纯电动汽车电机驱动系统传动机构参数设计.docx

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纯电动汽车电机驱动系统传动机构参数设计

纯电动汽车电机驱动系统传动机构参数设计

摘要：

汽车是人们生活的重要交通工具，随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始购买汽车。

但是，汽车的大量使用带来了能源消耗，资源短缺，环境污染等一系列问题，这些问题促使各大汽车公司竞相研制各种新型无污染的的环保车。

而电动汽车是以电能为能源，通过电动机将电能转化为机械能，这完全符合研制零污染汽车的理念。

因此，电动汽车作为解决资源短缺，环境污染等问题的重要途径，得到了快速发展。

本文对动力传动系部件的设计参数进行研究，根据纯电动汽车性能要求进行主要参数的设计及匹配，通过对具体车型的计算，建立仿真模型，并在cruise软件下进行仿真实验，模拟得到其动力性能，验证该模型车辆动力性能的可行性。

分析影响续驶里程、最高车速和最大爬坡度的各种因素，提出能够很好地提高电动汽车动力性能的措施和方法。

进一步探讨主要参数的确定，选择并设计出一种切实可行的纯电动汽车的动力传动系设计方案。

关键词：

纯电动汽车；传动系；参数匹配；cruise仿真

中图分类号：

U469.72文献标识码：

A

ParametersDesignationoftheTransmissionMechanismSysteminBatteryElectricVehiclewithMotorDriving

Abstract:

Thecarisanimportanttraffictoolinpeople'slife,alongwiththeimprovementofpeople'slivingstandard,moreandmorepeoplebegintobuycars.However,alotofuseoftheautomobilebroughttheenergyconsumption,shortageofresources,aseriesofproblemssuchasenvironmentalpollution,theseproblemshavepromptedthemajorcarcompaniestodevelopvariouskindsofnewpollution-freegreencar.Electricvehiclestoelectricenergy,throughthemotorconvertselectricalenergyintomechanicalenergy,whichisentirelyconsistentwiththedevelopmentoftheconceptofzeropollutionmotors.Therefore,theelectricvehicleisanimportantwaytosolvetheshortageofresources,environmentalpollutionproblems,obtainedthefastdevelopment.Thispaperdesignparametersofpowertraincomponents,andmatchingdesignofmainparametersaccordingtotherequirementofpureelectricvehicleperformance,throughthecalculationofconcretemodels,simulationmodelisestablished,andsimulatedincruisesoftware,simulationofthedynamicperformance,verifythefeasibilityofthemodelofvehicledynamicperformance.Analysisoftheinfluenceofmileage,themaximumspeedandmaximumclimbablegradientofvariousfactors,wecanverygoodmeasuresandmethodstoimprovethedynamicperformanceofelectricvehicle.Determinedtofurtherexplorethemainparameters,selectionanddesignschemeofpowertrainafeasiblepureelectricvehicles.

Keywords:

EVtransmission；power-train；matching；Cruisesimulation

1绪论

1.1引言

由于经济的持续快速发展，我国对能源的需求急速增长。

2011年2月25日，我国能量研究会公布，去年，我国一次能源消费量为32.5亿吨标准煤，同比增长了6%，中国已成为全球第一能源消费大国。

中国能源研究会预测，我国能源需求将继续增长，这将进一步推动能源价格的普遍上涨。

此外，国际油价一路上涨。

去年我国原油全年平均进口油价为每桶61美元，相当于每天支付4亿美元进口原油。

最近，伦敦市场上布伦特原油期货价格达到113美元/桶以上，比调价时的102美元/桶，涨了10%左右。

交通运输是目前我国能源消耗最大，也是能源消耗增长最快的行业之一。

与此同时，交通所造成的污染日趋严重。

汽车尾气排放已成为我国各大中城市污染的主要来源之一，交通所造成的污染越来越影响到人们的生活质量。

因此，降低能源消耗、减少环境污染，以保持交通运输的可持续发展，已成为我国交通运输业可持续发展所面临的首要任务。

纯电动汽车作为“绿色的交通工具”，它的投入运行不仅对缓解能源危机以及环境问题有着重要的作用，对于我国自身相关产业的发展以及我国汽车业在国际中的地位也有着及其重要的意义。

