1目 錄第1章 緒論 11.1 電動(dòng)汽車(chē)概述 11.1.1 什么是電動(dòng)汽車(chē) .11.1.2 電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn) .11.2 研究電動(dòng)車(chē)的目的和意義 21.2.1 研究電動(dòng)汽車(chē)的時(shí)代背景 .21.2.2 國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) .41.2.3 國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì) .41.2.3 我國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)具有特殊的意義 .61.3 本論文的主要內(nèi)容 6第2章 電動(dòng)汽車(chē)及其相關(guān)技術(shù) .72.1 電動(dòng)汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu) 72.2電動(dòng)汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 .82.3 電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力蓄電池和動(dòng)力電機(jī) 102.3.1動(dòng)力蓄電池組及其管理系統(tǒng) 102.3.2動(dòng)力電機(jī)及其控制原理 122.4 本章小結(jié) 14第3章 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及參數(shù)的匹配 153.1 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 153.2 電動(dòng)汽車(chē)功率流分析 163.3 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì) 173.3.1 車(chē)輛參數(shù) .173.3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案 183.3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配 183.3.4 變速器傳動(dòng)比參數(shù)選擇 203.3.5 變速器齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算 .213.3.6 主減速器齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算 .233.3.7 各齒輪參數(shù) .2423.3.8 變速器傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)計(jì)算 .243.3.9 軸承的校核計(jì)算 .283.4蓄電池的選擇 .303.5本章小結(jié) .33參考文獻(xiàn) 34致 謝 361第1章 緒論1.1 電動(dòng)汽車(chē)概述1.1.1 什么是電動(dòng)汽車(chē)從車(chē)輛定義上來(lái)講，電動(dòng)汽車(chē)是以車(chē)載電源作為動(dòng)力輸出源，用電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能的機(jī)動(dòng)車(chē)輛。電動(dòng)汽車(chē)目前分成三類(lèi)：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)。本文僅研究純電動(dòng)汽車(chē)，以下所提電動(dòng)汽車(chē)如果沒(méi)有特別指出都是純電動(dòng)汽車(chē)。對(duì)我們的生活來(lái)講，電動(dòng)汽車(chē)就不只是我們的代步工具那么簡(jiǎn)單了，它集合了新能源、新材料、新技術(shù)，可以說(shuō)是現(xiàn)代高科技技術(shù)產(chǎn)品。并且，它還可以實(shí)現(xiàn)我們節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境的迫切愿景，是未來(lái)汽車(chē)的科研方向。1.1.2 電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)（1）可用能源豐富電動(dòng)汽車(chē)使用的電能來(lái)源廣泛，并且可以由許多可再生能源獲得，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等，對(duì)石油的依賴(lài)性低。另一方面，可以在晚上給蓄電池充電，避開(kāi)了日間用電高峰，還可以節(jié)約電費(fèi)。（2）零污染或者低污染由于電動(dòng)汽車(chē)使用蓄電池驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，汽車(chē)工作過(guò)程中無(wú)排放，避免了內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)排放尾氣的缺點(diǎn)。雖然在電廠發(fā)電過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生各種污染物，而且蓄電池的生產(chǎn)也會(huì)帶來(lái)污染，但是與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的排放相比要輕得多。（3）運(yùn)行平穩(wěn)，低噪聲由于電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，不會(huì)發(fā)出傳統(tǒng)汽車(chē)工作時(shí)的震動(dòng)和噪聲。因此電動(dòng)汽車(chē)即使在高速運(yùn)行時(shí)也不會(huì)給人帶來(lái)不適感。（4）部件布置多樣化，維修方便電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳統(tǒng)系統(tǒng)部件間的連接大多是柔性的電線(xiàn)連接，不完全需要機(jī)械連接，各部間的布置可以根據(jù)需要進(jìn)行靈活安排。電動(dòng)汽車(chē)的部件維修保養(yǎng)工作量小，有些部件甚至無(wú)需維護(hù)。（5）能量利用率高2電動(dòng)汽車(chē)以電能作為動(dòng)力源，由于電流比機(jī)械傳遞能量損耗小，因此電動(dòng)汽車(chē)能量利用率可以到80%。即使在考慮油井-車(chē)輪的情況下，最終能量轉(zhuǎn)換率也可以到29%左右，而內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)在考慮各種工況下工作時(shí)能量轉(zhuǎn)換率不足12%。1.2 研究電動(dòng)車(chē)的目的和意義1.2.1 研究電動(dòng)汽車(chē)的時(shí)代背景而今人們常常將EV稱(chēng)為“新能源汽車(chē)”，其實(shí)EV的出現(xiàn)時(shí)間比內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)更早。1834年Thomas Davenport發(fā)明了第一輛電動(dòng)三輪車(chē)，比1885年德國(guó)的 Karl Friedrich Benz制造出天下上第一輛以汽油為動(dòng)力的三輪汽車(chē)還早51年。上世紀(jì)末本世紀(jì)初，曾是EV 十分繁榮的時(shí)期，1890年全天下汽車(chē)保有量約為4.2k輛汽車(chē)，此中38%為EV ，40 %為蒸汽機(jī)汽車(chē)，其余為內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。1911年巴黎和倫敦有電動(dòng)出租汽車(chē)運(yùn)營(yíng)。1912年在美國(guó)有3.4萬(wàn)輛EV。1907年底特律電氣公司出產(chǎn)的EV最高車(chē)速達(dá)40km/h?？墒牵捎贓V采用的蓄電池質(zhì)能比低，使用周期短，汽車(chē)的續(xù)駛里程、動(dòng)力性與價(jià)錢(qián)都無(wú)法與快速進(jìn)步的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比。特別是Ford于19世紀(jì)初做到了大批量出產(chǎn)汽車(chē)，T型車(chē)的最大功率 20馬力，最高車(chē)速72km/h，一開(kāi)始的價(jià)格只有825美元，到了1921年，價(jià)格便宜了565美元，將US推到汽車(chē)遍地都是的時(shí)期。到19世紀(jì)20年代EV基本上競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，汽車(chē)消費(fèi)者更喜歡了內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)?？梢哉f(shuō)這是EV的“一起一落”。到20世紀(jì)70年代，普天之下出現(xiàn)了3次石油危機(jī)，使EV第二次受到青睞。80年代GM 、Ford和Toyota、Honda均開(kāi)發(fā)了EV 。在 20世紀(jì)前，全天下賣(mài)了EV大約60000輛，大概占世界上汽車(chē)保有量6億輛的萬(wàn)分之一。在這之中GM的EV1電動(dòng)車(chē)代表性十分強(qiáng)，使用兩級(jí)減速的三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，裝有20余塊德科VRLA鉛酸電池，造型悅目，低風(fēng)阻，加速性?xún)?yōu)良， 0～96km/h在9s以?xún)?nèi)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(tái)。