（动力机械及工程专业论文）电动试验车动力系统的试验研究.pdf

摘要 随着汽车保有量的不断增加，环境污染与石油资源匮乏日益显著，已经严重制约当 前汽车工业的可持续发展。因此，降低车辆对传统化石燃料的依赖度和改善环境污染成 为了未来汽车工业发展的主要研究方向。纯电动汽车因其具有零污染物排放和清洁能源 高效驱动等优点，引起了汽车业界的广泛关注。 动力驱动系统是电动汽车研究的关键技术，目前对动力驱动系统的试验主要以实验 室研究为主，而采用试验车作为试验平台对电机、动力电池以及动力驱动系统的试验研 究则较少，为此，课题组以“l s 6 6 0 0 c 1 中型柴油客车为平台将其改装为一台能够完 成电机、动力电池以及动力驱动系统试验的纯电动试验车，本文主要针对试验车改装中 结构设计和参数的匹配完成了以下工作：首先对“l s 6 6 0 0 c 1 中型柴油客车的整车及 各主要部件参数进行研究分析，确定整体改装方案并在此基础上进行动力性能计算，完 成对驱动系统改制所需的电动机主要参数的匹配工作，并运用专业的电动汽车仿真软件 a d v i s o r 搭建试验车的仿真模型，完成了模仿真型的加速性能、爬坡性能等动力性能 模拟测试及其在标准工况下仿真运行模拟，理论论证试验车的改制方案。其次，在对电 机相关性能进行研究的基础上，参照电动汽车用电机试验标准完成对直流永磁电机性能 试验方案的拟定，以及对试验所需主要设备进行选型，搭建电机性能试验台，在试验台 上完成了电机的试验。最后，参照g b t 1 8 3 8 5 2 0 0 5 电动汽车动力性能试验方法，在 电动汽车性能试验台上完成电动试验车的最高车速、最大爬坡度、加速性能等整车动力 性能的模拟测试试验。 本文所完成的研究结果，将为本试验车以及纯电动汽车动力驱动系统的设计提供一 定的理论依据，对从事驱动电机的性能试验以及整车动力性能的研究具有一定的参考价 值。 关键词：电动试验车动力驱动系统性能试验驱动电机建模与仿真 a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n ds c a r c i t yo fo i lr e s o u r c e sa p p e a rt ob ei n c r e a s i n g l y s i g n i f i c a n ta n dt h e yh a v eb e c a m et w om a j o rc h a l l e n g e sf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h e a u t oi n d u s t r y t h e r e f o r e ，p u r ee l e c t r i cv e h i c l e sw i mz e r oe m i s s i o n sa n de n e r g y - e f f i c i e n th a v e a t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o no ft h ei n t e r n a t i o n a la u t o m o t i v ei n d u s t r y v e h i c l et e c h n o l o g y ，m o t o r d r i v e st e c h n o l o g ya n db a t t e r yt e c h n o l o g ya r et h et h r e ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h ed e v e l o p m e n t o fe l e c t r i cc a r s t h em a i np e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r i cv e h i c l ed r i v es y s t e md e c i d e si ns t r u c t u r a ld e s i g n a n dp a r a m e t e rm a t c h i n go ft h ed r i v i n gs y s t e ma n dt r a v e lc o n t r o ls t r a t e g y f i r s t l y ，t h em o d i f i e d p l a t f o r mi s ”l s 6 6 0 0 c1 竹m e d i u m - s i z e dp a s s e n g e rv e h i c l e a n a l y s i s i n ga n ds t u d y i n gt h e v e h i c l ea n dm a j o rc o m p o n e n tp a r a m e t e r s ，d e t e r m i n i n gt h eo v e r a l lc o n v e r s i o np r o g r a ma n d c h e c k i n gc a l c u l a t i o no f t h ed y n a m i