（光学工程专业论文）中型纯电动客车动力参数匹配仿真及再生制动研究.pdf

致谢 本论文顺利的完成，我首先要感谢我尊敬的导师一钱立军教授。钱教授悉 心的指导，渊博的学术知识，严谨求实的治学态度，丰富的社会人生经验以及 豁达的胸怀，使我受益匪浅! 此外，钱教授还提供了我们去公司实习的机会， 在实习期间我不仅巩固了专业知识，还参与了实践，丰富了工作经验，而且从 钱教授身上看到了他工作中严以待己宽以待人的工作作风，这将是我学习的榜 样! 在此我要向我的导师钱立军教授致以最崇高的敬意和最衷心的感谢! 在论文纂写过程中，感谢钱立军教授的无私帮助和悉心的指导! 钱教授深 厚的专业理论及实践经验使我受益匪浅，尤其是钱教授和蔼的性格，对学生， 对他人的诚恳让我敬佩不已! 他对生活和工作的态度对我今后的工作学习会产 生深远的影响! 同时感谢简式公司吴阳年副总经理在论文的开题期间给予的帮 助和指导! 同时感谢车辆专业的其他老师给予的学业上的指导与帮助。 感谢朱昌发、许宏云、石琴、李昭阳、吴冰、马骏、李领领、谌文文、张 万兴、尚晓敏、毕玲峰等同学对我学习和生活上的帮助。感谢4 1 7 实验室所有 的同学们! 大家共同创造了良好的学习环境和氛围，关系融洽，互帮互助。 特别要感谢我的父母，亲人和朋友。感谢父母在我求学路上所付出的一切， 感谢他们给予我无私的关心和疼爱，时刻激励着我前进。在我困惑迷茫时，是 他们指引着找到正确的方向! 在此本人向所有关心和帮助我的人表示衷心的感谢! 作者：袁苑 2 0 1 2 年4 月 中型纯电动客车动力参数匹配仿真及再生制动研究 摘要 客车作为城市交通的重要组成部分，承担了大量的客流运输工作。因此， 客车的排放对于城市的环境有着重要影响。纯电动客车( p u r ee l e c t r i cb u s ，简称 p e b ) 作为一种零排放、低能耗的新型客车，符合人们对环境保护和节约能源的 期望。 本文以某公司中型纯电动客车研发项目为支撑，对p e b 的动力参数进行匹 配仿真并在再生制动系统方面做了初步研究。 本文首先根据某型传统燃油客车的整车参数以及所研发车型的技术要求， 对参考车型的动力系统重新进行匹配设计，将其改装成纯电动客车。然后，应 用c r u i s ev 2 0 1 0 对新车型的动力性和经济性进行仿真分析，验证匹配设计的 正确性。最后，通过车辆制动力学分析，为新车型设计了一种再生制动控制策 略，并应用m a t l a b 对其进行仿真分析。 c r u i s e 仿真结果证明动力系统参数匹配符合设计要求；m a t l a b 仿真结 果表明所采用的基于i 曲线最佳感觉再生制动控制策略可以有效增加纯电动客 车的续驶里程。全文所做研究为研发项目后续工作的展开奠定了基础。 关键词：纯电动客车；动力参数；c r u i s e ：再生制动；控制策略 s i m u l a t i o nr e s e a r c ho np a r a m e t e rm a t c h i n go f p o w e r - t r a i ns y s t e ma n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m o fm i d p u r ee l e c t r i cb u s a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp a r to fu r b a nt r a n s p o r t a t i o n ，b u s e sa s s u m eal o to fp a s s e n g e r t r a n s p o r tw o r k s ob u s e se m i s s i o n sh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h ee n v i r o n m e n t p u r ee l e c t r i cb u s ( p e b ) w h i c hi sak i n do fn e wb u sw i t hz e r od i s c h a r g ea n dl o w e n e r g yc o n s u m p t i o nc a np r o t e c tt h ee n v i r o n m e n ta n ds a v ee n e r g y i tm e a s u r e su pt o p e o p l e se x p e c t a t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yar & d p r o j e c to fs o m ep