裝配圖純電動客車的動力系統(tǒng)參數(shù)

裝配圖純電動客車的動力系統(tǒng)參數(shù),裝配,電動,客車,動力,系統(tǒng),參數(shù) 2015屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 由于環(huán)境污染、能源匱乏等問題日益嚴重，電動汽車成為汽車行業(yè)研究的熱點。純電動汽車動力傳動系部件參數(shù)的合理匹配，對電動汽車的動力性和經(jīng)濟性等有顯著的影響。本文以某輕型純電動客車為研究的對象，主要介紹了電動汽車動力傳動系統(tǒng)相關(guān)理論匹配的方法，動力傳動系統(tǒng)主要部件的性能要求，以及影響整車性能的因素分析等。根據(jù)整車的性能要求及部件的選型原則，對該純電動客車的動力系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)計計算，實現(xiàn)傳動系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配。最后利用MATLAB軟件對所選的一些參數(shù)進行驗算，檢驗參數(shù)是否滿足整車的性能要求。 關(guān)鍵詞：純電動客車；動力傳動系統(tǒng)；參數(shù)匹配；動力性；經(jīng)濟性  Abstract Due to environmental pollution, energy shortages and other problems have become increasingly serious,the electric vehicle has become the hot spot .The reasonable matching of the parameters of the power transmission parts has a significant effect on the dynamic and the economy of the electric vehicle.Taking a light electric buses as the object in this article. It introduces the theory of electric vehicle power train matching method performance .It also describes the performance requirements of major power train components.It also analyzes the factors that affect vehicle performance analysis, etc.According to the vehicle performance requirements and components selection principle, the power system parameters of the pure electric bus are designed and calculated, and the parameters of the transmission system are reasonably matched.Finally,the MATLAB software is used to test the performance of the vehicle. Keywords: pure electric bus；power system；parameter matching；dynamic；economy 目錄 第一章 緒論 1 1.1 課題研究的背景 1 1.2 課題研究的意義 1 1.3 汽車動力傳動系統(tǒng)匹配方法現(xiàn)狀研究 2 1.4 本論文研究的主要內(nèi)容 4 第二章 電動汽車的基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù) 5 2.1 電動汽車的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 5 2.2 電動汽車的關(guān)鍵技術(shù) 6 2.2.1 電機及其控制技術(shù) 6 2.2.2 電池及其充電技術(shù) 7 2.2.3 能量管理技術(shù) 8 2.3 本章小結(jié) 9 第三章 純電動汽車動力傳動系統(tǒng)與整車參數(shù)性能的相關(guān)介紹 10 3.1電動汽車動力傳動系統(tǒng)的布置 10 3.2 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的匹配方法 12 3.3 某輕型純電動客車的整車參數(shù) 14 3.4某輕型純電動客車的性能目標 14 3.4.1電動汽車的性能評價指標 15 3.4.2 某型純電動客車的性能要求 15 3.5 本章小結(jié) 16 第四章 純電動客車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)的匹配 17 4.1 電動汽車上常用電機的介紹 17 4.2 電機的參數(shù)計算與選型 19 4.2.1 電機額定功率、峰值功率的匹配 19 4.2.2 電機最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的確定 22 4.2.3電機額定轉(zhuǎn)矩與最高轉(zhuǎn)矩的確定 23 4.3傳動系統(tǒng)的匹配 25 4.3.1傳動系統(tǒng)參數(shù)對整車性能的影響 26 4.3.2 純電動客車傳動系參數(shù)的選擇 27 4.4動力電池的選型 28 4.5動力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果 32 4.6 匹配結(jié)果驗算 33 4.6.1最高車速的驗算 33 4.6.2最大爬坡度的驗算 34 4.6.3加速性能的驗算 35 4.6.4 續(xù)駛里程的驗算 36 4.7 與電動車相關(guān)的國家政策分析 36 4.8 本章小結(jié) 37 第五章 全文總結(jié)與展望 38 5.1 全文總結(jié) 38 5.2 展望 38 致 謝 40 參考文獻 41 附錄 43 第一章 緒論 1.1 課題研究的背景 在18世紀80年代，第一輛內(nèi)燃機汽車在德國誕生，它的發(fā)明人叫做Karl Friedrich Benz。自那時候開始，汽車行業(yè)就像火箭一樣快速的發(fā)展壯大。汽車以絕對的優(yōu)勢占據(jù)了生活中交通工具的主流。汽車行業(yè)的崛起，對整個國民經(jīng)濟的促進作用非常大。在某種意義上來說，汽車的誕生使整個世界換了一個全新的面貌[1]。 然而，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)汽車也帶來了一系列的弊端。經(jīng)過分析大量的資料發(fā)現(xiàn)，以內(nèi)燃機為動力的汽車工業(yè)受到的挑戰(zhàn)主要包括能源和環(huán)境這兩方面。 面對這些能源和環(huán)境的嚴峻挑戰(zhàn)，各國政府均投入了大量的物力、財力研究新能源汽車，改變傳統(tǒng)汽車的發(fā)展模式。