低速电动汽车整车设计说明书630Word格式.docx
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1.1电动汽车研发的背景
因为节能环保电动汽车顺应了世界发展主题，所以，代表了先进的生产力发展方向，受到了世界各个国家的关注，并成为各个国家研究和发展的重点。
我国电动汽车的研发全面启动以来，发展电动汽车给我国民族汽车产业带来了难得的机遇，因此，电动汽车被国家列为重大专项，电动汽车的研究和应用得到了飞速的发展。
据悉2014年小型电动汽车凭借精准的定位、较低的价格、小巧的的车身设计和环保性能，迅速获得了消费者的认可，连续刷新国内新能源汽车单日销量纪录，位列纯电动汽车市场前三甲。
1.2电动汽车的结构和特点
本次毕业设计的中低速纯电动汽车主要由：
电池、车架、车桥、前后悬架、制动、转向以及动力匹配设计计算组成，车桥、前后悬架、制动、转向有本小组其他成员完成，本文主要进行电池、车架的设计，以及进行动力匹配设计计算。
本设计主要控制流程如图1-1所示。
1.3关键技术
纯电动汽车动力匹配首先要考虑：
中低速纯电动汽车行驶速度一般低于50km/h，故可以去掉传动比小于1的挡位以及爬坡挡。
然后在根据电动机的转矩来确定电动汽车的驱动力，然后根据车速以及电机转速计算得出传动比。
图1-1电动汽车的控制流程图
1.4本文研究的主要内容
1．了解中低速纯电动汽车的发展背景和概况，明确本文研究的目的和意义；
2．进行动力匹配设计计算；
3．通过动力匹配计算，选择一款现有的符合要求的驱动电机，病并建立其仿真模型；
4，对换电模式的电动汽车进行底盘以及车架进行设计；
5．利用catia软件进行三维建模、装配。
第2章电动汽车系统的组成
2.1电动汽车的基本组成部分
电动汽车的发展已有很多年历史了。
显然，电动车辆和传统车辆最显著的区别就在于动力源装置的不同，电动汽车使用电池-电机系统，取代了汽车采用的汽油机、柴油机。
电动汽车主要由以下几个部分组成：
1.电池管理系统
对动力电池电池组的管理包括：
控制动力电池组的充电与放。
对动力电池组的维护系统的建立，保证纯电动汽车的正常运行。
然而由于充放电性能对中低速纯电动汽车动力电池的各项性能有着非常重要的影响，一般常见的充电装置有地面充电器、接触式充电器、车载充电器等。
2.车载电源
在目前现有的中低速纯电动汽车上，车载动力源一般都是以各式各样的蓄电池，利用周期性的充电来补充能源。
目前，电动汽车用电池的发展已经经过了三代。
第一代电动汽车用电池是铅酸电池。
第二代的高能锂电池电池或者镍氢电池。
锂电池电池的比能量和比功率都要比铅酸电池高出很多，提高了电动汽车的续航是形式驶里程和动力性。
然而第二代动力电池现在依然是电能-化学能-电能的化学反应过程中储存和供给电能，各种电池对充电技术还都有这不同的要求。
而且第二代电池同时也会出现老化，丧失充放电能力，造成污染。
这又增加了电动汽车的使用成本。
第三代电池燃料的电池，燃料电池是直接将燃料中的化学能转化成电能，有很高的能量转变率，比功率和比能量高。
同时可以有效地控制燃料电池的反应过程，所以电动汽车用电池来说燃料电池是比较理想的。
以上的各种电池都有自己的优缺点，但是综合相关技术的成本以及现有技术条件，本文讨论的对象是使用铅酸电池作为动力源的电动汽车。
3.驱动电动机和驱动系统
驱动电机是电动汽车的动力装置，这是电动汽车和传统汽车最大的区别。
现代的纯电动汽车使用的一般是永磁电动机或者是开关磁阻电机。
电动汽车的驱动系统由驱动电机和驱动系统共同组成，但是因为电动汽车结构形式的不同，采用了不同的驱动系统。
电动汽车的驱动系统有电动轮方案和差速半轴方案两种方案。
如图2-1所示。
图2-1差速半轴方案
电动轮方案是采用多电机，将整个电机装配在车轮上。
差速半轴方案是采用单电机系统，动力方案和传统汽车一样，由电动机输出扭矩，通过变速装置传输到差速器上，差速器再通过半轴传输到轮上。
如图2-2所示。
图2-2电动轮方案
4.控制技术