u r ee l e c t r i cb u s i t m a t c h e st h ed y n a m i cp a r a m e t e r so fp e b ，s i m u l a t e st h ed y n a m i cq u a l i t ya n d e c o n o m yo fp e b ，a n dd o e sap r e l i m i n a r yr e s e a r c ho fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so fac o n v e n t i o n a lf u e lb u sa n dt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g nm o d e l s ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e m a t c h e st h ep o w e r t r a i n s y s t e mo fr e f e r e n c em o d e l ，a n dc o n v e r t st h er e f e r e n c em o d e li n t op u r ee l e c t r i cb u s t h e n ，a n a l y z e st h ed y n a m i cq u a l i t ya n de c o n o m yo ft h en e wm o d e lb yc r u i s e v 2 010 ，a n dv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h em a t c h i n g f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i so ft h eb r e a kf o r c eo fv e h i c l e ，d e s i g n sar e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o l s t r a t e g ya n ds i m u l a t e st h en e w m o d e lb a s e do nm a t l a b t h es i m u l a t o rr e s u l t so fc r u i s es h o wt h a tt h e p a r a m e t e r sm a t c h i n g o f p o w e r t r a i ns y s t e m m e e t st h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s t h es i m u l a t o rr e s u l t so f m a t l a bs h o wt h a tt h eb e s tf e e l i n gr e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g yw h i c h b a s e do nic u r v ec a ni n c r e a s et h ed r i v i n gr a n g eo ft h ee l e c t r i cb u se f f e c t i v e l y t h e d i s s e r t a t i o nl a i dt h ef o u n d a t i o no ft h ef o l l o w u po ft h er&d p r o j e c t k e y w o r d s ：p u r ee l e c t r i cb u s ；p a r a m e t e ro fp o w e r t r a i ns y s t e m ；c r u i s e ；r b s ； c o n t r o ls t r a t e g y ； 插图清单 图1 1 英国伦敦电动t a x i ( 左) ；费城电车公司生产的电动汽车( 右) 2 图1 2h e n n e yk i l o w a t t 电动汽车3 图1 3 通用i m p a c t 纯电动概念车3 图1 - 4 雪弗兰v o l t 3 图1 5 克莱斯勒e s x 3 一3 图1 6 日产l e a f 4 图1 7 三菱i - m i e v 一4 图1 8 雷诺t w i z yz e ( 左) ，宝马i 系列( 中) ，大众e b u g