電動汽車傳動系參數(shù)設(shè)計及動力性仿真【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計】

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目錄 摘要 ??????????????????????????????????? 2 ??????????????????????????????? 2 第一章 緒論 ????????????????????????????? 3 題研究的目的與意義 ?????????????????????? 3 內(nèi)外電動汽車的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 ????????????????? 4 外發(fā)展趨勢 ???????????????????????? 4 內(nèi)發(fā)展趨勢 ???????????????????????? 5 究主要 內(nèi)容 ?????????????????????????? 6 第二章 電動汽車傳動系的參數(shù)設(shè)計 ??????????????????? 7 動汽車傳動系統(tǒng)布置方式 ???????????????????? 7 電池數(shù)學(xué)模型 ????????????????????????? 8 流電機的數(shù)學(xué)模型 ??????????????????????? 8 動汽車傳動系統(tǒng)設(shè)計 ?????????????????????? 10 動機參數(shù)設(shè)計 ??????????????????????? 11 動系統(tǒng)傳動比設(shè)計 ?????????????? ??????? 13 池組容量設(shè)計 ??????????????????????? 14 計實例 ???????????????????????????? 15 動機參數(shù)選擇 ??????????????????????? 15 動系統(tǒng)傳動參數(shù)設(shè)計 ???????????????????? 16 電池參數(shù)設(shè)計 ??????????????????????? 16 第三章 電動汽車動力性仿真 ??????????????????????? 17 電動汽車動力性評價指標 ???????????????????? 18 件簡介 ??????????????????????? 18 利用 ?????????????? 18 ????????????????? 19 利用 ?????????? 21 第四章 論文總結(jié) ???????????????????????????? 25 致謝 參考文獻 ????????????????? ???????????????? 26 電動汽車傳動系參數(shù)設(shè)計及動力性仿真 摘要： 當今關(guān)于環(huán)保和能源問題備受關(guān)注，為解決這些問題，電動汽車呈獻出加速發(fā)展的趨勢。在汽車市場競爭日趨激烈的今天，如何快速、低成本的開發(fā)出技術(shù)指標高、符合市場需要的電動汽車，成為了新的課題。計算機仿真技術(shù)的開展，極好地解決了這一難題。根據(jù)課題的要求和客觀條件允許，本文采用了 本文在對電動汽車相關(guān)技術(shù)進行了綜合分析的基礎(chǔ)上，根據(jù) 動力電池 、異步電機和整車受力情況建立了數(shù)學(xué)模型，主要對整車的動力性進行仿真，設(shè)定以下幾項計算任務(wù) :工況行駛和續(xù)駛里程計算、最高車速、最大爬坡度計算和加速性能等，在學(xué)習(xí) 立了 進行了動力性的計算。仿真結(jié)果表明，車輛的續(xù)駛里程、車速、加速性能和爬坡性能等動力性能基本滿足性能指標要求，說明 部件的參數(shù)選擇能夠確保整車動力性能達到要求的指標。 關(guān)鍵詞 :電動汽車，動力性能，仿真， of as a of In to a V of a V— In of V, to of of V, be It to in 第一章 緒 論 隨著科學(xué)技術(shù)的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚拇胶瓦\輸工 具。汽車工業(yè)在當代世界經(jīng)濟活動中發(fā)揮了巨大的作用，是當今世界最大、最重要的工業(yè)部門之一，是世界大多數(shù)國家的支柱產(chǎn)業(yè)。但是與此同時，汽車工業(yè)的發(fā)展所帶來的對石油資源需求的急劇增加和對環(huán)境嚴重的負面影響也日益引起了人們的關(guān)注，為了適應(yīng)發(fā)展的趨勢，世界各國的政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界正在加大對電動汽車開發(fā)投入的力度，加速 電動汽車的商業(yè)化步伐。 電動汽車是集汽車技術(shù)、電子及計算機技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)、能源與新材料技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，是人類新一代的清潔交通工具，與普通內(nèi)燃機汽車相比，具有無污 染、噪聲低及節(jié)省石油資源的特點。基于以上電動汽車自身特點，它的推廣有著不可估量的意義。