實現(xiàn)交通行業(yè)能源的轉(zhuǎn)型，已經(jīng)成為傳統(tǒng)汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要手段。電動汽車由于具有較大的節(jié)能環(huán)保潛力并且更易于產(chǎn)業(yè)化，故而受到了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。從這個趨勢來看，電動汽車將會逐漸的取代傳統(tǒng)燃油車成為社會上人們出行的主要交通工具之一。當(dāng)然這并不僅僅是因為電動汽車對環(huán)境無污染、操縱簡單、噪聲也小，更突出的一點就是電動汽車代表了一種新的生活方式，也貫徹了可持續(xù)發(fā)展的理念。各國政府及汽車企業(yè)均已將電動汽車產(chǎn)業(yè)化作為其近期的發(fā)展方向，這同時也對電動汽車的技術(shù)水平以及整車性能的提高提出了更為迫切的實際需要。 1.2 課題研究的意義 大力發(fā)展純電動汽車的發(fā)展，可以有效地改善傳統(tǒng)內(nèi)燃機所帶來的環(huán)境污染，也可以緩解能源短缺所帶來的壓力?？梢灶A(yù)見電動汽車會將汽車這個行業(yè)帶向另一個新的高度。電動汽車涉及的學(xué)科領(lǐng)域很多，是比較繁瑣的一項系統(tǒng)化工程。目前因有些技術(shù)方面的難題還沒有解決，限制了純電動汽車的快速發(fā)展。對于純電動汽車來說，電池技術(shù)方面的難題可以說是致命傷。電池技術(shù)上的難題主要包括無法完全滿足汽車行駛的需求，另外也存在電池的重量大、體積大、費用高的問題。在電池技術(shù)難題沒有被攻克下來時，可以尋找另一個突破口——對純電動汽車的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進行合理匹配[2]。動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理與否直接影響到整車性能指標（爬坡能力、最高車速、加速能力和續(xù)駛里程）的高低。所以要想使純電動汽車的實用性提高，更好的滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨?，必須要解決的一個問題就是動力傳動系統(tǒng)參數(shù)合理匹配的問題。 1.3 汽車動力傳動系統(tǒng)匹配方法現(xiàn)狀研究 在傳統(tǒng)汽車行業(yè)的不斷發(fā)展中，車輛的在動力性和經(jīng)濟性方面的性能都有非常明顯的提高。之所以能有這樣的局面是因為許多工程人員都在車輛的動力傳動系統(tǒng)的匹配方面做了大量的努力。在當(dāng)時技術(shù)手段和工具等條件有限的情況下，匹配動力傳動系統(tǒng)主要就是通過定性定量的分析和計算、經(jīng)驗數(shù)據(jù)和經(jīng)過許多的測試數(shù)據(jù)來設(shè)計匹配。具體步驟包括[3]： （1）對設(shè)計開發(fā)的同款車型進行一定的市場調(diào)查； （2）對市場調(diào)差的結(jié)果進行分析，提煉對設(shè)計匹配有用的信息； （3）參考之前已有的車型，結(jié)合工程經(jīng)驗，構(gòu)思可行的方案； （4）試制樣車并進行一定的檢查和試驗； （5）根據(jù)實驗的結(jié)果對樣車進行合理的修改； （6）敲定一個最佳的設(shè)計方案。 這種方法有許多弊端，比如設(shè)計的質(zhì)量不高、研制的周期長等。但是隨著隨著計算機應(yīng)用的越來越廣泛和現(xiàn)代計算方法迅速的發(fā)展，計算機仿真模擬與性能計算的技術(shù)在車輛的設(shè)計過程占據(jù)了無比重要的位置[4]。在車輛的研發(fā)設(shè)計中，通過計算機仿真模擬和性能計算的技術(shù)手段，以車輛各部件系統(tǒng)的一些特性為基礎(chǔ)，對動力傳動系統(tǒng)各參數(shù)進行初步的選擇，再通過仿真和試驗的方法對車輛的整車性能進行評價，最后可以將參數(shù)實行優(yōu)化組合，選擇最佳的設(shè)計參數(shù)，使整車的各性能達到最優(yōu)化。利用這種技術(shù)手段就可以很方便的做出最佳方案，也大大提高了設(shè)計質(zhì)量，縮減了開發(fā)新產(chǎn)品的周期。 1.3.1國外研究現(xiàn)狀 國外最早利用計算機對車輛動力性與經(jīng)濟性進行研究，也取得了非常大的研究成效。許多企業(yè)見證了計算機對車輛匹配過程的優(yōu)越性之后，對匹配計算的軟件進行了大力開發(fā)。 在1972年，一種名為GPSIM的軟件被美國的通用公司開發(fā)出來。這款軟件可以模擬出汽車在所有行駛工況下的累積油耗、瞬時油耗、行駛時間和距離，并預(yù)測汽車的一些設(shè)計參數(shù)譬如傳動系速比、重量、空氣阻力系數(shù)等的變化對整車性能的影響[5]。其他后續(xù)被其他公司開發(fā)出來的比較有名的一些仿真軟件有AVL-Cruise、GT-Driver、Advisor、Past等。 根據(jù)相關(guān)資料的搜集可以發(fā)現(xiàn)，國外利用模擬計算軟件對車輛動力傳動系統(tǒng)的匹配和優(yōu)化設(shè)計，主要體現(xiàn)在下列這些方面[6]： (l)研究設(shè)計不同的變速器對汽車性能的影響，通過減小傳動比來提高車輛的經(jīng)濟性，但是這樣會降低車輛的動力性； (2)研究增加變速器檔位、優(yōu)化變速器傳動比分配對汽車性能的影響，設(shè)計具有更多檔位的變速器，使動力能在傳遞過程更加平穩(wěn)、順暢； (3)改變汽車的布置、結(jié)構(gòu)、尺寸，采用新型的材料，改造各總成部件以減少汽車整備質(zhì)量，使得汽車的動力性和經(jīng)濟性得以提高。 1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國的汽車技術(shù)相對國外而言是比較晚的，對于利用計算機性能模擬軟件對車輛動力傳動系統(tǒng)進行匹配優(yōu)化的研究也是從80年代后期才開始[7]。研究之后也取得了一些可喜的成果： 1983年，長春汽車研究所開發(fā)的汽車動力性和燃料經(jīng)濟性通用模擬程序。這種程序能夠在排除如天氣、司機狀態(tài)影響等外界因素的影響下發(fā)現(xiàn)對汽車的性能能產(chǎn)生影響的參數(shù)[8]。 1990年，清華大學(xué)提出動力性、燃料經(jīng)濟性的計算機模擬的方法。這種方法參考了國外的許多經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，簡單合理地演示了汽車動力傳動系統(tǒng)的基本運行過程[9]。 李偉華用驅(qū)動特性的實際數(shù)據(jù)和理想數(shù)據(jù)，并利用權(quán)重法和價值評價方法來評價動力性和經(jīng)濟性[10]。 最近幾年，國內(nèi)通過一些仿真模擬軟件對車輛動力傳動系統(tǒng)方面的研究工作主要包括四個方面，如圖1.1所示。 圖1.1 對車輛動力傳動系統(tǒng)方面的研究工作 純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配，是在傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上建立的動力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進而對動力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化匹配。