純電動汽車設計課程設計論文

I 摘 要 日益嚴重的環(huán)境污染和能源危機對汽車工業(yè)的發(fā)展提出了極為嚴峻的挑戰(zhàn)。為了汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，以使用電能的電動機作為驅(qū)動設備的電動汽車能真正實現(xiàn)“零污染”，現(xiàn)已成為各國汽車研發(fā)的一個重點。在電動汽車研發(fā)的眾多技術(shù)選型之中，依靠輪邊驅(qū)動的電動汽車逐漸成為一種新穎的電動汽車選型方向。 為了彌補現(xiàn)有輪邊驅(qū)動電動車輛驅(qū)動系統(tǒng)的缺陷，本文設計了一種新型雙電機二級減速獨立驅(qū)動橋。該方案采用 磷酸鐵鋰動力電池作為動力源， 兩臺永磁同步電機作為驅(qū)動裝置，依靠兩套減速齒輪組分別進行減速，用短半軸來帶動車輪旋轉(zhuǎn)。在系 統(tǒng)構(gòu)型設計的基礎上，進行了包括電動機、減速器和電池在內(nèi)的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配和主減速器的設計。 事實上，該驅(qū)動方案和匹配方法為新型動力系統(tǒng)開發(fā)提供了一定借鑒。 關(guān)鍵詞： 電動車輛；車輪獨立驅(qū)動系統(tǒng)；構(gòu)型設計；電驅(qū)動車橋中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 Abstract II Abstract With the increasingly serious environmental pollution and the energy crisis, the auto industry is facing severe challenges. To the sustainable development of the automobile industry, the words major automobile companies are starting to research various new types of pollution-free environmentally friendly vehicles. In all development projects, the use of the Wheel-driven motors for electric cars can truly achieve“ zero pollution” ,it has become a vehicle of research and development focus. In a wide range of technical options of the electric vehicles, the Wheel-driven electric vehicles have become a new research direction. In order to make up the flaws of existing in-wheel motors driving system for electric vehicles, a new kind of two-motor independent wheel driving axle with two sets of deceleration gear clusters, has been designed. The system uses Lithium iron phosphate battery to provide driving force, two permanent magnetism synchronous motors as driven equipment, depends upon two sets of deceleration gear clusters to carry on the deceleration, leads wheel revolving with the semi axles. Based on the design, the parameters matching for electric motors, battery and reduction gears have been carried on. Take all above factors into consideration, this research provides some help for the development of new type drive systems. Key Words: electric vehicles; independent driving system of vehicles; configuration design; electric drive axl中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 目 錄 III 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 第一章 緒 論 . 