 致谢 我的能够顺利完成我要感谢每一个在论文资料收集和论文写作过程中给与我帮助的人。首先我要感谢我的论文指导老师。他给我选题提供了一个大方向，并且给了很多意见和建议。由于我的资料是关于电动汽车方向的，这是一个比较新的课题，也是技术不成熟的领域。所以，我们学校的图书馆在这方面的资料还是比较匮乏。李老师给了我很多电动汽车的资料，我在阅读这些资料后我的写作才有了思路。在完成初稿后，老师认真查看了我的文章，指出了我存在的很多问题。在此十分感谢李老师的细心指导，才能让我顺利完成毕业论文。同时，本篇毕业论文的写作也得到了黄汉，杨俊等同学的热情帮助。感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！参考文献1.李佩珩，易翔翔，侯福深.国外电动汽车发展现状及对我国电动汽车发展的启示.北京工业大学学报20042.陈清泉.电动汽车是我国汽车工业赶超世界先进水平的大好机会.中国国防经济观察.20043.胡骅，宋慧.电动汽车.人民交通出版社，20024.陈伯时:电力拖动自动控制系统（第二版）北京:机械工业出版社，19975.蔡方耀:电动机应用计算指南.北京:机械工业出版社，19926.余志生:汽车理论（第2版）北京:机械工业出版社，19947.廖权来.罗玉涛:电动汽车学.广州:华南理工大学出版社，19978.侯志祥.李小颖，我国21世纪电动汽车发展的对策交通科技，20029.麻友良.陈全世:我国电动汽车发展问题探讨武汉科技大学学报(自然科学版)10.汤秀红刘伟涛电动汽车技术发展综述城市车辆，200211.高立新.赵韩钱立军:电动汽车开发的关键技术及技术路线合肥工业人学学报，200212.陈清泉.詹宜巨:21世纪的绿色交通工具电动车清华大学出版社，200213.田春霞.电动汽车用先进电池的现状及发展.电池，200014.陈坚:交流电机数学模型及调速系统.北京:国防工业出版社，1991