江淮纯电动汽车动力系统的研究.docx

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江淮纯电动汽车动力系统的研究

江淮纯电动汽车动力系统的研究

作者:

任静指导老师:

徐伟君

安徽农业大学工学院09车辆工程专业合肥230036

摘要:

随着能源的不断枯竭和环境的日益恶化,人们不断的寻找一种清洁、环保、高效的出行模式,电动汽车也就应运而生了。

它凭借着零排放、低耗能而备受人们的关注与亲睐。

如何能够研究生产出指标高、畅销的电动汽车，需要研究和考虑各方面的关系，比如如何合理的选择动力系统的参数、整车的优化设计以及在实际的使用中的路况等，其中动力系统的参数选择是最重要的部分。

电动汽车与传统燃油汽车比起来，电动汽车具有质量轻、结构简单、动力系统独特等优点。

其动力系统主要由电池系统、电机系统和整车管理系统组成，比普通燃油汽车的结构简单的多，而且电动汽车的操纵也非常方便。

本文首先了解电动汽车的研究意义、应用前景，介绍电动车动力系统的概念，对电动车动力系统的探讨以及动力系统主要参数的优化。

关键词：

电动汽车动力系统参数优化

1引言

1.1电动汽车研究的意义

随着工业经济的迅猛发展和人民生活水平的日益提高，汽车逐渐地进入了普通百姓的家庭。

根据国家统计局发布的资料显示，截至2011年底，全国机动车保有量达到2.25亿辆，其中汽车1.06亿辆。

截至2012年底，中国汽车保有量达到了1.25亿辆，中国真正的进入了汽车时代。

随着汽车数量的激增，汽车尾气排放量也在不断上升，环境日益恶化。

有关科学研究发现，汽车排放物不仅对人体有害，对植物也有危害，汽车尾气中的二次污染物可以使植物的叶子产生病斑和枯死。

不仅如此，汽车中的二次污染物还加剧了南极臭氧层空洞的损耗与破坏、酸雨面积的扩大、生物多样性的减少、森林面积的减少、土壤沙漠化程度的加剧、水污染等等。

汽车将是二十一世纪最主要的交通工具，但其资源消耗量也是巨大的。

在1994年，我国开始实行石油纯进口，2000年我国进口石油量为7000万吨，成品油3000万吨，据国际石油组织（IEA）和中国能源记录，2010年我国的石油产量为1.7亿吨，需进口石油1.3亿吨。

