（光学工程专业论文）纯电动汽车动力系统控制技术的研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说 明并表示了谢意。 研究生签名：垄终日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阕。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可舶国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在懈密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ： 纭搀 日期 2 0 1 2 - 2 2 - i 午 易 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 上世纪的七十年代爆发石油危机引起一波电动车的研究热潮，时至今日，不 仅仅能源危机，脆弱的生态环境更是促使加快新能源产业的发展。电动汽车作为 人类寄以厚望的零排放交通工具，走在了能源革命的最前沿。因此，需要大力推 进电动汽车的发展，因为电动汽车不仅仅是走出现在困境的一个选择，更是代表 着未来的绿色能源的方向。 公交车作为与大众关系最为密切的交通工具，但近十年来我国许多城市都普 遍存在交通拥堵，公交车经常工作在高油耗和高污染排放的工况下。随着最近几 年电动车的技术发展已基本可以满足公交车的使用要求，越来越多的电动公交开 始驶上公交线。目前来看，纯电动公交是电动车发展的一大热点，也是国家政策 扶持的热点。 。 本文以首先介绍了电动汽车的国内外发展现状，对比国内外的发展趋势。然 后阐述了电动公交车的发展优势。基于传统汽车的理论介绍了纯电动汽车驱动系 统参数的确定方法，进行纯电动公交车的车辆动力性匹配。在理论计算和工程分 析的基础上，对其电机、电池以及传动系传动比进行了参数匹配。动力匹配时以 电驱动自动变速器( e l e c t r i c d r i v em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，e m t ) 作为动力核心 零部件，另外还确定了动力电池的参数。文章中介绍了e m t 系统的结构特点， 明确了e m t 系统的优势。e m t 系统的核心即为换挡控制，文章中详细学习阐述 了a m t 的几种换挡规律，对比这几种换挡规律的优劣，在不同规律下的换挡型 能。文章中还介绍了e m t 系统相对于a m t 系统的优势，最终确定e m t 系统的 控制策略。围绕e m t 系统的换挡策略，详细划分了e m t 系统在不同工况下的 换挡特性，重点分析几个常见的换挡策略。将控制策略转变为程序语言和控制算 法，制定了e m t 系统的换挡程序。最后进行台架实验，台架试验包括检测性实 验和性能实验，根据实验数据分析e m t 系统的换挡性能。文章最后对比了在不 同的调速力矩和不同的换挡点的换挡特性，确定了e m t 系统的最优换挡点，从 实验数据中分析e m t 系统的换档性能与换挡点和换挡力矩的关系，另外还验证 了连续自动换挡控制策略和手动换换挡控制策略。 关键词：电动车，主动同步，控制策略，自动换挡 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo i lc r i s i s o u t b r e a kh a sc a u s e daw a v eo fe l e c t r i cv e h i c l er e s e a r c hu p s u r g e s i n c e1 9 7 0 s t o d a y , n o to n l yt h ee n e r g yc r i s i s ；f r a g i l ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti st o s p e e du pt h ed e v e l o p m e n to fn e we n e r g yi n d u s t r y h u m a np a y sm u c ha t t e n t i o nt o e l e c t r i c a lv e h i c l ef o rt h en o n - e m i s s i o n ，t h u si tw a l k si nt h ef o r e f r o n to ft h ee n e r g y r e v o l u t i o n t h e r e f o r e ，w cn e e dt ov i g o r o u s l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c v e h i c l e s b e c a u