1.2国内外电动汽车发展现状

世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进展和突破。

现代电动汽车一般可分为四类：

纯电动汽车（PEV）、混合动力电动汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）、外接充电式混合动力电动汽车（PHEV）。

美国一直致力于提高乙醇以及生物柴油等可再生资源使用量，同时，美国政府也鼓励以混合动力车为代表的其他新能源汽车的使用。

美国的混合动力汽车在2004年前后进入商业化推广阶段。

规定消费者购买通用汽车、福特、丰田、日产等公司生产的符合条件的混合动力车，可以享受到税款抵免优惠。

推动新能源汽车发展是奥巴马政府能源政策的组成部分希望通过发展和利用新能源，使美国摆脱对海外石油的过度依赖。

奥巴马总统上任后，美国通过制定进一步严格的汽车燃油排放标准和新能源汽车政策，以及通过政府采购节能汽车，消费者购买节能汽车减税，设立新能源汽车的政府资助项目，投资促进新能源汽车基础设施建设等策略，美国政府进一步推动汽车产品朝着“小型化”和“低能耗”的方向发展。

德国在新能源汽车研发方面处于世界领先地位。

早在2007年，德国政府就已经把将电动汽车的关键技术，也就是锂离子电池列入到“高科技战略”中。

2009年8月19号，德国政府又颁布了《国家电动汽车发展计划》，这个计划的目标是到2020年使德国拥有100万辆电动汽车。

德国政府希望借助这项计划能够让德国成为世界电动汽车市场的领军者。

德国在研发电动汽车和混合燃料车进行各项技术攻关的同时，也没有忘记相关的基础设施建设。

包括大众、奔驰、宝马和欧宝在内的多家德国汽车巨头都在积极研发电动汽车。

日本异常重视新能源汽车的开发。

日本混合动力车已形成产业化，目前，丰田、本田、日产等日本厂商的混合动力汽车不仅在国内热销，在国际市场上也令其他国家厂商望其项背。

日本为攻克电池方面的关键性技术，已建立了开发高性能电动汽车动力蓄电池的最大新能源汽车产业联盟，共同实施2009年度“革新型蓄电池尖端科学基础研究专项”新项目。

为推进新能源汽车以及环保汽车，日本从2009年4月1日起实施“绿色税制”，它的适用对象包括纯电动汽车、混合动力车、清洁柴油车、天然气车以及获得认定的低排放且燃油消耗量低的车辆。

日本媒体将2010年称为电动汽车革命之年，在这一年，从“汽油车转向电动汽车的革命已经开始”。

此外包括韩国、英国、法国等也都在积极开展电动汽车的研发工作。

与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也正在如火如荼的进行着，而且我国电动汽车的研发与国外在技术水平与产业化方面差距较小。

新的中国汽车产业调整和振兴规划中称，将实施新能源汽车战略，推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车及其关键零部件的产业化。

启动国家节能和新能源汽车示范工程，由中央财政安排资金给予补贴，支持大中城市示范推广混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等节能和新能源汽车。

我国于20世纪70年代曾开展蓄电池汽车的研究。

90年代“八五”期间蓄电池电动汽车被列为国家重点攻关项目，以清华大学为主，开发出我国第一代蓄电池汽车。

“九五”期间，将电动汽车项目确定为国家重大科技产业工程项目加以实施，同期国内推出了若干种电动汽车样车。

“十五”和“863”计划中，特别设立电动汽车重大项目，选择新一代电动汽车技术作为我国科技创新的主攻方向，组织联合攻关，以电动汽车产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得重大突破。

