裝配圖純電動(dòng)客車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

裝配圖純電動(dòng)客車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù),裝配,電動(dòng),客車,動(dòng)力,系統(tǒng),參數(shù) 2015屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 由于環(huán)境污染、能源匱乏等問題日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車成為汽車行業(yè)研究的熱點(diǎn)。純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系部件參數(shù)的合理匹配，對電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等有顯著的影響。本文以某輕型純電動(dòng)客車為研究的對象，主要介紹了電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)理論匹配的方法，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件的性能要求，以及影響整車性能的因素分析等。根據(jù)整車的性能要求及部件的選型原則，對該純電動(dòng)客車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配。最后利用MATLAB軟件對所選的一些參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，檢驗(yàn)參數(shù)是否滿足整車的性能要求。 關(guān)鍵詞：純電動(dòng)客車；動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；參數(shù)匹配；動(dòng)力性；經(jīng)濟(jì)性  Abstract Due to environmental pollution, energy shortages and other problems have become increasingly serious,the electric vehicle has become the hot spot .The reasonable matching of the parameters of the power transmission parts has a significant effect on the dynamic and the economy of the electric vehicle.Taking a light electric buses as the object in this article. It introduces the theory of electric vehicle power train matching method performance .It also describes the performance requirements of major power train components.It also analyzes the factors that affect vehicle performance analysis, etc.According to the vehicle performance requirements and components selection principle, the power system parameters of the pure electric bus are designed and calculated, and the parameters of the transmission system are reasonably matched.Finally,the MATLAB software is used to test the performance of the vehicle. Keywords: pure electric bus；power system；parameter matching；dynamic；economy 目錄 第一章 緒論 1 1.1 課題研究的背景 1 1.2 課題研究的意義 1 1.3 汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配方法現(xiàn)狀研究 2 1.4 本論文研究的主要內(nèi)容 4 第二章 電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù) 5 2.1 電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 5 2.2 電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) 6 2.2.1 電機(jī)及其控制技術(shù) 6 2.2.2 電池及其充電技術(shù) 7 2.2.3 能量管理技術(shù) 8 2.3 本章小結(jié) 9 第三章 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與整車參數(shù)性能的相關(guān)介紹 10 3.1電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的布置 10 3.2 電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配方法 12 3.3 某輕型純電動(dòng)客車的整車參數(shù) 14 3.4某輕型純電動(dòng)客車的性能目標(biāo) 14 3.4.1電動(dòng)汽車的性能評價(jià)指標(biāo) 15 3.4.2 某型純電動(dòng)客車的性能要求 15 3.5 本章小結(jié) 16 第四章 純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配 17 4.1 電動(dòng)汽車上常用電機(jī)的介紹 17 4.2 電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選型 19 4.2.1 電機(jī)額定功率、峰值功率的匹配 19 4.2.2 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的確定 22 4.2.3電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩與最高轉(zhuǎn)矩的確定 23 4.3傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配 25 4.3.1傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)對整車性能的影響 26 4.3.2 純電動(dòng)客車傳動(dòng)系參數(shù)的選擇 27 4.4動(dòng)力電池的選型 28 4.5動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果 32 4.6 匹配結(jié)果驗(yàn)算 33 4.6.1最高車速的驗(yàn)算 33 4.6.2最大爬坡度的驗(yàn)算 34 4.6.3加速性能的驗(yàn)算 35 4.6.4 續(xù)駛里程的驗(yàn)算 36 4.7 與電動(dòng)車相關(guān)的國家政策分析 36 4.8 本章小結(jié) 37 第五章 全文總結(jié)與展望 38 5.1 全文總結(jié) 38 5.2 展望 38 致 謝 40 參考文獻(xiàn) 41 附錄 43 第一章 緒論 1.1 課題研究的背景 在18世紀(jì)80年代，第一輛內(nèi)燃機(jī)汽車在德國誕生，它的發(fā)明人叫做Karl Friedrich Benz。自那時(shí)候開始，汽車行業(yè)就像火箭一樣快速的發(fā)展壯大。汽車以絕對的優(yōu)勢占據(jù)了生活中交通工具的主流。汽車行業(yè)的崛起，對整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)作用非常大。在某種意義上來說，汽車的誕生使整個(gè)世界換了一個(gè)全新的面貌[1]。 然而，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)汽車也帶來了一系列的弊端。經(jīng)過分析大量的資料發(fā)現(xiàn)，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車工業(yè)受到的挑戰(zhàn)主要包括能源和環(huán)境這兩方面。 面對這些能源和環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，各國政府均投入了大量的物力、財(cái)力研究新能源汽車，改變傳統(tǒng)汽車的發(fā)展模式。實(shí)現(xiàn)交通行業(yè)能源的轉(zhuǎn)型，已經(jīng)成為傳統(tǒng)汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要手段。電動(dòng)汽車由于具有較大的節(jié)能環(huán)保潛力并且更易于產(chǎn)業(yè)化，故而受到了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。