纯电动汽车传动系统

第一章绪论
1.1课题的目的意义：
1.1.1 纯电动汽车的背景
当前，我国电动汽车发展已经进入关键时期，既面临重大的发展机遇，也面临着严峻的挑战。

我国电动汽车发展中还存在很多需要解决的问题，如核心技术还不具备竞争力，企业投入不足，政府的统筹协调能力还没有充分发挥等。

总体上看来，我国电动汽车产业，起步不晚，发展不慢，但是由于传统汽车及相关产业基础相对薄弱、投入不足，差距仍然存在，中高端技术竞争压力越来越大，因此，必须加大攻坚力度，推动我国汽车产业向创新驱动转型，提高核心技术竞争力，确保我国汽车行业的可持续发展。

纯电动汽车使用电动机作为传动系统的动力源，缓解了能源紧缺的压力，实现了人们长期以来对汽车零尾气排放的期盼，传动系统作为汽车的核心组成部分，其技术创新是纯电动汽车发展的必经之路。

1.1.2纯电动汽车的意义
近年来，关于纯电动汽车的研究主要集中在能量存储系统、电驱动系统和控制策略的开发研究三方面。

能量存储系统相当于纯电动汽车的发动机，是纯电动汽车电动机所需电能的提供者。

目前，铅酸蓄电池是使用最为广泛的，但其充电速度较慢，使用寿命短，节能环保差。

随着电动汽车技术的发展，其他电池正在渐渐取代着铅酸蓄电池。

目前发展的新电源有纳硫电池、锂电池、镍镉电池、飞轮电池、燃料电池等，尽管这些新电源投入应用，但是短时间内还是无法解决纯电动汽车电源充电缓慢，电量存储低续航里程短的问题。

纯电动汽车整车控制策略的开发研究一直在紧锣密鼓的进行着，整车控制系统是纯电动汽车实现整车控制和管理的关键，是实现和提高整车控制功能和性能水平的一个重要技术保证。

其核心技术主要体现在整车控制软件的架构设计、转矩控制策略以及对整车和各系统得能量管理上。

尽管控制策略的开发研究一直没有间断，但是，系统开发较为复杂，进度较慢。

1.2近年来国内外研究现状：
1.2.1国内发展现状：
我国正式对电动汽车的研制始于1981年，当时全球对电动汽车的宣传和需求并不强烈，对电动汽车的研究也相当零散，投入很少。

近年来，我国电动汽车的研究、开发进入了有组织。

有领导的全面发展阶段，国家在电动汽车研制开发方面也采取了积极有效的宏观引导措施。

我国高度重视电动汽车技术的发展。

“十五”期间，启动了“863”计划电动汽车重大科技专项，确立了“三纵三横”（三纵：混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车；三横：电池、电动机、电控）的研究布局，取得了一大批电动汽车技术创新成果。

“十一五”以来，中国提出“节能和新能源汽车”战略，政府高度关注新能源汽车的研发和产业化。

2006-2007年，中国新能源汽车产业取得了重大的发展，中国自助研制的纯电动、混合动力和燃料电池三类新能源汽车整车产品相继问世。

2008年7月11日，科技部和北京市举行了奥运新能源汽车示范运行交车仪式。

交车仪式上，各类车型共计595辆交付使用，为官员、运动员、教练员、媒体记者以及社会观众等提供服务。

2010年上海世博会期间，也有超过1000辆新能源汽车在世博场馆和周边运行。

合肥工业大学张海宁首先基于整车基本参数，分析了动力性要求，确定电机的选型。

然后传统纯电动汽车传动系统的布置形式，用两档变速器代替了固定速比减速器，设计了一种新的传动布置方案，在最后根据整车的动力性指标对传动系速比上限和下限进行了分析计算。

大连交通大学李律鸣在FMPMG的理论分析基础上，设计了一种永磁厂条只是永磁齿轮代替传统变速箱的新型传动系统，运用汽车相关知识进行了传动系统设计，参考国内外最新纯电动汽车参数配置，提出了模型参数设计过程，利用Ansoft有限元仿真软件建立模型，并进行静态和动态仿真。

利用Ansoft逐一分析了FMPMG各结构参数和转矩的关系，针对所设计方案进行参数优化。

姬芬竹等人考虑到电动机低速恒扭矩和高速恒功率的特性，分析了电动汽车的传动比与档位确定原则，同时提出了采用固定速比的电动汽车传动方案，通过重新设计并优化分配固定速比和主减速器速比，从而获得更好的电动汽车动力性能。