“十一五”将电动汽车单列出来并纳入国家规划，将“新能源产业振兴规划”更名为“新兴能源的发展规划”，扩大新能源的研发范畴。

1.3本文研究的意义

电动汽车是集汽车技术、电子及计算机技术、电化学技术、能源与新材料技术于一体的高新技术产品，是人类新一代的清洁交通工具。

纯电动汽车具有零污染、零排放、低噪声等特点，无疑是最为理想的新能源汽车。

对动力传动系部件的设计参数进行研究是提高纯电动汽车性能的重要手段之一。

本文将计算机仿真技术应用到纯电动汽车设计和研发，建立仿真模型，确保实验结果的准确性和可行性。

1.4本文研究的主要内容

1．简述电动汽车的发展状况，明确本文研究的目的和意义；

2．分析纯电动汽车动力传动系统的总体结构和布置形式，并研究传动系统的类型、特点、工作特性，电池电机的工作特性及传动系统特性；

3．计算传动系速比和电机参数，及其对整车性能的影响。

应用电动汽车仿真软件Cruise，针对某型号驱动电机，建立仿真模型，进行整车动力性计算；

4．对纯电动汽车的动力性进行分析，重点分析最高车速、爬坡度和加速性数据；以及结合被选择电机的台架试验数据，分析仿真结果。

2电动汽车的基本机构

2.1电动汽车的基本组成

对于传统内燃机汽车，纯电动汽车的结构有很大差别，具体组成包括：

电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。

电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。

电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。

电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。

电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。

电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。

正在发展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。

本文讨论的对象使用高能锂电池作为动力源的电动汽车，锂离子电池由于其比能量大、放电电压高、循环寿命长、无记忆效应、具有快速充电能力、自放电速率小、具有多种安全保护措施、密封良好，无泄漏现象、环保等众多优点，使得其在未来电动汽车中的应用前景非常广阔。

电池管理系统一直是电动汽车发展中的一项关键技术，电池组管理系统最基本的作用是监控电池的电池电压、电流和温度，通过对这些参数的测量，预测蓄电池的SOC和相应的剩余行驶里程，管理电池的工作情况，避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。

电池管理系统按照实现方式可以分为两大类：

一类是基于芯片的电池管理系统；另一类是基于分立式器件的电池管理系统。

基于芯片的电池管理系统一般将前端采集电路、均衡电路以及电量计量算法、通讯功能等集成在芯片中，辅以外围电路完成对电池的管理功能。

具有更小的体积、更高的集成度等优势；基于分立器件的电池管理系统，有基于纯硬件和基于软硬件协调工作的解决方案，而软硬件协调工作方案由于实现更灵活、功能更完善，被广泛采用。

该方案在产品设计的灵活性上占有一定优势。

电机驱动系统包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和车轮，其功用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。

目前电动汽车驱动系统主要分为4类：

1）、直流电动驱动系统，这种驱动系统结构简单、电磁转矩控制特性优良，在城市无轨电车上广泛应用但重量和体积也较大；2）、感应电机驱动系统，这种驱动系统结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、转矩脉动低、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高、矢量控制调速技术比较成熟，但驱动电路复杂，成本高；3）、永磁无刷电机系统，这种驱动系统功率密度较高、电机尺寸小、体积小、转子结构简单、稳定性好；4）新一代牵引电机系统，这种系统即开关磁阻电机驱动系统，具有高密度、高效率、低成本、宽调速。

电动汽车的车身与传统汽车基本相同，底盘中的传动系比内燃机汽车有所简化。

在底盘的布置上还要有足够的空间存放动力电池组，并且要求线路连接方便，充电方便，检查方便和装卸方便。

能够实现动力电池组的整体机械化装卸。

这就要求在电动汽车的底盘的布置上，打破传统的内燃机汽车底盘布置模式，加大承载空间的跨度和承载结构件的刚度，并且充分考虑防止动力电池组渗出的酸或碱液对底盘结构件的腐蚀侵害。

辅助系统包括辅助动力源、动力转向系统、导航系统、空调器、照明及除霜装置、刮水器和收音机、安全保护装置等，借助这些辅助设备来提高汽车的操纵性、安全性和乘员的舒适性。