s et h ee l e c t r i cc 盯i sn o to n l yt h ew a yg e t t i n go u to fd i l e m m an o w , b u t a l s or e p r e s e n t st h ed i r e c t i o no ft h ef u t u r eo fg r e e ne n e r g y a sak i n do ft r a n s p o r t a t i o n ，t h eb u sh a sm o s tc l o s er e l a t i o n sw i t ht h ep u b l i c b u t i nt h ep a s tt e ny e a r sm a n yc i t i e si no u rc o u n t r ya p p e a rt r a f f i ci a m s t h eb u so f t 蚰 w o r k si nh j i g hf u e lc o n s u m p t i o na n dh i g hp o l l u t i o nd i s c h a r g ec o n d i t i o n s i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l et e c h n o l o g y , e vc a l lb a s i c a l l ys a t i s f y t h er e q u i r e m e n t so ft h eu s ea sak i n do fb u s m o r ea n dm o r ee l e c t r i cb u s e sl l u lo nt h e r o a d s of a r , p u r ee l e c t r i cb u si so n eo ft h eh o td e v e l o p m e n t si ne l e c t r i cv e h i c l e ，a n di s a l s ot h ef o c u so fn a t i o n a lp o l i c ys u p p o r t sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c v e h i c l e sa n dc o m p a r e st h ef i e n do ft h ed e v e l o p m e n tb o t ha th o m ea n da b r o a d t h e h s t a t et h ea d v a n t a g eo fd e v e l o p i n ge l e c t r i c a lb u s i n t r o d u c e st h ec h o i c eo ft h em a i n c o m p o n e n t so ft h ep o w e rt r a i ns y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l eb a s e do nt h et r a d i t i o n a l t h e o r y t h er e l a t e dp a r a m e t e r so fs t o r a g ec e l l s ，t h em o t o ra n dt h eg e a rr a t i oo ft h e d r i v e l i n e 剐ed e s i g n e do nt h eb a s i so ft h e o r e t i ca n de n g i n e e r i n ga n a l y s i s a n d c o n f i r m a t i o no ft h em a i np a r a m e t e r si sf u r t h e rd i s c u s s e dt h r o u g ht h ec a l c u l a t i o nt ot h e s p e c i f i cv e h i c l en em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri sd e s i g n i n gp o w e rm a t c h i n go f e l e c t r i c a lb u sw h i c hu s ee m ta sc o r ep a r to fp o w e r i na d d i t i o n i td e t e r m i n e dt h e p a r a m e t e r so ft h ep o w e rb a t t e r