雙電機后輪驅動型微型純電動汽車的參數(shù)匹配和Advisor仿真

河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設計論文摘要 隨著環(huán)境污染和能源短缺的問題日益突出，純電動汽車以其零放、降低噪聲等優(yōu)點而倍受關注，世界各國都把電動汽車作為汽車工業(yè)的發(fā)展方向。 近幾年來，盡管許多國家都投入大量的人力物力來研究電動汽車，但到目前為止動力電池和關鍵性技術還未取得有效的突破，動力電池的續(xù)駛里程和充電時間大大制約了電動汽車的發(fā)展和普及。因此，在電池問題解決之前，如何合理的選擇部件及相關參數(shù)，使匹配達到最優(yōu)，在蓄電池相同的條件下，更好的滿足整車動力性要求和最大的增加續(xù)駛里程，一直是研究追求的目標，也是本論文研究的主要目的。 本論文以某微型純電動汽車作為研究對象，以整車的動力性作為指標要求從汽車的動力學出發(fā)，匹配設計了傳動系統(tǒng)的關鍵參數(shù)，包括電機參數(shù)，電池參數(shù)，傳動比及變速箱檔位數(shù)選擇等。并利用ADVIOSR仿真軟件建立了電動汽車的蓄電池、電動機、傳動系、車身等仿真模型。根據(jù)電動汽車的動力性要求進行了其加速性能，最高車速，最大爬坡度和續(xù)駛里程等性能的仿真研究。仿真結果表明其傳動系參數(shù)的選擇和匹配基本合理。 本文對純電動汽車傳動系統(tǒng)所進行的參數(shù)選擇匹配及仿真研究，為發(fā)展純電動汽車及開發(fā)滿足純電動汽車性能的傳動系統(tǒng)，提供了一定的理論依據(jù)、技術參考和研究方法。關鍵詞：純電動汽車；傳動系統(tǒng)；參數(shù)匹配；ADVISORAbstract Along with the increasingly concern about the shortage of energy and the pollution of the environment ,pure electric vehicles have been developed for its benefit of zero emission and low noise .Many countries make electric vehicles as the development direction of automobile industry.In recent years ,although there are many countries which have launched large manpower and material to study electric vehicles ,dynamic battery and certain key techniques have not been brought through effectively up to now .The range and charging time of battery limited popularization and development of electric vehicles .Therefore how to select these parts and relational parameters reasonably, makes the conditions ,makes the electric vehicle meet the request of dynamic performance and increases the range, which is the goal people studied ,then which is the important content of the papers.In this thesis ,based on some type of EV as research object .According to the power-train requirement of electric vehicle，considering the dynamics of the vehicle, the key parameters of power-train including motor parameters ,battery parameters ,transmission ratio ,transmission gear several choice and so on ,which are designed and matched. Utilizing the simulation soft of ADVISOR to build the simulation models about the battery ,the motor ,the power -train ,the vehicle body and soon .According to the requirement performance ,acceleration ability ,maximum peed ,climbing performance ,cruising range are simulated .The results indicate that the choice of power-train parameters can satisfy the requirement.In this paper ,research on Electric Vehicle Power-train System Parameter Matching and Simulation provide the theoretical basis, technical reference and research methods for the