電動汽車總體設計

設計說明書設計說明書電動汽車總體設計電動汽車總體設計 作品編號：作品編號：JL731960JL731960 姓名：姓名： 指導教師：指導教師：所在學校：吉林農(nóng)業(yè)科技學院所在學校：吉林農(nóng)業(yè)科技學院 20122012 年年 7 7 月月 1 1 日日電動汽車設計說明書 1前言前言1 電動汽車環(huán)保節(jié)能，是個好的交通工具，若夜間充電既能減少深夜電力資源浪費，又能緩解我國燃油消耗壓力。同時節(jié)省更多的燃油用到生產(chǎn)運輸上去緩解市場物價上漲。2 除有私家車的人外，步行坐公交車和自行車，這些種出行方式，都適應不了現(xiàn)在生活的快節(jié)奏。電動汽車具有自己的獨特優(yōu)勢，與燃油車相比較，沒多少環(huán)境污染，便捷，環(huán)保（電池可回收） ，幾乎是 1 塊錢的電費就可以跑 40 公里，其具有很好的發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬啊? 電動汽車優(yōu)質(zhì)優(yōu)價、節(jié)能環(huán)保、安全可靠、費用低廉、舒適靈活等許多優(yōu)點，可在快捷中享受快樂，是城鄉(xiāng)人們出行、健身、上下班、上學經(jīng)濟型的交通工具。4 電動汽車其主要動力來源于人力，四人可以同時進行人力驅(qū)動，具有一定的環(huán)保型，安全性，娛樂性。5 電動車后部有一個精密的變速箱，可以變換 4 個檔位，一個倒車檔，主駕駛室有控制系統(tǒng)，電力操作面板，方向盤。6 齒輪由高速鋼鑄造而成，具有耐磨性。車身由高強度合金板材焊接而成，具有質(zhì)量輕、強度大、易加工等特點。車身前端有遠近照明燈，采用 12V 電壓工作系統(tǒng)。車身上端有遮陰蓬，四周為通風式設計。每個裝卸零件采用國家標準零件，易于購買。7 該車適合于游樂場，市區(qū)居民，人力車市場，家庭遠行郊游者共買。電動汽車設計說明書 2目錄目錄 電機及控制器電機及控制器.3整車參數(shù)整車參數(shù) .4 整車質(zhì)量參數(shù).4 行駛系行駛系.4 動力電池及充電機動力電池及充電機.4 其它其它.5設計內(nèi)容.9設計要求.10設計過程.11電動汽車設計說明書 31 汽車基本情況：汽車基本情況：技術特性技術特性電機及控制器電機及控制器 車型項目 參數(shù)值電機型號XYQ-7.5-3BH電機型式三相異步交流額定功率7.5kw額定轉(zhuǎn)速3440r/min額定轉(zhuǎn)矩26NM功率因數(shù)0.8電機最高空載轉(zhuǎn)速5860r/min控制器型號LF60控制器型式三相交流 DSP控制器容量15kV.A控制器防護等級IP54電動汽車設計說明書 4整車參數(shù)整車參數(shù) 車型項目電動汽車總長(mm)2400總寬(mm)1300總高(mm)2000軸距(mm)2200最高車速(km/h)65最大爬坡度（%）30最小離地間隙(mm)150最小轉(zhuǎn)彎直徑(m)10整車質(zhì)量參數(shù) 車型項目電動汽車整備質(zhì)量(kg)200滿載質(zhì)量(kg)500行駛系行駛系 車型項目電動汽車前懸架型式后懸架型式輪胎規(guī)格輪胎氣壓(kPa)200輪輞13*5JB動力電池及充電機動力電池及充電機 車型項目電動汽車電池類型鉛酸閥控式單體電池電壓(V)12單體電池容量(Ah)150Ah 10 小時率電池總電壓(V)72電池總容量(Ah)150電池電池總重量(kg)電動汽車輸入電壓(V)AC 220 50Hz輸入電流(A)10充電機輸出電壓(V)72電動汽車設計說明書 5輸出電流(A)25其它其它 車型項目電動汽車轉(zhuǎn)向器型式齒輪齒條式方向盤位置左置行車制動器型式雙回路液壓制動系統(tǒng)駐車制動器型式機械鋼索式,作用于后輪輔助制動型式電動真空泵額定載客數(shù)4 人(含駕駛員)續(xù)駛里程(km)2002、整車基本結構、整車基本結構電動汽車主要由驅(qū)動控制系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、底盤、車身及電氣系統(tǒng)組成。