（车辆工程专业论文）新一代电动汽车中电动轮设计方法的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 内燃机汽车百余年的发展历程给人类社会的进步作出了巨大贡献，但却也引起了严 重的环境污染和能源短缺问题，解决这些问题的有效办法是大力发展电动汽车。 无论是混合动力电动汽车、燃料电池汽车还是纯电动汽车，其电驱动系统都是电动 汽车研究的关键技术之一，从减小体积、提高效率等方面来看，电动轮驱动系统比其它 形式的电驱动系统更具有优越性。 我国的电动汽车研究超步较晚，借鉴和剖析国外的先进技术十分必要。虽然近年来 我国在电动汽车的研究上取得了不少成果，但对电动轮驱动系统的研究却为数不多。 本文首先介绍了电动汽车的发展历史，概括了国内外电动汽车的发展现状，充分详 实地研究了国内外关于电动轮的专利和文献资料，对电动轮进行了较为系统的分类和性 能对比，总结出电动轮的设计要求和性能参数，在传统汽车设计的基础上探索了电动轮 的设计方法，给出了电动轮设计的大体步骤。 接着对冷却系统、润滑系统和制动系统等结构设计上的细节进行了具体的电动轮方 案对比，指明了电动轮结构设计中需要注意的问题。 最后，在a d v i s o r 仿真软件的基础上，通过建立电动轮模型、电动汽车模型，对电 动轮电动汽车的动力性进行了仿真计算。采用了基于四自由度汽车模型的仿真软件 a u t o a n a l ，对电动轮前轮驱动、电动轮后轮驱动和电动轮全轮驱动情况下的电动汽车平 顺性做了分析，得出了较为有用的结论。 关键词：电动轮电动汽车设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h eh i s t o r yo fm o r et h a no n eh u n d r e dy e a r st h ev e h i c l e s e q u i p p e dw i t hi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n eh a v em a d eg r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to fh u m a ns o c i e t y ，b u t a r o u s es e r i o u sp r o b l e m ss u c ha se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n ds h o r t a g eo fe n e r g yr e s o u r c e s t h em o s te f f e c t i v ew a yt os o l v et h ep r o b l e m si st od e v o t em a j o re f f o r t st od e v e l o p i n ge l e c t r i c v e h i c l ef e v ) e l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e mi st h ek e yt e c h n o l o g yo fe v d e v e l o p m e n tw h e t h e r f o rh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l eo rb a t t e r ye l e c t r i cv e h i c l e a m o n g v a r i o u se l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e m s ，e l e c t r i cm o t o rw h e e lc o n f i g u r a t i o nh a sm a n ya d v a n t a g e sf r o mt h ev i e w p o i n to fs a v i n gi n s t a l l a t i o ns p a c e a n d i n c r e a s i n ge n e r g ye f f i c i e n c y s i n c et h ee vd e v e l o p m e n ts t a r t e dl a t ei no u rc o u n t r y , i ti sa w f u l l yn e c e s s a r yt ol e a r na n d u s ef o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g i e s a l t h o u g hl o t so fa c h i e v e m e n to ne v d e v e l o p m e n to f o u r c o u n t r yh a sb e e ng a i n e di nr e c e n ty e a r s ，t h es t u d yo