y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n da d v a n t a g eo f e m t a f t e rt h ep o w e rs y s t e mb u i l t t h ed e s i g no fp o w e rs y s t e mc o n t r o ls c h e m ei ss e t u p b a s e do nt h ev a r i o u sp a r t so fc o n t r o lr e q u i r e m e n t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m t s y s t e m ，c h o o s et h er i g h tp a r t si n v o l v e di nt h es y s t e m n em o s ti m p o r t a n to fe m t i s s h i f t i n gc o n t r 0 1 n ep a p e rs t a t es e v e r a la m ts h i f t i n gc o n t r o ls t r a t e g ys p e c i f i c a l l ya n d c o m p a r et h e i rp e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n ts h i f t i n gc o n t r o ls t r a t e g y a f t e rs t a t et h e a d v a n t a g e so fe m 陌c o m p a r e dw i t ha m t , t h ee m 丌sc o n t r o ls t r a t e g yi sp u tu p a c c o r d i n gt ot h ee ms y s t e ms h i f t i n gs t r a t e g y , t h ee m ts y s t e mi nd i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n so ft h es h i f tc h a r a c t e r i s t i c sa r ed i v i d e ds p e c i f i c a l l y , a n ds e v e r a ln o r m a l s h i f t i n gc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ea n a l y s i s t r a n s l a t e dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi n t oc o n t r o l a l g o r i t h ma n dl a n g u a g ec t ob u i l tt h ee m t ss h i f t i n gc o n t r o ls t r a t e g yi s f i n a l l y , d y n o t e s ti se x p e r i m e n to na n a l y s i st h ee m t ss h i f tp e r f o r m a n c ei n v o l v ed e t e c t i o n e x p e r i m e n t sa n dp e r f o r m a n c et e s t t h i sp a p e rc o m p a r e st h es h i f tc h a r a c t e r i s t i e si n d i 虢r e n tt o r q u ea n dd i 虢r e n ts h i f t i n gp o i n t ，d e t e r m i n e dt h ee m ts y s t e mo p t i m a l s h i f t i n gp o i n t c o n t i n u o u sa u t o m a t i cs h i f tc o n t r o ls t r a t e g ya n dm a n u a li ns h i f tc o n t r o l s t r a t e g ya r ea l s ov e r i f i e d k e y w o r d s ：e l e c t r i cb u s ；a u t o s y n c ；c o n t r o ls t r a t e g y ；a u t o m a t i cg e a rs h i f t i n g i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 纯电动汽车国内外发展现状1 1 2 1 国外电动汽车的发展现状2 1 2 1 国内电动汽车的发展现状。