电动汽车传动系统原理分析本科生毕业论文.docx
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电动汽车传动系统原理分析本科生毕业论文
本科生毕业论文（设计）
中文题目电动汽车传动系统原理分析
英文题目PrincipleAnalysisofTransmissionSystemin
ElectricVehicle
吉林大学学士学位论文（设计）承诺书
本人郑重承诺：
所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。
对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。
本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。
学士学位论文（设计）作者签名：
年月日
摘要
人类进入21世纪以来，工业生产飞速发展。
随着工业技术的不断进步，汽车制造业也逐步创新。
众所周知，汽车产业的发展离不开石油，然而全球石油总量是有限的，随着人类不断地开采，石油资源日益短缺，能源危机已经成为了一个世界性问题。
另一方面，环境污染也日益加剧，汽车尾气排放是造成环境污染的主要原因之一。
所以零尾气排放的电动汽车逐渐扮演了重要角色。
各个国家都大力发展新能源汽车，电动汽车的研发应运而生。
电动汽车传动系统包括：
蓄电池、电动机、控制器和其他机械传动装置。
电动汽车传动系统是电动汽车的核心技术，本文主要对组成电动汽车传动系统的蓄电池、电动机、控制器和机械装置部分的结构和工作原理进行阐述。
关键词：
电动汽车；传动系统；蓄电池；电动机；控制器
Abstract
Since21stcentury,theindustryofhumannaturehavebeengrowingrapidly.Withtheincessantdevelopmentofindustry,theautomobileindustryhasalsoinnovatealot.Asfarasweknow,petroleumisacrucialfactorthataffectstheautomobileindustry,andtheglobaltotalamountofpetroleumislimited.Afterlargeoilexploitation,wearealmostrunoutofthepetroleuminthewholeworld,whichmakestheenergycrisisaglobalissue.Besides,environmentalpollutionisgettingworseandworse.Automobileemissionisoneofthemainfactorthatcausethepollution.Astheresult,theroleofelectricvehicle（EV）,whichiswithzero-emission,becomesmoreandmoreimportant.ManycountriesvigorouslydevelopthenewenergyautomobileandthengivebirthtotheresearchonEV.
ThetransmissionsystemofEVincluding:
battery,electricmotor,controllerandothermechanictransmissiondevice.ThetransmissionsystemisthecoretechnologyofEV.Thisthesismainlydescribesthestructureandprincipleofthebattery,electricmotor,controllerandmechanicdeviceofthetransmissionsystemofEV.
