摘 要

目前市面上大多数纯电动物流车仍采用集中驱动形式，但是分布式驱动形式是一种新式的驱动形式，对于动力学控制、汽车结构设计、能量效率以及其它性能方面都有许多优点，能够很好的改进集中驱动形式的不足，因此，研究分布式驱动纯电动汽车技术有利于新能源汽车的发展及推广。

本文首先介绍了汽车总布置设计的原则和依据，在分析了所给车辆参数后，确定了设计车型为某款纯电动物流车。介绍了纯电动车的六种基本的驱动布置形式，理论分析了分布式驱动相对于集中式驱动的优点，提出了两种不同的分布式驱动布置方案。在比较分析后，设计一种新型的分布驱动纯电动物流车的布置方案。根据基本参数，确定了动力电池、前后驱动电机、传动系统的相关参数，同时还对前后驱动桥、车架和悬架也进行了选型。最后计算校核了汽车的动力性以及续航里程，符合设计要求。

关键词：分布驱动；汽车总布置；电动物流车；参数匹配

Abstract

Most of the pure electric logistics vehicles on the market still use the centralized drive form, but the distributed drive form is a new type of drive. It has many advantages for dynamic control, automotive structure design, energy efficiency and other performances, and it can also improve the shortage of centralized driving methods. Therefore, the research on distributed drive pure electric vehicle technology is conducive to the development and promotion of the new energy vehicles.

This paper first introduces the principle and basis of the general layout design of the car. After analyzing the parameters of the given vehicle, it is determined that the designed model is a pure electric logistics vehicle. The six basic drive layouts of pure electric vehicles are introduced. The advantages of distributed drives versus centralized drives are theoretically analyzed. Two different distributed drive layout schemes are proposed. After comparative analysis, a new layout scheme for distributed drive pure electric logistics vehicles was designed. According to the basic parameters, the relevant parameters of the power battery, front and rear drive motor and transmission system are determined, and the front and rear axles, frame and suspension are also selected. The final calculation checks the vehicle's power and cruising range, which meets the design requirements.

Key Words：distributed drive; layout; electric logistics vehicle; parameter matching

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题研究背景和意义 1

1.2 研究目的 2

1.3 国内外研究现状 2

1.4 本文主要研究内容 2

第二章 分布驱动纯电动车的总布置方案 4

2.1 总布置设计的原则和依据 4

2.2 纯电动车的总布置形式 4

2.3 分布驱动纯电动车的总布置形式 6

2.3.1 分布驱动纯电动车的优点 6

2.3.2 分布驱动纯电动车的布置方案 6

2.3.3 动力电池的布置 8

2.4 本章小结 8

第三章 分布驱动纯电动车的动力系统参数匹配 9

3.1 整车基本参数和设计要求 9

3.2 驱动电机选型和参数匹配 9

3.2.1驱动电机的性能要求 9

3.2.2 电机选型 9

3.2.3 驱动电机功率选择 10

3.2.4 驱动电机转速选择 12

3.2.5 驱动电机转矩计算 12

3.2.6 驱动电机额定电压选择 12

3.3 电池参数匹配设计 13

3.3.1 动力电池类型选择 13

3.3.2 动力电池组容量选择 13

3.4 传动系统参数设计 14

3.5 分布驱动纯电动车的动力及续航里程分析 15

3.5.1 最高车速分析 15

3.5.2 爬坡性能分析 17

3.5.3 加速性能分析 18

3.5.4 续航里程分析 18

3.6 本章小结 18

第四章 驱动桥及其他部件的设计 19

4.1 驱动桥的概述 19

4.2 驱动桥的结构设计 19

4.3 驱动桥各部件设计 19

4.3.1 主减速器设计 19

4.3.2 差速器设计 20

4.3.3 车轮传动装置的设计 20

4.3.4 驱动桥壳的设计 20

4.4 其他部件的选择 21

4.5 本章小结 21

第五章 总结与展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 选题研究背景和意义

随着汽车工业的快速发展，以石油为代表的不可再生能源逐渐被消耗,环境污染、能源危机、环保、可持续发展和安全等方面的问题越来越突出。在世界范围内,以美国、日本和欧洲为代表的发达国家都在新能源汽车的研究和开发上投入了大量的人力和资源^[1]。在政府相关法规政策和市场的双重影响下，新能源汽车发展迅速。根据工信部的报告，2018年，在汽车总销量同比下降2.8%的趋势下，新能源汽车产量达到125.6万辆，同比增长61.7%。其中，纯电动车产量为98.4万辆，同比增长50.8%^[2]。

