（光学工程专业论文）纯电动城市客车动力系统设计及试验研究.pdf

摘要 当前，随着社会的发展，能源与环境方面的危机日益明显。汽车作为当今社会最主 要的交通工具，其地位是不可替代的。随着汽车保有量的增加，汽车尾气的排放也成为 各国政府比较担心的问题。为了应对汽车的高能耗和高排放问题，全世界都在发展新能 源汽车以减少汽车尾气的排放，例如混合动力汽车、纯电动汽车、氢能源汽车和太阳能 汽车等。城市客车作为公共交通工具，它的尾气排放在总体排放量中占据很大的比重， 开发纯电动城市客车对减少城市汽车尾气排放，缓解城市经济与环保之间的矛盾具有重 要意义。 ， 本文是在江淮底盘( h f c 6 6 0 1 k y d 3 ) 的基础上试制纯电动城市客车的动力系统。根据 城市公交的运行需要，制定了纯电动城市客车的动力性目标：最高车速5 0 k m h ，爬坡 度8 ，加速时间3 5 s ，续驶里程超过8 0 k m ，然后根据动力性目标对驱动电机进行参数 匹配；在动力系统的结构形式上，本课题是用电动机取代发动机，保留了原车的离合器、 变速箱等机械传动系统；对纯电动城市客车动力电池组进行选配和布置设计；利用 a d v i s o r2 0 0 2 对纯电动城市客车进行建模与仿真。 根据国家纯电动汽车动力性试验规程( g b t1 8 3 8 5 - - 2 0 0 5 ) ，结合城市客车的运行工 况，制定试验方案。试验内容包括3 0 分钟最高车速试验、最高车速试验、加速性能试 验和续驶里程试验。试验结果为：最高车速5 1 3 k r n h ，测试爬坡度1 2 ，加速时间3 0 5 s ， 在车速为( 5 0 _ + 5 ) k m h 测试条件下，续驶里程为8 1 6 k m 。试验结果符合纯电动城市客车 的动力性要求。 关键词：电动汽车，动力性匹配，动力性仿真，动力性试验，经济性分析 a b s 仃a c t a tp r e s e n t ，谢t ht h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t y ，t h ee n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lc r i s i si sm o r e a n dm o r eo b v i o u s v e h i c l e sa st h em a i nt r a f f i ct o o l s ，t h e i rs t a t u si si r r e p l a c e a b l e a l o n g 、7 l ，i t l l t h ei n c r e a s eo fa u t op o s s e s s i o n ，a u t o m o b i l ee x h a u s te m i s s i o n sa l s ob e c o m eg o v e r n m e n t s c o m p a r i s o no fw o r r y i no r d e rt oc o p e 诵t l lt h eh i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o na n dh i 曲e m i s s i o n s ， a l lo v e rt h ew o r l dw i mn e we n e r g yv e h i c l ed e v e l o p m e n tt or e d u c ea u t o m o b i l ee x h a u s t e m i s s i o n s ，s u c ha sh e v ，e va n dh y d r o g e ne n e r g yv e h i c l ea n ds o l a rp o w e r e da u t oe t c t h e b u sa sp u b l i ct r a n s p o r t ，i t se m i s s i o n si no v e r a l le m i s s i o n so c c u p i e sa l a r g ep r o p o r t i o n ，t h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r i cb u st or e d u c et h eu r b a nc a l e m i s s i o n s ，r e l i e v eu r b a ne c o n o m ya n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ei st r y i n gt om a k eae l e c t r i cb u sd y n a m i c a ls y s t e m ，w h i c hb a s e do nt h ej a c c h a s s i s ( h f c 6 6 0 1k y d 3 ) t r i a l a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o no fu r b a np