Keyword：
EV,transmissionsystem,battery,electricmotor,controller
第1章电动汽车概述
1.1电动汽车的简介
电动汽车（EV）是指那些以各种电池作为动力提供源，车轮运动靠电动机驱动，符合各种国家、国际法规要求的车辆[]。
电动汽车具有下列优点：
1.1.1污染小，噪声低
电动汽车没有传统汽车的内燃机，工作时没有尾气排放，对环境保护十分有益，业内具有“零污染”的美誉。
同时它不具有内燃机工作时产生的各种噪音，是驾驶员和乘客舒适性增加。
1.1.2结构简单，使用方便
电动汽车比传统内燃机汽车结构简单，零件有所减少，维修方便，保养费用低（电动机无需过多保养），更为突出的是电动汽车操纵简便。
1.1.3能源利用率高，多样化
试验研究表明，电动汽车的能源转化率已远远超过普通内燃机汽车，尤其在城市行驶过程中，普通汽车走走停停，运行速度低，燃料利用率大大减低，同种情况下电动汽车优势明显。
当普通汽车怠速时仍然消耗燃料，电动汽车停止时完全不消耗电能，制动过程中，还可以将实现能量转化回收利用。
其次，电动汽车减少了传统汽车对石油的依赖，其蓄电池电量来源广泛，同时体现了减少环境污染的特点。
1.2电动汽车的分类
1.2.1纯电动汽车
纯电动汽车的动力源来自蓄电池，蓄电池供能电动机，电动机驱动车轮运动。
所以其又称蓄电池电动汽车。
纯电动汽车主要由蓄电池、电池管理系统、驱动电机和驱动系统、车身底盘，以及安全保护系统组成。
1.2.2燃料电池电动汽车
燃料电池电动汽车使用氢气作为燃料，氢气与氧气发生化学反应，将燃料的化学能转化为电能，以此驱动汽车行驶。
燃料发生化学反应过程中产物为水，其能源转换效率高，是传统内燃机汽车的2到3倍，同时，燃料电池电动汽车也具有无污染，零排放，无噪声等优点，是一种理想的车辆。
1.2.3混合动力电动汽车
混合动力电动汽车，是当前还找不到理想的高质量比能量和高质量比功率的车载电源之前，电动汽车发展进程中的一种过度产物，同时它也是一种独立的车型。
国际有个叫国际电力机车委员会的组织，根据这个组织的建议，混合动力电动汽车是指动力源由两种或者多种装置提供的车辆。
这些动能提供装置可以以多种方式组合，组合的方式分为：
串联式、并联式、混联式和复合式等[]。
1.3电动汽车的发展简史
1.3.1早期电动汽车的发展
1881年，巴黎国际电气展览会上，展出的由法国人古斯塔夫·特鲁夫研制的电动三轮车，是世界上第一辆电动汽车。
其采用铅酸充电电池和直流电动机，能实际使用，这辆车的诞生具有划时代的意义。
1882年，英国的威廉·爱德华·阿顿和约翰·培里也合作研制出一辆电动三轮车，其车速虽然只有9mile/h，但三位先驱的努力使得电动汽车在燃料汽车尚未问世之前已经诞生，之后，电动汽车在欧美国家迅速兴起和发展。
1.3.2电动汽车的现状
在全球能源危机不断加深，石油资源日趋枯竭，以及大气污染家具，全球气温上升的背景下，世界各国政府和汽车企业都认识到节能减排是未来汽车的新目标。
汽车生产商、电池生产商、电力公司、能源和环保机构、大学和研究所都在不断合作以及研究新技术，努力使电动汽车这个处于起步阶段的产业兴起，以使电动汽车成为未来汽车产业的希望。
第2章汽车传动系统的组成
2.1传统手动挡汽车传动装置
图2-1传统手动挡汽车传动系统
汽车的传动系统的作用是将发动机输出的转矩传递给车轮，使汽车行驶。
如图2-1所示，其主要由离合器、变速器、传动轴、主减速器以及差速器、半轴等部分组成[]。
2.1.1离合器
离合器通常安装在传动系统中发动机的输出末端与变速器的输入前端，是切断发动机与传动系统之间动力传输的重要部件。
其主要作用有：