從這個(gè)趨勢來看，電動(dòng)汽車將會(huì)逐漸的取代傳統(tǒng)燃油車成為社會(huì)上人們出行的主要交通工具之一。當(dāng)然這并不僅僅是因?yàn)殡妱?dòng)汽車對環(huán)境無污染、操縱簡單、噪聲也小，更突出的一點(diǎn)就是電動(dòng)汽車代表了一種新的生活方式，也貫徹了可持續(xù)發(fā)展的理念。各國政府及汽車企業(yè)均已將電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化作為其近期的發(fā)展方向，這同時(shí)也對電動(dòng)汽車的技術(shù)水平以及整車性能的提高提出了更為迫切的實(shí)際需要。 1.2 課題研究的意義 大力發(fā)展純電動(dòng)汽車的發(fā)展，可以有效地改善傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)所帶來的環(huán)境污染，也可以緩解能源短缺所帶來的壓力?？梢灶A(yù)見電動(dòng)汽車會(huì)將汽車這個(gè)行業(yè)帶向另一個(gè)新的高度。電動(dòng)汽車涉及的學(xué)科領(lǐng)域很多，是比較繁瑣的一項(xiàng)系統(tǒng)化工程。目前因有些技術(shù)方面的難題還沒有解決，限制了純電動(dòng)汽車的快速發(fā)展。對于純電動(dòng)汽車來說，電池技術(shù)方面的難題可以說是致命傷。電池技術(shù)上的難題主要包括無法完全滿足汽車行駛的需求，另外也存在電池的重量大、體積大、費(fèi)用高的問題。在電池技術(shù)難題沒有被攻克下來時(shí)，可以尋找另一個(gè)突破口——對純電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理匹配[2]。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理與否直接影響到整車性能指標(biāo)（爬坡能力、最高車速、加速能力和續(xù)駛里程）的高低。所以要想使純電動(dòng)汽車的實(shí)用性提高，更好的滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨螅仨氁鉀Q的一個(gè)問題就是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)合理匹配的問題。 1.3 汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配方法現(xiàn)狀研究 在傳統(tǒng)汽車行業(yè)的不斷發(fā)展中，車輛的在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面的性能都有非常明顯的提高。之所以能有這樣的局面是因?yàn)樵S多工程人員都在車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配方面做了大量的努力。在當(dāng)時(shí)技術(shù)手段和工具等條件有限的情況下，匹配動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要就是通過定性定量的分析和計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)過許多的測試數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)匹配。具體步驟包括[3]： （1）對設(shè)計(jì)開發(fā)的同款車型進(jìn)行一定的市場調(diào)查； （2）對市場調(diào)差的結(jié)果進(jìn)行分析，提煉對設(shè)計(jì)匹配有用的信息； （3）參考之前已有的車型，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)思可行的方案； （4）試制樣車并進(jìn)行一定的檢查和試驗(yàn)； （5）根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對樣車進(jìn)行合理的修改； （6）敲定一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)方案。 這種方法有許多弊端，比如設(shè)計(jì)的質(zhì)量不高、研制的周期長等。但是隨著隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的越來越廣泛和現(xiàn)代計(jì)算方法迅速的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真模擬與性能計(jì)算的技術(shù)在車輛的設(shè)計(jì)過程占據(jù)了無比重要的位置[4]。在車輛的研發(fā)設(shè)計(jì)中，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬和性能計(jì)算的技術(shù)手段，以車輛各部件系統(tǒng)的一些特性為基礎(chǔ)，對動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行初步的選擇，再通過仿真和試驗(yàn)的方法對車輛的整車性能進(jìn)行評價(jià)，最后可以將參數(shù)實(shí)行優(yōu)化組合，選擇最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，使整車的各性能達(dá)到最優(yōu)化。利用這種技術(shù)手段就可以很方便的做出最佳方案，也大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮減了開發(fā)新產(chǎn)品的周期。 1.3.1國外研究現(xiàn)狀 國外最早利用計(jì)算機(jī)對車輛動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，也取得了非常大的研究成效。許多企業(yè)見證了計(jì)算機(jī)對車輛匹配過程的優(yōu)越性之后，對匹配計(jì)算的軟件進(jìn)行了大力開發(fā)。 在1972年，一種名為GPSIM的軟件被美國的通用公司開發(fā)出來。這款軟件可以模擬出汽車在所有行駛工況下的累積油耗、瞬時(shí)油耗、行駛時(shí)間和距離，并預(yù)測汽車的一些設(shè)計(jì)參數(shù)譬如傳動(dòng)系速比、重量、空氣阻力系數(shù)等的變化對整車性能的影響[5]。其他后續(xù)被其他公司開發(fā)出來的比較有名的一些仿真軟件有AVL-Cruise、GT-Driver、Advisor、Past等。 根據(jù)相關(guān)資料的搜集可以發(fā)現(xiàn)，國外利用模擬計(jì)算軟件對車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配和優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在下列這些方面[6]： (l)研究設(shè)計(jì)不同的變速器對汽車性能的影響，通過減小傳動(dòng)比來提高車輛的經(jīng)濟(jì)性，但是這樣會(huì)降低車輛的動(dòng)力性； (2)研究增加變速器檔位、優(yōu)化變速器傳動(dòng)比分配對汽車性能的影響，設(shè)計(jì)具有更多檔位的變速器，使動(dòng)力能在傳遞過程更加平穩(wěn)、順暢； (3)改變汽車的布置、結(jié)構(gòu)、尺寸，采用新型的材料，改造各總成部件以減少汽車整備質(zhì)量，使得汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得以提高。 1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國的汽車技術(shù)相對國外而言是比較晚的，對于利用計(jì)算機(jī)性能模擬軟件對車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配優(yōu)化的研究也是從80年代后期才開始[7]。研究之后也取得了一些可喜的成果： 1983年，長春汽車研究所開發(fā)的汽車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性通用模擬程序。這種程序能夠在排除如天氣、司機(jī)狀態(tài)影響等外界因素的影響下發(fā)現(xiàn)對汽車的性能能產(chǎn)生影響的參數(shù)[8]。 1990年，清華大學(xué)提出動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算機(jī)模擬的方法。這種方法參考了國外的許多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，簡單合理地演示了汽車?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的基本運(yùn)行過程[9]。 李偉華用驅(qū)動(dòng)特性的實(shí)際數(shù)據(jù)和理想數(shù)據(jù)，并利用權(quán)重法和價(jià)值評價(jià)方法來評價(jià)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[10]。 最近幾年，國內(nèi)通過一些仿真模擬軟件對車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方面的研究工作主要包括四個(gè)方面，如圖1.1所示。 