名校课件 电动汽车电驱动理论与设计-02-电动汽车电驱动理论基础

6.96 ~ 7.15N/L 汽 油
7.94 ~ 8.13N/L(柴 油)
电传动车辆的燃料经济性
汽车燃油经济性计算
工况燃油经济性：
t
Qtdt
Qs
0 t
100
uadt 0
Qt
P ebe ne ,Te
367.1
Qi
Pe 0 Pe 0
电传动车辆的燃料经济性
纯电动汽车燃料经济性
车辆电传动系统的构造和工作原理
车辆电传动系统
制动踏板 加速踏板
电驱动子系统
电子控制器
三相PWM 转换器
车轮
三相感应电 机
固定速比变速 器和差速器
车轮
能量管理系 统
镍氢电池
辅助动力 源
动力转向 系统
方向盘
蓄电池充电 器
冷风和暖气
能源子系统
辅助子系统
交流电源
车辆电传动系统的构造和工作原理 车辆电传动的结构形式
所选用的蓄电池应该能提供足够 高的比能量和比功率
B
P B
车辆电传动系统的构造和工作原理
车辆电传动的能源结构形式
R FC P
B
带小型重整器的电动汽车的结构简图，燃料 电池所需的氢气由重整器随车产生
燃料电池能提供高的比能量但不能回收再 生制动能量，因此最好与高比功率且能高 效回收制动能量的蓄电池结合在一起使用
满载良好路面上的最大爬坡度(路面车辆30%，越野及军用车辆60%) 一定坡度一定车速爬坡能力(单车3%坡度60km/h)
电动汽车动力学
电传动车辆的驱动力
电动汽车的电机输出轴输出转矩M，经过减速齿轮传动，传到驱动轴上的 转矩Mt，使驱动轮与地面之间产生相互作用，车轮与地面作用一圆周力F0， 同时，地面对驱动轮产生反作用力Ft。Ft与F0大小相等方向相反，Ft方向与 驱动轮前进方向一致，是推动汽车前进的外力，定义为电动汽车的的驱动 力。
M
FG
D
C :离合器
D : 差速器
FG : 固定速比变速箱
GB: 变速箱
M : 电机
车辆电传动系统的构造和工作原理 车辆电传动的结构形式
FG M
M
C :离合器
FG
D : 差速器
FG : 固定速比变速箱
GB: 变速箱
M : 电机
车辆电传动系统的构造和工作原理
车辆电传动的结构形式
FG M
C :离合器
车辆电传动系统的构造和工作原理 纯电动车辆传动系统
交流电动机驱动系统
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车辆电传动系统的构造和工作原理
车辆电传动系统
制动 踏板
电动驱动子系统 电子控制器 功率转化器
加速踏板
电机
车轮 机械传动装置
车轮
能量管理系 统
能量源
辅助动力 源
动力转向 单元
方向盘
能量单元
温度控制单 元
能源子系统
辅助子系统
能源
引起轮胎在地面上的自旋），它通常以铅垂方向载荷和路面附着系数μ的乘积方 式给出。因此，对前轮驱动的车辆应有
Ft max Wf
Lb L
Mg cos hg
L
Ft max
Fr
1
rd hg
Mg cos Lb fr hg rd
Ft max
L
1 hg
L
电传动车辆的动力性
动力学方程
后轮驱动的车辆应有
2-5（a）所示，可表达为
Tr Pa
电传动车辆的动力性
车辆受力分析
为保持车轮转动，作用于车轮中心的力F应与滚动阻 力矩相平衡，即此力应为
F
Tr rd
Pa rd
Pf r
滚动阻力矩可通过这一等效力F表示，即定义为滚动阻力Fr
Fr Pfr
电传动车辆的动力性
车辆受力分析
空气阻力
根据空气动力学原理，汽车在行驶过程中，由于空气动力的作用，在汽车行驶方向 上作用于汽车上的分力被称为空气阻力，空气阻力又分为压力阻力和摩擦阻力两部 分。 空气阻力是车速V、车辆迎风正面的面积Af、空气密度ρ和车辆形状的函数。空气阻 力可表达为
电传动车辆的动力性
动力学方程
纵向车辆运动的动力学方程可表达为
若想获得M轮胎ddVt与地(F面tf 接触Ftr面) 所(能Frf支持Fr的r 最F大W 牵 F引g )力，必须确定前、后车轴上铅垂 方向的载荷。通过累加作用于点R（轮胎与地面接触面的中心）的所有力矩，便 可得前轴上铅垂方向的载荷)Wf为
FW
1 2
Af CD V
VW
电传动车辆的动力性
车辆受力分析
爬坡阻力 当车辆爬坡或下坡时，其重量将产生一个始终指向下 坡方向的分力，如图2-8所示。这一分力不是阻碍（上 坡时）就是辅助（下坡时）向前的运动。在车辆性能 分析中，现仅考虑上坡时的运行状态。由路面坡度所 产生的力通常称为爬坡阻力
Fg Mg sin
M t Mid i0
Ft
Mt r
Mig i0
r
电动汽车动力学
电传动车辆的驱动力