純電動汽車的匹配研究技術(shù)在國外的一些公司非常成熟。甚至開發(fā)的部分純電動汽車的整體性能遠遠超于傳統(tǒng)燃油汽車。純電動汽車的動力傳動系統(tǒng)的匹配過程與傳統(tǒng)車很相似，主要內(nèi)容就是通過分析純電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)對整車性能的影響，選擇與傳動系統(tǒng)能夠合理匹配的電機，并且深入研究如何選擇傳動系統(tǒng)的傳動比。 1.4 本論文研究的主要內(nèi)容 本論文的課題是在某公司某輕型純電動客車研發(fā)項目的基礎(chǔ)上提出來的，研究的主要內(nèi)容則包含以下幾項： （1）介紹純電動汽車的基本結(jié)構(gòu)與一些關(guān)鍵技術(shù)； （2）分析電動汽車傳動系統(tǒng)的布置方式； （3）對整車的性能目標進行解讀； （4）對電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的原則和方法進行分析和探討； （5）根據(jù)整車性能參數(shù)對其動力系統(tǒng)進行合理的參數(shù)匹配； （6）對匹配后的參數(shù)進行驗證，判斷是否滿足整車性能目標； （7）分析相關(guān)國家補貼政策，判斷整車是否滿足國家補貼政策。  第二章 電動汽車的基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù) 2.1 電動汽車的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 電動汽車與傳統(tǒng)汽車在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別并不在于車體和車架的設(shè)計上面，主要區(qū)別在于電動汽車在結(jié)構(gòu)布置方面非常的靈活。電動汽車是以柔性電線為傳輸載體將從蓄電池傳出的能量傳送給驅(qū)動電機。所以電動汽車就會比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的靈活性要強很多（傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車以萬向節(jié)或聯(lián)軸器等傳輸動力）。同時在選擇電動客車驅(qū)動系統(tǒng)的布置方案時也可以更加的靈活，舉個例子來說，完全可以采用輪轂電機的四輪獨立驅(qū)動方案來代替以前的布置方案，這樣做的話就可以使汽車的內(nèi)部空間變的非常大。從上述方面來看，純電動客車在結(jié)構(gòu)布置方面比傳統(tǒng)汽車要更具有優(yōu)勢。 電動汽車系統(tǒng)一般由電力驅(qū)動、主能源管理以及輔助控制這三個子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2.1所示。其中，電力驅(qū)動子系統(tǒng)主要是由電機控制系統(tǒng)、電動機、驅(qū)動車輪和機械傳動系統(tǒng)組成。主能源管理子系統(tǒng)則主要由主電源和EMS (即能源管理系統(tǒng)）和充電系統(tǒng)三部分組成，并且可以監(jiān)控利用能源、也可以實現(xiàn)能源再生以及協(xié)調(diào)控制等各項功能[11]。輔助控制子系統(tǒng)（又稱為整車控制器）具有控制溫度和輔助提供動力等功能，其主要工作流程是先收集踏板信號和其它信號，再分析信號中包含的信息并迅速做出一系列的決策，最終向下級各部分發(fā)出一系列的指令且使其執(zhí)行。還有一點就是在汽車正常行駛的條件下可以有效的提高能量使用率。當(dāng)電動汽車制動時，再生制動的動能轉(zhuǎn)換成電能儲存在電池中，在這個時候功率流的方向會變成相反的。能量管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)共同作用控制再生制動及能量的回收，能量管理系統(tǒng)和充電器則是共同控制充電并監(jiān)測電源的實時使用狀況。輔助動力供給系統(tǒng)向輔助系統(tǒng)提供相應(yīng)的電壓而且還要提供必要的動力，主要是給動力轉(zhuǎn)向、空調(diào)、制動和其他輔助裝置提供動力。 圖2.1 純電動客車基本結(jié)構(gòu)示意圖 2.2 電動汽車的關(guān)鍵技術(shù) 電動汽車屬于一種新型產(chǎn)品，它涉及的領(lǐng)域非常多，包括計算機、能源與新材料、電力電子等領(lǐng)域。它的關(guān)鍵技術(shù)主要有能量管理方面的技術(shù)、電機及控制的技術(shù)、電池技術(shù)、電池充電技術(shù)、車身和底盤技術(shù)。汽車的車身和底盤技術(shù)已經(jīng)非常成熟，故限制電動汽車發(fā)展和普及的關(guān)鍵技術(shù)主要是不太成熟的技術(shù)，包括電機及其控制技術(shù)、電池技術(shù)、電池充電技術(shù)和能量管理技術(shù)。 2.2.1 電機及其控制技術(shù) 1）電機的性能要求 電動汽車上使用的電機不同于工業(yè)上用的電機。原因在于后者所用的電機一般要求能在額定條件下長時間工作，而前者則需要電機能夠頻繁的加速/減速、啟動/停車，低速或爬坡時要求較高的轉(zhuǎn)矩；車輛在高速行駛條件下要求較低轉(zhuǎn)矩，同時保證變速的范圍較大。驅(qū)動電機為純電動客車提供源源不斷的動力，其性能對整車性能非常重要。因此，純電動客車對電機的性能提出了一些要求： （1）較強的過載能力。要想車輛具有良好的動力性，電機就要有強大的功率、轉(zhuǎn)矩過載的能力。峰值轉(zhuǎn)矩在平常條件下會達到額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上，峰值功率一般是額定功率的1.5倍以上，并要求在峰值狀態(tài)的時間不少于5分鐘。 （2）較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。通常是用低速恒轉(zhuǎn)矩和高速恒轉(zhuǎn)矩的控制手段，要求轉(zhuǎn)矩能夠很快的響應(yīng)、波動不能過大、良好的穩(wěn)定性。 （3）調(diào)速范圍寬。需要電機能在比較大的范圍內(nèi)調(diào)速，能夠在四象限內(nèi)正常工作。 （4）高效工作區(qū)寬。電機驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的效率。 （5）驅(qū)動系統(tǒng)較高的可靠性、良好的電磁兼容性、方便日常保養(yǎng)。 （6）功率密度要高。為了方便安裝電機和控制系統(tǒng)。 2）電機控制技術(shù) 控制電動機模式有很多種，比如：變頻變壓控制和矢量控制技術(shù)、線性控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制和變結(jié)構(gòu)控制等。 