（光学工程专业论文）公交客车纯电动动力性能分析与电驱动系统设计研究.pdf

摘要 由于环境污染和石油资源危机，电动汽车的研究再度在全世界范 围内兴起。世界各国不惜投入大量的人力、物力来研究和开发电动汽 车。本文的研究背景是株洲电力机车研究所在承担国家“8 6 3 ”重大 攻关课题的基础上自主研发项目湖南省首台纯电动公交客车研 制。 论文综述了电动汽车的研发背景及意义、国内外电动汽车的发展 现状与水平，分析了我国社会经济发展对电动汽车的需求并提出了应 对之策。论文的研究以z s 6 9 0 0 e v 型纯电动公交客车为对象展开，对其 总体参数、设计方案、动力性能进行了研究，提出了纯电动公交客车 动力传动系统参数的选择方法；在分析化学电源及电动汽车车载储能 动力源的特性与要求的基础上，研究了纯电动公交客车铅酸电池的充 放电特性，研究了纯电动公交客车电驱动系统的构成及布置方式，根 据纯电动公交客车对驱动系统的要求，对现行的几种典型的电驱动系 统进行了研究与比选，得出了纯电动公交客车的电驱动系统方案。论 文最后对纯电动公交客车下一步的发展方向提出了建议与设想。 关键词纯电动公交客车，动力性能，储能动力源，电驱动系统 a b s 仃a c t d u et ot h ee n v i r o n m e n tp o l l u t e da n do i lr e s o u r c ec r i s i s ，t h er e s e a r c h f o re l e c t r i c a lv e h i c l eb o o m sa l lo v e rt h ew o r l da g a i n m a n yc o u n t r i e si n t h ew o r l ds p e n da1 0 to fh u m a nr e s o u r s e sa n dm a t e r i a lr e s o u r s e st o r e s e a r c ha n dd e v e l o pi t t h i st h e s i ss t u d i e st h ef i r s tp u r ee l e c t r i c a lb u si n h u n a n ，w h i c h i sa s e l f - r e s e a r c h i n gp r o j e c t f i n i s h e db yt e g ( t i m e s e l e c t r i cg r o u p ) w i t ht h ea t t a c h m e n to ft h en a t i o n a l “8 6 3 ”i m p o r t a n t s p e c i a lp l a n t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p i n gb a c k g r o u n da n dm e a n i n g so f e l e c t r i c a lv e h i c l e t h ep r e s e n tc o n d i t i o na n dl e v e lo fe l e c t r i c a l v e h i c l e b o t hi nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l ，a n a l y z e sd e m a n da n dp r o v i d e s s o l u t i o no fe l e c t r i c a lv e h i c l ef o ro u rc o u n t r y s o c i a le c o n o m i c d e v e l o p m e n t p u r ee l e c t r i c a lb u s _ z s 6 9 0 0 e v i sr e s e a r c h e di nt h et h e s i s ， i n c l u d i n gt h ew h o l ep a r a m e t e r s ，d e s i g np r o j e c ta n dd y n a m i cc a p a b i l i t y , a n dt h em e t h o df o rc h o o s i n gs y s t e mp a r a m e t e ro fd y n a m i ct r a n s r m s s l o n p r e s e n t e d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u e s t so fp u r e e l e c t r i c a lb u s c h e m i c a lp o w e ra n dl o a d i n g s t o r ep o w e rr e s o u r s e ，s t u d i e s t h ec h a r g eo rd i s c h a r g et r a i t so fl e a da c i d i t yb a t t e r yw h i c hw a su s e do n z s 6 9 