s t e r ( 右) 5 图1 - 9c a 6 1 1 0 h e v 型混合动力客车( h i ) ，b f c 6 1 1 0 e v 电动旅游客车( 右) 6 图2 1p e v 系统结构示意图7 图2 2 传统型p e v 动力系统系统结构简图8 图2 3 无变速器型p e v 动力系统结构简图8 图2 4 无差速器型p e v 动力系统结构简图9 图2 5 轮毂电机结构图9 图2 6 有刷电机10 图2 7 异步电机1 0 图2 8 永磁电机1 0 图2 - 9 开关磁阻电机1 0 图2 1 0 铅酸蓄电池1 2 图2 1 1 镍氢蓄电池1 2 图2 1 2 锂离子电池1 2 图3 - 1 最高车速与功率需求关系曲线图18 图3 2 最大爬坡度与功率需求关系曲线图1 8 图3 3 车辆加速性能与功率需求关系曲线l9 图3 4 不同速比对应的整车牵引力2 3 图3 5 固定档电机驱动系统效率曲线2 4 图3 6 两档电机驱动系统效率曲线2 4 图3 7 电机工作效率提高原理图2 5 图3 8 电机转速低于基速时的恒转矩输出特性曲线2 8 图3 - 9 电机转速高于基速时的恒功率输出特性曲线2 8 图4 1b a c k w a r dm o d e l s 流程图31 图4 2f o r w a r dm o d e l s 流程图3 2 图4 3c r u i s e 中的整车仿真3 d 模型3 3 图4 4c r u i s ev 2 0 1 0 仿真流程图3 4 图4 5 中型纯电动客车3 d 模型3 5 图4 6 客车尺寸参数示意图3 6 图4 7 车辆模块参数输入窗口3 6 图4 8 直流永磁同步电机模型示意图3 7 图4 - 9 电机基本参数输入窗口3 7 图4 1 0 电机转速一转矩图3 8 图4 1 l 电机m a p 图3 8 图4 1 2 锂离子电池组基本参数输入窗口3 9 图4 1 3 离合器基本参数输入窗口4 0 图4 一1 4 离合器踏板行程与压紧力关系曲线输入窗口4 0 图4 15 二档变速器基本参数输入窗口4 1 图4 1 6 变速器各档传动效率图4 1 图4 1 7 主减速器基本参数输入窗口4 2 图4 18 主减速器传动效率输入窗口4 2 图4 1 9 差速器基本参数输入窗口4 2 图4 2 0 制动器参数输入窗口4 3 图4 2 1 车轮模块参数输入窗口( 一) 4 3 图4 2 2 车轮模块参数输入窗口( - - ) 4 3 图4 2 3 驾驶室模块参数输入窗口4 4 图4 2 4 加速踏板参数曲线输入窗口4 4 图4 2 5 离合器踏板参数曲线输入窗口4 4 图4 2 6 制动踏板参数曲线输入窗口4 4 图4 2 7c r u i s e v 2 0 1 0 中n e d c 循环工况车速与时间关系曲线图4 5 图4 2 8c r u i s ev 2 0 1 0 整车仿真计算过程图4 5 图4 2 9 电动机输出功率( 包括转速转矩) 曲线4 6 图4 3 0 锂离子电池功率曲线4 6 图4 3 1 一档车速与爬坡度曲线4 7 图4 3 2 匀速6 0 k m h 行驶得到的s o c 曲线4 7 图5 1n e d c 循环工况图4 9 图5 2 传统客车在平直路面制动时的受力分析图5 0 图5 3i 曲线图( 满载) 5 2 图5 - 4 不同口值路面上前后轮制动器制动力关系曲线图5 3 图5 5 基于理想制动力分配的再生制动控制逻辑图国 图5 - 6 前后轮制动力分配曲线5 5 图5 7 纯电动客车制动状态切换图5 6 图5 8 制动力分配控制模块5 7 图5 9 制动强度计算模块5 7 图5 10 电机扭矩功率与转速之间的关系5 8 图5 11 电机最大回馈制动力计算模块5 8 图5 1 2 制动力计算模块5 8 图5 1 3 整车需求制动力计算模块5 9 图5 1 4 需求制动力控制子模块5 9 图5 1 5 原前轮摩擦制动力矩随时间变化图6 0 图5 1 6 加装r b s 后前轮摩擦制动力矩随时间变化图6 0 图5 1 7 原后轮摩擦制动力矩随时间变化图6 0 图5 18 加装i m s 后轮摩擦制动力矩随时间变化图6 l 表格清单 表2 - 1 常用电机性能参数1 1 表2 2 电动车用电池性能参数1 2 表3 一l 某中型传统客车整车主要技术参数表1 5 表3 2 中型纯电动客车动力性能设计要求表1 5 表3 3 电动机的主要参数表2 0 表3 4 雷天t s l f p 4 0 0 a h a 锂离子动力电池组参数2 2 表3 5 纯电动客车动力系统参数表2 9 表4 10 5 0 k m h 加速时间4 6 表4 2 动力性、经济性仿真结果分析4 8 表5 1 不同路面的平均附着系数5 4 第一章绪论 1 1电动汽车的发展简史 1 8 8 5 年，德国工程师卡尔本茨成功研制了世界上第一辆三轮车，并于1 8 8 6 年1 月2 9 日申请并获得发明专利。