专业论文-纯电动客车动力传动系参数匹配及整车性能研究.pdf

提要在纯电动客车研制过程中,动系统参数匹配和底盘结构改进是保证 车辆整车性能的重要环节。动系统参数匹配决定车辆的动性能,而底 盘结构改进对提高汽车操纵稳定性及制动性能具有很大影响。本文从以上 两个方面分别完成动系统匹配计算及底盘结构参数改进,并对纯电动客 车整车性能进行了研究。在参考大量国内外纯电动汽车相关资料的基础上,根据电动车项目技 术指标要求,完成了 CA6700EV型纯电动客车的动系统匹配,并川仿真 软件ADVISOR对两种匹配方案进行了仿真验证,通过综合评价确定方案B 的仿真结果满足设计要求,从而证明了匹配方法的合理性。为了检验电动车的操纵稳定性和制动性能,本文建立了纯电动客车整车 动力学模型,对纯电动客车底盘的三种方案进行了动力学仿真分析,得到了 底盘匹配的最佳方案,仿真结果表明该方案能满足操纵稳定性和制动性能 均满足国家法规要求,证明纯电动客车底盘结构改进方案b是合理的,匹 配方法是有效的。为今后纯电动客车整车性能的研究提供理论依据。关键词:纯电动客车,参数匹配,操纵稳定性,制动性目录目录第一章绪论.11.1 研究背景.11.2 国内外发展状况.31.2.1 纯电动汽车发展历程及国外发展现状.31.2.2 国内发展现状.51.3 纯电动汽车的基本结构和关键技术.61.3.1 纯电动汽车的基本结构.61.3.2 纯电动汽车的关键技术.91.4 课题来源、目的及意义.121.4.1 课题来源.121.4.2 本文目的及意义.121.5 本文主要研究内容.12第二章纯电动客车动系参数匹配.142.1 传统客车CDL6700C!整车参数和性能指标.142.2 电动机的参数匹配.152.2.1 电动机峰值功率及额定功率的匹配.152.2.2 电动机额定转速及最高转速的选择.192.2.3 电动机额定电压的选择.192.3 传动系的参数匹配.202.3.1 方案A:采用原车5档变速器.212.3.2 方案B:采用两档式行星齿轮变速器.222.4 动电池的参数匹配.232.4.1 动电池的匹配原则.232.4.2 锂离子电池组的参数匹配.242.5 匹配结果.27第三章 基于ADVISOR的整车动性仿真.283.1 仿真软件ADVISOR简介.283.1.1 ADVISOR的主要功能.283.1.2 ADVISOR 的局限性.293.2 ADVISOR的仿真过程.293.2.1 定义车辆的仿真参数.29目录3.2.2 运行仿真.313.2.3 仿真结果输出形式.333.3 基于ADVISOR的纯电动汽车仿真模型的建立.343.3.1 车辆模块的定义.353.3.2 车轮模块的定义.363.3.3 主减速器模块的定义.373.3.4 变速器模块的定义.383.3.5 电动机模块的定义.393.3.6 能量存储（电池）模块的定义.403.4 仿真结果.413.4.1 车辆仿真循环况的选择.413.4.2 CDL6700C1型客车仿真结果.423.4.3 CA6700EV型纯电动客车仿真结果.443.5 本章小结.48第四章 纯电动客车整车性能研究.504.1 整车模型的建立.504.1.1 ADAMS 软件简介.504.1.2 前、后悬架模型.534.1.3 转向系统模型.544.1.4 轮胎模型.554.1.5 发动机模型.554.1.6 车身模型.564.1.y 制动器模型.564.1.8 整车模型的组装.564.2 整车模型仿真精度的验证.574.2.1 仿真工况的选择.574.2.2 仿真结果与试验数据的分析及比较.584.3 汽车操纵稳定性简介.614.3.1 汽车操纵稳定性的基本概念.614.3.2 汽车操纵稳定性包含的主要内容.624.3.3 汽车操纵稳定性的评价方法.644.3.4 汽车操纵稳定性的评价指标.664.4 纯电动客车底盘结构参数匹配.684.4.1 纯电动客车底盘总成的分类.684.4.2 CA6700EV型纯电动客车底盘结构参数匹配.694.5 CA6700EV型纯电动客车操纵稳定性仿真.7211目录4.5.1 仿真试验.72452仿真结果及比较.744.6 CA6700EV型纯电动客车制动性能仿真.814.6.1 仿真试验.814.6.2 仿真结果.824.7 本章小结.83第五章全文总结及研究展望.845.1 全文总结.845.2 研究展望.85参考文献.86摘要.IABSTRACT.Ill致谢.VIin吉林大学硕士学位论文第一章绪论1.1 研究背景汽车是现代工业文明的象征之一,自从其诞生以来便给人们的生产、生活带来了极大的便利,但同时也面临着来自环境保护、能源短缺等方面 越来越严峻的挑战,并带来了一系列的负面效应。