c d a s e do nt h e s ew o r k s ，t h em a i np a r a m e t e r so ft h ec u s t o m m o t o rd r i v es y s t e mc o m p l e t et ob ed e t e r m i n e d p a p e r sd i s c u s s e st h eb u i l dp r o c e s so ft h e v e h i c l es i m u l a t i o nm o d e l 、7 i ，i t ht h e p r o f e s s i o n a lb u i l d i n ge l e c t r i c v e h i c l e ss i m u l a t i o n s o f t w a r e - a d v i s o r i nt h i ss o f t w a r ee n v i r o n m e n t , v e h i c l em o d e lc o m p l e t e dt h ep e r f o r m a n c e t e s t i n g s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so ft h ep e r f o r m a n c es t u d yf o rt h ee l e c t r o m o t o r , t h et h e s i s p r o t o c o l e dt h et e s tm e t h o dw i t ht e s ts t a n d a r do ft h ee l e c t r i c a lm a c h i n ea n ds e l e c t e dt h em a j o r t e s te q u i p m e n t s w h e nt h et e s ta c c o m p l i s h e di nt h ee x p e r i m e n t a t i o np l a t f o r m , t h er e l e v a n t d a t aw i l lb ed i s p o s e da n da n a l y s e d f i n a l l y ，c o m b i n i n gt h em o t o rp e r f o r m a n c e ，t h es i m u l a t i o n t e s t sf o rm a x i m u ms p e e d , m a x i m u mg r a d e a b i l i t y ，a c c e l e r a t i o np e r f o r m a n c ea n do t h e r d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fe l e c t r i ct e s tv e h i c l ea c c o m p l i s h e di nt h ep e r f o r m a n c et e s t - b e d 、历m t h ep e r f o r m a n c et e s ts t a n d a r d t h ep a r a m e t e ro fv e h i c l ep e r f o r m a n c ew i l lb ea c q u i r e do nt h e b a s i so f d i s p o s i n ga n da n a l y s i n gf o rt h er e l e v a n td a t a t h i st h e s i sc a r r i e do u tt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sa b o u tp u r ee l e c t r i cv e h i c l e d r i v es y s t e mr e s t r u c t u r i n g ，i n c l u d i n gm a t c h i n ga n dp e r f o r m a n c et e s t i n go ft h em o t o ra n d v e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c et e s t s t h e s ew i l lb e c o m eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rp u r ee l e c t r i c v e h i c l ed r i v es y s t e md e s i g n e da n db ev a l u a b l et ot h ep e r f o r m a n c et e s to fd r i v em o t o ra n d v e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c et e s t s n k e yw o r d ：e l e c t r i ct e s t v e h i c l ep o w e r - d r i v e ns y s t e mp e r f o r m a n c et e s tm d m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n 1 1 1 长安大学硕士学位论文 1 i 引言 第一章绪论 在许多发达国家，汽车工业已成为国民经济生产的支柱，它的发展带动了大量相关 行业的技术的进步与发展，据统计，在轿车工业领域，每形成一个单位量的产值的增涨， 相关行业至少可以实现2 6 7 个单位的增加量l l 】。