純電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì).doc

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本 科 畢 業(yè) 論 文 純電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) Parameters Designation of the Transmission Mechanism System in Battery Electric Vehicle with Motor Driving 學(xué)院名稱： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 講師 2011年6月 目 錄 第一章 緒論5 1.1 引言5 1.2 國內(nèi)外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀5 1.3 本文研究的意義7 1.4 本文研究的主要內(nèi)容8 第二章 電動汽車的基本結(jié)構(gòu)8 2.1 電動汽車的基本組成8 2.1.1 電源8 2.1.2 電池管理系統(tǒng)8 2.1.3 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)8 2.1.4 底盤和車身9 2.1.5 輔助設(shè)施10 2.2 本章小結(jié)10 第三章 傳動系參數(shù)設(shè)計(jì)10 3.1 概述10 3.1.1 驅(qū)動力11 3.1.2 行駛阻力12 3.2 傳動比13 3.3 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)14 3.1.1 電動機(jī)額定功率14 3.1.2 電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩14 3.1.3 電動機(jī)加速性能14 3.4 電池參數(shù)的確定15 第四章 建立整車仿真模型16 4.1 Cruise簡介16 4.2 電機(jī)模型的建立17 4.3 電池模型的建立18 4.4 整車模型的建立19 第五章 仿真及結(jié)果分析20 5.1 整車仿真及結(jié)果分析21 5.2 電機(jī)仿真及結(jié)果分析22 5.3 電池仿真及結(jié)果分析22 第六章 全文總結(jié)及未來展望23 致謝25 參考文獻(xiàn)26 純電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級：運(yùn)輸0701 學(xué)生姓名：張希望 指導(dǎo)老師：盤朝奉 職稱：講師 摘要 隨著石油等能源短缺與環(huán)境污染問題的日益突出，發(fā)展具有零排放、高能源效率的純電動汽車顯得尤為重要。如今，我國電動汽車技術(shù)飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出一批具有國際競爭力的公司和產(chǎn)品。但是電動汽車走進(jìn)我們的生活，還存在很多亟待解決的問題。 本文對動力傳動系部件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)純電動汽車性能要求進(jìn)行主要參數(shù)的設(shè)計(jì)及匹配，通過對具體車型的計(jì)算，建立仿真模型，并在cruise軟件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，模擬得到其動力性能，驗(yàn)證該模型車輛動力性能的可行性。分析影響續(xù)駛里程、最高車速和最大爬坡度的各種因素，提出能夠很好地提高電動汽車動力性能的措施和方法。進(jìn)一步探討主要參數(shù)的確定，選擇并設(shè)計(jì)出一種切實(shí)可行的純電動汽車的動力傳動系設(shè)計(jì)方案。 關(guān)鍵詞： 純電動汽車 傳動系 參數(shù)匹配 cruise 仿真 Parameters Designation of the Transmission Mechanism System in Battery Electric Vehicle with Motor Driving Abstract With oil and other energy shortage and environmental pollution problems have become increasingly prominent, Development of EV which possess zero emissions, high energy efficiency is particularly important. Nowadays, in our China, electric vehicle technology developing rapidly, a number of internationally competitive companies and products emergence. But we need to solve many problems, for the purpose that Electric vehicles come into our lives. This article study on the design parameters of Power train parts, according to the pure electric vehicles performance requirements, design and matching main parameters, through calculate specific models, create a simulation model, and Simulation experiment under cruise software, Get its dynamic performance, verify that the feasibility of a model vehicle dynamic performance. Analysis