而到2050年石油需求量为5.0亿吨，需进口石油4.0亿吨，石油产量减到1亿吨，可见我国的石油资源将会在不久的将来枯竭。

进口石油数量的激增需要我们认真考虑在交通方面的能源结构多样化，以维护我国的能源安全。

联合国有一项调查显示，世界上污染最严重的10个城市中，中国占了七位。

特别是近几年来，汽车的的保有量持续快速增长，我国城市的大气环境变得异常严重，如果一直使用传统的内燃机，后果不堪设想。

电动汽车作为新兴的高科技产品，它集合了信息技术、电子技术、新能源、新材料、先进制造技术等现代高科技。

汽车工业的关联性是很强的，电动汽车产业不仅是高新技术的典范，而且是用高新技术对传统产业进行改造，还是用信息化带动工业化的突破口。

有关专家认为，发展电动汽车产业是一种复杂的、综合性的工程，它需要政府的支持、生产线的设计以及研究人员的不断开发，三者相互协同，密切配合。

还要建立开放、竞争、规范的运行体制和管理体制，充分调动社会各方面的力量，共同推动电动汽车的工业化。

从上个世纪开始，已经有很多世界闻名的汽车公司对电动汽车进行了研究，比如日本的丰田公司，美国的福特、通用和克莱斯勒三大公司组成的研究机构等等。

纯电动汽车、燃料电池车和混合纯电动汽车成为各大研究机构和汽车生产厂家争相研究的对象。

经过国家大量的宣传和倡导，绿色环保车辆的概念日渐深入人心，这些绿色环保车辆能够从根本上解决环境污染问题，得到了全世界的关注和认可。

中国的汽车产业起步较晚，目前基本上是引进国外先进的生产技术。

绿色环保车辆给中国汽车产业提供了契机，把握和利用好了这个契机，中国将在世界的汽车产业中占有一席之地！

1.2电动汽车的发展状况

图1.1电动汽车的发展历史

电动汽车的发展史并不比内燃机汽车的短，甚至比才柴油机和汽油机还长。

1932-1939年之间，苏格兰商人Robert·Aderson研发出电动车。

1835年，荷兰教授西博兰斯•斯特町设计出了一台小型电动车，他的助手克里斯托弗-贝克负责制造。

十九世纪初，美国人达文波特和戴维森设计出了一款更实用的电动汽车，并且第一次使用了不可充电电池。

1847年，美国人法莫制造出了第一辆以蓄电池为动力、可乘坐两人的电动汽车，这在美国汽车的发展史上具有划时代意义。

1873年，英国人RobertDavidsson制造了第一辆可供实用的电动汽车，比德国人戴姆勒和美国人本茨发明的汽油发动机还早十年。

1891年，莫里斯制成了第一辆电动四轮车，它可以说是现代电动汽车的一个雏形。

20世纪初，波尔舍在Lohner-Porsche电动汽车的后轮上也装载两个轮毂电动机，由此诞生了世界上第一辆四轮驱动的电动车。

1973年，美国Vanguard-Sebring公司在华盛顿的电动车展上首次展出CitiCar，这种电动汽车结构非常简单，但其时速可达64公里。

1991年，美国研制了世界上第一台混合燃料电动汽车，它将电动汽车的研究领域带进了一个崭新的领域。

2003年，“中国燃料电池车之父”万钢教授向国务院提出了“开发洁净能源轿车，实现中国汽车工业跨越式发展”的建议。

在万钢教授的带领下，中国燃料电池车取得了快速的发展。

1.3纯电动汽车动力系统的概念

和传统的燃油汽车相比，电动汽车主要是靠电力驱动汽车行驶。

电动汽车的动力传动路线和燃油汽车基本相同，但动力传动元件稍有区别。

电动汽车的动力系统有蓄电池、电机、控制器、变速器、减速器和驱动轮等组成。

电动汽车动力系统的工作过程：

控制器接受来自档位、刹车和加速踏板的信号，传递给电机来控制电机的转数从而满足汽车在不同路况下的行驶要求。

电动汽车的动力系统组成元件的相互匹配和总体布置直接影响电动汽车的动力性能。

纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。

纯电动汽车的绿色环保性能被广泛看好，但目前的研究技术还不成熟。

2纯电动汽车结构和工作原理

2.1纯电动汽车的种类

纯电动汽车根据动力系统的组件和布置形式，可以分为四种：

传统型纯电动汽车、无变速器型纯电动汽车、无差速器型纯电动汽车和电动轮型纯电动汽车。

各自的特点：

1）常规性纯电动汽车保留了传统传统内燃机的主减速器和变速器等，对驱动电机要求低，电动机可以选择较小的。

2）无变速器型纯电动汽车去掉了传统内燃机的变速器，电动机直接连接到传动轴，通过对电动机的控制从而控制车速。

3）无差速器型纯电动汽车的驱动电机直接连接到左右两个驱动半轴上，结构简单，减少了动力损失。

4）电动轮型纯电动汽车无动力传动装置，而是直接将电动机连接到驱动轮上，无动力损失，但对电动机的控制精度要求较高。

2.2纯电动汽车的基本结构

图2.1纯电动汽车的组成

纯电动汽车主要有三个子系统组成：

动力驱动子系统、能源子系统和辅助子系统。

动力驱动系统包括电子控制器、功率转换器、电动机和机械传动装置；能源子系统包括能源、能量单元及能量控制单元；辅助子系统包括主力转向单元、温控单元和辅助动力供给单元等。

