两挡电动汽车动力传动系统参数匹配设计与优化.docx

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两挡电动汽车动力传动系统参数匹配设计与优化

重庆大学本科学生毕业设计（论文）

两挡电动汽车动力传动系统参数匹配设计与优化

学生：

赵新庆

学号：

20072831

指导教师：

秦大同

专业：

车辆工程

重庆大学机械工程学院

二O一一年六月

GraduationDesign（Thesis）ofChongqingUniversity

ParametersMatchingDesignandOptimizationof2-SpeedElectricVehiclePowerTrain

Undergraduate:

ZhaoXinqing

Supervisor:

Prof.QinDatong

Major:

VehicleEngineering

CollegeofMechanicalEngineering

ChongqingUniversity

June,2011

摘要

随着石油能源逐渐趋于枯竭、环境污染日益严重和全球温室效应等问题的出现，具有清洁无污染、能量来源多样化、能量转化效率高、结构简单、使用维修方便等优点的被誉为“21世纪绿色环保汽车”的电动汽车越来越受到人们的青睐，世界各国都把电动汽车作为汽车工业的发展方向。

本论文根据毕业设计任务书的要求，在对电动汽车动力传动系统进行匹配设计的基础上，建立模型对整车性能进行动力学仿真，并通过优化算法优化动力传动系统参数，在满足动力性指标的前提下，延长电动汽车的续驶里程。

首先确定了电动汽车动力传动系统的基本结构和布置形式，在对动力传动系统的参数匹配设计理论进行重点研究的基础上，对电动汽车动力传动系统部件进行选型和参数匹配。

在重点分析驱动电机工作特性和电动汽车行驶方程的基础上，研究了初步验证电动汽车动力性和续驶里程的理论方法，对本文设计的电动汽车的动力性和续驶里程进行了初步验证，验证结果均达到设计指标。

分析研究了动力电池模型，并在综合运用驱动电机模型和电动汽车行驶方程的基础上，采用功率流的思想和逆向仿真的方法，建立了电动汽车整车性能仿真模型，并对本文设计的电动汽车动力传动系统进行了仿真研究。

并与ADVISOR软件的仿真结果进行比较，验证本文所建模型的可行性。

应用遗传算法对传动系统的传动比进行了优化。

优化模型以ECE_EUDC循环工况续驶里程为目标函数，动力性指标为约束条件，利用MATLAB优化工具箱的遗传算法（ga）求解器对优化模型进行求解。

优化结果使得电动汽车续驶里程提高了7.71%，且动力性指标满足设计要求，验证了优化模型的正确性。

本文对电动汽车动力传动系统所进行的参数优化与仿真研究，为开发满足电动汽车性能要求的动力传动系统，提供了理论方法和技术参考。

关键词：

电动汽车，动力传动系统，参数匹配设计，整车性能仿真，传动比优化

ABSTRACT

Withoilenergybecomingmoreandmoredepleted,environmentalpollution,globalwarmingandotherproblemsbecomingmoreandmoreserious,theelectricvehicleknownasthe"greencarsof21stcentury"hasbeenacceptedbymoreandmorepeopleforitsbenefitsofnopollution,powersourcediversification,energyconversionefficiency,simplestructure,easymaintenance,etc.Countriesallovertheworldmakeelectricvehicleasthetrendofdevelopmentoftheautomobileindustry.

Inthisthesis,basedonthematchingdesignofelectricvehiclepowertrainandthemissionstatementofgraduationdesign,electricvehiclesimulationmodelisbuiltandthevehicleperformanceisanalyzed.Basedontherequirementsofdynamicperformance,theelectricvehiclepowertrainparametersareoptimizedtoimprovethedrivingdistance.

Firstly,theelectricvehiclepowertrainstructureandbasiclayouttypesisdiscussed.Thetheoryofpowertrainmatchinganddesignisintroducedaccordingtorequirementofperformance.Themaincomponentsofthepowertrainsystemareselectedandthemainparameterismatched.

Basedontheanalysisofthemotorworkingcharacteristicsandvehicledrivingequations,atheorytopreliminarilydemonstratetheelectricvehicledynamicperformanceanddrivingdistanceispresented.Theresultsoftestingmeetdesignspecifications.

