【文章內(nèi)容簡介】 汽車公司還相繼推出了ESTIMA混合動力汽車和搭載軟混合動力系統(tǒng)的CROWN轎車。在普及混合動力系統(tǒng)的低燃耗、低排放和改善行駛性方面走在了世界前列，并在美國市場占了主導地位。本田汽車公司開發(fā)的混合動力汽車也投放市場，供不應求。13產(chǎn)汽車公司也已經(jīng)于2006年向美國市場銷售混合動力汽車。日本還設定了在2010年之前在國內(nèi)普及5萬輛燃料電池汽車的目標。美國的三大汽車公司在電動汽車產(chǎn)業(yè)化方面和日本有一定差距，只是小批量生產(chǎn)和銷售純電動汽車。通用、已推出3款混合動力汽車概念車。法國是最積極研制和推廣電動汽車的國家之一。法國政府、法國電力公司、標致—雪鐵龍汽車公司和雷諾汽車公司共同承擔開發(fā)和推廣電動汽車的協(xié)議，共同合資組建了電動汽車的電池公司。法國標致—雪鐵龍汽車公司研發(fā)的電動貨車和4座電動轎車已投人生產(chǎn)，雷諾汽車公司的電動轎車投放在羅切里市試驗。1997年，法國電動汽車產(chǎn)量達到2000輛左右。2002年法國政府、電力公司與汽車公司簽訂協(xié)議，在20個城市推廣電動汽車，使全國電動汽車保有輛達到10萬臺。此外，英國生產(chǎn)和使用電動汽車已有50年之久，目前全國已擁有40萬輛電動車。瑞士為防止環(huán)境污染，在旅游區(qū)只用電動汽車。瑞典的VOLVO公司，意大利的菲亞特公司等都不惜投入巨額資金，研發(fā)新一代電動汽車，力爭早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。丹麥、奧地利、捷克、匈牙利等也都在開展電動汽車的研發(fā)工作。 電動汽車的結構和特點電動汽車一般由車身、底盤、動力系統(tǒng)等組成。其車身和底盤與傳統(tǒng)汽車結構相類似，或者甚至是有所簡化。故電動汽車的車身和底盤不是本文討論的重點。而電動汽車的動力系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車有著根本的不同。傳統(tǒng)汽車由內(nèi)燃機提供動力，動力從內(nèi)燃機輸出后，送達飛輪和離合器，再進一步傳遞到傳動系，直至驅動車輛前進。而內(nèi)燃機消耗化石燃料，燃料儲存在油箱之中。但是電動汽車使用電動機提供動力，動力輸出到傳動系后，其過程和傳統(tǒng)車輛相一致，甚至還因為電動汽車的相關特性而有所簡化。電動機的能量來自于動力電池。由此可見，電動汽車的構造相對來說比較簡單。電動汽車中的關鍵技術便是對控制流程中的各個節(jié)點和整個系統(tǒng)進行精確有效的控制，目前這一方面，也是電動汽車科研力量的研究重心。圖1 電動汽車的控制流程圖 控制器電動機傳動系能量管理系統(tǒng)蓄電池輔助動力源動力轉向系統(tǒng)冷氣和暖氣充電器車輪車輪制動踏板加速踏板交流電源方向盤能源系統(tǒng)輔助系統(tǒng)發(fā)展純電動汽車的優(yōu)點是：它本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其它污染物也顯著減少。由于電廠大多建于遠離人口密集的城市，對人類傷害較少，而且電廠是固定不動的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關技術。由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力等，解除人們對石油資源日見枯竭的擔心。純電動汽車還可以充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電，使發(fā)電設備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟效益。有些研究表明，同樣的原油經(jīng)過粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅動汽車，其能量利用效率比經(jīng)過精煉變?yōu)槠停俳?jīng)汽油機驅動汽車高。而且電動汽車結構簡單，便于維修，相對于傳統(tǒng)汽車來說，有著更大的市場競爭力。