2.2本章小结

电动汽车与传统汽车差别较大，传统汽车是由发动机气缸的往复运动，驱动车辆行驶。

而电动汽车是由电机旋转驱动电机。

电机驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。

本章详细讨论电动汽车的5大系统，即电源、电池管理系统、电机驱动系统、车身及底盘、辅助设施。

对于电动汽车的设计研发，有一定的综合指导作用。

3传动系参数设计

3.1概述

电动汽车动力传动系统的设计应该满足车辆对动力性能的要求和续驶里程的要求。

确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状况。

我们得到动力性能的要求，即最高车速50km/h，加速性能0~45km/h小于10s，爬坡度不小于20%。

为此，需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力与行驶阻力。

根据这些力的平衡关系建立汽车行驶方程式，就可以估算汽车的最高车速、加速度和最大爬坡度。

汽车的行驶方程式为：

（1）

式中：

Ft——驱动力；ΣF——行驶阻力之和。

发动机产生的转矩，经传动系传至驱动轮上。

此时作用于驱动轮上的转矩Tt产生一对地面的圆周力F0，地面对驱动轮的反作用力Ft（方向与F0相反）即是驱动汽车的外力，此外力称为汽车的驱动力。

其数值为：

（2）

式中：

Tt—作用与驱动轮上的转矩；r—车轮半径。

图1汽车的驱动力

由于电动汽车采用电动机驱动，所以在电动汽车中Tt是由电动机输出的转矩经传动系统传递到车轮上的。

令传动系统总传动比为Σi，主减速器的传动比i0，变速器的传动比ig，传动系统的机械效率为ηt，驱动电动机的输出转矩为Ttq，则有：

（3）

（4）

汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。

当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服坡度阻力。

汽车加速行驶时还需要克服加速阻力。

因此汽车行驶的总阻力为：

（5）

式中：

Ff—滚动阻力；Fw—空气阻力；Fi—坡度阻力；Fj—加速阻力其中：

（1）滚动阻力：

Ff可以等效的表示为：

（6）

式中：

W—作用于车辆上的法向载荷；ｆ—滚动阻力系数，与路面种类，行驶车速以及轮胎的结构、材料、气压等有关。

研究中滚动阻力系数，按经验公式取值。

（2）空气阻力：

（7）

式中：

ＣＤ—空气阻力系数；Ａ—迎风面积，即车辆行驶方向的投影面积；ρ—空气密度，一般ρ＝1.2258Ns2m-4。

ｕｒ—相对速度，在无风时即车辆的行驶速度。

在无风条件下汽车的运动，ｕｒ即为汽车的行驶速度ua。

如ua以km／h计，A以m2计，则空气阻力（N）为：

（8）

（3）坡度阻力：

（9）

式中：

α—坡度。

一般道路的坡度均较小，此时sinα=tanα=i。

（4）加速阻力：

（10）

式中：

δ—车辆旋转质量换算系数；m—车辆质量；

—行驶加速度。

这样，汽车行驶阻力为：

（11）

车辆行驶时，不仅驱动力和行驶阻力相互平衡，电动机功率和车辆行驶阻力功率也总是平衡的。

即：

在车辆行驶的每一时刻，电动机发出的功率Pe总是等于机械传动损失的功率与全部运动阻力所消耗的功率之和。

在纯电动汽车中，Pe为电动机的输出功率。

车辆运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率Pf，空气阻力功率Pw,坡度阻力功率Pi以及加速阻力功率Pj。

即：

（12）

根据以上的推导，可得车辆行驶过程中的平衡方程如下：

（13）

（14）

对纯电动汽车而言，式中：

Pe—电动机输出功率（kW）；n—电动机输出转速（rpm）。

3.2传动比

某车型的固定减速比为6.3

（1）传动比的选择首先应满足车辆最高车速的要求，由最高车速vmax与电机的最大转速nmax确定传动比的上限，即

（15）

已知最高车速vmax=50km/h，电机的最大转速nmax=3100，车轮半径r=0.245，则：

（2）由电机的最高转速对应的最大输出转矩T

max，和最高车速对应的行驶阻力Fmax确定速比的下限，即

（16）

已知f=0.01，r=0.245，CD=0.4，A=1.8/m2，m=800kg，则

（3）由电机最大输出转矩Tmax和最大爬坡度对应的行驶阻力Famax确定，即

（17）

其中：

Famax=m

g

cosα

f+m

g

sinα=800·9.8·0.98·0.012+800·9.8·0.2=1628.5N，r=0.245m。

原车型主减速比不满足要求

3.3电机参数设计

设计原则：

动力系统的额定功率必须满足车辆以最高车速行驶、动力系统必须满足车辆加速性的要求、动力系统必须满足车辆以最大爬坡度爬坡的要求、动力系统必须满足车辆以额定转矩在额定车速行驶的要求、根据汽车的动力性指标选择最适合的驱动电机。

