摘 要

当今社会，化石燃料燃烧造成环境污染加剧、能源短缺、汽车排放法规的日趋严格等因素都限制了传统内燃机汽车（主要指汽油车和柴油车）的发展，研究新能源汽车也就成为各大车企首要任务之一。现阶段，新能源汽车主要指的是电动汽车，包括纯电动汽车，燃料电池电动汽车与油电混合动力汽车。燃料电池汽车充满燃料时间与传统内燃机汽车一次加油时间差不多，且相比于续航里程远多于纯电动汽车，被认为是21世纪新能源汽车最理想的方案之一。

燃料电池电动汽车（FCEV，Fuel Cell Electric Vehicle）的设计开发中，其驱动系统方案的选择、布置的形式、结构的设计和参数的匹配都非常重要，是合理调节整车经济性和动力性的基础。从能量转换角度看，传统内燃机汽车，通过燃料在发动机内的燃烧将化学能转换为电能。而燃料电池电动汽车以燃料电池作为动力来源，通过正负极的氧化还原反应，将化学能转变为电能，进而通过驱动电机控制汽车的行驶。因此FCEV驱动系统的结构设计和参数选择方面比拟于传统的内燃机汽车有很大的差异。

本文从一辆燃料电池城市公交车驱动系统的具体设计过程出发，整体分成三步对燃料电池公交车驱动系统的设计过程做出详细概述。第一步，对燃料电池汽车驱动系统进行分析，综合考虑各种因素，选定所选用的驱动系统类型及其布置形式。第二步，按照燃料电池汽车的动力性要求选定驱动电机的转速、转矩并选择市面上一款已有的驱动电机作为该车的动力来源。第三步，完成驱动桥的设计，并进行三维建模和简单的运动学仿真。

关键词：燃料电池；驱动系统；驱动电机；动力性；驱动桥

Abstract

In today's society, the environmental pollution caused by fossil fuel combustion, energy shortage, increasingly stringent emission regulations and other factors restrict the development of traditional internal combustion engine vehicles (mainly gasoline and diesel vehicles), and the research of new energy vehicles has become one of the most important tasks of major automotive enterprises. At present, new energy vehicles mainly refer to electric vehicles, including pure electric vehicles, oil-electric hybrid vehicles and fuel cell vehicles. Fuel cell vehicles are considered to be one of the most ideal schemes for new energy vehicles in the 21st century, because they have the same filling time as traditional internal combustion engine vehicles and have longer range than pure electric vehicles.

In the design and development of Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV), the choice of driving system scheme, layout form, structure design and parameter matching are very important, which are the basis of reasonable adjustment of vehicle economy and power. From the point of view of energy conversion, traditional internal combustion engine vehicles convert chemical energy into electric energy through combustion of fuel in the engine. Fuel cell electric vehicle uses fuel cell as its power source. Through redox reaction of positive and negative electrodes, chemical energy is converted into electric energy, and then the driving of the vehicle is controlled by driving motor. Therefore, the structure design and parameter matching of fuel cell electric vehicle drive system are quite different from that of internal combustion engine vehicle.

Combining with the actual development process of a fuel cell city bus driving system, this paper systematically describes the design process of fuel cell vehicle driving system in three steps. In the first step, the driving system of fuel cell vehicle is analyzed, and various factors are taken into account to select the type of driving system and its layout. The second step is to determine the speed and torque of the driving motor according to the dynamic performance index of the vehicle, and select the suitable driving motor in the market. The third step is to complete the design of the driving axle, and carry out three-dimensional modeling and simple kinematics simulation.