1 1.1. 題目背景和意義 . 1 1.2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 . 2 1.3. 存在問題 . 4 第二章 總體方案設計 . 5 2.1. 蓄電池的選擇 . 5 2.2. 電動機的選擇及布置方案 . 5 第三章 電驅(qū)動性能和動力性能匹配計算 . 10 3.1. 驅(qū)動輪所需的功率和轉(zhuǎn)速 . 10 3.2. 驅(qū)動電機參數(shù)確定 . 11 3.3. 減速比的確定 . 12 3.4. 動力性分析 . 12 3.5. 電池組參數(shù)的選擇 . 16 第四章 主減速器的基本設計 . 17 4.1. 減速比的分配 . 17 4.2. 主減速器齒輪的基本設計 . 17 4.2.1. 軸的運動和動力參數(shù)的計算 . 17 4.2.2. 軸直徑的初算和軸承的初步選擇 . 18 4.2.3. 齒輪的設計和計算 . 19 第五章 主減速器的主要校核 . 29 5.1. 輸入軸強度、軸承壽命及鍵的強度校核 . 29 5.2. 中間軸強度、軸承壽命及鍵的強度校核 . 33 5.3. 輸出軸強度、軸承壽命及鍵的強度校核 . 39 第六章 設計總結(jié) . 44 致 謝 . 45 附 錄 . 46 驅(qū)動力 -行駛阻力平衡圖源程序 . 46 爬坡度曲線源程序 . 46 加速度時間計算源程序 . 47 參考文獻 . 49 1 第一章 緒 論 1.1. 題目背景 和意義 電動汽車是一種以電力為動力源 , 以電控代替機械傳動 , 以控制電動機方式改變車速的無軌運輸車輛。它孕育于 19世紀 30年代 , 至今已歷時一百余年。它在 20世紀初曾一度被廣泛采用 , 但是 , 鑒于當時的歷史條件 ,蓄電池容量小、體積大、壽命短 , 因而逐步讓位于內(nèi)燃機汽車。一直到 20世紀 70年代世界第一次能源危機出現(xiàn) , 才重新為人們所重視。 20世紀 70年代末，隨著石油價格回落 , 能源危機緩和 , 內(nèi)燃機性能不斷完善 , 相比之下 , 電動汽車動力性差 , 蓄電池壽命不高 , 因而不斷降溫。然而到了 20世紀 90年代 , 由于 人們?nèi)找骊P(guān)注空氣質(zhì)量和溫室效應所產(chǎn)生的影響，電動汽車的發(fā)展再次獲得生機 1。電動汽車經(jīng)過百余年實踐 , 證明它具有污染少、噪聲低、振動小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于操作維修、能綜合利用能源等優(yōu)點 , 特別是近年來人們所從事研究的充電裝置的開發(fā)和充電方法的發(fā)展和改進 , 以及電控技術(shù)與電動機性能的新突破和改善 , 所有這些就導致了 80年代末和 90年代初第二次電動汽車熱的出現(xiàn)。近些年，汽車制造商在不斷推動電動汽車技術(shù)的發(fā)展，并開始將電動汽車商業(yè)化。在世界范圍內(nèi)，尤其在美國、日本和歐洲，許多汽車生產(chǎn)商開始生產(chǎn)電動汽車或者涉及電 動汽車領域。 隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車工業(yè)進入迅猛發(fā)展階段，汽車保有量的劇增給環(huán)境和能源帶來了巨大的壓力。為了減輕能源消耗和環(huán)境污染，國家出臺的汽車排放法規(guī)和能耗標準越來越嚴，汽車使用成本越來越高，汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)。研發(fā)一種最高車速在100km/h 以上，整車性能和燃油車相仿，價位適中，操作簡單，使用維修費用低廉的小型四輪純電動汽車，可成為緩解我國能源危機和解決環(huán)境污染的重大舉措。其意義主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1) 落實保護環(huán)境、節(jié)能減排國策 研發(fā)的小型純電動汽車能僅為燃油汽車的 1/51/4，且使用過程零污染，是中國汽車行業(yè)實現(xiàn)環(huán)境保護、節(jié)能減排的重要措施。 2) 對國家能源戰(zhàn)略安全將發(fā)揮重大作用 我國是石油資源相對貧乏的國家， 2007 年原油進口量達 1.68 億噸，對外依存度過高，給國家整個經(jīng)濟安全帶來嚴重不穩(wěn)定因素，若有 20%的家庭用車改為小型純電動汽車，每年節(jié)省的燃油消耗是巨大的。 3) 實現(xiàn)我國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展 縱觀我國汽車工業(yè)，近幾年出現(xiàn)了井噴式增長，汽車年產(chǎn)量近期有望突破 1000 萬輛。