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购买设计文档后加 费领取图 纸 理工科类 开题报告 学生姓名 专 业 班 级 指导教师姓名 职 称 工作单位 课题来源 课题性质 课题名称 纯电动汽车传动系统结构设计 本设计的科学依据 （科学意义 和 应 用 前景，国内外研究概况，目前技术现状、水平和发展趋势等） 几十年来，随着传统汽车产业的不断发展壮大，世界各国均面临能源和环境危机的严峻挑战。纯电动汽车的出现能有效解决能源和环境这两大危机。另外，纯电动汽车的运行平稳、低噪声、零部件布置灵活多样化、维修方便、能量利用率高等优点。 电动车作为解决环 境污染的重要可行途径 , 得到快速发展。 国内现今电动汽车主要是改装设计的。在上世纪 60年代，我国就开始了纯电动汽车的研发工作，于上世纪 90年代掀起了一股研发热潮，部分相关高校、科研院所以及汽车企业联合开发充电电池和纯电动汽车，相继研制出电动汽车功能样车、性能样车和产品样车，并开始着力推广其示范运行。 国外电动汽车设计主要有以下两种方法：改装设计和全新设计 改装设计：选择一辆与目标设汁的电动汽车在载客量和载质量方面都近似的传统汽车来进行改装。移除内燃机，换成电机。充分利用车架上部和下部以及 原油箱和座椅下的一些空间来安放电池。为尽量扩大车厢内的有一效空间。全新设计：国外电动车发展比较早，新研制的电动汽车大部分是采用全新设计。即采用新的外形，新的造型、底盘设计用于减小风阻，提高续时里程。对车身、底盘和电池采取轻量化措施减轻车身质量。用间接驱动式或直接驱动式或电动轮式驱动。再用仿真软件进行仿真修改。 万向电动汽车有限公司自 2002年成立以来，在高能量聚合物锂离子动力电池、一体化电动机及其驱动控制系统等方面取得了相应 购买设计文档后加 费领取图 纸 的成果，成为动力电池产业化制造基地和“十一五”纯电动汽车 平台牵头单位。天津清源电动车辆有限公司等单位研发的纯电动轿车，其整车的动力性、经济型、续驶里程、噪声等指标已超过法国雪铁龙的纯电动轿车和箱式货车，初步形成了关键技术的研发能力。北京理工大学等单位联合组建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，并于 2003年底顺利通过北京市公共交通总公司组织的示范运行车组验收，小批量研发生产的四种车型约 40辆公交车投放了北京市奥运电动车示范车队运行。 设计内容和预期成果 （具体设计内容和重点解决的技术问题、预期成果和 提 供 的 形式） 一、 设计内容和重点解决 的技术问题 二、 预期成果和提供的形式 购买设计文档后加 费领取图 纸 拟采取设计方法和技术支持 （设计方案、技术要求、实验方法和步骤、可能遇到的问题和解决办法等） 在纯电动汽车传动系统结构设计过程中，首先需掌握相关仿真软件，具备汽车原理、汽车设计及机械制图等专业基础知识，然后采用电动汽车仿真软件 立整车动力传动系统 的 需要用 进行机械工程图的绘制，可以充分利用系里的验室进行设计工作。 设计相关的各种手册和资料和从学校图书馆借阅；另外可以充分利用学校的数字图书资源，查阅中、英文文献。 实现本项目预期目标和已具备的条件 （包括过去学习、研究工作基础，现有主要仪器设备、设计环境及 协 作 条 件等） 1、完成传动系统的初步掌握，已学习完汽车设计课程，已具有一定的专业基础知识； 2、掌握纯电动汽车传动系统的设计，需具有机械制图和汽车设计的相关知识，已学习过 汽车理论、汽车设计等多门课程，为设计工作打下了良好的基础。 3、已掌握相关仿真软件，且熟悉 对传动系统进行仿真，为制定优化设计方案提供依据。 4、我院已具备 书馆，数字图书馆等硬件设施。 各环节拟定阶段性工作进度 (以周为单位 ) 1准备开题报告： 3周 2纯电动汽车传动系统结构设计： 8周 4 撰写毕业设计说明及准备答辩： 2周 开 题 报 告 审 定 纪 要 时 间 地点 主持人 参 会 姓 名 职 务（职 称） 姓 名 职 务（ 职 称） 购买设计文档后加 费领取图 纸 教 师 论 证 情 况 摘 要 记录人： 指 导 教 师 意 见 指导教师签名： 年 月 日 教 研 室 意 见 教研室主任签名： 年 月 日 购买设计文档后加 费领取图 纸 目 录 第 1 章 绪论 . 1 动汽车概述 . 1 么是电动汽车 . 1 动汽车的特点 . 1 究电动车的目的和意义 . 2 究电动汽车的时代背景 . 2 外电动汽车的发展现状和趋势 . 