0 0 e v c o n f i g u r a t i o na n dc o n s t i t u t e so fp u r e e l e c t r i c a lb u s d r i v e d s y s t e mi sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e so f d r i v e ds y s t e mt op u r e e l e c t r i c a lb u s ，s o m ek i n d s o ft y p i c a le l e c t r i c a l d r i v e ds y s t e mi s r e s e a r c h e da n dc h o s e ，a n dt h ed r i v e ds y s t e m sp r o j e c to fz s 6 9 0 0 e vi s r e c e i v e d f i n a l l y , t h ep a p e rp r o v i d e ss u g g e s t i o n s a n da s s u m a t i o no f p r o g r e s s i n gp u r e e l e c t r i c a l b u sn e x ts t e p k e yw o r d s p u r ee l e c t r i c a lb u s ，d y n a m i cc a p a b i l i t y , l o a d i n g s t o r ep o w e rr e s o u r s e ，e l e c t r i c a l d r i v e d s y s t e m 1 i i 原创性声明 本人声明，所晕交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与 我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：扬边嗍址年上月超日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可咀公布学位论文的全部或部分内容。可以采用复印、缩 印或其他手段保存学位论文；学校可以根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：纽一名：趟吼出山翌日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 目前，世界汽车工业可持续发展面临的两大难题为环境污染和石油资源匮 乏，这两大难题在我国表现得同样尤为突出。 内燃机汽车排出的废气是一种分散的流动污染源，工矿企业的排放是集中的 固定污染源。后者易于控制与治理，前者常常在居民集中区排放污染物。现代城 市高层建筑鳞次栉比，使汽车排放的污染物不易稀释扩散，造成局部地区的排放 物浓度过高。同时汽车排放物的高度恰好在地面附近，处于人们呼吸的空间区域， 因此，它对人体健康的危害最大。各类机动车辆排气污染已占城市大气部分污染 物的7 0 以上，其中排放的c o 对空气污染的分担率约为8 0 ，n o x 约为4 0 “2 “。排放的铅进入人体与血液生成“血铅”破坏人的造血系统和神经系统，c o 进入人体与血红蛋白结合破坏人体内氧的输送及交换，n o x 对人体的呼吸系统有 较大的刺激作用并且它是构成光化学烟雾的主要成分，h c 由苯和多环芳烃等剧 毒成分构成，其中多环芳烃中的苯并芘极易引发癌症“1 。噪音污染是内燃机汽车 对环境的另一个污染，城市8 0 的噪音污染是由交通车辆造成的。 目前汽车消耗的能源几乎完全依赖于石油制品，随着汽车工业的发展，汽车 保有量和年产量迅速增加。这些汽车每年消耗的石油制品，相当于全球石油产量 的一半。地球的石油蕴藏量是有限的，从世界范围看，全球剩余石油为1 4 0 0 亿 吨，目前年产量为3 2 亿吨，估计2 0 1 0 2 0 2 0 年将达到3 5 3 9 亿吨“1 ，现已 探明的石油储藏量只能够人类充分使用4 0 5 0 年。而在我国，形势则更为严峻， 石油资源可开采量仅为3 2 8 亿吨，仅占世界总储量的2 3 。1 9 9 0 年我国在用汽 车汽油消耗量为1 9 6 2 万吨、柴油消耗量为4 8 9 万吨，2 0 0 0 年在用汽车汽油消耗 量为5 5 2 6 万吨，年增长率为1 9 9 ，柴油消耗量为1 7 0 5 万吨，年增长率为4 2 7 。 估计到2 0 1 0 年，我国汽车耗油量将达到7 6 5 5 8 0 5 5 万吨”1 。 在治理大气污染方面，各国汽车尾气排放法规制定得日趋严格，在一定程度 上促进了汽车向“清洁化”方向发展。1 9 9 0 年美国加州制定了汽车尾气排放法 规，要求从1 9 9 8 年开始，在加州由七家最大汽车公司销售的汽车总数中要有2 为汽车零排放，2 0 0 1 年达到5 ，2 0 0 3 年达到1 0 ”1 。尽管最终未能实现这一目 标，但却大大促进了世界范围内清洁汽车的开发发展。 为了解决能源危机和环境污染问题，世界各国不得不积极寻求开发排放低、 中南大学硕士学位论文第一章绪论 使用新能源的新型交通工具。电动汽车被看成是能够解决内燃机汽车诸多问题的 重要途径之一。据报导。