【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 12 ??? ????nnnn tt VVMP (219) 式中 M 為整車質(zhì)量， V為行駛速度， t為時(shí)間 電動(dòng)汽車克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力行駛單位里程消耗功率： ?????? ????????? ??? ??? 151 nnnn VVMVVMe (220) 電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程是指電動(dòng)車消耗掉電池中的電能所能行駛的最大距離 ，是電動(dòng)汽車的一個(gè)重要指標(biāo)，降低電動(dòng)車質(zhì)量，提高能量利用效率，對(duì)電動(dòng)車發(fā)展極其重要。 電動(dòng)車正常行駛時(shí)所需功率： ? ?tmvBPP ??? (221) 式中 BP 為電動(dòng)車所需功率， vP 是電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)功率， m? 是電機(jī)效率， t? 是傳動(dòng)效率 電動(dòng)車消耗能量： ? ? ? ?dtPUPUE BBt BBB ?? ?0 (222) 式中 BE 為消耗能量， ? ?BBPU 為驅(qū)動(dòng)電壓， ? ?BBPU 為驅(qū)動(dòng)電流 續(xù)駛里程： VPESBB ?? 1000 (223) 本章小結(jié) 本章介紹了電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)分析四種驅(qū)動(dòng)模式特點(diǎn)，結(jié)合本文設(shè)計(jì)要求，選擇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)合式的結(jié)構(gòu)形式作為本文設(shè)計(jì)車輛的驅(qū)動(dòng)模式，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵零部件的分析，為電動(dòng)機(jī)和電池的選型奠定基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，為動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配提供了依據(jù)。 16 3 電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù) 電動(dòng)機(jī)技術(shù) 電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力輸出，應(yīng)該高效的將電池中的電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)車輛行駛的機(jī)械能，此外為了增加汽車的續(xù)航能力，電動(dòng)機(jī)還應(yīng)該盡量高效的將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量存儲(chǔ)的電池中 [10]。電動(dòng)汽車使用電動(dòng)機(jī)種類不一，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)主要有以下幾種： 直流電動(dòng)機(jī)：直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)。直流電機(jī)可以在重載工況下實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍廣，此外直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)力矩大適用于重負(fù)載機(jī)械，但是它質(zhì)量、體積比較大，與輕量化設(shè)計(jì)理念不一致，同時(shí)效率低經(jīng)濟(jì)性不好，所以在汽車上應(yīng)用受限。直流電動(dòng)機(jī)及控 制器如圖31 所示。 圖 31 直流電動(dòng)機(jī)及控制器 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)：交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下獲得一個(gè)轉(zhuǎn)矩，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)包括籠形和繞線轉(zhuǎn)子兩種，因?yàn)榛\形交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維修的特點(diǎn)，所以與直流電動(dòng)機(jī)相比更具優(yōu)勢(shì)，但是繞線轉(zhuǎn)子交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而且故障率也較高。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以再生制動(dòng)實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)時(shí)的能量回收，因此在電動(dòng)汽車上得以廣泛應(yīng)用。但是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)也具有降低電網(wǎng)功率、調(diào)速范圍窄、不能平滑調(diào)速的缺點(diǎn)。因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)機(jī)使用 三相電，所以需要使用逆變器將電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給感應(yīng)電機(jī)。此外，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制策略有轉(zhuǎn)速控制、矢量控制、變壓變頻控制、效率優(yōu)化控制、自適應(yīng)控制和變級(jí)控制等。