纯电动汽车动力传动系统匹配设计

2012届城市专业毕业设计（论文） 目 录摘 要ABSTRACT第一章绪 论11.1研究背景及意义11.2纯电动汽车基本结构和工作原理41.3纯电动汽车国内外发展现状51.3.1国内纯电动汽车发展研究状况51.3.2国外纯电动汽车发展研究状况81.4本文主要研究内容10第二章纯电动汽车动力传动系统匹配设计122.1纯电动汽车动力系统的布置方案122.2纯电动汽车整车参数及性能指标确定152.3电动机参数匹配162.3.1电动机类型选择162.3.2电动机参数确定182.4动力电池参数匹配202.4.1动力电池类型选择212.4.2电池组参数的确定222.5传动系统参数匹配242.5.1传动系统变速方案选择242.5.2传动系传动速比设计252.6匹配结果27第三章基于ADVISOR的纯电动汽车仿真建模283.1ADVISOR仿真模块介绍283.1.1ADVISOR使用说明293.2纯电动汽车整车模型建立323.2.1车身模型建立333.2.2车轮模型建立333.2.3传动系统模型建立343.2.4驱动电机模型建立353.2.5动力电池模型建立363.3参数输入及整车性能仿真36第四章全文总结58致 谢60参考文献6163摘 要随着全球能源危机和环保问题日益凸显，世界各国都在积极推进节能环保发展战略。而交通运输占据了世界能源消耗的很大一部分，于是人们对于能耗少、污染小的新型交通工具的需求愈来愈强烈。纯电动汽车作为未来最具潜力的交通工具正快速发展。但是，在电动汽车电池技术尚未得到突破性进展的情况下，怎样合理匹配纯电动汽车动力传动系统，对整车的动力性、经济性和续驶里程显得尤为关键。首先，本文对电动汽车的基本结构、工作原理作了简单介绍，对电动汽车的国内外发展趋势做了扼要分析；其次，对电动汽车动力传动系统布置方案进行了设计，且对电动机、动力电池以及传动系统（包括变速器和主减速器）等主要部件进行了理论匹配选型，并得到匹配结果；然后，基于ADVISOR仿真软件建立了纯电动汽车整车模型，并将整车参数和匹配结果输入到ADVISOR中的CYC-NEDC、CYC-UDDS、CYC-ECE-EUDC、CYC-1015四种常用循环工况下得到仿真结果；最后，将仿真结果同理论匹配结果进行对比分析，得出仿真结果符合理论匹配设计结果，满足整车动力性、经济性的结论，从而验证了本设计的正确性、合理性。关键字：纯电动汽车，动力传动系统，匹配选型，建模仿真ABSTRACTAs the increasingly serious situation currently in the global energy crisis and the environmental issue, all countries worldwide have been actively promoting the development strategy of the energy-conserving and environment-protective. However, the traffic transportation accounts for a large part of the energy consumption of the worlds. Accordingly, the increasingly requirement of the new type vehicle which is characterized by low energy consumption and little pollution that people is longing to achieve. Therefore, the Pure Electric Vehicle is being a stage of the rapid development as the most potential vehicle in the future. But, under the problem in which the Electric Vehicle battery technology has not yet made a breakthrough, and how to reasonably match the Pure Electric Vehicle powertrain system, in which the consideration is the key point for the the dynamic property, economical efficiency and the range of the vehicle.Above all, this paper would briefly introduce the basic structure and the working principle of the Electric Vehicle, as well as briefly analysis the domestic and out development trend of the Electric Vehicle, Secondly, making a design for the layout plan of the Electric Vehicle powertrain system, and making a theoretical matching selection and achieving the matching results for the critical