1 ，预测到2 0 0 7 年，全世界电动车年销量可达百万辆以 上，约占全球汽车总销量的1 5 。经过几十年，尤其是近1 0 年的全球性努力， 电动车在技术上己取得很大成就o 。 我国汽车工业起步晚、水平低，据专家整体评估：我国传统汽车工业较世界 先进水平落后3 0 年以上，如步国外后尘，继续追求传统的产业形式，我国汽车 工业必将步入“引进一消化一落后一再引进一再消化一再落后”的死圈，永远不 能在激烈的竞争中确立自己的地位。而对于电动汽车而言，我国经过“八五”以 来的技术积累已取得长足进步，在电动汽车用电池、电机、电控三大关键技术上 相继取得重大突破，整体技术水平距国际先进水平为5 8 年，在某些领域还处 于世界领先地位，并且我国相对于国外而言，没有传统汽车工业大规模生产、使 用设施的沉重包袱。因此，电动汽车的产业化将成为中国汽车工业产业结构调整 和跨越式发展的切入点，将是一个重大的历史机遇。加大电动汽车的研究和开发 力度，开发拥有自主知识产权的高新技术“拳头”产品，在这一领域占有一席之 地。这样，就有可能使我国汽车工业充分发挥后发优势，迅速赶上和超过世界先 进国家，在新一轮的洗牌中占据有利地位，实现与世界汽车工业的同步发展，从 而完成汽车工业颠覆性革命，实现我国汽车工业的跨越式发展。 出于维护国家能源安全和独立、环境污染综合治理和经济社会可持续发展、 我国汽车工业实现跨越式发展并成为国民经济支柱产业等方面考虑，2 0 0 1 年1 1 月2 5 日，国家正式宣布启动“十五”期间“8 6 3 ”计划电动汽车重大专项，其重 要位置仅次于“超大规模集成电路”而名列第二，电动汽车再次成为我国业内外 人士关注的焦点。计划在“十五”期间投入8 8 亿元引导资金进行电动汽车开发。 “8 6 3 ”计划电动汽车重大专项的目标是：以产业化为目标，以市场为导向，在 5 1 0 年内为在我国实现电动汽车的产业化奠定技术基础。株洲电力机车研究所 与清华大学、同济大学合作承担了其中的燃料电池客车电机及其电机控制器的研 制、燃料电池客车多能源动力总成系统研制、燃料电池轿车d c d c 变换器研制三 个项目。 2 0 0 2 年底，株洲所承担的三项工作成功地通过科技部组织的节点验收，获 得了一致好评。在此研制的基础上，在湖南省科技厅和株洲市政府的大力支持下， 2 0 0 3 年初，株洲所自筹资金开始进行纯电动公交客车的研制，同年1 2 月底，湖 南省首台纯电动公交客车( z s 6 9 0 0 e v ) 研制成功并出厂试运行。2 0 0 4 年1 0 月， 株洲所接着组织完成了3 台纯电动公交客车和l 台串联式混合动力公交客车的生 产，开始了株洲市电动汽军泶筢线的试运行。目前5 台电动公交客车试运行状态 依然良好。同时，株洲所开始了小型纯电动观光车的商业化开发与制造。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 为实现2 0 0 8 年北京“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的奥运宗旨，必须 保证交通运输车辆的环保性能指标达到世界发达国家的先进水平。综合电动汽车 的各种优势所在，可以预言其必会成为2 0 0 8 年北京奥运最具竞争力的绿色汽车 之一。 1 2 国外电动汽车发展状况及水平 电动汽车早在一百多年前( 1 8 8 1 年) 就已出现，比世界上第一辆汽油机汽车 的诞生( 1 8 8 5 年) 还要早几年。由于电动汽车不能适应长距离行驶的缺点，逐渐 被内燃机汽车所取代，但并没有完全停止使用。 在1 9 5 5 年到1 9 6 5 年的1 0 年中，电动汽车从冬眠中觉醒了。2 0 世纪六七十 年代发生了两件影响汽车发展的重大事件。一件是汽车的排放污染在美国等发达 国家相继出现光化学烟雾，严重地威胁着人们的健康与生命安全，被世界公认为 重大的公害之一。另一件是1 9 7 3 年爆发中东战争引起了石油危机，而西方发达 国家的汽车工业依赖进口石油，石油危机严重地威胁到这些国家的利益和安全。 这两件事结束了电动汽车的冬眠状态，在世界各地掀起了研究、开发及应用电动 汽车的高潮“。 国外电动汽车经过2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代的发展，已经积累了大量的经 验和成果。进入2 0 世纪9 0 年代以来，由于能源危机及空气污染的日益严重，各 国政府和汽车公司都清楚地认识到电动汽车将会是最佳的绿色环保产品，因此纷 纷投入巨资开发和研制电动汽车，掀起了新一轮的电动汽车研发高潮。 1 2 i 美国电动汽车发展状况 美国号称“汽车王国”，汽车工业十分发达，汽车产量最大，保有量最多， 石油消耗量和汽车的排放污染物居世界首位。1 9 9 0 年9 月加州政府通过的法规 规定了“零排放车辆”的销售比例，随后其它一些州也通过了类似的法规。1 9 9 0 年美国提出了联邦清洁空气法律修正案规定了严格的汽车尾气排放标准。这些措 施推动了美国电动汽车的迅速发展。1 9 9 1 年美国三大公司签定协议，合作研究 电动汽车用先进电池，成立先进电池联合体( u s a b c ) ，同年7 月美国电力研究院 ( e p r i ) 参加了美国先进电池联合体，l o 月老布什总统批准了2 2 6 亿美元拨款资 助此项研究。