因此研發(fā)電動汽車不僅有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量，而且市場前景也很廣闊。正是這些優(yōu)點，使電動汽車的研究和應用成為汽車工業(yè)的一個“熱點”?！　〉羌冸妱悠嚇I(yè)面臨很多困難。目前蓄電池單位重量儲存的能量太少，還因純電動車的電池較貴，又沒形成經(jīng)濟規(guī)模，故購買價格較貴，至于使用成本，有些使用結果比汽車貴，有些結果僅為汽車的1/3，這主要取決于電池的壽命及當?shù)氐挠?、電價格。對于純電動車而言，目前最大的障礙就是基礎設施建設以及價格影響了產(chǎn)業(yè)化的進程，與混合動力相比，純電動車更需要基礎設施的配套，而這不是一家企業(yè)能解決的，需要各企業(yè)聯(lián)合起來與當?shù)卣块T一起建設，才會有大規(guī)模推廣的機會。不僅如此，人們在實踐中發(fā)現(xiàn)，盡管純電動汽車的一些基礎技術，如電動機技術、電池技術有著上百年的發(fā)展歷史，而簡單原始的電動汽車也有百年左右的發(fā)展歷程。但是當我們用現(xiàn)代汽車運用眼光審視他們的時候，并且希望把這些技術整合到現(xiàn)代的汽車上時，卻表現(xiàn)一切不盡如人意。而傳統(tǒng)的汽車設計理念和設計方法，在面對電機和電池技術的掣肘時，也往往一籌莫展。 研究的關鍵技術確定傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配首先要考慮：電動汽車經(jīng)常行駛在市區(qū)車流密度較大的情況下，行駛速度為30～50km/h左右，故首先考慮去掉傳動比小于1的兩個擋位(四、五擋) ；另一方面，由于電動汽車經(jīng)常行駛的路面質量較好，很少有起伏不平或較大坡度， 故去掉原變速器的爬坡?lián)?一擋)。那么接下來的工作就是從二、三擋中確定一個能夠滿足整車技術要求的擋位。但如果此兩個擋位都不能滿足要求,則需要重新設計該傳動比。根據(jù)電動機轉矩可以確定電動汽車的驅動力，然后利用電動機轉速與汽車行駛速度之間的關系計算車速，即可得到合適的傳動系統(tǒng)設計方案。 本研究的意義電動汽車的產(chǎn)生式伴隨著當今世界越來越嚴重的能源問題和環(huán)境問題的產(chǎn)生而產(chǎn)生的。一百多年來，以汽車為代表的交通工具加速著人類社會前進的步伐，當今社會的發(fā)展需要一種解決人類發(fā)展需要和自然環(huán)境制約的方法，而以電動汽車作為代表的新能源汽車無疑是最吸引人注意力的途徑之一。筆者通過分析，認為電動汽車的發(fā)展是汽車工業(yè)必然需求，而電動汽車的設計和研發(fā)在許多方面挑戰(zhàn)著傳統(tǒng)動力汽車的設計和研發(fā)方法。對于電動汽車的研發(fā)，伴隨著計算機技術的飛速發(fā)展，計算機的應用必然要起到更加重要的作用。計算機仿真技術是計算機技術在汽車設計領域的重要應用。本章初步討論了計算機仿真技術在電動汽車設計研發(fā)過程中的重要作用，以及它給設計研發(fā)帶來的重要影響。 本研究的主要內(nèi)容本文結合微型純電動車項目，主要進行如下工作：1．論述純電動汽車的發(fā)展背景和概況，明確本文研究的目的和意義；2．分析純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的基本構成和布置形式，并研究傳動系統(tǒng)的類型、特點、工作特性，電池電機的工作特性及傳動系統(tǒng)特性；3．計算傳動系速比和電機參數(shù)，及其對整車性能的影響，并選擇一款驅動電機，建立其仿真模型，獲得傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配在仿真模型中，對動力性的影響結果；4．對純電動汽車的動力性進行分析，在動力性分析過程中，重點分析最高車速、爬坡度和加速性數(shù)據(jù)；以及結合被選擇電機的臺架試驗數(shù)據(jù)，分析仿真結果。第二章 電動汽車系統(tǒng)的組成 電動汽車的基本組成部分采用電能作為車載動力源的電動車輛，已經(jīng)有100多年歷史了。