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北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 電動汽車概述 1
1.1.1 什么是電動汽車 1
1.1.2 電動汽車的特點(diǎn) 1
1.2 研究電動車的目的和意義 2
1.2.1 研究電動汽車的時代背景 2
1.2.2 國外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 4
1.2.3 國內(nèi)電動汽車發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢 4
1.2.3 我國發(fā)展電動汽車具有特殊的意義 6
1.3 本論文的主要內(nèi)容 6
第2章 電動汽車及其相關(guān)技術(shù) 7
2.1 電動汽車的基本結(jié)構(gòu) 7
2.2電動汽車電力驅(qū)動子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 8
2.3 電動汽車的動力蓄電池和動力電機(jī) 10
2.3.1動力蓄電池組及其管理系統(tǒng) 10
2.3.2動力電機(jī)及其控制原理 12
2.4 本章小結(jié) 14
第3章 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計及參數(shù)的匹配 15
3.1 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計 15
3.2 電動汽車功率流分析 16
3.3 電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計 17
3.3.1 車輛參數(shù) 17
3.3.2 傳動機(jī)構(gòu)布置方案 18
3.3.3 驅(qū)動電機(jī)匹配 18
3.3.4 變速器傳動比參數(shù)選擇 20
3.3.5 變速器齒輪設(shè)計計算 21
3.3.6 主減速器齒輪設(shè)計計算 23
3.3.7 各齒輪參數(shù) 24
3.3.8 變速器傳動軸設(shè)計計算 24
3.3.9 軸承的校核計算 28
3.4蓄電池的選擇 30
3.5本章小結(jié) 33
參考文獻(xiàn) 34
致 謝 36
36
第1章 緒論
1.1 電動汽車概述
1.1.1 什么是電動汽車
從車輛定義上來講，電動汽車是以車載電源作為動力輸出源，用電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的機(jī)械能的機(jī)動車輛。電動汽車目前分成三類：混合動力電動汽車、燃料電池電動汽車和純電動汽車。本文僅研究純電動汽車，以下所提電動汽車如果沒有特別指出都是純電動汽車。
對我們的生活來講，電動汽車就不只是我們的代步工具那么簡單了，它集合了新能源、新材料、新技術(shù)，可以說是現(xiàn)代高科技技術(shù)產(chǎn)品。并且，它還可以實(shí)現(xiàn)我們節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境的迫切愿景，是未來汽車的科研方向。
1.1.2 電動汽車的特點(diǎn)
（1）可用能源豐富
電動汽車使用的電能來源廣泛，并且可以由許多可再生能源獲得，例如太陽能、風(fēng)能、潮汐能等，對石油的依賴性低。另一方面，可以在晚上給蓄電池充電，避開了日間用電高峰，還可以節(jié)約電費(fèi)。
（2）零污染或者低污染
由于電動汽車使用蓄電池驅(qū)動汽車，汽車工作過程中無排放，避免了內(nèi)燃機(jī)汽車排放尾氣的缺點(diǎn)。雖然在電廠發(fā)電過程中也會產(chǎn)生各種污染物，而且蓄電池的生產(chǎn)也會帶來污染，但是與內(nèi)燃機(jī)汽車的排放相比要輕得多。
（3）運(yùn)行平穩(wěn)，低噪聲
由于電動汽車沒有發(fā)動機(jī)，不會發(fā)出傳統(tǒng)汽車工作時的震動和噪聲。因此電動汽車即使在高速運(yùn)行時也不會給人帶來不適感。
（4）部件布置多樣化，維修方便
電動汽車動力傳統(tǒng)系統(tǒng)部件間的連接大多是柔性的電線連接，不完全需要機(jī)械連接，各部間的布置可以根據(jù)需要進(jìn)行靈活安排。電動汽車的部件維修保養(yǎng)工作量小，有些部件甚至無需維護(hù)。
（5）能量利用率高
電動汽車以電能作為動力源，由于電流比機(jī)械傳遞能量損耗小，因此電動汽車能量利用率可以到80%。即使在考慮油井-車輪的情況下，最終能量轉(zhuǎn)換率也可以到29%左右，而內(nèi)燃機(jī)汽車在考慮各種工況下工作時能量轉(zhuǎn)換率不足12%。
1.2 研究電動車的目的和意義
1.2.1 研究電動汽車的時代背景
而今人們常常將EV稱為“新能源汽車”，其實(shí)EV的出現(xiàn)時間比內(nèi)燃機(jī)汽車更早。1834年Thomas Davenport發(fā)明了第一輛電動三輪車，比1885年德國的Karl Friedrich Benz制造出天下上第一輛以汽油為動力的三輪汽車還早51年。上世紀(jì)末本世紀(jì)初，曾是EV十分繁榮的時期，1890年全天下汽車保有量約為4.2k輛汽車，此中38%為EV，40%為蒸汽機(jī)汽車，其余為內(nèi)燃機(jī)汽車。1911年巴黎和倫敦有電動出租汽車運(yùn)營。1912年在美國有3.4萬輛EV。1907年底特律電氣公司出產(chǎn)的EV最高車速達(dá)40km/h?？墒?，由于EV采用的蓄電池質(zhì)能比低，使用周期短，汽車的續(xù)駛里程、動力性與價錢都無法與快速進(jìn)步的內(nèi)燃機(jī)汽車相比。特別是Ford于19世紀(jì)初做到了大批量出產(chǎn)汽車，T型車的最大功率20馬力，最高車速72km/h，一開始的價格只有825美元，到了1921年，價格便宜了565美元，將US推到汽車遍地都是的時期。到19世紀(jì)20年代EV基本上競爭不過內(nèi)燃機(jī)汽車，汽車消費(fèi)者更喜歡了內(nèi)燃機(jī)汽車。可以說這是EV的“一起一落”。
到20世紀(jì)70年代，普天之下出現(xiàn)了3次石油危機(jī)，使EV第二次受到青睞。80年代GM、Ford和Toyota、Honda均開發(fā)了EV。在20世紀(jì)前，全天下賣了EV大約60000輛，大概占世界上汽車保有量6億輛的萬分之一。在這之中GM的EV1電動車代表性十分強(qiáng)，使用兩級減速的三相交流感應(yīng)電動機(jī)作為驅(qū)動系統(tǒng)，裝有20余塊德科VRLA鉛酸電池，造型悅目，低風(fēng)阻，加速性優(yōu)良，0～96km/h在9s以內(nèi)提速完成，續(xù)航里程在120km-160km。但是EV1到最后只制造了1117輛，非?？上У赝顺隽藲v史舞臺。
到21世紀(jì)，在石油的價格一直上漲和環(huán)保意識不斷提高的背景下，EV又等到了第二春，EV再一次被推送到人們的視野中。在布什執(zhí)政時代，美國人將研究重點(diǎn)放在氫燃料電池汽車上，但由于燃料電池造價昂貴等問題，短期內(nèi)沒有產(chǎn)業(yè)化的資本而胎死腹中。Toyota卻在HEV上取得了重要成果，有電池與電機(jī)參與工作的普銳斯汽車取得了不錯成就，燃油耗損得到良好解決并已在世界上賣了300多萬輛。緊跟著研究人員又將精力放到純EV，由于質(zhì)能比高于鉛酸電池3-4倍的新型鋰離子電池的問世，人們好像又找到了不靠石油、干凈無污染的純EV的進(jìn)展。海內(nèi)外大量汽車企業(yè)與電池企業(yè)合作開展了新一輪EV研發(fā)與試驗的熱潮，可以說這是EV的“三起”吧。
能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)已經(jīng)是當(dāng)今天下列國發(fā)展必須解決的現(xiàn)實(shí)危機(jī)。隨著化石能源的減少和環(huán)境的惡化，人們越來越需要能耗少、污染小、效率高的新型交通工具。純EV作為以后最具潛力的交通運(yùn)輸工具正快速發(fā)展，并且在天下列國都倡導(dǎo)并進(jìn)行政策服務(wù)。