1 9 9 2 年美国政府资助3 5 亿美元，让通用、福特、克莱斯勒三大 汽车公司组成美国先锋电子财团( v s a b c ) 积极从事电动车的开发，重点研究的课 题是：( 1 ) 新型蓄电池：( 2 ) 轻质材料在电动车上的应用：( 3 ) 低滚动阻力的轮胎； 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 制动再生电能系统：( 5 ) 快速充电装置。美国三大公司纷纷推出自己的电动汽 车：福特汽车公司的生态之星( e - c o s t a r ) 电动汽车于1 9 9 3 年研制成功，并先后 生产8 1 辆分赴美国各地试运行：1 9 9 7 年美国通用汽车公司开发的e v l 电动轿 车，前轮驱动，采用一台1 0 2 k w 的三相感应电动机，双级减速的单速驱动桥，减 速比为1 0 9 4 6 ：1 。e v i 装备了由2 6 个阀控铅酸电池组成的电池组，电池组可用 6 6 k w 的非车载感应充电器或1 2 k w 车载感应充电器进行充电。该车的电动机在 转速为o 7 0 0 0 r p m 时输出恒转矩1 6 4 n m ，在转速为7 0 0 0 1 4 0 0 0 r p m 输出恒功率 1 0 2 k w ，整备质量1 3 2 8 k g ，最高车速1 2 8 k m h ，0 9 6 k m h 加速时间小于9 s ，续 驶里程1 2 8 k m ；克莱斯勒汽车公司开发了t e v 厢式电动货车。根据美国电动汽车 协会( e l e c t r i cv e h i c l ea s s o c i a t i o no ft h ea m e r i c a s ) 发表的统计数据，1 9 9 5 年美国有1 9 0 多家企业研制和开发电动汽车，并进行小批量生产“1 ”1 。 2 0 0 2 年初，美国能源部与三大汽车制造商( 通用、福特、戴姆勒一克莱斯勒 公司) 宣布，启动开发以推进氢为燃料的燃料电池电动汽车的新计划“f r e e d o m c a r ”( c o o p e r a t i v ea u t o m o t i v er e s e a r c h ) 。计划的目的是在提高轿车和货车的 效率、降低运输成本的同时，消除大气污染。美国政府另一个重要的目的是，降 低对海外原油的依赖程度。因此，在开发燃料电池的同时，美国还大力扶持从可 再生能源中提取氢的研究。2 0 0 3 年初，美国总统布什在发表一年一度的国情 咨文时，就环保和能源独立性方面提出在美国国内发掘更多的能源，提交“清 洁天空”法案，计划在未来1 5 年内将空气污染降低7 0 。他还提议拨款1 2 亿美 元作为研究资金，使美国在制造清洁、氢燃料的汽车方面领先全世界。在参观了 燃料电池的最新进展之后，布什更加充满信心：“如果过去你对无休止的能源战 ( 即由于国家能源安全引起的战争，如阿富汗战争、伊拉克战争等) 感到厌倦， 让我们在2 1 世纪发展氢燃料电池吧。如果我们有效地开发氢能源，我们到2 0 4 0 年能每天减少1 1 0 0 万桶石油。”这个数字正是现在美国每天的石油进口量。 受汽车制造商和布什政府立法的压力，2 0 0 3 年4 月2 5 日，加州大气资源委 员会( c a r b ) 以8 比3 通过对2 0 0 1 年版零污染汽车法规的修改，促使工业界生 意清洁汽车，满足环境要求。新法规调整了无尾气排放和中等废气污染舶电动车 的比例，进一步促进混合动力电动汽车包括燃料电池电动汽车的发展。 2 0 0 3 年嚣月2 0 日，美国联邦快递公司( u p s ) 和美国环保局以及戴姆勒一克 莱斯勒在密歇根州联合宣布合作项目：联邦快递公司将用燃料电池电动汽车进行 邮政包裹投递。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 日本电动汽车发展状况 日本是能源短缺的工业大国，城市污染严重。日本政府直接参与推动电动车 发展的事业，并作出具体布置和计划：( 1 ) 整顿、更新蓄电池充电站；( 2 ) 研制轻 量、长寿蓄电池；( 3 ) 降低电动车生产成本；( 4 ) 成立电动车协会；( 5 ) 制定电动 车普及的税利计划，准备对购买电动车者予以补助和免除法人税制等。另外，日 本政府还制定了电动汽车普及应用计划。在应用研究方面，日本东京电力公 司和日本研究开发公司，联合研制成功“i z a ”豪华型电动车，采用2 8 8 v 镍镉电 池作为驱动电源，设有制动能量回收装置，最高车速可达1 7 6 k m h ，一次充电行 驶里程高达5 4 8 k m ( 4 0 k m h 等速行驶) ；日产公司研制成功薄而轻的镍镉电池，用 一组超薄电极，配以高浓度溶液，散热性能好、质量轻、充电时间短，6 m i n 可 充至4 0 的额定容量，1 5 m i n 完全充满。该电池已在日产公司的未来型电动车( f e v ) 上使用，该车一次充电后，能以7 2 k m h 的速度行驶1 6 0 k m 。1 9 9 7 年尼桑四座a l t r a e v ，采用质量仅为3 9 k g 的永磁同步电动机，功率质量比为1 6 k w k g ，采用高效 率控制器，动力系统的总效率高达8 9 以上。其动力电池为钴基锂离子电池，能 量密度为9 0 w h k g ，功率密度为3 0 0 w k g ，循环使用寿命达1 2 0 0 次。该电池组可 以通过车载感应充电器在5 h 内充电完毕。