在发达国家经济实力榜上，一国在世界 汽车工业中的排名基本决定了它在世界经济中的地位【2 】。但是，随着汽车的大量使用， 也引发了一些当今人们广泛关注的问题，诸如石油危机、环境污染和地球温室化等【3 j 。 为了更好的应对这些问题，汽车产业界高度重视对汽车工业的环保和节能的可持续发展 潜力的开发，由此使得国际上各大汽车制造商纷纷加大了对零污染低能耗的新能源环保 汽车技术的研发投入。但是就目前技术水平，如果仅以传统内燃机为动力驱动设备，无 论是运用替代清洁燃料( 如乙醇，二甲醚，生物柴油等) 技术，还是采用新的燃烧模式 ( 如均质压燃，分层压燃，低温燃烧等) ，都或多或少的在降低能源消耗以及污染物排 放方面存着局限性。于是人们急需找到一种全新的汽车发展方向。 电动汽车作为新能源汽车的重要发展方向，就目前为止可分为三部分，其中包括： 混合动力电动汽车( i - i e v ) 、燃料电池汽车( f c h v ) 和纯电动汽车( e v ) 1 4 。 ( 1 ) 混合动力汽车( h e y ) 根据国际电力机动车技术委员会公布的定义方式：配备有两种或两种以上的储能 器、能源转换器作为驱动能源，其中至少有一种是以电力作为能量来源的车辆称为电力 混合动力汽车【5 j 。由此可知，混合动力汽车存在很多的组合形式，如汽油机一蓄电池混 合，柴油机一蓄电池混合，蓄电池一超大容量电容器混合等。但该定义并未被广泛采纳， 通常认为的混合动力汽车仅为内燃机一电动机双驱动的车辆，简称为混合动力汽车。混 合动力汽车作为内燃机和电动机电力电子技术系统综合控制技术的结晶，已引起各大汽 车制造商的广泛关注，相继加大对混合动力车型研发以及自主品牌生产的投入。 ( 2 ) 燃料电池汽车( f c e v ) 对燃料电池汽车的开发历史已有二十余年，它的出现揭开了汽车界的新技术革命及 汽车产业全面转型的序幕。其核心部件为一块具备将氢气与氧气反应的化学能转化成电 能的功能的燃料电池，其独特的工作原理使燃料电池汽车拥有其它车型难与比拟的优 势：首先，其真正实现车辆运行时的零排放，燃烧产物不含任何对环境有害物质；其次， 第一章绪论 燃料氢是一种可再生能源载体，其来源相当广泛，无能源短缺( 甚至枯竭) 之忧【6 】。要 想从根本上解决人类所面临的环保和能源两大难题，燃料电池汽车是唯一选择，它将是 汽车产业最终发展的目标。但是就目前来讲，燃料电池汽车研发的内容太过于宽广，技 术难度大，耗资巨大且研发周期长，这些问题都无法在短期内实现突破。 ( 3 ) 纯电动汽车( e v ) 纯电动汽车是指以车载蓄电池作为动力源，用驱动电机驱动车轮行驶，符合国家道 路交通安全法规各项要求的车辆。存储在车载电池中的电能作为支持它运行的驱动能量 来源。电动汽车的组成系统主要包括：电机驱动及控制系统、传动系统等机械系统以及 完成既定任务的工作装置等。电动汽车以电力驱动及控制系统作为动力的核心，是其有 别于传统内燃机汽车的最大不同点。该系统主要由驱动电动机、电源和电动机的调速控 制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与传统的内燃机汽车相同。在驱动汽车运行时， 电动汽车需要储存有大量电能的电池为其提供能源，而不再是传统的存储燃油的油箱。 1 2 国内外电动汽车发展概况 电动汽车与传统汽车出现于同一历史时期，都拥有着百余年的发展历史。在整个电 动汽车的发展历史中先后经历了三次发展良机【7 】： 汽车刚刚出现时，最先得到飞速发展的是电池和电机技术，因此在早期的汽车领域 中电动汽车拥有着举足轻重的位置。在法国人古斯塔夫土维于18 8 1 年制造出第一辆 电动汽车后的3 0 多年中，电动汽车的发展一直是当时汽车技术发展的主流。据统计， 十九世纪九十年代初的全世界四千多辆汽车中，其中近四成的为电动汽车，而传统内燃 机汽车只占了两成左右。 由于各国对石油开采及使用无限制，随着内燃机技术的进步，传统燃油内燃机逐渐 凸显出种种优越性，使得电动汽车渐渐被人们所淡忘，退出人们的视线。但是，到了上 世纪的7 0 年代，石油危机爆发，世界经济遭到重创，迫使人们不得不开始将注意力转 向石油替代能源的开发，至此电动汽车又迎来了第二次的发展机遇，再次引起业界瞩目。 第三次开始于若干年前，环境的保护问题成为继先前本已存在的能源问题之外的又 一为各方所共同关心的焦点，由于传统内燃机汽车的排放物污染，对全世界的环境产生 了灾难性的影响，因此尽快对零污染交通工具进行开发和生产已成为国际汽车产业界内 的共识，电动汽车的无( 低) 污染优点，使其成为当代汽车业发展的新方向。 