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2012屆城市專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
目 錄
摘 要
ABSTRACT
第一章 緒 論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2純電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)和工作原理 4
1.3純電動(dòng)汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 5
1.3.1國內(nèi)純電動(dòng)汽車發(fā)展研究狀況 5
1.3.2國外純電動(dòng)汽車發(fā)展研究狀況 8
1.4本文主要研究內(nèi)容 10
第二章 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì) 12
2.1純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的布置方案 12
2.2純電動(dòng)汽車整車參數(shù)及性能指標(biāo)確定 15
2.3電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配 16
2.3.1電動(dòng)機(jī)類型選擇 16
2.3.2電動(dòng)機(jī)參數(shù)確定 18
2.4動(dòng)力電池參數(shù)匹配 20
2.4.1動(dòng)力電池類型選擇 21
2.4.2電池組參數(shù)的確定 22
2.5傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配 24
2.5.1傳動(dòng)系統(tǒng)變速方案選擇 24
2.5.2傳動(dòng)系傳動(dòng)速比設(shè)計(jì) 25
2.6匹配結(jié)果 27
第三章 基于ADVISOR的純電動(dòng)汽車仿真建模 28
3.1ADVISOR仿真模塊介紹 28
3.1.1ADVISOR使用說明 29
3.2純電動(dòng)汽車整車模型建立 32
3.2.1車身模型建立 33
3.2.2車輪模型建立 33
3.2.3傳動(dòng)系統(tǒng)模型建立 34
3.2.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型建立 35
3.2.5動(dòng)力電池模型建立 36
3.3參數(shù)輸入及整車性能仿真 36
第四章 全文總結(jié) 58
致 謝 60
參考文獻(xiàn) 61
61
摘 要
隨著全球能源危機(jī)和環(huán)保問題日益凸顯，世界各國都在積極推進(jìn)節(jié)能環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略。而交通運(yùn)輸占據(jù)了世界能源消耗的很大一部分，于是人們對于能耗少、污染小的新型交通工具的需求愈來愈強(qiáng)烈。純電動(dòng)汽車作為未來最具潛力的交通工具正快速發(fā)展。但是，在電動(dòng)汽車電池技術(shù)尚未得到突破性進(jìn)展的情況下，怎樣合理匹配純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，對整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程顯得尤為關(guān)鍵。
首先，本文對電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)、工作原理作了簡單介紹，對電動(dòng)汽車的國內(nèi)外發(fā)展趨勢做了扼要分析；其次，對電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，且對電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池以及傳動(dòng)系統(tǒng)（包括變速器和主減速器）等主要部件進(jìn)行了理論匹配選型，并得到匹配結(jié)果；然后，基于ADVISOR仿真軟件建立了純電動(dòng)汽車整車模型，并將整車參數(shù)和匹配結(jié)果輸入到ADVISOR中的CYC-NEDC、CYC-UDDS、CYC-ECE-EUDC、CYC-1015四種常用循環(huán)工況下得到仿真結(jié)果；最后，將仿真結(jié)果同理論匹配結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出仿真結(jié)果符合理論匹配設(shè)計(jì)結(jié)果，滿足整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的結(jié)論，從而驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的正確性、合理性。
關(guān)鍵字：純電動(dòng)汽車，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，匹配選型，建模仿真
ABSTRACT
As 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 world's. 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
第一章 緒 論
1.1研究背景及意義
電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，且滿足道路安全法規(guī)對汽車的各項(xiàng)要求的車輛。其具有能源利用效率高、環(huán)境污染小、可用能源多樣化、噪音低、結(jié)構(gòu)簡單、方便維護(hù)和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。而且，純電動(dòng)汽的出現(xiàn)很早，經(jīng)歷了可謂“三起三落”，現(xiàn)在又大有崛起之勢，必將成為未來地面交通工具的主力軍。
現(xiàn)在人們通常將電動(dòng)汽車稱為“新能源汽車”，其實(shí)電動(dòng)汽車的歷史比內(nèi)燃機(jī)汽車還要早。1834年Thomas Davenport制造了第一輛電動(dòng)三輪車，比1885年德國的卡爾·本茨制造出世界上第一輛以汽油為動(dòng)力的三輪汽車還早51年。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，曾是電動(dòng)汽車非常繁榮的時(shí)代，1890年全世界汽車保有量約為4200輛汽車，其中38%為電動(dòng)汽車，40%為蒸汽機(jī)汽車，其他為內(nèi)燃機(jī)汽車。1911年巴黎和倫敦有電動(dòng)出租汽車運(yùn)營。1912年在美國有3.4萬輛電動(dòng)汽車。1907年底特律電氣公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車最高車速達(dá)到40km/h。但是，由于電動(dòng)汽車使用的蓄電池儲(chǔ)能密度低，壽命短，汽車的續(xù)駛里程、動(dòng)力性與價(jià)格都無法與快速進(jìn)步的內(nèi)燃機(jī)汽車競爭。尤其是福特公司于1908年實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)汽車的模式，T型車的最大功率20馬力，最高車速72km/h，最初的售價(jià)只有825美元，到了1921年，售價(jià)降到了260美元，將美國帶入了汽車普及時(shí)代。到1920年電動(dòng)汽車基本上被內(nèi)燃機(jī)汽車擠出市場，消費(fèi)者選擇了后者?？梢哉f這是電動(dòng)汽車的“一起一落”。
到了20世紀(jì)70年代，世界爆發(fā)3次石油危機(jī)，純電動(dòng)車再次受到重視。80年代美國通用、福特和日本豐田、本田均開發(fā)了電動(dòng)汽車。到2000年前，全球共銷售電動(dòng)車約6萬輛，約占全球汽車保有量6億輛的萬分之一。其中最有代表性的當(dāng)屬通用公司的EV1電動(dòng)車了，它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為兩級減速的三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，裝備26個(gè)德科VRLA鉛酸電池，外形設(shè)計(jì)十分考究，具有很低的風(fēng)阻(見圖)，最高時(shí)速可達(dá)129km/h，加速性優(yōu)良，0～96km/h加速時(shí)間在9s以內(nèi)，續(xù)航里程在120km-160km之間。但是，也很遺憾，EV1總共只生產(chǎn)了1117輛就結(jié)束了它的征程。許多人為此感到嘆息，甚至憤憤不平，著名導(dǎo)演克里斯·佩恩曾經(jīng)拍攝了一部新聞紀(jì)錄片《誰殺死了電動(dòng)車》，指出殺手是石油公司、聯(lián)邦政府和通用公司自己。指責(zé)通用公司更愿意生產(chǎn)悍馬這種大排量且利潤高的汽車，沒有耐心培育EV1這種利于社會(huì)但是要賠錢的產(chǎn)品。平心靜氣分析，客觀上的原因是當(dāng)時(shí)電池技術(shù)遠(yuǎn)沒有能力取代內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，最早的鉛酸電池，以及后來的鎳氫電池都不能滿足車輛續(xù)駛里程和壽命要求，同時(shí)還因?yàn)殡姵貛淼淖钪旅膯栴}：EV1高昂的造價(jià)。還是消費(fèi)者的選擇起了關(guān)鍵的作用。轟動(dòng)一時(shí)的電動(dòng)汽車再次落幕，可以說這是電動(dòng)汽車的“二起二落”。