到21世紀(jì)，在石油的價(jià)格一直上漲和環(huán)保意識(shí)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(shí)代，美國(guó)人將研究重點(diǎn)放在氫燃料電池汽車(chē)上，但由于燃料電池造價(jià)昂貴等問(wèn)題，短期內(nèi)沒(méi)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(jī)3參與工作的普銳斯汽車(chē)取得了不錯(cuò)成就，燃油耗損得到良好解決并已在世界上賣(mài)了300多萬(wàn)輛。緊跟著研究人員又將精力放到純EV，由于質(zhì)能比高于鉛酸電池3-4倍的新型鋰離子電池的問(wèn)世，人們好像又找到了不靠石油、干凈無(wú)污染的純EV的進(jìn)展。海內(nèi)外大量汽車(chē)企業(yè)與電池企業(yè)合作開(kāi)展了新一輪 EV研發(fā)與試驗(yàn)的熱潮，可以說(shuō)這是EV的“三起”吧。能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)已經(jīng)是當(dāng)今天下列國(guó)發(fā)展必須解決的現(xiàn)實(shí)危機(jī)。隨著化石能源的減少和環(huán)境的惡化，人們?cè)絹?lái)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(yùn)輸工具正快速發(fā)展，并且在天下列國(guó)都倡導(dǎo)并進(jìn)行政策服務(wù)。我國(guó)在汽車(chē)行業(yè)方面發(fā)展較晚，與其它汽車(chē)工業(yè)發(fā)展成熟的國(guó)家比較之下難免落伍，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等關(guān)鍵零部件技術(shù)層面沒(méi)有掌握核心技術(shù)。雖然我國(guó)汽車(chē)年產(chǎn)銷(xiāo)已經(jīng)突破1800萬(wàn)輛，是名副其實(shí)的汽車(chē)大國(guó)，但是我們面臨的是大而不強(qiáng)的局面，很是尷尬！想要成為汽車(chē)工業(yè)強(qiáng)國(guó)，那么我國(guó)汽車(chē)工業(yè)必須具有前瞻性，發(fā)展未來(lái)技術(shù)儲(chǔ)備，研發(fā)更高效能新能源汽車(chē)，尤其是純EV，爭(zhēng)取掌握新一輪天下汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。人類(lèi)發(fā)明了汽車(chē)，給我們的生活帶來(lái)了極大便利，但是汽車(chē)也是一把雙刃劍，如何使用關(guān)系著人類(lèi)社會(huì)未來(lái)的發(fā)展。權(quán)且放下我們國(guó)家的汽車(chē)技術(shù)落后于其他國(guó)家汽車(chē)技術(shù)的事實(shí)，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)行業(yè)都遇到的攔路虎：環(huán)境污染和石油缺乏。這兩個(gè)問(wèn)題對(duì)當(dāng)下發(fā)展快速的汽車(chē)行業(yè)產(chǎn)生了不小的沖擊，同時(shí)石油資源在世界范圍內(nèi)的分布不均使各國(guó)之間摩擦增大，導(dǎo)致一些國(guó)家動(dòng)蕩不安，民不聊生。傳統(tǒng)汽車(chē)對(duì)外界的影響主要是排放的尾氣，還有發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲。工業(yè)化和現(xiàn)代化的時(shí)代發(fā)展推動(dòng)了鋼筋水泥叢林的出現(xiàn)，使得汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的污染物難以擴(kuò)散，城市里人類(lèi)生活區(qū)域內(nèi)空氣污染嚴(yán)重。另外，燃油汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)是巨大的噪聲來(lái)源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，都市中80%的噪聲污染來(lái)自燃油汽車(chē)，我國(guó)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(guò)的。自從我國(guó)加入WTO，汽車(chē)行業(yè)發(fā)展速度變快，但汽車(chē)保有量也因此提高，噪聲和環(huán)境污染更加嚴(yán)重，我國(guó)人民的健康受到威脅。燃油汽車(chē)面對(duì)著另一個(gè)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(chē)上產(chǎn)生用途，造成傳統(tǒng)汽車(chē)行業(yè)對(duì)石油十分依賴(lài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1950年到2010年全球汽車(chē)保有量增加近12倍，如此多的汽車(chē)需要的石油量可想而知。據(jù)調(diào)查，全世界石油儲(chǔ)量可開(kāi)發(fā)不足五十年，而我國(guó)近些年汽車(chē)行業(yè)成長(zhǎng)特別快，對(duì)石油的需求4一直增長(zhǎng)，故思量到社會(huì)太平和持續(xù)發(fā)展我國(guó)要從外國(guó)采辦石油。預(yù)計(jì)到2012年我國(guó)的汽車(chē)石油年消耗量將突破8000億噸，故解決能源問(wèn)題在我國(guó)刻不容緩。恰是由于傳統(tǒng)汽車(chē)帶來(lái)了環(huán)境和能源問(wèn)題，在這樣的情況下，很多國(guó)家都在加緊研發(fā)新能源汽車(chē)，而純EV零排放、使用便利、構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)獲得公眾的承認(rèn)，被稱(chēng)為真正的“綠色汽車(chē)”，故自上個(gè)世紀(jì)90年代后，發(fā)展EV被看作解決當(dāng)前問(wèn)題的重要路子，可減輕我國(guó)石油需求壓力、阻止都市環(huán)境惡化、加強(qiáng)汽車(chē)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等方面。所以，研發(fā)純EV可以解決傳統(tǒng)汽車(chē)造成的環(huán)境和資源問(wèn)題。從能源方面思量，EV使用的能源是一種可靠的、來(lái)源廣泛的、均衡的、對(duì)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(shí)現(xiàn)零排放或極低排放?？v然思量到給這些EV供應(yīng)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(yù)測(cè)到，研究開(kāi)發(fā)純EV將對(duì)能源、環(huán)境、交通以及尖端技術(shù)的發(fā)展，新型工業(yè)的建立和經(jīng)濟(jì)的成長(zhǎng)造成巨大而長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響[1,2,3]。1.2.2 國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)早在1930年就有外國(guó)人開(kāi)始研究電動(dòng)汽車(chē)。1834年Thomas Davenport發(fā)明了第一輛電動(dòng)三輪車(chē)，比1885年德國(guó)的 Karl Friedrich Benz制造出天下上第一輛以汽油為動(dòng)力的三輪汽車(chē)還早51年。1881年，一個(gè)法國(guó)工程師也研究了一輛電動(dòng)汽車(chē)，與最早的電動(dòng)車(chē)的區(qū)別在于，最早的電動(dòng)車(chē)采用干電池作動(dòng)力，而這輛采用了可充電的鉛酸電池。后來(lái)過(guò)了五年出現(xiàn)了有軌電車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)隨之興盛。19世紀(jì)末期，英法美多家公司開(kāi)始研究電動(dòng)汽車(chē)。此時(shí)電動(dòng)汽車(chē)代表著那時(shí)候車(chē)輛工業(yè)的最高技術(shù)水平。在美國(guó)，機(jī)動(dòng)車(chē)市場(chǎng)被電動(dòng)汽車(chē)?yán)卫伟芽?。但是，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的電動(dòng)汽車(chē)的各種性能指標(biāo)都比不上內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，汽車(chē)起動(dòng)機(jī)被發(fā)明后，電動(dòng)汽車(chē)在市場(chǎng)上的銷(xiāo)量急劇下降，到1930年可以認(rèn)為其退出了機(jī)動(dòng)車(chē)市場(chǎng)。因?yàn)槭澜缟鲜唾Y源有限，并且分布不均，終于在上世紀(jì)70年代爆發(fā)了中東戰(zhàn)爭(zhēng)。所以很多國(guó)家為了降低對(duì)石油的依賴(lài)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)投入了很大的精力。再加上人們環(huán)保意識(shí)的提高，電動(dòng)汽車(chē)煥發(fā)第二春。