1 2 1 国外发展概况f 6 】i s 【9 】 上世纪九十年代，美国加州大气资源管理局颁布法规：规定9 8 年在其境内出售的 二 长安大学硕士学位论文 汽车中2 必须是零排放车辆，至2 0 0 3 年零排放车辆销售量应超过1 0 。而后的其它 州以及世界上其它国家也纷纷效仿，类似的法规相继出台。而可执行零排放标准的惟一 可用汽车技术就是电动汽车，电动汽车产业在政府的支持下得到了迅速发展。历年来， 美国都在逐步加大对燃料电池电动汽车和纯电动汽车研制和推广使用的力度，其中政 府能源部门还与通用、福特和戴一克三大汽车制造商达成电动汽车联合开发协议。通用 汽车公司从1 9 1 6 年就开始电动汽车研发工作，当时公司生产了许多电动卡车，主要动 力源为铅酸蓄电池。最近三十年，通用汽车公司做了大量的试验性电动汽车项目，到 1 9 9 0 年1 月产出第一辆定型的电动汽车i m p a c t 。该车型证明了电力驱动技术应用于生 产实用化的电动汽车，是切实可行的，而且其性能毫不逊色于今天的任何燃油车辆。 日本由于其地理和资源环境比较独特，使其更加关注能源危机和环境保护，因此对 电动汽车的研制与开发情况十分重视，并希望借此使本土汽车产业占据世界领先地位。 就目前世界范围内来看，日本已经成为电动汽车技术最成熟、发展速度最快的少数国家 之一，在日本如丰田、尼桑、本田、马自达、三菱等几乎所有的汽车生产商都拥有自己 的电动汽车的发展计划。目前，世界上拥有批量产销混合动力汽车能力的企业，也只有 日本丰田和本田两家。9 7 年1 2 月，世界上第一款批量生产的混合动力轿车p r i u s 在丰 田汽车公司生产线上进入市场。该轿车于2 0 0 0 年7 月开始进入国际市场，出口北美，9 月进入欧洲大陆，现在已经有2 0 多个国家销售丰田p r i u s 。根据丰田汽车公司的数据 报告，p r i u s 轿车在城市工况下比同等排量轿车节油近五成。有关统计数据显示，全球 混合动力汽车销售9 0 的市场份额已被丰田汽车公司占据【l o l 。 在欧洲大陆，各大豪门汽企相继推出自主研发的混合动力电动汽车型，甚至德国的 博世( b o s c h ) 等著名的零部件厂商也将经营方向转向与汽车公司联手开发混合动力电 动汽车。在欧洲推广应用纯电动汽车最成功的法国，政府设立了专门负责电动汽车的推 广和应用的部级协调委员会，而在巴黎和拉罗舍尔已经有了比较完善的纯电动汽车充电 站网基础设施，在整个国家范围内电动汽车运行体系已经形成初步。加拿大的巴拉德、 美国福特、德国戴姆勒克莱斯勒联盟( x c e l l s i s ) 技术投资1 0 亿加元用于电动汽车燃 料电池动力系统的研发和生产。在燃料电池电动汽车的示范运行方面，世界各国的试验 车型都基本集中在大客车上，如欧盟的c u t e 示范项目、u n d p g e f 燃料电池商业化 示范项目等。与此同时，部分国家政府为促进电动汽车的发展，还通过财税手段调整汽 车发展结构，像荷兰政府对于电动车产品给予高达3 0 鼓励性补贴。 3 第一章绪论 1 2 2 国内发展概况 在汽车产业能源动力体系转型势在必行的大环境下，我国政府非常重视零污染汽 车的发展：“八五”期间，电动汽车被列入国家科技攻关计划，重点开展电动汽车关键 技术的研究；“九五 期间，正式列入国家重大科技产业工程项目，主要开展电动概念 车研究、电动改装车开发、试验示范区建设、运行机制和政策法规及技术标准的研究。 通过近十年的研究攻关，在电动汽车技术方面已取得了重大突破，为日后电动汽车技术 和产业的发展奠定良好的基础。“十五 期间，国家出于对维护国家能源安全和改善大 气环境、提高汽车产业竞争力、实现中国汽车产业的跨越式发展的战略高度考虑，于2 0 0 1 年正式启动国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 ) 之电动汽车重大专项项目。专项投资数 亿元，确立以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车为“三纵 ，以多能源动力总 成、驱动电机和动力蓄电池共性关键技术为“三横 的“三纵三横”研发布局。 对于燃料电池汽车，许多关键技术还处于研发试验阶段。国家将燃料电池电动汽 车研发中心设在清华大学和上海同济大学两大高校。9 8 年，我国首辆高尔夫用燃料电 池电动汽车( 运行功率5 k w ) 在清华大学研发成功，之后与北京绿能公司、丰田公司等 企业实现校企联合，启动燃料电池电动汽车的研发项目。 混合动力电动汽车是作为电动汽车发展过程中的过渡车型。当前该种车型研发的工 作主要集中在一汽、东风汽车等。一汽0 2 年起得到国家“8 6 3 计划”的支持，0 5 年1 2 月 混合动力电动公共汽车的生产线上马。东风汽车公司自主开发了“e q 6 1 1 0 h 混合电动 动力公共汽车，该车型在0 6 年5 月被收入国家“汽车生产目录”，其先期生产的2 0 辆混 合电动动力公共汽车已试运行在武汉市市区内。 目前纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心的行驶认证试验，各项指标 均符合相关国家标准和企业标准的规定。