development of pure electric vehicles and the Power-train System which can satisfy the vehicles performance.Keywords : pure electric vehicles ;power-train systemparameter matching ;ADVISOR目錄第一章：緒論11.1課題研究的目的和意義11.1.1 發(fā)展新能源汽車是緩解石油短缺的重要措施11.1.2 發(fā)展新能源汽車是降低環(huán)境污染的有效途徑21.1.3 發(fā)展新能源汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必由之路21.1.4 發(fā)展新能源汽車是智能電網(wǎng)建設的重要內(nèi)容31.2純電動汽車的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展31.2.1美國41.2.2歐洲51.2.3日本61.2.4國內(nèi)純電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢71.3研究的主要內(nèi)容10第2：章純電動汽車基本結構及關鍵技術112.1純電動汽車的基本結構112.1.1電力驅動模塊122.1.2車載電源模塊132.1.3輔助模塊132.2純電動汽車的關鍵技術132.2.1電動機及控制技術132.2.2蓄電池152.2.3電池管理系統(tǒng)182.2.4輕量化技術192.3純電動汽車的主要性能評價212.4本章小結23第3：章純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設計243.1微型電動汽車動力傳動系統(tǒng)匹配簡介243.1.1微型電動汽車動力傳動系統(tǒng)布置方式253.1.2各種驅動電機概述273.2電機匹配理論分析293.2.1微型電動汽車動力性要求及分析293.2.2汽車的行駛方程303.2.3功率匹配353.2.4單一傳動比匹配設計363.2.5電池匹配理論設計383.2.6匹配設計結果39第四章：基于ADVISOR的微型電動汽車動力性仿真404.1ADVISOR仿真軟件概述404.2仿真模型的建立414.3循環(huán)工況仿真分析464.4結論484.5本章小結48第五章：全文總結與展望505.1全文總結505.2展望51致謝52參考文獻53第一章：緒論1.1課題研究的目的和意義汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，它與人們的生活息息相關，已成為現(xiàn)代社會必不可少的組成部分。但是，以石油為燃料的傳統(tǒng)的汽車工業(yè)，在為人們提供快捷、舒適的交通工具的同時，增加了國民經(jīng)濟對化石能源的依賴，加深了能源生產(chǎn)與消費之間的矛盾。隨著資源與環(huán)境雙重壓力的持續(xù)增大，發(fā)展新能源汽車已成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的方向。1.1.1 發(fā)展新能源汽車是緩解石油短缺的重要措施 發(fā)展新能源汽車是減少對國外石油依賴，解決快速增長的能源需求與石油資源終將枯竭的矛盾的必由之路。近年來，我國汽車市場發(fā)展迅速，已成為全球第二大汽車市場。2009 年，我國汽車保有量突破7000 萬輛，產(chǎn)銷量雙雙突破1300 萬輛，石油年消耗量將會達到1.2 億噸。目前，我國人均GDP 已超過3000 美元，消費結構升級是必然趨勢，加之我國正處于工業(yè)化、城市化和機動化的重要階段，汽車需求的快速增長難以避免。我國每千人汽車擁有量僅為38 輛，與139 輛的世界平均水平存在很大差距，汽車消費市場還有相當大的發(fā)展空間。預計到2020年，我國汽車保有量將達到1.5 億輛，如果全部使用化石能源，石油年消耗量將達2.5 億噸，約占屆時我國石油總消耗量的55。因此，大力發(fā)展新能源汽車是緩解我國石油短缺、降低石油對外依存度的重要措施。1.1.2 發(fā)展新能源汽車是降低環(huán)境污染的有效途徑 新能源汽車不燃燒汽油和柴油，所使用的鋰電池是國際公認的環(huán)保電池。加之與傳統(tǒng)汽車相比，電動車在啟動時沒有污染，具有極好的環(huán)保性能。就效率而言，傳統(tǒng)汽車的能源轉化效率只有17，電動車的效率是90，即使考慮燃煤發(fā)電的效率損失，電動車的總效率也大于30，約為傳統(tǒng)汽車的二倍，節(jié)能效果十分明顯。特別是近年來，世界各國高度關注溫室氣體排放和氣候變化問題，我國雖然是發(fā)展中國家，人均溫室氣體排放量水平較低，但由于我國人口眾多，多年來國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，能源消費量已居世界第二位，今后所面臨的國際社會的壓力將逐步增大。有調(diào)查顯示，全球大概25的二氧化碳是來自于汽車的尾氣。我國如能在新能源汽車領域率先實現(xiàn)突破，將會改變我國在氣候變化上的被動地位，并為全球解決日益嚴重的能源環(huán)境問題做出貢獻。1.1.3 發(fā)展新能源汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必由之路 新能源汽車將催生汽車動力技術的一場革命，并必將帶動汽車產(chǎn)業(yè)升級，建立新型的國民經(jīng)濟戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是汽車工業(yè)發(fā)展的必由之路。新能源汽車的使用成本非常低廉。