王峰等人提出了双电机行星齿轮系电动汽车动力传动装置，省去了离合器，增加了车辆变速范围，减轻了汽车质量和提高汽车动力性。

对其电机和传动装置的参数进行合理选择和匹配计算，在Matlab/Simulink环境下进行了整车动力性能的仿真，对传动系统的参数进行了优化。

重庆大学陈宗波提出了双驱电动汽车，对双驱电动汽车动力传动系统进行参数匹配与仿真研究。

根据几种工作模式以及一些参数确定原则，最终确定两个电机的参数。

通过对传动系速比进行优化，使电动汽车常态工况运行的速度区域落在电动汽车的高效区所对应的转速范围内，同时证明了经过改变速比，可以使电动机的工作点移向电动机经常工作的最佳效率区域内，合理的传动系速比可以改善整车的经济性。

长安大学张珍提出了主电机辅以轮毂电动机的传动系统结构形式。

论文中分三种运行工况对该传动系统进行了分析，第一种是正常工况，只有主电机工作；第二种工况是大负荷超负荷工况，主电机跟辅助电机同时工作，保护主电机，提高传动系统的效率；第三种工况是制动和下坡工况，主电机和辅助电机作为发电机同时工作，进行能量回收。

这种主电机和轮边电机的有机结合，充分提高驱动效率的同时极大地提高了能量回收率。

1.2.2 国外研究现状：
2008年以来，以美国、欧盟、日本为代表的国家和地区相继发布实施了新的电动汽车发展战略，更加明确了产业的发展方向，进一步加大了研发投入与政府扶持力度。

日本，以产业竞争力为第一目标，全面发展混合动力、纯电动、燃料电池三种电动汽车，研发和产业化均走在世界前列。

美国，以能源安全为主要目标，强调插电式电动汽车发展。

欧盟，以二氧化碳排放法规为主要驱动力，重视发展纯电动汽车。

世界上第一辆电动汽车是在1834年的美国诞生。

美国在新能源汽车技术研发和政策上一直走在世界前列。

2012年汽车产业报告，美国新能源汽车销售总量居世界首位。

美国电动汽车联盟提出的电动汽车发展目标和行动计划，目标希望到2018年全美初步形成良好的电动汽车生态网络。

2012年日本新能源汽车销量位居世界第二。

日本新能源汽车产业化成果在全球范围内是最好的。

以丰田普锐斯为代表的日本混合动力汽车，在世界低污染汽车开发销售领域已经占据了领头地位。

丰田和本田汽车公司已成为当今世界燃料电池汽车市场上的重要企业。

为推广新能源汽车以及环保汽车，日本从2009年4月1日起实施“绿色税制”，他的适用对象包括纯电动汽车、混合动力汽车、清洁柴油汽车、天然气汽车以及获得认定的低排放且燃油消耗量低的车辆。

法国是石油资源缺少的国家，汽油昂贵，油价约为美国的四倍，每年从国外进口大量的石油。

在政府积极发展新能源汽车政策的带动下，各个汽车厂商也纷纷加大投资力度，雷诺-日产联盟、标致-雪铁龙和日本三菱汽车公司合作，相继推出了多款环保电动汽车。

德国在新能源汽车方面也做出了重要贡献。

宝马也是氢动力发动机车型研究的先行者。

在2009年德国政府批准的500亿欧元的经济刺激计划中，很大一部分资金用于电动汽车研发、“电动汽车充电站”网络建设和可再生能源的开发。

21世纪以来，国外各大汽车厂商纷纷制订了新的新能源汽车发展规划。

在这个“新能源环保竞技场”上，包括通用、奔驰、大众、宝马、日产、本田、丰田、克莱斯勒、福特等先行者，更是争先恐后的扮演了新能源汽车开发的主角。

本田公司推出了百分之百纯电力驱动汽车，包括在1997年推出的EV+电动汽车和2009年推出的FCX Clarity燃料电池汽车。

奔着减少二氧化碳排放和提高代替能源使用效率的目标，本田公司利用在电力驱动系统和能源管理技术方面的专业知识，设计师设计的小型电动汽车的电力驱动系统具有卓越的能源转换效率和极佳的动态性能。

2013年，本田公司为电动汽车设计了一套新的动力系统。

为了获得比原有的电动汽车更好的市场竞争力，这个动力系统兼具有高功率和低损耗的特点，具备世界上最先进的能源转化效率和比同类电动汽车更卓越的动态性能。

为了实现高的能源转换效率，这种动力系统还配备了新开发的电
动伺服制动系统进行协同控制；为了实现高动态性能，电动马达装配了新形状的转子，动力控制单元也装配了具有高导热散热性能的部件。

