电动车辆通用变速技术研究项目可行性研究报告.doc

一、 本项目研究开发的目的、意义及必要性汽车作为第二次工业革命的重要产物，给人们的生产生活方式带来了革命性的变化，随着汽车保有量的增加，汽车行驶速度的不断提高，高速公路网络的日益发达，轿车进入家庭的范围不断拓展，极大改善了人们的生活，扩大了人们的活动半径，适应了现代化工业的需要，同时也缓解了由于工业化和城市化带来的弊端。在汽车工业促进世界经济飞速发展的同时，能源与环保日益成为汽车工业继续发展的焦点问题。人们在享受汽车文明的同时，也必须面对它带来的负面影响：环境污染问题和石油能源危机问题。用电动汽车代替传统车辆是大家公认的最有前途的解决方案。近些年来，纯电动汽车、混合动力车辆越来越多的得到应用，这对车辆工程设计和研究带来了更大的挑战。例如，全电驱动车辆，可采用动力驱动分布式设计的思路，在这种情况下，传统车辆所必须的变速器，离合器等几乎处于一种可舍弃的状态。但与传统车辆相同，电动车在满足人们出行、运输的需求时，也将面临爬坡、高速、低速巡航、停车怠速、加速冲刺等多种工况的需求，而驱动电机作为原动机必然存在高效工作区域和并不理想的区域，其外特性并不能涵盖整车所有工况的需求。这样，变速器等部件似乎并不能舍弃。对于无人特种车辆，其面对的路况更复杂，工况更多。无人特种车辆由于实现了无人化，其整车整备质量的决定因素只取决于需要完成的任务和机动性指标的高低，从整车整备质量这个角度来看，无人特种车辆存在差异化大、整车吨位覆盖范围宽的特点，这样，传统车辆的变速装置很难涵盖整个系列范围，同时，传统的变速装置也需要进行无人化改造。本项目研究开发的目的是针对电驱动特点，综合考虑电动汽车、无人电动特种车辆的动力特性需求，开发一种具有通用变速原理的变速装置，并对电动驱动条件下的整车动力性能、驱动传动效率展开研究。通过本项目的研究，将极大地提升现有电驱动车辆的动力特性，增加其面对多种工况的应对策略，降低车辆的平均能耗水平。这种通用技术涵盖范围较广，对用于电动车辆的情况，该项技术可以取代传统车辆的变速箱，降低整车成本，同时并不影响整车的动力品质；对应与于特种无人化车辆而言，该项技术易于实现自动化操作，降低车辆无人化底盘适应性改造的难度，同时保证了特种无人化车辆了面对需要通过复杂障碍时的驱动力需求。正如开篇所介绍的那样，电机作为车辆的驱动原动机虽然具有很多优势，但车辆所具有的多工况使用的特性对最终执行元件（车轮）的转速、转矩等方面的要求涵盖范围非常宽。传统车辆的解决之道是在原动机与最终执行元件（车轮）之间加装变速装置。但电动机毕竟在输出特性上与发动机不同，同时成品的变速箱多针对较大吨位的传统车辆设计，存在变速范围冗余，价格昂贵、不利于实现自动化操纵等缺点，这些缺点限制了其在电动车、特种无人电驱动车辆方面的应用，因此对于电驱动环境下通用变速技术的研究就变得十分必要。二、项目所属领域研究开发现状、发展趋势及项目建议单位现有基础、优势项目所属领域为电动车辆动力传动技术领域。目前的研究开发多针对电动车辆为主，并未涵盖特种无人电驱动车辆领域，更没有提高到通用变速传动技术的高度。根据电动机在车辆布置位置的不同，电动车辆可分为集中式电驱动车辆和分布式电驱动车辆两种形式，分布式电驱动车辆的技术思路是将驱动电机直接或更接近地布置在执行元件（车轮），目前的主要研究方向是：l 轮毂电机驱动技术；l 转向驱动制动一体化设计设计；l 固定减速比条件下的动力匹配研究。这个技术思路以取消传动环节为主要特征，但因存在以下缺点，目前发展困难：l 直驱或固定减速比无法满足车辆多工况行驶的要求；l 车辆的非弹载质量增加，车辆平顺性变差；l 转向驱动制动一体化设计困难，造成全驱车辆转向功能实现困难；l 车轮驱动需要考虑协调性及转向工况下的电子差速；l 驱动分布布置造成原动机功率密度较低，同时极限工况下的热管理变得困难。