a l t r a 的最高车速为1 2 0 k m h ，市区循 环工况续驶里程为1 9 2 k m 。1 9 9 9 年，a l t r a 换用了能量密度和功率密度更高的锰 基锂离子电池，能量密度和功率密度分别为9 1 w h k g 和3 5 0 w k g 。在商品化生产 上，日本各大汽车公司和电力公司纷纷推出所研制的电动车。丰田公司推出一种 电动小客车，可用柴油也可用电池作动力，城乡兼用。 在燃料电池电动汽车领域，日本的丰田和本田汽车公司作为当今在燃料电池 汽车市场上的重要企业，己于2 0 0 2 年1 2 月向日本政府和若干日、美大学提供了 十余辆燃料电池电动汽车用于示范性运营。 日本政府自2 0 0 3 年起对电动汽车实施免税制度以鼓励其发展。在日本首相 小泉纯- - n 的建议下，今后三年间政府用车均要改为低污染型号，以政府采购的 形式给日本的无( 低) 污染汽车的发展以政策上的支持。丰田一日野f c h v 一2 公 共汽车是首辆获得日本土地、基础设施和交通部批准的公路燃料电池混合动力公 共汽车。公路试验计划由日本政府主持，其他实体协助展开。通过这些试验，丰 田和日野希望验证他们共同研发的燃料电池的性能，从代步公共汽车运行的角度 收集不同的性能资料，来加强燃料电池混合汽车朝商业化方向发展。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 欧洲电动汽车发展状况 法国是少数几个出售商品电动汽车的国家之一。1 9 9 0 年，政府开始资助开 发电动汽车，并在税收上对购买电动汽车的用户实行优惠。1 9 9 5 年7 月开始， 给购买电动汽车的用户提供5 0 0 0 法郎的补贴。法国电力公司向电动汽车生产厂 家提供每辆一万法郎的补助。这些措施都给法国电动汽车的发展创造了良好的环 境。1 9 8 9 年，法国的标致一雪铁龙集团成为世界上第一个向商业车队和城市销 售电动大蓬车的制造商，它的电动垃圾车在巴黎使用了1 3 5 台，全国3 0 0 台，电 池几乎都用铅酸电池。1 9 9 0 年，标志一雪铁龙汽车公司开发出“标致”牌j 5 和 “雪铁龙”牌c 2 5 公用型电动汽车并投入市场。1 9 9 5 年，“标致”牌1 0 6 型和“雪 铁龙”牌a x 电动小轿车投放市场，接着又推出了“标致”牌i o n 和“雪铁龙” 牌c i t e l a 。此后推出的t u l i p 电动汽车代表了新概念的市区电动汽车，并经过 特别设计，促进用户使用出租电动汽车。 德国也相继出台了一系列优惠政策来发展电动汽车。 2 0 0 3 年8 月，欧洲在8 个国家l o 个城市开创世界最大规模的燃料电池巴士 示范，由戴姆勒一克莱斯勒汽车公司研制的3 0 辆最新一代大客车上路示范运营。 欧洲清洁城市运输项目( c u t e ) 涉及欧洲7 个国家9 个城市，将在阿姆斯特丹、 巴塞罗那、汉堡、斯图加特、伦敦、卢森堡、马德里、斯德哥尔摩、波尔图进行， 欧盟给予c u t e 计划1 8 5 0 万欧元财政补助。这项大规模的示范活动，每个城市都 将有三辆燃料电池巴士参与，同时每个巴士总站都将建一个加氢站，氢也将以不 同方法生产，有的还将在加氢站现场设立制氢装置。2 0 0 3 年4 月2 4 日，英荷壳 牌石油公司在冰岛首都雷克雅未克建成首座加氢站。全世界的人们都将有机会通 过示范活动，提高对燃料电池巴士和有关氢基础设施的认识，也将积累使用经验， 并获得各种数据，以便进一步分析、比较。 1 3 国内电动汽车发展状况及对策 1 3 i 国内电动汽车发展现状 我国也是一个能源短缺国家，随着汽车保有鲎的增加，能源问题和环境污染 问题必将日益严重。在我国政府的支持下，电动汽车的研究和开发工作被列为“八 五”期间科技攻关项目，在一些科研机构和大专院校取得了较好的成果。在“九 五”期间嚣被正式列入重大科撼藏毒蕊氡，并设立了殴个子项目：电动汽车i 暴照 技术的研究，概念车的开发，改装车的试验，电动汽车试验区的建立。另外，政 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 府还制定了相关的技术标准和激励政策。所有这一切都为中国电动汽车的发展奠 定了坚实的基础。其中几项关键技术的研究取得了重大的成果。比如由中科院承 担的电动机及其控制系统的研究项目，由清华大学承担的蓄电池电量测量和能量 管理系统的研究项目，4 辆分别由交流感应电机、无刷永磁直流电机、开关磁阻 电机驱动的概念车于2 0 0 1 年中制造了出来。同时，展开了对镍氢电池、锂电池 以及燃料电池等动力源的开发“3 “1 。 我国于1 9 9 8 年在广东汕头建立了国家电动汽车运行试验示范区，到2 0 0 0 年 底，试验示范区共投入各种类型电动汽车2 0 辆，累计运行总里程达4 5 万公里以 上。2 0 0 3 年3 月为时5 年的中国燃料电池公共汽车商用化示范项目正式启动。 通过这些示范项目，初步形成了一定的充电、维修、培训、车辆与电池测试、数 据收集与储存等能力，在基础设施建设和技术发展上积累了一定的经验，培养了 一支试验运行队伍。 由北京理工大学研发的纯电动大客车已在北京市1 2 1 路公共汽车线路上载 客试验运行了2 3 年。北京市计划在2 0 0 4 年完成电动客车小批生产和示范运行 的基础设施建设等工作；将1 2 1 路公交线路建成电动汽车试验示范线，经过一段 时间的试运行并取得经验后，逐步扩大运行规模。 