將其百公里的用電成本進行換算，電的成本僅是油的成本的20，也就是說，使用新能源汽車僅需花五分之一的錢就可以跑到與原來相當?shù)墓飻?shù)。普通汽車，不論是手動檔的，還是自動檔的，都用變速箱變速，電動車變速是電機驅動，沒有變速箱，而且非常強勁。此外，電動車的四輪驅動，原理簡單，容易實現(xiàn)，且運行維護方便，不用換機油。新能源汽車的上述特點，決定了它具有強大的生命力和廣闊的市場發(fā)展前景。設想到2020 年，我國新能源汽車占屆時汽車保有量的20，約3000 萬輛，年可以節(jié)約石油5000 萬噸，相當于一個大慶油田一年的石油產(chǎn)量。1.1.4 發(fā)展新能源汽車是智能電網(wǎng)建設的重要內(nèi)容 傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，實際用電負荷的波動性與發(fā)電機組額定工況下所要求的用電負荷穩(wěn)定性之間存在固有矛盾，如何處理電力系統(tǒng)的峰谷差一直是電網(wǎng)企業(yè)頭疼的問題。我國電力裝機已突破8 億千瓦，并將繼續(xù)快速增長，但目前電站的年利用小時數(shù)僅為5000 小時，也就是說，許多機組是為了應對電力系統(tǒng)短時間的峰值負荷而建設的，如果措施得法，建設6 億千瓦的裝機容量就夠用了。試想，如果政府大力提倡發(fā)展新能源汽車，各個城市的居民都去買電動車，晚上用低谷的低價電為電動充電，白天高峰時還可以用較高的價格向電網(wǎng)賣電，起到削峰填谷的作用，那么峰谷差的問題就可以迎刃而解了。按照這樣的設想建立起來的電網(wǎng)，將具有一定的自我調(diào)節(jié)能力，電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、售、用以及調(diào)度等各個環(huán)節(jié)將會形成有效的互動，成為一個智能化的有機整體，從而極大地提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性?？梢灶A計，作為智能電網(wǎng)建設的重要組成部分，新能源汽車將帶來電力系統(tǒng)的一場革命。1.2純電動汽車的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 純電動汽車在美、日、歐等國家和地區(qū)得到小規(guī)模的商業(yè)化推廣應用，目前世界上有近4萬輛純電動汽車在運行，主要應用在市政用車、公交車、公務用車和私人用車等預域。純電動汽車已在續(xù)駛里程、動力性能、快速充電等方面取得了可喜的進展，即將進入實用化階段。純電動汽車的發(fā)展越來越受到世界各國的重視，各主要汽車公司積極參與，在產(chǎn)品研發(fā)、示范和試用方面取得了很大進步。1.2.1美國 從歷屆美國總統(tǒng)頒布的能源發(fā)展戰(zhàn)略趨勢看，美國政府深刻認識到必須減少對進口石油的依賴，而且出臺了多項汽車交通領域的能源法案及國家計劃。在發(fā)展車用能源的戰(zhàn)略選擇上，美國已從以往重點進行燃料電池技術研發(fā)的單一化發(fā)展格局向多元化格局轉變。圖1.1美國通用Volt 圖1.2 Volt原理示意圖通用雪佛蘭Volt是一款增程型電動汽車，采用了最新研發(fā)的E-Flex動力推進系統(tǒng)其中的“E”表示“電”，電力是EFlex車型的唯一驅動方式。而“Flex”代表的是“靈活”，表示用以驅動汽車的電力可以從各種途徑取得。在行駛距離較短的情況下，增程型電動汽車的行駛完全僅僅依靠車載電池組提供的電力來完成，使用純電動模式可在城市道路上行駛約64公里，而在相對較長的行駛距離情況下，可以由內(nèi)燃機或者燃料電池提供額外的電能來驅動車輛。電池組和動力推進系統(tǒng)經(jīng)過精準的設置，可以使車輛在由電池組提供足夠的電能的時候，不需要發(fā)動機或者燃料電池進行工作來產(chǎn)生額外的電力。在純電動駕駛過程中，電池組的電能完全可以保證僅需要使用電力就能夠保證車輛順利實現(xiàn)加速、高速行駛，以及爬坡等各種性能。電能耗盡后，E-Flex動力推進系統(tǒng)可以將汽油、乙醇等能源轉化成電能，從而延長車輛的行駛里程。1.2.2歐洲歐洲地區(qū)延續(xù)其一貫的純電動汽車與清潔柴油等替代能源汽車的技術研發(fā)優(yōu)勢。特別是歐盟委員會又頒布了更為嚴格的二氧化碳排放標準，更多歐洲國家政府和跨國汽車公司將零排放的純電動汽車作為產(chǎn)品研發(fā)主要方向，紛紛推出純電動汽車。 圖1.3雪鐵龍電動汽車 圖1.4 C-Zero結構示意圖 雪鐵龍C-Zero的動力系統(tǒng)為一臺永磁同步電動機，當轉速在3200-6200rpm時，最大功率為48kw，最大扭矩為182N.m，0100km/h加速時間為15s，最高車速約為130km/h。一次充電后可行駛160公里（日本10-15模式）。雪鐵龍C-Zero采用鋰電池供電，充電需要6個小時，而快速充電時，只需要半小時就可達到80%的電量。奔馳Smart電動車型配置輸出功率為40馬力的電機。電機放置在該車的車尾,采用后驅結構。其從0加速到60公里/小時所需的時間為6.5秒，最高時速可達100公里/小時。Smart電動車的電動機由鋰離子電池提供電能，最大可儲存14KW的電能，續(xù)航里程可達115公里。鋰離子電池被安放在車身的中部，憑借每百公里僅消耗十二千瓦電量，Smart電動汽車成為城市交通中最節(jié)能、最環(huán)保的車型之一。 圖1.5奔馳Smart圖 1.6 Smart結構示意圖1.2.3日本日本是最早開始發(fā)展電動汽車的國家之一。日本工業(yè)發(fā)達，人口密度大，資源極度困乏，城市污染嚴重。因此，日本政府特別重視電動汽車的研究和開發(fā)。日產(chǎn)Leaf使用鋰電池組，電池組最大能支持120hp馬力的電動機。