電動汽車作為“綠色的交通工具”，它的投入運行不僅對緩解世界能源危機以及環(huán)境問題有著重要的作用，對于我國自身相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及我國汽車業(yè)在國際中的地位也有著及其重要的意義。首先，電動汽車是我國汽車工業(yè)趕超世界先進水平的大好機會。中國在內(nèi)燃機汽車技術(shù)上距國際先進水平有近 20 年的差距，但在電動汽車等環(huán)保型汽車的生產(chǎn)研發(fā)方面僅有 5年的差距。這意味著中國有可能在環(huán)保汽車時代到來之前，在談判桌上找到自己的位子。 建立我國電動汽車整車的 網(wǎng)絡(luò)、總成及通訊協(xié)議規(guī)程，開發(fā)電動汽車基本車輛控制器模塊，發(fā)展帶有電子管理系統(tǒng)的高性能動力蓄電池組和具有數(shù)字控制系統(tǒng)的電機驅(qū)動系統(tǒng)，可大力促進我國電動汽車零部件產(chǎn)業(yè)的形成。專家人士介紹無論采取何種類型的電動汽車作為突破口都將帶動新的產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成一石多鳥的效應(yīng)。以電子產(chǎn)品為例，據(jù)估計，由于應(yīng)用的大大提高，電子產(chǎn)品在汽車造價的比例將由傳統(tǒng)汽車的 10%上升到電動汽車的 60%，按照到2030 年我國電動汽車生產(chǎn)規(guī)模為 1000 萬輛，平均每輛車售價為 10 萬元計算，我國電動汽車產(chǎn)業(yè)化所帶動的電子產(chǎn)品市場容量將達到 6000 億元。與此同時，由于電動汽車對材料的輕量化要求還將是新材料、新技術(shù)的試驗場，為新材料、新技術(shù)的開發(fā)提供了用武之地。比較而言，電動汽車作為機械、冶金、電子、能源、新材料和計算機產(chǎn)品的集成，同時也是信息技術(shù)、生物技術(shù)、數(shù)字技術(shù)等多種高新技術(shù)的集成，是典型的高新技術(shù)產(chǎn)品，其最終目標是智能化、數(shù)字化和輕量化。在這一實現(xiàn)過程中，與傳統(tǒng)汽車相比，其對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的帶動效益將大上幾倍。 早在 19 世紀 30年代，英、法等國就有人研究電動汽車。 1831年，約2亨利 (明了直流電動機，不久世界上第一輛電動汽車問世。 1834 年，蘇格蘭人 (明了第一部真正具有實際意義的電動汽車，比 1886 年誕生的第一臺內(nèi)燃機汽車還要早半個世紀，這部電動車采用的能源是不可充電的簡單玻璃封裝蓄電池。 1859 年，法國人普蘭特 (明了世界上第一只可充電的鉛酸蓄電池，為電動汽車的實際應(yīng)用開辟了道路。 1881 年，法國人特魯夫 (一次將直流電機和可充電電池用于私人車，在同年巴黎舉行的國際電器展覽會上，特魯夫展出了一輛能實際操作使 用的電動三輪車。這輛車重160速達到 12km/h。 1888年，金鮑爾 (明的電動汽車在美國波士頓投入運營。 1890年，在美國的依柯化州誕生了美國第一輛蓄電池汽車，時速達到 23km/h。 1893年，在芝加哥的世界博覽會上電動汽車第一次取代了馬車被用作禮賓車。 1895年 ~1915年是早期電動汽車的黃金時代，在這一時期美國電動汽車占領(lǐng)了美國私人機動車的主要市場。這個時期的電動汽車代表了當時車輛制造技術(shù)的精華。高雅的四輪轎車、運貨車都可以隨時啟動，加速時完全沒有噪音，在歐美各大城 市可以以 40km/h 的速度行駛，成為當時都市中的一道亮麗的風景線。 1894年，法國人保爾2普沙思 (造了一輛電動四輪敞蓬小汽車， 54個蓄電池分成 6組，電動機功率 2質(zhì)量 1365乘坐兩個乘客，時速可調(diào)整為 16 如圖 1示的電動汽車是于 1894 年出現(xiàn)在紐約街頭的第一輛商用電動汽車， 圖 1 1897年，英國倫敦街頭出現(xiàn)第一輛電動出租車，它的驅(qū)動電機采用的是雙繞組 的直流電機，用變換繞組連接進行變速。車載有約 600重約 1300駛里程為 80 1899年，法國人金納茨 (造的炮彈型鋁合金車身的“永不滿足號” (動汽車時速達 98km/h，在美國創(chuàng)下當時的最高時速紀錄。 1900 年，美國售出的 4200 輛機動車中， 38%是電動汽車， 22%是內(nèi)燃機汽車，還有 40%的蒸汽機車。 1910年，愛迪生 (明的鎳鐵蓄電池一度成為電動汽車的主要能源。 1912 年，是電動汽車的全盛時 期。全美注冊的電動汽車達 輛之多，其中包括轎車、卡車等等。電動汽車的很多性能如經(jīng)濟性、動力性等不如燃油機汽車，所以電動汽車的發(fā)展曾一度陷入低迷。 直到 20 世紀六七十年代發(fā)生了兩件重大事件：一件是汽車的排放污染在美國等發(fā)達國家相繼出現(xiàn)光化學(xué)煙霧，嚴重地威脅了人們的健康與生命安全，導(dǎo)致 1960 年美國加州首先立法控制汽車排放的污染物，此后在美國其它地區(qū)、日本以及歐洲各國相繼實施。另一件是1973 年爆發(fā)中東戰(zhàn)爭引起的石油危機，西方國家的汽車工業(yè)依賴進口石油，石油危機嚴重的威脅到這些國家的利益和安全。這兩大事件 結(jié)束了電動汽車的冬眠狀態(tài)，掀起了研究、開發(fā)及應(yīng)用電動汽車的又一高潮。