0目 錄第1章 緒論 11.1 電動汽車概述 11.1.1 什么是電動汽車 .11.1.2 電動汽車的特點 .11.2 研究電動車的目的和意義 21.2.1 研究電動汽車的時代背景 .21.2.2 國外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 .41.2.3 國內電動汽車發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢 .41.2.3 我國發(fā)展電動汽車具有特殊的意義 .61.3 本論文的主要內容 6第2章 電動汽車及其相關技術 .72.1 電動汽車的基本結構 72.2電動汽車電力驅動子系統(tǒng)的結構形式 .82.3 電動汽車的動力蓄電池和動力電機 102.3.1動力蓄電池組及其管理系統(tǒng) 102.3.2動力電機及其控制原理 122.4 本章小結 14第3章 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的總體設計及參數(shù)的匹配 153.1 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的方案設計 153.2 電動汽車功率流分析 163.3 電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)設計 173.3.1 車輛參數(shù) .173.3.2 傳動機構布置方案 183.3.3 驅動電機匹配 183.3.4 變速器傳動比參數(shù)選擇 203.3.5 變速器齒輪設計計算 .213.3.6 主減速器齒輪設計計算 .233.3.7 各齒輪參數(shù) .2413.3.8 變速器傳動軸設計計算 .243.3.9 軸承的校核計算 .283.4蓄電池的選擇 .303.5本章小結 .33參考文獻 34致 謝 36234560第1章 緒論1.1 電動汽車概述1.1.1 什么是電動汽車從車輛定義上來講，電動汽車是以車載電源作為動力輸出源，用電動機把電能轉換成驅動車輪轉動的機械能的機動車輛。電動汽車目前分成三類：混合動力電動汽車、燃料電池電動汽車和純電動汽車。本文僅研究純電動汽車，以下所提電動汽車如果沒有特別指出都是純電動汽車。對我們的生活來講，電動汽車就不只是我們的代步工具那么簡單了，它集合了新能源、新材料、新技術，可以說是現(xiàn)代高科技技術產(chǎn)品。并且，它還可以實現(xiàn)我們節(jié)約資源，保護環(huán)境的迫切愿景，是未來汽車的科研方向。1.1.2 電動汽車的特點（1）可用能源豐富電動汽車使用的電能來源廣泛，并且可以由許多可再生能源獲得，例如太陽能、風能、潮汐能等，對石油的依賴性低。另一方面，可以在晚上給蓄電池充電，避開了日間用電高峰，還可以節(jié)約電費。（2）零污染或者低污染由于電動汽車使用蓄電池驅動汽車，汽車工作過程中無排放，避免了內燃機汽車排放尾氣的缺點。雖然在電廠發(fā)電過程中也會產(chǎn)生各種污染物，而且蓄電池的生產(chǎn)也會帶來污染，但是與內燃機汽車的排放相比要輕得多。（3）運行平穩(wěn)，低噪聲由于電動汽車沒有發(fā)動機，不會發(fā)出傳統(tǒng)汽車工作時的震動和噪聲。因此電動汽車即使在高速運行時也不會給人帶來不適感。（4）部件布置多樣化，維修方便電動汽車動力傳統(tǒng)系統(tǒng)部件間的連接大多是柔性的電線連接，不完全需要機械連接，各部間的布置可以根據(jù)需要進行靈活安排。電動汽車的部件維修保養(yǎng)工作量小，有些部件甚至無需維護。（5）能量利用率高1電動汽車以電能作為動力源，由于電流比機械傳遞能量損耗小，因此電動汽車能量利用率可以到80%。即使在考慮油井-車輪的情況下，最終能量轉換率也可以到29%左右，而內燃機汽車在考慮各種工況下工作時能量轉換率不足12%。1.2 研究電動車的目的和意義1.2.1 研究電動汽車的時代背景而今人們常常將EV稱為“新能源汽車”，其實EV的出現(xiàn)時間比內燃機汽車更早。1834年Thomas Davenport發(fā)明了第一輛電動三輪車，比1885年德國的 Karl Friedrich Benz制造出天下上第一輛以汽油為動力的三輪汽車還早51年。上世紀末本世紀初，曾是EV 十分繁榮的時期，1890年全天下汽車保有量約為4.2k輛汽車，此中38%為EV ，40 %為蒸汽機汽車，其余為內燃機汽車。1911年巴黎和倫敦有電動出租汽車運營。1912年在美國有3.4萬輛EV。1907年底特律電氣公司出產(chǎn)的EV最高車速達40km/h。可是，由于EV采用的蓄電池質能比低，使用周期短，汽車的續(xù)駛里程、動力性與價錢都無法與快速進步的內燃機汽車相比。特別是Ford于19世紀初做到了大批量出產(chǎn)汽車，T型車的最大功率 20馬力，最高車速72km/h，一開始的價格只有825美元，到了1921年，價格便宜了565美元，將US推到汽車遍地都是的時期。到19世紀20年代EV基本上競爭不過內燃機汽車，汽車消費者更喜歡了內燃機汽車?？梢哉f這是EV的“一起一落”。到20世紀70年代，普天之下出現(xiàn)了3次石油危機，使EV第二次受到青睞。80年代GM 、Ford和Toyota、Honda均開發(fā)了EV 。在 20世紀前，全天下賣了EV大約60000輛，大概占世界上汽車保有量6億輛的萬分之一。