【正文】 最關(guān)鍵因素。這表明，無論純電動或混合動力汽車都有賴于電池技術(shù)的發(fā)展。主要表現(xiàn)為蓄電池的比能量不夠大，造成續(xù)駛里程不夠長；充電時間較長，使用不方便；使用壽命短，成本高。 第二代動力電池中的鋰離子電池和鎳氫電池被認為是適用于電動汽車（ EV）和混合電動汽車（ HEV）的兩種動力電池 [6]。由于電池提供的是直流電，因此 20世紀 80 年代前，幾乎所有的牽引電機都為直流電動機。因此近十年來，主要發(fā)展交流異步電機和無刷永磁電機系統(tǒng)。 此外，還有電動汽車的整車技術(shù)。采用輕質(zhì)材料如鎂、鋁、優(yōu)質(zhì)鋼材及復合材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可以使電動汽車自身質(zhì)量減輕 30%~50%；實現(xiàn)制動、下坡和怠速時的能量回收；采用高彈滯材料制成的高氣壓子午線輪胎，可以使汽車的滾動阻力減小 50%；汽車車身特別是汽車底部的流線型，可使汽車空氣阻力減小50%[2]。以電動汽車為代表的新一代節(jié)能環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢已經(jīng)成為普遍共識。同時，一場圍繞著“控制技術(shù)制高點、搶占核心技術(shù)資源”的沒有硝煙的“戰(zhàn)爭”正在拉開帷幕。在電動汽車技術(shù)快速發(fā)展的時代背景下，鑒于電動汽車的主要性能指標（最高車速、加速能力、爬坡性能和續(xù)駛里程等）的高低直接與其動力傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的優(yōu)劣密切相關(guān)。 本論文結(jié)合某公司擬研發(fā)的兩檔自動變速電動汽車的任務(wù)和已經(jīng)確定的整車參數(shù)、性能指標 ，對電動汽車動力傳動系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化和仿真研究，在相同動力電池和電動機條件下，在 滿足電動汽車動力性要求的同時，增加其續(xù)駛里程，開發(fā)滿足電動汽車性能的動力傳動系統(tǒng)，具有理論和實際意義。 重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 （ 2） 研究動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計理論，并結(jié)合任務(wù)書要求對驅(qū)動電機、動力電池、傳動系傳動比等參數(shù)進行匹配設(shè)計。 （ 4） 綜合運用各部件模型建立電動汽車整車性能仿真模型，并結(jié)合本文設(shè)計的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)對電動汽車整車性能進行仿真。 （ 6） 以動力性指標為約束條件，循環(huán)工況續(xù)駛里程為優(yōu)化目標，建立優(yōu)化模型，運用遺傳算法對電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。電動汽車的整車性能主要包括動力性和經(jīng)濟性。經(jīng)濟性主要取決于電動汽車的續(xù)駛里程。 電動汽車的動力傳動系統(tǒng)由動力電池、驅(qū)動電機、控制器、變速器、主減速器、驅(qū)動輪等組成。因此，電動汽 車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計，首先應(yīng)該在確定動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上選擇合適的動力電池、驅(qū)動電機類型，然后匹配設(shè)計驅(qū)動電機、動力電池和傳動系傳動比的參數(shù)。 但是，電動汽車的基本結(jié)構(gòu)相似，（如圖 21 所示）都分為三個子系統(tǒng)，即電力驅(qū)動子系統(tǒng)、能量子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)。在圖中，雙線表示機械連接，粗線表示電器連接，細線表示控制信號連接，線上的箭頭表示電功率和控制信號流動的方向 [7]。 第一種類型如圖 22（ 1）所示。在低速檔時，車輪獲得大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速；在高檔行駛時，車輪獲得小轉(zhuǎn)矩高 轉(zhuǎn)速。 