上世紀(jì)末期，美國(guó)三大公司簽訂協(xié)議成立USABC，一起研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)電池。1971年，Toyota 也開(kāi)始加入電動(dòng)汽車(chē)行列，并研發(fā)出一系列的電動(dòng)汽車(chē)，就在這一年還研發(fā)出了PriusHEV，并于1997年投入市場(chǎng)。51.2.3 國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)我國(guó)最早在1920年出現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)，但是由于當(dāng)時(shí)條件、技術(shù)都不成熟，研究不得不中止。60年代初，國(guó)內(nèi)石油匱乏，為了解決能源問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)的研究趨勢(shì)又興盛起來(lái)。1962年，上海公用事業(yè)研究所研究開(kāi)發(fā)出了滿(mǎn)載質(zhì)量為968kg的SWD-S2 電動(dòng)汽車(chē)。70年代，電動(dòng)汽車(chē)的研究在北京、上海、河南、廣州、武漢等地開(kāi)始進(jìn)行，有試制樣車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)，但因?yàn)橘Y本、人力的分配不好協(xié)調(diào)，研究沒(méi)有繼續(xù)下去。80年代，我國(guó)改革開(kāi)放，一切百?gòu)U待興。政府對(duì)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(yuǎn)。另一方面，能源匱乏和環(huán)保問(wèn)題隨著汽車(chē)保有量的上升愈加嚴(yán)重。因此電動(dòng)汽車(chē)的研制被政府提上日程。同時(shí)，政府還出臺(tái)相關(guān)電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提供政策支持。1993年，香港大學(xué)研發(fā)出配置功率45Kw的電動(dòng)機(jī)和264V鎳蓄電池的U2001微型電動(dòng)汽車(chē)；1996年，中國(guó)遠(yuǎn)望集團(tuán)研制了最高時(shí)速可達(dá)90km／ h的YW6 —120DD大客車(chē)。2001年，科技部啟動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)重大科技專(zhuān)項(xiàng)。7年時(shí)間過(guò)去了，這個(gè)科技專(zhuān)項(xiàng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，像汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)與整車(chē)技術(shù)都有了空前的進(jìn)步。各種電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)了認(rèn)證試驗(yàn)，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化考核階段。我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)正在向成熟產(chǎn)業(yè)化成長(zhǎng)階段靠攏。2008-2010年期間奧運(yùn)會(huì)和世博會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)需求巨大，因此國(guó)內(nèi)加快研發(fā)進(jìn)程，奧運(yùn)會(huì)期間就使用了新型鋰離子電池純電動(dòng)客車(chē)，屬于國(guó)際電動(dòng)大客車(chē)的先進(jìn)水平。2010年8月，16家中央直屬?lài)?guó)有企業(yè)成立聯(lián)盟，共同參與電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)。參與各方分為：整車(chē)廠和電動(dòng)汽車(chē)制造廠家：一汽集團(tuán)、東風(fēng)、中國(guó)東方電機(jī)集團(tuán)等；電池廠家：中海油集團(tuán)、有色金屬研究院、中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)等；電池充電站建設(shè)單位：國(guó)家電網(wǎng)、中國(guó)南方電網(wǎng)，中石化等。緊接著東風(fēng)汽車(chē)公司宣布，將在5年內(nèi)陸續(xù)投入30億元專(zhuān)項(xiàng)資金，用于節(jié)能與新能源汽車(chē)的技術(shù)研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過(guò)持續(xù)快速發(fā)展，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)逐步累積起自己的研發(fā)能力，整車(chē)產(chǎn)品性能得到提升。電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成了較為合理的行業(yè)創(chuàng)新布局體系。通過(guò)自主創(chuàng)新和圍繞電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、清潔燃料汽車(chē)等領(lǐng)域進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)新，取得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利和科研成果20多項(xiàng)。幾項(xiàng)關(guān)6鍵性的技術(shù)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(guó)際先進(jìn)水平。如比亞迪自主研發(fā)生產(chǎn)的ET-POWER鐵電池，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何危害，可以使用220V 民用電源進(jìn)行充電，在專(zhuān)用充電站上僅需15分鐘左右就可充滿(mǎn)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(shí)現(xiàn)了與整車(chē)同壽命。1.2.3 我國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)具有特殊的意義雖然我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展令世界驚嘆，但是起步晚，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)只能摸著石頭過(guò)河，發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷核心技術(shù)，想要追上發(fā)達(dá)國(guó)家特別困難。但是電動(dòng)汽車(chē)是近些年的新興技術(shù)產(chǎn)品，在技術(shù)研發(fā)上我國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家基本上同線(xiàn)起跑。這不僅是挑戰(zhàn)，更是百年難得一遇的機(jī)遇，我們必須抓住這次機(jī)會(huì)，攻克電動(dòng)汽車(chē)的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，不僅要做大，更要做強(qiáng)，這樣才能擁有主動(dòng)權(quán)，不依賴(lài)外國(guó)技術(shù)，形成自己的品牌，在全球汽車(chē)行業(yè)中占有重要一席。另外，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，同時(shí)我國(guó)也成為了世界上最大的能源消耗國(guó) 【7】 。我國(guó)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(yán)重，直接影響著生態(tài)平衡和人們的健康。發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有效解決環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題，保證國(guó)家能源和環(huán)境安全，對(duì)實(shí)施節(jié)能減排與國(guó)家能源戰(zhàn)略具有重要意義。1.3 本論文的主要內(nèi)容(1)本文介紹了電動(dòng)汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)、不同電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)形式、電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成。分析了目前用于電動(dòng)汽車(chē)上的動(dòng)力蓄電池和動(dòng)力電動(dòng)機(jī)的各種性能指標(biāo)及其相應(yīng)的管理控制系統(tǒng)。(2)介紹了電動(dòng)汽車(chē)的主要參數(shù)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)各種工況下的受力進(jìn)行了分析，根據(jù)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)原理建立了車(chē)輛整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型。