我國在汽車行業(yè)方面發(fā)展較晚，與其它汽車工業(yè)發(fā)展成熟的國家比較之下難免落伍，特別是在發(fā)動機(jī)、變速器等關(guān)鍵零部件技術(shù)層面沒有掌握核心技術(shù)。雖然我國汽車年產(chǎn)銷已經(jīng)突破1800萬輛，是名副其實(shí)的汽車大國，但是我們面臨的是大而不強(qiáng)的局面，很是尷尬！想要成為汽車工業(yè)強(qiáng)國，那么我國汽車工業(yè)必須具有前瞻性，發(fā)展未來技術(shù)儲備，研發(fā)更高效能新能源汽車，尤其是純EV，爭取掌握新一輪天下汽車市場競爭的主動權(quán)。
人類發(fā)明了汽車，給我們的生活帶來了極大便利，但是汽車也是一把雙刃劍，如何使用關(guān)系著人類社會未來的發(fā)展。權(quán)且放下我們國家的汽車技術(shù)落后于其他國家汽車技術(shù)的事實(shí)，國內(nèi)外汽車行業(yè)都遇到的攔路虎：環(huán)境污染和石油缺乏。這兩個問題對當(dāng)下發(fā)展快速的汽車行業(yè)產(chǎn)生了不小的沖擊，同時石油資源在世界范圍內(nèi)的分布不均使各國之間摩擦增大，導(dǎo)致一些國家動蕩不安，民不聊生。
傳統(tǒng)汽車對外界的影響主要是排放的尾氣，還有發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲。工業(yè)化和現(xiàn)代化的時代發(fā)展推動了鋼筋水泥叢林的出現(xiàn)，使得汽車內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的污染物難以擴(kuò)散，城市里人類生活區(qū)域內(nèi)空氣污染嚴(yán)重。另外，燃油汽車的內(nèi)燃機(jī)是巨大的噪聲來源。據(jù)統(tǒng)計，都市中80%的噪聲污染來自燃油汽車，我國約莫2/3的人口生活在比較高的噪聲環(huán)境中，此中有29%的人們的生活是在不堪忍受的噪音中度過的。
自從我國加入WTO，汽車行業(yè)發(fā)展速度變快，但汽車保有量也因此提高，噪聲和環(huán)境污染更加嚴(yán)重，我國人民的健康受到威脅。燃油汽車面對著另一個難題，石油資源短缺。石油作為能源和它豐富的衍生物都可以在汽車上產(chǎn)生用途，造成傳統(tǒng)汽車行業(yè)對石油十分依賴。據(jù)統(tǒng)計，從1950年到2010年全球汽車保有量增加近12倍，如此多的汽車需要的石油量可想而知。據(jù)調(diào)查，全世界石油儲量可開發(fā)不足五十年，而我國近些年汽車行業(yè)成長特別快，對石油的需求一直增長，故思量到社會太平和持續(xù)發(fā)展我國要從外國采辦石油。預(yù)計到2012年我國的汽車石油年消耗量將突破8000億噸，故解決能源問題在我國刻不容緩。
恰是由于傳統(tǒng)汽車帶來了環(huán)境和能源問題，在這樣的情況下，很多國家都在加緊研發(fā)新能源汽車，而純EV零排放、使用便利、構(gòu)造相對簡單等優(yōu)點(diǎn)獲得公眾的承認(rèn)，被稱為真正的“綠色汽車”，故自上個世紀(jì)90年代后，發(fā)展EV被看作解決當(dāng)前問題的重要路子，可減輕我國石油需求壓力、阻止都市環(huán)境惡化、加強(qiáng)汽車企業(yè)競爭力等方面。
所以，研發(fā)純EV可以解決傳統(tǒng)汽車造成的環(huán)境和資源問題。從能源方面思量，EV使用的能源是一種可靠的、來源廣泛的、均衡的、對環(huán)境友好的能源。從環(huán)境方面思量，純EV在都市交通中可實(shí)現(xiàn)零排放或極低排放?？v然思量到給這些EV供應(yīng)能量的發(fā)電廠的排放，使用EV仍能明顯減輕全球的環(huán)境污染。因此能預(yù)測到，研究開發(fā)純EV將對能源、環(huán)境、交通以及尖端技術(shù)的發(fā)展，新型工業(yè)的建立和經(jīng)濟(jì)的成長造成巨大而長遠(yuǎn)的影響[1,2,3]。
1.2.2 國外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
早在1930年就有外國人開始研究電動汽車。1834年Thomas Davenport發(fā)明了第一輛電動三輪車，比1885年德國的Karl Friedrich Benz制造出天下上第一輛以汽油為動力的三輪汽車還早51年。1881年，一個法國工程師也研究了一輛電動汽車，與最早的電動車的區(qū)別在于，最早的電動車采用干電池作動力，而這輛采用了可充電的鉛酸電池。后來過了五年出現(xiàn)了有軌電車，電動汽車隨之興盛。
19世紀(jì)末期，英法美多家公司開始研究電動汽車。此時電動汽車代表著那時候車輛工業(yè)的最高技術(shù)水平。在美國，機(jī)動車市場被電動汽車?yán)卫伟芽?。但是，因為?dāng)時的電動汽車的各種性能指標(biāo)都比不上內(nèi)燃機(jī)汽車，汽車起動機(jī)被發(fā)明后，電動汽車在市場上的銷量急劇下降，到1930年可以認(rèn)為其退出了機(jī)動車市場。
因為世界上石油資源有限，并且分布不均，終于在上世紀(jì)70年代爆發(fā)了中東戰(zhàn)爭。所以很多國家為了降低對石油的依賴對電動汽車投入了很大的精力。再加上人們環(huán)保意識的提高，電動汽車煥發(fā)第二春。
上世紀(jì)末期，美國三大公司簽訂協(xié)議成立USABC，一起研發(fā)電動汽車電池。1971年，Toyota也開始加入電動汽車行列，并研發(fā)出一系列的電動汽車，就在這一年還研發(fā)出了PriusHEV，并于1997年投入市場。
1.2.3 國內(nèi)電動汽車發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢
我國最早在1920年出現(xiàn)了電動汽車，但是由于當(dāng)時條件、技術(shù)都不成熟，研究不得不中止。60年代初，國內(nèi)石油匱乏，為了解決能源問題，電動汽車的研究趨勢又興盛起來。1962年，上海公用事業(yè)研究所研究開發(fā)出了滿載質(zhì)量為968kg的SWD-S2電動汽車。
70年代，電動汽車的研究在北京、上海、河南、廣州、武漢等地開始進(jìn)行，有試制樣車進(jìn)行試驗，但因為資本、人力的分配不好協(xié)調(diào)，研究沒有繼續(xù)下去。
80年代，我國改革開放，一切百廢待興。政府對基本情況有了更加清楚地了解，科技水平落后，能源短缺，與世界人均擁有量相差甚遠(yuǎn)。另一方面，能源匱乏和環(huán)保問題隨著汽車保有量的上升愈加嚴(yán)重。因此電動汽車的研制被政府提上日程。
同時，政府還出臺相關(guān)電動汽車的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提供政策支持。1993年，香港大學(xué)研發(fā)出配置功率45Kw的電動機(jī)和264V鎳蓄電池的U2001微型電動汽車；1996年，中國遠(yuǎn)望集團(tuán)研制了最高時速可達(dá)90km／h的YW6—120DD大客車。
2001年，科技部啟動電動汽車重大科技專項。7年時間過去了，這個科技專項得到了長足發(fā)展，像汽車關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)與整車技術(shù)都有了空前的進(jìn)步。各種電動汽車通過了認(rèn)證試驗，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化考核階段。我國電動汽車行業(yè)正在向成熟產(chǎn)業(yè)化成長階段靠攏。
