纯电动汽车驱动系统设计及仿真.doc

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纯电动汽车驱动系统设计及仿真

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2015年6月

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摘要

随着环境污染的加剧和资源的日益短缺，纯电动汽车（EV）凭借能源利用率高、环境污染小的特点得到广泛关注和快速发展，成为当前研制取代内燃机汽车的首选车型，其发展前景广阔。

作为纯电动汽车核心部件之一，驱动系统直接决定了纯电动汽车整车性能优劣,目前我国的纯电动汽车存在的主要问题是续航里程少和动力能源电池成本高，基于此种情况，对驱动系统进行合理设计，是提高电动汽车的动力性能和增加续航里程的有效手段，所以文章对纯电动汽车驱动系统进行设计研究。

本文首先分析了纯电动汽车的特点，包括无污染、噪声低、结构简单、能源效率高且多样化等。

然后分析了纯电动汽车驱动系统的整体结构和工作原理，并以某普通普及车型为基础，对驱动系统进行设计改善。

先确定相应动力参数目标，然后根据整车参数进行理论计算，参考相应手册和市场上的部件，选择合适的驱动系统结构装置，如电机、蓄电池的类型和相关参数。

最后利用车辆系统仿真软件ADVISOR（AdvancedVehicleSimulator）对纯电动汽车进行动力性能仿真实验。

首先建立了仿真模型，包括选择传动系统类型、设置参数、设计控制策略，然后选择仿真工况进行加速性能和爬坡性能的仿真，最后得到仿真性能结果图表,包括仿真参数图、参数仿真报告、能源消耗图、虚拟回放。

基于符合初始设计技术要求的参数，利用ADVISOR里的AUTOSIZE软件模块进行参数优化，然后对得到的优化参数值进行仿真，进一步分析纯电动汽车驱动系统仿真动力性能，确定最优参数。

关键词：

纯电动汽车、驱动系统、结构参数、动力学、仿真

Abstract

Withtheenvironmentpollutionincreasingandand the growing shortage ofresources,andbecauseit’shighavailabilityinenergyandmildpollution,BatteryElectricVehicle（BEV）becomes the preferred designedmodelwhichmighttaketheplaceofinternalcombustionengine cars,ithasgooddevelopmentprospect.ThedrivesystemisoneofthecorepartfortheElectricVehicle,itdirectlydecidesthevehicleperformanceofthewholecar.Atpresent,thebiggesttroublesforBEVinChinaarethelimiteddrivingmileageandhighcostinpowerbattery.Basedonthesituation,designandimprovethedrivesystemperformanceisaefficientmethodforpromotethevehicle’sdynamicperformanceandlongerrange.

ThisarticleresearchanddesignfortheBEV’sdrivesystem.Firstly,thearticleanalyzesBEV’scharacteristic,includingnoairpollution,noiseless,simpleconstruction,highlyefficientusinganddiversityinenergy.Secondly,thearticleanalyzesBEV’sfundamentalconstructionandit’sworkingprinciple.Thenredesignandmakeimprovementbasedonacommoncar,becertainwiththerelativedynamicparametersandcalculatetheoretically,consideringaboutthepartsonthemarket,choosethesuitablestructuredevices.Forinstance,thetypeandrelevantparametersofthemotorandaccumulatorbattery.Finally,usesimulationsoftwareADVISORtodothetestforBEV’sdynamicperformance.Tobeginwith,establishthesimulatedmodel,includes,pickingthedrivelinetype,setrelevantparameters,establishcontrolstrategy.Then,choosethesimulatedBEV’sworkingconditionandperformacceleratedperformanceandclimbingabilitytestssimulation.Atlast,thediagramresultofthesimulationwhichconsistofsimulationparametersdiagram,simulationreport,energyconsuminggraphandvirtualreplayresultwillcomeout.Basedontheparameterswhichfittherequirement,thearticleusetheADVISOR’spartAUTOSIZEtooptimizeparameter,andsimulatedagain,thenulteriorlyanalyzetheEVdrivesystemdynamicperformanceandgetthefinalbestparameter.