3 1 3 电动车用变速器研究现状。3 1 4 研究的意义。：。5 1 5 课题的研究内容及研究方法6 第二章电动汽车动力系统匹配- 7 2 1 纯电动客车结构方案7 2 2 纯电动公交车动力系统匹配7 2 2 1e m t 系统电机匹配选型8 2 2 2 传动系参数设计1 0 2 2 3 电机控制器的选型1 1 2 2 4 动力电池系统匹配1 2 2 3 本章小结。1 4 第三章e m t 动力总成控制系统设计1 6 3 1e m t 动力总成控制系统结构1 6 3 1 1 e m t 控制系统结构一：1 6 3 1 2e m t 动力总成控制系统方案设计1 6 3 2e m t 动力总成控制系统部件分析1 7 3 3 动力总成控制器p c u 设计方案2 2 3 3 1 动力系统控制器的功能2 2 3 3 2 动力系统控制器的选型2 2 3 4 本章小结2 6 第四章换挡控制策略的研究2 7 4 1a m t 变速箱换挡规律2 7 4 1 1 单参数换挡策略2 8 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 2 双参数换档控制策略2 9 4 1 3 三参数换挡规律3 1 4 2e m t 自动变速系统换挡控制策略的研究3 1 4 2 1e m t 系统自动换挡优势3 1 4 2 2e m t 系统换挡策略研究3 3 4 3e m t 系统自动变速控制程序分析。3 7 4 4 本章小结4 0 第五章e m t 系统台架试验。4 1 5 1 试验台架的搭建及系统调试4 1 5 1 1 实验设备及仪器4 1 5 1 2 台架调试4 4 5 2e m t 系统换挡策略的台架验证。4 5 5 2 1 台架检测试验。：4 5 5 2 2e m t 台架换挡实验4 9 5 3 本章小结j 5 4 第6 章总结及展望5 6 6 1 全文总结5 6 6 2 展望5 6 致谢5 7 参考文献5 8 i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着全球经济快速增长，汽车工业的发展，汽车保有量也处于井喷状态，据 德国埃森的市场调研机构预测【l j ，到2 0 1 5 年，全球汽车保有量将增至1 1 2 亿辆 左右。在我国，汽车保有量在过去十年内也出现飞速增长，自上世纪8 0 年代最 初出现私家车，到2 0 0 3 年汽车保有量达1 2 1 9 万辆，到2 0 0 9 年，我国汽车保有 量达到6 2 0 0 万辆。汽车数量的增加更加突显了石油资源的匮乏。 另一方面，汽车排放出的尾气含有大量有害物质，已对大气造成了严重的污 染。同时，化石燃料燃烧所产生的温室气体c 0 2 导致全球气候不断变暖。环境 问题的不断升级严重威胁到了人类本身的生存。迫于能源短缺和环境污染的压 力，近年来电动汽车得到迅猛的发展瞄j 。 在我国，国家“十二五”规划提出了节能减排的目标，即到2 0 1 5 年，单位g d p 二氧化碳排放降低1 7 ；主要污染物排放总量减少8 到1 0 的目标【3 j 。此外，“十 二五”规划中还明确了主要污染物控制总类，在“十二五”化学需氧量、二氧化碳 这两个类别基础上，增加了氨氮和氮氧化物两个类别的污染物控制指树4 1 。与内 燃机汽车相比，电动汽车可以认为是零排放，同时动力系统的效率比较高；并且 可以能量回收，进一步提高了整车的效率，对于节约能源以及减少车辆污染物排 放具有重要意义。 1 2 纯电动汽车国内外发展现状 纯电动汽车诞生于1 9 世纪，刚诞生就得到大力的推广，在2 0 世纪初似乎达 到了一个高潮，占领4 0 的汽车市场，销量超过了汽油车以及蒸汽机车。但电动 车由于受到电池技术的限制，续驶里程较短，再加上后来内燃机汽车的迅速发展 成熟，在2 0 世纪中前期电动汽车的发展陷入沉寂i 引。进入2 0 世纪7 0 年代后， 受到石油危机的影响以及环境污染的压力，电动车以汽车电力电子学的最新发展 为基础，特别是高能量密度锂离子电池技术的发展，以及乘用车电动轮技术的开 发和实用化等技术的发展，使电动汽车又成为车辆技术发展的热点，各个工业化 国家投入了大量的资金和精力进行电动汽车的开发，电动汽车的各项关键技术也 取得了重大进展1 6 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 国外电动汽车的发展现状 ( 1 ) 日本 日本最早的电动车研发始于2 0 世纪7 0 年代，许多车企都发布了电动汽车产 品，关西电力和大发公司合作生产的纯电动汽车“h i j e t ”于1 9 7 0 年的大阪世博会 上发布，但直到1 9 9 6 年才销售了1 5 0 0 余量f 7 1 ，2 0 世纪9 0 年代后丰田、本田、 日产陆续退出了纯电动汽车，采用的电池为镍氢蓄电池和锂离子电池，然而受到 价格和电池技术的限制，许多日本汽车公司选择了混合动力电动汽车作为新能源 汽车的发展方向，其中丰田的p r i u s 取得了巨大的成功。 