電動汽車的發(fā)展和開發(fā)得到了各國政府的大力支持，特別是發(fā)達國家如美國、日本、法國、德國等，電動汽車的開發(fā)與研制工作居世界領(lǐng)先水平。 1966年 ~1967年，美國的通用、福特和美洲汽車公司分別開發(fā)了新型的電動汽車，電動汽車進入了現(xiàn)代發(fā)展時期。 20世紀 70年代，克萊斯勒與通用汽車合作開發(fā)了 了三大汽車公司外，許多獨立的專業(yè)電動車開發(fā)公司也紛紛成立，投入電動車的市場競爭之中 [11]。 70年代末期，德國戴姆勒 一批 用鉛酸電池，電壓180V，容量 180A2 h，質(zhì)量 1000高時速 50km/h，最大爬坡度為 16%，原地起步加速到50km/4s，續(xù)駛里程可達 120 90年代初，美國通用公司開發(fā)出 高時速可達 128km/h，從靜止加速到 96km/s，一次充電可行駛 144稱 90 年代電動汽車的經(jīng)典之作。同期，美國福特汽車公司和通用電氣公司聯(lián)合開發(fā)了 姆勒 電力汽車四代”，續(xù)駛里程達到 450 1990年，美國通用公司推出“沖擊” (動汽車，最高車速 120km/h，一次充電的最大續(xù)駛里程 196速性能為 8s(0~h)，對于 22010~10h。 1991年美國三大公司簽訂協(xié)議，合作研究電動車車用先進電池，成立先 進電池聯(lián)合體 ( 1992 年美國政府資助 美元，讓通用、福特、克萊斯勒三大汽車公司組成美國先鋒電子財團 1993年福特汽車公司研制成功電動汽車生態(tài)之星 (并先后生產(chǎn) 81 輛分赴美國各地試運行；克萊斯勒公司的道廳 車裝用鎳鐵電池，備有自動加水系統(tǒng)， 2208小時充滿，最高時速 100km/h。 1995年美國已有 190多家企業(yè)研制和開發(fā)電動汽車，并進行小批量生產(chǎn)。 在 20 世紀 90 年代末，豐田研制出一種蓄電池電動車 車 0~97km/h 的加速時間為 18s，充電一次可連續(xù)行駛 130~160 1998 年，尼桑汽車公司在日本和美國銷售的 用尼桑公司自己開發(fā)的鋰離子動力電池 (循環(huán)壽命長，可反復(fù)充電 1200次，使用壽命約為 10年，一次充電可行駛 124高車速可達 75km/h。 1999年底，三菱公司展出 備了新開發(fā)的大容量、高輸出的鋰離子電池和大功率、高效率的永磁同步電動機。 2002 年，豐田公司推出了燃料電池車的最新成果 合動力車。采用一種高性能 車可載 5 人，最高車速可達 150km/h，續(xù)駛里程為 250車的另一個主要特點是裝有備用電池，可使汽車在制動時重新發(fā)電，這意味著汽車在重填燃料之前可繼續(xù)行駛一段比較長的里程 。 2002 年 1 月，在北美國際汽車展覽會上，美國通用汽車公司展出了 主魔力 )燃料電池汽車。 2004年 11月的廣州國際車展上，本田公司推出了 早在 20 世紀 20 年代，在我國的某些城市就出現(xiàn)過早期的、最為原始的蓄電池車。 40 年代重慶進行過電動汽車的研究與試驗，由于條件所限未能實現(xiàn)。解放以來，我國曾多次興起電動汽車的研制熱潮。第一次是在 1958 年的大躍進年代，當時由于許多技術(shù)問題未能解決，致使研制工作半途而廢。 第二次是在 60 年代初的三年困難時期，國內(nèi) 石油奇缺，為了自力更生解決能源需求，再次興起電動汽車的研制熱潮，取得了不小的進展。 1962年，上海公用事業(yè)研究所進行“蓄電池微型汽車研究”研制成 整車滿載質(zhì)量為 968駛車速達 h，一次充電的持續(xù)里程為 該車實際運行了幾千公里，蓄電池的循環(huán)壽命達到 110次。由于蓄電池的技術(shù)沒過關(guān)，壽命太短，研制工作終止。 第三次是 70 年代初，人們奮力恢復(fù)瀕于崩潰的經(jīng)濟，在我國一些地方又開始了電動汽車的研究，但沒有取得突破性的進展。 進入 80 年代，我國改革開放，經(jīng)濟起飛 ，在北京、上海、天津、洛陽、武漢、杭州、珠海等地研制電動汽車此起彼伏。 1987年 12月成立了中國電工技術(shù)學(xué)會電動車輛研究會。同期我國已研制出多輛電動汽車，如清華大學(xué)研制的電動中型面包車，四川的“中山胡”牌電動微型車，鄭州華聯(lián)電樞高科技有限公司研制的電動牽引車及 1993年，香港大學(xué)研制出 4 座電動轎車 配置了功率為 4564V 鎳蓄電池組。 車最高速度 110km/h， 0~48km/h 的加速時間為 88km/次 充電的續(xù)駛里程為 176 1996年 3月 26日，中國遠望集團總公司研制的兩輛大客車 高時速可達 90km/h，最大行駛里程為 150用三相異步電動機驅(qū)動。 2001 年，科技部組織實施了電動汽車重大科技專項。四年過去，在電動汽車關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)及整車技術(shù)上取得了較大進展，目前，小型純電動車輛已通過產(chǎn)品型式認證試驗，混合動力汽車已開始商業(yè)化試驗示范運行，燃料電池汽車已經(jīng)研制實用樣車，即將開始商業(yè)示范運行。各類電動汽車進入實用化考核階段。我國電動汽車的發(fā)展正步入大規(guī)模產(chǎn) 業(yè)化的前夜。 “ 2008年北京奧運會”和“ 2010年上海世博會”對電動汽車有著 20億元的市場規(guī)劃和需求。