某轻型纯电动客车动力传动系统的匹配分析及计算.doc

全套设计（图纸）加扣扣 194535455摘要由于环境污染、能源匮乏等问题日益严重，电动汽车成为汽车行业研究的热点。纯电动汽车动力传动系部件参数的合理匹配，对电动汽车的动力性和经济性等有显著的影响。本文以某轻型纯电动客车为研究的对象，主要介绍了电动汽车动力传动系统相关理论匹配的方法，动力传动系统主要部件的性能要求，以及影响整车性能的因素分析等。根据整车的性能要求及部件的选型原则，对该纯电动客车的动力系统参数进行设计计算，实现传动系统参数的合理匹配。最后利用MATLAB软件对所选的一些参数进行验算，检验参数是否满足整车的性能要求。关键词：纯电动客车；动力传动系统；参数匹配；动力性；经济性AbstractDue 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目录第一章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 课题研究的意义11.3 汽车动力传动系统匹配方法现状研究21.4 本论文研究的主要内容4第二章 电动汽车的基本结构及关键技术52.1 电动汽车的基本结构及工作原理52.2 电动汽车的关键技术62.2.1 电机及其控制技术62.2.2 电池及其充电技术72.2.3 能量管理技术82.3 本章小结9第三章 纯电动汽车动力传动系统与整车参数性能的相关介绍103.1电动汽车动力传动系统的布置103.2 电动汽车动力传动系统的匹配方法123.3 某轻型纯电动客车的整车参数143.4某轻型纯电动客车的性能目标143.4.1电动汽车的性能评价指标153.4.2 某型纯电动客车的性能要求153.5 本章小结16第四章 纯电动客车动力传动系统参数的匹配174.1 电动汽车上常用电机的介绍174.2 电机的参数计算与选型194.2.1 电机额定功率、峰值功率的匹配194.2.2 电机最高转速和额定转速的确定224.2.3电机额定转矩与最高转矩的确定234.3传动系统的匹配254.3.1传动系统参数对整车性能的影响264.3.2 纯电动客车传动系参数的选择274.4动力电池的选型284.5动力系统参数匹配结果324.6 匹配结果验算324.6.1最高车速的验算334.6.2最大爬坡度的验算344.6.3加速性能的验算354.6.4 续驶里程的验算364.7 与电动车相关的国家政策分析364.8 本章小结37第五章 全文总结与展望385.1 全文总结385.2 展望38致 谢40参考文献41附录43 第一章 绪论1.1 课题研究的背景在18世纪80年代，第一辆内燃机汽车在德国诞生，它的发明人叫做Karl Friedrich Benz。自那时候开始，汽车行业就像火箭一样快速的发展壮大。汽车以绝对的优势占据了生活中交通工具的主流。汽车行业的崛起，对整个国民经济的促进作用非常大。在某种意义上来说，汽车的诞生使整个世界换了一个全新的面貌1。然而，另一方面传统汽车也带来了一系列的弊端。经过分析大量的资料发现，以内燃机为动力的汽车工业受到的挑战主要包括能源和环境这两方面。面对这些能源和环境的严峻挑战，各国政府均投入了大量的物力、财力研究新能源汽车，改变传统汽车的发展模式。实现交通行业能源的转型，已经成为传统汽车行业可持续发展的主要手段。电动汽车由于具有较大的节能环保潜力并且更易于产业化，故而受到了世界范围内的广泛关注。从这个趋势来看，电动汽车将会逐渐的取代传统燃油车成为社会上人们出行的主要交通工具之一。当然这并不仅仅是因为电动汽车对环境无污染、操纵简单、噪声也小，更突出的一点就是电动汽车代表了一种新的生活方式，也贯彻了可持续发展的理念。