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运用开关磁阻电机的电动汽车可以进行制动能量回收吗?如果能的话,在制动时,开关磁阻电机驶如何回收制动能量的,工作过程是什么?
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可以实现制动能量回收的.开关磁阻也好,永磁同步也好,都能实现,道理一样.由于电机运转,线圈在阻碍磁通变化的方向上发生电动势.该方向与使电机旋转而流动的电流方向相反,称为逆电动势.逆电动势随着转速的增加而上升.由于转速增加,原来使电机旋转而流动的电流,其流动阻力加大,最后达到某一转速,就不能再向上超出.所以,制动时通过电机的电流被切断,代之而发生逆电动势.从而实现制动能量回收.
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电动汽车制动能量回收系统
&&制动能量回收
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密级：――分类号： 幽盟：！！单位代码：―塑呈量９学号：Ｑ些避１２）嫂∞仑肥工学火警硕士学位论文。论文题目：电动轿车总体设计与性能仿真研究学位类别： 学科专业：堂堕堡主车辆工程 王泽平（工程领域）作者姓名： 导师姓名： 完成时间：茎塞奎副麴撞２００７年５月一电动轿车总体设计与性能仿真研究 摘要电动汽车（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ，简称ＥＶ）是当前解决能源短缺和环境污染 问题可行的技术之一。电动汽车是由车载动力电池作为能量源的零排放汽车。 近些年来，电动汽车的研制热潮在全世界范围内兴起，逐步向小批量商业化生 产的方向发展。电动汽车技术的发展依赖于多学科技术的进步，尤其需要解决 的问题是进一步提高动力性能，增加续驶里程，降低成本。考虑开发经费和开 发周期，建立计算机仿真模型对电动汽车的性能进行仿真分析是有意义的。 本文基于某燃油微型轿车进行改装，研究整车驱动形式，整车总布置方案。 对整车动力学匹配计算，主要部件的参数设计。按照动力性能要求，运用汽车 理论、电动机和电池相关知识，对电动机的功率、传动比，蓄电池进行主要参 数设计与匹配计算。建立整车行驶动力学、电动机、车轮、蓄电池以及整车的 仿真模型。对电动轿车的动力性能与续驶里程进行仿真分析。并在此基础上， 分析了影响电动轿车动力性能与续驶里程的因素。最后，对电动轿车的动力蓄 电池放电试验和整车动力性能的试验进行初步分析研究。整车动力性能试验结 果与仿真结果进行比较，验证了仿真模型的合理性以及总体设计的可行性。关键词：电动汽车总体设计参数匹配仿真分析续驶里程Ｏｖｅｒａｌｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＶｅｈｉｃｌｅＡｂｓｔｒａｃｔＥｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓｓｏｕｒｃｅ’ｓｏｎｅｏｆ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｗａｙｓｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙｌａｃｋ ａｎｄ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｗｈｏｓｅｏｎｅｎｅｒｇｙｉｓｐｏｗｅｒ ｂａｔｔｅｒｙ ｌｏａｄｅｄｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓａｋｉｎｄ ｏｆｚｅｒｏｅｍｉｓｓｉｏｎ ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｔｈｅ ｕｐｓｕｒｇｅ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｒｉｓｉｎｇ ａｌｌ ＯＶｅｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｏｗｏｒｌｄ，ａｎｄｔｈｅ ｓｍａｌｌ ａｍｏｕｎｔ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ．Ｔｈｅｏｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｒｅｌｙｉｎｇｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌｓｕｂｊｅｃｔｓ． ｒａｎｇｅＥｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｆｕｒｔｈｅｒ ｒａｉｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇ ｃｏｓｔ ｆｉｌｅ ｖｅｒｙｎｅｃｅｓｓａｒｙ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｕｎｄｓ ａｎｄ ｔｉｍｅｓ，ｌ珊ｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒａｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓ ｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓｂｅｔｔｅｒ ｗａｙ．Ｏｉｌ ｏｎｅＴｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒｆｏｒｍ ａｎｄｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｅｆｍｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｕｃｈ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｓ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｍｏｔｏｒｃａｎｂｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆａｎｄｂａｔｔｅｒｙ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒｃａｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ：ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｔｈｅｒａｔｉｏ，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ａｌｓｏｂｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ ｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌ，ｗｈｅｅｌ ｍｏｄｅｌ，ｍｏｔｏｒｍｏｄｅｌ，ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｄｅｌａａｎｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ ａｒｅＳＯｂｕｉｌｔ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂａｔｔｅｒｙａｒｃｎｅｅｄｓｌｏｔ ｏｆ ｔｅＳｔ ｄａｔａ ｏｆｂａｔｔｅｒｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒｅｏｎｂａｔｔｅｒｙ ａｎｄ ｔｈｅｅｘｅｃｕｔｅｄ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｒｉｖｉｎｇ ｒａｎｇｅ ａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ａｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ Ｖｅｒｉｆｌｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＯｖｅｒａｌｌＤｅｓｉｇｎＰａｒａｍｅｔｅｒｓＭａｔｃｈｉｎｇＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＡｎａｌｙｓｉｓＤｒｉｖｉｎｇ Ｒａｎｇｅ插图清单图卜１典型电动汽车的基本结构…………………………………………………６ 图２－１机械驱动布置形式结构简图? 图２―２机电集成化驱动布置形式结构简图……………………………………”１２ 图２－３机电一体化驱动布置形式结构简图……………………………………”１２ 图２－４轮毂电机驱动布置形式结构简图………………………………………”１３图２－５牵引电机的转矩转速特性………………………………………………一１５图２－６电动汽车的能量传递图…………………………………………………”１９ 图２－７汽车行驶过程中受力示意图……………………………………………“１９ 图２－８典型布置形式１．．…………………………………………………………”２６ 图２－９典型布置形式２……………………………………………………………２６ 图２－１０典型布置形式３……………………………………………………………２７图２－１ １典型布置形式４……………………………………………………………２７图２－１２整车布置简图……………“ 图３－１车辆行驶动力学仿真模型……………………… 图３－２车轮仿真模型………………………………………………………………３２ 图３―３无刷直流电动机等效电路图……………………………………………”３４图３－４电动机仿真模型…………………………………………………………??