图2.1中，双线表示机械连接，粗线表示电气连接，细线表示控制连接，每条线上的箭头表示电能或控制信息的流向。

根据驾驶者加在加速踏板或制动踏板的信号，电子控制器发出相应的控制信号以控制功率转换器功率器的开关。

功率转换器的作用是调节电动机和能量源之间的能源流。

能量的回流是因为纯电动汽车制动能量的再生，该能量被能量源吸收。

能量控制单元与电子控制器一起控制可再生制动能量，从而实现系统能量流的最优化。

辅助动力供给系统向所有的纯电动汽车辅助装置提供不同电压的电源。

2.3纯电动汽车的工作原理

如图2.2所示，主电源动力电池通过主控制系统向驱动电机供电，电动机将电能转化成机械能并输入传动系统，传动系统带动车轮转动，车轮通过与地面作用产生行驶的牵引力。

电动汽车的加速踏板带有传感器，传感器将踏板的位置转换成信号送入控制器，从而控制车速。

在车辆减速或者制动时，制动踏板的传感器将信号送入控制器，当主传感器识别信号后，发出指令，使车辆减速。

图2.2纯电动汽车的工作原理图

3纯电动汽车动力系统分析

3.1驱动电机参数选择

电动机的功率包括额定功率和最大功率。

电动机功率越大，其后备功率越大，加速和爬坡性能越好，但是电动机质量和体积也会随之增加，使电动机不能在峰值功率附近工作，造成电动机功率下降。

因此，在选择电动机时，应考虑下面三个因素：

1）最高车速。

驱动电机的的功率要能够满足电动汽车汽车最高车速的需求，保证电动汽车在正常条件下能够达到最高车速。

2）加速性能。

驱动电机的后备功率越高，则电动汽车的加速性能越好，但太高的后备功率会产生功率的浪费，所以要驱动电机的功率选取要适当。

3）由于汽车行驶在不同的路况下，这就要求电动汽车的驱动电机要能够承受一定的过载能力，以满足需求。

3.1.1以最高车速计算电动机额定功率

表1.1江淮同悦纯电动汽车数据

整车整备质量

1200kg

最大总质量

1500kg

迎风面积

2.30㎡

风阻系数

0.25

轮胎半径

175mm

传动系效率

0.90

最高车速

95㎞/h

最大爬坡度

25°

一般情况下，电动汽车在持续工作区的动力性能是最高的，即电动机的额定功率；而电动汽车最大爬坡度和全力加速的时候是短时工作区，即电动机的最大功率。

计算电动机的最大功率时，不考虑坡度阻力和空气阻力，

（1）「4」

式中：

Pn为电机输出功率，KW；

为传动系效率：

取0.90；

m为最大车重：

取1500Kg；

f为滚动摩擦系数：

取0.02；

为风阻系数：

取0.25；

A为车辆迎风面积：

取2.30㎡；

为最高车速：

取95㎞/h

由公式

（1）可计算出电动汽车在最高速度行驶时，电动机的额定功率为16.0kw。

3.1.2根据已选取的额定功率来确定最大功率

（2）「11」

式中：

为电动机的最大功率；

为电动机的额定功率，16kw；

为电机过载系数，取2-3。

根据公式

（2）可知，电动机的最大功率在32-48kw之间，可以选取电动机的功率为48kw。

3.1.3电机额定转速及其转速选择

对电动机来说，在额定功率相同的情况下，转速高、质量轻、体积小，需要的生产成本越低；为了避免转矩过大对电动机造成的有害影响，当电动机功率恒定时，随着电动机额定转速和最高转速的增加，最大转矩将减小，因此，选择高速电机是非常有利的。