(3)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了合理設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了分析。依據(jù)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)模型和電動(dòng)機(jī)功率、傳動(dòng)比和電池組容量等參數(shù)設(shè)計(jì)的原則和方法，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的這些參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模，并對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了合理選型和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行合理的選擇和匹配。7第2章 電動(dòng)汽車(chē)及其相關(guān)技術(shù)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)有很大區(qū)別。電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括蓄電池、動(dòng)力電機(jī)、變速器等部件，去除了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)中的發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)附件，離合器和部分機(jī)械傳動(dòng)部件。然而，電動(dòng)汽車(chē)高性能的獲得不僅僅是將傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)部件換成現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)所需的部件，而是要根據(jù)現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)各部件進(jìn)行合理布置，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)部件進(jìn)行合理選型，并對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行匹配、優(yōu)化 【9】 。2.1 電動(dòng)汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)電動(dòng)汽車(chē)用電能驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)汽車(chē)不同的是它通過(guò)柔性的電線(xiàn)傳遞能量，只有部分零部件采用剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)相比，各部件布置起來(lái)更加方便多樣，提高了汽車(chē)整體的空間使用率?，F(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)主要有三個(gè)子系統(tǒng)組成，即電力驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車(chē)很多采用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，相應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)的典型結(jié)構(gòu)組成如圖2.1所示。8圖2.1 電動(dòng)汽車(chē)的典型結(jié)構(gòu)附注1：雙實(shí)線(xiàn)表示部件間剛性連接，粗實(shí)線(xiàn)表示部件間柔性電線(xiàn)連接，細(xì)實(shí)線(xiàn)表示部件間信號(hào)控制連接，箭頭方向表示部件間電流和控制信號(hào)流向。電子控制器根據(jù)外界輸入的信號(hào)發(fā)出指令控制功率轉(zhuǎn)換器。如果同時(shí)收到加速與制動(dòng)信號(hào)同時(shí)輸入，優(yōu)先響應(yīng)制動(dòng)信號(hào)。功率轉(zhuǎn)換器用來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)換成交流電，這樣電動(dòng)機(jī)就可以工作輸出機(jī)械能，另一方面，發(fā)電機(jī)可以回收減速制動(dòng)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并控制蓄電池的使用，確保蓄電池能夠不出問(wèn)題，還可以保護(hù)蓄電池。輔助動(dòng)力源為溫度控制單元、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等輔助系統(tǒng)提供能量。2.2電動(dòng)汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的功能是把蓄電池與車(chē)體有效連系起來(lái) 【10】 。電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)像中轉(zhuǎn)站一樣，把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出給車(chē)輪驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)，可以說(shuō)是電動(dòng)汽車(chē)的核心系統(tǒng)，所以這個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣幾乎決定了整個(gè)汽車(chē)的優(yōu)劣?，F(xiàn)在比較常規(guī)的幾個(gè)電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)有四種布置，如圖2.2所示 【11】 。第一種類(lèi)型如圖(a )所示，與發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)的傳統(tǒng)汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造相似，其組成包括差速器、變速器、離合器和電動(dòng)機(jī)。9圖2.2 電驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式第二種類(lèi)型如圖(b)，(c )所示，電動(dòng)機(jī)具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較寬的調(diào)速性能，去掉離合器，安裝固定速比的減速器，這樣可減少機(jī)械傳動(dòng)裝置、減小電動(dòng)汽車(chē)的整備質(zhì)量，增大車(chē)內(nèi)空間。這種電動(dòng)汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、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(jī)械傳動(dòng)裝置；第二種形式如圖(c)所示，同傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)橫向布置，前置前驅(qū)的布置方式相似，把電動(dòng)機(jī)、差速器和固定速比減速器這三個(gè)部件集成為一個(gè)整體，通過(guò)兩根半軸直接與驅(qū)動(dòng)輪相連接，少了一些中間機(jī)械傳動(dòng)部件，這種結(jié)構(gòu)形式最近幾年在小型電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用最普遍。第三種類(lèi)型如圖(d)，(e )所示，雙電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)電子差10速，因?yàn)椋瑑蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)輪由各自的電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)各自的固定速比減速器獨(dú)立的調(diào)節(jié)控制。因此，采用該種結(jié)構(gòu)的電動(dòng)車(chē)輛不存在機(jī)械差速器。同樣這種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)和第二種類(lèi)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(dòng)機(jī)直接裝在車(chē)輪里面，進(jìn)一步縮短動(dòng)力從電動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的傳遞路徑。另外，為了提供車(chē)輪理想的轉(zhuǎn)速，可以在電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)車(chē)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(dòng)力輸入軸和輸出軸布置在一條軸線(xiàn)上 [12]。第四種類(lèi)型如圖(f)所示，是一種采用輪轂電動(dòng)機(jī)的電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的電動(dòng)汽車(chē)使用低速外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子直接安裝在車(chē)輪的輪緣上，徹底去掉了減速器、差速器等機(jī)械傳動(dòng)裝置。