電動汽車傳動系參數設計及動力性仿真

《電動汽車傳動系參數設計及動力性仿真》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《電動汽車傳動系參數設計及動力性仿真（32頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

目 錄 摘要……………………………………………………………………………………………2 Abstract………………………………………………………………………………………2 第一章 緒論……………………………………………………………………………3 1.1 課題研究的目的與意義…………………………………………………………3 1.2 國內外電動汽車的現狀與發(fā)展趨勢……………………………………………4 1.2.1 國外發(fā)展趨勢………………………………………………………………4 1.2.2 國內發(fā)展趨勢………………………………………………………………5 1.3 研究主要內容……………………………………………………………………6 第二章 電動汽車傳動系的參數設計…………………………………………………7 2.1 電動汽車傳動系統(tǒng)布置方式……………………………………………………7 2.2 蓄電池數學模型…………………………………………………………………8 2.3 交流電機的數學模型……………………………………………………………8 2.4 電動汽車傳動系統(tǒng)設計…………………………………………………………10 2.4.1 電動機參數設計……………………………………………………………11 2.4.2 傳動系統(tǒng)傳動比設計………………………………………………………13 2.4.3 電池組容量設計……………………………………………………………14 2.5 設計實例…………………………………………………………………………15 2.5.1 電動機參數選擇……………………………………………………………15 2.5.2 傳動系統(tǒng)傳動參數設計……………………………………………………16 2.5.3 蓄電池參數設計……………………………………………………………16 第三章 電動汽車動力性仿真……………………………………………………………17 3.1 電動汽車動力性評價指標……………………………………………………18 3.2 ADVISOR 軟件簡介……………………………………………………………18 3.3 利用ADVISOR對汽車進行動力性仿真………………………………………18 3.3.1 ADVISOR的參數輸入界面………………………………………………19 3.3.2 利用ADVISOR對PRIUE純電動車模擬計算……………………………21 第四章 論文總結…………………………………………………………………………25 致謝 參考文獻………………………………………………………………………………………26 電動汽車傳動系參數設計及動力性仿真 摘要：當今關于環(huán)保和能源問題備受關注，為解決這些問題，電動汽車呈獻出加速發(fā)展的趨勢。在汽車市場競爭日趨激烈的今天，如何快速、低成本的開發(fā)出技術指標高、符合市場需要的電動汽車，成為了新的課題。計算機仿真技術的開展，極好地解決了這一難題。根據課題的要求和客觀條件允許，本文采用了ADVISOR仿真軟件，對PRIUS型純電動汽車進行仿真。 本文在對電動汽車相關技術進行了綜合分析的基礎上，根據PRIUS純電動汽車的特點，對動力電池、異步電機和整車受力情況建立了數學模型，主要對整車的動力性進行仿真，設定以下幾項計算任務:工況行駛和續(xù)駛里程計算、最高車速、最大爬坡度計算和加速性能等，在學習ADVISOR軟件的基礎上進行了開發(fā)，建立了PRIUS型電動汽車的模型，并進行了動力性的計算。仿真結果表明，車輛的續(xù)駛里程、車速、加速性能和爬坡性能等動力性能基本滿足性能指標要求，說明PRIUS純電動轎車的整車匹配的方案是合理的，零部件的參數選擇能夠確保整車動力性能達到要求的指標。 關鍵詞:電動汽車，動力性能，仿真，ADVISOR Electric vehicle transmission design and dynamic simulation parameter ABSTRACT：Nowdays, sources of energy and environmental protect being things all the world .Therefore, electric vehicle (EV) as a means of transportation, having developing better and better. In order to develop a new EV fast, low cost, high technology and according with the acquirement of the market, choose advance vehicle simulate a new kind EV—PRIUS. In the dissertation, the author analyzed the technology of the EV, and founded the mathematic model of PRIUS with the battery, motor and the automobile, to simulate the dynamic property of PRIUS. The result of the simulation indicate that target of the EV, include speed, accelerate, and other functions, can be fulfilled the requirement. It hoped that the simulation result can provide consult to the production in the future . KEY WORD：electric vehicle ,dynamic property, simulation, ADVISOR 第一章 緒 論 隨著科學技術的進步和經濟的發(fā)展，汽車已經成為了人們日常生活中不可缺少的代步和運輸工具。