第二種類型如圖 22（ 2）所示。 第三種類型如圖 22（ 3）所示。 第四種類型如圖 22（ 4）所示，為雙電動機結(jié)構(gòu)，采用兩個電動機通過固定速比的減速器分別驅(qū)動兩個車輪，每個電動機的轉(zhuǎn)速可以獨立地調(diào)節(jié)控制，便于實現(xiàn)電子差速，因此，電動汽車不必選用機械差速器。電動汽車采用輪轂電機，即電動機裝在車輪里面，可以進一步縮短電動機到車輪的傳遞路徑。 第六種類型如圖 22（ 6）所示，是另一種使用輪轂電機的電動汽車結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)采用低速外轉(zhuǎn)子電動機，徹底去掉了機械減速齒輪箱，電動機的外轉(zhuǎn)子直接安裝在車輪的輪緣上，車輪轉(zhuǎn)速和電動汽車的車速控制完全取決于電動汽車的轉(zhuǎn)速控制。 電動汽車動力傳動系統(tǒng)部件選型 驅(qū)動電機選型 電動汽車對驅(qū)動電機的要求 驅(qū)動電機是電動汽車的心臟，它的任務(wù)是在駕駛員的控制下，高效率地將蓄電池的能量轉(zhuǎn)化為車輪的動能，并在制動時將車輪上的動能回收到蓄電池中。 目前用于電動汽車的驅(qū)動電機種類有直流電動機、感應(yīng)電動機、永磁無刷電動機或開關(guān)磁阻電動機等。通過用永磁材料代替直流電動機的勵磁繞組，可以有效地利用徑向空間，從而可使電動機的定子直徑大大減小。直流電動機的主要問題是，由于有換向器和電刷，使得其可靠性降低，且需要定期維護。但傳統(tǒng)的變頻變壓（ VVVF）控制技術(shù)，不能使感應(yīng)電動機滿足所要求的驅(qū)動性能。采用矢量控制（ FOC）法控制感應(yīng)電動機可以克服由于其非線性帶來的控制難度。 永磁無刷電動機 在現(xiàn)代驅(qū)動電機的發(fā)展中，永磁無刷電動機是目前最有前景和應(yīng)用最為廣泛的驅(qū)動電機之一。采用稀土永磁材料后，電動機的體積可以大大縮小，重量可以相應(yīng)較小，從而有效提高了功率密度。 3） 由于取消了傳統(tǒng)的電刷和換向器，因此無需更換這些部件，維修更加簡單。因此，可調(diào)參數(shù)多，控制的靈活度也得以提 高。 重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 開關(guān)磁阻電動機 開關(guān)磁阻電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，轉(zhuǎn)矩 /轉(zhuǎn)速特性好等優(yōu)點，可以作為電動汽車的驅(qū)動電機。但由于其磁極端部的嚴重磁飽以及磁極和溝槽的邊緣效應(yīng)，使其設(shè)計和控制非常困難和精細。從表中可以看出永磁無刷電動機非常具有競爭力。 表 21 各種驅(qū)動電機性能比較 直流電動機 感應(yīng)電動機 永磁無刷電動機 開關(guān)磁阻電動機 功率密度 5 效率 5 可控制性 5 4 4 3 可靠性 3 5 4 5 成熟性 5 5 4 4 成本 4 5 3 4 綜合 22 26 25 23 動力電池選型 電動汽車對動力電池的要求 動力電池為電動汽車的驅(qū)動電機提供電能，是電動汽車的重要組成部分。 目前用于電動汽車的動力電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。以下逐個分析幾種常用動力電池的特性。鉛酸電池的優(yōu)點是放電時電動勢較穩(wěn)定、成本售價低廉、使用溫度及電流范圍寬、儲存性能好，因此能應(yīng)用于電動汽車 [2]。作為第一代動力電池的鉛酸電池終將要退出歷史舞臺。并且鎳氫電池放電特性平穩(wěn)，放電曲線非常平滑，發(fā)熱 量小，這些是其選作電動汽車動力電池的依據(jù)。并且電池中含有大量的鎳和鈷元素，大批量生產(chǎn)和使用時價格不會下降反而上升，因而其應(yīng)用前景受到一定影響 [6]。鋰離子電池被稱為性能最為優(yōu)越的可充電電池，號稱“終極電池”，受到市場的廣泛青睞。因此重量是相同能量的鉛酸電池的四分之一； 3） 鋰離子電池體積小，高達 400Wh/L，因此體積是相同能量的鉛酸電池的三分之一； 4） 鋰離子電池壽命長，循環(huán)次數(shù)可達 1000 次，使用年限可達 3~5 年，壽命為鉛酸電池的三倍； 5） 鋰離子電池自放電率低，每月不到 5%，是鎳氫電池的六分之一； 6） 鋰離子電池允許工作溫度寬，低溫性能好，可在 20~55℃之間工作； 7） 鋰離子電池無記憶效應(yīng)，而鎳氫電池有輕微的記憶效應(yīng)。