整車采用動力裝置后置后輪驅(qū)動，具有合理的軸荷分配和良好的操縱穩(wěn)定性。驅(qū)動控制系統(tǒng)是電動汽車的心臟，其任務是在駕駛員控制下，高效地將蓄電池的能量轉(zhuǎn)化為車輪的動能，或者腳踏板驅(qū)動汽車前進。驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由電機，踏板和電機控制器組成，電機與電池之間的能量流動通過控制器調(diào)節(jié)，電機與車輪通過機械傳動裝置連在一起。電動汽車車采用交流電機作為驅(qū)動電機。電池系統(tǒng)作為整車的動力源，主要功能是為驅(qū)動控制系統(tǒng)提供電能，并用周期性的充電來補充電能。動力電池組作為電動汽車的關鍵裝備，它的質(zhì)量和體積以及儲存的能量對電動汽車的性能起決定性的作用。電動公交客車采用鋰離子電池作為整車的動力源。底盤包括傳動行駛系、轉(zhuǎn)向系、制動系、懸架和前橋等，其中行駛系又主要由變速器、傳動軸和車輪等組成。底盤的主要功能是支撐整車的質(zhì)量，將電機發(fā)出的動力傳給驅(qū)動車輪，同時還要傳遞和承受路面作用于車輪的各種力和力矩，并緩和沖擊、吸收振動以保證汽車的舒適性，能夠比較輕便和靈活地完成整車的轉(zhuǎn)向和制動等操作。電動汽車設計說明書 61 腳踏板 2 電機 3 轉(zhuǎn)向 4 檔位 5 變速箱（后橋） 6 車架 7 輪胎 8鏈條 9 主軸 10 變速桿 11 離合電動汽車設計說明書 7運動過程運動過程主要由 1 踏板和 2 電機同時帶動 9 主軸轉(zhuǎn)動通過 8 鏈條帶動 5 變速箱最后通過變速箱使 7 輪子轉(zhuǎn)動車身骨架總成由前圍、后圍、及頂蓋等部件組成。車身骨架采用異型鋼材（矩形鋼管）及薄板沖壓件組焊而成，所構成的三維框架結構，經(jīng)有限元計算有足夠的剛度和強度，并進行了輕量化改進，結構較為合理。電氣系統(tǒng)包括低壓電氣系統(tǒng)和高壓電氣系統(tǒng)兩部分。動力電池組輸出的高壓直流電通過電機控制器驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，同時還向空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動電機、制動系統(tǒng)的驅(qū)動電機提供電能，這構成了整車的高壓電氣系統(tǒng)；動力電池組通過 DC/DC 變換器將高壓直流電轉(zhuǎn)換為 24 V 低壓直流電，為儀表、照明、控制系統(tǒng)和車身附件提供電能，并給輔助蓄電池充電，這構成了整車的低壓電氣系統(tǒng)。變速箱變速箱 電動汽車設計說明書 8 此變速箱一共有 8 個軸 1 軸與前面的鏈條連接 2 軸為離合的軸（通過整體的左移動實現(xiàn)下圖中藍齒輪與紅齒輪分離以致實現(xiàn)離合的要求）3 軸為固定的軸 4 軸和 5 軸為換齒軸通過他們的左右移動實現(xiàn)變換檔位 6 軸為間接軸只與 5 軸小齒連接實現(xiàn) 8 軸后轉(zhuǎn)（倒檔）7 軸為主要軸（所有的換擋齒都在 7 軸上）8 軸就是車軸與后輪直接相連，此變速箱全是直齒輪。