汽车在其生命的全周期 内对公共环境和公众健康甚至生命产生了一系列危害,即汽车的环境公害。汽车环境公害包括环境大气污染、水质污染、噪声污染、电磁辐射等。汽 车的环境大气污染包括两层含义:其一是汽车排放的硫化物、氮氧化物、氟氯姪等使温室效应加剧、臭氧层破坏和形成酸雨等大气环境问题,据估 计汽车排入大气的污染物已达到大气污染物排放总量的16.9%;其二是汽 车排出的C02、CO、NOx、未燃碳氢化合物HC、颗粒物和臭味气体等造 成的局部空气污染,进而对人类和动植物产生危害。特别是在大城市中,汽车行驶时排出的气体、微粒污染物、蒸发排放物等已经成为城市空气污 染物的主要来源。据国家环保总局统计,2005年我国机动车尾气排放在城 市大气污染中的分担率达到?9%随着人们生活水平的提高,人类对生存 环境的要求越来越高,降低汽车有害排放的呼声与日俱增,在美国已经出 台了部分汽车零排放的法规,在我国汽车排放法规的执行也更加严格,今 年我国将实行轻型汽车污染物排放限值计测量方法（中国皿、:V阶段）（即欧in、!V标准）;北京市将在2008年奥运会期间采用“零排放”车队。因此,环境公害是汽车行业面临的最大挑战川。汽车业面临的挑战之是能源问题。从人类对可持续发展的观点出 发,人类应设法减少对有限的石油资源的消耗,并且应积极研究石油资源 枯竭后汽车的替代能源。随着汽车保有量的增长,石油的供应巳趋紧张。国内的石油储藏量和开采量相当有限,中国石油地质资源量为765亿吨（不 1第一章绪论包括南海南部海域),可采资源量仅为212亿吨。从1993年开始中国成为 能源净进国,年石油进口量不断增加。到2006年,中国进口原油1.4亿 吨,预计2010年中国的石油总需求规模将达到3.53.8亿吨,而石油进 依存度将达51.4%52.6%。随着世界经济的持续增长和世界人口的增加、人民生活水平的提高,世界汽车保有量将会在较长一段时间内持续增长。可以预见,全世界在未来对传统车用燃料的需求将持续大幅增长,因此,开发并使用传统燃料的代用燃料和电动汽车、降低单位里程的燃料消耗量 对缓解环境污染和保障能源供给具有重要的战略意义。电动汽车(ElectricVehicle)是指以车载电源为动,用电动机驱动车 轮行驶,且满足道路安全法规对汽车的各项要求的车辆。电动汽车能够实 现零排放,可以解决汽车对环境的污染问题,对保护环境和生态具有重大 意义。电动汽车采用电动机为驱动单元,使用的电能来源十分广泛,如水 电、煤炭、核能、潮汐能、氢能、风能、太阳能等。即使将发电厂的污染 考虑在内,电动汽车也比燃油汽车造成的空气污染少得多。与传统车相比,电动汽车的行驶噪声很小,可大大降低城市噪声污染。电动车可实现 Drive-by-wire的思想,使系统结构简化,操纵简便,同时电动汽车的能量 基本上是通过电缆传输的,各部件的放置具有很大的灵活性,方便车辆的 布置。电动汽车可以实现制动能量冋收,提高能源的使用效率。电动汽车 减速停车时的动能,可以通过再生制动转化为电能并贮存在蓄电池中,停 车时不必让电动机空转,这可降低能源消耗。对电动机进行控制时,响应 时间短,转矩控制准确,有利于改善车辆的动态性能。电动汽车电动机不 像燃油发动机那样辐射大量的热能,有利于缓解城市热岛效应。电动汽车 可利用夜间富裕的电充电,有利于电网均衡负荷,达到维持电厂经济运 行,提高电网经济效益。综上所述,无论从环境保护、节约能源,还是安全及可靠性方面,电 动汽车开发都具有重要意义。随着石油资源的巳渐短缺和对环境污染要求 的不断提高,世界范围内对电动汽车的需求尤为迫切,可以预测,随着能 2吉林大学硕士学位论文源危机和环境污染的日益严重,电动汽车相对内燃机汽车的优势愈加明显 同时,随着技术的发展进步,电动汽车的各项性能指标将会接近传统汽车,电动车的价格也将进步降低,电动汽车必将成为未来的主要交通工具之1.2 国内外发展状况1.2.1 纯电动汽车发展历程及国外发展现状电动汽车起源于十九世纪中后期,比汽油车早12年。1873年英国首 先制造了使川铅锌一次性蓄电池的电动汽车。其后产生了内燃机汽车,形成了电动汽车与内燃机汽车并存的局面。