Themodelofbatteryofelectricvehicleisexplored.Then,syntheticallyusingthemotorworkingcharacteristicsandvehicledrivingequation,vehiclesimulationmodelfordiscussingthevehicleperformanceisbuilt.Themethodusedtheideaofpowerflowingandbackward-facingapproach.Thesimulationmodelisusedtoanalyzethepowertraindesignedinthisthesis.

Asfortheoptimizationofelectricvehiclepowertrain,geneticalgorithmtooptimizeelectricvehiclepowertrainratiosismainlydiscussed.Intheoptimizationmodel,theobjectivefunctionisthedrivingdistanceinECE_EUDCcycleandtheconstraintsaredynamicperformancerequirements.UsinggeneticalgorithmsolverofMATLABoptimizationtoolbox,electricvehiclepowertrainratiosareoptimized.Throughoptimization,thedrivingdistanceisimprovedby7.71%andthetestingresultsofdynamicperformancearesatisfied.Therefore,theestablishedoptimizationmodelisvalidatedfortheoptimizationdesignofthepowertrainparameters.

Throughtheresearchonelectricvehiclepowertrainparametersoptimizationandsimulation,thispapercanprovidevaluablebasictheoryandtechnicalreferencetodeveloptheperformancerequirementsoftheelectricvehiclepowertrainsystem.

Keywords：

electricvehicle,powertrain,parametermatchinganddesign,vehiclesimulationmodel,optimizingpowertrainratios

1绪论

人类为了生活和生产的需要，1886年发明了汽车。

随着科学技术的不断进步和经济的发展，汽车已经成为人们日常生活中必须的代步和运输工具。

作为支柱产业的汽车行业，也带动了众多的上、下游产业的发展，对各国的就业、扩大内需、经济发展起到了关键的作用，极大地推动了人类社会的进步。

但是随之而来的是因汽车快速发展带来的石油能源逐渐趋于枯竭、环境污染日益严重和全球温室效应等亟待解决的难题。

因此具有清洁无污染、能量来源多样化、能量转化效率高、结构简单、使用维修方便等优点的被誉为“21世纪绿色环保汽车”的电动汽车越来越受到人们的青睐。

1.1电动汽车概述

电动汽车通常分为纯电动汽车（ElectricVehicle，EV）、混合动力电动汽车（HybridElectricVehicle，HEV）和燃料电池电动汽车（FuelCellElectricVehicle，FCEV）三大类。

其中纯电动汽车也称为电池电动汽车（BatteryElectricVehicle，BEV），是指由车载电源提供全部动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规等各项要求的汽车[1]。

由于电动汽车使用二次电力能源，不受石油资源的限制，可以有效减少对石油资源的依赖，可以将有限的石油用于更重要的方面。

向蓄电池充电的电能可以由煤炭、天然气、水能、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化而来，从而可以节省日益枯竭的石油资源。