直流電機的控制主要采用的是直流斬波器，通過脈寬調(diào)制方式在斬波器頻率不變的情況下改變脈沖的寬度，從而改變平均輸出電壓的大小，來控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以達到調(diào)速目的。 感應(yīng)電機主流的控制方法主要有直接轉(zhuǎn)矩、矢量控制法。永磁無刷直流電機常用的控制方法是電流斬波法，控制系統(tǒng)由橋式變換器、電機轉(zhuǎn)軸位置檢測器、PWM 控制電路等部分組成。 永磁同步電機在低速狀態(tài)時多采用矢量控制法。 開關(guān)磁阻驅(qū)動電機采用引入Backstepping法等非線性控制方法，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能控制方法。 2.2.2 電池及其充電技術(shù) 1）電池 純電動汽車結(jié)構(gòu)中用來儲能的裝置就是電池，其儲存的電能可以向車輛提供任何行駛工況下所需要的動力。因為這個原因，蓄電池的一些參數(shù)與汽車的整體性能是密切相關(guān)的，譬如電池體積的大小、質(zhì)量的大小及其存儲的能量的多少對電動汽車續(xù)駛里程和動力性能的影響就非常大。在某種程度上來說電池技術(shù)上的難題也是現(xiàn)階段電動汽車行業(yè)高速發(fā)展的頭號難題。 電動汽車上所用的電池應(yīng)具有以下特性[12]： （1）使用性能穩(wěn)定可靠而且循環(huán)使用壽命長； （2）較低的自放電率，較高的充電效率； （3）動力電池的工作溫度范圍應(yīng)盡可能大； （4）具有充電迅速和能夠深度（如80%DOD）放電能力； （5）安全性高且可回收性能較好； （6）較高的比能量和比功率。 2）電池充電技術(shù) 為了能使電動客車正常行駛，就需要能讓動力電池方便且快捷的充電。因為動力電池的充電屬性因型號和類別不同有很大區(qū)別，所以一般充電方式要與該車輛的動力電池的充放電曲線相匹配，以保證電池局域良好的的使用性能。電池的充電屬性一般在0.1C至0.3C之間是最佳的。 電動汽車的充電方法一般分為常規(guī)充電、快速充電和更換電池組。這三種充電方法的特點及使用情況如表2.1所示。 充電方式 特點 適合使用的情況分析 常規(guī)充電 又稱為普通充電，充電的電流小時間長，屬于慢充。 一般會在晚間的用電低谷期進行充電，通過用充電樁在家就可以完成充電。 快速充電 也是應(yīng)急充電，可以解決續(xù)航里程電量補給的問題，但對電池壽命有影響，因電流較大，對技術(shù)、安全性要求也較高。主要特點就是高電壓、大電流，充電時間短。 此種方法充電電流大，需要在充電站中進行。 更換電池組 更換電池時間較短，但要求電池的外形、容量等參數(shù)完全統(tǒng)一，同時，還要求電動汽車的構(gòu)造設(shè)計能滿足更換電池的方便性、快捷性。 更換電池組的專業(yè)化要求挺高的，僅適合在充電站使用。 表2.1 三種充電模式的特點及適用情況分析 2.2.3 能量管理技術(shù) 電源管理系統(tǒng)的作用是為了對電池組的實時狀態(tài)進行監(jiān)控，避免電池過度的充放電，也可以減輕甚至消除因電池間電壓不平衡對蓄電池造成的損害，可以有效地增加電池的生命周期和電池組的電量。 蓄電池的能量管理系統(tǒng)的主要組成部分及其作用如下所示[13]: (1)數(shù)據(jù)采集 利用傳感器實時檢測電池的充放電狀態(tài)、溫度等參數(shù)。 (2)數(shù)據(jù)通信 通過整車的通信協(xié)議共享信息，實時顯示電池的主要性能參數(shù)。 (3)電氣控制 系統(tǒng)根據(jù)檢測的蓄電池的實時參數(shù)控制電池的充放電狀態(tài)，保證蓄電池在穩(wěn)定可靠的條件下工作。 (4)剩余容量的估算 利用傳感器獲得的數(shù)據(jù)估算電池的剩余能量，即SOC值。 (5)熱管理 搜集電池測溫點的數(shù)據(jù)對電池的溫度進行實時控制，防止電池過熱。 (6)安全管理 根據(jù)采集的各種數(shù)據(jù)預(yù)測電池的各種性能，對可能出現(xiàn)的故障提前報警。 2.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了電動汽車的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，也簡單介紹了一下阻礙電動汽車迅速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。  第三章 純電動汽車動力傳動系統(tǒng)與整車參數(shù)性能的相關(guān)介紹 3.1電動汽車動力傳動系統(tǒng)的布置 電動汽車上非常重要部分就是動力傳動系統(tǒng)，其性能對電動汽車的整車性能有著非常大的影響。在如今技術(shù)條件有限的情況下，其動力傳動系統(tǒng)有以下幾種布置方式[14，15]： （1）動力傳動系統(tǒng)中帶有變速器 這種布置屬于常規(guī)型，其優(yōu)點在于可以有效提高電動汽車剛啟動時的扭矩，從而增加車輛的爬坡能力和加速能力。其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.1所示。 圖3.1 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 （2）動力傳動系統(tǒng)中沒有離合器和變速器 這是對電動機性能要求很高的一種布置方式。需要電動機的起動轉(zhuǎn)矩大、后備功率也要大，這樣才能使車輛起動、爬坡、加速時具有足夠的動力。其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.2所示。 圖3.2 無變速器的電動汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 （3）將電動機裝到驅(qū)動軸上 這種布置方式屬于無差速器型。這種傳動方式相對前幾種布置方式而言，對電動機的要求更高些，既要滿足起動轉(zhuǎn)矩也要滿足車輛有較大的后備功率。而且也要求控制系統(tǒng)的控制精度高和可靠性要好，從而保證電動汽車能夠安全、平穩(wěn)的運行。其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.3所示。 圖3.3 無差速器型電動汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 （4）將電動機安裝到車輛的驅(qū)動輪上 這類電動汽車的特點是無動力傳動裝置，把驅(qū)動電機安裝在驅(qū)動輪的輪轂內(nèi)，如圖3.4所示。 圖3.4 輪轂電機結(jié)構(gòu)圖 我國的電動汽車基本上是在傳統(tǒng)車的基礎(chǔ)上改裝而來的。當(dāng)然改裝的過程并不是簡單的將發(fā)動機換成電機而已，改裝過程中需要對電動機、蓄電池、減速器、變速器和控制系統(tǒng)等相關(guān)部件的參數(shù)進行合理的匹配，同時在總體方案布置時也要保證軸荷分配合理、連接可靠等。本論文中純電動客車的動力系統(tǒng)選擇的是第一種有變速器的布置方案。 3.2 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的匹配方法 在如今能源緊缺和環(huán)境污染的雙重脅迫下，“節(jié)能低碳”的理念已經(jīng)被各國人民深埋于心。