３５图３―５电池等效电路……………………………………………………………“３６图３―６铅酸电池的内阻与Ｓ０ｃ的关系……………………………………………３８图３－７蓄电池仿真模型…………………………………………………………一３９ 图３―８电流计算模型……………………………………………………………“３９图３－９ＳＯＣ计算模型……………………………………………………………“３９图３－１０整车仿真模型……………………………………………………………?４０图４－Ｉ后向仿真结构图…………… 图４－２前向仿真结构图…………………………………………………………”４２图４－３仿真数据流程图……………………………………………………………４３ 图４－４最高车速与加速时间程序流程图…………………………………………４４ 图４－５最大爬坡度程序流程图……………………………………………………４４ 围４－６加速时间曲线………………………………………………………………４５ 图４－７爬坡度曲线…………………………………………………………………４５图４－８ 图４―９ 图４－１０ 图４―１１ＵＤＤＳ工况车速………………………………………………………………４６ ＵＤＤＳ工况ＳＯＣ变化…………………………………………………………?４６ＵＤＤＳ工况电流变化………………………………………………………?４６ＵＤＤＳ工况电动机功率……………………………………………………?４６图４－１２ 图４－１３ 图４－１４ 图４－１５图４－１６１０１５Ｉ况车速…………………?１０１５…………………………………４７ －……?????…?…?……?????????????４７Ｉ况Ｓ０ｃ变化……………?１０１５Ｉ况电流变化………………………………………………………?４７１０１５工况电动机功率………“ＨＷＦＥＴ工况车速……………………………………………………………４８ ＨＷＦＥＴ工况Ｓ０ｃ变化………………………………………………………４８ ＨＷＦＥＴ工况电流变化……………………………………………………??４８ ＨＷＦＥＴ工况电动机功率…………………………………………………”４８ 续驶里程仿真程序流程图… 等速法续驶里程仿真结果一ｔ?５０图４－１７ 图４－１８ 图４－１９ 图４―２０ 图４―２ｌ 图４－２２ 图４－２３ 图４－２４ 图４―２５ 图４－２６ 图４―２７ 图４－２８ 图５－１ 图５－２ 图５－３ 图５－４ 图５－５ 图５－６ 图５－７ＥＣＥ道路工况的市区路况…………………………………………………５０ 加速时间与整车质量的关系曲线………………………………………?５１ 爬坡度与整车质量的关系曲线…………………………………………?５１ 续驶里程与整车质量的关系曲线………………………………………?５２ 续驶里程与蓄电池容量的关系曲线……………………………………?５３ 续驶里程与滚动阻力系数的关系曲线…………………………………?５３ 续驶里程与空气阻力系数的关系曲线…………………………………?５４ 蓄电池放电试验电路图…………………………………………………“５５ 铅酸电池电压与放电时间关系…………………………………………??５７ 电压随Ｓｏｃ变化关系………………………………………………………５７ 试验仪器 光电头安装支架示意图……………………………………………………６１ 试验车辆与光电头安装示意图： 试验仪器操作框图………………………………………………………??６２表格清单表１一ｌ世界著名汽车制造厂开发的电动汽车……………………………………３ 表１－２我国自主研发的纯电动汽车ｒ………………………………………………５ 表２一ｌ各种电动机的性能比较…………ｒ………………………………………?１５ 表２－２常用电池的主要性能参数………………………………………………”１６ 表２－３原微型轿车的相关参数与性能…………………………………………“１７ 表２―４电动轿车动力传动系统的参数……… 表２－５整车基本参数………………………………………………………～…”２８ 表４－１整车仿真基本参数…………………………………………………………４３ 表４－２电池模型输入参数…………………………………………………………４３ 表４－３电动机模型输入参数………………………………………………………４４ 表４－４动力性能仿真结果…………………………………………………………４５ 表４－５三种循环工况数据表………………………………………………………４５ 表４－６等速法续驶里程仿真结果………………………表４－７ 表４－８ＥＣＥ道路工况数据表………………………………………………………”５０ ＥＣＥ道路工况续驶里程仿真结果…………………………………………一５０表４－９攘车质量对加速性能的影响………………………………………………５ｌ 表４一１０整车质量对爬坡性能的影响……………………………………………”５１ 表４一１１ 以６０ｋｍ／ｈ等速行驶不同负载质量下的续驶里程………………………?５２ 表４―１２以６０ｋｍ／ｈ等速行驶不同蓄电池容量下的续驶里程……………………?５２ 表４－１３以６０ｋｍ／ｈ等速行驶不同滚动阻力系数下的续驶里程…………………?５４ 表４―１４以６０ｋｍ／ｈ等速行驶不同滚动阻力系数下的续驶里程…………………?５４ 表５一ｌ蓄电池放电测试数据………………………………………………………５６ 表５－２最高车速试验数据………………………………………………………”６３ 表５－３加速时间试验数据………………………………独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金目Ｂ王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学做僦名：参：青年…期叩占月岁日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盒目ｌ王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权―金 匿王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名多ｌ本耳ｌ…名：夕生签字日期：乒口，７年ｆ月，；日电话： 邮编：签字日期．沙７年６月；日学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址：致谢光阴似箭，三年的研究生学习即将结束。在此论文完成之际，对在我的研 究生学习阶段给予我学习和生活上关心和帮助的人表示衷心的感谢。首先，向我尊敬的导师――尹安东副教授致以崇高的敬意和衷心的感谢。在研究生学习和学位论文撰写期间，导师给予了我悉心的指导，倾注了大量的心血。不仅在 学习上，在生活中尹老师也给予了无微不至的关怀和无私的帮助。尹老师严谨 求实的科学态度使我受益匪浅，成为我今后工作学习中的宝贵财富。对此，我再一次向尹老师表示诚挚的祝福。感谢车辆与交通工程系张代胜、王启瑞、孙骏、张炳力、谭继锦、徐建忠、 王荣贵、杨伟华、温千虹等老师的指导。 感谢安凯汽车股份有限公司的领导在我实习期间的关怀。 感谢我的同学于霞、潘震、唐鹏等在我论文完成期间给予的帮助。 最后感谢我的父母和亲人，感谢他们多年来对我无微不至的关怀，感谢他 们对我精神和物质上的支持，感谢他们为我无私奉献的一切。作者：王泽平２００７年５月第一章绪论１．１研究背景与意义 汽车自诞生起已有１００多年的历史，其发展速度不断加快，已成为人们生 活中不可缺少的工具。目前，世界上各种汽车的保有量超过７亿，试想如果这 些车辆都采用内燃机，那么所需要的燃油将从何而来？而其排放的废气又将如 何处理？目前，每年新生产的各种汽车约５０００万辆，按平均每辆汽车年消耗 １０－１５桶石油制品计算，汽车的石油消耗量每年达到８０―１００亿桶，约占世界石 油产量的一半以上。石油资源的开采每年达到几十亿吨，经过长时期的现代化 大规模地开采，石油资源日渐枯竭，按科学家预测，地球上的石油资源如果按 耳前的消耗水平，石油资源仅仅可以维持６０－１００年。２１世纪以来，石油价格的 上涨已对世界经济的发展形成巨大的威胁，人类将面临更加严峻的石油资源的 危机和挑战。从２０００年到２００４年，中国进口原油从７０００万吨增至１．２亿吨， 并呈逐年加大的趋势，预计２０１０年中的石油总需求量将达到３．５亿一３．８亿吨， 而石油进口依存度将达５１．４％－５２．６％。据估计汽车排入大气的Ｃ０２已达到Ｃ０２排 放总量的１６．９％，汽车排放的ＣＯ、ＮＯｘ、ＳＯｘ、Ｈｃ等有害气体危及人的生命，对 人体造成伤害。在中国，由于技术水平和汽车排放标准的不规范，由汽车排放 导致的污染更甚。因此，开发清洁、高效、智能的交通车辆，才能使２１世纪的 交通可持续发展，也是解决能源紧张和环境污染的有效途径““”。电动汽车的优 势表现为：良好的环境保护效果，噪声低，热效率高，排放的废热少，可回收 利用的能量多，可以改善能源结构、解决汽车的替代能源问题。但也存在续驶 里程短，载重量小，制造成本高等不足。 由于电动汽车具有解决以上两个问题的优势，特别是在环境保护方面的优 势，使得电动汽车的开发与研究得到了各个国家、各个汽车制造商的高度重视。 由于电动汽车涉及多学科，技术含量较高，设计制造复杂，所以开发周期长， 开发成本高。建立计算机仿真模型，对电动汽车的性能进行仿真分析是解决开 发周期和开发成本的有效途径。 １．２电动汽车发展概述 世界上第一台电动汽车诞生于１８３４年，它是由苏格兰人德文博特（Ｔｈｏｍａｓ Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ）发明的，比１８８３年诞生的第一台内燃机汽车还要早半个世纪。第 一台可以反复充电的电动汽车是法国人乔伍（Ｍ．Ｇｕｓｔａｖｅ Ｔｒｏｕｖｅ）发明的伽。 电动汽车的发展历程经历了三次发展浪潮。第一次浪潮：１８８５―１９１５年进入 电动汽车发展的早期黄金时代。早期电动汽车的商业生产在１９１２年达到高潮，当时美国就有３００多家企业生产电动汽车。１８９９年，美国生产的电动汽车共１５７５ 辆，而此时内燃机汽车生产只有９３６辆。同年电动汽车还以１０６ｋｍ／ｈ的速度打 破了当时汽车最高车速的世界纪录。随后，由于电池技术的限制，电动汽车续 驶里程短、充电时间长、使用不方便的难题在当时的技术条件下，还无法很好 的解决。而在这段时间里，内燃机技术却发展非常迅猛，再加上１９世纪末２０ 世纪初发现了大量的油田，电动汽车被动力性能较好的内燃机汽车完全取代退 出了历史舞台。第二次浪潮：直到上世纪７０年代，两次石油危机和中东战争以 及地球的生态环境的不断恶化，使得节能和环保成为汽车发展的两大主题。汽 车作为石油消耗品首当其冲地成为节能的主要力量。