畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目：電動汽車的電動機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化
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II
摘 要 III
Abstract IV
第一章 緒論 1
1.1 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 1
1.2 設(shè)計(jì)的背景 1
1.2 電動汽車基本結(jié)構(gòu) 1
1.3 電動汽車在國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀 1
1.3.1 國內(nèi)電動汽車發(fā)展?fàn)顩r 1
1.3.2 國外電動汽車發(fā)展?fàn)顩r 2
第二章 電動汽車的電動機(jī)參數(shù)的確定 3
2.1 電動機(jī)等布置方案的選擇 3
2.2 選擇整車參數(shù)和性能指標(biāo) 6
2.3 電動機(jī)參數(shù)匹配 7
2.3.1 電動機(jī)類型選擇 7
2.3.2 確定電動機(jī)參數(shù) 8
2.4 動力電池的選擇 10
2.4.1 選擇電池類型 11
2.4.2 確定電池組參數(shù) 12
2.5 確定傳動系統(tǒng)參數(shù) 13
2.5.1 選擇傳動系統(tǒng)變速器 13
2.5.2 傳動系傳動比設(shè)計(jì) 14
2.6 各項(xiàng)匹配結(jié)果 15
第三章 基于ADVISOR 的電動汽車建模仿真 16
3.1 建立整車模型 16
3.1.1 建立車身模型 16
3.1.2 建立傳動系統(tǒng)模型 17
3.1.3 建立電動機(jī)模型 18
3.2 整車性能仿真 19
第四章 全文總結(jié) 22
參考文獻(xiàn) 23
致 謝 24
摘要
電動汽車的電動機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化
摘 要
針對目前全球能源狀況和環(huán)境問題，各個國家積極響應(yīng)節(jié)能環(huán)保的號召。交通運(yùn)輸業(yè)涉及到世界能源消耗的一大部分，目前人們更加需要的是節(jié)能環(huán)保型的交通工具， 因此發(fā)展電動汽車成了當(dāng)務(wù)之急。
本文介紹電動汽車基本結(jié)構(gòu)和電動汽車對國內(nèi)外發(fā)展的影響；設(shè)計(jì)電動汽車傳動布置方案，對電動機(jī)等傳動系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行選擇計(jì)算；運(yùn)用 ADVISOR 仿真軟件建立整車模型，并將整車參數(shù)和計(jì)算結(jié)果輸入到新歐 NEDC 循環(huán)工況下得到仿真結(jié)果；通過結(jié)果和理論值進(jìn)行對比，分析本次設(shè)計(jì)的電動機(jī)參數(shù)對于整車經(jīng)濟(jì)動力性的影響， 驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的合理性。
關(guān)鍵字：電動汽車；電動機(jī)參數(shù)；匹配選型；建模仿真
III
abstract
Design and optimization of motor parameters for electric vehicle
Abstract
In response to the current global energy situation and environmental issues, various countries respond positively to the call of energy conservation and environmental protection. Transportation is a major part of the world's energy consumption. At present, people need more energy saving and environmental protection. The development of electric vehicles has become a pressing matter of the moment, but to the current electric vehicle battery technology has not been a huge change and breakthrough, we have to do is to start from the rational design of electric vehicle power transmission system.
At the beginning of this thesis is the analysis of the basic structure of electric vehicles, electric vehicles as well as the analysis of the development of domestic and foreign; design of electric vehicle drive layout of motor drive system, the selection of design, selection results; simulation software is built based on the model, and the vehicle parameters and matching result is input to the cycle simulation results are obtained; finally, the results and theoretical comparison, draw the conclusion for the vehicle economy power, verify the rationality of the design.