电动汽车由电力驱动，在行驶中不排放有害气体。

即使电动汽车所消耗的电能由使用石油燃料的火力发电厂提供，火力发电的主要大气污染物NOX也不到同类型汽油车的10%[2]。

研究表明，电动汽车的能源效率已经超过内燃机汽车，80%以上的能量可由电动机转化为汽车的动力[2]。

特别是在城市运行，汽车行驶工况变化较快、行驶速度不高。

电动汽车没有怠速损失，停止时不消耗电量，制动时能够回收能量。

即使考虑原油的发电效率，配送电效率，充放电效率，其最终效率也比内燃机汽车高[1]。

汽车的噪声和振动主要是由其动力部分引起的，与传统汽车相比，特别是在加速时，电动机的噪声和振动要比发动机低的多，能够大大降低人口稠密城市的噪音水平。

电动汽车更利于电子信息技术的应用，使电动汽车实现智能控制。

而且，电动汽车结构简单，机械传动部件少，维修使用方便，驾驶操作简单。

1.2电动汽车发展现状

1.2.1国外发展现状

近年来，随着全球石油资源日渐短缺、大气污染严重和电池技术的进步，电动汽车已被世界公认为21世纪汽车工业改造和发展的主要方向。

各国都制定了相关的政策以促进电动汽车的发展。

美国发展电动汽车主要有以下几项计划：

PNGV计划（新一代汽车伙伴计划）、FreedomCAR计划（自由车计划）、EV电池利用研究项目、氢燃料的研究和发展、绿色校车示范项目和AVP计划[3]。

美国以三大汽车公司（克莱斯勒、通用、福特）为主导，利用大汽车公司雄厚的技术开发力量和先进制造条件，开发出不同特点的电动汽车。

同时，还充分利用汽车、机电、电子、控制和材料等行业的优势，分工开发电动汽车的各种总成和技术单元。

1990年洛杉矶车展上，通用公司推出了Impact电动概念车。

Impact电动汽车证明电力驱动技术对于生产实用化的电动汽车是可行的。

之后又经过6年的努力在此车基础上开发了GMEV1纯电动跑车。

1993年美国能源部与三大汽车公司签订了混合动力电动汽车开发合同，经过五年的研制开发工作，于1998年在北美国际汽车展上展出了混合动力样车，并在此基础上推出了混合动力概念车GMPrecept、FordProdigy、DaimlerChryslerDodgeESX3。

日本是最早开始发展电动汽车的国家之一。

日本国土狭小，汽车保有量居全球第二位，石油资源几乎全部依赖进口，油价很贵。

日本工业发达，人口密度很大，城市污染严重。

因此日本十分重视电动汽车的研发，特别在开发混合动力汽车方面处于全球领先地位[4]。

为促进电动汽车的发展，日本制定的电动汽车研发计划有：

低公害车开发普及行动计划、日本燃料电池发展计划、JHFC示范工程和专项研究计划等。

丰田公司于1971年就致力于发展电动汽车。

1983-1989年期间，丰田公司研制出从EV-10到EV-40的一系列电动汽车。

随后，在1991年开发出TownAce-EV，1992年研制出CrownMajestaEV，1993年开发出了EV-50，1995年研制出的RAV4-EV在FIA得到认可并在1995年斯堪的纳维亚电动汽车会议上获得成功，证实了它的性能。

1997年丰田公司研制出的RAV-EV型纯电动轿车上市销售，是当时世界上最先进、最成熟的电动汽车。

同年12月，丰田汽车公司首先在日本市场推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车Prius。

该轿车于2007年7月开始出口北美，同年九月开始出口欧洲。

目前丰田已有10种混合动力乘用车在约50个国家和地区销售，占据混合动力汽车市场90%的份额。

欧盟也制定了电动汽车及其与能源相关的发展计划：

如框架FP系列计划、欧盟燃料电池研究发展示范计划、欧盟燃料电池巴士示范计划和欧洲电动汽车城市运输系统计划等。

目前，法国电动汽车的普及程度和保有量都位居世界前列。

法国政府、法国电力公司、标志-雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司签署协议，共同开发推广电动汽车。

标志-雪铁龙P106型4座轿车已经投入了商业运行。

各国政府在大力扶持大型汽集团的同时，纷纷制定环保和节能法规，采取投资、税收优惠、政府补贴促进消费的政策，以促进电动汽车产业的发展。

如美国的《空气清洁法》、《国家能源法》，强制要求各汽车公司电动汽车的销售量达到总销量的一定比例。

日本的《汽车NOX污染防治法》，强制要求政府机构必须逐年增加电动汽车保有量的比例[3]。

1.2.2国内发展现状

与世界其他国家一样，电动汽车的研发工作在我国也正如火如荼地进行着。

我国纯电动汽车研究开始于20世纪60年代，到了90年代掀起了一股电动汽车热，部分高校、汽车科研机构以及生产企业联合开发充电电池和电动汽车，并取得了一些成果。

虽然在传统汽车的开发上，我国与世界先进水平相比有30年以上的差距，但在电动汽车技术开发上的差距并不大，几乎站在同一起跑线上[2]。

我国在燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车等多个领域的自主研发中不断取得突破，在电动汽车领域初步构建起自主知识产权技术体系。