various factors which effect maximum grade ability, maximum speed, driving range. Propose good measures and methods which can to greatly improve the dynamic performance of electric vehicles. Further discussion on the determination of main parameters, select and design a practical EV power train suggestion. Key words EV transmission power-train matching Cruise simulation 第一章 緒論 1.1 引言 由于經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國對能源的需求急速增長。2011年2月25日，我國能量研究會公布，去年，我國一次能源消費(fèi)量為32.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同比增長了6%，中國已成為全球第一能源消費(fèi)大國。中國能源研究會預(yù)測，我國能源需求將繼續(xù)增長，這將進(jìn)一步推動能源價(jià)格的普遍上漲。 此外，國際油價(jià)一路上漲。去年我國原油全年平均進(jìn)口油價(jià)為每桶61美元，相當(dāng)于每天支付4億美元進(jìn)口原油。最近，倫敦市場上布倫特原油期貨價(jià)格達(dá)到113美元/桶以上，比調(diào)價(jià)時(shí)的102美元/桶，漲了10%左右；紐約市場上原油期貨價(jià)格也比調(diào)價(jià)時(shí)上漲了超過10%。如果國際油價(jià)上漲10%，就相當(dāng)于今年每天進(jìn)口石油需花費(fèi)5億-6億美元，相比調(diào)價(jià)前每天多花5000多萬美元。 交通運(yùn)輸是目前我國能源消耗最大，也是能源消耗增長最快的行業(yè)之一。與此同時(shí)，交通所造成的污染日趨嚴(yán)重。汽車尾氣排放已成為我國各大中城市污染的主要來源之一，交通所造成的污染越來越影響到人們的生活質(zhì)量。因此，降低能源消耗、減少環(huán)境污染，以保持交通運(yùn)輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展，已成為我國交通運(yùn)輸業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的首要任務(wù)。 純電動汽車作為“綠色的交通工具”，它的投入運(yùn)行不僅對緩解能源危機(jī)以及環(huán)境問題有著重要的作用，對于我國自身相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及我國汽車業(yè)在國際中的地位也有著及其重要的意義。 1.2 國內(nèi)外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 國外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀 世界各國著名的汽車廠商都在加緊研制各類電動汽車，并且取得了一定程度的進(jìn)展和突破?，F(xiàn)代電動汽車一般可分為四類：純電動汽車（PEV）、混合動力電動汽車（HEV）、燃料電池電動汽車（FCEV）、外接充電式混合動力電動汽車（PHEV）。 美國一直致力于提高乙醇以及生物柴油等可再生資源使用量，同時(shí)，美國政府也鼓勵以混合動力車為代表的其他新能源汽車的使用。美國的混合動力汽車在2004年前后進(jìn)入商業(yè)化推廣階段。規(guī)定消費(fèi)者購買通用汽車、福特、豐田、日產(chǎn)等公司生產(chǎn)的符合條件的混合動力車，可以享受到稅款抵免優(yōu)惠。推動新能源汽車發(fā)展是奧巴馬政府能源政策的組成部分希望通過發(fā)展和利用新能源，使美國擺脫對海外石油的過度依賴。奧巴馬總統(tǒng)上任后，美國通過制定進(jìn)一步嚴(yán)格的汽車燃油排放標(biāo)準(zhǔn)和新能源汽車政策，以及通過政府采購節(jié)能汽車，消費(fèi)者購買節(jié)能汽車減稅，設(shè)立新能源汽車的政府資助項(xiàng)目，投資促進(jìn)新能源汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等策略，美國政府進(jìn)一步推動汽車產(chǎn)品朝著“小型化”和“低能耗”的方向發(fā)展。 德國在新能源汽車研發(fā)方面處于世界領(lǐng)先地位。早在2007年，德國政府就已經(jīng)把將電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)，也就是鋰離子電池列入到“高科技戰(zhàn)略”中。2009年8月19號，德國政府又頒布了《國家電動汽車發(fā)展計(jì)劃》，這個(gè)計(jì)劃的目標(biāo)是到2020年使德國擁有100萬輛電動汽車。德國政府希望借助這項(xiàng)計(jì)劃能夠讓德國成為世界電動汽車市場的領(lǐng)軍者。德國在研發(fā)電動汽車和混合燃料車進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)的同時(shí)，也沒有忘記相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。包括大眾、奔馳、寶馬和歐寶在內(nèi)的多家德國汽車巨頭都在積極研發(fā)電動汽車。 意大利的汽車工業(yè)也很發(fā)達(dá)，意大利是歐盟國家中在汽車新能源技術(shù)方面比較領(lǐng)先的國家之一。首先，這源自政府采取的一系列激勵和支持政策，比如為購買環(huán)保新型車的消費(fèi)者提供一定的補(bǔ)貼，這些補(bǔ)貼都可以在報(bào)廢舊車基礎(chǔ)上進(jìn)行累加。