●在汽车起步过程中，过渡发动机与传动系之间动力传输，起步平稳；
●输出转矩被离合器限制，可以防止传动系统过载；
●在车辆换挡过程中，离合器暂时切断发动机与传动系之间的联系，保证换挡平稳。
2.1.2变速器
变速器也叫变速箱，它是一种齿轮传动装置。
汽车变速器通常是通过改变传动比，改变发动机曲轴的输出转矩，适用于起动、加速，以及克服道路障碍不同的驾驶条件，使汽车在不同的条件下有不同的驾驶速度。
其主要功能是：
●改变发动机输出的转矩，改变汽车的行驶速度；
●由于发动机不能反转，变速器使车辆可以倒车行驶；
●设置空挡，在某些时刻能够终止动力传输；
●将发动机输出动力传递、再输出。
2.1.3传动轴（万向传动装置）
汽车某些轴间具有夹角，有的转轴在传动过程中会出现位置变化，这样的情况，万向传动装置可以在这样的轴间传动动力。
其主要应用条件：
●汽车变速器末端连接传动轴，传动轴末端连接驱动桥；
●在转向驱动桥与断开式驱动桥之间通常用万向传动装置连接；
●转向操纵机构中。
2.1.4主减速器
主减速器的作用就是把输入轴的速度降低，从而增大输出的转矩。
如果汽车的发动机放置形式为纵置时，主减速器可以把发动机输出转矩方向改变。
减速器的分类方法很多，在减速传动装置中可能有一对减速齿轮或者有多对减速齿轮，所以有单级式主减速器，双级式主减速器之分。
减速器的传动比档数也可以是一个或者多个，又有单速式和双速式两种。
构成减速器的齿轮类型有多种，圆柱齿轮构成的减速器叫做圆柱齿轮减速器，所以还有圆锥齿轮减速器和准双曲面齿轮减速器等型式。
2.1.5差速器
在汽车转弯行驶过程中，内侧车轮的转弯半径与外侧车轮的转弯半径是不同的，通常外轮转弯半径要比内轮转弯半径大很多，所以在同样的转弯时间内，外侧车轮路程大，故速度要大于内侧车轮转速。
此时就需要差速器来调节梁车轮的转速，满足转弯要求。
差速器结如图2-2所示。
图2-2差速器结构图
2.2电动汽车传动装置
电动汽车动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、变速器、主减速器、等组成[]。
其中蓄电池、控制系统和电动机是电动汽车与传统内燃机汽车相差别的部分，本节主要介绍变速器和差速器。
以下章节着重介绍上述电池，电机和控制部分。
2.2.1变速器
●无变速器
一般来讲，当电动机的输入电压和输入电流一定的情况下，电动机的转速越慢，则电动机的输出扭力越高。
相反电动机转速越高时，电动机的输出扭力越低，所以，当输入功率一定时，电机总是会自动的调整到到最高效方式来输出动力，当车是停止状态下时，踩下油门踏板，因为有惯性的阻力，电机自动的调整到所给的油门踏板所能达到的最高扭力，然后在加速过程中，电动机根据情况自动判定，自动把扭矩减小，以来获得这个时刻的最高速度。
所以，电机是不是需要变速箱的。
如果加了变速箱，可以开的更快也是不可能的，在输入能量一定的情况下，车只会开的更慢，因为能量在变速箱中传递过程有损失。
●固定齿比变速器
目前，很多国产电动汽车采用固定齿比变速箱，简单的说，这种变速箱就是一对齿轮啮合，传动比是定值，其作用和传统汽车中的减速器相当，减速增距。
使用固定齿比变速器的汽车有；荣威E50、比亚迪e6、特斯拉电动车、瑞麒电动车等。
●手动变速器
此类变速器适合使用在混合动力的电动汽车上，其原理与传统内燃机汽车手动变速器相同，此处不做过多讨论。
●自动变速器
目前电动汽车很少使用传统机械师手动变速器，原因在上面已经陈述。
但电动汽车还有另外一种变速器，就是自动变速器，已经应用的就是双离合自动变速器。
下面部分详细介绍有关双离合自动变速器的结构和原理。
双离合变速器的英文名叫做DualClutchTransmission，简称DCT，其结构如图2-3所示。
和通常的自动变速器不同，虽然它也叫自动变速器，但是它是基于手动变速器而来。
