车辆工程课程设计.docx
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车辆工程课程设计
本科专业课程设计
题目
新能源汽车动力与驱动系统总体的设计
学院:
汽车与交通工程学院
专业:
车辆工程
学号:
201223079026
学生姓名:
杨曼华
指导教师:
郑安文
日期:
2016.01
摘要
日益严重的环境污染和能源危机对汽车工业的发展提出了极为严峻的挑战。
为了汽车工业的可持续发展，以使用电能的电动机作为驱动设备的电动汽车能真正实现“零污染”，现已成为各国汽车研发的一个重点。
纯电动汽车是指利用动力电池作为储能动力源，通过电池向电机提供电能，驱动电机运转，从而推动车辆前进。
而在电动汽车研究的众多技术选型中，依靠轮边驱动的电动汽车逐渐成为一种新颖的电动汽车选型方向。
本文设计了一种新型双电机独立驱动桥，该方案采用锂离子动力电池作为动力源，两台永磁直流无刷电机作为驱动装置，依靠两套减速齿轮组分别进行减速，用短半轴带动车轮旋转。
在系统构型设计的基础上，进行了包括电动机、电池在内的动力系统参数匹配。
关键词：
纯电动汽车；锂离子；双电机系统
Abstract
Increasinglyseriousenvironmentalpollutionandenergycrisisputforwardonthedevelopmentoftheautoindustryisextremelyseverechallenges.Inordertothesustainabledevelopmentofautomobileindustry,tousethepowerofthemotorasdrivingdeviceoftheelectriccarcantrulyrealize"zeropollution",hasbecomeanationalautomobileresearchanddevelopmentofakey.
So-calledpureelectricvehiclesistheuseofpowerbatteryasenergystoragepowersource,throughthebatterypowertothemotor,drivemotorrunning,pushingforwardvehicle.Intheelectriccarresearch,technologyselection,dependingontheroundedgedriveelectriccarsgraduallybecomeanewdirectionoftheelectriccartypeselection.
Thispaperdesignsanewtypeofdoublemotordriveaxleindependently,theschemeadoptsthelithiumionpowerbatteryasapowersource,twopermanentmagnetbrushlessdcmotorasdrivedevice,relyontwosetsofgeargrouprespectivelyforslowingdown,withashorthalfshaftdrivesthewheels.Onthebasisofthesystemconfigurationdesign,thepowersystemparameters,includingelectricmotors,batteries,matching.
Keywords:
Electricvehicles;Li+;Dualmotorsystem
摘要...............................................................Ⅰ
Abstract...........................................................Ⅱ
设计任务...........................................................Ⅲ
1绪论..............................................................1
1.1电动汽车发展背景...............................................1
1.2电动汽车发展现状与趋势.........................................1