由此，l8 8 6 年1 月2 9 日被认为是汽车的诞 生日。至今1 2 0 多年过去了，汽车俨然成为了人们的生产、生活的必需品。随 着人类对汽车的依赖程度越来越高，汽车数量的快速增长给自然带来的负面效 果也日益凸显。传统燃油汽车的使用伴随着的有害气体的排放和噪声污染，对 人类的身体健康和自然环境已经开始构成了威胁。同时由于石油是不可再生能 源，世界石油的总量是在不断减少的，而各国对于石油能源的需求却一直呈现 上涨的趋势，特别是发展中国家。环境污染和能源短缺已成为传统汽车工业的 两大难题i ij 。因而，寻找一种可以替代传统燃油汽车从而解决两大难题的新型 汽车产品是现代汽车工业的必然选择。此时，电动汽车又重新被推到了汽车历 史的前台。 目前电动汽车一般分为混合动力汽车( p h e v ) 、燃料电池汽车( f c e v ) 以及纯电动汽车( p e v ) 等三大类。燃料电池汽车由于氢燃料的制取和存储技 术尚未取得突破，应用起来成本较高，在推广应用方面受到了限制。纯电动汽 车的动力源为动力电池，其具有零排放、高能效等技术优点，可被称为“绿色 的交通工具”l 2 j 。相对于传统内燃机汽车和纯电动汽车而言，以内燃机和电池 电机作为动力源的混合动力汽车在续驶里程和排放方面得到了完美的结合，既 有纯电动汽车低排放的优点，又发挥了传统内燃机汽车比能量和比功率高的长 处。但从长远来看，混合动力汽车只是汽车由传统内燃机汽车向纯电动汽车的 过渡形式，最终解决汽车工业两大难题的出路还是纯电动汽车。 电动汽车的历史不仅比内燃机汽车长，而且有可能也比奥托循环发动机长 p j 。1 8 3 4 年，t h o m a sd a v e n p o r t 成功造出世界首辆电动三轮汽车。虽然它的行 驶里程非常短，但电动汽车的历史由此拉开了序幕。四年后，苏格兰商人r o b e r t a n d e r s o n 开发出了一款用干电池驱动的电动汽车。g a s t o np l a n t e 于l8 6 5 年在 法国研制出的蓄电池性能更优良。第一款双轮驱动电动车在1 8 6 7 年的巴黎世界 博览会上由来自奥地利的发明家f r a n zk r a v o g l 推出【4 1 。 1 8 9 7 年，电动出租车首次实现了电动车的商用化。该车是由美国费城电车 公司开发的。同年英国的伦敦电动出租汽车公司生产了l5 辆电动出租车。( 图 1 1 ) 。1 9 世纪末2 0 世纪初经济繁荣的美国，人民群众的生活水平迅速提高， 电动汽车一度成为流行趋势。而在1 8 9 9 年和1 9 0 0 年，电动车销量更是遥遥领 先于其他类型的汽车。因为就当时的技术水平而言，电动汽车相比其它类型汽 车拥有显著的优势，电动车无噪音、清洁、操控方便等特点，使得其非常适合 女性消费者使j 玎。在当时的历史千了景下，汽车的需求单程并不长，所以电动汽 车续航! 程的问题并没有阻碍困扰当时l 乜动汽车的发展。 图1 1 英国伦敦l u 动t a x i ( 左) ；费城电车公司生产的电动汽印( 以) 但好景不长，电动汽车在继2 0 世纪初快速发展之后，内燃机汽车的快速发 展给电动汽车的发展带来了巨大的压力。2 0 世纪2 0 年代开始，内燃机汽车逐 渐成为汽车工业的主流，这一局面i 的造成二王要有三个方面的原因。第一，城市 交通网络的完善，对汽车的续航m 程提出了更高的要求；筇二，石油丌采技术 的提i 每降低了燃油价格，为内燃机车的发展提供便利：第三，内燃机车的技术 突破以及价格相对电动汽车较低。例如一款19 12 年的电动双座敞篷车售价l7 5 0 美元，而当时同级别的福特汽车的售价只要4 4 0 美元。在2 0 世纪2 0 年代以后， 内燃机车的蒸蒸f _ 1 上以及电动车技术的停滞不前导致了电动汽车的市场进一步 萎缩，直至10 年后电动车市场基本为零。但在2 0 世纪5 0 年代，点接触晶体管 的发明以及现代 乜：f 控制技术的发展，给处于黑暗时期的电动汽车产业重新注 入了活力。奖围困家联合电子公i 可和h e n n e y 汽车设计公司于19 5 9 年丌发的 h e n n e yk i l o w a t t 车型为现代电动汽车的发展做出了重要贡献，尽管k i l o w a t t 在 商业化的道路j 二并为获得成功，们是它在技术上的突破为现代电动汽车产业的 发展指明了方向。 2 0 世纪7 0 年代以后，世界能源危机使得电动汽车重新获得业界的重视。 1 9 9 0 年，g m 汽车公司c e o 罗杰一史密斯( r o g e rs m i t h ) 在洛杉矶车展上发布了 i m p a c t 纯电动概念车，并宣布了其量产计划。