白 1 齒和白 2 齒在 5 軸上通過軸的整體左移動實現(xiàn)白 1 齒與綠 1 齒咬合 整體的右移動實現(xiàn)白 2 吃與黃 2 吃咬合（6 軸與 7 軸總是咬合）電動汽車設計說明書 9紅顏色的 1 和 2 是 4 軸上的 2 個齒通過 4 軸的整體左移動實現(xiàn)2和2的咬合 整體的右移動實現(xiàn)1和1的咬合設計內(nèi)容設計內(nèi)容主要進行汽車總體設計。汽車總體設計的內(nèi)容包括：1查閱資料、調(diào)查研究、制定設計原則2選擇整車和各總成的結構型式及主要技術特性參數(shù)和性能參數(shù)，形成一個完整的整車概念。選型過程中要進行必要的計算，并繪制總布置草圖，以檢驗所選擇的總成能否滿足選型時確定的整車性能和尺寸要求。3汽車主要技術參數(shù)的確定（1）汽車質(zhì)量參數(shù)的確定：汽車裝載質(zhì)量、整車整備質(zhì)量、汽車總質(zhì)量、汽車軸數(shù)和驅(qū)動型式、汽車的軸荷分配。（2）汽車主要尺寸參數(shù)的確定：汽車軸距、汽車的前后輪距、汽車的前懸和后懸、汽車的外廓尺寸。（3）汽車主要性能參數(shù)的確定：汽車動力性能參數(shù)（汽車最高車速 vamax、加速時間、最大爬坡度 imax、直接檔最大動力因數(shù) D0max、檔最大動力因數(shù) Dmax） 、燃料經(jīng)濟性參數(shù)、通過性參數(shù)、制動性參數(shù)、操縱穩(wěn)定性參數(shù)、行使平順性參數(shù)。3繪制總布置圖電動汽車設計說明書 10（1）明確繪制總布置圖的基準；（2）標注主要結構尺寸和裝配尺寸；設計要求設計要求 1繪制汽車的總布置圖。2編寫設計說明書，設計說明書應包括以下內(nèi)容：（1）汽車形式的選擇；（2）汽車各總成的選擇； （3）汽車主要技術參數(shù)的確定；（4）汽車主要性能的計算；包括：汽車動力性、經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性等。（5）參考文獻。汽車主要參數(shù)驅(qū)動形式：電動機后驅(qū)整備質(zhì)量：200 千克滿載等量：500 千克外型尺寸：總長 2400mm，總寬 1200mm，總高 2000mm。軸距 2000mm，輪距：前輪（沿地面）2300mm，后輪 2300mm，最小轉(zhuǎn)彎直徑（前外輪輪軌跡） ，22.8mm，汽車通過角度：接近角 7 度，離去角 7 度。最大制動距離(車速為 30km/小時):8.2m變速器：四檔變速傳動軸：普通傳動軸懸架：前懸架型式：兩個整體彈性空氣懸掛、雙向作用液壓筒式減振器和橫向穩(wěn)定裝置及限位塊等所組成后懸架型式：四個整體彈性空氣懸掛、雙向作用液壓筒式減振器和橫向穩(wěn)定裝置及限位塊等所組成減震器型式：在座椅下方輪胎：數(shù)量 4 個，不設備胎型號未定輪輞規(guī)格：未定電動汽車設計說明書 11輪胎：未定充氣壓力未定車身結構：車身由底架和車身骨架組成，而車身骨架又由前圍、后圍、頂架組成。車身采用凱斯鮑爾成熟的全承載式桁架結構，具有足夠的剛度和強度，并進行了輕量化改進，結構較為合理。前輪定位：車輪外傾角。主銷后傾度，主銷內(nèi)傾角。13.58.5前輪前束：02mm。轉(zhuǎn)向機構：齒輪齒條傳動設計過程設計過程一異步電機選擇一異步電機選擇匹配內(nèi)容：異步電機的額定功率、峰值功率、最大轉(zhuǎn)矩、基速、峰值轉(zhuǎn)速、額定電壓、額定電流和功率因數(shù)。根據(jù)上述技術參數(shù)表，可以初步計算出城市電動客車的行駛阻力。公式如下：fijwFFFFF式中：滾動阻力fF空氣阻力wF滾動阻力iF加速度阻力jF1 滾動阻力fFfGcos式中：滾阻系數(shù)，??；f0.012 最大允許車重G167526.6N 坡度角。