圖1.1 對車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方面的研究工作 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的匹配，是在傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上建立的動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配。純電動(dòng)汽車的匹配研究技術(shù)在國外的一些公司非常成熟。甚至開發(fā)的部分純電動(dòng)汽車的整體性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)燃油汽車。純電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配過程與傳統(tǒng)車很相似，主要內(nèi)容就是通過分析純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)對整車性能的影響，選擇與傳動(dòng)系統(tǒng)能夠合理匹配的電機(jī)，并且深入研究如何選擇傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。 1.4 本論文研究的主要內(nèi)容 本論文的課題是在某公司某輕型純電動(dòng)客車研發(fā)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上提出來的，研究的主要內(nèi)容則包含以下幾項(xiàng)： （1）介紹純電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)與一些關(guān)鍵技術(shù)； （2）分析電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的布置方式； （3）對整車的性能目標(biāo)進(jìn)行解讀； （4）對電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的原則和方法進(jìn)行分析和探討； （5）根據(jù)整車性能參數(shù)對其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行合理的參數(shù)匹配； （6）對匹配后的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，判斷是否滿足整車性能目標(biāo)； （7）分析相關(guān)國家補(bǔ)貼政策，判斷整車是否滿足國家補(bǔ)貼政策。  第二章 電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù) 2.1 電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別并不在于車體和車架的設(shè)計(jì)上面，主要區(qū)別在于電動(dòng)汽車在結(jié)構(gòu)布置方面非常的靈活。電動(dòng)汽車是以柔性電線為傳輸載體將從蓄電池傳出的能量傳送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)。所以電動(dòng)汽車就會(huì)比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的靈活性要強(qiáng)很多（傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車以萬向節(jié)或聯(lián)軸器等傳輸動(dòng)力）。同時(shí)在選擇電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置方案時(shí)也可以更加的靈活，舉個(gè)例子來說，完全可以采用輪轂電機(jī)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方案來代替以前的布置方案，這樣做的話就可以使汽車的內(nèi)部空間變的非常大。從上述方面來看，純電動(dòng)客車在結(jié)構(gòu)布置方面比傳統(tǒng)汽車要更具有優(yōu)勢。 電動(dòng)汽車系統(tǒng)一般由電力驅(qū)動(dòng)、主能源管理以及輔助控制這三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2.1所示。其中，電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)主要是由電機(jī)控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)車輪和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成。主能源管理子系統(tǒng)則主要由主電源和EMS (即能源管理系統(tǒng)）和充電系統(tǒng)三部分組成，并且可以監(jiān)控利用能源、也可以實(shí)現(xiàn)能源再生以及協(xié)調(diào)控制等各項(xiàng)功能[11]。輔助控制子系統(tǒng)（又稱為整車控制器）具有控制溫度和輔助提供動(dòng)力等功能，其主要工作流程是先收集踏板信號和其它信號，再分析信號中包含的信息并迅速做出一系列的決策，最終向下級各部分發(fā)出一系列的指令且使其執(zhí)行。還有一點(diǎn)就是在汽車正常行駛的條件下可以有效的提高能量使用率。當(dāng)電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存在電池中，在這個(gè)時(shí)候功率流的方向會(huì)變成相反的。能量管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)共同作用控制再生制動(dòng)及能量的回收，能量管理系統(tǒng)和充電器則是共同控制充電并監(jiān)測電源的實(shí)時(shí)使用狀況。輔助動(dòng)力供給系統(tǒng)向輔助系統(tǒng)提供相應(yīng)的電壓而且還要提供必要的動(dòng)力，主要是給動(dòng)力轉(zhuǎn)向、空調(diào)、制動(dòng)和其他輔助裝置提供動(dòng)力。 圖2.1 純電動(dòng)客車基本結(jié)構(gòu)示意圖 2.2 電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) 電動(dòng)汽車屬于一種新型產(chǎn)品，它涉及的領(lǐng)域非常多，包括計(jì)算機(jī)、能源與新材料、電力電子等領(lǐng)域。它的關(guān)鍵技術(shù)主要有能量管理方面的技術(shù)、電機(jī)及控制的技術(shù)、電池技術(shù)、電池充電技術(shù)、車身和底盤技術(shù)。汽車的車身和底盤技術(shù)已經(jīng)非常成熟，故限制電動(dòng)汽車發(fā)展和普及的關(guān)鍵技術(shù)主要是不太成熟的技術(shù)，包括電機(jī)及其控制技術(shù)、電池技術(shù)、電池充電技術(shù)和能量管理技術(shù)。 2.2.1 電機(jī)及其控制技術(shù) 1）電機(jī)的性能要求 電動(dòng)汽車上使用的電機(jī)不同于工業(yè)上用的電機(jī)。原因在于后者所用的電機(jī)一般要求能在額定條件下長時(shí)間工作，而前者則需要電機(jī)能夠頻繁的加速/減速、啟動(dòng)/停車，低速或爬坡時(shí)要求較高的轉(zhuǎn)矩；車輛在高速行駛條件下要求較低轉(zhuǎn)矩，同時(shí)保證變速的范圍較大。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為純電動(dòng)客車提供源源不斷的動(dòng)力，其性能對整車性能非常重要。因此，純電動(dòng)客車對電機(jī)的性能提出了一些要求： （1）較強(qiáng)的過載能力。要想車輛具有良好的動(dòng)力性，電機(jī)就要有強(qiáng)大的功率、轉(zhuǎn)矩過載的能力。峰值轉(zhuǎn)矩在平常條件下會(huì)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上，峰值功率一般是額定功率的1.5倍以上，并要求在峰值狀態(tài)的時(shí)間不少于5分鐘。 （2）較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。通常是用低速恒轉(zhuǎn)矩和高速恒轉(zhuǎn)矩的控制手段，要求轉(zhuǎn)矩能夠很快的響應(yīng)、波動(dòng)不能過大、良好的穩(wěn)定性。 （3）調(diào)速范圍寬。需要電機(jī)能在比較大的范圍內(nèi)調(diào)速，能夠在四象限內(nèi)正常工作。 （4）高效工作區(qū)寬。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較高的效率。 （5）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較高的可靠性、良好的電磁兼容性、方便日常保養(yǎng)。 （6）功率密度要高。為了方便安裝電機(jī)和控制系統(tǒng)。 2）電機(jī)控制技術(shù) 控制電動(dòng)機(jī)模式有很多種，比如：變頻變壓控制和矢量控制技術(shù)、線性控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制和變結(jié)構(gòu)控制等。 