从此之后，电动汽车重归汽车产 业的历史舞台，并获得了极大的关注。 图1 2h e n n e yk i l o w a t ti 乜动汽1 i图1 3 通h ji m p a c t 纯电动概念乍 1 2国外f 乜动汽车发展现状 l9 9 1 年美囡i 大汽车公司g m 、福特、戴姆勒一克莱斯勒成立了先进电池 联合体( u s a b c ) ，合作开发电动汽年用动力电池。同年l0 月美国电力研究院 ( e p r i ) 也加入u s a b c 参加电动车的研究。美国政府于19 9 3 年推行了p n g v ( p a r t n e r s h i pf o rn e w g e n e r a t i o no f v e h i c l e ) 计划，即新一代汽车伙伴计划。小 斫j 什政府于2 0 0 1 年5 月发表了圈家能源计划。其中“氢燃料电池的报告” 一文明确指出要大力发展车用燃料电池。f r e e d o mc a r 计划美困能源部长于 2 0 0 1 年1 月在底特律国际车展上首次宣析i 。美国财政部在2 0 0 3 年为该计划拨 款15 3 亿美元。戴姆勒一克莱斯勒公司与通用汽车公司于2 0 0 4 年1 2 月对外宣 斫i ，双方将携手开发混合动力电动汽车技术。到目前为止，美国各大公司推出 的主要f 乜动车产品有：f o r d 公司的p r o d i g y ( 天才) 概念车。g m 公司的e v l 、 e v 2 、雪弗兰v o l t 。克莱斯勒的e s x 3 5 1 1 6 儿7 1 。 图1 4 雪弗二2v o l t图l 一5 克莱斯勒e s x 3 l9 9 1 年，“第三界电动汽车普及汁划”t hfl 本通产省制定。闩本政府于2 0 0 1 年5 月制定了“低公害4 i 丌发普及行动计划”，并努力推行这一行动汁划。f c e v 的丌发也包括在该计划之内。i - t 本氢燃料电池示范工程于2 0 0 2 2 0 0 5 年由| 二1 本 经济，批业省负责实施。据报道，2 0 10 年之前在国内普及5 万辆是f 1 本为燃料电 池汽车设定的日标。ft 本的n i s s a n 、t o y o t a 、h o n d a 汽1 i 公司在f u 动汽车研发 方面投入人量的财力和人力，并取得突的成果。主要代表有：n i s s a n 的a v e n i r i - i e v 、l e a f ，h o n d a 的i n s i g h t ，t o y o t a 的p r i u s 、r a v 4 一e v ，m i t s u b i s h i 的 i m i e v f 5 】【6 1 1 7 i 。 图i 一7 二菱i - m i e v 欧洲各国成立了欧洲电动汽车协会，并获得来自欧洲经济委员会的大力支 持和f 1 主。法国的雷诺和标志雪铁龙公司长期从事电动汽车，特别是纯电动汽 午的研发工作。纯电动汽车的批量生产二j - 9 0 年代初就已经实现了。雷诺公司推 ；1 5 的k a n g o o 轿车带有m 程延长器。陔车型在配有里程延长器的情况下最大 续驶里程可超过2 0 0 公晕，最大车速10 0 k m h ，0 - 5 0 k m h 加速时问低于8 5 秒， 0 8 0 k m h 加速时问低一j 二2 5 秒婵儿。而雷诺公司最新的超小型电动车t w i z yz e 将于2 0 l2 年推出上市。德国的二江马公司即将推出i 系列产品，即宋马公司的电 动车系列。德国的大众汽午也在2 0 1 1 年的底特律车展上发柿了其 乜动车型 e b u g s t e r 。德国奔驰公司也推了s m a r t 纯电动版。在欧洲联盟的资助下，欧 洲正进行着一项世界i ：规模最大的燃料i 乜池巴士示范计划。已经有3 0 辆燃料电 池大巴- j ：2 0 0 3 年底在欧洲八个国家l0 个城市营运，这十个城市的环境各异。 这项计划主要有两个人项目：欧洲生念城市运输系统和欧洲清洁城市运输。隶 属于奔驰汽车公司的e v o b u s 公司将负责燃料电池大巴车制造工作i l0 1 。 涵自毯 图1 8 雷诺i w i z yz e ( 左) ，宝马i 系列( 【 1 ) ，人众e b u g s t e r ( 彳i ) 1 3国内i 乜动汽乍发展概述 国内电动汽车的研究始于6 0 年代。1 9 6 6 年一i ：海公交公司和有关科研单位 合作试制了第台 乜l 动汽车。l9 7 7 年j ：海车辆管理所与吉林：f 业大学( 现吉林 大学) 合作试制s h dl7 0 型微型电动汽咋! ，最高车速为4 0 k m h ，连续放f “续驶 m 程为7 0 k m ，该j ! 采用z x q 型串励直流电机、锚酸蓄i 乜池、可控硅控制系统。 