2 0 0 9 年三菱公司推出纯电动汽车i - m i e v ，它采用三菱与汤浅合作研发的高 效能锂电池组。这套锂电池组若使用充电站的三相2 0 0 伏动力电则能在半小时内 使电量达到8 0 ，一次充满电可以行使约1 5 0 公里。丰田2 0 1 2 年推出s c i o n i q e v 纯电动车，这款纯电动车将会搭载一款永磁式电动马达和一颗全新开发， 装配一款1 1 k w 佗7 0 v 锂离子电池组来提供电力，预计能够提供最大1 0 5 公里的 续航里程【8 】。另外，该车百公里加速大约在1 4 秒内，最高行驶速度可达1 2 5 k m h 。 s c i o ni q e v 还可以支持快速充电模式，车辆在1 5 分钟内就可以充满全部电量 的8 0 。据日本汽车业界团体公布的数据，混合动力车型已经占到2 0 1 1 年汽车 销量的1 7 1 毫无疑问，在电动车技术上日本走在了世界的前列，在电动汽车领域是全球 的领头羊，从市场表现来看，日本还是偏向于混合动力汽车。日本对石油的依赖 程度于2 0 0 0 年见顶，随后开始下降，目前对外国石油的依赖率较历史高点下降 了7 ，这其中的一部分得益于电动汽车的发展。 ( 2 ) 美国 1 9 9 1 年，美国通用汽车公司、克莱斯勒汽车公司和福特汽车公司共同协议， 成立了“先进电池联合体”( u s a b c ) ，共同研究开发新一代电动汽车所需要的高 能电池，并在1 9 9 1 - 1 9 9 5 年间投资2 2 6 亿美元来资助电动汽车的研究【9 1 。到 2 0 世纪9 0 年代中期，由于当时蓄电池技术还未能有关键性的突破，纯电动汽 车充电时间长，续驶里程短，降低电池造价困难等问题。美国加州表示不再积极 鼓励纯电动汽车的发展，而转向了燃料电池。不过美国国家实验室还在继续进行 纯电动汽车先进电池、先进驱动管理系统等的深入研究。由于节能减排的压力， 美国各大公司又纷纷投入大量的资金研发电动汽车，2 0 0 8 年北美车展上，美国 通用汽车公司宣布将生产“土星v u e ”插电式混合动力汽车。根据福特的计划， 2 0 1 0 年将投放电动式商用面包车，2 0 1 1 年投放与加拿大麦格纳公司共同开发的 小型电动汽车，2 0 1 2 年投放包括插电式混合动力车在内的新一代锂电池混合动 力车。同时美国总统奥巴马正在推进到2 0 1 5 年让1 0 0 万辆插电式电动汽车上路 2 武汉理工大学硕士学位论文 的目标【1 0 l 。 ( 3 ) 欧洲 与美国相比，欧洲更崇尚追求完美零污染的纯电动汽车。其中最为成功和著 名的就是电动标致1 0 6 车型，这种以镍镉电池为动力的电动汽车已经在欧洲各 国，尤其是在政府部门当中拥有大量的用户。同时德国的福特公司a a c h e n 汽车 研发中心还开发了燃料电池轿车和锂离子电动小轿车e k - a ，e k a 的续驶里程为 1 5 0 - 2 0 0 k m 之间，它具有良好的动力转向功能【1 1 l 。欧宝公司研究中心主要研究 开发了n e c a r 系列电动轿车，该车代表当今燃料电池轿车的最高水平。 1 2 1 国内电动汽车的发展现状 我国于2 0 世纪6 0 年代对纯电动汽车进行研究，到了9 0 年代掀起了一股 电动汽车热，部分高校、汽车研究所以及生产企业联合开发充电电池和纯电动汽 车，并取得了一些成果。国家也给予大力的支持政策，从2 0 0 1 年启动了”8 6 3 ” 计划电动汽车重大专项，建立“三纵三横”的开发布局【1 2 1 。到2 0 0 5 年，我国政府 出台了优化汽车产业结构，促进发展清洁汽车、电动汽车政策措施，明确了2 0 1 0 年电动汽车保有量占汽车保有量的5 1 0 再到2 0 1 2 年6 月，国务院通过节 能与新能源汽车产业发展规划( 2 0 1 2 _ - 2 0 2 0 ) ，确定了以“纯电驱动”为主要技术 路线，重点推进插电式混合动力汽车和纯电动汽车产业化，二者销量目标为累计 产销量到2 0 2 0 年超过5 0 0 万辆。 同时中国电动客车也得到良好的发展，作为国内最早领跑新能源汽车的比亚 迪公司，推出了该公司的首款纯电动大巴k 9 ，出去其他的嘘头，该产品在新能 源技术上也有不少的亮点，首推的当属该公司的轮边驱动技术，采用两个永磁同 步电机作为动力源，最大功率达到1 8 0 k w ，该产品采用的是比亚迪公司的磷酸铁 锂电池，所含的化学物质都可回收利用，另外在车顶上放置了9 块太阳能板，充 分的发挥了客车的尺寸优势，相信在低纬度地区这些太阳能板能发挥不小的作 用，另外一个对于纯电动来说很棘手的问题就是充电时阅太长，k 9 设计的快充 可以3 0 分钟充满5 0 。