坡度取為 0 時，fFfGcos2007.1N 電動汽車設計說明書 12取最大坡度為 0.2 時，fmaxFfGcos167526.60.981966.94N2 坡度阻力fFGsin最大坡度 0.2 時，fmaxFGsin167526.60.233505.32N3 空氣阻力2dmaxfC AVF21.15式中： 空氣阻力系數(shù)，取為dC0.7 迎風面積，取為,為前輪距，車高A1AB H6.71BH 最高車速取為maxV80km / h2dmaxfC AVF1419.2N21.154 加速度阻力dtmdVFj汽車驅(qū)動力：riTiFtogt式中： 驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)矩T 變速箱傳動比gi主減速器傳動比oi傳動效率t驅(qū)動輪半徑，取為 0.5mr根據(jù)驅(qū)動力和行駛阻力平衡運動風度：電動汽車設計說明書 13dtmdVAVCGfGriTidtog15.21sincos2當汽車以最高速度 80km/h 行駛時，只有空氣阻力和滾動阻力:汽車驅(qū)動力NAVCfGFFFdwf3 .34262 .14191 .200715.21cos2t則此時的驅(qū)動功率:這是電機額定輸出功率的下限值KWVFPTt6 .843600max考慮到驅(qū)動空調(diào)、助力附件和一些雜散能耗，電動機的額定功率取 100KW，才能有效保證汽車的動力性要求。電機的最高轉(zhuǎn)速定為 5000r/min 較合適，因為高于 6000r/min 的電機為高速電機，對軸承和其他部件的要求都較高，增加了電機制造成本，對于最高車速為 80km/h 的客車并不適用。電機基速可以選用 1800 r/min，它具有較理想的轉(zhuǎn)矩特性和較高的效率。電機額定轉(zhuǎn)矩：，NnPTe5 .5309549ee受電機自身特性的限制，轉(zhuǎn)矩過載系數(shù)越大，電機設計的難度越大。故取轉(zhuǎn)矩過載系數(shù)為8 . 1則電機峰值轉(zhuǎn)矩：NTT9 .954emax通常情況下，滿足加速性能要求的電機峰值功率的一半均大于電機額定輸出功率的下限值。故取電機峰值功率,則電機峰值轉(zhuǎn)速KWP170emrTPpe/17009549nmax二變速器的選擇：二變速器的選擇：電動汽車中電機轉(zhuǎn)矩特性曲線比發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性曲線更理想，傳動系設計可以采用四個檔變速器，高檔用于正常行車，低檔用于起步和爬陡坡，從而簡化傳動系結構和降低整車制造成本。根據(jù)汽車傳動系設計要求：傳動系最高檔總減速比應小于maxmin2max0.37711.78o gnrii iV電動汽車設計說明書 14可以選取26,1ogii傳動系最低檔傳動比應大于57. 343.2115.21sincos12maxmaxgdtiAVCGfGTri故可以取96. 31gi表一表一 傳動系傳動比傳動系傳動比三計算性能：三計算性能：1動力性能：動力性能：假設電機驅(qū)動系統(tǒng)具有理想的峰值工作特性，則對應的電動汽車整車驅(qū)動力一車速曲線如圖所示。加速時間：加速時間：圖中，Vb為與電機基速(額定轉(zhuǎn)速) 對應的車速，Vmax為與電機最高工作轉(zhuǎn)速 對應的車速，Va為電動汽車起步加速達到的某一車速，Pp為電機峰值輸出功率，KW。則電機起步加速到Va的加速時間dVAVCGfmVaD02t15.21/F6 . 31t式中驅(qū)動力： tFbbbVVVVVV,3600P,3600PtptphkmiirnVgoe/28.14377. 