降低燃油消耗、开发零排 放或超低排放的汽车成为当时各国汽车工业共同研究的课题。美国Ｃｏｍｕｔａ公司 １９７８年再次投放市场的二人座Ｃｏｍｕｔａ电动汽车，正是这个时代的产物。第三次 浪潮：上世纪８０年代初美国加利福尼亚州立法强制推行零排放政策以来，世界 上很快又兴起了一场电动汽车的研究开发热潮，所涉及的领域包括车辆、机械、 电子、新材料、加工、能源等各个方面，内容十分广泛。世界发达国家以及国 外著名汽车公司都十分重视电动汽车的研究和开发，不惜投入大量资金，并取 得了一些重大的成果和进展”１。 １．２．１国外概况 美国和日本的电动汽车研究处于世界的领先地位。表１－１列出了世界著名汽车制造厂开发的电动汽车及其技术性能…１。美国早在１９９３年，克林顿政府就设立了ＰＮＧＶ（ＴｈｅＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ ｆｏｒａＮｅｗＶｅｈｉｃｌｅ），由美国政府与三大汽车公司（克莱斯勒、．福特和通ＣＡＲ（Ｆｒｅｅｄｏｍ Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）用）合作实施，目的在推动美国汽车技术革命，开发新一代汽车。２００２年９月 布什政府制定了Ｆｒｅｅｄｏｍ 计划，用于取代ＰＮＧＶ计划的新的国家及私营合作的研究发展计划。在美国大汽 车销售厂商制造的电动汽车有通用ＥＶＩ以及Ｓ１０＿Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（皮卡）、福特突击队员ＥＶ（皮卡）、戴姆勒一克莱斯勒ＥＰＩＣ（微型面包车）等。戴姆勒一克莱斯勒公司开发的“新电力车四代”续驶里程已经达到４５０ｋｍ。通用公司批量生产的 Ｉｍｐａｃｔ电动汽车采用了复合材料和轻铝合金构件、低弹滞后橡胶、薄胎面轮胎 等新材料、新技术，一次充电最大续驶里程可达１９６ｋｍ。 日本汽车保有量居世界第二，石油几乎全部依靠进口。因此日本政府十分 重视电动汽车的研发。早在２０世纪７０年代就注意了电动车辆的研究和开发， 组织了各大汽车公司先后研发了多种Ｅｖ、ＦＣＥＶ和ＨＥＹ，在世界上处于领先地位。２表卜１世界著名汽车制造厂开发的电动汽车 车型 标致．雪铁龙Ｐ１０６ＳＡＸ０，４整车参数 整车整备质量 １０８８ｋｇ，满载质量１３８８ｋｇ蓄电池 镍一铬电池，１００丸ｈ，电动机 直流他励电性能参数 最高车速９０ｋｍ／ｈ，动机，２０肼最大爬坡度２７％， 续驶里程８５ｋｉｎ（欧洲工况）／７６ｋｍ（市 区）座轿车电压１２０ｖ通用ＥＶＩ，２座 轿车整车整备质量 １３５０ｋｇ，满载质量１５５０ｋｇ铅酸电池，５５Ａ．ｈ。交流感应电 动机最高车速１２０ｋｍ／ｈ，续驶里 程１４４ｋｍ（公路）， １２０ｋｍ（市区）电压３１２Ｖ通用ｓ－１０，２ 座载货汽车４５４６Ｘ １７２２Ｘ １５５０。铅酸电池，５５Ａ．ｈ，交流感应电最高车速５０ ｋｍ／ｈ，最大爬坡度 １５％，续驶里程８０ｋｍ整车整备质量 １３５０ｋｇ，满载质量１５５０ｋｇ动机电压３１２Ｖ福特Ｒａｎｇａｒ， ２座载货汽车整车整备质量 ２１２５ｋｇ，满载质量２４５５ｋｇ铅酸电池，７４Ａ．ｈ。交流感应电 动机最高车速１２０ｋｍ／ｈ，续驶里 程８０ｋｍ电压３１２Ｖ 镍氢电池， 电压３６０Ｖ 交流感应电 动机克莱斯勒 ＥＰＩＣ，４门面 包车整车整备质量 ２３１８ｋｇ，满载质量２６８２ｋｇ最高车速１２８ｋｍ／ｈ，续驶里 程１２８ｋｉｎ（ＳＡＥＪ一１６３４）丰田ＩｃＡＶ一４，５ 座轿车３９８０×１６９５×１６７５．镍氢电池，９５Ａ．ｈ，永磁同步电 动机最高车速整车整备质量 １５４０ｋｇ，满载质量１８１５ｋｇ２１５ｋｍ／ｈ，最大爬电压２８８Ｖ坡度２８％，续驶里程１２５ｋｍ（１０－１５ 工况）本田Ｐｌｕｓ，４ 座轿车４０４５×１７５０Ｘ １６３０。镍氢电池，９５Ａ．ｈ。永磁同步电 动机最高车速整车整备质量 １６２０ｋｇ，满载质量１８４０ｋｇ１３０ｋｍ／ｈ，最大爬 坡度３０％，，续驶里 程２２０ｋｍ（１０―１５ 工况）电压２８８Ｖ日产Ａｌｔｒａ ＥｖＺ，４座轿车４２６０Ｘ １７６５×１６９７，锂离子电池， 电压３３６ｖ永磁同步电 动机最高车速整车整备质量１９３ｋｍ／ｈ，续驶里 程１９３ｌ【ｍ（１０－１５ 工况）１７０４ｋｇ，满载质量２０００ｋｇ３日本电动汽车的研发计划有低公害车开发普及计划、ＪＨＦｃ示范工程（计划） 和专项研究计划等。丰田公司生产的ＰＡＶ４－ＥＶ，采用镍氢电池，一次充电可行驶 ２００ｌ（ｍ，最高车速可达１２５ｋｍ／ｈ。尼桑汽车公司生产的Ａｌｔｒａ－ＥＶ采用尼桑公司自 己开发的锂离子电池，可反复充电１２００次，一次充电行驶里程达１２４ｋｍ。 为了提高欧盟各国的科学技术水平，增强欧盟各国工业的竞争力，欧盟在 制订统一的研究计划的同时，各国也可以制订自己的相关国家研究计划。与电 动汽车及其能源相关的发展计划主要有：ＦＰ（Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅ）系列计划、 欧盟燃料电池研究发展示范计划Ｒ＆ＤＤ（Ｒｅｓｅａｒｃｈ 盟燃料电池巴士示范计划ｃＵＴＥ（ＣｌｅａｎＳｙｓｔｅｍｓ）计划等。Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄＤｅｓｉｇｎ）、欧Ｕｒｂａｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｆｏｒＥｕｒｏｐｅ）和欧洲Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ电动汽车城市运输系统ＥＬＣＩＤＩＳ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ Ｃｉｔｙ１．２．２国内概况 “九五”期间，国家为了推进电动汽车的开发，先后投入了１亿多元资金， 为国家发展电动汽车奠定了基础，并在广东汕头成立了国家电动汽车运行试验 示范区。２００１年５月，东风汽车公司与几所大学合资成立了电动汽车公司，这 是国家批准在中国建立的首家电动汽车研究基地。国家科技部制定了“十五” 国家８６３计划电动汽车重大专项，８６３计划电动汽车专项计划总投资８．８亿人民 币。８６３计划中，设立了电动汽车重大专项，选择新一代电动汽车技术作为我国 汽车工业自主创新和科技创新的主攻方向，组织汽车企业、高等院校和科研机 构，以官、产、学、研四位一体的方式进行联合攻关，电动汽车重大专项提出 “三纵、三横”的研究和开发的布局，强调建立符合整车开发规律的严密的整 车开发程序，以燃料电池电动车辆ＦｃＥｖ（包括燃料电池专项）、混合动力电动车 辆ＨＥＶ和纯电动车辆Ｅｖ的整车为主导（三纵），带动关键部件、多能源动力总 成控制系统、电机驱动系统、电池和电池管理系统（三横），并与相关材料研发 紧密结合、基础设施协调发展，使整车控制技术和电子技术的研发全面地同步 发展。这是我国第一次全面、完整地提出有关ＥＶ、ＦＣＥＶ和ＨＥＶ发展和产业化的 宏伟纲领。为实现我国能源持续发展的战略目标，我国在“９７３”项目能源领域 设置了“氢能的规模制备、储运及相关的燃料电池基础研究”课题，其研究的 目的是将在２００８年北京“奥运会”和２０１０年在上海的世博会提供有我国自主 知识产权的、性能可靠的“清洁”车辆。．“十五”期间我国一汽集团、东风集团、上汽集团、清华大学等高等学校 以及汽车企业，承担了“８６３”和“９７３”的研究项目，在“十五”期间研究和 开发了多种有自主知识产权和多项技术专利的电动车辆和装备技术。表卜２列 出我国自主开发的纯电动汽车。４表ｌ－２我国自主研发的纯电动汽车 车型 香港大学Ｕ２００１－ＥＶ整车参数 整车整备质量１８２０ｋｇ 满载质量２０９３ｋｇ电池 镍一铬电池组， １４０九ｈ，电压２６４Ｖ电动机 永磁直流无刷 电动机，４５ＫＷ性能参数 最高车速１２０ ｌ【ｍ／ｈ，Ｏｑ８加速 时间６．３ｓ。续驶 里程２１０ｌ锄天津一汽 “幸福使 者” 天津一汽 “威姿”３３９５Ｘ １４７５Ｘ １６９５镍一氢屯池，１５０丸ｈ直流电动机最高车速５０质量１３００ｋｇｌ叽／ｈ，最大爬坡度１５％，续驶里程８０ｋｍ３６４０Ｘ １６１０Ｘ １５００锂离子电池，５５Ａ．ｈ交流电动机，１５ＫＷ最高车速５０ ｋｍ／ｈ，最大爬坡 度１５％，续驶里程８０ｋｍ质量１２００ｋｇ比亚迪ＥＴ纯 电动汽车４６０５×１８３２×１５９０Ｌｉ－ｉｏｎ蓄电池， ２００Ａ．ｈ，电压２９６Ｖ永磁同步电动 机，４Ｘ２５ＫＷ最高车速１６５ｌ【ｍ／ｈ，最大爬坡 度３０％。０－１００加 速时间为８．５ｓ， 续驶里程３５０ｋｍ整车整各质量１２０５ｋｇ 满载质量１５０５ｋｇ北京理工大 学 耶Ｆ６８５０ＧＫ６ ０公交车 北京理工大 学ＨＦＦ６１ １２ＧＫ５８５９０Ｘ２４４０Ｘ２８３０铅酸蓄电池， ２５５Ａ．ｈ，电压３８８Ｖ稀土变磁通永 磁电动机，５５ＫＷ最高车速８３．５ ｌ（Ⅲ／ｈ，０－５０加速 时间为３７ｓ，续驶 里程１５５ｋｍ整车整备质量９３６０ｋｇ 满载质量１２１６０ｋｇ１１２２０×２５００×３１００铅酸蓄电池， ２５５Ａ．ｈ，电压３８８Ｖ稀土变磁通永磁三相交流电 动机，ＩＯＯＫＷ 三相交流电动 机，ＩＯＯＫＷ最高车速９２．５ ｌ【Ⅲ／ｂ，０－５０加速 时间为３０．４ｓ。续 驶里程１６５ｋｍ 最高车速９ｌ整车整各质量１２３４２ｋｇ０公交车 北京理工大 学Ｈｎ略１２０ＥＶ满载质量１５５００ｋｇ１１５８０×２４９０Ｘ３２０５锂离子电池， ４００Ａ．ｈ，电压３８８Ｖ整车整各质量１２９３０ｋｇｋｍ／ｈ，０―５０加速时间为２０．７ｓ，续 驶里程２１０ｋⅢ满载质量１６０００ｋｇ北京理工大 学 ＨＦＦ６１１０吖 旅游车 洙洲时代集 团ＴＥＧ６１２０ＥＶ一１０６６０×２５００Ｘ３５６５锂离子电池，６００Ａ．ｈ，电压３８８Ｖ稀土变磁通永 磁三相交流电 动机，ＩＯＯＫＷ 三相交流异步 电动机，ＩＯＯＫＷ最高车速９５ ｋｍ／ｈ，０－５０加速 时间为２４．９ｓ，续 驶里程３０６．７ｋｍ 最高车速７０ ｋｍ／ｈ，最大爬坡 度１５％。Ｏ－５０加整车整备质量１２０００ｋｇ满载质量１４５５５ｋｇ１１２２０Ｘ２５００ｘ３２００铅酸蓄电池， ２５５Ａ．ｈ，电压３８４Ｖ整车整备质量１２５００ｋｇ２电动大客生满载质量１６６００ｋｇ１１５００Ｘ２５００×３６００速时闻小于３０ｓ，续驶里程１２０ｋｉｎ 锌一空气电池，３ ×３３０Ａ．ｈ，电压２３０－４００Ｖ上海“博信” 与无锡客车 厂的博信锌交流电动机，９０ＫＷ最高车速７２整车整备质量１４０００ｋｇｋｍ／ｈ，最大爬坡度大于１５％，一空气电池 大客车满载质量１９０００ｋｇ５１．