集中式电驱动车辆整个传动系的布置与传统车辆基本相同，在目前电动车技术和产品尚未成熟的大背景下，目前的研究方向主要有以下2条：1. 对现有车辆变速箱的适应性改造；北京理工大学在其承研的纯电动客车课题，在对整车行驶工况进行动力匹配分析的基础上，得出结论，即使对于在城市运营环境的公交车辆，其最高行驶车速和最低稳定速度之间也有将近8倍的差距，辅助电机APU也未能对车辆的多工况运行提供过多的帮助，而在换装了3个挡为的AMT变速箱后，动力性能和能耗都得到了很好的改善。因此在电动机和执行元件之间加设变速装置十分必要。他们的做法是，直接在电动机和车桥之间加装AMT自动变速箱，取消传统车辆常用的离合器，对电驱动情况下AMT和驱动电机的控制策略进行研究。南昌大学机电工程学院黄菊花教授提出了一种适合于电动车辆使用的两档位的双离合自动变速箱，虽然该变速箱是一款需要重新设计的变速箱，但其主要设计思想与市场上大众汽车公司的DSG变速技术并没有太大的差别，也属于对现有车辆变速箱技术改造的范畴。2. 对新型变速装置的研究利用行星传动的速度耦合特性实现电动车辆变速的思路重庆理工大学利用行星传动的差动原理，提出了是一种差动式行星齿轮式无级变速器（P-CVT）的研制设想，相对于传统的CVT它具有结构简单、重量轻、成本低以及控制简便等优点。这是一种大胆的尝试，但正如其结论所言，虽然可以达到无级变速的目的，但它仅是速度复合型机构，其输入、输出扭矩与速比之间并无直接关系。只有速度耦合模式，而没有力矩耦合模式。北京理工大学也在这个研究方向进行了关注，在其申请的若干专利中均提到了依据行星传动速度耦合原理进行发明创造的事实。中国北方车辆研究所，是以地面移动平台总体技术为主业的研究所。研究所主要从事特种车辆整车和部件的研究设计、试验试制及民用汽车、专用汽车的研究开发与测试，利用现代设计方法开发新型车辆，进行总体、新型传动、行走、操纵、电子电气、自动控制等技术的研究开发。研究所研发实力雄厚，科研设施齐全。下设覆盖57个专业的4个科研技术部、1个试制部、1个试验测试部、1个信息中心，建有车辆传动重点实验室和包括整车道路模拟试验、车辆环境试验、电磁兼容测试、综合传动试验、动力电池实验等在内的40余个具有行业先进水平的现代化试验室。坦克传动国防科技重点实验室（以下简称重点实验室）成立于2006年4月，由中国北方车辆研究所和北京理工大学合建，总部设在中国北方车辆研究所，分部设在北京理工大学。重点实验室是开展坦克传动技术自主创新研究，培养与吸引高水平研究人才，进行学术交流、合作与科学实验的专业型研究实验基地。其主要任务是根据国防科技和武器装备的发展需求，围绕国防科技战略目标和坦克传动技术的发展趋势，开展探索性、创新性和关键技术的应用基础研究，建立坦克传动技术领域具有国际先进、国内领先水平的开放式研究平台，贯彻军民结合的方针，在确保完成国防科研任务的同时，积极承担国家其它科研课题和民用协作研究课题，积极促进成果转化，为推动军民两用技术的发展服务。无人车辆是目前陆军装备发展的一个重要方向，目前研究所已经有多款开发出来及在研的无人平台项目。在目前的实验及论证过程中，车辆多工况与电驱动的技术冲突是我们研究设计工作中目前比较尖锐的技术矛盾，该项目的研制将获得多个整车项目总体技术的支撑及以后的试验的验证平台。三、主要研究开发内容（包括要解决的主要问题、解决方案、技术关键、创新点）本项目解决的主要问题是展开对电动驱动车辆通用变速技术的研究，开发出一套可以对基于行星传动转速耦合特性的变速装置进行动力特性装置测试的试验装置，同时开展行星传动转速耦合特性的变速装置多个方案的论证以及与整车匹配性的研究；针对某一整车项目，开发一套接近工程化应用的变速驱动装置。通过实验验证及工程化样机研制，最终形成一套解决电驱动通用变速技术的流程和方法。本项目以即将申请的三项基于行星传动转速耦合特性的变速装置的发明专利为研究对象，对其进行理论分析与基于AMESim软件的仿真分析，对其功能实现、换挡品质、功率流及系统热效应情况进行前期的预判。