在金融危機(jī)和經(jīng)濟(jì)衰退的不利背景下，加大研制開發(fā)新能源汽車產(chǎn)品并取得顯著成績。不僅有菲亞特這樣的大型汽車生產(chǎn)集團(tuán)，一些中型汽車公司或汽車業(yè)界聯(lián)合體也大量涉足新能源汽車的研制與開發(fā)。 日本異常重視新能源汽車的開發(fā)。日本混合動力車已形成產(chǎn)業(yè)化，目前，豐田、本田、日產(chǎn)等日本廠商的混合動力汽車不僅在國內(nèi)熱銷，在國際市場上也令其他國家廠商望其項(xiàng)背。日本為攻克電池方面的關(guān)鍵性技術(shù)，已建立了開發(fā)高性能電動汽車動力蓄電池的最大新能源汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，共同實(shí)施2009年度“革新型蓄電池尖端科學(xué)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)”新項(xiàng)目。為推進(jìn)新能源汽車以及環(huán)保汽車，日本從2009年4月1日起實(shí)施“綠色稅制”，它的適用對象包括純電動汽車、混合動力車、清潔柴油車、天然氣車以及獲得認(rèn)定的低排放且燃油消耗量低的車輛。此外，日本實(shí)施低排放車認(rèn)定制度，高、中檔轎車和經(jīng)濟(jì)型轎車都可以向國土交通省申請接受低排放車認(rèn)定。消費(fèi)者可根據(jù)所購車輛的排放水平享受不同的減稅待遇，購置以天然氣為燃料或混合動力車等低公害車輛的地方公共團(tuán)體，還可得到政府的補(bǔ)助金。日本媒體將2010年稱為電動汽車革命之年，在這一年，從“汽油車轉(zhuǎn)向電動汽車的革命已經(jīng)開始”。 此外包括韓國、英國、法國等也都在積極開展電動汽車的研發(fā)工作。 1.2.2 國內(nèi)電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀 與世界其他國家一樣，電動汽車研發(fā)工作在我國也正在如火如荼的進(jìn)行著，而且我國電動汽車的研發(fā)與國外在技術(shù)水平與產(chǎn)業(yè)化方面差距較小。新的中國汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃中稱，將實(shí)施新能源汽車戰(zhàn)略，推動純電動汽車、充電式混合動力汽車及其關(guān)鍵零部件的產(chǎn)業(yè)化。啟動國家節(jié)能和新能源汽車示范工程，由中央財(cái)政安排資金給予補(bǔ)貼，支持大中城市示范推廣混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車等節(jié)能和新能源汽車。 我國于20世紀(jì)70年代曾開展蓄電池汽車的研究。90年代“八五”期間蓄電池電動汽車被列為國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，以清華大學(xué)為主，開發(fā)出我國第一代蓄電池汽車?！熬盼濉逼陂g，將電動汽車項(xiàng)目確定為國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目加以實(shí)施，同期國內(nèi)推出了若干種電動汽車樣車?！笆濉焙汀?63”計(jì)劃中，特別設(shè)立電動汽車重大項(xiàng)目，選擇新一代電動汽車技術(shù)作為我國科技創(chuàng)新的主攻方向，組織聯(lián)合攻關(guān)，以電動汽車產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺為工作重點(diǎn)，力爭在電動汽車關(guān)鍵單元技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)及整車技術(shù)上取得重大突破?！笆晃濉?將電動汽車單列出來并納入國家規(guī)劃，將“新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃”更名為“新興能源的發(fā)展規(guī)劃”，擴(kuò)大新能源的研發(fā)范疇。 我國電動汽車重大科技專項(xiàng)實(shí)施4年來，經(jīng)過200多家企業(yè)、高校和科研院所的2000多名技術(shù)骨干的努力，目前已取得重要進(jìn)展：燃料電池汽車已經(jīng)成功開發(fā)出性能樣車，在整車操控性能、行駛性能、安全性能、燃料利用率等方面均已得到較大提高。一汽、東風(fēng)、長安、奇瑞等汽車公司對混合動力汽車的開發(fā)投入了較大的人力、物力。各車型均已完成功能樣車開發(fā)。純電動轎車和純電動客車均已通過國家質(zhì)檢中心的型式認(rèn)證試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，初步形成了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)能力。 1.3 本文研究的意義 電動汽車是集汽車技術(shù)、電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)、能源與新材料技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，是人類新一代的清潔交通工具。純電動汽車具有零污染、零排放、低噪聲等特點(diǎn)，無疑是最為理想的新能源汽車。對動力傳動系部件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究是提高純電動汽車性能的重要手段之一。本文將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到純電動汽車設(shè)計(jì)和研發(fā)，建立仿真模型，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可行性。 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 1．簡述電動汽車的發(fā)展?fàn)顩r，明確本文研究的目的和意義； 2．