顯然，電動車輛和傳統(tǒng)車輛最顯著的區(qū)別就在于動力源裝置的不同，電動汽車使用蓄電池電動機系統(tǒng)，取代了內(nèi)燃機汽車采用的汽油機、柴油機、轉子發(fā)動機和燃氣輪機。一般來說，電動汽車由以下幾個部分組成： 車載電源在目前的電動汽車上，車載動力源一般都是各式各樣的蓄電池，利用周期性的充電來補充電能。動力電池組是電動汽車的關鍵裝備，它儲存的電能、質量和體積，對電動汽車的性能起到?jīng)Q定性的影響。目前，電動汽車用電池已經(jīng)經(jīng)過了三代的發(fā)展。第一代電動汽車用電池都是鉛酸電池，由于鉛酸電池的比能量和比功率不能滿足電動汽車動力性能的要求，所以就進一步發(fā)展了閥控鉛酸電池、鉛布電池等，使得鉛酸電池的比能量有所提高，仍能夠滿足作為電動汽車的電源使用要求。第二代的高能電池有鎳鎘電池、鎳氫電池、鈉硫電池、鋰離子電池等。第二代動力電池的比功率和比能量都要比鉛酸電池高出很多，大大提高了電動汽車的動力性和續(xù)駛里程。但是第二代動力電池現(xiàn)在依然是電能化學能電能的化學反應過程中儲存和供給電能，有一些特殊使用條件和一定的局限性，其中有些高能電池還需要復雜的電池管理系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，各種電池對充電技術還有不同的要求。而且第二代電池在使用一定的次數(shù)后會出現(xiàn)老化甚至報廢的情況，幾乎或者完全喪失充放電能力，并且會造成污染。這無疑又增加了電動汽車的使用成本。第三代電池是以燃料電池為主的電池，燃料電池直接將燃料的化學能轉化成電能，能量轉變的效率高，比能量和比功率高。并且燃料電池能量轉化過程可以連續(xù)進行，反應過程能夠有效地控制，是比較理想的燃料電池電動汽車用電池。但是燃料電池的燃料往往有毒有害而且價格昂貴，需要對車輛進行額外的設計，增加了設計和制造成本。除此以外，飛輪儲能器、超級電容也是常見的電動汽車車載動力源。飛輪儲能器是電能機械能電能轉換裝置，可以瞬間輸出很高的功率。而超級電容具備了電能電位能電能轉換的能力，而且其充放電時間比起傳統(tǒng)電池來說有很大的提高。以上種種裝置都有自己的優(yōu)缺點，但是綜合現(xiàn)有技術條件以及相關技術的成本，現(xiàn)代電動汽車普遍使用先進的高能電池作為其動力源。本文討論的對象也是使用高能鋰電池作為動力源的電動汽車。 電池管理系統(tǒng)對動力電池組的管理包括：對動力電池組的充電與放電時的電流、電壓、放電深度、再生制動反饋的電流、電池的自放電率、電池溫度等進行控制。因為個別的蓄電池性能變化后，影響到整個動力電池組的性能，用蓄電池管理系統(tǒng)對整個動力電池組和動力電池組中的每一個單體電池進行控制，保持各個電池間的一致性，還要建立動力電池組的維護系統(tǒng)，來保證電動汽車的正常運行。由于充放電性能對電動汽車動力電池的性能表現(xiàn)有著重要的影響，所以電動汽車動力電池對充電時的電壓和電流都有一定的要求。因此高效率的充電裝置和快速充電裝置也是電動汽車使用時必須的輔助設備。一般常見的充電裝置有地面充電器、車載充電器、接觸式充電器和感應式充電器等。電池充電系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、維修系統(tǒng)和再生制動能量的回收等，是一個全新的系統(tǒng)工程。因其是保證電動汽車能夠安全穩(wěn)定工作的必要條件，所以其重要性必不亞于電動汽車本身。如何建立充電站系統(tǒng)，使電動汽車的充電能夠像內(nèi)燃機汽車加油站那樣方便、那樣普及。與此同時，還應該建立蓄電池回收和報廢工廠，使電動汽車廢舊電池對環(huán)境的污染降到最低。 驅動電動機和驅動系統(tǒng)驅動電機是電動汽車的動力裝置，這是電動汽車和傳統(tǒng)汽車最根本的區(qū)別?，F(xiàn)代電動汽車一般使用的是交流電機、永磁電動機或者是開關磁阻電機。由于電動汽車制動時使用再生制動，一般可以回收10%~15%的能量。再生制動能量是電動汽車節(jié)能和延長續(xù)駛里程的重要措施之一。再生制動顯然不可能在內(nèi)燃機汽車上實現(xiàn)。在電動汽車的制動系統(tǒng)中，還保留著常規(guī)制動系統(tǒng)和ABS，以保證車輛在緊急制動時，有可靠的制動性能。