图1.1 2016—2018年月度新能源汽车销量及同比变化情况

由于新能源汽车与传统汽车区别较大,纯电动汽车在整车结构方面需要有较大变化的设计和重新布置才能满足一定的法规政策和性能需求^[3]。汽车的性能不仅取决于汽车各个部件的性能，而且各部件之间的协调和配合在很大程度上也起着不可否认的作用，这就是取决于总体布置设计，而汽车性能的优劣还受到汽车动力系统参数的影响。总而言之，总体设计水平对汽车的性能、设计质量和产品活力有着决定性的影响^[4]。

1.2 研究目的

总布置设计与汽车的4项重要评价指标密切相关，即汽车动力性、舒适性、安全性和整车成本，这4项指标彼此之间既存在冲突又相互影响，比如提高汽车的动力性和安全性，这通常会导致成本增加或舒适性能下降^[5]。因此，本设计需要在满足所给性能要求的基础上，尽可能优化以上四个指标，得出最合理的总体布置方案。

本文旨在设计某款分布驱动纯电动车的总布置方案。根据给定参数判断车型为纯电动箱式物流车，比较各种分布驱动布置方案之间的差异，找出最适合该车型的总布置形式。然后根据相关法律法规进行各总成部件的选型和匹配计算，在进行相关的优化后，利用工程软件绘制系统总布置图。

1.3 国内外研究现状

纯电动汽车的历史可以追溯到19世纪末，世界上第一辆电动汽车是由法国的古斯塔夫·特鲁夫研制出，在1881年巴黎国际电器展览会上展出。1895年到1905年是纯电动汽车发展的一个黄金时代，但是，此后由于石油能源被大量的开采和内燃机的种种优势，纯电动汽车的开发逐渐停滞了下来。这种情况持续到了20世纪70年代，由于石油危机的爆发，人们逐渐开始考虑能够代替石油的其他新能源，包括风能、太阳能、电能等等可再生能源。因此，从政治和经济的角度来看，纯电动汽车已经迎来了另一个发展机遇，再次受到关注^[6]。

由于纯电动汽车结构较简单，运转和传动的部件较少，并且部件与部件之间大部分都是用电线来连接，所以可以根据需要灵活的安排各部件的布置位置。驱动电机就相当于发动机，一般布置在前机舱，也有部分小型电动汽车将驱动电机后置。为了方便布置高压电缆，电动机控制器与驱动电机的距离不能太远。由于电池包体积较大，为了减少对其他零件的影响，一般将其布置在前地板和后地板下方。纯电动汽车动力总成由驱动电机和减速器组成，相比于传统汽油发动机和变速器组成的动力总成，纯电动汽车动力总成的体积相对较小，并且没有进气系统和排气系统，因此，纯电动汽车动力总成布置更容易^[7]。

在总布置设计中，各部件的选型和参数匹配是很关键的一步。文章[8]对某款轻型纯电动客车设计了单级、双级和4级变速器3种方案,说明了双级变速器相对于其他两种的优势。文章[9]分析比较了各种动力总成的参数匹配方法。对于动力系统的参数匹配，文章[10]提出了一种基于多目标优化的两挡变速器动力系统参数匹配方法。文章[11]和论文[12]提出了一种新式的分布驱动电动车布置。

1.4 本文主要研究内容

本文以纯电动物流车为研究对象，在对物流车车型特点分析的基础上，对整车进行总布置设计。本文主要研究内容为：

（1）简述论文研究的背景，纯电动车总布置的国内外发展、研究现状，论文研究目的及意义；

（2）对集中式驱动和分布式驱动，各种布置形式和各部件的不同布置位置等进行分析比较，选择最合适的总布置方案；

（3）根据给定参数进行各总成部件的选型和整车各系统匹配计算；

（4）利用matlab软件编程，评价整车动力性和续航里程；

（5）绘制系统总布置图，包括三维图和二维图。

第二章 分布驱动纯电动车的总布置方案

2.1 总布置设计的原则和依据

车辆总体布置是汽车设计中的重要部分，也是确定新车型整体方案的关键环节之一。由于所给参数与物流车车型相匹配，故在总布置设计前先了解物流车的工作特点是很有必要的。

物流车需要满足城市之间的货物运输要求，续航里程要长，故动力电池的电池容量要足够大。为了保证在运送过程中货物的完好，物流车的减震不能差，即要提高汽车的平顺性。由于物流车经常载满货物，长期处于高负载状态下运行，故前后桥承载能力要大。物流车要能满足城市间的货物运输，车辆经常在高速公路上行驶，由于总体车速较高，电动机的中高速性能要好。又由于其自身的特点，质心靠后，再加上随着车速提高，后轮的垂向反力增大，后轴电动机的功率要足够大才能满足其设计要求。