歷史走到21世紀(jì)，在油價(jià)不斷攀升與地球環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的壓力下，電動(dòng)汽車再次迎來了新一次高潮，人類執(zhí)拗地要將電動(dòng)汽車推上舞臺(tái)。在布什總統(tǒng)年代，美國人將注意力放在氫燃料電池汽車上，但由于燃料電池價(jià)格昂貴等原因，短時(shí)間內(nèi)不具備產(chǎn)業(yè)化條件而使計(jì)劃擱淺。日本豐田公司卻在混合動(dòng)力技術(shù)上取得了突破，有電池與電機(jī)參與工作的普銳斯汽車取得了成功，燃油消耗大幅度降低并已在全球銷售出300多萬輛。緊接著人們又將注意力轉(zhuǎn)移到純電動(dòng)汽車上來，由于能量密度高于鉛酸電池3-4倍的新型鋰離子電池的出現(xiàn)，人們似乎又看到了不依賴石油、安靜清潔的純電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的希望。國際上許多汽車企業(yè)與電池企業(yè)聯(lián)手開展了新一輪電動(dòng)汽車研發(fā)與試驗(yàn)的熱潮，可以說這是電動(dòng)汽車的“三起”吧。
能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)已經(jīng)是當(dāng)今世界各國發(fā)展面臨的兩個(gè)巨大問題。隨著化石能源的減少和環(huán)境的惡化，人們對于能耗少、污染小、效率高的新型交通工具的需求越來越強(qiáng)烈。純電動(dòng)汽車作為未來最具潛力的交通運(yùn)輸工具正快速發(fā)展，而且在世界各國都大力提倡并得到有效的政策支持。
我國汽車工業(yè)起步較晚，與世界汽車工業(yè)的發(fā)展相比，相對較落后，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等關(guān)鍵零部件技術(shù)方面更是受制于人。雖然我國汽車年產(chǎn)銷已經(jīng)突破1800萬輛，是名副其實(shí)的汽車大國，但是我們面臨的是大而不強(qiáng)的局面，很是尷尬！想要成為汽車工業(yè)強(qiáng)國，那么我國汽車工業(yè)必須具有前瞻性，發(fā)展未來技術(shù)儲(chǔ)備，研發(fā)更高效能新能源汽車，尤其是純電動(dòng)汽車，爭取掌握新一輪世界汽車市場競爭的主動(dòng)權(quán)。
汽車雖然改變了我們的世界，但是又有誰能知道，未來的汽車將會(huì)把我們帶到何方。我們暫且拋開我們國家與世界汽車技術(shù)的差距不管，現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展卻面臨了另外的嚴(yán)峻問題:環(huán)境污染和石油缺乏。這直接對當(dāng)今世界高速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性成長造成嚴(yán)重影響，同時(shí)對石油的占有競爭也會(huì)使得各國摩擦增大，由此導(dǎo)致世界范圍內(nèi)的動(dòng)亂無可避免。
傳統(tǒng)汽車對環(huán)境污染具體來講主要是汽車尾氣污染(還有噪聲污染)。汽車尾氣污染是由內(nèi)燃機(jī)汽車排放的廢氣造成的環(huán)境污染。汽車廢氣中的主要污染物為碳?xì)浠衔?、一氧化碳、二氧化硫、含鉛化合物、氮氧化合物、苯丙花及固體顆粒物等，部分排放物能引起光化學(xué)煙霧，破壞臭氧層導(dǎo)致全球溫度上升等直接影響人類健康下降。另一方面，工業(yè)化的進(jìn)展和現(xiàn)代化的凸顯造就了現(xiàn)代城市的高樓大廈，使得汽車內(nèi)燃機(jī)排放的廢氣不容易擴(kuò)散而導(dǎo)致地面局部的廢氣濃度過高，汽車尾氣的顆粒物中含有強(qiáng)致癌物苯并花，當(dāng)空氣中的苯并花濃度達(dá)到0.012微克/立方米時(shí)，附近居民中得肺癌的人數(shù)就會(huì)明顯增加，由于汽車廢氣的排放主要集中在離地面0.3米至2米之間，正好是人體的呼吸范圍，對人體的健康損害非常嚴(yán)重:刺激呼吸道，使呼吸系統(tǒng)的免疫力下降，導(dǎo)致暴露人群慢性氣管炎、支氣管炎及呼吸困難的發(fā)病率升高、肺功能下降等一系列癥狀，對人體造成極大的危害，另外值得注意的是汽車尾氣中的鉛一般分布于地面上1米左右的地帶，恰好是青少年的呼吸范圍(環(huán)境監(jiān)測部門對比取樣分析的結(jié)果也表明，青少年的血鉛含量明顯高于成年人)因此鉛污染對青少年的危害更重。1955年和1970年洛杉磯兩度發(fā)生光化學(xué)煙霧事件就是汽車廢氣污染的表現(xiàn)，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，該事件在歷史上被稱為“世界八大公害”和“20世紀(jì)十大環(huán)境公害”之一。另外，燃油汽車的內(nèi)燃機(jī)是巨大的噪聲來源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市中80%的噪聲污染是由于燃油汽車所致，我國大約有2/3的人口生活在比較高的噪聲環(huán)境中，其中有29%的人們的生活是在難以忍受的噪聲中度過的?？梢钥闯鰢竦慕】禒顩r受到嚴(yán)重威脅。
加入世貿(mào)組織之后，我國的汽車產(chǎn)業(yè)可謂是高速發(fā)展，但帶來的巨大的汽車保有量所造成的噪聲和環(huán)境污染也將進(jìn)一步危害我國人民的健康。燃油汽車面臨的另外一個(gè)難題就是石油資源匱乏。石油作為能源及其制品都能在汽車上應(yīng)用，所以石油資源匾乏將會(huì)直接阻礙汽車行業(yè)的發(fā)展。統(tǒng)計(jì)顯示，全球汽車產(chǎn)量從1950年到2010年60年間汽車保有量增加近12倍達(dá)到8億輛，這些汽車所要消耗的石油可想而知。眾所周知世界石油蘊(yùn)藏量在近50年內(nèi)就可能用盡，而我國作為近幾年汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的國家對石油的需求卻是不斷增加，所以考慮到社會(huì)穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展我國不得不從外界購買石油。預(yù)計(jì)到2012年我國的汽車石油年消耗量將突破8千億噸，所以解決石油能源問題在我國更是刻不容緩的了。
正是因?yàn)閭鹘y(tǒng)汽車帶來了環(huán)境和能源問題，基于這樣的背景下，各國都在未雨綢繆研究制造新能源汽車，而純電動(dòng)汽車零排放、使用方便、結(jié)構(gòu)相對簡單等優(yōu)點(diǎn)得到大家的青睞，被稱作真正意義的“綠色汽車”，所以自上個(gè)世紀(jì)90年代后，世界范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車熱興起，被視為解決傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車問題和石油危機(jī)的主要途徑。
因而，發(fā)展純電動(dòng)汽車具有很廣泛的現(xiàn)實(shí)意義?？删徑馕覈湍茉炊倘?、城市大氣環(huán)境惡化、增強(qiáng)汽車企業(yè)競爭力等幾個(gè)方面。
第一，緩解石油能源短缺。預(yù)計(jì)2012年后我國石油消費(fèi)將超過1.2億噸，世界石油局勢也日趨緊張。以美國為首的發(fā)達(dá)國家都積極占領(lǐng)石油戰(zhàn)略資源。由于純電動(dòng)汽車不采用石油作為燃料，所以在很大程度上緩解目前石油資源短缺的現(xiàn)象?？梢灶A(yù)見，純電動(dòng)轎車的發(fā)展首先將替代城市私家用車、出租車和公務(wù)車，汽車在城市大氣污染中的比率很高，發(fā)展零排放的純電動(dòng)汽車將對改善城市的大氣環(huán)境，減少CO排放將起到非常重要的作用，其節(jié)油效果更加明顯。而生活環(huán)境的改善對于國民健康的提高和醫(yī)療以及環(huán)境長遠(yuǎn)的有利影響更是不可估計(jì)。一些國家和國際組織經(jīng)常在能源消耗和環(huán)境保護(hù)方面對我國政府施壓，發(fā)展純電動(dòng)汽車可以緩解國際政治壓力。