但是当电动机转速超过一定限度后，电动机的转矩减小程度明显减小，所以，在电动机最高转速过高时，会使电动机及减速装置的生产成本增加。

在选择电动机时，既要考虑电动机的负载要求，还要考虑电动机和传动机构的经济性等因素。

综合上述对电动机的各方面要求，根据车载驱动电机的特点并参考其他车载驱动电动机，选定电动机的额定转速为3600r/min，最高转速为8000r/min。

（3）「11」

上式中：

为电动机的额定功率，kw；

为电动机的最大功率，kw；

为电动机的额定转矩，N·m；

为电动机的最大转矩，N·m；

为电动机的额定转速，r/min。

根据公式（3）即可以算出电动机额定转矩为42.4N·m，电动机的最大转矩为127.2N·m。

3.2传动系传动比的选择

由于汽车电动机的转速比较高，实际的车轮转速比较低，所以电动汽车的动力系统必须得有变速器和主减速器。

因此，对动力系统中的变速器和主减速器的传动比设计是非常必要的。

传动比的设计应遵循三原则：

1）保证实现预期的最高车速；2）满足汽车的最大爬坡度要求；3）汽车在常用速度区间内行驶时，电动机应工作在最大功率。

首先，我们根据参考车型，初步选定传动系的传动比为6.3，现在进行可行性验证。

1）传动比应该满足车辆最高车速的要求，根据最高车速和电动机的最高转速确定最大传动比上限。

（4）「4」

由上式可计算出

9.2

2）由电动机最高转速所对应的最大转矩和最高车速对应的行驶阻力确定传动比的下限。

（5）「4」

（6）「4」

由上式可计算出

1.4

3）由电动机最大输出转矩和最大爬坡度对应的行驶阻力来确定

（7）「4」

（8）「4」

由上式可以计算出

8.3

综合上面三个计算数据，选取传动系的传动比

8.5。

3.3电池组参数

综合电动汽车行驶的里程和能量消耗率的情况，计算电池的容量。

电动汽车在正常工况下可行驶的里程为130km，能量消耗率不能超过20kwh/100km，因此电动汽车动力消耗的总能量不能超过26kwh。

在选取电池容量时，主要应考虑汽车在行驶时的最大输出功率和消耗的能量，从而确保电动汽车行驶的里程。

3.3.1电池组电压的选择

在正常情况下，动力电池的放电电流不超过300A，公式（9）是最大放电电流与动力电池输出电压的关系。

（9）「14」

上式中，

为电动机最大功率；

为电池组最低输出电压。

根据上式可得：

（10）「14」

式中，

为电池组输出电压。

将数值带入公式（10）中，可以算出电池组的输出电压

=160V。

根据市场上销售的锂电池的额定电压为4V和电动机的实际工作情况，选取电池组的电压

=200V。

3.3.2电池组能量的选择

电池的能量指标是体现电池价值的最重要参数，公式（11）为电池能量的计算公式：

（11）「14」

上式中，

为电池组的实际能量，kwh；

为单位电池容量，Ah；

为电池组的平均工作电压，V。

对于纯电动汽车来说，电动汽车的行驶里程是由电池组能量的大小来决定的，电动车的行驶里程可以通过工况法或者等速法来测定。

现选取等速法来对电动汽车的行驶里程进行测定。

假设汽车在测试行驶的过程中保持匀速行驶，则汽车在行驶里程内需要的能量可以通过下面的公式计算出：

（12）「14」

其中，

为电动机匀速行驶时的功率；

为汽车匀速行驶时的速度；

为汽车达到行驶里程所需要的能量；

t为电动车运行的时间；

为电动汽车的行驶里程。

为了满足电动汽车对能量的实际需求，

（13）

电动汽车的实际行驶里程为

（14）「14」

式中，

为电池的放电深度，一般在75%左右。

根据上述公式，可以计算出电池的容量为80Ah。

综合以上所述，要满足电动汽车的要求，电池组应选择电压为200V，容量为80Ah的电池组。

4纯电动汽车汽车动力系统的布置

4.1影响布置的主要因素

和传统的内燃机汽车相比，纯电动汽车的布置有自己的特点，总体来说，纯电动汽车的电池系统和电力系统取代了燃油汽车的动力总成和油箱布置后，变得更为灵活。

燃油汽车的动力总成体积大、质量重、而且形状不规则，不管是对空间位置和姿态，都超过了电动机的需求。

除此之外，燃油汽车的动力总成在高速运转时，对车身和地盘的冲击载荷是非常大的，而电动机则小得多，保证了驾驶员和乘客的乘坐舒适性。

影响电动机空间布置的因素有很多，主要的有下面四个：

1）空间大小。

对纯电动汽车而言，电动机驱动系统体积小、质量轻，空间布置要求不高。

但是动力电池往往因为比能量不足造成体积大而给空间布置带来问题。

在现阶段，锂电池已经是电动汽车电池的最佳选择，但这种电池的比能量仍然偏小、造成电池体积偏大，这就需要将电池拆分为若干个小的电池包，然后对电池包进行布置，然后又连线就电池包连接起来。

2）载荷分配。

电动汽车的前后轴载荷的分配对电动汽车来说非常重要，它影响着电动汽车的爬坡性、加速性、制动性、及操稳性。

研究发现，载荷增加至总载荷的四分之一时，这些新增载荷如何分配，将会极大地影响上述性能的好坏。

3）零部件布置。

电动汽车零部件的布置对电动汽车的安全起着至关重要的作用，这里说的安全分为两个方面，一是保证车辆不会对人体产生危害，二是减少车辆发生故障。

纯电动汽车主要的安全隐患来自电池和高压线路。

由于电池短路、高压线路老化等问题，车辆可能会产生燃然、爆炸等，严重危害驾驶员及其乘客安全。

零部件的磨损、间隙等会使零件产生碰撞、变位等，影响车辆的正常行驶。

4）动力系统传输效率。

电池将电能传送给控制器，控制器传送给电机，电机带动变速器、传动轴、主减速器、主动转动轮驱动汽车行驶。

提高动力系统的传动效率，要合理的布置各个控制系统，比如电动机和减速器以机械方式连接，布置在原发动机舱内；整车电子控制单元ECU、电动机控制器布置在副驾驶座下方。

4.2纯电动汽车动力系统布置

纯电动汽车除了驱动电机和控制系统外，其他的装置与燃油汽车的装置差别不大，也是由离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器及传动半轴等组成。