中低速纯电动汽车的控制系统主要是对于动力电池组的管理和对电动机的控制，随着车辆行驶工况变化而引起的电动机输出功率、转矩和转速的变化，通常采用电压表、电流表、温度表电、转速表和功率表等仪表来显示。
特别是动力电池组剩余续驶里程还有剩余电量的显示有着非常重要的意义。
由于中低速纯电动汽车的高度电气化，所以有更好的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，在电动汽车上现代控制理论得到了广泛的应用。
现代内燃机汽车的一些先进的电子设备都可以在电动汽车上使用。
5.安全保护系统
本文的电动汽车的动力电池组是48v的直流电，人身触电时会造成危险。
因此必须设置安全保护系统，确保安全驾驶。
另外如果在电气系统发生故障时能够自动的控制电动汽车不能启动等，避免事故的发生。
6.车身及底盘
电动车已经有各种车型，包括电动客车、电动货车、电动轿车及其他改装的电动车辆。
有的豪华大气，有的却简单实用，而且更加轻盈美观。
2.2本章小结
本章详细讨论了电动汽车的各个组成部分的构成，以及整个系统的整合。
电动汽车主要由5部分组成，即为车身、电池、悬架、转向、制动。
本章对于电动汽车5大系统进行了阐述，对于电动汽车的设计研发，有一定的综合指导作用。
第3章参数计算与设计
3.1概述
纯电动汽车在行驶时，电池为电机运行提供了能量，电机输出的动力经过传动系统到达车轮。
所以在计算纯电动汽车行驶要求的性能时应该针对全部的行驶工况。
从分析电动汽车行驶时的受力情况出发，建立正确的行驶方程式，这是分析电动汽车行驶性能的基础。
驱动系统输出的动力特性和车辆的动力性能有直接的关系。
驱动系统的输出的动力应该满足车辆的动力性能要求。
电动汽车在进行动力匹配的时候，首先应该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3-1。
根据力的平衡关系，汽车的行驶受力方程式为：
（3-1）
式中：
Ft——驱动力，N；
ΣF——行驶阻力之和,N。
图3-1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摩擦力，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T，使驱动轮与地面之间产生相互作用的摩擦力，车轮与地面作用一圆周力F。
同时，地面对驱动轮产生反作用力为Ft。
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Ft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：
（3-2）
Tt—作用在驱动轮上的转矩,N.m；
r—车轮半径,mm。
传统内燃机汽车中，Tt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Tt是由电动机输出的转矩经过传动系传递到车轮上的。
令传动系总传动比为i，传动系统的机械效率为ηt。
驱动电动机的输出转矩为Ttq，则有：
（3-3）
因此汽车的驱动力为：
（3-4）
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：
（3-5）
Fw—空气阻力,N；
Ff—滚动阻力，N；
Fi—坡度阻力,N；
Fj—加速阻力,N。
其中，滚动阻力Ff可以等效的表示为
（3-6）
W—作用于车辆上的法向载荷；
ｆ—滚动阻力系数，行驶车速以及轮胎的材料、结构、气压等有关与路面种类。
研究中滚动阻力系数，按经验公式取0.001。
（2）空气阻力：
（3-7）
ＣＤ—空气阻力系数；
Ａ—迎风面积，即车辆行驶方向的投影面积，㎡；
ρ—空气密度，ρ＝1.293kg/m3；
ｕｒ—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，ｕｒ即为汽车的行驶速度ua。
如ua以km／h计，A以m2计，则空气阻力（N）为：
（3-8）
（3）坡度阻力：
（3-9）
α—坡度，一般道路的坡度均较小，此时sinα=tanα=i。