np r o p u l s i o ns y s t e mo fe l e c t r i cm o t o r w h e e lh a sb e e nn u m b e r e d i nt h i st h e s i s ，e vd e v e l o p i n gh i s t o r ya n dr e c e n ts t a t u si nh o m ea n da b r o a da r ed e s c r i b e d a f t e rp a t e n t sa n do t h e rl i t e r a t u r e sa b o u te l e c t r i cm o t o rw h e e l sh a v eb e e nc o m p r e h e n s i v e l y r e v i e w e d ，e l e c t r i cw h e e lm o t o r c l a s s i f i c a t i o na n dp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o na r eg i v e n d e s i g n t a r g e t sa n dp e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o n sa r es u m m a r i z e d b a s e d o nt h ed e s i g no fc o n v e n t i o n a l v e h i c l e ，e l e c t r i cm o t o rw h e e ld e s i g nm e t h o dh a sb e e ne x p l o r e dw i t ht h ed e s i g np r o c e d u r e s p r o p o s e d s e c o n d l y , s t r u c t u r ed e s i g nc o m p a r i s o no fe l e c t r i c m o t o rw h e e li ns u c h a s p e c t s a s l u b r i c a t i n g ，c o o l i n ga n db r a k i n gs y s t e m sa r em a d ei nd e t a i l a n dc e r t a i np r o b l e m st h a tn e e d p a y i n g a r e n f i o na r es u g g e s t e d a tl a s t ，t h et r a c t i v ep e r f o r m a n c e so fe vw i t he l e c t r i cm o t o rw h e e la r es i m u l a t e db y m e a n so fs o f t w a r ea d v i s o ra f c e re l e c t r i cm o t o rw h e e lm o d e la n do t h e rv e h i c l em o d e l s e s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r e ，b ym e a n so f s o f t w a r ea u t o a n a lt h er i d ep e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l e s w i t hf r o n tw h e e ld r i v i n g ，r e a l - w h e e ld r i v i n ga n dt o t a lw h e e ld r i v i n ga l er e s p e c t i v e l ys i m u l a t e d a f t e rw h e e lm o d e lo ff o u rd e g r e eo ff r e e d o me s t a b l i s h e d t h e ns o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r e r e s u l t e d i l 华中科技大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：e l e c t r i c m o t o rw h e e l ，e l e c t r i cv e h i c l e ，d e s i g n i r i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：潍垆年r f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：隽名卅 日期：啪降，月夕日 指导教师签名：钿坞 日期： ￥年妒月“日 华中科技大学硕士学位论文 1 引言 1 1 论文背景和意义 1 1 1 论文背景 电动汽车早期的发展是很迅速的。