第二，緩解城市大氣環(huán)境惡化。目前世界上空氣污染最嚴(yán)重的10個(gè)城市中有7個(gè)在中國，國家環(huán)保中心預(yù)測：2010年汽車尾氣排放量將占空氣污染源的64%。為使自己有更好的生存環(huán)境，世界上越來越多的國家開始關(guān)注環(huán)保問題，很多國家特別是發(fā)達(dá)國家都制定出越來越苛刻的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。純電動(dòng)汽車由于幾乎是零排放的優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國的重視。
第三，增強(qiáng)汽車企業(yè)競爭力。國家政策的補(bǔ)貼支持給國內(nèi)汽車制造廠商帶來很好的發(fā)展機(jī)遇。在純電動(dòng)汽車的研發(fā)上，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)上面受到國際制約比較少，有可能發(fā)展出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品。有望縮短與發(fā)達(dá)國家的汽車制造水平。我國必須及時(shí)制定一個(gè)雄心勃勃的國家電動(dòng)汽車發(fā)展戰(zhàn)略，抓住機(jī)遇、應(yīng)對挑戰(zhàn)、發(fā)揮優(yōu)勢、揚(yáng)長避短，實(shí)現(xiàn)我國汽車工業(yè)由大變強(qiáng)的戰(zhàn)略目標(biāo)。
綜上所述，在環(huán)境污染和資源短缺問題日益突出的今天，純電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展正是為了解決這一問題。從能源觀點(diǎn)考慮，電動(dòng)汽車?yán)玫哪茉词且环N可靠的、來源廣泛的、均衡的、對環(huán)境友好的能源，例如使用多種可再生能源。從環(huán)境方面考慮，純電動(dòng)汽車在城市交通中可實(shí)現(xiàn)零排放或極低排放。即使考慮到給這些電動(dòng)汽車提供能量的發(fā)電廠的排放，使用電動(dòng)汽車仍能顯著降低全球的空氣污染。因此可以預(yù)見到，純電動(dòng)汽車的發(fā)展將對能源、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)的發(fā)展產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響[1,2,3]。
1.2純電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)和工作原理
相對傳統(tǒng)汽車而言，純電動(dòng)汽車是將電動(dòng)機(jī)替代發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。同時(shí)，以蓄電池替代油箱儲(chǔ)存能量。當(dāng)然，并非簡單替代，只是在功能上替代而已，他們具有各自特性。純電動(dòng)汽車的主要結(jié)構(gòu)由電力驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其他部分的功能和結(jié)構(gòu)基本與傳統(tǒng)汽車相似，所以電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)決定了整個(gè)純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)組成及性能特征，相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)與其他功能以機(jī)電一體化方式結(jié)合。
如圖1.1中所示為典型純電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)原理圖。其主要由3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)，能源子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由車輛控制器、電力電子控制器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)車輪組成；能源子系統(tǒng)由能源、能量管理單元及能量源供給單元組成；輔助子系統(tǒng)包括功率控制單元、車內(nèi)溫度控制單元和輔助電源等。
在電動(dòng)汽車工作的過程中，首先駕駛員踩下加速踏板或是制動(dòng)踏板，從而產(chǎn)生一個(gè)車輛控制信號，車輛控制器接收該信號后向電力電子變換器輸出正向的控制信號，當(dāng)電力電子控制器接收到該信號后，發(fā)出相應(yīng)的控制指令去控制電動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)和能量源之間的功率流，從而獲得駕駛員想要實(shí)現(xiàn)的加速、減速或是停車等目的。當(dāng)純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的能量通過電力電子變換器逆變將能量儲(chǔ)存到能量源中，同時(shí)，能量管理單元與車輛控制器一起控制可再生制動(dòng)能量，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量流的最優(yōu)化。輔助能源主要給純電動(dòng)汽車輔助設(shè)備，尤其是車內(nèi)溫度控制單元、功率控制單元、動(dòng)力轉(zhuǎn)向單元等提供不同電壓等級的所需功率[4]。
圖1.1 典型純電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)原理圖
1.3純電動(dòng)汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.3.1國內(nèi)純電動(dòng)汽車發(fā)展研究狀況
早在上世紀(jì)60年代，我國就開始了純電動(dòng)汽車相關(guān)的研究工作，并于上世紀(jì)90年代掀起了一股研究高潮，國內(nèi)一些高校、科研單位和企業(yè)陸續(xù)開始研究純電動(dòng)汽車，并取得了一些成果。同時(shí)，我國政府已經(jīng)確定把純電動(dòng)汽車為汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的主要方向，而普通混合動(dòng)力汽車將作為節(jié)能車看待，不享受國家對新能源汽車的支持政策。政策就是導(dǎo)向，這導(dǎo)致汽車企業(yè)失去了研發(fā)普通混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力而紛紛轉(zhuǎn)向純電動(dòng)汽車。2006年，我國第一批純電動(dòng)轎車取得了產(chǎn)品準(zhǔn)入公告，吸引了更多的企業(yè)和單位加入了純電動(dòng)汽車的研發(fā)或試運(yùn)營陣營。
在政府方面，2001年我國正式啟動(dòng)了“十五”國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)，電動(dòng)汽車被列入其中并投資數(shù)億，確立了以燃料電池汽車、混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車為“三縱”，以多能源動(dòng)力總成、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力蓄電池共性關(guān)鍵技術(shù)為“三橫”的“三縱三橫”研發(fā)布局，具體分工如下：承擔(dān)電動(dòng)大客車項(xiàng)目的有北方車輛廠和北京理工大學(xué)，承擔(dān)純電動(dòng)轎車研發(fā)的是上海汽車、奇瑞公司、上海交通大學(xué)、天津汽車集團(tuán)和中國汽車技術(shù)研究中心。
同時(shí)，2009年國家推出《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整與振興規(guī)劃》，規(guī)劃中確定八大目標(biāo)和十一項(xiàng)政策，為今后一段時(shí)期我國的汽車工業(yè)發(fā)展提出了要求、指明方向、劃清道路，突出了發(fā)展電動(dòng)汽車的重要性。同年，財(cái)政部提出了一攬子補(bǔ)貼方案，對采購混合動(dòng)力汽車的單位和個(gè)人實(shí)施每輛車最高補(bǔ)貼60萬元的政策，其中購買純電動(dòng)轎車最高可獲得6萬元的現(xiàn)金補(bǔ)貼，這使得在國內(nèi)形成了良好的電動(dòng)汽車發(fā)展氛圍。而且，目前純電動(dòng)汽車的推廣主要是以公共用車為基礎(chǔ)。