2 0 0 9 年7 月，江淮推出宝斯纯电动客车，续驶里程为 2 0 0 k i n ，最高车速为1 0 0 k m h ，该车具有良好的安全性能，并在2 0 1 0 年用于世博 园区1 1 3 l 。 1 3 电动车用变速器研究现状 目前应用于电动汽车的变速箱有以下几种：手动变速箱、自动变速箱、电控 机械式自动变速器、无级变速器和双离合器自动变速器。 武汉理工大学硕士学位论文 手动变速器( m t ) ，即用手拨动变速杆才能改变变速器内的齿轮啮合位置， 改变传动比，从而达到变速的目的。手动变速箱需要人工操作，动力系能的发挥 与驾驶员的操作水平有很大的关系，不能发挥出系统的动力性，该变速系统已越 来越难以满足需求，达不到现在操作自动简单化的趋势。 自动变速能够根据动力系统的输入输出状态，以及车辆的不同行驶工况，自 动地切换至合适的档位，保证动力系统最佳工作点工作，使车辆具有良好的动力 性和经济性。对驾驶员来说可以减少操作。利用计算机控制技术和电力电子驱动 技术控制车辆变速系统，实现车辆自动换档，已经形成一种趋势，在未来几年必 定成为车辆传动系统的主流技术。 目前，在车辆上应用的自动变速器主要有三种：液力自动变速器( 灯) 、无 极变速器( c v t ) 、电控机械式自动变速器( 棚) 。 a m t 是在传统的手动齿轮式变速器基础上改进而来的。它揉合了a t 和 m t 两者优点的机电一体化自动变速器；a m t 既具有液力自动变速器自动变速 的优点，又保留了原手动变速器齿轮传动的效率高、成本低、结构简单、易制造 的长处。它的缺点是换档动力中断明显，换挡时间长，这可以通过电控软件方面 来得到一定弥补。在几种自动变速器中，a m t 的性价比最高。 a t 利用行星齿轮机构进行变速，它能根据油门踏板程度和车速变化，自动 地进行变速。而驾驶者只需操纵加速踏板控制车速即可。最常见a t 类型为液力 自动变速器，主要是由液压控制的齿轮变速系统构成，主要包含自动离合器和自 动变速器两大部分。它能够根据加速踏板的开度和车速的变化，自动地进行换档。 丰田普锐斯混合动力系统就是采用的行星齿轮机构。 c v t 是由两组变速轮盘和一条传动带组成的，因此，其比传统自动变速器 结构简单，体积更小。c v t 的传动比可以连续变化，从而实现全程无级变速， 使汽车的车速变化平稳，没有传统变速器换挡时的顿挫感。无级变速器属于自动 变速器的一种，但它能克服普通自动变速器“突然换档”、油门反应慢、油耗高等 缺点。但是c v t 效率低，并且制作工艺要求高，目前国内的技术水平难以达到 要求，核心部件完全依赖进口。 d c t 是一种机械式自动变速器，它保持了a m t 的各种优点，但其动力传递 通过两个离合器联结两根输入轴，相邻各档的被动齿轮交错与两输入轴齿轮啮 合，配合两离合器的控制，能够实现在不切断动力的情况下转换传动比，从而缩 短换档时间，有效提高换档品质。 国内对自动变速器控制的研究在上个世纪八十年代就开始了，主要是对电控 机械式自动变速器的研究开发。吉林大学这方面的工作开展得比较早，目前已经 进入到产品化阶段这期间的科研成果主要有：离合器最佳接合规律、动态三参数 4 武汉理工大学硕士学位论文 换档规律、动力传动系统动态闭环控制、最佳同步换档控制等。近年来，又相继 将模糊逻辑、神经网络、综合控制及自适应控制等技术应用于a m t ，使其智能 化程度以及对环境的适应能力得到了很大的提高。此外，北京理工大学、重庆东 方欧翔汽车电子有限公司、大连爱姆特齿轮箱厂、烟台深圳欣源晟实业有限公 司等单位也在从事a m t 的研究工作，并取得了一定成果。 1 4 研究的意义 纯电动公交车的优势在于： ( 1 ) 公交车的运行工况在车辆里面可以说是最恶劣的，站点多，要经常进 站停靠；路线一般都是城市里面比较繁忙拥堵的路线；并且公交车作为国内不限 超载的机动车，经常低速重载荷在运营。总结起来公交车的工况可以说是经常低 速和怠速运行，经济性和排放性是很差的。纯电动公交基本上是零排放，减少了 城市污染，另外在大量的怠速情况下纯电动车电机不工作，不消耗能零，在大量 的等红绿灯、停靠站点中发动机怠速所消耗的能源可以节省下来，另外在公交车 频繁起停的过程中，电动汽车可以进行有效地能量回收，进一步改善了经济性， 纯电动公交对于国家的节能减排以及城市环境的改善具有重要意义。 ( 2 ) 纯电动动车自身的特点也适合于用来做公交车，目前的纯电动车单次 充电的续驶里程比较短，不适合做长途运营，但城市公交并不需要特别要求单次 续驶里程，能满足一两日内的需要即可。另外，公交公司的车辆比较集中，纯电 动公交集中在一起，充电维护等设备的利用率也比较高。 ( 3 ) 以目前的情况看，纯电动汽车尚不具备私人用户普及的条件，因此先 从公共交通领域推广开来是符合整个行业的趋势和国内环境的。新技术的发展毕 竟需要土壤，国家支持新能源汽车的发展也是优先在公共交通领域内扶持的。 公交车的运行工况和需求以及电动车的特点之间具有极强的互补性，这就决 定了两者的结合会是一个双赢的局面。