但我們也應當看到，在傳統(tǒng)燃油汽車領域，我國與世界發(fā)達國家的差距依然巨大，在發(fā)動機、變 速箱及汽車電控等關(guān)鍵技術(shù)領域仍受制于人。從可持續(xù)發(fā)展和技術(shù)跨越的角度大力發(fā)展小型純電動汽車對于提升我國汽車尤其是乘用車產(chǎn)業(yè)核心競爭力具有重要的戰(zhàn)略意義。 4) 可回收利用的能量多 2 2 對電動汽車而言，很容易利用電動機反轉(zhuǎn)時發(fā)電的功能回收制動或下坡時的能量，從而使汽車的續(xù)駛里程增加、經(jīng)濟性提高。近年新開發(fā)的電動汽車都具有下坡、制動或減速時的能量回收系統(tǒng)，具有能量回收系統(tǒng)的電動汽車的續(xù)駛里程可增加 10%15%。 1.2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1991 年美國三大汽車公司簽訂協(xié)議，合作研究電動汽車用的 先進電池，成立美國先進電池聯(lián)合體 USABC（ United States Advanced Battery Consortium） ,同年 7 月美國電力研究院EPRI(Electric Power Research Institute)參加了美國先進電池聯(lián)合體， 10 月布什總統(tǒng)批準了 2.26 億美元撥款資助此項研究。通用汽車公司與 1990 年在洛杉磯展出“沖擊（ Impact）”牌電動轎車，該車采用鉛酸電池與高新技術(shù)。從此掀起了一個以高新技術(shù)為基礎、得到各國政府大力支持的、世界性的電動汽車研發(fā)熱潮 2。 截止到 1998 年 底，全世界有 9 個大型汽車廠 10 種純電動汽車投入小規(guī)模生產(chǎn) ，如 表 1-1 所示： 表 1-1 國外 10 種純電動汽車的基本情況 8 年份 生產(chǎn)廠商 車型 1994 日本大發(fā)汽車公司 電動微型面包車 Hi-Jet EV 1995 法國標致雪鐵龍公司 電動 4 座小型轎車 P106.SAXO 及其客貨車 1996 美國通用汽車 EV-1 1996 日本豐田公司 電動 5 座小型轎車 RAV4EV(氫鎳 ) 1996 日本豐田公 司 電動 4 座小型轎車 Plus(氫鎳 ) 1996 法國雷諾公司 電動 4 座小型轎車 Ctio(鉻鎳電池 ) 1997 美國福特公司 電動 2 座輕型皮卡 (客貨車 )Ramger 1997 美國克萊斯勒公司 電動 4 座小型轎車 Epic 1997 美國通用公司 電動 2 座輕型皮卡 S-10 1998 日本日產(chǎn)公司 電動 4 座輕型轎車 Aitra 近些年來，致力于 純電動汽車研發(fā)活動中的企業(yè) ， 不僅有 Heuliez、三菱、富士重工、通用這樣的汽車企業(yè)，也有屬于電力系統(tǒng)的法國電力公司、東京電力公司，以及東芝、日立、東洋電機、三洋電機、旭化成、 NEC等機電跨國公司。 2001年，法國電力公司和博洛爾集團（ Group BOLLORE）成立了一個聯(lián)合子公司 BatScap，開發(fā)了采用高性能聚合金屬鋰蓄電池（ LMP）的電動藍色轎車（ Blue car） ； 2005年 5月，日本 三菱 公司推出了屬于世界首創(chuàng)的交流電動輪轎車（第二代純電動轎車） 運動型小馬（ Colt）牌 5人座的低中級電動輪轎車 ； 通用在 2007上海國際汽車工業(yè)博覽會 推出新款 雪佛蘭 Volt概念車 ，采用了最新研發(fā)的 E-Flex 動力推進系統(tǒng) 。 雖然我國汽車工業(yè)相對落后，但近些年也得到了飛速的發(fā)展。 國內(nèi)企業(yè)從事 純電動汽車 研發(fā)、少量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與試運營的有東風 、天津清源、北京理工科凌、比亞迪等企業(yè)。 2006年，我國第一批純電動轎車取得了產(chǎn)品準入公告 。 東風公司是國內(nèi)最早從事電動汽車研發(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 個品種的純電動車，包括東風純電動轎車（ EQ7160EV）、純電動富康轎車（ EQ7140EV）、純電動客車（ EQ6690EV）等 ；十五 ” 期間，國家 863 計劃電動汽車重大專項項目中純電動轎車研制點之一在天津汽車。天津市 3 電動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)研究中心與大學資源，組建天津清源電動車 輛有限責任公司，承擔 863計劃重點項目 “XL -2純電動轎車 ” 研發(fā)工作，各項技術(shù)指標達到了國際先進水平，全車總重 1600公斤，最高時速達到 140千米 /小時，續(xù)駛里程超過 260千米， 0千米 /小時 50 千米 /小時的加速時間 6.8秒，被認為是國內(nèi)水平最高又最接近產(chǎn)業(yè)化的電動車型 ；同時 ，北京理工大學作為整車總體單位承擔了 863 電動汽車重大專項 “ 純電動客車項目 ” ，作為技術(shù)依托單位承擔了北京市科技奧運電動汽車特別專項 “ 電動汽車運行示范、研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化 ” 等項目。