汽車工業(yè)在當代世界經濟活動中發(fā)揮了巨大的作用，是當今世界最大、最重要的工業(yè)部門之一，是世界大多數國家的支柱產業(yè)。但是與此同時，汽車工業(yè)的發(fā)展所帶來的對石油資源需求的急劇增加和對環(huán)境嚴重的負面影響也日益引起了人們的關注，為了適應發(fā)展的趨勢，世界各國的政府、學術界、工業(yè)界正在加大對電動汽車開發(fā)投入的力度，加速 電動汽車的商業(yè)化步伐。 1.1課題研究的目的和意義 電動汽車是集汽車技術、電子及計算機技術、電化學技術、能源與新材料技術于一體的高新技術產品，是人類新一代的清潔交通工具，與普通內燃機汽車相比，具有無污染、噪聲低及節(jié)省石油資源的特點。基于以上電動汽車自身特點，它的推廣有著不可估量的意義。電動汽車作為“綠色的交通工具”，它的投入運行不僅對緩解世界能源危機以及環(huán)境問題有著重要的作用，對于我國自身相關產業(yè)的發(fā)展以及我國汽車業(yè)在國際中的地位也有著及其重要的意義。首先，電動汽車是我國汽車工業(yè)趕超世界先進水平的大好機會。中國在內燃機汽車技術上距國際先進水平有近20年的差距，但在電動汽車等環(huán)保型汽車的生產研發(fā)方面僅有5年的差距。這意味著中國有可能在環(huán)保汽車時代到來之前，在談判桌上找到自己的位子。 建立我國電動汽車整車的網絡、總成及通訊協(xié)議規(guī)程，開發(fā)電動汽車基本車輛控制器模塊，發(fā)展帶有電子管理系統(tǒng)的高性能動力蓄電池組和具有數字控制系統(tǒng)的電機驅動系統(tǒng)，可大力促進我國電動汽車零部件產業(yè)的形成。專家人士介紹無論采取何種類型的電動汽車作為突破口都將帶動新的產業(yè)鏈形成，形成一石多鳥的效應。以電子產品為例，據估計，由于應用的大大提高，電子產品在汽車造價的比例將由傳統(tǒng)汽車的10%上升到電動汽車的60%，按照到2030年我國電動汽車生產規(guī)模為1000萬輛，平均每輛車售價為10萬元計算，我國電動汽車產業(yè)化所帶動的電子產品市場容量將達到6000億元。與此同時，由于電動汽車對材料的輕量化要求還將是新材料、新技術的試驗場，為新材料、新技術的開發(fā)提供了用武之地。比較而言，電動汽車作為機械、冶金、電子、能源、新材料和計算機產品的集成，同時也是信息技術、生物技術、數字技術等多種高新技術的集成，是典型的高新技術產品，其最終目標是智能化、數字化和輕量化。在這一實現過程中，與傳統(tǒng)汽車相比，其對相關產業(yè)的帶動效益將大上幾倍。 1.2國內外研究現狀及發(fā)展趨勢 1.2.1國外發(fā)展狀況 早在19世紀30年代，英、法等國就有人研究電動汽車。 1831年，約亨利(J.Henry)發(fā)明了直流電動機，不久世界上第一輛電動汽車問世。 1834年，蘇格蘭人(T.Davenport)發(fā)明了第一部真正具有實際意義的電動汽車，比1886年誕生的第一臺內燃機汽車還要早半個世紀，這部電動車采用的能源是不可充電的簡單玻璃封裝蓄電池。 1859年，法國人普蘭特(G.Plante)發(fā)明了世界上第一只可充電的鉛酸蓄電池，為電動汽車的實際應用開辟了道路。 1881年，法國人特魯夫(G.Trouve)第一次將直流電機和可充電電池用于私人車，在同年巴黎舉行的國際電器展覽會上，特魯夫展出了一輛能實際操作使用的電動三輪車。這輛車重160kg，時速達到12km/h。 1888年，金鮑爾(F.Kimball)發(fā)明的電動汽車在美國波士頓投入運營。 1890年，在美國的依柯化州誕生了美國第一輛蓄電池汽車，時速達到23km/h。 1893年，在芝加哥的世界博覽會上電動汽車第一次取代了馬車被用作禮賓車。 1895年~1915年是早期電動汽車的黃金時代，在這一時期美國電動汽車占領了美國私人機動車的主要市場。這個時期的電動汽車代表了當時車輛制造技術的精華。高雅的四輪轎車、運貨車都可以隨時啟動，加速時完全沒有噪音，在歐美各大城市可以以40km/h的速度行駛，成為當時都市中的一道亮麗的風景線。 1894年，法國人保爾普沙思(Paul Pouchain)制造了一輛電動四輪敞蓬小汽車，54個蓄電池分成6組，電動機功率2kW，總質量1365kg，可乘坐兩個乘客，時速可調整為16km、12.8km、9.6km三種速度和倒車。 如圖1-1所示的電動汽車是于1894年出現在紐約街頭的第一輛商用電動汽車，續(xù)駛里程為32.19~48.28km。 圖1-1早期的電動汽車 1897年，英國倫敦街頭出現第一輛電動出租車，它的驅動電機采用的是雙繞組的直流電機，用變換繞組連接進行變速。車載有約600kg的鉛酸電池，總重約1300kg，行駛里程為80km。 1899年，法國人金納茨(C.Jenatzy)制造的炮彈型鋁合金車身的“永不滿足號”(The Never Satisfied)電動汽車時速達98km/h，在美國創(chuàng)下當時的最高時速紀錄。 1900年，美國售出的4200輛機動車中，38%是電動汽車，22%是內燃機汽車，還有40%的蒸汽機車。 