因为配备了三重并行模块组和一个制冷系统，电池系统虽结构紧凑，但支持大功率输出。

这个创新的动力系统带来了优良的结果，汽车一次行驶里程数可以达到82英里，能源转化力达到世界先进水平29千瓦时/100英里，同时，它的加速性能相当于2.0排量的汽车的性能。

由Ford和GE公司联合开发的ETX轿车，把两档变速器、驱动电机和差速器设计成一个整体。

德国的达姆施塔特技术大学把高速感应电机和两档变速器组成的驱动系统，证明了该系统可以极大改善纯电动汽车的性能。

英国桑德兰大学通过仿真模拟对比了安装两档变速器和固定速比减速器的纯电动汽车，表明安装了两档变速器的纯电动汽车不仅可以减少能量消耗，还可以减少整个驱动链的尺寸和重量。

美国印第安纳波利斯大学针对一款5档手动变速器的纯电动公交车，研究了在换档过程中的电机控制问题，该方案适合直接耦合集成动力系统的电动汽车。

韩国汉阳大学的Wootaik Lee等人研究表明：合理地选择电动汽车的动力驱动系统的零部件及其有关参数，使其达到最优匹配，将对整车性能产生较大影响。

法国西布列塔尼大学A.haddoun等人通过建模与仿真分析，比较了三种不同控制策略在计算整车动力性的条件下对纯电动汽车能耗经济性的影响，结果表明，基于空间矢量建模的直接转矩控制策略具有最好的控制效果。

日本横滨大学的Kawamura主要针对动力电机的转矩特性进行了研究，着重论述了电动汽车用动力电机的启动特性和过载特性。

英国谢菲尔德大学M.J.West对比分析了多能源控制总成的设计方法，并对混合动力驱动系统中的能量流动进行深入分析，提出了混合动力汽车的能量管理方法。

德国瓦尔塔汽车工业公司的Eberhard Meissner等对未来电动汽车动力系统的能量管理和电池监测的发展趋势进行了预测，将能量管理定义为能量回馈、能量流动、能量存储和能量消耗的综合控制，同时给出了能量管理、电池管理和电池状态监测之间的层次关系，将电池管理和电池监测归结于能量管理的范畴，延长了电池的使用寿命。

美国田纳西大学Chiasson.J分析了电动汽车用各类型动力电池的充放电特性，提出了一种新的SOC估算方法，并建立SOC计算模型。

通用汽车公司设计的EVI电动汽车电池管理系统除了对单体电池电压、充放电电流进行检测，还具有六路温度检测、高压保险丝熔断保护、高压回流式继电器、电量显示和低压报警等功能。

美国伊利诺伊大学的Sanghun Choi等提出了基于RCC的能量回收最大化的再生制动控制方法，采用该方法回收的制动能量比传统再生制动控制方法提高了20%。

德克萨斯A&M大学的Yimin Gao等提出三种制动力分配控制策略，即：并联再生制动控制策略、理想再生制动控制策略和最大能量回收控制策略，并对所提出的再生制动控制策略进行了仿真分析。

1.3本文研究的主要内容及研究思路
在能量存储系统和其他技术取得有效突破之前，对纯电动汽车传动系统的设计与分析是提高电动汽车性能的重要手段之一。

另一方面，鉴于纯电动汽车主要性能指标是由最高车速、加速能力、爬坡能力和续航里程等来表征的，这些指标的高低直接与其动力传动系统优劣密切相关，因此，创新设计一类基于直驱AMT 的传动系统，必定可以提高动力传动系统的性能。

本课题的来源是山东省重点研发项目——基于直驱技术的高效变速器关键技术研究与系统开发。

本课题是针对纯电动汽车纯电动力输出的工作特性，创新设计一类基于直驱AMT的传动系统。

研究思路：
1.根据汽车理论以及相关论文，完成驱动电机的选型工作
2.根据材料力学知识，校核关键部位强度
3.对纯电动汽车传动系统的结构进行设计，应用CATIA软件建立总体方案的三维模型，应用CAD 软件可以绘制二维工程图
第二章方案设计
2.1设计目标
针对纯电动汽车纯电动力输出的工作特性，创新设计一类基于直驱式AMT的传动系统。