4 内电动汽车发展的现状和趋势 . 4 国发展电动汽车具有特殊的意义 . 5 论文的主要内容 . 6 第 2 章 电动汽车及其相关技术 . 7 动汽车的基本结构 . 7 动汽车电力驱动子系统的结构形式 . 8 动汽车的动力蓄电池和动力电机 . 10 力蓄电池组及其管理系统 . 10 力电机及其控制原理 . 12 章小结 . 14 第 3 章 电动汽车动力传动系统的总体设计及参数的匹配 . 15 动汽车动力传动系统的方案设计 . 15 动汽车功率流分析 . 16 动汽车动力传动系统参数设计 . 17 辆参数 . 18 传动机构布置方案 . 18 驱动电机匹配 . 19 变速器传动比参数选择 . 20 速器齿轮设计计算 . 21 减速器齿轮设计计算 . 23 购买设计文档后加 费领取图 纸 齿轮参数 . 24 速器传动轴设计计算 . 24 承的校核计算 . 28 电池的选择 . 30 章小结 . 32 参考文献 . 34 致 谢 . 36 购买设计文档后加 费领取图 纸 第 1 章 绪论 动汽车概述 么是电动汽车 从车辆定义上来讲，电动汽车是以车载电源作为动力输出源，用电动机把电能转换成驱动车轮转动的机械能的机动车辆。电动汽车目前分成三类：混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车和纯电动汽车。本文仅研 究纯电动汽车，以下所提电动汽车如果没有特别指出都是纯电动汽车。 对我们的生活来讲，电动汽车就不只是我们的代步工具那么简单了，它集合了新能源、新材料、新技术，可以说是现代高科技技术产品。并且，它还可以实现我们节约资源，保护环境的迫切愿景，是未来汽车的科研方向。 动汽车的特点 （ 1）可用能源丰富 电动汽车使用的电能来源广泛，并且可以由许多可再生能源获得，例如太阳能、风能、潮汐能等，对石油的依赖性低。另一方面，可以在晚上给蓄电池充电，避开了日间用电高峰，还可以节约电费。 （ 2）零污染或者低污染 由于 电动汽车使用蓄电池驱动汽车，汽车工作过程中无排放，避免了内燃机汽车排放尾气的缺点。虽然在电厂发电过程中也会产生各种污染物，而且蓄电池的生产也会带来污染，但是与内燃机汽车的排放相比要轻得多。 （ 3）运行平稳，低噪声 由于电动汽车没有发动机，不会发出传统汽车工作时的震动和噪声。因此电动汽车即使在高速运行时也不会给人带来不适感。 （ 4）部件布置多样化，维修方便 电动汽车动力传统系统部件间的连接大多是柔性的电线连接，不完全需要机械连接，各部间的布置可以根据需要进行灵活安排。电动汽车的部件维修保养工作量小，有些部件甚 至无需维护。 （ 5）能量利用率高 电动汽车以电能作为动力源，由于电流比机械传递能量损耗小，因此电动汽 购买设计文档后加 费领取图 纸 车能量利用率可以到 80%。即使在考虑油井 终能量转换率也可以到 29%左右，而内燃机汽车在考虑各种工况下工作时能量转换率不足 12%。 究电动车的目的和意义 究电动汽车的时代背景 而今人们常常将 为 “ 新能源汽车 ” ，其实 出现时间比内燃机汽车更早。 1834 年 明了第一辆电动三轮车，比 1885 年德国的 造出天 下上第一辆以汽油为动力的三轮汽车还早 51 年。上世纪末本世纪初，曾是 分繁荣的时期， 1890 汽车，此中 38%为 40%为蒸汽机汽车，其余为内燃机汽车。 1911 年巴黎和伦敦有电动出租汽车运营。 1912 年在美国有 辆 1907 年底特律电气公司出产的 高车速达 40km/h。可是，由于 用的蓄电池质能比低，使用周期短，汽车的续驶里程、动力性与价钱都无法与快速进步的内燃机汽车相比。特别是 19 世纪初做到了大批量出产汽车， T 型车的最大功率 20马力，最高车速 72km/h，一开始的价格只有 825 美元，到了 1921 年，价格便宜了 565 美元，将 到汽车遍地都是的时期。到 19 世纪 20 年代 本上竞争不过内燃机汽车，汽车消费者更喜欢了内燃机汽车。可以说这是 “ 一起一落 ” 。 到 20 世纪 70 年代，普天之下出现了 3 次石油危机，使 二次受到青睐。80 年代 开发了 20 世纪前，全天下卖了约 60000 辆，大概占世界上汽车保有量 6 亿辆的万分之一。在这之中 动车代表性十分强，使用两级减速的三相交流感应电动机作 为驱动系统，装有 20 余块德科 酸电池，造型悦目，低风阻，加速性优良， 096km/h 在 9s 以内提速完成，续航里程在 120是 最后只制造了 1117 辆，非常可惜地退出了历史舞台。 