在进行分布驱动纯电动物流车总布置设计时，不仅要根据物流车的使用特点及使用要求来设计，同时还要参考相应的法律法规，要从生产合理性、技术先进性和使用方便性出发，正确确定主要参数，如整车质量、车身外形尺寸和性能指标等，制定设计说明书。对每个部件进行合理的布置，并且进行运动校核。最后，保证汽车主要性能指标达到设计要求。将整车与部件，各部件之间，设计与制造之间的各种矛盾协调好^[13]。

整车总布置主要的设计依据如下：（1）底盘整体布置的有关参数和驱动电机的布置要求；（2）整车的使用条件和预期要求；（3）人机工程学的要求；（4）现有的制造、工艺条件；（5）国家、行业相关标准和法规。

2.2 纯电动车的总布置形式

常见的纯电动汽车驱动系统布置有六种类型，如图2.1所示。其中图2.1（a）到图2.1（c）为电动机中央驱动，图2.1（d）为双电动机电动轮驱动，图2.1（e）为轮边电动机驱动、图2.1（f）为轮毂电动机驱动^[14]。

图2.1（a）的驱动形式基于传统内燃机车辆，动力电池和驱动电机替代内燃机，其他部件的布置不变，驱动电机与驱动轮之间的动力通过离合器将进行连接或切断，变速器提供不同传动比以满足需求，差速器实现曲线行驶时两车轮在不同速度下的行驶，但变速器和离合器也可以被自动变速器所代替。

图2.1（b）动力系统包括驱动电机、固定速比减速器和差速器。多级变速器和离合器能够被一个固定速比减速器替代的原因在于，驱动电机能够在较长的速度变化范围内提供相对恒定的功率。传动系统去掉了离合器和变速器，这种做带来的好处是减小了传动装置的重量和外形尺寸，对于换档的控制也更容易。

图2.1 驱动形式布置图

图2.1（c）为另一种电动机中央驱动形式，其类似于前轮驱动、发动机前置且横向布置的传统内燃机汽车的布置形式，然而，驱动电机、固定速比减速器和差速器这三者被进一步集成并且布置在驱动轴上，两根半轴分别连接两个驱动车轮这使得整个传动系统被大大简化和集成化。从能量再生制动的角度来看，这种形式可以很容易地将电能从车轮到驱动电机回收（通过制动将动能转化为热能），有利于全轮驱动。由于没有传动装置，电动机的运转更加容易，但这要求电动机在低速时转矩大，且电机转速变化范围大，同时还要增加电动机和逆变器的容量。这种布置形式最常应用于小型的纯电动车辆。

图2.1（d）为双电动机电动轮驱动方式，其在上一种传动形式的基础上，机械差速器被相互独立的两个牵引电动机所替代，两侧的车轮各被一个牵引电动机所驱动，是一种无机械差速器的传动形式。车辆在曲线行驶过程中，每侧的驱动电机将以不同的转速工作。在这种形式的驱动桥中间没有大的差速器桥包，因此这可以减少整车质心。但是，汽车要通过电子差速器控制汽车在曲线行驶中两侧驱动电机的转速，控制难度较大。

图2.1（e）是轮边电动机驱动方式，这种方式取消了车轮和驱动电机间的传动轴，由驱动电机直接驱动。由于要满足不同工况下的功率要求，需要采用一个单排的行星齿轮以降低转速和增大扭矩。单排行星齿轮能够提供合适的减速比与线性的输入输出特性。在车轮内部安装驱动电机和固定速比的行星齿轮减速器。但是，这种形式需要两个或四个电动机，其控制电路也很复杂。这种驱动形式在较重的电动汽车上应用广泛。

图2.1（f）是轮毂电动机驱动方式，电机和车轮之间的传动装置都被取消掉了，电机的外转子和车轮直接相连，轮毂电机为低俗电机可直接驱动车轮，汽车在控制电机的转速的同时也就控制了驱动轮的转速，使得汽车车速的控制变得简单。但是，这种驱动形式的驱动电机要求在起动和加速时具有高扭矩特性。

2.3 分布驱动纯电动车的总布置形式

2.3.1 分布驱动纯电动车的优点

现代汽车发展了140多年，从一辆汽车配一台发动机到今天的纯电动汽车，驱动电机最多每一个车轮配一个驱动电机，能源和驱动系统结构发生了很大变化。根据驱动系统的不同结构布置，纯电动汽车可分为单电机集中驱动电动汽车和多电机分布驱动电动汽车，以下简称集中驱动式电动汽车和分布式驱动电动汽车。

集中驱动式电动汽车采用驱动电机、电池和相关控制元件替代内燃机。如今，在集中驱动式电动汽车上的研究已经很深入了，应用技术相对成熟，操作安全可靠，但其仍旧存在着总重量大，效率低等缺点。随着纯电动汽车的发展，分布式驱动开始逐渐取代集中式驱动，成为主流的驱动系统布置形式。

分布式驱动式电动汽车的优点可归纳如下：

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