毕业设计-车辆工程新能源汽车动力与驱动系统总体的设计

1、本科专业课程设计题目 新能源汽车动力与驱动系统总体的设计摘要日益严重的环境污染和能源危机对汽车工业的发展提出了极为严峻的挑战。 为了汽车工业的可持续发展，以使用电能的电动机作为驱动设备的电动汽车能真 正实现“零污染”，现已成为各国汽车研发的一个重点。纯电动汽车是指利用动力电池作为储能动力源，通过电池向电机提供电能， 驱动电机运转，从而推动车辆前进。而在电动汽车研究的众多技术选型中，依靠 轮边驱动的电动汽车逐渐成为一种新颖的电动汽车选型方向。本文设计了一种新型双电机独立驱动桥，该方案采用锂离子动力电池作为动 力源，两台永磁直流无刷电机作为驱动装置，依靠两套减速齿轮组分别进行减速， 用短半轴带动车

2、轮旋转。在系统构型设计的基础上，进行了包括电动机、电池在 内的动力系统参数匹配。关键词：纯电动汽车；锂离子；双电机系统AbstractIncreasingly serious environmental pollution and energy crisis put forward on the development of the auto industry is extremely severe challenges. In order to the sustainable development of automobile industry, to use the power of th

3、e motor as driving device of the electric car can truly realize zero pollution, has become a national automobile research and development of a key.So-called pure electric vehicles is the use of power battery as energy storage power source, through the battery power to the motor, drive motor running,

4、 pushing forward vehicle. In the electric car research, technology selection, depending on the round edge drive electric cars gradually become a new direction of the electric car type selection.This paper designs a new type of double motor drive axle independently, the scheme adopts the lithium ion

5、power battery as a power source, two permanent magnet brushless dc motor as drive device, rely on two sets of gear group respectively for slowing down, with a short half shaft drives the wheels. On the basis of the system configuration design, the power system parameters, including electric motors,

6、batteries, matching.Key words：Electric vehicles;Li+;Dual motor system TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 摘要I HYPERLINK l bookmark7 o Current Document AbstractII设计任务III HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 1绪论1 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1.1电动汽车发展背景1 HYPERLINK

7、l bookmark23 o Current Document 1.2电动汽车发展现状与趋势1 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2总体方案设计2 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 2.1电池的选择2 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 2.2电动机性能分析与选择3 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 2.3驱动系统布置形式5 HYPERLINK l bookmark52 o Current Docu

8、ment 3动力系统参数设计9 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 3.1整车参数9 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.2电动机参数匹配与选择9 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 3.3电池参数匹配与选择11 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 3.4电池组数目的确定11 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 3.5减速比的确定12 HYPERLIN

9、K l bookmark120 o Current Document 3.6动力性分析12 HYPERLINK l bookmark132 o Current Document 4相关性能校核14 HYPERLINK l bookmark153 o Current Document 小结15 HYPERLINK l bookmark159 o Current Document 参考文献16设计任务动力和驱动系统总体方案确定。根据课程设计子题目和设计要求，对现有 动力与驱动系统方案进行综合分析比较，并确定最终布置方案，画出布置方案草 图。对动力和驱动系统进行匹配设计。根据设计要求及给定的设计参数

10、，对电 动机、电池、发动机或发电机等关键部件进行比较选型，并计算确定相应的额定 功率、最小工作电压、最大工作电压、动力电池模块的数量及容量。驱动系统中 有传动变速装置的，还需对挡位数、传动比进行选择和计算。相关性能校核。根据所选动力装置的特性，对整车动力性和续驶里程进行 校核计算，画出驱动力-行驶阻力平衡图等动力学特性图。设计说明书撰写。按照毕业设计规范，完成设计说明书的撰写。子题目及设计参数1.纯电动汽车动力与驱动系统总体设计车辆类型设计参数城市客车最高车速（km/h）10080续航里程（km）10090整备质量（kg）（总质量）6680（29 座）3200（14 座）98005100中速客