Keywords: Electric Vehicle, Motor parameter, matching selection, modeling simulation
IV
第一章 緒論
第一章 緒論
1.1 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
本次設(shè)計(jì)通過選擇一組電動汽車的整車參數(shù)，根據(jù)汽車的動力性，經(jīng)濟(jì)性要求，設(shè)計(jì)相匹配的電動機(jī)參數(shù)，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。
1、簡述電動汽車發(fā)展情況和國內(nèi)外現(xiàn)狀。
2、和普通汽車作比較選擇本次設(shè)計(jì)用的電動汽車電動機(jī)的布置形式。
3、根據(jù)汽車的基本參數(shù)，計(jì)算電動機(jī)參數(shù)，在ADVISOR中建立整車和電動機(jī)各部分的模型，并進(jìn)行動力性仿真。
4、對整車動力性仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證電動機(jī)和整車參數(shù)匹配性。
1.2 設(shè)計(jì)的背景
目前，世界能源也是越來越匱乏，環(huán)境污染問題嚴(yán)重，隨著能源的減少和環(huán)境的惡化，人們更加需要的是節(jié)能環(huán)保型的交通工具。在各國大力提倡下，電動汽車作為最有發(fā)展前景的交通工具之一迅速崛起。電動汽車是一種更加便捷經(jīng)濟(jì)的新型交通工具，具有突出的環(huán)保方面的優(yōu)勢[1]。因此，發(fā)展電動汽車也是成為了汽車的主要研發(fā)項(xiàng)目，各方面的技術(shù)需要去進(jìn)一步去設(shè)計(jì)優(yōu)化。
1.2 電動汽車基本結(jié)構(gòu)
電動汽車可以通過采用電動機(jī)驅(qū)動的方式給汽車提供動力[2]，同時，也需要依靠電池作為能源供給。電動汽車的主要構(gòu)成有車身、汽車底盤、電力驅(qū)動控制系統(tǒng)和輔助裝置等。電動汽車的結(jié)構(gòu)和功能和普通汽車基本相同，唯一的區(qū)別是電力驅(qū)動控制系統(tǒng)，它影響著電動汽車的構(gòu)成和性能特征。
1.3 電動汽車在國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀
1.3.1 國內(nèi)電動汽車發(fā)展?fàn)顩r
從上世紀(jì) 60 年代開始，我國從傳統(tǒng)汽車研究發(fā)展到電動汽車，國內(nèi)企業(yè)、高校都致力于電動汽車的研究，由負(fù)責(zé)研發(fā)工作的有上汽、奇瑞、上海交大、天汽和中汽研究中心。其中由香港大學(xué)研制的 U2001 轎車最高速度為 110km／h， 0～48km／h 的加速時間為 6.3S，以 88km／h 的速度行駛時，一次充電的續(xù)駛里程為 l76km[3]。政府政策方面也是大力支持電動汽車的發(fā)展，許多企業(yè)也是開始把電動汽車的研發(fā)作為主要的經(jīng)營方向。到 2006 年的時候，我國首批電動汽車取得產(chǎn)品準(zhǔn)入公告，正式開辟了國內(nèi)電動汽車發(fā)展的道路。
到了 2015 年，國家也是發(fā)布了電動汽車發(fā)展的法規(guī)，我國的電動汽車也將
9
快速發(fā)展起來。
目前，從電機(jī)方面來講，我國基本覆蓋了 200 千瓦以下的電動汽車車用電機(jī)動力的需求。驅(qū)動電機(jī)的功率密度、效率這些技術(shù)水平與國際水平基本相當(dāng)，峰值功率大多在 2.8-3000 瓦/公斤。我國現(xiàn)在也正在開發(fā)高轉(zhuǎn)速電機(jī)，而且也得到
了應(yīng)用，最高的轉(zhuǎn)速現(xiàn)在能夠達(dá)到 12000 轉(zhuǎn)的水平。
1.3.2 國外電動汽車發(fā)展?fàn)顩r
在國外電動汽車的發(fā)展過程中，各國都運(yùn)用自己各自的技術(shù)和研發(fā)方向，也是都有取得大大小小的成果。其中技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)主要在日本和歐美。
從 1970 石油危機(jī)后，日本迫于石油壓力也是開始了電動汽車的發(fā)展戰(zhàn)略，
目前，日本也是提出了到 2050 年為止，電動汽車產(chǎn)量達(dá)到 880 萬輛的戰(zhàn)略目標(biāo)。美國方面，在電動汽車行業(yè)，其擁有最大的市場。美國電動汽車的發(fā)展在三
大公司和能源部的支持下，在電機(jī)、電池、驅(qū)動系統(tǒng)等方面都有長足的進(jìn)展。目前，美國也是從純電動汽車轉(zhuǎn)到燃料電池汽車的研究，隨著電動汽車的陸續(xù)推出， 美國也是陸續(xù)推出各項(xiàng)措施，包括投資新能源項(xiàng)目，新能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。后續(xù)制定了電動汽車的四大標(biāo)準(zhǔn)，使電動汽車領(lǐng)域的體系不斷得到完善。
歐洲方面，延續(xù)一貫的新能源研發(fā)技術(shù)，歐洲傾向于純電動汽車的研究，在進(jìn)入 21 世紀(jì)后，歐洲的汽車業(yè)慢慢推出了屬于他們自己獨(dú)立研發(fā)的燃料電池汽車和純電動汽車，其研制的雪鐵龍 C-zero 依靠一臺永磁同步電動機(jī)，其最高時速可達(dá) 130km/h，續(xù)航可到 160km。另一款奔馳 smart 利用鋰離子提供電能，每百公里僅消耗 12kw·h 的電量，是目前最節(jié)能的電動汽車之一。
隨著電動車款逐步發(fā)展、充電網(wǎng)路也逐漸完善，歐洲消費(fèi)者也越來越愿意嘗試購買行駛中零排放的純電動車款，消費(fèi)習(xí)慣的逐步轉(zhuǎn)移讓 2017 年歐洲電動車款銷量大幅成長 38%，對比去年同期僅成長 2.9%。純電動汽車的發(fā)展成為了一股不容小覷的趨勢。