各国政府及汽车企业均已将电动汽车产业化作为其近期的发展方向，这同时也对电动汽车的技术水平以及整车性能的提高提出了更为迫切的实际需要。1.2 课题研究的意义大力发展纯电动汽车的发展，可以有效地改善传统内燃机所带来的环境污染，也可以缓解能源短缺所带来的压力。可以预见电动汽车会将汽车这个行业带向另一个新的高度。电动汽车涉及的学科领域很多，是比较繁琐的一项系统化工程。目前因有些技术方面的难题还没有解决，限制了纯电动汽车的快速发展。对于纯电动汽车来说，电池技术方面的难题可以说是致命伤。电池技术上的难题主要包括无法完全满足汽车行驶的需求，另外也存在电池的重量大、体积大、费用高的问题。在电池技术难题没有被攻克下来时，可以寻找另一个突破口对纯电动汽车的动力传动系统参数进行合理匹配2。动力传动系统参数匹配的合理与否直接影响到整车性能指标（爬坡能力、最高车速、加速能力和续驶里程）的高低。所以要想使纯电动汽车的实用性提高，更好的满足人们日常生活的需求，必须要解决的一个问题就是动力传动系统参数合理匹配的问题。1.3 汽车动力传动系统匹配方法现状研究在传统汽车行业的不断发展中，车辆的在动力性和经济性方面的性能都有非常明显的提高。之所以能有这样的局面是因为许多工程人员都在车辆的动力传动系统的匹配方面做了大量的努力。在当时技术手段和工具等条件有限的情况下，匹配动力传动系统主要就是通过定性定量的分析和计算、经验数据和经过许多的测试数据来设计匹配。具体步骤包括3：（1）对设计开发的同款车型进行一定的市场调查；（2）对市场调差的结果进行分析，提炼对设计匹配有用的信息；（3）参考之前已有的车型，结合工程经验，构思可行的方案；（4）试制样车并进行一定的检查和试验；（5）根据实验的结果对样车进行合理的修改；（6）敲定一个最佳的设计方案。这种方法有许多弊端，比如设计的质量不高、研制的周期长等。但是随着随着计算机应用的越来越广泛和现代计算方法迅速的发展，计算机仿真模拟与性能计算的技术在车辆的设计过程占据了无比重要的位置4。在车辆的研发设计中，通过计算机仿真模拟和性能计算的技术手段，以车辆各部件系统的一些特性为基础，对动力传动系统各参数进行初步的选择，再通过仿真和试验的方法对车辆的整车性能进行评价，最后可以将参数实行优化组合，选择最佳的设计参数，使整车的各性能达到最优化。利用这种技术手段就可以很方便的做出最佳方案，也大大提高了设计质量，缩减了开发新产品的周期。1.3.1国外研究现状国外最早利用计算机对车辆动力性与经济性进行研究，也取得了非常大的研究成效。许多企业见证了计算机对车辆匹配过程的优越性之后，对匹配计算的软件进行了大力开发。在1972年，一种名为GPSIM的软件被美国的通用公司开发出来。这款软件可以模拟出汽车在所有行驶工况下的累积油耗、瞬时油耗、行驶时间和距离，并预测汽车的一些设计参数譬如传动系速比、重量、空气阻力系数等的变化对整车性能的影响5。其他后续被其他公司开发出来的比较有名的一些仿真软件有AVL-Cruise、GT-Driver、Advisor、Past等。根据相关资料的搜集可以发现，国外利用模拟计算软件对车辆动力传动系统的匹配和优化设计，主要体现在下列这些方面6：(l)研究设计不同的变速器对汽车性能的影响，通过减小传动比来提高车辆的经济性，但是这样会降低车辆的动力性；(2)研究增加变速器档位、优化变速器传动比分配对汽车性能的影响，设计具有更多档位的变速器，使动力能在传递过程更加平稳、顺畅；(3)改变汽车的布置、结构、尺寸，采用新型的材料，改造各总成部件以减少汽车整备质量，使得汽车的动力性和经济性得以提高。1.3.2国内研究现状我国的汽车技术相对国外而言是比较晚的，对于利用计算机性能模拟软件对车辆动力传动系统进行匹配优化的研究也是从80年代后期才开始7。研究之后也取得了一些可喜的成果：1983年，长春汽车研究所开发的汽车动力性和燃料经济性通用模拟程序。