３电动汽车的基本组成与结构特点 １．３．１电动汽车的基本组成 典型电动汽车的基本结构如图１－１所示。电动汽车系统可分为三个子系统， 即电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。其中，电力驱动子系统 又由电控单元、控制器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成；主能源子系 统由主能源、能量管理系统和充电系统构成；辅助控制子系统具有动力转向、 温度控制和辅助动力供给等功能。 其工作过程是，根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出 相应的控制指令来控制电动机，调节电动机和电源之间的功率流。辅助动力供 给系统主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。除了从制动踏 板和加速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘输入也是一个很重要的输入信号， 动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。 电动汽车的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 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。制动踏 加速踏方向盘交流电源 图卜１典型电动汽车的基本结构（１）能源系统电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，是整车的动力来源。目前在电动 汽车上，一般以各种不同的蓄电池组成动力电池组储存的电能作为动力源，用 周期性的充电来补充电能。动力电池组是电动汽车的关键装备，它储存的电能、６质量和体积，对电动汽车的性能起决定性影响，也是发展电动汽车的主要研究 和开发的对象。能源管理系统对动力电池组的管理包括：对动力电池组的充电 与放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈的电流、电池的自放电率、 电池温度等进行控制。因为个别的蓄电池性能变化后，影响整个动力电池组的 性能，用蓄电池管理系统来对整个动力电池组和动力电池组中的每一单体电池 进行监控，保持各个电池间的一致性，还要建立动力电池组的维护系统，来保 证电动汽车的正常运行。动力电池组必须进行周期性的充电，动力电池组对充 电时的电压和电流都有一定的要求，因此，高效率的充电装置和快速充电装置， 也是电动汽车使用时所必须的辅助设备。根据电动汽车不同的形式，电动汽车 可采用地面充电器、车载充电器、接触式充电器或感应充电器等进行充电。蓄 电池充电系统、管理体系、维修系统和再生制动能量的回收等，是一个全新的 系统工程，是电动汽车运行的保证体系。（２）驱动系统驱动电动机的作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。这也是电动汽车与内燃机汽车的根本区别之处。现代电动 汽车所采用的驱动电动机主要是交流电动机，永磁电动机和开关磁阻电动机等。 驱动电动机除了是电动汽车的动力装置，一般还要求能够在电动汽车制动时电 动机实现再生制动，一般可以回收１０％－１５％的能量，再生制动能量的回收有利于 电动汽车节能和延长电动汽车的行驶里程，这是电动汽车节能的重要措施之一。 控制技术，对汽车驾驶员来说，加速踏板、制动踏板等操纵装置是十分熟悉和 习惯使用的操纵装置。为了保持传统的驾驶习惯，电动汽车保存了加速踏板、 制动踏板和各种控制手柄等，在电动汽车上将加速踏板、制动踏板机械位移的 行程量转换为电信号，输入中央控制器，通过动力控制模块控制驱动电动机运 转。电动汽车的控制系统主要是对于动力电池组的管理和电动机的控制，随着 车辆行驶工况的变化，而引起的电动机输出功率、转矩和转速的变化，必然引 起动力电池组的电压、电流等的改变。由于电动汽车的高度电气化，因此更加 有条件实现机电一体化和采用自动化的控制系统和管理系统，一般用中央控制 器中的计算机来进行控制和管理。另外，控制系统还包括整车低电压系统的电 子、电器装置、现代化卫星导航和雷达防撞等装置的控制，现代理论在电动汽 车上得到广泛的应用。 （３）车身及底盘 电动汽车车身造型，特别重视流线型，使得电动汽车的车身造型更加具有 特色，更加丰富多彩。也使得车身的空气阻力系数大大的降低，电动汽车大多 数用复合材料来制造车身结构和车身内饰。由于电动汽车电池组的质量大和动 力电池组所占据的空间大，为减轻电动汽车的整车质量，采用了轻质材料、碳 纤维增强树脂和复合材料等制造车身和底盘部分总成。７（４）安全保护系统 电动汽车的动力电池组，是具有９６－３１２Ｖ的高压直流电，人身触电时会造 成危险。因此必须设置安全保护系统，确保驾驶员、乘员和维修人员的安全。另外在撞车、翻车或线路发生短路时，能够迅速切断动力电池组的电源，避免发生火灾保护乘员的安全，同时还需要注意防止电池中的电解液溢出对乘员造 成伤害。电动汽车必须配备电气装置的故障自检系统和故障报警系统，在电气 系统发生故障时自动控制电动汽车不能启动等，及时防止事故的发生。 １．３．２电动汽车的结构特点 现在高性能的电动汽车通常是专门设计制造的，这种专门设计制造的电动 汽车以原有的车体和车架为基础，满足电动汽车独有的结构要求并充分利用了 电力驱动的灵活性。与燃油汽车相比，电动汽车的结构特点是灵活性，这种灵活性源于电动汽车具有以下几个独特的特点：（１）电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴 传递的，因此，电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性。 （２）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动机 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（如直流电动机 和交流电动机）会影响到电动汽车的质量、尺寸和形状；不同类型的储能装置（如蓄电池和燃料电池）也会影响电动汽车的质量、尺寸及形状。（３）不同的补充能源装置具有不同的硬件和机构，例如蓄电池可通过感应 式和接触式的充电机充电，或者采用替换蓄电池的方式，将替换下来的蓄电池 再进行集中充电。 相对与传统燃油汽车，纯电动汽车具有以下优点： （１）零排放纯电动汽车最大的优点是无排放（零排放汽车ｚＥｖ），它本身 不排放污染大气的有害气体，即使按所消耗电量换算为发电厂的排放，污染物 也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且 电厂是固定不动的，排放集中，且已有了相关技术来清除各种有害排放物。 （２）多能源由于电力可以从多种能源获得，如煤、核能、水能、太阳能、 潮汐能等，可解除人类对石油资源依赖。 （３）夜间充电电动汽车还可以充分利用晚间用电低估时富余的电力充电， 使发电设备日夜能充分利用，大大提高其经济效益。 （４）方便电动汽车结构简单，无需更换机油、油泵、汽化器以及消声装 置等，无需添加冷却水。保养工作极少，基本上无需日常保养。 （５）高效率在城市行车时，为了等候交通灯，必须不断地停车和启动， 既造成了大量的能源浪费，又增加了空气污染，电动汽车在制动与减速时，可 以将能量回收。在停车时，可以不必让电动机空转，可以大大提高能源的使用８效率，减少了空气污染。（６）无噪音与内燃机汽车不同的是，电动汽车运行基本上是安静的，而 在大城市，汽车噪音也成为一种严重的污染。 １．４电动汽车的关键技术 电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化 学技术等。尽管电源技术至关重要，但车身设计、电力驱动、能量管理系统和 系统的优化也同样重要，事实上，所有这些领域技术上的整合才是电动汽车技 术成功的关键。（１）车身设计生产电动汽车有两种基本方法，一种是改装，另一种是专门设计制造。对 于改装的电动汽车，内燃机汽车中原来安装发动机以及相关组件的部位由电动 机和电池所取代，由于采用现有的内燃机汽车的底盘，对于小批量生产而言， 这种方法较经济。但是，对于大部分改装车而言，均有自重较大，重心位置偏 高以及质量分配不合理等缺点。对于专门设计的电动汽车，是为特定目的而设 计的，它允许工程师灵活地调整和整合各子系统，使之能有效地工作。在设计 电动汽车时，对整车整体性能的参数需要进一步改进，比如减轻整车的质量、降低风阻系数和减少滚动阻力系数等。 （２）电力驱动电力驱动系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服阻力而前 进。另外，现代电动机的高转矩、低转速和恒功率、高转速的工作范围可以通 过电子控制来获得，使得电动汽车的驱动系统设计更加灵活多样。例如，可采 用单电动机或多电动机驱动，可选用或不用变速器，可选用或不用差速器，可 选用轴式电动机或轮式电动机等。 电力驱动系统由电气系统、变速装置和车轮组成，其中变速装置是选用的。 电力驱动系统的关键是电气系统，电气系统由电动机、功率转换器和电子控制 器组成。随着先进的电动机、功率电子、微电子技术以及控制策略的发展，现 在越来越多的电动机可用于电动汽车。 （３）能源系统 目前，制约电动汽车发展的主要障碍是一次充电续驶里程和初始价格，而 电动汽车的能源系统是引起这些问题的主要原因。在目前以及不久的将来，能 源系统是电动汽车实现市场化的关键。目前还没有一种蓄电池能完全满足电动 汽车的要求，任何一种蓄电池都不能同时满足对比能量、比功率和价格的要求。 为解决一种能源不能同时提供足够高的比能量和比功率这个问题，可采用多能 源系统即混合动力系统提供动力。对于采用两个能源的混合动力而言，可以选 用一个能源具有高的比能量，而另一个具有高的比功率。可以采用蓄电池和蓄９电池相组合的混合动力，也有采用蓄电池和超级电容、蓄电池和超高速飞轮以 及燃料电池和蓄电池相结合的混合动力，高比能量能够保证汽车足够长的行驶 里程，而高比功率有利于提高电动汽车的动力性能。（４）能量管理系统由于电动汽车的车载能量有限，其行驶里程远远达不到内燃机汽车的水平， 能量管理系统的目的就是要最大限度地利用有限的车载能量，增加行驶里程。 