u b l i ct r a n s p o r tn e e d s ， h a sd e v e l o p e dt h ep o w e ro fe l e c t r i cb u sg o a l s ：m a x i m u ms p e e d5 0 k m l l ，m a x i m u m g r a d a b i l i t y8 ，a c c e l e r a t et i m e3 5 s ，d r i v i n gr a n g eo fm o r et h a n8 0 k m ，a n dt h e nm a t c h i n gt h e m o t o rp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt od y n a m i cp r o p e r t yg o a l s ；t h es t r u c t u r eo ft h ed y n a m i cs y s t e m ， t h i st o p i ci sf o r m a l l yr e p l a c i n ge n g i n e ，r e t a i n i n gt h ec l u t c h ，g e a rb o xa n do t h e rm a c h i n e r y t r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h ef o r m e r ；m a t c h i n gf o rb a t t e r i e sa n da r r a n g e m e n t ；u s eo fa d v i s o r 2 0 0 2t oe l e c t r i cb u sm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n a c c o r d i n gt o t h en a t i o n a le l e c t r i cv e h i c l e p e r f o r m a n c et e s t i n gs t a n d a r d s ( g b t 18 38 5 - 2 0 0 5 ) ，c o m b i n e dw i t hb u s e sr u n n i n gc o n d i t i o n ，f o r m u l a t e t e s t i n gp r o g r a m t e s t c o n t e n ti n c l u d i n g3 0m i n u t e sm a x i m u m s p e e dt e s t ，t h em a x i m u ms p e e dt e s t ，a n da c c e l e r a t i n g p e r f o r m a n c et e s ta n df o r w a r d i n gt h et r a v e ld i s t a n c et e s t t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s ：t o p s p e e do f5 1 3k m h ，t e s tt h em a x i m u m g r a d a b i l i t y1 2 ，a c c e l e r a t i o nt i m e3 0 5s ，i ns p e e df o r ( 5 0 + 5 ) k m ht e s tc o n d i t i o n s ，t h er e n e w a lf o rt r a v e ld i s t a n c e81 6 k m t e s tr e s u l t sa c c o r dw i t h t h er e q u i r e m e n t so fe l e c t r i cb u s k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e s ，d y n a m i cp r o p e r t ym a t c h i n g ，d y n a m i cs i m u l a t i o n ，d y n a m i c t e s t ，e c o n o m i ca n a l y s i s i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 当前，随着社会的发展，环境保护与经济发展之间的矛盾日益突出。汽车作为当今 社会最主要的交通工具，其地位是不可替代的。由于大量的汽车所排放的尾气给环境带 来了很大的压力，为了能够最大限度的减少汽车尾气的排放量，世界各国都在发展新能 源汽车，例如混合动力汽车、纯电动汽车、氢能源汽车和太阳能汽车等。但就目前而言， 只有纯电动汽车能够满足零排放的标准要求。城市客车作为公共交通工具，它的尾气排 放在总体排放量中占据很大的比重，因此需要开发零排放的纯电动城市客车。 