我国早在“八五”期间就启动了电动汽车的研究与开发工作。

在“九五”期间又启动了“空气净化工程”，并把电动汽车项目列入国家重大科研产业化工程项目。

到了“十五”，科技部提出了我国发展新能源汽车的实施方案，电动汽车重大专项被批准为12个重大科研专项之一。

科技部在“十一五”启动了“863”计划新能源汽车重大项目。

东风公司是我国最早从事电动汽车研发的汽车企业之一，在电动汽车领域开创多项“国家纪录”，研制了第一台纯电动概念轿车、第一台纯电动客车等。

至今东风汽车股份有限公司已经开发出东风纯电动客车、纯电动轻卡、奥丁、帅克等10款新能源车。

在举世瞩目的2008北京奥运会、残奥会期间，东风纯电动场地车成为北京奥运会比赛场馆的唯一服务车。

天津清源电动车辆有限公司研发的电动轿车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已超过法国雪铁龙公司的电动轿车和箱式货车，初步形成了关键技术的研发能力。

众泰2008EV是国内首款能批量生产、销售的纯电动汽车，被誉为国内纯电动“第一车”。

2008年比亚迪推出的第一款量产F3DM双模电动汽车为电动汽车走向市场拉开了序幕。

F6DM在2009年年初的日内瓦车展和底特律车展上相继亮相，引起欧美汽车市场的广泛关注，被誉为革命意义的“颠覆性”产品。

双模电动技术使比亚迪一举与通用、丰田等品牌站在同一技术平台上[5]。

我国在电动汽车方面已经开展了大量的研发工作，国家和有关部门和单位都投入了相当的人力物力，也取得了许多的成果。

但迄今为止，电动汽车还未真正实现商业化运作和服务于经济增长，电动汽车在公交客车和旅游客车领域的优先发展优势还未得到实现。

随着技术和实际使用中关键问题的解决，电动汽车的产业化将成为必然。

我国能源匮乏，加上产石油国家地区政局动荡和战火不断，减少对石化燃料的依赖是我国的当务之急。

因此发展电动汽车对我国能源结构调整和提高能源系统运行效率具有重要的战略意义。

1.3电动汽车的关键技术

电动汽车在节能、环保和改变传统能源格局方面有较大优势，但是电动汽车的一次续驶里程短、充电时间长、电池寿命短和价格高等问题已经制约了电动汽车的发展。

因此，电动汽车必须通过以下关键技术的解决才能迅速发展。

首先，动力电池技术是电动汽车发展的最关键因素。

动力电池是纯电动汽车的全部动力来源和混合动力汽车的部分动力来源。

这表明，无论纯电动或混合动力汽车都有赖于电池技术的发展。

目前，动力蓄电池是现在公认的制约电动汽车发展的瓶颈。

主要表现为蓄电池的比能量不够大，造成续驶里程不够长；充电时间较长，使用不方便；使用寿命短，成本高。

但随着科学技术的发展，现代电动车的电池技术得到了飞速的发展，已达到实用化的要求。

第二代动力电池中的锂离子电池和镍氢电池被认为是适用于电动汽车（EV）和混合电动汽车（HEV）的两种动力电池[6]。

其次，驱动电机是电动汽车的主要部件。

由于电池提供的是直流电，因此20世纪80年代前，几乎所有的牵引电机都为直流电动机。

但是传统的直流电动机转子上的电枢绕组使转子体积和惯性都有所增大，机械式换向器使其工作环境受到限制，效率比其他类型电动机低，并且需要维修保养。

因此近十年来，主要发展交流异步电机和无刷永磁电机系统。

与原有的直流牵引电机相比，具有明显优势，其突出优点是体积小，质量轻，效率高，基本免维护，调速范围广。

此外，还有电动汽车的整车技术。

电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外，车身本体也包含很多高新技术。

采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可以使电动汽车自身质量减轻30%~50%；实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可以使汽车的滚动阻力减小50%；汽车车身特别是汽车底部的流线型，可使汽车空气阻力减小50%[2]。

1.4课题研究的背景和重要意义

尽管电动汽车在20世纪就已经存在，但现在的电动汽车不仅是以电动机、控制器和电源组成的以电驱动系统为基础的车辆，电动汽车由于其环保特性和能源的广泛性，将成为未来汽车最主要、最简洁的解决方案。

