电动客车动力系统设计.doc

摘要：18591860年法国人勃兰特发明蓄电池。1873年英国人戴维森制成第一辆有实用价值的电动汽车。1892年美国在芝加哥展出了本国第一辆电动汽车。以后美国电动汽车的产量不断增加。1900年，美国拥有8000辆汽车，其中电动汽车占38。1915年美国电动汽车的产量达5000多辆，超过内燃机汽车产量。1920年以后，蓄电池汽车由于蓄电池的能量密度低、重量大、充电时间长、一次充电的行驶里程短、使用寿命短、成本高,因而逐渐被内燃机汽车所取代。60年代后期,由于内燃机汽车的噪声和排气污染成为严重的社会问题，电动汽车又重新引起各国的重视。随着能源危机的日益严重以及人们环保意识的不断增强，研究开发清洁、节能和安全的汽车成为汽车工业发展的方向。其中电动汽车具有行驶过程中零排放、能源利用多元化和高效化以及方便实现智能化等优点，使之成为新型汽车研发的重点之一。城市交通系统中，公共汽车以及大型运载客运汽车，成为了我们生活中必不可少的一部分，也为大多数人提供便利的出行方式。本文主要针对大型电动客车的动力系统进行设计研究，提出一些新的思路以及新的方法，使人们面对的能源与环境问题得到一定的改善与解决。电动汽车根据电动机驱动车轮方式的不同可以分为集中电机驱动形式与电动轮驱动形式。相比较集中电机驱动，轮边驱动控制方便、结构紧凑，整体重量可以得到很好的改善。鉴于集中电机驱动形式与电动轮驱动形式的明显不足，本文开发了一种新型电动客车动力系统。关键词：电动、客车、轮边驱动、电子差速。第一章 电动客车轮边驱动系统在早期开发的电动轿车和电动客车上，为了缩短电动汽车的开发时间，主要集中力量研究和开发电动汽车的电气单元技术装备，充分利用已有内燃机轿车或客车的驱动系统和底盘以及已有的总成来加速电动汽车的开发。因此，20世纪七八十年代的电动汽车大多采用的是电动机前置、驱动轴后置、电动机轴与驱动轴相互垂直的驱动形式。在这种驱动系统中，除电气单元技术装备外，依然采用了内燃机汽车的变速箱、驱动轴和差速器等总成，其布置形式依然表现为重量偏重、没有较高的优势可言。电动机本身具有调速的功能续保留内燃机汽车必须使用的变速箱就显得累赘了。为了减轻电动汽车的整车质量，出现了电动机轴与驱动轴相互平行的驱动形式。这样的设计能充分利用电动机的调速特性，简化驱动系统的结构，使电动汽车的驱动系统能够更加简化和紧凑。由于轮毂电机的引入，整车的非簧载质量显著增加（一般增加约15kg） ，而且由于电机力矩波动直接作用车轮（或者经过减速机构），在特定大扭矩转速区间，容易引起悬架前后方向的共振;与集中电机和传统内燃机相比，轮边驱动系统电机重心位置低，且存在相互旋转表面，因此密封困难，整车涉水能力不强；轮边驱动系统的轮毂电机一般只经过轮胎一级减振，系统对电机允许最大振动加速度要求大，疲劳寿命要求高；由于轮毂电机转子构成了车轮的转动惯量，影响了车辆的加速性能。相比而言，轮边驱动电动车具有独特的优势，这也是国内外各大汽车生产商和研究机构热衷于此的一个重要原因，自20世纪初保时捷开发第一辆轮边驱动电动车以来，由于驱动电机及控制技术进步，悬架设计理论的成熟，轮边驱动系统在轻量化、一体化、高效率化取得很大进步。因此本设计也主要针对轮边驱动系统展开必要的分析与研究。主体思路为，由于客车属于大型运载车辆，因此设计时应尽量减轻整车的机械部分的重量，以提供更大的云在空间，用电子控制方式代替机械传动控制方式，尽量补偿电动客车在电池上的重量与加工成本，尽量做到人们所需要的经济性与节约性。有些研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个热点。 电动客车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。采用轮边驱动电机驱动方式的悬架效果图整车轻量化设计，最大限度的提高乘客运载数量与客车续驶能力对比传统的复杂的发动机系统，轮边直驱客车具有生产成本低，可靠性高，机身轻量化的优点，永磁无刷电机更是电动机中的佼佼者，具有寿命长，低维护成本，噪音小，对环境没有污染等特点。是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。