二十世纪初,随着内燃机技术 的不断发展,内燃机汽车的性能得到改进和完善,电动汽车由于其有限的 续驶里程和较差的动性能而逐渐为内燃机汽车所代替,其应用也仅限于 些特殊领域,但人们对电动车的研究、开发工作并没有停止。二十世纪 70年代开始人们普遍关注的环境保护问题及80年代出现的石油危机又引 发了人们对电动汽车的兴趣,从此,世界各国特别是欧美等发达国家开始 投入大量的人力、物力、财对电动汽车进行研发,并取得了一定的成就。在美国、日本、欧洲等发达国家,电动汽车已开始进入实川化阶段内。美国是全世界对污染限制最严格的国家之一,也是对电动汽车研制起 步较早的国家。美国政府以能源部为中心,对电动汽车的研制进行了连续 的逐年递增的资金投入。美国EPRI（电能源研究所）推行了实用电动汽 车普及活动。1991年美国3大汽车公司签订协议,合作研究电动汽车用先 进电池,开发高性能电动汽车电池。其中,通用公司1997年开发的具有先 进动系统的1997双座EV1。该车为前轮驱动,采用一台102KW的三相 交流感应电机,装备由26个阀控铅酸电池组成的电池组。电池组可以使川 6.6KW的非车载感应充电器或1.2KW的车载感应充电器进行充电。该车的 电机在转速为0-7000转输出恒转矩1640Nm,在转速为700014000 3第一章绪论转输出恒功率102KW,使得EV1可以获得128km/h(电子限速)的最高 车速和96km/h加速小于9s的性能。2002年1月7巳,通用汽车公司 在北美国际汽车展上,推出了一款高科技环保型燃料电池概念车 AUTOnomy,它被认为代表了汽车业未来的发展趋势。这款未来型概念 车是世界上第一款从零开始全新设计的、使川燃料电池驱动系统的车型,也是第一款将燃料电池与线传操控电子控制技术相结合的车型。日本于1976年成立了“日本电动汽车协会”。1971年在通产省领导下 制订了一个时间为60年,总经费57亿日元的研究计划。1978年日本电动 汽车协会制订了“电动汽车试川制度”,协会将每年给予试川者以试川费。本田公司自80年代末就开始了电动汽车的研究开发,丰田公司自1992年 开始重视电动车的研究。在20世纪90年代末,丰田研制出种蓄电池电 动车RAV4EV。该车的动装置是一台免维护的功率为50kW、转矩为190N 的直流永磁电动机,由288V银氢电池为其提供电能。该电池组由24个12V 组件构成,装在车的地板下面。充一次电需56h,最高车速为127km/h。2002年,丰田在东京汽车展上展示了新一代燃料电池示范客车 FCHV-BUS2,由丰田与Hino联合开发,FCHV-BUS2装备了两座90KW 的丰田制造的银氢燃料电池,两台80KW的同步交流电动机。压缩氢气储 存在车顶。2003年1月5日,丰田公司在美国底特律召开的北美国际车展,展出了一款混合动SUV概念车“SU-HV”。该车搭载了新一代 混合动系统“Hybrid Synergy Drive”。新开发的“Hybrid Synergy Drive”使装备V6(3.3L)发动机的SUV达到了 V8发动机具备的动力性能,而其 燃料消耗却仅相当于一般的紧凑型轿车。排放更是达到了 SUV车型中最高 水平的超低排放标准。与此同时,这一系统还配备了 CVT(Continuous Variable Transmission)电动式无级变速器,使车辆在加速时变得更加平稳 顺畅。欧洲各国成立了欧洲电动汽车协会,并得到欧洲经济委员会的支持和 资助。英国、法国在大力研究先进电动汽车的同时积极开发推广应用限定 4吉林大学硕士学位论文范围的电动汽车。目前已有约十几万辆电动汽车在英国运行。法国的雷诺 和标志雪铁龙公司长期从事电动汽车,特别是纯电动汽车的研究和开发 作,早在90年代初,就实现了纯电动汽车的批量生产。雷诺公司推出的带 有里程延长器的KANGOO轿车采川缠绕式转子同步电动机,最大功率为 27kW,持续功率22kW;电池采用Saft NiCacMOOAh型蓄电池,车载能量 为13.2kWh,并备有车载充电器,该车在配有里程延长器的情况下续驶里 程可大于200公里,最大车速为100km/h,50km/h加速时间不大于8.5 秒,080km/h加速时间不大于25秒。在欧盟资助下,欧洲正在进行项 世界最大规模的燃料电池巴士示范计划,在2003年底已经有30辆燃料电 池大巴在欧洲不同环境下的八个国家10个城市开始营运。主要开展两大项 目:欧洲清洁城市运输(Clean Urban Transport for Europe 简称 CUTE)和 欧洲生态城市运输系统(Ecological City Transport System 简称 ECTS),其中,仅CUTE项目欧盟提供财政资助1850万欧元。