Keywords：

PureElectricVehicle，Drivesystem，Structureparameters,

Dynamicperformance，Simulation

目录

1绪论 1

1.1题目背景及目的 1

1.2国内外研究状况 1

1.3题目研究方法 2

1.4论文构成及研究内容 3

2纯电动汽车的简单分析 4

2.1纯电动汽车的特点 4

2.2纯电动汽车在我国的发展现状 5

2.3驱动系统基本结构形式 6

2.4驱动系统工作原理 7

3驱动系统参数设计 9

3.1电动机类型和性能参数的选择 12

3.2蓄电池类型、数量、容量的选择 16

3.3传动系统参数的选择 19

4利用ADVISOR驱动系统性能仿真 21

4.1仿真软件ADVISOR简介 21

4.2定义车辆的仿真参数 22

4.2.1选择传动系统类型 22

4.2.2设置部件的仿真参数 23

4.2.3设计控制策略 23

4.3运行仿真 23

4.3.1选择仿真工况 23

4.3.2加速性能仿真和爬坡性能仿真 24

4.4仿真结果及分析 25

4.4.1仿真参数图 25

4.4.2参数仿真报告 25

4.4.3能源消耗图 26

4.4.4仿真结果总结 27

4.5本章小结 27

5电动汽车驱动系统参数优化匹配 28

5.1参数优化和仿真结果分析 28

5.2本章小结 31

6总结和展望 32

参考文献 33

致谢 34

1绪论

1.1题目背景及目的

汽车给人们的生活带来了很多的便利，但同时也给人们带来了“能源消耗，环境污染”两个大问题。

目前世界上46%以上的石油被汽车所消耗，己经探明的石油资源只够人们充分使用到2040~2050年，而且城市污染50%以上也是来源于汽车。

北京市机动汽车尾气排放对大气污染物中CO,HC,NO的分担率分别为63.4%，73.5%和46%，上海市更为严重，分别为86%，96%和56%广州、天津、重庆等许多大中型城市情况也类似。

当前随着汽车的粮食一石油资源的逐渐枯竭，能源危机的加剧，直接严重的冲击着传统燃油汽车。

同时，由于世界各地人民环保观念、意识的增强，对汽车排放标准的要求越来越高，促使人民致力于减少汽车排放的研究，开发无污染的新能源汽车。

电动汽车是解决能源短缺，环境危机的有效途径之一。

传统的燃油汽车污染严重，能源消耗大，而电动汽车为解决能源环保问题提供了一条有效的途径。

所以，电动汽车作为燃油汽车的替代产品，是汽车技术革命的重要内容，是21世纪汽车工业发展的潮流。

[1]

驱动系统作为纯电动汽车的主要部件之一，其整体性能和驱动效率直接影响到纯电动汽车的能量利用和整车动力性能。

因此，纯电动汽车驱动系统研究不仅可以作为评价纯电动汽车性能优劣的标准，为汽车消费者和市场需求提供参考;而且可以为纯电动汽车的技术改进提供依据，帮助科研人员解决限制纯电动汽车发展的问题，降低在纯电动汽车研发设计中的风险，故是纯电动汽车领域技术进步的基础。

为了了解驱动系统哪些参数会对纯电动汽车的动力性产生影响，以及对相关参数进行优化匹配，本文针对纯电动汽车驱动系统进行理论阐述和利用仿真软件ADVISOR进行建模仿真。

1.2国内外研究状况

由于驱动系统的控制性能直接影响纯电动汽车的动力性、经济型等性能，故有必要对国内外纯电动汽车驱动系统的控制系统进行对比和分析。

国内外驱动系统控制技术的研究现状可以从如下两方面对比：

（1）研发技术经验

国外汽车厂商在纯电动汽车驱动系统控制技术领域已经具有丰富的经验，尤其在驱动系统控制器的软件设计和硬件开发方面。

其生产的纯电动汽车在整车动力性和可靠性方面均具有良好的性能，并经受过市场的考验。

在国内，相关高校和研究单位已经掌握了纯电动汽车驱动系统控制器的软件和硬件设计方法，部分研究成果已经进行小批量生产；同时国内汽车厂商采用与国外知名公司和做的方式学习纯电动汽车驱动系统相关的技术和经验，提高了国内汽车厂商的自主研发能力。