隨著新興產(chǎn)業(yè)——新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多新能源汽車的研發(fā)技術(shù)也是層出不窮。純電動汽車以其絕對的優(yōu)勢——無污染，零排放等，逐漸取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車成為世界上汽車行業(yè)的主要戰(zhàn)略取向是毫無懸念的。 在電動汽車的前期研發(fā)階段，精確設(shè)計動力系統(tǒng)，合理匹配動力系統(tǒng)部件，可以最大限度的開發(fā)現(xiàn)有電動汽車技術(shù)的潛能，也可以提高能量的利用效率。純電動汽車的發(fā)展在全世界的范圍內(nèi)都引起了高度關(guān)注，許多汽車公司均投入了大量的財力、人力、物力來研發(fā)和生產(chǎn)新能源汽車，使得新能源汽車研發(fā)領(lǐng)域得以迅速的發(fā)展和擴展。 經(jīng)過搜集關(guān)于最近幾年國內(nèi)外純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法方面的資料，發(fā)現(xiàn)目前比較常用的匹配方法主要包括下列幾種方法[16]： 1）以滿足動力性及續(xù)駛里程指標為目標的基礎(chǔ)匹配 這是與傳統(tǒng)燃油車的匹配方法非常相似的一種方法。匹配目標就是達到純電動汽車設(shè)計的動力性及續(xù)駛里程的性能指標。通過一系列的理論計算以及相關(guān)的匹配原則來選擇動力系統(tǒng)參數(shù)，比如： (1) 電機的峰值功率根據(jù)最高車速、最大爬坡度和加速時間這三個方面綜合確定； (2) 電機額定參數(shù)則是由電機的過載系數(shù)和基速比的經(jīng)驗值來確定； (3) 電機的最高轉(zhuǎn)速則是根據(jù)最高車速和主減速器的主減速比來確定； (4) 傳動系的最大傳動比由電機的最大扭矩來確定，最小傳動比則由最高車速和電機的最大轉(zhuǎn)速來確定； (5) 電池的數(shù)目和容量則是根據(jù)純電動客車的續(xù)駛里程來確定。 這種傳統(tǒng)的匹配方法比較直接也很簡單，能有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。但是這種匹配方法有一個缺點就是在達到車輛的輸出功率要求時，對車輛的能量消耗方面的考慮并不是非常充分。在匹配過程中整車系統(tǒng)子部件之間的耦合關(guān)系也沒有考慮的很全面，換種話說就是忽略了某一部件參數(shù)取值變化對其他部件的影響。因此匹配結(jié)果用于工況仿真和實車運行時效率往往較低，整車能耗有較大降低的空間。 2）以降低能耗和提升利用效率為目標優(yōu)化系統(tǒng)各部件參數(shù) 為了使純電動汽車的續(xù)駛里程得以增加、能量消耗率得以降低，許多研究人員就在動力系統(tǒng)參數(shù)匹配過程中引進優(yōu)化的過程。優(yōu)化的過程一般是以車輛的動力性和續(xù)駛里程為優(yōu)化的約束條件，以提高整車的效率和降低整車的能耗為目標來優(yōu)化動力系統(tǒng)某一部件的參數(shù)，最后再根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果來選擇和確定滿足續(xù)駛里程長、能量消耗率低的最優(yōu)參數(shù)。 在這里列舉幾個例子來補充說明這種優(yōu)化方法在實際的設(shè)計過程中的應(yīng)用： （1）湖南大學(xué)的周兵等對兩檔變速器的傳動比進行車輛續(xù)駛里程和起步加速時間的雙目標優(yōu)化[17]； （2）重慶大學(xué)的秦大同等以車輛的動力性能指標為優(yōu)化的約束條件、以電機能耗最低作為優(yōu)化目標優(yōu)化變速器的兩檔位傳動比[18]； （3）合肥工業(yè)大學(xué)的王方以續(xù)駛里程為目標優(yōu)化變速器傳動比[19]； （4）吉林大學(xué)的王偉把電機效率最高當(dāng)做優(yōu)化目標來確定電機額定參數(shù)[20]。 在這些研究中，優(yōu)化的變量大部分都是動力系統(tǒng)單一部件譬如減速器、電機，對每個部件參數(shù)的優(yōu)化匹配是獨立的。這就會導(dǎo)致忽略其余部件若參數(shù)發(fā)生變化時對整車及其他部件能量消耗、功率輸出的影響，從而使得優(yōu)化的結(jié)果并不是非常精確。 3）分析整車性能需求和部件特性，結(jié)合整車仿真平臺優(yōu)化動力系統(tǒng)參數(shù) 為了使得動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的結(jié)果最優(yōu)化，這就要求在匹配過程中要充分考慮各個部件之間的耦合關(guān)系，換句話來講就是應(yīng)該從整車得角度來優(yōu)化匹配整車動力系統(tǒng)參數(shù)。在這里也列舉幾個例子來說明一下： （1）哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張新磊通過結(jié)合整車仿真模型對電機功率、電池節(jié)數(shù)及主減速比同時進行優(yōu)化[21]； （2）哈爾濱工業(yè)大學(xué)的田德文以整車質(zhì)量最小為目標函數(shù)對電機額定轉(zhuǎn)矩、電池能量及傳動比進行了優(yōu)化[22]。 這些例子都是從整車需求角度出發(fā)結(jié)合動力系統(tǒng)參數(shù)之間的耦合關(guān)系，建立約束條件，同時利用先進的優(yōu)化算法選擇多個目標函數(shù)優(yōu)化動力系統(tǒng)參數(shù)。但是在匹配過程中常常簡化了電機、電池的模型，使得不能將匹配參數(shù)與部件直接聯(lián)系在一起，最終導(dǎo)致部件的真實特性無法完全顯現(xiàn)出來，也會使得匹配結(jié)果容易產(chǎn)生偏差。 綜合這幾種匹配方法的特點，可以知道要對電動汽車進行整車動力傳動系統(tǒng)的匹配就需要盡可能的從整車角度充分考慮整車及各部件的動力和能量需求，深入研究與其相關(guān)的各部件特性以及各部件之間的耦合關(guān)系，制定合理的匹配流程，這才會使得匹配的結(jié)果較為準確。在本論文中匹配某型純電動客車的動力系統(tǒng)參數(shù)選擇用的是第一種匹配方法。 3.3 某輕型純電動客車的整車參數(shù) 本論文中的輕型純電動客車是在某一款燃油客車的基礎(chǔ)上改裝而來的，其一些基本參數(shù)如表3.1所示。 表3.1 某輕型純電動客車整車基本參數(shù) 項目 數(shù)據(jù) 輪胎半徑R(m) 0.353 滾動阻力系數(shù)f 0.012 整車總重M(kg) 4300 最小離地間隙（mm） 196 最小轉(zhuǎn)彎半徑（m） 13.5 主減速比i0 4.545 接近角/離去角 21/17 風(fēng)阻系數(shù)CD 0.4 車的寬度B(m) 1.737 車的高度H(m) 2.59 Nt直接檔傳動效率 0.96 Nt其它檔傳動效率 0.94 3.4某輕型純電動客車的性能目標 純電動轎車的動力性能和續(xù)駛里程是電動車研發(fā)過程中必須解決的兩大難題。