城市客车作为公共运输体系非常重要的一部分，它的尾气排放量也是不可忽视的， 在这个前提下，制定了本课题的目标，在江淮底盘( h f c 6 6 0 1 k y d 3 ) 的基础上，试制一辆 纯电动城市客车并对其进行性能试验，使试制的客车满足城市公交的运行要求。开发纯 电动城市客车对减少城市汽车尾气排放，缓解城市经济与环保之间的矛盾具有重要意 义。 1 2 纯电动汽车国内外发展现状 1 2 1 国外电动汽车发展现状 世界各国著名汽车厂商都在加紧研制各种类型的电动汽车，并且取得了很大的进展 和突破。 1 日本一直以来都在为缓解经济发展和环境保护之间的矛盾而努力，同时也是为了 占领未来世界汽车市场，积极致力于研究和开发电动汽车。从目前世界电动汽车行业的 整体发展情况来看，日本的电动汽车技术是少数的几个发展比较好的国家之一，尤其是 在发展混合动力汽车产品方面，日本处于世界领先地位。目前，世界上只有日本的丰田 和本田两家汽车公司能够将混合动力汽车进行规模化生产和销售【l 】【2 】。 丰田公司自1 9 9 2 年就开始重视电动汽车的研究。在1 9 9 7 年开发出一种实用型混合 动力汽车一脚嬲车。据报道，这是世界上第一款批量生产的混合动力车型。该车的主 要特点是燃油经济性较好，城市行驶时油耗为4 5 l l o o k m ，公路行驶时为5 2 l l o o k m 。 试验表明，p r i u s 车不仅符合日本的相关法规要求，而且还达到了美国“特级 超低污 染汽车标准的要求一这一要求比超低污染汽车标准要严格7 5 ，比低污染汽车标准严格 第一章绪论 9 0 1 1 1 。 日本目前在电动汽车发展方面有两个计划，一是低公害汽车开发普及行动计划，包 括政府致力普及的环境负荷小的低公害汽车和燃料电池等下一代低公害汽车；二是专项 研究计划，主要是做电动汽车的能源系统方面研列1 】f 2 】。 2 美国的新能源汽车发展不太理想，新能源汽车如混合动力和燃料电池电动汽车目 前未能规模化、产业化，来自日本的新能源汽车占据了美国市场。但是目前美国已经形 成了“总体战略+ 一揽子政策”的电动汽车行动体系。 在战略上，一是将发展插电式电动汽车( 包括插电式混合动力汽车和纯电动汽车) 确 定为主要技术路线；二是明确提出到2 0 1 5 年实现美国道路上行驶的插电式电动汽车达 到1 0 0 万辆的目标【1 1 。 在政策上，已经形成了包括激励类政策、保障类政策、限制类政策在内的一揽子政 策体系。激励类政策主要是对厂商、需求者和研发领域提供税收减免、财政补贴、金融 支持；保障类政策主要是支持基础设施建设、加大研发和教育投入；限制类政策是通过 提高燃油经济性标准，以拉动市场对电动车的需求。政府政策由零星化转向系统化，在 电动汽车早期与传统汽车相比还不具备经济性优势的情况下，对增强厂商和消费者预期 起了决定性作用。这些政策主要体现在 2 0 0 5 能源政策法案、 2 0 0 7 能源独立与安全 法案、 2 0 0 8 紧急经济稳定法案这三个法案以及基于这些法案的相关规定中。清洁 空气法案和其他环境法案也有部分条款涉及电动汽车和新型燃料汽车。 3 欧洲各国成立了欧洲电动汽车协会，欧盟投入大量的资金进行电动汽车相关方面 的研究。英国和法国政府积极致力于研究先进的电动汽车和推广限定范围的电动汽车。 在欧盟的资金支持下，欧洲正在进行一项世界最大规模的燃料电池巴士示范计划。 截止到2 0 0 3 年年底，在欧洲不同环境的八个国家1 0 个城市，欧盟已经投入3 0 辆 燃料电池大巴进行试运营。欧盟向欧洲清洁城市运输( c u t e ) 项目投入18 5 0 万欧元进行 相关研究。 试运营的燃料电池大巴是在奔驰c i t a r o 低底盘大巴的基础上进行改装，共有三个门， 改装后的大巴长度1 2 米，标准座位3 0 个，加上站立的人数，最多载客7 0 人。改装大 巴属于氢燃料电池大巴，功率在2 0 0 k w 以上，最高车速8 0 k m h ，一次加氢行程 2 0 0 2 5 0 k m 。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 2 我国电动汽车发展现状 1 通过自主创新，产品研发能力明显提高 我国在“九五”期间将电动汽车项目纳入国家重大科技产业工程，然后紧接着被纳 入国家8 6 3 计划。在我国电动汽车行业发展过程中，重点研究电动汽车的核心技术、关 键部件和系统集成。合理布局，自主创新，通过产学研紧密合作，电动汽车产品研发能 力有了很大提高1 2 3 1 。 2 开始进行规模示范运行，部分电动汽车市场化 科技部和财政部共同启动“十城于辆 电动汽车示范运行计划，决定在3 年内，在 全国1 0 个大中型城市的公交、出租、公务、市政、邮政等领域进行推广，每个城市推 出1 0 0 0 辆，现己增加到1 3 个城市。在国家和相关财政支持政策下，目前各试点城市已 开始行动嘲。 3 汽车企业高度重视，电动汽车将作为未来主流竞争型产品 我国几个主要的大型汽车厂商都在做电动汽车方面的相关研究，并且制定了产品产 业化计划。一些电动汽车零部件厂商也加紧产业化，加强与上下游企业的合作，积极完 善生产配套设施，实现共赢【2 1 。 4 积极推进电动汽车行业标准法规与质量管理体系的建立，为产业化打好基础 2 0 0 7 年1 1 月，我们实施了新能源汽车生产准入管理规则。这标志着我们基本建 立电动汽车行业标准法规与质量管理体系，便于自主创新成果能够快速的进行市场化。 