【正文】 ： 汽車維修工程教育 班級(jí)學(xué)號(hào)： 汽修 0902 班 33 學(xué)生姓名： 高陽 指導(dǎo)教師： 宋建鋒 副教授 二〇一三年六月 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文 低速純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì) Design of Lowspeed electric vehicle power system 專業(yè)班級(jí)：汽修 0902 班 學(xué)生姓名：高陽 指導(dǎo)教師：宋建鋒 副教授 學(xué) 院：汽車與交通學(xué)院 2021 年 6 月 摘 要 伴隨著環(huán)境污染的日益加重和不可再生能源危機(jī)的加重，擁有新能源作為動(dòng)力的高效電動(dòng)汽車則成為了發(fā)展方向的重中之重。 本論文對(duì)低速純電動(dòng)汽車的動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和仿真，根據(jù)低速純電動(dòng)汽車本身性 能要求進(jìn)行主要參數(shù)的計(jì)算和匹配，通過對(duì)自定義工況下車型的計(jì)算，建立仿真模型，并在 AVLcruise 軟件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，模擬得到其動(dòng)力性能，驗(yàn)證在計(jì)算的參數(shù)下，該模型電動(dòng)車的動(dòng)力性能；在不考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性的相關(guān)問題下，分析所對(duì)應(yīng)的最高車速、續(xù)駛里程、最大加速度、平均行駛速度等各種因素的具體情況；進(jìn)一步研究和探討主要?jiǎng)恿?shù)的確定方法， 設(shè)計(jì)并仿真出一套可行的低速純電動(dòng)汽車的動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)方案。 3 月 25日， 2021 年，中國能源研究會(huì)公布的去年，中 國一次能源消耗煤炭 3250 萬噸，同比增長(zhǎng) 8％，中國面臨著成為世界上第一個(gè)主要消費(fèi)能源國。近期，在倫敦市場(chǎng)上出售的布倫特原油期貨價(jià)格也達(dá)到 113美元一桶，超過了平時(shí) 102美元一桶的價(jià)格調(diào)整，同比增長(zhǎng)約 11％，紐約原油期貨價(jià)格上漲了超過 10％以上的價(jià)格調(diào)整。因此，降低能源消耗，減少污染環(huán)境，為了保持交通運(yùn)輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展，是中國可持續(xù)發(fā)展的首要任務(wù)。 作為發(fā)達(dá)國家的美國，一直以乙醇和生物柴油等可再生能源作為發(fā)展的主要方向；同時(shí)，美國也以混合動(dòng)力汽車也作為新能源環(huán)保汽車的主體來發(fā)展；在 2021 中旬，混合動(dòng)力汽車在美國正式進(jìn)入了商業(yè)化 推廣階段，只要大眾消費(fèi)者購買通用、豐田、福特等符合生產(chǎn)條件的混合動(dòng)力汽車，就可以享受多項(xiàng)政府優(yōu)惠，例如稅款抵免等。 日本一直也很重視新能源汽車的研制和開發(fā)，并且混合動(dòng)力汽車已經(jīng)在日本形成了產(chǎn)業(yè)化；目前在國內(nèi)，豐田、本田、尼桑等日系車相當(dāng)?shù)臒徜N，在國外，也十分受到消費(fèi)者的青睞，讓其他汽車公司倍感壓力。 國內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀 與世界各國一樣，我國也在努力地進(jìn)行各類電動(dòng)汽車的研發(fā)中，在關(guān)于最新的汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整中，我國將實(shí)行新的新能源汽車戰(zhàn)略，推動(dòng)各類電動(dòng)汽車及其零部件的研究和開發(fā)，還有相關(guān)基礎(chǔ)性設(shè)施的建設(shè)。在“九五”期間，電動(dòng)汽車項(xiàng)目被確定國家重大科學(xué)工程和工業(yè)發(fā)展對(duì)象，并且在之后的一段時(shí)間里，推出了電動(dòng)汽車的樣車。 而低速純電動(dòng)汽車作為純電動(dòng)汽車中的代表，得到的實(shí)施力度越大，越是證明新能源汽車得到廣大人民的認(rèn)可， 歐盟各國、日本等對(duì)低速電動(dòng)車進(jìn)行單獨(dú)的管理，這類電動(dòng)車的牌照區(qū)別于其他燃油車，消費(fèi)者可享受到購車的補(bǔ)貼、免年檢、過 路等費(fèi)用的優(yōu)惠政策。 本文研究的意義 對(duì)于 純電動(dòng)汽車 來說， 動(dòng)力系統(tǒng)主要 的 參數(shù) 有 傳動(dòng)比參數(shù) 、電動(dòng)機(jī)參數(shù)、電池組參數(shù)； 在電機(jī)輸出特性一定 的同 時(shí)，傳動(dòng)系的傳動(dòng)比如何選擇， 將 依 靠 整車的動(dòng)力性指標(biāo) 來確定 ， 也就是本論文最后的研究工 況， 即純電動(dòng)汽車傳動(dòng)比的選擇滿足汽車 的最高車速、最大爬坡度 和 對(duì)加速度時(shí)間的 要求， 要提高傳動(dòng)系速比，第一可以增加最大扭矩。 綜上所述，對(duì)比不同低速純電動(dòng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，從中使用不同的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配，從而得到性能更好的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配是此次研究的目的。 