要提高整車的動力性能，一方面要提高動力電池的性能，改善其大功率放電的特性，另一方面減輕整車重量，合理選擇動力參數(shù)；要增大純電動汽車的續(xù)駛里程，一方面要配備電池管理系統(tǒng)，盡可能充分利用電池組中的有限能量，另一方面提高逆變器的轉(zhuǎn)化效率和再生能量回收效率。 電動汽車動力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)計應(yīng)該滿足車輛對動力性能的要求和續(xù)駛里程的要求[23]。 3.4.1電動汽車的性能評價指標 1）電動汽車的動力性指標 電動汽車的動力性指標與傳統(tǒng)燃油車是一樣的，主要從以下四個方面來評價車輛動力性的好壞： （1）加速能力 電動汽車的加速性能用車輛原地起步加速的能力和超車加速的能力來表示，一般常采用汽車加速過程中所經(jīng)過的時間和加速距離作為評價汽車加速性能的指標。 （2）以額定車速穩(wěn)定行駛的能力 電動汽車的動力電機和電池需要保證能提供車輛以額定車速穩(wěn)定行駛的全部功率需求，而且至少要在我國的道路上能克服坡度為3%的路面阻力。 （3）以最高車速穩(wěn)定行駛的能力 電動汽車的最高車速是指車輛在無風(fēng)的條件下，在水平、良好的硬路面上所能達到的最大車速。電機發(fā)出的功率使車輛能夠在最高車速下穩(wěn)定行駛的能力。 （4）爬坡能力 電動汽車的爬坡能力是指車輛在良好路面上以最低車速上坡行駛的最大坡度。 2）電動汽車的經(jīng)濟性指標 電動汽車的經(jīng)濟性指標主要有兩個方面就是能量消耗率和續(xù)駛里程，這里主要介紹下續(xù)駛里程。 電動汽車的續(xù)駛里程是指動力電池組在充滿一次電后所能行駛的最大里程。電動汽車的續(xù)駛里程短是導(dǎo)致近一個世紀以來始終落后傳統(tǒng)燃油車的重要原因。降低電動汽車的能量消耗，提高利用效率，增加續(xù)駛里程是發(fā)展電動車必須要解決的課題。隨著社會進步和科技的發(fā)展，解決這個難題指日可待。 3.4.2 某型純電動客車的性能要求 某型純電動客車的性能要求如表3.2所示。 表3.2某型純電動客車的性能要求 項目 數(shù)據(jù) 純電動客車30分鐘的最高車速 ≥100km/h 純電動客車行駛1km的最高車速 ≥120km/h 純電動客車的最大爬坡度 ≥25% 純電動客車的最大起步坡度 ≥20% 純電動客車從0-30km/h的加速時間t ≤7s 純電動客車從30-50km/h的加速時間t ≤11s 純電動客車以40km/h的速度行駛時續(xù)駛里程 ≥300km 3.5 本章小結(jié) 本章主要介紹了純電動汽車傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置方式，闡述了本論文中對動力傳動系統(tǒng)匹配的方法以及純電動客車的性能評價指標、整車參數(shù)和一些性能要求，為下一章的參數(shù)計算提供理論依據(jù)。  第四章 純電動客車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)的匹配 4.1 電動汽車上常用電機的介紹 常見的電機類型主要有直流電機、異步電機、開關(guān)磁阻電機和永磁電機四種。列舉四種電機的外形及構(gòu)造如圖4.1、圖4.2、圖4.3、圖4.4所示。 圖4.1 有刷電機 圖4.2 異步電機 圖4.3 永磁電機 圖4.4 開關(guān)磁阻電機 這四種電機各自的特點如表4.1所示[2]。 表4.1 電機類型及其優(yōu)缺點 電機類型 優(yōu)點 缺點 直流電機 成本低、易于無極調(diào)速、控制器簡單便宜、技術(shù)成熟 體積大、重量重、效率低、定期維護導(dǎo)致使用不方便 續(xù)表4.1 電機類型 優(yōu)點 缺點 異步電機（交流感應(yīng)電機） 與直流電機系統(tǒng)相比效率高、結(jié)構(gòu)簡單、堅實可靠、免維護、體積小、重量輕、易于冷卻、壽命長 控制成本較高 開關(guān)磁阻電機 （1）成本低，產(chǎn)生的熱量少，使軸承壽命變長，凸極的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量很低，方便調(diào)速控制 （2）定子安裝比較容易、穩(wěn)固，易于冷卻，轉(zhuǎn)子是沒有永磁體的，最大允許溫升的范圍較高 （3）啟動需要的電流較小，啟動轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點在低速運行階段也很明顯，非常適合經(jīng)常啟動和低速重載運行的機械 （1）能量轉(zhuǎn)換密度低 （2）相數(shù)越多，主接線數(shù)也越多，主電路比較復(fù)雜 （3）較大的轉(zhuǎn)矩脈動，導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲和發(fā)生諧振問題的情況很突出 永磁電機 永磁無刷直流電動機 控制器簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大 轉(zhuǎn)矩脈動大 永磁交流同步電動機 轉(zhuǎn)矩脈動小、效率高、功率密度大 控制器較復(fù)雜 為了更直接的認識更深刻的認識這四種類型電機，特將四種類型電機的參數(shù)進行了比較，如表4.2所示。 表4.2 不同類型電機性能參數(shù) 項目 直流電機 感應(yīng)電機 永磁電機 開關(guān)磁阻電機 功率因素 —— 82~85 90~93 60~65 峰值效率 85~89 94~95 95~97 85~90 轉(zhuǎn)速范圍（r/min） 4000~6000 12000~20000 4000~10000 可以>15000 恒功率比例 —— 1:5 1:2.25 1:3 續(xù)表4.2 項目 直流電機 感應(yīng)電機 永磁電機 開關(guān)磁阻電機 可靠性 一般 好 優(yōu)良 好 功率密度 低 中 高 較高 過載能力（%） 200 300~500 300 300~500 負荷效率 80~87 90~92 85~97 78~88 控制操作性能 最好 好 好 好 控制器成本 低 高 高 一般 電動機質(zhì)量 重 中等 輕 輕 外形尺寸 大 中 小 小 結(jié)構(gòu)堅固性 差 好 一般 優(yōu)良 經(jīng)綜合考慮各類型電機的特點，決定選取永磁直流電機作為本文中純電動客車的驅(qū)動電機。 目前有兩種方法用來選擇電機： （1） 根據(jù)整車性能目標，計算出電機的主要參數(shù)，然后向制作電機的公司提出要求，由電機公司設(shè)計出所需的電機，再提出控制要求，由電機公司對該電機設(shè)計控制系統(tǒng)，但這樣方法有些不足就是成本比較高，而且實驗設(shè)計得周期也會相對長些； （2） 根據(jù)整車性能目標，計算出電機的主要參數(shù)，再選擇一款現(xiàn)有的成熟的，其參數(shù)與設(shè)計要求基本相符合的電機。這種方法的不足在于由于采用的電機參數(shù)與計算值并不是非常的吻合，所以最好對傳動系的傳動比進行優(yōu)化設(shè)計，以充分利用電機和電池的工作特性，并使其在工況下工作效率最高，以獲得更好的汽車動力性和經(jīng)濟性。 在本文中采用第二種方法來選擇電機。 