直流電機(jī)的控制主要采用的是直流斬波器，通過脈寬調(diào)制方式在斬波器頻率不變的情況下改變脈沖的寬度，從而改變平均輸出電壓的大小，來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以達(dá)到調(diào)速目的。 感應(yīng)電機(jī)主流的控制方法主要有直接轉(zhuǎn)矩、矢量控制法。永磁無刷直流電機(jī)常用的控制方法是電流斬波法，控制系統(tǒng)由橋式變換器、電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測器、PWM 控制電路等部分組成。 永磁同步電機(jī)在低速狀態(tài)時(shí)多采用矢量控制法。 開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用引入Backstepping法等非線性控制方法，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能控制方法。 2.2.2 電池及其充電技術(shù) 1）電池 純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)中用來儲(chǔ)能的裝置就是電池，其儲(chǔ)存的電能可以向車輛提供任何行駛工況下所需要的動(dòng)力。因?yàn)檫@個(gè)原因，蓄電池的一些參數(shù)與汽車的整體性能是密切相關(guān)的，譬如電池體積的大小、質(zhì)量的大小及其存儲(chǔ)的能量的多少對電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程和動(dòng)力性能的影響就非常大。在某種程度上來說電池技術(shù)上的難題也是現(xiàn)階段電動(dòng)汽車行業(yè)高速發(fā)展的頭號難題。 電動(dòng)汽車上所用的電池應(yīng)具有以下特性[12]： （1）使用性能穩(wěn)定可靠而且循環(huán)使用壽命長； （2）較低的自放電率，較高的充電效率； （3）動(dòng)力電池的工作溫度范圍應(yīng)盡可能大； （4）具有充電迅速和能夠深度（如80%DOD）放電能力； （5）安全性高且可回收性能較好； （6）較高的比能量和比功率。 2）電池充電技術(shù) 為了能使電動(dòng)客車正常行駛，就需要能讓動(dòng)力電池方便且快捷的充電。因?yàn)閯?dòng)力電池的充電屬性因型號和類別不同有很大區(qū)別，所以一般充電方式要與該車輛的動(dòng)力電池的充放電曲線相匹配，以保證電池局域良好的的使用性能。電池的充電屬性一般在0.1C至0.3C之間是最佳的。 電動(dòng)汽車的充電方法一般分為常規(guī)充電、快速充電和更換電池組。這三種充電方法的特點(diǎn)及使用情況如表2.1所示。 充電方式 特點(diǎn) 適合使用的情況分析 常規(guī)充電 又稱為普通充電，充電的電流小時(shí)間長，屬于慢充。 一般會(huì)在晚間的用電低谷期進(jìn)行充電，通過用充電樁在家就可以完成充電。 快速充電 也是應(yīng)急充電，可以解決續(xù)航里程電量補(bǔ)給的問題，但對電池壽命有影響，因電流較大，對技術(shù)、安全性要求也較高。主要特點(diǎn)就是高電壓、大電流，充電時(shí)間短。 此種方法充電電流大，需要在充電站中進(jìn)行。 更換電池組 更換電池時(shí)間較短，但要求電池的外形、容量等參數(shù)完全統(tǒng)一，同時(shí)，還要求電動(dòng)汽車的構(gòu)造設(shè)計(jì)能滿足更換電池的方便性、快捷性。 更換電池組的專業(yè)化要求挺高的，僅適合在充電站使用。 表2.1 三種充電模式的特點(diǎn)及適用情況分析 2.2.3 能量管理技術(shù) 電源管理系統(tǒng)的作用是為了對電池組的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，避免電池過度的充放電，也可以減輕甚至消除因電池間電壓不平衡對蓄電池造成的損害，可以有效地增加電池的生命周期和電池組的電量。 蓄電池的能量管理系統(tǒng)的主要組成部分及其作用如下所示[13]: (1)數(shù)據(jù)采集 利用傳感器實(shí)時(shí)檢測電池的充放電狀態(tài)、溫度等參數(shù)。 (2)數(shù)據(jù)通信 通過整車的通信協(xié)議共享信息，實(shí)時(shí)顯示電池的主要性能參數(shù)。 (3)電氣控制 系統(tǒng)根據(jù)檢測的蓄電池的實(shí)時(shí)參數(shù)控制電池的充放電狀態(tài)，保證蓄電池在穩(wěn)定可靠的條件下工作。 (4)剩余容量的估算 利用傳感器獲得的數(shù)據(jù)估算電池的剩余能量，即SOC值。 (5)熱管理 搜集電池測溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)對電池的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，防止電池過熱。 (6)安全管理 根據(jù)采集的各種數(shù)據(jù)預(yù)測電池的各種性能，對可能出現(xiàn)的故障提前報(bào)警。 2.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，也簡單介紹了一下阻礙電動(dòng)汽車迅速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。  第三章 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與整車參數(shù)性能的相關(guān)介紹 3.1電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的布置 電動(dòng)汽車上非常重要部分就是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，其性能對電動(dòng)汽車的整車性能有著非常大的影響。在如今技術(shù)條件有限的情況下，其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)有以下幾種布置方式[14，15]： （1）動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中帶有變速器 這種布置屬于常規(guī)型，其優(yōu)點(diǎn)在于可以有效提高電動(dòng)汽車剛啟動(dòng)時(shí)的扭矩，從而增加車輛的爬坡能力和加速能力。其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.1所示。 圖3.1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 （2）動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中沒有離合器和變速器 這是對電動(dòng)機(jī)性能要求很高的一種布置方式。需要電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、后備功率也要大，這樣才能使車輛起動(dòng)、爬坡、加速時(shí)具有足夠的動(dòng)力。其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.2所示。 圖3.2 無變速器的電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 （3）將電動(dòng)機(jī)裝到驅(qū)動(dòng)軸上 這種布置方式屬于無差速器型。這種傳動(dòng)方式相對前幾種布置方式而言，對電動(dòng)機(jī)的要求更高些，既要滿足起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也要滿足車輛有較大的后備功率。而且也要求控制系統(tǒng)的控制精度高和可靠性要好，從而保證電動(dòng)汽車能夠安全、平穩(wěn)的運(yùn)行。其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.3所示。 圖3.3 無差速器型電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 （4）將電動(dòng)機(jī)安裝到車輛的驅(qū)動(dòng)輪上 這類電動(dòng)汽車的特點(diǎn)是無動(dòng)力傳動(dòng)裝置，把驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在驅(qū)動(dòng)輪的輪轂內(nèi)，如圖3.4所示。 圖3.4 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 我國的電動(dòng)汽車基本上是在傳統(tǒng)車的基礎(chǔ)上改裝而來的。當(dāng)然改裝的過程并不是簡單的將發(fā)動(dòng)機(jī)換成電機(jī)而已，改裝過程中需要對電動(dòng)機(jī)、蓄電池、減速器、變速器和控制系統(tǒng)等相關(guān)部件的參數(shù)進(jìn)行合理的匹配，同時(shí)在總體方案布置時(shí)也要保證軸荷分配合理、連接可靠等。本論文中純電動(dòng)客車的動(dòng)力系統(tǒng)選擇的是第一種有變速器的布置方案。 