pieces of the motor, battery and transmission system and so on (including the transmission and the main reducer), then it establishes the Pure Electric Vehicle model which based on the simulation software of the ADVISOR ,therefore we could get the simulation result by inputting the vehicle parameters and the matching results into the four common states of cycle operation which includes the CYC-NEDC, CYC-UDDS, CYC-ECE-EUDC, and CYC-1015. Finally, making a comparable analysis of the simulation results with the theoretical matching results, and getting a result that the simulation result meets with the design results of the theoretical matching, and meeting the needs of the property of the vehicle power, economical efficiency, and thereby verifying the correctness and reasonableness of the design. Keywords: Pure Electric Vehicle, powertrain system, matching selection, modeling simulation压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985第一章 绪 论1.1研究背景及意义电动汽车是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，且满足道路安全法规对汽车的各项要求的车辆。其具有能源利用效率高、环境污染小、可用能源多样化、噪音低、结构简单、方便维护和操作简单等优点。而且，纯电动汽的出现很早，经历了可谓“三起三落”，现在又大有崛起之势，必将成为未来地面交通工具的主力军。现在人们通常将电动汽车称为“新能源汽车”，其实电动汽车的历史比内燃机汽车还要早。1834年Thomas Davenport制造了第一辆电动三轮车，比1885年德国的卡尔本茨制造出世界上第一辆以汽油为动力的三轮汽车还早51年。19世纪末20世纪初，曾是电动汽车非常繁荣的时代，1890年全世界汽车保有量约为4200辆汽车，其中38%为电动汽车，40%为蒸汽机汽车，其他为内燃机汽车。1911年巴黎和伦敦有电动出租汽车运营。1912年在美国有3.4万辆电动汽车。1907年底特律电气公司生产的电动汽车最高车速达到40km/h。但是，由于电动汽车使用的蓄电池储能密度低，寿命短，汽车的续驶里程、动力性与价格都无法与快速进步的内燃机汽车竞争。尤其是福特公司于1908年实现了大批量生产汽车的模式，T型车的最大功率20马力，最高车速72km/h，最初的售价只有825美元，到了1921年，售价降到了260美元，将美国带入了汽车普及时代。到1920年电动汽车基本上被内燃机汽车挤出市场，消费者选择了后者。可以说这是电动汽车的“一起一落”。到了20世纪70年代，世界爆发3次石油危机，纯电动车再次受到重视。80年代美国通用、福特和日本丰田、本田均开发了电动汽车。到2000年前，全球共销售电动车约6万辆，约占全球汽车保有量6亿辆的万分之一。其中最有代表性的当属通用公司的EV1电动车了，它的驱动系统为两级减速的三相交流感应电动机，装备26个德科VRLA铅酸电池，外形设计十分考究，具有很低的风阻(见图)，最高时速可达129km/h，加速性优良，096km/h加速时间在9s以内，续航里程在120km-160km之间。但是，也很遗憾，EV1总共只生产了1117辆就结束了它的征程。许多人为此感到叹息，甚至愤愤不平，著名导演克里斯佩恩曾经拍摄了一部新闻纪录片谁杀死了电动车，指出杀手是石油公司、联邦政府和通用公司自己。指责通用公司更愿意生产悍马这种大排量且利润高的汽车，没有耐心培育EV1这种利于社会但是要赔钱的产品。平心静气分析，客观上的原因是当时电池技术远没有能力取代内燃机技术，最早的铅酸电池，以及后来的镍氢电池都不能满足车辆续驶里程和寿命要求，同时还因为电池带来的最致命的问题：EV1高昂的造价。还是消费者的选择起了关键的作用。轰动一时的电动汽车再次落幕，可以说这是电动汽车的“二起二落”。历史走到21世纪，在油价不断攀升与地球环境问题日益严峻的压力下，电动汽车再次迎来了新一次高潮，人类执拗地要将电动汽车推上舞台。在布什总统年代，美国人将注意力放在氢燃料电池汽车上，但由于燃料电池价格昂贵等原因，短时间内不具备产业化条件而使计划搁浅。日本丰田公司却在混合动力技术上取得了突破，有电池与电机参与工作的普锐斯汽车取得了成功，燃油消耗大幅度降低并已在全球销售出300多万辆。紧接着人们又将注意力转移到纯电动汽车上来，由于能量密度高于铅酸电池3-4倍的新型锂离子电池的出现，人们似乎又看到了不依赖石油、安静清洁的纯电动汽车推广应用的希望。