摘 要

随着电池和控制技术的发展，纯电动汽车技术发展迅猛。在纯电动汽车多采用较多的是带单级传动比的变速器。近些年来，随着科技的发展，渐渐出现一些带多挡变速器的纯电动汽车。为了研究多挡变速器在纯电动汽车上的应用前景，本文以纯电动汽车Tesla model S 75D作为研究的目标车型1，并从经济性对比分析的角度为其增设一个两挡变速器，视为目标车型2。通过分别设计目标车型1和2的控制策略，结合整车行驶动力学理论，运用MATLAB／Simulink软件，建立两目标车型的整车模型与控制器模型，并对目标车型1和2的整车经济性进行仿真对比分析。根据仿真结果可知，由于目标车型2的两挡变速器能够极大的提升电机的工作效率，在NEDC循环工况下目标车型2的经济性较目标车型1提高了14.7%，在FTP75工况下目标车型2的经济性较目标车型1提高了15.7%。

关键词：纯电动汽车；经济性；单级减速器；两挡AMT变速器；

Abstract

With the development of battery and control technology, pure electric vehicle technology has developed rapidly. In pure electric vehicles, more transmissions are used with a single-stage transmission ratio. In recent years, with the development of technology, some pure electric vehicles with multi-speed transmissions have gradually appeared. In order to study the application prospect of multi-speed transmission in pure electric vehicles, this paper takes the pure electric vehicle Tesla model S 75D as the target model of research1, and adds a two-speed transmission from the perspective of economic comparison analysis, which is regarded as the target model 2 . By designing the control strategies of target models 1 and 2 respectively, combined with the theory of vehicle driving dynamics, the MATLAB/Simulink software is used to establish the vehicle model and controller model of the two target models, and the vehicle economy of target models 1 and 2 Sexual simulation comparison analysis. According to the simulation results, since the two-speed transmission of the target model 2 can greatly improve the working efficiency of the motor, the economy of the target model 2 is improved by 14.7% compared with the target model 1 under the NEDC cycle condition, and the target is under the FTP75 condition. The economy of the Model 2 increased by 15.7% compared to the Target Model 1.

Key words: pure electric vehicle; economic performance;single-stage reducer; two-speed AMT transmission

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题目的和意义 1

1.2纯电动汽车国内外发展现状 1

1.1.2国外发展现状 1

1.2.2国内发展现状 2

1.3主要研究内容 3

第2章 目标车型1结构和基本参数 4

2.1目标车型1电驱动系统结构 4

2.2目标车型1整车参数及性能指标 7

2.2.1目标车型1电动机简介 7

2.2.2目标车型1蓄电池简介 9

2.2.3目标车型1基本参数 12

第3章 整车控制策略 13

3.1目标车型驱动与再生制动控制策略研究 13

3.1.1驱动控制策略 13

3.1.2再生制动控制策略 14

3.2目标车型2传动系数选型及参数确定 15

3.2.1变速器需求分析以及选型 15

3.2.2目标车型2变速器速比的确定 17

3.3目标车型2换挡控制策略 19

第4章 模型的搭建和仿真分析 21

4.1纯电动汽车仿真模型建立 21

4.1.1驾驶员操作模型 21

4.1.2车辆动力学模型 22

4.1.3电机模型 24

4.1.4蓄电池模型 24

4.1.5控制策略模型 25

4.2经济性仿真结果及分析 26

4.3本章小结 27

第5章 结论 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1 课题目的和意义

随着环境的恶化以及资源的不断枯竭，各国都在追求一种新型环保的车型，纯电动汽车使用二次电力能源作为驱动能源，行驶过程中不会造成任何的污染，由此纯电动汽车逐渐进入人们的视野且重视程度逐渐升级，成为了汽车研究的主门之一。目前纯电动较多的使用单挡变速系统，根据电机驱动效率特性，单挡变速系统势必会造成汽车在高速和低速的效率低下，影响汽车的经济性，本文试图选择一款纯电动汽车车型作为研究的目标车型1，基于经济性的目的为其选择设计一款多挡变速器作为目标车型2，通过建模分析对比2款车型的经济性能得出合理结论，为纯电动汽车传动系统的选择提供一种理论参考。