2 0 0 8 年北京奥运期间，为了体现国家节能减排的理念，我们共投入5 9 5 辆电动客车 进行示范运营，奥运会期间使用的b k 6 1 2 2 e v 纯电动大客车，驱动电机为1 0 0 k w 交流 电机，采用锂离子动力电池，端电压3 8 8 v ，容量3 6 0 a h ，最高车速8 0 k m h ，4 0 k m h 匀 速行驶条件下续驶里程为1 9 0 k m 。 长安大学在2 0 0 6 年改制的金杯s y 6 4 8 0 a 2 - - e 轻型客车，驱动电机为永磁无刷直流 电机，额定功率1 8 k w ，峰值功率5 0 k w ，动力电池组采用铅酸蓄电池，电池组端电压2 8 8 v ， 容量11 0 a h ，改轻型客车最高车速可达6 7 k m h ，续驶里程1 4 0 k i n 。 北京理工大学研制的b f c 6 11 0 一e v 纯电动旅游客车，该车驱动电机功率是1 0 0 k w ， 动力电池采用的锂离子电池，电池组端电压3 8 8 8 v ，容量6 0 0 a h ，此纯电动旅游客车的 最高车速可达9 5 k m h ，续驶里程可达3 0 6 7 k m 。另外，国内的一些像清华大学、同济大 学等知名大学也都在进行电动客车的相关研究，但是资金的投入力度与国外还有一定的 差距。 3 第一章绪论 1 3 课题研究的主要内容 1 根据城市公交的运行需要，制定了纯电动城市客车的动力性目标：最高车速 5 0 k m h 、爬坡度8 、加速时间3 5 s 、续驶里程超过8 0 k m 。介绍在江淮底盘( h f c 6 6 0 l k y d 3 ) 的基础上试制纯电动城市客车的数据计算和软件建模。主要论述电机的参数匹配以及装 配后的客车的主要运行性能，并结合运用a d v i s o r 软件对装配后的电动客车进行动力性 和续驶里程方面的仿真研究。 2 完成电动客车用动力电池的选型工作，介绍选型标准与电池特性和选型的方式方 法等，同时对已选动力电池的主要性能进行详尽的介绍以及整车的性能要求。 3 在纯电动城市客车的动力系统完成后，根据国家电动汽车动力性能标准 ( g b f r l 8 3 8 5 - - 2 0 0 5 ) ，结合城市客车运行工况，对纯电动城市客车进行动力性试验，并 对试验结果进行分析。 4 将纯电动城市客车与原江淮燃油客车的经济性进行对比分析。 4 长安大学硕士学位论文 第二章电动汽车关键技术 2 1 电机驱动及其控制技术 2 1 1 电机技术 目前，在电动汽车上使用的电机一般有直流电动机、三相异步感应电动机、永磁同 步电动机和开关磁阻电动机。 直流电动机一般是由转予、定子、端盖和电刷架四部分组成。直流电动机的启动和 制动时产生的转矩比较大，适用于快速启动和停车的场合；它的速度范围宽，从几百转 到上万转，而且可以通过调节电机输入电压来进行调节转速，调速十分方便；直流电动 机电磁转矩控制性能优良，控制系统成熟，价格低廉；制造技术成熟，可以根据目标转 速和转矩来选择电机的功率。直流电动机的缺点是它的效率因数低、自重大、价格比较 昂贵。而且它里面存在接触零件，如电刷、换向器等，电机经过长时间的运行，这些接 触件容易发生磨损【4 】【5 1 。 三相异步感应电动机容量范围广，可以从零点几瓦到几千瓦；冷却方式简单随意， 可以采用风冷或者水冷等冷却方式，可以在各种环境场合下工作，可靠性好。感应电动 机结构比较简单，可维护性好，价格也比较便宜，因此得到广泛的应用【4 1 。 永磁电动机采用永磁铁，不需要励磁，因而没有励磁功率。当永磁同步电动机同步 运转时，转子既无能耗，又无铁耗，因而效率提高，耗损降低，无功功率小，其功率因 数为o 9 5 以上，比较节能；它的效率曲线平缓，当负载在1 4 时，功率因数仍然可以达 到0 9 2 ；结构比较简单，可维护性好；永磁同步电机的转速是与频率完全同步的，任何 情况下它的转速必须与频率严格成比例旋转，否则就会失步停转。由于永磁同步电机存 在失步问题，所以它不适合在重载条件下运行，也不适用快速启动的场合1 4 1 。 开关磁阻电机功率电路简单可靠，各项互不干扰，能够独立工作，运行可靠性好， 磁阻电机启动时，启动电流较小，适用于频繁起、停及正、反向转换运行的场合；高温 条件下正常运行性能良好。但是磁阻电机的转矩有脉动现象，相对于其它电动机的控制 系统而言，磁阻电机的控制系统比较复杂【5 】。 从表2 1 可以看出，直流电动机的启动和制动时产生的转矩比较大，适用于快速启 动和停车的场合，因此非常适用于纯电动城市客车的使用要求。表2 2 所述为目前一些 电动汽车所使用的驱动电机类型。 