纯电动公交车可以弥补传统车的经济性 差，污染严重的缺点，同时电动车的短板在公交工况中也不突出，所以说电动公 交车是电动汽车的一块重要成沃土，优先在公交系统中推行纯电动有着得天独厚 的优势。在城市环境日益耳环的今天，新能源公交给城市带来的不仅仅是零排 放，更是对广大公民带来健康绿色的出行方式和生活态度。在国家大力倡导新能 源的发展方向，优先发展电动公交的思路下，进行纯电动公交车的研究也是很有 价值和现实意义的。 研究电动汽车控制系统特别是传动系统对于电动车的性能密切相关，对于新 能源车的动力性和经济性有很大的影响。作为纯电动汽车，首先应选好动力匹配， 武汉理工大学硕士学位论文 只有这样才能保证整车的设计目标。传动系统匹配的好坏直接影响到电机的功率 能否得到最优的发挥，电机是否经常在效率最高的范围内工作。因此选择良好的 变速箱参数以及良好的换挡控制策略至关重要。 1 5 课题的研究内容及研究方法 本文以武汉理工新源动力有限公司和东风扬子江合作的1 2 米纯电动公交车 研发项目为依托。首先进行了项目的动力总成匹配，确定了纯电动公交车的核心 零部件，包括e m t 动力系统和高压动力电池等的参数。根据e m t 系统的特点 和整车的需求设计控制方案，并细化各个子系统的控制要求，根据各个系统的控 制要求确定动力系统控制器p c u 的方案。在仔细学习总结a m t 系统的换档策 略的基础上，根据e m t 系统的特点，制定了适合e m t 系统的换挡规律。细化 了e m t 系统在不同工况下的换挡需求，剖析各个需求下的信息判断识别以及达 到控制目标的控制方法，在此基础上确定了e m t 动力系统的换挡策略，并将换 挡策略转化为程序可识别的逻辑流程。 先从e m t 系统的控制对象开始，初步确定系统的控制方案，详细分析e m t 系统总的换挡需求，确定控制策略，将控制策略转化为程序语言，控制管理各个 目标参数，最后进行台架实验来验证并完善控制策略。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章电动汽车动力系统匹配 2 1 纯电动客车结构方案 课题开发的纯电动公交车采用东风扬子江汽车有限公司生产的产品，悬架采 用的是独立空气悬架，制动为前盘后鼓式。车身部分以公交车车身为原型并进行 部分改装，重新设计了动力系统的电气系统以及线束。动力系统采用的是武汉理 工通宇新源动力有限公司的e m t 电驱动自动变速系统，该技术为国内首创，产 品处于国内领先地位，具有较强的核心竞争力。e m t 系统的电机采用的是三相 异步交流电机，变速器为四档机械式气动换挡变速器，高压电池采用的是合肥国 轩高科动力能源有限公司的电池，该公司同时提供电池管理系统( b m s ) 。车上 的其他比如助力转向系统、电动气泵等均采用独立式直流电机驱动。该动力系统 的结构简图如图2 1 所示。 图2 - 1 基于e m t 系统的纯电动公交车结构简图 2 2 纯电动公交车动力系统匹配 进行动力匹配时要考虑车辆的自身的许多参数，进行动力性计算以满足车辆 的动力需求【1 4 】，该项目的纯电动公交车的整车参数如表2 - 1 所示。 表2 - 1 纯电动公交车的整车参数 整车参数数值整车参数数值 整备质量 1 4 3 2 0成员数( 人)5 6 满载质量 1 8 0 0 0滚动半径r ( m m )4 7 8 整备质量前后轴荷( k g ) 6 5 0 0 1 1 5 0 0 后桥速比i o 5 1 3 整车动力传动效率1 1 t 9 0 空气阻力系数c d 0 6 9 滚动阻力系数f o 0 1迎风面积a ( m 2 )6 2 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 该电动公交车的设计目标为： 最高车速= 8 0 k i n h ； 最大爬坡度 2 0 0 5 0 k m h 加速时间 n l ，所以电机 的最高转速应该大于2 3 0 0 r p m 。 ( 3 ) 选取电机最大转矩 驱动电机最大转矩应满足该纯电动公交车的最大爬坡度和加速需求是的需 求转矩【1 6 l ，而最大爬坡时和加速时的需求转矩中的较大值为9 2 0 n m ，所以选取 的电机最大转矩为9 3 0 n m 。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 电机的额定转速和额定转矩的确定 电机的输出特性为小于额定转速时恒扭矩输出，大于额定转速时恒功率输 出，因此在额定转速时输出的功率和转矩为最大，有以下两个公式可以确定电机 的额定转速和额定转矩。 一擘s 铀 n o2 ；_ _ 耸2 皿噩 t l2 警 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 将p m 甜t n 撒带入公式( 2 6 ) 中得出n e = 1 5 4 0 r p m ，则计算出的额定转矩为 4 6 5 n m ，考虑电机的两倍过载能力，满足车辆的最大转矩和最高转速要求。