Key Words：fuel cell；driving system；driving motor；dynamic performance；drive axle

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1燃料电池电动汽车概述 1

1.1.1燃料电池技术的发展 1

1.1.2燃料电池汽车研发现状 1

1.1.3燃料电池汽车推行遇到的问题 2

1.2本文的主要研究工作 3

1.3本章小结 4

第二章 FCV驱动系统分析 5

2.1引言 5

2.2动力总成方案解析 5

2.2.1纯燃料电池动力系统 5

2.2.2燃料电池 蓄电池方案 6

2.2.3燃料电池 超级电容方案 7

2.2.4燃料电池 超级电容 动力电池方案 8

2.3驱动系统布置形式 9

2.3.1传统布置形式 9

2.3.2电动机、驱动桥组合式驱动方式 10

2.3.3电动机、驱动桥整体式驱动方式 11

2.3.4轮毂电机驱动 11

2.4驱动系统选型分析 12

2.5本章小结 12

第三章 燃料电池公交车驱动系统方案设计 13

3.1动力传递方案的确定 13

3.2整车参数及性能要求 13

3.2.1整车参数 13

3.2.2性能指标 13

3.3电机功率理论计算及选择 13

3.3.1电动机功率的理论计算 14

3.3.2电动机的选择 15

第四章 驱动桥的设计 16

4.1主减速器设计 17

4.1.1减速比的理论计算与选择 17

4.1.2齿轮设计 18

4.2半轴设计 19

4.2.1半轴直径的计算 19

4.2.2半轴的校核 20

4.3差速器设计 20

4.4本章小结 21

第五章 驱动桥的三维建模与动画仿真 22

结论 26

参考文献 28

致谢 29

第一章 绪论

1.1燃料电池电动汽车概述

1.1.1燃料电池技术的发展

在1838年，德国的一位著名化学家尚班首先提出了燃料电池的工作原理，并发表在那时有名的一期杂志上。最早应用在美国国家航天局的双子星计划，这是其初次应用在商业范畴方面。在20世纪60年代，燃料电池可以为登月航天器提供能量，且能为航天员提供饮用水。1968年，美国通用汽车公司开发了世界上第一辆可使用的燃料电池汽车，该车零部件复杂，燃料电池体积很大，占绝了整车的绝大部分，实用性很差，加上当时能源危机并不严重，此车的后续计划因此搁置了^[1]。

直到20世界90年代，能源危机与环境污染成为世界范围内两大问题，严重影响了传统内燃机汽车的地位。此时，人们注意到燃料电池可以解决这两大难题，因此世界各大汽车制造商都花费大量的人力物力去研究燃料电池汽车，以期望掌握关键技术，不被时代所抛弃。1991年，罗森·比林制造了世界上第一个可以应用于汽车的氢—氧燃料电池。2005-2012年期间，燃料电池的工况适应性问题被解决，其可以在低温条件下启动，比功率也得到了提高，基本上达到了汽车使用的要求。而在近年来，燃料电池功率又一步得到提升，使用寿命也满足了商用要求，进入市场导入阶段^[2]。

1.1.2燃料电池汽车研发现状

从国际范围来看，燃料电池技术的研究引起世界上各个大汽车公司的重视。其作为汽车动力转变的关键性技术，几大汽车界领头羊，纷纷就燃料电池汽车技术开展深入合作，形成合作共享、携手并进的跨国联盟。其中，通用与本田、通用与丰田、雷诺与迪诺拉等公司已经相互开展合作，共同研发燃料电池电动汽车，这意味着将来的燃料电池电动汽车将迎来一次飞速发展，其大批量生产、销售阶段指日可待。世界上首次批量生产的燃料电池汽车是韩国现代ix35燃料电池电动汽车，该车于2013年正式下线^[3]。而在2014年，一辆丰田Mirai燃料电池电动汽车的正式面世，使人们对未来汽车的具体形态有了更加深刻的认识^[4]。该车具有很高的技术领先性，车身使用碳纤维了材料，并采用多层缠绕的方式，实现了低成本、高强度和轻量化的目的。

相比于国外燃料电池汽车的研发过程，国内研发起步较晚，最早开始于各大研究所和大学机构。同济大学研发的“超越二号”与“超越三号”，在世界必比登汽车新能源挑战赛中，成绩优异，获得多项奖项。北汽福田与清华大学共同研发的福田欧V燃料电池客车于2008年问世，该车性能优异，采用了第三代燃料电池，同时配备了镍氢辅助电池组，是电电混合驱动系统的典型代表。2016年，上汽大通在北京车展展示了最新研发的FCV80燃料电池汽车。该车是国内第一辆运用全新准入标准的燃料电池客车型，配备燃料电池与动力电池双动力源，续航里程可达430 km^[5]。

1.1.3燃料电池汽车推行遇到的问题

现阶段，在燃料电池汽车的开发和试验阶段中，都已经证明燃料电池汽车的可行性，但是其进一步的推广和规范化的运行还面临着许多问题

1. 经济的氢气来源问题

现阶段氢气来源一般是对工业副产的氢气进行重整或改质，从而获得适合燃料电池用的高浓度氢气。这种方法中， 氢气作为二次能源，需要消耗额外的优质能量才能获得，并不经济。目光转向自然界，可以发现大量的氢原子被存储在水中，但是直接电解或热分解水的方法不经济，另外利用太阳能来制取氢气还存在障碍^[6]。然而只有当氢气可以通过廉价的成本大量生产出来，氢燃料电池作为汽车的动力来源问题才算得到根本性解决。