这三个方案分别为：单电机功率分流耦合变速方案、单电机双差速分流变速方案、双电机转速与转矩综合耦合变速方案。它们的方案原理图见下图。单电机功率分流耦合变速方案是将一个电机的功率通过定轴传动的方式分流成2路，其中一条通路布置有联动的两个离合器，两路通过差速器（行星传动装置的一种）汇流进行速度耦合，该方案可以通过控制其中一路的通断来实现换挡变速。单电机双差速分流变速方案是将一个电机的功率先通过差速器分流，然后通过2条不同传动比的功率流路汇流至另一个差速器，在每个流路上都设有制动器，通过让制动器关闭不同的流路实现换挡变速。双电机转速与转矩综合耦合变速方案是通过在差速器两输入端布置2个驱动电机，2个电机调速状态和工作状态的不同通过差速器汇流即可实现变速，在两个电机动力输出端之间还布置有转矩耦合流路，当整车需要超大转矩时，另一个电机的功率可以通过该通路，从低速大扭矩通路输入差速器。单电机功率分流耦合变速方案 单电机双差速分流变速方案双电机转速与转矩综合耦合变速方案在理论分析的基础上，论证一种兼顾三项发明专利技术方案及基本型基于行星传动转速耦合特性的变速装置，兼顾较大功率传动范围的试验台架，此台架以行星传动装置为中心，外围的离合、制动、定轴传动、动力输出与平衡及测试装置等可任意组合，从而可以实现对多种方案的兼顾。通过台架试验验证，对三种方案进行比较，寻找在通用变速装置设计中最应该关注的性能序列及最影响功能实现的因素序列，从而为确定合理的工程化目标。优选或在三项专利技术方案的基础上进行再创新，并依据台架试验结果，确定一种可以进行进一步工程化的技术方案。对技术方案中的组成要素进行集成化设计，完成以某一车辆底盘应用为目标的工程样机研制。在试验台架及样车上进行实验验证。本项目研究的主要关键技术有：在技术方案理论分析及仿真分析阶段为：1. 具有冗余自由度的传动机构选择；2. 多输入下的动力品质分析；3. 转速耦合和转矩耦合的综合实现；4. 离合、制动等动力切换器件对换挡品质的影响分析。在试验台架论证与搭建阶段1. 通用化设计；2. 台架测试性设计；3. 台架试验组成单元的模块化设计；在工程化样机设计阶段：1. 试验数据的分析与应用2. 方案的优选与再创新3. 轻量化、集成化设计本项目的创新点主要体现在以下几个方面：1. 提出了三种电驱动变速方案这三个技术方案虽然是原理性的，但这是在研究了目前有关基于行星传动转速耦合特性的变速装置发明专利的基础上提出的，在功率分流汇流、换挡操控实现、特定车辆工况动力输出实现等方面均有创新性的工作。2. 提出了研究通用变速技术的目标；电驱动因其原动机工作原理方面与传统车辆的发动机不同，原有的变速装置已经失去了适用性，而电驱动车辆在实际的使用过程中多工况使用与原动机动力输出特性上有着尖锐的技术矛盾，这种矛盾均有普遍性，因此，针对电驱动车辆的通用变速技术的提出为将来的技术推广与应用做了很好的铺垫。3. 样机配套对象利于项目的开展从前期各个大学的研究工作来看，电动汽车因与传统车辆具有一定的继承性，在研究开发领域具有一定的惰性，对传统变速箱的适应性改造并非不是一条可行的道路，但当针对电驱动应用的通用变速技术趋于成熟后，这种思路将面临不小的成本压力。本项目针对的应用平台为无人的电动车辆，这样的平台对项目的技术需求更迫切，应用阻力更小，以此类平台作为先期配套对象也是本项目的一大创新点。4. 研究流程和方法利于进一步的创新；本项目没有直接针对某一既定的设计方案进行技术研究，而是以提出的三个技术方案作为研究对象，以建设通用的实验测试设备、通用的设计研究评价方法为项目目标，这就降低了单个技术方案存在的项目风险，同时这一套方法将成为该项技术的创新温床，促进更多的研究和技术成果的出现。四、项目实施目标及考核指标（具有明确的可考核性）在本项目实施完成后将完成以下目标：4.1技术指标1. 