到 21 世纪，在石油的价格一直上涨和环保意识不断提高的背景下， 等到了第二春， 一次被推送到人们的视野中。在布什执政时代，美国人将研究重点放在氢燃料电池汽车上，但由于燃料电池造价昂贵等问题，短期内没有产业化的资本而胎死腹中。 在 取得了重要成果，有电池与电机参与工作的普锐斯汽车 取得了不错成就，燃油耗损得到良好解决并已在世界上卖了300 多万辆。紧跟着研究人员又将精力放到纯 于质能比高于铅酸电池 3们好像又找到了不靠石油、干净无污染的纯 买设计文档后加 费领取图 纸 的进展。海内 外大量汽车企业与电池企业合作开展了新一轮 发与试验的热潮，可以说这是 “ 三起 ” 吧。 能源危机和环境危机已经是当今天下列国发展必须解决的现实危机。随着化石能源的减少和环境的恶化，人们越来越需要能耗少、污染小、效率高的新型交通工具。纯 为以后最具潜力的交通运输工具正快速发展，并且在天下列国都倡 导并进行政策服务。 我国在汽车行业方面发展较晚，与其它汽车工业发展成熟的国家比较之下难免落伍，特别是在发动机、变速器等关键零部件技术层面没有掌握核心技术。虽然我国汽车年产销已经突破 1800 万辆，是名副其实的汽车大国，但是我们面临的是大而不强的局面，很是尴尬！想要成为汽车工业强国，那么我国汽车工业必须具有前瞻性，发展未来技术储备，研发更高效能新能源汽车，尤其是纯 取掌握新一轮天下汽车市场竞争的主动权。 人类发明了汽车，给我们的生活带来了极大便利，但是汽车也是一把双刃剑，如何使用关系着人类社会未来的发展。 权且放下我们国家的汽车技术落后于其他国家汽车技术的事实，国内外汽车行业都遇到的拦路虎：环境污染和石油缺乏。这两个问题对当下发展快速的汽车行业产生了不小的冲击，同时石油资源在世界范围内的分布不均使各国之间摩擦增大，导致一些国家动荡不安，民不聊生。 传统汽车对外界的影响主要是排放的尾气，还有发动机产生的 噪声。工业化和现代化的时代发展 推动 了 钢筋水泥丛林的出现 ，使得汽车内燃机 产生 的 污染物难以 扩散 ，城市里人类生活区域内空气污染严重。 另外，燃油汽车的内燃机是巨大的噪声来源。据统计， 都市 中 80%的噪声污染 来自 燃油汽车，我 国 约莫 2/3 的人口生活在 比较 高的噪声环境中， 此中有 29%的人们的生活是在 不堪 忍受的噪 音中度过的。 自从我国加入 车行业发展速度变快，但汽车保有量也因此提高，噪声和环境污染更加严重，我国人民的健康受到威胁。燃油汽车面对着另一个难题，石油资源短缺。石油作为能源和它丰富的衍生物都可以在汽车上产生用途，造成传统汽车行业对石油十分依赖。据统计，从 1950 年到 2010 年全球汽车保有量增加近 12 倍， 如此多的 汽车 需要 的石油量 可想而知 。 据调查，全世界 石油 储量可开发不足五十年 ，而我国近 些 年汽车 行业成长特别快 ，对石油的 需 求一直增长 ， 故思量 到社会 太平 和持续发展我国要从外国 采办 石油。预计到 2012 年我国的汽车石油年消耗 量将突破 8000亿吨， 故 解决能源问题在我国 刻不容缓 。 恰是由于传统汽车带来了环境和能源问题，在这样的情况下，很多国家都在加紧研发新能源汽车，而纯 排放、使用 便利 、 构造 相对简单等优点 获得公众 的 承认 ，被称为 真正 的 “ 绿色汽车 ” ， 故 自上个世纪 90 年代后，发展 购买设计文档后加 费领取图 纸 看作 解决当前问题的 重要路子 ，可 减轻 我国石油需求 压力 、 阻止都市 环境恶化、加强 汽车企业竞争力等方面。 所以，研发纯 以解决传统汽车造成的环境和资源问题。从能 源 方面思量 ，用 的能源是一种可靠的、来源广泛的、均衡的、对环境友好的能源。从环境方面 思量 ，纯 都市 交通中可实现零排放或极低排放。 纵然思量 到给这些应 能量的发电厂的排放，使用 能 明显减轻 全球的 环境 污染。因此 能预测 到， 研究开发纯 对能源、环境、交通以及尖端技术的发展，新型工业的建立和经济的 成长造成巨大 而 长远 的影响 1,2,3。 外电动汽车的发展现状和趋势 早在 1930 年就有外国人开始研究电动汽车。 1834 年 明了第一辆电动三轮车，比 1885 年德 国的 造出天下上第一辆以汽油为动力的三轮汽车还早 51 年。 1881 年，一个法国工程师也研究了一辆电动汽车，与最早的电动车的区别在于，最早的电动车采用干电池作动力，而这辆采用了可充电的铅酸电池。后来过了五年出现了有轨电车，电动汽车随之兴盛。 