天津清源电动车辆有限公司、深圳雷天公司等 单位研发的纯电动轿车，其整车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已达到甚至 超过国外同级别车型，拥有基本关键技术的自主研发能力。就目前来说，纯电动汽车示 范运行的城市的数量不大，而且但是规模相对较小。2 0 0 5 年1 月，在天津市国家验收完 成了2 2 辆轿车和1 辆公共汽车的示范运行。同年1 2 月，在武汉市有9 5 辆纯电动小型公共 汽车( 另外还有2 0 辆混合动力公共汽车和3 辆混合动力轿车) 完成3 年示范运行，通过了国 家相关部门的验收，正式运营。因为当代电池技术的瓶颈限制，纯电动汽车仍受到续驶 能力不足的约束，纯电动汽车试验主要集中在城市公交的小型公共汽车运营上。有相关 报道称，2 0 0 6 年1 月，湖南省株洲市实现小型电动汽车社区内的试验运行，该市另有若 4 长安大学硕士学位论文 干辆电动公共汽车也在试运行中。同年4 月，浙江省杭州市启动了电动汽车示范项目，6 辆出租车和5 辆公共汽车在市内进行示范运行。尽管我国纯电动汽车技术已比较成熟， 但仍存在技术难题使纯电动汽车短期内的产业化困难重重。国家产业政策制定以期为纯 电动汽车提供一个良好的应用环境，促进其产业发展的进程。 1 3 纯电动汽车特点及面临的问题 1 3 1e v 面临的主要问题 ( 1 ) 续驶里程有限：由于电池技术所限，目前市场上成型销售的电动汽车能源满载 后的续驶里程通常限定在1 0 0 到3 0 0 公里，这还是需要车辆保持适当的平稳运行及良好 的电池系统调节才能实现，如果在普通的常规环境下运行，市场上大多数的电动汽车的 续驶里程只有5 0 到1 0 0 公里【1 0 1 。这样的续航里程数据要与传统燃油汽车比较，已成为 其不可回避的弱点。 ( 2 ) 蓄电池使用寿命太短：一般情况下，充放性能最好的蓄电池充电次数也不会超 过九百次，按照每年2 0 0 次充放电次数计算，一个蓄电池的寿命最多也不过4 年，与燃 油汽车的动辄十几二十年的寿命相比，似乎显得太短了些【1 1 1 。市场上成熟的电池产品的 寿命都不能满足电动车辆长寿命运行。 ( 3 ) 蓄电池尺寸和质量的制约：现有电动汽车所使用的电池都不能实现合理的尺寸 和质量与储存能量充足的完全匹配。如果车辆的自身装备质量过大，就会对车辆的加速 性能和最大车速等动力性能的提高产生很大的影响。现有的小型电动汽车的电池总体积 都一般在5 5 0l 左右甚至更大，要实现如此大体积的电池的装机，就必然挤占车辆的乘 坐和行李厢空间。 ( 4 ) 电动汽车价格昂贵：主要受限于复杂的电池技术，电动汽车的研发与制造成本 太高，另外也由于大量新材料、新技术的采用，也使得电动汽车的制造成本居高不下。 普通电动汽车蓄电池的价格都在1 0 0 美元k w h 左右，贵的甚至高达3 5 0 美元k w h ， 应用成本太高，普通用户难以承受，无法实现大面积的推广。 ( 5 ) 存在间接污染：尽管电动汽车的运行本身无污染物的排放，但其造成的间接污 染也是不容忽视的。如采用铅酸电池作为动力源，其主要部件“铅 ，从开采到生产， 都会对环境形成不小的污染。而电能来源中的火力发电部分，在发电过程中煤炭燃料的 燃烧会有大量的污染物排放。 1 3 2e v 技术特点 电动汽车与内燃机汽车相比，有其自身的许多特点，表1 1 中给出了电动汽车与内 5 第一章绪论 燃机汽车性能和用途方面的比较。尽管电动汽车与传统内燃机汽相比其价格要显略高， 其初期的投入大、费用支出多，但是电动汽车的维修保养费用低，如能实现使用寿命的 延长，其总体的使用费用支出会逐渐降低，甚至会低于传统内燃机汽车使用成本。 表1 1电动汽车与内燃机汽车性能和用途比较 运行性能工作环境 机废噪操能购 维 大连 不低 狭 易 项目 动气 立 作源置修范续通噪 窄 燃日 性 排震 难 补费费围作 风 音场爆 放动易给用用作 业 场场所场 业所所所 电动车oooo ooo oo 汽油车oo oo o 柴油车oooo 注：0 好一般差 电动汽车与其它车辆相比有其独特的技术特剧1 1 】： 1 无污染，噪声低 电动汽车运行过程中不会产生废气排放，不会对大气形成污染，对环境的保护和空 气的洁净都是十分重要的，有“零污染交通工具 之称。众所周知，传统内燃机汽车排 放的废气中c o 、h c 及n o x 、微粒、臭气等污染物是形成酸雨、酸雾及光化学烟雾的 主要因素。而噪声可形成对人的听觉、神经、免疫系统等的危害，而电动汽车的驱动电 机运转时，其噪声要远小于燃油内燃机。 2 多样化的能源，使用效率高 研究表明，电动汽车能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市中车辆走走停停， 低速行驶，电动汽车更加适宜这种城市路况。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程 中，电动机反向运转转化为发电机，可以实现制动减速时能量的回收再利用。另一方面， 电动汽车的动力来源为电能，大面积普及后可有效地减少对石油资源的消耗，将有限的 石油用于更重要的方面。动力源的电能可以由水力、核能、太阳能、风力、潮汐等提供， 实现真正的零污染。 3 结构简单，使用维修方便 6 长安大学硕士学位论文 电动汽车与传统内燃机汽车相比较，其结构简单，运转、传动部件少，维修保养工 作量小，如采用交流感应电动机驱动，电机无需保养维护，而且电动汽车比传统汽车更 易操纵。 