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及控制器如圖 32 所示。 17 圖 32 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及控制器 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) :開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括功率變換器、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、控制器和傳感器四部分。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高和成本低的有點(diǎn)，轉(zhuǎn)速比較高。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，噪音大，經(jīng)濟(jì)性也不理想，所以在電動(dòng)汽車上應(yīng)用也有限。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制器如圖 33所示。 圖 33 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制器 永磁電動(dòng)機(jī)分為兩種：永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是便于控制和轉(zhuǎn)矩大，缺點(diǎn)是工作轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。永磁同步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是工作轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，但是其難以控制，技術(shù)要求高，成本也高，并且轉(zhuǎn)矩較無(wú)刷直流電機(jī)小。永磁同步電動(dòng)機(jī)及控制器如圖 34 所示。 圖 34 永磁同步電動(dòng)機(jī)及控制器 18 蓄電池技術(shù) 蓄電池是電動(dòng)汽車唯一的能量提供源，電池蓄電能力對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程有很大影響，要想續(xù)駛里程遠(yuǎn)，就必須增大蓄電池容量，蓄電池容量越大，體積和質(zhì)量就越 大，導(dǎo)致整車質(zhì)量加重，自身消耗能量增加，使汽車?yán)m(xù)駛里程降低。因此，蓄電池對(duì)整車性能影響重大。 電動(dòng)汽車蓄電池有五大要求：功率密度高、能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、制造成本低 [11]。根據(jù)電動(dòng)汽車工作需要，平衡五個(gè)方面的取舍，獲得最優(yōu)方案。這也是目前電動(dòng)汽車蓄電池領(lǐng)域需要攻克的難關(guān)。 市場(chǎng)存在的蓄電池主要有三種：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池。不同類型蓄電池性能比較如表 31 所示。 表 31 不同類型蓄電池性能比較 電池類型 鉛酸電池 鎳氫電池 鋰離子電池 正極 PbO2 NiOOH LiCoO2 電解液 H2SO4 KOH LiPF6 負(fù)極 Pb MH C 能量密度（ Wh/kg） 30 6080 100 基本電壓 2V 自我放電率（月） 5% 30% 10% 可充電次數(shù) 200500 500 1000 容忍過(guò)充電率 高 低 非常低 最佳放電率 30%50% 80% 60% 容許負(fù)載 高 最低 低 最快充電 8H 2H 3H 工作溫度 20600C 20600C 20600C 估計(jì)成本 25 70 100 鉛酸電池：電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種 蓄電池 。應(yīng)用廣泛，成本低、控制簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高。其缺點(diǎn)是質(zhì)量中，體積大，不能滿足汽車?yán)m(xù)駛里程長(zhǎng)的要求，其次壽命較其他電池短，更換次數(shù)頻繁。 鎳氫電池：由氫離子和金屬鎳合成，電量?jī)?chǔ)備比 鎳鎘電池 多 30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長(zhǎng)，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。鎳氫電池的缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。其高比功率特性完全可以滿足電動(dòng)汽車啟動(dòng)、加速和爬坡的要求，壽命也是鉛蓄電池的 2倍以上，而且安全，環(huán)保。它曾是電 19 動(dòng)汽車發(fā)展過(guò)程中的主要能源，隨著技術(shù)發(fā)展逐漸被替代。 鋰離子電池：是一種二次電池（充電電池），它主要依靠 鋰離子 在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中， Li+ 在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)， Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現(xiàn)代高性能電池的代表。其具有電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性好、自放電率小和充電速度快的特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是不同程度的衰老和不耐受過(guò)充、過(guò)放。 電池管理系統(tǒng) 系統(tǒng)管理 在電動(dòng)汽車正常使用時(shí)，電池組會(huì)不斷的放電、充電，電池組中電壓，電流，溫度都會(huì)有不同程度的變化。