3.2 電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配方法 在如今能源緊缺和環(huán)境污染的雙重脅迫下，“節(jié)能低碳”的理念已經(jīng)被各國人民深埋于心。隨著新興產(chǎn)業(yè)——新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多新能源汽車的研發(fā)技術(shù)也是層出不窮。純電動(dòng)汽車以其絕對的優(yōu)勢——無污染，零排放等，逐漸取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車成為世界上汽車行業(yè)的主要戰(zhàn)略取向是毫無懸念的。 在電動(dòng)汽車的前期研發(fā)階段，精確設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)，合理匹配動(dòng)力系統(tǒng)部件，可以最大限度的開發(fā)現(xiàn)有電動(dòng)汽車技術(shù)的潛能，也可以提高能量的利用效率。純電動(dòng)汽車的發(fā)展在全世界的范圍內(nèi)都引起了高度關(guān)注，許多汽車公司均投入了大量的財(cái)力、人力、物力來研發(fā)和生產(chǎn)新能源汽車，使得新能源汽車研發(fā)領(lǐng)域得以迅速的發(fā)展和擴(kuò)展。 經(jīng)過搜集關(guān)于最近幾年國內(nèi)外純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法方面的資料，發(fā)現(xiàn)目前比較常用的匹配方法主要包括下列幾種方法[16]： 1）以滿足動(dòng)力性及續(xù)駛里程指標(biāo)為目標(biāo)的基礎(chǔ)匹配 這是與傳統(tǒng)燃油車的匹配方法非常相似的一種方法。匹配目標(biāo)就是達(dá)到純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的動(dòng)力性及續(xù)駛里程的性能指標(biāo)。通過一系列的理論計(jì)算以及相關(guān)的匹配原則來選擇動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，比如： (1) 電機(jī)的峰值功率根據(jù)最高車速、最大爬坡度和加速時(shí)間這三個(gè)方面綜合確定； (2) 電機(jī)額定參數(shù)則是由電機(jī)的過載系數(shù)和基速比的經(jīng)驗(yàn)值來確定； (3) 電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速則是根據(jù)最高車速和主減速器的主減速比來確定； (4) 傳動(dòng)系的最大傳動(dòng)比由電機(jī)的最大扭矩來確定，最小傳動(dòng)比則由最高車速和電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速來確定； (5) 電池的數(shù)目和容量則是根據(jù)純電動(dòng)客車的續(xù)駛里程來確定。 這種傳統(tǒng)的匹配方法比較直接也很簡單，能有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。但是這種匹配方法有一個(gè)缺點(diǎn)就是在達(dá)到車輛的輸出功率要求時(shí)，對車輛的能量消耗方面的考慮并不是非常充分。在匹配過程中整車系統(tǒng)子部件之間的耦合關(guān)系也沒有考慮的很全面，換種話說就是忽略了某一部件參數(shù)取值變化對其他部件的影響。因此匹配結(jié)果用于工況仿真和實(shí)車運(yùn)行時(shí)效率往往較低，整車能耗有較大降低的空間。 2）以降低能耗和提升利用效率為目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)各部件參數(shù) 為了使純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程得以增加、能量消耗率得以降低，許多研究人員就在動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配過程中引進(jìn)優(yōu)化的過程。優(yōu)化的過程一般是以車輛的動(dòng)力性和續(xù)駛里程為優(yōu)化的約束條件，以提高整車的效率和降低整車的能耗為目標(biāo)來優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)某一部件的參數(shù)，最后再根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果來選擇和確定滿足續(xù)駛里程長、能量消耗率低的最優(yōu)參數(shù)。 在這里列舉幾個(gè)例子來補(bǔ)充說明這種優(yōu)化方法在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用： （1）湖南大學(xué)的周兵等對兩檔變速器的傳動(dòng)比進(jìn)行車輛續(xù)駛里程和起步加速時(shí)間的雙目標(biāo)優(yōu)化[17]； （2）重慶大學(xué)的秦大同等以車輛的動(dòng)力性能指標(biāo)為優(yōu)化的約束條件、以電機(jī)能耗最低作為優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化變速器的兩檔位傳動(dòng)比[18]； （3）合肥工業(yè)大學(xué)的王方以續(xù)駛里程為目標(biāo)優(yōu)化變速器傳動(dòng)比[19]； （4）吉林大學(xué)的王偉把電機(jī)效率最高當(dāng)做優(yōu)化目標(biāo)來確定電機(jī)額定參數(shù)[20]。 在這些研究中，優(yōu)化的變量大部分都是動(dòng)力系統(tǒng)單一部件譬如減速器、電機(jī)，對每個(gè)部件參數(shù)的優(yōu)化匹配是獨(dú)立的。這就會(huì)導(dǎo)致忽略其余部件若參數(shù)發(fā)生變化時(shí)對整車及其他部件能量消耗、功率輸出的影響，從而使得優(yōu)化的結(jié)果并不是非常精確。 3）分析整車性能需求和部件特性，結(jié)合整車仿真平臺優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù) 為了使得動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的結(jié)果最優(yōu)化，這就要求在匹配過程中要充分考慮各個(gè)部件之間的耦合關(guān)系，換句話來講就是應(yīng)該從整車得角度來優(yōu)化匹配整車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)。在這里也列舉幾個(gè)例子來說明一下： （1）哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張新磊通過結(jié)合整車仿真模型對電機(jī)功率、電池節(jié)數(shù)及主減速比同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化[21]； （2）哈爾濱工業(yè)大學(xué)的田德文以整車質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)對電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩、電池能量及傳動(dòng)比進(jìn)行了優(yōu)化[22]。 這些例子都是從整車需求角度出發(fā)結(jié)合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)之間的耦合關(guān)系，建立約束條件，同時(shí)利用先進(jìn)的優(yōu)化算法選擇多個(gè)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)。但是在匹配過程中常常簡化了電機(jī)、電池的模型，使得不能將匹配參數(shù)與部件直接聯(lián)系在一起，最終導(dǎo)致部件的真實(shí)特性無法完全顯現(xiàn)出來，也會(huì)使得匹配結(jié)果容易產(chǎn)生偏差。 綜合這幾種匹配方法的特點(diǎn)，可以知道要對電動(dòng)汽車進(jìn)行整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配就需要盡可能的從整車角度充分考慮整車及各部件的動(dòng)力和能量需求，深入研究與其相關(guān)的各部件特性以及各部件之間的耦合關(guān)系，制定合理的匹配流程，這才會(huì)使得匹配的結(jié)果較為準(zhǔn)確。在本論文中匹配某型純電動(dòng)客車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇用的是第一種匹配方法。 3.3 某輕型純電動(dòng)客車的整車參數(shù) 本論文中的輕型純電動(dòng)客車是在某一款燃油客車的基礎(chǔ)上改裝而來的，其一些基本參數(shù)如表3.1所示。 