1 4 本课题研究目的、内容及意义 1 4 1 研究目的 汽车的尾气排放已经成为全球大气污染的主要污染源，如何降低尾气排放量已引起 了整个社会的广泛关注。由于汽车作为主要交通工具的地位无可取代，只能寄希望于应 用新技术来减少污染物排放量，但无论是使用无铅汽油、采用电喷技术降低油耗提高燃 料燃烧的充分性、三元催化技术等，都难以真正的实现污染物的零排放。就目前而言， 只有电动汽车能够满足零排放的要求，各国政府已充分认识到节能与环保的重要性，相 继投入大量的人力和物力研发电动汽车。 在这种大环境下，为研究燃油汽车与电动汽车的异同点，探索纯电动汽车的设计方 法和相关的技术，课题目标是将骊山l s 6 6 0 0 c 1 中型柴油客车改装成电动试验车，保证 改装后的电动试验车能够独立进行驱动电机控制器及电池等电动汽车主要部件相关各 项试验。在此基础上，本文的主要目的在于完成对整车动力总成部分的设计试验，确保 改装后的电动试验车满足实车动力性能试验要求，并拟定出比较完备的电动汽车动力系 统试验台试验和整车性能试验台模拟试验的方案。 1 4 2 研究内容 课题以“骊山l s 6 6 0 0 c 1 ”型中型客车为基础试验平台，改装前的装备质量为4 4 8 0 k g ， 额定载客量为1 9 人。动力系统改制过程中保留原车的离合器、变速器、主减速器等主 要传动装置，拆除原有柴油发动机总成以及相关的输油管、油箱等燃料供给系统部件， 以直流永磁电机为主驱动装置，设计了电机控制器的冷却装置及管路布置工作。另外， 还要涉及到制动系改制，油门踏板及汽车其它电器设备改制，底盘总布置等工作。 本文主要完成以下几方面的设计、研究工作： ( 1 ) 查阅相关资料，对当前电动汽车的国内外研究现状及发展趋势进行深入的了 解，掌握该研究领域的最新发展情况，分析电动汽车的基本构造、技术特点以及其当前 发展所面临的问题等，以便明确本项研究的主要目的和内容。 ( 2 ) 为实现对原骊山“l s 6 6 0 0 c 1 中型客车进行改制后，新的纯电动试验车的动 力性能保持稳定，需要对主要动力数据进行理论计算，以获取驱动电机的功率、额定转 速等主要参数，并据此定制试验用电机。同时，根据已匹配的驱动电机参数和原骊山 7 第一章绪论 “l s 6 6 0 0 c 1 中型客车的整车数据，应用专业的仿真模拟软件a d v i s o r 完成对电动 试验车的建模工作，a d v i s o r 软件能够完成对改制后的电动试验车主要运行性能( 如 动力性和续驶里程等) 仿真模拟。理论数据计算与软件仿真相结合，可以实现对课题实 施方案的进一步优化。 ( 3 ) 由于本文主要从事电动试验车的动力系统方面的设计与研究，需要对课题中 所采用的驱动电机的具体构造和运行特性等有深入的理论研究和了解。设计过程中，计 划对定制的驱动电机进行台架性能试验，完成试验方案的拟定、试验设备的选配、试验 台的搭建以及最后的试验数据处理和分析等工作。 ( 4 ) 在已有的驱动电机试验台架上搭建整车性能模拟试验台，完成对改制后的电 动试验车的整车性能模拟试验，其中包括最高行驶车速试验、爬坡性能试验和加速性能 试验等。设计中需要完成试验方案的拟定、试验数据的采集和处理、分析等工作。 1 4 3 研究意义 电机技术和电池技术已成为电动汽车研究领域的两大核心技术，二者的发展情况直 接影响到未来电动汽车产业的普及与发展。当前电机产业迅猛发展，驱动电机产品质量 良莠不齐，而电机的性能将直接关系到装配后的整车性能优劣。本文主要对电动汽车动 力驱动系统的设计和研究进行了探讨，特别是针对驱动电机的部分，其中涉及的电机性 能试验以及整车性能模拟试验，在严格按照国家现行标准的前提下，结合国外的相关标 准对其进行了一定的丰富与改进，该试验方案可为今后的类似试验提供借鉴和参考，试 验车的改制设计亦可为类似研究提供一种全新的思路。 8 长安大学硕七学位论文 第二章电动试验车理论计算及仿真 大中型客车车身长约6 - 9 米左右，可操作空间较大，方便改装，非常适合电动汽 车的开发研究；而且，大中型客车在市内交通和城间交通中有着很广泛应用，若是将城 市中的公交车辆进行电动汽车改造，并且实现大规模普及之后，将在环境保护方面起到 极大的作用，获得巨大的社会效益。 本课题研究所用试验车平台为陕西骊山客车厂制造生产的型号为l s 6 6 0 0 c 1 中型柴 油客车，如图2 1 所示，其整车参数见表2 1 。本试验车的搭建是由燃油汽车进行直接 改装而成，试验方案中用电动机和蓄电池取代原车发动机和燃油系统，保留原车传动系 统中的的离合器、变速器、主减速器和差速器等，这样做有助于降低车辆对电动机转速 和转矩的要求。 表2 1 骊山l s 6 6 0 0 c 1 中型客车的整车参数 汽车型号 l s 6 6 0 0 cl 生产厂家陕西骊山客车厂 总质量( 含乘员) 5 5 0 0 k g 底盘型号 c a l0 4 0 p 5 0 d 1 4 轴距( r n m ) 3 3 1 0 变速器型号 c a s 5 2 5 车长车宽x 车高( r a m )5 9 9 5 2 1 8 0 2 7 6 0主减速比 6 1 7 乘员数 1 9 人轮胎6 5 0 1 6 型8 层 苫 第二章电动试验车理论计算及仿真 2 1 电动汽车动力系统匹配【1 2 】 1 - 最高行驶车速： 根据西安骊山汽车制造厂技术部提供的相关数据，l s 6 6 0 0 c 1 中型客车在采用档 运行时，可达到最高车速为7 0 k m h 。