燃料电池 大巴将由奔驰汽车公司属下的EVOBUS公司负责制造,以奔驰Citaro低地 板大巴为基础改装,三门,总长12米,30个座位,外加站立,乘客容量 达70人,装用巴拉德MK902电池堆,功率200kw以上,350个大气压的 压缩氢气瓶置于车顶上,电机驱动系统和燃料电池置于车后部,最高车速 80km/h,一次加氢行程 200-250km。1.2.2 国内发展现状国内电动汽车的研究始于60年代。1966年上海公交公司和有关科研 单位合作试制了一台电动汽车。1977年上海车辆管理所与吉林工业大学(现 吉林大学)合作试制SHD170型微型电动汽车,最高车速为40km/h,连续 放电续驶里程为70km,该车采用ZXQ型审励直流电机、可控硅控制系统、铅酸蓄电池。1983年上海汽车拖拉机研究所试制SHD610型轻型厢式电动 汽车,最高车速为42km/h,续驶里程为79km,铅酸电池,审励直流电机,其致命弱点是蓄电池比能量低,寿命短,它严重制约了整车性能。在80年 5第一章绪论代末到90年代初,国家科委和国家计委分别立项,组织汽车研究单位、高 等院校等与生产厂家联合研制开发电动汽车。1992年天津汽车研究所试制 了微型厢式电动车;清华大学在国家计委支持下,开发研究铅酸电池、永 磁直流电机驱动的中型厢式车;武汉长江动公司研制的88座直流电机驱 动的双层电动大客车;上海新联电动车公司和新联电动车研究所研制的全 密封管状蓄电池、直流电机驱动的电动微型轿车等。随着我国综合国力的 增强,国家对电动汽车的投入不断加大,科技部在“十五”国家高技术研 究发展计划 863计划）中,特别设立了电动汽车重大专项,组织清华大 学、吉林大学、北京理工大学等高等院校和科研机构同企业起联合攻关,使国内电动汽车的研制和开发取得了很大的进步。如吉林大学和长春一汽 集团联合研制的解放牌CA6110HEV型混合动客车,该车采用徳国道依 茨Deutz BF4M1013FC型小排量发动机和一台80kw电动机,百公里油耗 为25.9L（北京城市循环况）;北京理工大学研制的BFC6110-EV电动旅 游客车,该车采川100kw驱动电机,388.8V、600Ah的锂离子动电池,最高车速达到95km/h,续驶里程306.7km;另外,天津大学、同济大学等 高等院校及相关科研院所也投入一定的人力物力进行电动汽车的研制 作。但国内目前的研究水平与国外的先进车型和资金投入比较还有一定的 差距网。1.3 纯电动汽车的基本结构和关键技术1.3.1 纯电动汽车的基本结构电动汽车系统由三个子系统组成,即电驱动子系统,主能源管理子 系统和整车控制子系统（如图1-1。其中,电驱动子系统又由电控系统、电动机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成;主能源管理子系统由主电 源和能量管理系统组成,能量管理系统是实现能源利用监控、能量再生、6吉林大学硕士学位论文协调控制等功能的关键部件;而整车控制子系统(整车控制器vehicle control unit),它接受驾驶员的踏板信号和其它信号,然后作出相应的判断,控制下层各个部件作出动作,驱动汽车正常行驶,并尽可能实现比较高的 能量使用效率。图1-1纯电动汽车系统结构简图电动汽车与传统汽车相比结构简单。传统汽车的动是通过刚性联轴 器和传动轴传递的,而电动汽车的能量则基本上是通过柔性的电缆传输的,并且其电动机及传动系可以有多种不同的选择,因此电动汽车各个部件的 选择和布置有很大的灵活性。根据其动系统组件的多少和布置形式可把 电动汽车可分为以下四类：第一类为常规(传统)型(conventional type)纯电动汽车,其动传 递路线如图1-2这类电动汽车是最早的PEV(pure electric vehicle)形式,可直接由传统汽车改装得到。其特点是仅用电动机和蓄电池系统取代传统 的内燃机和燃油系统,由于保留了传统内燃机汽车的变速器、主减速器和 差速器等,因此对电动机的要求低。7第一章绪论图1-2常规型纯电动汽车动系统系统结构简图第二类为无变速器型(no transmission type)电动汽车,其动传动 路线见图1-30这类电动汽车的特点是用电动机和蓄电池系统取代传统的内 燃机和燃油系统,电动机通过行星齿轮减速器或单级式减速器直接连接到 传动轴,通过电动机的控制实现变速功能,虽然减少了整车的质量,但要 求电动机的低速大扭矩性能要求较高。