世界上第辆电动汽车诞生于1 8 3 4 年，它比第 一辆内燃机汽车早了半个多世纪。而后，世界上第一辆以可充电电池为动力的电动汽车 于1 8 8 1 年在法国出现”“。电动汽车的早期发展阶段是从1 8 9 5 年到1 9 1 1 年，在这个时 期罪，由于内燃机汽车技术还不够成熟，电动汽车的性价比已经胜过内燃机汽车；丽且蒸 汽汽车在次加水后，其续驶里程也不如电动汽车一次充电后的续驶里程长。因此，在 当时，电动汽车的发展和普及远远快于内燃机汽车和蒸汽汽车，以至于它占据了汽车市 场份额的三分之一，例如，在1 9 0 0 年美国的汽车总保有量中，电动汽车占3 8 ，蒸汽汽 车占4 0 ，内燃机汽车只占2 2 ”1 ，三者基本上形成了三足鼎立的格局。最为可喜的是， 在1 8 9 9 年，电动汽车就以1 0 6 k m h 的速度打破当时汽车最高速度的世界纪录“3 。 然而电动汽车这段发展好景却并不长。1 9 年，流水生产线的出现大大降低了内燃 机汽车的生产成本；此外，大量油田的发现使内燃机的燃油有了保障，这都推动了内燃 机技术的迅速发展，最终使内燃机汽车在性能和价格上超过电动汽车。与此同时，电动 汽车的电池技术却毫无发展，且由于其充电时间长、使用不方便、容量小等缺点，使得 其续驶里程远远不如当时的内燃机汽车。于是，从二十世纪3 0 年代末开始，三足鼎立 的局面逐渐被打破，动力性能较好的内燃机汽车最终完全取代了电动汽车和蒸汽汽车， 在汽车市场内燃机汽车独霸一方的情形下，电动汽车暂时退出了历史舞台。 但是，随着人类环保意识的不断觉醒，电动汽车在二十世纪7 0 年代又发展起来。 二十世纪后半叶，人们经过多年调查研究才知，1 9 4 3 年秋美国洛杉矶市因光化学烟云事 件而造成当地居民患病、植物枯黄的罪魁祸首正是内燃机汽车的尾气“3 。随后，美国各 州陆续制定法规限制内燃机汽车尾气中有害物的排放，与此同时，电动汽车也开始受到 人们的关注。当然，使电动汽车重新回到历史舞台的主要还源于能源问题。1 9 7 3 年和 】9 7 9 年的两次石油危机，使人们清醒地认识到石油作为不可再生能源，最多只能再使用 6 0 1 0 0 年左右，如果长期使用内燃机汽车，不仅会给大气带来严重污染，还会导致石 油资源f | 渐枯竭。从此，在电动汽车取代内燃机汽车呼声越来越高的情形下，电动汽车 又进入一个迅猛发展的阶段。所谓的“新一代电动汽车”指的便是二十世纪7 0 年代以 后的电动汽车，本文后面所提到的电动汽车都是指新一代电动汽车。 但是电动汽车的发展在发达国家并不如人们想象的那样帆风顺。从二十世纪8 0 年代起，随着内燃机技术的迅速发展和尾气处理装置的被使用，内燃机汽车的尾气排放 华中科技大学硕士学位论文 达到了法规的要求，内燃机汽车迅速发展，这在很大程度上遏制了电动汽车发展规模的 壮大。同时，在汽车工业发达国家，内燃机汽车工业已形成了庞大的生产规模，燃油供 给网络已四通八达，非常完善，如果将这些推翻，再去建立电动汽车充电网络，代价是 相当高的。因此，汽车发达国家也始终难以下决心大力发展电动汽车。再者，从电动汽 车自身因素来看，尽管各国都投入了大量资金研制高比功率、高比能量、一次充电续驶 早程长的电动汽车蓄电池，但电动汽车的续驶里程始终不如内燃机汽车长。虽然美国加 利福尼亚州的政府曾规定，从1 9 9 8 年起每年必须销售至少2 的电动汽车，到2 0 0 】年必 须达到5 ，到2 0 0 3 年则上升到l o ，但是鉴于以上一系列原因，这个计划最终还是流 产了。这说明了电动汽车的发展面临着来自内燃机汽车的强大阻力。 但在我国，情况却有所不同。我国的汽车工业起步较晚，改革开放以前由于种种原 因，它基本上没有任何发展。在我国加入世界贸易组织后，为了迅速占领中国市场，国 外的大型汽车公司都纷纷引进其成熟的内燃机汽车，而不引进电动汽车，这是为什么 呢? 首先，他们有领先于我国几十年的内燃机汽车核心技术，为了在最短的时间获得最 大的利润，唯有内燃机汽车最具竞争力；其次，在电动汽车的研究开发上，他们遇到了 很大的困难和阻力。这也从侧面反映出，我国在内燃机汽车方面的落后不是短时间内就 可以赶上的；但在电动汽车的某些方面，我们掌握的技术有的已经达到世界先进水平， 有望进一步赶上著超过发达国家。 虽然电动汽车的商业化还尚待时日，但前期的研究工作却必不可少。正是基于上述 国际、国内的历史大背景，我们选择电动汽车作为研究的平台，以电动汽车上的一个重 要模块电动轮作为本课题的主要研究对象。本课题拟通过对国内外电动汽车的电动 轮进行比较研究，概括出电动轮的设计任务和设计方法，以图抛砖引玉，为今后电动轮 的实物设计提供思路。 1 1 2 工作意义 对电动汽车进行研究是利国利民的工作，有利于保护环境，有利于节约石油，有利 于发展我国的民族汽车工业。 对电动汽车进行研究，有利于环保。目前世界汽车工业可持续发展的重大难题 大气环境污染问题在我国表现得尤为突出。针对我国实际情况，我国政府也制定了汽车 排放的控制目标：现阶段达到欧洲9 0 年代初期水平，到2 0 0 4 年达到欧洲g o 年代中、 后期水平，2 0 0 年实现与国际水平同步。