11、车最高车速（km/h）150120续航里程（km）200150整备质量（kg）13501250SUV轿车最高车速（km/h）180160续航里程（km）250200整备质量（kg）15001400载货汽车最高车速（km/h）8090续航里程（km）120150整备质量（kg）400050002.燃料电池汽车动力与驱动系统总体设计串联混合动力汽车动力与驱动系统总体设计并联混合动力汽车动力与驱动系统总体设计混联混合动力汽车动力与驱动系统总体设计1绪论1.1电动汽车发展背景世界上最早出现的汽车实际上就是电动汽车，比传统内燃机汽车早了整整半 个世纪，只不过那时的蓄电池还是不可充电的。电动汽车是以电池为

12、动力来源的， 相对于传统的内燃机汽车对环境以及噪声污染要小很多，而且还有利于节约燃 油，缓解全球石油危机。而且，电动汽车采取制动时，能量可以实现回收是其最 大的特点。如今，电动汽车大致被划分成：纯电动与混合动力以及燃料电池。在 经济高速发展以及能源问题日益突出的当今社会，电动汽车已不再是一种简单的 交通运输工具，而是一种社会责任与价值理念的产物。同时，电动汽车也是技术 要求较高的科技产品，它代表了全球汽车行业发展的最新科技成果。全世界范围 内的政府机构与企业，在提升电动汽车研发能力方面已经达成共识。在我国电动汽车早期的发展阶段，只有企业自主的研发行为，没有形成市场 合力，再者由于技术限制以及资

13、金问题，使得电动汽车的研发未能持续发展。随 着我国以及国际石油危机的到来，我国也曾出现过电动汽车的研发高潮期，并取 得一些研究成果，但最终还是未能实现量产。二十世纪九十年代我国将电动汽车列出国家科技攻关项目，重点攻关电动汽 车关键技术。然后又将其列入国家重大科技产业工程项目，主要针对电动汽车产 业化的相关技术、试验、法规等内容进行深入研究。1.2电动汽车发展现状与趋势2001年我国将电动汽车列为国家高新技术研究发展计划(863)重大专项项 目之一，以期改善国家能源安全状况和城市污染严重的现状，保证汽车产业乃至 整个国民经济的健康可持续发展。“十五”期间我国“三纵三横”的发展布局， 其中“三纵”

14、是指燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车，“三横”包括动 力蓄电池技术、驱动电机技术、控制系统技术。“十五”期间由整车企业领头， 高校和零部件供应商积极配合，产、学、研相结合，自主研发具有国际先进水平 的纯电动、混合动力、燃料电池汽车，并积极推动电动汽车的商品化、产业化进 程，特别是在纯电动汽车方面的成就尤为令人瞩目，在CAN总线分布式控制、高 压电安全管理单元集成、一体化电动动力总成模块设计等方面都取得了突破性 进展。电动汽车是未来汽车工业实现可持续发展的最好选择，但这种替代的过程必 定是漫长而艰辛的。近期来看，考虑到电池成本、技术可靠性等方面的影响因素， 混合动力汽车是很好的过渡产品，能

15、够同时满足节能环保和消费市场要求：但从 中长期来看，一旦动力电池和相关控制技术取得突破，纯电动车、燃料电池车将 会是实现低能耗、零排放的最优选择。2总体方案设计纯电动汽车的整车动力性、经济性在很大程度上取决于动力系统零部件的选 型和参数匹配。电池和电机是纯电动汽车的关键部件，对于传动系统参数的影响 很大；反过来，传动系统确定以后也会对电池和电机的选择形成边界条件。电机 功率太大会造成效率的损失；电机功率太小会影响车辆爬坡、加速等性能。电池 组太多会造成载荷偏重、布置困难，对能量管理系统要求也会偏高；电池组太小 可能会无法满足电机大功率运行的需求，从而降低车辆性能，电池组长期超负荷 工作也会减少

16、使用寿命。2.1电池的选择电动汽车市场化研究的核心就是其续驶里程，而电动汽车的能源系统是其 续驶里程的重要保证，也是其决定性因素。电动汽车主要的能量来源便是蓄电池， 因而蓄电池是否最优将最终影响到整车的经济性为此，电动汽车的蓄电池应该具 备三个方面的要求：一、在制造方面，要使用寿命尽可能长，成本控制要低。二、 在使用方面，要具有较高的能量与功率密度，充电要尽可能快，放电要深，对工 作环境限制较少（环境温度范围宽）。三、在维护及回收利用方面，要维修方便、 可回收性好。同时，还得考虑到回收与维修成本。蓄电池是电动汽车车的动力来源，是能源系统的根本。因此，其质量的优劣 将会制约电动汽车的性能，进而影

