新能源与智能汽车技术丛书--电动汽车一体化动力传动技术

本书主要介绍电动汽车一体化动力传动技术,即纯电动汽车动力传动系统的结构和布置形式,根据电机外特性、整车的参数、性能设计要求,选择电机集成变速器的驱动形式,完成对驱动电机的功率、转矩、转速和变速器的挡位数、速比进行匹配计算。全书内容包括驱动电机与变速器参数匹配、电机选型设计、变速器设计、动力总成耦合控制方法、动力总成挡位集成控制换挡规律的制定方法及换挡过程的要求和优化技术等。
本书内容深入浅出,结合实际,便于读者学习,可供科研单位、工厂及有关工程技术人员参考使用,也可作为汽车工程类院校本科生和研究生的专业教学参考书。

田晋跃，江苏大学汽车与交通工程学院车辆工程系，教授，1982 年2 月至1999 年4 月,在机械工业部天津工程机械研究所路面机械研究室，高 级工程师；液力机械传动研究室副主任，高 级工程师。
1999 年5 月调入江苏大学工程机械研究所,任所长，教授。兼任中国工程机械学会理事、中国工程机械液压传动技术分会副理事长、中国公路学会筑路机械分会理事、江苏公路学会筑路机械委员会副主任，《中国工程机械学报》和《工程机械与维修》杂志编委。
多年来,完成30 项科研项目,其中9 项为国家及机械部项目，修定、制定4 项行业标准,主管完成科研项目15 项,共有6 项获国家、部省及局级科技奖,并在各类行业期刊上发表了60多篇论文。
现从事工程机械模块教学与科研工作。重点研究机电液一体化控制车辆，实现行走工程车辆装备的复合作业，研究行走工程车辆装备及其控制操纵系统，使行走工程车辆装备达到节能、高效、操作简便、舒适的技术水平。

《电动汽车一体化动力传动技术》是一本难得的实用技术专著，专注于电动汽车一体化动力传动的核心和关键技术进行了较系统和深入的介绍，涵盖纯电动汽车动力传动系统的结构和布置形式，根据电机外特性、整车的参数、性能设计要求，选择电机集成变速器的驱动形式，完成对驱动电机的功率、扭矩、转速和变速器的档位数、速比进行匹配计算等内容。
《电动汽车一体化动力传动技术》具有较强原创性，不仅内容新颖，系统、先进，而且兼顾一定的应用性和实用性。适合汽车研发设计、教学科研等相关人员使用。

本书是为满足车辆工程及相关专业方向的从业人员编写的。
电动汽车动力传动系统一体化控制是指应用电子技术， 以电子控制单元(ECU) 为核心，通过控制执行机构, 并通过电子装置控制动力传动系统， 实现车辆起步、换挡的自动操纵。在保证汽车动力性能要求的基础上， 通过对电机、传动系统、动力电池的初步参数匹配，可以提升电动汽车的能量利用率。撰写本书的目的是使相关从业人员掌握电动汽车一体化传动控制的基本工作原理， 帮助读者掌握和运用电动汽车一体化传动控制的基本理论和方法。
本书主要介绍电动汽车一体化动力传动技术， 内容包括驱动电机与变速器参数匹配、电机选型设计、变速器设计、动力总成耦合控制方法、动力总成挡位集成控制换挡规律的制定方法、换挡过程的要求和优化技术等。
我国电动汽车起步发展快，目前相应的标准和规范的制定要落后于实体技术的进步，对于电动汽车的部件也缺少十分准确的定义， 同一部件会有不同的理解和定义。本书中出现了“动力总成” 和“动力传动系统” 的概念， 其内涵需要在这里加以说明。所谓“动力总成”包括驱动电机、控制器以及功率变换器三个总成。而“动力传动系统”为驱动电机、变速器和差速器等部件。
书中出现了电动汽车“一体化”驱动系统和电动汽车“集成化” 驱动系统两个概念。所谓电动汽车“一体化”驱动系统，是指总成化的动力传动系统（IntegratedElectric Drive System, IEDS），将电机、齿轮变速装置以及驱动桥等部件组装在一起，减少传统汽车动力传动系统的冗余部件， 组成一个集成的驱动部件，完成电动汽车启动、行驶以及制动等工况的电动汽车动力传动系统。
高度“一体化”的电动汽车动力系统构成高集成化的驱动系统（Highly Integrated Electric Drive System，HIEDS），将电机驱动系统中的控制器和功率变换器以及冷却装置集成在一体化的动力传动系统中， 利用驱动电机与传动系统的合理匹配技术， 满足电动汽车最佳控制， 使动力传动系统的功能更优异， 结构更紧凑。
本书共10 章。第1 章主要介绍电动汽车一体化动力传动技术的结构特点，以及电动汽车一体化动力传动的控制的分类。第2 章介绍各种电动汽车应用的电机的工作原理与分类。第3 章介绍电动汽车驱动电机系统组成， 以及选型依据和方法。第4 章介绍齿轮机构运动方案设计。第5 章介绍动力传动系统的基本方案及其参数匹配。第6 章介绍采用所设计的动力总成参数， 用MATLAB/SIMULINK建立纯电动汽车整车模型，对整车设计指标和电驱动系统控制策略及控制功能进行离线仿真与验证的方法。第7 章介绍总成集成控制流程方案以及变速器的换挡规律。第8 章介绍采用双电机动力耦合系统整车动力传动系统的工作特点， 以及进行电机、动力电池和传动系统等参数的匹配方法。第9 章介绍无离合器的两挡AMT 工作原理以及换挡过程控制策略。第10 章介绍控制并优化系统中热量的传递过程，以及实现完善的管理及合理利用产生的热能、降低系统的发热量的方法。
本书的编写特点： 紧密结合工程应用的基本要求， 内容完整系统、重点突出，所用资料力求更新、更准确地解读问题点； 重点讲解电动汽车一体化动力传动技术知识的同时，强调知识的应用性，具有较强的针对性。
笔者近年来一直从事车辆工程实用技术的研究， 在书中系统论述了电动汽车一体化动力传动技术，希望本书能为推动我国汽车工程行业的技术进步贡献一份力量，并对广大读者有所帮助。
在本书编写过程中，引用了研究生顾以慧、贾永同和盛家炜研究论文的部分数据，并参考了其他一些国内外相关文献资料， 在此， 谨向这些文献的作者表示深深的谢意。