这种程序能够在排除如天气、司机状态影响等外界因素的影响下发现对汽车的性能能产生影响的参数8。1990年，清华大学提出动力性、燃料经济性的计算机模拟的方法。这种方法参考了国外的许多经验模型，简单合理地演示了汽车动力传动系统的基本运行过程9。李伟华用驱动特性的实际数据和理想数据，并利用权重法和价值评价方法来评价动力性和经济性10。最近几年，国内通过一些仿真模拟软件对车辆动力传动系统方面的研究工作主要包括四个方面，如图1.1所示。图1.1 对车辆动力传动系统方面的研究工作纯电动汽车动力系统参数的匹配，是在传统汽车的基础上建立的动力系统数学模型，进而对动力系统的相关参数进行优化匹配。纯电动汽车的匹配研究技术在国外的一些公司非常成熟。甚至开发的部分纯电动汽车的整体性能远远超于传统燃油汽车。纯电动汽车的动力传动系统的匹配过程与传统车很相似，主要内容就是通过分析纯电动汽车动力传动系统参数对整车性能的影响，选择与传动系统能够合理匹配的电机，并且深入研究如何选择传动系统的传动比。1.4 本论文研究的主要内容本论文的课题是在某公司某轻型纯电动客车研发项目的基础上提出来的，研究的主要内容则包含以下几项：（1）介绍纯电动汽车的基本结构与一些关键技术；（2）分析电动汽车传动系统的布置方式；（3）对整车的性能目标进行解读；（4）对电动汽车动力系统参数设计的原则和方法进行分析和探讨；（5）根据整车性能参数对其动力系统进行合理的参数匹配；（6）对匹配后的参数进行验证，判断是否满足整车性能目标；（7）分析相关国家补贴政策，判断整车是否满足国家补贴政策。第二章 电动汽车的基本结构及关键技术2.1 电动汽车的基本结构及工作原理电动汽车与传统汽车在结构上的区别并不在于车体和车架的设计上面，主要区别在于电动汽车在结构布置方面非常的灵活。电动汽车是以柔性电线为传输载体将从蓄电池传出的能量传送给驱动电机。所以电动汽车就会比传统内燃机汽车的灵活性要强很多（传统内燃机汽车以万向节或联轴器等传输动力）。同时在选择电动客车驱动系统的布置方案时也可以更加的灵活，举个例子来说，完全可以采用轮毂电机的四轮独立驱动方案来代替以前的布置方案，这样做的话就可以使汽车的内部空间变的非常大。从上述方面来看，纯电动客车在结构布置方面比传统汽车要更具有优势。电动汽车系统一般由电力驱动、主能源管理以及辅助控制这三个子系统构成，如图2.1所示。其中，电力驱动子系统主要是由电机控制系统、电动机、驱动车轮和机械传动系统组成。主能源管理子系统则主要由主电源和EMS (即能源管理系统）和充电系统三部分组成，并且可以监控利用能源、也可以实现能源再生以及协调控制等各项功能11。辅助控制子系统（又称为整车控制器）具有控制温度和辅助提供动力等功能，其主要工作流程是先收集踏板信号和其它信号，再分析信号中包含的信息并迅速做出一系列的决策，最终向下级各部分发出一系列的指令且使其执行。还有一点就是在汽车正常行驶的条件下可以有效的提高能量使用率。当电动汽车制动时，再生制动的动能转换成电能储存在电池中，在这个时候功率流的方向会变成相反的。能量管理系统和电控系统共同作用控制再生制动及能量的回收，能量管理系统和充电器则是共同控制充电并监测电源的实时使用状况。辅助动力供给系统向辅助系统提供相应的电压而且还要提供必要的动力，主要是给动力转向、空调、制动和其他辅助装置提供动力。图2.1 纯电动客车基本结构示意图 2.2 电动汽车的关键技术电动汽车属于一种新型产品，它涉及的领域非常多，包括计算机、能源与新材料、电力电子等领域。它的关键技术主要有能量管理方面的技术、电机及控制的技术、电池技术、电池充电技术、车身和底盘技术。汽车的车身和底盘技术已经非常成熟，故限制电动汽车发展和普及的关键技术主要是不太成熟的技术，包括电机及其控制技术、电池技术、电池充电技术和能量管理技术。 