純電動汽車設計論文范文

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1驅動系統參數匹配

驅動系統是純電動汽車的核心，其基本特性參數的選配必須滿足整車動力性能要求。通過計算，合理選擇動力系統各部件的參數，并將其進行有效匹配，才能設計出高性能的純電動汽車。

1.1電機最大功率計算

為滿足純電動汽車整車性能，通過3種方法計算電機最大功率Pnmax，即:根據汽車最高車速確定的功率即額定功率Pne;爬坡度確定的功率Pna;加速性能確定的功率Pnc。根據整車設計參數，可計算出上述3個功率值，取其中最大者作為電機最大功率選取參考值，即Pnmax≥maxPne，Pna，P[]nc。根據表1、2所給出的參數，由以上公式(1)—(3)，計算求得Pne為22.64kW，在坡度為20°，以35km/h的車速爬大坡時，Pna為55.66kW，同時求得Pnc為45.78kW。因此，取Pna的值作為電機最大功率選取的參考值。

1.2電機功率與轉矩選擇

電機在工作時，其性能分為連續工作性能和短時工作性能。電機的額定值決定了其連續工作特性，短時工作特性是電機過載一定倍數之后的轉矩功率特性。在電機轉速與轉矩選擇時，通常以純電動汽車的常規車速來確定電機的額定轉速(電機通常運行的轉速)，再通過電機的額定功率和額定轉速求出電機的額定轉矩。

1.3電池組參數設計

動力電池是純電動汽車唯一的動力源，其攜帶的總電量是整車動力性和續駛里程的基本保證。電池組的總電量與電池單體的容量和組合形式有關，而動力電池的單體電壓和組合形式又直接決定了其為電機提供總電壓的大小。動力電池參數匹配主要包括電池類型的選擇、電池組電壓和容量的選擇。根據純電動汽車對目標性能的要求，綜合考慮整車所需的動力電池總電量、動力電池單體類型以及其組合形式后，計算確定動力電池單體數量。

2底盤系統設計

在純電動汽車底盤系統中，動力系統需要重新架構，因此總布置方案改變較大。目前，電動汽車底盤設計主要運用2種方式，即:根據設計需求，在傳統車平臺基礎上進行局部改制;開發“電動化、模塊化、智能化、集成化”全新理念的底盤系統。本文采用的方式是基于原有車型平臺進行局部改制。底盤系統中，大部分子系統的工作原理沒有發生變化，改制后需對底盤及整車進行重新總布置，重新計算軸荷分配對懸架系統性能造成的影響，然后對懸架系統做出相應調整。

2.1電機、減速器布置

電機、減速器的布置在原發動機前艙布置的基礎上進行，布置時應考慮如下幾個因素(以下X、Y、Z方向為車輛坐標系坐標軸方向，即當車輛在水平路面上處于靜止狀態，坐標原點與質心重合，X軸平行于地面指向正前方，Y軸指向駕駛員右側，Z軸通過汽車質心指向正上方):1)電機、減速器外輪廓距離左右縱梁的空間寬度應一致，以便于安裝懸置;2)減速器輸出軸中心線布置在滿載前輪中心線附近，差速器輸出軸與前輪中心連線盡量接近;3)減速器后部應與副車架、轉向機構都留有安全距離;4)電機三相線進線與控制器出線方向位置相協調;5)半軸在YZ平面內與Y方向夾角，空載時應小于15°，滿載時小于7°;6)電機布置位置應在整車滿載條件下確定。確定減速器輸出軸位置后，電機定位可繞減速器輸出軸旋轉，電機的輪廓上限不超過縱梁上平面，電機右側為3相線接口，電機控制器放置于電機正上方;電機位于減速器右側，如圖2所示(以下示意圖均是通過對各元件的簡化建模后得到)。差速器中心平面相對XZ平面偏左200mm，電機減速器集成體外輪廓距左側縱梁最小170mm，距右側縱梁最小60mm。該設計方案中，根據電機減速器集成體的尺寸分布，將差速器中心平面布置與整車中心平面基本重合，左右半軸通過萬向節將車輪與減速器的輸出軸連接起來，在YZ平面上，左右半軸與前輪中心線的夾角相等，在核算半軸與前輪中心線夾角時計算一側即可，如圖4所示。裝配時電機、減速器集成體與車架的連接點一共有3個，分別位于左側縱梁、右側縱梁、副車架。左側縱梁懸置軸線平行于Y方向，限制X和Z方向運動;右側縱梁懸置軸線平行于X方向，限制Y和Z向運動;副車架上的懸置軸線平行于Y方向，限制X和Z方向運動。