1. 存储和运输问题

一般来说，氢能可以以三种状态来保存：氢化物的状态、高压气态以及液态。另外氢原子作为最小的原子，很容易泄露，造成严重的后果。目前高压氢气罐是主流，但水合联氨、固体燃料方面的储氢合金等方案也相继提出。

1. 安全问题

氢气非常容易点燃，使用时对防止泄露、爆炸等危险情况的要求特别高。

1. 成本问题

目前为止，质子交换膜的价格还是十分高的，催化剂重金属Pt的用量也很高，两者都限制了燃料电池成本的降低。此外，燃料电池使用寿命还需进一步提高，以及体积也需要减小。

1. 基础设施的建设

要实现燃料电池车大规模的商业化，加氢站的建设必不可少，但目前国内外加氢站数量都比较少。

1.2本文的主要研究工作

本文所要完成的设计是某10m燃料电池公交车驱动系统。

1. 了解燃料电池汽车动力系统的结构形式，比较各种形式的优缺点，选定目标车辆的动力系统的结构；
2. 了解各种动力传递方案的优缺点，综合考虑确定所选择的动力传递方案；
3. 根据城市公交车运行工况的需要及相应的国家标准，确定该车的动力性指标，主要包括最大爬坡度、最高车速及0-50 km/h全力加速时间。
4. 依据提出的动力性目标进行理论计算，选择合适的驱动电机并匹配合适的减速器参数，然后根据所进行的初步设计对汽车动力性能进行校核，理论上检查其动力性指标是否符合要求。若不符合则重新进行初步设计，直到检验合格为止。
5. 详细设计驱动桥的各组成部分，主要包括半轴的设计、主_.减速器设计、差速_.器选型和桥壳_.设计。并绘制其所设计驱动桥的三维模型图，对其进行运动学仿真。

本论文的论述内容对FCB驱动系统的一般设计，给出了比较合理的步骤，不仅有助于缩短整车的研发周期、降低生产成本，同时对于汽车其他模块的产品设计有一定的借鉴作用^[7]。

1.3本章小结

本章首先对燃料电池汽车进行了整体概述，介绍了燃料电池汽车国内外的发展现状及商业化推广所面临的问题。进而引出本研究内容的实用性，并按设计顺序提出了本次研究的主要工作。

第二章 FCV驱动系统分析

2.1引言

在结构组成上，燃料电池汽车与传统内燃机汽车的转向系统、悬架系统和行驶系统都类似，但其制动系统可回收绝大部分的制动能量，此外最大的不同之处就在于驱动系统了。

燃料电池汽车把电力驱动作为唯一的驱动模式，按照其驱动能源的组合方式不同，可分为纯燃料电池（Pure Fuel Cell, PFC）驱动和混合驱动两种形式。混合驱动是将燃料电池与相应的辅助动力源结合，燃料电池只满足持续功率的需求，由辅助动力源提供满足汽车加速，爬坡等工况需要的额外能量，此外，借助辅助的动力源，制动时还可将回馈的能量存储起来，以提高能量的利用率。混合驱动包括燃料电池与超级电容的共同驱动（Fuel Cell Capacitor, FC C）、燃料电池与辅助蓄电池的联合驱动（Fuel Cell Battery, FC B）及燃料电池、蓄电池和超级电容的共同驱动（Fuel Cell Battery Capacitor, FC B C）^[8]。

按照动力驱动形式的不同，FCEV驱动系统布置形式可分成两种——分布式驱动和集中式驱动,其中分布式驱动又包括轮边电机驱动和轮毂电机驱动^[9]。

2.2动力总成方案解析

2.2.1纯燃料电池动力系统

纯燃料电池汽车只有燃料电池这一单一的能量来源，燃料电池提供了汽车所需要的全部功率，所以汽车的性能指数与燃料电池性能指数相关性很大。这种类型的动力系统零部件较少，减轻汽车总体质量的同时对汽车的整体布置要求较低并且能量损失相对较小，如图2-1所示，是其结构布置简图。

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