17、响其行车里程。目前，市场上比较常见的、应 用比较广泛的电池为铅-酸（Lead-Acid）蓄电池、镍-氢（Ni-MH）蓄电池以及锂离子 （Li-Ion）蓄电池。本文在查阅相关资料的基础上，对在我国使用较广泛的几种蓄电池其主要性 能指标做了比较整理，具体的如下表2.1所示。表2.1电池性能参数对比电池类别铅酸电池镍氢电池锂离子电池电解质酸性碱性聚合物单位工作电压（V）21.23.6可充电寿命（次）30050050010006001200功率密度（W/L）120480能量密度（Wh/L）60100150200250能量效率（）659065可回收利用率（）979098允许负载高最低低循环寿命（次）40

18、0600800100018002000环境污染污染无污染无污染质量比能量（Wh/kg）3540608090160体积比能量（Wh/L）70200270（1）铅-酸蓄电池铅酸蓄电池由于发展较早，其生产工艺已经相当成熟，产品质量也相对较高。加之铅的分布较广、价格相对低廉，比较经济实用。因此，在电动汽车电池技术相对还不成熟的初始阶段被大量应用，是电动自行车的主要动力源。但随着技术 的革新，铅酸电池各方面的缺点也越来越明显：首先，铅酸蓄电池的质量和体积 较大，使得电动汽车自身质量变大，可利用空间变小，加大了能量的自身损耗； 其次，铅酸蓄电池的利用率受外界影响大，连续工作效率低；再次，铅酸蓄电池 在使用

19、后，受自身条件限制，回收利用难度较大。（2）镍-氢蓄电池镍氢蓄电池具有很高的比能量，这样可以为电动汽车提供充足的动力，用于 满足其多工况的要求。同时，无重度污染，绿色环保也是其一大优势。在使用方 面，镍氢蓄电池使用寿命比其他蓄电池明显长很多，充放电性能也比较突出，发 展前景较大。同时，镍氢蓄电池因为成本较高现阶段大规模生产难度较大，但由 于其在能量和寿命两方面的优势，应该会成为我国今后一段时期开发的主要产 品。目前在我国已经有部分镍氢蓄电池用在微小型车上了。（3）锂离子蓄电池锂离子蓄电池不但具有能量存储量大、质量轻、效率高、功率大等优点，还 具有寿命较长、无污染、对使用环境以及温度范围要求不高

20、。唯一的缺点就是发 热量大，制造成本高，需要在开始阶段高投入。综合上述各种电池的特性，结合本电动汽车的特性，本文选用锂离子电池作 为电动汽车的动力源。2.2电动机性能分析与选择电动汽车电动机主要的作用就是将电能转化成驱动力，给汽车提供动力，同 时又能将驱动力转化成电能，存储在蓄电池中。它是电动汽车的“心脏”，其能 否正常并且有效、稳定的运转是非常重要的。因此，对电动汽车的各项性能来说， 电动机的选择是非常重要的。电动汽车在日常的行驶过程中，会经历各种不确定的工况，这样便会时常产 生快速启动或制动、紧急加速或减速。通常在这些工况下需要不同的转矩和转速， 以及能量的快速回收。为了使电动汽车的各项性

21、能满足要求，作为经常使用的电 动机必须满足以下三点：一、为了使电动汽车具有瞬时加速及持续爬坡能力，就 要求电动机在任何情形下必须能过载。电动机应尽可能满足电动汽车面对各种复 杂工况下的行驶要求，对自身转速有比较宽的调节范围。二、为了减少电动汽车 自身的能量消耗，提高电动机空间布置的可靠性以及安装的方便性，电动汽车电 动机应尽量具有较高的比功率。同时，这样也会使能量回收更加高效、快速。三、 由于电动机的工作环境具有多变性，有时还很恶劣。电动机必须可以抵抗外界十 扰，保证其工作的可靠性。此外，电动机还应满足操作简单、制造与使用成本较 低，适合大规模批量生产等。通过查阅电动汽车的相关配置资料，总结出