2008-2010年期間奧運(yùn)會和世博會對電動汽車需求巨大，因此國內(nèi)加快研發(fā)進(jìn)程，奧運(yùn)會期間就使用了新型鋰離子電池純電動客車，屬于國際電動大客車的先進(jìn)水平。2010年8月，16家中央直屬國有企業(yè)成立聯(lián)盟，共同參與電動汽車的研發(fā)。參與各方分為：整車廠和電動汽車制造廠家：一汽集團(tuán)、東風(fēng)、中國東方電機(jī)集團(tuán)等；電池廠家：中海油集團(tuán)、有色金屬研究院、中國航空工業(yè)集團(tuán)等；電池充電站建設(shè)單位：國家電網(wǎng)、中國南方電網(wǎng)，中石化等。緊接著東風(fēng)汽車公司宣布，將在5年內(nèi)陸續(xù)投入30億元專項資金，用于節(jié)能與新能源汽車的技術(shù)研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
經(jīng)過持續(xù)快速發(fā)展，我國電動汽車逐步累積起自己的研發(fā)能力，整車產(chǎn)品性能得到提升。電動汽車產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)已經(jīng)形成了較為合理的行業(yè)創(chuàng)新布局體系。通過自主創(chuàng)新和圍繞電動汽車、混合動力汽車、清潔燃料汽車等領(lǐng)域進(jìn)行研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)新，取得自主知識產(chǎn)權(quán)的專利和科研成果20多項。幾項關(guān)鍵性的技術(shù)已經(jīng)取得了重大突破，某些方面甚至走在了世界同行的前面，處于國際先進(jìn)水平。如比亞迪自主研發(fā)生產(chǎn)的ET-POWER鐵電池，不會對環(huán)境造成任何危害，可以使用220V民用電源進(jìn)行充電，在專用充電站上僅需15分鐘左右就可充滿電池80％的電量。該電池在使用循環(huán)2000次后，容量仍可維持在80％以上，基本實(shí)現(xiàn)了與整車同壽命。
1.2.3 我國發(fā)展電動汽車具有特殊的意義
雖然我國汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展令世界驚嘆，但是起步晚，沒有經(jīng)驗只能摸著石頭過河，發(fā)達(dá)國家壟斷核心技術(shù)，想要追上發(fā)達(dá)國家特別困難。但是電動汽車是近些年的新興技術(shù)產(chǎn)品，在技術(shù)研發(fā)上我國和發(fā)達(dá)國家基本上同線起跑。這不僅是挑戰(zhàn)，更是百年難得一遇的機(jī)遇，我們必須抓住這次機(jī)會，攻克電動汽車的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，不僅要做大，更要做強(qiáng)，這樣才能擁有主動權(quán)，不依賴外國技術(shù)，形成自己的品牌，在全球汽車行業(yè)中占有重要一席。
另外，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，同時我國也成為了世界上最大的能源消耗國【7】。我國能源匱乏，石油、天然氣人均資源僅為世界平均水平的1／15左右【8】；化石能源的使用使得環(huán)境污染嚴(yán)重，直接影響著生態(tài)平衡和人們的健康。發(fā)展電動汽車實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有效解決環(huán)境問題和能源問題，保證國家能源和環(huán)境安全，對實(shí)施節(jié)能減排與國家能源戰(zhàn)略具有重要意義。
1.3 本論文的主要內(nèi)容
(1)本文介紹了電動汽車的基本結(jié)構(gòu)、不同電力驅(qū)動子系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)形式、電動汽車動力總成。分析了目前用于電動汽車上的動力蓄電池和動力電動機(jī)的各種性能指標(biāo)及其相應(yīng)的管理控制系統(tǒng)。
(2)介紹了電動汽車的主要參數(shù)，對電動汽車各種工況下的受力進(jìn)行了分析，根據(jù)車輛動力學(xué)原理建立了車輛整車動力學(xué)模型。
(3)根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，對電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計提出了合理設(shè)計方案，并對該方案進(jìn)行了分析。依據(jù)車輛的動力學(xué)模型和電動機(jī)功率、傳動比和電池組容量等參數(shù)設(shè)計的原則和方法，對電動汽車動力傳動系統(tǒng)的這些參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模，并對動力傳動系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了合理選型和動力傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行合理的選擇和匹配。
第2章 電動汽車及其相關(guān)技術(shù)
電動汽車的動力傳動系統(tǒng)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的動力傳動系統(tǒng)有很大區(qū)別。電動汽車的動力傳動系統(tǒng)包括蓄電池、動力電機(jī)、變速器等部件，去除了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車中的發(fā)動機(jī)、發(fā)動機(jī)附件，離合器和部分機(jī)械傳動部件。然而，電動汽車高性能的獲得不僅僅是將傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)部件換成現(xiàn)代電動汽車所需的部件，而是要根據(jù)現(xiàn)代電動汽車的特點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計，對電動汽車各部件進(jìn)行合理布置，對動力傳動系統(tǒng)中各個部件進(jìn)行合理選型，并對主要參數(shù)進(jìn)行匹配、優(yōu)化【9】。
2.1 電動汽車的基本結(jié)構(gòu)
電動汽車用電能驅(qū)動，與傳統(tǒng)汽車不同的是它通過柔性的電線傳遞能量，只有部分零部件采用剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車相比，各部件布置起來更加方便多樣，提高了汽車整體的空間使用率。現(xiàn)代電動汽車的基本結(jié)構(gòu)主要有三個子系統(tǒng)組成，即電力驅(qū)動子系統(tǒng)、主能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)【9】。現(xiàn)代電動汽車很多采用交流感應(yīng)電動機(jī)，相應(yīng)電動汽車的典型結(jié)構(gòu)組成如圖2.1所示。
圖2.1 電動汽車的典型結(jié)構(gòu)
附注1：雙實(shí)線表示部件間剛性連接，粗實(shí)線表示部件間柔性電線連接，細(xì)實(shí)線表示部件間信號控制連接，箭頭方向表示部件間電流和控制信號流向。
電子控制器根據(jù)外界輸入的信號發(fā)出指令控制功率轉(zhuǎn)換器。如果同時收到加速與制動信號同時輸入，優(yōu)先響應(yīng)制動信號。功率轉(zhuǎn)換器用來調(diào)節(jié)電動機(jī)和電源之間的電流頻率和幅值。一方面可以把將蓄電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，這樣電動機(jī)就可以工作輸出機(jī)械能，另一方面，發(fā)電機(jī)可以回收減速制動時的能量為蓄電池充電。充電系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)一起可以實(shí)時監(jiān)測并控制蓄電池的使用，確保蓄電池能夠不出問題，還可以保護(hù)蓄電池。輔助動力源為溫度控制單元、動力轉(zhuǎn)向、制動等輔助系統(tǒng)提供能量。
2.2電動汽車電力驅(qū)動子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式
