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纯电动轿车双电机双模驱动系统结构设计开题报告

文章来源:www.biyezuopin.vip   发布者:毕业作品网站  

毕业设计(论文)开题报告

 

1. 结合毕业设计(论文)课题任务情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写文献综述。

1.1研究背景

随着全球汽车保有量越来越高,能源危机日益临近。与此同时全球范围内恶劣极端天气出现频率越来越高,人们的环境保护意识得到显著提高。全球各个国家和政府都对节能与新能源汽车给予了越来越多的关注和政策支持。纯电动轿车以其零排放的优势越来越受到各国政府的重视,各整车厂商也都加大对纯电动轿车研发的投入。

对于纯电动汽车而言,电池容量的大小不仅影响整车的生产成本,又影响纯电动汽车的续驶里程。在没有电池革命的情况下,为了平衡两者之间的矛盾,提高纯电动轿车的能量利用率成为解决这一矛盾的技术路径,提高能量利用率的途径主要有两种:

首先是在传统单电机单减速比驱动结构基础上的改进:主要措施有通过优化整车参数匹配和控制策略、车辆轻量化设计、低阻轮胎技术和制动能量回收技术。    

其次是纯电动轿车新构型的研究:主要的构型有单电机多速比驱动、双电机双轴驱动、双电机耦合单轴驱动和轮毂电机驱动。

其次是纯电动轿车新构型的研究:主要由单电机多速比驱动,双电机耦合驱动,轮毂电机驱动。

但单电机有两个比较明显的缺点:第一,单电机驱动一旦电机出现故障,车辆将无法行驶。第二,在匹配过程中要考虑整车对动力性能的需求,电机往往选的比较大,容易出现大马拉小车的现象,造成能量的浪费。

而双电机耦合驱动系统可以很好解决这个问题。首先,双电机耦合驱动系统作为多动力源驱动系统,当一个动力源出现故障,另一个动力源可以单独驱动整车。其次,双电机耦合驱动系统可以实现多种驱动模式,并且每个电机容量较小,这样能提高电机负荷率,从而提高整车经济性,增加电动车续航里程。且双电机耦合驱动系统比较传统单电机驱动的电动车改动较小,易实现量产,并且控制相对方便。

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1.2国内外的现状

1.2.1国外研究现状

国外学者T.HoldstockA.Sorniotti'"等针对一种新型的双电机祸合驱动型纯电动轿车的控制策略和节能潜力进行研究。在控制策略中运用了针对动态的DPCF(DynamicPerformance Cost Function)和针对静态的ECCF ( Energy Consumption Cost Function )函数来进行电机工作耦合模式的优化。

英国VocisRinderknecht,S等针对双电机耦合驱动型纯电动车的构型进行了深入研究,创造性地从DCT的结构中汲取灵感设计出了双电机多速耦合新构型,构型相对于其他构型具有许多独特优势。

韩国首尔大学的学者初步研究了双牵引电机相对于单电机的经济性旧本首都大学的学者Nobuyoshi Mutoh针对FRID型的双电机独立驱动构型的纯电动车的防滑驱动、整车动力学特性等进行了深入研究。国内的同济大学、东风汽车等最近也对双电机耦合驱动型纯电动车进行研究工作。

在理论方面,日本的Nobuyoshi Mutoh对双电机独立驱动构型的纯电动车的整车动力学特性和防滑驱动进行了研究。韩国学者Kim比较了双电机驱动较单电机驱动时的节能潜力。T.HoldstockA.sorniott对一种电动汽车的双电机驱动系统的整车控制策略和节能潜力进行了分析,用动态函数和静态函数对电机工作模式进行了优化设计。

在产品方面,美国的特斯拉公司申请了一种电动车的双电机驱动构型专利。该构型有两个电机以其控制器,并且在安装在驱动桥的两端实现同轴布置,实现了电机与驱动桥的集成设计。

英国的VociS Ltd设计了用于纯电动车双电机驱动的变速器,变速器接两个电机就可组成双电机祸合驱动系统,该公司还与大学和汽车厂商合作进行了这种构型的控制策略研究和整车试验工作。

Paul Waker研究了一种含变速装置的双电机耦合驱动结构,针对此驱动结构的齿轮传动比和变速装置的切换时间进行优化分析,从而在动力性和能源利用率两方面得到提高。Zhang S研究了双电机耦合驱动构型的能量管理策略,应用动态规划算法结合最优控制策略来对此驱动构型的能量管理进行改进,通过仿真分析得出此算法能够有效降低驱动系统的能量损耗。Tseng S K研究了一种新型并联式的双电机驱动系统以及能量管理策略。可以实现两个电机在额定转速范围内输出最大转矩,在额定转速外,通过能量的重新分配来让驱动系统继续以高转矩的输出。Alipour H针对无机械差速器的四轮独立纯电动汽车的侧向动力控制进行研究,通过神经网络观测器结合模糊逻辑控制器,提出一种新的速度控制器设计,比普通的滑动模式控制器实现更加快速及准确的控制。