電動汽車的驅動系統(tǒng)由驅動電機和驅動系統(tǒng)共同組成，隨著電動汽車結構形式的不同，采用了不同的驅動系統(tǒng)。電動汽車的驅動系統(tǒng)有電動輪方案（輪邊驅動系統(tǒng)）和差速半軸方案（集中驅動系統(tǒng)）兩種方案。蓄電池速度給定PDRN制動（踏板）電機控制器電動機機械傳動裝置驅動輪圖2 差速半軸方案蓄電池速度給定PDRN制動（踏板）電機控制器左電動輪右電動輪圖3 電動輪方案電動輪方案是采用多電機，將電機裝配于車輪上，或者和輪邊減速器相配合。差速半軸方案采用單電機系統(tǒng)，其動力布置方案和傳統(tǒng)汽車相一致，即電動機輸出扭矩，通過變速裝置傳輸?shù)讲钏倨魃?，差速器再通過半軸傳輸?shù)捷喩稀ｋ妱虞喖夹g可以減小電動機的直徑，便于在電動汽車底盤下部布置，能夠減輕電動車輛的簧載質量。輪轂電機的出現(xiàn)改變了汽車的傳動形式，每個車輪都是由獨立的電動機來驅動，這與內(nèi)燃機汽車有著截然的不同。任何一種電機都可以根據(jù)需求組成電動輪系統(tǒng)或差速半軸系統(tǒng)。 控制技術對于廣大汽車使用者來說，加速踏板、方向盤、制動踏板等操縱裝置是非常熟悉的，電動汽車也應當繼承和尊重這一習慣。通過各種踏板和控制手柄，將踏板和手柄的位移信號轉化成電信號，輸入中央控制器，通過電動汽車控制模塊來控制電動機的運行。電動汽車的控制系統(tǒng)主要是對于動力電池組的管理和對電動機的控制，隨著車輛行駛工況的變化。而引起的電動機輸出功率、轉矩和轉速的變化，必然引起動力電池組的電壓電流的改變。通常采用電壓表、電流表、電功率表、轉速表和溫度表等儀表來顯示。特別是對動力電池組剩余電量和聲譽續(xù)駛里程的顯示有重要的意義。由于電動汽車的高度電氣化，因此更加有條件實現(xiàn)機電一體化和采用自動化的控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，一般用中央控制器中的計算機來進行控制和管理。另外，控制系統(tǒng)還包括整車低壓系統(tǒng)的電子和電器裝置?，F(xiàn)代化的衛(wèi)星導航系統(tǒng)和雷達防撞系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論在電動汽車上得到了廣泛的應用。電動汽車除裝備現(xiàn)代內(nèi)燃機汽車的一些先進的電子設備外，電動輪、四輪轉向、再生制動和太陽能的利用等，都可以在電動汽車上有其獨特的作用。 車身及底盤電動汽車已經(jīng)具有各種車型，包括電動轎車、電動客車（微型、小型、中型和大型）、電動貨車（微型、小型、中型和大型）及其他改裝的電動車輛。為適應城市、家庭、學校和服務行業(yè)的需要，電動汽車的車身造型，特別是微型電動轎車，已經(jīng)有了多種多樣、豐富多彩的造型。電動汽車的車身造型特別重視流線型，使得電動汽車的造型更加具有特色，更加的豐富多彩。也使得電動汽車的車身的空氣阻力系數(shù)大大的降低了。電動汽車大多采用復合材料來制造車身結構和車身內(nèi)飾，有的豪華氣派，有的簡單實用，并且更加輕盈且美觀。由于動力電池組的質量大和動力電池組的占據(jù)的空間也很大，為減輕電動汽車的整車質量和體積，采用輕質材料、碳纖維增強樹脂和復合材料等制造車身和底盤部分的總成，并且采用三維擠壓成型工藝，制造出結構復雜、質量小、強度大和裝卸動力電池組方便的車價，補償因的裝備動力電池組而增加的負載。在底盤的布置上還要有足夠的空間存放動力電池組，并且要求線路連接方便，充電方便，檢查方便和裝卸方便。能夠實現(xiàn)動力電池組的整體機械化裝卸。這就要求在電動汽車的底盤的布置上，打破傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車底盤布置模式，加大承載空間的跨度和承載結構件的剛度，并且充分考慮防止動力電池組滲出的酸或堿液對底盤結構件的腐蝕侵害。在電動汽車上采用滾動阻力小的子午線輪胎，使得電動汽車的滾動阻力大大地降低。 安全保護系統(tǒng)電動汽車的動力電池組具有96~312V的高壓直流電，人身觸電時會造成致命的危險。因此必須設置安全保護系統(tǒng)，確保駕駛員、乘員和維修人員在駕駛、乘坐和維修時的安全。