電力驅(qū)動子系統(tǒng)的功能是把蓄電池與車體有效連系起來【10】。電力驅(qū)動子系統(tǒng)像中轉(zhuǎn)站一樣，把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出給車輪驅(qū)動車輛前進(jìn)，可以說是電動汽車的核心系統(tǒng)，所以這個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣幾乎決定了整個汽車的優(yōu)劣。現(xiàn)在比較常規(guī)的幾個電力驅(qū)動子系統(tǒng)有四種布置，如圖2.2所示【11】。
第一種類型如圖(a)所示，與發(fā)動機(jī)前置前驅(qū)的傳統(tǒng)汽車的傳動系統(tǒng)構(gòu)造相似，其組成包括差速器、變速器、離合器和電動機(jī)。
圖2.2 電驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式
第二種類型如圖(b)，(c)所示，電動機(jī)具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較寬的調(diào)速性能，去掉離合器，安裝固定速比的減速器，這樣可減少機(jī)械傳動裝置、減小電動汽車的整備質(zhì)量，增大車內(nèi)空間。這種電動汽車電力驅(qū)動子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由電動機(jī)、固定速比減速器和差速器組成。這些部件有兩種布置形式：第一種形式如圖(b)所示，各部件之間存在中間機(jī)械傳動裝置；第二種形式如圖(c)所示，同傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車發(fā)動機(jī)橫向布置，前置前驅(qū)的布置方式相似，把電動機(jī)、差速器和固定速比減速器這三個部件集成為一個整體，通過兩根半軸直接與驅(qū)動輪相連接，少了一些中間機(jī)械傳動部件，這種結(jié)構(gòu)形式最近幾年在小型電動汽車上應(yīng)用最普遍。
第三種類型如圖(d)，(e)所示，雙電動機(jī)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)電子差速，因為，兩個驅(qū)動輪由各自的電動機(jī)分別驅(qū)動，每個電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過各自的固定速比減速器獨(dú)立的調(diào)節(jié)控制。因此，采用該種結(jié)構(gòu)的電動車輛不存在機(jī)械差速器。同樣這種類型的結(jié)構(gòu)和第二種類型一樣也有兩種布置形式，第二種形式如圖(e)所示，和第一種形式圖(d)差別并不很多，只是第二種形式電動機(jī)直接裝在車輪里面，進(jìn)一步縮短動力從電動機(jī)傳到驅(qū)動車輪的傳遞路徑。另外，為了提供車輪理想的轉(zhuǎn)速，可以在電動機(jī)和驅(qū)動車輪之間裝行星齒輪變速器(固定速比)。它不但能提供大的減速比，而且還能將動力輸入軸和輸出軸布置在一條軸線上[12]。
第四種類型如圖(f)所示，是一種采用輪轂電動機(jī)的電力驅(qū)動子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的電動汽車使用低速外轉(zhuǎn)子電動機(jī)，電動機(jī)的外轉(zhuǎn)子直接安裝在車輪的輪緣上，徹底去掉了減速器、差速器等機(jī)械傳動裝置。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電動汽車的車速控制完全取決于電動汽車的轉(zhuǎn)速控制器。
2.3 電動汽車的動力蓄電池和動力電機(jī)
電動汽車能有效地解決現(xiàn)代社會所面臨嚴(yán)峻的能源問題和環(huán)境問題，實(shí)現(xiàn)人和社會和諧發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。電動汽車是多種技術(shù)的融合體，是現(xiàn)代各種學(xué)科的集中體現(xiàn)。發(fā)展、普及電動汽車必須解決以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：動力蓄電池組及其能量管理系統(tǒng)、電動機(jī)及其控制系統(tǒng)。
2.3.1動力蓄電池組及其管理系統(tǒng)
動力蓄電池組為電動汽車的能量源，是主能源子系統(tǒng)的核心部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到整車性能。因此，電動汽車對車載電源的要求較高，基本要求是：連續(xù)放電率高、自放電率低、充放電性能好；能量密度高、功率密度高、充電時間短；循環(huán)壽命長、使用安全可靠；溫度特性好；一致性好；成本低、免維護(hù)，無污染，可回收性好等。
a、目前電動汽車上常用的幾種動力蓄電池及其特點(diǎn)：
(1)鉛酸蓄電池(Lead-Acid)
經(jīng)過一個多世紀(jì)發(fā)展的鉛酸蓄電池技術(shù)成熟、具有功率密度高、價格便宜、可靠性好，大電流放電性好，原材料豐富及鉛的回收率高等優(yōu)點(diǎn)，在電動汽車發(fā)展早期得到了廣泛應(yīng)用。但是其能量密度小、過充電和過放電性能差、易自放電、壽命短加上鉛對人體有毒等缺點(diǎn)，正逐漸被性能高的蓄電池所取代。
(2)鎳鎘蓄電池(Ni-Cd)
鎳鎘蓄電池是一種堿性蓄電池，其技術(shù)成熟、功率密度高、工作電壓穩(wěn)定、過充電和過放電性能好、充電容易、使用壽命長，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但是其比能量低、價格高、耐溫性差、有記憶性，加上重金屬鎘有劇毒，報廢后對環(huán)境造成污染等缺點(diǎn)，限制了鎳鎘蓄電池的推廣應(yīng)用。
(3)鎳氫蓄電池(Ni-MH)
鎳氫蓄電池和鎳鎘蓄電池一樣是一種堿性蓄電池，但不一樣的是鎳氫蓄電池不存在重金屬的污染，被稱為“綠色蓄電池"。鎳氫蓄電池具有較高的能量密度和功率密度、過放電和過充電性能好、低溫性能好、使用壽命長，并可以實(shí)現(xiàn)快速充電等優(yōu)點(diǎn)【13】。除去其成本較高，不如鎳鎘電池成熟，其它性能均優(yōu)于鎳鎘電池。因其良好的性能對用戶具有很強(qiáng)的吸引力，鎳氫電池正逐步取代鎳鎘電池[91。鎳氫電池的續(xù)駛里程和使用壽命是鉛酸電池的兩倍，其能量密度和峰值功率密度在實(shí)際使用中較高，在目前已經(jīng)上市的混合動力電動車輛中，大多數(shù)都采用鎳氫電池，大有后來者居上的趨勢【14】。
(4)鋰離子蓄電池(Li-Ion)
鋰離子蓄電池和鋰聚合物電池受到美、日、歐等電動汽車研究者的高度重視，其具有能量密度高、充電效率高、工作電壓高、估計剩余電量容易等優(yōu)點(diǎn)。在能量密度、放電率、充放電壽命及密封性等方面均滿足了USABC(美國先進(jìn)電池聯(lián)合體)的中期目標(biāo)，具備優(yōu)良的電動汽車車用電池的性能。但是，鋰離子蓄電池存在快速充、放電性能差、低溫性能差，過充、放電保護(hù)差；初始投入費(fèi)用高，價格高等缺點(diǎn)。
(5)鋅-空氣蓄電池(Zinc—air)
鋅一空氣蓄電池，發(fā)明于1995年已有上百年的歷史。美國及西歐的德國、瑞典、荷蘭等國家均在電動汽車上積極推廣該電池的應(yīng)用。鋅一空氣蓄電池以堿性氫氧化鉀為電解質(zhì)，其具有比能量高、具有大電流持續(xù)放電的能力、自放電效率低、使用性能穩(wěn)定、安全性好、快速的機(jī)械方法充電、不會造成污染環(huán)境，原材料能回收重新利用等優(yōu)點(diǎn)而被看好。缺點(diǎn)是不能利用再生制動回饋能量【9】。另外，其釋放能量的速度緩慢、功率密度低，這些缺點(diǎn)限制了其快速發(fā)展。
表2.1給出了USABC的中期目標(biāo)【15】和常見幾種蓄電池的主要性能指標(biāo)【16】。