能量管理系统的功能是实现：优化系统的能量分配，预测电动汽车电源的剩余 能量，再生制动时合理地调整再生能量。能量管理系统如同电动汽车的大脑， 同时具有功能多、灵活性好、适应性强的特点，它能智能地利用有限的车载能量。（５）系统优化 电动汽车是一个涉及多学科技术的复杂系统，电动汽车的性能受多学科相关因素的影响，通过系统优化来改进电动汽车的性能和降低车辆的成本。计算机仿真是一项很重要的技术，它有利于制造商减少开发新产品的时间、降低成 本，并能迅速进行评价。 １．５论文的主要研究内容 本文的主要研究内容包括以下几方面： （１）在分析电动汽车的驱动系统布置形式的基础上，对某燃油微型轿车进 行改装设计，确定其驱动系统布置形式，并对其进行总体设计。根据设计要求， 对改装的电动轿车关键部件选择，对动力系统参数进行设计与匹配。根据所选 择的电动机、蓄电池以及典型电动轿车的总体布置形式对电动轿车总体布置。 （２）建立电动轿车整车和关键部件的数学模型和计算机仿真模型。 （３）应用建立的仿真模型，对电动轿车的动力性能与续驶里程仿真研究， 并对仿真结果分析。对影响电动轿车动力性能和续驶里程的因素分析。 （４）对电动轿车的动力电池放电试验和整车动力性能的试验进行初步分析研究。１０第二章电动轿车的参数匹配与总布置设计电动汽车与燃油汽车的主要区别在于它们的驱动系统不同，电动汽车结构 各式各样，尽管大多数的电动汽车参数是从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴的， 但电动汽车的结构和许多性能与技术参数有它本身的特征。电动汽车的组成部 分布置位置比普通汽车发动机的布置更灵活、更多样化，既可组合，也可分开， 使整车质量分配合理，结构紧凑，完全突破了普通汽车发动机位置相对固定的设计方案。２．１电动轿车驱动系统布置形式的确定 电动汽车电动机驱动系统可分为电气和机械两大部分。其中电气系统包括 电动机和控制器等；机械系统的组成主要包括变速装置和车轮。电气和机械系 统有多种组合形式，采用不同的电力驱动系统可构成不同结构形式的电动汽车。 根据电力系统的不同把电动汽车分为以下几种：机械驱动布置形式、机电集成 驱动布置形式、机电一体化驱动布置形式和轮毂电动机驱动布置形式Ⅲ。 ２．１．１机械驱动布置形式 机械驱动布置形式的结构如图２―１所示。这种布置形式与传统内燃机汽车 的驱动系统布置形式没有太大区别。它是用电动机及其控制系统替代了发动机。 其传动系统则基本不变，电动机输出轴与变速器输入轴相联，通过变速器变速 后，动力通过传动轴传递到主减速器，然后差速器进行差速，最后通过半轴将 动力传送到驱动车轮，因而，这种布置形式保留了传统内燃机汽车的变速器、 传动轴、后桥和半轴等传动部件。卜电动机；２一控制器；３一传动系统；４一驱动轮 图２－１机械驱动布置形式结构简图这种布置形式只需要用电动机及其控制系统对内燃机汽车的发动机进行 置换，就能得到一辆电动汽车，工作相对简单，方便将传统汽车改装成电动汽 车。但是，因为传动链相对较长，所以它的传动效率也相对较低，但有利于集中精力进行电动机及其控制系统的研究。早期的电动汽车开发常采用这种布置形式。２．１．２机电集成驱动布置形式 电动汽车采用电动机作为驱动元件，电动机的调速范围比较宽，而且它的 输出特性与车辆要求的驱动系统理想供应特性比较接近。机电集成驱动布置形 式充分利用了电动机的这一特性，取消了齿轮变速器，采用部分机械传动的差 速器、半轴等零部件来传递动力。卜控制器；２－电动机；３－驱动轮；４一传动系图２－２机电集成化驱动布置形式结构简图图２―２是这种布置形式的结构示意图。机电集成驱动系统使得传动系统得 到简化，有效地扩大了蓄电池布置空间和乘坐空间。同时，这种布置形式传动 链相对较短，所以它的传动效率也相对较高。 ２．１．３机电一体化驱动布置形式 机电一体化驱动布置形式是在机电集成驱动布置形式的基础上，进一步减 少了传动元件。它采用左右两个双联式电动机作为驱动电动机，这两个电动机 直接驱动左右两个半轴，从而带动驱动车轮的旋转。其机构如图２―３所示。卜控制器；２一电动机；３一驱动轮图２－３机电一体化驱动布置形式结构简图１２这种布置形式最大的进步就是取消了机械式差速器，在左右两个双联电动 机之间，配置了电子控制的差速器，用电子差速器来解决左右半轴的差速问题。 采用这种差速形式，能使电动汽车得到更好的灵活性，而且可以方便地引入ＡＳＲ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ＳｌｉｐＲｅｇｕｌａｔｉｏｎ），使电动汽车在复杂路况上获得更好的动力性能。这种布置形式打破了传统的汽车传动系统布置形式，形成了电动汽车独 特的驱动形式。 而且，这种布置形式节省了空间，提高了传动效率。它采用电子集中控制， 并可能逐步实现网络化和自动化的控制。这种布置形式与前两种布置形式有着 很大的不同。电动汽车驱动系统布置形式发展到这一步有可能充分体现电动汽 车的优势。 ２．１．４轮毂电动机驱动布置形式 轮毅电动机驱动布置形式的电动机安装在电动汽车的车轮轮毂中，直接驱 动电动汽车的驱动车轮。如图２－４所示。卜控制器；２一轮毂电动机；３－驱动轮 图２－４轮毂电机驱动布置形式结构简图这种布置形式比机电一体化驱动布置形式的结构更简洁，电动机直接驱动 车轮，把机电一体化驱动系统中的半轴也取消了，把传统内燃机汽车机械传动 系统所占据的空间完全解放了出来，同时，它还可以对各个驱动电动机进行相 互独立的控制，有利于提高车辆转向灵活性和充分利用路面附着力。这种布置 形式比以上介绍的各种布置形式更能体现电动汽车的优势。采用这种布置形式 的驱动系统需要解决的问题就是如何保证车辆行驶的方向稳定性，同时，采用 这种布置形式的驱动系统其驱动电动机及其减速装置必须能够布置在车轮空间 内，因此要求驱动电动机的体积相对较小。它是未来电动汽车驱动系统布置形 式的发展趋势。 目前，国内电动汽车的各种研究，大多数是建立在改装车的基础上的。电 动汽车的改装是一项机电一体化的综合工程，高性能的获得必须通过对蓄电池、 电动机、减速器的合理匹配，并且在总体方案布置时使其连接可靠、轴荷分配 合理等才能获得。鉴于现有条件，本文采用机电集成驱动布置形式。１３２．２电动轿车参数设计与匹配 ２．２．１电动轿车关键部件的选择 ２．２．１．１电动机的选择 汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速、停车等。在低速或爬坡时需 要高转矩，在高速行驶时需要低转矩。电动机的转速范围应能满足汽车从零到 最高行驶速度的要求，即要求电动机具有高的比功率和功率密度。电动轿车电动机应满足的主要要求可归纳为以下几个方面：（１）驱动电动机需要有一定的过载能力，以满足短时加速行驶与最大爬坡 度的要求。电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、 加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。电动机应具有自动调速功能， 以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加 速踏板同样控制响应。 （２）驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电 动机协调运行。 （３）电动机应具有高效率、高的功率密度，从而能够降低车重，延长续驶 里程、降低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。 （４）电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。电动 汽车的各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到３００Ｙ以上，因此必须装备 高压保护设备以保证安全。 （５）能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮 性，能够在高温、坏天气及频繁震动等的恶劣环境下工作。并且运行时噪声低， 能够在较恶劣的环境下长期工作。 另外，电动机还应结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜， 质量轻，体积小等。 目前在电动汽车上已应用的和有应用前景的驱动电动机主要有：直流电动 机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。其主要性能如表２－１所列。直流电动机由于其技术成熟和控制简单，一直在电驱动领域有着突出的地 位。实际上，各种直流电动机目前在电动汽车上都有应用。直流电动机的存在 的主要问题是：由于有换向器和电刷，这使得它的可靠性降低，且需要定期维 护。由于感应电动机的低成本、高可靠性及免维护等特性，因而在电动汽车驱 动电动机领域里，它是应用很广的一种无换向器电动机。但是传统的变频变压 控制技术等，不能使感应电动机满足所需要的驱动性能，所以导致控制系统较 复杂。开关磁阻电动机应用于电动汽车上具有很大的潜力，具有结构简单，制１４造成本低廉，转矩／转速特性好等优点，适合于电动汽车驱动，但存在噪声的问 题。表２―１各种电动机的性能比较直流电动机 转速范围（ｒ／ｍｉｎ） 功率密度 功率因数（％） 峰值效率（％） 负荷效率（％） 过载能力（％） 电动机质量 外形尺寸 可靠性 结构的坚固性 控制操作性能 控制器成本 ８５～８９８０～８７２００交流感应电动机１２０００～２００００ 由 ８２～８５ ９４～９５ ９０～９２ ３００～５００开关磁阻电动机＞１５０００永磁电动机４０００～１００００４０００～６０００ 低较高６０～６５ ８５～９０高９０～９３ ９５～９７ ９７～８５３００７８～８６３００～５００重 大 一般 差 最好 低中 中 好 好 好 高轻 小 好 优良 好 一般轻 小 优良 一般 好 高永磁无刷直流电机是近年来随着电力电子器件及新型永磁材料而迅速发展 成熟的一种新型电机“１。无刷直流电机既具有交流电机结构简单、运行可靠、 维护方便，又具备直流电机那样良好的调速性能的优点，并且没有机械式换向。 由于采用了永磁结构，无刷直流电机没有励磁损耗，比传统的交直流电机体积 小、效率高。无刷直流电机现已被广泛应用于数控机床、航空航天、计算机外 围设备、汽车等高科技领域中””１。存在的问题是输出功率相对较低。