第二章 電動汽車的電動機(jī)參數(shù)的確定
第二章 電動汽車的電動機(jī)參數(shù)的確定
2.1 電動機(jī)等布置方案的選擇
電動汽車和普通轎車一樣也有多種動力系統(tǒng)布置形式?？梢酝ㄟ^合理布置來提升汽車的動力、經(jīng)濟(jì)、舒適性。傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)布置方式有四種，下面簡單講下幾種動力系統(tǒng)的布置方式和結(jié)構(gòu)，從中選出適合本設(shè)計(jì)的布置方案。
圖 2-1 傳統(tǒng)汽車驅(qū)動布置方式
1-電動機(jī) 2-離合器 3-變速器 4-傳動軸 5-驅(qū)動橋 6-轉(zhuǎn)向器
如圖 2-1 所示是利用電動機(jī)代替發(fā)動機(jī)，作為改裝后的電動汽車，布置方式與傳統(tǒng)的汽車一樣，都有變速器和離合器。只是用電動機(jī)替代了普通轎車的發(fā)動機(jī)。這種布置方式增大了電動汽車的低速時的轉(zhuǎn)矩，使電動汽車在速度較低時有較高的行駛功率。
圖 2-2 組合布置方式
1-轉(zhuǎn)向器 2-電動機(jī)驅(qū)動橋組合式驅(qū)動系統(tǒng)
如圖 2-2 中把變速器和離合器排除，這種布置方式具有較高的傳動效率并且能使車輛緊湊，安裝更加簡單。但是這類型的布置方式對于電動機(jī)的要求比上一種要高，要求在具有較大的轉(zhuǎn)矩的同時，也能發(fā)出足夠的行駛功率，從而使電動汽車有足夠的動力性，包括起動、爬坡和超車這幾方面。
圖 2-3 整體式布置方式
1-轉(zhuǎn)向器 2-電動機(jī)驅(qū)動橋整體式驅(qū)動系統(tǒng)
如圖 2-3 所示是驅(qū)動橋整體式。這種是把電動機(jī)直接安裝在驅(qū)動軸上，來起到變速和差速轉(zhuǎn)換的作用。這種布置方式對于電動機(jī)的要求較高，大的起動轉(zhuǎn)矩和后備功率，為了使汽車安全和行駛平穩(wěn)，對于控制精度和可靠性的要求也變高。
圖 2-4 輪轂布置方式1-轉(zhuǎn)向器 2-輪轂電動機(jī)
如圖 2-4 所示是輪轂電機(jī)式。這種方式和上一種方式比較像，直接將驅(qū)動電機(jī)安裝在車輪上，可以縮短甚至去掉電動機(jī)與車輪之間的傳動裝置[4]。所以，這種方式使得電動汽車的結(jié)構(gòu)更為緊湊。電動汽車在改裝后要對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證匹配，包括電動機(jī)、電池、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，同時要合理布置各部分的連接和載荷等。
目前，電動汽車的設(shè)計(jì)主要有兩個方面，一個是改裝設(shè)計(jì)，一個是全新設(shè)計(jì)。改裝設(shè)計(jì)是將類似的傳統(tǒng)汽車移除其內(nèi)燃機(jī)，換成電動機(jī)。可以借用車架上下及汽車座椅的空間來安放動力電池。本次在對傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置時，有兩種可行的方案，一方面是采用原來傳統(tǒng)汽車上部分傳動裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，另一方面是進(jìn)行全新的匹配設(shè)計(jì)，不同的設(shè)計(jì)方案會使得車輛的整車動力性、經(jīng)濟(jì)性有很大的差異。
在上圖幾種動力系統(tǒng)布置形式和本次所選擇的電動汽車的基礎(chǔ)上，最終選擇本次設(shè)計(jì)電動汽車動力系統(tǒng)布置方案，并選擇能夠滿足整車動力性的電動機(jī)、動力電池，設(shè)計(jì)計(jì)算相匹配的參數(shù)，設(shè)計(jì)合理的傳動系統(tǒng)參數(shù)，如圖 2-5 所示。
圖 2-5 所選傳動系統(tǒng)總布置圖
1-電動機(jī) 2-變速器 3-減速器和差速器組合 4-動力電池
本次設(shè)計(jì)最終選擇電動機(jī)前置前驅(qū)的布置形式，其中把控制器和電池裝在后輪的車架，電動機(jī)提供的動力通過變速器和減速器再經(jīng)過半軸輸送到車輪。該種布置方式安裝方便，可以滿足電動汽車起動、加速和爬坡時需要的較大的轉(zhuǎn)矩要求。
2.2 選擇整車參數(shù)和性能指標(biāo)
根據(jù)某種改裝型電動汽車，通過分析其動力傳動特性，初步選擇基本參數(shù)如表 2-1 所示。
表 2-1 本次所選電動汽車整車參數(shù)
整車外形尺寸（mm）
4038/1720/1500
迎風(fēng)面積 A（m2）
2.136
整車質(zhì)量（Kg）
1450
續(xù)駛里程（Km）
150
離地間歇（mm）
120
傳動效率ηT
0.9
前/后輪距（mm）
1460/1445
車輪滾動半徑 r（m）
0.29
軸距（mm）
2500
空氣阻力系數(shù) CD
0.38
輪胎規(guī)格
185/55R15
滾動阻力系數(shù) f
0.014
驅(qū)動方式
前置前驅(qū)
動力電池
鋰離子電池
在不同的行駛情況下，也要不斷地對電動汽車的性能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，結(jié)合加速和坡道等行駛過程中，汽車的最高車速、最大爬坡度、加速時間和續(xù)航時間， 以及參考國內(nèi)外電動汽車發(fā)展?fàn)顩r， 初步確定以下參數(shù)要求：最高車速為50Km/h；最大爬坡度：30%；加速時間：6.5s（從 0 到 50km/h）；動力電池的容量：續(xù)航里程可以達(dá)到 150 公里。
2.3 電動機(jī)參數(shù)匹配
