纯电动汽车传动系统结构设计[含CAD图纸+文档资料]

北华航天工业学院毕业论文1目 录第 1 章 绪论 11.1 电动汽车概述 11.1.1 什么是电动汽车 11.1.2 电动汽车的特点 11.2 研究电动车的目的和意义 .21.2.1 研究电动汽车的时代背景 21.2.2 国外电动汽车的发展现状和趋势 41.2.3 国内电动汽车发展的现状和趋势 41.2.3 我国发展电动汽车具有特殊的意义 61.3 本论文的主要内容 6第 2 章 电动汽车及其相关技术 .72.1 电动汽车的基本结构 72.2 电动汽车电力驱动子系统的结构形式 82.3 电动汽车的动力蓄电池和动力电机 .102.3.1 动力蓄电池组及其管理系统 .102.3.2 动力电机及其控制原理 .122.4 本章小结 .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 .153.1 电动汽车动力传动系统的方案设计 .153.2 电动汽车功率流分析 .163.3 电动汽车动力传动系统参数设计 .173.3.1 车辆参数 .173.3.2 传动机构布置方案 183.3.3 驱动电机匹配 183.3.4 变速器传动比参数选择 203.3.5 变速器齿轮设计计算 .213.3.6 主减速器齿轮设计计算 .23北华航天工业学院毕业论文23.3.7 各齿轮参数 .243.3.8 变速器传动轴设计计算 .243.3.9 轴承的校核计算 .283.4 蓄电池的选择 .303.5 本章小结 .33参考文献 .34致 谢 .36北华航天工业学院毕业论文3北华航天工业学院毕业论文4北华航天工业学院毕业论文5北华航天工业学院毕业论文1了解详细图纸 可加扣 1304139763第 1 章 绪论1.1 电动汽车概述1.1.1 什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。1.1.2 电动汽车的特点（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，低噪声北华航天工业学院毕业论文2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，因此电动汽车能量利用率可以到 80%。即使在考虑油井-车轮的情况下，最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%。1.2 研究电动车的目的和意义1.2.1 研究电动汽车的时代背景而今人们常常将 EV 称为“新能源汽车” ，其实 EV 的出现时间比内燃机汽车更早。1834 年 Thomas Davenport 发明了第一辆电动三轮车，比 1885 年德国的 Karl Friedrich Benz 制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 EV 十分繁荣的时期，1890 年全天下汽车保有量约为4.2k 辆汽车，此中 38%为 EV，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 3.4 万辆 EV。1907 年底特律电气公司出产的 EV 最高车速达 40km/h。可是，由于 EV 采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 Ford 于 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 US 推到汽车遍地都是的时期。到 19 世纪 20 年代 EV基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 EV的“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 EV 第二次受到青北华航天工业学院毕业论文3睐。80 年代 GM、Ford 和 Toyota、Honda 均开发了 EV。在 20 世纪前，全天下卖了 EV 大约 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 GM 的 EV1 电动车代表性十分强，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 VRLA 铅酸电池，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 120km-160km。但是 EV1 到最后只制造了 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，EV 又等到了第二春，EV 再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。Toyota 却在 HEV 上取得了重要成果，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 EV，由于质能比高于铅酸电池 3-4 倍的新型锂离子电池的问世，人们好像又找到了不靠石油、干净无污染的纯 EV 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 EV研发与试验的热潮，可以说这是 EV 的“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 EV 作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EV，争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，北华航天工业学院毕业论文4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 WTO，汽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 EV 零排放、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 EV被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 EV 可以解决传统汽车造成的环境和资源问题。从能源方面思量，EV 使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 EV 在都市交通中可实现零排放或极低排放。纵然思量到给这些 EV 供应能量的发电厂的排放，使用 EV 仍能明显减轻全球的环境污染。因此能预测到，研究开发纯 EV 将对能源、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。1.2.2 国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 Thomas Davenport 发北华航天工业学院毕业论文5明了第一辆电动三轮车，比 1885 年德国的 Karl Friedrich Benz 制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 USABC，一起研发电动汽车电池。1971 年，Toyota 也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 PriusHEV，并于 1997 年投入市场。1.2.3 国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968kg 的 SWD-S2 电动汽车。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。北华航天工业学院毕业论文6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 45Kw 的电动机和 264V 镍蓄电池的 U2001 微型电动汽车；1996 年，中国远望集团研制了最高时速可达 90kmh 的 YW6120DD 大客车。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。2008-2010 年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 ET-POWER 铁电池，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。1.2.3 我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。北华航天工业学院毕业论文7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 115 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。1.3 本论文的主要内容(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。北华航天工业学院毕业论文8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】 。2.1 电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 2.1 所示。北华航天工业学院毕业论文9图 2.1 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。2.2 电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 2.2 所示 【11】 。北华航天工业学院毕业论文10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。图 2.2 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、差北华航天工业学院毕业论文11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。