但国内厂商的整体研发能力及经验和国外相比仍然存在一定程度的差距，国内纯电动汽车驱动系统研究和开发水平仍需进一步提高。

（2）产品成熟度

纯电动汽车作为新能源汽车种类之一，得到了各国政府和汽车厂商的广泛关注。

国外汽车厂商纷纷对纯电动汽车驱动系统进行研究和开发，在驱动系统控制器开发领域已经获得很多成功的案例。

同时，为了简化研究设计流程、提高驱动系统控制器的通用性，国外汽车厂商已经逐步制定驱动系统控制器的研制标准。

例如，国外汽车制造商和零件供应商、半导体、软件等公司联合建立“汽车开放系统架构联盟”，形成AUTOSAR标准。

和国外汽车厂商相比，国内汽车厂商研制的驱动系统控制器目前仍处于调试和小批量生产的阶段，各种试验测试参数仍需进一步完善。

同时，由于国外驱动系统控制技术相对更加成熟，国内汽车厂商在实际生产制造时更加倾向于向国外驱动系统控制器，驱动系统控制器对应的软甲和开发工具也基本依赖于进口。

该现象不利于国内驱动系统控制技术研发水平的提高和产品的推广，同时进一步扩大了国内驱动系统控制技术与国外之间的差距。

[2]

1.3题目研究方法

计算机仿真研究广泛应用于纯电动汽车驱动系统的开发过程。

该方法首先基于仿真

分析软件对纯电动汽车驱动系统建立模型并进行不同运行工况的仿真，然后基于仿真结

果对驱动系统结构参数及控制策略进行修正，完成对纯电动汽车驱动系统的优化。

该方法成本低廉，可操作性强，且具有较强的灵活性。

但是，该方法的优点同时会产生自身的缺点，该方法的执行过程基于仿真分析软件，

虽然为研究人员带来操作上的方便，但仿真分析的结果与实际情况存在一定的差距。

同时，纯电动汽车驱动系统比较复杂，基于仿真分析软件对驱动系统建立精确的模型比较困难，模型的模拟结果很难精确的反映出驱动系统的各性能。

该方法可以应用于纯电动汽车驱动系统的初期研究，在后期测试中需要道路行驶测试或室内试验平台测试的辅助，从而为计算机仿真研究提供客观依据。

本文采用基于MATLAB软件的ADVISOR汽车仿真软件的研究方法。

选定某市场上的普通车型，参照其汽车参数，通过比较和理论计算优选相应的驱动系统参数，然后将相应参数输入该ADVISOR软件，运行仿真，得到设计后的纯电动汽车动力性能参数和报告，对仿真结果进行分析验证，然后调整参数值，直至得到最优仿真结果的优化匹配的相应参数及其对驱动系统合理性的影响趋势。

1.4论文构成及研究内容

本文以纯电动汽车驱动系统为研究对象，在对纯电动汽车驱动结构形式和工作原理深入分析的基础上，对驱动系统参数进行优化匹配研究，本文的主要研究内容如下：

（1）研究分析纯电动汽车的特点，总结纯电动汽车在国内和国外的发展形势。

（2）研究纯电动汽车驱动系统的各种结构形式，分析驱动系统的工作原理。

（3）初步设计匹配纯电动汽车驱动系统各部件的类型和参数，主要包括：

电机类型和参数，蓄电池类型和参数，传动比确定，变速比确定。

（4）基于ADVISOR仿真软件，建立纯电动汽车驱动系统的仿真模型，然后行进仿真实验，得到相关的纯电动汽车性能仿真报告和图表。

（5）利用ADVISOR的AUTOSIZE模块对初步确定的动力系统参数进行优化。

2纯电动汽车的结构分析

纯电动汽车（BatteryElectricVehicle，BEV）是指以蓄电池为车载电源，以电动机为唯一驱动力的电动汽车。

2.1纯电动汽车的特点

（1）无污染，噪声低

纯电动汽车在使用过程中没有内燃机汽车工作时产生的废弃，不产生排气污染，是真正意义上的零污染汽车。

由于纯电动汽车没有内燃机产生的噪声，而电动车的噪声又较内燃机小，因此，纯电动汽车行驶时的噪声很小，大大提高了汽车的乘坐舒适性。

（2）能源效率高、且多样化

对纯电动汽车的研究表明，其总的能源效率已超过汽油机汽车。

特别是在城市街道运行时，汽车走走停停，形式工况变化频繁，而纯电动汽车由于停驶时不消耗电能，在制动过程中又可以实现制动能量的回收利用，所以优势更加明显。

由于纯电动汽车以蓄电池为车载电源，向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能等多种能源转化。

（3）结构简单，使用维修方便

与内燃机汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车相比，纯电动汽车的结构简单，动力传动部件减少，维护保养工作量小，当电动机采用无刷永磁直流电动机、交流异步电动机或开关磁阻电动机时，电动机本身无须维护保养。