在产品方面,美国的特斯拉公司申请了一种电动车的双电机驱动构型专利(3)。该构型有两个电机以其控制器,并且两端实现同轴布置,实现了电机与驱动桥的集成设计。

1特斯拉公司双电机构型图           2 Vocis双电机构型事物图

3 Vocis双电机装车示意图

英国的Vocis Ltd设计了用于纯电动车双电机驱动的变速器(图2),变速器接两个电机就可组成双电机耦合驱动系统,如图3所示,该公司还与大学和汽车厂商合作进行了这种构型的控制策略研究和整车试验工作。

1.2.2国内研究现状

当前国内外对于双电机构型的纯电动轿车的研究处于起步和探索阶段。现阶段主要着眼于一般的理论研究,尚未对此进行系统研究。虽然对于新构型的研究方兴未艾,但是这种纯电动汽车新构型已经引起了包括Tesla, Vocis和北汽新能源在内的部分纯电动汽车生产研发企业的重视。部分企业针对新构型申请了发明专利,个别前列企业针对此构型开发了实车验证产品。

北京理工大学的孙逢春等开展了对双电机构型纯电动汽车构型形式的研究。该研究团队研发了转矩耦合形式和转速耦合形式两种耦合模式的实现机构。通过设计优化,设计发明了一系列双电机耦合驱动纯电动车新构型,为后来者进行参考研究提供了方向和指导依据。

西北工业大学的王峰、方宗德等针对一种双电机构型纯电动轿车进行了初步的参数匹配研究工作,匹配结果显示双电机构型纯电动轿车相对于传统构型具有一定的经济性优势。

付君伟设计了适用于双电机独立驱动的汽车构型的机械式自适应差速器,通过惯性环实现按最小能耗将转动惯量分配给左右半轴。杨胜兵提出了基于分时控制的纯电动双电机独立驱动控制策略,通过仿真分析验证了方案的可行性,以及相对于单电机驱动系统在动力性方面的提升。王加雪针对双电机耦合驱动结构研究了一种效率匹配与功率匹配相结合的动力系统参数匹配,以功率匹配作为动力性约束条件,以效率匹配作为循环工况高效运行的经济性匹配目标。李刚研究了四轮独立驱动轮毂电机驱动稳定性和节能控制,包括基于路面识别的驱动防滑控制与转向集控制,以及基于再生制动的节能控制策略。

在产品方面,国内很多高校以及整车厂申请了系列的专利产品,大部分利用的是行星排作为动力耦合装置。

专利申请号为201210024534.9的北京理大学申请的一种纯电动汽车双电机驱动构型(4),该构型两个电机采用同侧双轴布置加齿圈锁止的结构形式,通过行星排耦合和离合器的控制实现不同的驱动模式。

申请号为201320798730.1的北汽福田汽车申请的双电机驱动系统结构(5),不同于齿圈锁止的结构,该构型采用了行星架锁止的结构形式,主电机10接行星排的外齿圈,辅助电机20接行星排太阳轮部分,可以实现两个电机独立驱动和转矩耦合驱动的工作模式。

4北京理工大学双电机构型             图5北汽福田双电机构型

1.3研究的目的意义

当前世界各国和政府为了推广纯电动汽车,不断推出各种经济补贴和政策优惠。然而受限于续驶里程短和价格昂贵等因素,纯电动汽车的大规模推广和被广泛接受还要经历一段时期。本文提出了一种双电机纯电动车新构型,意在提高纯电动车的经济性和续驶里程。

作为核心部件,电力驱动系统的技术水平直接制约纯电动汽车的整体性能。如今,有多种驱动系统可以使用。根据车轮驱动扭矩的动力源,驱动系统的模式可分为整体式驱动和分布式驱动。整体式驱动系统的驱动扭矩由主减速器或次级减速器或差速器来调节,主要包括单电机直驱和主副电机耦合系统。在分布式驱动中,每个驱动轮都有一个单独的驱动系统,轮毂电机驱动系统是分布式驱动的主要形式。  

整体式驱动的技术相对比较成熟,但驱动力通过差速器被大致平均分配到左、右半轴,单个驱动轮的转矩在大多数车辆中不能独立地调节。因此不安装其他的传感器和控制器,我们很难对汽车的运动和动力进行控制。分布式驱动近几年飞速发展,由于大多数车轮和电动机之间的机械部件被替换,因此分布式驱 动系统具有结构紧凑和传动效率高的优点。

1.4参考文献

[1] 董冰.基于锂离子动力电池的纯电动汽车能量管理系统控制策略与优化[D].长春:吉林大学,2014.

[2] 鲁春艳.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径[J].轻型汽车技术,2007(6):22-25.

[3] Muttana S B, Sardar A. Light weighting of Battery Electric Cars: An Impact Analysis Using Indian Driving Cycle[J]. SAE Technical Paper, 2013:01-2831.

