江淮纯电动汽车动力系统的研究要点.pdf

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1、江淮纯电动汽车动力系统研究第 1 页 共 13 页 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

2、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

3、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

4、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。 江淮纯电动汽车动力系统研究第 2 页 共 13 页 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

5、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

6、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。 江淮纯电动汽车动力系统研究第 3 页 共 13 页 1932-1939 年之间，苏格兰商人RobertAderson 研发出电动车。

7、 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 Robert Davidsson 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

8、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

9、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

10、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。 江淮纯电动汽车动力系统研究第 4 页 共 13 页 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。

11、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

12、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。 江淮纯电动汽车动力系统研究第 5

13、 页 共 13 页 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

14、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 车载充 电器 主电源 动力电池 能量管 理系统 主控制 系统 辅助控 制系统 驱动 电机 辅助 能源 控制 器 驱整 动 传动 系统 驱动机 加速踏板 信号器 制动踏板 信号器 江淮纯电动汽车动力系统研究第 6 页 共 13 页 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

15、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， 2 dmax nmax T 1C *A*U P =*mgf+*U 360021.15 （1）4 式中： Pn为电机输出功率， KW ； T 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 ； dC 为风阻系数：取 0.25 ； A为车辆迎风面积：取 2.30 ； max U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

16、 根据已选取的额定功率来确定最大功率 max P=P * 额 （2）11 式中： max P为电动机的最大功率； P额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

17、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 8000 r/min 。 江淮纯电动汽车动力系统研究第 7 页 共 13 页 maxmax max T *n1T*nPT*n P =*=* 95509550P9550 额额额额额 额 (3) 11 上式中：P额为电动机的额定功率， kw； max P为电动机的最大功率， kw； T额为电动

18、机的额定转矩， N m ； max T为电动机的最大转矩， Nm ； n额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42.4 N m ，电动机的最大转矩为 127.2 N 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

19、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。 max 0 max 0.377*n*r i U （4）4 由上式可计算出 0 i9.2 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。 max 0 max * * T Fr i T （5）4 2 D max =m*g*f+ 21.15 C *A*n F（6）4 由上式可计算出 0 i1.4 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 max 0 max * 2* a F r i T （7）4 max cossin a

20、 Fmgfmg（8）4 由上式可以计算出 0 i8.3 江淮纯电动汽车动力系统研究第 8 页 共 13 页 综合上面三个计算数据，选取传动系的传动比 0 i8.5 。 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

21、动力电池输出电压的关系。 max 0max min 1000 o P I U （9）14 上式中， max P为电动机最大功率； mino U为电池组最低输出电压。 根据上式可得： max 0min 0max 1000 o P UU I （10）14 式中， 0 U 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 0 U =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 0 U =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： U*C = 1000

22、 W 平 实 （11）14 上式中， W实为电池组的实际能量， kwh； C为单位电池容量， Ah； U平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： 江淮纯电动汽车动力系统研究第 9 页 共 13 页 2 D T C AV1 P=mgf+*V 360021.15 匀 匀 （12）14 S W=P*t=P* V匀 其中， P为电动机匀速行驶时的功率；

23、 V匀为汽车匀速行驶时的速度； W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； S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，W实W（13） 电动汽车的实际行驶里程为 V S=U*C* P 匀 平 （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

24、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

25、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 江淮纯电动汽车动力系统研究第 10 页 共 13 页 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

26、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

27、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3-6 km 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。 江淮纯电动汽车动力系统研究第 11

28、页 共 13 页 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

29、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。 江淮纯电动汽车动力系统研究第 12 页 共 13 页 参考文献 1 电动汽车发展史主编： ErnestHWakefield 2图片来源： google 图片库 ；百度图片库 3 汽车构造主编：陈家瑞，机械工业出版社， 2009 4

30、 汽车理论主编：余志生，机械工业出版社， 2009 5Wilson. Chinas auto energy saving technology D. Shanghai University; 08, 2008 6 David Huang. vehicle emission reduction pathway D.Tsinghua University; 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

31、，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) ：4447 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) ：7275。 14Folkesson A. Real life testing of a Hybrid PEM Fuel CellBus J . Journal of Power Sources , 2003 江淮纯电动汽车动力系统研究第 13 页 共 13 页

32、 Title ：Study on the electric vehicle powertrain system Author: Ren Jing Tutor: Xu Weijun Polytechnic Institute of Anhui Agriculture University 09 Vehicle Engineering Hefei 230036 Abstract with the continuous depletion and the deterioration of the environment, people are constantly looking for a cle

33、an, environmental protection, efficient travel mode, electric cars will emerge as the times require. It is by virtue of the zero emission, low energy consumption and attracted much attention and favor of people. How can the graduate output index is high, selling electric cars, need to study and cons

34、ider all aspects of the relationship, such as the optimization of the design parameters, selection of power system how reasonable the vehicle as well as in the actual use of the road, which select the parameters of the power system is the most important part of. Electric vehicles and traditional fue

35、l vehicles than up, electric vehicle has the advantages of light weight, simple structure, power system and other unique advantages. The power system is mainly composed of a battery system, motor system and vehicle management system. This paper first understand the significance of the research, electric vehicle applications, introduces the concept of power system of electric vehicle, optimization of main parameters and dynamic system on power system of electric vehicle. Keywords optimizing the parameters of electric vehicle power system