优选或重新设计出一台针对某一特种无人车辆的变速装置；该变速装置主要技术指标如下：l 功率设定在20kW左右l 变速装置总重量小于25kg；l 具有2挡变速，能行进间换挡；l 换挡间隔时间小于1s；l 换挡前后，车辆前进方向不得产生大于0.3g的加速度；l 常用工况下，传递效率不小于0.85。2. 完成一套用于对多种技术方案进行测试的试验台架；l 台架占地面积小于20平米；l 台架适应的功率范围为3至40kW；l 不同技术方案测试准备时间小于2天；3. 形成一套通用变速技术的研究方法和评价体系l 形成一个有关通用变速技术的技术总结；l 形成一个有关于电驱动通用变速技术的设计规范；4. 专利取得数量：5项要求：发明专利5. 论文发表数量：3篇要求：核心期刊4.2 经济效益指标力争作为一重要部件在某一外贸无人项目中配套。4.3 产业结构调整指标4.3.1 业内协作情况；与现阶段进行该项研究的大学建立联系，分工协作，在本项目通过无人特种车辆进行突破的同时，需求在电动汽车领域对取得的突破进行推广。主要合作单位：北京理工大学、北京交通大学4.3.2 对该产业发展所做贡献电动汽车近年来一直是汽车领域的一个研究重点，我国的汽车工业也企及通过此次可以称为汽车工业革命性阶段的加速发展实现整个汽车产业水平的提升和赶超。与国内研究的火热不同，国外更注重于混合动力车辆的研究，这并不表明他们顽固和保守，而是他们清楚诸如动力性、换挡等机械品质对于整车的用户体验是多么的重要。本项目的研究将降低车辆对电机动力输出的苛刻要求，提升车辆的能源利用效率，增加车辆在面对多工况下的工作能力。通过本项目的研究将给我国电动汽车产业一个不小的促进。五、技术经济及社会效益分析、推广应用前景分析、项目实施的风险分析5.1社会效益分析通过本项目的研制将形成对于车辆传动而言有一个技术分支，项目实施后，电动车辆变速将作为电动车一项重要的研究课题，必将对电动车研究领域的有关专家形成较大的吸引力。通过项目实施，项目团队将形成由传动总体设计技术、仿真分析技术、结构设计、电机驱动、试验设计与测试等多个方向人才汇集的局面。项目完成后，通过项目培养或引进在通用变速技术领域具有较高水平的领军人才1名，同时培养4名左右的核心骨干负责相应的技术分项研究。5.2推广应用前景分析项目实施后，将在无人特种车辆项目研制中得到应用，在得到实车验证，可靠性等适用性指标达到要求后，作为核心部件及技术与整车一起向国内外两个市场推广。利用项目实施后形成的设备及人力资源，进一步开发系列化的无人特种车辆适用产品，做到基本覆盖所有电驱动无人特种车辆在研项目。在某一项目整车实现销售突破后，本项目的技术产品将作为重要的配套产品进入小规模试制加工阶段。在此阶段引入工艺管理和成本管理，保证产品的质量和成本控制。以上阶段包含研制过程约需要6年的时间。在项目实施后，可同时利用国内合作的渠道，积极向电动汽车领域推广，针对电动汽车的技术特点做适应性修改，兼顾品质和成本，打造一款具有竞争力的产品。通过在无人特种车辆进行科研试制，降低的整车应用的阻力，同时消化了部分的科研成本及技术攻关时间，将十分有利于项目技术的推广。目前纯电动尚未实现大规模商业化，混合动力车辆已经为大多数消费者所熟知，随着时间的推移，汽车工业所依赖的石油资源日渐枯竭，纯电动汽车必将走入千家万户。目前来看，电动汽车在能量储存技术、电驱动技术、充电技术等多个领域存在技术瓶颈。本项目以无人特种车辆为切入点，避免了直接面对和传统车辆的用户体验的对比，将十分有利于项目的成长，待到成果在无人特种车辆得到较大幅度的应用后，在投入资源进行成果转化和技术移植，着重克服与用户体验相关的性能，这就使得项目的成功几率大大提高。5.3项目实施的风险分析本项目实施所存在的风险主要是以下2个方面；1. 技术方案可能存在的技术漏洞本项目列举的三个技术方案在创新性上有很大的突破，但方案距离最终形成项目所言的通用技术还有很大的距离，从技术发展来看，有可能这三个方案均不能满足最终的要求，这就使得项目存在一定的技术风险。