在這之中GM的EV1電動車代表性十分強，使用兩級減速的三相交流感應電動機作為驅動系統(tǒng)，裝有20余塊德科VRLA鉛酸電池，造型悅目，低風阻，加速性優(yōu)良， 0～96km/h在9s以內提速完成，續(xù)航里程在120km-160km。但是EV1到最后只制造了1117輛，非?？上У赝顺隽藲v史舞臺。到21世紀，在石油的價格一直上漲和環(huán)保意識不斷提高的背景下，EV又等到了第二春，EV再一次被推送到人們的視野中。在布什執(zhí)政時代，美國人將研究重點放在氫燃料電池汽車上，但由于燃料電池造價昂貴等問題，短期內沒有產(chǎn)業(yè)化的資本而胎死腹中。Toyota卻在HEV 上取得了重要成果，有電池與電機2參與工作的普銳斯汽車取得了不錯成就，燃油耗損得到良好解決并已在世界上賣了300多萬輛。緊跟著研究人員又將精力放到純EV，由于質能比高于鉛酸電池3-4倍的新型鋰離子電池的問世，人們好像又找到了不靠石油、干凈無污染的純EV的進展。海內外大量汽車企業(yè)與電池企業(yè)合作開展了新一輪 EV研發(fā)與試驗的熱潮，可以說這是EV的“三起”吧。能源危機和環(huán)境危機已經(jīng)是當今天下列國發(fā)展必須解決的現(xiàn)實危機。隨著化石能源的減少和環(huán)境的惡化，人們越來越需要能耗少、污染小、效率高的新型交通工具。純EV作為以后最具潛力的交通運輸工具正快速發(fā)展，并且在天下列國都倡導并進行政策服務。我國在汽車行業(yè)方面發(fā)展較晚，與其它汽車工業(yè)發(fā)展成熟的國家比較之下難免落伍，特別是在發(fā)動機、變速器等關鍵零部件技術層面沒有掌握核心技術。雖然我國汽車年產(chǎn)銷已經(jīng)突破1800萬輛，是名副其實的汽車大國，但是我們面臨的是大而不強的局面，很是尷尬！想要成為汽車工業(yè)強國，那么我國汽車工業(yè)必須具有前瞻性，發(fā)展未來技術儲備，研發(fā)更高效能新能源汽車，尤其是純EV，爭取掌握新一輪天下汽車市場競爭的主動權。人類發(fā)明了汽車，給我們的生活帶來了極大便利，但是汽車也是一把雙刃劍，如何使用關系著人類社會未來的發(fā)展。權且放下我們國家的汽車技術落后于其他國家汽車技術的事實，國內外汽車行業(yè)都遇到的攔路虎：環(huán)境污染和石油缺乏。這兩個問題對當下發(fā)展快速的汽車行業(yè)產(chǎn)生了不小的沖擊，同時石油資源在世界范圍內的分布不均使各國之間摩擦增大，導致一些國家動蕩不安，民不聊生。傳統(tǒng)汽車對外界的影響主要是排放的尾氣，還有發(fā)動機產(chǎn)生的噪聲。工業(yè)化和現(xiàn)代化的時代發(fā)展推動了鋼筋水泥叢林的出現(xiàn)，使得汽車內燃機產(chǎn)生的污染物難以擴散，城市里人類生活區(qū)域內空氣污染嚴重。另外，燃油汽車的內燃機是巨大的噪聲來源。據(jù)統(tǒng)計，都市中80%的噪聲污染來自燃油汽車，我國約莫2/3的人口生活在比較高的噪聲環(huán)境中，此中有29%的人們的生活是在不堪忍受的噪音中度過的。自從我國加入WTO，汽車行業(yè)發(fā)展速度變快，但汽車保有量也因此提高，噪聲和環(huán)境污染更加嚴重，我國人民的健康受到威脅。燃油汽車面對著另一個難題，石油資源短缺。石油作為能源和它豐富的衍生物都可以在汽車上產(chǎn)生用途，造成傳統(tǒng)汽車行業(yè)對石油十分依賴。據(jù)統(tǒng)計，從1950年到2010年全球汽車保有量增加近12倍，如此多的汽車需要的石油量可想而知。據(jù)調查，全世界石油儲量可開發(fā)不足五十年，而我國近些年汽車行業(yè)成長特別快，對石油的需求3一直增長，故思量到社會太平和持續(xù)發(fā)展我國要從外國采辦石油。預計到2012年我國的汽車石油年消耗量將突破8000億噸，故解決能源問題在我國刻不容緩。恰是由于傳統(tǒng)汽車帶來了環(huán)境和能源問題，在這樣的情況下，很多國家都在加緊研發(fā)新能源汽車，而純EV零排放、使用便利、構造相對簡單等優(yōu)點獲得公眾的承認，被稱為真正的“綠色汽車”，故自上個世紀90年代后，發(fā)展EV被看作解決當前問題的重要路子，可減輕我國石油需求壓力、阻止都市環(huán)境惡化、加強汽車企業(yè)競爭力等方面。所以，研發(fā)純EV可以解決傳統(tǒng)汽車造成的環(huán)境和資源問題。從能源方面思量，EV使用的能源是一種可靠的、來源廣泛的、均衡的、對環(huán)境友好的能源。從環(huán)境方面思量，純EV在都市交通中可實現(xiàn)零排放或極低排放?？v然思量到給這些EV供應能量的發(fā)電廠的排放，使用EV仍能明顯減輕全球的環(huán)境污染。因此能預測到，研究開發(fā)純EV將對能源、環(huán)境、交通以及尖端技術的發(fā)展，新型工業(yè)的建立和經(jīng)濟的成長造成巨大而長遠的影響[1,2,3]。1.2.2 國外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢早在1930年就有外國人開始研究電動汽車。1834年Thomas Davenport發(fā)明了第一輛電動三輪車，比1885年德國的 Karl Friedrich Benz制造出天下上第一輛以汽油為動力的三輪汽車還早51年。1881年，一個法國工程師也研究了一輛電動汽車，與最早的電動車的區(qū)別在于，最早的電動車采用干電池作動力，而這輛采用了可充電的鉛酸電池。后來過了五年出現(xiàn)了有軌電車，電動汽車隨之興盛。19世紀末期，英法美多家公司開始研究電動汽車。此時電動汽車代表著那時候車輛工業(yè)的最高技術水平。