（4）加速阻力：
（3-10）
δ—车辆旋转质量换算系数；
m—车辆质量，kg；
—行驶加速度。
因此，汽车行驶阻力为：
（3-11）
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Pe和机械传动损失的功率与全部运动阻力所消耗的功率之和相等。
在纯电动汽车中，Pe为电动机的输出功率。
车辆运动阻力所消耗的功率有空气阻力功率Pw,滚动阻力功率Pf，加速阻力功率Pj以坡度阻力功率Pi及。
（3-12）
根据以上的推导，可得车辆行驶过程中的平衡方程如下：
（3-13）
（3-14）
Pe—电动机输出功率，kW；
n—电动机输出转速，r/min。
传动系主要参考设计参数以及动力性要求如下表3-1、表3-2所示。
表3-1传动系参考设计参数
传动系部件
设计参数
设计值
电池组
额定电压/V
额定放电容量/Ah
48
200
其他
迎风面积A/m2
空气阻力系数CD
车轮滚动半径r/m
1.8
0.4
0.238
表3-2动力性要求
最高车速
50km/h
加速性能0—40m/h
小于10S
爬坡度
不小于3%
3.2传动比的确定
首先，我们比照参考车型，选定某型电动汽车的固定减速比为4.1。
现在先进行减速比的可行性验证。
传动比的选择首先应满足车辆最高车速的要求，由最高车速vmax与电机的最大转速nmax确定传动比的上限。
（3-15）
其中，类比其他车型，我们确定最大转速nmax=2800。
设计参数，可得车轮半径r=0.238m,vmax=50km/h，则：
（3-16）
（2）由电机的最大转速对应的最大输出转矩T
max，和最高车速对应的行驶阻力Fmax确定速比的下限。
（3-17）
其中：
f=0.01，r=0.238m，则
（3-18）
综合市面上的电动机参数，参考现有车型的选择的电动机，我们选择最大转速时转矩T＇max=7.5N·
m作为参考值，则：
（3-19）
（3）由电机最大输出转矩Tmax和最大爬坡度对应的行驶阻力Famax确定。
（3-20）
其中，Famax=m
g
cosα
f+m
sinα=800·
9.8·
0.96·
0.012+800·
0.28=2285.5N，r=0.238m。
综合市面上的电动机参数，参考现有车型的选择的电动机，取Tmax=80N·
（3-21）
为了满足上述要求，故本文确定减速器的减速比为4.1，电动机的转矩也能满足要求。
3.3电机的参数设计
电动机的功率必须满足或者大于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质量和体积增加，并且由于电动机不能经常工作在额定功率附近，增加电动汽车不必要的能量消耗，效率下降。
确定驱动电机参数的依据主要是：
1）动力系统的额定功率必须满足车辆以最高车速行驶；
2）动力系统必须满足车辆加速性的要求；
3）动力系统必须满足车辆以最大爬坡度要求；
4）动力系统必须满足车辆以额定转矩在额定车速行驶的要求；
5）根据汽车的动力性指标选择最适合的驱动电机。
3.3.1电动机的功率确定
（1）根据最高车速计算电动机功率
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：
（3-22）
满载时：
G=800×
9.8N，f=0.012，ua=50km/h，CD=0.4，A=1.8m2，η=0.9，（此时电机转速为2800r/min）
（3-23）
（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。
（3-24）
满载时:
9.8N，f=0.012，i=0.28，η=0.9，ua=10km/h
（3-25）
电动机的功率应能够满足根据以上计算得到的功率，即p≧7.1kw,由于动力电机允许存在过载现象，且过载系数一般为3-5，所以本次设计选取电机功率为P=4KW。
3.3.2电动机最大输出转矩计算
根据电动汽车的最大爬坡度要求，可得电动汽车需求的最大转矩。
（3-26）
