【正文】 器自動換擋。 直流電動機 習慣上，我們把有換向器的直流電動機稱為直流電動機，由于勵磁繞組的磁2 電動汽車動力傳動系統參數匹配設計 11 場與電樞繞組的磁場是垂直分布的，因而控制原理非常簡單。 感應電動機 由于感應電動機具有效率高、結構簡單、體積小、重量輕、可靠性高及免維護等特性，因而在電動汽車無換向驅動電機領域里具有廣泛應用前景。不過，采用矢量控制的電動汽車感應電動機在輕載及有限的恒功率工作區(qū)內運行時效率低。 2） 采用了高性能的永磁材料，體積得以減小，從而有較低的轉動慣量、更快的響應速度。 總體言之，永磁無刷電動機驅動靈活、可控性強，在電動汽車的應用上前景光明。 驅動電機選型 采用數字評分的方法比較上述幾種驅動電機的性能，主要對電動機六個方面的性能加以評價，每個性能分為 1~5 分，表 21 列出了比較結果 [7]。現代電動汽車的發(fā)展和推廣所考慮的動力電池應滿足以下幾方面的要求 [7]： 1） 高能量和能量密度； 2 電動汽車動力傳動系統參數匹配設計 13 2） 高功率和功率密度； 3） 快速充電和深度放電的能力； 4） 可循環(huán)使用，壽命長； 5） 高充電和放電效率； 6） 安全性能高且成本合理； 7） 免維護； 8） 環(huán)保且可以回收； 9） 能與汽車工程有機結合。 鉛酸電池 鉛酸電池是最為常用的車用動力電池，已有 150 年的歷史，可算是人類歷史上的一個偉大發(fā)明。 鎳氫電池 鎳氫電池是目前人們看好的第二代動力電池之一，具有高的能量密度和功率密度。 鋰離子電池 相對于傳統的鉛酸電池和鎳氫電池，鋰離子電池的歷史很短。所以鋰離子電池每次充電前不需要像鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時進行充電。參考已有鋰離子電池，選用鋰離子單體電池相關參數如下： 表 22 鋰離子單體電池參數 項目 參數 型號 LP2770106AB11Ah 標稱容量 11 Ah 額定電壓 充電截止電壓 放電截止電壓 內阻 11m? 放電深度 質量 350~400g 2 電動汽車動力傳動系統參數匹配設計 15 電動汽車動力傳動系統參數匹配設計 驅動電機參數匹配設計 驅動電機功率分析 電動汽車在運動過程中，驅動電機提供的動力需要克服汽車的行駛阻力，包括滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速阻力等。因此，電動機（ 21） （ 22） 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 16 的功率并非越大越好，應該依照電動汽車的動力性（最高車速、爬坡性能和加速性能）來確定。 因此加速時間為 因為 和傳動系統參數相關，在傳動系參數確定以后可以用加速時間來校驗設計結果是否符合電動汽車加速性要求。因此要求電池組數目為： 式中 為驅動電機工作效率； 為驅動電機控制器效率； 為驅動電機最大輸出功率（ kw）； 為單節(jié)電池最大輸出功率（ kw），其計算式為 [11]： （ 27） （ 28） （ 29） （ 210） 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 18 式中 為電池的內阻（ m?）； 為電池電動勢（ V）。動力傳動系傳動比包括變速器傳動比和主減速器傳動比，電動汽車在最高車速行駛時，以最小傳動比檔位行駛，在爬坡和加速時以最大傳動比檔位行駛。 動力傳動系傳動比的下限 動力傳動系傳動比下限由下述兩種方法算出的傳動系傳動比的最大值確定。 驅動電機參數 設計 由公式（ 24）求得滿足最高車速要求的功率為 ； 由公式（ 25）求得 滿足爬坡度要求的功率為 。綜合確定電池組數目為 （ 20 并 75 串）。因此，在驅動電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，另一方面使驅動電機經常保持在高效率范圍內工作，減輕驅動電機和動力電池的負荷 [7]。傳動系傳動比下限取兩種計算結果的最大值為 。 3 電動汽車動力性、續(xù)駛里程初步驗證 23 3 電動汽車動力性、續(xù)駛里程初步驗證 在動力傳動系統參數設定的情況下， 需要對電動汽車的整車性能進行初步驗證，需要建立其性能評價方法。 