圖 21 電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖 電源與電池管理系統(tǒng) 純電動(dòng)汽車的電源系統(tǒng)包括車載電源、能量管理系統(tǒng)和充電 器 等。 動(dòng)力電池是混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車和燃料電池汽車鎖必備的車載式儲(chǔ)能電源，電池主要由一下幾個(gè)部分構(gòu)成： (1) 電極。 (2) 電解質(zhì)。在電池內(nèi)部如果發(fā)生正極和負(fù)極的接觸時(shí)，就會(huì)在電池內(nèi)部形成“短路”，使電池在內(nèi)部呈放電狀態(tài)，并消耗電池的電能。外殼材料通常有上一輪、金屬等。 (1)第一代 EV蓄電池 是 鉛酸蓄電池。比能量和比功率都比鉛酸蓄電池高 是它的 優(yōu)點(diǎn)， 極 大提高了 EV 的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程；其缺點(diǎn)是，有些高能蓄電池需要復(fù)雜的蓄電池管理系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，各種蓄電池對(duì)充電技術(shù)有不同的要求，而且電化學(xué)蓄電池中的活性物質(zhì)在使用一定的期限后會(huì)老化變質(zhì)，以至完全喪失充電和放電功能而報(bào)廢，從而使 EV的使用成本較高。鋰電池在性能、容量、功率等方面比其他類型的電池具有較大的優(yōu)勢(shì)。 高壓電源是動(dòng)力蓄電池組提供的 155V380V的高壓直流電，動(dòng)力蓄電池組是供電動(dòng)機(jī)工作的唯一動(dòng)力源，空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)壓縮機(jī)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵和制動(dòng)系統(tǒng)的真空泵等，也需要?jiǎng)恿π铍姵亟M提供動(dòng)力電能；動(dòng)力蓄電池組通過 DC/AC 轉(zhuǎn)換器，供應(yīng) 12V 或 24V 的低壓電，并儲(chǔ)存到低壓蓄電池組中，作為儀表、照明和信號(hào)裝置等工作的電源。 電池管理系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式分為兩大類：第一類是依靠芯片的電池管理系統(tǒng)；第二類是采用分立式器件的電池管理系統(tǒng)；其中依靠芯片的電池管理系統(tǒng)一般將、把系統(tǒng)前端采集電路、電量計(jì)量算法、和通訊功能等集成在芯片中，而外圍電路則是為輔助來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的管理，依靠芯片的電池管理系統(tǒng)它具有小體積、高集成度等優(yōu)勢(shì)；而依靠分立 器件的電池管理系統(tǒng)，有基于純硬件和基于軟硬件協(xié)調(diào)工作的解決方案，而軟硬件協(xié)調(diào)工作方案因?yàn)殪`活而功能完善，所以被社會(huì)廣泛采用。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 圖 22 動(dòng)力蓄電池供電示意圖 圖 23 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類圖 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 目前電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要分為四類： （ 1）、直流電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電磁轉(zhuǎn)矩控制特性優(yōu)良，在城市無軌電車上廣泛應(yīng)用但重量和體積也較大； （ 2）、感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐 用、成本低廉、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低、低噪聲、矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，但驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，成本高； （ 3）、永磁無刷電機(jī)系統(tǒng)，這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率密度較高、電機(jī)尺寸小、體積小、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好； （ 4）新一代牽引電機(jī)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)即開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有高密度、高效率、低成本、寬調(diào)速。這種結(jié)構(gòu)增加能量回收的同時(shí)，提高能量的利用率，有效地增加車輛的續(xù)航里程。 由于動(dòng)力電池組的質(zhì)量 和體積較 大，所占據(jù)的空間 較 大， 所以 為了減輕純電動(dòng)汽車的整 備 質(zhì)量， 則需要廣泛采用 輕質(zhì)材料。 本章小結(jié) 電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車差別較大，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車是由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，來驅(qū)動(dòng)車輛行駛；而電動(dòng)汽車不同，它是由電池提供電能來驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車的核心部分，也是區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。