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)速控制完全取決于電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)速控制器。2.3 電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力蓄電池和動(dòng)力電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)能有效地解決現(xiàn)代社會(huì)所面臨嚴(yán)峻的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)人和社會(huì)和諧發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。電動(dòng)汽車(chē)是多種技術(shù)的融合體，是現(xiàn)代各種學(xué)科的集中體現(xiàn)。發(fā)展、普及電動(dòng)汽車(chē)必須解決以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：動(dòng)力蓄電池組及其能量管理系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)。2.3.1動(dòng)力蓄電池組及其管理系統(tǒng)動(dòng)力蓄電池組為電動(dòng)汽車(chē)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(chē)性能。因此，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)車(chē)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(shí)間短；循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用安全可靠；溫度特性好；一致性好；成本低、免維護(hù)，無(wú)污染，可回收性好等。a、目前電動(dòng)汽車(chē)上常用的幾種動(dòng)力蓄電池及其特點(diǎn)：(1)鉛酸蓄電池(Lead-Acid)經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)發(fā)展的鉛酸蓄電池技術(shù)成熟、具有功率密度高、價(jià)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(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展早期得到了廣泛應(yīng)用。但是其能量密度小、過(guò)充電和過(guò)放電性能差、易自放電、壽命短加上鉛對(duì)人體有毒等缺點(diǎn)，正逐漸被性能高的蓄電池所取代。(2)鎳鎘蓄電池(Ni-Cd)11鎳鎘蓄電池是一種堿性蓄電池，其技術(shù)成熟、功率密度高、工作電壓穩(wěn)定、過(guò)充電和過(guò)放電性能好、充電容易、使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但是其比能量低、價(jià)格高、耐溫性差、有記憶性，加上重金屬鎘有劇毒，報(bào)廢后對(duì)環(huán)境造成污染等缺點(diǎn)，限制了鎳鎘蓄電池的推廣應(yīng)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(chēng)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(guò)放電和過(guò)充電性能好、低溫性能好、使用壽命長(zhǎng)，并可以實(shí)現(xiàn)快速充電等優(yōu)點(diǎn) 【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(duì)用戶(hù)具有很強(qiáng)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(shí)際使用中較高，在目前已經(jīng)上市的混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛中，大多數(shù)都采用鎳氫電池，大有后來(lái)者居上的趨勢(shì) 【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(dòng)汽車(chē)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(jì)剩余電量容易等優(yōu)點(diǎn)。在能量密度、放電率、充放電壽命及密封性等方面均滿(mǎn)足了USABC(美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合體)的中期目標(biāo)，具備優(yōu)良的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)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(guò)充、放電保護(hù)差；初始投入費(fèi)用高，價(jià)格高等缺點(diǎn)。(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(guó)及西歐的德國(guó)、瑞典、荷蘭等國(guó)家均在電動(dòng)汽車(chē)上積極推廣該電池的應(yīng)用。鋅一空氣蓄電池以堿性氫氧化鉀為電解質(zhì)，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(jī)械方法充電、不會(huì)造成污染環(huán)境，原材料能回收重新利用等優(yōu)點(diǎn)而被看好。缺點(diǎn)是不能利用再生制動(dòng)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(diǎn)限制了其快速發(fā)展。表2.1給出了USABC的中期目標(biāo) 【15】 和常見(jiàn)幾種蓄電池的主要性能指標(biāo) 【16】 。12表2.1 各種蓄電池的主要性能指標(biāo)b、能源管理系統(tǒng)為了避免電池在使用過(guò)程中過(guò)度充、放電和蓄電池組件之間的電壓不平衡等因素對(duì)蓄電池的損害，優(yōu)化使用電池能量，延長(zhǎng)電池的使用循環(huán)壽命，必須對(duì)蓄電池的電壓、電流和溫度指示等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。蓄電池的能量管理系統(tǒng)實(shí)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(duì)使用過(guò)程中的蓄電池參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)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(jì)電池的剩余能量，即估計(jì)荷電狀態(tài)SOC值；(3)進(jìn)行充放電的控制，根據(jù)檢測(cè)的蓄電池參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)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(guò)對(duì)電池測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，控制電池的溫度，對(duì)電池進(jìn)行熱管理，防止電池溫度過(guò)高；(5)根據(jù)電池各種數(shù)據(jù)的采集，能預(yù)測(cè)電池的各種性能，出現(xiàn)故障能提前報(bào)警；(6)通用整車(chē)的通信協(xié)議，信息進(jìn)行共享，將電池的主要信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示等。2.3.2動(dòng)力電機(jī)及其控制原理動(dòng)力電機(jī)的主要任務(wù)是將儲(chǔ)存在蓄電池中的電能高效率的轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛的機(jī)械能，并能在車(chē)輪制動(dòng)時(shí)將制動(dòng)能回收給蓄電池進(jìn)行充電。動(dòng)力電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的核心部件，是電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源。電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中起動(dòng)、加速和減速等操作頻繁，因此對(duì)動(dòng)力電機(jī)有著很高的要求。電動(dòng)汽車(chē)要求動(dòng)力電機(jī)具有高轉(zhuǎn)速、高電壓、體積小、質(zhì)量輕；基速時(shí)具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、較寬的恒功率范圍、較寬的調(diào)速性能；瞬時(shí)功率大、加速性好13、過(guò)載能力強(qiáng)；工作效率高、能耗低、能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收；另外，動(dòng)力電機(jī)還要求具有無(wú)驅(qū)動(dòng)噪聲、良好的環(huán)境適應(yīng)性、耐溫和耐潮性能強(qiáng)、可靠性好、壽命長(zhǎng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用、維修方便，價(jià)格低，適合大批生產(chǎn)等特點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)常用的電動(dòng)機(jī)的基本類(lèi)型如圖2.3所示。