国际上许多汽车企业与电池企业联手开展了新一轮电动汽车研发与试验的热潮，可以说这是电动汽车的“三起”吧。能源危机和环境危机已经是当今世界各国发展面临的两个巨大问题。随着化石能源的减少和环境的恶化，人们对于能耗少、污染小、效率高的新型交通工具的需求越来越强烈。纯电动汽车作为未来最具潜力的交通运输工具正快速发展，而且在世界各国都大力提倡并得到有效的政策支持。我国汽车工业起步较晚，与世界汽车工业的发展相比，相对较落后，尤其是在发动机、变速器等关键零部件技术方面更是受制于人。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，尤其是纯电动汽车，争取掌握新一轮世界汽车市场竞争的主动权。汽车虽然改变了我们的世界，但是又有谁能知道，未来的汽车将会把我们带到何方。我们暂且抛开我们国家与世界汽车技术的差距不管，现代汽车产业的发展却面临了另外的严峻问题:环境污染和石油缺乏。这直接对当今世界高速发展的汽车产业的可持续性成长造成严重影响，同时对石油的占有竞争也会使得各国摩擦增大，由此导致世界范围内的动乱无可避免。传统汽车对环境污染具体来讲主要是汽车尾气污染(还有噪声污染)。汽车尾气污染是由内燃机汽车排放的废气造成的环境污染。汽车废气中的主要污染物为碳氢化合物、一氧化碳、二氧化硫、含铅化合物、氮氧化合物、苯丙花及固体颗粒物等，部分排放物能引起光化学烟雾，破坏臭氧层导致全球温度上升等直接影响人类健康下降。另一方面，工业化的进展和现代化的凸显造就了现代城市的高楼大厦，使得汽车内燃机排放的废气不容易扩散而导致地面局部的废气浓度过高，汽车尾气的颗粒物中含有强致癌物苯并花，当空气中的苯并花浓度达到0.012微克/立方米时，附近居民中得肺癌的人数就会明显增加，由于汽车废气的排放主要集中在离地面0.3米至2米之间，正好是人体的呼吸范围，对人体的健康损害非常严重:刺激呼吸道，使呼吸系统的免疫力下降，导致暴露人群慢性气管炎、支气管炎及呼吸困难的发病率升高、肺功能下降等一系列症状，对人体造成极大的危害，另外值得注意的是汽车尾气中的铅一般分布于地面上1米左右的地带，恰好是青少年的呼吸范围(环境监测部门对比取样分析的结果也表明，青少年的血铅含量明显高于成年人)因此铅污染对青少年的危害更重。1955年和1970年洛杉矶两度发生光化学烟雾事件就是汽车废气污染的表现，前者有400多人因五官中毒、呼吸衰竭而死亡，后者使全市四分之三的人患病，该事件在历史上被称为“世界八大公害”和“20世纪十大环境公害”之一。另外，燃油汽车的内燃机是巨大的噪声来源。据统计，城市中80%的噪声污染是由于燃油汽车所致，我国大约有2/3的人口生活在比较高的噪声环境中，其中有29%的人们的生活是在难以忍受的噪声中度过的。可以看出国民的健康状况受到严重威胁。加入世贸组织之后，我国的汽车产业可谓是高速发展，但带来的巨大的汽车保有量所造成的噪声和环境污染也将进一步危害我国人民的健康。燃油汽车面临的另外一个难题就是石油资源匮乏。石油作为能源及其制品都能在汽车上应用，所以石油资源匾乏将会直接阻碍汽车行业的发展。统计显示，全球汽车产量从1950年到2010年60年间汽车保有量增加近12倍达到8亿辆，这些汽车所要消耗的石油可想而知。众所周知世界石油蕴藏量在近50年内就可能用尽，而我国作为近几年汽车产业发展最快的国家对石油的需求却是不断增加，所以考虑到社会稳定和持续发展我国不得不从外界购买石油。预计到2012年我国的汽车石油年消耗量将突破8千亿吨，所以解决石油能源问题在我国更是刻不容缓的了。正是因为传统汽车带来了环境和能源问题，基于这样的背景下，各国都在未雨绸缪研究制造新能源汽车，而纯电动汽车零排放、使用方便、结构相对简单等优点得到大家的青睐，被称作真正意义的“绿色汽车”，所以自上个世纪90年代后，世界范围内的电动汽车热兴起，被视为解决传统内燃机汽车问题和石油危机的主要途径。因而，发展纯电动汽车具有很广泛的现实意义。可缓解我国石油能源短缺、城市大气环境恶化、增强汽车企业竞争力等几个方面。第一，缓解石油能源短缺。预计2012年后我国石油消费将超过1.2亿吨，世界石油局势也日趋紧张。以美国为首的发达国家都积极占领石油战略资源。由于纯电动汽车不采用石油作为燃料，所以在很大程度上缓解目前石油资源短缺的现象。可以预见，纯电动轿车的发展首先将替代城市私家用车、出租车和公务车，汽车在城市大气污染中的比率很高，发展零排放的纯电动汽车将对改善城市的大气环境，减少CO排放将起到非常重要的作用，其节油效果更加明显。而生活环境的改善对于国民健康的提高和医疗以及环境长远的有利影响更是不可估计。一些国家和国际组织经常在能源消耗和环境保护方面对我国政府施压，发展纯电动汽车可以缓解国际政治压力。第二，缓解城市大气环境恶化。目前世界上空气污染最严重的10个城市中有7个在中国，国家环保中心预测：2010年汽车尾气排放量将占空气污染源的64%。为使自己有更好的生存环境，世界上越来越多的国家开始关注环保问题，很多国家特别是发达国家都制定出越来越苛刻的汽车尾气排放标准。纯电动汽车由于几乎是零排放的优点，受到世界各国的重视。第三，增强汽车企业竞争力。国家政策的补贴支持给国内汽车制造厂商带来很好的发展机遇。在纯电动汽车的研发上，在知识产权上面受到国际制约比较少，有可能发展出具有自主知识产权的技术和产品。有望缩短与发达国家的汽车制造水平。我国必须及时制定一个雄心勃勃的国家电动汽车发展战略，抓住机遇、应对挑战、发挥优势、扬长避短，实现我国汽车工业由大变强的战略目标。综上所述，在环境污染和资源短缺问题日益突出的今天，纯电动汽车技术的发展正是为了解决这一问题。