4.2 電機的參數(shù)計算與選型 電機的主要參數(shù)是根據(jù)該型純電動客車的動力性要求來匹配的，主要包括電機的額定功率、最大功率、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速、額定扭矩、最大扭矩這些參數(shù)的設(shè)計。 4.2.1 電機額定功率、峰值功率的匹配 額定功率和峰值功率對電機的性能影響特別的大，可以說是其所有參數(shù)中最重要的。所以這兩個參數(shù)值的合理選取對純電動客車來說十分重要。驅(qū)動電機額定功率選擇過小，將直接導(dǎo)致整車性能不能滿足設(shè)計要求，同時還由于電機長期處于過載狀態(tài)，其壽命將被嚴重縮短；選擇過大，雖然會產(chǎn)生比較多的后備功率，在一定程度上提升了整車的動力性，但由于電機不能長期在最大效率區(qū)域工作，其效率及功率因數(shù)均會降低，直接導(dǎo)致整車經(jīng)濟性下降，造成能源的浪費。 1）根據(jù)最高車速vmax的要求 電機的功率必須能夠滿足電動汽車在最高車速行駛時所提出的功率需求[24]， （4.1） 式中：P1max——電動汽車以最高車速行駛時所需的功率（kw）； m ——整車質(zhì)量（kg）； g——重力加速度（m/s2）； f——滾動阻力系數(shù)； CD——空氣阻力系數(shù)； A ——電動汽車的迎風(fēng)面積（m2）； ηT——動力傳動系統(tǒng)的總效率。 將不同的車速帶入到式（4.1）中，則可以得到車速與電機功率需求的關(guān)系曲線，如圖4.5所示。 圖4.5 最高車速與功率的需求關(guān)系曲線 將最高車速vmax=100km/h帶入式（4.1）中就可以得到P1max=40.086 kw，取整得P1max=41 kw。 2）根據(jù)最大爬坡度i的要求 （4.2） 式中：P2max——電動汽車在坡度為20%的坡道上行駛所需要的功率（kw）； v1——電動汽車爬坡時的車速（km/h）； amax——最大爬坡角度（°），，i——最大爬坡度。 將不同的坡度值帶入到式（4.2）中，則可以得到爬坡度與電機功率需求的關(guān)系曲線，如圖4.6所示。 圖4.6 爬坡度與電機功率需求的關(guān)系曲線 將最大坡度值imax=25%，αmax=arctan（imax）=14。帶入式（4.2中）得到P2max=63.353kw，取整得P2max=64kw。 3）根據(jù)加速性能要求 汽車在起步加速過程中可以按照經(jīng)驗公式來求[25][26]： (4.3) 式中：x——擬合系數(shù)，一般取0.5左右； tm——車輛加速用的時間（s）； vm——車輛的末速度（km/h）。 可以假定車輛在平直路面上進行加速，再根據(jù)汽車加速過程中的動力學(xué)方程，則其瞬態(tài)過程總功率可以表示為： (4.4) 式中：P——加速需要的總功率（kW）； Pj——加速功率 ； Pf——克服滾動阻力用的功率； Pw——克服空氣阻力用的功率 ； dt——步長（s），在此處取為0.1秒。 在加速后期階段，電機的輸出功率是最高的，而在加速過程中最大功率需求公式如下: (4.5) 式中：δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，此處取1； vm——加速結(jié)束時的速度(km/h)； tm——車輛加速所用的時間(s)。 將純電動客車加速末速度vm=50km/h、加速時間tm=11s帶入式（4.5），可以得到P3max=46.348 kw，取整后得P3max=47kw. 電機的額定功率可由下列公式求得： （4.6） 式中：λ——電機過載系數(shù)，一般取1~3，此處取為1.8。 帶入數(shù)據(jù)則有，故電機的額定功率為Pe=40kw。 結(jié)合上述內(nèi)容，電機的最大功率可由下列公式求得： （4.7） 將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4.7）就可以得到Pmax=72kw。 4.2.2 電機最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的確定 在選擇電機最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速時應(yīng)考慮電機的機械特性要求，如圖4.7 所示。換句話來說就是選擇的電機轉(zhuǎn)速要滿足在電機剛開始啟動時能夠獲得恒定的最大轉(zhuǎn)矩， 而電機在高轉(zhuǎn)速時能夠處于恒定的較高功率區(qū)域。 圖4.7 電機的驅(qū)動特性 驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速nmax可根據(jù)電動汽車的最高車速確定[27]： （4.8） 式中：r——車輪的滾動半徑； 帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到nmax≥4508.532，取整得nmax=4600r/min。 電機的額定轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為： （4.9） 帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可得ne=2555.5r/min，取整得ne=2600r/min。 4.2.3電機額定轉(zhuǎn)矩與最高轉(zhuǎn)矩的確定 由根據(jù)車輛的行駛方程式可知： （4.10） 將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4.10）中可以得到最大扭矩Tmax=712.366N·m，取整后得Te=712N·m 電機最大扭矩一般為額定扭矩的2到3倍，所以可以取額定扭矩Te=285N·m。 通過上述計算可知通過計算所得到的電機參數(shù)如表4.3所示。 表4.3 計算所得到的電機參數(shù) 項目 數(shù)值 額定功率（kw） 40 最大功率（kw） 72 最大轉(zhuǎn)速（r/min） 4600 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 2600 最大扭矩（N·m） 713 額定扭矩（N·m） 285 根據(jù)表4.3中的數(shù)據(jù)以及參考各種類型電機的特點，決定選取某公司的一款永磁直流電機，其主要參數(shù)如表4.4所示。根據(jù)電機轉(zhuǎn)速、功率、扭矩的數(shù)據(jù)可以得到其轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系圖如圖4.8所示，也可以得到其轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系如圖4.9所示。 表4.4 某型電機的主要參數(shù) 項目 數(shù)值 額定功率（kw） 45 最大功率（kw） 80 最大轉(zhuǎn)速（r/min） 4600 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 2300 最大扭矩（N·m） 600 額定扭矩（N·m） 300 圖4.8 轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系曲線 圖4.9 轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系曲線 4.3傳動系統(tǒng)的匹配 目前，電動汽車的使用路線主要在市區(qū)和城市近郊地區(qū)。