圖2.3 電動(dòng)汽車(chē)常用電機(jī)類(lèi)型(1)直流電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)是使用最早的一種電動(dòng)機(jī)，傳統(tǒng)上占據(jù)主導(dǎo)地位，其技術(shù)成熟、速度控制簡(jiǎn)單、成本低；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于快速啟動(dòng)和停車(chē)；調(diào)速范圍廣、方便，易于平滑調(diào)速。但是其笨重，重量和體積較大，可靠性差，需要定期進(jìn)行維護(hù)；由于結(jié)構(gòu)中存在電刷、換向器等磨損使得效率低，高速運(yùn)行時(shí)還會(huì)產(chǎn)生火花，容易影響車(chē)上電子器件，制約了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。(2)交流感應(yīng)電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)是目前電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用較多的電機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，成本低；免維護(hù)、工作性能穩(wěn)定、可靠性好，使用壽命長(zhǎng)：較直流電機(jī)效率高、體積小、質(zhì)量輕；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲小、轉(zhuǎn)速極限高、響應(yīng)快：設(shè)計(jì)和制造工藝成熟。交流感應(yīng)電機(jī)的最大缺點(diǎn)是控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且容易損壞。但是，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和調(diào)速方法的改進(jìn)，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性有較大的改善，逐漸趕超了直流電機(jī)。該電機(jī)在現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)上己被廣泛應(yīng)用。(3)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用安全可靠；低速轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、起動(dòng)電流?。恨D(zhuǎn)子無(wú)繞阻、工作效率高、調(diào)頻范圍寬。但是，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)有嚴(yán)重的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)的振動(dòng)高和噪聲大、非線(xiàn)性嚴(yán)重 [17]，控制器復(fù)雜、價(jià)14格高。該種電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用極少。(4)永磁電機(jī)永磁電機(jī)因磁場(chǎng)由永磁材料產(chǎn)生，一般采用電流控制，其體積小、調(diào)頻范圍寬、功率密度和效率高、慣性低、響應(yīng)快等，比較實(shí)用于現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)，呈現(xiàn)比較廣闊的應(yīng)用前景。但是其價(jià)格昂貴，同時(shí)大功率的永磁電機(jī)做到體積小、質(zhì)量輕很困難。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展、進(jìn)步，使得成本不斷下降，永磁電機(jī)是最具有前途的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電機(jī)。表2.2給出了幾種常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本特性的對(duì)比。表2.2各種電機(jī)的基本性能項(xiàng)目 直流電動(dòng)機(jī) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 永磁電動(dòng)機(jī) 開(kāi)關(guān)磁阻 電動(dòng)機(jī)功率密度 低 中 高 較高過(guò)載能力(％) 200 300～500 300 300～500峰值效率(％) 85～89 94～95 95～97 90負(fù)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(zhuǎn)速范圍(r／ min) 4000～6000 12000～20000 4000～10000 15000可靠性 一般 好 優(yōu)良 好結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性 差 好 一般 優(yōu)良電動(dòng)機(jī)外形尺寸 大 中 小 小電動(dòng)機(jī)質(zhì)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(fèi)用／軸功率($／kW) 10 8～12 10～15 6～102.4 本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹了電動(dòng)汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)及其布置方式。介紹并分析了不同電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)形式。詳細(xì)分析了目前用于電動(dòng)汽車(chē)上的各種動(dòng)力蓄電池和動(dòng)力電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)及其相應(yīng)的管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。15第3章 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及參數(shù)的匹配電動(dòng)汽車(chē)性能的好壞主要取決于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的選擇與匹配。通過(guò)第二章對(duì)一些常見(jiàn)電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的介紹，我們對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各部件的作用有了一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。本章為了提高電動(dòng)汽車(chē)的性能就整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提出一個(gè)新的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行分析。3.1 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)(1)方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)所依據(jù)的原則：①保證車(chē)輛動(dòng)力性的前提下，有效降低百公里能耗；②能量利用率達(dá)到最大化；④車(chē)輛能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的續(xù)駛里程；④所選各部件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)合理布置，實(shí)現(xiàn)輕量化；⑤設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有安全性和可實(shí)現(xiàn)性。根據(jù)以上原則，本文提出的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4.1所示。圖3.1 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(2)方案分析16如圖4.1所示，該電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要由3個(gè)電機(jī)，一個(gè)電機(jī)控制器，蓄電池組和變速裝置組成。其中主電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪運(yùn)動(dòng)，兩后輪分別裝有一個(gè)小型的輪轂電機(jī)，主要是進(jìn)行能量的回收和提供后備功率。