2总体方案设计......................................................2
2.1电池的选择.....................................................2
2.2电动机性能分析与选择...........................................3
2.3驱动系统布置形式...............................................5
3动力系统参数设计..................................................9
3.1整车参数.......................................................9
3.2电动机参数匹配与选择...........................................9
3.3电池参数匹配与选择............................................11
3.4电池组数目的确定..............................................11
3.5减速比的确定..................................................12
3.6动力性分析....................................................12
4相关性能校核.....................................................14
小结...............................................................15
参考文献...........................................................16
设计任务
1.动力和驱动系统总体方案确定。
根据课程设计子题目和设计要求，对现有动力与驱动系统方案进行综合分析比较，并确定最终布置方案，画出布置方案草图。
2.对动力和驱动系统进行匹配设计。
根据设计要求及给定的设计参数，对电动机、电池、发动机或发电机等关键部件进行比较选型，并计算确定相应的额定功率、最小工作电压、最大工作电压、动力电池模块的数量及容量。
驱动系统中有传动变速装置的，还需对挡位数、传动比进行选择和计算。
3.相关性能校核。
根据所选动力装置的特性，对整车动力性和续驶里程进行校核计算，画出驱动力-行驶阻力平衡图等动力学特性图。
4.设计说明书撰写。
按照毕业设计规范，完成设计说明书的撰写。
子题目及设计参数
1.纯电动汽车动力与驱动系统总体设计
车辆类型
设计参数
城市客车
最高车速（km/h）
100
80
续航里程（km）
100
90
整备质量（kg）
（总质量）
6680（29座）
3200（14座）
9800
5100
中速客车
最高车速（km/h）
150
120
续航里程（km）
200
150
整备质量（kg）
1350
1250
SUV轿车
最高车速（km/h）
180
160
续航里程（km）
250
200
整备质量（kg）
1500
1400
载货汽车
最高车速（km/h）
80
90
续航里程（km）
120
150
整备质量（kg）
4000
5000
2.燃料电池汽车动力与驱动系统总体设计
3.串联混合动力汽车动力与驱动系统总体设计
4.并联混合动力汽车动力与驱动系统总体设计
5.混联混合动力汽车动力与驱动系统总体设计
1绪论
1.1电动汽车发展背景
世界上最早出现的汽车实际上就是电动汽车，比传统内燃机汽车早了整整半个世纪，只不过那时的蓄电池还是不可充电的。
电动汽车是以电池为动力来源的，相对于传统的内燃机汽车对环境以及噪声污染要小很多，而且还有利于节约燃油，缓解全球石油危机。
而且，电动汽车采取制动时，能量可以实现回收是其最大的特点。
如今，电动汽车大致被划分成：
纯电动与混合动力以及燃料电池。
在经济高速发展以及能源问题日益突出的当今社会，电动汽车已不再是一种简单的交通运输工具，而是一种社会责任与价值理念的产物。
同时，电动汽车也是技术要求较高的科技产品，它代表了全球汽车行业发展的最新科技成果。
全世界范围内的政府机构与企业，在提升电动汽车研发能力方面已经达成共识。
在我国电动汽车早期的发展阶段，只有企业自主的研发行为，没有形成市场合力，再者由于技术限制以及资金问题，使得电动汽车的研发未能持续发展。