匹配的電動機的峰值馬力和扭矩輸出分別為107hp和280Nm，動力數(shù)值與普通家用車的性能接近。Leaf的快充模式能夠在半小時內(nèi)將電池組電量補充到80%，大大改善了電池組不能迅速補給的難題。但快速充電僅適用于緊急之需，將電池充滿仍然需要8小時。 圖1.7日產(chǎn)Leaf圖 1.8 Leaf電池及電機結構1.2.4國內(nèi)純電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢國內(nèi)企業(yè)從事純電動汽車研發(fā)、少量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與試運營的有東風、天津清源、北京理工科凌、比亞迪、萬向等企業(yè)。2006年，我國第一批純電動轎車取得了產(chǎn)品準入公告，吸引更多企業(yè)加入蓄電池或純動力汽車的研發(fā)或試運營，如咸陽威力克能源有限公司、博信電池（上海）有限公司、上海瑞華集團、深圳雷天綠色電動源有限公司、中信國安黃金有限公司、合肥工業(yè)大學等。東風公司是國內(nèi)最早從事電動汽車研發(fā)的汽車企業(yè)之一，開發(fā)了游覽車、多功能車、工業(yè)專用車和高爾夫球車等4大系列、近20個品種的純電動車，包括東風純電動轎車（EQ7160EV）、純電動富康轎車（EQ7140EV）、純電動客車（EQ6690EV）等。2003年東風純電動車實現(xiàn)商品化銷售以來，已累計銷售1000余臺，進入行業(yè)前三甲。截止到2005年11月，參與示范運營的東風純電動小巴有93臺。到2010年，東風電動車公司計劃實現(xiàn)純電動場地車銷售5000輛的年產(chǎn)銷量?！笆濉逼陂g，國家863計劃電動汽車重大專項項目中純電動轎車研制點之一在天津汽車。天津市電動車輛研究中心與天津一汽產(chǎn)品開發(fā)中心聯(lián)合眾多汽車技術研究中心與大學資源，組建天津清源電動車輛有限責任公司，承擔863計劃重點項目“XL-2純電動轎車”研發(fā)工作，各項技術指標達到了國際先進水平，全車總重1600公斤，最高時速達到140千米/小時，續(xù)駛里程超過260千米，0千米/小時50千米/小時的加速時間6.8秒，被認為是國內(nèi)水平最高又最接近產(chǎn)業(yè)化的電動車型。2005年，清源公司開發(fā)的6輛“幸福使者”純電動汽車出口美國，這是國內(nèi)電動汽車整車第一次出口。根據(jù)美方要求，該車作為美國家庭用車，最高時速限定為40公里，最大續(xù)駛里程100公里，整車定價近1萬美元。之后，清源公司繼續(xù)向美國出口純電動轎車，2005年出口總數(shù)達到112輛，2006年銷往歐美500輛，2007年國際市場訂單已超過1000輛。2006年底，清源公司在天津濱海新區(qū)建設電動汽車研發(fā)制造基地，將形成一條年產(chǎn)2萬輛純電動汽車的生產(chǎn)線?！笆晃濉逼陂g，北京理工大學作為整車總體單位承擔了 863 電動汽車重大專項“純電動客車項目”，作為技術依托單位承擔了北京市科技奧運電動汽車特別專項“電動汽車運行示范、研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”等項目。已完成純電動準低地板公交車、純電動中巴客車、純電動旅游客車、純電動超低地板公交車等四種車型的整車開發(fā)、型式認證和定型設計，并進行了 40 余輛的小批量試生產(chǎn)，各項動力性、經(jīng)濟性、續(xù)駛里程、噪聲等指標已達到或接近國際水平；組建電動汽車示范車隊，在北京市開展“一線一區(qū)”兩種模式示范運行。目前，北京理工大學等單位已經(jīng)完成了北京理工科凌電動車輛股份有限公司密云電動車輛產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地的建設，初步形成了關鍵技術的研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化配套能力。著名電池制造商比亞迪在動力電池方面的研究成果一直處于世界的前沿，該公司最新研發(fā)的車用產(chǎn)品的充電時間已縮短到89小時，最高續(xù)駛里程可達450500公里，最高時速可達120180公里/小時，0100公里/小時加速時間小于13秒。2006年7月，比亞迪為加速純電動汽車的商業(yè)化步伐，推出一款全新技術的電動轎車F3e。這款車基于F3平臺而開發(fā)，裝載比亞迪在全球首家推出的技術“鐵”動力電池“ET-power”，一次充電能夠行使350km，單次充電時間22分鐘?！癊T-power”是以比亞迪在電池領域里的最新發(fā)明“鐵電池”為核心技術支持的純電動汽車動力體系。（注：E表示環(huán)保和電力environment和electric的首字母，T則表示技術technology，power則表示動力和能量）同時，比亞迪計劃首批200臺純電動出租車于07年投入示范性商業(yè)運營。目前比亞迪已經(jīng)在北京、上海、深圳、西安等四大基地完成了內(nèi)部實驗性電動汽車充電站的建設，計劃先在企業(yè)內(nèi)部進入“電動汽車”時代。萬向集團公司從1999年開始涉足電動汽車領域，目前已經(jīng)研制出了純電動轎車和純電動公交車，運行總里程已經(jīng)超過了15萬公里。其純電動轎車最高時速為126公里，經(jīng)濟時速下最大續(xù)駛里程為380公里，百公里平均耗電量為11千瓦時；純電動公交車最高時速為90公里，經(jīng)濟時速下的最大續(xù)駛里程為280公里，百公里平均耗電量為70千瓦時，充電方式采用設置換電站快速更換電池組方式。2006年4月，萬向集團公司研制的鋰離子電池驅動純電動汽車在杭州開始示范運行。