車(chē)輛在一般工況下運(yùn)行時(shí)，由蓄電池向主電機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)前輪使車(chē)輛正常運(yùn)行；車(chē)輛大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為了保護(hù)主電機(jī)，這時(shí)由蓄電池分別向前、后電機(jī)供電，通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制器控制3個(gè)電機(jī)同時(shí)工作向車(chē)輛提供所需功率；車(chē)輛在制動(dòng)、下坡等需要減速的工況下工作時(shí)，前后電機(jī)均參與能量的回收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)四個(gè)車(chē)輪同時(shí)回收能量。這種結(jié)構(gòu)增加能量回收的同時(shí)，提高能量的利用率，有效地增加車(chē)輛的續(xù)駛里程。3.2 電動(dòng)汽車(chē)功率流分析(1)正常工況車(chē)輛在起步、低負(fù)荷、高速行駛、加速行駛及爬坡等一般工況下運(yùn)行時(shí)，主電機(jī)能提供車(chē)輛行駛過(guò)程中所需的全部功率。不會(huì)因?yàn)檫^(guò)載等因素造成對(duì)主電機(jī)的損壞時(shí)，這時(shí)車(chē)輛僅僅通過(guò)主電機(jī)提供的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的能量傳遞線(xiàn)路為蓄電池-電動(dòng)機(jī)控制器-主電機(jī)-變速器-驅(qū)動(dòng)橋-前輪，此時(shí)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的功率流路徑如圖4.2所示。(3)制動(dòng)與下坡減速工況車(chē)輛在制動(dòng)、下坡等需要減速的工況下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)控制器接到減速指圖3.2 主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛的功率流路徑17令的同時(shí)控制主電機(jī)和輪轂電機(jī)均工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。利用減速制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電，將產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，這一過(guò)程即是制動(dòng)減速能量的回收過(guò)程。此時(shí)三個(gè)電機(jī)的作用是將車(chē)輛四個(gè)輪上的制動(dòng)減速動(dòng)能同時(shí)回收，增加了能量回收，同時(shí)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(qū)動(dòng)橋-變速器-發(fā)電機(jī)(主電動(dòng)機(jī))-電機(jī)控制器-蓄電池；后輪-發(fā)電機(jī)(輪轂電機(jī))-電機(jī)控制器-蓄電池。此時(shí)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的核心系統(tǒng)，其合理的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)方式中，前輪驅(qū)動(dòng)的效率比后輪驅(qū)動(dòng)的效率高，雙電機(jī)輪邊驅(qū)動(dòng)效率比單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)效率高 [19]。本文將前輪驅(qū)動(dòng)和雙電機(jī)輪邊驅(qū)動(dòng)有機(jī)結(jié)合，提高驅(qū)動(dòng)效率的同時(shí)提高能量回收率。3.3 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除了要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)布置方面的要求，更最要的是該系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)主要性能指標(biāo)的要求。該系統(tǒng)主要參數(shù)包括：電動(dòng)機(jī)的參數(shù)、蓄電池的參數(shù)、變速器的變速比以及驅(qū)動(dòng)橋中的最終減速器速比。現(xiàn)階段評(píng)價(jià)電動(dòng)車(chē)的性能好壞的指標(biāo)，主要有車(chē)輛的動(dòng)力性和續(xù)駛里程。汽車(chē)的動(dòng)力性是指車(chē)輛的最高速度、爬坡能力和加速性能。電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程指車(chē)載動(dòng)力能量源兩次能量補(bǔ)給之間，車(chē)輛所能達(dá)到的最大行駛里程稱(chēng)為電動(dòng)氣車(chē)的續(xù)駛里程 【12】 。183.3.1 車(chē)輛參數(shù)表3.1 純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)參數(shù)表基本參數(shù) 參數(shù)值 基本參數(shù) 參數(shù)值整車(chē)質(zhì)量m/Kg 1550 主減速器傳動(dòng)比i 0 4.889滾動(dòng)阻力系數(shù)f 0.0135 軸距 L/mm 2500機(jī)械效率η 0.86 車(chē)輪滾動(dòng)半徑r /m 0.372迎風(fēng)阻力系數(shù) CD 0.35 迎風(fēng)面積 A/m2 3.17旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ 1.23表3.2 純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)速u(mài) amax/km/h ≥80 續(xù)駛里程 /km 80最大爬坡度i 0.2 100km/h加速時(shí)間/s ≤103.3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案圖中，1：一擋主動(dòng)齒輪；3：一擋從動(dòng)齒輪；2：二擋主動(dòng)齒輪；4：二擋從動(dòng)齒輪；5：主減速器主動(dòng)齒輪；6：主減速器從動(dòng)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。193.3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配（1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率要滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的最高行駛車(chē)速，故：（3.1）2maxmax13601.5De CAPgfuu?????????代入數(shù)據(jù)得P e=13.97KW。（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率依據(jù)汽車(chē)低速最大爬坡度、百公里加速時(shí)間來(lái)匹配，當(dāng)汽車(chē)以穩(wěn)定車(chē)速爬坡時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dāng)汽車(chē)以靜止開(kāi)始加速度100km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率P max=102.46 KW。（3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩與峰值轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)見(jiàn)下表。電機(jī)參數(shù) 參數(shù)值 電機(jī)參數(shù) 參數(shù)值額定功率P e/KW 13.97 峰值轉(zhuǎn)矩T max/ N·m 168.71峰值功率P max/KW 102.46 額定轉(zhuǎn)速n e/r/min 3500額定轉(zhuǎn)矩T e/ N·m 38.12 峰值轉(zhuǎn)速n max/r/min 5800203.3.4 變速器傳動(dòng)比參數(shù)選擇（1）一檔傳動(dòng)比選擇依據(jù)整車(chē)低速爬坡時(shí)車(chē)輪獲得的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)大于所受到的行駛阻力，可知一檔傳動(dòng)比的下限為：（3.5）2max10maxmaxcossin1.5DiTi CAgfgur????得：i 1 ≥1.72。同時(shí)，一擋下最大驅(qū)動(dòng)力不大于地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的最大附著力，可得一檔傳動(dòng)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(dòng)比選擇電機(jī)最高轉(zhuǎn)速下，對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩T max產(chǎn)生的最大驅(qū)動(dòng)力應(yīng)大于最高車(chē)速下的行駛阻力，故二擋傳動(dòng)比i 2的下限為：（3.7）2max21.5DCAgfuriT?????????得：1.02≤ i 2。同時(shí)，在10%的滑移率下，i 2應(yīng)滿(mǎn)足最高車(chē)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(chē)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。