1.2 纯电动汽车国内外发展现状

1.2.1 国外发展现状

从上世纪开始，出于能源危机、环境危机或科技化发展，世界各国纷纷开始了纯电动汽车的研发与生产，目前处于领先地步的是美国、欧洲和日本，但他们的情况也各自不同。

美国：上世纪八十年代由于日本汽车大量进入美国市场造成了对美国汽车强烈的冲击，美国逐渐开始重视纯电动汽车的发展并将其上升到国家层面并以此来捍卫美国汽车的领导地位，增强美国汽车行业的竞争力，除此之外，减少内燃机汽车有害气体的排放，节省能源也是此计划的主要目的之一^[1]。由于当时电池与控制技术的限制，纯电动汽车还存在着许多问题，例如续驶里程短，充电时间长，电池成本昂贵以及废弃电池的回收利用等等，这些都是限制纯电动汽车发展的重要因素。资料显示，2000年时候美国的纯电动汽车相对于日本来说还是逊色很多，日本的纯电动汽车占领了美国纯电动汽车的大部分市场，美国的一些汽车公司仅仅小批量的生存销售纯电动汽车^[2]。2009年奥巴马上台以后，在政府的大力引领下，美国制定了很多政策以促进美国纯电动汽车的发展，购买纯电动汽车者可以得到很大一部分津贴，这大大刺激了消费者的购车欲望，纯电动汽车市场焕发出前所未有的活力，激励汽车厂商们马不停蹄的研究发展纯电动汽车，正是政府不惜重金研究研究发展纯电动汽车、修建纯电动汽车充电设施、出台纯电动汽车补贴措施，美国纯电动汽车才飞跃式的发展，一跃成为现在的纯电动汽车强国和大国^[3]。

欧洲：经历过二战的洗刷，欧洲国家早早就在为能源而担忧，他们对纯电动汽车的信仰强于世界各国。早在20世纪40年代，欧洲很多企业便开始研发微型纯电动汽车，比较著名的就是标志汽车厂研发的城市轻型电动车"LVL"，现在在法国标致的博物馆中还存留着这款车^[4]。在欧洲众多国家中，法国在纯电动方面处于领跑地位，这与国家的策略是息息相关的，法国政府对纯电动汽车发展的重视程度及花费远超于其他欧洲一些国家，其制定的很多支持、发展甚至于扶持纯电动汽车的政策，这使得法国纯电动汽车走在世界前列，法国纯电动汽车代表车型就是标志汽车厂生产的电动标志106车型，其在纯电动汽车市场占有很大一部分比例^[5]。与此同时，德国花费巨资建造了欧洲电动车试验基地，为各种纯电动汽车试验提供场所，这使得德国的纯电动汽车产业捷足先登，发展迅猛^[6]。纯电动汽车研究强国的比利时，其国家一些高等院校对纯电动汽车的理论研究和产品开发做了大量的探索，然而由于其没有自己的汽车工业，国家资助有限，纯电动汽车的研究局限于理论成果，离真正的运用还有相当的距离^[7]。

日本：日本出于对国家地理位置的考虑，其往往具有较深的能源危机意识。日本纯电动汽车发展始于20世纪七十年代且发展迅速，在纯电动汽车领域现已处于世界前列。日本纯电动汽车最先的发展也遇到了很大的阻力，坚持下来的只有寥寥几家汽车公司，但到了90年代，世界爆发了大的环境问题、再加上能源的日益稀缺，致使日本下定决心大力发展纯电动汽车，在当时纯电动汽车技术日益成熟的背景下，很多汽车厂商纷纷推出其纯电动汽车车型并远销世界各国，甚至对美国的汽车市场造成了很大的冲击^[8]。

1.2.2 国内发展现状

和世界其他国家一样，我国也较为重视纯电动汽车的发展，我国纯电动汽车起步于20世纪60年代，但限于当时的技术背景和环境，发展速度较为缓慢，到90年后，世界爆发大的能源危机意识及环保意识，纯电动汽车被提升到前所未有的高度，我国众多高校、汽车研究所纷纷加入到纯电动汽车研发的队伍中来，并取得了较多了理论与实际科研成果^[9]。在纯电动汽车这一板块，有专家认为我国与世界先进水平最大差距不超过5年，甚至在锂电池方面已达到世界领先水平。在我国草拟的2012新能源未来十年规划中，政策表示对纯电动汽车研发的大力支持，并将提供上千亿的资金以发展纯电动汽车，计划在规划末期，我们新能源汽车产业规模达到世界领先水平。在业界全员的努力及政府的政策支持下，我国取得了诸多理论科研成果并初步形成了纯电动汽车的自主独立研发能力，目前我国设计的纯电动汽车各项性能指标均已达标，与世界各国纯电动汽车对比我国自主研发的并不处于劣势，在各大性能中表现优异^[10]。

1.3 主要研究内容

本文从经济性对角度对比分析了多挡变速器在纯电动汽车中对应用，具体研究内容如下：

（1）选定Tesla model s75D为目标车型1，并基于目标车型1对一款两挡AMT变速器进行了参数设计，并从经济性对角度开发了换挡控制策略；

（2）制定了目标车型1和2的驱动与再生制动能量回收控制策略；

（3）基于目标车型1和2的结构和基本参数，运用MATLAB/Simulink软件对所选车辆进行整车建模，并搭建了控制器模型；

（4）对所搭建模型进行仿真分析、研究。

第2章 目标车型1结构和基本参数

特斯拉纯电动汽车因其专业化技术使得其在很多方面处于世界先进水平，目前生产的主要车型有特斯拉Roadster、特斯拉S型和特斯拉X型等。本文选择Tesla model S 75D作为研究分析的目标车型1，并以目标车型1为基础，为其设计一个变速器作为我们的目标车型2。由此可知，目标车型1与目标车型2在结构和基本参数上基本相同，不同的仅仅是目标车型2在传动系统中在电机到主减速器中间多一个变速器，本章主要介绍目标车型1的结构和基本参数，目标车型2的结构和基本参数便大概可得出。