1910年，愛迪生(T.Edison)發(fā)明的鎳鐵蓄電池一度成為電動汽車的主要能源。 1912年，是電動汽車的全盛時期。全美注冊的電動汽車達3.4萬輛之多，其中包括轎車、卡車等等。電動汽車的很多性能如經濟性、動力性等不如燃油機汽車，所以電動汽車的發(fā)展曾一度陷入低迷。 直到20世紀六七十年代發(fā)生了兩件重大事件：一件是汽車的排放污染在美國等發(fā)達國家相繼出現光化學煙霧，嚴重地威脅了人們的健康與生命安全，導致1960年美國加州首先立法控制汽車排放的污染物，此后在美國其它地區(qū)、日本以及歐洲各國相繼實施。另一件是1973年爆發(fā)中東戰(zhàn)爭引起的石油危機，西方國家的汽車工業(yè)依賴進口石油，石油危機嚴重的威脅到這些國家的利益和安全。這兩大事件結束了電動汽車的冬眠狀態(tài)，掀起了研究、開發(fā)及應用電動汽車的又一高潮。電動汽車的發(fā)展和開發(fā)得到了各國政府的大力支持，特別是發(fā)達國家如美國、日本、法國、德國等，電動汽車的開發(fā)與研制工作居世界領先水平。1966年~1967年，美國的通用、福特和美洲汽車公司分別開發(fā)了新型的電動汽車，電動汽車進入了現代發(fā)展時期。 20世紀70年代，克萊斯勒與通用汽車合作開發(fā)了ETV-1型電動汽車。除了三大汽車公司外，許多獨立的專業(yè)電動車開發(fā)公司也紛紛成立，投入電動車的市場競爭之中[11]。 70年代末期，德國戴姆勒-奔馳汽車公司生產了一批LE306電動汽車，采用鉛酸電池，電壓180V，容量180Ah，質量1000kg。最高時速50km/h，最大爬坡度為16%，原地起步加速到50km/h時間為14s，續(xù)駛里程可達120km。 90年代初，美國通用公司開發(fā)出EV1電動汽車，最高時速可達128km/h，從靜止加速到96km/h的時間小于9s，一次充電可行駛144km，堪稱90年代電動汽車的經典之作。同期，美國福特汽車公司和通用電氣公司聯合開發(fā)了ETX-ⅢEV、ETX-ⅡEV。戴姆勒-克萊斯勒公司開發(fā)了“新電力汽車四代”，續(xù)駛里程達到450km。 1990年，美國通用公司推出“沖擊”(Impact)電動汽車，最高車速120km/h，一次充電的最大續(xù)駛里程196km，加速性能為8s(0~96.6km/h)，對于220V和110V的電池充電時間分別為2~3h和8~10h。 1991年美國三大公司簽訂協(xié)議，合作研究電動車車用先進電池，成立先 進電池聯合體(USABC)。 1992年美國政府資助3.5億美元，讓通用、福特、克萊斯勒三大汽車公司組成美國先鋒電子財團VSABC積極從事電動汽車的開發(fā)。 1993年福特汽車公司研制成功電動汽車生態(tài)之星(E-costar)，并先后生產81輛分赴美國各地試運行；克萊斯勒公司的道廳EDIC微型電動面包車也同樣令人注目，該車裝用鎳鐵電池，備有自動加水系統(tǒng)，220V電壓充電，8小時充滿，最高時速100km/h。1995年美國已有190多家企業(yè)研制和開發(fā)電動汽車，并進行小批量生產。 在20世紀90年代末，豐田研制出一種蓄電池電動車RAV-4EV，該車0~97km/h的加速時間為18s，充電一次可連續(xù)行駛130~160km。 1998年，尼桑汽車公司在日本和美國銷售的Ahtra-EV，采用尼桑公司自己開發(fā)的鋰離子動力電池(LiB)，循環(huán)壽命長，可反復充電1200次，使用壽命約為10年，一次充電可行駛124km，最高車速可達75km/h。 1999年底，三菱公司展出FTO-EV，裝備了新開發(fā)的大容量、高輸出的鋰離子電池和大功率、高效率的永磁同步電動機。 2002年，豐田公司推出了燃料電池車的最新成果FCHV-4混合動力車。采用一種高性能TNC氫燃料電池，該車可載5人，最高車速可達150km/h，續(xù)駛里程為250km。該車的另一個主要特點是裝有備用電池，可使汽車在制動時重新發(fā)電，這意味著汽車在重填燃料之前可繼續(xù)行駛一段比較長的里程。 2002年1月，在北美國際汽車展覽會上，美國通用汽車公司展出了Autonomy(自主魔力)燃料電池汽車。 2004年11月的廣州國際車展上，本田公司推出了FCX燃料電池汽車。 1.2.2國內發(fā)展狀況 早在20世紀20年代，在我國的某些城市就出現過早期的、最為原始的蓄電池車。40年代重慶進行過電動汽車的研究與試驗，由于條件所限未能實現。解放以來，我國曾多次興起電動汽車的研制熱潮。第一次是在1958年的大躍進年代，當時由于許多技術問題未能解決，致使研制工作半途而廢。 第二次是在60年代初的三年困難時期，國內石油奇缺，為了自力更生解決能源需求，再次興起電動汽車的研制熱潮，取得了不小的進展。 1962年，上海公用事業(yè)研究所進行“蓄電池微型汽車研究”研制成SWD-S2電動汽車， 整車滿載質量為968kg，行駛車速達28.4km/h，一次充電的持續(xù)里程為82.2km，但該車實際運行了幾千公里，蓄電池的循環(huán)壽命達到110次。由于蓄電池的技術沒過關，壽命太短，研制工作終止。 第三次是70年代初，人們奮力恢復瀕于崩潰的經濟，在我國一些地方又開始了電動汽車的研究，但沒有取得突破性的進展。 進入80年代，我國改革開放，經濟起飛，在北京、上海、天津、洛陽、武漢、杭州、珠海等地研制電動汽車此起彼伏。1987年12月成立了中國電工技術學會電動車輛研究會。同期我國已研制出多輛電動汽車，如清華大學研制的電動中型面包車，四川的“中山胡”牌電動微型車，鄭州華聯電樞高科技有限公司研制的電動牽引車及HL-42型電動轎車等等。 1993年，香港大學研制出4座電動轎車U2001，它配置了功率為45kW的永磁直流無刷電動機和264V鎳蓄電池組。