表3.1 某輕型純電動(dòng)客車整車基本參數(shù) 項(xiàng)目 數(shù)據(jù) 輪胎半徑R(m) 0.353 滾動(dòng)阻力系數(shù)f 0.012 整車總重M(kg) 4300 最小離地間隙（mm） 196 最小轉(zhuǎn)彎半徑（m） 13.5 主減速比i0 4.545 接近角/離去角 21/17 風(fēng)阻系數(shù)CD 0.4 車的寬度B(m) 1.737 車的高度H(m) 2.59 Nt直接檔傳動(dòng)效率 0.96 Nt其它檔傳動(dòng)效率 0.94 3.4某輕型純電動(dòng)客車的性能目標(biāo) 純電動(dòng)轎車的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程是電動(dòng)車研發(fā)過程中必須解決的兩大難題。要提高整車的動(dòng)力性能，一方面要提高動(dòng)力電池的性能，改善其大功率放電的特性，另一方面減輕整車重量，合理選擇動(dòng)力參數(shù)；要增大純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，一方面要配備電池管理系統(tǒng)，盡可能充分利用電池組中的有限能量，另一方面提高逆變器的轉(zhuǎn)化效率和再生能量回收效率。 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足車輛對動(dòng)力性能的要求和續(xù)駛里程的要求[23]。 3.4.1電動(dòng)汽車的性能評價(jià)指標(biāo) 1）電動(dòng)汽車的動(dòng)力性指標(biāo) 電動(dòng)汽車的動(dòng)力性指標(biāo)與傳統(tǒng)燃油車是一樣的，主要從以下四個(gè)方面來評價(jià)車輛動(dòng)力性的好壞： （1）加速能力 電動(dòng)汽車的加速性能用車輛原地起步加速的能力和超車加速的能力來表示，一般常采用汽車加速過程中所經(jīng)過的時(shí)間和加速距離作為評價(jià)汽車加速性能的指標(biāo)。 （2）以額定車速穩(wěn)定行駛的能力 電動(dòng)汽車的動(dòng)力電機(jī)和電池需要保證能提供車輛以額定車速穩(wěn)定行駛的全部功率需求，而且至少要在我國的道路上能克服坡度為3%的路面阻力。 （3）以最高車速穩(wěn)定行駛的能力 電動(dòng)汽車的最高車速是指車輛在無風(fēng)的條件下，在水平、良好的硬路面上所能達(dá)到的最大車速。電機(jī)發(fā)出的功率使車輛能夠在最高車速下穩(wěn)定行駛的能力。 （4）爬坡能力 電動(dòng)汽車的爬坡能力是指車輛在良好路面上以最低車速上坡行駛的最大坡度。 2）電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要有兩個(gè)方面就是能量消耗率和續(xù)駛里程，這里主要介紹下續(xù)駛里程。 電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程是指動(dòng)力電池組在充滿一次電后所能行駛的最大里程。電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程短是導(dǎo)致近一個(gè)世紀(jì)以來始終落后傳統(tǒng)燃油車的重要原因。降低電動(dòng)汽車的能量消耗，提高利用效率，增加續(xù)駛里程是發(fā)展電動(dòng)車必須要解決的課題。隨著社會(huì)進(jìn)步和科技的發(fā)展，解決這個(gè)難題指日可待。 3.4.2 某型純電動(dòng)客車的性能要求 某型純電動(dòng)客車的性能要求如表3.2所示。 表3.2某型純電動(dòng)客車的性能要求 項(xiàng)目 數(shù)據(jù) 純電動(dòng)客車30分鐘的最高車速 ≥100km/h 純電動(dòng)客車行駛1km的最高車速 ≥120km/h 純電動(dòng)客車的最大爬坡度 ≥25% 純電動(dòng)客車的最大起步坡度 ≥20% 純電動(dòng)客車從0-30km/h的加速時(shí)間t ≤7s 純電動(dòng)客車從30-50km/h的加速時(shí)間t ≤11s 純電動(dòng)客車以40km/h的速度行駛時(shí)續(xù)駛里程 ≥300km 3.5 本章小結(jié) 本章主要介紹了純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置方式，闡述了本論文中對動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配的方法以及純電動(dòng)客車的性能評價(jià)指標(biāo)、整車參數(shù)和一些性能要求，為下一章的參數(shù)計(jì)算提供理論依據(jù)。  第四章 純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配 4.1 電動(dòng)汽車上常用電機(jī)的介紹 常見的電機(jī)類型主要有直流電機(jī)、異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁電機(jī)四種。列舉四種電機(jī)的外形及構(gòu)造如圖4.1、圖4.2、圖4.3、圖4.4所示。 圖4.1 有刷電機(jī) 圖4.2 異步電機(jī) 圖4.3 永磁電機(jī) 圖4.4 開關(guān)磁阻電機(jī) 這四種電機(jī)各自的特點(diǎn)如表4.1所示[2]。 表4.1 電機(jī)類型及其優(yōu)缺點(diǎn) 電機(jī)類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 直流電機(jī) 成本低、易于無極調(diào)速、控制器簡單便宜、技術(shù)成熟 體積大、重量重、效率低、定期維護(hù)導(dǎo)致使用不方便 續(xù)表4.1 電機(jī)類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 異步電機(jī)（交流感應(yīng)電機(jī)） 與直流電機(jī)系統(tǒng)相比效率高、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 控制成本較高 開關(guān)磁阻電機(jī) （1）成本低，產(chǎn)生的熱量少，使軸承壽命變長，凸極的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很低，方便調(diào)速控制 （2）定子安裝比較容易、穩(wěn)固，易于冷卻，轉(zhuǎn)子是沒有永磁體的，最大允許溫升的范圍較高 （3）啟動(dòng)需要的電流較小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)在低速運(yùn)行階段也很明顯，非常適合經(jīng)常啟動(dòng)和低速重載運(yùn)行的機(jī)械 （1）能量轉(zhuǎn)換密度低 （2）相數(shù)越多，主接線數(shù)也越多，主電路比較復(fù)雜 （3）較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲和發(fā)生諧振問題的情況很突出 永磁電機(jī) 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī) 控制器簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大 永磁交流同步電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、效率高、功率密度大 控制器較復(fù)雜 為了更直接的認(rèn)識更深刻的認(rèn)識這四種類型電機(jī)，特將四種類型電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行了比較，如表4.2所示。 表4.2 不同類型電機(jī)性能參數(shù) 項(xiàng)目 直流電機(jī) 感應(yīng)電機(jī) 永磁電機(jī) 開關(guān)磁阻電機(jī) 功率因素 —— 82~85 90~93 60~65 峰值效率 85~89 94~95 95~97 85~90 轉(zhuǎn)速范圍（r/min） 4000~6000 12000~20000 4000~10000 可以>15000 恒功率比例 —— 1:5 1:2.25 1:3 續(xù)表4.2 項(xiàng)目 直流電機(jī) 感應(yīng)電機(jī) 永磁電機(jī) 開關(guān)磁阻電機(jī) 可靠性 一般 好 優(yōu)良 好 功率密度 低 中 高 較高 過載能力（%） 200 300~500 300 300~500 負(fù)荷效率 80~87 90~92 85~97 78~88 控制操作性能 最好 好 好 好 控制器成本 低 高 高 一般 電動(dòng)機(jī)質(zhì)量 重 中等 輕 輕 外形尺寸 大 中 小 小 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性 差 好 一般 優(yōu)良 經(jīng)綜合考慮各類型電機(jī)的特點(diǎn)，決定選取永磁直流電機(jī)作為本文中純電動(dòng)客車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 目前有兩種方法用來選擇電機(jī)： （1） 根據(jù)整車性能目標(biāo)，計(jì)算出電機(jī)的主要參數(shù)，然后向制作電機(jī)的公司提出要求，由電機(jī)公司設(shè)計(jì)出所需的電機(jī)，再提出控制要求，由電機(jī)公司對該電機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，但這樣方法有些不足就是成本比較高，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得周期也會(huì)相對長些； （2） 根據(jù)整車性能目標(biāo)，計(jì)算出電機(jī)的主要參數(shù)，再選擇一款現(xiàn)有的成熟的，其參數(shù)與設(shè)計(jì)要求基本相符合的電機(jī)。