在美國，機動車市場被電動汽車牢牢把控。但是，因為當時的電動汽車的各種性能指標都比不上內燃機汽車，汽車起動機被發(fā)明后，電動汽車在市場上的銷量急劇下降，到1930年可以認為其退出了機動車市場。因為世界上石油資源有限，并且分布不均，終于在上世紀70年代爆發(fā)了中東戰(zhàn)爭。所以很多國家為了降低對石油的依賴對電動汽車投入了很大的精力。再加上人們環(huán)保意識的提高，電動汽車煥發(fā)第二春。上世紀末期，美國三大公司簽訂協(xié)議成立USABC，一起研發(fā)電動汽車電池。1971年，Toyota 也開始加入電動汽車行列，并研發(fā)出一系列的電動汽車，就在這一年還研發(fā)出了PriusHEV，并于1997年投入市場。41.2.3 國內電動汽車發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢我國最早在1920年出現(xiàn)了電動汽車，但是由于當時條件、技術都不成熟，研究不得不中止。60年代初，國內石油匱乏，為了解決能源問題，電動汽車的研究趨勢又興盛起來。1962年，上海公用事業(yè)研究所研究開發(fā)出了滿載質量為968kg的SWD-S2 電動汽車。70年代，電動汽車的研究在北京、上海、河南、廣州、武漢等地開始進行，有試制樣車進行試驗，但因為資本、人力的分配不好協(xié)調，研究沒有繼續(xù)下去。80年代，我國改革開放，一切百廢待興。政府對基本情況有了更加清楚地了解，科技水平落后，能源短缺，與世界人均擁有量相差甚遠。另一方面，能源匱乏和環(huán)保問題隨著汽車保有量的上升愈加嚴重。因此電動汽車的研制被政府提上日程。同時，政府還出臺相關電動汽車的技術標準，提供政策支持。1993年，香港大學研發(fā)出配置功率45Kw的電動機和264V鎳蓄電池的U2001微型電動汽車；1996年，中國遠望集團研制了最高時速可達90km／ h的YW6 —120DD大客車。2001年，科技部啟動電動汽車重大科技專項。7年時間過去了，這個科技專項得到了長足發(fā)展，像汽車關鍵技術、系統(tǒng)集成技術與整車技術都有了空前的進步。各種電動汽車通過了認證試驗，已經(jīng)進入實用化考核階段。我國電動汽車行業(yè)正在向成熟產(chǎn)業(yè)化成長階段靠攏。2008-2010年期間奧運會和世博會對電動汽車需求巨大，因此國內加快研發(fā)進程，奧運會期間就使用了新型鋰離子電池純電動客車，屬于國際電動大客車的先進水平。2010年8月，16家中央直屬國有企業(yè)成立聯(lián)盟，共同參與電動汽車的研發(fā)。參與各方分為：整車廠和電動汽車制造廠家：一汽集團、東風、中國東方電機集團等；電池廠家：中海油集團、有色金屬研究院、中國航空工業(yè)集團等；電池充電站建設單位：國家電網(wǎng)、中國南方電網(wǎng)，中石化等。緊接著東風汽車公司宣布，將在5年內陸續(xù)投入30億元專項資金，用于節(jié)能與新能源汽車的技術研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過持續(xù)快速發(fā)展，我國電動汽車逐步累積起自己的研發(fā)能力，整車產(chǎn)品性能得到提升。電動汽車產(chǎn)業(yè)在國內已經(jīng)形成了較為合理的行業(yè)創(chuàng)新布局體系。通過自主創(chuàng)新和圍繞電動汽車、混合動力汽車、清潔燃料汽車等領域進行研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)新，取得自主知識產(chǎn)權的專利和科研成果20多項。幾項關5鍵性的技術已經(jīng)取得了重大突破，某些方面甚至走在了世界同行的前面，處于國際先進水平。如比亞迪自主研發(fā)生產(chǎn)的ET-POWER鐵電池，不會對環(huán)境造成任何危害，可以使用220V 民用電源進行充電，在專用充電站上僅需15分鐘左右就可充滿電池80％的電量。該電池在使用循環(huán)2000次后，容量仍可維持在80％以上，基本實現(xiàn)了與整車同壽命。1.2.3 我國發(fā)展電動汽車具有特殊的意義雖然我國汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展令世界驚嘆，但是起步晚，沒有經(jīng)驗只能摸著石頭過河，發(fā)達國家壟斷核心技術，想要追上發(fā)達國家特別困難。但是電動汽車是近些年的新興技術產(chǎn)品，在技術研發(fā)上我國和發(fā)達國家基本上同線起跑。這不僅是挑戰(zhàn)，更是百年難得一遇的機遇，我們必須抓住這次機會，攻克電動汽車的核心技術，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，不僅要做大，更要做強，這樣才能擁有主動權，不依賴外國技術，形成自己的品牌，在全球汽車行業(yè)中占有重要一席。另外，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，已經(jīng)成為世界第二大經(jīng)濟體，同時我國也成為了世界上最大的能源消耗國 【7】 。我國能源匱乏，石油、天然氣人均資源僅為世界平均水平的1／15左右 【8】 ；化石能源的使用使得環(huán)境污染嚴重，直接影響著生態(tài)平衡和人們的健康。