U2001轎車最高速度110km/h，0~48km/h的加速時間為6.35s，以88km/h的速度運行時，一次充電的續(xù)駛里程為176km。 1996年3月26日，中國遠望集團總公司研制的兩輛大客車YW6-120DD在北京亮相，最高時速可達90km/h，最大行駛里程為150km，采用三相異步電動機驅動。 2001年，科技部組織實施了電動汽車重大科技專項。四年過去，在電動汽車關鍵技術、系統(tǒng)集成技術及整車技術上取得了較大進展，目前，小型純電動車輛已通過產品型式認證試驗，混合動力汽車已開始商業(yè)化試驗示范運行，燃料電池汽車已經研制實用樣車，即將開始商業(yè)示范運行。各類電動汽車進入實用化考核階段。我國電動汽車的發(fā)展正步入大規(guī)模產業(yè)化的前夜。 “2008年北京奧運會”和“2010年上海世博會”對電動汽車有著20億元的市場規(guī)劃和需求。由此在國內掀起了一股空前的研發(fā)熱潮，首批74項課題于2002年1月開始攻關，全國幾乎所有與此相關的企業(yè)、高校和研究所都已相繼加入，目前，總投入3億元。國家科學技術部在國內選定了北京、天津、武漢和威海4個城市作為電動汽車示范運行城市，經過多年運行來看，其整體效果還是不錯的。所以近來，山東、江西、廣東等地的城市也開始陸續(xù)使用電 動汽車來替代原有的公交車輛。 2004年11月12日，同濟大學推出了燃料電池轎車“超越二號”，最高時速達118km，原地起步加速到最高時速耗時24.8s，續(xù)駛里程為168km。 2005年2月3日，東風汽車公司和武漢理工大學合作聯合研發(fā)的東風燃料電池電動汽車“楚人一號”通過專家組驗收。節(jié)能和環(huán)保的要求促進了電動汽車的發(fā)展。展望未來的幾十年，在新技術的支持下，將繼續(xù)發(fā)展蓄電池及先進的驅動系統(tǒng)。純電動汽車將主要用于小型車輛市場，比如社區(qū)交通?；旌蟿恿﹄妱悠嚹軡M足使用者的需求，將得到迅速發(fā)展。由于燃料電池電動汽車幾乎可以達到零排放，而且比內燃機車輛驅動能力好，所以從長遠來看，它將成為未來的主流車輛。通過各方面的共同努力，必然會迎來一個清潔電動汽車的新時代。 1.3研究的主要內容 (1)本論文將對電動汽車電動機、傳動系的傳動比和電池組容量等參數設計的原則和方法進行分析和探討。 (2)號的電動汽車作為研究對象，對動力傳動系的主要參數進行合理的選擇和匹配；基于ADVISOR建立整車動力傳動系統(tǒng)及關鍵零部件如電動機、電池等的性能仿真模型。 (3)用電動汽車仿真軟件ADVISOR中的自動尺寸設計方法對電動機功率、蓄電池容量等參數進行優(yōu)化處理。 (4)對優(yōu)化結果應用仿真軟件ADVISOR對整車動力性進行仿真計算，驗證以鎳氫電池為能源的電動汽車的加速性、爬坡性、最大車速等動力性及續(xù)駛里程是否滿足設計指標要求，從而驗證優(yōu)化方法及結果的合理性和有效性。 第二章 電動汽車傳動系的參數設計 2.1電動汽車傳動系統(tǒng)布置方式 電動汽車的動力傳動系統(tǒng)是電動汽車的核心部分，其性能決定著電動汽車運行性能的好壞。目前，電動汽車的動力傳動系統(tǒng)具有以下四種布置方式： (1)第一種與傳統(tǒng)汽車傳動系統(tǒng)的布置方式一致，帶有變速器。這種布置可以提高電動汽車的起動扭矩，增加低速時電動汽車的后備功率。 (2)第二種取消了離合器和變速器。這種方式對電動機的要求較高，不僅要求電動機具有較高的起動轉矩，而且要求具有較大的后備功率，以保證電動汽車的起動、爬坡、加速超車等動力性。 (3)第三種布置方式將電動機裝到驅動軸上，直接由電動機實現變速和差速轉換。這種傳動方式同樣對電動機有較高的要求，大的起動轉矩和后備功率，同時不僅要求控制系統(tǒng)有較高的控制精度，而且要具備良好的可靠性，從而保證電動汽車行駛的安全、平穩(wěn)。 (4)第四種布置同第三種布置方式比較接近，將電動機直接裝到了驅動輪上，由電動機直接驅動車輪行駛。 目前，我國的電動汽車大都建立在改裝車的基礎上，其設計是一項機電一體化的綜合工程。改裝后高性能的獲得并不是簡單地將內燃機汽車的發(fā)動機和油箱換成電動機和蓄電池便可以實現的，它必須對蓄電池、電動機、變速器、減速器和控制系統(tǒng)等參數進行合理的匹配，而且在總體方案布置時必須保證連接可靠、軸荷分配合理等等才能獲得。鑒于目前國內對電動機及其控制系統(tǒng)的研究還未達到使用電動輪的要求，故本論文的研究仍然建立在傳統(tǒng)汽車傳動系統(tǒng)的基礎上。 2.2蓄電池的數學模型 在當前的電動汽車仿真軟件中，電池模型多采用內阻模型。內阻模型將電池看成是一個理想的電壓源和一個電阻串聯的等效電路，簡化模型如圖2-1所示。 圖中 ——單體電池電動勢（V）； ——工作電壓（V）； ——工作電流（A）； ——等效內阻（Ω）。 由圖2-1所示得到電池的電壓特性方程為： 電池電動勢和內阻受多個因素影響，數值隨電池狀態(tài)時時變化，但通常只考慮主要因素的影響，例如在電動汽車的仿真軟件ADVISOR中，內阻模型將和看作荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)和溫度T的函數。下面為了簡化計算，暫將其視為常數。得到， 電池的放電功率為： 電池的最大輸出功率為： 是一個理論的計算值。在實際應用中為了防止過大的放電電流而產生過大的熱量進而影響到電池壽命，通常要求電池工作電壓處于2/3~1倍的范圍內，這樣也可以保證電池具有較高的效率。故在實際應用中電池的最大功率應限制為： 2.3交流電動機的數學模型 電機驅動系統(tǒng)是電動汽車中最關鍵的系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)的類型和性能直接決定了電動汽車的運行性能。