19 世纪末期，英法美多家公司开始研究电动汽车。此时电动汽车代表着那时候车辆工业的最高技术水平。在美国，机动车市场被电动汽车牢牢把控。但是，因为当时的电动汽车的各种性能指标都比不上内燃机汽车，汽车起动机被发明后，电动汽车在市场上的销量急剧 下降，到 1930 年可以认为其退出了机动车市场。 因为世界上石油资源有限，并且分布不均，终于在上世纪 70 年代爆发了中东战争。所以很多国家为了降低对石油的依赖对电动汽车投入了很大的精力。再加上人们环保意识的提高，电动汽车焕发第二春。 上世纪末期，美国三大公司签订协议成立 起研发电动汽车电池。1971 年， 开始加入电动汽车行列，并研发出一系列的电动汽车，就在这一年还研发出了 于 1997 年投入市场。 内电动汽车发展的现状和趋势 我国最早在 1920 年出现了电动汽 车，但是由于当时条件、技术都不成熟，研究不得不中止。 60 年代初，国内石油匮乏，为了解决能源问题，电动汽车的研究趋势又兴盛起来。 1962 年，上海公用事业研究所研究开发出了满载质量为968 动汽车。 购买设计文档后加 费领取图 纸 70 年代，电动汽车的研究在北京、上海、河南、广州、武汉等地开始进行，有试制 样车进行试验，但因为资本、人力的分配不好协调，研究没有继续下去。 80 年代，我国 改革开放，一切百废待兴。政府对基本情况有了更加清楚地了解，科技水平落后，能源短缺，与世界人均拥有量相差甚远。另一方面，能源匮乏和环保问题随着汽车 保有量的上升愈加严重。因此电动汽车的研制被政府提上日程。 同时，政府还出台相关电动汽车的技术标准，提供政策支持。 1993 年，香港大学研 发 出配置功率 45电动机和 264V 镍蓄电 池的 型电动汽车 ； 1996 年，中国远望集团研制了最高时速可达 90h 的 120客车。 2001 年，科技部 启动 电动汽车重大科技专项。 7 年 时间过去了 ， 这个科技 专项 得到了长足发展，像汽车关键技术、系统集成技术与整车技术都有了空前的进步。各种电动汽车通过了认证试验，已经进入实用化考核阶段。我国电动汽车行业正在向成熟 产业化成长阶段靠拢。 2008期间奥运会和世博会对电动汽车需求巨大，因此国内加快研发进程，奥运会期间就使用了新型锂离子电池纯电动客车，属于国际电动大客车的先进水平。 2010 年 8 月， 16 家中央直属国有企业成立联盟， 共同参与 电动汽车的 研发 。参与各方 分为：整车厂和电动汽车制造厂家：一汽集团、东风、中国东方电机集团等；电池厂家：中海油集团、有色金属研究院、中国航空工业集团等；电池充电站建设单位：国家电网、中国南方电网，中石化等。紧接着东风汽车公司宣布，将在 5 年 内陆续 投入 30 亿元专项资金，用于节能与新能源 汽车的技术研究开发和产业化。 经过持续快速发展，我国电动汽车逐步累积起自己的研发能力，整车产品性能得到提升。电动汽车产业在国内已经形成了较为合理的行业创新布局体系。通过自主创新和围绕电动汽车、混合动力汽车、清洁燃料汽车等领域进行研究开发与产业生产创新，取得自主知识产权的专利和科研成果 20 多项。几项关键性的技术已经取得了重大突破， 某些方面甚至走在了世界同行的前面，处于国际先进水平。如比亚迪自主研发生产的 电池，不会对环境造成任何危害，可以使用 220V 民用电源进行充电，在 专用充电站上仅需 15 分钟 左右就可充满电池 80的电量。该电池在使用循环 2000 次后， 容量仍可维持在 80以上，基本实现了与整车同寿命。 国发展电动汽车具有特殊的意义 虽然我国汽车产业飞速发展令世界惊叹，但是起步晚，没有经验只能摸着石 购买设计文档后加 费领取图 纸 头过河，发达国家垄断核心技术，想要追上发达国家特别困难。但是电动汽车是近些年的新兴技术产品，在技术研发上我国和发达国家基本上同线起跑。这不仅是挑战，更是百年难得一遇的机遇，我们必须抓住这次机会，攻克电动汽车的核心技术，实现产业化，不仅要做大，更要做强，这样才能拥有主动权，不依赖外国技术，形 成自己的品牌，在全球汽车行业中占有重要一席。 另外，我国经济发展迅速，已经成为世界第二大经济体，同时 我国也成为了世界上 最大的能源消耗国 【 7】 。我国能源 匮乏 ，石油、天然气人均资源仅为世界平均水平的 1 15 左右 【 8】 ；化石能源的 使用 使得环境污染严重，直接影响着生态平衡和人们的健康。发展 电动汽车实现汽车产业可持续发展，有效解决环境问题和能源问题，保证国家能源和环境安全，对实施节能减排与国家能源战略具有重要意义。 