發(fā)展電動汽車實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有效解決環(huán)境問題和能源問題，保證國家能源和環(huán)境安全，對實施節(jié)能減排與國家能源戰(zhàn)略具有重要意義。1.3 本論文的主要內容(1)本文介紹了電動汽車的基本結構、不同電力驅動子系統(tǒng)的具體結構形式、電動汽車動力總成。分析了目前用于電動汽車上的動力蓄電池和動力電動機的各種性能指標及其相應的管理控制系統(tǒng)。(2)介紹了電動汽車的主要參數(shù)，對電動汽車各種工況下的受力進行了分析，根據(jù)車輛動力學原理建立了車輛整車動力學模型。(3)根據(jù)設計目標，對電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設計提出了合理設計方案，并對該方案進行了分析。依據(jù)車輛的動力學模型和電動機功率、傳動比和電池組容量等參數(shù)設計的原則和方法，對電動汽車動力傳動系統(tǒng)的這些參數(shù)進行了相應的數(shù)學建模，并對動力傳動系統(tǒng)的主要部件進行了合理選型和動力傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)進行合理的選擇和匹配。6第2章 電動汽車及其相關技術電動汽車的動力傳動系統(tǒng)與傳統(tǒng)內燃機汽車的動力傳動系統(tǒng)有很大區(qū)別。電動汽車的動力傳動系統(tǒng)包括蓄電池、動力電機、變速器等部件，去除了傳統(tǒng)內燃機汽車中的發(fā)動機、發(fā)動機附件，離合器和部分機械傳動部件。然而，電動汽車高性能的獲得不僅僅是將傳統(tǒng)內燃機部件換成現(xiàn)代電動汽車所需的部件，而是要根據(jù)現(xiàn)代電動汽車的特點進行合理設計，對電動汽車各部件進行合理布置，對動力傳動系統(tǒng)中各個部件進行合理選型，并對主要參數(shù)進行匹配、優(yōu)化 【9】 。2.1 電動汽車的基本結構電動汽車用電能驅動，與傳統(tǒng)汽車不同的是它通過柔性的電線傳遞能量，只有部分零部件采用剛性機械結構。因此電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車相比，各部件布置起來更加方便多樣，提高了汽車整體的空間使用率?，F(xiàn)代電動汽車的基本結構主要有三個子系統(tǒng)組成，即電力驅動子系統(tǒng)、主能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng) 【9】 ?，F(xiàn)代電動汽車很多采用交流感應電動機，相應電動汽車的典型結構組成如圖2.1所示。7圖2.1 電動汽車的典型結構附注1：雙實線表示部件間剛性連接，粗實線表示部件間柔性電線連接，細實線表示部件間信號控制連接，箭頭方向表示部件間電流和控制信號流向。電子控制器根據(jù)外界輸入的信號發(fā)出指令控制功率轉換器。如果同時收到加速與制動信號同時輸入，優(yōu)先響應制動信號。功率轉換器用來調節(jié)電動機和電源之間的電流頻率和幅值。一方面可以把將蓄電池產(chǎn)生的直流電轉換成交流電，這樣電動機就可以工作輸出機械能，另一方面，發(fā)電機可以回收減速制動時的能量為蓄電池充電。充電系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)一起可以實時監(jiān)測并控制蓄電池的使用，確保蓄電池能夠不出問題，還可以保護蓄電池。輔助動力源為溫度控制單元、動力轉向、制動等輔助系統(tǒng)提供能量。2.2電動汽車電力驅動子系統(tǒng)的結構形式電力驅動子系統(tǒng)的功能是把蓄電池與車體有效連系起來 【10】 。電力驅動子系統(tǒng)像中轉站一樣，把電能轉換成機械能輸出給車輪驅動車輛前進，可以說是電動汽車的核心系統(tǒng)，所以這個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣幾乎決定了整個汽車的優(yōu)劣?，F(xiàn)在比較常規(guī)的幾個電力驅動子系統(tǒng)有四種布置，如圖2.2所示 【11】 。第一種類型如圖(a )所示，與發(fā)動機前置前驅的傳統(tǒng)汽車的傳動系統(tǒng)構造相似，其組成包括差速器、變速器、離合器和電動機。8圖2.2 電驅動的結構形式第二種類型如圖(b)，(c )所示，電動機具有較大的起動轉矩和較寬的調速性能，去掉離合器，安裝固定速比的減速器，這樣可減少機械傳動裝置、減小電動汽車的整備質量，增大車內空間。這種電動汽車電力驅動子系統(tǒng)的結構由電動機、固定速比減速器和差速器組成。這些部件有兩種布置形式：第一種形式如圖(b)所示，各部件之間存在中間機械傳動裝置；第二種形式如圖(c)所示，同傳統(tǒng)內燃機汽車發(fā)動機橫向布置，前置前驅的布置方式相似，把電動機、差速器和固定速比減速器這三個部件集成為一個整體，通過兩根半軸直接與驅動輪相連接，少了一些中間機械傳動部件，這種結構形式最近幾年在小型電動汽車上應用最普遍。第三種類型如圖(d)，(e )所示，雙電動機結構。這種結構可以實現(xiàn)電子差9速，因為，兩個驅動輪由各自的電動機分別驅動，每個電動機的轉速可以通過各自的固定速比減速器獨立的調節(jié)控制。因此，采用該種結構的電動車輛不存在機械差速器。同樣這種類型的結構和第二種類型一樣也有兩種布置形式，第二種形式如圖(e )所示，和第一種形式圖 (d)差別并不很多，只是第二種形式電動機直接裝在車輪里面，進一步縮短動力從電動機傳到驅動車輪的傳遞路徑。