电动汽车 要求频繁启动、加速、制动，能量利用效率高，要求在启动即低转速时得到恒 定的最大扭矩，同时在高转速时得到恒定的较高功率（电机最大转速的选择要 结合传动系减速比、电机的效率和连续转动特性考虑），如图２―５。永磁无刷直 流电机能够很好地满足这些要求，是理想的电动汽车用驱动电机之一。故本文 选用永磁无刷直流电机作为驱动电机。最犬 转矩 最火 功率０ｎＩｎ２ｎ３转速（ｒｐｍ）图２－５牵引电机的转矩转速特性１５本文采用机电集成化驱动布置方式，考虑电动机的特性，能够实现较大范 围的调速，并且有低转速大转矩，高转速大功率的特性，故设计的电动轿车将 电动机、减速齿轮箱与差速器一体化，直接与汽车的驱动轴安装联结在一起，且减速装置只需确定一主减速比。２．２．１．２蓄电池的选择 目前，制约电动汽车发展主要是一次充电续驶里程和初始价格，而电动汽 车的动力蓄电池是引起这些问题的主要原因。电动汽车用蓄电池是以中等电流 持续放电为主，兼有部分大电流放电，在使用过程中应具有高可靠性、安全性。 在目前以及不久的将来，电池技术仍是电动汽车实现市场化的关键。电动汽车对动力电池的要求如下；（１）高的比能量和能量密度； （２）高的比功率和功率密度； （３）快速充电和深放电的能力； （４）寿命长； （５）自放电率小，充电效率高； （６）安全性好，成本低廉； （７）免维修或维修方便，对环境无危害，可回收性好。 目前还没有一种蓄电池能完全满足上述要求，选用某一种蓄电池只能满足 上述部分要求。目前在电动汽车上应用的电池有：铅酸电池、镍氢电池、镍铬 电池、锂离子电池等“”。表２－２列出常用电池的主要性能。表２－２常用电池的主要性能参数 比能量（＇『１１／ｋｇ）能量密度（Ｗｈ／Ｌ）６０－９０ １３０－１７０比功率（Ｗ／ｋｇ）７５―１５０充电时间（ｈ）８－１２ ４－８ ４－８ ２－３循环寿命（次）４００―６００ ６００－１２００ ６００－１２００８００－１２００铅酸电池 镍氢电池 镍铬电池 锂离子电池３３－５０ ６０―７０ ４０－６０ ９０－１３０１５０―３００１５０―３５０ ２５０―４５０８０－１１０１４０－２２０相对而言，镍氢电池、锂离子电池的比能量高但价格也高，但其出色的性 能，在现代电动汽车中的应用将会有很好的前景。铅酸电池的优点是电压较高， 价格便宜，规格齐全，但存在寿命短且比能量低的缺点。伴随着汽车工业大发 展，铅酸蓄电池逐渐走向成熟，生产成本大大降低ｎ２１。综合考虑，本文选择铅 酸蓄电池作为整车动力源。１６２．２．２整车参数与动力性能指标的确定 ２．２．２．１整车参数的确定 本文设计的电动轿车，是基于某燃油微型轿车，将其改装为电动轿车，原 微型轿车的相关参数与性能如表２－３。表２－３原微型轿车的相关参数与性能长×宽×高（∞） 轴距（Ⅲ） 前／后轮距（ｍ）驱动方式 排量（Ｌ） 变速器形式３５６０ｘ １６００ｘ １６７ｆ ２３３５额定功率（ｈ）主减速比 最高车速（ｋｉｎ／ｈ） Ｏ－ｌＯＯｋｍ／ｈ加速时间（ｓ） 最大爬坡度（％） ５０ｋｍ／ｈ百公里等速油耗（Ｌ）３８．５ ４．７０５１３６０／１３５５ 前置前驱Ｉ．０５１≥１２５ ≤２４．５ ≥３０ ≤５．５手动５挡该电动轿车的主要结构尺寸与原车相同。在保留原车的行驶系统的基础上， 改用蓄电池、电动机驱动车辆行驶，由于电动轿车采用了电动机和减速器一体 化设计，有利于降低整车质量，但考虑铅酸蓄电池的质量较大，会引起整车质 量的增加。综合考虑，电动轿车的整车参数如下：整车整备质量ｍ。＝１２００ｋｇ； 最大承载质量为３００ｋｇ，则整车满载质量ｍ。－－１５００ｋｇ；重力加速度ｇ－－９．８ｍ／ｓ２； 空气阻力系数Ｃ。＝Ｏ，３；迎风面积４＝２。４ｍ２；车轮滚动半径，卸．２７６８ｍ；滚动阻 力系数厂＝Ｏ．０１２；传动效率，７，－－０．９。２．２．２．２动力性指标的确定传统内燃机汽车的性能指标包括动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定 性、平顺性和通过性等“”。电动汽车因为动力系统不同，因此对它的性能指标 的要求与传统内燃机汽车有不同之处。电动汽车因为是以蓄电池储存的电能作 为动力源，所以衡量电动汽车的一项重要指标是最大续驶里程，同时，因为电 动汽车没有发动机，不燃烧燃料，所以没有燃油经济性的要求。故电动汽车的 性能指标主要包括：最高车速、加速时间、加速度、最大爬坡度，续驶里程等。 在对电动汽车进行动力匹配和制定性能指标之前，应该考虑电动汽车的典 型工况。在电动汽车处于技术发展的过程中，逐步在市区及郊区推广使用电动 汽车是合适的。根据我国目前的情况，在特定区域内，电动汽车的行驶工况如 下：在城市快速公路上行驶时，道路设施完善，路面为柏油路和水泥路，由于 广泛采用立体交通，立交桥的路面坡度一般为４％－５％。电动汽车在这种路面上行１７驶时，车速一般为６０－１００ｋｍ／ｈ。目前电动汽车的比功率均低于燃油汽车，相应 地，电动汽车的最高车速低于燃油汽车。电动轿车的最高车速一般选为８０一ｌＯＯｋｍ／ｈ。同时，在设计时应考虑到电动汽车在立交桥坡道上原地起步的工况。因此， 在这种路面上电动汽车能克服的坡度不应低于１５％。对于在市区运行的电动公共 汽车，车站与车站之间的距离通常为ｌｋｍ左右，车辆需要经常起步和停车，乘 客时多时少，高峰时电动公共汽车的超载能力为设计载荷能力的Ｉ．４＿１．８倍。 尤其在夏天，电动公共汽车长时间在高温、高负荷状态下工作，因此设计时应 考虑合理的过热和过载保护。根据电动汽车的不同用途，设计时电动汽车能克 服的最大爬坡度一般选１８％－２７％比较合适。燃油轿车的加速性能要求很高，因此 轿车的后备功率很大。电动汽车由于受到电动机功率和动力电池的质量与尺寸 的限制，要达到同类燃油汽车的加速性，日前还比较困难。设计时，除预先根 据特殊要求外，电动汽车的加速能力与其最大爬坡能力相当即可“”。 根据电动轿车的主要行驶工况，整车设计的最高车速、最大爬坡度以及加 速时间要求如下： （１）最高车速：（３）Ｏ－６０ｋｍ／ｈ加速时间： ≥８０ｋｍ／ｈ（２）最大爬坡度：ｔ＞２０％≤２０ｓ２．２．３电动机的参数设计 ２．２．３．１电动轿车行驶功率平衡 电动汽车行驶中，由蓄电池输出电能给电动机，电动机输出功率，用于克 服电动汽车本身的机械装置的内阻力，以及由行驶条件决定的外阻力消耗的功 率。内阻力通常由汽车内机械装置的效率表示。外阻力即电动汽车的行驶阻力。 电动汽车的能量传递特性示意图如图２－６所示。１８图２－６电动汽车的能量传递图从分析电动汽车行驶时的受力状况出发，建立行驶方程式，这是分析电动 汽车行驶性能的基础。驱动系统的动力输出特性与车辆的动力性能直接相关。 驱动系统的动力输出应该满足车辆的动力性要求。电动汽车在进行参数匹配的 时候，首先必须建立电动汽车的行驶动力学模型，对电动汽车行驶过程中力与 功率的平衡进行分析。 车辆行驶过程中力的平衡关系如图２－７。根据力的平衡关系，汽车的行驶方 程式为：Ｅ＝∑Ｆ式中：Ｆ一驱动力； ｙＦ一行驶阻力之和。（２―１）图２―７汽车行驶过程中受力示意图车辆行驶的驱动力是路面作用在车辆驱动轮上的，电动汽车的电动机输出 轴输出转矩，经过车辆传动系传递到驱动轮的驱动力矩为Ｚ，使驱动轮与地面１９之间产生相互作用，车轮与地面作用一圆周力届。同时，地面对驱动轮产生反作用力Ｅ。这两个力大小相等方向相反，地面对驱动轮产生的反作用力Ｅ与驱 动轮前进方向一致，是推动汽车前进的外力，这个反作用力就是驱动汽车行驶 的外力，即驱动力。它不仅与车辆驱动系统提供的牵引力有关，而且与路面和 车轮之间的接触状态有关。其数值为：Ｅ：互 ，式中：Ｚ一作用与驱动轮上的转矩；（２―２），一车轮半径。传统内燃机汽车中，Ｚ是由发动机产生的转矩，由于电动汽车采用电动机 驱动，所以在电动汽车中Ｚ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ｉ，传动系统的机械效率为％。驱动电动机的输出转矩 为乙，则有： Ｚ＝瓦ｉｔ／ｒ因此汽车的驱动力为：（２―３）Ｆ：塾’（２－４），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。因此汽车行驶过程中的总阻力为：∑，＝乃＋Ｌ＋Ｅ＋乃式中：Ｆ，一滚动阻力（２―５）凡一空气阻力Ｆ―坡度阻力Ｆ．一加速阻力其中：（１）滚动阻力：Ｆ，可以等效的表示为： ，：＝ｗｆ 式中：矿一作用于车辆上的法向载荷； ，一滚动阻力系数，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：（２―６）只＝三ｃＤ４∥；（２―７）式中：Ｃ。一空气阻力系数。 ４一迎风面积，即车辆行驶方向的投影面积： ｐ一空气密度，一般ｐ＝１．２２５８Ｎ?ｓＬｍ－４： “，一相对速度，在无风时即车辆的行驶速度。在无风条件下汽车的运动，甜，即为汽车的行驶速度甜。。如暂。以ｋｍ／ｈ、Ａ以 ｍ２计，则空气阻力（Ｎ）为瓦＝可ＣｏＡ万ｕ：（２－８）（３）坡度阻力：Ｆ＝Ｇｓｉｎａ （２―９）式中：口一坡度。一般道路的坡度均较小，此时ｓｉｎａ２ｔａｎａ＝ｉ。（４）加速阻力：Ｆｊ：８ｍ丝 出７（２―１０）式中；艿一车辆旋转质量换算系数。 ｍ一车辆质量；掣一行驶加速度。这样，汽车行驶阻力为：∑尹＝ｗｆ＋Ｇｓｉｎ口＋案＋锄罢阻力功率只、坡度阻力功率只以及加速阻力功率只。即：＇，、（２－１１）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￡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， ￡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Ｐ，、空气￡＝―ＬＵ），＋只＋鼻＋只Ｊ根据以上的推导，可得车辆行驶过程中的平衡方程如下：（２―１２）￡＝Ｔｑｎ／９５５０（２－１３）￡＝磊１Ｌ１３Ｗ６ｆ。ｕ石４＋丽Ｇｕａｉ＋丽ＣＤＡ丽ｕ３．＋丽＃ｍｕａ ｉｄｕ］（２―１４）对纯电动汽车而言，式中：￡一电动机输出功率（ｋＷ）５ 以一电动机输出转速（ｒｐｍ）。２．２．３．２电动机的参数设计在纯电动汽车行驶时，车辆的所有动力由电动机提供，因此在计算满足纯 电动汽车行驶要求的电动机性能应针对全部行驶工况‘１”。最高车速：电动机的 功率必须满足电动汽车的最高车速的功率要求，以保证电动汽车在良好路面情 况下，能够获得较高的行驶车速。加速性能和爬坡度：电动机的功率越大，电 动汽车的后备功率就越多，从而其加速性能和爬坡度就会越好，但过多的后备 功率导致电动机的体积和质量增加，且由于电动机不能经常工作在峰值功率附 近，效率下降，增加电动汽车不必要的能量消耗。 （１）根据最高车速计算电动机功率‘１６１ 在计算最高车速匀速行驶功率时忽略加速阻力功率与坡度阻力功率。只＝寺ｃ黠＋尝，Ｐ：上１２００ｘ９．８ｘ０．０１２ｘ８０＋―０．３ｘ２．―４ｘ８０３ １。∽㈣空载时：Ｇ＝１２００ｘ９．８Ｎ，ｆ＝ｏ．０１２，Ｃ０＝Ｏ．３，Ａ＝２．４ｍ２，ｒ／ｒ＝Ｏ．９，Ｕａ＝８０ｋｍ／ｈ０．９Ｉ３６００７６１４０Ｊ＝３．４８４＋５．３７９＝８．８６３ＫＷ满载时：Ｇ＝１５００ｘ９．８Ｎ，厂＝０．０１２，ＣＤ＝０．３，Ａ＝２．４ｍｚ，１＂／ｒ＝０．９，ｕｏ＝８０州ｈＰ：上１５００ｘ９．Ｓｘ０．０１２ｘ８０．Ｉ－―０．３ｘ２．―４ｘ８０ａ １‘０．９Ｉ３６００７６１４０Ｊ＝４．３５６＋５．３７９＝９．７３５ＫＷ（２）根据最大爬坡度计算电动机功率 在计算最大爬坡度行驶功率时时忽略加速阻力功率与空气阻力功率。只＝寺（急＋急）（２．１６）空载时：Ｇ＝１２００×９．８Ｎ，ｆ２０．０１２，ｆ２０．２，珊２０．９，ｕ，，＝２０ｋｍ／ｈＰ：上１２００ｘ９．Ｓｘ０．０１２ｘ２０＋―１２００ｘ９．８―ｘＯ．２ｘ２０１。０．９ Ｌ ３６００ ３６００，＝Ｏ．８７１＋１４．５１９＝１５．３９０ＫＷ满载时：Ｇ＝１５００＞（９．８Ｎ，ｆ＝ｏ．０１２，ｉ＝Ｏ．２，珊＝０．９，Ｕａ＝２０ｋｍ／ｈ２２Ｐ：上１５００ｘ９．８ｘ０．０１２ｘ２０＋―１５００ｘ９．８―ｘ０．２ｘ２０１‘０．９ Ｌ ３６００ ３６００ ＝１．０８９＋１８．１４８＝１９．２３７ＫＷＪ电动机的功率应能够满足根据以上计算得到的功率。 本文所选用的无刷直流电动机为：额定功率ｌＯｋｗ，最大功率２０ｋｗ，可以满 足功率要求。电动机的最大转速是４０００ｒｐｍ，额定转速是１４７０ｒｐｍ。最大转矩 １３０Ｎ．ｍ，最大转速时的转矩为４７．８Ｎ．ｍ。额定电压１４４Ｖ。 ２．２．４传动比的确定机的最大转速‰确定传动比的上耐州。乇０．３７７ｎ―ｒ．（２―１７）其中：以一＝４０００ｒｐｍ，ｒ＝Ｏ．２７６８ｍ，‰＝８０ｋｍ／ｈ，则：”８０ｆｎ≤―０．３７ ｘ４０ ―０ｘ０．２７６８：５．２（２）由电机的最大转速对应的最大输出转矩ｚ，嗽和最高车速对应的行驶阻力‰确定速比的下限‘埘。黼ｋ＝（１５００ｘ９．８ｘＯ．０１２＋警］：１７６．ａｏ＋ｚｎｒ＝Ｏ．２７６８ｍ，乙＝４７．８Ｎ．ｍ，则。毛≥筝（２―１８）ｓ，ｚ锄ａ．ｚｚｚＮ，ｆ０≥―３９４．２７２―ｘ０＇．２７６８：２．５４”０．９×４７．８（３）由电机最大输出转矩丁，盥和最大爬坡度对应的行驶阻力Ｃ一确定。ｆ０≥舞ｒ＝Ｏ．２７６８ｍ，瓦。＝１３０Ｎ．ｍ，则：僻１９）其中：只一＝１５００ｘ９．８ｘＯ．０１２＋１５００ｘ９．８ｘ０．２＝１７６．４００＋２９４０．０００＝３１１６．４００Ｎ，厶≥―３１ ６．４０ ―ｘ０．２７６８：３．６９”２Ｘ０．９×１３０为了满足上述要求，故本文确定减速器的减速比为４．９，并且电动机的转矩亦能满足要求。２．２．５蓄电池的参数匹配 本文选择的铅酸蓄电池单体额定电压１２Ｖ，串联１２个铅酸蓄电池可以满足 电动机的电压要求。蓄电池的容量为１２０Ａ．ｈ。 蓄电池的个数与容量的选择是否合理，可以根据蓄电池的最大输出功率和 续驶里程进行验证“”“。 为了防止过大的放电电流而产生过大的热量进而影响到蓄电池的寿命，实 际应用中，铅酸蓄电池的最大输出功率计算公式为“”：‰２箭式中：占一蓄电池电压；’ｂ－，Ｚ‘２―２０）Ｒ一蓄电池内阻，通常铅酸蓄电池放电电阻约０．０１２―０．０２Ｑ‘删。则有：‰北×淼铂舳可见满足了电动机的功率需求。 等速法续驶里程计算为‘２“： ｓ：―Ｗｕ―ａ玎Ｐ（２－２１）式中：ｓ一电动汽车续驶里程，ｋｍ。矿一蓄电池能量，ｋｗ．ｈ； Ⅳ。一车辆行驶速度，ｋｍ／ｈ；Ｐ一等速行驶时的需求功率，ｋｗ；，７一传动系统总效率。蓄电池的能量计算公式为嘶１： 形＝ｅＵ，ＭＮｒＩ捌 式中：ｅ一单个电池容量，Ａ．ｈ。本文ｅ＝１２０Ａ．ｈ； 玑一单个电池的额定电压，Ｖ?本文玑２１２Ｖ； Ｍ―每组电池的个数。本文Ｍ＝１２；（２－２２）Ⅳ一并联的电池组数。本文Ⅳ＝ｌ； ，７捌一电池的放电深度，用百分数表示。本文取，７“＝８０％。则：Ｗ＝１２０×１２×１２×ｌ×０．８＝１３．８２４ｋｗ．ｈ本文以６０１（ｍ／ｈ匀速行驶粗略计算续驶里程，６０ｋｍ／ｈ等速行驶时的需求功率为：Ｐ＝（则ｏ１５００×９．８×０．０１２×６０＋０．３×２．４×６０’ ７６１４０３６００１＝２．９４。＋２．。４３＝４．９８３ｋⅣｓ：―１３．８２４―ｘ６０×０．９：１５０ｋｉｎ４．９８３根据计算，在本文蓄电池的容量下，当放电深度不超过８０％时，电动轿车以 ６０ｋｍ／ｈ匀速行驶的行驶里程１５０ｋｉｎ，作为电动轿车城市应用，可以满足城市工 况的行驶要求。可见，蓄电池的个数与容量匹配合理。 ２．２。６参数设计与匹配小结 综合以上计算所得，电动轿车的动力传动系统参数设计与匹配如表２－４所示。表２－４电动轿车动力传动系统的参数 项目参数名称额定功率（ｋｗ）参数数值ｌＯ最大功率（ｈ）电动机 额定转速（ｒｐｍ） 最大转速（ｒｐｍ） 额定电压（Ｖ） 个数 铅酸蓄电池 单体额定电压（￥） 额定容量（Ａ．ｈ） 传动系 主减速比２０ １４７０４０００ １４４ １２ １２ １２０ ４．９２．３电动轿车的总体布置设计 ２．３．１电动轿车的布置形式分析 由于电动汽车的结构布置灵活性特点，电动汽车的布置形式可以有多种形 式‘”硎。电动汽车的动力源电池组的布置应考虑到：单元电池的外行、尺寸及 导线连接方式，安全性，前后轴的载荷分配，散热及温度的控制，维护和更换 方便。另外，还要考虑空间，整车质量，质心位置等。（１）蓄电池布置在后排座椅的后下部，电动机前置，前轮驱动。布置如图 ２―８所示。前驱动方式使整车结构紧凑，有利于其它总成系统的安排，在转向和 加速时的行驶稳定性较好。但在上坡时前轮附着力减少，易打滑；前轮驱动兼 转向，结构复杂，使车辆维修不便…’。另外，蓄电池占据了后排座椅的空间。 香港大学Ｕ２００１一Ｅｖ纯电动轿车就是采用这种布置，性能参数如表１－２。采用这 种布置形式的还有美国通用汽车公司研发的纯电动轿车ＥＶＩ，Ｔ形布置的蓄电 池，蓄电池布置在车身底部，采用电动机前置，前轮驱动，采用脊梁式车架， 在脊梁中安装Ｔ行布置的蓄电池。卜电动机驱动系统；２－动力电池 图２－８典型布置形式１（２）蓄电池布置在底盘中部和座椅的地板下面，电动机前置，前轮驱动。这种布置形式蓄电池横向分散，可以保证车厢有宽大的乘座空间，行李仓也有 宽大的装载空间。代表车型是丰田汽车公司的ＲＡＶ４－ＥＶ，该车采用免维修密封型 Ｎｉ一心动力电池，永磁电动机前置，前轮驱动。布置如图２－９所示。采用同样布 置形式的还有本田汽车公司的ＥＶ－Ｐｌｕｓ，其动力电池是镍一氢电池串联而成的， 采用一台本田汽车公司白行研发的稀土永磁无刷直流电动机作为驱动电动机， 电动机前置，前轮驱动。卜电动机驱动系统；２一动力电池图２－９典型布置形式２（３）蓄电池布置在后面行李仓内，电动机前置，前轮驱动。这种布置形式，可以实现更宽大的乘坐空间，损失的是行李仓的空间，布置如图２―１０所示。同 样，也可以蓄电池前置，电动机后置，后轮驱动有利于车轴载荷分配均匀，车 辆操纵稳定性、行驶平顺性都较好。卜电动机驱动系统；２一动力电池 图２―１０典型布置形式３（４）采用轮毂驱动电动机驱动，电动机可以装在电动汽车的车轮轮毂中， 直接驱动电动汽车的驱动轮，蓄电池可以布置在车身底部，或者布置在行李仓 内，如图２一ｌｌ。这种布置结构简洁，更加节省了空间。代表车型比亚迪汽车公 司的纯电动汽车ＥＴ。卜轮毂电动机驱动系统；２一动力电池 图２―１ｌ典型布置形式４２．３．２电动轿车的总体布置 综上所述，考虑原车的结构，本文采用的前文所述的蓄电池布置在行李仓 内，电动机前置，前轮驱动结构布置形式。保留原车的行驶系统，电动机、控 制器布置在原车发动机位置，前轮驱动。电动机输出端连接减速器输入端，经 过差速器输出左右半轴驱动左右车轮。为了使前后轴荷分配合理，保证汽车有 良好的动力性、通过性和操纵稳定性，分散了动力蓄电池的布置，整车总布置 简图如图２－１２所示。电动轿车的整车基本参数如表２―５所示。１卜动力电池组；２一减速器；３一电动机；４－控制器 图２―１２整车布置简图表２－５整车基本参数 序号１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｉ０ １ｌ １２ １３ １４ １５参数名称 长×宽×高（１ｌＪｍ）参数值３５６０×１６００×１６７０ ２３３５轴距（ｍ） 前／后轮距（ｍ）最小离地间隙（ｍｍ） 接近角／离去角（。） 整车装备质量（妇） 最大装载质量（ｋｇ） 前轮所占载荷比（％） 车辆质心高度（哪） 车辆迎风面积（ｍ２） 轮胎规格 前悬挂形式 后悬挂形式 前制动器类型 后制动器类型１３６０／１３５５１１５２１／３５１２４８３００ ５５ ５００ ２．４１６５／６０Ｒ１４麦弗逊独立悬架 整体式非独立悬架 盘式 鼓式２．４本章小结 （１）在分析电动汽车驱动系统布置形式的基础上，鉴于目前的条件，对燃 油轿车改装设计，确定本文电动轿车采用机电集成化驱动布置方式的驱动系统布置形式。（２）鉴于无刷直流电机既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便， 又具备直流电机那样良好的调速性能的优点，故选择其为驱动电动机。考虑成 本问题，铅酸电池以其电压较高，价格便宜，规格齐全的优点，目前在仍在电 动汽车上广泛应用，故本文选择铅酸蓄电池作为整车动力源。 （４）在整车基本参数的基础上，运用了汽车理论、电动机和电池的相关知 识，对电动机、传动比、电池的主要特性参数进行设计与匹配计算，可以实现 整车参数的合理匹配。 （３）电动汽车的结构特点使其结构布置灵活多样，在分析国内外典型电动 轿车所采用的结构布置形式的基础上，根据本文所选择的电动机与蓄电池、对 本文的电动轿车进行总体布置。第三章电动轿车动力系统的仿真模型建立在整车匹配方案和部件确定了以后，也需要对整车的设计进行初步的检测 和评定，可以依靠高效的计算机对整车系统包括关键部件进行仿真，得到整车 的性能状态，从而方便了设计者的工作。在研究和开发电动汽车过程中，关键 部件的选择和最佳结构的选择，都需要能够很快缩小研究的范围和找到技术的 突破口，特别是在技术方案的选择阶段，在系统和关键部件的选择上，通过交 替使用待选的系统和关键部件提供的参数和规格，选择最佳方案。电动汽车的 仿真模型的建立是在数学模型的基础上的，数学模型又是建立在力学或电学模型的基础上的。