目标与现实尚存距离，这在技术上对我国的汽 车工业构成了一个严峻的挑战，发展电动汽车是直面挑战的有效途径”。据国务院有关 部门估计，2 0 0 3 年中国汽车保有量已经超过了2 0 0 0 万辆，预计将在2 0 0 5 年达到3 3 5 6 万辆，2 0 1 0 年达到5 6 6 9 万辆，2 0 2 0 年将数目惊人，达到1 3 1 0 3 万辆。如果这些汽车都 是内燃机汽车，即便2 0 2 0 年的排放法规规定每辆车的排放量是目前规定量的2 0 ，其总 华中科技大学硕士学位论文 的排污量仍然是增加的，城市环境依然受到严重污染。要真正解决环境污染问题，最终 办法还是减少内燃机汽车的数量，大力推广电动汽车。本文对电动汽车中的重要部件电 动轮进行研究，有助于推动未来电动汽车的普及，为改善环境、使人们免受有害气体的 危害贡献微薄之力。 对电动汽车进行研究，有利于减少石油的消耗。一方面，我国的石油资源不足。据 有关部门和机构的统计和预测，我国2 0 0 3 年己超过同本成为全球第二大能源消耗国， 2 0 0 4 年我国对于石油的总需求量将达到3 亿吨以上，而国内产量只能满足2 亿吨的需求， 剩下的l 亿吨完全需要进口来弥补。国际石油价格变幻莫测，一旦国际石油价格暴涨， 石油短缺的问题在我国将成为非常突出的问题。另一方面，我国的交通能源消费结构不 合理，交通能源消费中高达7 0 来源于石油，而仅有2 5 使用电力，交通系统对石油的 依赖之所以如此强烈，罪魁祸首是内燃机汽车。和环境污染问题类似，尽管内燃机汽车 的单机耗油量不断下降，但是汽车保有量的增长太快，使总的耗油量仍然有增无减。为 了减少对石油的进口，减少外汇开支，保护我国有限的石油资源，必须大力研究和开发 电动汽车，只有用电动汽车逐渐取代内燃机汽车，才能有效的减少石油资源的消耗。 对电动汽车进行研究，还有利于我国汽车工业的崛起。我国加入世界贸易组织后， 承诺到2 0 0 5 年取消汽车进口配额，汽车整车关税将进一步降低。这样，进口汽车势必 会大举入侵中国汽车市场，尚不成熟的民族汽车工业正面临着严峻的威胁。时间是紧迫 的，民族汽车工业落后了几十年，而只有几年的时间国门就要对进口汽车发放通行证了， 要想在几年的时间掌握几十年的技术，是万万做不到的。值得庆幸的是，我们还有自己 的优势，那就是电动汽车。汽车工业发达国家没有将电动汽车真正产业化，原因之一就 是他们不愿将辛辛苦苦建立起来的内燃机汽车王国推翻，而是想尽办法让内燃机汽车苟 延残喘。而我国的汽车工业却没有这样的包袱，正如有人指出的一样，我们还是一张白 纸，通过规划设计，可以绘制宏伟蓝图。我们现在能做的就是抓紧时间在自己的白纸上 绘制电动汽车蓝图，建造电动汽车“大厦”。本文所做的工作是对电动汽车的研究提出 一些设计方法，为电动汽车的研究和开发积累经验，以期为这个“大厦”添砖加瓦。 无论是混合动力电动汽车、燃料电池汽车还是纯电动汽车，其电驱动系统都是电动 汽车研究的关键技术之一，从减小体积、提高效率等方面来看，电动轮驱动系统比其它 形式的电驱动系统更具有优越性。电动轮是电动汽车上相当重要的部分，牵涉到结构、 驱动、控制等诸多方面。本文工作所涉及的对象正是电动汽车上电动轮这个重要模块， 但限于时间和篇幅等因素，我们只能对其中的某些方面进行粗浅的研究，希望文中的某 些想法和创新能为将来的电动汽车整车设计和电动轮实物设计拓展思路。 1 2 电动汽车和电动轮的研究概述 华中科技大学硕士学位论文 1 2 1 国内外电动汽车的研究概述 1 2 1 1 国外电动汽车研究概况 美国是较早开展电动汽车研究的国家之一。二十世纪9 0 年代，美国政府和美国的 三大汽车公司发起了五年电动汽车混合电动汽车研发计划，即p n g v 计划。该计划希望 在混合电动汽车和燃料电池的研究方面取得重大进展，旨在开发新一代汽车并推动美国 汽车的技术革命。2 0 0 2 年9 月美国政府制定了新的国家及私营合作的研究发展项目 f r e e d o m c a r ，从而取代p n g v 计划。新的研究发展计划与p n g v 计划的不同在于，前者集 中于燃料电池汽车的研究，而役有柴油混合动力汽车的研究。除了政府的电动汽车计划 外，美国各大汽车公司也自行研制开发电动汽车。 美国通用汽车公司在1 9 9 6 年推出了以镍氢电池为电源的e v l 纯电动汽车，并实行 了出租计划“1 。但是2 0 0 2 年，它却宣布放弃这项耗资达1 0 亿美元的试验。这个消息给 纯电动汽车的研发带来了巨大的负面影响。图1 1 所示的是e v l 外形图。1 9 9 8 年通用 研制出名为g e n 2 的混台电动汽车样车，2 0 0 0 年又推出了p r e c e p t 双轴可再生制动的混 合电动汽车。雪佛兰s i l v e r a d o ，g m c 和s ie r r a 皮卡混合电动汽车也在研制当中。与此 同时，通用公司宣布将在2 0 1 0 年成为1 0 0 万辆的混合电动汽车的生产企业。 图】1 ：通用e v l 纯电动汽车 图1 - - 2 ：通用a u t o n o m y 燃料电池汽车 图1 3 ：通用t 4 y w i r e 燃料电池汽车 通用汽车公司最看好的是燃料电池汽车。