為此目的，有必要了解各種外力的作用在本車的行進(jìn)方向沿汽車，即驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力。 由于電動(dòng)汽車采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以在電動(dòng) 汽車中 Tt 是由電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到車輪上 ，所以 令總傳動(dòng)比 數(shù)值 為 Σ i， 其中變速器的傳動(dòng)比 ig， 主減速器的傳動(dòng)比 i0， 傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率為 η t， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 是 Ttq，則有： ttpt iTT ???? ? ? ? giii 0 (33) 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 行駛 阻力 汽車在水平道路上 勻速 行駛時(shí)，必須克服來自地面的滾動(dòng)阻力和來自空氣的空氣阻力 ； 當(dāng)汽車在坡道上 進(jìn)行 上坡行駛時(shí)，還必須克服坡度阻力 ； 汽車加速行駛時(shí)還需要克服加速阻力。 (4) 加速阻力： dtdumFj ???? (39) 公 式中： δ — =為 車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù) ； m為 車輛質(zhì)量 ； du/dt 為 行駛加速度 。 20 uACfgmriT D ???????? ? (317) 已知該車勻速行駛時(shí)的車速為 60km/h， mNiuACfgMrTD.)(02???????? ? 最后電機(jī)確定如下表： 表 31 確定電機(jī)范圍 電動(dòng)機(jī)加速性能 在水平良好路面上，車輛的行駛加速度表示為： tuDtq ddMuACfgMriT ?????????? ?? 20 (318) 額定電壓 額定轉(zhuǎn)速 最大轉(zhuǎn)速 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 72V 2835r/min 3780r/min 6kw 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 r iiTF gtqt ????? 0 (319) 公式 中： Ttq為 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 ； igi0 為 傳動(dòng)比 ； r 為滾動(dòng) 車輪半徑 ； η為 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率， ；錯(cuò)誤 !未找到引用源。gcosα； ig=1， i0=， η=， m=700kg， g=， f=，α=tan1（ ） =176。電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為 3780r/min，額定轉(zhuǎn)速為 2835r/min，電機(jī)采用的最大轉(zhuǎn)矩為 N 電機(jī)模型的建立 根據(jù)市面上已有 型號(hào) 的 電機(jī)， 我們 把相 對(duì) 應(yīng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及其他 有 關(guān)數(shù)據(jù)輸入Cruise 的電機(jī)模型 之中，建立 所需要的 電機(jī)模型。 電池組電池?cái)?shù)量為 6，電池組質(zhì)量為 300kg。 圖 45 電池充電曲線設(shè)置 圖 46 電池放電曲線設(shè)置 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 整車模型的建立 首先新建一個(gè) project 和 version，需要將 version 進(jìn)行保存后才可以讀取，之后進(jìn)入 cruise 的工作頁面，將電池、電機(jī)、駕駛員模塊、常量、變速器、制動(dòng)器、以及車輪等模塊拖入其中，并建立模型；在各個(gè)模塊的的界面中輸入?yún)?shù)，例如電機(jī)的最大電壓、最高轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩；車輪的摩擦系數(shù)和滾動(dòng)半徑；電池的額定電壓和電流、電池容量、電池的串聯(lián)和并聯(lián)數(shù)；車輛模塊的滿載重量、迎風(fēng)面積和阻力系數(shù)；主減速器的主減速比等。 最后在 result 中查看結(jié)果，在所對(duì)應(yīng)的 task中，會(huì)有對(duì)應(yīng)的結(jié)論圖，通過這些圖我們就可以查看自己計(jì)算的參數(shù)的可行性。 最大爬坡度實(shí)驗(yàn)（ Climbing Performance） 圖 52 最大爬坡度示意圖 推論：由（圖 52）可知，電動(dòng)車輛爬坡度最高位 5%，滿足平路行駛所需要的最小爬坡度，但是不能滿足正常車輛應(yīng)滿足的 20%最大爬坡度，圖中爬坡度線呈鋸齒形，由此推斷電池組容量不足，不能提供足夠的功率輸出。m ，最大輸出功率為 ，最高轉(zhuǎn)速為 1018rpm。 圖 55 電機(jī)仿真示意圖 電池仿真結(jié)果分析 推論：由（圖 56）可知，該電動(dòng)汽車最后進(jìn)行仿真運(yùn)行時(shí)，最大電流為 135A，最大電壓為 ；與之前第三章參數(shù)計(jì)算中電池參數(shù)計(jì)算結(jié)果相差不大。因此需要對(duì)原車型的一些參數(shù)進(jìn)行修改的同時(shí)，還需要考慮到更全面的汽車環(huán)境才行。論文最終的定稿，可能并沒有當(dāng)初想的那么美好，總會(huì)或多或少有少許瑕疵，但是，這畢竟是心血的積累和汗水的沉淀。