2.2.1 电机及其控制技术1）电机的性能要求电动汽车上使用的电机不同于工业上用的电机。原因在于后者所用的电机一般要求能在额定条件下长时间工作，而前者则需要电机能够频繁的加速/减速、启动/停车，低速或爬坡时要求较高的转矩；车辆在高速行驶条件下要求较低转矩，同时保证变速的范围较大。驱动电机为纯电动客车提供源源不断的动力，其性能对整车性能非常重要。因此，纯电动客车对电机的性能提出了一些要求：（1）较强的过载能力。要想车辆具有良好的动力性，电机就要有强大的功率、转矩过载的能力。峰值转矩在平常条件下会达到额定转矩的2倍以上，峰值功率一般是额定功率的1.5倍以上，并要求在峰值状态的时间不少于5分钟。（2）较快的转矩响应。通常是用低速恒转矩和高速恒转矩的控制手段，要求转矩能够很快的响应、波动不能过大、良好的稳定性。（3）调速范围宽。需要电机能在比较大的范围内调速，能够在四象限内正常工作。（4）高效工作区宽。电机驱动系统具有较高的效率。（5）驱动系统较高的可靠性、良好的电磁兼容性、方便日常保养。（6）功率密度要高。为了方便安装电机和控制系统。 2）电机控制技术 控制电动机模式有很多种，比如：变频变压控制和矢量控制技术、线性控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制和变结构控制等。直流电机的控制主要采用的是直流斩波器，通过脉宽调制方式在斩波器频率不变的情况下改变脉冲的宽度，从而改变平均输出电压的大小，来控制电机的转速和转矩以达到调速目的。感应电机主流的控制方法主要有直接转矩、矢量控制法。永磁无刷直流电机常用的控制方法是电流斩波法，控制系统由桥式变换器、电机转轴位置检测器、PWM 控制电路等部分组成。永磁同步电机在低速状态时多采用矢量控制法。开关磁阻驱动电机采用引入Backstepping法等非线性控制方法，以及神经网络、模糊控制等智能控制方法。2.2.2 电池及其充电技术1）电池纯电动汽车结构中用来储能的装置就是电池，其储存的电能可以向车辆提供任何行驶工况下所需要的动力。因为这个原因，蓄电池的一些参数与汽车的整体性能是密切相关的，譬如电池体积的大小、质量的大小及其存储的能量的多少对电动汽车续驶里程和动力性能的影响就非常大。在某种程度上来说电池技术上的难题也是现阶段电动汽车行业高速发展的头号难题。电动汽车上所用的电池应具有以下特性12：（1）使用性能稳定可靠而且循环使用寿命长；（2）较低的自放电率，较高的充电效率；（3）动力电池的工作温度范围应尽可能大；（4）具有充电迅速和能够深度（如80%DOD）放电能力；（5）安全性高且可回收性能较好；（6）较高的比能量和比功率。2）电池充电技术为了能使电动客车正常行驶，就需要能让动力电池方便且快捷的充电。因为动力电池的充电属性因型号和类别不同有很大区别，所以一般充电方式要与该车辆的动力电池的充放电曲线相匹配，以保证电池局域良好的的使用性能。电池的充电属性一般在0.1C至0.3C之间是最佳的。电动汽车的充电方法一般分为常规充电、快速充电和更换电池组。这三种充电方法的特点及使用情况如表2.1所示。充电方式特点适合使用的情况分析常规充电又称为普通充电，充电的电流小时间长，属于慢充。一般会在晚间的用电低谷期进行充电，通过用充电桩在家就可以完成充电。快速充电也是应急充电，可以解决续航里程电量补给的问题，但对电池寿命有影响，因电流较大，对技术、安全性要求也较高。主要特点就是高电压、大电流，充电时间短。此种方法充电电流大，需要在充电站中进行。更换电池组更换电池时间较短，但要求电池的外形、容量等参数完全统一，同时，还要求电动汽车的构造设计能满足更换电池的方便性、快捷性。更换电池组的专业化要求挺高的，仅适合在充电站使用。