同时，在北京市密云县建设电动汽车运行试验示范区和电动汽车产业园。通 过在市内示范线和密云示范区2 3 年的研究和示范运行，探索适合北京市电动 汽车发展的政策支撑体系及组织管理模式并发展相关产业。 为了保证国家“8 6 3 ”项目的顺利实施，天津市以国家“8 6 3 ”计划支持成果 一x l 纯电动汽车为载体，建立政府职能部门之间的示范运行网络，以天津市前 期支持的纯电动中巴车为载体，建立公交示范运行车队来推动纯电动汽车在有限 区域内的运行，带动纯电动汽车的产业化。 湖北省大力推进电动汽车研发和示范营运，于2 0 0 3 年7 月2 5 日组建了专门 的电动汽车营运股份公司，作为电动汽车示范运行工作实施的主体，并于2 0 0 3 年1 1 月8 日启动实施混合动力公交客车的商业化示范营运。 山东省威海市政府积极推动电动汽车示范运行工作，组织成立了威海市电 动汽车运行示范规划领导小组，制定运行示范方案并组织实施，并对电动汽车给 予积极的政策扶持。 2 0 0 3 年3 月2 7 日，中国燃料电池公共汽车商业化示范项目在北京启动，标 志着这一由中国政府，全球环境基金( g e f ) ，联合国开发计划署( u n d p ) 共同支 持，科技部和上海市、北京市共同组织实施的项目进入实施阶段，该项目投入 3 2 3 6 万美元，购置1 2 辆燃料电池大客车并进行为时5 年的示范营运，预计在北 京和上海运行1 6 0 万公里。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，已有北京、武汉、威海、天津四个城市被国家科技部列为首批电动汽 车示范运营城市。 “十五”期问“8 6 3 ”计划电动汽车重大专项，对三种类型的电动汽车产品 都有具体目标：纯电动汽车的目标是，在特定区域实现商业化运作；混合动力电 动汽车目标是，通过产品型式认证，实现产业化，成为市场拥有自主知识产权的 批量化产品；燃料电池电动汽车则定位在建立产品技术平台，为汽车工业提供产 品前期开发平台。 电动汽车重大科技专项正按既定目标，有计划、有组织、有步骤地顺利实施， 取得了显著进展。整车车型的功能样车已完成，与整车产业化配套的政策、标准、 网络总线、车辆性能测试规范等课题也取得了阶段性成果。燃料电池发动机的研 究，已突破了大功率氢一空燃料电池组制备的关键技术，加强了系统集成。目前， 已研制出集电堆、空气供应系统为一体的、我国自主开发的轿车用3 0 千瓦、客 车用5 0 千瓦燃料电池发动机系统。对于大客车所用的交流异步电机、永磁同步 电机、开关磁阻电机及其控制器，已在电磁设计、控制技术方面取得了显著成绩， 电机控制系统可以实现与车内其它控制系统的c a n 总线通讯，基本上满足了整车 的性能需要。轿车用电机及其控制系统已配套完成。高功率车用动力镍氢电池、 锂离子电池突破关键技术，取得重要进展，性能有了较大提高，比传统电池成本 降低了2 0 2 5 。多能源动力总成控制系统已建立比较完善的包括软件仿真、 电控单元、匹配标定、试验台建设等环节的研发技术体系。 按照规划，到2 0 0 8 年奥运会，北京将全部使用电动公交车和出租车，同时 规定，奥运会清洁客车的生产制造只能在中国进行，订单总金额高达2 0 亿元。 紧接着2 0 1 0 年上海世博会的场馆里也将大量使用电动汽车。电动汽车产业目前 正处于产品技术研发的末期和大规模示范营运及产业化的初期。 1 3 2 我国的发展对策 为维护能源安全，改善大气环境，提高入世后我国汽车工业的竞争力，2 0 0 1 年9 月，中国科技部在“十五”期间的国家“8 6 3 ”计划中，特痢设立了电动汽 车重大专项o ”。专项从国家汽车产业发展战略的高度出发，选择新一代电动汽车 技术作为我醇汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高校和科硗机构，联合进行 攻关。计划在“十五”期间，以电动汽车的产业化技术平台为工作重点，力争在 电动汽车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得重大突破，集中有限资 源抢点耨一熊密动筑獭獭赢感促进我国汽车工业实现跨越式发展。 另外，国家在“9 7 3 ”项目的能源领域设置了“氢能的规槲m 各、储遥发葙 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 关燃料电池的基础研究”课题“”。其中氢能的规模储运技术是发展氢能的瓶颈。 目前国外虽然准备大规模生产氢燃料电池汽车，但由于没有根本解决氢燃料供应 问题，还是不能形成未来的燃料电池汽车市场。 电动汽车的产业化将成为中国汽车工业产业结构调整和跨越式发展的切入 点，“十五”计划期间，科技部将继续在全国重点城市实施“清洁汽车行动”、“清 洁能源行动”，组织智能交通系统技术的开发和示范，以改善中国城市的大气环 境，并已经把电动汽车的产业化列为“十五”科技工作重中之重的重大专项。 1 4 电动汽车产业化初期市场定位 根据我国汽车工业发展规划的要求，我国电动汽车产业一个保守而且可行 的目标是：到2 0 1 0 年电动汽车保有量占汽车保有量的5 1 0 ，年产销电动汽 车1 5 0 万辆以上；到2 0 3 0 年，电动汽车保有量占汽车保有量5 0 以上，年产销 电动汽车1 0 0 0 万1 9 5 0 万辆。 