2.1 目标车型1电驱动系统结构

纯电动汽车电力驱动系统主要包括电机、逆变器和控制系统。图2.1为纯电动汽车电驱动系统的基本结构，其中驱动电机接受来自功率变换器的不同电压、并将不同频率的电能转换为机械能输出到驱动轮，从而推动车辆运动或者停止;功率变换器负责将车载直流电能(电池等储能能量)转换为不同的直流电能(针对直流电机)或频率不同的交流电能(交流电机等)，为驱动电机提供电能使驱动电机运转从而驱动车辆;控制系统的作用是接收整车行驶的信息，经电控系统处理作出反应，输出恰当的控制规则，实现整个汽车良好的运行。

图2.1 纯电动汽车电驱动系统基本结构

电动车辆驱动马达具有在低转速下恒转矩，高转速下恒功率的特性，使得它能够满足车辆在起动或爬坡阶段所需的大转矩，高速时大功率的需求，因电动机可实现倒转的功能，这样便可不用再在传动系统增加倒挡齿轮机构，单个电机便可直接驱动汽车行驶。电动车可以通过单电机或多电机驱动。单电机驱动时，为了满足车辆大的转矩和转速范围要求，电机功率势必要大，如此汽车便会出现大马拉小车的情况，能量得不到充分利用，使车辆经济性变差。增加电机的数目能够分担整车的负载，大大减少电机的电流和功率的额定值，并使单个电机的尺寸和质量也有所降低，这使得电机的布置更具有灵活性，同时还可使轴荷分配更加合理。目前常见的多电机驱动系统是双电机驱动系统，双电机具体又可分为如下图2.2的几种类型。

图2.2 双电机驱动系统的几种形式

单轮独立驱动系统也即四轮独立驱动，每个车轮的扭矩和速度都是独立控制的，可控制四个车轮扭矩都不相同，极大的提高了车辆的灵活性和机动性，但缺点是控制系统复杂且难度较大，其结构如下图2.3。

图2.3 单轮独立驱动双电机系统

耦合驱动是指被驱动的电路之间没有电气连接通路，看上去是隔离的，其实现方式有固定式齿轮耦合式及行星轮耦合式，目前大多采用行星轮耦合式。下图2.4是一个行星轮耦合驱动双电机系统。

图2.4 行星齿耦合驱动双电机系统

本文研究的目标车型1采用的是前后轴独立驱动双电机系统。该结构的特点是车辆的前轴和后轴分别采用一个动力驱动系统驱动，前后轴驱动转矩均可单独控制，运动状态也相互独立，不存在动力耦合装置使前后轴相关联，能够更好地对电机驱动系统特性进行调配，使之更好地符合汽车行驶特性，同时采用双轴驱动模式，可以实现良好的四轮驱动行驶模式，增强汽车的动力性和通过性。其结构如下图2.5。

图2.5 目标车型1电驱动系统

2.2 目标车型1整车参数及性能指标

2.2.1 目标车型1电动机简介

电动机是用于驱动纯电动汽车上的电气设备，主要实现机械能及电能的转换，其要求的性能有如下几点。

（1）体积小、质量小

同一类型高转速电机比低转速电机体积要小，体积小可使电机转速增大且易于布置，同时电机体积小会降低电机质量，从而降低整车质量以提高汽车经济性。

（2）在整个运行范围内的高效率

电机工作在高效率区间可以极大提高汽车各方面的性能，并降低车辆上一些装置的性能要求，使成本减少。

（3）低转速大转矩特性及宽范围内的恒功率特性

汽车大多情况在负载比较轻的工况下运行，此时需给汽车提供宽范围的恒功率，只有在起动、低速、大加速度等重负载工况下才要求有大的恒转矩。

（4）高可靠性

汽车安全性高。

（5）低价格

如果要普及，减价是唯一的办法。

（6）高电压

在尺寸不变的条件下，电机电压的提高可以提高其功率和转矩，提高汽车动力性。

（7）高转速

因电机扭力的限制及电机高转速恒功率的特性需通过提高电机转速以提高电机功率

目前纯电动汽车采用较多的是直流电动机、交流感应电动机、开关磁阻电动机和永磁电动机这4种电机，对于这4种驱动电机的对比见如下表3.1。

表3.1 几种驱动电机的比较

由表可发现，交流感应电动机尺寸适中、但可实现较高的转速，为目前大部分电动汽车所采用，目标车型1就是选用的交流感应电动机。

目标车型1采用的是双电机独立驱动系统，前后各有一个交流感应电动机，电机最高转速8600r/min，最大转矩525 Nm，最大功率为193kw。目标车型1电动机的电动效率图如下图2.6所示。

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