5 第二章电动汽车关键技术 表2 1电动汽车常用电机性能比较 比较项目直流电机 感应电机 永磁电机开关磁阻电机 功率密度( r m i n )低 中高 较高 峰值效率 0 8 5 旬8 9o 9 1 旬9 5o 9 5 旬9 70 9 转速范围 4 0 0 0 - - 6 0 0 0 9 0 0 0 15 0 0 04 0 0 0 - 10 0 0 0 1 0 0 0 0 工作可靠性一般好 优 好 可控性 好 较好 好 电机牢固性较好可以 好 好 电机重量重中轻轻 电机成本低中较高低 控制器成本低中较高高 表2 2 现有电动汽车使用的电机类型 电动车型号使用的电机类型电动车型号使用的电机类型 f i a tp a n d ae l e t t r a 串励直流电机 福特t h i n k c i t y 感应电机 m a z d ab o n g o 并励直流电机 通用e v l 感应电机 c o n c e p t o rg - v a n 他励直流电机本田e v p l u s 永磁直流电机 s u z u k is e n i o rt r i c y c l e 永磁直流电机 尼桑a l t r a 永磁直流电机 f i a ts e i c e n t oe l e t t r a 感应电机 c h l o n d el u e a s 开关磁阻电机 2 1 2 电机控制技术 由于电动汽车对驱动力的特性要求较高，直流电机一般无法满足这个要求，所以电 动汽车用电机多具有复杂的控制系统。直流电机的控制可以通过电枢控制和励磁控制两 种方法来实现。电枢的电流和电机转矩是跟电枢两端的输入电压有关的，当直流电机的 电枢输入电压减小时，电枢电流减小，电机转矩降低，反之，电枢电流增大，电机转矩 增大。当电枢电压保持不变时，电机的功率也是恒定的，电机转速降低会增大电机的转 矩输出，通常都是电枢控制和励磁控制结合起来，使电机有较宽的调速范围。 三相异步感应电机具有非线性输出的特性，不能直接使用直流电。因此在使用感应 电机的电动汽车上，需要用到逆变器中的功率半导体交换器件。随着微电子技术的发展， 这些功率集成半导体器件都在向高频化、全控化方向发展。例如可关断晶闸管( o t o ) 、 电力晶体管( b j t ) 、功率场效应晶体管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、m o s 栅控晶闸管( m c t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 和静电感应晶闸管( s i t h ) 等 功率场效应晶体管( m o s f e t ) 是一种单极性的元器件，当温度高的时候，它的热稳 定性比较好，工作频率高。当受到外界干扰时，抗干扰能力比较强。但是此种晶体管的 6 长安大学硕士学位论文 额定电流小，工作形式多为并联。 绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 是一种复合晶体管，它是将电力晶体管与功率场效应晶 体管在一个芯片上进行集成，它也同时具有了电力晶体管与功率场效应晶体管的优点， 当电路中电压和电流比较高时，可靠性好，而且它的驱动电流小，有效工作范围比较宽， 性能比较稳定。 表2 3 所示为电动汽车控制系统常用功率器件特性比较，从表中可以看出，i g b t 和m o s f e t 用的比较多，i g b t 的驱动功率比较高，而工作频率稍微低一点；m o s f e t 的驱动电路简单一些，在导通时电阻比较小，非常适用于高电流低电压小功率的电机驱 动场合。 表2 3 电动汽车控制系统常用功率器件特性比较 特性 b j t m o s f e t i g b tm c t 动态特性差较好较好好 工作温度( ) 约1 5 0约1 5 0约1 5 0约1 5 0 驱动功率大小小 小 驱动电路 一般简单简单简单 输入阻抗 小大大大 开关频率低高高高 开关损耗大 小 小 小 开通时间 长短较短较短 关断时间长短较短较短 最大关断增益较高高高高 导通增益较大大大大 工作噪声大 小小小 并联特性 差好较好一般 工作可靠性好较好较好较好 价格低较高一般高 实用化程度逐渐淘汰已应用广泛研制中 综合性能差好较好好 目前的电动汽车控制器采用不同的控制策略对电动汽车的调速性能也有很大的影 7 第二章电动汽车关键技术 响。采用开环控制比较简单，但是缺少反馈环节，动态响应性差，过于依赖电机和负载 转矩，而且调节的精度也差。而高性能的电动汽车一般都采用带有反馈环节的闭环控制， 并采用先进的控制策略【6 】【刀。 在目前高性能电动汽车的控制器上都采用了许多新的控制技术，例如自适应控制、 模糊控制、神经网络和专家系统等。微电子技术的发展，也为这些先进的控制策略提供 了强大的硬件平台。可以预见，未来一些人工智能控制技术必将出现且会得到广泛的应 用。 2 2 电池技术 2 2 1 动力电池 。动力电池组为电动汽车提供能源，动力电池的选择对电动汽车整车的性能有很大的 影响。动力电池的技术指标主要是比能量、比功率和充放电次数等。现代电动汽车对动 力电池的能量密度和使用寿命要求较高，且在给动力电池组充电时要求方便快捷；同时 要求动力电池的价格低廉，小内阻及低自放电率；对环境的污染小，有效工作温度范围 要宽；可维护性好，能够进行批量化的生产。表2 4 为目前一些已经开发出的动力电池 现状。 表2 4目前已经开发的电动汽车用电池的现状 型号铅酸镍镉镍铁镍锌镍氢钠硫锂电池 比能量 3 55 55 77 06 0 7 01 0 01 0 0 比功率 1 3 01 7 01 3 01 8 01 7 01 5 03 0 0 循环次数 4 0 0 6 0 0 5 0 0 以上8 0 0 10 0 02 0 0 3 0 01 0 0 0 以上3 5 01 2 0 0 廉价耐过充耐过充比能量高 优点比能量高比能量高比能量高 可靠性高放电好放电好 电压高 价格高 价格高价格高价格高 耐过充放 高温充高温工作 缺点充电效充电效率充电效率安全性问 电差 电性差不稳定 率低低低题 部分 部分使用使用使用使用开发、使 现状 使用化使用化试验中试验中试验中试验中用试验中 铅酸蓄电池( p b - a c i d ) 。