213.3.5 變速器齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.5.1 一擋齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算首先選擇材料及確定許用應(yīng)力齒輪1和齒輪3均選用20CrMnTi，并經(jīng)過(guò)表面滲碳、淬火和回火。 20CrMnTi的接觸疲勞強(qiáng)度σ Hlim=1500Mpa，彎曲疲勞強(qiáng)度σ FE=850Mpa。因變速器的使用應(yīng)滿(mǎn)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(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪按7級(jí)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(zhuǎn)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(shí)際傳動(dòng)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(yīng)對(duì)齒輪1進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計(jì)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????22齒輪1分度圓直徑 =61.91mm，齒寬 =37.15mm，1cosnmzd??1db??取b 3=40mm， b1=45mm。驗(yàn)算齒面接觸強(qiáng)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(jí)精度是合適的。2213.4/15/60dnvms????3.3.5.2 二擋齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算（1）選擇材料及確定許用應(yīng)力齒輪2和齒輪4均選用20CrMnTi，并經(jīng)過(guò)表面滲碳、淬火和回火。 20CrMnTi的接觸疲勞強(qiáng)度σ Hlim=1500Mpa，彎曲疲勞強(qiáng)度σ FE=850Mpa。因變速器的使用應(yīng)滿(mǎn)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(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪按6級(jí)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(zhuǎn)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(shí)際傳動(dòng)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(yàn)算齒面接觸強(qiáng)度23（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(jí)精度是合適的。22235.7/30/601dnvmss????3.3.6 主減速器齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算（1）選擇材料及確定許用應(yīng)力齒輪5和齒輪6均選用20CrMnTi，并經(jīng)過(guò)表面滲碳、淬火和回火。 20CrMnTi的接觸疲勞強(qiáng)度σ Hlim=1500Mpa，彎曲疲勞強(qiáng)度σ FE=850Mpa。因變速器的使用應(yīng)滿(mǎn)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(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪按8級(jí)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(zhuǎn)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(shí)際傳動(dòng)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(yīng)對(duì)齒輪1進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計(jì)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???24則： ，??56cos217nmzar??????齒輪5分度圓直徑 =86.44mm，齒寬 =51.86mm，5snd?5db??取b 6=55mm， b5=60mm。（3）驗(yàn)算齒面接觸強(qiáng)度（3.15）123.54HEKTuZbd????取Z E=189.8 ，Z β= ，Mpacos則：σ H=974.21Mpa[σH]，安全。（4）齒輪的圓周速度，因此選8級(jí)精度是合適的。22537.1/0/60dnvms????3.3.7 各齒輪參數(shù)變速器各齒輪參數(shù)見(jiàn)下表：表3.3 變速器各齒輪參數(shù)表檔位 齒輪 法向模數(shù)/mm 齒寬/mm 中心距/mm 螺旋角 旋向 精度等級(jí)z1 45 右一擋z3340145 258??左7z2 55 右二擋z4350145 ??左6z5 60 左主減速器 z6455255 2157??右8253.3.8 變速器傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.8.1 輸入軸設(shè)計(jì)計(jì)算（1）材料選用及熱處理選擇輸入軸選用20CrMnTi，并經(jīng)過(guò)表面滲碳、淬火和回火。 20CrMnTi的強(qiáng)度極限σ B=1080Mpa，屈服極限σ S=835Mpa。（2）估算軸的最小直徑（3.16）13ePdCn?P1=Pmax×η軸承 =101.44KW，n e=3500r/min，取C=95，得：d min=29.18mm。考慮到輸入軸最小直徑段需要與電動(dòng)機(jī)通過(guò)C型平鍵連接，對(duì)軸的強(qiáng)度有削弱，故 =30.64mm。??mini15%???故選取C 型鍵型號(hào)為：b×h×L=10×8×36。輸入軸各段長(zhǎng)度的軸徑詳見(jiàn)零件圖。（3）軸的強(qiáng)度校核一檔傳動(dòng)比大，扭矩大，故選用一擋傳動(dòng)齒輪計(jì)算軸的強(qiáng)度。輸入軸一擋主動(dòng)齒輪受力圖如下：26圖3.4 輸入軸受力簡(jiǎn)圖輸入軸的轉(zhuǎn)矩T 1=162352.67N·mm，則圓周力 ，徑向力125340.8tTFNd?，軸向力 。tan2.36cosrF???tan6.F??在垂直面內(nèi)，列力和力矩的平衡方程可得：（3.17）??15320453VABra rdFF??????求得：F VA=2003.64N ，F(xiàn) VB =107.72N。同理，在水平面內(nèi)，列力和力矩的平衡方程可得：（3.18）??5320453HABttF??????求得：F HA=4264.04N ，F(xiàn) HB =978.80N。垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)的最大應(yīng)力均位于C處，M Vmax=92167.40N·mm，M Hmax=200653.73N·mm。則當(dāng)量彎矩M e為：（3.19）????22 222VHTMT??????Fa FrFtA B53 204CFaFrFHA FHBFtFVA FVB46.527因輸入軸需要正反運(yùn)轉(zhuǎn)，取α=1，得M emax=260127.34 N·mm。當(dāng)量應(yīng)力σ e為：（3.20）??22310.eMTWd????求得σ e=10.96Mpa[σ-1b]=90Mpa，故滿(mǎn)足要求。3.3.8.2 輸出軸設(shè)計(jì)計(jì)算（1）材料選用及熱處理選擇輸入軸選用20CrMnTi，并經(jīng)過(guò)表面滲碳、淬火和回火。 20CrMnTi的強(qiáng)度極限σ B=1080Mpa，屈服極限σ S=835Mpa。（2）估算軸的最小直徑（3.21）23PdCn?P2=P1×η軸承 ×η齒輪 =99.42KW，n 2= =951.09r/min，取C=95，1ei得：d=44.75mm ，取d min=45mm。輸出軸各段長(zhǎng)度的軸徑詳見(jiàn)零件圖。（3）軸的強(qiáng)度校核一擋和主減速器傳動(dòng)比大，扭矩大，故選用一擋和主減速器傳動(dòng)齒輪和計(jì)算軸的強(qiáng)度。輸出軸一擋主動(dòng)齒輪受力圖如下：28圖3.5 輸出軸受力簡(jiǎn)圖輸入軸的轉(zhuǎn)矩T 2=T1×η軸承 ×η齒輪 =596388.72N·mm，則圓周力，徑向力 ，軸向力259.4tFNd?tan2067.31cosrF???。tan16.8?在垂直面內(nèi)，列力和力矩的平衡方程可得：（3.22）????5335531.51.32VDErr raaF dFF?????????求得：F VD=1440.00N ，F(xiàn) VE=1919.42N。同理，在水平面內(nèi)，列力和力矩的平衡方程可得：（3.33）????353551.1.3.HDEttt tF???????求得：F HD=7222.56N ，F(xiàn) HE =11805.77N。垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)的最大應(yīng)力均位于F處，M Vmax=348580.88N·mm，M Hmax=643414.47N·mm。Fa5Fr5Ft5D E53 153.5FFa5Fr5FHD FHEFt5FVD FVE53.5HFa3Ft3Fr3Fa3Fr3Ft3