由汽车理论中相关计算公式得，总阻力计算 式为： e f , = f n , i + 耻尝一i - g f ( 2 1 ) 式中，为平路行驶时空气阻力；而为平路行驶时的行驶阻力；车辆迎风截面 积为：a = 2 1 8 2 7 6 = 6 0 1 6 8 m 2 ；最大车速“口1 = 7 0 k m h 。由相关资料显示，客车的空气 阻力系数为o 5 0 8 ，由于本设计中考虑到改装车型为中型客车，故确定空气阻力系数 为：c d = o 6 ；改装后的试验车行驶的路面良好，故滚动阻力系数取为：f = 0 0 1 3 。相关 数据代入式( 2 1 ) 得： 互= 1 5 3 6 n 则行驶功率为：丑= f , u 。1 = 3 0 k w 电机转速为：拧，= 3 11 5 r m i n 2 最大爬坡度： 依据汽车制造厂技术部提供的相关数据，原车采用i 档爬坡，最大的爬坡度为2 0 。 表2 2 所示为电动试验车装配的c a s 5 2 5 变速器的各档位传动比参数。 表2 2 变器格挡传动比参数 变速器i 档 i i 档 档档v 档主减速比 c a s 5 2 55 5 6 82 8 3 21 6 3 410 8 1 46 1 7 爬坡时的总行驶阻力： e = 乃2 + e 2 = g f g o s a + g s i n a ( 2 2 ) 式中，a 为爬坡度；e a 为爬坡时的最大行驶阻力；凡为坡道产生的爬坡阻力。 相关数据代入式( 2 2 ) 得爬坡总阻力为： e = 1 1 1 5 4 n 1 0 长安大学硕士学位论文 电机输出扭矩为： = 三：掣 z o l gi o z g ( 2 3 ) 式中，i 。为车辆主减速比；i s 为车辆i 档传动比；车辆的轮胎半径r = o 3 6 8 m 。 将相关数据代入公式( 2 3 ) 得电机要求输出扭矩为： 乙= 1 2 0 n 聊 3 加速行驶： 原车加速性能为：i i 档加速0 - 7 0 k m h加速时间：4 0 s ， v 档加速2 5 7 0 k m h加速时间：4 1 3 s 则行驶时的平均加速度为：a 3 = 0 4 8 6 m s 2m = 0 3 0 2 m s 2 加速条件下的总驱动力为： e = 乃，+ 昂，+ 锄口，= g 厂+ 等+ 锄口3 ( 2 4 ) 只= + 昂。+ 锄口4 = g f + 号等+ 翻口。 ( 2 5 ) 式中，场、砀为两种加速情况下的行驶阻力；f w 3 、f w 4 为两种情况下的空气阻力； 6 为车辆的旋转质量换算系数，其计算公式为： 蹦+ 盟m r 2 + 警 ( 2 6 )6 = 1 + 兰型二+ 上_ 苎半 ( 2 6 ) 聊r 。 、 式中，石车轮的总转动惯量，亏为飞轮转动惯量，车轮质量聊= 3 5 培，车轮半 径r = 0 3 6 8 m ，飞轮质量m = 2 0 k g ，飞轮半径r - - o 17 m ，传动效率7 7 取9 0 。将相关数据 代入公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 和( 2 6 ) 得加速所需总驱动力为： f r = 4 613 n f 尸3 5 5 q n 则所需驱动扭矩为：正= e r = 1 6 9 8 n m 瓦= f , r = 1 3 0 6 n m 要求电机输出的驱动扭矩为： z k = 竽一= 9 7 n 所t 腿4 = 等一= 2 1 2 n m l o l 9 3 1 0 1 9 4 所以，有上述计算可知试验车所需电机的主要参数为：p = 3 0 k w ，转速n = 3 1 1 5 r m i n ， 第二章电动试验车理论计算及仿真 输出转矩为t = 2 1 2 n m 。 根据动力计算结果选配电机【1 3 】【1 4 1 ，试验中我们拟选定包头电机研究所电动汽车用 驱动电机，该驱动电机为永磁直流电机，其主要动力参数如表2 3 所示。 表2 3 电机主要动力参数 额定功率额定转速额定扭矩最大功率最大转速最大扭矩 k w r m i nn mk w r m i nn m 效率 3 53 0 0 01 1 26 54 0 0 03 0 09 2 2 2 试验车动力性能仿真 2 2 1 仿真软件a d v i s o r 1 5 】0 6 a d v i s o r 全称a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r ( 高级车辆仿真系统) ，是由美国可再生 能源试验室在大型仿真软件m a t l a b 的机械类仿真模块s i m u l i n k 的运行环境下进一步开 发而成的，它现今被广泛应用于各汽车企业的电动汽车理论仿真阶段。上世纪9 0 年代 初被开发应用，现已成为各高校、科研院所和汽车企业进行电动汽车研究与开发的重要 应用软件，其a d v i s o r 2 0 0 2 版本已成为世界上可免费下载与用户使用量最多的电动汽 车相关仿真软件。 在a d v i s o r 环境下可经过相对简单的程序操作完成对所需模型的建立，并能够在 设定的道路循环工况下快速的完成对传统汽车、纯电动汽车与混合动力汽车的车辆模型 的动力性、燃油经济性和排放性能等相关能的模拟和分析。