论文的主要内容 (1)本文介绍了电动汽车的基本结构、不同电力驱动子系统的具体结构形式、电动汽 车动力总成。分析了目前用于电动汽车上的动力蓄电池和动力电动机的各种性能指标及其相应的管理控制系统。 (2)介绍了电动汽车的主要参数，对电动汽车各种工况下的受力进行了分析，根据车 辆动力学原理建立了车辆整车动力学模型。 (3)根据设计目标，对电动汽车动力传动系统的设计提出了合理设计方案，并对该方 案进行了分析。依据车辆的动力学模型和电动机功率、传动比和电池组容量等参数设计的原则和方法，对电动汽车动力传动系统的这些参数进行了相应的数学建模，并对动力传动系统的主要部件进行了合理选型和动力传动系统的主要参数进行合理的选 择和匹配。 购买设计文档后加 费领取图 纸 第 2 章 电动汽车及其相关技术 电动汽车的动力传动系统与传统内燃机汽车的动力传动系统有很大区别。电动汽车的动力传动系统包括蓄电池、动力电机、变速器等部件，去除了传统内燃机汽车中的发动机、发动机附件，离合器和部分机械传动部件。然而，电动汽车高性能的获得不仅仅是将传统内燃机部件换成现代电动汽车所需的部件，而是要根据现代电动汽车的特点进行合理设计，对电动汽车各部件进行合理布置，对动力传动系统中各个部件进行合理选型，并对主要参数进行匹配、优化 【 9】 。 动汽车的基本结构 电动汽车用电能驱动， 与传统汽车不同的是它通过柔性的电线传递能量，只有部分零部件采用刚性机械结构。因此电动汽车与传统燃油汽车相比，各部件布置起来更加方便多样，提高了汽车整体的空间使用率。现代电动汽车的基本结构主要有三个子系统组成，即电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统 【 9】 。现代电动汽车很多采用交流感应电动机，相应电动汽车的典型结构组成如图 购买设计文档后加 费领取图 纸 图 电动汽车的典型结构 附注 1：双实线表示部件间刚性连接，粗实线表示部件间柔性电线连接，细实线表示部件间信号控制连接，箭头方向表示部件间电流和控制信号流向。 电 子控制器根据外界输入的信号发出指令控制功率转换器。如果同时收到加速与制动信号同时输入，优先响应制动信号。功率转换器用来调节电动机和电源之间的电流频率和幅值。一方面可以把将蓄电池产生的直流电转换成交流电，这样电动机就可以工作输出机械能，另一方面，发电机可以回收减速制动时的能量为蓄电池充电。充电系统和能量管理系统一起可以实时监测并控制蓄电池的使用，确保蓄电池能够不出问题，还可以保护蓄电池。辅助动力源为温度控制单元、动力转向、制动等辅助系统提供能量。 动汽车电力驱动子系统的结构形式 电力驱动子系统的功能是 把蓄电池与车体有效连系起来 【 10】 。 电力驱动子系统像中转站一样，把电能转换成机械能输出给车轮驱动车辆前进，可以说是电动汽车的核心系统，所以这个系统性能的优劣几乎决定了整个汽车的优劣。现在比较常规的几个电力驱动子系统有四种布置， 如图 示 【 11】 。 第一种类型如图 (a)所示 ，与发动机前置前驱的传统汽车的传动系统构造相似，其组成包括差速器、变速器、离合器和电动机。 购买设计文档后加 费领取图 纸 图 电驱动的结构形式 第二种类型如图 (b)， (c)所示，电动机具有较大的起动转矩和较宽的调速性能，去掉 离合器，安装固定速比的减速器，这 样可减少机械传动装置、减小电动汽车的整备质量，增大车内空间。这种电动汽车电力驱动子系统的结构由电动机、固定速比减速器和差速器组成。这些部件有两种布置形式：第一种形式如图 (b)所示，各部件之间存在中间机械 传动装置；第二种形式如图 (c)所示，同传统内燃机汽车发动机横向布置，前置前驱的布 置方式相似，把电动机、差速器和固定速比减速器这三个部件集成为一个整体，通过两根半轴直接与驱动轮相连接，少了一些中间机械传动部件，这种结构形式最近几年在小型电动汽车上应用最普遍。 第三种类型如图 (d)， (e)所示，双电动机结构。这种 结构可以实现电子差速，因为， 两个驱动轮由各自的电动机分别驱动，每个电动机的转速可以通过各自的 购买设计文档后加 费领取图 纸 固定速比减速器独立的调节控制。因此，采用该种结构的电动车辆不存在机械差速器。同样这种类型的结构和第二种类型一样也有两种布置形式，第二种形式如图 (e)所示，和第一种形式图 (d)差别并不很多，只是第二种形式电动机直接装在车轮里面，进一步缩短动力从电动机 传到驱动车轮的传递路径。另外，为了提供车轮理想的转速，可以在电动机和驱动车轮之间装行星齿轮变速器 (固定速比 )。