由公式（3-26）可知，在电动汽车进行慢速匀速爬坡时，加速阻力F以及空气阻力Fwj可以忽略。
所以
（3-27）
其中，Ff=m·
g·
f·
sinα；
Fi=m·
cosα，所以：
（3-28）
代入ig=1，i0=4.1，η=0.9，m=800kg，g=9.8m/s2，f=0.012，α=tan-1（0.28）=16°
。
综上可得：
（3-29）
3.3.3电动机额定转矩计算
当电动汽车以额定车速在平地上匀速行驶时，电动机输出的转矩即为额定转矩。
本文涉及的某型电动汽车的常规车速为22km/h，所以有：
（3-30）
电动汽车在以常规车速（22km/h）的速度行驶时，阻力扭矩为7.13N·
m。
（3-31）
依据公式（3-31），代入P=4kW，n=1500r/min可得，额定转矩T=25.5N·
额定转矩大于额定转速下的阻力扭矩，电动汽车满足车辆行驶条件。
阻力矩，N·
m
速度,km/h
图3-2平定匀速情况下，阻力矩和车速关系图
3.3.4电动机加速性能计算
在水平良好路面上，车辆的行驶加速度表达式为：
（3-32）
Ft—辆行驶驱动力。
（3-33）
i0—主减速器传动比；
ig—变速器传动比；
Ttq—电机额定转矩,N/M；
r—车轮半径,mm；
δ—转动质量换算系数；
Fw—车辆行驶的空气阻力，N,
；
Ff—车辆行驶滚动阻力,N,
M—总质量,kg；
η—传动机构效率，包括变速器、传动轴和主减速器。
则，电动汽车从起步加速到速度为U的加速时间为：
（3-34）
选取峰值Ttq为147.41N
m，要求速度由0加到40km/h,δ=1.1，M=800kg，ig=1，i0=4.1，η=0.9，f=0.012，r=0.238m，CD=0.4，A=1.8m2。
代入上式得：
（3-35）
加速度，m/s2
图3-3加速情况下最大扭矩平地加速度与速度关系图
因此，选择最大转矩为147.41N·
m的电机，可以满足速度u由0～40km/h的时间为10s。
综上所述，本文所选用的无刷直流电动机应为：
额定功率4Kw，最大功率12，可以满足功率要求。
电动机的额定转速是1500r/min，最大转速是2800r/min，电压为48v。
最大转速时的转矩为25.5N·
m,采用的最大转矩150N·
m，参照其他电机，我们获得电机的参数如表3-3。
结合电机参数表，故选择某型电机作为该型电动汽车的动力源。
表3-3电机性能参数
电机参数
数值
峰值转矩，N·
150
额定转矩，N·
25.5
额定功率，kw
4
额定电压，V
48
最大转速,rpm
2800
3.4电池参数的确定
结合确定的电机参数，参考市面上已有的动力电池，我们选定某型号的铅酸电池作为我们的动力源。
该型电池部分参数如表3-4。
表3-4电池参数
标称容量
200Ah
工作电压
充电
8.05V
放电
6V
循环寿命
（80DOD%）
≥600次
（70DOD%）
≥700次
适应环境
-25~60
自放电率（月）
≤3%
单体电池重量
35kg±
500g
单体电池内阻
1.7mohm
图3-4该型电池的充电曲线（来自于该型电池说明书）
图3-5该型电池的放电曲线（来自于该型电池说明书）
铅酸动力电池其输出电压可用式（3-36）表示。
（3-36）
式中:
-电池放电时的端电压,V；
-电池的开路电压,V；
-电池的内阻,Ω；
-电池的放电电流,A。
电池输出功率P、放电效率η与放电电流关系如图3-6所示。
图3-6电池功率、效率与放电电流的关系
从图3-6（a）中可以看出，随着放电电流增大，电池的效率逐渐减少。
因此为了提高蓄电池效率，让他尽量工作在高效区域，电动机的工作电流要尽量小。
根据铅酸动力电池输出电压公式和图3-6（b），在一定的工作范围内，通过提高工作电压U的方法可以减小电流，提高功率。
电动汽车所用的电动机最理想理想输出特性是在低转速时提供出恒定的大扭矩，而在高转速时提供恒定的较大功率。
电池组容量的选择
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