分析純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和布置形式，并研究傳動系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)、工作特性，電池電機(jī)的工作特性及傳動系統(tǒng)特性； 3．計(jì)算傳動系速比和電機(jī)參數(shù)，及其對整車性能的影響。應(yīng)用電動汽車仿真軟件Cruise，針對某型號驅(qū)動電機(jī)，建立仿真模型，進(jìn)行整車動力性計(jì)算； 4．對純電動汽車的動力性進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析最高車速、爬坡度和加速性數(shù)據(jù)；以及結(jié)合被選擇電機(jī)的臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析仿真結(jié)果。 第二章 電動汽車的基本結(jié)構(gòu) 2.1 電動汽車的基本組成 對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，純電動汽車的結(jié)構(gòu)有很大差別，具體組成包括：電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)、驅(qū)動力傳動等機(jī)械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工作裝置等。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)由驅(qū)動電動機(jī)、電源和電動機(jī)的調(diào)速控制裝置等組成。電動汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同。 2.1.1 電源 電源為電動汽車的驅(qū)動電動機(jī)提供電能，電動機(jī)將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動裝置或直接驅(qū)動車輪和工作裝置。電動汽車上應(yīng)用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，但隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，鉛酸蓄電池由于比能量較低，充電速度較慢，壽命較短，逐漸被其他蓄電池所取代。正在發(fā)展的電源主要有鈉硫電池、鎳鉻電池、鋰電池、燃料電池、飛輪電池等，這些新型電源的應(yīng)用，為電動汽車的發(fā)展開辟了廣闊的前景。本文討論的對象使用高能鋰電池作為動力源的電動汽車，鋰離子電池由于其比能量大、放電電壓高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、具有快速充電能力、自放電速率小、具有多種安全保護(hù)措施、密封良好，無泄漏現(xiàn)象、環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，使得其在未來電動汽車中的應(yīng)用前景非常廣闊。 2.1.2 電池管理系統(tǒng) 電池管理系統(tǒng)一直是電動汽車發(fā)展中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，電池組管理系統(tǒng)最基本的作用是監(jiān)控電池的電池電壓、電流和溫度，通過對這些參數(shù)的測量，預(yù)測蓄電池的SOC和相應(yīng)的剩余行駛里程，管理電池的工作情況，避免出現(xiàn)過放電、過充、過熱和單體電池之間電壓嚴(yán)重不平衡現(xiàn)象，以便最大限度地利用電池的存儲能力和循環(huán)壽命。 電池管理系統(tǒng)按照實(shí)現(xiàn)方式可以分為兩大類：一類是基于芯片的電池管理系統(tǒng)；另一類是基于分立式器件的電池管理系統(tǒng)?；谛酒碾姵毓芾硐到y(tǒng)一般將前端采集電路、均衡電路以及電量計(jì)量算法、通訊功能等集成在芯片中，輔以外圍電路完成對電池的管理功能。具有更小的體積、更高的集成度等優(yōu)勢；基于分立器件的電池管理系統(tǒng)，有基于純硬件和基于軟硬件協(xié)調(diào)工作的解決方案，而軟硬件協(xié)調(diào)工作方案由于實(shí)現(xiàn)更靈活、功能更完善，被廣泛采用。該方案在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性上占有一定優(yōu)勢。 2.1.3電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)包括電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動機(jī)、機(jī)械傳動裝置和車輪，其功用是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動裝置或直接驅(qū)動車輪和工作裝置。 目前電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要分為4類：1）、直流電動驅(qū)動系統(tǒng)，這種驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、電磁轉(zhuǎn)矩控制特性優(yōu)良，在城市無軌電車上廣泛應(yīng)用但重量和體積也較大；2）、感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，這種驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動低、低噪聲、不需要位置傳感器、轉(zhuǎn)速極限高、矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，但驅(qū)動電路復(fù)雜，成本高；3）、永磁無刷電機(jī)系統(tǒng)，這種驅(qū)動系統(tǒng)功率密度較高、電機(jī)尺寸小、體積小、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好；4）新一代牽引電機(jī)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)即開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，具有高密度、高效率、低成本、寬調(diào)速。 