表2.1 三种充电模式的特点及适用情况分析2.2.3 能量管理技术电源管理系统的作用是为了对电池组的实时状态进行监控，避免电池过度的充放电，也可以减轻甚至消除因电池间电压不平衡对蓄电池造成的损害，可以有效地增加电池的生命周期和电池组的电量。 蓄电池的能量管理系统的主要组成部分及其作用如下所示13:(1)数据采集 利用传感器实时检测电池的充放电状态、温度等参数。(2)数据通信 通过整车的通信协议共享信息，实时显示电池的主要性能参数。 (3)电气控制 系统根据检测的蓄电池的实时参数控制电池的充放电状态，保证蓄电池在稳定可靠的条件下工作。(4)剩余容量的估算 利用传感器获得的数据估算电池的剩余能量，即SOC值。(5)热管理 搜集电池测温点的数据对电池的温度进行实时控制，防止电池过热。(6)安全管理 根据采集的各种数据预测电池的各种性能，对可能出现的故障提前报警。2.3 本章小结本章主要介绍了电动汽车的基本结构和工作原理，也简单介绍了一下阻碍电动汽车迅速发展的关键技术问题。第三章 纯电动汽车动力传动系统与整车参数性能的相关介绍3.1电动汽车动力传动系统的布置电动汽车上非常重要部分就是动力传动系统，其性能对电动汽车的整车性能有着非常大的影响。在如今技术条件有限的情况下，其动力传动系统有以下几种布置方式14，15： （1）动力传动系统中带有变速器这种布置属于常规型，其优点在于可以有效提高电动汽车刚启动时的扭矩，从而增加车辆的爬坡能力和加速能力。其动力系统结构简图如图3.1所示。图3.1 动力系统结构简图（2）动力传动系统中没有离合器和变速器 这是对电动机性能要求很高的一种布置方式。需要电动机的起动转矩大、后备功率也要大，这样才能使车辆起动、爬坡、加速时具有足够的动力。其动力系统结构简图如图3.2所示。图3.2 无变速器的电动汽车的动力系统结构简图（3）将电动机装到驱动轴上这种布置方式属于无差速器型。这种传动方式相对前几种布置方式而言，对电动机的要求更高些，既要满足起动转矩也要满足车辆有较大的后备功率。而且也要求控制系统的控制精度高和可靠性要好，从而保证电动汽车能够安全、平稳的运行。其动力系统结构简图如图3.3所示。图3.3 无差速器型电动汽车的动力系统结构简图（4）将电动机安装到车辆的驱动轮上这类电动汽车的特点是无动力传动装置，把驱动电机安装在驱动轮的轮毂内，如图3.4所示。图3.4 轮毂电机结构图我国的电动汽车基本上是在传统车的基础上改装而来的。当然改装的过程并不是简单的将发动机换成电机而已，改装过程中需要对电动机、蓄电池、减速器、变速器和控制系统等相关部件的参数进行合理的匹配，同时在总体方案布置时也要保证轴荷分配合理、连接可靠等。本论文中纯电动客车的动力系统选择的是第一种有变速器的布置方案。3.2 电动汽车动力传动系统的匹配方法在如今能源紧缺和环境污染的双重胁迫下，“节能低碳”的理念已经被各国人民深埋于心。随着新兴产业新能源汽车产业的发展，许多新能源汽车的研发技术也是层出不穷。纯电动汽车以其绝对的优势无污染，零排放等，逐渐取代传统内燃机汽车成为世界上汽车行业的主要战略取向是毫无悬念的。在电动汽车的前期研发阶段，精确设计动力系统，合理匹配动力系统部件，可以最大限度的开发现有电动汽车技术的潜能，也可以提高能量的利用效率。纯电动汽车的发展在全世界的范围内都引起了高度关注，许多汽车公司均投入了大量的财力、人力、物力来研发和生产新能源汽车，使得新能源汽车研发领域得以迅速的发展和扩展。经过搜集关于最近几年国内外纯电动汽车动力系统参数匹配方法方面的资料，发现目前比较常用的匹配方法主要包括下列几种方法16： 1）以满足动力性及续驶里程指标为目标的基础匹配 这是与传统燃油车的匹配方法非常相似的一种方法。匹配目标就是达到纯电动汽车设计的动力性及续驶里程的性能指标。