则根 据车辆参数和设计目标选取的电机参数为如表2 2 所示。 表2 2 计算的电机参数 额定功率7 5 k w最大功率 1 5 0 k w 额定转速 1 5 4 0 r p m最大转速2 3 0 0 r p m 额定转矩4 6 5 n m最大转矩 9 3 0 n m 结合现有的电机产品以及e m t 系统对电机的尺寸要求，最终选取的驱动电 机为一款额定功率为8 0 k w 的三相异步交流电机，该电机的动力输出也符合纯电 动公交车的需求。该电机的具体参数如表2 3 所示。 表2 - 3 所选的电机参数 型号q y s 8 0 - 6 4 0 0额定电压 4 0 0v 额定功率8 0k w额定电流1 5 0 a 额定转速1 6 0 0r r a i n额定扭矩 4 7 7n m 最高转速 3 2 0 0r r a i n 绝缘等级h 级( 1 8 0 0 ) 防护等级 i p 5 4 重量 3 2 2k g 2 2 2 传动系参数设计 车辆使用变速箱进行换挡，在设计变速箱各个档位传动比的时候必须考虑的 因素有以下几点： 车辆行驶的最高车速； 车辆的最大爬坡度； 车辆在巡航车速行驶时，系统效率是否高划1 7 】； 在设计车辆速比选取的时候，尽量选取较大的主减速比，主减速比越大，车 辆的动力性能就表现越好，在加速和爬坡方面也有更好的表现，但是在效率方面 会有一定得下降。综合考虑几个方面的因素，主减速比设定一般为3 5 6 7 之间。 但是主减速比设计过大会影响从动齿轮直径，从动齿轮直径过大会减少离地间 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 隙，使车辆通过性减低，同时后桥主减速比过大会使传动噪声增加。 主减速比的选择必须同时考虑到车辆最高车速的要求和电机低速爬坡能力 同时留有加速使用的富裕功率。 为满足电机高效区要求，尽量减小各个传动档位之间的传动比。主减速比选 取定为i 0 = 5 1 3 。 变速箱档位选取考虑不同汽车的使用工况不同、整车性能要求不同和汽车动 力源功率不同，变速箱的档位选择也会不一样。传动系的档位选择既影响了车辆 的动力性能方面的表现，还对于车辆行驶过程中换挡的平稳性能有影响【1 8 l 。变 速器档位的增多增大了车辆在电机最大功率行驶的可能性，但是行驶在电机低效 区的可能性也会增加，所以在档位选取上面既要考虑电机的动力性也要考虑电机 的效率。档位选择过少，会增大每个档位之间的传动比差距，在换挡时的难度就 会增加。一般认为每个档位之间比值不宜超过1 7 1 8 。 首先，设定变速箱的档位时选取减速比为1 的高速档，其次，在考虑低速情 况下电机工作可以满足最小爬坡转矩，并且有富裕转矩满足爬坡或者加速的要 求，设计一档传动比为5 8 2 考虑前面影响车辆动力性能和换挡平稳性之间的额 关系，在选取中间两档档位时，选择二档为3 2 3 ，三档为1 7 9 。 2 2 3 电机控制器的选型 电机控制器的选取要满足负载要求，并且电机控制器的输出要和电机要互相 匹配，满足电压电流要求，电机控制器一般要满足以下要求： 已之盟 _tlcomp 乓等 l c2k 王 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中：p 。为电机控制器容量，k v 宰a ：i c 为电机控制器的额定电流, a ；p m 为负 载要求的电动机输出功率，k w ；t 1 为电动机的效率，通常为0 8 5 ；c o s f 为电动 机的功率因数，通常为0 7 5 ；u e 为电动机额定电压，v ；i e 为电动机额定电流， a ；k 为电流波形补偿系数，通常为1 0 5 1 1 。 将以上参数带入公式( 2 8 ) 、公式( 2 9 ) 和公式( 2 1 0 ) 中得出： p 。= 1 3 8k v 水a ，1 ) = 1 1 4k v 木a ，i c = 1 6 5 a 。 根据以上参数选取的电机控制器的功率为1 6 0 k w ，其具体参数如下 武汉理工大学硕士学位论文 表2 4 电机控制器参数 p o w e r1 6 0 k w d 咿u td c4 5 0 7 0 0 v3 7 0 a o u t p u ta c3 p h0 3 8 0 v3 8 0 a 该控制器的优点为： ( 1 ) 主控制器采用的冷却方式为水冷，散热效果更明显，系统温升低，有 利于提高功率器件的使用寿命、增加系统可靠性；电机控制器的体积减小了，有 利于整车安装布置。 ( 2 ) 高达i p 5 4 的防护等级使控制器的安装没有了限制。 ( 3 ) 特有消除共振频率的四点减震结构，使控制器免受长期震动带来的可 靠性问题。 ( 4 ) 控制信号接口、电机传感器信号接口、通信及调试接口独立引出，使 整车线束方便布置，进一步降低干扰。 ( 5 ) 完善的i o 接口和c a n 总线系统。