[4] 金立刚.关于汽车节能的几种技术[J].科技风,2011:6-48.

[5] 方运舟. 纯电动轿车制动能量回收系统研究[D].合肥:合肥工业大学,2012.

[6] 北京理工大学.一种双电机转速耦合驱动总成:中国:102133856A[P]. 2011-07-27.

[7] 韩光伟,张承宁,刘昭度,董玉刚.双电机耦合驱动系统试验台构建及控制策略试验[J].微特电机,2014,42(8):38-43.

[8] 武小花,阴晓峰.纯电动客车双电机耦合驱动系统控制策略研究[J].高技术通讯,2013,23(8):57-63.

[9] 王峰,方宗德.纯电动汽车新型动力传动装置的匹配仿真与优化[J].汽车工程,2011,33(9):805-808.

[10] 付君伟. 电动汽车双电机独立驱动后轮机械式自适应差速器的设计[J]. 汽车零部件, 2015, (12): 56-57.

[11]杨胜兵. 新型双电机分时独立驱动的纯电动汽车仿真分析[J]. 武汉理工大学学报, 2016, (04): 651-656.

[12]王加雪.双电机混合动力系统参数匹配与协调控制研究[D]. 吉林大学, 2011.

[13]李刚. 线控四轮独立驱动轮毂电机电动汽车稳定性与节能控制研究[D]. 吉林大学, 2013.

[14]北京理工大学.电动汽车及其双电机耦合变速装置和该装置的控制系统:中国:102555791A[P].2012-07-11.

[15] 北汽福田汽车股份有限公司.双电机驱动系统及车辆:中国:203611714U[P].2014-05-28.

[16] 北京汽车新能源汽车有限公司.双电机两档驱动控制系统及其驱动控制方法:中国:103738199A[P].2014-04-23.

[17] Nobuyoshi Mutoh. Front and Rear Wheel Independent Drive Type Electric Vehicle (FRID  EV) for a Next Generation Eco-Vehicle[C]. Industrial Electronics (ISIE), 2010(7): 3642-3649.

[18] T.Holdstock,A.Sorniotti. A novel clutchless multiple–speed transmission for electric axles[J]. International Journal of Powertrains,2013,2(3):103-131.

[19]Paul Walker. Performance Improvement of a Two Speed EV through Combined Gear Ratio and Shift Schedule Optimization[J]. SAE, 2013, doi:10.4271/2013-01-1477.

2. 毕业设计(论文)任务要研究或解决的问题和拟采用的方法:

2.1研究内容:

纯电动轿车双电机双模驱动系统可同时实现转矩耦合和转速耦合驱动模式,在车辆低速或爬坡时采用转矩耦合模式提高整车动力性;在车辆高速时采用转速耦合模式,通过动态调整辅助电机转速,使主驱动电机的转速与车辆速度解耦从而稳定运行在高效区间。该系统结构简单、模式切换容易、高效率、同时兼顾纯电动车辆的动力性与经济性。此毕业设计要求学生提出一种纯电动车用双电机多模式驱动系统,通过集成双电机和行星轮系动力耦合装置,实现双电机的多种耦合方式,以适应车辆在不同工况下的动力需求,开展系统的结构优化。

首先,针对双电机构型的纯电动轿车进行构型分析。分别对三种典型的双电机构型进行结构分析、工作模式分析和运动学分析。在掌握三种典型构型优缺点的基础上,提出一种能够同时实现转矩耦合和转速耦合的双电机耦合驱动新构型。

其次,对提出的双电机耦合驱动新构型进行参数匹配。本文首先利用功率匹配的方法对两个电机的性能参数进行初步匹配。再利用优化算法对初步匹配参数进行优化,以实现构型的经济性最大化。

再次,开发发挥新构型节能潜力的控制策略。本文控制策略主要分为三部分。即驾驶员需求转矩计算模块、模式识别模块和需求转矩分配模块。

2.2拟采用的方法:

2.2.1研究方法

1)用对比分析方法提出能实现转矩和转速耦合驱动的双电机总成新构型。并采取优化算法对初步匹配的参数进行参数优化。

2)通过踏板开度及踏板开度的变化率来模拟驾驶员模型,根据驾驶员模型以及现有车速,来进行需求转矩计算。

2.2.2拟解决的关键问题

1)提出能同时实现转矩和转速耦合联合驱动的双电机总成新构型。综合国内外的双电机驱动构型,通过分析几种典型双电机构型的结构和动力学关系,提出了一种能够同时实现转矩耦合和转速耦合的双电机动力系统新构型。

2)提出双电机耦合驱动系统驱动控制与能量管理策略,重点完成双动力源驱动下的能量管理策略制定,目的是使双电机耦合驱动系统驱动整车时较传统单电机驱动时在满足动力性指标的基础上实现经济性的更优。

指导教师意见(对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计(论文)结果的预测):

课题有一定深度和广度,且满足工作量要求,该生经努力应能较好完成所要求的工作。

 

                                        指导教师___________

                                            年    月    日

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