由此在國內(nèi)掀起了一股空前的研發(fā)熱潮，首批 74 項課題于 2002年 1月開始攻關(guān)，全國幾乎所有與此相關(guān)的企業(yè)、高校和研究所都已相繼加入，目前，總投入 3億元。國家科學(xué)技術(shù)部在國內(nèi)選定了北京、天津、武漢和威海 4個城市作為電動汽車示范運行城市，經(jīng)過多年運行來看，其整體效果還是不錯的。所以近來，山東、江西、廣東等地的城市也開始陸續(xù)使用電 動汽車來替代原有的公交車輛。 2004年 11 月 12 日，同濟大學(xué)推出了燃料電池轎車“ 超越二號”，最高時速達 118地起步加速到最高時速耗時 駛里程為 168 2005年 2月 3日，東風汽車公司和武漢理工大學(xué)合作聯(lián)合研發(fā)的東風燃料電池電動汽車“楚人一號”通過專家組驗收。節(jié)能和環(huán)保的要求促進了電動汽車的發(fā)展。展望未來的幾十年，在新技術(shù)的支持下，將繼續(xù)發(fā)展蓄電池及先進的驅(qū)動系統(tǒng)。純電動汽車將主要用于小型車輛市場，比如社區(qū)交通。混合動力電動汽車能滿足使用者的需求，將得到迅速發(fā)展。由于燃料電池電動汽車幾乎可以達到零排放，而且比內(nèi)燃機車輛驅(qū)動能力好，所以從長遠來看，它將成為未來的主 流車輛。通過各方面的共同努力，必然會迎來一個清潔電動汽車的新時代。 (1)本論文將對電動汽車電動機、傳動系的傳動比和電池組容量等參數(shù)設(shè)計的原則和方法進行分析和探討。 (2)號的電動汽車作為研究對象，對動力傳動系的主要參數(shù)進行合理的選擇和匹配；基于池等的性能仿真模型。 (3)用電動汽車仿真軟件 的自動尺寸設(shè)計方法對電動機功率、蓄電池容量等參數(shù)進行優(yōu)化處理。 (4)對優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用仿真軟件 整車動力性進行仿 真計算，驗證以鎳氫電池為能源的電動汽車的加速性、爬坡性、最大車速等動力性及續(xù)駛里程是否滿足設(shè)計指標要求，從而驗證優(yōu)化方法及結(jié)果的合理性和有效性。 第二章 電動汽車傳動系的參數(shù)設(shè)計 電動汽車的動力傳動系統(tǒng)是電動汽車的核心部分，其性能決定著電動汽車運行性能的好壞。目前，電動汽車的動力傳動系統(tǒng)具有以下四種布置方式： (1)第一種與傳統(tǒng)汽車傳動系統(tǒng)的布置方式一致，帶有變速器。這種布置可以提高電動汽車的起動扭矩，增加低速時電動汽車的后備功率。 (2)第二種取消了離合器和變速器。這種方式對電動機的要求較高，不僅要求電動機具有較高的起動轉(zhuǎn)矩，而且要求具有較大的后備功率，以保證電動汽車的起動、爬坡、加速超車等動力性。 (3)第三種布置方式將電動機裝到驅(qū)動軸上，直接由電動機實現(xiàn)變速和差速轉(zhuǎn)換。這種傳動方式同樣對電動機有較高的要求，大的起動轉(zhuǎn)矩和后備功率，同時不僅要求控制系統(tǒng)有較高的控制精度，而且要具備良好的可靠性，從而保證電動汽車行駛的安全、平穩(wěn)。 (4)第四種布置同第三種布置方式比較接近，將電動機直接裝到了驅(qū)動輪上，由電動機直接驅(qū)動車輪行駛。 目前，我國 的電動汽車大都建立在改裝車的基礎(chǔ)上，其設(shè)計是一項機電一體化的綜合工程。改裝后高性能的獲得并不是簡單地將內(nèi)燃機汽車的發(fā)動機和油箱換成電動機和蓄電池便可以實現(xiàn)的，它必須對蓄電池、電動機、變速器、減速器和控制系統(tǒng)等參數(shù)進行合理的匹配，而且在總體方案布置時必須保證連接可靠、軸荷分配合理等等才能獲得。鑒于目前國內(nèi)對電動機及其控制系統(tǒng)的研究還未達到使用電動輪的要求，故本論文的研究仍然建立在傳統(tǒng)汽車傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。 在當前的電動汽車仿真軟件中，電池模型多采用內(nèi)阻模型。內(nèi)阻模型將電池看成是一個理想的電壓源和一個電阻串聯(lián)的等效電路，簡化模型如圖 2 圖中 單體電池電動勢（ V）； U —— 工作電壓（ V）； I —— 工作電流（ A）； 等效內(nèi)阻（Ω）。 由圖 2 ?電池 電動勢和內(nèi)阻受多個因素影響，數(shù)值隨電池狀態(tài)時時變化，但通常只考慮主要因素的影響，例如在電動汽車的仿真軟件 ，內(nèi)阻模型將和看作荷電狀態(tài) 溫度 面為了簡化計算，暫將其視為常數(shù)。得到， ( in ??電池的放電功率為： ? 電池的最大輸出功率為： b ?是一個理論的計算值。在實際 應(yīng)用中為了防止過大的放電電流而產(chǎn)生過大的熱量進而影響到電池壽命，通常要求電池工作電壓處于 2/3~1倍的范圍內(nèi)，這樣也可以保證電池具有較高的效率。故在實際應(yīng)用中電池的最大功率應(yīng)限制為： b 92 電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車中最關(guān)鍵的系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)的類型和性能直接決定了電動汽車的運行性能。作為電動汽車的牽引電機，應(yīng)具有寬的調(diào)速范圍、高的轉(zhuǎn)速及足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，還要求體積小、重量輕、效率高，并且能實現(xiàn)動態(tài)制動和能量回饋。