已完成純電動低地板公交車、純電動中巴客車、純電動旅游客車 、純電動超低地板公交車等四種車型的整車開發(fā)、型式認證和定型設計，并進行了 40 余輛的小批量試生產(chǎn)，各項動力性、經(jīng)濟性、續(xù)駛里程、噪聲等指標已達到或接近國際水平 ； 著名電池制造商 比亞迪 在動力電池方面的研究成果一直處于世界的前沿，該公司最新研發(fā)的車用產(chǎn)品的充電時間已縮短到 8 9小時，最高續(xù)駛里程可達 450 500公里，最高時速可達 120 180公里 /小時， 0 100公里 /小時加速時間小于 13 秒 。 在電動汽車產(chǎn)品開發(fā)中，采用多電機進行車輪獨立驅(qū)動相對于單電機驅(qū)動而言，簡化了機械傳動系統(tǒng)，提高了驅(qū)動效率，能夠充分利用車載能量來提高續(xù)駛里程；結(jié)構(gòu)緊湊，提高了空間利用率；可通過驅(qū)動輪的電子差速改善車輛的行駛性能，容易實現(xiàn)底盤的電子化和主動化。鑒于以上優(yōu)點，車輪獨立驅(qū)動已經(jīng)成為國內(nèi)外的一個研究熱點。 近幾年 ，國內(nèi)外很多高校、科研院所和企業(yè)都陸續(xù)開展了這方面的研究，取得了一定的成果，相應的概念車也已問世。在國外，日本的慶應義塾大學、豐田、本田、日產(chǎn)、三菱等公司、美國通用公司、法國 TM4 公司、標志雪鐵龍公司、德國大眾奧迪公司、西門子公司、英國貝姆勒公司等等，分別開發(fā)了多種形式的車輪獨立驅(qū)動汽車。在國內(nèi)，同濟大學、北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、比亞迪汽車公司、北京三環(huán)通用電氣公司、中船總公司 724 研究所和北京藍天之星復合材料應用技術(shù)研究所等單位也都進行了類似電動汽車的開發(fā)。但是，由于車輪獨立驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復 雜和控制策略不夠完善，各國目前所開發(fā)的高速乘用車都處于概念設計階段，真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要是包括場地車和工程車在內(nèi)的低速車輛。 在未來 30 年里，純電動汽車和混合電動汽車都將會市場化，并且會占有各自的市場份額。純電動汽車適合于特定的市場，如社區(qū)交通、電價便宜、使用方便的地區(qū)和零排放管制的城市；而混合電動汽車則適合于長途運輸。純電動汽車和混合電動汽車市場化的速度最終主要取決于它們各自的價格。在未來 20 年中燃料電池車的商業(yè)化速度也會加快，因為只有燃料電池車載續(xù)駛圖 1-1 豐田純電動概念車 AEV9 圖 1-2 比亞迪 e6 純電動 crossover 車型 9 4 里程和性能方面與燃油車相媲美 1。 1.3. 存在問題 1 4 1、初始成本高 目前純電動汽車的價格一般為同級燃油汽車的 25 倍。當然生產(chǎn)規(guī)模擴大后，會有一定幅度的降低，但仍難以達到燃油汽車的水平?；旌蟿恿ζ噧r格明顯高于同級別的燃油汽車。 為了降低電動汽車的成本，人們正在努力改善電動汽車的各個子系統(tǒng)，比如電動機、功率轉(zhuǎn)換器，電子控制器、能量管理系統(tǒng)、充電器、電池以及其他輔助設施，同時對電動汽車整車系統(tǒng)進行綜合和優(yōu)化。當然，除了對電動汽車各個子系統(tǒng)進行改進和整車系統(tǒng)進行優(yōu)化外，我們應該努力提高全球的電動汽車水平，集中東西方的力量共同解決有 關(guān)電動車的一些問題，尤其是生產(chǎn)成本問題。東方一些國家如中國、印度、泰國和馬來西亞能提供廉價的勞動力，而西方一些國家如美國、德國和法國能提供資金和高新的技術(shù)。因此，如果我們能綜合廉價利用廉價勞動力和高新技術(shù)的優(yōu)勢，電動汽車的生產(chǎn)成本就會大大降低。 2、續(xù)駛里程短 能量密度低是除混合電動汽車外的電動汽車存在的最大問題。目前實際使用的電池有鉛酸電池、鎳基電池、常溫鋰電池、金屬空氣電池等，常見的蓄電池比能量的范圍為 35110Wh/kg，而汽油的低熱值為 44MJ/kg，可見汽油的能量密度約為蓄電池的 110340 倍，即使把電動機的工作效率高于發(fā)動機這一因素考慮在內(nèi)，兩者之差也相當懸殊。為解決這一問題，現(xiàn)在各國都在積極研發(fā)一些先進的電池，并采用了其他輔助設施來改善電動汽車的續(xù)駛里程。 3、必須重新建設基礎設施 為了克服蓄電池充電時間長的問題，需要在停車場或車庫建設類似燃油汽車加油站的快速充電站，氫燃料電池汽車則需要解決氫的來源問題和建設加氫站等設施。