01b電動汽車設計說明書 15stttsdVAVCGfmtVVsdVAVCGfmtVVDbDb309.15069.1515.21/F6 . 3124. 015.21/F6 . 31,215028.142t228.1402t1故滿足從0-50km/h加速要20.7s的時間當汽車以10km/h的速度在坡度20%上勻速行駛，所需的功率KWAVCGVfGPdt73.98761403600sin3600cos13maxmax即小于電機額定功率，更遠小于電機峰值功率，故電機選擇滿足要求最大爬坡度驗證：最大爬坡度驗證：設汽車以10km/h爬坡，則最大爬坡度%20%42.22%100)(115.21/arcsintan22factgfmgAVCFiDt故也滿足要求最高車速驗證：最高車速驗證：最高車速時對應的轉(zhuǎn)速：max 022546.42 /0.377gVi inr mr此時電機提供的轉(zhuǎn)矩9549375 .ePTN mn傳遞到車輪的驅(qū)動力：20240503426.321.15gtdtfWTi iC AVFNFFFfGNr故遠遠滿足最高速度為80km/h的要求。操縱穩(wěn)定性分析計算：操縱穩(wěn)定性分析計算：1縱向行駛穩(wěn)定性及保證汽車上坡時不致縱向翻車，其條件為：縱向行駛穩(wěn)定性及保證汽車上坡時不致縱向翻車，其條件為： 式中 汽車質(zhì)心高 汽車質(zhì)心至后軸距離 道路附著系數(shù)取0.7gbhghb電動汽車設計說明書 16表二表二 縱向行駛穩(wěn)定性計算結果縱向行駛穩(wěn)定性計算結果參數(shù)空載滿載汽車質(zhì)心至后軸距離b/mm19402129汽車質(zhì)心高hg/mm820570b/hg2.373.74計算結果表明，該車在上坡時不致縱向翻車，縱向行駛穩(wěn)定。2橫向行駛穩(wěn)定性橫向行駛穩(wěn)定性(1)靜態(tài)側翻角靜態(tài)側翻角計算：計算： 式中 B汽車前輪距，2096mmtan2gBh靜態(tài)側翻角， 客車通用技術條件中規(guī)定應不小于，計算結果見表三35表三表三 靜態(tài)側翻角計算結果靜態(tài)側翻角計算結果參數(shù)空載滿載汽車前輪距B/mm20962046汽車質(zhì)心高hg/mm820570B/hg1.2781.84靜態(tài)側翻角 523561.535(2)動態(tài)側翻角計算如下動態(tài)側翻角計算如下。汽車在橫向坡道上行駛時，應保證側滑發(fā)生在側翻之前。條件是： 計算結果見表四0.72gBh表三表三 動態(tài)側翻角計算結果動態(tài)側翻角計算結果參數(shù)空載滿載汽車前輪距B/mm20962046汽車質(zhì)心高hg/mm820570B/hg1.2781.84故該車在有坡度的良好瀝青路面上行駛仍能保證側滑發(fā)生在側翻之前，所以是穩(wěn)定的。(3)通過性計算通過性計算電動汽車設計說明書 17 汽車克服臺階、溝道等障礙物時車速較低，可以用解靜力學方程求解汽車可以通過的臺階高度和溝寬，故可用以下公式計算：車輪直D徑，1000m汽車軸距，5800mmL汽車至前軸距離，3860mma臺階高度wh溝寬dl計算結果表五表五 通過性計算結果通過性計算結果上臺階能力（臺階高）過溝能力（溝寬）參數(shù)hw/Dhw/mmLd/DLd/mm前輪0.21342130.819819后輪0.09900.572572在采用靜力學平衡方程求解通過性時沒有考慮車速引起的慣性力的影響，因此后輪越過的臺階高度較小，但是實際運行時，由于汽車具有一定的加速度，汽車可以越過的臺階和溝寬要比計算值大。