2.1.4 底盤和車身 電動汽車的車身與傳統(tǒng)汽車基本相同，底盤中的傳動系比內(nèi)燃機(jī)汽車有所簡化。在底盤的布置上還要有足夠的空間存放動力電池組，并且要求線路連接方便，充電方便，檢查方便和裝卸方便。能夠?qū)崿F(xiàn)動力電池組的整體機(jī)械化裝卸。這就要求在電動汽車的底盤的布置上，打破傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車底盤布置模式，加大承載空間的跨度和承載結(jié)構(gòu)件的剛度，并且充分考慮防止動力電池組滲出的酸或堿液對底盤結(jié)構(gòu)件的腐蝕侵害。 車身采用輕質(zhì)材料如鎂、鋁、優(yōu)質(zhì)鋼材及復(fù)合材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可使汽車自身質(zhì)量減輕30%-50%；實(shí)現(xiàn)制動、下坡和怠速時(shí)的能量回收；采用高彈滯材料制成的高氣壓子午線輪胎，使汽車的滾動阻力減少50%；汽車車身特別是汽車底部更加流線型化，可使汽車的空氣阻力減少50%。 2.1.5 輔助設(shè)施 輔助系統(tǒng)包括輔助動力源、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、空調(diào)器、照明及除霜裝置、刮水器和收音機(jī)、安全保護(hù)裝置等，借助這些輔助設(shè)備來提高汽車的操縱性、安全性和乘員的舒適性。 2.2 本章小結(jié) 電動汽車與傳統(tǒng)汽車差別較大，傳統(tǒng)汽車是由發(fā)動機(jī)氣缸的往復(fù)運(yùn)動，驅(qū)動車輛行駛。而電動汽車是由電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。 本章詳細(xì)討論電動汽車的5大系統(tǒng)，即電源、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、車身及底盤、輔助設(shè)施。對于電動汽車的設(shè)計(jì)研發(fā)，有一定的綜合指導(dǎo)作用。 第三章 傳動系參數(shù)設(shè)計(jì) 3.1 概述 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足車輛對動力性能的要求和續(xù)駛里程的要求。確定汽車的動力性，就是確定汽車沿行駛方向的運(yùn)動狀況。我們得到動力性能的要求，即最高車速50km/h，加速性能0~45km/h小于10s，爬坡度不小于20%。為此，需要掌握沿汽車行駛方向作用于汽車的各種外力，即驅(qū)動力與行駛阻力。根據(jù)這些力的平衡關(guān)系建立汽車行駛方程式，就可以估算汽車的最高車速、加速度和最大爬坡度。 汽車的行駛方程式為： (1) 式中：Ft——驅(qū)動力；ΣF——行駛阻力之和。 3.1.1 驅(qū)動力 發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動系傳至驅(qū)動輪上。此時(shí)作用于驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩Tt產(chǎn)生一對地面的圓周力F0，地面對驅(qū)動輪的反作用力Ft（方向與F0相反）即是驅(qū)動汽車的外力，此外力稱為汽車的驅(qū)動力。其數(shù)值為： （2） 式中：Tt—作用與驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩；r—車輪半徑。 圖 汽車的驅(qū)動力 由于電動汽車采用電動機(jī)驅(qū)動，所以在電動汽車中Tt是由電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)傳遞到車輪上的。令傳動系統(tǒng)總傳動比為Σi，主減速器的傳動比i0，變速器的傳動比ig，傳動系統(tǒng)的機(jī)械效率為ηt，驅(qū)動電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為Ttq，則有： (3) (4) 3.1.2 行駛阻力 汽車在水平道路上等速行駛時(shí)，必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力。當(dāng)汽車在坡道上上坡行駛時(shí)，還必須克服坡度阻力。汽車加速行駛時(shí)還需要克服加速阻力。因此汽車行駛的總阻力為： （5） 式中：Ff—滾動阻力；Fw—空氣阻力；Fi—坡度阻力；Fj—加速阻力其中： (1) 滾動阻力：Ff可以等效的表示為： （6） 式中：W—作用于車輛上的法向載荷；ｆ—滾動阻力系數(shù)，與路面種類，行駛車速以及輪胎的結(jié)構(gòu)、材料、氣壓等有關(guān)。研究中滾動阻力系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)公式取值。 (2) 空氣阻力： （7） 式中：ＣＤ—空氣阻力系數(shù)；Ａ—迎風(fēng)面積，即車輛行駛方向的投影面積；ρ—空氣密度，一般ρ＝1.2258Ns2m-4。ｕｒ—相對速度，在無風(fēng)時(shí)即車輛的行駛速度。 在無風(fēng)條件下汽車的運(yùn)動，ｕｒ即為汽車的行駛速度ua。如ua以km／h計(jì)，A以m2計(jì)，則空氣阻力(N)為： (8) (3) 坡度阻力： (9) 式中：α—坡度。一般道路的坡度均較小，此時(shí)sinα=tanα=i。 (4) 加速阻力： (10) 式中：δ—車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m—車輛質(zhì)量；—行駛加速度。 