方案设计要遵循以下几个原则：
①保证纯电动汽车动力性的情况下，降低百公里能耗；
②电能的利用率尽可能最大化；
③关键部件强度要满足使用要求；
④设计结果要具有可实现性。

2.2 传动系统设计方案的比较分析与评估
2.2.1方案一：单电机传动系统传动方案
图2.1 单电机传动系统
图2.1注释：1-主减速器；2-变速箱；3-电源；4-电机控制器
现在最普遍的纯电动汽车单电机动力传动系统传动方案，其结构形式类似于内燃机汽车，它由一台电动机、变速器、电源以及电机控制器等组成。

因为结构形式类似于内燃机汽车，所以结构稳定，便于在原有汽车制造平台上进行生产制造。

但是单电机传动系统由于对电动机的功率需求较大，因此电机尺寸较大、质量偏重等，这方面原因很大程度上限制了纯电动汽车的发展。

纯电动汽车在行驶时，存在很多种不同阶段，比如起步阶段、加速阶段、上坡阶段、匀速行驶阶段、下坡阶段、减速阶段、刹车制动阶段等，单电机传动系统很难进行电机和电动汽车动力性的匹配：
①如果电动汽车需要功率恒定，单电机无法同时满足电动汽车最高车速和动力性能的要求。

②要提高电动汽车整车的动力性能，只能通过提升电机功率，但是电机的比功率不变的，因此提高功率伴随着电机尺寸的变大，质量的上升，而且会使电压提高或者电流增大，乘车的安全性能下降，从而导致制造难度以及制造成本都上升。

电机的工作特性决定了电动机只有额定转速附近运行时才能有较高的效率，如果电动机可以一直在高效率区域运行，那么电动汽车的经济性能会大大升高。

但是，由于纯电动汽车运行时工况比较复杂，单电机传动系统很难使电动机长时间的运行在电动机高效区域。

纯电动汽车一般为了增加续航都会进行能量的回收，既在制动阶段以及下坡阶段将电动汽车的动能通过对电机倒拖转化为电能，储存在蓄电池中。

理论上，要实现电能的全部回收，电机的瞬间电流会比较大，甚至远远超过电机的承受范围，因此一般情况下只能回收到20%的能量。

而单电机传动系统运行在电机高效率区域外时效率很低，制动以及下坡阶段对能量的回收效率也很低，进一步降低了电动汽车的续航里程。

单电机传动系统虽然制造技术成熟，但是在对电动汽车续航里程要求越来越高的今天，单电机传动系统必然会被封存在电动汽车传动系统发展的历史长河中。

2.2.2 方案二：主电机+轮毂电机传动方案
此传动系统由一个主电机以及两个轮毂电机、一个电机控制器、变速箱、主减速器组成。

方案布置图如图2.1所示：
图2.2 方案一传动系统图示
图2.2注释: 1-主电动机；2-电机控制器；3-蓄电池；4-轮毂电动机；5-变速器；6-驱动桥
此传动方案是由主电机驱动前轮使电动汽车向前行驶，后轮的两个轮毂电机主要为电动汽车提供后备功率以及纯电动汽车在减速或者下坡时回收能量。

电动汽车大负荷运行时，轮毂电机可以保
护主电机，并且提供后备功率；减速以及下坡工况下，三个电机同时进行能量回收，提高能量利用率。

此方案评估分析：采用前轴驱动，后两轮轮毂电机辅助驱动的形式，一方面提高了电动汽车的后备功率，使驱动系统结构简单，但是同时也增加了轮毂的转动惯量使电动汽车的操控性能下降。

另外轮毂电动机工作环境相对比较恶劣，容易受到温度、水、灰尘等多方面影响，因此密封方面有非常高的要求，还要考虑电机的散热问题。

2.2.3 方案三：双电机双轴驱动纯电动汽车
双电机双轴驱动电动汽车驱动系统是指纯电动汽车的前后桥都采用电机加驱动桥的形式组成一个驱动系统。

电动机、减速器以及驱动桥组成一个整体，三部分的轴之前成平行关系，使驱动系统结构更加的紧凑。

双电机双轴驱动纯电动汽车结构简图如图2.3所示。

图2.3双电机双轴驱动电动汽车结构简图
该传动系统采用两台小功率的电动机分别对前轴和后轴进行驱动。

采用两个小功率的电动机比采用单个功率值为两个小功率电机功率之和的电动机驱动车辆，可以在相同的车辆负荷下，提高单个小电动机的负荷率，进而提升电动车的工作效率，减少电动汽车的电能消耗，提升了电动汽车整车的续航里程。