另外，為了提供車輪理想的轉速，可以在電動機和驅動車輪之間裝行星齒輪變速器(固定速比)。它不但能提供大的減速比，而且還能將動力輸入軸和輸出軸布置在一條軸線上 [12]。第四種類型如圖(f)所示，是一種采用輪轂電動機的電力驅動子系統(tǒng)結構。這種結構的電動汽車使用低速外轉子電動機，電動機的外轉子直接安裝在車輪的輪緣上，徹底去掉了減速器、差速器等機械傳動裝置。電動機的轉速和電動汽車的車速控制完全取決于電動汽車的轉速控制器。2.3 電動汽車的動力蓄電池和動力電機電動汽車能有效地解決現(xiàn)代社會所面臨嚴峻的能源問題和環(huán)境問題，實現(xiàn)人和社會和諧發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。電動汽車是多種技術的融合體，是現(xiàn)代各種學科的集中體現(xiàn)。發(fā)展、普及電動汽車必須解決以下幾點關鍵技術：動力蓄電池組及其能量管理系統(tǒng)、電動機及其控制系統(tǒng)。2.3.1動力蓄電池組及其管理系統(tǒng)動力蓄電池組為電動汽車的能量源，是主能源子系統(tǒng)的核心部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到整車性能。因此，電動汽車對車載電源的要求較高，基本要求是：連續(xù)放電率高、自放電率低、充放電性能好；能量密度高、功率密度高、充電時間短；循環(huán)壽命長、使用安全可靠；溫度特性好；一致性好；成本低、免維護，無污染，可回收性好等。a、目前電動汽車上常用的幾種動力蓄電池及其特點：(1)鉛酸蓄電池(Lead-Acid)經(jīng)過一個多世紀發(fā)展的鉛酸蓄電池技術成熟、具有功率密度高、價格便宜、可靠性好，大電流放電性好，原材料豐富及鉛的回收率高等優(yōu)點，在電動汽車發(fā)展早期得到了廣泛應用。但是其能量密度小、過充電和過放電性能差、易自放電、壽命短加上鉛對人體有毒等缺點，正逐漸被性能高的蓄電池所取代。(2)鎳鎘蓄電池(Ni-Cd)10鎳鎘蓄電池是一種堿性蓄電池，其技術成熟、功率密度高、工作電壓穩(wěn)定、過充電和過放電性能好、充電容易、使用壽命長，維護方便等優(yōu)點。但是其比能量低、價格高、耐溫性差、有記憶性，加上重金屬鎘有劇毒，報廢后對環(huán)境造成污染等缺點，限制了鎳鎘蓄電池的推廣應用。(3)鎳氫蓄電池(Ni-MH)鎳氫蓄電池和鎳鎘蓄電池一樣是一種堿性蓄電池，但不一樣的是鎳氫蓄電池不存在重金屬的污染，被稱為“綠色蓄電池“。鎳氫蓄電池具有較高的能量密度和功率密度、過放電和過充電性能好、低溫性能好、使用壽命長，并可以實現(xiàn)快速充電等優(yōu)點 【13】 。除去其成本較高，不如鎳鎘電池成熟，其它性能均優(yōu)于鎳鎘電池。因其良好的性能對用戶具有很強的吸引力，鎳氫電池正逐步取代鎳鎘電池[91。鎳氫電池的續(xù)駛里程和使用壽命是鉛酸電池的兩倍，其能量密度和峰值功率密度在實際使用中較高，在目前已經(jīng)上市的混合動力電動車輛中，大多數(shù)都采用鎳氫電池，大有后來者居上的趨勢 【14】 。(4)鋰離子蓄電池(Li-Ion)鋰離子蓄電池和鋰聚合物電池受到美、日、歐等電動汽車研究者的高度重視，其具有能量密度高、充電效率高、工作電壓高、估計剩余電量容易等優(yōu)點。在能量密度、放電率、充放電壽命及密封性等方面均滿足了USABC(美國先進電池聯(lián)合體)的中期目標，具備優(yōu)良的電動汽車車用電池的性能。但是，鋰離子蓄電池存在快速充、放電性能差、低溫性能差，過充、放電保護差；初始投入費用高，價格高等缺點。(5)鋅-空氣蓄電池(Zinc— air) 鋅一空氣蓄電池，發(fā)明于1995年已有上百年的歷史。美國及西歐的德國、瑞典、荷蘭等國家均在電動汽車上積極推廣該電池的應用。鋅一空氣蓄電池以堿性氫氧化鉀為電解質，其具有比能量高、具有大電流持續(xù)放電的能力、自放電效率低、使用性能穩(wěn)定、安全性好、快速的機械方法充電、不會造成污染環(huán)境，原材料能回收重新利用等優(yōu)點而被看好。缺點是不能利用再生制動回饋能量 【9】 。另外，其釋放能量的速度緩慢、功率密度低，這些缺點限制了其快速發(fā)展。表2.1給出了USABC的中期目標 【15】 和常見幾種蓄電池的主要性能指標 【16】 。11表2.1 各種蓄電池的主要性能指標b、能源管理系統(tǒng)為了避免電池在使用過程中過度充、放電和蓄電池組件之間的電壓不平衡等因素對蓄電池的損害，優(yōu)化使用電池能量，延長電池的使用循環(huán)壽命，必須對蓄電池的電壓、電流和溫度指示等指標進行實時監(jiān)控。蓄電池的能量管理系統(tǒng)實際上是以微處理器為核心的電子控制單元，其主要功能：(1)利用各種傳感器對使用過程中的蓄電池參數(shù)進行檢測。檢測的物理量包括：蓄電池的電壓、電流、溫度，充放電狀態(tài)和放電深度等；(2)根據(jù)傳感器獲得的數(shù)據(jù)估計電池的剩余能量，即估計荷電狀態(tài)SOC值；(3)進行充放電的控制，根據(jù)檢測的蓄電池參數(shù)，系統(tǒng)自動控制蓄電池的充放電狀態(tài)，保證蓄電池的正常使用及其性能的穩(wěn)定安全；(4)通過對電池測溫點的數(shù)據(jù)進行實時采集，控制電池的溫度，對電池進行熱管理，防止電池溫度過高；(5)根據(jù)電池各種數(shù)據(jù)的采集，能預測電池的各種性能，出現(xiàn)故障能提前報警；(6)通用整車的通信協(xié)議，信息進行共享，將電池的主要信息進行實時顯示等。