另外在撞車、翻車或線路發(fā)生短路時，駕駛員能夠迅速地切斷電源，避免發(fā)生火災，保護乘員的安全，同時還需要注意防止電池中的電解液溢出對乘員造成的傷害。電動汽車必須裝備電氣裝置的故障自動檢測系統(tǒng)和故障報警系統(tǒng)，在電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時自動控制電動汽車不能啟動等，及時防止事故的發(fā)生。 本章小結本章詳細討論了電動汽車的各個組成部分的構成，以及整個系統(tǒng)的整合。電動汽車主要由5大系統(tǒng)組成，即為車載電源、電池管理系統(tǒng)、驅動電動機和驅動系統(tǒng)、車身及底盤、安全保護系統(tǒng)。電動汽車的車身底盤和傳統(tǒng)動力汽車大同小異，可以利用現(xiàn)有汽車技術，以節(jié)約研發(fā)成本和研發(fā)時間。但是電動汽車的動力系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車完全不同，其中如電池管理系統(tǒng)這樣的系統(tǒng)，在傳統(tǒng)汽車技術中是不可能出現(xiàn)的。而在電動汽車中，這些系統(tǒng)又是不可缺少的重要組成部分。本章對于電動汽車必須的5大系統(tǒng)進行了詳盡的闡述，對于電動汽車的設計研發(fā)，有一定的綜合指導作用。第三章 電動汽車傳統(tǒng)系一般來說，電動汽車的傳動系統(tǒng)有兩種驅動方式——差速半軸設計和電動輪設計。3. 1差速半軸設計方案差速半軸設計方案和傳統(tǒng)汽車的傳動系是基本類似的。動力從電動機傳出后，或經(jīng)過變速器、及減速器減速增扭，然后通過差速器分配到左右半軸上面并傳遞到驅動輪上。采用此種方案的電動汽車，其控制方式和傳統(tǒng)汽車是一致的。電動機控制器接受速度給定（踏板）信號、制動（踏板）信號、PDRN信號，控制電機旋轉，通過機械傳動裝置驅動左右車輪。而在轉向時，左右兩側車輪不等速，則是靠差速器和半軸實現(xiàn)的。顯然，和傳統(tǒng)汽車相一致的技術，能夠保證車輛的成熟安全可靠，對于研發(fā)和制造成本的控制也很有幫助。圖4 差速半軸方案3. 2電動輪設計方案該設計方案比較新穎，因為它取消了傳統(tǒng)汽車上必然存在的差速器和半軸，取而代之的是將電動機直接和車輪連接，并且是單一驅動輪對應單一電動機。實際上，我們常見的電動自行車，一般都是采用這樣的動力布置，即采用輪轂電動機驅動車輪，而不經(jīng)過其他機械裝置的傳動。圖5 電動輪方案在這樣的設計方案中，我們顯然不需要也不可能擁有機械的差速裝置，取而代之的是電子差速技術。即在汽車左右兩側車輪轉速不等時，該方案使用電子差速代替機械差速功能，需要把轉向盤轉角信號送到電動機控制器，以此來控制兩側電動輪的速度和滾過的距離。汽車直線行駛時，轉向盤轉角為，兩側電動輪等速旋轉。轉向時，轉向盤轉角為，電動機調速器根據(jù)的大小控制兩個電動輪以不同的速度旋轉。此方案機械傳動裝置的體積與質量大大減小，效率顯著提高，通過控制模塊對電機轉速和扭矩的控制，而達到車輪不打滑不抱死的目的，以實現(xiàn)傳統(tǒng)差速器的作用。這樣的電子差速系統(tǒng)，精簡了車身結構，減低了車身質量，效率顯著提高。但是由于控制系統(tǒng)變得復雜，增加了設計時的難度。不過由于是多電機驅動，電動輪方案對于電機的要求倒是比差速半軸方案有所降低，可以降低電機的研發(fā)成本。而電機數(shù)量的增多和控制模塊的復雜化，也必然增加了制造成本，不利于電動汽車的市場表現(xiàn)。 動力傳動方案的選擇根據(jù)整車基本參數(shù)要求，綜合考慮市面上可選擇的電機和電池的性能表現(xiàn)，我們認為該型電動車可采用固定減速比的傳動方式。即電機動力輸出后，直接到達減速器，或通過差速器和車軸，傳送到車輪上。實踐證明，使用固定減速比的該型電動汽車的確可以通過對減速比和動力配置的優(yōu)化選擇，滿足動力性要求。本文第四章的相關計算也證明了我們的選擇是切合實際的，仿真結果也印證了這個結論。電動輪技術是現(xiàn)在頗受關注的傳動方式。它把電動機直接耦合或者通過單級減速裝置耦合到車輪上，不需要車軸和差速裝置。如若電動