通过一系列的理论计算以及相关的匹配原则来选择动力系统参数，比如：(1) 电机的峰值功率根据最高车速、最大爬坡度和加速时间这三个方面综合确定；(2) 电机额定参数则是由电机的过载系数和基速比的经验值来确定；(3) 电机的最高转速则是根据最高车速和主减速器的主减速比来确定；(4) 传动系的最大传动比由电机的最大扭矩来确定，最小传动比则由最高车速和电机的最大转速来确定；(5) 电池的数目和容量则是根据纯电动客车的续驶里程来确定。这种传统的匹配方法比较直接也很简单，能有效地缩短产品的开发周期。但是这种匹配方法有一个缺点就是在达到车辆的输出功率要求时，对车辆的能量消耗方面的考虑并不是非常充分。在匹配过程中整车系统子部件之间的耦合关系也没有考虑的很全面，换种话说就是忽略了某一部件参数取值变化对其他部件的影响。因此匹配结果用于工况仿真和实车运行时效率往往较低，整车能耗有较大降低的空间。2）以降低能耗和提升利用效率为目标优化系统各部件参数为了使纯电动汽车的续驶里程得以增加、能量消耗率得以降低，许多研究人员就在动力系统参数匹配过程中引进优化的过程。优化的过程一般是以车辆的动力性和续驶里程为优化的约束条件，以提高整车的效率和降低整车的能耗为目标来优化动力系统某一部件的参数，最后再根据优化的结果来选择和确定满足续驶里程长、能量消耗率低的最优参数。 在这里列举几个例子来补充说明这种优化方法在实际的设计过程中的应用：（1）湖南大学的周兵等对两档变速器的传动比进行车辆续驶里程和起步加速时间的双目标优化17；（2）重庆大学的秦大同等以车辆的动力性能指标为优化的约束条件、以电机能耗最低作为优化目标优化变速器的两档位传动比18；（3）合肥工业大学的王方以续驶里程为目标优化变速器传动比19；（4）吉林大学的王伟把电机效率最高当做优化目标来确定电机额定参数20。在这些研究中，优化的变量大部分都是动力系统单一部件譬如减速器、电机，对每个部件参数的优化匹配是独立的。这就会导致忽略其余部件若参数发生变化时对整车及其他部件能量消耗、功率输出的影响，从而使得优化的结果并不是非常精确。 3）分析整车性能需求和部件特性，结合整车仿真平台优化动力系统参数 为了使得动力系统参数匹配的结果最优化，这就要求在匹配过程中要充分考虑各个部件之间的耦合关系，换句话来讲就是应该从整车得角度来优化匹配整车动力系统参数。在这里也列举几个例子来说明一下：（1）哈尔滨工业大学的张新磊通过结合整车仿真模型对电机功率、电池节数及主减速比同时进行优化21；（2）哈尔滨工业大学的田德文以整车质量最小为目标函数对电机额定转矩、电池能量及传动比进行了优化22。这些例子都是从整车需求角度出发结合动力系统参数之间的耦合关系，建立约束条件，同时利用先进的优化算法选择多个目标函数优化动力系统参数。但是在匹配过程中常常简化了电机、电池的模型，使得不能将匹配参数与部件直接联系在一起，最终导致部件的真实特性无法完全显现出来，也会使得匹配结果容易产生偏差。 综合这几种匹配方法的特点，可以知道要对电动汽车进行整车动力传动系统的匹配就需要尽可能的从整车角度充分考虑整车及各部件的动力和能量需求，深入研究与其相关的各部件特性以及各部件之间的耦合关系，制定合理的匹配流程，这才会使得匹配的结果较为准确。在本论文中匹配某型纯电动客车的动力系统参数选择用的是第一种匹配方法。3.3 某轻型纯电动客车的整车参数本论文中的轻型纯电动客车是在某一款燃油客车的基础上改装而来的，其一些基本参数如表3.1所示。表3.1 某轻型纯电动客车整车基本参数项目数据轮胎半径R(m)0.353滚动阻力系数f0.012整车总重M(kg)4300最小离地间隙（mm）196最小转弯半径（m）13.5主减速比i04.545接近角/离去角21/17风阻系数CD0.4车的宽度B(m)1.737车的高度H(m)2.59Nt直接档传动效率0.96Nt其它档传动效率0.943.4某轻型纯电动客车的性能目标纯电动轿车的动力性能和续驶里程是电动车研发过程中必须解决的两大难题。