随着我国以及国际石油危机的到来，我国也曾出现过电动汽车的研发高潮期，并取得一些研究成果，但最终还是未能实现量产。
二十世纪九十年代我国将电动汽车列出国家科技攻关项目，重点攻关电动汽车关键技术。
然后又将其列入国家重大科技产业工程项目，主要针对电动汽车产业化的相关技术、试验、法规等内容进行深入研究。
1.2电动汽车发展现状与趋势
2001年我国将电动汽车列为国家高新技术研究发展计划（863）重大专项项目之一，以期改善国家能源安全状况和城市污染严重的现状，保证汽车产业乃至整个国民经济的健康可持续发展。
“十五”期间我国“三纵三横”的发展布局，其中“三纵”是指燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车，“三横”包括动力蓄电池技术、驱动电机技术、控制系统技术。
“十五”期间由整车企业领头，高校和零部件供应商积极配合，产、学、研相结合，自主研发具有国际先进水平的纯电动、混合动力、燃料电池汽车，并积极推动电动汽车的商品化、产业化进程，特别是在纯电动汽车方面的成就尤为令人瞩目，在CAN总线分布式控制、高压电安全管理单元集成、一体化电动动力总成模块设计等方面都取得了突破性进展。
电动汽车是未来汽车工业实现可持续发展的最好选择，但这种替代的过程必定是漫长而艰辛的。
近期来看，考虑到电池成本、技术可靠性等方面的影响因素，混合动力汽车是很好的过渡产品，能够同时满足节能环保和消费市场要求：
但从中长期来看，一旦动力电池和相关控制技术取得突破，纯电动车、燃料电池车将会是实现低能耗、零排放的最优选择。
2总体方案设计
纯电动汽车的整车动力性、经济性在很大程度上取决于动力系统零部件的选型和参数匹配。
电池和电机是纯电动汽车的关键部件，对于传动系统参数的影响很大；反过来，传动系统确定以后也会对电池和电机的选择形成边界条件。
电机功率太大会造成效率的损失；电机功率太小会影响车辆爬坡、加速等性能。
电池组太多会造成载荷偏重、布置困难，对能量管理系统要求也会偏高；电池组太小可能会无法满足电机大功率运行的需求，从而降低车辆性能，电池组长期超负荷工作也会减少使用寿命。
2.1电池的选择
电动汽车市场化研究的核心就是其续驶里程，而电动汽车的能源系统是其续驶里程的重要保证，也是其决定性因素。
电动汽车主要的能量来源便是蓄电池，因而蓄电池是否最优将最终影响到整车的经济性为此，电动汽车的蓄电池应该具备三个方面的要求：
一、在制造方面，要使用寿命尽可能长，成本控制要低。
二、在使用方面，要具有较高的能量与功率密度，充电要尽可能快，放电要深，对工作环境限制较少（环境温度范围宽）。
三、在维护及回收利用方面，要维修方便、可回收性好。
同时，还得考虑到回收与维修成本。
蓄电池是电动汽车车的动力来源，是能源系统的根本。
因此，其质量的优劣将会制约电动汽车的性能，进而影响其行车里程。
目前，市场上比较常见的、应用比较广泛的电池为铅-酸（Lead-Acid）蓄电池、镍-氢（Ni-MH）蓄电池以及锂离子（Li-Ion）蓄电池。
本文在查阅相关资料的基础上，对在我国使用较广泛的几种蓄电池其主要性能指标做了比较整理，具体的如下表2.1所示。
表2.1电池性能参数对比
电池类别
铅酸电池
镍氢电池
锂离子电池
电解质
酸性
碱性
聚合物
单位工作电压（V）
2
1.2
3.6
可充电寿命（次）
300~500
500~1000
600~1200
功率密度（W/L）
120
480
—
能量密度（Wh/L）
60~100
150~200
250
能量效率（%）
65
90
65
可回收利用率（%）
97
90
98
允许负载
高
最低
低
循环寿命（次）
400~600
800~1000
1800~2000
环境污染
污染
无污染
无污染
质量比能量（W·h/kg）
35~40
60~80
90~160
体积比能量（W·h/L）
70
200
270
（1）铅-酸蓄电池
铅酸蓄电池由于发展较早，其生产工艺已经相当成熟，产品质量也相对较高。
加之铅的分布较广、价格相对低廉，比较经济实用。
因此，在电动汽车电池技术相对还不成熟的初始阶段被大量应用，是电动自行车的主要动力源。
但随着技术的革新，铅酸电池各方面的缺点也越来越明显：
首先，铅酸蓄电池的质量和体积较大，使得电动汽车自身质量变大，可利用空间变小，加大了能量的自身损耗；其次，铅酸蓄电池的利用率受外界影响大，连续工作效率低；再次，铅酸蓄电池在使用后，受自身条件限制，回收利用难度较大。