22、目前电动汽车上使用比较广泛的 电动机主要有下表中列出的三种。表2.2电机性能参数对比项目直流电动机交流感应电动机永磁电动机转速范围（r/min）300060001200020000400010000功率密度低中高功率因素（）82859093峰值效率（）858994959597符合效率（）808790928597过载能力（）200300500300电动机外形尺寸大中小可靠性一般好优良结构坚固性差好一般控制操作性能最好好好（1）直流电动机直流电动机由于其最早被人们所使用的，因而其制造技术相对较成熟，操作 与控制简单，制造成本也就相对比较低。但由于其质量较大，效率较低，安装也 极不方便。直流电动机的

23、优点集中在使用方便，可调速的区间大等方面。但这些 优点不足以支撑直流电动机在高速、多工况、能量利用率要求较高的电动汽车上 使用。因此，直流电动机现在只能在一些微型以及短距离区间行驶的电动汽车上 使用。（2）交流感应电动机这些年交流感应电动机的使用规模不断扩大，尤其是在电动汽车上。其与直 流电动机相比较最大的优点在于体积与质量都比较小，工作稳定，以及寿命较长。 但其控制系统没有直流电机简单，研发费用高。但随着电子以及电控技术的不断 发展，两者之间的差距会越来越小，交流感应电动机的市场占有率将会进一步提 高，成为今后一段时期内的主导产品。（3）永磁电动机永磁电动机又分为直流和交流，直流的叫无刷电机

24、，交流的叫同步电机。但 它们都是由永磁材料组成磁场，用电流来控制的。其特点主要是转矩比较大，车 速突然变化时电流基本无冲击，当载重量发生变化时其电流变化也是很微弱的。 由于永磁电动机的控制是根据电流的变化完成的，控制比较复杂。因此，控制系 统的精度要求比较高，研发成本也相对较高，价格较贵。但随着控制系统的不断更新，其研发成本就会下降，就会实现规模化生产。随着新型永磁材料和电力电子器件的迅速发展，永磁无刷直流电动机成为近 年来成熟的一种新型电机。无刷直流电动机结构简单、无机械式换向，与其他电 动机相比低速时即可获得恒定的大转矩，转速范围大，高速是可获得恒定的大功 率，这些特性很好的满足了电动汽车

25、低速时要求电机转矩大，高速时要求电机转 速高的特点。针对本文所设计的纯电动SUV，选用永磁无刷直流电机作为汽车的 驱动电机。2.3驱动系统布置形式电驱动系统作为电动汽车最重要的组成部件，其主要功能与一般汽车中动力 机构的功能基本相似，是动力来源。并且将电动汽车的电池组与其他部件紧密的 联系起来，其结构以及性能的优劣都会制约整车的性能。电动汽车的电力驱动系统整体布置方式取决于电动机所采用的驱动方式，不 同的驱动方式就会有不同的布置方式，因而其布置方式有很多种。应用比较广泛 的驱动布置可划分为四种。（1）传统机械驱动系统电动汽车的驱动系统与传统意义上汽车的机械动力系统布置形式基本一致， 包括传统汽

26、车驱动系统的所有传动装置，如离合器、变速器以及差速器等。最大 的变化就是用电动机替换了发动机，保持原有构架基本不变。因此，这种布置方 式的传动装置与传统汽车的传动装置功能基本一样。其中离合器主要作用为：1） 可以实现动力的快速传递，完成电动汽车的起步过程；2）当汽车快速制动时防 止传动系统过载，而达到保护汽车传动系的目的；3）在不需要动力或制动时， 能迅速切断动力机构之间的联系，使得电动汽车在行驶时更加安全。变速器也与 其在传统汽车上的功能基本一样，包含几组减速比各异的齿轮，在形成多种减速 比可供驾驶员选择的同时，还可以实现驱动力的传递。当电动汽车在低档位行驶时，变速器可以提供给整车低转速或大