驅動電機工作特性分析 驅動電機像傳統內燃機汽車的發(fā)動機一樣是電動汽車的心臟，在電動汽車能量轉化的過程中擔任著把動力電池的電能轉化為電動汽車動能的職責。圖 31 為永磁無刷電動機的轉矩、功率外特性曲線。 電機轉速（ r / m i n ）扭矩（Nm）90%80%70%60%50%40%30%0 1000 2020 3000 4000 5000 6000 3 0 0 2 0 0 1 0 00100200300（ 31） （ 32） （ 33） 圖 32 永磁無刷電動機效率外特性曲線 3 電動汽車動力性、續(xù)駛里程初步驗證 25 圖 32 為本課題使用的永磁無刷電動機效率外特性。 電動汽車行駛方程 電動汽車的驅動力 根。 根據永磁無刷電動機的效率外特性曲線可知，驅動電機的效率與電動機轉速和轉矩有關，即 ： 式中 為驅動電機轉速（ r/min）； 為驅動電機輸出扭矩（ Nm）。即： 當 時，有 當 時，有 式中 為驅動電機輸出轉矩（ Nm）； 為驅動電機最大輸出轉矩（ Nm）； 為驅動電機最大輸出功率（ kw）； 為驅動電機轉速（ r/min）。 驅動電機的工作特性主要包括轉矩外特性、功率外特性以及效率外特性。其中動力性的評價指標為車輛最高行駛速度、爬坡度和加速性，車輛續(xù)駛里程反映了電動汽車的經濟性。 根據畢業(yè)設計任務要求可知主減速器傳動比為 因此變速器傳動比分配為： 、 本章小結 1） 通過分析電動汽車的基本結構和動力傳動系統的幾種布置形式，綜合考慮電動汽車的整車性能和驅動電機的高效性，在圖 22（ 1）所示的第一種動力傳動系統布置形式的基礎上，取消離合器，并通過驅動電機控制實現無離合器自動換擋； 2） 分析了目前應用于電動汽車上的各種驅動電機、動力電池的性能及其優(yōu)缺點、發(fā)展前景等，為本課題中動力傳動系統使用的驅動電機和動力電池進行了選型。 由公式（ 212）求得傳動系傳動比上限為 。 動力傳動 系統 傳動比參數 設計 目前，電動汽車主要在市區(qū)和城市近郊使用，所遇到的工況多種做樣，最低穩(wěn)定車速在 3~6km/h 范圍內，最高車速可達 100km/h，甚至更高。因此，根據最高車速選擇電動機的額定功率，完全能夠滿足加速和爬坡運動時的動力性能要求。 （ 213） （ 214） （ 215） （ 216） 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 20 整車參數及 技術 性能 要求 表 23 整車設計技術性能參數 技術性能參數 符號 單位 數值 整車質量 Kg 3464 滾動阻力系數 — 空氣阻力系數 — 迎風面積 m2 車輪滾動半徑 m 主減速器傳動比 — 最高設計車速 km/h 104 加速時間（ 0~50km/h） t s 最大爬坡度（ 35km/h） i % 27 續(xù)駛里程 km 150 依據設計任務書中對電動汽車整車參數及動力性、經濟性（續(xù)駛里程）的要求，并結合前面對動力傳動系統參數匹配設計原理的分析，本次匹配設計所需要的整車設計技術性能參數主要包括整車質量、滾動阻力系數、空氣阻力系數、迎風面積、車輪滾動半徑、主減速器傳動比、最高設計車速、加速時間和最大爬坡度。 在驅動電機工作特性一定時，動力傳動系傳動比的選擇，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車速、最大爬坡度以及對加速時間的要求 [5]。因此要求電池組數目為： 式中 為電動汽車續(xù)駛里程數（ km）； 為汽車行駛 1km 所消耗的能量（ kwh）； 單個電池的額定容量（ Ah）； 單節(jié)電池電壓（ V）。所以電動汽車動力電池組數量要由驅動電機最大輸出功率和電動汽車續(xù)駛里程來決定，即： 式中 為動力電池組數量； 為由驅動電機最大輸出功率確定的動力電池組數量； 為由電動汽車續(xù)駛里程確定的動力電池組數量。 最高車速需求 電動汽車在平坦路面上以最高車速行駛時，道路坡度 ，加速度，即驅動電機在最高車速行駛時的輸出功率為： 式中 為電動汽車的最高車速（ km/h）。 電動機的功率包括額定功率和峰值功率。 動力電池選型 綜合分析各類動力電池的特性，日臻完善的鋰離子電池大有取代鉛酸電池、鎳氫電池之勢，將成為我國新能源汽車電池產業(yè)化的主要方向。