著 者

第1章　绪论 001
1.1　一体化动力传动总成的基本结构 003
1.1.1　动力传动总成的基本分类 003
1.1.2　纯电动汽车动力传动系统基本方案 005
1.2　电动汽车动力传动总成的技术特征 007
1.2.1　电动汽车动力传动总成性能指标 007
1.2.2　电动汽车一体化动力传动的控制思想 008
1.2.3　电动汽车一体化动力传动的控制方式 009
1.3　电动汽车一体化动力传动的应用案例 010

第2章　电动汽车动力系统 015
2.1　直流电机及其驱动系统 016
2.1.1　直流电机的工作原理 016
2.1.2　直流电机的动态方程与特性分析 018
2.1.3　直流电机的调速方法 021
2.1.4　直流电机的脉宽调制控制 023
2.1.5　直流电机的转矩与转速控制 024
2.1.6　直流电机的特点 025
2.2　交流感应电机及其驱动系统 025
2.2.1　交流感应电机的工作原理 026
2.2.2　交流感应电机的特性分析 027
2.2.3　交流感应电机的矢量控制 028
2.2.4　交流感应电机的特点及应用 029
2.3　永磁同步电机及其驱动系统 029
2.3.1　永磁无刷直流电机及其驱动系统 029
2.3.2　永磁同步电机及其驱动系统 033
2.4　开关磁阻电机及其驱动系统 036
2.4.1　开关磁阻电机的结构和工作原理 036
2.4.2　开关磁阻电机的控制 038
2.4.3　开关磁阻电机的特点及应用 039
2.5　功率转换器 040

第3章　驱动电机设计选型基础 043
3.1　电动汽车驱动电机基本结构 044
3.1.1　驱动电机的基本要求和组成 044
3.1.2　直流电机及其控制系统 047
3.1.3　交流三相感应电机及其控制系统 049
3.1.4　永磁同步电机结构及工作原理 050
3.1.5　开关磁阻电机及其控制系统 052
3.2　永磁同步电机的电磁设计 053
3.2.1　电机主要尺寸的计算 053
3.2.2　极槽配合的选取 055
3.3　永磁同步电机定子的设计 056
3.3.1　铁芯材料的选取 056
3.3.2　电机定子齿槽设计 057
3.3.3　电机定子绕组方案 058
3.4　永磁同步电机转子的设计 059
3.4.1　电动汽车永磁同步电机的磁路结构特点 059
3.4.2　永磁同步电机的数学模型 061
3.5　永磁同步电机特性参数的分析 063