从能源观点考虑，电动汽车利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，例如使用多种可再生能源。从环境方面考虑，纯电动汽车在城市交通中可实现零排放或极低排放。即使考虑到给这些电动汽车提供能量的发电厂的排放，使用电动汽车仍能显著降低全球的空气污染。因此可以预见到，纯电动汽车的发展将对能源、环境、交通以及尖端技术的发展，新型工业的建立和经济的发展产生重大而深远的影响1,2,3。1.2纯电动汽车基本结构和工作原理相对传统汽车而言，纯电动汽车是将电动机替代发动机输出动力以驱动车辆前进。同时，以蓄电池替代油箱储存能量。当然，并非简单替代，只是在功能上替代而已，他们具有各自特性。纯电动汽车的主要结构由电力驱动控制系统、汽车底盘、车身以及各种辅助装置等部分组成。除电力驱动控制系统，其他部分的功能和结构基本与传统汽车相似，所以电力驱动控制系统决定了整个纯电动汽车的结构组成及性能特征，相当于传统汽车的发动机与其他功能以机电一体化方式结合。如图1.1中所示为典型纯电动汽车的基本结构原理图。其主要由3个子系统构成，即电机驱动子系统，能源子系统和辅助子系统。电机驱动子系统由车辆控制器、电力电子控制器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成；能源子系统由能源、能量管理单元及能量源供给单元组成；辅助子系统包括功率控制单元、车内温度控制单元和辅助电源等。在电动汽车工作的过程中，首先驾驶员踩下加速踏板或是制动踏板，从而产生一个车辆控制信号，车辆控制器接收该信号后向电力电子变换器输出正向的控制信号，当电力电子控制器接收到该信号后，发出相应的控制指令去控制电动机，调节电动机和能量源之间的功率流，从而获得驾驶员想要实现的加速、减速或是停车等目的。当纯电动汽车再生制动时，产生的能量通过电力电子变换器逆变将能量储存到能量源中，同时，能量管理单元与车辆控制器一起控制可再生制动能量，从而实现系统能量流的最优化。辅助能源主要给纯电动汽车辅助设备，尤其是车内温度控制单元、功率控制单元、动力转向单元等提供不同电压等级的所需功率4。图1.1 典型纯电动汽车的基本结构原理图1.3纯电动汽车国内外发展现状1.3.1国内纯电动汽车发展研究状况早在上世纪60年代，我国就开始了纯电动汽车相关的研究工作，并于上世纪90年代掀起了一股研究高潮，国内一些高校、科研单位和企业陆续开始研究纯电动汽车，并取得了一些成果。同时，我国政府已经确定把纯电动汽车为汽车产业转型的主要方向，而普通混合动力汽车将作为节能车看待，不享受国家对新能源汽车的支持政策。政策就是导向，这导致汽车企业失去了研发普通混合动力汽车的动力而纷纷转向纯电动汽车。2006年，我国第一批纯电动轿车取得了产品准入公告，吸引了更多的企业和单位加入了纯电动汽车的研发或试运营阵营。在政府方面，2001年我国正式启动了“十五”国家高新技术研究发展计划(863计划)，电动汽车被列入其中并投资数亿，确立了以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车为“三纵”，以多能源动力总成、驱动电机和动力蓄电池共性关键技术为“三横”的“三纵三横”研发布局，具体分工如下：承担电动大客车项目的有北方车辆厂和北京理工大学，承担纯电动轿车研发的是上海汽车、奇瑞公司、上海交通大学、天津汽车集团和中国汽车技术研究中心。同时，2009年国家推出汽车产业调整与振兴规划，规划中确定八大目标和十一项政策，为今后一段时期我国的汽车工业发展提出了要求、指明方向、划清道路，突出了发展电动汽车的重要性。同年，财政部提出了一揽子补贴方案，对采购混合动力汽车的单位和个人实施每辆车最高补贴60万元的政策，其中购买纯电动轿车最高可获得6万元的现金补贴，这使得在国内形成了良好的电动汽车发展氛围。而且，目前纯电动汽车的推广主要是以公共用车为基础。在高校和科研机构方面，北京理工大学作为整车总体单位承担了86 电动汽车重大专项“纯电动客车项目”，作为技术依托单位承担了北京市科技奥运电动汽车特别专项“电动汽车运行示范、研究开发及产业化”等项目。已完成纯电动准低地板公交车、纯电动中巴客车、纯电动旅游客车、纯电动超低地板公交车等四种车型的整车开发、型式认证和定型设计，并进行了40余辆的小批量试生产，各项动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已达到或接近国际水平，并组建了电动汽车示范车队，在北京市开展“一线一区”两种模式示范运行。目前，北京理工大学等单位已经完成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的建设，初步形成了关键技术的研发能力和产业化配套能力。同济大学先后试制成我国第一台由直流无刷轮毂电机独立驱动的4轮驱动燃料电池微型电动汽车“春晖一号”和“春晖二号”以及“超越”系列混合动力电动汽车。“春晖一号”四轮电驱动燃料电池轿车最高时速50 kmh，配置锂离子蓄电池和燃料充氢电池2种混合动力，续驶里程150km“超越一号”燃料电池混合动力轿车已经通过验收，主要技术参数为：0100kmh的加速时间小于等于30S，14S内可以加速到80kmh，最高时速为105kmh，最大爬坡度20，续驶里程230km“超越三号”主要技术参数为：0100kmh的加速时间小于等于20S，最高时速120 kmh，最大爬坡度20，续驶里程200km5,6清华大学承担了国家高技术研究发展计划项目“燃料电池城市客车整车技术”等有关电动汽车的研究课题，目前已研制出了12辆16座中巴环保燃料电池轻型客车样车，并已投入运行。