作為電動汽車的牽引電機，應具有寬的調速范圍、高的轉速及足夠大的起動轉矩，還要求體積小、重量輕、效率高，并且能實現動態(tài)制動和能量回饋。由于直流電機具有良好的起動能力和調速性能，早期開發(fā)的電動汽車大多數都采用直流電機作為驅動電機。然而隨著電子技術和自動控制技術的發(fā)展，以及各種高性能電力電子元件的出現，交流調速技術有了迅速的發(fā)展，現已經能獲得同直流電機一樣優(yōu)良的調速性能。而且交流感應電機所具有的結構簡單、運行可靠和維護方便等優(yōu)點非常適合電動汽車的要求。所以，在近來的電動汽車研制中，驅動系統(tǒng)都競相采用交流感應電機 (1) 電流、電壓、磁鏈方程交流感應電動機三相定子繞阻的電流為： 式中 ——定子繞組電流的頻率； ——釘子繞組電流的幅值； ——三相定子繞組中電流的角速度。 轉子繞阻的電流為： 式中 ——轉子繞組單位電流幅值； ——三相轉子繞組中電流的角速度； ——轉子繞組中電流頻率； ——磁極對數； ——負載轉速； ——旋轉磁場的轉速； 式中K──轉子繞阻和定子繞阻的匝數比。 三相定子繞阻、轉子繞阻的電壓平衡方程式可寫為： 將上述各量度折算到定子的一側，電壓方程可轉寫為矩陣形式： 式中 、、、、、——各相繞組的瞬時電流； 、、、、、——各相繞組的瞬時電壓； 、、、、、——各相繞組的全磁鏈； 、——定子、轉子繞組的電阻。 每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其它繞組對它的互感磁鏈之和，因此，六個繞組的磁鏈可表示為： 式中 、、、、、——各繞組的互感。 對于每一相繞組來說，它所交鏈的磁通是互感磁通和漏感磁通之和，因此，定子各項自感為： 轉子各項自感為： 式中 ——定子漏感； ——轉子漏感； ——定子互感，轉子互感。 兩相繞組之間只有互感?；ジ杏址譃閮深悾憾ㄗ尤嗬@組之間和轉子三相繞組之間位置都是固定的，所以互感為常值；定子任意的一相與轉子的任意一相之間的位置是變化的，互感隨著角位移θ的變化而變化?，F在先討論第一類，由于三相繞組的軸線在空間的相位差是120。在假定氣隙磁通為正弦分布的條件下， 第一類互感為： 第二類互感為： (2)使用交流電機的電動汽車的主電路的功率模型當采用交流感應電機時，電動汽車的主電路是指給電動汽車行駛提供所需能量的電路，即動力蓄電池組到控制器或逆變器之間的直流電路，以及逆變器與交流電機之間的交流電路，將這兩條電路稱為電動汽車的主電路。 三相交流感應電動機功率為： 式中 ——逆變器輸出端的線電壓； ——逆變器輸出端的電流； ——交流感應電動機的功率因素。 2.4電動汽車傳動系統(tǒng)參數設計 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設計應該滿足車輛對動力性能的要求和續(xù)駛里程的要求。車輛行駛的動力性能可以用以下四個指標來評價： (1)起步加速性能車輛在設定時間內由靜止加速到額定車速或走過預定的距離的能力。 (2)以額定車速穩(wěn)定行駛的能力對電動汽車來說，蓄電池和電動機應該能提供車輛以額定車速穩(wěn)定行駛的全部功率需求，并且根據我國的道路狀況至少能克服坡度為3%的路面阻力。 (3)以最高車速穩(wěn)定行駛的能力在電動汽車上，電動機發(fā)出的功率應該能夠維持車輛以最高車速行駛。 (4)爬坡能力電動汽車能以一定的速度行駛在一定坡度的路面上。另外，在電動汽車上的蓄電池所輸出的電能和電量應該能夠維持電動汽車在一定工況下行駛額定的里程。 2.4.1電動機參數設計 電動機的功率包括額定功率和最大功率。電動機的功率選得越大，則電動汽車的后備功率越多，加速和爬坡性能越好，但同時電動機的體積和質量也會迅速增加，而且會使電動機不能經常工作在峰值功率附近，從而會出現大馬拉小車的現象，使電動機的效率下降。因此，電動機的功率不能選得太大，應該依照電動汽車的最高行駛車速、爬坡和加速性能來確定電動機的功率。設計中常常以先保證汽車預期的最高車速來初步選擇電動機應有的功率。已知電動汽車期望的最高車速，選擇的電動機功率應大體上等于但不小于汽車以最高車速行駛時行駛阻力消耗的功率之和。電動汽車以最高車速行駛消耗的功率： 式中 ——整車質量（kg）； ——滾動阻力系數； ——迎風阻力系數。 ——迎風面積（m） 電動汽車以某一車速爬上一定坡度消耗的功率： 式中 ——電動汽車行駛的速度（km/h）； ——坡度。 電動汽車在水平路面上加速行駛消耗的功率： 式中 ——汽車旋轉質量換算系數； ——車輪的轉動慣量（kg﹒m）； ——飛輪的轉動慣量（kg﹒m）； ——車輪的半徑（m）； ——變速箱傳動比； ——主減速器傳動比。 總之，電動汽車的電動機功率應能同時滿足汽車對最高車速、加速度及爬坡度的要求。所以電動汽車電動機的額定功率： 電動汽車電動機的最大功率： 式中 ——機械傳動系統(tǒng)效率； ——電動機的過載系數。 2.4.2傳動系傳動比設計 在電動機輸出特性一定時，傳動系的傳動比如何選擇，依賴于整車的動 力性指標要求，即電動汽車傳動比的選擇應該滿足汽車最高期望車速、最大 爬坡度以及對加速度時間的要求。 (1)傳動系速比的上限傳動系速比的上限由電動機最高轉速和最高行駛 車速確定。 式中 ——主減速器的傳動比； ——變速器的傳動比。 (2)傳動系速比的下限傳動系速比的下限由下述兩種方法算出的傳動系 速比的最大值確定。 由電動機最高轉速對應的最大輸出扭矩和最大行駛車速對應的行駛阻力 確定傳動系速比下限： 式中 ——最高車速對應的行駛阻力（N）； ——電動機最高轉速對應的輸出扭矩（NM）。 由電動機的最大輸出扭矩和最大爬坡度對應的行駛阻力確定傳動系速比 下限： 式中 ——最大爬坡度對應的行駛阻力（N）； ——電動機最大輸出扭矩（NM）。 