j ：海汽车拖拉机研究所于1 9 8 3 年试制了s h d 6 1 0 型轻型厢式电动车。最高车速 为4 2 k m h ，续驶j 弘程为7 9 k m 。使i j 的 乜池为锚酸l 乜池。使川t 的电机为串励直 流电机。莆i 乜池比能量低，寿命短是其致命的弱点，这也严重影响了整车的各 项性能。在i ：1 l l = 纪八f 年代米至九十j 1 - ：代初期，困家组织各单位联合研发电动 汽车。主要包括汽车研究单位、高等院校乘i 汽巧i 制造商。微型厢式电动乍j j 二19 9 2 年由天津汽乍研究所试制成功。在凶家计委支持下，清华大学丌发研究f t l | ，型 厢式车，该年f 乜池使用的是铅酸电池，电机采用的是永磁直流电机。武汉长江 动力公司成功研制了双层电动大客车。该车l t t 直流i u 机- k l x _ 动，共有8 8 个座位。 随着我国综合困力的增强，囡家对电动汽车的投入不断加入，科技部在“ 血” 凼家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) r 1 1 ，特别设立了电动汽乍重大二孑项，组 织清华人学、。i 林人学、北京理i ：入学等高等院校和科研机构同企j 业一起联合 攻关，使图内i 乜动汽车的研制和开发取得了很人的进步。如吉林入学和长春一 汽集团联合研制的解放牌c a 6 1 l0 h e v 型混合动力客车，该车采用德国道依茨 d e u t zb f 4 m 1 0 13 f c 型小排量发动机和一台8 0 k w 电动机，卣公单油耗为2 5 9 l ( 北京城市循环工况) ；北京理：i ：大学研制的b f c 6 l l o e v 电动旅游客车，该车 采用1 0 0 k w 驱动i 乜机，3 8 8 8 v 、6 0 0 a h 的锂离j 于动力电池，最高车速达到9 5 k m h ， 续驶里程为3 0 6 7 k m ：另外，天津火学、同济大学等高等院校及相关科研院所 也投入一定的人力物力进行f 乜动汽 i 的研制i 。f i _ l 吲内前的研究水 与国外 的先进车型和资金投入十口比还是彳r 一定的差距。 图1 9c a 6 11 0 h e v 璎混合动力客乍( 石：) ，b f c 6 11 0 e vl 乜动旅游客乍( 彳i ) 1 4本论文研究的目的和意义 近2 0 年来，伴随着汽车 二j i k 的快速发展，全球环境迅速恶化，能源：j j 现危 机。设汁一种新型的绿色汽车得到各汽车人幽的重视。纯t 乜动客车作为电动汽 车的重要分支也备受关注。开发一款具有优越性能的纯电动客车被各大客车 商及高校列为重点科研攻关项i ；i 。本文研究的主要目的是通过埘纯i 【l 动客车动 力参数的匹配计算以及动力性经济性仿真分析，设计一款符合设计要求的纯f 乜 动客车。并通过对再生制动能量回收方面的研究提高纯电动客车的续驶曩j 程。 1 5本文研究的主要内容 本文綦于某中型纯电动客车项日，研究的主要内容如下： ( 1 ) 介绍电动汽车的发展简史及国内外电动汽车的发展状况。 ( 2 ) 介绍了纯f l ! 动汽车的基本机构及关键技术。 ( 3 ) 对纯r 乜动客车动力传动系参数设计的原则和方法进行分析和探讨。对 动力传动系的主要参数进行合理的选择和匹配。 ( 4 ) 应用a v lc r u i s e 仿真软件建立整年仿真模型，对匹配完成的纯电动 客车进行动力性和经济性仿真分析。 ( 5 ) 对整车再生制动系统做了初步分析，设计了一1 种冉生制动m 收控制策 略。 6 第二章纯电动汽车的基本结构和关键技术 2 1纯电动汽车的基本结构 如图2 1 所示，电动汽车系统由三个子系统组成。这三个子系统分别为电 力驱动子系统，主能源管理子系统以及整车控制子系统。其中，电力驱动子系 统又由电机控制系统、电动机、驱动车轮和机械传动系统等主要部分组成。能 量管理系统能够实现系统对能源的监控利用、再生以及协调控制等各项功能。 主要由主电源和e m s ( 即能源管理系统) 两部分组成。而整车控制子系统( 整 车控制器) 的主要工作原理为：首先从驾驶员处获得踏板信号和其它信号。然 后对信号做出相应的判断。最后控制下层各个部件做出相应的动作。并在能正 常驱动汽车行驶的前提下尽可能提高能量使用效率。 能源 制妨蹈扳 黝迷蹈教 = = = 挑械连接 一电气连接控制信号连接 转l 遗擞 图2 一lp e v 系统结构不意图 相比于传统燃油汽车，纯电动汽车的结构更加的简单。在动力传递方面， 刚性联轴器和传动轴是传统燃油汽车动力传递的主要部件。而柔性的电缆则是 电动汽车的主要传输途径。一款电动汽车在选择和布置各个部件的灵活性是很 大的，因为其电动机及传动系选择可以有多种。