要提高整车的动力性能，一方面要提高动力电池的性能，改善其大功率放电的特性，另一方面减轻整车重量，合理选择动力参数；要增大纯电动汽车的续驶里程，一方面要配备电池管理系统，尽可能充分利用电池组中的有限能量，另一方面提高逆变器的转化效率和再生能量回收效率。电动汽车动力系统相关参数的设计应该满足车辆对动力性能的要求和续驶里程的要求23。 3.4.1电动汽车的性能评价指标1）电动汽车的动力性指标电动汽车的动力性指标与传统燃油车是一样的，主要从以下四个方面来评价车辆动力性的好坏：（1）加速能力 电动汽车的加速性能用车辆原地起步加速的能力和超车加速的能力来表示，一般常采用汽车加速过程中所经过的时间和加速距离作为评价汽车加速性能的指标。（2）以额定车速稳定行驶的能力 电动汽车的动力电机和电池需要保证能提供车辆以额定车速稳定行驶的全部功率需求，而且至少要在我国的道路上能克服坡度为3%的路面阻力。 （3）以最高车速稳定行驶的能力电动汽车的最高车速是指车辆在无风的条件下，在水平、良好的硬路面上所能达到的最大车速。电机发出的功率使车辆能够在最高车速下稳定行驶的能力。 （4）爬坡能力 电动汽车的爬坡能力是指车辆在良好路面上以最低车速上坡行驶的最大坡度。 2）电动汽车的经济性指标 电动汽车的经济性指标主要有两个方面就是能量消耗率和续驶里程，这里主要介绍下续驶里程。电动汽车的续驶里程是指动力电池组在充满一次电后所能行驶的最大里程。电动汽车的续驶里程短是导致近一个世纪以来始终落后传统燃油车的重要原因。降低电动汽车的能量消耗，提高利用效率，增加续驶里程是发展电动车必须要解决的课题。随着社会进步和科技的发展，解决这个难题指日可待。3.4.2 某型纯电动客车的性能要求某型纯电动客车的性能要求如表3.2所示。表3.2某型纯电动客车的性能要求项目数据纯电动客车30分钟的最高车速100km/h纯电动客车行驶1km的最高车速120km/h纯电动客车的最大爬坡度25%纯电动客车的最大起步坡度20%纯电动客车从0-30km/h的加速时间t7s纯电动客车从30-50km/h的加速时间t11s纯电动客车以40km/h的速度行驶时续驶里程300km3.5 本章小结本章主要介绍了纯电动汽车传动系统的结构布置方式，阐述了本论文中对动力传动系统匹配的方法以及纯电动客车的性能评价指标、整车参数和一些性能要求，为下一章的参数计算提供理论依据。第四章 纯电动客车动力传动系统参数的匹配4.1 电动汽车上常用电机的介绍常见的电机类型主要有直流电机、异步电机、开关磁阻电机和永磁电机四种。列举四种电机的外形及构造如图4.1、图4.2、图4.3、图4.4所示。 图4.1 有刷电机 图4.2 异步电机 图4.3 永磁电机 图4.4 开关磁阻电机这四种电机各自的特点如表4.1所示2。表4.1 电机类型及其优缺点电机类型优点缺点直流电机成本低、易于无极调速、控制器简单便宜、技术成熟体积大、重量重、效率低、定期维护导致使用不方便续表4.1电机类型优点缺点异步电机（交流感应电机）与直流电机系统相比效率高、结构简单、坚实可靠、免维护、体积小、重量轻、易于冷却、寿命长控制成本较高开关磁阻电机（1）成本低，产生的热量少，使轴承寿命变长，凸极的转子转动惯量很低，方便调速控制（2）定子安装比较容易、稳固，易于冷却，转子是没有永磁体的，最大允许温升的范围较高（3）启动需要的电流较小，启动转矩大的优点在低速运行阶段也很明显，非常适合经常启动和低速重载运行的机械（1）能量转换密度低（2）相数越多，主接线数也越多，主电路比较复杂（3）较大的转矩脉动，导致产生噪声和发生谐振问题的情况很突出永磁电机永磁无刷直流电动机控制器简单、输出转矩大转矩脉动大永磁交流同步电动机转矩脉动小、效率高、功率密度大控制器较复杂为了更直接的认识更深刻的认识这四种类型电机，特将四种类型电机的参数进行了比较，如表4.2所示。