刖方驱动用电池图1-3无变速器型纯电动汽车动系统结构简图8吉林大学硕士学位论文轴 半图1-4无差速器型纯电动汽车动系统结构简图 图1-5轮毂电机外观图第三类为无差速器型(no differential gear type)电动汽车,其动传 递路线见图1-4。这类电动汽车的特点是川两个电动机分别连接到左右两个 驱动半轴上,结构简单,减少整车质量和传动损失,通过整车控制器实现 左右轮的差速和驱动及再生制动控制。第四类为轮毂电机型(in wheel motor type)电动汽车,这类电动汽车 的特点是无动传动装置,把驱动电机安装在驱动轮的轮毂内(如图1-5),是最简单的电动汽车,空间利川率最大,无传动损失,但对驱动电机本身 及其控制精度要求很高,并要求左右轮的转速之差满足汽车行驶特别是转 弯时的要求。1.3.2 纯电动汽车的关键技术1.动电池的性能动电池是纯电动汽车最主要的能量源,其性能直接影响整车动性,是电动汽车发展的关键技术。其性能指标主要包括比能量、能量密度、比 功率、功率密度、循环充放电次数及成本等。表1-1列举了可作为纯电动 汽车动电池使用的几种电池的性能指标划。表1-1纯电动汽车电池性能参数表比能量(Wh/kg)能量密度(Wh/L)比功率(W/kg)循环寿命(Cycles)预计成本($/kW h)9第一章绪论铅酸电池30-4560-90200-300400-600150银氢电池60-70130-170150-300600-1200200-350钠硫电池100150200800250-450锂聚合物电池155220315600未知锂离子电池90-130140-200250-450800-1200200铅酸电池的正极采用二氧化铅,负极采用海绵状的铅,电解液是稀硫 酸溶液。每个电池单体的额定电压是2V。铅酸电池技术成熟、性能可靠、价格低廉,但能量密度太低、过充电和过放电性能差、循环寿命短、快速 充电困难,因此已逐渐被其它高能电池所取代。银氢电池是种碱性蓄电池,正极活性物质为氢氧化银,负极为储氢 合金,电解质为氢氧化钾。目前银氢电池单体额定电压为1.2V。银氢电池 比能量较大、循环寿命长、过充电和过放电性能好、无记忆效应、无污染、可靠性高,但其成本很高。钠硫电池的正极采川熔铸钠多硫化合物,负极为熔铸钠,采川陶瓷B-23作为电解液。单体电池额定电压为2.0Vo钠硫电池的比能量高、循 环寿命长转换效率高,但其使川温度高（300350、存在高温腐蚀、性 能不够稳定、成本高,因此很少在纯电动汽车上使用。锂聚合物电池使用过渡金属氧化物（MyOz 和金属锂分别作为电池的 正极和负极,电解液为固态的薄层电解液（SPE,单体电压3VO锂聚合 物电池比能量和能量密度高、自放电率低、形状和尺寸多变,但其对温度 敏感、低温性能较差,目前技术不够成熟,是纯电动车用动电池的发展 方向之一。锂离子电池使用过渡金属氧化物（Lii-xMyOz）作正电极,锂碳化合物 LixC 作负电极,液体有机溶液或固体聚合物作电解液,单体电池电压高 达4V以上。虽然锂离子电池自放电率稍高但其凭借单体电压高、比能量和 比功率高、循环寿命长、可靠性高等优点成为目前使用最为广泛的纯电动 汽车动力源。2.驱动电机性能10吉林大学硕士学位论文驱动电机的任务是在驾驶员的控制下,高效率的将动电池储存的电 能转化为机械能,或者在能量冋收过程中将机械能转化为电能反馈到动 电池中。电动机种类繁多,有多种分类方法,本文根据有无换向器将电动 机分为两大类（如图1-6,并将可作为纯电动汽车驱动电机的川黑体字表 示。要向5S国励 函 91图1-6驱动电机的分类有换向器的直流电动机习惯上被称为直流电动机,其体积小,控制原理非常简单;由于使用换向器和电刷,使其可靠性降低且需要定期维护。但因为技术成熟和控制简单,串励、并励、他励和永磁等各种直流电动机 目前在纯电动汽车上都有应川。鼠笼式感应电动机成本低、可靠性高、结构简单且免维护,是种广 泛应用在电动汽车起动电机领域的无换向器电动机。其缺点为功率因数较 低。永磁无刷电动机采用正弦交流电及无刷结构,也称为永磁无刷交流电 动机或正弦永磁无刷电动机。其结构简单、成本低、恒功率区域有更宽的 调速范围、效率高,在电动汽车应用领域与感应电动机相比有较大的竞争 优势。其缺点是输出功率相对较低。