電池放電深度對電池壽命影響不大，可以全充全放； 8） 鋰離子電池中基本不存在有毒物質(zhì)，無污染，可以說是綠色環(huán)保電池。因此，本次課題中動力傳動系統(tǒng)的動力電池選用鋰離子電池。因此驅(qū)動電機的輸出功率應(yīng)滿足行駛阻力功率之和，即電動汽車的功率平衡方程式如下： 式中 為機械傳動系統(tǒng)效率； 為整車質(zhì)量（ kg）； 為滾動阻力系數(shù)； 為坡度角； 為行駛車速（ km/h）； 為空氣阻力系數(shù)； 為迎風面積（ m2）； 為轉(zhuǎn)動質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，對電動汽車其計算式為 [5]： 式中 為車輪轉(zhuǎn)動慣量（ kgm2）； 為電機輸出軸和傳動軸的轉(zhuǎn)動慣量（ kgm2）； 為車輪滾動半徑（ m）； 為主減速器傳動比； 為變速器傳動比。電動機的功率越大，則電動機的后備功率越大，加速性、爬坡性能必然越好，但電動機的體積和質(zhì)量也會迅速增加，而且電動機并不經(jīng)常工作在峰值功率附近，使電動機的效率下降。因此，驅(qū)動電機的峰值功率必須滿足電動汽車最高車速、加速和爬坡時的功率需求 [9]，即： 式中 為驅(qū)動電機的峰值功率（ kw）； 為最高車速行駛時驅(qū)動電機的輸出功率（ kw）； 為滿足爬坡度要求時驅(qū)動電機的輸出功率（ kw）； 為滿足加速性要求時驅(qū)動電機的輸出功率（ kw）。 爬坡度需求 電動汽車以某一車速爬上一定坡度時，加速度 ，驅(qū)動電機的對應(yīng)輸出功率為： 加速性需求 在水平良好路面上，電動汽車行駛加速度計算式為： （ 23） （ 24） （ 26） （ 25） 2 電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計 17 式中 為 車輛行駛驅(qū)動力（ N）； 為車輛行駛空氣阻力（ N）； 為車輛行駛滾動阻力（ N）。 動力電池參數(shù)匹配設(shè)計 動力電池組數(shù)量的選擇主要考慮電動汽車行駛時所需的最大輸出功率和最大輸出能量，以保證電動汽車的動力性和續(xù)駛里程 [10]。 根據(jù)驅(qū)動電機最大輸出功率選擇電池組數(shù)目 蓄電池的攜帶能量必須大于或等于電動汽車的最大能耗，如 此才能保證電動汽車的行駛要求。 根據(jù)電動汽車續(xù)駛里程選擇電池組數(shù)目 在電動汽車充電前，蓄電池所攜帶的能量必須保證電動汽車能夠行駛一定里程。 動力傳動系傳動比參數(shù)匹配設(shè)計 傳動系傳動比的分配是傳動裝置設(shè)計中的一個重要問題。電動汽車可以選擇兩檔變速器來滿足高速行駛和爬坡度的要求。 動力傳動系傳動比的上限 動力傳動系傳動比的上限由驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車速確定： （ 211） （ 212） 2 電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計 19 式中 為驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速（ r/min）； 為車輪滾動半徑（ m）； 為最高車速（ km/h）。 方法一：由驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大行駛車速對應(yīng)的行駛阻力確定傳動系傳動比下限： 式中 為驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（ Nm）； 為最高車速對應(yīng)的行駛阻力（ N），其計算式為： 方法二：由驅(qū)動電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度對應(yīng)的行駛阻力確定傳動系傳動比下限： 式中 為驅(qū)動電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩（ Nm）； 為最大爬坡度對應(yīng)的行駛阻力（ N），其計算式為： 設(shè)計實例 本課題依據(jù) 某公司擬研發(fā)的兩檔自動變速 電動 汽車的任務(wù)需求和已確定的整車參數(shù)和性能指標 ，對其動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進行匹配設(shè)計。在表 23 中列出了各技術(shù)性能參數(shù)的符號、單位及數(shù)值。 