表2.1 各種蓄電池的主要性能指標(biāo)
b、能源管理系統(tǒng)
為了避免電池在使用過程中過度充、放電和蓄電池組件之間的電壓不平衡等因素對蓄電池的損害，優(yōu)化使用電池能量，延長電池的使用循環(huán)壽命，必須對蓄電池的電壓、電流和溫度指示等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。蓄電池的能量管理系統(tǒng)實(shí)際上是以微處理器為核心的電子控制單元，其主要功能：(1)利用各種傳感器對使用過程中的蓄電池參數(shù)進(jìn)行檢測。檢測的物理量包括：蓄電池的電壓、電流、溫度，充放電狀態(tài)和放電深度等；(2)根據(jù)傳感器獲得的數(shù)據(jù)估計電池的剩余能量，即估計荷電狀態(tài)SOC值；(3)進(jìn)行充放電的控制，根據(jù)檢測的蓄電池參數(shù)，系統(tǒng)自動控制蓄電池的充放電狀態(tài)，保證蓄電池的正常使用及其性能的穩(wěn)定安全；(4)通過對電池測溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，控制電池的溫度，對電池進(jìn)行熱管理，防止電池溫度過高；(5)根據(jù)電池各種數(shù)據(jù)的采集，能預(yù)測電池的各種性能，出現(xiàn)故障能提前報警；(6)通用整車的通信協(xié)議，信息進(jìn)行共享，將電池的主要信息進(jìn)行實(shí)時顯示等。
2.3.2動力電機(jī)及其控制原理
動力電機(jī)的主要任務(wù)是將儲存在蓄電池中的電能高效率的轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動車輪行駛的機(jī)械能，并能在車輪制動時將制動能回收給蓄電池進(jìn)行充電。動力電機(jī)是電動汽車電力驅(qū)動子系統(tǒng)的核心部件，是電動汽車的動力源。電動汽車在行駛過程中起動、加速和減速等操作頻繁，因此對動力電機(jī)有著很高的要求。電動汽車要求動力電機(jī)具有高轉(zhuǎn)速、高電壓、體積小、質(zhì)量輕；基速時具有較大的起動轉(zhuǎn)矩、較寬的恒功率范圍、較寬的調(diào)速性能；瞬時功率大、加速性好、過載能力強(qiáng)；工作效率高、能耗低、能實(shí)現(xiàn)制動能量的回收；另外，動力電機(jī)還要求具有無驅(qū)動噪聲、良好的環(huán)境適應(yīng)性、耐溫和耐潮性能強(qiáng)、可靠性好、壽命長；結(jié)構(gòu)簡單，使用、維修方便，價格低，適合大批生產(chǎn)等特點(diǎn)。
電動汽車常用的電動機(jī)的基本類型如圖2.3所示。
圖2.3 電動汽車常用電機(jī)類型
(1)直流電動機(jī)
直流電機(jī)是使用最早的一種電動機(jī)，傳統(tǒng)上占據(jù)主導(dǎo)地位，其技術(shù)成熟、速度控制簡單、成本低；啟動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩大，易于快速啟動和停車；調(diào)速范圍廣、方便，易于平滑調(diào)速。但是其笨重，重量和體積較大，可靠性差，需要定期進(jìn)行維護(hù)；由于結(jié)構(gòu)中存在電刷、換向器等磨損使得效率低，高速運(yùn)行時還會產(chǎn)生火花，容易影響車上電子器件，制約了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。
(2)交流感應(yīng)電機(jī)
交流感應(yīng)電機(jī)是目前電動汽車上應(yīng)用較多的電機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、堅固，成本低；免維護(hù)、工作性能穩(wěn)定、可靠性好，使用壽命長：較直流電機(jī)效率高、體積小、質(zhì)量輕；轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲小、轉(zhuǎn)速極限高、響應(yīng)快：設(shè)計和制造工藝成熟。交流感應(yīng)電機(jī)的最大缺點(diǎn)是控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且容易損壞。但是，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和調(diào)速方法的改進(jìn)，交流感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速性有較大的改善，逐漸趕超了直流電機(jī)。該電機(jī)在現(xiàn)代電動汽車上己被廣泛應(yīng)用。
(3)開關(guān)磁阻電機(jī)
開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，使用安全可靠；低速轉(zhuǎn)矩大、起動轉(zhuǎn)矩高、起動電流?。恨D(zhuǎn)子無繞阻、工作效率高、調(diào)頻范圍寬。但是，因為開關(guān)磁阻電機(jī)有嚴(yán)重的轉(zhuǎn)矩脈動，使電機(jī)的振動高和噪聲大、非線性嚴(yán)重[17]，控制器復(fù)雜、價格高。該種電動機(jī)在現(xiàn)代電動汽車上應(yīng)用極少。
(4)永磁電機(jī)
永磁電機(jī)因磁場由永磁材料產(chǎn)生，一般采用電流控制，其體積小、調(diào)頻范圍寬、功率密度和效率高、慣性低、響應(yīng)快等，比較實(shí)用于現(xiàn)代電動汽車，呈現(xiàn)比較廣闊的應(yīng)用前景。但是其價格昂貴，同時大功率的永磁電機(jī)做到體積小、質(zhì)量輕很困難。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展、進(jìn)步，使得成本不斷下降，永磁電機(jī)是最具有前途的電動汽車動力電機(jī)。
表2.2給出了幾種常用驅(qū)動電機(jī)基本特性的對比。
表2.2各種電機(jī)的基本性能
項目
直流電動機(jī)
感應(yīng)電動機(jī)
永磁電動機(jī)
開關(guān)磁阻電動機(jī)
功率密度
低
中
高
較高
過載能力(％)
200
300～500
300
300～500
峰值效率(％)
85～89
94～95
95～97
90
負(fù)荷效率(％)
80～87
90～92
97~85
78～86
功率因數(shù)(％)
82～85
90～93
60～65
恒功率區(qū)
l：5
l：2.25
l：3
轉(zhuǎn)速范圍(r／min)
4000～6000
12000～20000
4000～10000
>15000
可靠性
一般
好
優(yōu)良
好
結(jié)構(gòu)的堅固性
差
好
一般
優(yōu)良
電動機(jī)外形尺寸
大
中
小
小
電動機(jī)質(zhì)量
重
中
輕
輕
控制操作性能
最好
好
好
好
控制器成本
低
高
高
一般
費(fèi)用／軸功率($／kW)
10
8～12
10～15
6～10
2.4 本章小結(jié)
本章重點(diǎn)介紹了電動汽車的基本結(jié)構(gòu)及其布置方式。介紹并分析了不同電力驅(qū)動子系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)形式。詳細(xì)分析了目前用于電動汽車上的各種動力蓄電池和動力電動機(jī)的性能指標(biāo)及其相應(yīng)的管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
第3章 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計及參數(shù)的匹配