1.3研究的主要內(nèi)容（1）介紹發(fā)展純電動汽車戰(zhàn)略意義及國內(nèi)外純電動汽車發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀。（2）介紹純電動汽車的基本結構及關鍵技術，如電機及控制系統(tǒng)、蓄電池及管理系統(tǒng)、車身及底盤輕量化等技術。（3）分析了純電動汽車直線行駛的各種阻力，完成某一車型的動力驅動系統(tǒng)的參數(shù)匹配設計計算。涉及驅動電機及控制系統(tǒng)參數(shù)的選擇、傳動比的選擇、電池組參數(shù)的設計（4）掌握仿真軟件ADVISOR的使用方法，利用ADVISOR仿真軟件對匹配設計的傳動系統(tǒng)參數(shù)進行動力性仿真。第2：章純電動汽車基本結構及關鍵技術2.1純電動汽車的基本結構 純電動汽車的主要結構由電力驅動控制系統(tǒng)、汽車底盤、車身以及各種輔助裝置等部分組成。除電力驅動控制系統(tǒng)，其他部分的功能及結構基本與傳統(tǒng)汽車相似，所以電力驅動控制系統(tǒng)決定了整個純電動汽車的結構組成及性能特征，相當于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機與其他功能以機電一體化方式相結合。圖2.1純電動汽車原理示意圖 電力驅動控制系統(tǒng)按工作原理劃分為：電力驅動模塊、車載電源模塊和輔助模塊三大部分。2.1.1電力驅動模塊 電力驅動模塊主要由電子控制器、功率轉換器、電動機、機械傳動裝置等組成。純電動汽車仍保留加速踏板、制動踏板等操縱裝置，只不過在純電動汽車上是將踏板機械位移量轉換為電信號而已。（1）電子控制器。它是電力驅動模塊的控制中心，主要對整輛電動汽車的控制起協(xié)調(diào)作用。根據(jù)踏板的電信號，向電機控制器發(fā)出控制指令，對電動機的旋轉進行控制，從而實現(xiàn)電動汽車的起動、加速、剎車制動。（2）功率轉化器。它的功能是按控制器的指令及電機的速度、電流反饋信號，對電動機的轉速、轉矩和旋轉方向進行控制。直流電動機主要是通過斬波進行調(diào)壓調(diào)速控制的；永磁電動機主要是通過PWM轉換器進行調(diào)壓調(diào)速控制的；感應電動機是通過DC/AC轉化器進行調(diào)頻調(diào)壓矢量控制的；對于磁阻電機是通過控制其脈沖頻率來進行調(diào)速的。（3）電動機。電動機在純電動汽車中具有提供動力和發(fā)電的雙重功能。汽車正常行駛時，電機提供動力來源，當汽車剎車或下坡時，充當發(fā)電功能，進行能量回收。對電動機的選型一定要根據(jù)負載特性和汽車行駛的特性進行選擇，汽車在起動或爬坡時需要有較大的啟動轉矩和短時過載能力，并有較寬的調(diào)速范圍和優(yōu)良的調(diào)速特性，即在低速恒轉矩、高速為恒功率?？刂葡到y(tǒng)是最為關鍵的部件，電動汽車的動力性能主要決定于驅動系統(tǒng)的性能，并直接影響車輛的各種性能指標，如汽車的最高速度、加速性與爬坡性能及續(xù)行里程等。（4）機械傳動裝置。電動汽車的機械傳動系統(tǒng)的功能是將電動機的驅動轉矩傳輸給驅動軸，從而帶動汽車車輪行駛。由于電動機本身就具有優(yōu)良的調(diào)速特性，其變速結構可被大為簡化，甚至可采用固定減速比就可滿足整車性能的要求。2.1.2車載電源模塊主要由蓄電池電源、能源管理系統(tǒng)和充電控制器三部分組成。（1）蓄電池電源。蓄電池是純電動汽車的部件中唯一能提供驅動行駛所需的電能和各種輔助電器的能源。蓄電池在車上安裝前需要通過串并聯(lián)的方式組合成所需要的電壓。另外，由于制造工藝等因素及蓄電池其電解液濃度和特性差異，要求對其性能相近的蓄電池進行配組，這樣做有利于蓄電池的一致性和使。 （2）能量管理系統(tǒng)。主要功能是進行能源分配，協(xié)調(diào)各部件的能量管理，提高能量利用效率。它需與充電器共同控制充電。為提高電池的可靠性和延長其壽命，需要實時監(jiān)控蓄電池的狀態(tài)，對其各個性能參數(shù)等進行監(jiān)測。（3）充電控制器。它是把電網(wǎng)電能轉化為對汽車蓄電池充電要求的制式，即把交流電整流為蓄電池需要的直流電，電動汽車普遍使用三段式充電器，第一個階段叫恒流階段，第二個階段叫恒壓階段，第三個階段叫涓流階段。2.1.3輔助模塊它包括低壓電源、轉向和各種輔助裝置等。2.2純電動汽車的關鍵技術 2.2.1電動機及控制技術（1）電動車用電動機性能分析；目前，電動汽車用電動機主要有直流電動機（DCM）、感應電動機（IM）、永磁無刷電動機（PM-BLM）和開關磁阻電動機（SRM）4類，其性能對比見表2.1。 表2.1 電動汽車用電動機及其性能比較電動車輛的驅動電機屬于特種電機，是電動汽車的關鍵部件。要使電動汽車有良好的使用性能，驅動電機應具有較寬的調(diào)速范圍及較高的轉速，足夠大的啟動扭矩，體積小、質(zhì)量輕、效率高且有動態(tài)制動強和能量回饋的性能。目前電動汽車所采用的電動機中，直流電動機基本上已被交流電動機、永磁電動機或開關磁阻電動機所取代。電動汽車所用的電動機正在向大功率、高轉速、高效率和小型化方向發(fā)展。當今世界已研制出功率密度超過1 kW/kg，額定點的效率大于90%的小型電動機，電機滿足低速衡（大）扭矩和高速衡功率的牽引控制要求。（2）控制系統(tǒng) 隨著電機及驅動系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化。變結構控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、自應控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法等非線性智能控制技術，都將各自或結合應用于電動汽車的電機控制系統(tǒng)。