作为开放型的仿真软件， a d v i s o r 允许各个独立用户自行定义所需汽车仿真模型与仿真的策略。 2 2 2a d v i s o r 仿真原理 a d v i s o r 主要采用后向仿真，并辅以前向仿真二者相辅相成双相结合的独特混合 仿真方法。仿真过程中首先完成后向仿真，按照循环工况的要求程序首先向整车模块发 出转速和转矩请求，然后再由整车模块向车轮和车轴模块、主减速器、变速器模块等中 依次逐级发出请求，直至发动机和蓄电池等动力源模块，得出所需功率，整个流程与实 际的功率流方向相反。在完成后向仿真后，程序再沿着顺功率流的方向，从动力源开始 直至车轮与车轴模块，将速度值和扭矩值逐级传递，最终得出仿真车辆的实际速度。 整个a d v i s o r 软件系统分为输输出模块、仿真模块和控制模块四大部分。软 件通过输入模块来定义a d v i s o r 工作的空间变量以及完成对其他模块的调用，它由整 车参数定义模块和零部件参数定义模块两部分组成，整车定义模块完成对所建整车模型 的类型和动力系统的结构定义，部件模块主要完成车辆参数的模型建立。绘图程序和查 错程序组成输出模块，主要负责对仿真结果进行后处理。绘图程序负责仿真特性图的绘 1 2 长安大学硕士学位论文 制，而对仿真结果合法性的检查则交由查错程序来完成。在s i m u l i n k 中m d l 格式文 件主要负责对各种方程式进行仿真计算，批量的m d l 文件组成了a d v i s o r 的仿真模块， 而整个仿真程序的运行则由软件的控制模块完成，他所独有的g u i 操作界面能为用户 提供不同的仿真功能选择，如需要在系统中调用各功能只需在操作界面输入各个模块位 置路径【1 刀。 仿真伊始，控制输入模块第一时间向道路循环工况模块索求车辆模型运行的行驶轨 迹参数，再根据轨迹参数由整车模块依据车辆行驶方程式计算出满足该循环工况要求的 车速和转矩数据，然后车轮与车轴模块开始运行，运行次序逐级由下向上逐步驱动主减 速器模块、变速器模块、离合器模块、负载模块等，最后运行请求传递到能源动力模块 运算出模型的实际功率，至此程序完成后向仿真过程。但是由于整个过程中采用了稳态 特性参数，因此无法实现针对实际运行状态的动态仿真。这一部分完成后，软件针对这 一情况进行辅助仿真一向前仿真。仿真起始点为发动机模块部分，程序将前次先后仿真 的发动机运行功率参数沿着实际功率传递方向传送进负载模块中，控制程序如此将此模 块中运算出的转矩与转速参数逐级传递下去直至车轮与车轴运行模块，最终获得模型车 辆的实际运行的情况。整个向前仿真过程中需要涉及驾驶员的操作模型，将请求速度和 当前速度情况考虑进去，这样使得仿真更加接近于实际的运行情况，与前者相比较其结 果更加的准确，但随着考虑情况的增加，必然导致计算量的大幅提升，降低了仿真运行 的速度。正是两者均存在这样那样的缺陷，a d v i s o r 采用了后向为主，前向为辅的混 合仿真原理，将两者巧妙的结合在一起，一方面在一定程度上的降低了仿真过程中计算 量，提高了仿真速度，另一方面又能实现对仿真精确度的保护。 2 2 3 系统建模及仿真 运用a d v i s o r 进行仿真的过程中，尽管软件中已经包含了众多的成型数据模块， 但这些很难直接用来构建新模型，整个仿真过程主要建立在两个假设的基础上：( 1 ) 在 能量的传递过程中，其呈逐级递减状态，传动系统中的各级部件模块只能获得上一级传 递能量的全部或大部，其总值不能超过上级所或能源量。( 2 ) 仿真过程中的向前与向后 的仿真运行，整车模型的动力系统能量损失率必须保持一致性。 在建立新的仿真模型过程中，依据软件中输入输出模块参数定义模式对整车模块 和零部件模块两部分的参数进行合理修改。修改u d v i s o r2 0 0 2 h r i o d e l s 目录中的整车 模块构建试验车的动力系统结构，控制着仿真过程中数据的流向，将各个整车的零部件 模块的各端口整合在起。 1 3 第一二章 电动试验车理论计算及仿真 在模型的建立过程中，a d v i s o r 软件操作平台提供了两种方式【1 8 】：一是用户可以 直接在母软件m a t l a b 的命令窗口调用模型的相关物理参数和控制策略的文件进行修 改跟丰富，另外就是直接进入a d v i s o r 的用户操作界面来完成数据修改工作。前者更 加直接，但是用户将面对大量的程序文件，对用户的程序阅读和修改能力要求非常高， 且很容易出现误操作情况。后者，a d v i s o r 软件给用户提供了良好的图形界面g u i ， 实现操作与仿真结果的可视化，这样就为用户完成仿真后的结果分析提够了便利。 建模及性能模拟工作主要集中在整车参数的输入、仿真参数的设置和仿真结果的输 出三大部分： 1 整车参数的输入 首先，进行模型车辆的传动系统的选型或重建。由于软件在设计时就存储一定量的 车辆传动系模型，如数据文件夹中保存的丰田p r i u s 等近4 0 余种成型电动汽车数据文件， 以及存储有传统汽车、电动汽车、混合动力汽车、燃料电池车等8 种基础模板车型的数 据文件，根据试验车性能及原车重要参数的考量，需要在这些基础平台上进行一定的修 改，在模板车型上直接完成对所需的电动试验车传动系统的定义。如图2 2 为a d