某轻型纯电动客车动力传动系统的匹配分析及计算.doc
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1、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Abst
2、ractDue 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 veh
3、icle.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
4、, 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 performan
5、ce 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
6、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
7、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
8、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
9、,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
10、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
11、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
12、,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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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、
18、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
19、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)
20、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
21、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
22、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
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