专门针对电动汽车性能仿真的工具主要有：由美国可再生能源实验室（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ＥｎｅｒｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件环境下Ｖｅｈｉｃｌｅ开发的仿真软件ＡＤＶＩＳＯＲ（ＡＤｖａｎｃｅｄＳｉｍｕｌａｔＯＲ）。该软件从１９９４年开始开发与使用，它也是目前世界上能在网站免费下载和用户数量最多的电动汽车仿真软件‘～，其中提供了丰富的部件模型。美国Ａｒｇｏｎｎｅ国家实验室（Ａｒｇｏｎｎｅ ＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，简称ＡＮＬ）开发了ＰＳＡＴ。ＰＳＡＴ也提供了丰富的部件模型库，使用者可以选择不同级别的部件模型进行仿真””。另外，一些 电动汽车研究者也开发了电动汽车仿真工具，如香港大学电动汽车国际研究中 心的研究人员开发的ＥＶＳＩＭ，吉林大学开发的电动汽车仿真软件ＣＨＥＶ２００２等。 本文的计算机仿真模型是应用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件建立的。ＭＡＴＬＡＢ是 ＭａｔｈＷｏｒｋｓ公司开发的科技应用软件，该软件有三大特点：一是功能强大（数值 计算和符号计算、计算结果和编程可视化、数学和文字统一处理、离线和在线 计算）；二是界面友善、语言自然（指令表达与标准教科书的数学表达式相近）； 三是开放性强。ＭＡＴＬＡＢ的这些特点，使其成为应用学科计算机辅助分析、设计、 仿真的基础软件。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是基于ＭＡＴＬＡＢ平台的动态系统进行建模、仿真和分 析的软件包。它提供一种图形化的交互环境，可以迅速地建立起系统框图模型。 它与ＭＡＴＬＡＢ的无缝结合可以利用ＭＡＴＬＡＢ的丰富资源，建立仿真模型，监控仿 真过程，分析仿真结果。 ３．１车辆行驶动力学仿真模型 车辆行驶动力学模型是依据车辆的当前的行驶状态，计算汽车的驱动力和 行驶阻力，主要是建立在力学模型基础上的。根据前文的叙述，可建立的车辆 行驶动力学模型如图３－Ｉ所示。上面部分是后向仿真路径，模型中主要有滚动 阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力的计算，具体计算公式如式２―１１。生图３－ｌ车辆行驶动力学仿真模型模型的下面部分是前向仿真路径。根据可用的驱动力和请求车速，来计算 车辆能够达到的实际速度。若请求车速为ｈ，实际车速为ｖ２，时间步长为ｄｔ， 则根据汽车行驶方程式式２－１，２－１ １可得：罴Ｖ：２＋（鲁］ｖ２＋（懈驴ｃ。ｓｃ口，＋ｓ衄纠一锄去一Ｅ）＝。ｃｓⅢ令口：型６；丝ｄｔｃ＝ｍｇ（ｆｃｏｓ（口）＋ｓｉｎ（口））一翻去一只?求解这个方程，得到实际速度：３．２车轮仿真模型’，’＝一“：＝垒±塑二丝３ｌ（３―２）～Ｊ―Ｚ，车轮模型如图３－２。其中上半部分为后向仿真，下半部分是前向仿真。在后 向仿真路径中，驱动力控制模块的作用是根据汽车行驶的附着条件计算最大的 驱动力限制；另外，车轮模型考虑了车轮滑移工况下，车轮所能达到的转速。还考虑了车轮的损失转矩消耗、车轮的惯性转矩消耗。在前向仿真路径中，根 据制动力的分配关系计算前后轮的制动力。图３－２车轮仿真模型在后向仿真中，车轮模型接收车辆模型传递的请求驱动力兄和车速“，然 后将其转换为车轮的转矩和转速。这一过程受到两个限制： 一是汽车驱动力受路面附着力的限制，其计算公式为：兄＝ｍｉｎ（Ｆ。，只Ｊ式中：Ｅ一附着力。另外车轮转速受滑动率的限制。车轮转速的计算公式为：（３～３）国，：―ｕＯ＋―ｓ）（３－４）式中：ｓ一车轮滑动率，驱动时取＋号，制动时取一号。请求从传动系统到驱动轮的驱动转矩的计算公式为： 正＝乃＋乃ｌ＋％ 式中：乃―传动系统的驱动转矩； 死―驱动轮的损失转矩；（３－５）死一驱动轮的惯性转矩。其中乃的计算公式为：乃＝，帆一Ｅ）式中：，一轮胎半径；（３－６）Ｅ一制动力。 在计算出巧和‰后，车轮模块将其传递给减速器模块。在前向仿真中，车轮模块接收减速器传递的传动系统提供的可用转矩ｒ和 转速国，计算出可用的驱动力和速度，最后传递给车辆模块，得到实际的汽车行驶速度。实际驱动轮的驱动力的计算公式为：“昂：互：型！， ，（３―７）实际汽车驱动力的计算公式为： Ｅ＝只ｌ＋最ｌ＋兄２（３―８）式中：晶、Ｅ：一前后轮制动力。实际车速的计算公式为：铲焉（３－９）式中：窖一车轮滑动率，驱动时取＋号，制动时取一号。 可以看出，车轮模块的前向仿真实际是后向仿真的逆计算过程，只不过后 向仿真的计算过程比前向仿真多了驱动力和路面附着力的限制。 ３．３电动机仿真模型 ３．３．１电动机的数学模型 分析无刷直流电动机的数学模型和电磁转矩等特性，若假定：绕组完全对 称、主电路电流连续、磁阻恒定、忽略粘性摩擦，可得到无刷直流电机的电压 平衡方程‘３’…，可以用以下的状态方程表示：屹 ％ ％卜Ｍ一０Ｍ Ｌ―００／，ｉｄ膦００尺Ｏ ０Ｏ ０ Ｒｌ赢 Ｉｄｔ＋Ｏ ＯＲ ０Ｌ－Ｍｐｃ｜ｄｔ＋巨（３－１０）式中：“。、‰、“。一分别为定子相绕组电压（Ｖ）； 屯、‘、ｔ―分别为定子相绕组电流（Ａ）； ｅａ、ｅｂ、Ｐ，―分别为定子相绕组电动势（Ｖ）； Ｒ一为每相绕组的电阻（Ｑ）；三一为每相绕组的自感（Ｈ）；Ｍ一为每两相绕组问的互感（Ｈ）。根据电压平衡方程（式（３一１０））可以得到电动机的等效电路图”“，如图３―３ 所示。“―芒―＝ｏ√嚣卜――］。‰―芒―二＇＿ｒＹ钱１ｊ叫‰白￡ｎ掣ｎ图３－３无刷直流电动机等效电路图９（３－１１）电动机的电磁功率可表示为：Ｐｔ＝ｅａｉａ七ｅ摹ｂ＋ｅ３。则，电磁转矩可表示为： 这样，电动机的电磁转矩ｔ为：疋：墨 国（３－１２）￡：盟立邋国（３―１３）式中：国一为转子机械角速度。由上式可以看出，无刷直流电动机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似， 其电磁转矩大小与电流成正比，所以控制电流即可控制无刷直流电动机的转矩。无刷直流电动机的运动方程为：ｔ：．，掣＋Ｂ国－４－疋 讲。。（３―１４）式中：‘，一电动机的转动惯量。Ｂ一阻尼系数；正一负载转矩；实际电动机工作中，要考虑电动机的效率。当电动机工作于电动状态时， 电动机的效率为输出功率与输入电功率的比值，即：，７Ⅲ２乙‰９５４９‰一一式中：咒一电动机工作时的输出转矩； ｎ。一电动机工作时的输出转速； 匕。。一电动机电动状态的输入电功率。（３一１５）当电动机工作在发电状态时，电动机的效率为输出电功率与输入机械功率的比值，即： １” ９５４９Ｐ．。ＭＬ珂。（３―１６）式中：，ｋ。一电动机发电状态的输出电功率。３．３．２电动机的仿真模型 电动机仿真模型将车辆请求的转矩和转速转换为对蓄电池的功率请求，并 将蓄电池实际输出的功率转化成转矩和转速的输出。电动机仿真模型如图３―４。 模型中包括转速限制、转矩限制、转动惯量作用、功率计算、电动机控制等模 块。模型的上半部分是后向仿真，根据前面路况的需求转矩和转速计算得出向 电池请求的功率。模型的下半部分是前向仿真，根据电池所能提供的功率，计 算电动机的实际输出转矩和转速。州ｍ】．伸口计图３＿４电动机仿真模型转速限制和转矩限制模块的作用是限制请求转速缈和转矩ｒ不能超过电动 机的最大转速ｎ＇嘲和当前转速对应的最大转矩ｚ＇眦。。即：国＝ｍｉｎ（ｍ，，‰）（３―１７） （３―１８）Ｔ＝ｍｉＩｌ也＋乃，ｋ。）式中：国，一请求转速；ｎｋ一电动机的最大转速；￡―请求转矩； Ｌ一转动惯量消耗转矩； ｚＴ眦。一电动机∞转速时的最大转矩。 转动惯量作用模块是考虑电动机旋转部件所消耗的转矩。转动惯量所消耗 的转矩计算公式为： ｒ，：，皇竺。讲（３一１９）功率计算模块是根据转矩和转速来计算功率。３．４蓄电池仿真模型 ３．４．１铅酸蓄电池的数学模型 蓄电池的ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型主要有四种：阻一容模型、内阻模型、 基本的铅酸模型、神经网络的铅酸电池模型。相对而言，内阻模型是一种较实 用的仿真模型，首先它面对的仿真对象是铅酸蓄电池，其次它在仿真模型的结 构与建模思路上易于理解，各仿真参数的变化更接近于电池实际工作中各参数 性能的变化。但其缺点是精度不高。本文采用内阻仿真模型。内阻模型是由美 国爱达荷国家实验室设计的。。，它用理想的电压源来描述电池的开路电压。电 池内阻、开路电压是ＳＯＣ和温度的函数，在同一ＳＯＣ放电和充电时的内阻值不 等…’。铅酸电池的等效电路如图３―５所示。＋Ｖｏｃ图３－５电池等效电路电池的输出功率：Ｐ＝订（３―２０）根据Ｋｉｒｃｈｏｆｆ定律有，蓄电池的端电压为：ｙ＝‰一彤式中：Ｆｏｅ一电池电动势； Ｒ一电池的内阻。电池的内阻包括欧姆内阻和极化内阻，即：Ｒ＝Ｒ。＋Ｒｒ（３―２１）（３―２２）两式结合得到：脚２一‰Ｉ＋Ｐ＝０的结果是：（３―２３）求解方程，根据等效电路开路电压矿小于电池的电动势砌ｆ矧，所以方程求解，：坚二』堕二！竺（３－２４）当对电池充电时，充电电压一定不能超过电池的最大电压。最大充电电流 （充电电流为负）方程为：，：堕二坚２ Ｒ电阻与Ｓｏｃ的关系“…。 （１）铅酸蓄电池的电动势的确定（３―２５）蓄电池的参数主要是基于试验测试数据得到的电动势与ＳＯＣ的关系，电池铅酸蓄电池的电动势是随着电池的荷电状态Ｓｏｃ和温度变化的，不考虑温 度的影响，电池的电动势通常以ＳＯＣ为单值变量，采用分段性函数表示。本文 根据《中华人民共和国国家标准一电动道路车辆用铅酸电池》ＧＢ／Ｔ １８３３２．卜２００１ 标准…，对电池进行放电试验，测得放电时间、电压和电流。结合试验数据， 得铅酸蓄电池的电动势与ＳＯＣ关系的计算公式如下：Ｖｏｃ＝１０．６７＋１．８６ＳＤＣ Ｖｏｃ＝６．３１＋１０．７０ＳＤＣ Ｏ．６ＳＳＤＣＳｌ０．４≤ＳＯＣ≤０．５ （３－２６）致＂＝９．８９＋ｌ。７５ＳＯＣ￥ＯＣ＜０．４（２）铅酸蓄电池的内阻的确定铅酸蓄电池的内阻：铅酸蓄电池的内阻包括欧姆电阻和极化电阻，二者之 和为电池的全内阻，欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大， 但不是直线，常随电流密度的对数增大…。 欧姆电阻主要由电极材料、电解液、隔膜的电阻以及各部分零件的接触电 阻组成。它与电池的尺寸、结构、电极的成型方式以及装配的松紧度有关。 铅酸蓄电池欧姆内阻兄。随荷电状态的变