改变永磁直流电动机定子和转子的位 置就可得到PM无刷直流电动机,这种电动机采川交流方波供电,并非直 流电动机,也称为永磁无刷方波电动机。其功率密度高、转矩大且不间断、动态性能好,采川先进的感应角控制方法可有效地增大其恒功率转速范围。开关磁阻电动机由可变磁阻步进电动机衍生而来,其结构简单、制造11第一章绪论成本低、转矩和转速特性好,适合于电动汽车驱动。但其设计和控制较为 复杂。1.4 课题来源、目的及意义1.4.1 课题来源论文的研究内容是吉林省科技厅发展计划项目中的高技术重大项目“一汽纯电动客车整车控制系统与样车的研究开发”（项目编号:20076025 重要组成部分,项目由一汽客车有限公司承担,吉林大学为协 作单位。研制的最终目标是开发出具有自主知识产权的纯电动客车产品。设计样车的技术指标:最高车速JOOkm/h,50km/h的加速时间415s,最大爬坡度大于30%,续驶里程大于等于230km。1.4.2 本文目的及意义在以往的纯电动客车匹配设计过程中仅局限于车辆能源系统、电驱 动系统和辅助系统的设计,对整车及车身参数设计考虑较少。实际上,传 统客车改装纯电动客车过程中需要增加电动机及其控制器和动电池及能 量管理系统等零件,在不改变原车辆运载能力的情况下,这些零件的增加 将增大改装后车辆的满载质量。如果这些零件布置不当将严重影响纯电动 客车的平顺性和操纵稳定性。本课题的目的及意义在于研究种合理、有效的纯电动客车动系统 及底盘结构参数匹配方法,使纯电动客车在满足动性要求的同时达到较 好的操纵稳定性能和制动性能。为纯电动客车的设计及研发提供理论依据,为整车性能优化及样车试验提供参考。1.5 本文主要研究内容12吉林大学硕士学位论文本文首先通过理论计算进行纯电动客车动系参数匹配,并在 ADVISOR仿真软件中建立整车动性模型,通过仿真确定电动机、变速器 和动电池等总成参数,并在市场上选择相关总成产品确定尺寸和质量,然后根据以上参数,运川虚拟样机技术在ADAMS仿真软件中建立纯电动 客车整车动力学模型,对其底盘结构参数进行匹配设计,例如电动机、变 速器的布置形式,不同位置处所放置的电池数量等,得到不同的匹配方案。最后运用仿真软件对匹配方案进行操纵稳定性及制动性工况仿真比较,确 定满足操纵稳定性和制动性要求的最优方案。13第二章纯电动客车动传动系参数匹配第二章纯电动客车动系参数匹配电动汽车的动系统主要包括电动机、动电池、传动系和控制系统 四部分。电动汽车动匹配的任务是在满足整车动性能要求的基础上合 理选择动总成中各部件参数,降低改装成本和提高续驶里程。通过相关 计算完成了纯电动客车电机性能参数、传动系参数及动电池参数的匹配 设计问以2.1传统客车CDL6700C1整车参数和性能指标表2-1 CDL6700C1型客车整车参数和性能指标参数表满载质量5950kg轴距3935mm整备质量3950kg轮距前/后,1675/1520mm轴荷分配前/后,2315/3635kg（满载）；前/后,1950/2000kg（空载）；外形尺寸长宽高,6990*2025*2740mm前/后悬1135/1920mm最小离地间隙（后轴）185mm座位数25+1最小转弯直径14.4m接近角/离去角17.5713风阻系数（C。）0.56发 动 机排量3.865L最大扭矩343Nm/1401800rpm最大功率88kw/2800rpm变速器 速比档5.591四档1.000二档2.870五档0.802三档1.607倒档5.045形式五档同步机械式远距离软轴操纵驱动桥速比6.167动 力 性最高车速105km/h最大爬坡度 30%直接档最低稳定车速 20km/h加速性能直接档360km/h加速时间22s70km/h加速时间 25s 50km/h加速时间 15s滑行性能初速度50km/h时,滑行距离之500m制动性能初速度30km/h,最大制动距离（空载/满载）9m/10m14吉林大学硕士学位论文轮胎 规格 7.50R16 J滚动半径385mm参考传统客车技术参数,本项目提出了纯电动客车的基本性能指标如 下:(1)最高车速大于等于100km/h；(2)最大爬坡度大于等于30%；(3)50km/h加速时间小于等于15s；(4)续驶里程大于等于230km。2.2电动机的参数匹配电动机是电动汽车行驶的动力源,电动汽车要求驱动电机在低速行驶 或爬坡时提供较大转矩,在加速时输出较大功率,同时需要较大的调速范 围。电动机参数匹配主要包括电动机的峰值功率、电动机的额定转速及最 高转速、电动机的最大转矩的选择。2.2.1电动机峰值功率及额定功率的匹配1.