通常我们知道手动变速器具有灵活性的特点，自动变速器具有舒适性是特点，自然，双离合自动变速器具有上述两个优点，与此同时，最大的优点是可以进行无间断的动力输出。
在传动的手动挡汽车中，驾驶员换挡过程中，因为踩下离合踏板，会用动力中断的一瞬间，才可以变换不同的齿轮啮合，这样就会导致输出有多断续，在追求动力输出上是个很大的缺陷。
而双离合采用两个离合器，巧妙的解决了这个动力瞬间中断的问题。
世面常见应用的双离合自动变速器主要有两类。
汽车很多零件中常见的两个词：
“干式”和“湿式”，DCT同样分为干式”双离合变速器与“湿式”双离合变速器两类。
与其他零件类似，不同类型有各自类型的优缺点。
对于“干式”双离合变速器来说，它具有相对的反应灵敏性，但恰恰因为“干式”，缺少润滑，摩擦阻力大，对离合器片的磨损会比较严重。
而“湿式”双离合器在一定程度上可以减少离合器片的摩擦受损，但由于结构中有电子液压系统，通过这个系统控制，增加了系统的复杂性，效率会略微降低，同时也会出现一定的迟缓现象。
总的来说，各有千秋。
与手动变速器不同，DCT顾名思义有两个离合器，就需要有两根输入轴，这两个离合器分别与各自的输入轴相连接，传统汽车换挡过程中需要踩下离合器踏板，而在双离合自动变速下不需要有踩下离合器踏板的环节，整个过程都是通过积成电子模块来控制的。
与通常自动变速器一样，驾驶员可以把档位一直处在D档，汽车会根据不同驾驶条件自动调换档位，实现自动变速器的功能。
在双离合变速器中，除了有两根输入轴外，还有很关键的空心轴和实心轴，以六个前进挡和一个倒档的汽车为例，当一个离合器通过实心轴控制1档、3档、和5档的同时，另外一个离合器已经通过空心轴做好了控制2档、4档、6档和倒档的准备，所以在换挡过程中，下一个档位已经提前准备完毕，不会出现动力瞬时中断的情况。
图2-3为双离合自动变速器的结构图。
图2-3双离合变速器结构图
2.2.2差速器
此处不介绍传统汽车机械式差速器，介绍一种电子差速器。
与开式差速器相比，电子差速器锁在机械结构上并没有过多改变，它的结构和特性还是与之相同，装有电子差速器锁的汽车通常配ABS系统和EBD系统。
通过与上述两系统配合，从而使一侧的车轮实现制动打滑动作，来实现两侧车轮转弯时的转速差。
在公路上，它是一项强大的技术优势，能够提高抓地力，在车辆性能、方向稳定性、主动安全性和操作反馈方面具有显著优势。
●优点：
安全性好，不会损坏车辆。
●缺点：
比传统差速器造价昂贵，通常这类差速锁会使用在比较高档的汽车产品中；由于使用环境不同，可能在使用过程中处于严酷的环境中，从可靠性方面来讲，电子产品的可靠性会稍微逊色。
第3章蓄电池
作为一种能量的存储装置，电池是电动汽车的最关键部分，是车辆的动力之源，恰恰因为其重要程度，电动汽车的发展受电池的制约性很强。
虽然电动汽车比内燃机汽车有着诸多优点，但是与其相竞争，关键还是要开发出比功率大、比能量高、成本低、使用寿命长的先进电池。
3.1蓄电池的数学模型分析
通常，我们在建立蓄电池模型过程中，采用内阻模型。
这种模型把电池看成为一个理想电压源和电阻串联的等效电路，它的模型简图如图3-1所示。
图3-1蓄电池内阻模型图
其中：
E0--是单个电池的电动势（V）；
U--工作电压（V）；
I--工作电流（A）；
Rint--等效内阻（Ω）
由图所以可以得到电压特性方程为：
（3-1）
电池的电动势E0和电池的内阻Rint同时受多个不同因素的影响，随着电池的状态变化，其数值也不断变化，但是在通常情况下，只考虑一些主要因素的影响，为了简化计算，通常电池的放电功率为：
（3-2）
电池的放电效率为：
η=
=
（3-3）
最大输出功率为：
（3-4）
其中Pbmax是个理论值，在实际过程中，电池的寿命会因为放电电流过大，电池发热过度而减短。
因此，电池的工作电压通常在2/3到1倍E0D范围内。
