【正文】 5820009282003792000929200411020009302004311200093120048122001132200531320012332005514200133420056152001435200571620015362006317200163720065182001738200711920018392008220200194020086世界上很多國家把發(fā)展電動汽車作為其發(fā)展新能源戰(zhàn)略的重要組成部分。冰島政府則計劃到 2012年將全國所有汽車都更換為電動汽車，成為世界上首個推行該政策的國家。葡萄牙政府則與雷諾及日產(chǎn)達成了協(xié)議，一起打造全國性的充電網(wǎng)絡。目前，日本的豐田和本田兩家汽車公司已批量生產(chǎn)銷售混合動力汽車。．豐田汽車公司已占有全球混合動力汽車市場90％的份額。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。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。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。法國是最積極研制和推廣電動汽車的國家之一。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。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。瑞士為防止環(huán)境污染，在旅游區(qū)只用電動汽車。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。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。而電動汽車的動力系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車有著根本的不同。而內(nèi)燃機消耗化石燃料，燃料儲存在油箱之中。電動機的能量來自于動力電池。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。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。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。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。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”。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)氐挠汀㈦妰r格。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。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。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。根據(jù)電動機轉(zhuǎn)矩可以確定電動汽車的驅(qū)動力，然后利用電動機轉(zhuǎn)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。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。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。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。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。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。目前，電動汽車用電池已經(jīng)經(jīng)過了三代的發(fā)展。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。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。這無疑又增加了電動汽車的使用成本。并且燃料電池能量轉(zhuǎn)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。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。而超級電容具備了電能電位能電能轉(zhuǎn)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。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。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。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。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。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。 驅(qū)動電動機和驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)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。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。再生制動顯然不可能在內(nèi)燃機汽車上實現(xiàn)。電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動電機和驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)。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(qū)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。電動輪技術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(zhì)量。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)。通過各種踏板和控制手柄，將踏板和手柄的位移信號轉(zhuǎn)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。而引起的電動機輸出功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化，必然引起動力電池組的電壓電流的改變。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。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。現(xiàn)代控制理論在電動汽車上得到了廣泛的應用。 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。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。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。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。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。 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。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。 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。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。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(qū)動方式——差速半軸設計和電動輪設計。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(qū)動輪上。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(zhuǎn)，通過機械傳動裝置驅(qū)動左右車輪。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。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(qū)動車輪，而不經(jīng)過其他機械裝置的傳動。即在汽車左右兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號送到電動機控制器，以此來控制兩側(cè)電動輪的速度和滾過的距離。轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為，電動機調(diào)速器根據(jù)的大小控制兩個電動輪以不同的速度旋轉(zhuǎn)。這樣的電子差速系統(tǒng)，精簡了車身結構，減低了車身質(zhì)量，效率顯著提高。不過由于是多電機驅(qū)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。 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。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。電動輪技術是現(xiàn)在頗受關注的傳動方式。如若電動輪技術的控制模塊能夠穩(wěn)定工作，電動輪無疑可以實現(xiàn)更好的動力性、更好的通過性和出色的穩(wěn)定性，對于提升車輛性能有巨大的作用。故電動輪方案必然導致控制模塊變得更加復雜，增加研發(fā)難度和成本。相比之下，差速半軸式的傳動方式，因其結構簡單，零部件易于獲得，控制方式簡單而且類似于傳統(tǒng)汽車，維修也相對簡易。 本章小結目前電動汽車常見的傳動系方案有兩種——差速半軸方案（單電機）和電動輪方案（多電機）。而電動輪方案則是充分發(fā)揮了電動機，這種新型的汽車動力源的特性，利用輪轂電機，使用單電機驅(qū)動單獨車輪，由車載計算機和電動機控制模塊控制協(xié)調(diào)不同電機不同車輪間的工作運行情況。而電動輪方案則非常新穎，可以給電動汽車的動力性帶來革命性的變化。但是電動輪方案的缺點也很明顯，就是控制復雜。綜合市場和技術因素，我們選擇差速半軸方案作為某型電動汽車的傳動系布置方案。因此在計算滿足純電動汽車行駛要求的性能應針對全部行駛工況。驅(qū)動系統(tǒng)的動力輸出特性與車輛的動力性能直接相關。電動汽車在進行參數(shù)匹配的時候，首先必須建立電動汽車的行駛動力學模型，對電動汽車行駛過程中力與功率的平衡進行分析。根據(jù)力的平衡關系，汽車的行駛方程式為： (1)式中：Ft——驅(qū)動力；ΣF——行駛阻力之和。同時，地面對驅(qū)動輪產(chǎn)生反作用力Ft。它不僅與車輛驅(qū)動系統(tǒng)提供的牽引力有關，而且與路面和車輪之間的接觸狀態(tài)有關。傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車中，Tt是由發(fā)動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，由于電動汽車采用電動機驅(qū)動，所以在電動汽車中Tt是由電動機輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)傳遞到車輪上的。驅(qū)動電動機的輸出轉(zhuǎn)矩為Ttq，則有： (3)因此汽車的驅(qū)動力為： (4)汽車在水平道路上等速行駛時，必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力。汽車加速行駛時還需要克服加速阻力。研究中滾動阻力系數(shù)，按經(jīng)驗公式取值。ｕｒ—相對速度，在無風時即車輛的行駛速度。如ua以km／h計，A以m2計，則空氣阻力(N)為： (8)(3) 坡度阻力： (9)式中：α—坡度。(4) 加速阻力： (10)式中：δ—車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。這樣，汽車行駛阻力為： (11)車輛行駛時，不僅驅(qū)動力和行駛阻力相互平衡，電動機功率和車輛行駛阻力功率也總是平衡的。在純電動汽車中，Pe為電動機的輸出功率。即： (12)根據(jù)以上的推導，可得車輛行駛過程中的平衡方程如下：