驱动系统对汽车的机械效率、结构布置和行驶性等有重要的影响，电动汽车的驱动系统布置多样，主要有下面四种：

1）电机轴与驱动轴相互垂直的电驱动系统；

2）电机轴与驱动轴相互平行的电驱动系统；

3）电机轴与驱动轴组成整体驱动桥式的电驱动系统；

4）电动轮式的电驱动系统；

现在生活中，电动汽车主要用在市区或郊区，工况多样，它最低速度3-6km／h，最高速度可达1OOkm／h，甚至更高。

电动汽车在行驶时遇到的阻力变化非常大，有时达到六倍，力矩的变化范围不能满足需求，所以在电动机和车轮之间安装减速器或者变速箱。

这就可以满足需求，使传动装置更加简化，提高传动效率，减少能量浪费，提高工作效率。

图4.1纯电动汽车动力系统

1.转向盘2.传动装置3.电驱动4.控制系统5.差速器

结论

目前，纯电动汽车的电池问题，依然是全球都难以克服的问题。

国内使用的主要是铅酸电池、锂电池和镍氢电池。

根据了解，在标准工况下，江淮同悦电动车百公里耗电量为15kwh，而江淮同悦燃油汽车百公里耗油量为5.9升，电动车节约了将近一般的的钱。

而且，在未来的5-7年，电池的问题有望能够得到解决，届时纯电动汽车将毫无疑问的代替燃油汽车，成为人们首选的出门工具。

普通燃油带来的环境污染问题也能够得以改善，全球将进入电动汽车的新时代。

致谢

时光荏苒，岁月如梭，转眼到了毕业的季节，在即将告别大学之际，对我在本科阶段学习和生活中帮助过我的人表示感谢！

首先，要对我的毕业指导老师——徐伟君老师说声谢谢。

在撰写论文的过程中老师给了我细心地指导，不胜其烦的给我讲解我不懂得原理、公式…徐老师认真负责的态度深深折服了我，使我无论是在生活上还是在学习中，都获益匪浅。

当然，也要感谢我的父母，他们无私的奉献，给了我上大学的机会，圆了我的大学梦。

参考文献

「1」《电动汽车发展史》主编：

ErnestH．Wakefield

「2」图片来源：

google图片库；XX图片库

「3」《汽车构造》主编：

陈家瑞，机械工业出版社，2009

「4」《汽车理论》主编：

余志生，机械工业出版社，2009

「5」Wilson.China'sautoenergysavingtechnology[D].ShanghaiUniversity;08,2008

「6」DavidHuang.vehicleemissionreductionpathway[D].TsinghuaUniversity;01,2008

「7」李兴虎.电动汽车概论［J］.汽车科技,2005（10）.

「8」赵宝生.汽车优化设计理论与方法［M］.北京：

同济大学出版社，2007.

「9」刘清虎，郭孔辉,动力参数的选择对纯电动汽车性能的影响，2003

「10」李征，周荣.电动汽车驱动电机选配方法.汽车技术2007.3

「11」郭文双，中金升，徐一飞．电动汽车与燃油汽车的环境指标比较交通环保第23卷第2期2002年4月

「12」孙逢春．电动汽车发展现状及趋势．科学中国人，2006（8）：

44—47

「13」王庆年，何洪文，李幼德等．并联混合动力汽车传动系参数匹配．吉林工业大学学报。

2000，30

（1）：

72’75。

「14」　FolkessonA.ReallifetestingofaHybridPEMFuelCellBus[J].JournalofPowerSources,2003

Title：

Studyontheelectricvehiclepowertrainsystem

Author:

RenJingTutor:

XuWeijun

PolytechnicInstituteofAnhuiAgricultureUniversity09VehicleEngineeringHefei230036

Abstract

withthecontinuousdepletionandthedeteriorationoftheenvironment,peopleareconstantlylookingforaclean,environmentalprotection,efficienttravelmode,electriccarswillemergeasthetimesrequire.Itisbyvirtueofthezeroemission,lowenergyconsumptionandattractedmuchattentionandfavorofpeople.Howcanthegraduateoutputindexishigh,sellingelectriccars,needtostudyandconsiderallaspectsoftherelationship,suchastheoptimizationofthedesignparameters,selectionofpowersystemhowreasonablethevehicleaswellasintheactualuseoftheroad,whichselecttheparametersofthepowersystemisthemostimportantpartof.

Electricvehiclesandtraditionalfuelvehiclesthanup,electricvehiclehastheadvantagesoflightweight,simplestructure,powersystemandotheruniqueadvantages.Thepowersystemismainlycomposedofabatterysystem,motorsystemandvehiclemanagementsystem.Thispaperfirstunderstandthesignificanceoftheresearch,electricvehicleapplications,introducestheconceptofpowersystemofelectricvehicle,optimizationofmainparametersanddynamicsystemonpowersystemofelectricvehicle.

Keywords

optim