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1、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Graduation Design (Thesis) of Chongqing UniversityParameters Matching Design and Optimization of 2-Speed Electric Vehicle Power TrainUndergraduate: Zhao XinqingSupervisor: Prof. Qin Datong Major: Vehicle Enginee
2、ringCollege of Mechanical EngineeringChongqing UniversityJune, 2011 Error! No text of specified style in document. 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
3、，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
4、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ABSTRACTWith oil ene
5、rgy becoming more and more depleted, environmental pollution, global warming and other problems becoming more and more serious, the electric vehicle known as the green cars of 21st century has been accepted by more and more people for its benefits of no pollution, power source diversification, energ
6、y conversion efficiency, simple structure, easy maintenance, etc. Countries all over the world make electric vehicle as the trend of development of the automobile industry.In this thesis, based on the matching design of electric vehicle power train and the mission statement of graduation design, ele
7、ctric vehicle simulation model is built and the vehicle performance is analyzed. Based on the requirements of dynamic performance, the electric vehicle power train parameters are optimized to improve the driving distance. Firstly, the electric vehicle power train structure and basic layout types is
8、discussed. The theory of power train matching and design is introduced according to requirement of performance. The main components of the power train system are selected and the main parameter is matched.Based on the analysis of the motor working characteristics and vehicle driving equations, a the
9、ory to preliminarily demonstrate the electric vehicle dynamic performance and driving distance is presented. The results of testing meet design specifications.The model of battery of electric vehicle is explored. Then, synthetically using the motor working characteristics and vehicle driving equatio
10、n, vehicle simulation model for discussing the vehicle performance is built. The method used the idea of power flowing and backward-facing approach. The simulation model is used to analyze the power train designed in this thesis.As for the optimization of electric vehicle power train, genetic algori
11、thm to optimize electric vehicle power train ratios is mainly discussed. In the optimization model, the objective function is the driving distance in ECE_EUDC cycle and the constraints are dynamic performance requirements. Using genetic algorithm solver of MATLAB optimization toolbox, electric vehic
12、le power train ratios are optimized. Through optimization, the driving distance is improved by 7.71% and the testing results of dynamic performance are satisfied. Therefore, the established optimization model is validated for the optimization design of the power train parameters.Through the research
13、 on electric vehicle power train parameters optimization and simulation, this paper can provide valuable basic theory and technical reference to develop the performance requirements of the electric vehicle power train system.Key words：electric vehicle, power train , parameter matching and design, ve