铅酸蓄电池是一种非常成熟的电动汽车蓄电池，长时间应用 8 长安大学硕士学位论文 于燃油车的启动电源。优点：铅酸蓄电池的比功率基本满足电动汽车的加速性能要求， 价格低廉，在受到干扰时，可靠性比较好；缺点：自身携带的能量少，严重影响了电动 汽车的续驶里程，质量大，增加汽车功率消耗，使用和报废成本较高。目前正在开发的 电动汽车用先进铅酸蓄电池主要有以下几种： ( 1 ) 由美国e l e c t r o s o u r 公司开发的水平密封铅酸电池。 ( 2 ) 由美国a r i a sr e s e a r c ha s s o c i a t e s 公司与加州喷气推进实验室开发的双极型密封 铅酸电池。 ( 3 ) 由瑞典o p t i m a 公司和美国e x i d e 分别研制的卷式电极铅酸电池。 镍镉( n i c d ) 蓄电池。优点：使用寿命长，充放电次数可达2 0 0 0 多次，比能量高， 在电量放完后，充电时间短；缺点：初期购置成本高、价格为铅酸蓄电池的4 5 倍、重 金属镉有可能造成环境污染。 镍氢烈i m h ) 蓄电池。优点：比能量高，其比能量已经超过锂离子电池、使用寿命 长，充放电次数平均在3 0 0 - - 6 0 0 次、安全性好、在使用过程中和报废时对环境没有污染； 缺点：购置成本高、电池在充放电时有记忆效应，影响电池使用寿命、电池在充电过程 中容易产生热量，可能会引发安全问题，对电源管理系统的要求较高。日本从事电动汽 车用n i m h 电池开发的代表性厂家为松下公司和丰田公司，美国o v o n i e 公司和美国 u s a b c ( 美国先进电池联合体) 也正在积极开发研制n i m h 电池，中国的n i m h 电池技 术也处于国际先进水平。 钠硫蓄电池f n a - s ) 。钠硫电池是美国福特( f o r d ) 公司于1 9 6 7 年首先发明公布的，优 点是比能量高，理论比能量为7 6 0 w h k g ，实际应用中已大于1 0 0 w h k g ；能够承受大电 流高功率放电，放电电流密度可达2 0 0 3 0 0 m a c m 2 ，并能瞬间放出其3 倍的固有能量； 充放电效率高，由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质电池的那种自放电 及副反应，充放电电流效率几乎1 0 0 。主要缺点：工作温度太高，3 0 0 3 5 0 ，在高温 条件下的时候电池腐蚀严重，导致了电池的使用寿命降低，工作可靠性差，安全性不太 理想等。 锂电池( l i i o n ) 。优点：能量密度高，目前可达1 0 0 w h k g ，比功率2 0 0 w k g ；使用寿 命长，充放电次数可达1 2 0 0 次：额定电压高，自放电率低，重量轻；使用和报废的时 候，对环境的污染小；缺点：成本高，锂离子电池都需要保护线路，防止过充过放电， 影响电池使用寿命。 锌空气电池( z i n ca i rb a t t e r y ) 。锌空气电池的潜在比能量为2 0 0 w h k g ，但是电池的使 9 第二章电动汽车关键技术 用寿命短，而且锌空气电池中的汞含量比较高，使用和报废的过程中对环境的污染大， 目前只是在一些小型电池领域内使用的比较多。 燃料电池( f u e l c e l l ) 。燃料电池是一种电化学装置，将燃料和氧化剂混合在某一条件 下会产生电极反应，能够直接转化成电能。燃料电池能量转换效率高，理论上可达1 0 0 ， 实际效率现达6 0 8 0 。 超容量电容器( s u p e r c a p a c i t o r ) 。超级电容是一种能够存贮大量电荷具有高能量密度 的电蓄能器。优点是充电时间短，使用寿命长，且无记忆效应，免维护性好；检测剩余 电量十分方便，可直接测出剩余电量；缺点是内阻较大，不适用于交流电路 8 】。 2 2 2 电源管理系统 动力电池组是一个能量储存系统，它的性能对电动汽车的整体性能有很大的影响。 电池组的性能不好，会降低电动汽车的动力性性能，减少电动汽车的续驶里程，同时也 影响电动汽车制动能量回收的效率等。电池组的充放电次数和制造成本会影响车辆的整 体成本和行驶可靠性，因此，必须对电池组的各种性能参数进行优化。在电动汽车行驶 过程中，电池组内部会进行电化学反应，会放出大量的热能，而电池组只有在某一温度 范围内才会发挥出它的最高效率，同时这种热量的产生也会影响电池组电化学系统反应 的正常进行，有可能会降低电池组的使用寿命和工作可靠性。为了使电池组的各种性能 和使用寿命达到最优，必须控制电池组的温度变化范围，避免因为温度不均引起模块间 不平衡的问题，提高电池的一致性，防止电池组性能下降，消除潜在的不利因素。电池 组的设计既要考虑散热的均匀以控制电池组的一致性问题，又要考虑到防水、防尘、使 用安全性等问题。目前，电池组的温控设计，已成为电动汽车研究的一种重要方向。 即使是同一个批次的电池，他们的一致性也是不同的，所以在电动汽车的研发过程 中必须要进行电池均衡管理和热管理的研究。