2 0 0 2 年通用推出第一辆全新设计的燃料电 池汽车a u t o n o m y ，如图1 2 所示，氢燃料电池和线控技术被应用到了这款概念车上， 除此之外，模块化设计在这辆电动汽车中也体现得淋漓尽致。随后不久，通用继承了 a u t o n o m y 的优点，又推出了h y w i r e 氢燃料电池汽车，如图l 一3 所示，这是全球第一 4 华中科技大学硕士学位论文 辆可驾驶的线控电动汽车。在燃料电池上通用公司一直坐在世界电动汽车工业上的头把 交椅上，它宣称二十一世纪是“氢能源”的时代、氢燃料电池汽车将成为通用率先实现 商业化并盈利的电动汽车。 二十世纪9 0 年代，美国的福特汽车公司开发出e c o s t a r 电动汽车，该车是采用铺 硫蓄电池的纯电动汽车。2 0 0 0 年，福特推出了r r o d i g y 混合电动概念车；2 0 0 3 年又展 出了e s c a p e 运动型混合电动汽车，这款车将于2 0 0 4 年下半年开始面向零售的生产，2 0 1 0 年将大批量生产。在实施p 2 0 0 0 计划后，福特于2 0 0 0 年开发了p 2 0 0 0 燃料电池汽车， 这是福特第一代燃料电池汽车。2 0 0 2 年福特还推出了f o c u s 氢燃料电池汽车的样车，同 时宣称2 0 0 4 年将小批量生产f o c u s 。 日本电动汽车的研发并不落后于美国，其电动汽车的商业化甚至比美国做得更好。 丰田公司是日本最大的汽车公司，其电动汽车的商业化也处于世界领先地位。1 9 9 5 年，丰田成功开发出实用型混合电动汽车p r i u s 。1 9 9 7 年1 2 月，丰田将p r i u s 推向日 本市场销售，成为世界上第一个批量生产混合电动汽车并使其商业化的汽车公司。作为 混合电动汽车领域的领军企业，丰田的混合电动汽车生产量在全世界所有混合电动汽车 总产量当中约占9 0 ，p r i u s 自上市以来，它的全球累计销量已达1 4 万辆。图1 4 为 丰阳p r i u s 混台电动汽车的外形图。在燃料电池汽车上丰田是紧追美国的，2 0 0 3 年，丰 阳展示了充分显示燃料电池特性和独创精神的新一代电动赛车f i n e s ，该车充分利用了 此前研发的混合动力技术和燃料电池技术，同时在造型上对此前传统的设计理念进行了 挑战性的革新，圈i 5 呈现了该车的风韵。 图l - - 4 ：丰田p r i u s 混合电动汽车 图1 5 ：丰田f i n e s 燃料电池电动赛车 图1 6 ：本田p l u s 纯电动汽车图1 7 ：本田i n s i g h t 混合电动汽车 日本本田汽车公司1 9 9 6 年推出了p l u s 电动汽车，如图1 6 所示。该车使用的是 高能镍氢蓄电池，并于1 9 9 7 年被成功地出租到美国。但由于电池研究及配套的基础设 华中科技大学硕士学位论文 施建设的滞后，目前本田己停止了对纯电动汽车的进一步开发。在混合电动汽车方面， 本阳于1 9 9 9 年推出了i n s i g h t 混合电动汽车，如图l 一7 所示，2 0 0 1 年又推出了c i v i c 混合电动汽车。这两款混合电动汽车也都实现了商业化销售，虽然其销量并没有预期的 那么好，但是它们仍旧成为本田与丰田p r i u s 竞争的主打车型。在燃料电池汽车的开发 上，本田也不甘落后，花巨资开发f c x v 系列燃料电池汽车。2 0 0 1 年2 月，f c x - - v 3 装上了本田自己开发的燃料电池，且其市场适应性得到了试验的证实。 日本日产也是较早进行电动汽车研究的汽车公司，曾研制了单座锂离子电池小型纯 电动汽车。然而日产对燃料电池汽车的研究起步较晚，2 0 0 1 年才与雷诺合作进行燃料电 池汽车的研究。2 0 0 2 年底，该公司宣布，新开发的燃料电池汽车x - t r a i l 将在日本国内 进行公路试验，并于2 0 0 3 年开始限量销售，以追赶丰田和本田。 以上是对美国和日本豹介绍，除了这两个汽车大国在电动汽车上进行了大量研究和 开发外，法国、德国和意大利等欧洲国家为了保护环境、减少石油消耗，也在大力发展 电动汽车。 法国是个缺少石油的国家，但却是电力大国，国内7 5 的电来自核电站，水力发电 也占到了1 5 ，电价比油价低得多，因此法国政府鼓励开发电动汽车以充分利用电力资 源。3 。1 9 9 0 年，法国雪铁龙汽车公司开始发展电动汽车，同年标致j 5 和雪铁龙c 2 5 两 款公用型电动汽车投放市场。1 9 9 5 年又推出标致1 0 6 和i o n 、雪铁龙a x 和c i t e l a 以及 s a x o 等几款电动汽车。此后推出的t u i p 市区型电动汽车进行了出租运营。在燃料电池 汽车上，雪铁龙和雷诺汽车公司合作开发出 ( s a r ad y n a c t i v e 燃料电池电动汽车“3 。 图1 8 ：戴姆勒一克莱斯勒n e c a r 4 燃料电池汽车 德国政府也很重视电动汽车的推广和普及，1 9 9 1 年投入3 0 0 辆电动汽车试运行，鼓 励用户购买电动汽车，还拨款修建欧洲电动汽车试验基地。