2.4.3電池組容量設計 電池組容量的選擇主要考慮車輛行駛時的最大輸出功率和消耗的能量， 以保證電動汽車對動力性和續(xù)駛里程的要求[25]。 (1)由電動汽車所需的最大功率選擇電池組數目蓄電池的攜帶能量必須 大于或等于電動汽車的最大能耗，如此才能保證電動汽車行駛要求。所以要 求電池組數目： 式中 ——電動機的工作效率； ——電動機控制器的工作效率； ——單個電池組所包含的電池的數目。 (2)由續(xù)駛里程選擇電池組的數目在汽車充電前，蓄電池所攜帶的能量 必須保證電動汽車能夠行駛一定的里程。所以電池組數目： 式中 L——續(xù)駛里程（km）； W——電動汽車行駛1km所消耗的能量（km）； Cs——單個電池的電壓（V）。 從(1)(2)中選擇較大者確定電池組組數。 2.5、設計實例 電動汽車的整車參數和技術性能如下表： 技術性能參數 符號 單位 參數值 整車整備質量 M kg 1350 滾動阻力系數 f — 0.014 迎風面積 A 1.9 迎風阻力系數 CD — 0.3 輪胎滾動半徑 R m 0.28 最大期望車速 Ua Km/h >90 加速性能 T s 0～50km/h的加速時間<10s 50～80km/h的加速時間<15s 最大爬坡度 i km >30% 續(xù)駛里程 L km 等速>230 工況>150 2.5.1電動機的參數選擇 直流電動機的電樞電壓、電流和磁通之間耦合較弱，具有良好的機械特性，能在大范圍內平滑調速，起動、制動性能良好。但隨著生產技術的不斷發(fā)展，直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯現。由于換向器的存在，使其維護工作量加大，最高轉速、使用環(huán)境都受到限制。而且交流電動機經過多年的研制，不斷的取得新的突破，逐步獲得電動汽車的青睞。所以本論文選取交流感應電動機。 由公式計算得到電動機的最大功率為=71.3348kW。電動汽車所用的電動機具有較大的過載能力，最大功率可達額定功率的3倍左右。因此，按勻速模式選擇的電動機功率完全能夠滿足加速模式下動力性能的要求。參考ADVISOR并查閱電工手冊選擇交流電機參數：額定功率=30kW；額定電壓 =220V ；最大電流=180A；過載系數λ=2.4；最高轉速9000r/min。 2.5.2傳動系統(tǒng)傳動參數的選擇 目前，電動汽車主要在市區(qū)和城市近郊使用，它所遇到的工況多種多樣，最低穩(wěn)定車速在3~6km/h范圍內，最高車速可達100km/h(本論文中要求)，甚至更高。電動汽車在行駛過程中所遇到的阻力變化很大，變化范圍在6倍以上，而單靠電動機的力矩變化是不能滿足電動汽車行駛性能要求的。因此，在電動機和驅動輪之間需要安裝減速器和變速器，一方面使電動汽車滿足行駛性能要求，另一方面使電動機經常保持在高效率的工作范圍內工作，減輕電動機和動力電池組的負荷。為了滿足電動汽車行駛阻力的變化范圍，減輕電動機和動力電池的負荷，提高工作效率，又使傳動系統(tǒng)的結構不過于復雜以至降低工作效率，本論文采用Ⅲ檔變速器。 (1)主減速器速比的選擇設傳動系變速器第Ⅲ檔為直接檔即，又有電動機的最高穩(wěn)定轉速r/min，所以由公式得： =1，又有電動機的最高穩(wěn)定轉速=9000r/min ，所以由上述公式得， 7.9170，1.3326 參考多種汽車主減速器速比經驗值及ADVISOR仿真試驗的反復驗證，初 步確定主減速器速比為=4.3245。 （2）變速器速比的選擇汽車傳動系各檔的傳動比大體上按等比級數分配，這種分配變速器速比的方法使汽車經常工作在大的功率范圍內，可以充分利用蓄電池所提供的一次充放電的有限能量，提高動力性，增加續(xù)駛里程。 由公式得到，=2.0898；根據等比級數的分配方法： 2.5.3蓄電池參數的選擇 電動汽車動力電池的選用不僅應該考慮動力性因素還應該考慮環(huán)保方面 的因素。 以鉛酸電池、鋰電池、鎳鎘電池、鎳氫電池四種當今最熱門的電動汽車 儲能電池為代表，比較四種電池的性能參數，見下表： 鉛酸 鋰電池 鎳鎘 鎳氫 能量密度（Wh/L） 60~100 250 110 190 比能量(Wh/kg) 30~50 120~140 40~50 50~80 功率密度(W/L) 120 — — 480 比功率(W/kg) 200~400 200~300 150~350 150~300 續(xù)駛里程(mph) 60 195 120 250 循環(huán)壽命(次) 400~600 1200 800~2000 800~1000 充電時間(h) 8~17 <3 5~60 <6 能量效率(%) 65 — 65 90 可回收利用率(%) 97 50 99 90 價格($/kWh) 100 200 300 200 鉛酸電池由于價格低廉、原料易得、使用可靠、可大電流放電及技術成熟等優(yōu)點一直占領著電動汽車的車用電池市場。但近幾年來，鎳氫電池技術逐漸純熟，它的續(xù)駛里程和使用壽命是鉛酸電池的兩倍，更兼在實際使用中它的能量密度和峰值功率密度較高，大有后來者居上的趨勢。鋰電池具有高能量密度、高功率密度和很長的循環(huán)壽命，可防止過充電和過放電，是理想的動力電池，但成本太高、發(fā)熱嚴重，到目前為止還處于試驗階段。 鎳鎘電池屬堿性蓄電池能量密度、比能量、比功率較高，但含鎘，重金屬污染嚴重。鎳氫電池是一種新型環(huán)保的高容量二次電池，其特性和鎳鎘電池相似，只是以吸藏氫氣的合金材料(MH)取代了鎳鎘電池中的負極材料鎘(Cd)。較之上述其它電池鎳氫電池有許多優(yōu)點：能量密度高，是鎳鎘電池的1.5~2倍；可快速充放電，低溫性能好；可密封，耐過充放電性能強；無毒無環(huán)境污染，不使用貴金屬；無記憶效應。 