目前，一般采用f l u e n t 专业流体分析 软件和a n s y s 分析软件对电池组内部流动情况进行有限元分析，然后进行实物试验， 与分析的结果进行对比，修改有限元分析的参数。综合考虑各种因素，对电池组的尺寸、 布置方式、电池组的外壳材料等进行优化设计。 为了对电池组的各种参数进行优化，国内外都投入大量的人力物力财力对电源管理 系统进行深入的研究。在“十五”期间对电源管理系统设立了重大专项，经过近几年的 研究，目前我国的电源系统管理水平与国外比较接近。在国家“8 6 3 计划2 0 0 5 年第一 批立项研究课题中，我国就有一些高校研究院和企业对电源管理系统进行了深入研究， 1 0 长安大学硕士学位论文 如表2 5 所示为一些承接电源管理系统项目的单位和项目名称。 表2 5 承接电源管理系统项目单位和项目名称 承接单位项目名称 北京理工大学e q 7 2 0 0 h e v 混合动力汽车用镍氢动力电池组及管理模块 e q 6 11 0 h e v 混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及 湖南神舟公司 其管理模块 苏州星恒电源有限公 燃料电池汽车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统 司 北京有色金属总院解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块 除了表2 5 所述的单位研究项目外，还有清华大学、同济大学等承担的多能源动力 总成控制系统和d c d c 转换器等一大批相关课题 1 电源管理系统( b m s ) 基本结构 电池组 图2 1 典型电池管理系统 b m s 系统一般在电池组外部 有一个数据采集电路，在电动汽 车运行过程中，通过这个数据采 集电路实时采集各个电池的状态 信息数据，然后将采集到数据发 送到电子控制单元( e c u ) 进行数 据处理和分析，然后根据分析结 果通过系统内的相关功能模块发 出一些控制指令，并通过可显屏幕显示出电池状态分析结果。基于上述原理，美国托莱 多大学提出一个典型的b m s 基本结构框图，如图2 1 所示为典型电池管理系统机构框 图。 这个典型的电源管理系统结构图把b m s 简单划分为两个部分，一个是电子控制单 元( e c u ) ，它的主要功能是对电池的实时状态进行数据采集，然后数据处理，处理完毕 后将分析结果通过屏幕显示出来，也可以发出控制指令；另一个部分是均衡电池之间电 荷水平的均衡器( e q u ) 。 图2 2 所示为韩国a j o i l 大学和先进工程研究院开发的b m s 组成结构及其相互逻辑 关系。这个电源管理系统在图2 1 的基础上增加了一些其它的功能，例如增加了电池组 士t i ； 干 第二章电动汽车关键技术 的热管理系统，给b m s 加了安全装置，对充电系统进行管理，同时实现了与p c 机的 通信联系，另外此系统还与电机控制器有一个数据交换，可以实现能量制动反馈和最大 功率控制。 图2 2b m s 结构示意图 图2 3 所示为湖南大学研发的电动汽车( e v - 3 号) 采用的集中式b m s 结构示意图。 这种集中式b m s 采用了电压隔离开关矩阵，对每个电池的实时状态进行数据采集，提 高了数据的可靠性和系统的安全性。集中式b m s 内部有多条隔离的数字级模拟信号输 入输出通道，这些通道可以根据使用要求灵活运用，同时也增强了b m s 的抗干扰能力。 图2 3 集中式b m s 结构示意图 1 2 长安大学硕士学位论文 目前国外正在积极进行智能电池模块( s m b ) 的b m s 研究，这种智能型b m s 是在每 一个单体电池内部装一个微型控制器，然后将这些微型控制器做成集成电路，封装成一 个整体。这个集成整体再与一个主控制模块连接，然后和其它辅助设备就组成一个智能 型电源管理系统。这种智能型b m s 可以对每个单体电池的实时状态进行在线监测，同 时可以对单体电池内的电量进行均衡管理，提高电池的一致性，也提升了电池的使用性 能。 2 电源管理系统( b m s ) 主要功能组成 通过总结国内外b m s 的研究工作，目前电动汽车b m s 一般由以下几个功能部分组 成：数据采集、剩余容量( s o t ) 的估算、电气控制( 充放电控制、均衡充电) 、热管理、安 全管理和数据通信。 1 ) 数据采集 在b m s 中，必须首先采集电池的实时状态数据信息，然后根据这些信息对电池组 做出有效地管理和合理的控制。所以，数据采集时数据的精度、采样频率和采集数据的 过滤都是必须要考虑的。 2 ) s o c 的估算 在电动汽车行驶过程中，我们必须清楚的了解剩余可行驶里程，那么就要对电池剩 余的电量进行确定。这也是b m s 研究中的重点和难点。动力电池在使用过程中不是线 性的，因此导致准确的估计s o c 有很大的难度。传统的s o c 估算方法已经不能满足剩 余电量估计的需要。近年来s o c 又出现了一些新的估算方法，如模糊逻辑算法模型、 自适应神经模糊推断模型、卡尔曼滤波估计模型算法以及新出现的线性模型法和阻抗光 谱法等。但是在实际应用中，传统的安时法使用的还是比较多，且和其他方法组合使用， 如安时一内阻法、安时_ p e u k e r t 方程法等。 