本项目采取了先进行技术可行性实验验证，再进行对特定项目配套优选，最终实车验证的技术开发流程，已经把这种单个技术方案的风险大大降低。对于本项目列举的三个技术方案，本项目可依托单位的专家资源进行优选和再创新，进一步降低技术风险。2. 依托的总体项目存在风险依托的总体项目存在的风险可能会影响项目成果的推广，这可称之为外部环境存在的风险。外部风险不可控，但影响仅限于实车验证和成果推广阶段，对项目的实施影响并不太大，只要在项目实施过程中，做好技术，练好内功，成果推广的机会还是会有的。六、项目完成时的考核指标关键技术突破和新成果应用指标需完成的技术性能指标（依各行业技术特点而定）见上文，项目实施目标专利共有数量专利取得数量5论文发表数量3技术标准制定与突破情况新成果开发数量新技术成果应用示范情况经济效益指标销售收入增长率利润增长率税收增长率市场占有率增加值产业结构调整指标业内协作情况产值增加率为该产业发展所做贡献社会效益指标人才培养与引进数量解决再就业人数资源利用情况对环境的改善情况15七、项目经费预算 188 （单位：万元）（1）项目经费来源： 来 源2012年合 计区科技经费138138国家、市有关部委拨款项目依托单位匹配经费项目承担单位自筹经费5050银行贷款其 他合 计188188（2）项目经费支出：科 目2012年2013年合 计人员费用81018试验外协费8917合作交流费6511设备购置费503585材料费81321资料、印刷费213调研费7512租赁费448其他费用6713合 计9989188八、项目主要参加人员姓名年龄学历职务（职称）从事专业在项目中的主要分工车辆工程总体设计机器人电操控总体设计行星传动行星机构设计研究仿真分析系统仿真车辆工程车辆匹配研究齿轮传动传动设计结构设计操控执行机构设计实验分析台架设计与实验分析电机驱动电机驱动匹配设计九、项目建议单位意见 单位负责人：（签章） （单位公章） 年 月 日十、专家论证意见专家姓名所在单位从事专业职称(职务) 专家组长（签章）： 年 月 日十一、区科委审核意见单位负责人：（签章） （单位公章） 年 月 日丰台区科技项目建议书项目名称：无人电动车辆通用变速技术研究所属技术领域：电驱动技术项目建议单位单位名称中国北方车辆研究所单位注册地址北京市丰台区槐树岭4号院单位现办公地址北京市丰台区槐树岭4号院法人代码隶属关系中国兵器工业集团单位类型国有事业单位企业经济类型国有法人姓名法人手机法人电话（办）邮政编码是否为园区内企业否是否为高新技术企业否高新证书号项目负责人项目负责人手机联系人联系人手机联系电话（办）电子信箱目 录第一章 申报单位及项目概况11.1基本情况11.2项目申报单位概况11.3项目编制依据21.4项目建设背景41.5项目区概况61.6建设内容、规模111.7 项目建设方案111.8劳动安全与消防271.9项目管理及组织机构291.10投资估算和资金筹措31第二章 发展规划、产业政策和行业准入分析342.1 发展规划分析342.2相关产业政策分析362.3行业准入分析36第三章 资源开发及综合利用分析383.1资源开发383.2综合利用38第四章 项目用地分析414.1项目选址及用地方案414.2 土地利用合理性分析41第五章 节能方案435.1节能原则435.2设计依据435.3.建筑节能标准要求445.4节能方面的考虑455.5节能具体措施46第六章 环境和生态影响分析486.1编制依据486.2采用标准486.3生态环境影响分析486.4环境影响486.5主要污染源、污染物496.6 环境保护措施50第七章 经济影响分析537.1经济效益分析537.2 经济影响分析547.3区域经济影响分析54第八章 社会影响分析558.1 社会效益分析558.2社会风险及对策分析55