電動機(jī)的工作原理就是利用電能將其轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，從而帶動使其他傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動起來，可以說是電動汽車的核心。其中通過選擇電動機(jī)的參數(shù)，進(jìn)而選擇與之參數(shù)相匹配的其他動力傳動機(jī)構(gòu)。通過參考整車參數(shù)，可以根據(jù)電動汽車的性能特性方面初步選擇出適合某種型號汽車的電動機(jī)參數(shù)。確定電動機(jī)的基本參數(shù)時，先是要確定最大功率和轉(zhuǎn)速和額定的功率和轉(zhuǎn)速，考慮到電動機(jī)安裝時的方便性和成本方面，電動機(jī)的體積和質(zhì)量的選擇也會有所影響。所以，選擇電動機(jī)參數(shù)的時候要從動力性、經(jīng)濟(jì)性和安裝特性三方面去考慮，在已經(jīng)確定布置方案的基礎(chǔ)上，以下先進(jìn)行電動機(jī)的選型。
2.3.1 電動機(jī)類型選擇
電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)要求電機(jī)具有較高的可靠性、耐久性、適應(yīng)性。電動機(jī)在運(yùn)行過程中，要滿足各種工況下的要求，包括起動、加速、爬坡、停車等[5]。要考慮到電動機(jī)在汽車內(nèi)的振動和沖擊，使用時間過長，積累灰塵的問題，另外在潮濕的工況下運(yùn)行時是否會有影響。電動機(jī)運(yùn)行時因?yàn)榇蠖嗍翘幵诟邷厍闆r下的，所以還要考慮電動機(jī)運(yùn)行時的高溫特性。另外，因?yàn)槠囆旭倳r經(jīng)常會有起動和加速的過程，速度的變化范圍較大，所以需要電動機(jī)具有在低速是有較大轉(zhuǎn)矩和高速時功率恒定的特性。
電動機(jī)的類型按工作電源種類劃分有直流電機(jī)、交流電機(jī)；從工作得到原理和電動機(jī)結(jié)構(gòu)來看，有直流電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)。現(xiàn)在選擇目前主要使用的幾種電機(jī)進(jìn)行分類比較如表 2-2 所示。
表 2-2 各類電機(jī)參數(shù)表
類型
直流電動機(jī)
交流感應(yīng)電動機(jī)
開關(guān)磁阻電動機(jī)
永磁電動機(jī)
結(jié)構(gòu)
定子、轉(zhuǎn)子
結(jié)構(gòu)簡單、牢固
磁阻電機(jī)、開關(guān)電路控制器
永磁體
質(zhì)量
重
輕
中
中
最大轉(zhuǎn)速（rpm）
3400--4500
7000-13000
>11000
3500-9000
效率（%）
62-73
82-89
65-81
89-95
可靠性
低
優(yōu)
一般
優(yōu)
價(jià)格
高
低
一般
高
優(yōu)點(diǎn)
動力性傳遞方便
速度變化靈活
工作效率高
工作能量大
缺點(diǎn)
容易產(chǎn)生火花，
電磁不便維修復(fù)雜
控制繁瑣
轉(zhuǎn)矩波動大，非線性特性
要檢測轉(zhuǎn)子磁
極位置，永磁體退磁
運(yùn)用前景
初期廣泛使用， 后期前景不好， 劣勢大
近年來廣泛使用
技術(shù)限制未成熟
適合純電動汽車等
考慮到電動汽車起動、加速、電動機(jī)的使用壽命和噪音這幾點(diǎn)，永磁無刷直流電機(jī)有其良好的起動和變速作用、成本低、平均使用壽命較長、噪音控制和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對于目前本次設(shè)計(jì)中電動汽車的整車參數(shù)要求，永磁同步電動機(jī)的效率、功率密度等綜合性能更加具有競爭力[6]，所以選擇永磁無刷直流電機(jī)作為本次設(shè)計(jì)用電動機(jī)。
2.3.2 確定電動機(jī)參數(shù)
1. 由最高車速計(jì)算電動機(jī)功率由電動汽車行駛消耗的功率得：
Pumax =
umax
+ CDA 76140
u3 (2.1)
max
其中，umax 作為最高行駛車速，單位 km/h；CD 則代表的是空氣阻力系數(shù)；f 則是滾動阻力系數(shù)；其中 A 是迎風(fēng)面積，單位 m/s2；M 代表的是整車質(zhì)量，單位 Kg。
把電動汽車整車參數(shù)帶入公式 2.1 得到：
Pumax =
× 50 + 0.38 × 2.136 × 503 = 40.27 Kw
78140
2. 由汽車爬坡度計(jì)算電動機(jī)功率已知汽車爬坡時電動機(jī)功率公式為
P = u
+ CDA u3 + Mg sin arctani u
(2.2)
imax
a 76140 a
3600 a
假設(shè)汽車爬坡時的速度設(shè)定是 25km/h，用 ua 表示。將汽車整車參數(shù)帶入 2.2
有：
Pimax =
× 253 + 1450 × 9.8 × sin arctan 30%
3600
× 25 + 0.38 × 2.136
76140
× 25 = 33.16 Kw
3. 由汽車加速性能計(jì)算電動機(jī)功率
因?yàn)槠嚰铀倨鸩筋l繁，加速性能的好壞決定汽車的起步，超車，會直接影響汽車的整體性能[7]。已知汽車加速行駛時的功率為
P = u + CDA
u3 + δM
du u
j 76140 3600 dt
其中，u 代表汽車加速時的實(shí)時車速，單位 km/h，δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，通過查閱相關(guān)資料中 igi0 的值得到δ=1.065；du dt表示汽車加速度，單位 m/s2。
在汽車加速的時候，其瞬時的車速用公式表示是：
x
u = um
其中，um 表示汽車末速度，單位 km/h；x 為擬合系數(shù)，通常取值為 0.5。tm
表示汽車的加速時間，單位 s。
因?yàn)橹挥衅囋诩铀倌┪驳臅r候，電動機(jī)的輸出最大功率最大，由公式：
Pjmax =
δ Mu2
m
3.6di 1 ?
x
+ Mgfum +
CDA 21.15
m
u3 (2.3)
將電動汽車整車參數(shù)代入到 2.3，計(jì)算得：
Pjmax =
0.5
1 ?