该车采用质子交换膜燃料电池(氢氧型)，额定功率18kw，驱动电机额定功率35kw，最大功率90kW，配置无级调速传动系统，最高车速80kmh，最大爬坡度15%，040kmh的加速时间不大于15S，一次加氢续驶里程大于165km。1993年香港大学研制出4座电动轿车U2001，配置了45kW永磁直流无刷电机和26 V镍氢蓄电池。其中，永磁无刷直流电机采用了特殊设计，可以在很广的转速范围内高效率工作。该车采用了一系列20世纪90年代水平的高新技术，采用声频导航系统提高了安全性，便于用户驾驶，采用智能能量管理系统使能量的转化和传递达到最优。U2001轿车的最高速度为110kmh，048kmh的加速时间为6.3S，以88kmh的速度行驶时，一次充电的续驶里程为l76km7。西安交通大学在电动汽车关键技术领域研究开发了15项国家发明专利，正式授权5项，有2项国际发明已被正式受理在电动汽车驱动控制和能量回收技术的研究中，率先将H鲁棒控制应用到电动汽车能量回收技术上。与传统的控制方法相比，H鲁棒控制可以方便地同时考虑输入电压变动、负载扰动和其他非线性的补偿，显著地提高了车辆的一次性充电的续驶里程8-11。试验表明，采用西安交大制动能量回收专利技术的铅酸电池纯电动汽车XJTU-1可以使续驶里程由160km延长到200km以上12,13。西安交大对电动汽车超级电容-蓄电池复合电源系统的研究表明，在市内道路行驶时，可以提高电动汽车续驶里程30%50%14。2005年10月19日，西安交大电动汽车XJTUEV-2与日本大阪产业大学太阳能车及My-way公司的电动汽车一起进行了“新丝绸之路挑战”拉力活动，经8天7夜的征程，于l0月26日完成了从西安到敦煌的长途行驶，接受了恶劣路况的考验。同时，该车由西安交大独创，是世界上第一辆实现了利用车辆振动能量进行压电发电功能的电动汽车。在企业方面，国内各大汽车公司纷纷投入了大量的人力、物力与资金进行电动汽车的研发，并取得了丰硕的成果。国内从事纯电动汽车研发、少量产业化生产与试运营的有东风、天津清源、北京理工科凌、比亚迪、万向等企业。天津清源电动车辆有限公司、深圳雷天公司等单位研发的纯电动汽车，其整车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已达到甚至超过国外同级别车型，初步形成了关键技术的研发能力。东风公司是国内最早从事电动汽车研发的汽车企业之一，开发了游览车、多功能车、工业专用车和高尔夫球车等4大系列、近20个品种的纯电动车，包括东风纯电动轿车（EQ7160EV）、纯电动富康轿车（EQ7140EV）、纯电动客车（EQ6690EV）等。2003年东风纯电动车实现商品化销售以来，已累计销售1000余台，进入行业前三甲。截止到2005年11月，参与示范运营的东风纯电动小巴有93台。到2010年，东风电动车公司计划实现纯电动场地车销售5000辆的年产销量。天津市电动车辆研究中心与天津一汽产品开发中心联合众多汽车技术研究中心与大学资源，组建天津清源电动车辆有限责任公司，承担863 计划重点项目“XL-2纯电动轿车”研发工作，各项技术指标达到了国际先进水平，全车总重1600kg，最高时速达到140km/h，续驶里程超过260km，050km/h的加速时间6.8s，被认为是国内水平最高又最接近产业化的电动车型。2005年，清源公司开发的6辆“幸福使者”纯电动汽车出口美国，这是国内电动汽车整车第一次出口。根据美方要求，该车作为美国家庭用车，最高时速限定为40km，最大续驶里程100km，整车定价近1万美元。之后，清源公司继续向美国出口纯电动轿车，2005年出口总数达到112辆，2006年销往欧美500辆，2007年国际市场订单已超过1000辆。2006年底，清源公司在天津滨海新区建设电动汽车研发制造基地，形成一条年产2万辆纯电动汽车的生产线。比亚迪股份有限公司凭借其在电池领域的优势，率先将电动轿车实现商业化。2008年12月15日，推出世界第一款双模电动车F3DM。纯电动模式可持续行驶100多公里。电池循环充电2000次后容量还有80%以上，实际可使用4000次。目前比亚迪已经在北京、上海、深圳、西安等四大基地完成了内部实验性电动汽车充电站的建设。2010年，在广州国际车展上，比亚迪公司推出了全球首款批量投放纯电动出租车E6；同时2012年北京国际车展比亚迪有望推出性价比更高的纯电动汽车“秦”。万向集团公司从1999年开始涉足电动汽车领域，目前已经研制出了纯电动轿车和纯电动公交车，运行总里程已经超过了15万公里。其纯电动轿车最高时速为126km/h，经济时速下最大续驶里程为380km，百公里平均耗电量为11kWh；纯电动公交车最高时速为90km/h，经济时速下的最大续驶里程为280km，百公里平均耗电量为70kWh，充电方式采用设置换电站快速更换电池组方式。2006年4月，万向集团公司研制的锂离子电池电动汽车在杭州开始示范运行。同时，在2010年10月的广州国际车展上，长安、江淮、奇瑞等自主品牌也纷纷推出了自主研发的纯电动汽车。如今，在能源危机和环境危机日益加剧的形式下，国内的电动汽车犹如雨后春笋一般涌现。1.3.2国外纯电动汽车发展研究状况在电动汽车的发展进程中，各国和各地区都依据自己的国情和特点选择了不同的技术路线，而处在技术领先位置的仍然是日本、美国和欧洲，他们在电动汽车的车速、续驶里程、加速性能、动力蓄电池、基础设施等方面都有较大的优势。