在高校和科研機(jī)構(gòu)方面，北京理工大學(xué)作為整車總體單位承擔(dān)了86 電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)“純電動(dòng)客車項(xiàng)目”，作為技術(shù)依托單位承擔(dān)了北京市科技奧運(yùn)電動(dòng)汽車特別專項(xiàng)“電動(dòng)汽車運(yùn)行示范、研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”等項(xiàng)目。已完成純電動(dòng)準(zhǔn)低地板公交車、純電動(dòng)中巴客車、純電動(dòng)旅游客車、純電動(dòng)超低地板公交車等四種車型的整車開發(fā)、型式認(rèn)證和定型設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了40余輛的小批量試生產(chǎn)，各項(xiàng)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程、噪聲等指標(biāo)已達(dá)到或接近國際水平，并組建了電動(dòng)汽車示范車隊(duì)，在北京市開展“一線一區(qū)”兩種模式示范運(yùn)行。目前，北京理工大學(xué)等單位已經(jīng)完成了北京理工科凌電動(dòng)車輛股份有限公司密云電動(dòng)車輛產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地的建設(shè)，初步形成了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化配套能力。
同濟(jì)大學(xué)先后試制成我國第一臺(tái)由直流無刷輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的4輪驅(qū)動(dòng)燃料電池微型電動(dòng)汽車“春暉一號”和“春暉二號”以及“超越”系列混合動(dòng)力電動(dòng)汽車?！按簳熞惶枴彼妮嗠婒?qū)動(dòng)燃料電池轎車最高時(shí)速50 km／h，配置鋰離子蓄電池和燃料充氫電池2種混合動(dòng)力，續(xù)駛里程150km．“超越一號”燃料電池混合動(dòng)力轎車已經(jīng)通過驗(yàn)收，主要技術(shù)參數(shù)為：0～100km／h的加速時(shí)間小于等于30S，14S內(nèi)可以加速到80km／h，最高時(shí)速為105km／h，最大爬坡度20％，續(xù)駛里程230km．“超越三號”主要技術(shù)參數(shù)為：0～100km／h的加速時(shí)間小于等于20S，最高時(shí)速120 km／h，最大爬坡度20％，續(xù)駛里程200km[5,6]．
清華大學(xué)承擔(dān)了國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“燃料電池城市客車整車技術(shù)”等有關(guān)電動(dòng)汽車的研究課題，目前已研制出了12輛16座中巴環(huán)保燃料電池輕型客車樣車，并已投入運(yùn)行。該車采用質(zhì)子交換膜燃料電池(氫／氧型)，額定功率18kw，驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率35kw，最大功率90kW，配置無級調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，最高車速80km／h，最大爬坡度15%，0～40km／h的加速時(shí)間不大于15S，一次加氫續(xù)駛里程大于165km。
1993年香港大學(xué)研制出4座電動(dòng)轎車——U2001，配置了45kW永磁直流無刷電機(jī)和26 V鎳氫蓄電池。其中，永磁無刷直流電機(jī)采用了特殊設(shè)計(jì)，可以在很廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效率工作。該車采用了一系列20世紀(jì)90年代水平的高新技術(shù)，采用聲頻導(dǎo)航系統(tǒng)提高了安全性，便于用戶駕駛，采用智能能量管理系統(tǒng)使能量的轉(zhuǎn)化和傳遞達(dá)到最優(yōu)。U2001轎車的最高速度為110km／h，0～48km／h的加速時(shí)間為6.3S，以88km／h的速度行駛時(shí)，一次充電的續(xù)駛里程為l76km[7]。
西安交通大學(xué)在電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域研究開發(fā)了15項(xiàng)國家發(fā)明專利，正式授權(quán)5項(xiàng)，有2項(xiàng)國際發(fā)明已被正式受理．在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制和能量回收技術(shù)的研究中，率先將H∞魯棒控制應(yīng)用到電動(dòng)汽車能量回收技術(shù)上。與傳統(tǒng)的控制方法相比，H∞魯棒控制可以方便地同時(shí)考慮輸入電壓變動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)和其他非線性的補(bǔ)償，顯著地提高了車輛的一次性充電的續(xù)駛里程[8-11]。試驗(yàn)表明，采用西安交大制動(dòng)能量回收專利技術(shù)的鉛酸電池純電動(dòng)汽車XJTU-1可以使續(xù)駛里程由160km延長到200km以上[12,13]。西安交大對電動(dòng)汽車超級電容-蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)的研究表明，在市內(nèi)道路行駛時(shí)，可以提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程30%～50%[14]。2005年10月19日，西安交大電動(dòng)汽車XJTUEV-2與日本大阪產(chǎn)業(yè)大學(xué)太陽能車及My-way公司的電動(dòng)汽車一起進(jìn)行了“新絲綢之路挑戰(zhàn)”拉力活動(dòng)，經(jīng)8天7夜的征程，于l0月26日完成了從西安到敦煌的長途行駛，接受了惡劣路況的考驗(yàn)。同時(shí)，該車由西安交大獨(dú)創(chuàng)，是世界上第一輛實(shí)現(xiàn)了利用車輛振動(dòng)能量進(jìn)行壓電發(fā)電功能的電動(dòng)汽車。
在企業(yè)方面，國內(nèi)各大汽車公司紛紛投入了大量的人力、物力與資金進(jìn)行電動(dòng)汽車的研發(fā)，并取得了豐碩的成果。國內(nèi)從事純電動(dòng)汽車研發(fā)、少量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與試運(yùn)營的有東風(fēng)、天津清源、北京理工科凌、比亞迪、萬向等企業(yè)。天津清源電動(dòng)車輛有限公司、深圳雷天公司等單位研發(fā)的純電動(dòng)汽車，其整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程、噪聲等指標(biāo)已達(dá)到甚至超過國外同級別車型，初步形成了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)能力。
東風(fēng)公司是國內(nèi)最早從事電動(dòng)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(gè)品種的純電動(dòng)車，包括東風(fēng)純電動(dòng)轎車（EQ7160EV）、純電動(dòng)富康轎車（EQ7140EV）、純電動(dòng)客車（EQ6690EV）等。2003年東風(fēng)純電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)商品化銷售以來，已累計(jì)銷售1000余臺(tái)，進(jìn)入行業(yè)前三甲。截止到2005年11月，參與示范運(yùn)營的東風(fēng)純電動(dòng)小巴有93臺(tái)。到2010年，東風(fēng)電動(dòng)車公司計(jì)劃實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)場地車銷售5000輛的年產(chǎn)銷量。