随着燃油价格的逐年上涨，电动汽车技术的逐步成熟，制造成本的逐步下降 及配套使用环境的逐步到位，电动汽车产业将以蚕食和逐步扩张的方式挤占传统 汽车市场并取而代之，一旦燃油价格上涨到一定幅度，同时电动汽车制造成本下 降到一定的值，加之政府的各项鼓励政策的到位，必将达到一个门槛值，实现由 量变到质变的行业性跨越。 电动汽车产业化初期的目标市场定位充分考虑电动汽车的产品特性、技术 成熟状态、性能价格比、使用环境和条件、顾客购买心理和习惯等因素。选择“城 市公交客车”作为初期目标市场有如下理由： 公交客车空间大、承载能力强，对电池动力系统的尺寸、重量要求远低 于轿车和其它车型： 公交客车的行驶范围是在城市市区，对其最高车速、加速能力、爬坡性 能的要求也远低于轿车和其它车型； 公交客车要求一次注满燃油的行驶里程为2 0 0 2 5 0 k m ( 数据来源：株洲 市公交总公司) ，对续驶里程的要求远低于轿车和其它车型； 公交客车是定点、定线、定时行驶、行驶的区域范围有限，便于集中管 理，在适当地点可集中建立基础设施( 充电站等) ，使充电、维修、培训、管理 都比较容易解决； 电动汽车初始购买价格高，私人购买比较困难，公交客车是为公众服务 的设施，政府、社会、公众将会给予关注和支持。因此，购车资金较易解决。 电动汽车的零排放( 或低排放) 特点正好符合城市市区( 人口稠密区域) 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 空气及噪音污染治理的要求： 公交客车具有因遇红绿灯、停靠站点多而走走停停的行驶特点，怠速工 况使燃油利用效率特别低且排放量相应增加。电动汽车在制动时可实现能量回 收，并且不存在怠速工况，正好可以解决这一问题。 城市公交客车是城市客运的主要载体，大力发展环保型城市公交客车是治理 城市大气污染的有效途径之一。近5 年，由于国家加大城市基础建设力度和实施 优先发展城市公共交通的政策，我国城市客车发展较快，2 0 0 0 年全国拥有量达 到2 4 万辆，比1 9 9 5 年增长了近一倍。今后十年，我国国民经济持续、快速、全 面发展，城市化进程将大大加快。到2 0 1 0 年，我国城市化水平将由2 0 0 0 年的 3 0 4 提高到4 5 ，城市人口将由2 0 0 0 年的4 4 6 亿增加到6 2 8 亿，1 0 年内将有 1 5 2 亿农村人口转入城市，这将全面推进我国公共交通的发展。按照目前城 镇人口每万人拥有0 6 辆车统计，目前投入运营的城市客车约有2 6 4 万辆；到 2 0 1 0 年按每万人拥有一辆城市客车计算，城市公交客车至少要达到6 3 万辆，平 均每年至少要增加3 4 万辆，另外加上报废更新，平均每年必须相应增加5 5 6 万辆左右，城市交通的发展前景十分广阔，公交客车市场将是大中型客车最具 活力的市场。 通过对城市客车市场的特点、发展现状和趋势的分析，城市公交客车市场具 备市场需求持续旺盛，政策环境有利，敢于率先采用新技术，政府的政策影响力、 渲染力和带动力较强和市场准入门槛较低五个明显特征。因此，城市公交客车可 作为目标市场定位，并以此做为电动汽车产业化初期的市场切入点，以便首先站 稳低端产品市场，适时向高端产品转移，构建电动汽车产业化平台。 1 5 本论文主要研究内容 电动汽车与内燃机车在外表上没有什么区别，车轮与地面之间相互接触与相 互作用以及它们之间的力学过程也不存在本质的区别。两种车的转向装置、悬挂 装置及制动系统也基本相同。它们之间的主要差别是采用了不同的动力源。内燃 机汽车是燃油混合气体在内燃机中燃烧作功，从而推动汽车前进。电动汽车由蓄 电池提供电能，经过驱动系统和电动机，驱动电动汽车行驶。电动汽车韵操纵稳 定性、平顺性及通过性与内燃机汽车完全相同。电动汽车除本身具有再生制动性 能外，与内燃机的制动性能也是相同的。电动汽车不存在燃油经济性，其能量的 供给和消耗，与蓄电池的性能密切相关，直接影响电动汽车的动力性能和续驶里 程，影响辔动汽车褥驶韵成本效益。 电动汽车要求电驱动系统具有恒功率输出和高功率密度，在起步和爬坡时具 ，” 、。 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 有低速一高转矩输出特性及巡航时的高速低转矩特性，具有快速的转矩响应特 性，在转矩转速特性的较宽范围内具有高的效率，同时再生制动时的能量回收 效率高。 电动汽车要求储能动力源具有高的比能量和能量密度，高的比功率和功率密 度，快充和深放电的能力，寿命长，自放电率小，充电效率高，安全性好且成本 低廉，免维修，对环境无危害，可回收性好。 目前纯电动公交客车一次充电能量有限，需要反复充放电，那么如何充分利 用车载蓄电池有限的能量提高续驶里程，如何缩短充电时间，如何进行驱动系统 参数匹配从而获得最佳的整车动力性能以及降低车辆的成本，很大程度上决定了 纯电动公交客车开发能否获得成功、能否实用化。 针对我所研制的湖南省首台纯电动公交客车，本人主要承担了整车动力性能 分析、总体方案设计、整车参数与分系统参数制定与匹配、驱动系统设计、动力 电池选型与特性试验研究等工作。