此外，纯电动汽车的动力驱动系统、电子控制系统的故障检修比发动机及其电子控制系统要简单得多，纯电动汽车的驾驶操纵也更为简单。

（4）动力电源使用成本高，续驶里程短

目前，作为纯电动汽车唯一动力电源的蓄电池，其多项技术性能指标还远未达到人们设想的目标，且价格高、使用寿命短，不仅提高了纯电动汽车本身的价格，而且其使用成本也高。

此外，蓄电池的能量密度低，储存的能量有限，一次充电后续航里程还不理想，并且充电的时间长。

因此，从汽车价格、使用成本等方面看，目前的纯电动汽车还不能与燃油汽车相抗衡。

[3]

2.2纯电动汽车在我国的发展现状

目前我国纯电动汽车的研发主要集中在整车总布置、系统集成控制、电机及其控制器，电池及其管理等方面。

纯电动客车的研发首推北京理工大学科研团队，其开发的动力系统在国内行业处于领先地位；纯电动乘用车有多家企业单位进行了研发工作，如比亚迪、东风、时风等。

通过国内整车和电池相关厂商、高校和研究单位的共同努力，纯电动客车使用的锂离子蓄电池的技术日趋成熟，基本可以媲美国际先进水平；而纯电动乘用车方面，随着磷酸铁锂电池等技术的改进，使得纯电动汽车产业向着市场化、产业化的方向迅速发展。

和国外相比，我国在纯电动汽车驱动系统研究和开发的经验相对不足，研发的产品成熟度较低，仍处于调试和小批量推广的阶段。

国内汽车厂商过分依赖于进口的驱动系统控制器，忽略了提高自身在驱动系统研究方面的能力，不利于国内纯电动汽车驱动系统研究的正常发展。

其次，国内集成数字芯片的制造能力与国外存在一定差距，生产水平也较低。

上述现象会一定程度上影响国内高校和汽车厂商设计的驱动控制器的可靠性和稳定性。

如何提高控制器的可靠性和稳定性是国内纯电动汽车驱动系统需要面对的问题之一。

最后，国内汽车厂商在纯电动汽车驱动系统研究和设计过程中，对各种接口的定义各不相同，研究和测试方法差异较大，该现象可能导致驱动系统控制器存在通用性差、研究效率低的缺点，不利于产品的大规模生产。

如何制定统一设计规范和研究方法仍是国内纯电动汽车驱动系统面临的问题。

[4]

2.3驱动系统基本结构形式

纯电动汽车的基本结构系统可分为三个子系统，即主能源子系统、电力驱动子系统和辅助控制子系统。

其中，电力驱动子系统均具有基本相同的机构，都是有能源供给系统，电子驱动系统和机械传动装置三部分组成。

按电力驱动子系统的组成和布置形式不同，纯电动汽车分为机械传动型、无变速器型、无差速器型和电动轮型四种类型，如下图2.1所示。

（a）（b）

（c）（d）

（e）（f）

图2.1电动汽车动力系统的基本结构

注：

GB表示变速器，M表示电动机，FG表示固定速比减速器，C表示离合器，D表示差速器

（1）机械传动型纯电动汽车

机械传动型纯电动汽车如图1（a）所示。

它有发动机前置后轮驱动的燃油汽车发展而来，保留了内燃机汽车的传动系统，知识把内燃机换成了电动机。

这种结构可以提高纯电动汽车的起动转矩及低速时的后备功率，对驱动电动机要求低，可选择功率较小的电动机。

（2）无变速器型纯电动汽车

无变速器型纯电动汽车如图1（b）所示.这种驱动系统的最大特点是取消了离合器和变速器，采用固定速比减速器，通过电动机的控制实现变速功能。

这种结构的优点是机械传动装置的质量较轻、体积较小，但对电动机的要求较高，不仅要求有较高的起动转矩，而且要求较大的后备功率，以保证纯电动汽车的起步、爬坡、加速等动力性能。