1 9 9 7 年戴姆勒一克莱斯勒汽 车公司推出了第一辆以甲醇为燃料的燃料电池汽车n e c a r 3 ，之后推出n e c a r 4 ，2 0 0 0 年 又推出了改进后的n e c a r 5 ”1 ，图1 8 所示的是n e c a r 4 的布置形式，燃料电池布置在底 板下甲醇罐在后备箱里。宝马汽车公司1 9 8 9 年推出了第代改装电动汽车e 3 0 e ，两 华中科技大学硕士学位论文 年后又研制出e 3 6 e ，同年设计出全新电动概念汽车e l ，1 9 9 2 年又推出e 2 电动汽车。然 而近几年，宝马公司放弃了对电动汽车的研究，转而进行内燃机替代燃料的研究，着重 丌发氢燃料内燃机汽车。 意大利的菲亚特汽车公司于1 9 9 4 年开发出双座电动汽车z i c ，四年后又推出 s e i e e l t oe le t t r a 电动汽车。目前菲亚特正在开发混合电动汽车和燃料电池汽车“。 除了美国、日本和欧洲的大型汽车生产厂商外，其它汽车公司、研究机构和院校也 非常重视电动汽车的研制和开发。 韩国的现代汽车公司于2 0 0 0 年成立燃料电池开发项目，进入燃料电池汽车领域， 并于同年1 0 月推出其第一辆燃料电池运动型电动汽车，该车使用了压缩氢气做燃料， 最大续驶里程可达4 0 0 k m 。2 0 0 4 年，现代还将展出一款燃料电池驱动的t u s c o n 电动汽 车。 印度在电动汽车的商业化上也发挥了推波助澜的作用，2 0 0 1 年推出的r e v a 纯电动 汽车，已经大批量生产并投放市场。该车最大的优点就是价格相当低，运行成本极具吸 引力，被誉为纯电动汽车领域里的一颗璀璨之星。除此之外，印度也加紧了对氢燃料电 池的研究。 日本的国家环境保护局在第1 3 界国际电动汽车会议期间展出了名为l u c i o l e 的小 型纯电动汽车，该车的两个座位采用前后式的布置格局，使该车宽度仅为1 2 m ”1 。 日本k e i o 大学于2 0 0 1 年在日内瓦展出了一辆名为k a z 的八轮全驱动纯电动汽车， 如图l 一9 所示。该车采用了诸多先进技术，如电动轮驱动系统、前后式悬架系统和部 件内置式车架等。该车还采用锂离子电池提供能量，最高车速达3 l l k m h ”3 。此后，k e i o 大学在k a z 基础上又开发了e l i c a 八轮全驱动纯电动汽车，它即将到意大利进行4 0 0 k m h 的最高车速测试。 图j 一9 ：日本k e i o 大学k a z 八轮全驱动纯电动汽车图l 一1 0 ：m s 小型纯电动汽车 2 0 0 0 年夏，日本的a r a c o 公司开发了一种单座四轮小型纯电动汽车c o m s ，如图 i 一1 0 所示，该车采用高能量密度的可控阀铅酸电池储存能量，用先进的电动轮驱动系 统驱动”。但c o m s 的续驶里程短，只适合作为较小区域内的代步工具。 面对日益恶化的环境问题，为了应对即将到来的能源短缺尤其是石油短缺，世 界各国政府、各大汽车公司、各研究机构和院校都在积极开展电动汽车的研究，目前国 华中科技大学硕士学位论文 外电动汽车研究状况可谓“三足鼎立”，首先是以美国各大汽车公司如通用、福特、克 菜斯勘等为主的以氢为能源的燃料电池汽车阵营，其次是以日本各大汽车公司如丰田、 本同等为首的混合电动汽车一族，最后是以研究机构和院校居多的纯电动汽车派。眼下， 混合电动汽车已经实现了商业化，但它仅仅是内燃机汽车和纯电动汽车之间的过渡车 型，从长远来看，燃料电池汽车和纯电动汽车才是真正零污染的环保汽车。 l ，2 1 2 国内电动汽车研究概况 我国是世界上空气污染较为严重的国家之一，也是石油资源相对短缺的国家之一， 为了保护环境，充分利用水力电力资源，也为了振兴我国的民族汽车工业，我国从中央 到地方，从科研院所到高等院校，都在紧锣密鼓的开展电动汽车的研fr i e d 开发。 “九五”期间，国家重视对电动汽车的研究，设立了“电动汽车概念车及其关键技 术”和“燃料电池电动演示车”等重大科技产业工程项目。1 9 9 8 年6 月，作为“九五” 电动汽车项目重点的“国家电动汽车试验示范区”在广东省汕头市的南澳岛正式开通。 图1 1 1 ：东风电动车辆股份有限公司e 0 7 1 6 0 e v 电动轿车 国家“九五”重点科技攻关项目“e q 6 7 0 0 f c v 燃料电池电动客车”也于2 0 0 1 年初 由东风电动车辆股份有限公司研制完成并试车成功，这是中国第一台燃料电池整车。另 外，该公司还完成了“九五”科技攻关项目“纯电动轿车”的研制，图1 1 l 所示为 该车的外形。 2 0 0 1 年，科技部在“十五”国家8 6 3 计划中，特别设立电动汽车重大专项，投入 8 8 亿元资金，以燃料电池汽车、混合电动汽车和纯电动汽车三种整车的研发和产! 出化 为目标，提出2 0 0 3 年开发出纯电动汽车产品并通过国家汽车产品认证，在2 0 0 4 年实现 示范运营；2 0 0 3 年以前生产出自主产权混合电动汽车产品，并通过产品认证，投放市场； 于2 0 0 5 年研制出满足工业化生产工艺的燃料电池汽车产品技术平台和样车，在2 0 0 8 年 奥运会上建立示范车队投入运行。 2 0 0 3 年夏，8 6 3 计划“燃料电池轿车”项目在上海取得重大进，由上海汽车集团、 i 司济大学等联合研制开发的“超越号”亮相于同济大学校园，这是我国第一辆具有 自主知识产权的燃料电池轿车样车，该车顺利通过了国家科技部的阶段验收。