+ 1450 × 9.8
19
× 0.014 × 50 + 0.38 × 2.136 × 503 = 30.11 Kw
21.15
以上從最高車速、最大爬坡度和加速性能三方面分別得出電動機(jī)的最大功率，所以為了使選擇的電動機(jī)功率滿足以上條件，最終計(jì)算出合理的最大功率公式為：
Ppeak ≥ max
Σ P , Σ P , Σ P
Umax
imax
jmax
在滿足電動汽車的三項(xiàng)指標(biāo)要求的同時，也要滿足電動機(jī)本身提供的后備功率，所以該電動汽車的最大功率取 Pmax=65Kw。
在傳統(tǒng)電動汽車電動機(jī)設(shè)計(jì)過程中，其中最高車速一般取參數(shù)的 90%，所以本次選擇的永磁無刷直流電動機(jī)所需要的行駛功率可用如下公式表示：
n
P = Mgf + CDA
21.15
2
v
max
(2.4)
即該電動機(jī)所需要的額定功率的最小值。其中 vmax 最高車速，單位 km/h。將電動汽車整車參數(shù)帶入 2.4 得：
P = 1450 × 9.8 × 0.014 + 0.38 × 2.136 × 1202 × 0.9 × 120
= 25 Kw
n 21.15
3600 × 0.9
通過以上計(jì)算整理得出，所選永磁無刷直流電動機(jī)額定功率取 27Kw。由此初步確定并選擇某款電動機(jī)基本參數(shù)如表 2-3 所示。
表 2-3 永磁無刷直流電動機(jī)主要參數(shù)
最大功率（Kw）
68
最大扭矩（N.m）
190
額定功率（Kw）
27
額定扭矩（N.m）
75
最高轉(zhuǎn)速（r/min）
8500
最大電流（A）
360
額定轉(zhuǎn)速（r/min）
3500
額定電流（A）
206
工作電壓（V）
144
工作效率（%）
93.4
電機(jī)重量（Kg）
98
2.4 動力電池的選擇
動力電池作為電動汽車的能量儲存裝置，是目前電動汽車的重要部分之一。其具有使用壽命長、使用安全、可大電流充放電、耐高溫、大容量、無記憶效應(yīng)、體積小、重量輕等特點(diǎn)[8]。在電動汽車?yán)?，要求動力電池具有足夠的功率密度?
能量密度、安全可靠性和使用壽命。
目前電動汽車沒有快速發(fā)展的原因也是因?yàn)閯恿﹄姵?，因?yàn)樵谛阅芎统杀緝蓧K不能做好平衡，所以電動汽車還未得到快速的發(fā)展。所以，在本次設(shè)計(jì)選擇動力電池的時候，主要從電池的性能和成本出發(fā)，選擇一款適合目前確定的電動機(jī)型號的動力電池。
2.4.1 選擇電池類型
本文通過對所確定的電動機(jī)參數(shù)進(jìn)行匹配，最終選出幾種目前常用的幾種動力電池，將這些電池的各項(xiàng)參數(shù)做出表格進(jìn)行對比，如表 2-4 所示。
表 2-4 幾種常見電池性能對比
項(xiàng) 目
鉛酸蓄電池
鋰離子電池
鎳鎘電池
鎳氫電池
能量密度(Wh/L)
130-150
250
130
160
功率密度(W/L)
130
—
—
460
比能量(Wh/Kg)
45-55
110-130
45-55
60
比功率(W/Kg)
220-380
240-450
170-380
150-240
基本電壓
2V
3.6V
1.25V
1.25V
可充電次數(shù)
600-800
700-1100
700-1800
500-1100
能量效率（%）
56
—
56
90
回收利用率（%）
95
60
85
80
充電時間(h)
8-17
<3
5-60
<6
工作溫度（℃）
‐20～60
‐20～60
‐40～60
‐20～60
通過比較幾種常見動力電池，鋰離子電池是目前實(shí)用化動力電池中能量密度最高的電化學(xué)體系，具有較長的使用壽命和較好的安全性[9]。在目前國內(nèi)外形成動力電池研發(fā)的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模后，其制造成本也是在逐漸下降。所以選擇鋰離子電池作為匹配本次所設(shè)計(jì)電動汽車電動機(jī)的動力電池。
2.4.2 確定電池組參數(shù)
在確定電池組參數(shù)的時候，依據(jù)之前所選的電動機(jī)參數(shù)，計(jì)算電池組的工作電壓，電池組的容量：
(1) 確定工作電壓
在電動汽車行駛過程中，電池組要提供電能，在工作過程中保證工作電壓大于電動機(jī)的額定電壓。由下面公式確定電池組電壓：
U ≥ 1000 × Ppeak
0 I0max
(2.5)
其中，Ppthk代表的是電動機(jī)最大功率，單位 kw，由電動機(jī)參數(shù)計(jì)算得Ppthk = 65Kw；I0thx為電池組的最大放電電流，單位 A，I0thx ≤ 300A。將之前的參數(shù)帶入 2.5，計(jì)算得：U0 ≥ 216.67?。
(2) 確定電池組容量
單個電池的電荷量決定了總的電池組的容量。通常情況下，電池容量是在一定條件下，連續(xù)放電直至完畢所能持續(xù)的總時間，或者總電量，起到的是表示該電池的性能參數(shù)的作用，其計(jì)算公式如下：
C = 1000 × Wess
Uess
其中，C 表示電池組的容量，單位 Ah；Wttt表示電池組容量，單位 Kw·h；
Uttt代表的是電池組工作時的平均工作電壓（V）。
在電動汽車?yán)铮姵亟M的總?cè)萘繘Q定改電動汽車所能行駛的最大里程數(shù)，表示了改電池組的續(xù)航能力，由以下公式得：
Wess
= Pele
× t = P
ele ×
(2.6)
Pele =
Vele
+ CDA 76140
V3 (2.7)
ele