纯电动汽车可按其动力系统组 件的多少和布置形式的不同进行划分，主要可分为以下四类【1 2 】： ( 1 ) 传统( 常规) 型( c o n v e n t i o n a lt y p e ) 。图2 2 为其动力传递路线。此 类纯电动汽车是直接对传统燃油汽车进行改装获得，是p e v 的最早形式。其改 装的方法是在保留传统燃油车的变速器、主减速器和差速器等的基础上，仅对 传统的内燃机和燃油系统进行更换，采用电动机与蓄电池系统来代替。这类p e v 对电动机性能要求低。 7 图2 2 传统型p e v 动力系统系统结构简图 ( 2 ) 无变速器型( n ot r a n s m i s s i o nt y p e ) 电动汽车。图2 3 为其动力传动路 线。此类p e v 的主要特点是将传统的内燃机和燃油系统用电动机和蓄电池系统 代替，而电动机与传动轴之间直接使用单级式减速器或行星齿轮减速器连接， 变速功能通过控制电动机来实现。由于没有变速器，因此整车的质量得以减小， 但此类车对于电动机的性能要求相对较高，特别是在低转速下具有大扭矩的特 性。 图2 - 3 无变速器型p e v 动力系统结构简图 ( 3 ) 无差速器型( n od i f f e r e n t i a lg e a rt y p e ) 。图2 - 4 为其动力传递路线。此 类p e v 的主要特点是左右两个驱动半轴上各连接一个电动机，通过两个电动机 分别控制两根半轴。此种结构形式既降低了整车质量，又减少了传动中的能量 损失。驱动力和左右轮的差速及再生制动的控制均可通过整车控制器来实现。 8 赵嘲 幽2 4 无差速器型p e v 动力系统结构简图图2 - 5 轮毂电机结构图 ( 4 ) 轮毂电机型( i nw h e e lm o t o rt y p e ) 。此类p e v 的主要特点：驱动乜机 是直接安装于驱动轮的轮毂内的( 如图2 5 ) ，无动力传动装置，结构最为简单， 具有最大的空问利用率。但此类p e v 对电动机本身及其控制精度具有很高的要 求，而且要求左右车轮转速差值满足车辆行驶时特别是转弯时的相关规定和准 则。 2 2 纯i u 动汽车的关键技术 2 2 1 电机技术 电动机具有较高的可靠性、耐久性、适应性是纯电动汽车对驱动系统的基 本要求。车用电机的工作环境极其恶劣，因此要使电机安全稳定的工作就必须 适应诸多恶劣条件，如：大振动，大冲击，多灰尘以及大的温度湿度变化等。 另外，电动车所用电机需具备高速恒功率以及低速高转矩的宽调速能力。即在 电动机起动4 j 辆和行车中起动要求高转矩，高速运行时能够进行恒定功率输出。 电机的基速和最高转速差别很大，具有较宽的调速范围。 电动机常见类型主要包括四种：直流电机、异步电机、开关磁阻电机和永 磁电机。 ( 1 ) 直流电机驱动系统具有成本最便宜、易于无极调速、控制器简单便。l ；1 = 、 技术成熟等优点，但d 于存在碳刷和换向器，制约了电机的最高转速还需要定 期维护，使用很不方便。加上直流电机本身体积大、重量重、效率低，这些因 素制约了其在电动汽车上的使用。j 蚓此只能使用在低速、低价的微型电动观光 车上。 ( 2 ) 交流感应电机驱动系统与直流电机系统相比，具有效率高、结构简单、 ，降实可靠、免维护、体积小、重量轻、易于冷却、寿命长等许多优点。感应电 机本身比a 流电机成本低，但控制成本比直流电机高。但随着功率电f 技术的 不断进步，两者的成本差距越来越接近。 ( 3 ) 永磁电动机可分为永磁无刷直流电动机和永磁交流同步电动机。f 河者 的优点是：控制器简单，输出转甜! 大；缺点是转矩脉动大。后者的优点是：转 矩脉动小，控制较复杂，对于同功率电机，其转矩比无刷直流r l ! s l 小。可利用 矢量算法可以实现宽范日司的恒功率弱磁调速。 ( 4 ) ) 1 ：关磁阻电动机主要特点是结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱 动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以 方便地实现四象限控制。缺点是转矩脉动大，电磁噪声大。此外，相对永磁电 机而i j ，功率密度和效率偏低。随着技术进步，该电机在电动汽乍i 二也具有较 好的j 迎川前景。美国倾向于使用异步电机，其主要优点是结构简啦、可靠，质 量较小，但启动转矩较小、低速效率低、控制器技术较复杂；f 1 本多采用永磁 电机，优点是效率高、起动扭矩较大、质量较小、但控制成本较高，且有高温 退磁、抗振性较差等不足；德国、英国等大力丌发开关磁阻电机，优点是结构 简单、可靠、成本较低，缺点是质量较大，易产生噪声1 13 1 1 4 1 。 图2 - 6 有刷电机图2 - 7 异步电机 图2 - 8 永磁电机图2 - 9 开关磁m i 电机 经过比较分析可知，以卜的四种主流电机都拥有各自的优缺点，其在电动 汽车的发展中也有着不同的应用和未来。