电动汽车动系统参数匹配的基本原则电动机的功率直接影响整车的动性。电动机功率越大,电动汽车的 后备功率也越大,加速性和最大爬坡度越好,同时也会增加电动机的体积 和质量,正常行驶时电动机不能在高效率区附近工作,降低了车辆的续驶 里程。因此,设计时通常依照电动汽车的最高车速%ax(km/h)、初速度 末速度匕加速时间T(秒)和最大爬坡度，max(%)来确定电动机的功率11久首先,根据最高车速ax(km/h)确定的最大功率为划到叫 axl 二、ax(m g /+0、ax.(2-1)maxi 36004 21.15式中为传动系总效率,f为滚动阻系数,CD为空气阻系数,A为迎 风面积(m2)o15第二章纯电动客车动传动系参数匹配其次,根据最大爬坡度确定的最大功率为:P=-(m f cos+m sin-)(2-2)max2 3600-7/a max 21.15式中最大爬坡角X二arctan”max 100最后,根据加速性能来确定最大功率:汽车起步加速过程可根据经验公式表示为阿狗:V=Vm(y(2-3)式中x为拟合系数,一般取0.5左右;鼠和分别为车辆的加速时间(S)和车辆的末速度(km/h)假设车辆在平直路面上加速,根据车辆加速过程动力学方程,其瞬态 过程总功率为:+号+41 dv CD-A 3(2-4)二-(0 m-V-l-m-t vHV)36004 dt 21.15式中为加速过程总功率(kW)由加速功率、滚动阻功率与空气 阻功率心组成;为设计过程的迭代步长,单位秒,为满足计算精度要 求,步长通常取为0.1秒。车辆在加速过程的末时刻,电机输出最大功率,因此,加速过程最大 功率要求max为:Pall max=nax3=(万加+根由十一 五)max3 36OO 2 1.5 机 21.15x2.5 机根据上述由动力性三项指标计算的各自最大功率,动力源总功率必 须满足上述所有的设计要求,即:匕 ax N maxK1axi，匕ax2，匕 ax3)(6)16吉林大学硕士学位论文将表2-1中的整车参数代入上述公式并按照整车动性要求,计算得 到电动机的峰值功率,计算过程如下:整车通过改型为电动客车后,质量估算:Mev=Mcor1MfcMace：Mgb+Mess+Mmc+Mpasgr(2-7)即,新车质量=原车整备质量一发动机质量一变速器质量一发动机附件质 量+电池质量+电机质量+乘员质量。估算电动机、电池和乘客等质量后,计 算得至U veh_mass=3950-340-120-100+700+310+(25+1)x75=6350kg。首先将不同的车速值代入式(2-1),得到最高车速与电动机最大功率 需求的关系曲线。605040302010040 50 60 70 80 90 100最高车速(km/h)图2-1最高车速与功率需求关系曲线根据性能指标最高车速Vmax=1OOkm/h,得到axi=60kW。其次将不同的坡度值代入式(2-2),并假设车速匕=15km/h,计算得到 车辆最大爬坡度与电动机功率需求的关系曲线。(靑)咲eM甘17第二章纯电动客车动传动系参数匹配40OOOOO 9 8 7 6 5s)301 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30最大爬坡度（%）图2-2最大爬坡度与功率需求关系曲线根据最大爬坡度要求，max=30%,车速匕=15km/h,得到88.1kW,取整 为匕 ax2=90kW。最后将不同的加速时间与加速末速度代入式(2-5),计算得到车辆加 速性能与电动机功率需求的三维关系曲线。14 120颔初“Ja、j%10-to二f _ 一 的r%“”I。“加图2-3车辆加速性能与功率需求关系曲线18吉林大学硕士学位论文根据050km/h加速时间小于等于15s的性能要求,并考虑一定的电 动机后备功率（约20%,计算得41ax3=60kW。综合考虑上述动性指标（最高车速、最大爬坡度和加速性）要求,根据式 2-6 确定电动机峰值功率为ax=maX（%axl，Rax2,4ax3）=90kW。电动机的额定功率可根据峰值功率由下式求出:式中ax电机峰值功率;额电机额定功率;入电机过载系数 20电动机过载系数人一般取为23,由此得电动机额定功率。额=3040kWo2.2.2 电动机额定转速及最高转速的选择电动机的最高转速对电动机成本、制造工艺和传动系尺寸有很大的影 响。转速在600017min以上的为高速电机,以下为普通电机。