同年底， 华中科技大学，硕士学位论文 同济大学汽车学院研制成功的燃料电池驱动微型汽车“春晖二号”举行了发车仪式，图 l 1 2 显示了“春晖二号”的靓影。据悉，燃料电池轿车第二代样车“超越二号”将在 2 0 0 4 年5 月诞生。 图1 一1 2 ：“春晖二号”燃料电池汽车图1 1 3 ：e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交车 2 0 0 2 年夏，由东风电动车辆股份有限公司承担的8 6 3 计划“e q 7 2 0 0 h e v 混合动力轿 车丌发”项目和“e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交车开发”项目也通过了第一次节点监理 检查。图1 一1 3 所示的是e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交车，该车目前已经在武汉市公交 线路上试运行。与此同时，“十五”国家8 6 3 计划的其它电动汽车项目也都通过了科技 部专项监理单位的第一次节点监理检查。 从“九五”到“十五”，无论是电动汽车关键技术的研制和开发，还是电动汽车的 商业化和普及，国家在财力上都给予了大量的投入，也取得了可喜的成果。除了国家大 力支持电动汽车的发展，各大汽车公司也有自己的电动汽车研发计划。 一汽集团表示将利用自身的汽车生产优势，大力开发生产燃气汽车、混合动力汽车 和电动汽车等“绿色”汽车并准备在长春建设具有国际意义的“绿色”汽车研发和生 产基地。 东风汽车公司也已把开发电动汽车并推动其产业化作为公司的重大发展战略目标之 ， “十五”来期将形成年产2 0 0 0 辆混合动力轿车的产业化生产规模；同时继续研发 燃料电池客车，争取“十五”末期形成批量生产能力。 作为我国三大汽车集团的主力之一上海汽车集团也做出了如下计划：以燃料电 池汽车为开发目标，在5 1 0 年内实现燃料电池汽车的产业化。 另外，其它一些公司也介入了电动汽车发展行业。比亚迪股份公司收购了西安秦川 汽车厂后，投资2 0 亿元人民币，在西安高新技术开发区征地1 5 0 0 亩，投资组建了“比 亚迪电动车有限公司”，计划在十年内将电动汽车产业化。 浙江万向电动汽车开发中心已经完成了三轮纯电动轿车和两轮纯电动大巴车的开 发，进行了两干余公里的路试，主要技术指标基本满足了上路运行的要求，并积累了一 华中科技大学硕士学位论文 定的研究开发和工程经验。 2 0 0 2 年4 月17 日，由澳柯玛投资建设的目前我国最大的电动车生产基地在山东省 沂南建成投产。这一基地的技术开发和产品生产，得到了国家电动车行业协会和清华大 学电动车研究部门的大力支持，其技术水平与国际同类产品基本保持了同步。 东风悦达起亚、山东黑豹集团有限公司、湘潭电机股份有限公司、株洲电力机车研 制所、苏州益高电动车厂等众多企业和研究机构也都在进行电动汽车的研制和开发。 另外，香港大学1 9 9 3 年也研制出u 2 0 0 1 电动汽车，该车的电动机是特殊设计的， 可以在很宽的转速范围内高效率的工作，它还采用了智能能量管理系统，使能量的转化 和传递实现了最优化“，。 尽管我国政府和地方各大企业、机构和高校都热衷于电动汽车的研制和开发，但无 论在技术层面还是政策层面，与国外相比，我们和他们的差距仍然很大。在整车技术上， 国外研制的电动汽车续驶里程比我国长他们的样车一次充电后的最长续驶里程超 过4 0 0 k m ，投入市场的电动汽车次充电至少可行驶2 0 0 k m 以上：而我国的电动汽车只 能持续行驶1 0 0 k m 左右。在燃料电池、电动机和控制技术方面我们虽然取得了显著的进 步，但由于传统汽车工业的落后，在电动汽车底盘、外壳、车内设旎等方面我们也都与 国外存在很大的差距。由此可见，在我国大力发展和推广电动汽车前途虽然是光明的， 但道路却还很漫长。 1 2 。2 国内外电动轮的研究概述 1 2 21 电动轮的定义 图l 一1 4 ：r o b e r t 发明的电动汽车轮毂图1 1 5 ：大型矿用自卸车的电动轮 2 0 世纪5 0 年代初，美国人r o b e r t 发明了电动汽车轮毂，并申请了美国专利“”3 ，如 图l 一1 4 所示，这是一个将电动机、传动系统和制动器融为一体的轮毂装置。直到1 9 6 8 年，这种轮毂刁被通用电器公司应用到大型矿用自卸车上，并被命名为“电动轮”。这 是电动轮结构首次在汽车上被采用“”，图1 1 5 是大型矿用自卸车的电动轮示意图“。 华中科技大学硕士学位论文 在电动轮中，电动机轴与驱动轴相互平行甚至同轴，电动机的转矩由电动机的输出 轴输出后传递到传动系统的输入轴，经过传动系统的减速后，被增大的转矩又传递给轮 辋，从而最终带动轮胎转动驱动汽车行驶。电动轮是一个完整的驱动单元，既可以在车 上维修也可以整体拆换；电动轮还可以在汽车上实现四轮独立驱动，适合用在恶劣路面 上行驶的汽车。 1 9 9 0 年，清华大学申报了半轴结构式高速有刷电动机轮毂的发明专利，成为世界上 最早将电动轮传动结构用在电动自行车上的单位3 。