其中，Pele表示汽車在平均速度行駛時所消耗的能量，單位 Kw，?ele表示車輛的恒定行駛速度，單位 km/h，Vele = 30Km/h。t 表示車輛總的行駛時間，單位 h；S 為車輛的總里程數(shù)，單位 Km，S = 150Km；把所選電動汽車整車參數(shù)
帶入 2.7 計(jì)算得：
Pele =
× 30 + 0.38 × 2.136 × 303 = 2.154 Kw
78140
把Pele = 2.154Kw 帶入（2.6）：
Wess
= Pele
× t = Pele ×
= 2.154 × 150
30
= 10.77Kw·h
再將Wess = 10.77Kw·h 帶入得：
C = 1000 × 10.77 = 49.04A·h 219.6
考慮到剩余量問題，取 C = 60A·h。
由以上計(jì)算得出，電池組選擇 61 個單個鋰離子電池，其中工作電壓為 220V， 總的電池組容量為 60A·h。
2.5 確定傳動系統(tǒng)參數(shù)
在確定傳動系統(tǒng)參數(shù)的時候，通過主減速器和變速器的參數(shù)進(jìn)行匹配[10]。在以上電動機(jī)參數(shù)確定的情況下，考慮到動力性和經(jīng)濟(jì)性這兩方面，傳動比的確定很重要。在電動機(jī)工作時的不同情況下，傳動比的確定不僅影響電動機(jī)的工作效率，還有可能影響電動機(jī)的外形，從而影響到電動機(jī)制造成本。在選擇傳動機(jī)構(gòu)時，應(yīng)該盡量選擇重量輕、體積小、有相應(yīng)匹配檔位的機(jī)構(gòu)，這對于整車的質(zhì)量和體積都會有影響。所以，在動力傳動過程中，傳動速比、換擋機(jī)構(gòu)都會對汽車的動力性方面有影響。
2.5.1 選擇傳動系統(tǒng)變速器
在考慮到電動汽車整體性能的同時，檔位數(shù)的選擇顯得十分重要。在允許的情況，檔位數(shù)的增加，可以使電動機(jī)的最大功率增加，從而使汽車的動力性提高， 另外可以使電動機(jī)在工作時處于最佳狀態(tài)的可能性增大，從而改善電動汽車的經(jīng)濟(jì)性問題。但這也有限制條件，由于要使電動機(jī)能夠便于調(diào)速，檔位數(shù)不應(yīng)該超過三個，不然會影響動力傳動時的效率。因?yàn)闄n位數(shù)過多，會使整個傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和體積增加，同時成本也會提高。檔位最低時影響汽車的起步和爬坡，最高時則決定了汽車的最高速度，所以，可以通過增加檔位數(shù)來是降低電動汽車動力性對電動機(jī)參數(shù)中最高轉(zhuǎn)速的要求。
通常情況下，電動汽車行駛時，用二、三檔可以使電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速的選擇范圍增大，同時減少電動汽車加速的時間。
傳動系的傳動比也對整車經(jīng)濟(jì)性有影響。電動機(jī)工作時，為了使其更加高效
和經(jīng)濟(jì)，要盡量使其在恒定的功率和轉(zhuǎn)速下工作，這樣才能保證電動機(jī)在保證效率的同時，也能提高汽車的續(xù)航能力。
根據(jù)以上變速器的檔位數(shù)對于電動汽車整車性能的影響，考慮到電動汽車的對電動機(jī)和電池的要求，本次設(shè)計(jì)可以選擇兩檔的變速器，其中離合器的選擇由于要使所選電動機(jī)的范圍增大，所以不考慮。
最終選擇的兩檔自動變速器結(jié)構(gòu)，由兩套嚙合齒輪和一臺同步器組成，其中將輸入軸與電動機(jī)相連，輸出軸連接的是主減速器，與傳統(tǒng)的 AMT 不同的是兩檔自動變速器去除了離合器，換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有選檔裝置，只有換擋裝置[11]。
2.5.2 傳動系傳動比設(shè)計(jì)
（1） 主減速器傳動比計(jì)算
在電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高的情況下，在功率較低的時候轉(zhuǎn)矩沒有普通轎車高，在設(shè)計(jì)主減速器傳動比時要盡量取較大值，來保證汽車的加速與爬坡能力。根據(jù)轉(zhuǎn)速與行駛速度的關(guān)系：
ν = 0.377 × r·n
ig·i0
(2.8)
因?yàn)槠嚨淖畲筌囁僖?，?ig、i0 均大于 1，將數(shù)據(jù)帶入 2.8 得初始傳動比為：
i ≤ 0.377 × r·nmax = 0.377 × 0.29 × 8000 = 6.25
0 νmax
140
其中，nmac 表示電動機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速，單位 r/min；r 表示車輪滾動半徑，單位
m。
考慮到電動汽車在以最高速度行駛時，電動機(jī)需要輸出的最大功率，計(jì)算得：
i ≥ 0.377 × r·npmax = 0.377 × 0.29 × 3450 = 2.69
0 νmax
140
其中，npmax 表示電動機(jī)輸出最大功率時的轉(zhuǎn)速，單位 r/min。根據(jù)上述兩式計(jì)算得 i0 的取值在2.69 ≤ i0 ≤ 6.25，由于電動汽車用電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)矩較小， 主減速器的傳動比盡量選擇較大點(diǎn)，所以取 i0=4.4。
（2） 計(jì)算變速器傳動比
之前通過對電動汽車整車性能的確定以及電動機(jī)參數(shù)、電池參數(shù)、傳動比參數(shù)的確定，選擇出了相應(yīng)的變速器檔位，最終確定使用兩檔自動變速器。在汽車最大爬坡工況下計(jì)算并驗(yàn)證上述所選參數(shù)是否匹配，并確定變速器傳動比。由汽車最大爬坡工況時公式得到：