27、转矩。当电 动汽车在高档行驶时，变速器可以提供给整车高转速或小转矩。差速器的作用主 要是当电动汽车行驶在弯道时，可以保持内车轮与外车轮之间车速的差异性，使 得电动汽车平稳通过弯道。由于这种布置方式中的传动装置较多，能量损耗大， 电动汽车的行驶效率就会下降。因此，这种布置方式只在早期开发中出现过，随 着技术的不断更新，现在已经很少有汽车企业再去开发了。( ) ( )C IIgbdoT() ()M 一电动机，C 离合器，GB一变速器，D一差速器。图2.1传统机械驱动系统机电混合系统这种布置方式是在第一种布置方式的基础上省掉了离合器与变速器。用减速 比保持不变的减速器代替，这样就会使得部件数减少，从

28、而增加整车的可利用空 间。我们在具体研究的时候，就会在很大程度上减轻我们的工作量，而且节省大 量时间。由于这种布置方式在电动汽车快速启动、突然加速或者减速的时候，不 能像传统内燃机汽车那样有变速器可以自由选择变速档位。为了保证电动汽车在 这种工况下正常行驶，这种布置方式的电动机就必须满足在电动汽车启动时能提 供大的转矩和足够大的后备功率。显然，这种布置方式与第一种相比较其传动效率要高很多，但由于其结构还 不够简洁、实用性也较差，因此只在一些换代电动汽车上使用。FG一固定速比减速器图2.2机电混合系统双电机系统这种布置方式比前一种又省掉了差速器，整车质量也减轻了很多，可利用空间进一步增大，这样电

29、动汽车两个驱动轮的动力就可以由装在驱动轴上的两个电 动机独立提供。差速器的功能就由两个直接装在驱动轮上的固定速比减速器来独 立完成，相互之间没有影响。同时动力蓄电池的放置也更加灵活，为了减少机械 传动的能量消耗，以及增加电动汽车整车可利用空间，可将动力蓄电池和两个电 动机放置在同水一平面。图2.3双电机系统（4）轮毂电机系统这种布置方式与前面几种布置方式最大的不同在于两个独立的电动机直接 装在两个驱动车轮上，同时整个动力传递系统没有传统的机械装置，这就使得传 递效率大大提高，空间也得到了最大程度的利用。这种布置方式对电动机的安装 位置有一定的要求，因而电动机的体积应尽可能的小。此外，在这种布置

30、方式下 电动机的转速决定了车轮的转速以及电动汽车的行驶速度，故而在驱动轴上增加 了电动机控制器，这样会使电动机的控制更加精确。由于这种布置形式完全去除 掉了机械驱动系统，这就使得电动汽车驱动效能得到了很大提高，而且机构较简 单，发展前景乐观。图2.4轮毂电机系统上述四种方案各具优缺点，本次设计则采取双电机系统，这种独特的驱动系 统可以有效解决空间布置的难题，适合装备独立悬架的汽车，减少传统汽车的电 动化改型的难度。该系统采用断开式结构，驱动系统则采用双电机相向布置形式， 结构紧凑，在具备双电机独立驱动优点的同时，电机和减速器固定到车架或车身 上，成了簧载质量，避免了轮毂电动机驱动所带来的缺陷，

31、有利于改善车辆的动 力学性能。采用二级减速器，有效减小传动部件尺寸，方便整车布置，同时采用 高速电机，降低了电机的成本和质量，提高了系统的可靠性。在减速器中加入防 滑装置，提高车辆在复杂路面的通过性，减少双电机协调控制的复杂程度，容易 扩展为四轮驱动，充分发挥车轮的路面附着能力。3动力系统参数设计3.1整车参数纯电动SUV整车参数如表3.1所示。表3.1整车参数表参数数值整备质量m/kg1400车轮滚动半径r/m0.283风阻系数cd0.33滚动阻力系数/0.015旋转质量换算系数61.03迎风面积A/m21.95传动系统机械效率n0.9412电动机及其控制器效率n0.90蓄电池的平均放电效率