中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第二章 總體方案設計 5 第二章 總體方案設計 純電動汽車的組成如圖 2-1所示。純電動汽 車主要由三個子系統(tǒng)組成：電力驅(qū)動系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。電力驅(qū)動子系統(tǒng)包括電子控制器、功率 轉(zhuǎn)換器、電機、機械傳動裝置。能源子系統(tǒng)包括能源及能量管理系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)包括助力轉(zhuǎn)向單元、溫控單元和輔助動力供給單元等。圖中，雙線表示機械連接，粗線表示電氣連接，細線表示控制連接。每根線上的箭頭表示電能或控制信息的流向。 222 圖 2-1 純電動汽車的基本結(jié)構(gòu) 2.1. 蓄電池的選擇 蓄電池作為電動汽車的能量源，要求其具有高的比能量和比功率，滿足車輛動力性和續(xù)駛里程的需要，還應具有與車輛使用壽命相當?shù)难h(huán)壽命、高效率、良好的性能價格比及免維 護性。可用于電動汽車的蓄電池歸類為鉛酸電池、鎳基電池、金屬空氣電池、鈉電池和常溫鋰電池等。 在眾多電池中，磷酸鐵鋰電池由于它超常的使用壽命、安全性、大電流快速充放電、耐高溫、大容量、無記憶效應和綠色環(huán)保等優(yōu)點，逐漸成為動力電池的佼佼者， 表 2-1 為磷酸 鐵鋰動力電池性能及與其他電池性能的比較。 因此，此設計采用磷酸鐵鋰動力電池作為其能量源。 2.2. 電動機的選擇及布置方案 純電動汽車是利用電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能來實現(xiàn)驅(qū)動的。電機的種類多、用途廣、功率覆蓋面非常大。車輛行駛的路面工況較復雜，所以作 為純電動汽車用的電機的功率必須要適應這種復雜工況的要求。其性能要求有 :較大的起動轉(zhuǎn)矩來保證純電動汽車的良好的起動和加速性 中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第二章 總體方案設計 6 表 2-1 磷酸鐵鋰動力電池性能及與其他電池性能的比較 能 ;較寬的恒功率范圍，保證純電動汽車具有高速行駛的能力，電機的過載系數(shù)應達到 2-3倍 ;較大范圍的調(diào)速功能，在低速時具有較大的轉(zhuǎn)矩，在高速時具有高功率，能夠根據(jù)駕駛員對加速踏板的控制，隨即地調(diào)整純電動汽車的行駛速度和相應的驅(qū)動力 ;電機的外形尺寸要求盡可能小，質(zhì)量盡可能輕 :電機的可靠 性好，耐溫和耐潮性能強，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，運行時噪音低，維修方便。 2.2.1. 電動機的選擇 驅(qū)動電機的性能直接決定著驅(qū)動系統(tǒng)性能。目前純電動汽車普遍采用的電機主要有直流電機、感應電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機四種，總的發(fā)展趨勢是由通用電機向?qū)Ｓ秒姍C發(fā)展，由直流電機向交流電機發(fā)展。通過對純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的效率進行比較，直流電機的傳動效率最低，感應電機的傳動效率較高，永磁同步電機的傳動效率為最高。采用數(shù)字評分的方法來比較上述幾種電機的性能，主要對電機的六個方面的性能加以評價，每個性能的得分為 1-5分， 表 2-2給出了比較結(jié)果。 表 2-2 各種驅(qū)動電機性能比較 直流電動機 感應電動機 永磁無刷電動機 開關(guān)磁阻電動機 功率密度 2.5 3.5 5 3.5 功率 2.5 3.5 5 3.5 可控制性 5 4 4 3 可靠性 3 5 4 5 成熟性 5 5 4 4 成本 4 5 3 4 綜合 22 26 25 23 由 表 2-2可知，永磁無刷電機和感應電動機的綜合性能較好。 雖然感應電動機具有體積較小、成本較低、調(diào)速范圍寬、響應快等優(yōu)點，但是由于永磁無刷電動機沒有傳統(tǒng)電動機的電刷和換向器，因此永磁無刷電動機幾乎可與感應電動機競爭媲美，而且具有如下優(yōu)點： 1) 由于電動機由高能永磁材料勵磁，對于給定的輸出功率，它的質(zhì)量和體積能夠大大減小，中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第二章 總體方案設計 7 使得功率密度提高； 2) 由于轉(zhuǎn)子無繞組，無銅損，其效率高于感應電動機； 3) 電動機發(fā)熱主要集中在定子上，易于采取措施散熱； 4) 永磁勵磁不受制造缺陷、過熱或機械損壞的限制，因而可靠性較高 ； 5) 轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)小，動態(tài)性能好。 