這種方法的不足在于由于采用的電機(jī)參數(shù)與計(jì)算值并不是非常的吻合，所以最好對傳動(dòng)系的傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以充分利用電機(jī)和電池的工作特性，并使其在工況下工作效率最高，以獲得更好的汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 在本文中采用第二種方法來選擇電機(jī)。 4.2 電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選型 電機(jī)的主要參數(shù)是根據(jù)該型純電動(dòng)客車的動(dòng)力性要求來匹配的，主要包括電機(jī)的額定功率、最大功率、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速、額定扭矩、最大扭矩這些參數(shù)的設(shè)計(jì)。 4.2.1 電機(jī)額定功率、峰值功率的匹配 額定功率和峰值功率對電機(jī)的性能影響特別的大，可以說是其所有參數(shù)中最重要的。所以這兩個(gè)參數(shù)值的合理選取對純電動(dòng)客車來說十分重要。驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率選擇過小，將直接導(dǎo)致整車性能不能滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還由于電機(jī)長期處于過載狀態(tài)，其壽命將被嚴(yán)重縮短；選擇過大，雖然會(huì)產(chǎn)生比較多的后備功率，在一定程度上提升了整車的動(dòng)力性，但由于電機(jī)不能長期在最大效率區(qū)域工作，其效率及功率因數(shù)均會(huì)降低，直接導(dǎo)致整車經(jīng)濟(jì)性下降，造成能源的浪費(fèi)。 1）根據(jù)最高車速vmax的要求 電機(jī)的功率必須能夠滿足電動(dòng)汽車在最高車速行駛時(shí)所提出的功率需求[24]， （4.1） 式中：P1max——電動(dòng)汽車以最高車速行駛時(shí)所需的功率（kw）； m ——整車質(zhì)量（kg）； g——重力加速度（m/s2）； f——滾動(dòng)阻力系數(shù)； CD——空氣阻力系數(shù)； A ——電動(dòng)汽車的迎風(fēng)面積（m2）； ηT——?jiǎng)恿鲃?dòng)系統(tǒng)的總效率。 將不同的車速帶入到式（4.1）中，則可以得到車速與電機(jī)功率需求的關(guān)系曲線，如圖4.5所示。 圖4.5 最高車速與功率的需求關(guān)系曲線 將最高車速vmax=100km/h帶入式（4.1）中就可以得到P1max=40.086 kw，取整得P1max=41 kw。 2）根據(jù)最大爬坡度i的要求 （4.2） 式中：P2max——電動(dòng)汽車在坡度為20%的坡道上行駛所需要的功率（kw）； v1——電動(dòng)汽車爬坡時(shí)的車速（km/h）； amax——最大爬坡角度（°），，i——最大爬坡度。 將不同的坡度值帶入到式（4.2）中，則可以得到爬坡度與電機(jī)功率需求的關(guān)系曲線，如圖4.6所示。 圖4.6 爬坡度與電機(jī)功率需求的關(guān)系曲線 將最大坡度值imax=25%，αmax=arctan（imax）=14。帶入式（4.2中）得到P2max=63.353kw，取整得P2max=64kw。 3）根據(jù)加速性能要求 汽車在起步加速過程中可以按照經(jīng)驗(yàn)公式來求[25][26]： (4.3) 式中：x——擬合系數(shù)，一般取0.5左右； tm——車輛加速用的時(shí)間（s）； vm——車輛的末速度（km/h）。 可以假定車輛在平直路面上進(jìn)行加速，再根據(jù)汽車加速過程中的動(dòng)力學(xué)方程，則其瞬態(tài)過程總功率可以表示為： (4.4) 式中：P——加速需要的總功率（kW）； Pj——加速功率 ； Pf——克服滾動(dòng)阻力用的功率； Pw——克服空氣阻力用的功率 ； dt——步長（s），在此處取為0.1秒。 在加速后期階段，電機(jī)的輸出功率是最高的，而在加速過程中最大功率需求公式如下: (4.5) 式中：δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，此處取1； vm——加速結(jié)束時(shí)的速度(km/h)； tm——車輛加速所用的時(shí)間(s)。 將純電動(dòng)客車加速末速度vm=50km/h、加速時(shí)間tm=11s帶入式（4.5），可以得到P3max=46.348 kw，取整后得P3max=47kw. 電機(jī)的額定功率可由下列公式求得： （4.6） 式中：λ——電機(jī)過載系數(shù)，一般取1~3，此處取為1.8。 帶入數(shù)據(jù)則有，故電機(jī)的額定功率為Pe=40kw。 結(jié)合上述內(nèi)容，電機(jī)的最大功率可由下列公式求得： （4.7） 將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4.7）就可以得到Pmax=72kw。 4.2.2 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的確定 在選擇電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)考慮電機(jī)的機(jī)械特性要求，如圖4.7 所示。換句話來說就是選擇的電機(jī)轉(zhuǎn)速要滿足在電機(jī)剛開始啟動(dòng)時(shí)能夠獲得恒定的最大轉(zhuǎn)矩， 而電機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)能夠處于恒定的較高功率區(qū)域。 圖4.7 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax可根據(jù)電動(dòng)汽車的最高車速確定[27]： （4.8） 式中：r——車輪的滾動(dòng)半徑； 帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到nmax≥4508.532，取整得nmax=4600r/min。 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為： （4.9） 帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可得ne=2555.5r/min，取整得ne=2600r/min。 4.2.3電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩與最高轉(zhuǎn)矩的確定 由根據(jù)車輛的行駛方程式可知： （4.10） 將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4.10）中可以得到最大扭矩Tmax=712.366N·m，取整后得Te=712N·m 電機(jī)最大扭矩一般為額定扭矩的2到3倍，所以可以取額定扭矩Te=285N·m。 通過上述計(jì)算可知通過計(jì)算所得到的電機(jī)參數(shù)如表4.3所示。 表4.3 計(jì)算所得到的電機(jī)參數(shù) 項(xiàng)目 數(shù)值 額定功率（kw） 40 最大功率（kw） 72 最大轉(zhuǎn)速（r/min） 4600 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 2600 最大扭矩（N·m） 713 額定扭矩（N·m） 285 根據(jù)表4.3中的數(shù)據(jù)以及參考各種類型電機(jī)的特點(diǎn)，決定選取某公司的一款永磁直流電機(jī)，其主要參數(shù)如表4.4所示。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、扭矩的數(shù)據(jù)可以得到其轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系圖如圖4.8所示，也可以得到其轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系如圖4.9所示。 表4.4 某型電機(jī)的主要參數(shù) 項(xiàng)目 數(shù)值 額定功率（kw） 45 最大功率（kw） 80 最大轉(zhuǎn)速（r/min） 4600 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 2300 最大扭矩（N·m） 600 額定扭矩（N·m） 300 圖4.8 轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系曲線 圖4.9 轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系曲線 4.3傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配 目前，電動(dòng)汽車的使用路線主要在市區(qū)和城市近郊地區(qū)。電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況很多，最高車速可達(dá)100km/h(在本論文中純電動(dòng)客車的要求)。