2.3.2動力電機及其控制原理動力電機的主要任務是將儲存在蓄電池中的電能高效率的轉化成能驅動車輪行駛的機械能，并能在車輪制動時將制動能回收給蓄電池進行充電。動力電機是電動汽車電力驅動子系統(tǒng)的核心部件，是電動汽車的動力源。電動汽車在行駛過程中起動、加速和減速等操作頻繁，因此對動力電機有著很高的要求。電動汽車要求動力電機具有高轉速、高電壓、體積小、質量輕；基速時具有較大的起動轉矩、較寬的恒功率范圍、較寬的調速性能；瞬時功率大、加速性好12、過載能力強；工作效率高、能耗低、能實現(xiàn)制動能量的回收；另外，動力電機還要求具有無驅動噪聲、良好的環(huán)境適應性、耐溫和耐潮性能強、可靠性好、壽命長；結構簡單，使用、維修方便，價格低，適合大批生產(chǎn)等特點。電動汽車常用的電動機的基本類型如圖2.3所示。圖2.3 電動汽車常用電機類型(1)直流電動機直流電機是使用最早的一種電動機，傳統(tǒng)上占據(jù)主導地位，其技術成熟、速度控制簡單、成本低；啟動轉矩和制動轉矩大，易于快速啟動和停車；調速范圍廣、方便，易于平滑調速。但是其笨重，重量和體積較大，可靠性差，需要定期進行維護；由于結構中存在電刷、換向器等磨損使得效率低，高速運行時還會產(chǎn)生火花，容易影響車上電子器件，制約了電機的最高轉速。(2)交流感應電機交流感應電機是目前電動汽車上應用較多的電機。其優(yōu)點是：結構簡單、堅固，成本低；免維護、工作性能穩(wěn)定、可靠性好，使用壽命長：較直流電機效率高、體積小、質量輕；轉矩脈動小、噪聲小、轉速極限高、響應快：設計和制造工藝成熟。交流感應電機的最大缺點是控制器結構復雜，且容易損壞。但是，隨著電子技術的發(fā)展和調速方法的改進，交流感應電動機的調速性有較大的改善，逐漸趕超了直流電機。該電機在現(xiàn)代電動汽車上己被廣泛應用。(3)開關磁阻電機開關磁阻電機結構簡單，使用安全可靠；低速轉矩大、起動轉矩高、起動電流?。恨D子無繞阻、工作效率高、調頻范圍寬。但是，因為開關磁阻電機有嚴重的轉矩脈動，使電機的振動高和噪聲大、非線性嚴重 [17]，控制器復雜、價13格高。該種電動機在現(xiàn)代電動汽車上應用極少。(4)永磁電機永磁電機因磁場由永磁材料產(chǎn)生，一般采用電流控制，其體積小、調頻范圍寬、功率密度和效率高、慣性低、響應快等，比較實用于現(xiàn)代電動汽車，呈現(xiàn)比較廣闊的應用前景。但是其價格昂貴，同時大功率的永磁電機做到體積小、質量輕很困難。隨著電子技術的不斷發(fā)展、進步，使得成本不斷下降，永磁電機是最具有前途的電動汽車動力電機。表2.2給出了幾種常用驅動電機基本特性的對比。表2.2各種電機的基本性能項目 直流電動機 感應電動機 永磁電動機 開關磁阻 電動機功率密度 低 中 高 較高過載能力(％) 200 300～500 300 300～500峰值效率(％) 85～89 94～95 95～97 90負荷效率(％) 80～87 90～92 97~85 78～86功率因數(shù)(％) 82～85 90～93 60～65恒功率區(qū) l：5 l：2.25 l：3轉速范圍(r／ min) 4000～6000 12000～20000 4000～10000 15000可靠性 一般 好 優(yōu)良 好結構的堅固性 差 好 一般 優(yōu)良電動機外形尺寸 大 中 小 小電動機質量 重 中 輕 輕控制操作性能 最好 好 好 好控制器成本 低 高 高 一般費用／軸功率($／kW) 10 8～12 10～15 6～102.4 本章小結本章重點介紹了電動汽車的基本結構及其布置方式。介紹并分析了不同電力驅動子系統(tǒng)的具體結構形式。詳細分析了目前用于電動汽車上的各種動力蓄電池和動力電動機的性能指標及其相應的管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。14第3章 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的總體設計及參數(shù)的匹配電動汽車性能的好壞主要取決于動力傳動系統(tǒng)的結構及其參數(shù)的選擇與匹配。通過第二章對一些常見電力驅動子系統(tǒng)結構的介紹，我們對動力傳動系統(tǒng)的結構和各部件的作用有了一個整體的認識。本章為了提高電動汽車的性能就整車動力傳動系統(tǒng)的結構，提出一個新的設計方案，并對該方案進行分析。3.1 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的方案設計(1)方案設計方案設計所依據(jù)的原則：①保證車輛動力性的前提下，有效降低百公里能耗；②能量利用率達到最大化；④車輛能達到設計目標的續(xù)駛里程；④所選各部件及結構設計能實現(xiàn)合理布置，實現(xiàn)輕量化；⑤設計結構具有安全性和可實現(xiàn)性。根據(jù)以上原則，本文提出的電動汽車動力傳動系統(tǒng)的結構示意圖，如圖4.1所示。圖3.1 電動汽車動力傳動系統(tǒng)結構(2)方案分析15如圖4.1所示，該電動汽車動力傳動系統(tǒng)主要由3個電機，一個電機控制器，蓄電池組和變速裝置組成。其中主電機驅動前輪運動，兩后輪分別裝有一個小型的輪轂電機，主要是進行能量的回收和提供后備功率。