綜上所述，此設計初步選用永磁無刷電動機。在永磁無刷電動機中，由于永磁同步電機 (PMSM)在效率、功率密度和低速轉(zhuǎn)矩方面的突出優(yōu)點使它非常適合應用于多電機獨立驅(qū)動，故初步定為永磁同步電機。 2.2.2. 電動機的布置方案 在電動汽車中，一種是采用單個電動機驅(qū)動車輪，另一種是采用多個電動機一起單獨驅(qū)動每一個車輪。單電機結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：由于只用一個電動機，它能最大限度的減小型相應的體積、質(zhì)量及成本。而多電機結(jié)構(gòu)能減小單個電機的電流和功率的額定值，并能均衡電動機的尺寸和質(zhì)量。單電機和雙電機結(jié)構(gòu) 的比 較如 表 2-3所示。 表 2-3 單電機和雙電機結(jié)構(gòu)的比較 單電機結(jié)構(gòu) 雙電機結(jié)構(gòu) 成本 較低 較高 體積 笨重 分散 質(zhì)量 集中 分散 效率 較低 較高 差速方式 機械式 電子式 因此，本設計采用雙電機獨立驅(qū)動方案。 2.2.3. 電動機的減速裝置 通常對于電動汽車的減速裝置分為固定速比和可變速比變速傳功兩種，它們的優(yōu)缺點 如下 表2-4所示 。 表 2-4 固定速比與可變速比變速傳動的比較 固定速比 可變速比 電動機額定值 較高 較低 逆變器額定值 較高 較低 成本 較低 較高 體積 較小 較大 質(zhì)量 較低 較高 效率 較高 較低 可靠性 較高 較低 由 表 2-4 可知 ，固定速比變速器性能優(yōu)良，是可變速比變速器不能比擬的，實際上，現(xiàn)在幾乎所有的電動汽車都采用固定速定 齒輪減速器。 因此，此設計也采用固定速定齒輪減速器。 2.2.4. 電驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式 中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第二章 總體方案設計 8 雙電機獨立驅(qū)動，且電機軸與驅(qū)動軸相互平行的電驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案主要有如下幾種形式： 1) 雙電機整體驅(qū)動橋式，如圖 2-2所示。 2) 直接驅(qū)動式電動輪，如圖 2-3所示。 3) 帶輪邊減速器式電動輪，如圖 2-4所示 。 圖 2-2 雙電機整體驅(qū)動橋式 圖 2-3 直接驅(qū)動式電動輪 圖 2-4 帶輪邊減速器式電動輪 上述三種方案各具優(yōu)缺點，由于此車橋的設計只對匹配車型進行小范圍的改動，電驅(qū)動車橋性能和基型轎車驅(qū)動車橋保持兼容性（傳動軸及 車輪部分基本不變），所以選擇第一種方案。 中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第二章 總體方案設計 9 這種獨特的驅(qū)動系統(tǒng)可以有效解決空間布置難題，適合裝備獨立懸架的汽車，減少傳統(tǒng)汽車的電動化改型的難度；車橋采用斷開式結(jié)構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用雙電機相向布置型式，雙減速器成為大單一總成，結(jié)構(gòu)緊湊；在具備雙電機獨立驅(qū)動優(yōu)點的同時，電機和減速器固定到車架（身）上，全部變?yōu)榛奢d質(zhì)量，避免了輪轂電動機驅(qū)動所帶來的缺陷，有利于改善車輛的動力學性能；采用二級減速器，能有效減小傳動部件尺寸，方便整車布置，且可以選用高速電機，降低電機成本和質(zhì)量，并提高系統(tǒng)可靠性；可以比較方便的在 減速器中加入防滑裝置，提高車輛在復雜路面的通過性，并可減少雙電機協(xié)調(diào)控制的復雜程度；容易擴展為四輪驅(qū)動，充分發(fā)揮車輪的路面附著能力。 圖 2-5 車橋總體方案示意圖 綜上所述，最終方案 如 圖 2-5 所 示，采用兩臺永磁同步電機作為動力源，依靠兩套減速齒輪組分別進行減速，用短半軸驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，以高能量鋰離子動力電池作為電源。采用中間齒輪減速器，在獲得較大的減速比的同時縮小傳動系統(tǒng)尺寸，可以為電機和半軸的合理布置提供足夠的空間，也有利于提高最小離地間隙。該系統(tǒng)非常 適合作為前輪驅(qū)動裝置，對于電動車輛而言，轉(zhuǎn)彎時采用前輪驅(qū)動比后輪動力系統(tǒng)驅(qū)動效率可以提高 20%以上，能夠充分利用電動車輛的車載能量，提高續(xù)駛里程，節(jié)約成本 30；此外，還可以利用傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛的車身結(jié)構(gòu)，在對傳統(tǒng)前置前驅(qū)內(nèi)燃機車輛進行改裝時，原則上只要移除現(xiàn)有驅(qū)動系統(tǒng)，用所設計的系統(tǒng)進行替換即可。