14、hicle simulation model, optimizing power train ratios目 录摘 要IABSTRACTII目 录IV1绪论11.1电动汽车概述11.2电动汽车发展现状21.2.1国外发展现状21.2.2国内发展现状31.3电动汽车的关键技术41.4课题研究的背景和重要意义51.5课题研究的主要内容52电动汽车动力传动系统参数匹配设计72.1电动汽车动力传动系统参数匹配设计概述72.2电动汽车动力传动系统结构72.2.1电动汽车的基本结构72.2.2电动汽车动力传动系统布置形式82.3电动汽车动力传动系统部件选型102.3.1驱动电机选型102.3.2动力电池选
15、型122.4电动汽车动力传动系统参数匹配设计152.4.1驱动电机参数匹配设计152.4.2动力电池参数匹配设计172.4.3动力传动系传动比参数匹配设计182.5设计实例192.5.1整车参数及技术性能要求192.5.2驱动电机参数设计202.5.3动力电池参数设计202.5.4动力传动系统传动比参数设计202.6本章小结213电动汽车动力性、续驶里程初步验证223.1驱动电机工作特性分析223.2电动汽车行驶方程243.2.1电动汽车的驱动力243.2.2电动汽车的行驶阻力253.3电动汽车动力性分析273.3.1电动汽车最高行驶车速分析273.3.2电动汽车爬坡性分析283.3.3电动汽
16、车加速性分析293.4电动汽车续驶里程分析303.4.1等速行驶续驶里程分析313.4.2循环工况行驶续驶里程分析333.5本章小结364电动汽车整车性能建模仿真374.1动力电池工作特性分析374.1.1锂离子电池内阻模型374.1.2锂离子电池荷电状态394.1.3锂离子电池电动势分析404.1.4锂离子电池仿真流程424.2整车性能建模仿真424.2.1循环工况速度特性434.2.2整车性能仿真流程434.2.3仿真结果分析444.3基于ADVISOR的电动汽车性能仿真474.3.1ADVISOR简述474.3.2建立电动汽车整车模型494.3.3仿真结果比较524.4本章小结545电动
17、汽车动力传动系统参数优化555.1电动汽车续驶里程影响因素分析555.1.1整车质量555.1.2滚动阻力系数565.1.3空气阻力系数575.1.4传动系传动比585.2基于遗传算法的动力传动系统优化615.2.1遗传算法概述615.2.2基于遗传算法的动力传动系统优化模型615.2.3基于遗传算法的动力传动系统优化结果645.3传动系传动比优化前后整车性能比较655.3.1最高行驶车速比较665.3.2最大爬坡度比较675.3.3加速性比较675.3.4循环工况动力电池荷电状态比较685.4本章小结696结论70参考文献71致 谢7375Error! No text of specifie
18、d style in document. Error! No text of specified style in document. 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
19、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（Electric Vehicle，EV）、混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）和燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）三大类。其中纯电动汽车也称为电池电动汽车（Battery Electric Vehicle，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
20、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
21、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）、Freedom CAR计划（自由车计划）、EV电池利用研
22、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GM EV1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
23、混合动力样车，并在此基础上推出了混合动力概念车GM Precept、Ford Prodigy、Daimler Chrysler Dodge ESX3。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
24、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Crown Majesta EV，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
25、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
26、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
27、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
28、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
29、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
30、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
31、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
32、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
33、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
34、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
35、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
36、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
37、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、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成；能量子系统由主电源、能量管理系统和充电系统组成；辅助子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。在图中，双线表示机械连接，粗线表示电器连接，细线表示控制信号连接