電動汽車的運行工況很多，最高車速可達100km/h(在本論文中純電動客車的要求)。阻力在電動汽車的行駛過程中是無法避免的，而且遇到的阻力也是會隨時變化的。有時候阻力會因為各方面的原因突變很大，譬如車速突然提高、坡度陡然變化，可以導(dǎo)致阻力變化的范圍達到6倍，甚至更多。也正是因為這個原因，要想滿足電動汽車行駛性能的需求，僅僅依靠電動機來實現(xiàn)力矩的變化是不行的。因此，在電動機和驅(qū)動輪之間安裝減速器和變速器是很有必要的。這樣一來，既可以滿足電動汽車行駛性能的需求，又可以保證電動機穩(wěn)定的工作在高效率的工作范圍內(nèi)，可以有效的分擔(dān)電機和動力電池的一部分負荷[28]。 在設(shè)計電動汽車變速器系統(tǒng)的時候，必須要牢記的一點就是要充分考慮汽車動力性和經(jīng)濟型的要求，因為這直接影響電機工作時候的狀態(tài)，使得電機的工作效率直接受到影響，最終就會影響到整車的續(xù)駛里程[19，20]。還有一方面要考慮的就是，除了考慮變速器在設(shè)計過程的加工工藝和成本外，也要考慮變速器的體積和質(zhì)量，最好的就是變速器體積盡可能小、質(zhì)量盡可能輕，而且變速器的檔位數(shù)也不適合太多，避免大大增加其體積和重量，進而影響到電動汽車的整車性能。 在一般情況下來說，增加變速器的檔位數(shù)可以增加電機在最大功率下運行的機會，也可以增大電機在最佳效率區(qū)內(nèi)穩(wěn)定運行的概率，從而使得電動汽車的動力性能得到提高和續(xù)駛里程也得以增加。然而電機的工作特性已經(jīng)非常的接近理想的等功率驅(qū)動特性，傳動系的檔位數(shù)不適合整的太多，這樣會導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜化，也會降低工作效率同時也會增加整車的質(zhì)量和體積，導(dǎo)致電動汽車的整車性能下降。故在本論文中變速器的采用Ⅲ檔變速器。 4.3.1傳動系統(tǒng)參數(shù)對整車性能的影響 1）傳動系速比對電動汽車整車動力性的影響 在一般情況下來說，傳動系的速比在合適的范圍內(nèi)增大，可以非常明顯的增加整車的性能，譬如加速性能和爬坡性能。會出現(xiàn)這種效果是因為電機在輸出轉(zhuǎn)矩一定的條件下，驅(qū)動輪牽引力隨著傳動系速比的增大而增大。這就會使得在電動汽車行駛阻力不變的條件下，使整車的最大動力因素得以提高，再進一步提高整車的加速和爬坡能力。但是，由于電機的工作特性比較特殊，在電機參數(shù)已經(jīng)確定的條件下，傳動系速比的增加并不是一定可以使車輛的最高速度增大。這主要是因為車輛在以最高車速行駛時，電機的工作點一般處于恒功率區(qū)域。下面通過公式來說明這個問題。 功率與扭矩的關(guān)系式為： （4.11） 扭矩與牽引力的關(guān)系式為： （4.12） 車速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為： （4.13） 綜合上述三個公式可以得到車速與牽引力的關(guān)系式為： （4.14） 分析式子（4-14）可以知道，當(dāng)電機的工作點在恒功率區(qū)域時，電動汽車整車的牽引力只與車輛的行駛速度有關(guān)系。 不同的傳動比對應(yīng)的牽引力如圖4.10所示。 圖4.10 不同傳動比對應(yīng)的牽引力 2）傳動系速比對電動汽車整車續(xù)駛里程的影響 合理的選擇傳動系速比對整車的續(xù)駛里程影響是非常大的。因為電機的額定轉(zhuǎn)速和額定功率附近區(qū)域就是電機的高效率工作區(qū)，所以要想提高能量的利用效率，電動汽車在穩(wěn)定工況下行駛時電機的工作點應(yīng)盡可能的處于該區(qū)域或其附近。 4.3.2 純電動客車傳動系參數(shù)的選擇 在電動機輸出特性一定時，傳動系傳動比的選擇主要取決于電動汽車的動力性要求，即最大傳動比取決于整車的最大爬坡度，最小速比取決于整車的最高車速。 1）最大傳動比的選擇 傳動系最大傳動比imax是變速器最低檔速比ig1與主減速器速比i0的乘積，由電動機的最大轉(zhuǎn)矩來決定。 當(dāng)車輛以勻速爬坡時，可以忽略車輛的空氣阻力，所以車輛的驅(qū)動力—行駛阻力平衡方程為： （4.15） 式中：Ft——驅(qū)動力，且； Ff——滾動阻力，且； Fi——坡道阻力，且。 則有 （4.16） 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式可得， 又 （4.17） 且i0=4.545，所以可以得到，取ig1=3.5。 2）最小傳動比的選擇 在本論文中純電動客車的的最高車速為100km/h。最小傳動比是根據(jù)純電動客車的最高車速和電機的最大轉(zhuǎn)速來確定的，具體公式如下; (4.18) 式中：nmax——驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速（rpm）； Umax——純電動汽車行駛的最高車速（km /h）； r ——車輪的半徑（m）。 將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4.18）中可以得到, 又因為有 （4.19） 且i0=4.545，帶入上式得ig3≤1.35，取ig3=1.2。 又因為變速器的傳動比一般都滿足等比關(guān)系， 則有 （4.20） 所以可以算得ig2=2.05。 4.4動力電池的選型 純電動汽車的采用的電池要求載重消耗的比能量高、比功率大、成本小、生命周期長、安全性能高等。但在目前的技術(shù)水平下，電池還存在許多缺點，比如成本較高、電池生命周期不長、續(xù)駛里程較短等。 純電動汽車對動力電池技術(shù)要求功率密度大、能量密度高、生命周期長、安全可靠、成本低。但是以上五個方面的要求是相互制約的，沒辦法同時滿足所有的方面，只能根據(jù)具體的使用環(huán)境來選擇適當(dāng)?shù)碾姵丶夹g(shù)。 在電動汽車上可以使用或者已經(jīng)使用過的動力電池有鈉硫電池（Na/S）、鈉鎳氯化物電池（Na/NiCl2）、鎳-鎘電池（Ni-Cd）、鋁空氣電池（Al/Air）、鎳-鋅電池（Ni-Zn）、鎳氫電池（Ni-MH）、鋰離子電池（Li-Ion）、鋅空氣電池（Zn/Air）、鋰聚合物電池（Li-Polymer）、閥控鉛酸電池（NRLA）等各種類型，如圖4-5所示。動力電池的發(fā)展也是很迅速的，之前研究的是鉛酸電池、鈉硫電池、鎳鎘電池等類型，現(xiàn)在則主要集中于閥控鉛酸電池、鋰離子動力電池和鎳氫電池。其中鋰離子動力電池有許多特別突出的優(yōu)點，譬如充放電能力很強、能量密度高等，這也使得鋰離子電池逐漸成為電動汽車的主要能量源。 為了對各種類型的電池有個比較直接的了解，在此將一些動力電池的性能參數(shù)作了一個簡單的比較，如表4.5所示。 表4.5 動力電池的性能參數(shù)對比表格 電池種類 能量密度 (W·h·L-1) 比功率(W·kg-1) 比能量(W·h·kg-1) 循環(huán)壽命 (Cycles) 預(yù)計成本（$·kw/h） 鈉硫電池（Na/S） 150