電動汽車性能的好壞主要取決于動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的選擇與匹配。通過第二章對一些常見電力驅(qū)動子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的介紹，我們對動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各部件的作用有了一個整體的認(rèn)識。本章為了提高電動汽車的性能就整車動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提出一個新的設(shè)計方案，并對該方案進(jìn)行分析。
3.1 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計
(1)方案設(shè)計
方案設(shè)計所依據(jù)的原則：①保證車輛動力性的前提下，有效降低百公里能耗；②能量利用率達(dá)到最大化；④車輛能達(dá)到設(shè)計目標(biāo)的續(xù)駛里程；④所選各部件及結(jié)構(gòu)設(shè)計能實(shí)現(xiàn)合理布置，實(shí)現(xiàn)輕量化；⑤設(shè)計結(jié)構(gòu)具有安全性和可實(shí)現(xiàn)性。根據(jù)以上原則，本文提出的電動汽車動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4.1所示。
圖3.1 電動汽車動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(2)方案分析
如圖4.1所示，該電動汽車動力傳動系統(tǒng)主要由3個電機(jī)，一個電機(jī)控制器，蓄電池組和變速裝置組成。其中主電機(jī)驅(qū)動前輪運(yùn)動，兩后輪分別裝有一個小型的輪轂電機(jī)，主要是進(jìn)行能量的回收和提供后備功率。車輛在一般工況下運(yùn)行時，由蓄電池向主電機(jī)供電，驅(qū)動前輪使車輛正常運(yùn)行；車輛大負(fù)荷運(yùn)行時，為了保護(hù)主電機(jī)，這時由蓄電池分別向前、后電機(jī)供電，通過電動機(jī)控制器控制3個電機(jī)同時工作向車輛提供所需功率；車輛在制動、下坡等需要減速的工況下工作時，前后電機(jī)均參與能量的回收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)四個車輪同時回收能量。這種結(jié)構(gòu)增加能量回收的同時，提高能量的利用率，有效地增加車輛的續(xù)駛里程。
3.2 電動汽車功率流分析
(1)正常工況
圖3.2 主電動機(jī)驅(qū)動車輛行駛的功率流路徑
車輛在起步、低負(fù)荷、高速行駛、加速行駛及爬坡等一般工況下運(yùn)行時，主電機(jī)能提供車輛行駛過程中所需的全部功率。不會因為過載等因素造成對主電機(jī)的損壞時，這時車輛僅僅通過主電機(jī)提供的動力驅(qū)動車輛。動力傳動系統(tǒng)的能量傳遞線路為蓄電池-電動機(jī)控制器-主電機(jī)-變速器-驅(qū)動橋-前輪，此時動力傳動系統(tǒng)的功率流路徑如圖4.2所示。
(3)制動與下坡減速工況
車輛在制動、下坡等需要減速的工況下工作時，電動機(jī)控制器接到減速指令的同時控制主電機(jī)和輪轂電機(jī)均工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。利用減速制動時的動能進(jìn)行發(fā)電，將產(chǎn)生的電能儲存在蓄電池中，這一過程即是制動減速能量的回收過程。此時三個電機(jī)的作用是將車輛四個輪上的制動減速動能同時回收，增加了能量回收，同時提高了能量的利用率。能量的回收分為兩條路徑，分別為：前輪-驅(qū)動橋-變速器-發(fā)電機(jī)(主電動機(jī))-電機(jī)控制器-蓄電池；后輪-發(fā)電機(jī)(輪轂電機(jī))-電機(jī)控制器-蓄電池。此時功率流的路徑如圖4.4所示。
圖3.3 能量回收的功率流途徑
動力傳動系統(tǒng)是電動汽車的核心系統(tǒng)，其合理的設(shè)計顯得尤為重要?，F(xiàn)有的驅(qū)動方式中，前輪驅(qū)動的效率比后輪驅(qū)動的效率高，雙電機(jī)輪邊驅(qū)動效率比單電機(jī)驅(qū)動的驅(qū)動效率高[19]。本文將前輪驅(qū)動和雙電機(jī)輪邊驅(qū)動有機(jī)結(jié)合，提高驅(qū)動效率的同時提高能量回收率。
3.3 電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計
電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計除了要滿足結(jié)構(gòu)布置方面的要求，更最要的是該系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)計要滿足電動汽車主要性能指標(biāo)的要求。該系統(tǒng)主要參數(shù)包括：電動機(jī)的參數(shù)、蓄電池的參數(shù)、變速器的變速比以及驅(qū)動橋中的最終減速器速比。現(xiàn)階段評價電動車的性能好壞的指標(biāo)，主要有車輛的動力性和續(xù)駛里程。汽車的動力性是指車輛的最高速度、爬坡能力和加速性能。電動汽車的續(xù)駛里程指車載動力能量源兩次能量補(bǔ)給之間，車輛所能達(dá)到的最大行駛里程稱為電動氣車的續(xù)駛里程【12】。
3.3.1 車輛參數(shù)
表3.1 純電動汽車整車參數(shù)表
基本參數(shù)
參數(shù)值
基本參數(shù)
參數(shù)值
整車質(zhì)量m/Kg
1550
主減速器傳動比i0
4.889
滾動阻力系數(shù)f
0.0135
軸距L/mm
2500
機(jī)械效率η
0.86
車輪滾動半徑r/m
0.372
迎風(fēng)阻力系數(shù)CD
0.35
迎風(fēng)面積A/m2
3.17
旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ
1.23
表3.2 純電動汽車性能參數(shù)表
基本性能參數(shù)
參數(shù)值
基本性能參數(shù)
參數(shù)值
最高車速uamax/km/h
≥80
續(xù)駛里程/km
80
最大爬坡度i
0.2
100km/h加速時間/s
≤10
3.3.2 傳動機(jī)構(gòu)布置方案
圖中，1：一擋主動齒輪；3：一擋從動齒輪；2：二擋主動齒輪；4：二擋從動齒輪；5：主減速器主動齒輪；6：主減速器從動齒輪。
I：變速器輸入軸；II：變速器輸出軸；III：主減速器輸出軸，T：同步器。
3.3.3 驅(qū)動電機(jī)匹配
（1）驅(qū)動電機(jī)額定功率
驅(qū)動電機(jī)的額定功率要滿足電動汽車的最高行駛車速，故：
（3.1）
代入數(shù)據(jù)得Pe=13.97KW。
（2）驅(qū)動電機(jī)峰值功率
驅(qū)動電機(jī)峰值功率依據(jù)汽車低速最大爬坡度、百公里加速時間來匹配，當(dāng)汽車以穩(wěn)定車速爬坡時，驅(qū)動電機(jī)輸出的最大功率為：
（3.2）
其中，αmax=arctani=11.31o，ui=20km/h，得P1=20.67KW；
當(dāng)汽車以靜止開始加速度100km/h時，驅(qū)動電機(jī)輸出的最大功率為[5]：
（3.3）
t為10S，得P2=102.46KW。
綜上可得，驅(qū)動電機(jī)的峰值功率Pmax=102.46 KW。
（3）驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩與峰值轉(zhuǎn)矩
（3.4）
取ne=3500r/min，得Te=38.12N·m。
同理，取nmax=5800 r/min，得Tmax=168.71 N·m。
綜上，驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)見下表。
電機(jī)參數(shù)
參數(shù)值
電機(jī)參數(shù)
參數(shù)值
額定功率Pe/KW
13.97
峰值轉(zhuǎn)矩Tmax/ N·m
168.71
峰值功率Pmax/KW
102.46
額定轉(zhuǎn)速ne/r/min
3500
額定轉(zhuǎn)矩Te/ N·m
38.12
峰值轉(zhuǎn)速nmax/r/min
5800