鋰離重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 14 子電池相對于鎳氫電池和鉛酸電池，有以下優(yōu)點： 1） 鋰離子電池單體標稱電壓高達 ，是鎳氫電池的 3 倍，鉛酸電池的2 倍； 2） 鋰離 子電池重量輕，比能量大，高達 150 Wh/kg，是鎳氫電池的 2 倍，鉛酸電池的 4 倍。但鎳氫電池具有較高的自放電效應，約為每月 30%或更多，這也是制約其在車輛上廣泛應用的瓶頸。但該類電池當前存在的主要問題是一次充電的續(xù)駛里程短，一般約在 30~40km；充電時間長，即使快速充電也要 4~6 小時，且比能量（單位重量所蓄電能）小，壽命短，對環(huán)境腐蝕性強 [6]。但均未完全達到以上要求。 因此在本課題中選用永磁無刷電動機為電動汽車的驅動電機。開關磁阻電動機應用于電動汽車上具有很大的潛力。 4） 采用電子功率器件作為換向器裝置，控制更加靈活；另外，傳感器檢測的信號都可以傳遞到控制器，而控制參數則可以直接指示開關器件的導通。應用于電動汽車的永磁無 刷電動機具有以下幾個獨特的優(yōu)點： 1） 由于采用了高磁能積的稀土材料，因此可以大大提高氣隙磁通密度和能量轉換的效率。主要原因在于其動態(tài)模型的非線性。并且直流電動機具有成本最低、易于平滑調速、技術成熟等優(yōu)點，串勵、并勵、他勵和永磁等各種直流電動機在電動汽車上都有應用。對于現代 電動汽車而言，驅動電機需要滿足以下一些基本要求 [8]： 1） 高功率密度和高瞬時輸出功率； 2） 在電動汽車低速或者爬坡時，能夠提供低速大轉矩輸出，高速時能為巡航提供高速低轉矩特性； 3） 具有寬調速范圍，包括恒轉矩區(qū)和恒功率區(qū)； 4） 轉矩響應快速； 5） 在較寬的轉速和轉矩工作區(qū)內，保持較高能量效率 6） 再生制動時，可實現高的能量回收效率； 7） 驅動電機需要適應汽車上空間小、高溫及振動頻繁等惡劣環(huán)境； 8） 價格合理。為了將電動機轉速降低到理想圖 22電動汽車動力傳動系統布置形式 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 10 的車輪轉速，可以采用固定減速比的行星齒輪變速器，能夠提供大的加速比，而且輸入和輸出軸可布置在同一軸線上。這種結構與發(fā)動機橫向前置、前輪驅動的內燃機汽車布置形式類似，該類型把電動機、固定速比減速器和差速器集成為一個圖 21 電動汽車基本結構 2 電動汽車動力傳動系統參數匹配設計 9 整體，兩根半軸連接驅動車輪，這種結構在小型電動汽車上比較普遍。汽車在轉彎時，內側車輪的轉彎半徑小，外側車輪的轉彎半徑大，差速器使內外車輪以不同轉速行駛。 電動汽車動力傳動系統布置形式 根據采用不同的電力驅動系統可以把電動汽車動力傳動系統布置形式分為如下六種類型（如圖 22 所示）。 電動汽車動力傳動系統結構 電動汽車的基本結構 與內燃機汽車相比，電動汽車的結構比較靈活，這種靈活主要源于電動汽車自身的特點：首先，電動汽車的能量主要是通過柔性的電線而不是通過剛性聯軸器和轉軸傳遞，因此電動汽車各部件的布置具有很大的靈活性；其次，電動汽車驅動系統的布置不同（如獨立的四輪驅動系統和輪轂電機驅動系統等）會使系統結構區(qū)別很大；采用不同類型的電動機、 儲能裝置也會影響到電動汽車的質量、尺寸和形狀等。因此，對電動汽車動力傳動系統進行參數匹配設計，不僅要滿足電動汽車動力性要求，還要提高系統效率、延長電動汽車的續(xù)駛里程。 2 電動汽車動力傳動系統參數匹配設計 7 2 電動汽車動力傳動系統參數匹配設計 電動汽車動力傳動系統參數匹配設計概述 動力傳動系統是電動汽車中最關鍵的部分，電動汽車整車性能的優(yōu)劣主要決定于動力傳動系統的 性能。 （ 3） 分析驅動電機工作特性和電動汽車行駛方程，研究初步驗證電動汽車動力性和續(xù)駛里程的理論方法。因此在目前 動力電池和其他關鍵技術未能得到有效突破之前，解決動力傳動系統的優(yōu)化問題，提高整車性能，對于電動汽車設計具有較強的現實意義。 發(fā)達國家對電動汽車技術和產品的研究以及產業(yè)化投入了大量的資金，一方面促進了電動汽車本身技術和產業(yè)的迅速發(fā)展；另一方面極大地推動了傳統汽車技術和產業(yè)的跨越式發(fā)展。電動汽車是高科技綜合性產品，除電池、1 緒論 5 電動機外，車身本體也包含很多高新技術。但是傳統的直流電動機轉子上的電樞繞組使轉子體積和慣性都有所增