這樣，汽車行駛阻力為： (11) 車輛行駛時(shí)，不僅驅(qū)動力和行駛阻力相互平衡，電動機(jī)功率和車輛行駛阻力功率也總是平衡的。即：在車輛行駛的每一時(shí)刻，電動機(jī)發(fā)出的功率Pe總是等于機(jī)械傳動損失的功率與全部運(yùn)動阻力所消耗的功率之和。在純電動汽車中，Pe為電動機(jī)的輸出功率。車輛運(yùn)動阻力所消耗的功率有滾動阻力功率Pf，空氣阻力功率Pw,坡度阻力功率Pi以及加速阻力功率Pj。即： (12) 根據(jù)以上的推導(dǎo)，可得車輛行駛過程中的平衡方程如下： (13) (14) 對純電動汽車而言，式中：Pe—電動機(jī)輸出功率(kW)；n—電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速(rpm)。 3.2 傳動比 某車型的固定減速比為6.3 (1) 傳動比的選擇首先應(yīng)滿足車輛最高車速的要求，由最高車速vmax與電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速nmax確定傳動比的上限，即 (15) 已知最高車速vmax=50km/h，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速nmax=3100，車輪半徑r=0.245，則： (2) 由電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩Tmax，和最高車速對應(yīng)的行駛阻力Fmax確定速比的下限，即 (16) 已知f=0.01，r=0.245，CD=0.4，A=1.8/m2，m=800kg，則 (3) 由電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩Tmax和最大爬坡度對應(yīng)的行駛阻力Famax確定，即 (17) 其中：Famax=mgcosαf+mgsinα =8009.80.980.012+8009.80.2=1628.5 N，r=0.245m。 原車型主減速比不滿足要求 3.3 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原則：動力系統(tǒng)的額定功率必須滿足車輛以最高車速行駛、動力系統(tǒng)必須滿足車輛加速性的要求、動力系統(tǒng)必須滿足車輛以最大爬坡度爬坡的要求、 動力系統(tǒng)必須滿足車輛以額定轉(zhuǎn)矩在額定車速行駛的要求、根據(jù)汽車的動力性指標(biāo)選擇最適合的驅(qū)動電機(jī)。 3.3.1 電動機(jī)額定功率 所選擇的電動機(jī)功率應(yīng)不小于在平坦良好路面上車輛以最高車速行駛時(shí)阻力功率之和，即 （18） 滿載時(shí)：G=8009.8N，f=0.012，CD=0.4，A=1.8m2，η=0.9，ua=50km/h 式中，Pe為電動機(jī)額定功率；M為整車總質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù)；Umax為最高車速；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積；ηt為傳動系效率。 3.3.2 電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 當(dāng)電動汽車以額定車速在平地上勻速行駛時(shí)，電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩即為額定轉(zhuǎn)矩。 (19) 已知車型常規(guī)車速為20km/h， 根據(jù) (20) 將P=5kw，n=3100帶入，得T=15.4，額定轉(zhuǎn)矩（15.4）大于額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩（4.76），因此此車型滿足行駛條件。 3.3.3 電動機(jī)加速性能 在水平良好路面上，車輛的行駛加速度表示為： (21) (22) 式中：Ttq—電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；ig—變速器傳動比；i0—主減速器傳動比；r—車輪半徑；η—傳動機(jī)構(gòu)效率，包括變速器、傳動軸和主減速器；Fw—車輛行駛的空氣阻力，；Ff—車輛行駛滾動阻力 ；M—總質(zhì)量；δ—轉(zhuǎn)動質(zhì)量換算系數(shù) 則，電動汽車從起步加速到速度為U的加速時(shí)間為： (23) 4.3.4 根據(jù)電動汽車的最大爬坡度要求，可得電動汽車需求的最大轉(zhuǎn)矩。 Ff=mgfsinα；Fi=mgcosα；ig=1，i0=6.3，η=0.9，m=800kg，g=9.8m/s2，f=0.012，α=tan-1（0.2）=11.3 3.4 電池參數(shù)的確定 結(jié)合確定的電機(jī)參數(shù)，參考市面上已有的動力電池，我們選定某型號的鋰鐵動力電池作為我們的動力源。 最大電池容量為150Ah，起始容量為90%，額定電壓為72.0V，最大電壓82.2V，最小電壓60V。電池組電池?cái)?shù)量為1，電池組質(zhì)量為120kg。 綜上所述，選取車型的額定功率5kW，最大功率15kW，可以滿足功率要求。電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速是3100r/min，額定轉(zhuǎn)速是1500 r/min。采用的最大轉(zhuǎn)矩50 Nm，最大轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩為15 Nm。額定電壓60V。 第四章 建立整車仿真模型 4.1 Cruise簡介 AVL是一家在世界汽車、發(fā)動機(jī)行業(yè)擁有極高知名度的高科技公司。AVL Cruise軟件是用于仿真研究車輛動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能與制動性能的高級仿真分析軟件。該軟件可以用于車輛開發(fā)過程中的動力傳動系的匹配、車輛性能預(yù)測，還能夠?qū)旌蟿恿嚭碗妱悠囘M(jìn)行建模仿真和性能模擬。