2.2前后艙元件布置

如上所述，將電機、減速器布置在原發動機前艙位置，同時DC/DC、電機控制器、空調壓縮機等相應電氣裝置均布置在前艙。可利用各元件的外形尺寸將各元件簡化為長方體模型進行布置，從車輛前艙上方往下俯視，如圖5所示。原車的后艙容積約為0.43m3，將車載充電器、電源管理器、配電箱、直流空氣開關布置在后排座椅背后，并且設計拱形支架，使其不影響備胎的放置，布置示意圖如圖7所示。同時，可設計一個大蓋板，將這幾個器件蓋住，以達到從后面看車內美觀的效果，后艙電器蓋板采用塑料件制成，以減輕整車質量。

2.3動力電池布置

本設計將電池單體集中布置于一個電池包中，動力電池包中共布置了100個電池單體，包內電池單體總共分為6排，沿車輛X方向，前部3排電池臥放，后部3排電池立放，以保證其與后排座椅地板形狀相統一，同時通過串聯形式將所有單體進行連接，如圖8所示。電池包采用無上蓋結構，利用車身地板及四周安裝板和加強板形成電池包的上蓋。電池包外殼可采用鈑金件折彎和焊接的工藝形成箱體，翻邊形成安裝板，可實現在安裝孔定位時與車身地板的模具統一起來。同時，電池排布上充分利用車身地板下方空間，與車身地板的形狀一致，以最大程度節省空間，為避開后輪擺臂安裝座和后輪罩在電池包后部兩邊開有2個缺口，如圖9所示。動力蓄電池布置在座椅地板下方，并且盡量保留了車身地板形狀，該布置的電池包是車輛的最小離地間隙位置，如圖10所示。該布置保證了駕乘人員安全，給貨倉和備胎留下了一定的空間，同時還考慮了電池包整體快速更換原則，方便電池包的整體更換。該動力電池單體質量為3.1kg，電池單體共310kg，加上電池包殼體及加強等附件結構，電池包總質量約385kg。該布置后電池包重心位置距離前軸水平距離為1558mm，前、后軸軸荷比例分別為49.4%和50.6%，滿足GB7258—2012中關于軸荷的要求。

3車身設計

純電動汽車車身設計是整車設計的重點之一，其設計效果對整車性能(如續駛里程、加速時間、爬坡性能等)的影響顯著。同時，車身必須達到足夠的結構強度以及滿足其他性能指標(如安全、耐久性、NVH、工藝等)。國內外對純電動汽車車身設計研究較多，目前主要是應用多種輕量化材料，同時集成結構設計優化和先進制造技術及工藝等手段進行設計［8］。基于以上所述，本例中電池包安裝在車身地板下方，其外殼設計及電池單體布置時盡量與車身地板的形狀一致。同時，電池包布置時考慮了整體快換原則，根據設計需要及電動汽車相關安全規定，上車體可直接由原傳統車平臺提供，但原車身地板在結構上必須做出相應更改。