天津市電動(dòng)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(shù)研究中心與大學(xué)資源，組建天津清源電動(dòng)車輛有限責(zé)任公司，承擔(dān)863 計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“XL-2純電動(dòng)轎車”研發(fā)工作，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，全車總重1600kg，最高時(shí)速達(dá)到140km/h，續(xù)駛里程超過260km，0～50km/h的加速時(shí)間6.8s，被認(rèn)為是國內(nèi)水平最高又最接近產(chǎn)業(yè)化的電動(dòng)車型。2005年，清源公司開發(fā)的6輛“幸福使者”純電動(dòng)汽車出口美國，這是國內(nèi)電動(dòng)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(shí)速限定為40km，最大續(xù)駛里程100km，整車定價(jià)近1萬美元。之后，清源公司繼續(xù)向美國出口純電動(dòng)轎車，2005年出口總數(shù)達(dá)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?yàn)I海新區(qū)建設(shè)電動(dòng)汽車研發(fā)制造基地，形成一條年產(chǎn)2萬輛純電動(dòng)汽車的生產(chǎn)線。
比亞迪股份有限公司憑借其在電池領(lǐng)域的優(yōu)勢，率先將電動(dòng)轎車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。2008年12月15日，推出世界第一款雙模電動(dòng)車F3DM。純電動(dòng)模式可持續(xù)行駛100多公里。電池循環(huán)充電2000次后容量還有80%以上，實(shí)際可使用4000次。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(shí)驗(yàn)性電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)。2010年，在廣州國際車展上，比亞迪公司推出了全球首款批量投放純電動(dòng)出租車E6；同時(shí)2012年北京國際車展比亞迪有望推出性價(jià)比更高的純電動(dòng)汽車“秦”。
萬向集團(tuán)公司從1999年開始涉足電動(dòng)汽車領(lǐng)域，目前已經(jīng)研制出了純電動(dòng)轎車和純電動(dòng)公交車，運(yùn)行總里程已經(jīng)超過了15萬公里。其純電動(dòng)轎車最高時(shí)速為126km/h，經(jīng)濟(jì)時(shí)速下最大續(xù)駛里程為380km，百公里平均耗電量為11kWh；純電動(dòng)公交車最高時(shí)速為90km/h，經(jīng)濟(jì)時(shí)速下的最大續(xù)駛里程為280km，百公里平均耗電量為70kWh，充電方式采用設(shè)置換電站快速更換電池組方式。2006年4月，萬向集團(tuán)公司研制的鋰離子電池電動(dòng)汽車在杭州開始示范運(yùn)行。
同時(shí)，在2010年10月的廣州國際車展上，長安、江淮、奇瑞等自主品牌也紛紛推出了自主研發(fā)的純電動(dòng)汽車。如今，在能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)日益加劇的形式下，國內(nèi)的電動(dòng)汽車猶如雨后春筍一般涌現(xiàn)。
1.3.2國外純電動(dòng)汽車發(fā)展研究狀況
在電動(dòng)汽車的發(fā)展進(jìn)程中，各國和各地區(qū)都依據(jù)自己的國情和特點(diǎn)選擇了不同的技術(shù)路線，而處在技術(shù)領(lǐng)先位置的仍然是日本、美國和歐洲，他們在電動(dòng)汽車的車速、續(xù)駛里程、加速性能、動(dòng)力蓄電池、基礎(chǔ)設(shè)施等方面都有較大的優(yōu)勢。
日本的資源貧乏，能源供給大部分得依靠海外，且主要是石油資源，各領(lǐng)域都在尋求更好的對策以便應(yīng)對能源問題，在日本的能源消費(fèi)中，運(yùn)輸部門大約占25%(1997年)，其中50%以上的石油是用于汽車產(chǎn)業(yè)上的，也就是說，電動(dòng)汽車的發(fā)展和促進(jìn)，對日本能源狀況的改善可以說是至關(guān)重要的。我國目前的能源消耗情況和日本類似，但隨著汽車保有量的快速增長，形勢會(huì)比日本更加嚴(yán)峻。
1967年，日本為了促進(jìn)本國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成立了日本電動(dòng)汽車協(xié)會(huì)在之后的20年間，日本制定了《電動(dòng)汽車的開發(fā)計(jì)劃》和《第三屆電動(dòng)汽車普及計(jì)劃》，并制定了汽車生產(chǎn)和保有量目標(biāo)。本田公司作為日本主要的汽車制造商之一，在電動(dòng)汽車方面的研究主要集中在混合動(dòng)力和燃料電池汽車兩個(gè)方向。在1999年推出Insight、2004年推出Accord Hybrid、2006年推出Civice Hybrid都顯示了本田公司在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上做的努力。燃料電動(dòng)汽車方面也于2006年試行FCX，該車由交流同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，最高車速為160km/h，可以連續(xù)行使570km。與本田相比，豐田公司在電動(dòng)汽車領(lǐng)域也取得了更大的成功，只是豐田主要把研究的重點(diǎn)放在了混合電動(dòng)汽車，自上世紀(jì)80年代開始，豐田公司就研制了EV10-EV40的一系列電動(dòng)汽車。1995年普銳斯研制成功并于1997年投放市場并取得很大成功。普銳斯2005屬于重度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，它采用永磁同步電動(dòng)機(jī)和四缸發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，使得該車的節(jié)能與續(xù)航能力更加突出，因此更具有實(shí)用性，截至2010年年底，全球銷量已經(jīng)超過140萬輛，是當(dāng)前最成功的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。日本另外的一個(gè)著名的汽車品牌——日產(chǎn)，也致力于發(fā)展電動(dòng)汽車，日產(chǎn)公司設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車主要是純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，同時(shí)也將燃料電池電動(dòng)汽車上升到一定戰(zhàn)略地位。比較成熟的產(chǎn)品有Altra、Nissan Tino以及Altima Hybrid，日產(chǎn)在燃料電動(dòng)汽車的主要作品是FCV2005，它集中了日產(chǎn)公司的核心技術(shù)，如鋰電池技術(shù)、高壓電子技術(shù)和Tino Hybrid的控制技術(shù)等[15-19]。
美國采用政府和企業(yè)雙作用力的方式，加速電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國汽車工業(yè)十分發(fā)達(dá)，汽車產(chǎn)量大，保有量最多，石油消耗量和汽車排放污染物均居世界首位。為保持汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，美國制定了非常嚴(yán)格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，并較早地大力鼓勵(lì)發(fā)展電動(dòng)汽車，先后推出了PNGV、Freedom CAR、AVP計(jì)劃。在美國能源部的大力支持下，汽車廠商在電動(dòng)汽車的開發(fā)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列出了美國部分純電動(dòng)汽車的技術(shù)性能參數(shù)。
表1.1 美國部分純電動(dòng)汽車的技術(shù)性能參數(shù)
車 型
通用EV1
通用S10
福特Rangar
克萊斯勒EPIC
整車參數(shù)
整備質(zhì)量:1350Kg
滿載質(zhì)量:1550Kg
整備質(zhì)量:1350Kg
滿載質(zhì)量:1550Kg
整備質(zhì)量:2125Kg
滿載質(zhì)量:2455Kg
整備質(zhì)量:2318Kg
滿載質(zhì)量:2682kg
動(dòng)力電池
類型
鎳氫(Ni-H)
鉛酸（Pb-acid）
鉛酸（Pb-acid）
鋰離子（Li-ion）
性能
電池容量:55A.h
額定電壓:312V
電池容量:55A.h
額定電壓:312V
電池容量:74A.h
額定電壓:312V
額定電壓:360V
驅(qū)動(dòng)電機(jī)
類型