FtqmaxigⅠi0ηT
r = Mgf cos arctani + Mg sin arctani (2.9)
因?yàn)樗x整車參數(shù)指標(biāo)中最大爬坡度是 30%，代入公式 2.9 得：
r
igⅠ ≥
Mgf cos arctani + Mg sin arctani = 1.768
所以，igⅠ≥1.768，由于變速器有不同的尺寸大小，在設(shè)計(jì)兩檔傳動系統(tǒng)動力性方面和經(jīng)濟(jì)性方面要結(jié)合起來，另外還有電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，所以電動汽車傳動系傳動比不宜過大，所以經(jīng)過計(jì)算確定 ig1=9.56，ig2=4.074。
2.6 各項(xiàng)匹配結(jié)果
根據(jù)以上對電動機(jī)的選型、電動汽車傳動布置方案的確定和電池組參數(shù)匹配，最終確定電動機(jī)和電池組參數(shù)，最終完成了所選電動汽車的動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)選擇，現(xiàn)將各個部件的主要性能參數(shù)列舉如表 2-5 所示。
表 2-5 電動汽車動力傳動系匹配結(jié)果
匹配部件
參數(shù)名稱
參數(shù)值
參數(shù)名稱
參數(shù)值
電動機(jī)
電機(jī)類型
直流無刷電機(jī)
額定扭矩（N.m）
74
額定功率（Kw）
27
峰值扭矩（N.m）
180
峰值功率（Kw）
65
額定電流（A）
206.8
額定轉(zhuǎn)速（r/min）
3500
峰值電流（A）
380
最高轉(zhuǎn)速（r/min）
8000
電機(jī)效率（%）
94.8
電池電壓（V）
144
電機(jī)重量（Kg）
102
傳動系統(tǒng)
減速器形式
Ⅱ自動變速器（AMT）
Ⅰ檔變速比
9.56
Ⅱ檔變速比
4.074
主加速器變速比
4.4
動力電池
電池類型
鋰離子電池
工作電壓（V）
220
電池容量（A·h）
60
單體電池個數(shù)
61
第三章 基于 ADVISOR 的電動汽車建模仿真
第三章 基于 ADVISOR 的電動汽車建模仿真
汽車的動力性是評價(jià)汽車性能的重要指標(biāo)。研發(fā)者為了減少對于產(chǎn)品的研發(fā)時間，通常都會通過各類計(jì)算機(jī)中的仿真軟件，對其研發(fā)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，來選擇最為科學(xué)合理的產(chǎn)品參數(shù)，電動汽車也不例外。本章對所選電動汽車進(jìn)行建模，然后根據(jù)以上確定的整車參數(shù)、電動機(jī)參數(shù)、動力電池參數(shù)、傳動系統(tǒng)參數(shù)用 ADVISOR 軟件進(jìn)行整車的動力性仿真。驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的合理性。
3.1 建立整車模型
ADVISOR 可以通過建模來是做到各種組合的搭配設(shè)計(jì)，具有隨時隨地修改模塊的作用。本次設(shè)計(jì)，我們可以通過建模來設(shè)計(jì)我們需要的汽車模型，從而進(jìn)行下一步的仿真實(shí)驗(yàn)。由于設(shè)計(jì)用的是電動汽車，所以在 ADVISOR 中選擇 EV 模型來制作，并根據(jù)本次選擇的電動汽車車型進(jìn)行修正。如圖 3-1 所示為整車模型。
3.1.1 建立車身模型
圖 3-1 電動汽車整車模型
車身仿真模塊包括滾動阻力、加速阻力、坡道阻力和迎風(fēng)阻力等四個計(jì)算子模塊[12]，在仿真軟件中通過計(jì)算得出阻力和汽車驅(qū)動力，根據(jù)電動機(jī)的外特性曲線，計(jì)算汽車的行駛速度。如下圖 3-2 所示。
3.1.2 建立傳動系統(tǒng)模型
圖 3-2 車身模型
建立主減速器的模型時，需要通過汽車車輪計(jì)算變速器所需要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，與變速器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配，從而可以得出主減速器的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速， 主減速器模型如下圖 3-3 所示。
圖 3-3 主減速器模型
在建立變速器的模型時，因?yàn)樽兯倨鞯哪Ｐ秃椭鳒p速器相似，可以由實(shí)際路線得出變速器的輸入和輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，模型如下圖 3.4 所示。
3.1.3 建立電動機(jī)模型
圖 3-4 變速器模型
因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所選擇的是直流無刷電動機(jī)，所以模型建立的基礎(chǔ)就在于所選電動機(jī)的電壓和功率以及轉(zhuǎn)矩的特性方程、平衡方程。模型分類主要有這幾塊： 熱量模塊、轉(zhuǎn)矩限制模塊、轉(zhuǎn)動慣量的作用模塊、轉(zhuǎn)速限制模塊等[13]，如圖 3-5 所示。
圖 3-5 電動機(jī)模型
3.2 整車性能仿真