32、n d0.95最高时速km/h160续航km2003.2电动机参数匹配与选择（1）根据最高车速计算电动机最大功率电动机的功率大小决定了电动汽车的最高车速，首先根据前文设定的最高车 速来初步决定电动机功率。根据汽车行驶功率平衡方程，电动机以最高车速行驶 消耗的功率为（忽略加速阻力功率和坡度阻力功率）P = ”gf U + CDA U3eu 3600 max 76140 max式中 M整车整备质量（kg）；Ua最高行驶车速（km/h）；A一迎风面积（m2）；f滚动阻力系数；CD一迎风阻力系数。（2）根据汽车爬坡度确定电动机最大功率同理，再利用汽车行驶功率平衡方程计算最大爬坡度行驶功率时忽略加速阻

33、力功率和空气阻力功率。p = Mf u + 盘 ue 3600 a 3600 a式中 ua电动SUV行驶速度（km/h）；i一坡度（%）。（3）根据电动SUV加速性能确定电动机最大功率在计算加速行驶功率时忽略坡度阻力功率。p = Mg u + CDA u +，M 火 uei 3600 a 76140 a 3600 dt a式中6一汽车旋转质量换算系数;R一车轮半径（m）o综合以上各式，取计算结果最大的电动机功率作为电动汽车电动机的额定功P P =ermax Peu, P, p门t电动机最大功率为Pemax =人 Pe式中 nt机械传动系统效率；入一电动机过载系数。将各数值带入以上各式，并结合实

34、际条件，本文最终所选电机额定功率均为 25kw,最大功率为45kw。电动机的最大转矩为9550P9550Pmaxmax结合电动机技术参数并考虑最高车速对应的电动机转速气吟为其最高转速 气欣的90%95%。初步确定电动机的基本技术指标，如表3.2所示。顺表3.2电动机的基本技术指标最大转矩（Nm）150额定转矩（Nm）80峰值功率（kW）40额定功率（kW）20最高转速（rpm）6995额定转速（rpm）2800图3. 1中横坐标是电机转速，纵坐标是电机最大输出转矩。可见，在额定转速以前，电机可以保持恒转矩输出；在额定转速以后，电机最大可输出转矩持续下滑。3.3电池参数匹配与选择在对蓄电池参数进

35、行选择是主要考虑电动汽车电机的最大消耗功率和电动 汽车续航里程的设计要求。本文所选电池为锂离子电池，其单体额定电压为12V，单个蓄电池的容量 为100Ah。3.4电池组数目的确定（1）由电动机最大功率确定电池组数目电动SUV运行过程中，由蓄电池向电动机提供充足的电能，电动机才能正 常的工作。因此，蓄电池可提供的功率必须大于或等于电动机运行时消耗的最大 功率，单个电池的最大功率为PhPhb max2 E 29Rint式中E0单体电池电动势（V）Rint等效内阻（Q）。所以电池组的数目PPPPb max UNg max式中 n ec电动机控制器的工作效率；n ：电动机最大功率运行时的工作效率；N单

36、个蓄电池组所包含的的电池的数目。（2）由电动SUV续驶里程确定电池组数目蓄电池所携带的能量应保证电动汽车能够满足其续驶里程的要求。所以电池组的数目为组的数目为1000LWCVtN式中W电动SUV运行1km所消耗的电池能量（Wh/km）；L电动汽车所设定续驶里程（km）；V一单个电池的电压（V）； TC一单个电池的电容量（Ah）。 T由以上计算的电池组数目中选择较大的为电池组数目，n=16。电动汽车电动机的动力都是有动力蓄电池提供的，它们之间参数的匹配是否 合理尤为重要。因此，在蓄电池的参数确定后，还要对比电动机的参数，主要对 比的参数为功率与电压。表3.3蓄电池基本参数电池组数目16额定电压（V）12额定容量（Ah）100最大电流（A）250对比电动机的主要参数与动力蓄电池的的主要参数，可以得出动力蓄电池所 提供的的工作电压与功率（额定功率与最大功率）都能使电动机正常运转。由此 可知，本文所选电动汽车动力蓄电池参数合理、有效。3.5减速比的确定由公式V = 0.377max!得 maxii = 0.377 卜=0.3776500 X 0.283 = 4.33v max160电机最大转矩还要满足地面附着条件的要求，即T 妙=1400X*X竺X0.283 = 285.