论文将主要从以下几个方面开展工作： ( 1 ) 阐述了电动汽车的开发背景及研究意义，综述了国内外电动汽车的发展 现状与水平，分析了我国社会经济发展对电动汽车的需求，并提出了应对之策； ( 2 ) 研究了纯电动公交客车的行驶动力性能要求，提出纯电动公交客车动力 传动系统参数的选择与匹配方法： ( 3 ) 分析了纯电动公交客车电驱动系统布置方式与构成，根据纯电动公交客 车对驱动系统的要求，对现行的几种典型的电驱动系统进行研究与比选，得出 z s 6 9 0 0 e v 纯电动公交客车的电驱动系统方案，建立了电动汽车交流感应电机的 数学模型： ( 4 ) 分析了化学电源及纯电动公交客车车载储能动力源的特性与要求，研究 了目前应用较多的铅酸电池及其充放电特性，得到了z s 6 9 0 0 e v 纯电动公交客车 的合适储能动力源及其基本电特性： ( 5 ) 研究了株洲市纯电动公交客车的用车要求，提出了纯电动公交客车的总 体参数和设计方案，给出了z s 6 9 0 0 e v 纯电动公交客车试验运行的测试结果，提 出了下一步纯电动公交客车发展的设想与建议。 中南火学硕士学位论文第二章 纯电动公交客车的动力性能分析 第二章纯电动公交客车的动力性能分析 传统燃油汽车的性能指标包括动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、 平顺性和通过性等。 电动汽车因为动力系统不同，因此对它的性能指标的要求与传统燃油汽车有 一些差别。纯电动汽车因为以蓄电池存储的电能为能量来源，所以衡量电动汽车 性能的一项重要指标是最大续驶里程，同时，因为它没有发动机，不需要燃烧燃 料，所以没有燃油经济性的要求。此外，电动汽车采用的是电机驱动系统，它的 动力元件是电动机。电动机的输出特性和内燃机的输出特性也是不同的。所以电 动汽车的动力特性也与燃油汽车有所区别。 另外，电动汽车在性能上比燃油车辆更有优势。电动汽车因为采用了电机驱 动系统，高级的布置形式能够简化车辆结构，能够提高空间利用率，提高牵辆通 过性和灵活性。而且电机驱动系统还可以利用电动机的逆向工作性能，对制动时 的能量进行回馈，增强车辆的制动性能。 2 1 驱动力与行驶阻力 2 1 1 驱动力 车辆行驶的驱动力是路面作用在车辆驱动轮上的，它不仅与车辆驱动系统提 供的牵引力有关，而且与路面与轮胎之间的接触状态有关。 电动汽车的电动机输出转矩m ，经过减速齿轮传动，传到驱动轮上的转矩m t ， 使驱动轮与地面之间产生相互作用，驱动汽车前进。车辆传动系传递到驱动轮的 驱动转矩m t ，产生一个对地面的圆周力f o ，在它的作用下，地面对驱动轮产生 一个反作用力f t ，这个反作用力就是车辆受到的驱动力。在车轮没有产生滑转 的情况下，电动汽车的驱动力f t 定义为“1 ： m ，= m i g i o q f ：丝：m i g i o t i rr 式中：f t 一驱动力( n ) ； f 一电动枕输镪转矩( n 的； m t 一半轴作用于动轮上的转矩( n m ) 十 ( 2 1 ) 中南大学硕士学位论文 第二章纯电动公交客车的动力性能分析 i g 一减速器或变速器传动比 i 0 _ 一主减速器传动比： n 一电动汽车机械传动效率 r 一驱动轮半径( m ) 。 2 1 2 行驶阻力 车辆行驶过程中受到的行驶阻力有滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻 力。 2 1 2 t 滚动阻力 实际行驶过程中，由车轮引起的车辆行驶阻力情况比较复杂，它与车辆行驶 速度、车辆行驶路线、轴承摩擦、路面状况、前轮前束角以及轮胎的材料、结构 以及充气压力等都有关系。本文假设车辆在干燥、平直路面上沿直线行驶，且仅 考虑由车轮滚动产生的阻力，即车轮的滚动阻力。 滚动阻力是因车辆在行驶过程中轮胎的变形引起的。它无法在真正的受力图 上表示出来，通常将它等效为一个力，用f f 来表示。为了便于进行车辆动力性 分析，引进滚动阻力系数f ，f f ( n ) 可以等效的表示为： f f = g f( 2 - 2 ) 式中：g - 车辆所受重力( n ) ： f 一滚动阻力系数与路面种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压 等有关。 当车速v 5 0 k m h 时，可按下式进行计算“1 ： f = o 0 1 6 5 1 1 + 0 o l ( v 一5 0 ) 】 ( 2 3 ) 2 1 2 2 空气阻力 车辆直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力，记作 f 。在车辆行驶范围内，空气阻力的数值通常都总结成与气流相对速度的动压力 成正比的形式，即： r = 去c d a p v 2 ( 2 4 ) 二 式中：c 矿一空气阻力系数，一般讲应是雷诺数r e 的函数，在车速较高、动 压力较高、而相应气体的粘性摩擦较小时，c o 将不随r e 而变化； 中南大学硕士学位论文第二章 纯电动公交客车的动力性能分析 p 一空气密度( k g m 3 ) ； a 一迎风面积，即车辆行驶方向上的投影面积，单位为m 2 ； v ，一相对速度，在无风时即车辆的行驶速度，单位为m s 。 2 1 2 3 坡度阻力 车辆上坡行驶时，车辆重力沿坡道方向的分力表现为车辆坡道阻力，记为 f i ，则“1 ： f = g s i n c t ( 2 5 ) 式中：g 一作用于车辆上的重力，单位为n ，g = m g ，i l l 为车辆质量，g 为重力 加速度； a 一坡道与水平线