3 ) 电气控制 德国的j o s s e na 等研究人员认为电气控制也应该包括对电池充电过程的控制，对电 池组进行均衡充电，根据电池的剩余电量状态( s o c ) 、电池健康状态( s o h ) 、和电池的 温度来对放电电流进行限制。在电池的充放电过程中，根据使用的电池技术和电池类型 设计一个控制充电和放电的逻辑算法，电气控制中对电池充放电的控制就以此算法为标 准。 4 ) 安全管理和控制 电动汽车在行驶的过程中振动比较大，电池的工作环境恶劣，锂离子电池有可能在 1 3 第二章电动汽车关键技术 过充电时起火甚至爆炸，其余的蓄电池的电解液有可能会发生泄漏，甚至危及乘客安全， 因此必须对电池组的安全进行管理和控制。 5 ) 热管理 电池类型不一样，那么它的最佳工作温度范围也不一样，如铅酸电池、锂离子电池 和镍氢电池的最佳工作温度范围为2 5 4 0 。c ，电池温度处于这个温度区间时，电池的性 能发挥的最好，电池在放电的过程中会产生热量，会影响电池的s o c 、开路电压、内阻 和可用能量，所以必须对电池的温度进行热管理，使之始终处于最佳工作温度范围。 6 ) 数据通信 b m s 需要把一些实时信息进行显示，因此需要数据通信，目前b m s 最常用的通信 方式是c a n 总线通信方式。 虽然近年来b m s 取得了很大的进步，一些b m s 也已经进入实际应用阶段，但是与 电动汽车其它关键技术相比，还不是很完善，接下来b m s 还要在采集数据的可靠性、 剩余电量的精确估算等方面继续努力【8 】o 2 3 电动汽车整车控制技术 2 3 1 基于双总线的分布式网络控制系统 近年来，一些新型纯电动汽车的整车控制系统的网络结构一般是由两条总线组成 的，分别是驱动系统的高速c a n 总线和车身系统的低速总线。电动汽车上有很多个独 立的子系统，例如电机控制系统、b m s 、充电控制系统、专家诊断系统等，而高速c a n 总线上有很多个节点，这些节点与上述的子系统进行对应，每个节点是对应子系统的 e c u 。而低速c a n 总线是根据一些部件的物理位置来设置节点的，比如组合仪表和前 灯控制单元物理位置很近的话，那么这两个电器元件连接到一个节点控制单元( e c u ) ， 每个元件的信号通过e c u 与总线进行相互通信。低速总线一般采用两种方案，一种是 低速c a n 总线，一种是l i n 总线。 当低速总线采用c a n 总线时，高速c a n 总线和低速c a n 总线都是独立的控制结 构，可以根据标准i s o l l 8 9 8 、j 1 9 3 9 及j 2 2 8 4 来建立高速c a n 总线，根据标准i s 0 1 1 5 1 9 2 、 j 1 9 3 9 及j 2 2 8 4 来建立低速能容错的c a n 总线。这两条总线上的节点都是独立的控制单 元，这些节点控制单元能够接收本地传感器的信号，也能够接收c a n 总线输入的信号， 然后根据c a n 发出的信号指令，引起本地执行机构动作，而且要通过本地传感器采集 信息，将这些信息传到总线上。 1 4 长安大学硕士学位论文 图2 4 所示为纯电动汽车整车控制系统总线结构示意图，这个控制系统由两条总线 组成，一条是高速驱动系统的高速c a n 总线，一条是车身系统的低速c a n 。 故障诊断 助力转向 卜嚣控 电攀系统 ii 控制器 管理单元控制单元 iiiii lill高漳c a n 主控制器l _ j 车载u 智能信息监控， 示定 ( 网关) il 记录仪ii 终端系统 | i 仳愿洲 l | l iill i l il l 组合中央操作左前右鞫 后灯 l 仪表单元控制单元控制单元控制单元 l 图2 4 整车控制系统网络结构示意图 。2 3 2 电动汽车p i 控制技术 电动汽车在运行的过程中，有一些部件是需要即时控制的，我们称之为控制对象。 为了满足这些控制对象在运行中即时控制的要求，要为其量身定做一套控制系统，那么 就需要采集控制对象在运动过程中的实时信息数据，研究它的动态特性。在车辆行驶过 程中，控制对象一般有两种状态，第一种是稳态，这时整个车辆系统是一个平稳行驶的 状态，没有受到外界的任何干扰，且控制系统的设定值是固定的；第二种是动态，这时 由于受到外界一些因素的干扰，控制系统的原设定值发生了变化，稳态被破坏，系统中 的一些输入量和输出量也随之变化。经过一段时间的运行后，如果系统稳定，则那些遭 到破坏的调量将重新达到设定值或在设定值附近，系统恢复稳态，但是电动汽车在实际 运行过程中每项参数都是变化的，那么就需要设置一个控制系统，时刻调整那些因为由 于干扰而偏离最佳值的调量，使整个系统处于动态平衡的状态。 1 ) 比例调节( 尸调节) 在比例调节过程中，调节器的输出信号u 与偏差量e 有一个比例关系，如下所示 1 甜= k p p 或材= p ( 2 1 ) d 公式( 2 1 ) 中k p 称为比例增量，输出量材是对起始量u 。的增量。 当偏差量e 为零时输出量u = 0 并不是说调节器当前没有输出，只不过输出量为起始 量u 。，起始- $ - u o 可以通过改变调节器的设定值进行改变。 比例调节器有一个很明显的特点是有差调节，当受到外界负荷干扰时的调节过程完 1 5 第二章电动汽车关键技术 成后，被调量不能准确的回到设定值，被调量和设定值之间有一个