（2）镍-氢蓄电池
镍氢蓄电池具有很高的比能量，这样可以为电动汽车提供充足的动力，用于满足其多工况的要求。
同时，无重度污染，绿色环保也是其一大优势。
在使用方面，镍氢蓄电池使用寿命比其他蓄电池明显长很多，充放电性能也比较突出，发展前景较大。
同时，镍氢蓄电池因为成本较高现阶段大规模生产难度较大，但由于其在能量和寿命两方面的优势，应该会成为我国今后一段时期开发的主要产品。
目前在我国已经有部分镍氢蓄电池用在微小型车上了。
（3）锂离子蓄电池
锂离子蓄电池不但具有能量存储量大、质量轻、效率高、功率大等优点，还具有寿命较长、无污染、对使用环境以及温度范围要求不高。
唯一的缺点就是发热量大，制造成本高，需要在开始阶段高投入。
综合上述各种电池的特性，结合本电动汽车的特性，本文选用锂离子电池作为电动汽车的动力源。
2.2电动机性能分析与选择
电动汽车电动机主要的作用就是将电能转化成驱动力，给汽车提供动力，同时又能将驱动力转化成电能，存储在蓄电池中。
它是电动汽车的“心脏”，其能否正常并且有效、稳定的运转是非常重要的。
因此，对电动汽车的各项性能来说，电动机的选择是非常重要的。
电动汽车在日常的行驶过程中，会经历各种不确定的工况，这样便会时常产生快速启动或制动、紧急加速或减速。
通常在这些工况下需要不同的转矩和转速，以及能量的快速回收。
为了使电动汽车的各项性能满足要求，作为经常使用的电动机必须满足以下三点：
一、为了使电动汽车具有瞬时加速及持续爬坡能力，就要求电动机在任何情形下必须能过载。
电动机应尽可能满足电动汽车面对各种复杂工况下的行驶要求，对自身转速有比较宽的调节范围。
二、为了减少电动汽车自身的能量消耗，提高电动机空间布置的可靠性以及安装的方便性，电动汽车电动机应尽量具有较高的比功率。
同时，这样也会使能量回收更加高效、快速。
三、由于电动机的工作环境具有多变性，有时还很恶劣。
电动机必须可以抵抗外界干扰，保证其工作的可靠性。
此外，电动机还应满足操作简单、制造与使用成本较低，适合大规模批量生产等。
通过查阅电动汽车的相关配置资料，总结出目前电动汽车上使用比较广泛的电动机主要有下表中列出的三种。
表2.2电机性能参数对比
项目
直流电动机
交流感应电动机
永磁电动机
转速范围（r/min）
3000~6000
12000~20000
4000~10000
功率密度
低
中
高
功率因素（%）
—
82~85
90~93
峰值效率（%）
85~89
94~95
95~97
符合效率（%）
80~87
90~92
85~97
过载能力（%）
200
300~500
300
电动机外形尺寸
大
中
小
可靠性
一般
好
优良
结构坚固性
差
好
一般
控制操作性能
最好
好
好
（1）直流电动机
直流电动机由于其最早被人们所使用的，因而其制造技术相对较成熟，操作与控制简单，制造成本也就相对比较低。
但由于其质量较大，效率较低，安装也极不方便。
直流电动机的优点集中在使用方便，可调速的区间大等方面。
但这些优点不足以支撑直流电动机在高速、多工况、能量利用率要求较高的电动汽车上使用。
因此，直流电动机现在只能在一些微型以及短距离区间行驶的电动汽车上使用。
（2）交流感应电动机
这些年交流感应电动机的使用规模不断扩大，尤其是在电动汽车上。
其与直流电动机相比较最大的优点在于体积与质量都比较小，工作稳定，以及寿命较长。
但其控制系统没有直流电机简单，研发费用高。
但随着电子以及电控技术的不断发展，两者之间的差距会越来越小，交流感应电动机的市场占有率将会进一步提高，成为今后一段时期内的主导产品。
（3）永磁电动机
永磁电动机又分为直流和交流，直流的叫无刷电机，交流的叫同步电机。
但它们都是由永磁材料组成磁场，用电流来控制的。
其特点主要是转矩比较大，车速突然变化时电流基本无冲击，当载重量发生变化时其电流变化也是很微弱的。
由于永磁电动机的控制是根据电流的变化完成的，控制比较复杂。
因此，控制系统的精度要求比较高，研发成本也相对较高，价格较贵。
但随着控制系统的不断更新，其研发成本就会下降，就会实现规模化生产。
随着新型永磁材料和电力电子器件的迅速发展，永磁无刷直流电动机成为近年来成熟的一种新型电机。
无刷直流电动机结构简单、无机械式换向，与其他电动机相比低速时即可获得恒定的大转矩，转速范围大，高速是可获得恒定的大功率，这些特性很好的满足了电动汽车低速时要求电机转矩大，高速时要求电机转速高的特点。
针对本文所设计的纯电动SUV，选用永磁无刷直流电机作为汽车的驱动电机。
2.3驱动系统布置形式