交流感應(yīng)電機(jī)
交流感應(yīng)電機(jī)
交流感應(yīng)電機(jī)
交流感應(yīng)電機(jī)
最大功率（Kw）
102
―
67
―
性能參數(shù)
最高速:128Km/h
0-96加速:9s
續(xù)駛里程:144Km
最高速:50Km/h
續(xù)駛里程:80Km
最高速:120Km/h
0-96加速:12.5s
續(xù)駛里程:80Km
最高速:128Km/h
續(xù)駛里程:200Km
歐洲地區(qū)延續(xù)其一貫的純電動(dòng)汽車與清潔柴油等替代能源汽車的技術(shù)研發(fā)優(yōu)勢。特別是歐盟委員會(huì)又頒布了更為嚴(yán)格的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)，更多歐洲國家政府和跨國汽車公司將零排放的純電動(dòng)汽車作為產(chǎn)品研發(fā)主要方向，紛紛推出純電動(dòng)汽車。
雪鐵龍C-Zero的動(dòng)力系統(tǒng)為一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速在3200-6200rpm時(shí)，最大功率為48kw，最大扭矩為182N.m，0～100km/h加速時(shí)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(gè)小時(shí)，而快速充電時(shí)，只需要半小時(shí)就可達(dá)到80%的電量。
奔馳Smart電動(dòng)車型配置輸出功率為40馬力的電機(jī)。電機(jī)放置在該車的車尾,采用后驅(qū)結(jié)構(gòu)。其從0~60Km/h所需的加速時(shí)間為6.5s，最高時(shí)速可達(dá)100Km/h。Smart電動(dòng)車的電動(dòng)機(jī)由鋰離子電池提供電能，最大可儲(chǔ)存14KW的電能，續(xù)航里程可達(dá)115Km。鋰離子電池被安放在車身的中部，憑借每百公里僅消耗12Kw.h電量，Smart電動(dòng)汽車成為城市交通中最節(jié)能、最環(huán)保的車型之一[22-26]。
1.4本文主要研究內(nèi)容
對于純電動(dòng)汽車各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，世界各國都做出了不少研究，可以講在各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都已經(jīng)相當(dāng)成熟，只是還沒有突破各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)而已。基于硬件的缺乏和條件的制約，所以本文重點(diǎn)參照某款緊湊型轎車的基本參數(shù)進(jìn)行純電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)選型、匹配設(shè)計(jì)、建模以及動(dòng)力性仿真等研究。本文主要內(nèi)容如下：
1) 對純電動(dòng)汽車的研究背景，國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了簡要概述。
2) 介紹了純電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。
3) 關(guān)于純電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式作了簡要介紹，并選擇了本文所要研究的傳動(dòng)系統(tǒng)布置形式。
4) 根據(jù)緊湊型轎車動(dòng)力性能指標(biāo)，對純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的主要部件進(jìn)行了選型和匹配，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和蓄電池等。
5) 本文在ADVISOR中建立了純電動(dòng)汽車的整車和傳動(dòng)系統(tǒng)各部分的模型，并進(jìn)行了整車動(dòng)力性仿真。
6) 對純電動(dòng)汽車整車動(dòng)力性仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了傳動(dòng)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)合理性。
第二章 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)
當(dāng)前，在沒有突破動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)的條件下，純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配與選型對于純電動(dòng)汽車整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程具有顯著影響。純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力電池和控制系統(tǒng)四部分。由于本文的主要研究內(nèi)容是傳動(dòng)系的匹配設(shè)計(jì)，因此，主要針對驅(qū)動(dòng)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力電池進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)暫不研究。本章首先提出純電動(dòng)轎車的整車參數(shù)和性能要求，接著根據(jù)緊湊型轎車所需的動(dòng)力對驅(qū)動(dòng)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)以及動(dòng)力電池進(jìn)行選型和參數(shù)匹配，最后給出了匹配結(jié)果，包括傳動(dòng)系統(tǒng)的布置形式和各部件的參數(shù)指標(biāo)。本章在理論上對傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從而可以滿足整車的動(dòng)力性，也能降低改裝成本和提高續(xù)駛里程。
2.1純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的布置方案
關(guān)于純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，具有不同的布置形式。合理的傳動(dòng)系統(tǒng)布置會(huì)使得整車的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性和舒適性等性能得到提升。按照傳統(tǒng)的分類方法，動(dòng)力系統(tǒng)具有四種布置形式，以下簡要介紹幾種動(dòng)力系統(tǒng)布置方案的方式、結(jié)構(gòu)、性能要求等，并選擇本文緊湊型純電動(dòng)轎車的動(dòng)力系統(tǒng)布置方案。
圖 2.1 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式
1-電動(dòng)機(jī) 2-離合器 3-變速器 4-傳動(dòng)軸 5-驅(qū)動(dòng)橋 6-轉(zhuǎn)向器
第一種是與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置方式一樣，同樣帶有變速器和離合器。只是利用電動(dòng)機(jī)替代了傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于改裝型電動(dòng)汽車。如圖2.1所示。這種布置方式可以提高電動(dòng)汽車的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，增加低速時(shí)電動(dòng)汽車的后備功率。
圖 2.2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋組合式
1-轉(zhuǎn)向器 2-電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋組合式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
第二種取消了離合器和變速器。如圖2.2所示，這種布置方式具有緊湊的結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)效率高，安裝簡單等特點(diǎn)。但這種方式對電機(jī)的要求較高，不僅要求電機(jī)具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且要求具有較大的后備功率，以保證電動(dòng)汽車的起動(dòng)、爬坡、加速超車等動(dòng)力性。