面对城市公交或者复杂路面的交通状况，能够轻松应对。同时，解决非簧载质量过大最根本的方法就是从根源上进行解决。随着科学的进步，针对非簧载质量问题，我们需要做跟深入的研究。（二）轮边驱动系统新方案研究通过与不同驱动源的组合，轮边驱动系统可以应用在不同形式的电动车上，驱动方案有多种形式，具体可以分为4轮轮边驱动型、2常规驱动轮2轮边驱动轮、2 前轮短半轴加轮毂电机2后轮轮边驱动和短半轴形式。按照轮边驱动系统的结构特点可以分为常规固态连接型、动态吸振型、短半轴型、盘型等。常规固态连接型由于受到功率密度、齿槽效应、磁性材料特性和轮辋空间尺寸的限制，提供转矩功率的空间非常有限。短半轴型由于将轮毂电机悬置于车身上，从而转化为簧载质量，从根源上解决了非簧载质量过大问题，但是由于增加了短半轴及相应连接部件，成本相应增加，传动效率稍微降低，将是未来发展的一个重要方向。盘型主要采用盘式电机。盘式电机能够将定子转化为簧载质量，因此明显改善车辆的垂向性能，但是由于转子和车轮之间需要一个短半轴，成本增加；同时由于转子和定子之间存在不对中，提高了设计难度。1991年与东京电力公司共同开发的4座电动汽车IZA，采用Ni2Cd电池为动力源，以4个额定功率为6.8kW、峰值功率达到25kW 的外转子式永磁同步轮毂电机驱动， 最高速度可达176km /h；1996年，该小组联合日本国家环境研究所研制了采用轮边驱动系统的后轮驱动电动汽车ECO，该车的轮边驱动系统选用永磁直流无刷电动机，额定功率为6.8kW，峰值功率为20kW，并匹配一行星齿轮减速机构；2001年，该小组又推出了以锂电池为动力源，采用8个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动轿车KAZ。该车充分利用电动轮驱动系统布置灵活的特点，打破传统，安装了8个车轮，大大增加了该车的动力，从而使该车的最高速度可以达到311km /h。KAZ的轮边驱动系统采用高转速、高性能内转子型电动机，其峰值功率可达55kW， 0100km/h 加速时间达到8s。为了使电动机输出转速符合车轮的实际转速要求， KAZ的电动轮系统匹配了一行星齿轮减速机构，2004年，该小组又推出了电动车Eliica，该车采用8个轮毂电机直接驱动，060km/h加速时间仅为4s，最高车速达到370km/h，在良好工况下甚至可以达到400km/h。由以上资料可知，在现有的技术前提下，采用轮边直驱电机是能够满足大型运载客车的动力需要的，而国内已经具有成熟的技术，使单体永磁无刷电机的功率最高达到400KW的记录，为解决非簧载质量的缺陷，永磁无刷电机无疑是最佳的选择。传统车辆内燃机输出能量的约10%在车轮传递过程中损失，本设计中轮边直驱电机不紧不会浪费能量的传递损失，而且重新设计能量回收系统，对制动的动作做了部分研究，通过无级变速调速系统，使制动浪费的能量，通过发电机对其回收。第一章 轮边驱动系统电路设计针对大功率运载客车，无疑需要提供更加充足的动力，其关键部分在于电子控制电路的设计，本设计采用双中央处理器方式，将电能直接转化为轮毂上的转矩，从而使客车具有良好的动力性能。在电池组的选择上，选用先进的里聚合物电池作为动力源，在当今的社会，锂聚合物电池也是锂离子电池的一种，它具有其他很多电池不可比拟的特性：工作电压高，锂离子电池的工作电压在3.6V，是镍镉和镍氢电池工作电压 的三倍。比能量高。锂离子电池比能量目前已达140Whkg，是镍镉电池的3倍镍氢电池的1.5倍。循环寿命长。目前锂离子电池循环寿命已达1000次以上，在低放电深度下可 达几万次，超过了其他几种二次电池。自放电小。锂离子电池月自放电率仅为6-8，远低于镍镉电池(2530)及镍氢电池(3040)。 无记忆效应。可以根据要求随时充电，而不会降低电池性能。对环境无污染。锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。由于锂聚合物电池电池组的体积庞大，所以选择设计在乘客座位下车身的底部，这样可以节约出一定的空间来承载乘客，如果客车运用在城市公交系统中，也能提供更加方便的交通出行。