采用双轴驱动的形式，可以充分利用整辆电动汽车的重力产生附着力，提高电动汽车的整车附着利用率，能充分发挥电动汽车整车的驱动潜力，提升车辆的动力性。

前后双轴同时进行再生制动，缩短电动汽车的制动距离，提高能量的回收率。

双电机双轴驱动可以提升电动汽车的能量利用率，增加电动汽车的续航里程，使经济性上升。

双电机双轴可以提高电动汽车整车动力性，使电动汽车操控性能上升，增强驾驶质感。

2.4 本章小结
综上分析对比，确定了双轴双电机的驱动系统方案，但与方案三不同的是后轴为主电机驱动轴，动力从电动机发出后，经过直驱式两档AMT变速箱，然后到减速器及驱动轴再到后车轮；前轴为辅助电机，直接通过电机控制器控制，经减速装置和驱动轴驱动前轮。

本文设计研究的纯电动汽车传动系统简图如图2.4所示。

图2.4 纯电动汽车传动系统简图
此种驱动方案具有以下优点：
①在电机总功率和不变的情况下，提升了单个电机负载，使电机的效率上升，使电机可以尽可能的工作在电机高效工作区域。

②直驱式两档式AMT变速箱可以提高主电机的工作平顺性，充分发挥电机性能。

③双轴驱动可以充分利用电动汽车整车产生的重力附着力，提高了整车的附着利用率，使电动汽车充分发挥自己的驱动潜力，提升了电动汽车的整车动力性能。

第三章纯电动汽车整车参数匹配设计
首先确定纯电动汽车的整车参数和动力性能设计要求后，然后对动力传动系统进行匹配计算，对驱动电机、动力电池、布置方式进行选型和设计。

电动汽车整车性能是否能满足设计要求取决于驱动系统的动力参数匹配是否合理。

纯电动汽车整车参数匹配的任务是在满足动力性能要求的基础上合理的选择驱动系统各部件的参数，以期最大可能的提高整车行驶经济性。

3.1 纯电动汽车传动系统结构
本文设计的基于直驱AMT的传动系统结构如图2.1所示，此电动汽车传动系统主要由两个电机，一个电机控制器，电池组和直驱AMT变速箱组成。

其中主电机负责后轮驱动，辅助电机负责能量回收，以及为电动汽车提供后备功率。

主副电机电机均采用小功率电机，正常行驶工况下，由主电机向后轮供电，驱动后轮使电动汽车向前行驶；当电动汽车起步及加速运行时，电池组分别向主电机和辅助电机供电，通过电动机控制器控制2个电机同时运行向车辆提供所需功率。

电动汽车在制动、下坡等需要减速的情况下，主辅电机均参与能量的回收，从而实现四个车轮同时进行能量回收。

图2.1 纯电动汽车动力传动系统简图
永磁同步电机具有高效率、高密度、结构简单且可靠性能高的特点，所以驱动电机选用永磁同步电机。

变速器采用两档直驱式AMT自动变速箱，充分发挥纯电动汽车纯电动力输出的工作特性，使纯电动汽车的动力输出更加平顺。

3.2 整车参数及设计要求
本论文以一款纯电动汽车的整车参数及技术要求进行整车参数匹配设计，具体参数见下表2.1所示。

表2.1 纯电动汽车主要技术参数
0-100km/h加速时间/s≤10
3.3 驱动电机匹配选型
纯电动汽车驱动电机通过电机控制器将动力电池的电能转化为驱动汽车行驶的机械能，是纯电动汽车行驶的动力源。

电动汽车驱动电机的选型必须满足整车动力性能设计指标，需要确定的参数有：额定功率、峰
值功率、额定转速以及最高工作转速。

图2.2 驱动电机输出特性
研究表明电机具有如图2.2所示的低速等转矩和高速恒功率的机械特性，因此，驱动电机的工作区域就分为恒转矩区域和恒功率区域，以额定转速为分界点，以下是恒转矩区域，以下是恒功率区域。

驱动电机的峰值工作特性使电机具有一定的过载能力，完全可以保证纯电动汽车起步、爬坡及加速等短时极限行驶工况，但是驱动电机不可以长时间工作在峰值功率附近，长时间在峰值功率附近运行会导致电机出现故障，也会对电机的使用寿命造成很大影响。

（1）驱动电机的额定功率
驱动电机长时间工作于某工况的能力由额定功率来衡量。

设计电动汽车运行工况时，为了能够。