它不但能提供大的减速比，而且还能将动力输入轴 和输出轴布置在一条 轴线上12。 第四种类型如图 (f)所示，是一种采用轮毂电动机的电力驱动子系统结构。这种结构 的电动汽车使用低速外转子电动机，电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上，彻底去掉了减速器、差速器等机械传动装置。电动机的转速和电动汽车的车速控制完全取决于电动汽车的转速控制器。 动汽车的动力蓄电池和动力电机 电动汽车能有效地解决现代社会所面临严峻的能源问题和环境问题，实现人和社会和谐发展、可持续发展。电动汽车是多种技术的融合体，是现代各种学科的集中体现。发展、普及电动汽车必须解决以下几点关键技术：动力蓄电池 组及其能量管理系统、电动机及其控制系统。 力蓄电池组及其管理系统 动力蓄电池组为电动汽车的能量源，是主能源子系统的核心部分，其性能的优劣直接影响到整车性能。因此，电动汽车对车载电源的要求较高，基本要求是：连续放电率高、自放电率低、充放电性能好；能量密度高、功率密度高、充电时间短；循环寿命长、使用安全可靠；温度特性好；一致性好；成本低、免维护，无污染，可回收性好等。 a、 目前电动汽车上常用的几种动力蓄电池及其特点： (1)铅酸蓄电池 (经过一个多世纪发展的铅酸蓄电池技术成熟、具 有功率密度高、价格便宜、可靠性好，大电流放电性好，原材料丰富及铅的回收率高等优点，在电动汽车发展早期得到了广泛应用。但是其能量密度小、过充电和过放电性能差、易自放电、寿命短加上铅对人体有毒等缺点，正逐渐被性能高的蓄电池所取代。 (2)镍镉蓄电池 (镍镉蓄电池是一种碱性蓄电池，其技术成熟、功率密度高、工作电压稳定、过充电和过放电性能好、充电容易、使用寿命长，维护方便等优点。但是其比能 购买设计文档后加 费领取图 纸 量低、价格高、耐温性差、有记忆性，加上重金属镉有剧毒，报废后对环境造成污染等缺点，限制了镍镉蓄电池的推广应用。 (3)镍氢蓄电池 (镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样是一种碱性蓄电池，但不一样的是镍氢蓄电池不存在重金属的污染，被称为“绿色蓄电池 。镍氢蓄电池具有较高的能量密度和功率密度、 过放电和过充电性能好、低温性能好、使用寿命长，并可以实现快速充电等优点 【 13】 。除 去其成本较高，不如镍镉电池成熟，其它性能均优于镍镉电池。因其良好的性能对用户具有很强的吸引力，镍氢电池正逐步取代镍镉电池91。镍氢电池的续驶里程和使用寿命 是铅酸电池的两倍，其能量密度和峰值功率密度在实际使用中较高，在目前已经上市的混合动力电动车辆中，大 多数都采用镍氢电池，大有后来者居上的趋势 【 14】 。 (4)锂离子蓄电池 (锂离子蓄电池和锂聚合物电池受到美、日、欧等电动汽车研究者的高度重视，其具有能量密度高、充电效率高、工作电压高、估计剩余电量容易等优点。在能量密度、放电率、充放电寿命及密封性等方面均满足了 国先进电池联合体 )的中期目标， 具备优良的电动汽车车用电池的性能。但是，锂离子蓄电池存在快速充、放电性能差、低温性能差，过充、放电保护差；初始投入费用高，价格高等缺点。 (5)锌 锌一空气蓄电 池，发明于 1995 年已有上百年的历史。美国及西欧的德国、瑞典、 荷兰等国家均在电动汽车上积极推广该电池的应用。锌一空气蓄电池以碱性氢氧化钾为电解质，其具有比能量高、具有大电流持续放电的能力、自放电效率低、使用性能稳定、安全性好、快速的机械方法充电、不会造成污染环境，原材料能回收重新利用等优点而被看好。缺点是不能利用再生制动回馈能量 【 9】 。另外，其释放能量的速度缓慢、功率密 度低，这些缺点限制了其快速发展。 表 出了 中期目标 【 15】 和常见几种蓄电池的主要性能指标 【 16】 。 购买设计文档后加 费领取图 纸 表 各种蓄电 池的主要性能指标 b、能源管理系统 为了避免电池在使用过程中过度充、放电和蓄电池组件之间的电压不平衡等因素对蓄电池的损害，优化使用电池能量，延长电池的使用循环寿命，必须对蓄电池的电压、电流和温度指示等指标进行实时监控。蓄电池的能量管理系统实际上是以微处理器为核心的电子控制单元，其主要功能： (1)利用各种传感器对使用过程中的蓄电池参数进行检 测。