為了保證整個(gè)電池組的整體性能，需要對(duì)各單體電池進(jìn)行監(jiān)控、管理，從而保證電池組中各單體電池性能的一致性。 電池充電 在使用過(guò)程中必須對(duì)電池組進(jìn)行周期性的充電。充電需要用專用的充電設(shè)備進(jìn)行充電，充電設(shè)備多種多樣，包括接觸式和感應(yīng)式充電器，根據(jù)汽車需要選擇適合的充電器。 電池管理系統(tǒng)如圖 35 所示。 圖 35 電池管理系統(tǒng) 本章小結(jié) 本章重點(diǎn)對(duì)電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) —— 電動(dòng)機(jī)技術(shù)和蓄電池技術(shù)做了詳細(xì)的 20 介紹，通過(guò)對(duì)比分析各種類型的電動(dòng)機(jī)和蓄電池的性能參數(shù)，結(jié)合實(shí)際需求，最終確定電動(dòng)機(jī)類型為永磁同步電動(dòng)機(jī)，蓄電池類型為鋰離子蓄電池。 21 4 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配 電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配： 為了使電動(dòng)機(jī)更好的匹配整車性能，本文首先列出了車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能要求，部分參數(shù)為設(shè)計(jì)車輛的期望值。整車結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能要求如表 41 所示。 表 41 整車結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能要求 名稱 參數(shù) 單位 整車質(zhì)量 1090 Kg 載貨質(zhì)量 600 kg 空載最高車速 80 Km/h 滿載最高車速 60 Km/h 迎風(fēng)面積 M2 空氣阻力系數(shù) 滾動(dòng)阻力系數(shù) + 最大爬坡度 20 % 續(xù)駛里程 100 km 傳動(dòng)效率 輪胎規(guī)格 165/70R14 車輪滾動(dòng)半徑 m 電動(dòng)汽車所需轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都來(lái)自于電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率大小直接影響到整車性能。如果電動(dòng)機(jī)功率過(guò)大，后備功率就會(huì)很大，不僅使得電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量增大，而且會(huì)使電動(dòng)機(jī)工作效率低下；反之，功率過(guò)小，不能滿足整車的性能要求，而且電動(dòng)機(jī)經(jīng)常過(guò)載工作，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)壽命大大縮短，甚至直接損壞 [12]。 電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算： 電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算： （ 1）滿足空車最高車速（ 80km/h)要求，電動(dòng)機(jī)需要提供的功率： ???????? ?? 21m a x1m a x1m a x AvCm gfvP Dr? (41) 滿足滿載最高車速（ 60km/h）要求，電動(dòng)機(jī)需要提供功率： 22 ???????? ?? 0 22m a x2m a x2m a x AvCm gfvP Dr? (42) 式中 1maxv 、 2maxv — 電動(dòng)汽車的車速， r? — 功率效率系數(shù)， m— 電動(dòng)車質(zhì)量 f— 滾動(dòng)阻力系數(shù)， DC — 空氣阻力系數(shù)， A— 迎風(fēng)面積， g— 重力加速度 經(jīng)計(jì)算得： kwP ? ， kwP ? （ 2）滿足爬坡性能（ 10km/h,20%）要求 ,電動(dòng)機(jī)需要提供功率： ? ? ? ? ???????? ??? rc t a ns i na rc t a nc os36 00 23ma x AvCmgm gfvP DT??? (43) 式中 v— 電動(dòng)汽車車速， ? — 最大爬坡度 經(jīng)計(jì)算得： kwP ? （ 3）滿足電動(dòng)汽車加速性能（ 0— 40km/h,10s）要求，電動(dòng)機(jī)需要提供率： ???????? ????? 1 234m a x mmmDmmTmvmtAvCtvm gftP ?? (44) 式中 ? 為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù) 經(jīng)計(jì)算得： kwP ? 為滿足電動(dòng)汽車使用性能要求，電動(dòng)機(jī)最大功率應(yīng)滿足： ? ?4m a x3m a x2m a x1m a xm a x , PPPPP ，? (45) 則電動(dòng)機(jī)的最大功率為： kwP 30max ? 電動(dòng)機(jī)的額定功率為： 23 kwPPrated 15m ax ?? ? (46) 式中 ? 為電機(jī)過(guò)載系數(shù)，一般選取范圍 2— 4，本文選取 2?? 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括固定速比減速器、差速器、半軸、驅(qū)動(dòng)車輪等。主減速比直接影響到整車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，根據(jù)汽車?yán)碚摻?jīng)驗(yàn)公式可以大致得出主減速比的選擇范圍： 69，本文初選傳動(dòng)比為 i=[13]。 電動(dòng)貨車在滿載最大爬坡度工況時(shí)所需扭矩最大扭矩：