日本的资源贫乏，能源供给大部分得依靠海外，且主要是石油资源，各领域都在寻求更好的对策以便应对能源问题，在日本的能源消费中，运输部门大约占25%(1997年)，其中50%以上的石油是用于汽车产业上的，也就是说，电动汽车的发展和促进，对日本能源状况的改善可以说是至关重要的。我国目前的能源消耗情况和日本类似，但随着汽车保有量的快速增长，形势会比日本更加严峻。1967年，日本为了促进本国电动汽车产业的发展成立了日本电动汽车协会在之后的20年间，日本制定了电动汽车的开发计划和第三届电动汽车普及计划，并制定了汽车生产和保有量目标。本田公司作为日本主要的汽车制造商之一，在电动汽车方面的研究主要集中在混合动力和燃料电池汽车两个方向。在1999年推出Insight、2004年推出Accord Hybrid、2006年推出Civice Hybrid都显示了本田公司在混合动力电动汽车上做的努力。燃料电动汽车方面也于2006年试行FCX，该车由交流同步电动机驱动，最高车速为160km/h，可以连续行使570km。与本田相比，丰田公司在电动汽车领域也取得了更大的成功，只是丰田主要把研究的重点放在了混合电动汽车，自上世纪80年代开始，丰田公司就研制了EV10-EV40的一系列电动汽车。1995年普锐斯研制成功并于1997年投放市场并取得很大成功。普锐斯2005属于重度混合动力电动汽车，它采用永磁同步电动机和四缸发动机共同驱动，使得该车的节能与续航能力更加突出，因此更具有实用性，截至2010年年底，全球销量已经超过140万辆，是当前最成功的混合动力电动汽车。日本另外的一个著名的汽车品牌日产，也致力于发展电动汽车，日产公司设计的电动汽车主要是纯电动汽车和混合动力电动汽车，同时也将燃料电池电动汽车上升到一定战略地位。比较成熟的产品有Altra、Nissan Tino以及Altima Hybrid，日产在燃料电动汽车的主要作品是FCV2005，它集中了日产公司的核心技术，如锂电池技术、高压电子技术和Tino Hybrid的控制技术等15-19。美国采用政府和企业双作用力的方式，加速电动汽车产业发展。美国汽车工业十分发达，汽车产量大，保有量最多，石油消耗量和汽车排放污染物均居世界首位。为保持汽车产业的可持续发展，美国制定了非常严格的汽车尾气排放标准，并较早地大力鼓励发展电动汽车，先后推出了PNGV、Freedom CAR、AVP计划。在美国能源部的大力支持下，汽车厂商在电动汽车的开发研制中投入大量的人力物力，并且取得了很大的研究成果20,21。表1.1列出了美国部分纯电动汽车的技术性能参数。表1.1 美国部分纯电动汽车的技术性能参数车 型通用EV1通用S10福特Rangar克莱斯勒EPIC整车参数整备质量:1350Kg满载质量:1550Kg整备质量:1350Kg满载质量:1550Kg整备质量:2125Kg满载质量:2455Kg整备质量:2318Kg满载质量:2682kg动力电池类型镍氢(Ni-H)铅酸（Pb-acid）铅酸（Pb-acid）锂离子（Li-ion）性能电池容量:55A.h额定电压:312V电池容量:55A.h额定电压:312V电池容量:74A.h额定电压:312V额定电压:360V驱动电机类型交流感应电机交流感应电机交流感应电机交流感应电机最大功率（Kw）10267性能参数最高速:128Km/h0-96加速:9s续驶里程:144Km最高速:50Km/h续驶里程:80Km最高速:120Km/h0-96加速:12.5s续驶里程:80Km最高速:128Km/h续驶里程:200Km欧洲地区延续其一贯的纯电动汽车与清洁柴油等替代能源汽车的技术研发优势。特别是欧盟委员会又颁布了更为严格的二氧化碳排放标准，更多欧洲国家政府和跨国汽车公司将零排放的纯电动汽车作为产品研发主要方向，纷纷推出纯电动汽车。雪铁龙C-Zero的动力系统为一台永磁同步电动机，当转速在3200-6200rpm时，最大功率为48kw，最大扭矩为182N.m，0100km/h加速时间为15s，最高车速约为130km/h。一次充电后可行驶160公里（日本10-15模式）。雪铁龙C-Zero采用锂电池供电，充电需要6个小时，而快速充电时，只需要半小时就可达到80%的电量。奔驰Smart电动车型配置输出功率为40马力的电机。电机放置在该车的车尾,采用后驱结构。其从060Km/h所需的加速时间为6.5s，最高时速可达100Km/h。Smart电动车的电动机由锂离子电池提供电能，最大可储存14KW的电能，续航里程可达115Km。锂离子电池被安放在车身的中部，凭借每百公里仅消耗12Kw.h电量，Smart电动汽车成为城市交通中最节能、最环保的车型之一22-26。1.4本文主要研究内容对于纯电动汽车各项关键技术的研究，世界各国都做出了不少研究，可以讲在各项关键技术都已经相当成熟，只是还没有突破各项关键技术而已。基于硬件的缺乏和条件的制约，所以本文重点参照某款紧凑型轿车的基本参数进行纯电动汽车的传动系统选型、匹配设计、建模以及动力性仿真等研究。本文主要内容如下：1) 对纯电动汽车的研究背景，国内外发展状况进行了简要概述。2) 介绍了纯电动汽车的基本结构和工作原理。3) 关于纯电动汽车的传动系统结构形式作了简要介绍，并选择了本文所要研究的传动系统布置形式。4) 根据紧凑型轿车动力性能指标，对纯电动汽车传动系统中的主要部件进行了选型和匹配，包括驱动电机、传动系统和蓄电池等。5) 本文在ADVISOR中建立了纯电动汽车的整车和传动系统各部分的模型，并进行了整车动力性仿真。6) 对纯电动汽车整车动力性仿真结果进行分析，验证了传动系统匹配设计合理性。第二章 纯电动汽车动力传动系统匹配设计当前，在没有突破动力电池关键技术的条件下，纯电动汽车动力传动系统的匹配与选型对于纯电动汽车整车动力性、经济性和续驶里程具有显著影响。