車輛在一般工況下運行時，由蓄電池向主電機供電，驅動前輪使車輛正常運行；車輛大負荷運行時，為了保護主電機，這時由蓄電池分別向前、后電機供電，通過電動機控制器控制3個電機同時工作向車輛提供所需功率；車輛在制動、下坡等需要減速的工況下工作時，前后電機均參與能量的回收，進而實現(xiàn)四個車輪同時回收能量。這種結構增加能量回收的同時，提高能量的利用率，有效地增加車輛的續(xù)駛里程。3.2 電動汽車功率流分析(1)正常工況車輛在起步、低負荷、高速行駛、加速行駛及爬坡等一般工況下運行時，主電機能提供車輛行駛過程中所需的全部功率。不會因為過載等因素造成對主電機的損壞時，這時車輛僅僅通過主電機提供的動力驅動車輛。動力傳動系統(tǒng)的能量傳遞線路為蓄電池-電動機控制器-主電機-變速器-驅動橋-前輪，此時動力傳動系統(tǒng)的功率流路徑如圖4.2所示。(3)制動與下坡減速工況車輛在制動、下坡等需要減速的工況下工作時，電動機控制器接到減速指圖3.2 主電動機驅動車輛行駛的功率流路徑16令的同時控制主電機和輪轂電機均工作在發(fā)電機狀態(tài)。利用減速制動時的動能進行發(fā)電，將產(chǎn)生的電能儲存在蓄電池中，這一過程即是制動減速能量的回收過程。此時三個電機的作用是將車輛四個輪上的制動減速動能同時回收，增加了能量回收，同時提高了能量的利用率。能量的回收分為兩條路徑，分別為：前輪-驅動橋-變速器-發(fā)電機(主電動機)-電機控制器-蓄電池；后輪-發(fā)電機(輪轂電機)-電機控制器-蓄電池。此時功率流的路徑如圖4.4所示。圖3.3 能量回收的功率流途徑動力傳動系統(tǒng)是電動汽車的核心系統(tǒng)，其合理的設計顯得尤為重要?，F(xiàn)有的驅動方式中，前輪驅動的效率比后輪驅動的效率高，雙電機輪邊驅動效率比單電機驅動的驅動效率高 [19]。本文將前輪驅動和雙電機輪邊驅動有機結合，提高驅動效率的同時提高能量回收率。3.3 電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)設計電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設計除了要滿足結構布置方面的要求，更最要的是該系統(tǒng)主要參數(shù)的設計要滿足電動汽車主要性能指標的要求。該系統(tǒng)主要參數(shù)包括：電動機的參數(shù)、蓄電池的參數(shù)、變速器的變速比以及驅動橋中的最終減速器速比?，F(xiàn)階段評價電動車的性能好壞的指標，主要有車輛的動力性和續(xù)駛里程。汽車的動力性是指車輛的最高速度、爬坡能力和加速性能。電動汽車的續(xù)駛里程指車載動力能量源兩次能量補給之間，車輛所能達到的最大行駛里程稱為電動氣車的續(xù)駛里程 【12】 。173.3.1 車輛參數(shù)表3.1 純電動汽車整車參數(shù)表基本參數(shù) 參數(shù)值 基本參數(shù) 參數(shù)值整車質量m/Kg 1550 主減速器傳動比i 0 4.889滾動阻力系數(shù)f 0.0135 軸距 L/mm 2500機械效率η 0.86 車輪滾動半徑r /m 0.372迎風阻力系數(shù) CD 0.35 迎風面積 A/m2 3.17旋轉質量換算系數(shù)δ 1.23表3.2 純電動汽車性能參數(shù)表基本性能參數(shù) 參數(shù)值 基本性能參數(shù) 參數(shù)值最高車速u amax/km/h ≥80 續(xù)駛里程 /km 80最大爬坡度i 0.2 100km/h加速時間/s ≤103.3.2 傳動機構布置方案圖中，1：一擋主動齒輪；3：一擋從動齒輪；2：二擋主動齒輪；4：二擋從動齒輪；5：主減速器主動齒輪；6：主減速器從動齒輪。I：變速器輸入軸；II：變速器輸出軸；III ：主減速器輸出軸，T：同步器。183.3.3 驅動電機匹配（1）驅動電機額定功率驅動電機的額定功率要滿足電動汽車的最高行駛車速，故：（3.1）2maxmax13601.5De CAPgfuu?????????代入數(shù)據(jù)得P e=13.97KW。（2）驅動電機峰值功率驅動電機峰值功率依據(jù)汽車低速最大爬坡度、百公里加速時間來匹配，當汽車以穩(wěn)定車速爬坡時，驅動電機輸出的最大功率為：（3.2）21 maxcossin3601.5Dmaxi iiCAPgfugfu??? ????? ?? ?其中，α max=arctani=11.31o，u i=20km/h，得P 1=20.67KW；當汽車以靜止開始加速度100km/h時，驅動電機輸出的最大功率為 [5]：（3.3）22360.5.2aaDaCAutPgfttt??????????t為10S，得P 2=102.46KW。綜上可得，驅動電機的峰值功率P max=102.46 KW。（3）驅動電機的額定轉矩與峰值轉矩（3.4）950eePTn?取n e=3500r/min，得T e=38.12N·m。同理，取n max=5800 r/min，得T max=168.71 N·m。綜上，驅動電機的參數(shù)見下表。電機參數(shù) 參數(shù)值 電機參數(shù) 參數(shù)值額定功率P e/KW 13.97 峰值轉矩T max/ N·m 168.71峰值功率P max/KW 102.46 額定轉速n e/r/min 3500額定轉矩T e/ N·m 38.12 峰值轉速n max/r/min 5800193.3.4 變速器傳動比參數(shù)選擇（1）一檔傳動比選擇依據(jù)整車低速爬坡時車輪獲得的驅動力應大于所受到的行駛阻力，可知一檔傳動比的下限為：（3.5）2max10maxmaxcossin1.5DiTi CAgfgur????