检测的物理量包括：蓄电池的电压、电流、温度，充放电状态和放电深度等； (2)根据传感器获得的数据估计电池的剩余能量，即估计荷电状态 ； (3)进行充放电 的控制，根据检 测的蓄电池参数，系统自动控制蓄电池的充放电状态，保证蓄电池的正常使用及其性能的稳定安全； (4)通过对电池测温点的数据进行实时采集，控制电池的温 度，对电池进行热管理，防止电池温度过高； (5)根据电池各种数据的采集，能预测电池 的各种性能，出现故障能提前报警； (6)通用整车的通信协议，信息进行共享，将电池的 主要信息进行实时显示等。 力电机及其控制原理 动力电机的主要任务是将储存在蓄电池中的电能高效率的转化成能驱动车轮行驶的机械能，并能在车轮制动时将制动能回收给蓄电池进行充电。动力电机是电动汽车电力驱动 子系统的核心部件，是电动汽车的动力源。电动汽车在行驶过程中起动、加速和减速等操作频繁，因此对动力电机有着很高的要求。电动汽车要求动力电机具有高转速、高电压、体积小、质量轻；基速时具有较大的起动转矩、较宽的恒功率范围、较宽的调速性能；瞬时功率大、加速性好、过载能力 购买设计文档后加 费领取图 纸 强；工作效率高、能耗低、能实现制动能量的回收；另外，动力电机还要求具有无驱动噪声、良好的环境适应性、耐温和耐潮性能强、可靠性好、寿命长；结构简单，使用、维修方便，价格低，适合大批生产等特点。 电动汽车常用的电动机的基本类型如图 示。 图 动汽车常用电机类型 (1)直流电动机 直流电机是使用最早的一种电动机，传统上占据主导地位，其技术成熟、速度控制简单、成本低；启动转矩和制动转矩大，易于快速启动和停车；调速范围广、方便，易于平滑调速。但是其笨重，重量和体积较大，可靠性差，需要定期进行维护；由于结构中存在电刷、换向器等磨损使得效率低，高速运行时还会产生火花，容易影响车上电子器件，制约了电机的最高转速。 (2)交流感应电机 交流感应电机是目前电动汽车上应用较多的电机。其优点是：结构简单、坚固，成本低；免维护、工作性能稳定、可靠性好，使用寿命长 ：较直流电机效率高、体积小、质量轻；转矩脉动小、噪声小、转速极限高、响应快：设计和制造工艺成熟。交流感应电机的最大缺点是控制器结构复杂，且容易损坏。但是，随着电子技术的发展和调速方法的改进，交流感应电动机的调速性有较大的改善，逐渐赶超了直流电机。该电机在现代电动汽车上己被广泛应用。 (3)开关磁阻电机 开关磁阻电机结构简单，使用安全可靠；低速转矩大、起动转矩高、起动电流小：转子无绕阻、工作效率高、调频范围宽。但是，因为开关磁阻电机有严重的转矩脉动，使电机的振动高和噪声大、非线性严重 17，控制器复杂、价格 高。该种电动机在现代电 动汽车上应用极少。 购买设计文档后加 费领取图 纸 (4)永磁电机 永磁电机因磁场由永磁材料产生，一般采用电流控制，其体积小、调频范围宽、功率密度和效率高、惯性低、响应快等，比较实用于现代电动汽车，呈现比较广阔的应用前景。但是其价格昂贵，同时大功率的永磁电机做到体积小、质量轻很困难。随着电子技术的不断发展、进步，使得成本不断下降，永磁电机是最具有前途的电动汽车动力电机。 表 出了几种常用驱动电机基本特性的对比。 表 种电机的基本性能 项目 直流电动机 感应电动机 永磁电动机 开关磁阻 电动机 功率密度 低 中 高 较高 过载能力 ( ) 200 300 500 300 300 500 峰值效率 ( ) 85 89 94 95 95 97 90 负荷效率 ( ) 80 87 90 92 9785 78 86 功率因数 ( ) 82 85 90 93 60 65 恒功率区 l： 5 l： l： 3 转速范围 (r 4000 6000 12000 20000 4000 10000 15000 可靠性 一般 好 优良 好 结构的坚固性 差 好 一般 优良 电动机外形尺寸 大 中 小 小 电动机质量 重 中 轻 轻 控制操作性能 最好 好 好 好 控制器成本 低 高 高 一般 费用轴功率($ 10 8 12 10 15 6 10 章小结 本章重点介绍了电动汽车的基本结构及其布置方式。介绍并分析了不同电力驱动子系统的具体结构形式。详细分析了目前用于电动汽车上的各种动力蓄电池和动力电动机的性能指标及其相应的管理系统和控制系统。 购买设计文档后加 费领取图 纸 第 3章 电动汽车动力传动系统的总体设计及参数的匹配 电动汽车性能的好坏主要取决于动力传动系统的结构及其参数的选择与匹配。通过第二章对一些 常见电力驱动子系统结构的介绍，我们对动力传动系统的结构和各部件的作用有了一个整体的认识。本章为了提高电动汽车的性能就整车动力传动系统的结构，提出一个新的设计方案，并对该方案进行分析。 