AVL Cruise軟件界面友好，不但與發(fā)動機(jī)性能分析軟件(AVL Boost)有很好的耦合計(jì)算性能，還提供了與Matlab、C、Fortran等通用編程軟件的接口，為用戶建立自定義模塊及控制元件的模型提供了方便，并擴(kuò)展了軟件的應(yīng)用范圍。 Cruise具有以下特點(diǎn)： 1)靈活的模塊化理念可進(jìn)行各種車輛和動力總成配置的分析，能夠自由地在所提供的模塊的基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)模型； 2)智能化的駕駛員模型可根據(jù)人體反應(yīng)真實(shí)地再現(xiàn)車輛的行為； 3)發(fā)動機(jī)的冷啟動模型考慮了高摩擦和熱力學(xué)效應(yīng)； 4)彈性扭轉(zhuǎn)軸單元可用于傳動系統(tǒng)的低頻振動特性研究； 5)黑盒子功能可使用戶自定義模塊和控制算法； 6)提供了流體動力學(xué)軟件Flow master、KUL I及MATALAB/SIMUL INK的接口； 7)考慮了轉(zhuǎn)向時(shí)車輪和車輛受力； 8)有分析CVT的專用模型。 Cruise提供了一種圖形化的交互環(huán)境，只需用鼠標(biāo)拖動的方法從模型庫中拖出相應(yīng)的元件，便能迅速地建立系統(tǒng)框圖，根據(jù)研究的需要添加相應(yīng)的控制模塊，并正確連接數(shù)據(jù)總線，便可很快得到系統(tǒng)模型。用戶能方便地修改動力傳動系的配置，所以用它來對動力傳動系統(tǒng)建模將是一件非常輕松的事情。 利用Cruise軟件可以縮短研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本，減少設(shè)計(jì)的盲目性。 4.2 電機(jī)模型的建立 根據(jù)已有型號的電機(jī)，把相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及其他有關(guān)數(shù)據(jù)輸入Cruise之中，建立電機(jī)模型。 電機(jī)工作電壓60V，最大轉(zhuǎn)速為3100rpm/min，轉(zhuǎn)動慣量0.15kgm2，最大轉(zhuǎn)速的扭矩時(shí)0Nm。電機(jī)質(zhì)量10kg，初始工作溫度50℃，比熱容1000J/kgK，達(dá)到最大功率轉(zhuǎn)速時(shí)間10s，最大溫度160℃。設(shè)電機(jī)效率為恒定值，與轉(zhuǎn)速和輸出扭矩大小無關(guān)。將數(shù)據(jù)輸入電機(jī)后得出特征圖。如下圖所示： 圖2 電機(jī)參數(shù)設(shè)置 圖3 電機(jī)外特性設(shè)置 圖4 電機(jī)效率設(shè)置 4.3 電池模型的建立 最大電池容量為150Ah，起始容量為90%，額定電壓為72.0V，最大電壓82.2V，最小電壓60V。電池組電池?cái)?shù)量為1，電池組質(zhì)量為120kg。如下圖所示： 圖5 電池參數(shù)設(shè)置 圖6 電池充電曲線設(shè)置 圖7 電池放電曲線設(shè)置 4.4 整車模型的建立 將電池、電機(jī)、離合器、變速箱、駕駛員模塊以及車輪等模塊拖入Cruise的工作區(qū)中，建立模型。輸入系統(tǒng)中各個(gè)模塊的參數(shù)，如車輛模塊的滿載重量、迎風(fēng)面積和阻力系數(shù)等；電機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等；車輪的摩擦系數(shù)；主減速器的主減速比等。在CRUISE仿真時(shí)，系統(tǒng)會提示所有必須要輸入的參數(shù)，按照這個(gè)要求，把參數(shù)一一輸入即可。 建立系統(tǒng)的物理連接和信號連接。首先完成物理連接，選定各子系統(tǒng)模型之后，根據(jù)汽車配置方案和部件連接關(guān)系，用connect建立模型的物理連接。傳動系各部件之間有直接的物理連接關(guān)系，車輪和制動器之間也有物理連接關(guān)系，但駕駛室與動力傳動系和制動系之間沒有物理連接。在仿真過程中，它們之間是通過信號連接來傳遞信息。了解汽車系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間的連接、控制關(guān)系以及信息傳遞關(guān)系，建立汽車各子模型之間的信號連接關(guān)系。系統(tǒng)需要把所需的信號連接全部定義準(zhǔn)確，如果有一個(gè)錯(cuò)誤，那么將無法運(yùn)行仿真程序。如下圖所示： 圖8 整車模型搭建 第五章 仿真及結(jié)果分析 根據(jù)純電動汽車仿真的要求，選擇和編輯相應(yīng)的任務(wù)及工況，設(shè)置合適的仿真步長和精度進(jìn)行仿真計(jì)算。設(shè)定的計(jì)算任務(wù)有：在任務(wù)Cycle Run中仿真續(xù)駛里程；在任務(wù)Climbing Performance中仿真最大爬坡度；在任務(wù)Constant Drive中仿真最高速度。選擇single calculation的計(jì)算方式，計(jì)算完成之后在Result Manager中提取計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行相應(yīng)的分析。 5.1 整車仿真及結(jié)果分析 循環(huán)工況實(shí)驗(yàn)： 最大爬坡度實(shí)驗(yàn)： 該車型最大爬坡度為1.3%，，不滿足要求。 加速試驗(yàn)： 可知，該車最大速度為20km/h，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 5.2 電機(jī)仿真結(jié)果分析 可知電機(jī)最大扭矩為40Nm，最大輸出功率為5.88kw，最高轉(zhuǎn)速為1364rpm。 5.3 電池仿真結(jié)果分析 該型電動汽車運(yùn)行時(shí)，最大電流135A，最大電壓79.2V。 仿真結(jié)果可知該車型爬坡度、最大車速均不滿足要求，而且差距較大。 