这样可以使电池的输出功率较高。
实际中，电池的最大功率应当限定为；
（3-5）
3.2铅酸电池
铅酸电池从1859年发明至今已有140多年的历史，铅酸电池的有关理论与技术都取得了许多突破性的进展。
铅酸电池具有很多优点，最大的优点就是成本低。
同时也具有可逆性好、适用性宽、大电流放电性能良好等优点，被广泛使用于车辆、电力、采掘等行业。
3.2.1铅酸电池的组成
铅酸蓄电池的主要组成部分是由正负极板、电解液、隔板、溢气阀、外壳等[]。
极板作为其核心部件，正负极板上都有活性物质。
通常把二氧化铅涂在正极板上，负极板上通常涂有纯的金属铅，二氧化铅和铅作为活性物质。
隔板的作用是使正、负极板之间形成绝缘层，防止其短路。
电解液是一种传递的载体，通常电解液是一定比例的硫酸与水配制而成。
主要作用是参与电化学反应，作为活性物质之一，是铅酸电池的重要组成
溢气阀安装在蓄电池顶部，作用是密封、防暴等。
图3-2铅酸电池结构图
铅酸电池的优缺点：
●输出电压较高，为2.1V；
●成本低，价格较为便宜；
●输出电流范围广，尺寸大小按需所变；
●高倍率放电性好，可用于引擎起动；
●高低温性好，工作环境可为-40
C-60
C；
●电能转化效率高达60%；
●方便识别电荷状态。
铅酸电池的缺点：
●比能量低；
●充电时间长；
●使用寿命短、成本高；
●铅存在重金属污染问题。
3.2.2铅酸蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池使用过程中，有充电和放电两种过程，两种过程在一定条件下是可逆的。
其中，通过内部化学反应生成能量，并且把能量输出的过程叫做放电过程。
在放电后，电池中的电能消耗完毕，需要对电池进行充电，这个过程中实际就是把外界的电能重新转为为蓄电池内部的化学能的过程。
●放电时
负极：
Pb失2个电子变成＋2价的铅后马上与电极周围的SO42－结合成PbSO4附在电极上。
电极式为：
Pb-2e-+SO42－==PbSO4
正极：
PbO2中的＋4价的铅得到2个电子变成＋2价的铅后马上与电极周围的SO42－结合成PbSO4附在电极上，释放出的O2－与溶液中的结合成H2O。
电极式为：
PbO2+ 2e-+4H＋+SO42－==PbSO4+ 2H2O
放电时总反应式：
Pb+PbO2+2H2SO4==2PbSO4+ 2H2O
●充电时：
阴极：
电极上的PbSO4中＋2价的铅得到电源送来的2个电子变为Pb后释放出SO42－。
电极式为：
PbSO4+ 2e-=Pb+SO42－
阳极：
电极上的PbSO4中＋2价的铅被电源夺去2个电子变为＋4价的铅，＋4价的铅强行去夺H2O中的O2－，使自己变为PbO2，同时又使H2O中的H＋释放出来。
电极式为：
PbSO4+ 2e-+2H2O＝PbO2+4H＋
故充电时总反应式为：
2PbSO4+2H2O＝PbO2+Pb+2H2SO4
3.3镍氢电池
镍氢电池是一种碱性电池，镍氢电池中不含有镍镉电池中的重金属铬，所以在使用和报废的环节中，不会污染环境，是一种“绿色电池”。
3.3.1镍氢电池的组成
镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电解液等组成[]，结构如图3-3所示。
图3-3镍氢电池结构图
氢氧化镍是镍氢电池的正极活性物质，负极的活性物质是镍氢合金，镍氢电池也有与电解液类似的电解质，其电解质为氢氧化钾。
隔膜也是必不可少的部分。
与其他蓄电池类似，这种电池的充电和放电过程也是可逆的，在可逆反应过程中，需要一种催化剂，金属铂是针对这个反映十分有效的催化剂。
镍氢电池具有诸多优点，与铅酸蓄电池相比，镍氢电池除具有比质量轻、体积小、能量高、循环寿命长的特点以外，还有以下优点：
●比功率高，可达到1350W/kg；