纯电动汽车传动系统主要包括驱动电机，传动系统，动力电池和控制系统四部分。由于本文的主要研究内容是传动系的匹配设计，因此，主要针对驱动电机，传动系统和动力电池进行匹配设计，控制系统暂不研究。本章首先提出纯电动轿车的整车参数和性能要求，接着根据紧凑型轿车所需的动力对驱动电机，传动系统以及动力电池进行选型和参数匹配，最后给出了匹配结果，包括传动系统的布置形式和各部件的参数指标。本章在理论上对传动系统进行了设计，从而可以满足整车的动力性，也能降低改装成本和提高续驶里程。2.1纯电动汽车动力系统的布置方案关于纯电动汽车的动力系统，具有不同的布置形式。合理的传动系统布置会使得整车的动力性，经济性和舒适性等性能得到提升。按照传统的分类方法，动力系统具有四种布置形式，以下简要介绍几种动力系统布置方案的方式、结构、性能要求等，并选择本文紧凑型纯电动轿车的动力系统布置方案。图 2.1 传统驱动模式1-电动机 2-离合器 3-变速器 4-传动轴 5-驱动桥 6-转向器第一种是与传统汽车驱动系统布置方式一样，同样带有变速器和离合器。只是利用电动机替代了传统汽车的发动机，属于改装型电动汽车。如图2.1所示。这种布置方式可以提高电动汽车的起动转矩，增加低速时电动汽车的后备功率。图 2.2 电动机驱动桥组合式1-转向器 2-电动机驱动桥组合式驱动系统第二种取消了离合器和变速器。如图2.2所示，这种布置方式具有紧凑的结构，传动效率高，安装简单等特点。但这种方式对电机的要求较高，不仅要求电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。图 2.3 电机驱动桥整体式1-转向器 2-电动机驱动桥整体式驱动系统 第三种是电机驱动桥整体式。该种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。这种方式同样对电机具有较高要求，大的起动转矩和后备功率，同时不仅要求控制系统具有较高的控制精度，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。图 2.4 轮毂电机式1-转向器 2-轮毂电机第四种是轮毂电机式。该种方式和第三种方式比较接近，将电动机直接安装到驱动轮上，由电机直接驱动车轮行驶。当然，该种方式使得电动汽车的结构更为紧凑。目前，我国的电动汽车大多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替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，而且在进行总体方案布置时必须保证连接可靠、轴荷分配合理等。 本文综合以上几种动力系统布置形式和本文所参照的紧凑型电动轿车建立在改装车的基础上。本文设计了如下的动力系统布置方案。见图2.5所示。图 2.5 紧凑型电动轿车动力系统布置方案1-变速器与减速器组合 2-电动机 3-蓄电池位置 4-转向器 本方案采用的是电动机前置前驱的布置形式，电动机发出的动力通过变速器与离合器组合通过车轴传递给车轮，驱动车轮前进。同时，将蓄电池和控制器布置在座椅下面。这种布置方案是参考当前最低成本的改装方案4。2.2纯电动汽车整车参数及性能指标确定本文参照某紧凑型纯电动轿车，对轿车的传动系统进行了分析。最终确立了本文研究车型的整车参数如下表：表 2.1 紧凑型纯电动轿车整车参数整车尺寸（mm）4038/1720/1500电池类型锂离子电池整备质量（Kg）1450传动效率T0.9离地间歇（mm）120续驶里程（Km）150前/后轮距（mm）1460/1445空气阻力系数CD0.38轴 距（mm）2500迎风面积A（m2）2.136轮胎规格185/55R15车轮滚动半径r（m）0.29驱动方式前置前驱滚动阻力系数f0.014同时，在电动汽车行驶过程中会经历不同的工况，譬如：坡道行驶，加速工况等。因而对电动汽车的最高车速，最大爬坡度，加速时间和最大续驶里程等性能有具有要求。参照诸多文献，确立如下紧凑型纯电动轿车的动力性指标：（1） 最高车速：140Km/h;（2） 最大爬坡度：30%;（3） 加速时间：6.5s（050Km/h的加速时间）;（4） 蓄电池放电深度80%，能够以速度30Km/h行驶150公里。2.3电动机参数匹配 电动机是纯电动轿车中输出动力的部分，是整个电动轿车的心脏。电动机的选择直接关系到电动轿车的动力性能。只有所选择的电动机具有足够可以调节的动力范围才能在不同的工况下实现电动轿车的加速、减速或是制动停车等功能。电动机参数的选择主要是对电机的峰值功率、额定功率、最高转速、额定转速和额定电压等参数的匹配计算，经过理论计算，使设计的电机参数能够满足整车的动力性，即不出现动力不足或是动力过剩浪费的情况。电动机功率选择越大，则电动汽车的后备功率越多，加速性和爬坡度性越好，但电动机的体积和质量会迅速增加，使得电动机不能在高效率区工作，从而影响了车辆的续驶里程;另外，电动机的成本也会随着电动机功率的增加而增加。电动机功率选择过小，将无法实现电动汽车所要求的性能指标，影响整车的加速性能，甚至会造成电机及其他设备的损坏。因此，合理选择电机的峰值功率和额定功率至关重要27,28。2.3.1电动机类型选择纯电动汽车驱动系统要求电机具有较高的可靠性、耐久性、适应性。由于车辆的振动及机室的高温环境，车用电机在振动大、冲击大、灰尘多、温湿变化大的恶劣条件下运行，因而必须适应环境条件的要求，使电机可靠、安全、稳定的运行。