傳動系統(tǒng)建模復(fù)雜，調(diào)試過程時(shí)間較長，給研究工作帶來了很大的不便。采用Cruise軟件對其進(jìn)行建模及仿真研究，不僅可以節(jié)省大量的時(shí)間，使建模過程簡單化，而且程序運(yùn)行可靠、調(diào)試方便、結(jié)果準(zhǔn)確，利于分析研究。 第六章 全文總結(jié)及未來展望 汽車動力傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是傳動系統(tǒng)各部件之間以及與發(fā)動機(jī)之間的匹配，以保證汽車能在不同條件下正常行駛，并具有良好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。 本文對詳細(xì)介紹了電動汽車組成，通過對各參數(shù)的分析，建立基于Cruise軟件的傳動系動力仿真模型，并且以某型號電動汽車為研究對象，對動力性能、能耗等進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用汽車?yán)碚摵推嚇?gòu)造知識，對純電動汽車動力性能進(jìn)行分析、匹配和計(jì)算，根據(jù)要求選擇合適的電機(jī)、電池，選擇差速半軸方案作為某型電動汽車的傳動系布置方案，計(jì)算出最大扭矩、最大功率、主減速比等參數(shù)。再對續(xù)駛里程、最大爬坡度、最高車速仿真結(jié)果分析，得出該型電動汽車的動力性能不能夠達(dá)到要求，需要對原有車型的一些參數(shù)進(jìn)行修改。 100多年前，電動汽車和汽油車是同時(shí)被人類發(fā)明的，甚至福特的第一輛汽車也是電動汽車。但是電動汽車的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于燃油汽車，原因除了難以克服的電池問題外，還有就是經(jīng)濟(jì)性。純電動汽車本身投資要貴于燃油汽車，而且電池使用的電量來自發(fā)電廠，國家需要建設(shè)更多的發(fā)電廠；果想要純電動汽車的發(fā)展規(guī)模和燃油相當(dāng)，那么就要建設(shè)與加油站數(shù)量相當(dāng)?shù)某潆娬?；要建設(shè)蓄電池廠等，這是一筆很大的投資。 電動汽車行業(yè)在中國崛起僅僅幾年時(shí)間，在這短短的幾年時(shí)間內(nèi)，電動汽車業(yè)從無到有，由零星分布到大范圍普及，取得的飛速的發(fā)展和十足的進(jìn)步。創(chuàng)新、未來，第14屆上海國際汽車工業(yè)展覽會于4月21日至28日在上海新國際博覽中心舉行。來自全球20余個(gè)國家和地區(qū) 2000家中外汽車廠商齊聚上海車展，創(chuàng)歷屆上海車展之最，也是今年全球規(guī)模、影響力最大的汽車展會。上百款新車的真可謂是一場汽車界的盛宴，而且上海車展的規(guī)模已經(jīng)躍居世界第一，也就意味著我們在國內(nèi)就能看到世界第一的大型車展。各大汽車制造商紛紛推出自己的電動汽車新車型。在低碳經(jīng)濟(jì)的政策背景下,國家對于純電動汽車的扶持力度正在不斷加大。消費(fèi)者們也非常關(guān)注這種具有零污染、零排放、低噪聲等特征的純電動汽車。在本次車展上亮相了7款自主品牌純電動汽車，分別是奔奔MINI純電動汽車、比亞迪E6、江淮同悅純電動轎車、奇瑞瑞麒M1-EV、海馬丘比特純電動轎車、騰翼C20 EV、力帆620 EV電動車。由此可見國內(nèi)的各大汽車企業(yè)也非常重視電動汽車的研發(fā)。 石油資源短缺已是全世界問題，而石油的主要消費(fèi)對象是汽車，為汽車尋找可替代能源是當(dāng)務(wù)之急。電動汽車的前途一片光明，但是如果想達(dá)到規(guī)模，還需要各行各業(yè)的幫助和支持。我國電動汽車的發(fā)展首先政府大力支持。借鑒國外電動汽車的發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)國家政策起到的關(guān)鍵性和決定性作用。令人很欣慰的是國家在純電動汽車的研發(fā)和推廣方面給予了很多投入。 中國煤炭儲量世界第一，電力也主要依靠燃煤電廠發(fā)電，所以用純電動汽車替代燃油汽車，等于以煤炭代替石油。假如按照燃油汽車每輛車每年消耗1 t燃油，按汽油折算成標(biāo)準(zhǔn)煤為1. 53 。純電動汽車每輛車每年耗電4 000 kWh，按每千瓦時(shí)耗標(biāo)準(zhǔn)煤400 g計(jì)算，每輛車每年相當(dāng)于消耗1. 6 t標(biāo)準(zhǔn)煤。燃油汽車和純電動汽車能耗折算成標(biāo)準(zhǔn)煤之后，兩者的能源消耗量基本上相等，但是燃油排放的CO2比燃煤少，所以目前純電動汽車并不是低碳汽車，用純電動汽車替代燃油汽車不是減少CO2排放量，而是增加了CO2的排放量。目前的純電動汽車，沒有一輛是低碳的。所以在我國，當(dāng)天然氣、水電、核電在電源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主體地位時(shí)，那時(shí)純電動汽車才會有廣闊的發(fā)展前景。 參考文獻(xiàn)： [1]陳清泉.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[專著].北京理工大學(xué)出版社，2010.10 [2]陳全世.先進(jìn)電動汽車技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，2009.4 [3]劉道春.電動汽車的驅(qū)動能源和結(jié)構(gòu)原理.東風(fēng)汽車公司，2010.3 [4]劉清虎,郭孔輝.動力參數(shù)的選擇對純電動汽車性能的影響.湖南大學(xué)學(xué)報(bào).2003.6 [5]王震坡,姚利民,孫逢春.電純電動汽車能耗經(jīng)濟(jì)性評價(jià)體系初步探索.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào).2005.8 [6]余志生.汽車?yán)碚摰谖灏?機(jī)械工業(yè)出版社，2009.3 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