四蓄電池及功率轉(zhuǎn)化器的選擇：四蓄電池及功率轉(zhuǎn)化器的選擇：1蓄電池選擇：蓄電池選擇：根據(jù)電動汽車的續(xù)駛里程要求確定蓄電池的總容量；電池電壓應根據(jù)市場上技術成熟電機的額定電壓及動力電池的單塊電壓確定；根據(jù)電機峰值功率確定蓄電池功率。電動客車的一次充電應能夠在城市循環(huán)工況下行駛200km（根據(jù)設計目標） ，按照城市客車四工況 2122221112/11/ 2111212wwdwwhDa La LDLhDlhhDDD電動汽車設計說明書 18循環(huán)來估算所需的蓄電池總容量。右圖是GB12545.22001中規(guī)定的城市客車能耗試驗四工況循環(huán)圖，橫坐標表示行程和時間，縱坐標表示車速整個工況循環(huán)行駛里程為 700m，計算電池能量消耗時可以近似看作四段，并且第四段為滑行，沒有能耗，所以我們只需計算兩個加速段和一個勻速段。第一段：025km/h，用時 37.6s。平均加速度為a=V/3.6t=25/(3.6 37.6)=0.1846 m/2s平均驅(qū)動力=+ma=54.45+2007.1+3150.5682=5212.12NtFfFWF平均功率P=V/3.6=18097.6wtF平均電池能耗11237.6237.723600 0.9 0.93 0.95ttPEVAh其中，分別為傳動系，電動機和功率轉(zhuǎn)化器的效率。12t第二段：勻速階段，車速 25Km/h，用時 17.2S，驅(qū)動力為=+=2007.1+138.6=2145.7NtFfFWF平均功率P=V/3.6=14900.65wtF平均電池能耗21289.53ttPEVAh第三段：2540Km/h，用時 17.7S，平均加速度a=（40-25）/（3.6 17.7）=0.2354 m/2s平均驅(qū)動力為=+tFfF電動汽車設計說明書 19+ma=2007.1+217.8+4017.57=6242.47NWF平均功率為p=V/3.6=6242.47 32.5/3.6=56355.65wtF平均電池能耗312348.465ttPEVAh故整個四段循環(huán)的電池總能耗E=+=675.72VAh為達到 200Km 的續(xù)駛里程，1E2E3E需要的電池總能量為200193061.40.7EEVAh若選用 384V 的電池組，則總電池容量應不低于 502.76Ah，考慮到汽車附件的能耗，電池組容量選擇 600Ah。根據(jù)鋰離子電池的比能量 90130Wh/kg,按 110Wh/kg 需要的鋰離子電池質(zhì)量約有 1755kg。鋰離子電池的比功率為 250450W/kg，按 250W/kg，于是電池組的總功率可達 438.775kW 以上，高于電機峰值功率，滿足功率要求。選取電池單塊電壓 24V，單塊容量 20Ah，適合作為該電動客車驅(qū)動電池。2 2 功率轉(zhuǎn)換器的匹配內(nèi)容有功率轉(zhuǎn)換器的匹配內(nèi)容有：1、最大功率；2、允許的最大電流。GB/T 18488.1-2001 提供了電機與控制器（主要是功率轉(zhuǎn)化器）輸出容量的匹配表，100kW的電機對應 200kW 的功率轉(zhuǎn)化器。功率轉(zhuǎn)化器允許的最大輸出電流須大于電機工作的最大電流 300A（峰值功率電流） 。表二表二 城市電動公交客車選用電機、電池和逆變器參數(shù)表城市電動公交客車選用電機、電池和逆變器參數(shù)表額定功率 KW峰值功率 KW最大轉(zhuǎn)矩N.m峰值轉(zhuǎn)速 r/min基速r/min額定電壓 V額定電流 A電機100170954.950001800240330總電壓 V單塊電壓 V單塊容量Ah組串聯(lián)數(shù)并聯(lián)組數(shù)容量 Ah電池38424201630600輸出容量 KVA允許最大電流 A功率轉(zhuǎn)換器200300