得：i 1 ≥1.72。同時，一擋下最大驅動力不大于地面對驅動輪的最大附著力，可得一檔傳動比的上限為：（3.6max10Tigr???根據(jù)一般路面條件，取φ=0.6，得：i 1 ≤12.85。綜上：1.72≤ i 1 ≤12.85。（2）二檔傳動比選擇電機最高轉速下，對應的最大轉矩T max產(chǎn)生的最大驅動力應大于最高車速下的行駛阻力，故二擋傳動比i 2的下限為：（3.7）2max21.5DCAgfuriT?????????得：1.02≤ i 2。同時，在10%的滑移率下，i 2應滿足最高車速的要求：（3.8）max0.937rniu?得：i 2 ≤6.72。綜上：1.02≤ i 2 ≤6.72。由于一般乘用車的i max=12~18[6]，i max=igi0，且為使換擋平順，i1??2≤1.7~1.8,，所以本文選擇i 1=3.67， i2=2.45。203.3.5 變速器齒輪設計計算3.3.5.1 一擋齒輪設計計算首先選擇材料及確定許用應力齒輪1和齒輪3均選用20CrMnTi，并經(jīng)過表面滲碳、淬火和回火。 20CrMnTi的接觸疲勞強度σ Hlim=1500Mpa，彎曲疲勞強度σ FE=850Mpa。因變速器的使用應滿足高可靠度的要求，故取安全系數(shù)S H=1.5，S F=2.0[7]。由（3.9）??limFES??????得：[σ H1]= [σH3]=1000Mpa，[ σF1]= [σF3]=425Mpa。然后按齒輪彎曲疲勞強度設計齒輪按7級精度制造，取載荷系數(shù)K=1.3，齒寬系數(shù) =0.6，齒輪1上的轉矩d?T1=Tmax×η齒輪 ×η軸承 =165352.67N·mm，初選螺旋角 β=20o。取z 1=19，則z 2= z1×i1=69.73，取z 2=70，則實際傳動比 =3.69。12zi?因齒形系數(shù) ， ，則Y Fa1=2.88，Y Fa3=2.132.90cosvz??384.6cosv?23，Y Sa1=1.57，Y Sa3=1.76。因 ，故應對齒輪1進行彎曲強度計算。????130.60.92FaSFaSY???法向模數(shù)：（3.10）??2132cosFaSndYKTmz???求得m n=2.65，取m n=3。中心距： =147.02mm，取a=150mm。??12cosza???則： ，1258nr????21齒輪1分度圓直徑 =61.91mm，齒寬 =37.15mm，1cosnmzd??1db??取b 3=40mm， b1=45mm。驗算齒面接觸強度（3.12）123.54HEKTuZbd????取Z E=189.8 ，Z β= ，Mpacos則：σ H=868.88Mpa[σH]，安全。齒輪的圓周速度，因此選7級精度是合適的。2213.4/15/60dnvms????3.3.5.2 二擋齒輪設計計算（1）選擇材料及確定許用應力齒輪2和齒輪4均選用20CrMnTi，并經(jīng)過表面滲碳、淬火和回火。 20CrMnTi的接觸疲勞強度σ Hlim=1500Mpa，彎曲疲勞強度σ FE=850Mpa。因變速器的使用應滿足高可靠度的要求，故取安全系數(shù)S H=1.5，S F=2.0。同理可得：[σ H2]= [σH4]=1000Mpa，[σ F2]= [σF4]=425Mpa。（2）按齒輪彎曲疲勞強度設計齒輪按6級精度制造，取載荷系數(shù)K=1.3，齒寬系數(shù) =0.6，d?齒輪2上的轉矩T 2=Tmax×η齒輪 ×η軸承 =165352.67N·mm，由a 13=a24=145mm，得：z 1+z3=z2+z4，且i 2= =2.45；z4??2則z 2=26，z 4=63，實際傳動比i 2=2.42， ，m n=3mm。58????=84.72mm，齒寬 =50.83mm，2cosnmd??2db?取b 4=50mm， b2=55mm。（3）驗算齒面接觸強度22（3.13）123.54HEKTuZbd????取Z E=189.8 ，Z β= ，Mpacos則：σ H=592.09Mpa[σH]，安全。（4）齒輪的圓周速度，因此選6級精度是合適的。22235.7/30/601dnvmss????3.3.6 主減速器齒輪設計計算（1）選擇材料及確定許用應力齒輪5和齒輪6均選用20CrMnTi，并經(jīng)過表面滲碳、淬火和回火。 20CrMnTi的接觸疲勞強度σ Hlim=1500Mpa，彎曲疲勞強度σ FE=850Mpa。因變速器的使用應滿足高可靠度的要求，故取安全系數(shù)S H=1.5，S F=2.0。同理可得：[σ H5]= [σH6]=1000Mpa，[σ F5]= [σF6]=425Mpa。（2）按齒輪彎曲疲勞強度設計齒輪按8級精度制造，取載荷系數(shù)K=1.3，齒寬系數(shù) =0.6，齒輪5上的轉矩d?T5=T1×i1×η齒輪 ×η軸承 =596388.72N·mm，初選螺旋角β =20o。取z 5=20，則z 6= z5×i0=97.78，取z 6=98，則實際傳動比 =4.89。605zi?因齒形系數(shù) ， ，則Y Fa5=2.78，Y Fa6=5324.1cosvz??6318.cosv?2.23，Y Sa5=1.59，Y Sa6=1.83。因 ，故應對齒輪1進行彎曲強度計算。????560.140.95FaSFaS???法向模數(shù)：（3.14）??2523cosFaSndYKTmz???求得m n=3.90，取m n=4。中心距： =251.15mm，取a=255mm。??562cosza???