无变速器型纯电动汽车的另外一种结构如图1（c）所示。

这种结构与发动机横向前置、前轮驱动的燃油汽车的布置方式类似。

它把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连续驱动车轮。

这种结构在小型电动汽车上应用很普遍。

（3）无差速其型纯电动汽车

无差速其型纯电动汽车如图1（d）所示。

这种结构采用两个电动机，通过固定速比减速器分别驱动两个车轮，每个电动机的转速可以独立调节。

当汽车转向时，由电子控制系统实现电子差速，因此，电动机控制系统较复杂。

（4）电动轮型纯电动汽车

电动轮型纯电动汽车如图1（e）所示。

将电动机直接装在驱动轮内（也成为轮毂电动机），可进一步缩短电动机到驱动车轮之间的动力传递路径，但需要增设减速比较大的行星齿轮减速器，以便将电动机转速降低到理想的车轮转速。

这种结构对控制系统控制精度和可靠性的要求较高。

（5）另外一种结构形式

电动轮型纯电动汽车的另一种结构如图1（f）所示。

该结构采用低速外转子电动机，去掉了减速齿轮，将电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上。

这种结构的电动机与驱动车轮之间无任何机械传动装置，要求其具有较高的起动转矩，较大的后备功率。

2.4驱动系统工作原理

图2.2纯电动汽车驱动系统的基本框图

由图2.2可知，纯电动汽车驱动系统主要包括储能部件、驱动电机及主控制器、传动系统及车轮三部分。

储能部件主要由蓄电池、超级电容等部件组成，该部件通过充电器与外部电源相连，实现对纯电动汽车充电的功能。

主控制器的功能是根据驾驶员施加在加速踏板或制动踏板上的的信号，对驱动电机发出相应的指令调控转速和转矩。

驱动电机的功能则是将储能部件的电能转换为机械能的一种驱动装置，其内部有一个功率转换器（逆变器），功率转换器的作用就是调节驱动电机与能量源之间的电流幅值及频率，使其能够匹配。

一方面它可以把储存在电池里的DC直流电转换成电动机所需的AC交流电，将电能转变成驱动车辆行驶的机械能；另一方面，能量的回流是是因为纯电动汽车制动能量的回收，当车辆处于制动或者减速工况时，发电机将回收制动或减速时产生的能量来给电池充电。

驱动电机通过传动系统将转矩传递给车轮，实现机械能在纯电动汽车中的传递。

3驱动系统参数设计

纯电动汽车的驱动系统是所有用于传递能量并使车辆获得运动能力的部件的总称，包括车载能源、电动机和传动系统三个主要部分。

纯电动汽车驱动系统主要部件为：

电动机、蓄电池、变速器等，这些部件类型的选择及参数设置直接决定着纯电动汽车的动力性和续航里程等主要性能。

以某款普及型轿车为原型对其进行改装，根据驱动系统动力参数的设计原则设计出电动汽车，其部分技术参数目标见表3.1。

表3.1某款普及型轿车技术参数表

最大总质量m

1365kg

滚动阻力系数f

0.02

空气阻力系数

0.32

轮胎滚动半径r

0.266m

续航里程

等速（80km/h）工况≥150km；循环工况≥115km

最高期望车速vmax

100km/h

加速时间（0~50km/h）

≤7s

最大爬坡度i（15km/h）

30%

主减速器齿轮传动比i0

4.23

传动系统传动效率ηT

90%

轴距L

2.4m

汽车质心高度h

0.8m

首先，对纯电动汽车进行受力分析。

[5]

车辆行驶时必须拥有足够驱动力，以克服行驶中的各种阻力。

汽车的行驶方程式为：

（3.1）

式中，Ft为驱动力，ΣF为行驶阻力之和。

（3.2）

式中，Ttq表示电动机转矩，单位N/m；

ig表示变速器传动比，无量纲。

行驶阻力包括来自地面的滚动阻力Ff和来自空气的空气阻力Fw。

当汽车坡道行驶时，还