圖 2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式
1-轉(zhuǎn)向器 2-電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
第三種是電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式。該種方式將電動(dòng)機(jī)裝到驅(qū)動(dòng)軸上，直接由電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變速和差速轉(zhuǎn)換。這種方式同樣對電機(jī)具有較高要求，大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和后備功率，同時(shí)不僅要求控制系統(tǒng)具有較高的控制精度，而且要具備良好的可靠性，從而保證電動(dòng)汽車行駛的安全、平穩(wěn)。
圖 2.4 輪轂電機(jī)式
1-轉(zhuǎn)向器 2-輪轂電機(jī)
第四種是輪轂電機(jī)式。該種方式和第三種方式比較接近，將電動(dòng)機(jī)直接安裝到驅(qū)動(dòng)輪上，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪行駛。當(dāng)然，該種方式使得電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)更為緊湊。
目前，我國的電動(dòng)汽車大多建立在改裝車的基礎(chǔ)上，其設(shè)計(jì)是一項(xiàng)機(jī)電一體化的綜合工程。改裝后高性能的獲得并不是簡單地將內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和油箱替換成電動(dòng)機(jī)和蓄電池便可以實(shí)現(xiàn)的，它必須對蓄電池、電動(dòng)機(jī)、變速器、減速器和控制系統(tǒng)等參數(shù)進(jìn)行合理的匹配，而且在進(jìn)行總體方案布置時(shí)必須保證連接可靠、軸荷分配合理等。
本文綜合以上幾種動(dòng)力系統(tǒng)布置形式和本文所參照的緊湊型電動(dòng)轎車建立在改裝車的基礎(chǔ)上。本文設(shè)計(jì)了如下的動(dòng)力系統(tǒng)布置方案。見圖2.5所示。
圖 2.5 緊湊型電動(dòng)轎車動(dòng)力系統(tǒng)布置方案
1-變速器與減速器組合 2-電動(dòng)機(jī) 3-蓄電池位置 4-轉(zhuǎn)向器
本方案采用的是電動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)的布置形式，電動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力通過變速器與離合器組合通過車軸傳遞給車輪，驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)。同時(shí)，將蓄電池和控制器布置在座椅下面。這種布置方案是參考當(dāng)前最低成本的改裝方案[4]。
2.2純電動(dòng)汽車整車參數(shù)及性能指標(biāo)確定
本文參照某緊湊型純電動(dòng)轎車，對轎車的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析。最終確立了本文研究車型的整車參數(shù)如下表：
表 2.1 緊湊型純電動(dòng)轎車整車參數(shù)
整車尺寸（mm）
4038/1720/1500
電池類型
鋰離子電池
整備質(zhì)量（Kg）
1450
傳動(dòng)效率ηT
0.9
離地間歇（mm）
120
續(xù)駛里程（Km）
150
前/后輪距（mm）
1460/1445
空氣阻力系數(shù)CD
0.38
軸 距（mm）
2500
迎風(fēng)面積A（m2）
2.136
輪胎規(guī)格
185/55R15
車輪滾動(dòng)半徑r（m）
0.29
驅(qū)動(dòng)方式
前置前驅(qū)
滾動(dòng)阻力系數(shù)f
0.014
同時(shí)，在電動(dòng)汽車行駛過程中會(huì)經(jīng)歷不同的工況，譬如：坡道行駛，加速工況等。因而對電動(dòng)汽車的最高車速，最大爬坡度，加速時(shí)間和最大續(xù)駛里程等性能有具有要求。參照諸多文獻(xiàn)，確立如下緊湊型純電動(dòng)轎車的動(dòng)力性指標(biāo)：
（1） 最高車速：≥140Km/h;
（2） 最大爬坡度：≥30%;
（3） 加速時(shí)間：6.5s（0~50Km/h的加速時(shí)間）;
（4） 蓄電池放電深度80%，能夠以速度30Km/h行駛150公里。
2.3電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配
電動(dòng)機(jī)是純電動(dòng)轎車中輸出動(dòng)力的部分，是整個(gè)電動(dòng)轎車的心臟。電動(dòng)機(jī)的選擇直接關(guān)系到電動(dòng)轎車的動(dòng)力性能。只有所選擇的電動(dòng)機(jī)具有足夠可以調(diào)節(jié)的動(dòng)力范圍才能在不同的工況下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)轎車的加速、減速或是制動(dòng)停車等功能。電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇主要是對電機(jī)的峰值功率、額定功率、最高轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速和額定電壓等參數(shù)的匹配計(jì)算，經(jīng)過理論計(jì)算，使設(shè)計(jì)的電機(jī)參數(shù)能夠滿足整車的動(dòng)力性，即不出現(xiàn)動(dòng)力不足或是動(dòng)力過剩浪費(fèi)的情況。電動(dòng)機(jī)功率選擇越大，則電動(dòng)汽車的后備功率越多，加速性和爬坡度性越好，但電動(dòng)機(jī)的體積和質(zhì)量會(huì)迅速增加，使得電動(dòng)機(jī)不能在高效率區(qū)工作，從而影響了車輛的續(xù)駛里程;另外，電動(dòng)機(jī)的成本也會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)功率的增加而增加。電動(dòng)機(jī)功率選擇過小，將無法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車所要求的性能指標(biāo)，影響整車的加速性能，甚至?xí)斐呻姍C(jī)及其他設(shè)備的損壞。因此，合理選擇電機(jī)的峰值功率和額定功率至關(guān)重要[27,28]。
2.3.1電動(dòng)機(jī)類型選擇
純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求電機(jī)具有較高的可靠性、耐久性、適應(yīng)性。由于車輛的振動(dòng)及機(jī)室的高溫環(huán)境，車用電機(jī)在振動(dòng)大、沖擊大、灰塵多、溫濕變化大的惡劣條件下運(yùn)行，因而必須適應(yīng)環(huán)境條件的要求，使電機(jī)可靠、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。此外，由于電動(dòng)汽車在運(yùn)行的過程中速度的變化范圍大，這就要求電機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，即車用電機(jī)要具備低速大轉(zhuǎn)矩和高速恒功率的特性[29]。
電動(dòng)機(jī)的類型很多，主要包括直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)。對以上四類電動(dòng)機(jī)的特性作如下對比：
表 2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性比較[29]
項(xiàng) 目
直流電機(jī)
交流感應(yīng)電機(jī)
開關(guān)磁阻電機(jī)
永磁電機(jī)
結(jié) 構(gòu)
有電刷和換向器，可靠性差
結(jié)構(gòu)簡單；牢固可靠性高
由磁阻電機(jī)和開關(guān)電路控制器組成
有永磁體不需要?jiǎng)?lì)磁電流，效率高
外形尺寸
大
中
小
小
質(zhì) 量
重
中
輕
輕
最高轉(zhuǎn)速（rpm）
4000--6000
9000-15000
>10000
4000-10000
效率（%）
75-85
85-92
85-93
90-95
可靠性
一般
優(yōu)
優(yōu)
良
價(jià) 格
高
便宜
一般
高
缺 點(diǎn)
有電刷易產(chǎn)生火花，引起電磁干擾維修復(fù)雜，體積大質(zhì)量大