由于直流電機具有良好的起動能力 和調(diào)速性能，早期開發(fā)的電動汽車大多數(shù)都采用直流電機作為驅(qū)動電機。然而隨著電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，以及各種高性能電力電子元件的出現(xiàn)，交流調(diào)速技術(shù)有 了迅速的發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)能獲得同直流電機一樣優(yōu)良的調(diào)速性能。而且交流感應(yīng)電機所具有的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠和維護方便等優(yōu)點非常適合電動汽車的要求。所以，在近來的電動汽車研制中，驅(qū)動系統(tǒng)都競相采用交流感應(yīng)電機 (1) 電流、電壓、磁鏈方程交流感應(yīng)電動機三相定子繞阻的電流為： 1 2 0si n ( ?? )240si n ( ?? 式中 f —— 定子繞組電流的頻率； 釘子繞組電流的幅值； ?? 2f? —— 三相定子繞組中電流的角速度。 轉(zhuǎn)子繞阻的電流為： 0si n?)120si n (0 ?? )2 4 0si n (0 ?? 式中 轉(zhuǎn)子繞組單位電流幅值； ?? 2 00f? —— 三相轉(zhuǎn)子繞組中電流的角速度； 60)( 010p ?? —— 轉(zhuǎn)子繞組中電流頻率； p —— 磁極對數(shù)； — 負載轉(zhuǎn)速； 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速； 式中 K──轉(zhuǎn)子繞阻和定子繞阻的匝數(shù)比。 三相定子繞阻、轉(zhuǎn)子繞阻的電壓平衡方程式可寫為： ?? ? 將上述各量度折算到定子的一側(cè)，電壓方程可轉(zhuǎn)寫為矩陣形式： 式中 各相繞組的瞬時電流； 各相繞組的瞬時 電壓； ?A、 ?B、 ?C、 ?a、 ?b、 ?c—— 各相繞組的全磁鏈； 定子、轉(zhuǎn)子繞組的電阻。 每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其它繞組對 它的互感磁鏈之和，因此，六個繞組的磁鏈可表示為： ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????式中 各繞組的互感。 對于每一相繞組來說，它所交鏈的磁通是互感磁通和漏感磁通之和，因此，定子各項自感為： 1 ????轉(zhuǎn)子各項自感為： 2 ????式中 定子漏感； 轉(zhuǎn)子漏感； 1 ?—— 定子互感，轉(zhuǎn)子互感。 兩相繞組之間只有互感?；ジ杏址譃閮深悾憾ㄗ尤嗬@組之間和轉(zhuǎn)子三相繞組之間位置都是固定的，所以互感為常值；定子任意的一相與轉(zhuǎn)子的任意一相之間 的位置是變化的，互感隨著角位移θ的變化而變化?，F(xiàn)在先討論第一類，由于三相繞組的軸線在空間的相位差是± 120°。在假定氣隙磁通為正弦分布的條件下， 第一類互感為： 21??????? 21??????? 第二類互感為： ?c o ????? )120c o s(1 ??????? ???????(2)使用交流電機的電動汽車的主電路的功率模型當采用交流感應(yīng)電機時， 電動汽車的主電路是指給電動汽車行駛提供所需能量的電路，即動力蓄電池組到控制器或逆變器之間的直流電路，以及逆變器與交流電機之間的交流電路，將這兩條電路稱為電動汽車的主電路。 三相交流感應(yīng)電動機功率為： ?c o 式中 逆變器輸出端的線電壓； — 逆變器輸出端的電流； ?— 交流感應(yīng)電動機的功率因素。 電動汽車動力傳動系統(tǒng)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。車輛行駛的動力性能可以用以下四個指標來評價： (1)起步加速性能車輛在設(shè)定時間內(nèi)由靜止加速到額定車速或走過預(yù)定的距離的能力。 (2)以額定車速穩(wěn)定行駛的能力對電動汽車來說，蓄電池和電動機應(yīng)該能提供車輛以額定車速穩(wěn)定行駛的全部功率需求，并且根據(jù)我國的道路狀況至少能克服坡度為 3%的路面阻力。 (3)以最高車速穩(wěn)定行駛的能力在電動汽車上，電動機發(fā)出的功率應(yīng)該能夠維持車輛以最高車 速行駛。 (4)爬坡能力電動汽車能以一定的速度行駛在一定坡度的路面上。另外，在電動汽車上的蓄電池所輸出的電能和電量應(yīng)該能夠維持電動汽車在一定工況下行駛額定的里程。 電動機的功率包括額定功率和最大功率。電動機的功率選得越大，則電動汽車的后備功率越多，加速和爬坡性能越好，但同時電動機的體積和質(zhì)量也會迅速增加，而且會使電動機不能經(jīng)常工作在峰值功率附近，從而會出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，使電動機的效率下降。因此，電動機的功率不能選得太大，應(yīng)該依照電動汽車的最高行駛車速、爬坡和加速性能來確定電動機 的功率。設(shè)計中常常以先保證汽車預(yù)期的最高車速來初步選擇電動機應(yīng)有的功率。已知電動汽車期望的最高車速，選擇的電動機功率應(yīng)大體上等于但不小于汽車以最高車速行駛時行駛阻力消耗的功率之和。