图l 一1 6 ”所示的就是该电动轮的 结构示意图，由于它是用于电动自行车的，因此和矿用车电动轮有所不同，其轮毂内没 有制动器，而多了超越离合器。这种电动轮比矿用车的电动轮要小得多，而且结构也更 加紧凑。 电动轮除了被应用到矿用车和电动自行车上外，这种驱动系统也被应用到了电动汽 车上。1 9 9 1 年的一份日本人在美国申请的专利显示“，电动轮驱动系统同样可以应用到 电动汽车上。图1 1 7 所示的就是这种电动轮的结构图。 l 图1 1 6 ：电动自行车的电动轮毂图l 一1 7 ：新一代电动汽车的电动轮 1 2 2 2 国外电动轮研究概况 同本虽然是汽车强国，但是在国土面积上却是小国，资源的匮乏促使其电动汽车的 发展走在了世界的前面。相应的，在电动轮的研究方面，日本也处于世界领先地位。 1 9 9 6 年，同本国家环境保护局在第1 3 届国际电动汽车会议期间展出了名为l u c i o l e 的小型纯电动汽车，该车在两个后轮各采用一个3 6 k w 的电动轮驱动系统，因此整车总 输出功率为7 2 k w ，转矩为1 5 4 n m ，驱动系统由永磁同步电动机、行星齿轮减速器和领从 蹄鼓式制动器构成，电动机最大转速为8 7 0 0 r p m ，减速比为5 ，图l 1 8 是该电动轮的 外形图。 2 0 0 0 年夏天，日本的a r a c o 公司开发出一种单座四轮小型纯电动汽车c 0 m s ，并 且投放于日本市场，该车的外形如图1 一i o 所示。图1 1 9 所示的是c o m s 电动轮驱动 华中科技大学硕士学位论文 系统单元总成和控制系统单元总成的外形图。图1 - - 2 0 是c o m s 的控制系统和驱动系统 的组成，可以看出c i s 是由一个控制单元和两个驱动单元组成的电动轮式电动汽车“。 图】一2 1 为c o m s 电动轮的剖面图，可见电动轮是由电动机和行星齿轮减速器组成的， 行星齿轮减速器布置在电动机转子内部，这使电动轮的轴向尺寸变得很小。驱动系统的 电动机是内转子型直流无刷电动机，它的外形尺寸较小，直径只有2 6 0 m m ，厚度为1 4 8 m m 。 电动机在最高车速时的最大转速为4 3 0 0 r p m 。鼓式制动器和行星齿轮减速器都安装在轮 毂中，与电动机一起封装成电动轮驱动单元总成。 图1 1 8 ：l u c i o e 电动汽车电动轮实物图1 - - 1 9 ：c o m s 电动轮控制和驱动系统 图1 2 0 ：c o m s 的控制和驱动系统的组成图1 - - 2 1 ：c o m s 电动轮剖面图 日本k e i 0 大学的电动汽车试验室2 0 0 1 年研制了一种新型的八轮全驱动概念电动汽 车“k a z ”，如图1 9 所示。k a z 的外形很特别，长6 7 m ，宽1 9 5 m ，高1 6 8 m ，重3 9 5 0 k g ， 可乘坐8 人；o - - 4 0 0 m 的加速时间为1 5 3 秒，以l o o k m h 的速度行驶时其一次充电续驶 里程为3 0 0 k m ，最高时速达3 1 1 k m ”“。 k a z 和一般的内燃机汽车及电动汽车有很大的区别，首先在于它车身比较长，前后 都有4 个车轮，这种设计思想是把传统汽车上的一个较大的车轮用两个较小的车轮代替， 这既可以降低车辆的底盘和重心，又可以提高汽车的平顺性；其次，采用了前后式的悬 架，这使得该车具有很好的舒适性；最后，为了提供更宽敞的乘坐空间，除了把蓄电池 华中科技大学硕士学位论文 和所有的电器元件都布置在底板以下的车架内，还采用了电动轮驱动系统，把电动机、 减速器、轴承和机械制动器都集成在每一个车轮的轮毂里，图1 - - 2 2 是该电动轮的外形 示意图”。 图1 2 2 ：k a z 电动轮外形图1 - - 2 3 ：k a z 前电动轮图1 2 4 ：i z a 的电动轮 图l 2 3 所示的是k a z 的前电动轮驱动系统结构，所采用的是行星齿轮减速，它和 c o m s 的区别在于减速器不是被安装在转子里面的，而是和转子并排的，行星架输出转矩 带动车轮转动。制动器采用的是盘式结构。k a z 的后电动轮驱动系统结构除了制动器是 采用鼓式结构外，其余部分和前轮结构一样。 k a z 的设计把几乎所有的控制系统和驱动系统都布置在底盘以下，这给车身的设计 带来很大的灵活性，可以在同样一个电动汽车的底盘上按照用户需求设计制造各式各样 的车身，这对适应市场需求是相当有利的。最近k e i o 大学在同样的底盘上开发出e l i c a 电动汽车，它即将到意大利进行测试。当然，如此灵活的设计还得归功于电动轮驱动系 统的采用。总之，电动轮为将来面向市场、面向用户的汽车设计提供了广阔的空间。 1 9 9 7 年，日本开发出一种符合新概念的具有高性能的电动汽车，它被命名为i z a 。 该电动汽车采用电动轮驱动系统，此系统不同于c o m s 的电动轮，也不同于k a z 的电动 轮，它所使用的是直接驱动轮式电动机和控制器，由电动机的外转子直接驱动车轮，没 有减速器，如图1 - - 2 4 所示“。 该电动轮主要包括由稀( 钐钴) 永磁材料构成的外转子磁钢和内定子，转子直接 和轮毂相连驱动车轮转动。电动机驱动控制器包括一个三相逆变器和个以微处理器为 基础的控制器。每个电动轮驱动系统的最大输出功率是2 5 k w