充电时选择固定充电站，搭配车载平衡充电系统，对电池进行快速充电，有资料记载，如果使用快速充电，锂聚合物电池电池汽车可以在10分钟之内，即可达到电池容量的80%，这无疑为乘客提供更多宝贵的时间。无刷电子调速器的选择，更是设计的重点，如今模型上大多使用无刷电机提供动力，因其具有非常高的效率而深受广大模型爱好者的喜爱，本设计同样采用大功率可控硅作为功率管，对轮边驱动电机执行控制速度功能。同时，由于改变了传统的机械差速器方式，电子差速器的投入使用，更是壳体研发的重点，在本设计中，电子差速器编程，中央处理器缓启动功能，借以轮边系统中辅助起动系统功能，使得车辆从静止到行进过程中，对动力系统的巨大考验。电子差速，缓启动功能，电机运转状况等都有处理器1来执行，通过程序编程，还可以执行差速锁功能，这样能够使车辆在打滑或者爬坡时，一面轮胎快速滚转，而另一面轮胎静止不动的，动力分配不均问题，现阶段差速锁功能已经运用到各种越野车型中。本文所介绍的差速锁不是机械差速锁，而是电子差速锁，这样能够更加准确而具有先进性。 处理器1中，还要沿袭人们挂档与踩离合器的习惯，这样能够使得客车更加舒适。也会避免人们不习惯新车型的习惯，档位采用开关接触方式，并模拟器成真实挂档时的手感，通过程序编程，对车辆速度进行可调节式模拟，车辆的起速与加速都会得以一定的改善；离合器采用PCM信号采集方式，运用可调变阻器对驾驶员踩下离合器的角度、角速度等进行信号模拟，最终输入到处理器1中，从而进行信号的通断。处理器2主要要负责制动、信号采集、电池组的分配以及能量回收无级变速系统中的制动与发电机能量调节功能。在城市公交系统中，时常性的制动刹车动作，是驾驶员必须要熟练掌握与操作的，而客车本身的惯性、与突如其来的意外发生的情况通过调整制动与发电机之间的能量分配，从而达到能量回收的目的。另外可以选择新式自动档加速程序，在处理器2中设置相应程序与开关按钮，在自动挡与手动档之间切换，以适应更多习惯的驾驶员。机械连接机构中，则包含刹车片制动刹车以及无级变速发电机系统的减速机构。配合曲线调节工能将本会浪费的能量更好的利用起来.第二章 能量回收系统 在当今社会发展的进程中，大型化、高档化低地板低排放低油耗、造型现代化、乘客服务电子化，己成为我国名优城市公交客车的主要发展趋势，并逐步与国际大都市接轨。公交车辆向大型化发展由于传统铰接式的大型公共汽车占地面积较大，转向半径大运行不灵活，己在一些大城市部分线路退出营运，并逐步被111 2米长、载客1O012O人左右的大型城市客车所替代。例如：双层巴士成功地解决了载容量大与转向灵活这对矛盾以其良好的车内视觉效果，成为乘客旅游观光喜爱的交通工具。本设计采用无级变速发电机系统，即在驱动轮与发电机的连接系统中，加入了一套无级变速机构，当驾驶员采取制动措施时，随之变化的不仅是轮毂上的刹车盘，还有与之相匹配的一套全自动减速系统，并将这一能量传递给发电机，从而使得本会浪费的能量被重新再利用下图为能量回收系统草图：通过无级变速系统齿轮传动比的改变，就可以相应的得到传到发电机上能量的变化，刹车制动与发电机能量的比值，也可以成为“能量回收比”，该比值越大，表明发电量越少。反之则表明变速系统里主动轮偏大，获得更大的齿轮比，从而获得更多的回收能量。因无级变速系统采用液压控制方式，结构会略显复杂，本设计也可采用环形锥盘式变速系统，具有灵活高效率的特点。能量回收比调节功能：繁华的街道，公交车不得不频繁的刹车与面对紧急情况，有些有经验的驾驶员会选择在未靠近红绿灯时，就选择关闭发动机，让车辆依靠惯性继续向前滑行，这种方式必定能节省很多的燃油，也能减少尾气的排放，但这种情况并不是唯一能解决能量回收利用的唯一方法，而是驾驶员充分的驾驶技巧与经验的基础上的。而更多的驾驶员会面对紧急刹车的情况，因此，能量回收系统的设计研究，也是本设计的研发重点。在现有的技术基础上，采用发电机回收系统，对本会浪费在制动上的能量，通过变速调节机构，改变齿轮传动比从而面对“变速中”的客车能量回收难题。因此我们引入“能量回收比”的新概念。如右上图所示：发电机系统与刹车盘制动系统并存，此时，通过调节按钮，可以调节两条蓝色曲线的各自位置，通过视频显示器显示出曲线所在位置。图中表示的是一种通常状况下的曲线，表明当刹车角度达到A点时，发电机系统与刹车盘制动系统所吸收的能量相等，当制动角度小于