在仿真軟件參數(shù)輸入界面中，將以上確定的表中所選整車參數(shù)和其相匹配的電機(jī)機(jī)、動力電池、動力傳動系統(tǒng)參數(shù)輸入進(jìn)去，在仿真時調(diào)出該程序運(yùn)行，并在下一步仿真參數(shù)設(shè)置界面中進(jìn)行坡度和加速度設(shè)置[14]，如下圖 3-6 所示。
圖 3-6 已設(shè)置車輛參數(shù)仿真界面
從目前來看，國內(nèi)使用最多的循環(huán)工況是新歐的 NEDC 工況[15]，所以本次仿真選擇在國內(nèi)使用的 NEDC 工況下進(jìn)行仿真。通過輸入整車參數(shù)，仿真結(jié)果如下圖所示。
圖 3-7 NEDC 工況下仿真參數(shù)和部分結(jié)果
圖 3-8 NEDC 工況下仿真結(jié)果曲線和數(shù)據(jù)結(jié)果
24
由圖 3-7 和圖 3-8 所得的仿真數(shù)據(jù)和曲線圖，可以看出本次設(shè)計(jì)電動汽車整車性能的各項(xiàng)參數(shù)，通過這些數(shù)據(jù)可以看出電動機(jī)、動力電池和傳動系統(tǒng)工作的效率，雖然實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際道路實(shí)驗(yàn)有所出入，但可以大致看出本次設(shè)計(jì)電動機(jī)等參數(shù)的和所選整車性能指標(biāo)的匹配性，得到各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下表 3-1 所示。
表 3-1 NEDC 工況下動力性、經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果
NEDC
最高車速
25Km/h 下的爬坡度
加速性能
58.6Km/h
31.9%
0-50Km/h
50-80Km/h
0-137Km/h
5.1
無
無
消耗燃料和排放廢氣
百公里等價(jià)油耗
行駛 1Km 所需時間
最大加速度
0
3.9L
64.2s
4.7m/s2
綜上數(shù)據(jù)看出，循環(huán)工況下整車的最高車速為 58.6Km/h，滿足 50km/h 的最高車速的指標(biāo)；在 25Km/h 車速下的爬坡度約為 31.9%，滿足 30%最大爬坡度的指標(biāo)；其中最大加速度為 4.7m/s2，從 0 加速到 50Km/h 所需時間為 5.1 秒，滿足
6.5 秒最低加速時間的指標(biāo)。所以可得整車動力性滿足設(shè)計(jì)要求。通過電動汽車的動力電池能量消耗換算普通汽車油耗可得，每百公里油耗在 3.9L 左右，所以符合整車的經(jīng)濟(jì)性要求。
第四章 全文總結(jié)
第四章 全文總結(jié)
最初選擇本次設(shè)計(jì)的目的也是因?yàn)槟壳捌囆袠I(yè)的快速發(fā)展，也是走到了一定的瓶頸階段，需要從新能源開發(fā)的角度去思考我們未來可以主要依靠的代步工具，畢竟目前因?yàn)槿蚰茉吹牟粩鄿p少，不光光是汽車行業(yè)，其他行業(yè)也是在不斷的消耗著有限的資源，所以本次設(shè)計(jì)主要還是從節(jié)約能源的目的出發(fā)，從電動機(jī)等動力系統(tǒng)去設(shè)計(jì)優(yōu)化目前我們現(xiàn)有的技術(shù)水平可以制造的電動汽車。
本次設(shè)計(jì)從一開始的選擇電動機(jī)的布置方案，到后面的選擇改裝型電動汽車的參數(shù)，再到后面選擇并且計(jì)算包括電動機(jī)在內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，最后利用仿真軟件進(jìn)行建模仿真實(shí)驗(yàn)，中間也是通過大量的資料和材料去參考驗(yàn)證，最終得出的參數(shù)基本達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求，也是體現(xiàn)了本次設(shè)計(jì)的可靠性。
在最后由于本人對于電動汽車這方面的知識還不夠完善，難免會有所疏漏的和欠缺的地方，一些計(jì)算方式還不夠嚴(yán)謹(jǐn)，所以得出的數(shù)據(jù)還有待優(yōu)化，對于本人來說，總歸還是掌握了關(guān)于電動汽車設(shè)計(jì)和仿真軟件運(yùn)用的一些皮毛，對于本人在今后的設(shè)計(jì)工作也有很大的幫助。
參考文獻(xiàn)
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致謝
致 謝
通過本次設(shè)計(jì)，使我認(rèn)識到自己在學(xué)校所學(xué)的知識其實(shí)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在一開始設(shè)計(jì)的時候總會有各種問題等待著我去解決，但在查閱大量的資料，并且在凌秀軍老師耐心全面的指導(dǎo)下，很多問題都迎刃而解了，在此也是對老師表示由衷的感謝，老師的一些工作經(jīng)驗(yàn)，處理問題的方式都對于目前的我來說都大有裨益。平日里我們所學(xué)習(xí)的基本知識也都是通過老師這座知識搭建的橋梁所傳授的，沒有這幾年來諄諄教誨，我也不會獲得這么多豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識，在此也是感謝多年來老師在我學(xué)習(xí)成長中的陪伴。
最后，感謝母校對于我們這些莘莘學(xué)子多年來的培養(yǎng)，使我們在真正踏入社會前有一個良好的鋪墊，為我們今后的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，謝謝！