電動汽車以最高車速行駛消耗的功率： M g 3m a xm a x 761403600m a x??? 式中 M —— 整車質(zhì)量（ f —— 滾動阻力系數(shù)； — 迎風阻力系數(shù)。 A —— 迎風面積（ 電動汽車以某一車速爬上一定坡度消耗的功率： 036003 ???? 式中 電動汽車行駛的速度（ km/h）； i —— 坡度。 電動汽車在水平路面上加速行駛消耗的功率： ???? 2022111 ?? ??? ? 式中 ? —— 汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)； 車輪的轉(zhuǎn)動慣量（ ； 飛輪的轉(zhuǎn)動慣量（ ； R —— 車輪的 半徑（ m）； 變速箱傳動比； 主減速器傳動比。 總之，電動汽車的電動機功率應(yīng)能同時滿足汽車對最高車速、加速度及爬坡度的要求。所以電動汽車電動機的額定功率： ? ,m a x { ???? 電動汽車電動機的最大功率： PP ?m 式中 ?t—— 機械傳動系統(tǒng)效率； ? —— 電動機的過載系數(shù)。 在電動機輸出特性一定時，傳動系的傳動比如何選擇，依賴于整車的動 力性指標要求，即電動汽車傳動比的選擇應(yīng)該滿足汽車最高期望車速、最大 爬坡度以及對加速度時間的要求。 (1)傳動系速比的上限傳動系速比的上限由電動機最高轉(zhuǎn)速和最高行駛 車速確定。 ? ?U a xm a ? 0式中 主減速器的傳動比； 變速器的傳動比。 (2)傳動系速比的下限傳動系速比的下限由下述兩種方法算出的傳動系 速比的最大值確定。 由電動機最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大輸出扭矩和最大行駛車速對應(yīng)的行駛阻力 確定傳動系速比下限： ? ? T 式中 最高車速對應(yīng)的行駛阻力（ N）； 電動機最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的輸出扭矩（ N2 M）。 由電動機的最大輸出扭矩和最大爬坡度對應(yīng)的行駛阻力確定傳動系速比 下限： ? 式中 最大爬坡度對應(yīng)的行駛阻力（ N）； 電動機最大輸出扭矩（ N2 M）。 電池組容量的選擇主要考慮車輛行駛時的最大輸出功率和消耗的 能量， 以保證電動汽車對動力性和續(xù)駛里程的要求 [25]。 (1)由電動汽車所需的最大功率選擇電池組數(shù)目蓄電池的攜帶能量必須 大于或等于電動汽車的最大能耗，如此才能保證電動汽車行駛要求。所以要 求電池組數(shù)目： Nn ?m a xm a x? 式中 ?e—— 電動機的工作效率； ? 電動機控制器的工作效率； N —— 單個電池組所包含的電池的數(shù) 目。 (2)由續(xù)駛里程選擇電池組的數(shù)目在汽車充電前，蓄電池所攜帶的能量 必須保證電動汽車能夠行駛一定的里程。所以電池組數(shù)目： 000? 式中 L—— 續(xù)駛里程（ W—— 電動汽車行駛 1 單個電池的電壓（ V）。 從 (1)(2)中選擇較大者確定電池組組數(shù)。 計實例 電動汽車的整車參數(shù)和技術(shù)性能如下表： 技術(shù)性能參數(shù) 符號 單位 參數(shù)值 整車整備質(zhì)量 M 350 滾動阻力系數(shù) f — 風面積 A 2m 風阻力系數(shù) 胎滾動半徑 R m 大期望車速 m/h >90 加速性能 T s 0～ 50km/0% 續(xù)駛里程 L 速 >230 工況 >150 直流電動機的電樞電壓、電流和磁通之間耦合較弱，具有良好的機械特性，能在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，起動、制動性能良好。但隨著 生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯現(xiàn)。由于換向器的存在，使其維護工作量加大，最高轉(zhuǎn)速、使用環(huán)境都受到限制。而且交流電動 機經(jīng)過多年的研制，不斷的取得新的突破，逐步獲得電動汽車的青睞。所以本論文選取交流感應(yīng)電動機。 由公式計算得到電動機的最大功率為 動汽車所用的電動機具有較大的過載能力，最大功率可達額定功率的 3倍左右。因此，按勻速模式選擇的電動機功率完全能夠滿足加速模式下動力性能的要求。參考 額定功率 0定電壓 20V ；最大電流 80A；過載系數(shù)λ =高轉(zhuǎn)速 9000r/ 目前，電動汽車主要在市區(qū)和城市近郊使用，它所遇到的工況多種多樣，最低穩(wěn)定車速在3~6km/h 范圍內(nèi)，最高車速可達 100km/h(本論文中要求 )，甚至更高。電動汽車在行駛過程中所遇到的阻力變化很大，變化范圍在 6倍以上，而單靠電 動機的力矩變化是不能滿足電動汽車行駛性能要求的。因此，在電動機和驅(qū)動輪之間需要安裝減速器和變速器，一方面使電動汽車滿足行駛性能要求，另一方面使電動機經(jīng)常保持在高效率的工作范圍內(nèi)工作，減輕電動機和動力電池組的負荷。為了滿足電動汽車行駛阻力的變化范圍，減輕電動機和動力電池的負荷，提高工作效率，又使傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不過于復(fù)雜以至降低工作效率，本論文采用Ⅲ檔變速器。 (1)主減速器速比的選擇設(shè)傳動系變速器第Ⅲ檔為直接檔即，又有電動機的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速r/以由公式得： 1，又有電動機的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 9000r/所以由上述公式得， ?考多種汽車主減速器速比經(jīng)驗值及 步確定主減速器速比為 （ 2）變速器速比的選擇汽車傳動系各檔的傳動比大體上按等比級數(shù)分配，這種 分配變速器速比的方法使汽車經(jīng)常工作在大的功率范圍內(nèi)，可以充分利用蓄電池所提供的一次充放電的有限能量，提高動力性，增加續(xù)駛里程。 由公式得到， 據(jù)等比級數(shù)的分配方法： ?3221 ?? ii gg q 電動汽車動力電池的選用不僅應(yīng)該考慮動力性因素還應(yīng)該考慮環(huán)保方面 的因素。 以鉛酸電池、鋰電池、鎳鎘電池、鎳氫電池四種當今最熱門的電動汽車 儲能電池為代表，比較四 種電池的性能參數(shù)，見下表： 鉛酸 鋰電池 鎳鎘 鎳氫 能量密度（ ） 60~100 250 110 190 比能量 (Wh/30~50 120~140 40~50 50~80 功率密度 (W/L) 120 — — 480 比功率 (W/200~400 200~300 150~350 150~300 續(xù)駛里程 (60 195 120 250 循環(huán)壽命 (次 ) 400~600 1200 800~2000 800~1000 充電時間 (h) 8~17 <3 5~60 <6 能 量效率 (%) 65 — 65 90 可回收利用率 (%) 97 50 99 90 價格 ($/100 200 300 200 鉛酸電池由于價格低廉、原料易得、使用可靠、可大電流放電及技術(shù)成熟等優(yōu)點一直占領(lǐng)著電動汽車的車用電池市場。但近幾年來，鎳氫電池技術(shù)逐漸純熟，它的續(xù)駛里程和使用壽命是鉛酸電池的兩倍，更兼在實際使用中它的能量密度和峰值功率密度較高，大有后來者居上的趨勢。鋰電池具有高能量密度、高功率密度和很長的循環(huán)壽命，可防止過充電和過放電，是理想的動力電池，但成本太高、發(fā)熱嚴重，到目前為止還 處于試驗階段。 鎳鎘電池屬堿性蓄電池能量密度、比能量、比功率較高，但含鎘，重金屬污染嚴重。鎳氫電池是一種新型環(huán)保的高容量二次電池，其特性和鎳鎘電池相似，只是以吸藏氫氣的合金材料(代了鎳鎘電池中的負極材料鎘 (較之上述其它電池鎳氫電池有許多優(yōu)點：能量密度高，是鎳鎘電池的 倍；可快速充放電，低溫性能好；可密封，耐過充放電性能強；無毒無環(huán)境污染，不使用貴金屬；無記憶效應(yīng)。 綜合考慮電池的各項性能及發(fā)展前景，本論文選用 司研制的鎳氫電池，比電容達250A2 h，比電壓 能量 達 80Wh/功率 230W/ （ 1）由電動機功率確定電池組的數(shù)目由式求得單個電池的最大輸出 為而由式得， ?n （ 2）由續(xù)駛里程確定電池組的數(shù)目由式 (2， 97 ??深度一般不超過 80%，故取 5 ??1)(2)，取電池組數(shù)目 n=22。 電動汽車傳動系統(tǒng)主要參數(shù)都是由汽車行駛時所消耗的能量 出發(fā)推導(dǎo)計算得到的，理論上，它的動力性、續(xù)駛里程都應(yīng)該滿足設(shè)計要求。下面通過仿真試驗進行驗證。匹配設(shè)計參數(shù)詳見下表： 參數(shù)符號 參數(shù)值 電動機 額定功率 最大轉(zhuǎn)速 額定電壓 30000r/20V 傳動系速比 主減速器速比 1檔變速器速比 2檔變速器速比 3檔變速器速比 蓄電池 額定容量 額定電壓 電池組數(shù)目 90V 22 第三章 電動汽車動力性仿真 評價指標 電動汽車種類繁多、性能各異，如何建立一個統(tǒng)一的性能標準，以評價這些不同廠家生產(chǎn)的、不同類型的電動汽車，成為電動汽車發(fā)展的一項基礎(chǔ)研究。對于傳統(tǒng)的燃油汽車，最高時速和加速能力是最重要的性能指標。由于每次加滿油的行駛里程已遠遠超過了人們的一般要求，因而行駛里程對燃油汽車來講，只是次要的性能指標。在環(huán)保意識不斷提高的今天，人們己不再簡單地追求汽車最高車速和加速性能，燃油汽車的廢氣排放己成為汽車性能的又一重要的考核指標。此外，汽車的舒適性、安全性等等也都會成為汽車推銷商的賣點。 對于電動汽車，一次充電后 的電大行駛里程則是最重要的性能指標。這是因為，一輛 00大部分的現(xiàn)代電動汽一次充電后的行駛里程在100一 200低于燃油汽車，還不能完全滿足人們對現(xiàn)代機動車輛的要求，從而成為制約電動汽車發(fā)展的主要因素。因此人們在評價電動汽車的性能時，主要考慮如下性能指標 : （ 1） 最大行駛里程 ( 電動汽車每次充滿電后的最大行駛里程 ; （ 2） 加速能力 (s)— 電動汽車從靜止加速到一定的時速，如 0~40、 0~60km/h 所需的時間； （ 3） 最高車速 (km/h)— 電動汽車所能達到的最高車速 。 在不同的行駛方式下 (如在繁華的都市街道上，需不斷制動、起動，和在高速公路上，可以勻速連續(xù)駕駛 )，行駛里程有很大的差異，為了合理的評價機動車的性能，人們制定了統(tǒng)一的機動車駕駛模式。由于不同國家或地區(qū)的駕駛條件差異很大，各個國家分別制定有自己的駕駛模式，其中主要有 :美國聯(lián)邦都市駕駛模式 (歐洲駕駛模式 (美國機動車工程師協(xié)會 (駛模式、日本電動汽車協(xié)會的駕駛模式。 