电动汽车机械传动装置指与电动机输出轴有运动学联系的减速齿轮传 动箱或者变速箱，传动轴以及主减速器等机械装置。机械传动链中的 功率损失有：齿轮啮合点处的摩擦损失，轴承中的摩擦损失，旋转零 件与密封装置之间的摩擦损失以及搅动润滑油的损失等。
车辆电传动系统的构造和工作原理
纯电动车辆传动系统
主电源到电动机的电路；
主电源-DC/DC变换器-汽车电器设 备用电源-电器设备； 制动能量回收到主电源；
主电源充电电路
车辆电传动系统的构造和工作原理
纯电动车辆传动系统
电动汽车系统可分为四个子系统：机械子系
统、电力电子子系统、信息子系统和辅助控
制子系统
B
P
当用蓄电池与电容器进行混合时，所选的 蓄电池必须能提供高比能量，因为电容器
FW P
本身比蓄电池具有更高的比功率和更高效
回收制动能量的能力
电动汽车动力学
动力性评价指标
汽车的动力性系指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决 定的、所能达到的平均行驶车速。 具体的评价指标包括： 最高车速 加速时间(原地起步加速时间、超车加速时间) 爬坡能力
制动 踏板
电动驱动子系统
车轮
电子控制器 功率转化器
电机
机械传动装置
加速踏板
车轮
能量管理系 统
能量源
能量单元 能源子系统
辅助动力 源
动力转向 单元
方向盘
温度控制单 元
辅助子系统
车辆电传动系统的构造和工作原理 纯电动车辆传动系统
电动轮型传动系统
车辆电传动系统的构造和工作原理 纯电动车辆传动系统
直流电动机驱动系统
将引起轮胎在地面上的自旋），它通常以铅垂方向载荷和路面附着系数μ的乘积 方式给出。因此，对前轮驱动的车辆应有
Ft max Wf
Lb L
Mg cos hg
L
Ft max
Fr
1
rd hg
Mg cos Lb fr hg rd
Ft max
L
1 hg
L
电传动车辆的动力性
动力学方程
胎与地面接触面所能支持的最大牵引力（大于该最大牵引力的任意小量的变化将
电动汽车电驱动系统理论与设计
XXX
第二章：电动汽车电驱动理论基础
电动汽车的构造与工作原理
➢ 电动汽车构造 ➢ 电动汽车电驱动系统结构
电动汽车动力学
➢ 电动汽车受力分析 ➢ 动力学方程 ➢ 汽车行驶的附着条件与附着率 ➢ 电动汽车性能
车辆电传动系统的构造和工作原理 纯电动车辆传动系统
镍镉电池组：264V/140Ah/2000次，动力电池组布置在后排座椅下部； 永磁直流无刷电动机45kW/50kW; 130km/h 0~48km/h加速时间6.3s Range270km@88km/h
1
rd hg
Mg cos La fr hg rd
Ft max
L
1 hg
L
电传动车辆的动力性
电传动车辆的功率平衡
PM
1
Gf (
co s a Va 3600
G sinaVa 3600
C D AVa3 76140
GVa
3600g
dV ) dt
1 PM (Pf Pw Pi Pj )
能量经济性：电动汽车以各种预定行驶规范达到的续驶里程与蓄电池再 充电恢复到原有的充电状态所需要的交流电能量之比。单位：km/kWh ac
电传动车辆的燃料经济性
纯电动汽车燃料经济性
等速续驶里程：
PB
m
P ua nm , Pm
dV dt
3600g GVa
[ Pt
1
(P
f
Pw )]
i
3600
GVo
[ Pt
1
(
Pf
Pw )]
利用功率平衡图求最高车速时，Pt应取连续功率曲线上的点求取加速度，求最大爬坡度时，Pt 可以取持续1～5分钟工作的功率曲线上之点。
电传动车辆的动力性 电传动车辆动力性计算简便方法
车辆起步加速时间计算
Vrm为车辆以恒驱动力特性输出和以恒驱动 功率特性输出的分界车速
电传动车辆的燃料经济性
汽车燃油经济性
汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一 定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。
Mile/USgal=1.61km/4.55L=0.3538km/L=1/(282.6L/100km) 等速百公里燃油消耗量
FC P
B
车辆电传动系统的构造和工作原理
车辆电传动的能源结构形式
B
P CP
超高速飞轮是具有高比功率和高效制动能量回收能力 的储能器。超高速飞轮与具有两种工作模式（电动机 和发电机）的电机转子相结合，能够将电能和机械能 进行双向转换。所选用的蓄电池应能提供高比能量。 飞轮最好与无刷交流电机结合使用，在蓄电池和飞轮 之间加一个AC/DC转换器。
电动汽车在动力蓄电池完全充电状态下以一定的行驶工况，能连续行驶 的最大距离，单位为km.