动汽车动力传动系统的方案设计 (1)方案设计 方案设计所依据的原则：保证车辆动力性的前提下，有效降低百公里能耗；能量利用率达到最大化；车辆能达到设计目标的续驶里程；所选各部件及结构设计能实现合理布置，实现轻量化；设计结构具有安全性和可实现性。根据以上原则，本文提出的电动汽车动力传动系统的结构示意图，如图 示。 图 电动汽车动力传动系统结构 (2)方案分析 如图 示，该电动汽车动力传动系统主要由 3 个电机，一个电机控制器，蓄电 池组和变速装置组成。其中主电机驱动前轮运动，两后轮分别装有一个小型的轮毂电机，主要是进行能量的回收和提供后备功率。车辆在一般工况下运行时，由蓄电池向主电机供电，驱动前轮使车辆正常运行；车辆大负荷运行时，为了保 购买设计文档后加 费领取图 纸 护主电机，这时由蓄电池分别向前、后电机供电，通过电动机控制器控制 3 个电机同时工作向车辆提供所需功率； 车辆在制动、下坡等需要减速的工况下工作时，前后电机均参与能量的回 收，进而实现四个车轮同时回收能量。这种结构增加能量回收的同时，提高能量的利用率，有效地增加车辆的续驶里程。 动汽车功率流分析 (1)正常工况 车辆在起步、低负荷、高速行驶、加速行驶及爬坡等一般工况下运行时，主电机能提供车辆行驶过程中所需的全部功率。不会因为过载等因素造成对主电机的损坏时，这时车辆仅仅通过主电机提供的动力驱动车辆。动力传动系统的能量传递线路为蓄电池 主电机 驱动桥 时动力传动系统的功率流路径如图 示。 图 主电动机驱动车辆行驶的功率流路径 购买设计文档后加 费领取图 纸 (3)制动与下坡减速工况 车辆在制动、下 坡等需要减速的工况下工作时，电动机控制器接到减速指令的同时控制主电机和轮毂电机均工作在发电机状态。利用减速制动时的动能进行发电，将产生的电能储存在蓄电池中，这一过程即是制动减速能量的回收过程。此时三个电机的作用是将车辆四个轮上的制动减速动能同时回收，增加了能量回收，同时提高了能量的利用率。能量的回收分为两条路径，分别为：前轮 变速器 主电动机 )蓄电池；后轮 轮毂电机 )蓄电池。此时功率流的 路径如图 示。 图 能量回收的功率流途径 动力传动系统 是电动汽车的核心系统，其合理的设计显得尤为重要。现有的驱动方式中，前轮驱动的效率比后轮驱动的效率高，双电机轮边驱动效率比单电机驱动的驱动效率高 19。本文将前轮驱动和双电机轮边驱动有机结合，提高驱动效率的同时提高能量 回收率。 动汽车动力传动系统参数设计 电动汽车动力传动系统的设计除了要满足结构布置方面的要求，更最要的是该系统主要参数的设计要满足电动汽车主要性能指标的要求。该系统主要参数包括：电动机的参数、蓄电池的参数、变速器的变速比以及驱动桥中的最终减速器速比。现阶段评价电动车的性能好坏的指标 ，主要有车辆的动力性和续驶里程。汽车的动力性是指车辆的最高速度、爬坡能力和加速性能。电动汽车的续驶里程指车载动力能量源两次能量补给之间，车辆所能达到的最大行驶里程称为电动气 购买设计文档后加 费领取图 纸 车的续驶里程 【 12】 。 辆参数 表 纯电动汽车整车参数表 基本参数 参数值 基本参数 参数值 整车质量 m/550 主减速器传动比 动阻力系数 f 距 L/500 机械效率 轮滚动半径 r/m 风阻力系数 风面积 A/转质量换算系数 表 纯电动汽车性能参数表 基本性能参数 参数值 基本性能参数 参数值 最高车速 km/h 80 续驶里程 /0 最大爬坡度 i 00km/h 加速时间 /s 10 传动机构布置方案 图中， 1：一挡主动齿轮； 3：一挡从动齿轮； 2：二挡主动齿轮； 4：二挡从动齿轮； 5：主减速器主动齿轮； 6：主减速器从动齿轮。 I：变速器输入轴； 速器输出轴； 减速器输出轴， T：同步器。 购买设计文档后加 费领取图 纸 驱动电机匹配 （ 1）驱动电机额定功率 驱动电机的额定功率要满足电动汽车的最高行驶车速，故： 2m a x m a 0 0 2 1 . 1 5De a m g f u u （ 代入数据得 （ 2）驱动电机峰值功率 驱动电机峰值功率依据汽车低速最大爬坡度、百公里加速时间来匹配，当汽车以稳定车速爬坡时，驱动电机输出的最大功率为： 21 m a x1 c o s s i 0 0 2 1 . 1 5Dm a x i i m g f u m g f u u （ 其中， 0km/h，得 当汽车以静止开始加速度 100km/h 时，驱动电机输出的最大功率为 5： 22
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