此外，由于电动汽车在运行的过程中速度的变化范围大，这就要求电机具有较宽的调速范围，即车用电机要具备低速大转矩和高速恒功率的特性29。电动机的类型很多，主要包括直流电动机、交流感应电动机、开关磁阻电动机、永磁电动机。对以上四类电动机的特性作如下对比：表 2.2 驱动电机特性比较29项 目直流电机交流感应电机开关磁阻电机永磁电机结 构有电刷和换向器，可靠性差结构简单；牢固可靠性高由磁阻电机和开关电路控制器组成有永磁体不需要励磁电流，效率高外形尺寸大中小小质 量重中轻轻最高转速（rpm）4000-60009000-15000100004000-10000效率（%）75-8585-9285-9390-95可靠性一般优优良价 格高便宜一般高缺 点有电刷易产生火花，引起电磁干扰维修复杂，体积大质量大控制系统复杂输出转矩脉动大，具有非线性特性需要检测转子磁极位置，永磁体有退磁的问题优 点结构简单，转矩控制特性良好结构简单，调速范围广，较小的转动惯量，技术比较成熟，维修业比较简单结构简单，牢靠起动时的转矩大，可调范围宽广，效率高体积小，重量小所以能量密度大，控制器比较简单，效率比较高运用前景电动汽车发展初期得到青睐，与其他驱动技术相比劣势较多目前大部分电动汽车都选择其作为动力来源尚未成熟，发展受到限制大多数使用在特殊电动汽车上，如太阳能电动汽车（1）直流电机驱动系统具有成本最便宜、易于无极调速、控制器简单便宜、技术成熟等优点，但由于存在碳刷和换向器，制约了电机的最高转速还需要定期维护，使用很不方便。加上电机本身体积大、重量重、效率低，这些因素制约了在电动汽车上的使用。只能使用在低速、低价的微型电动观光车上。（2）交流感应电机驱动系统与直流电机系统相比，具有效率高、结构简单、坚实可靠、免维护、体积小、重量轻、易于冷却、寿命长等许多优点。感应电机本身比直流电机成本低，但控制成本比直流电机高。但随着功率电子技术的不断进步，两者的成本差距越来越接近。（3）开关磁阻电动机主要特点是结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。缺点是转矩脉动大，电磁噪声大。此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低。随着技术进步，该电机在电动汽车上也具有较好的应用前景。（4）永磁电动机可分为永磁无刷直流电动机和永磁交流同步电动机。前者的优点是：控制器简单，输出转矩大；缺点是转矩脉动大。后者的优点是：转矩脉动小，控制较复杂，对于同功率电机，其转矩比无刷直流电机小。可利用矢量算法可以实现宽范围的恒功弱磁调速。 综上所述，永磁无刷直流电机具有优越的起动和调速性能、没有换向器和电刷、寿命长、噪音低和电子干扰小等优点，在电动汽车设计中遇到的诸如起步不稳定、电机噪音大以及行驶过程中频繁制动、加速等问题都可以得到解决，同时直流电机驱动技术较成熟、成本较低，所以本文选择永磁无刷直流电机作为驱动电机4。2.3.2电动机参数确定电动机的功率包括额定功率和最大功率。电动机的功率选的越大，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，造成功率浪费，是电机效率下降。因此，电动机的功率不能选得太大，应该依据电动汽车的最高车速、爬坡度和加速性能来确定电动机的功率4,28,30。1. 根据汽车最高车速确定电动机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为4UmaxP=1TMgf3600 umax+CDA76140umax3 (2.1)式中，M为整车质量（Kg）；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积（m2）；umax为最高行驶车速（Km/h）。将表2-1中的参数带入公式2.1中得到式（2.2）：UmaxP=10.914509.80.0143600140+0.382.136781401403=40.27Kw (2.2)2. 根据汽车爬坡度确定电动机功率电动汽车以某一车速爬上最大坡度消耗的功率为imaxP=1TMgfcosarctani3600 ua+CDA76140ua3+Mgsinarctani3600ua (2.3)式中，ua为电动汽车行驶速度（Km/h）；i为坡度。本文所设计的最大爬坡度为30%，即i=30%；取爬坡时电动汽车的行驶速度为ua=25Km/h。将表2.1中的参数带入公式（2.3）得：imaxP=10.914509.80.014cosarctan30%360025+0.382.13676140253 +14509.8sinarctan30%360025=33.16Kw (2.4)3. 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为jP=1TMgf3600u+CDA76140u3+M3600dudtu (2.5)式中，为汽车旋转质量换算系数，在汽车理论中根据igi0值查得：=1.065；u为汽车加速过程的瞬时车速（Km/h）;dudt为汽车加速度（m/s2）。而汽车加速过程中，瞬时车速可根据经验公式表示为31-33：u=umttmx (2.6)式中，um为车辆末速度（Km/h）；tm为车辆的加速时间（s）；x为拟合系数，一般取值0.5左右。车辆在加速过程的末时刻，电动机输出的功率最大，因此加速过程中最大功率需求为： jmaxp=jPt|t=tm =13600TMum23.6di1-tm-dttmx+Mgfum+CDA21.15um3 (2.7)式中，dt为设计过程的迭代步长，通常去0.1s就能满足精度要求。将表2.1中