由于電動機和減速器安裝在發(fā)動機艙內(nèi)，使其全部變?yōu)榛奢d質(zhì)量，有利于改善車輛的操縱性和平順性，方便整體布置和車身造型設計，降低開發(fā)成本。中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第三章 電驅(qū)動性能和動力性能匹配計算 10 第三章 電驅(qū)動性能和動力性能匹配計算 電動車輛 驅(qū)動 系統(tǒng)參數(shù)匹配不僅要根據(jù)給定的 車型、預期性能和目標工況，而且要根據(jù)基本的控制策略 ， 在保證整車動力性的前提下，以經(jīng)濟性為主要目標進行優(yōu)化計算 31。 目前，由于適用于電動汽車的電機種類較少，所以，應首先確定驅(qū)動輪應提供的功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，再進行電機的選取，根據(jù)電機轉(zhuǎn)速特性確定減速器的減速比，最后進行電池組參數(shù)的選擇。 表 3-1是電驅(qū)動性能和動力性能匹配計算的參數(shù)選擇。 表 3-1 基本參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 整車質(zhì)量 m / kg 1100 車輪滾動半徑 /rm 0.283 風阻系數(shù) DC 0.33 滾動阻力系數(shù) f 0.015 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù) 1.03 迎風面積 A/m2 1.95 傳動系統(tǒng)機械效率 0.9412 電動機及其控制器效率mc0.90 蓄電池的平均放電效率d0.95 3.1. 驅(qū)動輪所需的功率和轉(zhuǎn)速 從保證 車輛 預期的最高車速來 確定需求 功率 )7 6 1 4 03 6 0 0(1 2m a xm a xm a x vACvm g fP De (3- 1) 式中，eP 驅(qū)動輪應提供的最大 功率； maxv 車輛最高速度 ； m 整車質(zhì)量； g 重力加速度 ，取 9.8； f 滾動 阻力系數(shù)； DC 空氣阻力系數(shù)； A 迎風面積。 驅(qū)動輪應提供的 最大功率 MAXP 要滿足車輛起動、 加速、 最高車速、最大爬坡度的綜合要求。 當 hkmv /138m ax 時 kWPe 182.30m a x 則取 kWPe 32max 每個驅(qū)動輪所需的最大功率為 16kW，相應轉(zhuǎn)速為 m in/14.11294 rnp 驅(qū)動輪應提 供的轉(zhuǎn)矩可以由應提供的功率和 轉(zhuǎn)速 求得。 中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第三章 電驅(qū)動性能和動力性能匹配計算 11 3.2. 驅(qū)動電機參數(shù)確定 由上可知，電機的最大功率為 16kW。電動機的最大轉(zhuǎn)矩為 m a x m a x 169 5 4 9 / 9 5 4 9 9 01700pT P n N m (3- 2) 結(jié)合現(xiàn)在試驗車中所裝的電動機技術(shù)參數(shù)并 考慮最高車速 maxv 對應的電動機轉(zhuǎn)速 maxvn 為其最高轉(zhuǎn)速 maxn 的 90% 95%。初步確定電動機的基本技術(shù)指標 ,如 表 3-2所示。 表 3-2 電動機的基本技術(shù)指標 最大轉(zhuǎn)矩 Nm 90 額定轉(zhuǎn)矩 Nm 30 峰值功率 kW 16 額定功率 kW 8 最高轉(zhuǎn)速 rpm 6300 額定轉(zhuǎn)速 rpm 2550 電動機功率特性曲線， 見 圖 3-1。 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000024681012141618電動機功率特性n/ （ r / m i n ）P/kW峰值功率額定功率圖 3-1 電動機功率特性曲線 中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第三章 電驅(qū)動性能和動力性能匹配計算 12 電動機轉(zhuǎn)矩特性曲線， 見 圖 3-2。 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 70000102030405060708090100電動機轉(zhuǎn)矩特性n/ （ r / m i n ）T/Nm最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩圖 3-2 電動機轉(zhuǎn)矩特性曲線 3.3. 減速比的確定 由公式 m a xm a x 0 .3 7 7 nrv i得 m a xm a x6 1 0 0 0 . 