3.3.4 變速器傳動比參數(shù)選擇
（1）一檔傳動比選擇
依據(jù)整車低速爬坡時車輪獲得的驅(qū)動力應(yīng)大于所受到的行駛阻力，可知一檔傳動比的下限為：
（3.5）
得：i1 ≥1.72。
同時，一擋下最大驅(qū)動力不大于地面對驅(qū)動輪的最大附著力，可得一檔傳動比的上限為：
（3.6
根據(jù)一般路面條件，取φ=0.6，得：i1 ≤12.85。
綜上：1.72≤ i1 ≤12.85。
（2）二檔傳動比選擇
電機(jī)最高轉(zhuǎn)速下，對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax產(chǎn)生的最大驅(qū)動力應(yīng)大于最高車速下的行駛阻力，故二擋傳動比i2的下限為：
（3.7）
得：1.02≤ i2。
同時，在10%的滑移率下，i2應(yīng)滿足最高車速的要求：
（3.8）
得：i2 ≤6.72。
綜上：1.02≤ i2 ≤6.72。
由于一般乘用車的imax=12~18[6]，imax=igi0，且為使換擋平順，i1i2≤1.7~1.8,，所以本文選擇i1=3.67，i2=2.45。
3.3.5 變速器齒輪設(shè)計計算
3.3.5.1 一擋齒輪設(shè)計計算
首先選擇材料及確定許用應(yīng)力
齒輪1和齒輪3均選用20CrMnTi，并經(jīng)過表面滲碳、淬火和回火。20CrMnTi的接觸疲勞強(qiáng)度σHlim=1500Mpa，彎曲疲勞強(qiáng)度σFE=850Mpa。因變速器的使用應(yīng)滿足高可靠度的要求，故取安全系數(shù)SH=1.5，SF=2.0[7]。由
（3.9）
得：[σH1]= [σH3]=1000Mpa，[σF1]= [σF3]=425Mpa。
然后按齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計
齒輪按7級精度制造，取載荷系數(shù)K=1.3，齒寬系數(shù)=0.6，齒輪1上的轉(zhuǎn)矩T1=Tmax×η齒輪×η軸承=165352.67N·mm，初選螺旋角β=20o。取z1=19，則z2= z1×i1=69.73，取z2=70，則實(shí)際傳動比=3.69。
因齒形系數(shù)，，則YFa1=2.88，YFa3=2.23，YSa1=1.57，YSa3=1.76。
因，故應(yīng)對齒輪1進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計算。
法向模數(shù)：
（3.10）
求得mn=2.65，取mn=3。
中心距：=147.02mm，取a=150mm。
則：，
齒輪1分度圓直徑=61.91mm，齒寬=37.15mm，
取b3=40mm，b1=45mm。
驗算齒面接觸強(qiáng)度
（3.12）
取ZE=189.8，Zβ=，
則：σH=868.88Mpa<[σH]，安全。
齒輪的圓周速度
，因此選7級精度是合適的。
3.3.5.2 二擋齒輪設(shè)計計算
（1）選擇材料及確定許用應(yīng)力
齒輪2和齒輪4均選用20CrMnTi，并經(jīng)過表面滲碳、淬火和回火。20CrMnTi的接觸疲勞強(qiáng)度σHlim=1500Mpa，彎曲疲勞強(qiáng)度σFE=850Mpa。因變速器的使用應(yīng)滿足高可靠度的要求，故取安全系數(shù)SH=1.5，SF=2.0。同理可得：[σH2]= [σH4]=1000Mpa，[σF2]= [σF4]=425Mpa。
（2）按齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計
齒輪按6級精度制造，取載荷系數(shù)K=1.3，齒寬系數(shù)=0.6，
齒輪2上的轉(zhuǎn)矩T2=Tmax×η齒輪×η軸承=165352.67N·mm，
由a13=a24=145mm，得：z1+z3=z2+z4，且i2=z4z2=2.45；
則z2=26，z4=63，實(shí)際傳動比i2=2.42，，mn=3mm。
=84.72mm，齒寬=50.83mm，
取b4=50mm，b2=55mm。
（3）驗算齒面接觸強(qiáng)度
（3.13）
取ZE=189.8，Zβ=，
則：σH=592.09Mpa<[σH]，安全。
（4）齒輪的圓周速度
，因此選6級精度是合適的。
3.3.6 主減速器齒輪設(shè)計計算
（1）選擇材料及確定許用應(yīng)力
齒輪5和齒輪6均選用20CrMnTi，并經(jīng)過表面滲碳、淬火和回火。20CrMnTi的接觸疲勞強(qiáng)度σHlim=1500Mpa，彎曲疲勞強(qiáng)度σFE=850Mpa。因變速器的使用應(yīng)滿足高可靠度的要求，故取安全系數(shù)SH=1.5，SF=2.0。同理可得：[σH5]= [σH6]=1000Mpa，[σF5]= [σF6]=425Mpa。
（2）按齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計
齒輪按8級精度制造，取載荷系數(shù)K=1.3，齒寬系數(shù)=0.6，齒輪5上的轉(zhuǎn)矩T5=T1×i1×η齒輪×η軸承=596388.72N·mm，初選螺旋角β=20o。取z5=20，則z6= z5×i0=97.78，取z6=98，則實(shí)際傳動比=4.89。
因齒形系數(shù)，，則YFa5=2.78，YFa6=2.23，YSa5=1.59，YSa6=1.83。
因，故應(yīng)對齒輪1進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計算。
法向模數(shù)：
（3.14）
求得mn=3.90，取mn=4。
中心距：=251.15mm，取a=255mm。
則：，
齒輪5分度圓直徑=86.44mm，齒寬=51.86mm，
取b6=55mm，b5=60mm。
（3）驗算齒面接觸強(qiáng)度
（3.15）
取ZE=189.8，Zβ=，
則：σH=974.21Mpa<[σH]，安全。
（4）齒輪的圓周速度
，因此選8級精度是合適的。
3.3.7 各齒輪參數(shù)
變速器各齒輪參數(shù)見下表：
表3.3 變速器各齒輪參數(shù)表
檔位
齒輪
法向模數(shù)/mm
齒寬/mm
中心距/mm
螺旋角
旋向
精度等級
一擋
z1
3
45
145
右
7
z3
40
左
二擋
z2
3
55
145
右
6
z4
50
左
主減速器
z5
4
60
255
左
8
z6
55
右
3.3.8 變速器傳動軸設(shè)計計算
3.3.8.1 輸入軸設(shè)計計算
（1）材料選用及熱處理選擇
輸入軸選用20CrMnTi，并經(jīng)過表面滲碳、淬火和回火。20CrMnTi的強(qiáng)度極限σB=1080Mpa，屈服極限σS=835Mpa。
（2）估算軸的最小直徑
（3.16）
P1=Pmax×η軸承=101.44KW，ne=3500r/min，取C=95，
得：dmin=29.18mm。
考慮到輸入軸最小直徑段需要與電動機(jī)通過C型平鍵連接，對軸的強(qiáng)度有削弱，故=30.64mm。
故選取C型鍵型號為：b×h×L=10×8×36。
輸入軸各段長度的軸徑詳見零件圖。
（3）軸的強(qiáng)度校核
一檔傳動比大，扭矩大，故選用一擋傳動齒輪計算軸的強(qiáng)度。
輸入軸一擋主動齒輪受力圖如下：
Fa
Fr
Ft
A
B
53
204
C
Fa
Fr
FHA
FHB
Ft
FVA
FVB
46.5
圖3.4 輸入軸受力簡圖
輸入軸的轉(zhuǎn)矩T1=162352.67N·mm，則圓周力，徑向力，軸向力。
在垂直面內(nèi)，列力和力矩的平衡方程可得：
（3.17）
求得：FVA=2003.64N ，F(xiàn)VB =107.72N。
同理，在水平面內(nèi)，列力和力矩的平衡方程可得：
（3.18）
求得：FHA=4264.04N ，F(xiàn)HB =978.80N。
垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)的最大應(yīng)力均位于C處，MVmax=92167.40N·mm，MHmax=200653.73N·mm。
則當(dāng)量彎矩Me為：
（3.19）