由于我國的電動汽車開發(fā)起步較晚，目前尚未建立自己的電動汽車駕駛測試標準式，而一直沿用美國或歐洲的標準，本文仿真時選用美 國聯(lián)邦都市駕駛模式 ( 用逆向和正向相結(jié)合的建模方法。逆向建模方法是假設(shè)汽滿足所要求的行 駛循環(huán)的軌跡功率需求，從而來反推計算動力系各個總成應(yīng)該如何執(zhí)行以輸出相應(yīng)的功率。這種方法的優(yōu)點是不需要駕駛員模型，可以僅通過迭代法來預(yù)測汽車的各項性能。 以它的各個總成模塊可以很容易的擴充和改進，各個模塊可以隨意的組合使用。此外，用戶也可以根據(jù)自己的需要，建立新模型，來定義設(shè)計者需要的汽車模型。 定義車輛傳動系統(tǒng)的類型。一種是 部保存了包括 內(nèi)的 37種電動汽車的數(shù)據(jù)文件，用戶可以選擇合適類型的汽車，在此基礎(chǔ)上加以修改。另一種是 池電動汽車、燃料電池汽車、并聯(lián)混合動力汽車、串聯(lián)混合動力汽車、混聯(lián)混合動力汽車等 8種類型的傳動系統(tǒng)，用戶可以以此為模板定義自己的傳動系統(tǒng)。另外用戶還可以自定義新類型的傳動系統(tǒng)增加到 發(fā)動機 (能源儲存系 (稱 電動機 (多個部件的仿真模型。 多重循環(huán) (測試過程 ( 種仿真工況來仿真車輛的性能。： (1)道路循環(huán)提供了 6種國外標準的道路循環(huán)，另外提供了行程設(shè)計器 (可以將多達 8種不同的道路循環(huán)任意組合在一起，綜合仿真車輛的性能。 (2)多重循環(huán)功能可以用 批處理的方式以相同的初始條件，快速計算和保存不同的道路循環(huán)情況下的仿真結(jié)果，并將它們顯示在一起，供用戶進行比較。 (3)測試過程包括 種國外標準的測試過程供用戶選擇仿真。 (1)仿真參數(shù)圖 (能同時顯示任意 4組部件參數(shù)值隨仿真時間的變化情況。 (2)仿真報告 (包括燃料消耗率、行駛距離、有害氣體排放、加速度和爬坡能力報告。 (3)能源消耗圖 (報告各個部件在做功模式 (能量再生模式 (的輸入能量、輸出能量、損失能量和效率。 (4)比較仿真 (功能可以同時打開 8 個仿真結(jié)果文件和測試數(shù)據(jù)文件，將它們顯示在同一幅坐標圖上進行比較。另外提供了條形圖 (極坐標圖(種方式進行比較。 (5)重放功能 (可視化的 動態(tài)顯示仿真結(jié)果，它的界面與交互式仿真的 本論文利用 于該軟件隨意組合電動汽車；通過電動汽車的一系列結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)，對于任意一款電動汽車進行改裝設(shè)計，對各個模塊進行修改，建立自己的汽車模塊，組成需要的汽車模型；應(yīng)用 短時間內(nèi)快 速的測試汽車的部分性能。 用 仿真軟件 面己經(jīng)做過簡單介紹，我認為應(yīng)用 便簡捷。我們可以通過直接在 直接輸入汽車的仿真參數(shù)，當然也可以通過各部件的內(nèi)部 .。文件來進行修改，兩種方式產(chǎn)生的效果是一樣的。 下面我們通過在 擊主界面右上角的 入?yún)?shù)輸入窗口，如圖所示，在此窗口中可輸入爬坡度任務(wù)設(shè)定、加速度任務(wù)設(shè)定 汽車參數(shù)配置窗口 汽車爬坡度設(shè)定 汽車加速度設(shè)定 1、定義計算任務(wù) 因為本次任務(wù)是對整車的動力性進行仿真，因此設(shè)定以下幾項計算任務(wù)： 最高車速 ( 最大爬坡度計算 (加速性能 (2、仿真計算結(jié)果 : 仿真計算結(jié)果： 能源消耗情況 能源消耗示意圖 能源再生示意圖 工況行駛和續(xù)駛里程計算 (圖為 速和里程的計算結(jié)果。 工況計算結(jié)果 從計算結(jié)果可以看出，在 況下，最高車速為 h，速度為 55km/h 時的最大爬坡度為 40%， 0— 50km/h 用時 ， 50— 80km/h 用時 5 秒， 0— 80 時 。利用件的仿真結(jié)果可以看出汽車的動力性能非常好，可以滿足電動汽車的動力性要求。 第四章 論文總結(jié) 本論文是基于電動汽車的各傳動部分建立各自的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上進行的動力性能仿真，并查閱了大量資料的基礎(chǔ) 上所撰寫的。論文是以 行了該車型的最高速度、最大爬坡度、 0— 50km/50— 80km/仿真的結(jié)果可以看出 電池和電動機的 （ 1）分析了交流感應(yīng)電動機和蓄電池的數(shù)學(xué)模型。對直流電機和交流電機的優(yōu)缺點以及幾種代表性電池的性能作了比較，選用交流感應(yīng)電動機驅(qū)動，鎳氫電池作為動力源。 （ 2）比較了幾種常見的電動汽車傳動系統(tǒng)布置方式。電動輪結(jié)構(gòu)型式雖是電動汽車的發(fā)展趨勢，但對電機和控制系統(tǒng)的要求很高，因此本論文選 擇了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式。在此基礎(chǔ)上，提出了一套比較合理的參數(shù)設(shè)計方法。 （ 3）在所建立的數(shù)學(xué)模型上利用 電動汽車的設(shè)計提供了行之有效的方法。 本論文的不足之處在于模型的建立與實際情況略有差距，另外我國沒有自己的道路環(huán)境系統(tǒng)，該論文是利用美國所制定的道路環(huán)境。 致謝 我的能夠順利完成我要感謝每一個在