2 8 30 . 3 7 7 0 . 3 7 7 4 . 6 8 91 3 8 . 8nri v (3- 3) 電機最大轉(zhuǎn)矩還要滿足地面附著條件的要求，即 m a x1 1 0 0 9 . 8 0 . 6 0 . 2 8 3 2 0 7 . 3 82 2 4 . 6 8 9 0 . 9 4 1 2m g rT N mi (3- 4) 式中， 為地面附著系數(shù)，取 6.0 。 3.4. 動力性分析 驅(qū)動力： 4 . 6 8 9 0 . 9 4 1 21 5 . 5 9 4 60 . 2 8 3 mtmTTiFTr (3- 5) 行駛速度： 中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第三章 電驅(qū)動性能和動力性能匹配計算 13 0 . 2 8 30 . 3 7 7 0 . 3 7 7 0 . 0 2 2 84 . 6 8 9n r nvni (3- 6) 行駛阻力計算如下： 滾動阻力： 1 1 0 0 9 . 8 0 . 0 1 5 1 6 1 . 7fF G f N N (3- 7) 空氣阻力： 2 2 20 . 3 3 1 . 9 5 0 . 0 3 0 4 32 1 . 1 5 2 1 . 1 5Dw C A v vFv (3- 8) 爬坡度： t a n a r c s i n t f wF F FiG (3- 9) 加速度： 1 t f wdua F F Fd t m (3- 10) 1) 驅(qū)動力 行駛阻力平衡圖 ，見 圖 3-3。 0 50 100 150050010001500200025003000驅(qū)動力 - 行駛阻力平衡圖ua/ （ k m / h ）F/N驅(qū)動力行駛阻力u a m a x = 1 3 8 . 6 7 k m / h圖 3-3 驅(qū)動力 行駛阻力平衡圖 結(jié)論：由 圖可知，最高車速為 138.67km/h。 2) 爬坡度曲線， 見 圖 3-4。 中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第三章 電驅(qū)動性能和動力性能匹配計算 14 0 20 40 60 80 100 120 140051015202530ua/ （ k m / h ）i/%爬坡度圖曲線圖圖 3-4 爬坡度曲線 結(jié)論：由圖可知，最大爬坡度為 25.31%。 3) 加速時間計算及加速度倒數(shù)曲線， 見 圖 3-5a、 圖 3-5b、 圖 3-5c。 0 20 40 60 80 100 120 140024681012141618加速度倒數(shù)曲線ua/ （ k m / h ）加速度倒數(shù)1/a圖 3-5a 加速度倒數(shù)曲線 中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第三章 電驅(qū)動性能和動力性能匹配計算 15 0 5 10 15 20 25 30 35 400 . 4 2 80 . 4 30 . 4 3 20 . 4 3 40 . 4 3 60 . 4 3 80 . 4 41 / a 1轉(zhuǎn)速從 0 到 1 7 0 0 r / m i n 時加速度倒數(shù)曲線ua/ （ k m / h ）加速度倒數(shù)1/a1圖 3-5b 0-1700r/min 時加速度倒數(shù)曲線 20 40 60 80 100 120 1400204060801001201401 / a 2轉(zhuǎn)速從 1700 到 6 0 0 0 r / m i n 時加速度倒數(shù)曲線ua/ （ k m / h ）加速度倒數(shù)1/a2圖 3-5c 1700-6000r/min 時加速度倒數(shù)曲線 中國農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 第三章 電驅(qū)動性能和動力性能匹配計算 16 結(jié)論： 050km/h 的加速時間為 5.9916s； 5080km/h 的加速時間為 6.7037s。 電動汽車在平均車速下，克服行駛阻力的單位里程消耗的能量為： 5117 . 7 2 1 03 . 6 3 6 0 0 2 2n n n nv v v vmem (3- 11) 則 0 . 0 9 6 5 8 6 /e k W h k m 續(xù)駛里程 ; 31 0 3 6 0 0 0 . 7m c qESF (3- 12) 式中，mc 電動機及其控制器效率； q 蓄電池的平均放電效率； F 汽車勻速行駛情況下總的驅(qū)動力。 當電動機轉(zhuǎn)速為 1700 / minr 時，汽車達到經(jīng)濟轉(zhuǎn)速 38.68 /km h , 2 0 7 .2 2 3FN ,汽車以此速度勻速行駛時，續(xù)駛里程為 31 0 3 6 0 0 0 . 7m c qES k mF (3- 13) 31 6 1 0 3 6 0 0 0 . 9 4 1 2 0 . 9 0 . 7