因輸入軸需要正反運(yùn)轉(zhuǎn)，取α=1，得Memax=260127.34 N·mm。
當(dāng)量應(yīng)力σe為：
（3.20）
求得σe=10.96Mpa<[σ-1b]=90Mpa，故滿足要求。
3.3.8.2 輸出軸設(shè)計計算
（1）材料選用及熱處理選擇
輸入軸選用20CrMnTi，并經(jīng)過表面滲碳、淬火和回火。20CrMnTi的強(qiáng)度極限σB=1080Mpa，屈服極限σS=835Mpa。
（2）估算軸的最小直徑
（3.21）
P2=P1×η軸承×η齒輪=99.42KW，n2==951.09r/min，取C=95，
得：d=44.75mm，取dmin=45mm。
輸出軸各段長度的軸徑詳見零件圖。
（3）軸的強(qiáng)度校核
一擋和主減速器傳動比大，扭矩大，故選用一擋和主減速器傳動齒輪和計算軸的強(qiáng)度。
輸出軸一擋主動齒輪受力圖如下：
Fa5
Fr5
Ft5
D
E
53
153.5
F
Fa5
Fr5
FHD
FHE
Ft5
FVD
FVE
53.5
H
Fa3
Ft3
Fr3
Fa3
Fr3
Ft3
圖3.5 輸出軸受力簡圖
輸入軸的轉(zhuǎn)矩T2=T1×η軸承×η齒輪=596388.72N·mm，則圓周力，徑向力，軸向力。
在垂直面內(nèi)，列力和力矩的平衡方程可得：
（3.22）
求得：FVD=1440.00N ，F(xiàn)VE=1919.42N。
同理，在水平面內(nèi)，列力和力矩的平衡方程可得：
（3.33）
求得：FHD=7222.56N ，F(xiàn)HE =11805.77N。
垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)的最大應(yīng)力均位于F處，MVmax=348580.88N·mm，MHmax=643414.47N·mm。
則當(dāng)量彎矩Me為：
（3.34）
因輸入軸需要正反運(yùn)轉(zhuǎn)，取α=1，得Memax=944018.18 N·mm。
當(dāng)量應(yīng)力σe為：
（3.35）
求得σe=14.62Mpa<[σ-1b]=90Mpa，故滿足要求。
3.3.9 軸承的校核計算
3.3.9.1 輸入軸的軸承校核
輸入軸的軸承型號為：30307，軸承正裝。
（1）計算軸向力
輸入軸A段的軸承A的徑向力，輸入軸B段的軸承B的徑向力，輸入軸的軸向力。
軸承的內(nèi)部軸向力：
（3.36）
取，則。
得，。
又，故軸承A被壓緊，軸承B放松。
則：=2716.08N，，又，，所以：，；，YB=0。
（2）計算當(dāng)量動載荷
當(dāng)量動載荷P：
（3.37）
得：PA=5442.60N，PB=984.71N。
故只需對軸承A進(jìn)行校核。
（3）計算額定動載荷
額定動載荷C：
（3.38）
取fp=1.2，ft=1，Lh=9000h（假設(shè)該車使用10年，每年平均使用300天，每天平均使用3小時），ε=103，則，故滿足要求。
3.3.9.2 輸出軸的軸承校核
輸入軸的軸承型號為：30310，軸承正裝。
（1）計算軸向力
輸入軸D段的軸承D的徑向力，輸入軸B段的軸承B的徑向力，輸入軸的軸向力。
軸承的內(nèi)部軸向力：
（3.39）
取，則。
得，。
又，故軸承D被壓緊，軸承E放松。
則：=10514.45N，，又，，所以：，；，YE=0。
（2）計算當(dāng)量動載荷
當(dāng)量動載荷P：
（3.40）
得：PD=13670.62N，PE=11960.79N。
故只需對軸承D進(jìn)行校核。
（3）計算額定動載荷
額定動載荷C：
（3.41）
取fp=1.2，ft=1，Lh=9000h，ε=，則，故滿足要求。
3.4蓄電池的選擇
電動汽車運(yùn)行過程中所消耗的能量均來自車載動力蓄電池組中儲存的能量，動力電池組的容量決定了車輛續(xù)駛里程的長短。車輛蓄電池組的容量越大，車輛行駛過程中蓄電池釋放的能量越多，車輛的續(xù)駛里程越長。但是，就目前技術(shù)而言大容量的蓄電池需要大的蓄電池體積和大的蓄電池質(zhì)量。大的蓄電池質(zhì)量會增加電動汽車的整車整備質(zhì)量，增加車輛的功率消耗，從而影響整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。另外，大的蓄電池體積給整車的布置也帶來不小的難度。因此，在選擇電動汽車動力蓄電池的時候，要綜合考慮，根據(jù)具體的設(shè)計目標(biāo)要求和實(shí)際情況來選擇，選擇的蓄電池既能滿足設(shè)計目標(biāo)要求，同時又能使蓄電池的質(zhì)量和體積達(dá)到最小。
從設(shè)計目標(biāo)出發(fā)，綜合比較各種電動汽車車用蓄電池的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選擇Ovonic電池公司生產(chǎn)的鎳氫蓄電池為該擬設(shè)計車輛的能量源。
Ovonic電池公司是世界上最重要的鎳氫電池生產(chǎn)公司，其生產(chǎn)的鎳氫電池已在美國、歐洲、亞洲等地區(qū)被廣泛使用，占全世界電動汽車車用鎳氫電池的95％。該廠家生產(chǎn)的鎳氫電池質(zhì)量比能量超過95Wh／kg，體積比能量超過200Wh／L。Hyundai汽車公司的電動汽車使用其鎳氫電池，一次充電行駛里程可達(dá)390km[24]。
本文所選蓄電池參數(shù)如表4.5所示。
表3.4 蓄電池參數(shù)
額定電壓
12V
峰值功率
7.0kW
額定容量(C/3)
90Ah
尺寸
385mm·102mm·168mm
額定能量(C/3)
1100V·Ah
體積
6.1L
所選Ovonic12V的鎳氫蓄電池不同條件下的充放電性能曲線如圖4.10所示
圖3.6(a) 蓄電池室溫放電曲線
圖3.6(b) 蓄電池高溫放電曲線
圖3.6(c) 蓄電池室溫充電曲線
根據(jù)所選電池的模塊數(shù)與車輛續(xù)駛里程之間的關(guān)系式(4.17)和預(yù)設(shè)計車輛的續(xù)駛里程的要求，將不同的行車速度代入式(4.17)，得相應(yīng)的所需電池模塊數(shù)，其關(guān)系曲線如圖3.7。
圖3.7 行駛230km時速度一電池模塊數(shù)曲線
由圖3.7知，車輛以30km／h的平均速度行駛230公里時，所需電池模塊數(shù)為24.09，取整為N=25。
為了保證蓄電池參數(shù)的選擇能與電動機(jī)參數(shù)進(jìn)行很好的匹配，根據(jù)兩者的功率和電壓關(guān)系來驗證所選蓄電池參數(shù)是否合理。
由主電機(jī)的參數(shù)和蓄電池的參數(shù)知，蓄電池組能提供的電壓和功率均大于電動機(jī)所需的電壓和功率。因此，所選蓄電池的參數(shù)合理，提供的電壓和功率能使電動機(jī)正常工作。
動力傳動系統(tǒng)各參數(shù)的選擇都是根據(jù)車輛行駛過程中能量的消耗，在滿足預(yù)設(shè)計車輛的動力性和續(xù)駛里程前提下推導(dǎo)出的。理論上應(yīng)該滿足預(yù)設(shè)計車輛的動力性，續(xù)駛里程的要求。
蓄電池
額定容量
90Ah
額定能量
1100V·Ah
額定電壓
12V
峰值功率
7.0kW
電池組數(shù)目
25
電池組重量
418kg
3.5本章小結(jié)
本章通過對現(xiàn)代電動汽車技術(shù)的研究，對電動汽車動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的設(shè)計，并對該設(shè)計方案進(jìn)行了分析。依據(jù)車輛的動力學(xué)模型和電動機(jī)功率、傳動比和電池組容量等參數(shù)設(shè)計的原則和方法，對電動汽車動力傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模，并對動力傳動系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了合理選型，在滿足設(shè)計目標(biāo)的條件下對主要參數(shù)進(jìn)行合理選擇和匹配。
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