3.3.1电动机额定功率

所选择的电动机功率应不小于在平坦良好路面上车辆以最高车速行驶时阻力功率之和，即

（18）

满载时：

G=800×9.8N，f=0.012，CD=0.4，A=1.8m2，η=0.9，ua=50km/h

式中，Pe为电动机额定功率；M为整车总质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；Umax为最高车速；Cd为空气阻力系数；A为车辆迎风面积；ηt为传动系效率。

3.3.2电动机额定转矩

当电动汽车以额定车速在平地上匀速行驶时，电动机输出的转矩即为额定转矩。

（19）

已知车型常规车速为20km/h，

根据

（20）

将P=5kw，n=3100带入，得T=15.4，额定转矩（15.4）大于额定转速下的转矩（4.76），因此此车型满足行驶条件。

3.3.3电动机加速性能

在水平良好路面上，车辆的行驶加速度表示为：

（21）

（22）

式中：

Ttq—电机额定转矩；ig—变速器传动比；i0—主减速器传动比；r—车轮半径；η—传动机构效率，包括变速器、传动轴和主减速器；Fw—车辆行驶的空气阻力，

；Ff—车辆行驶滚动阻力

；M—总质量；δ—转动质量换算系数

则，电动汽车从起步加速到速度为U的加速时间为：

（23）

3.3.4根据电动汽车的最大爬坡度要求，可得电动汽车需求的最大转矩。

Ff=m·g·f·sinα；Fi=m·g·cosα；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电池参数的确定

结合确定的电机参数，参考市面上已有的动力电池，我们选定某型号的锂铁动力电池作为我们的动力源。

最大电池容量为150Ah，起始容量为90%，额定电压为72.0V，最大电压82.2V，最小电压60V。

电池组电池数量为1，电池组质量为120kg。

综上所述，选取车型的额定功率5kW，最大功率15kW，可以满足功率要求。

电动机的最大转速是3100r/min，额定转速是1500r/min。

采用的最大转矩50N·m，最大转速时的转矩为15N·m。

额定电压60V。

4建立整车仿真模型

4.1Cruise简介

AVL是一家在世界汽车、发动机行业拥有极高知名度的高科技公司。

AVLCruise软件是用于仿真研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能与制动性能的高级仿真分析软件。

该软件可以用于车辆开发过程中的动力传动系的匹配、车辆性能预测，还能够对混合动力车和电动汽车进行建模仿真和性能模拟。

AVLCruise软件界面友好，不但与发动机性能分析软件（AVLBoost）有很好的耦合计算性能，还提供了与Matlab、C、Fortran等通用编程软件的接口，为用户建立自定义模块及控制元件的模型提供了方便，并扩展了软件的应用范围。

Cruise具有以下特点：

1）灵活的模块化理念可进行各种车辆和动力总成配置的分析，能够自由地在所提供的模块的基础上建立系统模型；

2）智能化的驾驶员模型可根据人体反应真实地再现车辆的行为；

3）发动机的冷启动模型考虑了高摩擦和热力学效应；

4）弹性扭转轴单元可用于传动系统的低频振动特性研究；

5）黑盒子功能可使用户自定义模块和控制算法；

6）提供了流体动力学软件Flowmaster、KULI及MATALAB/SIMULINK的接口；

7）考虑了转向时车轮和车辆受力；

8）有分析CVT的专用模型。

Cruise提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法从模型库中拖出相应的元件，便能迅速地建立系统框图，根据研究的需要添加相应的控制模块，并正确连接数据总线，便可很快得到系统模型。

用户能方便地修改动力传动系的配置，所以用它来对动力传动系统建模将是一件非常轻松的事情。

利用Cruise软件可以缩短研发周期，节约研发成本，减少设计的盲目性。

4.2电机模型的建立

根据已有型号的电机，把相应的转矩、转速及其他有关数据输入Cruise之中，建立电机模型。

电机工作电压60V，最大转速为3100rpm/min，转动惯量0.15kg·m2，最大转速的扭矩时0N·m。

电机质量10kg，初始工作温度50℃，比热容1000J/kgK，达到最大功率转速时间10s