阻力在電動(dòng)汽車的行駛過程中是無法避免的，而且遇到的阻力也是會(huì)隨時(shí)變化的。有時(shí)候阻力會(huì)因?yàn)楦鞣矫娴脑蛲蛔兒艽螅┤畿囁偻蝗惶岣?、坡度陡然變化，可以?dǎo)致阻力變化的范圍達(dá)到6倍，甚至更多。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，要想滿足電動(dòng)汽車行駛性能的需求，僅僅依靠電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)力矩的變化是不行的。因此，在電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間安裝減速器和變速器是很有必要的。這樣一來，既可以滿足電動(dòng)汽車行駛性能的需求，又可以保證電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定的工作在高效率的工作范圍內(nèi)，可以有效的分擔(dān)電機(jī)和動(dòng)力電池的一部分負(fù)荷[28]。 在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車變速器系統(tǒng)的時(shí)候，必須要牢記的一點(diǎn)就是要充分考慮汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)型的要求，因?yàn)檫@直接影響電機(jī)工作時(shí)候的狀態(tài)，使得電機(jī)的工作效率直接受到影響，最終就會(huì)影響到整車的續(xù)駛里程[19，20]。還有一方面要考慮的就是，除了考慮變速器在設(shè)計(jì)過程的加工工藝和成本外，也要考慮變速器的體積和質(zhì)量，最好的就是變速器體積盡可能小、質(zhì)量盡可能輕，而且變速器的檔位數(shù)也不適合太多，避免大大增加其體積和重量，進(jìn)而影響到電動(dòng)汽車的整車性能。 在一般情況下來說，增加變速器的檔位數(shù)可以增加電機(jī)在最大功率下運(yùn)行的機(jī)會(huì)，也可以增大電機(jī)在最佳效率區(qū)內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的概率，從而使得電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能得到提高和續(xù)駛里程也得以增加。然而電機(jī)的工作特性已經(jīng)非常的接近理想的等功率驅(qū)動(dòng)特性，傳動(dòng)系的檔位數(shù)不適合整的太多，這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜化，也會(huì)降低工作效率同時(shí)也會(huì)增加整車的質(zhì)量和體積，導(dǎo)致電動(dòng)汽車的整車性能下降。故在本論文中變速器的采用Ⅲ檔變速器。 4.3.1傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)對整車性能的影響 1）傳動(dòng)系速比對電動(dòng)汽車整車動(dòng)力性的影響 在一般情況下來說，傳動(dòng)系的速比在合適的范圍內(nèi)增大，可以非常明顯的增加整車的性能，譬如加速性能和爬坡性能。會(huì)出現(xiàn)這種效果是因?yàn)殡姍C(jī)在輸出轉(zhuǎn)矩一定的條件下，驅(qū)動(dòng)輪牽引力隨著傳動(dòng)系速比的增大而增大。這就會(huì)使得在電動(dòng)汽車行駛阻力不變的條件下，使整車的最大動(dòng)力因素得以提高，再進(jìn)一步提高整車的加速和爬坡能力。但是，由于電機(jī)的工作特性比較特殊，在電機(jī)參數(shù)已經(jīng)確定的條件下，傳動(dòng)系速比的增加并不是一定可以使車輛的最高速度增大。這主要是因?yàn)檐囕v在以最高車速行駛時(shí)，電機(jī)的工作點(diǎn)一般處于恒功率區(qū)域。下面通過公式來說明這個(gè)問題。 功率與扭矩的關(guān)系式為： （4.11） 扭矩與牽引力的關(guān)系式為： （4.12） 車速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為： （4.13） 綜合上述三個(gè)公式可以得到車速與牽引力的關(guān)系式為： （4.14） 分析式子（4-14）可以知道，當(dāng)電機(jī)的工作點(diǎn)在恒功率區(qū)域時(shí)，電動(dòng)汽車整車的牽引力只與車輛的行駛速度有關(guān)系。 不同的傳動(dòng)比對應(yīng)的牽引力如圖4.10所示。 圖4.10 不同傳動(dòng)比對應(yīng)的牽引力 2）傳動(dòng)系速比對電動(dòng)汽車整車?yán)m(xù)駛里程的影響 合理的選擇傳動(dòng)系速比對整車的續(xù)駛里程影響是非常大的。因?yàn)殡姍C(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定功率附近區(qū)域就是電機(jī)的高效率工作區(qū)，所以要想提高能量的利用效率，電動(dòng)汽車在穩(wěn)定工況下行駛時(shí)電機(jī)的工作點(diǎn)應(yīng)盡可能的處于該區(qū)域或其附近。 4.3.2 純電動(dòng)客車傳動(dòng)系參數(shù)的選擇 在電動(dòng)機(jī)輸出特性一定時(shí)，傳動(dòng)系傳動(dòng)比的選擇主要取決于電動(dòng)汽車的動(dòng)力性要求，即最大傳動(dòng)比取決于整車的最大爬坡度，最小速比取決于整車的最高車速。 1）最大傳動(dòng)比的選擇 傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比imax是變速器最低檔速比ig1與主減速器速比i0的乘積，由電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩來決定。 當(dāng)車輛以勻速爬坡時(shí)，可以忽略車輛的空氣阻力，所以車輛的驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡方程為： （4.15） 式中：Ft——驅(qū)動(dòng)力，且； Ff——滾動(dòng)阻力，且； Fi——坡道阻力，且。 則有 （4.16） 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式可得， 又 （4.17） 且i0=4.545，所以可以得到，取ig1=3.5。 2）最小傳動(dòng)比的選擇 在本論文中純電動(dòng)客車的的最高車速為100km/h。最小傳動(dòng)比是根據(jù)純電動(dòng)客車的最高車速和電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速來確定的，具體公式如下; (4.18) 式中：nmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速（rpm）； Umax——純電動(dòng)汽車行駛的最高車速（km /h）； r ——車輪的半徑（m）。 將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4.18）中可以得到, 又因?yàn)橛? （4.19） 且i0=4.545，帶入上式得ig3≤1.35，取ig3=1.2。 又因?yàn)樽兯倨鞯膫鲃?dòng)比一般都滿足等比關(guān)系， 則有 （4.20） 所以可以算得ig2=2.05。 4.4動(dòng)力電池的選型 純電動(dòng)汽車的采用的電池要求載重消耗的比能量高、比功率大、成本小、生命周期長、安全性能高等。但在目前的技術(shù)水平下，電池還存在許多缺點(diǎn)，比如成本較高、電池生命周期不長、續(xù)駛里程較短等。 純電動(dòng)汽車對動(dòng)力電池技術(shù)要求功率密度大、能量密度高、生命周期長、安全可靠、成本低。但是以上五個(gè)方面的要求是相互制約的，沒辦法同時(shí)滿足所有的方面，只能根據(jù)具體的使用環(huán)境來選擇適當(dāng)?shù)碾姵丶夹g(shù)。 在電動(dòng)汽車上可以使用或者已經(jīng)使用過的動(dòng)力電池有鈉硫電池（Na/S）、鈉鎳氯化物電池（Na/NiCl2）、鎳-鎘電池（Ni-Cd）、鋁空氣電池（Al/Air）、鎳-鋅電池（Ni-Zn）、鎳氫電池（Ni-MH）、鋰離子電池（Li-Ion）、鋅空氣電池（Zn/Air）、鋰聚合物電池（Li-Polymer）、閥控鉛酸電池（NRLA）等各種類型，如圖4-5所示。動(dòng)力電池的發(fā)展也是很迅速的，之前研究的是鉛酸電池、鈉硫電池、鎳鎘電池等類型，現(xiàn)在則主要集中于閥控鉛酸電池、鋰離子動(dòng)力電池和鎳氫電池。其中鋰離子動(dòng)力電池有許多特別突出的優(yōu)點(diǎn)，譬如充放電能力很強(qiáng)、能量密度高等，這也使得鋰離子電池逐漸成為電動(dòng)汽車的主要能量源。 為了對各種類型的電池有個(gè)比較直接的了解，在此將一些動(dòng)力電池的性能參數(shù)作了一個(gè)簡單的比較，如表4.5所示。 表4.5 動(dòng)力電池的性能參數(shù)對比表格 電池種類 能量密度 (W·h·L-1) 比功率(W·kg-1) 比能量(W·h·kg-1) 循環(huán)壽命 (Cycles) 預(yù)計(jì)成本（$·kw/h） 鈉硫電池（Na/S） 150