表4.2 不同类型电机性能参数项目直流电机感应电机永磁电机开关磁阻电机功率因素828590936065峰值效率8589949595978590转速范围（r/min）400060001200020000400010000可以15000恒功率比例1:51:2.251:3续表4.2项目直流电机感应电机永磁电机开关磁阻电机可靠性一般好优良好功率密度低中高较高过载能力（%）200300500300300500负荷效率8087909285977888控制操作性能最好好好好控制器成本低高高一般电动机质量重中等轻轻外形尺寸大中小小结构坚固性差好一般优良经综合考虑各类型电机的特点，决定选取永磁直流电机作为本文中纯电动客车的驱动电机。目前有两种方法用来选择电机：（1） 根据整车性能目标，计算出电机的主要参数，然后向制作电机的公司提出要求，由电机公司设计出所需的电机，再提出控制要求，由电机公司对该电机设计控制系统，但这样方法有些不足就是成本比较高，而且实验设计得周期也会相对长些；（2） 根据整车性能目标，计算出电机的主要参数，再选择一款现有的成熟的，其参数与设计要求基本相符合的电机。这种方法的不足在于由于采用的电机参数与计算值并不是非常的吻合，所以最好对传动系的传动比进行优化设计，以充分利用电机和电池的工作特性，并使其在工况下工作效率最高，以获得更好的汽车动力性和经济性。在本文中采用第二种方法来选择电机。 4.2 电机的参数计算与选型电机的主要参数是根据该型纯电动客车的动力性要求来匹配的，主要包括电机的额定功率、最大功率、额定转速、最大转速、额定扭矩、最大扭矩这些参数的设计。4.2.1 电机额定功率、峰值功率的匹配额定功率和峰值功率对电机的性能影响特别的大，可以说是其所有参数中最重要的。所以这两个参数值的合理选取对纯电动客车来说十分重要。驱动电机额定功率选择过小，将直接导致整车性能不能满足设计要求，同时还由于电机长期处于过载状态，其寿命将被严重缩短；选择过大，虽然会产生比较多的后备功率，在一定程度上提升了整车的动力性，但由于电机不能长期在最大效率区域工作，其效率及功率因数均会降低，直接导致整车经济性下降，造成能源的浪费。1）根据最高车速vmax的要求电机的功率必须能够满足电动汽车在最高车速行驶时所提出的功率需求24， （4.1）式中：P1max电动汽车以最高车速行驶时所需的功率（kw）； m 整车质量（kg）； g重力加速度（m/s2）； f滚动阻力系数； CD空气阻力系数； A 电动汽车的迎风面积（m2）； T动力传动系统的总效率。将不同的车速带入到式（4.1）中，则可以得到车速与电机功率需求的关系曲线，如图4.5所示。图4.5 最高车速与功率的需求关系曲线将最高车速vmax=100km/h带入式（4.1）中就可以得到P1max=40.086 kw，取整得P1max=41 kw。2）根据最大爬坡度i的要求 （4.2）式中：P2max电动汽车在坡度为20%的坡道上行驶所需要的功率（kw）； v1电动汽车爬坡时的车速（km/h）； amax最大爬坡角度（），i最大爬坡度。将不同的坡度值带入到式（4.2）中，则可以得到爬坡度与电机功率需求的关系曲线，如图4.6所示。图4.6 爬坡度与电机功率需求的关系曲线将最大坡度值imax=25%，max=arctan（imax）=14。带入式（4.2中）得到P2max=63.353kw，取整得P2max=64kw。3）根据加速性能要求汽车在起步加速过程中可以按照经验公式来求2526：