它們的應用將使系統(tǒng)結構簡單、響應迅速、抗干擾能力強，參數(shù)變化具有魯棒性，可大大提高整個系統(tǒng)的綜合性能。電動汽車再生制動控制系統(tǒng)可以節(jié)約能源、提高續(xù)駛里程，具有顯著的經(jīng)濟價值和社會效益。再生制動還可以減少剎車片的磨損，降低車輛故障率及使用成本。圖1所示為XJTUEV 1電動汽車再生制動控制系統(tǒng)的結構圖。該系統(tǒng)由超級電容或飛輪及其控制器組成，利用超級電容或飛輪吸收再生制動能量，具有非常突出的優(yōu)點。當車輛制動時，電機工作于發(fā)電機工況，將一部分動能或重力勢能轉化為電能儲存在超級電容或飛輪中，由于超級電容或飛輪的功率密度大，可以更快速、高效地吸收電機回饋能量。在車輛起動和加速時，利用雙向DC/DC將存儲的能量釋放出來，協(xié)助電池向電機供電，不但增加了電動汽車一次充電的行駛里程，而且避免了蓄電池的大電流放電，達到了節(jié)約能源、降低剎車片磨損和提高蓄電池壽命的目的。2.2.2蓄電池純電動汽車行駛里程完全依賴蓄電池的能量，電池的容量越大，可以實現(xiàn)的續(xù)行里程越長，但蓄電池的體積大、重量重，反過來會影響整車的續(xù)行里程。純電動汽車對動力電池技術要求的五要素，即足夠高的功率密度、足夠高的能量密度、足夠的循環(huán)壽命、足夠的安全可靠性、能夠接受的成本。而上述五個范疇的內(nèi)稟性質(zhì)，又彼此制約，高要求難以得到技術上的全方位滿足而只能尋求平衡，同時，又要與汽車燃油技術進行對比，這正是整個動力電池技術面臨的最大挑戰(zhàn)。目前，純電動汽車應用較為廣泛的是鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子蓄電池。（1）鉛酸蓄電池，技術成熟，可靠性高、原材料資源豐富且價格便宜、比功率基本上能滿足電動汽車的動力性能要求。不足之處是比能量較低，導致一次充電的行駛里程短，并且質(zhì)量和體積較大，增加了汽車的自重，不利于續(xù)行里程和整車性能的提高，另外它的壽命較短，平均壽命在300次左右。（2）鎳氫蓄電池其高比能量與鋰離子電池相當；高比功率可使電動車有良好的啟動、加速和爬坡性能，它的平均壽命可達300至600次，而且因其安全、無污染，被譽為“綠色電源”?，F(xiàn)在，日本、美國及我國都在積極開發(fā)研制鎳氫電池，它是電動汽車發(fā)展中期的主要能源，具有很大的發(fā)展前景。（3）鋰離子電池具有重量輕、儲能容量大、功率大、無污染、壽命長、自放電系數(shù)小、溫度適應范圍廣等優(yōu)點，已開始逐漸取代酸鉛和鎳氫電池，成為目前世界上大多數(shù)汽車企業(yè)的首選目標和主攻方向，全球已有20余家主流企業(yè)進行車載鋰離子動力電池研發(fā)，如富士重工、三洋電機、NEC、東芝、美國江森自控公司等。表2.2蓄電池類型的比較圖2.2鎳氫蓄電池圖2.3鋰離子蓄電池2.2.3電池管理系統(tǒng)（1）管理。對動力電池組充電與放電時的電流、電壓、放電深度、再生制動反饋電流、電池溫度等進行控制。個別電池性能變化后，會影響到整個動力電池組性能，故需用電池管理系統(tǒng)來對整個動力電池組及其每一單體電池進行監(jiān)控，保持各個單體電池間的一致性。（2）充電。動力電池組必須進行周期性的充電。高效率充電裝置和快速充電裝置，是EV使用時所必須的輔助設備?？刹捎玫孛娉潆娖?、車載充電器、接觸式充電器或感應充電器等進行充電。圖2.4電池管理系統(tǒng)2.2.4輕量化技術車身輕量化并非不顧車輛安全一味減輕車體重量，而是在運用新材料、新技術的基礎上，對車體進行合理的規(guī)劃與設計，在允許的范圍內(nèi)減少車體重量，從而達到提升電動汽車續(xù)航能力的目的。汽車輕量化設計使生產(chǎn)工藝、人體工程學、工業(yè)設計、材料學、運輸學、經(jīng)濟學等眾多各不相同的學科緊密地聯(lián)系在一起。轎車車身的輕量化設計與整車的安全性是一對矛盾體，如果為了滿足各種法規(guī)的要求，保障乘員的安全，就應提高車身結構的碰撞吸能特性；如果為了汽車的燃油經(jīng)濟性、排放等因素考慮就應減輕車身的質(zhì)量。因此轎車車身輕量化是在保證汽車整體性能不受影響、確保車身強度、剛度和模態(tài)等結構特性要求的前提下，減輕車身骨架質(zhì)量的一種設計趨向。車身輕量化技術主要包括輕量化材料的使用和結構的輕量化設計。前者是車身輕量化的主流，即采用輕量化的金屬和非金屬材料，主要是采用高強度鋼材、鋁鎂合金、工程塑料、碳纖維、新型玻璃、陶瓷和各種復合材料；后者是利用有限元法和優(yōu)化設計等方法，通過改進汽車結構，使部件薄壁化、中空化、小型化及復合化以減小車身骨架和車身鋼板的質(zhì)量來達到輕量化目的。實際上兩者是緊密相連的，往往采用輕量化材料結合輕量化結構設計，在性能不降低的前提下獲得轎車車身的輕量化。 很多國家和汽車公司致力于輕量化材料方面的研究，以德國奧迪公司和日本本田公司為最。1991年奧迪公司展出了具有鋁制車身的Spyder四驅跑車；隨后不久的東京車展上，奧迪展示了一款拋光鋁制車身的奧迪Avus。2002年第二代奧迪A8的全鋁車身框架剛度提高60%，焊點減少40%，重量比競爭對手輕，以此帶來更大的靈活性、安全性和平穩(wěn)性。而本田公司在融入輕量化設計理念之后，一體式的鋁車身結構重量僅有1270kg。由于受空間尺寸限制，有些材料的結構剛度會不足，一味輕量化會導致汽車振動、噪聲與抗疲勞、防碰撞等方面能力的下降。結構輕量化成功的典型例子是發(fā)動機前置前輪驅動 (FWD)。它使傳動路線明顯縮短、也不用制造后橋殼、變速器和差速器裝在同一殼體中，減少的零部件可以減輕整車重量，提高汽車的加速性、制動性和燃油經(jīng)濟性。同時還可以增加驅動輪的附著力，這對于在濕滑路面上行駛的汽車將會有很大的幫助。轎車車身輕量化設計中的結構優(yōu)化包括：結構尺寸優(yōu)化、結構形狀優(yōu)化和結構拓撲優(yōu)化。