38、，线上的箭头表示电功率和控制信号流动的方向7。图 21 电动汽车基本结构2.2.2 电动汽车动力传动系统布置形式根据采用不同的电力驱动系统可以把电动汽车动力传动系统布置形式分为如下六种类型（如图2-2所示）。第一种类型如图2-2（1）所示。从发动机前置前轮驱动的内燃机车发展而来，其由电动机、离合器、变速器、差速器组成，离合器是用来切断或接通驱动电机到车轮之间动力传递的机械装置，变速器是一套具有不同传动比的齿轮机构，驾驶员可以选择不同的传动比，把转矩传给车轮。在低速档时，车轮获得大转矩低转速；在高档行驶时，车轮获得小转矩高转速。汽车在转弯时，内侧车轮的转弯半径小，外侧车轮的转弯半径大，差速器使内
39、外车轮以不同转速行驶。第二种类型如图2-2（2）所示。与上种类型相比，采用固定速比的减速器，去掉离合器，减少机械传动装置的质量并缩小其体积。第三种类型如图2-2（3）所示。这种结构与发动机横向前置、前轮驱动的内燃机汽车布置形式类似，该类型把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮，这种结构在小型电动汽车上比较普遍。图 22电动汽车动力传动系统布置形式第四种类型如图2-2（4）所示，为双电动机结构，采用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱动两个车轮，每个电动机的转速可以独立地调节控制，便于实现电子差速，因此，电动汽车不必选用机械差速器。第五种类型如图2-2（5）所示。电
40、动汽车采用轮毂电机，即电动机装在车轮里面，可以进一步缩短电动机到车轮的传递路径。为了将电动机转速降低到理想的车轮转速，可以采用固定减速比的行星齿轮变速器，能够提供大的加速比，而且输入和输出轴可布置在同一轴线上。第六种类型如图2-2（6）所示，是另一种使用轮毂电机的电动汽车结构，这种结构采用低速外转子电动机，彻底去掉了机械减速齿轮箱，电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上，车轮转速和电动汽车的车速控制完全取决于电动汽车的转速控制。本文采用第一种类型的基本结构，采用两档自动变速器，取消离合器，通过驱动电机控制实现无离合器自动换挡。2.3 电动汽车动力传动系统部件选型2.3.1 驱动电机选型2.3.1
41、.1 电动汽车对驱动电机的要求驱动电机是电动汽车的心脏，它的任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，并在制动时将车轮上的动能回收到蓄电池中。对于现代电动汽车而言，驱动电机需要满足以下一些基本要求8：1） 高功率密度和高瞬时输出功率；2） 在电动汽车低速或者爬坡时，能够提供低速大转矩输出，高速时能为巡航提供高速低转矩特性；3） 具有宽调速范围，包括恒转矩区和恒功率区；4） 转矩响应快速；5） 在较宽的转速和转矩工作区内，保持较高能量效率6） 再生制动时，可实现高的能量回收效率；7） 驱动电机需要适应汽车上空间小、高温及振动频繁等恶劣环境；8） 价格合理。目前用于电动汽车的
42、驱动电机种类有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机或开关磁阻电动机等。2.3.1.2 直流电动机习惯上，我们把有换向器的直流电动机称为直流电动机，由于励磁绕组的磁场与电枢绕组的磁场是垂直分布的，因而控制原理非常简单。通过用永磁材料代替直流电动机的励磁绕组，可以有效地利用径向空间，从而可使电动机的定子直径大大减小。并且直流电动机具有成本最低、易于平滑调速、技术成熟等优点，串励、并励、他励和永磁等各种直流电动机在电动汽车上都有应用。直流电动机的主要问题是，由于有换向器和电刷，使得其可靠性降低，且需要定期维护。2.3.1.3 感应电动机由于感应电动机具有效率高、结构简单、体积小、重量轻、可靠性高及
43、免维护等特性，因而在电动汽车无换向驱动电机领域里具有广泛应用前景。但传统的变频变压（VVVF）控制技术，不能使感应电动机满足所要求的驱动性能。主要原因在于其动态模型的非线性。采用矢量控制（FOC）法控制感应电动机可以克服由于其非线性带来的控制难度。不过，采用矢量控制的电动汽车感应电动机在轻载及有限的恒功率工作区内运行时效率低。2.3.1.4 永磁无刷电动机在现代驱动电机的发展中，永磁无刷电动机是目前最有前景和应用最为广泛的驱动电机之一。应用于电动汽车的永磁无刷电动机具有以下几个独特的优点：1） 由于采用了高磁能积的稀土材料，因此可以大大提高气隙磁通密度和能量转换的效率。采用稀土永磁材料后，电动
44、机的体积可以大大缩小，重量可以相应较小，从而有效提高了功率密度。2） 采用了高性能的永磁材料，体积得以减小，从而有较低的转动惯量、更快的响应速度。3） 由于取消了传统的电刷和换向器，因此无需更换这些部件，维修更加简单。4） 采用电子功率器件作为换向器装置，控制更加灵活；另外，传感器检测的信号都可以传递到控制器，而控制参数则可以直接指示开关器件的导通。因此，可调参数多，控制的灵活度也得以提高。总体言之，永磁无刷电动机驱动灵活、可控性强，在电动汽车的应用上前景光明。2.3.1.5 开关磁阻电动机开关磁阻电动机具有结构简单，制造成本低廉，转矩/转速特性好等优点，可以作为电动汽车的驱动电机。开关磁阻电
45、动机应用于电动汽车上具有很大的潜力。但由于其磁极端部的严重磁饱以及磁极和沟槽的边缘效应，使其设计和控制非常困难和精细。2.3.1.6 驱动电机选型采用数字评分的方法比较上述几种驱动电机的性能，主要对电动机六个方面的性能加以评价，每个性能分为15分，表2-1列出了比较结果7。从表中可以看出永磁无刷电动机非常具有竞争力。因此在本课题中选用永磁无刷电动机为电动汽车的驱动电机。表 21 各种驱动电机性能比较直流电动机感应电动机永磁无刷电动机开关磁阻电动机功率密度2.53.553.5效率2.53.553.5可控制性5443可靠性3545成熟性5544成本4534综合222625232.3.2 动力电池选
46、型2.3.2.1 电动汽车对动力电池的要求动力电池为电动汽车的驱动电机提供电能，是电动汽车的重要组成部分。现代电动汽车的发展和推广所考虑的动力电池应满足以下几方面的要求7：1） 高能量和能量密度；2） 高功率和功率密度；3） 快速充电和深度放电的能力；4） 可循环使用，寿命长；5） 高充电和放电效率；6） 安全性能高且成本合理；7） 免维护；8） 环保且可以回收；9） 能与汽车工程有机结合。目前用于电动汽车的动力电池有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等。但均未完全达到以上要求。以下逐个分析几种常用动力电池的特性。2.3.2.2 铅酸电池铅酸电池是最为常用的车用动力电池，已有150年的历史，可算是
47、人类历史上的一个伟大发明。铅酸电池的优点是放电时电动势较稳定、成本售价低廉、使用温度及电流范围宽、储存性能好，因此能应用于电动汽车2。但该类电池当前存在的主要问题是一次充电的续驶里程短，一般约在3040km；充电时间长，即使快速充电也要46小时，且比能量（单位重量所蓄电能）小，寿命短，对环境腐蚀性强6。作为第一代动力电池的铅酸电池终将要退出历史舞台。2.3.2.3 镍氢电池镍氢电池是目前人们看好的第二代动力电池之一，具有高的能量密度和功率密度。并且镍氢电池放电特性平稳，放电曲线非常平滑，发热量小，这些是其选作电动汽车动力电池的依据。但镍氢电池具有较高的自放电效应，约为每月30%或更多，这也是制约其在车辆上广泛应用的瓶颈。并且电池中含有大量的镍和钴元素，大批量生产和使用时价格不会下降反而上升，因而其应用前景受到