控制系統(tǒng)復(fù)雜
輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，具有非線性特性
需要檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，永磁體有退磁的問題
優(yōu) 點(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩控制特性良好
結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速范圍廣，較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，技術(shù)比較成熟，維修業(yè)比較簡單
結(jié)構(gòu)簡單，牢靠起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩大，可調(diào)范圍寬廣，效率高
體積小，重量小所以能量密度大，控制器比較簡單，效率比較高
運(yùn)用前景
電動(dòng)汽車發(fā)展初期得到青睞，與其他驅(qū)動(dòng)技術(shù)相比劣勢較多
目前大部分電動(dòng)汽車都選擇其作為動(dòng)力來源
尚未成熟，發(fā)展受到限制
大多數(shù)使用在特殊電動(dòng)汽車上，如太陽能電動(dòng)汽車
（1）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有成本最便宜、易于無極調(diào)速、控制器簡單便宜、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但由于存在碳刷和換向器，制約了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速還需要定期維護(hù)，使用很不方便。加上電機(jī)本身體積大、重量重、效率低，這些因素制約了在電動(dòng)汽車上的使用。只能使用在低速、低價(jià)的微型電動(dòng)觀光車上。
（2）交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與直流電機(jī)系統(tǒng)相比，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)實(shí)可靠、免維護(hù)、體積小、重量輕、易于冷卻、壽命長等許多優(yōu)點(diǎn)。感應(yīng)電機(jī)本身比直流電機(jī)成本低，但控制成本比直流電機(jī)高。但隨著功率電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，兩者的成本差距越來越接近。
（3）開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊牢固，適合于高速運(yùn)行，并且驅(qū)動(dòng)電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率都比較高，而且可以方便地實(shí)現(xiàn)四象限控制。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，電磁噪聲大。此外，相對永磁電機(jī)而言，功率密度和效率偏低。隨著技術(shù)進(jìn)步，該電機(jī)在電動(dòng)汽車上也具有較好的應(yīng)用前景。
（4）永磁電動(dòng)機(jī)可分為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁交流同步電動(dòng)機(jī)。前者的優(yōu)點(diǎn)是：控制器簡單，輸出轉(zhuǎn)矩大；缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。后者的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，控制較復(fù)雜，對于同功率電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩比無刷直流電機(jī)小。可利用矢量算法可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的恒功弱磁調(diào)速。
綜上所述，永磁無刷直流電機(jī)具有優(yōu)越的起動(dòng)和調(diào)速性能、沒有換向器和電刷、壽命長、噪音低和電子干擾小等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中遇到的諸如起步不穩(wěn)定、電機(jī)噪音大以及行駛過程中頻繁制動(dòng)、加速等問題都可以得到解決，同時(shí)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)較成熟、成本較低，所以本文選擇永磁無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)[4]。
2.3.2電動(dòng)機(jī)參數(shù)確定
電動(dòng)機(jī)的功率包括額定功率和最大功率。電動(dòng)機(jī)的功率選的越大，則電動(dòng)汽車的后備功率越多，加速和爬坡性能越好，但同時(shí)電機(jī)的體積和質(zhì)量也會(huì)迅速增加，而且會(huì)使電動(dòng)機(jī)不能經(jīng)常工作在峰值功率附近，從而會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成功率浪費(fèi)，是電機(jī)效率下降。因此，電動(dòng)機(jī)的功率不能選得太大，應(yīng)該依據(jù)電動(dòng)汽車的最高車速、爬坡度和加速性能來確定電動(dòng)機(jī)的功率[4,28,30]。
1. 根據(jù)汽車最高車速確定電動(dòng)機(jī)功率
設(shè)計(jì)中常常以先保證汽車預(yù)期的最高車速來初步選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)有的功率。已知電動(dòng)汽車期望的最高車速，選擇的電動(dòng)機(jī)功率大體上等于但不小于汽車以最高車速行駛時(shí)行駛阻力消耗的功率之和。電動(dòng)汽車以最高車速行駛消耗的功率為[4]
UmaxP=1ηTMgf3600 umax+CDA76140umax3 (2.1)
式中，M為整車質(zhì)量（Kg）；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積（m2）；umax為最高行駛車速（Km/h）。
將表2-1中的參數(shù)帶入公式2.1中得到式（2.2）：
UmaxP=10.91450×9.8×0.0143600×140+0.38×2.13678140×1403=40.27Kw (2.2)
2. 根據(jù)汽車爬坡度確定電動(dòng)機(jī)功率
電動(dòng)汽車以某一車速爬上最大坡度消耗的功率為
imaxP=1ηTMgfcosarctani3600 ua+CDA76140ua3+Mgsinarctani3600ua (2.3)
式中，ua為電動(dòng)汽車行駛速度（Km/h）；i為坡度。
本文所設(shè)計(jì)的最大爬坡度為30%，即i=30%；取爬坡時(shí)電動(dòng)汽車的行駛速度為ua=25Km/h。將表2.1中的參數(shù)帶入公式（2.3）得：
imaxP=10.91450×9.8×0.014×cosarctan30%3600×25+0.38×2.13676140×253 +1450×9.8×sinarctan30%3600×25=33.16Kw (2.4)
3. 根據(jù)電動(dòng)汽車加速性能確定電動(dòng)機(jī)功率
電動(dòng)汽車在水平路面上加速行駛消耗的功率為
jP=1ηTMgf3600u+CDA76140u3+δM3600dudtu (2.5)
式中，δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，在《汽車?yán)碚摗分懈鶕?jù)igi0值查得：δ=1.065；u為汽車加速過程的瞬時(shí)車速（Km/h）;dudt為汽車加速度（m/s2）。
而汽車加速過程中，瞬時(shí)車速可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式表示為[31-33]：
u=umttmx (2.6)
式中，um為車輛末速度（Km/h）；tm為車輛的加速時(shí)間（s）；x為擬合系數(shù)，一般取值0.5左右。
車輛在加速過程的末時(shí)刻，電動(dòng)機(jī)輸出的功率最大，因此加速過程中最大功率需求為：
jmaxp=jPt|t=tm
=13600ηTδMum23.6di1-tm-dttmx+Mgfum+CDA21.15um3 (2.7)
式中，dt為設(shè)計(jì)過程的迭代步長，通常去0.1s就能滿足精度要求。將表2.1中的數(shù)據(jù)代入公式(2.