前者成本高、制造艺复杂而且对配套使川的轴承、齿轮等有特殊要求,一般适川于电 动轿车或100kw以上大功率驱动电机,很少在纯电动客车上使川。因此应 采用最高转速不大于6000r/min的低速电机四。电动机最高转速与额定转速的比值也称为电机扩大恒功率区系数B,随 B值的增大,电动机可在低转速区获得较大的转矩,有利于提高车辆的加速 和爬坡性能。但B值的过多增加会导致电动机工作电流的增大,增大了逆 变器的功率损耗和尺寸。因此B值一般取24,计算出电动机额定转速应 该在150300017min之间选取。2.2.3 电动机额定电压的选择19第二章纯电动客车动传动系参数匹配电动机额定电压的选择与电动汽车动电池组电压密切相关。在相同 输出功率条件下,电池组电压高则电流小,对导线和开关等电器元件要求 较低,但较高的电压需要数量较多的单体电池审联,引起成本及整车质量 的增加和动性的下降并且难于布置歩。电动机额定电压一般由所选取的电动机的参数决定,并与电动机额定 功率成正比,电动机的额定电压越高电动机的额定功率越大。考虑上述结 果确定电动机的额定电压范围为30350V。综合以上计算结果和分析,经过调研市场上现有电动机产品的性能参 数,并从中选择最接近本文所匹配参数产品。选取北京中科易能生产的某 型电动机,具体参数如下。表2-2电动机参数类型直流永磁式额定电压336V最大转矩239N-m峰值功率90kW基速3600rpm最高转速6000rpm电动机尺寸240 xL440mm控制器尺寸466x403x226mm电动机质量95kg控制器质量30kg2.3传动系的参数匹配电动汽车的传动系参数匹配设计主要包括变速器的匹配设计和主减速 器的匹配设计。在电动机输出特性一定时,传动系传动比的选择主要取决 于电动汽车的动性要求,即最大传动比取决于整车的最大爬坡度,最小 速比取决于整车的最高车速。（1）最大传动比的选择印】传动系最大传动比zmax是变速器最低档速比igl与主减速器速比iQ的乘 积,由电动机的峰值转矩和车辆最大爬坡度决定。G（f COS max+Sin Omax Q）匕。-（,一切max IT式中r为车轮滚动半径,为车辆最大爬坡角，f为滚动阻系数,5ax为20吉林大学硕士学位论文最大驱动矩,外为传动系总效率,代入表2-1中数值计算得30.5。其中,0=6.167,所以变速器一档速比4.94。(2)最小传动比的选择传动系最小传动比嗚是变速器最高档速比max与主减速器速比io的 乘积,由电动机的最高转速和车辆最高车速决定。n r zmm 0.3768 Vmax(2-10)由于本文是基于原传统汽车的电动车设计,从节约成本、避免后桥及 主减速器重新设计的角度出发采川了原车主减速器,速比为6.167。代入数 据计算后得到imm48.704,因此变速器最高档速比maxHF,因 此方案A能够满足最高车速要求。2、最大爬坡度计算:假设车辆爬坡时车速为15km/h,变速器置于I档,根据电动机的峰值 扭矩由式(2-12)得到车轮驱动=15333.3N。根据车辆行驶阻方程式=fG cos a-CAVa+Gsina(2-14)21.15求出爬坡度为30%时车辆所需的驱动为18390N。FtHF,方案A 不满足满足最大爬坡度要求。两种方案的加速时间将通过仿真软件计算。2.3.2 方案B:采用两档式行星齿轮变速器电动机不但调速范围大,而且具有基速以下为恒转矩区,基速以上为 恒功率区的输出特性,因此其转矩特性曲线比发动机转矩特性曲线更理想。针对发动机外特性曲线设计的5档式变速器中的第n、HI档利川率极低,所以从降低整车质量的角度出发本文设计了两档式行星齿轮变速器作为方 案B。变速器的高速档川于正常行驶,低速档川于坡路起步和爬陡坡。根据上文计算结果,该变速器低速档速比N4.94,高速档速比22吉林大学硕士学位论文Z；max F,因此方案B满足最高车速要求。2、最大爬坡度计算根据式(2-12)和(2-14)计算出车辆以15km/h的速度行驶,坡度为 30%时电动机提供的驱动耳二20453.1N。FtHF,方案B满足最大爬坡 度要求。通过校核计算,采用原车5档变速器的方案不能满足车辆最大爬坡度 要求,且原车5档变速器较两档式行星齿轮变速器体积大,质量重,不利 于底盘总布置。因此采川方案B中速比为1.4和6的两档式行星齿轮变速 器作为CA6700EV型纯电动客车的变速器。2.4 动电池的参数匹配动电池系统是整车的能量源,为整车提供驱动电能。电池系统的体 积、形状和技术参数影响电动汽车