●循环使用次数多；
●无污染，为21世纪“绿色环保电池”；
●过充电过放电对电池影响相对较小；
●无记忆效应；
●使用环境温度温度范围-30
C-55
C；
●安全可靠。
但是，镍氢电池同样具有缺点；
●成本高，价格为相同容量铅酸电池的5—8倍；
●单体电池电压低，为1.2V；
●自放电损耗大；
●电池组热管理任务重。
3.3.2镍氢电池的工作原理
镍氢电池内部进行化学反应，通过化学反应，产生能量，这种电池可以把能量直接转化为电能。
图3-4镍氢电池反应原理图
●充电时：
正极的化学反应为：
负极的化学反应为：
●放电时：
正极的化学反应为：
负极的化学反应为：
下表为几家公司已经生产的镍氢电池的性能对比：
表3.1日本Panasonic公司镍氢电池性能
项目
EV95
EV28
EV6.5
容量/A·h
95
28
6.5
额定电压/V
12
12
7.2
质量/kg
18.7
6.5
1.1
能量密度/（W·h/kg）
63
53
44
功率密度（W/kg）
200（80%DOD）
300（80%DOD）
500（50%DOD）
表3.2法国Saft公司镍氢电池性能
电池型号
NH12.2
NH12.4
额定容量/A·h
96
169
能量密度/（W·h/kg）
66
70
功率密度（W/kg）
150
162
表3.3美国COBASYS公司1000系列镍氢电池模块性能
指标
数值
指标
数值
额定电压
12V
模块体积
1.28L
额定容量
9A·h
体积能量密度
52W·h/L
额定功率
2.7kw
质量功率密度
1125w/kg
额定能量（1C放电）
125W·h
体积功率密度
2100W/L
模块质量
2.4kg
3.4锂离子电池
锂离子电池是由之前的电池改进而来。
它解决了二次锂电池的充放电寿命短和安全性差的两个技术难题。
1990年日本索尼公司成功推出了新一代电池，这种电池的性能高，储能大，锂离子电池也是目前世界上使用最为广泛的充电电池。
3.4.1锂离子电池的结构
与其他电池类似，正极、负极、电解液、隔板等是锂离子电池的主要构成。
图3-5锂离子电池结构图
锂离子电池又包括锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池和钴镍锂离子电池。
这三种锂离子电池的正极物质是不同的。
锰酸锂离子电池的正极物质，是以锰酸锂为主要原料；磷酸铁锂作为磷酸铁锂离子电池中正极原料，在钴镍锂离子电池中正极以钴镍锂为主要原料。
通常在正极活性物质中，加入一些其他混合物以达到相关作用，导电剂和树脂黏合剂是两种典型的物质，并涂覆在由铝制的基体上。
负极上活性物质也是一种混合物，用碳材料与黏合剂制成的混合物是最佳材料，同时也要再添加上有机溶剂调和制成糊状，并涂覆在铜基上，也呈薄层状分布。
隔板一般使用聚乙烯活聚丙烯材料制成，其表面是一种微观上有很多孔的薄膜。
它功能是关闭或阻断所谓的“通道”。
简单的说，如果电池在使用过程中温度过高，会对电池寿命和安全有影响，这时，阻塞阻断作为离子通道的细孔，蓄电池就不能进行正常的充放电反应，起到安全作用。
隔板这样的作用有效的保护了电池。
电解液与其他电池相似，也是一种混合的有机溶液。
电解液一般混合不同性质的几种溶剂使用，因为使用单一溶剂很难满足上述严酷条件。
锂离子电池的优点[]：
●工作电压高。
锂离子电池工作电压为3.6V；
●高能（比能量高），锂离子电池比能量已达到150Wh/kg；
●使用寿命长，反复充放电可达1000次以上；
●无记忆性，充放电自由，不会对电池造成损耗；
●对环境无污染，该电池内不存在重金属污染物，是“绿色电池”；
●可以制造成不同的形状；
●工作温度范围宽。
锂离
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