多數(shù)集中在結構尺寸優(yōu)化方面，產(chǎn)生的效果是被限定在布局之內(nèi)。拓撲優(yōu)化是在一定空間區(qū)域(骨架結構或連續(xù)體)內(nèi)尋求材料最合理分布的一種優(yōu)化方法。它的目標是根據(jù)一定的準則，在滿足各種約束條件下，在結構上開孔、打洞，去除不必要的構件和材料，使結構在規(guī)定意義上達到最優(yōu)，表現(xiàn)為“最大剛度”設計。由于拓撲優(yōu)化設計自由度大，設計初期和概念設計階段。設計初期和概念設計階段。管件液壓成形技術應用主要為底盤件、車身結構件與排氣系統(tǒng)零部件，因其具備高剛性、尺寸精度與穩(wěn)定性高、較為耐蝕、工件數(shù)少、制作過程簡化、成本降低等優(yōu)點，該技術在汽車制造業(yè)廣泛應用。此技術保證了零部件精準的尺寸和形狀，在充分利用空間、贏得更多軸力度和硬度的同時，減輕了重量。由于管件液壓成形技術不僅簡化了模具結構，還減少了模具副數(shù)，改善了材料嚴重變薄的狀況，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，大幅度降低了生產(chǎn)成本，因此管件液壓成形零部件需求快速增加。2004年北美生產(chǎn)的典型車型中將有50%結構體零件采用管件液壓成形技術制造。以管件液壓成形技術制造結構件的車型，經(jīng)碰撞測試結果，其安全性比傳統(tǒng)的“沖壓焊接”制造結構件要好，同時整車質(zhì)量有了大幅度的降低。因此在北美制造的轎車中，空心輕體件在轎車總量的比例已從15年前的10%上升到16%，而在中型商用車、大吉普車和小貨車的比例還要更高。梁、柱結構是車身骨架的基本承載單元，在車身總成中所占比例較高。評價輕量化對剛度的影響程度可使用SME(Stiffness Mass Efficient)值，即“單位質(zhì)量所具有的剛度值”進行比較。SME 值越高，表明該結構在保持剛度不變的情況下輕量化效果越好，反之亦然。從結構輕量化途徑考慮，在滿足空間尺寸限制的前提下，增加矩形截面薄壁梁的高度為提高其彎曲和扭轉剛度的最佳方案，增加寬度僅能提高其扭轉剛度，改變壁厚沒有效果。增加圓筒截面的直徑為提高其彎曲和扭轉剛度的最佳方案，改變壁厚無效。對于其它閉環(huán)截面，增大APS比值可提高其扭轉剛度。與上述閉環(huán)情況相反，對于任意開環(huán)截面，增加壁厚為提高其扭轉剛度的最佳方案，但開環(huán)的扭轉剛度遠遠小于閉環(huán)。2.3純電動汽車的主要性能評價電動車的性能指標一般包括：驅動性能、駕駛性能、車載能源系統(tǒng)性能等三部分，其中驅動性能取決于電機功率因素，車載能源系統(tǒng)性能取決于電池的容量，駕駛性能指標主要包括：最高車速性能、加速性能、最大爬坡性能、剎車性能及駕駛里程性能等駕駛模式，駕駛性能指標的優(yōu)劣取決于控制系統(tǒng)駕駛模式的技術。（1）最高車速。即汽車行駛時所能達到的最高車速。一般電動汽車要求最高時速120km/h。而實際上最高車速是由城市實際工況決定的。在城市區(qū)域行駛的車輛一般在60km/h左右。電動汽車的最高車速主要取決于驅動電動機、最小減速比和所配蓄電池的電壓等級，由于這些部件均與其重量、體積有關，即直接決定了車身車載重量及制造成本。根據(jù)現(xiàn)有的電動汽車及其配套部件的技術水平，隨著純電動汽車的最高車速等級不同，其制造成本將呈指數(shù)級上升。按技術與經(jīng)濟互促的良性循環(huán)發(fā)展規(guī)律，只能在電動汽車相關技術的進一步發(fā)展的前提下再相應的提高其最高車速指標。(2)加速性能。通常用汽車加速過程中的加速度、加速時間和加速距離來評價。純電動汽車的加速性能通常用從靜止加速到50km/h（或96km/h),以及從40km/h加速到100km/h所需要的時間。其加速性能除了由汽車慣性矩及傳遞到驅動軸上的轉矩決定外，還受其傳動鏈形式、變速形式、換擋程序及時間、車輪滑行量等因素的影響。對純電動汽車而言，加速性能主要取決于電動機的啟動性能和短時過載能力。(3)爬坡能力。是指汽車在良好的路面上，以最大驅動力形式所能爬行的最大坡度。其坡度用坡高與相應的水平距離之比來表示，其單位用百分比（%）來表示。純電動汽車一般要求最大爬坡度20%。通常坡度不大時利用電動機的最大轉矩特性和短時過載能力爬坡。(4)能量利用效率。純電動汽車的能量利用效率是指汽車以某一特定速度行駛一定距離所消耗的總能量，通常用每千瓦時所能行駛的公里數(shù)（km/kw?h)來表示。純電動汽車的能量利用效率一般要比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車高30%-40%。(5)續(xù)行里程。續(xù)行里程表示電動汽車一次充滿電（或儲能）能夠行駛的最大里程數(shù)。這是考核純電動汽車性能的一個重要指標，它主要決定了所配電池的容量及其性能，并與驅動輪的發(fā)電回饋有關。(6)車載電源系統(tǒng)里程壽命。這主要是針對純電動汽車性能的重要指標。它反映了所配電池的使用壽命。即所配電池最多能行駛的里程數(shù)。2.4本章小結本章對純電動汽車的基本結構作了簡要的介紹，并對電力驅動控制系統(tǒng)如電子控制器、功率轉換器、電動機、機械傳動裝置的功能作了較為詳細的介紹，并對純電動汽車的關鍵技術如電機及控制技術、電池及管理系統(tǒng)、輕量化技術進行較深入的探討。本章最后詳細介紹了純電動汽車的主要性能評價指標。第3：章純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設計3.1微型電動汽車動力傳動系統(tǒng)匹配簡介 電動汽車的心臟是它的驅動電機，其性能必須符合汽車的動力性需求。