为了对儿种电机有更深刻的认识，表 2 1 从技术参数的角度对其性能进行了比较。 表2 - 1 常用电机性能参数 电机类型直流电机交流感应电机永磁式电机开关磁阻电机 功率密度低 中 品较高 过载能力( ) 2 0 03 0 0 5 0 03 0 03 0 0 5 0 0 峰值效率 8 5 8 99 4 - - 9 59 5 9 79 0 负荷效率 8 0 8 79 0 9 28 5 9 77 8 8 6 功率因数 8 2 8 59 0 9 36 0 6 5 恒功率区 l ：51 ：2 2 51 ：3 转速范围( r m i n )4 0 0 0 6 0 0 012 0 0 0 2 0 0 0 04 0 0 0 - l0 0 0 0可以 1 5 0 0 0 可靠性一般好优良好 结构的坚固 差 好一般优良 电机尺寸大中小小 电动机质量重中 小 小 2 2 2 蓄电池技术 电池是电动汽车的主要动力源，也是一直制约着电动汽车发展的主要因素。 电池的体积、质量及其存储的能量对电动汽车的动力性能和续驶里程有着重大 的影响。纯电动汽车的车用电池要求比能量高、比功率大、循环寿命长、成本 低、安全性好等。但是，目前电池的能量密度低，质量过大，续驶里程较短， 成本较高，循环使用寿命较短，而且坏了不易修复。纯电动汽车行驶里程完全 依赖蓄电池的能量，电池的容量越大，可以实现的续行里程越长，但蓄电池的 体积大、重量重，反过来会影响整车的续行里程。纯电动汽车对动力电池技术 要求的五要素，即足够高的功率密度、足够高的能量密度、足够的循环寿命、 足够的安全可靠性、能够接受的成本。而上述五个范畴的内禀性质，又彼此制 约，高要求难以得到技术上的全方位满足而只能寻求平衡，同时，又要与汽车 燃油技术进行对比，这正是整个动力电池技术面临的最大挑战。 目前，纯电动汽车应用较为广泛的是v r l a 电池、n i m h 蓄电池、l i i o n 电池。 ( 1 ) v r l a 电池( 即铅酸蓄电池) 。其技术成熟，可靠性高、原材料资源丰 富且价格便宜。并且其比功率基本上可以满足电动汽车对于动力性能方面的要 求。但由于比能量较低，该种电池一次充电的续航里程较短。并且v r l a 的质 量和体积较大，导致汽车的自重增加，这点不利于提高其续行里程和整车性能。 此外，v r l a 的寿命较短，平均寿命只有3 0 0 次左右。 ( 2 ) n i m h 电池( 即镍氢蓄电池) 。该型电池具有高比能量，高比功率。 因而使用该型电池的电动车能够获得良好的动力性能。该型电池的平均寿命在 3 0 0 至6 0 0 次循环之间。现在，日本、美国及我国都在积极开发研制镍氢电池， 它是电动汽车发展中期的主要能源，具有很大的发展前景。 ( 3 ) l i i o n 电池( 即锂离子f n 池) 。该型咆池具有重量轻、储能容量大、功 率大、无污染、寿命长、白放电系数小、温度适应范围广等优点。它已开始逐 渐取代铅酸 乜池和镍氢电池，成为h 自，j 世界上大多数汽车企业的首选目标和主 攻方向。现今全球已有2 0 余家主流企业都在大力丌发车用锂离子电池，如 j o h n s o nc o n t r o l s 、s a n y o 、s o n y 、t o s h i b a 、n e c 等o 州。 图2 1 0 铅酸蓄电池图2 1 1 镍氢蓄电池图2 i 2 锂离子电池 表2 2 给出了上述三种蓄电池的性能参数对比。 表2 - 2i 也动下川l 乜池性能参数 f 乜池类型比能量能量密度比功率循环寿命价格 w h k g w h l w k g ( 次)( u s $ k w h 1 ) 铅酸电池 3 0 5 06 0 9 02 0 0 3 0 04 0 0 6 0 01 2 0 15 0 镍氢电池6 0 7 01 3 0 1 7 01 5 0 3 0 06 0 0 l2 0 01 0 0 3 0 0 锂离子i u 池 9 0 - 1 3 01 4 0 2 0 02 5 0 - 4 5 08 0 0 1 2 0 0 2 0 0 2 2 3 电池管理系统 一般而i - 5f l i 动汽车电池管理系统( b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ， 简称b m s ) 要实现以下几个t 要功能： ( 1 ) 对动力电池组的荷 乜状态进行准确估测： 动力电池组的电池剩余电量，】s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 获得准确估测。便 保证s o c 维持在合理的范围之内。而 j 于过充电或过放电对电池的损伤也可被 防止：。在纯电动汽车行驶过程f ，电池的剩余容量和荷电状态可以在仪表