綜合考慮電池的各項性能及發(fā)展前景，本論文選用Ovonie公司研制的鎳氫電池，比電容達250Ah，比電壓1.2V，比能量達80Wh/kg，比功率230W/kg。 （1）由電動機功率確定電池組的數目由式求得單個電池的最大輸出 為=1.3853kW，進而由式得， （2）由續(xù)駛里程確定電池組的數目由式(2-28)得，考慮到電池放電深度一般不超過80%，故取 綜合(1)(2)，取電池組數目n=22。 電動汽車傳動系統(tǒng)主要參數都是由汽車行駛時所消耗的能量出發(fā)推導計算得到的，理論上，它的動力性、續(xù)駛里程都應該滿足設計要求。下面通過仿真試驗進行驗證。匹配設計參數詳見下表： 參數符號 參數值 電動機 額定功率 最大轉速 額定電壓 30kw 9000r/min 220V 傳動系速比 主減速器速比 1檔變速器速比 2檔變速器速比 3檔變速器速比 4.3245 2.0898 1.4456 1 蓄電池 額定容量 額定電壓 電池組數目 250A.h 290V 22 第三章 電動汽車動力性仿真 3.1電動汽車動力性評價指標 電動汽車種類繁多、性能各異，如何建立一個統(tǒng)一的性能標準，以評價這些不同廠家生產的、不同類型的電動汽車，成為電動汽車發(fā)展的一項基礎研究。對于傳統(tǒng)的燃油汽車，最高時速和加速能力是最重要的性能指標。由于每次加滿油的行駛里程已遠遠超過了人們的一般要求，因而行駛里程對燃油汽車來講，只是次要的性能指標。在環(huán)保意識不斷提高的今天，人們己不再簡單地追求汽車最高車速和加速性能，燃油汽車的廢氣排放己成為汽車性能的又一重要的考核指標。此外，汽車的舒適性、安全性等等也都會成為汽車推銷商的賣點。 對于電動汽車，一次充電后的電大行駛里程則是最重要的性能指標。這是因為，一輛1.5L的燃油汽車加滿油之后至少可行駛500km，而大部分的現代電動汽一次充電后的行駛里程在100一200km左右，遠低于燃油汽車，還不能完全滿足人們對現代機動車輛的要求，從而成為制約電動汽車發(fā)展的主要因素。因此人們在評價電動汽車的性能時，主要考慮如下性能指標: （1） 最大行駛里程(km)—電動汽車每次充滿電后的最大行駛里程; （2） 加速能力(s)—電動汽車從靜止加速到一定的時速，如0~40、0~60km/h所需的時間； （3） 最高車速(km/h)—電動汽車所能達到的最高車速。 在不同的行駛方式下(如在繁華的都市街道上，需不斷制動、起動，和在高速公路上，可以勻速連續(xù)駕駛)，行駛里程有很大的差異，為了合理的評價機動車的性能，人們制定了統(tǒng)一的機動車駕駛模式。由于不同國家或地區(qū)的駕駛條件差異很大，各個國家分別制定有自己的駕駛模式，其中主要有:美國聯邦都市駕駛模式(EUDC)、歐洲駕駛模式(EDC)、美國機動車工程師協(xié)會(SAE)駕駛模式、日本電動汽車協(xié)會的駕駛模式。 由于我國的電動汽車開發(fā)起步較晚，目前尚未建立自己的電動汽車駕駛測試標準式，而一直沿用美國或歐洲的標準，本文仿真時選用美國聯邦都市駕駛模式(EUDC)。 3.2 ADVISOR軟件簡介 ADVISOR采用逆向和正向相結合的建模方法。逆向建模方法是假設汽滿足所要求的行駛循環(huán)的軌跡功率需求，從而來反推計算動力系各個總成應該如何執(zhí)行以輸出相應的功率。這種方法的優(yōu)點是不需要駕駛員模型，可以僅通過迭代法來預測汽車的各項性能。ADVISOR采取了模塊法的建模方法，所以它的各個總成模塊可以很容易的擴充和改進，各個模塊可以隨意的組合使用。此外，用戶也可以根據自己的需要，建立新模型，來定義設計者需要的汽車模型。ADVISOR提供了兩種方式來定義車輛傳動系統(tǒng)的類型。一種是ADVISOR內部保存了包括Insight和Prius在內的37種電動汽車的數據文件，用戶可以選擇合適類型的汽車，在此基礎上加以修改。另一種是ADVISOR內部保存了傳統(tǒng)汽車、電池電動汽車、燃料電池汽車、并聯混合動力汽車、串聯混合動力汽車、混聯混合動力汽車等8種類型的傳動系統(tǒng)，用戶可以以此為模板定義自己的傳動系統(tǒng)。另外用戶還可以自定義新類型的傳動系統(tǒng)增加到ADVISOR的模板庫中。 ADVISOR設計了車輛(Vehicle)、發(fā)動機(Fuel Converter)、能源儲存系(Energy Storage System，簡稱ESS)和電動機(Motor)等多個部件的仿真模型。ADVISOR提供了道路循環(huán)(Drive Cycle)、多重循環(huán)(Multip1e Cycles)和測試過程(Test Procedure)3種仿真工況來仿真車輛的性能。： (1)道路循環(huán)提供了CYC-ECE，CYC-FTP和CYC-1015等56種國外標準的道路循環(huán)，另外提供了行程設計器(Trip Builder)，可以將多達8種不同的道路循環(huán)任意組合在一起，綜合仿真車輛的性能。 (2)多重循環(huán)功能可以用批處理的方式以相同的初始條件，快速計算和保存不同的道路循環(huán)情況下的仿真結果，并將它們顯示在一起，供用戶進行比較。 (3)測試過程包括TEST-CITY-HWY和TEST FTP等8種國外標準的測試過程供用戶選擇仿真。 ADVISOR的仿真結果包括： (1)仿真參數圖(Parametric Results Figure)它能同時顯示任意4組部件參數值隨仿真時間的變化情況。 (2)仿真報告(Results Figure)它包括燃料消耗率、行駛距離、有害氣體排放、加速度和爬坡能力報告。 (3)能源消耗圖(Energy Use Figure)它報告各個部件在做功模式(POWERMODE)和能量再生模式(REGEN MODE)下的輸入能量、輸出能量、損失能量和效率。 (4)比較仿真(Compare Simulations)該功能可以同時打開8個仿真結果文件和測試數據文件，將它們顯示在同一幅坐標圖上進行比較。另外提供了條形圖(Bar Chart)和極坐標圖(Spider Plot)兩種方式進行比較。 (5)重放功能(Replay)在可視化的GUI上動態(tài)顯示仿真結果，它的界面與交互式仿真的GUI相同。 本論文利用ADVISOR的以上特點特性，基于該軟件隨意組合電動汽車；通過電動汽車的一系列結構技術參數，對于任意一款電動汽車進行改裝設計，對各個模塊進行修改，建立自己的汽車模塊，組成需要的汽車模型；應用ADVISOR對設計的模塊進行仿真計算，在短時間內快速的測試汽車的部分性能。 3.3、利用ADVISOR對汽車進行動力性仿真 3.3.1ADVISOR的參數輸入界面 仿真軟件ADVISOR是一款功能非常強大的軟件，前面己經做過簡單介紹，我認為應用ADVISOR軟件的一個很大的優(yōu)點是輸入圖型可視化，方便簡捷。我們可以通過直接在ADVISOR的圖形用戶界面GUI下直接輸入汽車的仿真參數，當然也可以通過各部件的內部.。文件來進行修改，兩種方式產生的效果是一樣的。 下面我們通過在ADVISOR的圖形用戶界面翻工下輸入PRIUS型電動汽車的參數。點擊主界面右上角的Auto—size。進入參數輸入窗口，如圖所示，在此窗口中可輸入爬坡度任務設定、加速度任務設定 汽車參數配置窗口 汽車爬坡度設定 汽車加速度設定 3.3.2PRIUS型純電動汽車的模擬計算 1、定義計算任務 因為本次任務是對整車的動力性進行仿真，因此設定以下幾項計算任務： 最高車速(Constant Drive) 最大爬坡度計算(Climbing Performence) 加速性能(Full Load Acceleration) 2、仿真計算結果: 仿真計算結果： 能源消耗情況 能源消耗示意圖 能源再生示意圖 工況行駛和續(xù)駛里程計算(CYC_EUDC) 圖為EUDC工況下，PRIUS純電動汽車的加速性能、車速和里程的計算結果。 工況計算結果 從計算結果可以看出，在EUDC工況下，最高車速為92.1Km/h，速度為55km/h時的最大爬坡度為40%，0—50km/h用時4.8秒，50—80km/h用時5秒，0—80 km用時9.8秒。利用ADVISOR軟件的仿真結果可以看出汽車的動力性能非常好，可以滿足電動汽車的動力性要求。 第四章 論文總結 本論文是基于電動汽車的各傳動部分建立各自的數學模型基礎之上進行的動力性能仿真，并查閱了大量資料的基礎上所撰寫的。論文是以PRIUS車型進行仿真的，進行了該車型的最高速度、最大爬坡度、0—50km/h加速時間、50—80km/h加速時間。從仿真的結果可以看出PRIUS電動汽車的各個傳動系統(tǒng)的匹配、蓄電池和電動機的.選擇是合理的。 （1）分析了交流感應電動機和蓄電池的數學模型。對直流電機和交流電機的優(yōu)缺點以及幾種代表性電池的性能作了比較，選用交流感應電動機驅動，鎳氫電池作為動力源。 （2）比較了幾種常見的電動汽車傳動系統(tǒng)布置方式。電動輪結構型式雖是電動汽車的發(fā)展趨勢，但對電機和控制系統(tǒng)的要求很高，因此本論文選擇了傳統(tǒng)的結構型式。在此基礎上，提出了一套比較合理的參數設計方法。 （3）在所建立的數學模型上利用ADVISOR軟件進行了動力性能仿真。 ADVISOR軟件具有強大的仿真模擬功能，為電動汽車的設計提供了行之有效的方法。 本論文的不足之處在于模型的建立與實際情況略有差距，另外我國沒有自己的道路環(huán)境系統(tǒng)，該論文是利用美國所制定的道路環(huán)境。 致謝 我的能夠順利完成我要感謝每一個在論文資料收集和論文寫作過程中給與我?guī)椭娜?。首先我要感謝我的論文指導老師。他給我選題提供了一個大方向，并且給了很多意見和建議。由于我的資料是關于電動汽車方向的，這是一個比較新的課題，也是技術不成熟的領域。所以，我們學校的圖書館在這方面的資料還是比較匱乏。李老師給了我很多電動汽車的資料，我在閱讀這些資料后我的寫作才有了思路。在完成初稿后，老師認真查看了我的文章，指出了我存在的很多問題。在此十分感謝李老師的細心指導，才能讓我順利完成畢業(yè)論文。同時，本篇畢業(yè)論文的寫作也得到了黃漢，楊俊等同學的熱情幫助。感謝在整個畢業(yè)設計期間和我密切合作的同學，和曾經在各個方面給予過我?guī)椭幕锇閭?，在此，我再一次真誠地向幫助過我的老師和同學表示感謝！ 參考文獻 1.李佩珩，易翔翔，侯福深.國外電動汽車發(fā)展現狀及對我國電動汽車發(fā)展的啟示.北京工業(yè)大學學報．2004 2.陳清泉.電動汽車是我國汽車工業(yè)趕超世界先進水平的大好機會.中國國防經濟觀察.2004 3.胡驊，宋慧.電動汽車.人民交通出版社，2002 4.陳伯時:電力拖動自動控制系統(tǒng)（第二版）北京:機械工業(yè)出版社，1997 5.蔡方耀:電動機應用計算指南.北京:機械工業(yè)出版社，1992 6.余志生:汽車理論（第2版）北京:機械工業(yè)出版社，1994 7.廖權來.羅玉濤:電動汽車學.廣州:華南理工大學出版社，1997 8.侯志祥.李小穎，我國21世紀電動汽車發(fā)展的對策交通科技，2002 9.麻友良.陳全世:我國電動汽車發(fā)展問題探討武漢科技大學學報(自然科學版) 10.湯秀紅劉偉濤電動汽車技術發(fā)展綜述城市車輛，2002 11.高立新.趙韓錢立軍:電動汽車開發(fā)的關鍵技術及技術路線合肥工業(yè)人學學報，2002 12.陳清泉.詹宜巨:21世紀的綠色交通工具—電動車清華大學出版社，2002 13.田春霞.電動汽車用先進電池的現狀及發(fā)展.電池，2000 14.陳堅:交流電機數學模型及調速系統(tǒng).北京:國防工業(yè)出版社，1991