電動汽車的動力性主要由三個指標來評定4：汽車的最高車速；汽車的加速時間和汽車的最大坡度。對電動汽車的傳動系統(tǒng)進行匹配設計，不僅能實現(xiàn)電動汽車的優(yōu)化的動力性能，還能提高系統(tǒng)效率、延長電動汽車的續(xù)駛里程。對提高整車的動力性能指標和經(jīng)濟性能指標具有重要的現(xiàn)實意義。匹配設計流程圖如圖3.1所示。首先需要在明確行駛工況及設計目標的基礎上確定動力性要求；然后進行初步設計，初步設計中需要確定電機的性能要求及傳動比；此后再進行性能校驗，從最高車速、最大爬坡度、加速性能判斷傳動系統(tǒng)的設計是否能夠達到動力性要求，如若不能達到要求，則重新設計，若能達到設計要求則進行下一步；最后進行能量源的匹配設計，主要是對電池的選擇。圖3.1匹配設計流程圖3.1.1微型電動汽車動力傳動系統(tǒng)布置方式電動汽車與燃油汽車的主要區(qū)別在于它們的驅動系統(tǒng)不同，電動汽車結構各式各樣，盡管大多數(shù)的電動汽車參數(shù)是從發(fā)展成熟的燃油汽車體系中借鑒的，但電動汽車的機構和許多性能和技術參數(shù)有它本身的特征。電動汽車的組成部分的位置比普通發(fā)動機位置布置更靈活、更多樣化，既可組合，也可分開，更能使整車質(zhì)量分配合理，結構緊湊，完全突破了普通發(fā)動機位置相對固定的設計方案。（1）現(xiàn)代高性能的電動汽車通常是專門設計制造的，與燃油汽車相比，電動汽車的機構特點是靈活，這種靈活性源于電動汽車具有以下幾個獨特的特點2：（2）電動汽車的功率傳遞主要通過柔性的電線而不是通過剛性聯(lián)軸器，因此，電動汽車各部件的布置具有很大的靈活性；電動汽車驅動系統(tǒng)的布置不同（如獨立的四輪驅動系統(tǒng)和輪轂電動機驅動系統(tǒng)等）會使得系統(tǒng)結構區(qū)別大，采用不同類型的電動機會影響電動汽車的質(zhì)量，尺寸和形狀；不同類型的儲能裝置也會影響電動汽車的質(zhì)量、尺寸和形狀。另外，不同的補充能源裝置具有不同的硬件機構，例如蓄電池可通過感應式和接觸式的充電機充電，或者采用替換蓄電池方式，將替換下來的蓄電池再進行集中充電?，F(xiàn)代電動汽車很多采用三相感應電動機，相應的功率轉換器采用脈寬調(diào)制控制器，機械變速傳動系統(tǒng)一般采用固定速比的減速器。典型的結構組成如圖3.1所示。綜上所述，某公司FA車型選用圖3。2所示結構，這種結構在微型電動車上應用最普遍。其中電動機固定速比減速器和差速器集成一個整體，取代原來發(fā)動機的位置，兩根半軸連接驅動車輪；電機控制器、DC/DC，整車控制器放置于電機上，通過焊接鐵架用于固定；8個6V鉛酸蓄電池放置于座位底下。這種布置形式蓄電池橫向分散，可以保證車廂有較大的乘坐空間。代表車型是豐田汽車公司的RAV4-EV，采用同樣布置的還有EV-PLUS，電動機前置。圖3.2電動汽車主要部件布置圖3.1.2各種驅動電機概述電動汽車的驅動電動機通常要求能夠頻繁地啟動/停車、加速/減速，低速或爬坡時要求高轉矩，高速行駛時要求低轉矩，并要求變速范圍大；而工業(yè)驅動電動機通常優(yōu)化在額定的工作點。因此，電動汽車驅動電動機比較獨特，應該單獨歸為一類。它們在負載要求、技術性能以及工作環(huán)境等方面主要歸納如下：（1）電動汽車驅動電動機需要45倍的過載以滿足短時加速行駛與最大爬坡度的要求；而工業(yè)驅動電動機只要求2倍的過載就行了。（2）電動汽車驅動電機應根據(jù)車型與駕駛員的駕駛習慣進行設計，而工業(yè)驅動電機通常只根據(jù)典型的工作模式進行設計即可。（3）電動汽車驅動電動機要求有高的功率密度和好的效率圖（在較寬的轉速和轉矩范圍內(nèi)都有較高的效率），從而能夠降低車重，延長續(xù)駛里程；而工業(yè)用電動機通常對功率密度、效率及成本進行綜合考慮，在額定工作點附近進行優(yōu)化。（4）電動汽車驅動電動機往往被安裝在機動車上，空間小，工作在高溫，壞天氣及頻繁振動等惡劣的條件下，而工業(yè)用驅動電動機通常在某個固定的位置工作。動力性能是指汽車在各種力作用下的動態(tài)特性，以及動態(tài)特性對汽車使用性能的影響。電動汽車中驅動電機是電動汽車關鍵部分，其性能決定著電動汽車動力性能的好壞。以下為采用數(shù)字評分方法比較的幾種電機的性能，主要對電動機六個方面的性能加以評價，每個性能的得分為15分。表3.1給出了比較結果，從表中可以看出，感應電機是比較容易接受的。如果永磁同步電動機的成本下降，其技術更加成熟時，這種電動機將是最受歡迎的。傳統(tǒng)的直流電動機似乎在失去其競爭力，但開關磁阻電機和永磁混合電動機在電動汽車上的應用將有更大的發(fā)展?jié)摿?。?.1各種驅動電動機性能比較3.2電機匹配理論分析3.2.1微型電動汽車動力性要求及分析電動汽車的動力性主要由三個指標來評定1：汽車的最高車速；汽車的加速時間和汽車的最大坡度。動力性要求如表3.2所示，整車參數(shù)如表3.3所示。汽車的最高車速：燃油汽車的最高車速大于120km/h，對于電動車來講，由于電池容量的限制，最高車速一般較低。一般車輛市區(qū)行駛速度大多在4050 km/h，市區(qū)限速20 km/h。故FA電動車最高車速選擇在65km/h。表3.2 FA電動汽車動力性要求最高車速（Vm） 最大爬坡度（) 040加速時間(tf)65km/h 23% 10s最大坡度行駛工況：燃油汽車的最大坡度不小于60%。我國某些港口、旅游觀光勝地以及內(nèi)地山城的城區(qū)郊區(qū)的坡度較大。根據(jù)我國的公路路線設計規(guī)范，高速公路平原微丘區(qū)最大縱坡為3%，山嶺重丘區(qū)為5%；一級汽車專用公路平原微丘區(qū)最大坡度為4%，山嶺重丘區(qū)為6%，一般四級公路平原微丘區(qū)為5%，山嶺重丘區(qū)為9%；據(jù)文獻測試泰安上泰山的汽車公路做的實地考測2，坡度在1