能量消耗率(Energy Consumption)：电动汽车经过规定的试验循环后对动 力蓄电池重新充电至试验前的容量，从电网上得到的电能除以行驶里程 所得到的数值，单位为Wh/km;
比能量消耗率：电动汽车能量消耗率与整车质量的比值，单位为 Wh(km×ton)
M FG
D : 差速器 FG : 固定速比变速箱 GB: 变速箱
M : 电机
车辆电传动系统的构造和工作原理 车辆电传动的结构形式
M
C :离合器
D : 差速器
FG : 固定速比变速箱
M
GB: 变速箱
M : 电机
车辆电传动系统的构造和工作原理
车辆电传动的能源结构形式
BP
两种不同的蓄电池，其中一种能提供 高比能量，另外一种提供高比功率
等速百公里燃油消耗曲线
工况燃油经济性
美国环境保护局EPA综合燃油经济性：MPG
综合燃油经济性＝
1
＋
1
0.55
0.45
城市循环燃油经济性 公路循环燃油经济性
电传动车辆的燃料经济性
汽车燃油经济性计算
等速燃油经济性：
Qt
P ebe ne ,Te
367.1
Qs
P ebe ne ,Te
1.02ua
C
M
GB D
C :离合器 D : 差速器 FG : 固定速比变速箱 GB: 变速箱
M : 电机
车辆电传动系统的构造和工作原理 车辆电传动的结构形式
M FG D
C :离合器 D : 差速器 FG : 固定速比变速箱 GB: 变速箱
M : 电机
车辆电传动系统的构造和工作原理 车辆电传动的结构形式
由于作用在驱动轮上的转矩Tt引起的地面切向反作用不能大于附着力，否则发生 驱动轮滑转现象，即对于后轮驱动的汽车有
Tt
Tfr r
FXr
FZr
汽车行驶的附着条件
FXr
FZr
电传动车辆的动力性
动力学方程
后轮驱动的车辆应有
Ft max Wf
La L
Mg cos hg
L
Ft
max
Fr
对于一般机械传动装置效率可以按下式计算：
n m
yz
ηy——圆柱齿轮对的效率，ηy＝0.97～0.98； ηz——圆锥齿轮对的效率，ηz＝0.96～0.97； n——传递转矩时处于啮合状态的圆柱齿轮对数；
m——传递转矩时处于啮合状态的圆锥齿轮对数； 单排行星减速器的效率值一般取0.97～0.98； 万向传动轴的效率取0.98
Wf
MgLb cos
(Trf
Trr
FW hW L
Mghg sin
Mhg
dV ) dt
同理可得作用于后轴上的铅垂方向载荷Wr为
MgLa cos (Trf Trr FW hW
Wr
L
Mghg sin
Mhg
dV dt
)
电传动车辆的动力性
动力学方程
轮胎与地面接触面所能支持的最大牵引力（大于该最大牵引力的任意小量的变化
Ft max Wf
La L
Mg cos hg
L
Ft
max
Fr
1
rd hg
Mg cos La fr hg rd
Ft max
L
1 hg
L
汽车行驶的附着条件与附着率
地面对轮胎切向反作用力的极限值称为附着力，在硬路面上它与驱动轮法向反作 用力FZ成正比，常写成
FX max F FZ
电传动车辆的动力性 车辆受力分析
依据牛顿第二运动定律，车辆的加速度可描述为：
dV Ft F
dt
M
电传动车辆的动力性
车辆受力分析
滚动阻力
车辆在硬地面上，轮胎的滚动阻力基本起因于轮胎材料的滞变作用。它是在
轮胎滚动时，由于轮胎胎壳挠曲所产生的作用，导致地面反作用力的不对称
分布。由合成的地面反作用向前偏移所产生的转矩被称为滚动阻力矩，如图