以电动汽车为代表的新一代节能环保汽车是汽车工业发展的必然趋势已经成为普遍共识。

发达国家对电动汽车技术和产品的研究以及产业化投入了大量的资金，一方面促进了电动汽车本身技术和产业的迅速发展；另一方面极大地推动了传统汽车技术和产业的跨越式发展。

同时，一场围绕着“控制技术制高点、抢占核心技术资源”的没有硝烟的“战争”正在拉开帷幕。

电动汽车是一个复杂的系统工程，是一个涉及多个学科的高科技项目。

在电动汽车技术快速发展的时代背景下，鉴于电动汽车的主要性能指标（最高车速、加速能力、爬坡性能和续驶里程等）的高低直接与其动力传动系统参数设计的优劣密切相关。

因此在目前动力电池和其他关键技术未能得到有效突破之前，解决动力传动系统的优化问题，提高整车性能，对于电动汽车设计具有较强的现实意义。

本论文结合某公司拟研发的两档自动变速电动汽车的任务和已经确定的整车参数、性能指标，对电动汽车动力传动系统进行参数优化和仿真研究，在相同动力电池和电动机条件下，在满足电动汽车动力性要求的同时，增加其续驶里程，开发满足电动汽车性能的动力传动系统，具有理论和实际意义。

1.5课题研究的主要内容

本课题结合纯电动汽车研发项目，主要进行如下工作：

（1）首先分析电动汽车动力传动系统的基本结构和布置形式，并分析各类型驱动电机和动力电池的优缺点，确定电动汽车的结构形式并为动力传动系统各部件选型。

（2）研究动力传动系统参数匹配设计理论，并结合任务书要求对驱动电机、动力电池、传动系传动比等参数进行匹配设计。

（3）分析驱动电机工作特性和电动汽车行驶方程，研究初步验证电动汽车动力性和续驶里程的理论方法。

（4）综合运用各部件模型建立电动汽车整车性能仿真模型，并结合本文设计的动力传动系统参数对电动汽车整车性能进行仿真。

（5）借助电动汽车分析软件ADVISOR对整车性能进行仿真分析，并与本文所建模型的仿真结果进行比较，验证仿真模型的可行性。

（6）以动力性指标为约束条件，循环工况续驶里程为优化目标，建立优化模型，运用遗传算法对电动汽车动力传动系统参数进行优化设计。

2电动汽车动力传动系统参数匹配设计

2.1电动汽车动力传动系统参数匹配设计概述

动力传动系统是电动汽车中最关键的部分，电动汽车整车性能的优劣主要决定于动力传动系统的性能。

电动汽车的整车性能主要包括动力性和经济性。

其中动力性由汽车的最高车速、汽车的加速时间和汽车的最大爬坡度三个指标来评定。

经济性主要取决于电动汽车的续驶里程。

因此，对电动汽车动力传动系统进行参数匹配设计，不仅要满足电动汽车动力性要求，还要提高系统效率、延长电动汽车的续驶里程。

电动汽车的动力传动系统由动力电池、驱动电机、控制器、变速器、主减速器、驱动轮等组成。

其中，动力电池是电动汽车的动力来源，驱动电机是动力电池输出的电能到电动汽车动能的转化核心，传动系传动比决定了驱动轮输出的转矩/转速特性。

因此，电动汽车动力传动系统参数匹配设计，首先应该在确定动力传动系统结构的基础上选择合适的动力电池、驱动电机类型，然后匹配设计驱动电机、动力电池和传动系传动比的参数。

2.2电动汽车动力传动系统结构

2.2.1电动汽车的基本结构

与内燃机汽车相比，电动汽车的结构比较灵活，这种灵活主要源于电动汽车自身的特点：

首先，电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传递，因此电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性；其次，电动汽车驱动系统的布置不同（如独立的四轮驱动系统和轮毂电机驱动系统等）会使系统结构区别很大；采用不同类型的电动机、储能装置也会影响到电动汽车的质量、尺寸和形状等。

但是，电动汽车的基本结构相似，（如图2-1所示）都分为三个子系统，即电力驱动子系统、能量子系统和辅助子系统。

电力驱动子系统由电控单元、功率转换器、