3.1更改因素

為滿足要求，設計地板時考慮的因素如下:1)電池包安裝于車身地板下方，根據電池實際布置，為達到電動汽車安全法規相關要求，需抬高地板高度;2)車身地板下方要根據電池包外殼的形狀設計密封的加強梁，用于安裝電池包，并且與電池包共同形成電池包空間;3)車身地板下方需焊接3個支撐桿，該支撐桿用于支撐電池包中部變形產生的載荷，同時也用于安裝時的定位;4)車身地板上方需設計螺孔，用于安裝中央通道蓋板;5)設計中后排地板高度升至與前座椅安裝支架一致，需在車身地板上重新設計凸臺結構用于座椅安裝;6)車輛地板結構發生變化，側碰剛度發生變化，需重新校核，車身地板的承載能力同時也需要校核;7)新設計車身地板與周圍鈑金件的連接與原車不同，需重新設計。

3.2結構設計

根據以上設計需求，從車身底部右后邊向上斜看改進后的車身地板結構如圖12所示，其側面剖視示意圖如圖13所示。圖13中的臺階面從左至右依次表示:后排座椅安裝面、后排座椅腳地板及前排座椅安裝面、前排座椅腳地板。車身地板與電池包安裝梁通過車身焊裝構成車身的一部分，而中央通道蓋板在整車裝配線束后，再通過螺釘或螺栓固定在地板上，用于構成線束的通過空間。本例中由于車身地板在電池包的基礎上進行了抬高和展平，使得后排座椅的H點與腳地板的垂直距離減小，從原車的400mm以上減少至250mm左右，但是仍然符合一般乘用車布置設計要求。座椅下方安裝板展平后，重新設計了小的安裝支架結構，使得坐墊底座輕微改動。本設計在適當的地方加強了車身地板設計剛度，以滿足整車碰撞法規要求和承載要求。綜上所述，前后艙、動力電池包及與車身地板之間的布置關系如圖14所示。

4整車性能

改制后的純電動汽車整車基本性能可通過理論計算求得。將以上計算選取的各項參數導入Matlab軟件，并通過編程獲得部分相關性能曲線，結果如圖15—18所示。圖15是不同車速電機需求功率曲線。可知，在整車運行過程中，電機的需求功率隨整車車速變化，其大小隨車速增加而增大。其中，車速為50km/h時，電機滿足整車基本要求的需求功率為6.02kW;當車速為80km/h時，電機的需求功率達到13.41kW。圖16所示是不同爬坡度的電機功率曲線。圖16是在35km/h的車速勻速爬坡情況下獲得，曲線反映出電機需求功率與爬坡度成正比例關系。在爬坡度為零時，電機功率為0.47kW;當爬坡度為14.05%(8°)時，電機功率為24.63kW;當爬坡度達到36.40%(20°)時，電機需求功率最大，達到55.66kW。圖17是在電機額定功率、整車空載狀態下，整車的百千米加速時間曲線。由圖可見，車輛從原地起步加速至50km/h時，時間為5.66s;(50～80)km/h所用時間為6.16s;整車車速達到100km/h時，共用時為19.34s。圖18是不同條件的加速度與時間的關系曲線。可以看出，車輛在實驗質量－電機額定功率、車輛空載狀態、車輛滿載狀態下，其起步加速度大小不同。在車輛起步時，加速度的值最大，圖中3種條件下分別為2.63、2.41和0.84m/s2。在車輛起步后的一定車速范圍內，加速度大小基本保持不變;當車速達到一定值后，加速度開始逐漸減小，最后變為零，此時車速達到最大。其他數據，如等速(60km/h)續駛里程大于260km，最小轉彎半徑小于11m，整車滿載時最小離地間隙為147mm等。這些理論計算數據均達到了前期設計的性能目標要求。

5結束語

純電動汽車在能源利用率、減少排放污染、降低噪聲方面所具備的顯著優勢，對目前能源危機、環境污染問題均可起到有效緩解作用。本文針對基于傳統汽車平臺的純電動汽車改制進行了重新設計，各總成布置合理，將選配的數據導入matlab程序獲得了相應的車輛性能曲線。結果顯示，所有性能數據能夠滿足本文所提出的整車目標性能要求，將為該純電動汽車下一步整車優化提供有效參考。

作者：何勇彭憶強王子江王海單位：西華大學交通與汽車工程學院四川汽車工業股份有限公司新能源汽車研究院