2.3 电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。2.3.1 动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。北华航天工业学院毕业论文12a、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(Lead-Acid)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(Ni-Cd)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(Ni-MH)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(Li-Ion)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 USABC(美国先进电池联合体)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-空气蓄电池(Zinc air) 北华航天工业学院毕业论文13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 2.1 给出了 USABC 的中期目标 【15】 和常见几种蓄电池的主要性能指标【16】 。表 2.1 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 SOC 值；(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北华航天工业学院毕业论文14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。2.3.2 动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 2.3 所示。图 2.3 电动汽车常用电机类型(1)直流电动机北华航天工业学院毕业论文15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。(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 2.2 给出了几种常用驱动电机基本特性的对比。表 2.2 各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 电动机北华航天工业学院毕业论文16功率密度 低 中 高 较高过载能力() 200 300500 300 300500峰值效率() 8589 9495 9597 90负荷效率() 8087 9092 9785 7886功率因数() 8285 9093 6065恒功率区 l：5 l：2.25 l：3转速范围(r min) 40006000 1200020000 400010000 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($kW) 10 812 1015 6102.4 本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。北华航天工业学院毕业论文17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。3.1 电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4.1 所示。图 3.1 电动汽车动力传动系统结构北华航天工业学院毕业论文18(2)方案分析如图 4.1 所示，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。3.2 电动汽车功率流分析(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-电动机控制器-主电机-变速器-驱动桥-前轮，此时动图 3.2 主电动机驱动车辆行驶的功率流路径北华航天工业学院毕业论文19力传动系统的功率流路径如图 4.2 所示。(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-驱动桥-变速器-发电机(主电动机)-电机控制器-蓄电池；后轮-发电机(轮毂电机)-电机控制器-蓄电池。此时功率流的路径如图 4.4 所示。图 3.3 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。北华航天工业学院毕业论文203.3 电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车的续驶里程 【12】 。3.3.1 车辆参数表 3.1 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/Kg 1550 主减速器传动比 i0 4.889滚动阻力系数 f 0.0135 轴距 L/mm 2500机械效率 0.86 车轮滚动半径 r/m 0.372迎风阻力系数 CD 0.35 迎风面积 A/m2 3.17旋转质量换算系数 1.23表 3.2 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 uamax/km/h 80 续驶里程 /km 80最大爬坡度 i 0.2 100km/h 加速时间/s 10北华航天工业学院毕业论文213.3.2 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；II：变速器输出轴；III ：主减速器输出轴，T：同步器。3.3.3 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：（3.1）2maxmax13601.5De CAPgfuu代入数据得 Pe=13.97KW。（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：北华航天工业学院毕业论文22（3.2）21 maxcossin3601.5Dmaxi iiCAPgfugfu 其中， max=arctani=11.31o，u i=20km/h，得 P1=20.67KW；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：（3.3）223601.5.2aaDaCAutPmgftttt 为 10S，得 P2=102.46KW。综上可得，驱动电机的峰值功率 Pmax=102.46 KW。（3）驱动电机的额定转矩与峰值转矩（3.4）950eeTn取 ne=3500r/min，得 Te=38.12Nm。同理，取 nmax=5800 r/min，得 Tmax=168.71 Nm。综上，驱动电机的参数见下表。电机参数 参数值 电机参数 参数值额定功率 Pe/KW 13.97 峰值转矩 Tmax/ Nm 168.71峰值功率 Pmax/KW 102.46 额定转速 ne/r/min 3500额定转矩 Te/ Nm 38.12 峰值转速 nmax/r/min 5800北华航天工业学院毕业论文233.3.4 变速器传动比参数选择（1）一档传动比选择依据整车低速爬坡时车轮获得的驱动力应大于所受到的行驶阻力，可知一档传动比的下限为：（3.5）2max10maxmaxcossin1.5DiTi CAgfgur得：i 1 1.72。同时，一挡下最大驱动力不大于地面对驱动轮的最大附着力，可得一档传动比的上限为：（3.6max10Tigr根据一般路面条件，取 =0.6，得：i 1 12.85。综上：1.72 i 1 12.85。（2）二档传动比选择电机最高转速下，对应的最大转矩 Tmax 产生的最大驱动力应大于最高车速下的行驶阻力，故二挡传动比 i2 的下限为：（3.7）2max21.5DCAgfuriT得：1.02 i 2。同时，在 10%的滑移率下，i 2 应满足最高车速的要求：（3.8）max20.937rniu北华航天工业学院毕业论文24得：i 2 6.72。综上：1.02 i 2 6.72。由于一般乘用车的 imax=12186，i max=igi0，且为使换挡平顺， ，所以本文选择 i1=3.67，i 2=2.45。3.3.5 变速器齿轮设计计算3.3.5.1 一挡齿轮设计计算首先选择材料及确定许用应力齿轮 1 和齿轮 3 均选用 20CrMnTi，并经过表面渗碳、淬火和回火。20CrMnTi 的接触疲劳强度 Hlim=1500Mpa，弯曲疲劳强度 FE=850Mpa。因变速器的使用应满足高可靠度的要求，故取安全系数 SH=1.5，S F=2.07。由（3.9）limHFES得： H1= H3=1000Mpa， F1= F3=425Mpa。然后按齿轮弯曲疲劳强度设计齿轮按 7 级精度制造，取载荷系数 K=1.3，齿宽系数 =0.6，齿轮 1 上的d转矩 T1=Tmax 齿轮 轴承 =165352.67Nmm，初选螺旋角 =20o。取 z1=19，则z2= z1i1=69.73，取 z2=70，则实际传动比 =3.69。12zi因齿形系数 ， ，则13.90cosv2384.6cosvzYFa1=2.88，Y Fa3=2.23，Y Sa1=1.57，Y Sa3=1.76。北华航天工业学院毕业论文25因 ，故应对齿轮 1 进行弯曲强度计算。130.60.92FaSFaSYY法向模数：（3.10）2132cosFaSndYKTmz求得 mn=2.65，取 mn=3。中心距： =147.02mm，取 a=150mm。12cosza则： ，1258nzra齿轮 1 分度圆直径 =61.91mm，齿宽 =37.15mm，1cosnmzd1db取 b3=40mm， b1=45mm。验算齿面接触强度（3.12）123.54HEKTuZbd取 ZE=189.8 ，Z = ，Mpacos则： H=868.88MpaH，安全。齿轮的圆周速度，因此选 7 级精度是合适的。2213.4/15/60dnvms