第4章　电动汽车传动装置优化设计 065
4.1　齿轮强度计算 066
4.1.1　齿轮传动目标函数的确定 066
4.1.2　齿轮箱设计变量的确定 068
4.1.3　齿轮箱约束条件的确定 068
4.2　行星机构的设计与计算 069
4.2.1　行星轮系中各轮齿数的确定 070
4.2.2　行星轮系的均衡装置 073
4.2.3　行星轮系传动比的计算 074
4.3　离合器的结构与工作原理 076
4.3.1　离合器的作用 076
4.3.2　离合器的分类 077
4.4　齿轮箱体轻量化 080
4.4.1　结构优化设计方法简介 081
4.4.2　齿轮箱结构拓扑优化流程 082

第5章　动力传动系统参数匹配 085
5.1　动力传动系统方案分析 086
5.1.1　动力传动系统的组成 086
5.1.2　动力传动系统的基本方案 087
5.1.3　动力传动系统的方案选择 088
5.2　驱动电机与变速器参数匹配 090
5.2.1　纯电动汽车设计要求 090
5.2.2　电机参数匹配 091
5.2.3　变速器参数匹配 093
5.3　电驱动桥的匹配实例 097
5.3.1　电动工程车辆电驱动桥匹配 098
5.3.2　电驱动桥传动分析 100

第6章　动力传动系统仿真 102
6.1　系统模型的建立 103
6.1.1　驾驶员模型 104
6.1.2　循环工况输入模型 104
6.1.3　电机模型 104
6.1.4　电池模型 106
6.1.5　逆变器模型 108
6.1.6　变速器模型 108
6.1.7　整车动力学模型 109
6.1.8　控制器模型 112
6.2　仿真分析 118
6.2.1　加速时间仿真 118
6.2.2　最高车速仿真 118
6.2.3　最大爬坡度仿真 118
6.2.4　续驶里程仿真 118
6.2.5　柔性换挡仿真 120

第7章　动力传动系统换挡规律 125
7.1　一体化控制流程 126
7.2　加速踏板的响应和控制 127
7.3　变速器的换挡规律 127
7.3.1　最佳动力性换挡规律 128
7.3.2　最佳经济性换挡规律 130
7.3.3　组合型换挡控制策略 131
7.4　优化的柔性换挡控制策略 132

第8章　双电机动力总成耦合控制 138
8.1　纯电动汽车能耗分析 139
8.2　双电机驱动结构分析 140
8.2.1　独立驱动结构分析 140
8.2.2　耦合驱动结构分析 141
8.2.3　双电机耦合结构节能优势分析 143
8.3　基于行星耦合系统的新型双电机驱动结构 145
8.3.1　电机独立驱动模式 146
8.3.2　电机联合驱动模式 147
8.4　双电机动力耦合系统控制策略 149
8.4.1　动力系统控制架构的分析 149
8.4.2　能量管理模块 152
8.5　基于能效的参数优化 155
8.5.1　遗传算法 155
8.5.2　电机和传动系统参数的优化 156
8.5.3　基于遗传算法模型求解 159

第9章　无离合两挡AMT 控制的优化 162
9.1　无离合器的两挡AMT 工作原理 163
9.1.1　两挡AMT 结构 163
9.1.2　两挡AMT 换挡结构 163
9.2　两挡AMT 换挡过程动力学模型 165
9.2.1　驱动电机转矩清零阶段 165
9.2.2　换挡电机摘挡阶段 166
9.2.3　驱动电机主动调速阶段 167
9.2.4　接合套向同步环运动阶段 167
9.2.5　接合套与同步环向目标挡位齿圈运动阶段 167
9.2.6　同步环开始同步阶段 168
9.2.7　同步环完全同步阶段 168
9.2.8　换挡电机挂挡阶段 169
9.2.9　驱动电机转矩恢复阶段 169
9.3　换挡过程控制策略 170
9.4　换挡过程评价指标 171
9.4.1　换挡时间指标 171
9.4.2　冲击度指标 172
9.4.3　滑摩功指标 172
9.5　换挡过程品质优化 172
9.5.1　优化目标函数 172
9.5.2　PSO 算法目标转矩寻优过程 173
9.5.3　寻优结果与分析 174

第10章　动力传动总成散热技术 177
10.1　电动汽车用电机冷却系统简介 178
10.2　流动与传热基本理论 179
10.2.1　流动湍流模型 179
10.2.2　流体传热学分析 181
10.3　电机冷却系统散热分析 183
10.3.1　冷却系统组成 183
10.3.2　电机热源分析 183
10.4　齿轮箱发热分析 186
10.4.1　齿轮啮合摩擦功率损失 187
10.4.2　风阻功率损失 189
10.4.3　搅油功率损失 189
10.4.4　滚动轴承摩擦功率损失 190
10.4.5　齿轮箱热平衡 191

参考文献 193