考慮到電動汽車的電動機具有較大的過載能力，最大功率可達到額定功率的 5倍左右 [12]。參考電工手冊選擇驅(qū)動電機參數(shù)如表 24： 表 24 永磁無刷電動機設(shè)計參數(shù) 2 電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計 21 項 目 單位 數(shù)值 額定功率 kw 30 最大功率 kw 105 額定轉(zhuǎn)矩 Nm 最大轉(zhuǎn)矩 Nm 額定轉(zhuǎn)速 r/min 3000 最大轉(zhuǎn)速 r/min 6000 重 量 kg 85 動力電池參數(shù) 設(shè)計 由公式（ 29）求得最大輸出功率所需電池組數(shù)目為 ；由公式（ 211）求得續(xù)駛里程所需電池組數(shù)目為 ?？傠妷簽?240V，總電容為 220 Ah。電動汽車在行駛過程中所遇到的阻力變化很大，變化范圍在 6 倍以上，而單靠驅(qū)動電機的力矩變化不能滿足電動汽車行駛性能要求。 為了滿足電動汽車行駛阻力的變化范圍，減輕驅(qū)動電機和動力電池的負荷，提高工作效率，又使動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不過于復雜，本課題選用二檔變速器。由公式（ 213）和公式（ 215）分別求得傳動系傳動比下限為 、 。 又因為 式中 為主減速器傳動比； （ 217） 重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 為變速器傳動比。綜合比較后選擇了永磁無刷電動機和鋰離子動力電池； 3） 研究了電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計的基本理論，并結(jié)合畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書的要求對電動汽車動力傳動系統(tǒng)的驅(qū)動電機、動力電池及傳動系傳動比的參數(shù)進行了設(shè)計。對于電動汽車而言，其整車性能主要包括動力性和經(jīng)濟性。以下為電動汽車動力性、續(xù)駛里程初步驗證的理論分析方法。因此其工作特性對電動汽車的性能有著重要的影響。轉(zhuǎn)矩外特性即驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩隨電機轉(zhuǎn)速的變化情況，功率外特性即驅(qū)動電機輸出功率隨電機轉(zhuǎn)速的變化情況。 0 1000 2020 3000 4000 5000 6000100200300400驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速（ r / m i n ）最大扭矩（ Nm ）050100150最大功率（ kw ）圖 31 永磁無刷電動機功率、轉(zhuǎn)矩外特性曲線 重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 根據(jù)電動機的工作特性可知，當驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速時，恒扭矩輸出；當驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速后恒功率輸出 [13]。 驅(qū)動電機的效率外特性曲線相當于發(fā)動機的萬有特性曲線，是反映驅(qū)動電機工作效率的重要參數(shù)，其定義如下 式中 為驅(qū)動電機的效率； 為驅(qū)動電機輸出功率（ kw）； 為輸入驅(qū)動電機的功率（ kw）。從圖中可以看出永磁無刷電動機的效率優(yōu)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車，最大運行效率高達 90%，而且高效區(qū)域集中在中高轉(zhuǎn)速和中高轉(zhuǎn)矩范圍較大的區(qū)域內(nèi)，低轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)矩區(qū)域，驅(qū)動電機工作效率則相對較低。 根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，可以通過 MATLAB 編程，插值得到任一轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的驅(qū)動電機效率，以便在驅(qū)動電機建模中