电驱动系统作为电动汽车最重要的组成部件，其主要功能与一般汽车中动力机构的功能基本相似，是动力来源。
并且将电动汽车的电池组与其他部件紧密的联系起来，其结构以及性能的优劣都会制约整车的性能。
电动汽车的电力驱动系统整体布置方式取决于电动机所采用的驱动方式，不同的驱动方式就会有不同的布置方式，因而其布置方式有很多种。
应用比较广泛的驱动布置可划分为四种。
（1）传统机械驱动系统
电动汽车的驱动系统与传统意义上汽车的机械动力系统布置形式基本一致，包括传统汽车驱动系统的所有传动装置，如离合器、变速器以及差速器等。
最大的变化就是用电动机替换了发动机，保持原有构架基本不变。
因此，这种布置方式的传动装置与传统汽车的传动装置功能基本一样。
其中离合器主要作用为：
1）可以实现动力的快速传递，完成电动汽车的起步过程；2）当汽车快速制动时防止传动系统过载，而达到保护汽车传动系的目的；3）在不需要动力或制动时，能迅速切断动力机构之间的联系，使得电动汽车在行驶时更加安全。
变速器也与其在传统汽车上的功能基本一样，包含几组减速比各异的齿轮，在形成多种减速比可供驾驶员选择的同时，还可以实现驱动力的传递。
当电动汽车在低档位行驶时，变速器可以提供给整车低转速或大转矩。
当电动汽车在高档行驶时，变速器可以提供给整车高转速或小转矩。
差速器的作用主要是当电动汽车行驶在弯道时，可以保持内车轮与外车轮之间车速的差异性，使得电动汽车平稳通过弯道。
由于这种布置方式中的传动装置较多，能量损耗大，电动汽车的行驶效率就会下降。
因此，这种布置方式只在早期开发中出现过，随着技术的不断更新，现在已经很少有汽车企业再去开发了。
M—电动机，C—离合器，GB—变速器，D—差速器。
图2.1传统机械驱动系统
（2）机电混合系统
这种布置方式是在第一种布置方式的基础上省掉了离合器与变速器。
用减速比保持不变的减速器代替，这样就会使得部件数减少，从而增加整车的可利用空间。
我们在具体研究的时候，就会在很大程度上减轻我们的工作量，而且节省大量时间。
由于这种布置方式在电动汽车快速启动、突然加速或者减速的时候，不能像传统内燃机汽车那样有变速器可以自由选择变速档位。
为了保证电动汽车在这种工况下正常行驶，这种布置方式的电动机就必须满足在电动汽车启动时能提供大的转矩和足够大的后备功率。
显然，这种布置方式与第一种相比较其传动效率要高很多，但由于其结构还不够简洁、实用性也较差，因此只在一些换代电动汽车上使用。
FG—固定速比减速器
图2.2机电混合系统
（3）双电机系统
这种布置方式比前一种又省掉了差速器，整车质量也减轻了很多，可利用空间进一步增大，这样电动汽车两个驱动轮的动力就可以由装在驱动轴上的两个电动机独立提供。
差速器的功能就由两个直接装在驱动轮上的固定速比减速器来独立完成，相互之间没有影响。
同时动力蓄电池的放置也更加灵活，为了减少机械传动的能量消耗，以及增加电动汽车整车可利用空间，可将动力蓄电池和两个电动机放置在同水一平面。
图2.3双电机系统
（4）轮毂电机系统
这种布置方式与前面几种布置方式最大的不同在于两个独立的电动机直接装在两个驱动车轮上，同时整个动力传递系统没有传统的机械装置，这就使得传递效率大大提高，空间也得到了最大程度的利用。
这种布置方式对电动机的安装位置有一定的要求，因而电动机的体积应尽可能的小。
此外，在这种布置方式下电动机的转速决定了车轮的转速以及电动汽车的行驶速度，故而在驱动轴上增加了电动机控制器，这样会使电动机的控制更加精确。
由于这种布置形式完全去除掉了机械驱动系统，这就使得电动汽车驱动效能得到了很大提高，而且机构较简单，发展前景乐观。
图2.4轮毂电机系统
上述四种方案各具优缺点，本次设计则采取双电机系统，这种独特的驱动系统可以有效解决空间布置的难题，适合装备独立悬架的汽车，减少传统汽车的电动化改型的难度。
该系统采用断开式结构，驱动系统则采用双电机相向布置形式，结构紧凑，在具备双电机独立驱动优点的同时，电机和减速器固定到车架或车身上，成了簧载质量，避免了轮毂电动机驱动所带来的缺陷，有利于改善车辆的动力学性能。
采用二级减速器，有效减小传动部件尺寸，方便整车布置，同时采用高速电机，降低了电机的成本和质量，提高了系统的可靠性。
在减速器中加入防滑装置，提高车辆在复杂路面的通过性，减少双电机协调控制的复杂程度，容易扩展为四轮驱动，充分发挥车轮的路面附着能力。
3动力系统参数设计
3.1整车参数
纯电动SUV整车参数如表3.1所示。
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