纯电动客车动力系统设计

摘要

　　纯电动客车的研发是解决能源危机和环境污染的有效途径，具有重大意义。“城市公交电动化”是未来城市客车的发展趋势，也是缓解城市雾霾的必然要求，实现电动客车全覆盖是国家能源可持续发展的战略布局。但续航里程问题一直制约着纯电动客车的发展，其核心问题是动力系统不够完善。因此，研究一套高性能的动力系统势在必行。

　　本文以纯电动客车 XC6123EVCA 车型研发项目为背景，对整车的动力系统进行研究。

　　本文的主要研究内容为：

　　分析研究了纯电动客车的发展现状和制约因素，提出研发一种高性能的动力系统是促进纯电动客车发展的关键环节。对整车进行了受力分析和数学建模。对动力系统主要部件包括动力电池、驱动电机、传动部分、及车轮进行了合理的选型，数学模型的建立及参数的匹配。

　　分析了蓄电池单一动力源的不足，提出了一种超级电容-蓄电池组合动力源系统，此系统能够将超级电容和蓄电池的优势进行互补，对组合动力源系统的工作主回路进行设计研究，分析研究了组合动力源的性能。

　　设计研究了动力总成控制系统，对电机控制器进行合理些选择和参数的匹配，对动力总成控制系统的软硬件进行设计研究。在 MATLAB/Simulink 环境下建立了动力总成的仿真模型，得出仿真曲线和仿真值，分析了整车的动力性能与预期值进行比较，动力性能指标均达到预期要求。动力系统研究方案圆满通过了公司验收，在整车实际试制过程中对动力总成复审的问题进行了整改。

　　关键词：纯电动客车，动力系统，MATLAB/Simulink，动力总成控制

Abstract

　　The development of electric bus is a effective solution of the environment pollution and energy crisis, which is full of important sense. “Electrification of City Bus ” is not only development trend of city bus, but also necessary way to solve the PM2.5. Realizing the electric bus full coverage is the strategy arrangement of national energy sustainable development. But the range of electric bus still restricts the development of electric bus, the core problem is that the power system is not so perfect. Therefore, it is imperative to develop a high performance power system. The background of this paper is Huang Hai electric bus XC6123EVCA project，study it’s power system.the main researches of this paper can be list as follows:

　　The development status and actors that restrict the development of electric bus are analyzed and researched, that the design of a high performance power system is the key to develop electric bus is proposed. The force analysis and mathematical model of the bus are established. Reasonable selection mathematical models and parameters match are done of the main components of the power system including the battery, drive motor, transmission part, and wheel.

　　The shortcomings of battery single power source are analyzed, and a super capacitor and battery combined power source system which can make complementary advantages of each other is proposed. The main circuit and the performance of the combined power source are analyzed and studied.

　　The powertrain control system was designed and studied. The simulation model of the powertrain is established, and the simulation curves and simulation values are obtained under the MATLAB/Simulink environment.Comparing with the expected values, the dynamic performance index meets the expected requirements. The power system research program successfully passed the company acceptance, and the problem of power system is restructured during the process of actual production.

　　Key Words: Electric bus, Power system, MATLAB/Simulink, Controller

　　世界上第一辆内燃机汽车问世至今已有一百多年的历史。汽车是科技技术发展的产物，它的出现给人类社会带来了翻天覆地变化，最直接的是产生了一种新的产业——汽车工业，至今为止仍是许多国家支柱性产业之一[1]。汽车的发展引起了一场陆路运输划时代的革命，彻底地改变了人们的出行方式，有力地提高了社会生产力的发展效率，大大地提高了人们的生活质量，有效地推动了人类文明的全球交流。但是，传统内燃机汽车在使用过程中会消耗大量的石油资源，并排放出有害尾气，从而加剧了能源危机和环境污染两大亟待解决的问题。

　　随着社会的进步和经济的发展，人们对汽车的需求也越来越大。据公安部交管局统计，截至 2016 年底，全国机动车保有量达到 2.9 亿辆，其中汽车 1.94 亿辆，机动车驾驶人超过 3.6 亿人，汽车驾驶人超过 3.1 亿人。全国有 49 个城市汽车保有量超百万辆，18 个城市汽车保有量超两百万辆，6 个城市汽车保有量超三百万辆。

　　目前，全球汽车行业发展势头依然迅猛，国内更是增长迅速。汽车保有量的增加势必造成能源短缺、环境污染等严重问题[2]。目前备受关注的雾霾天气日益严重，而汽车尾气的排放是雾霾形成的重要因素。由此可见，传统内燃机汽车在行驶过程中所产生的尾气不仅污染了空气也对人的身体健康产生了直接的危害。因此，世界各地正加大精力去探索解决能源危机和环境污染的有效途径。寻求一条清洁、环保、可持续的发展道路势在必行。纯电动客车的研究是解决环境污染和能源危机最有效的途径，发展纯电动客车具有全球性战略意义。关乎全球的平稳发展，关乎人类的长久生存。

　　与传统内燃机汽车以发动机为动力核心不同，纯电动汽车的动力核心是蓄电池，把电能转化为机械能驱动汽车。与内燃机汽车相比，纯电动汽车具有以下优势：

　　（1）环保

　　纯电动汽车在行驶过程中可以做到零排放，对空气的污染几乎为零，即使按所消耗的电能换算到电厂发电造成的污染也远远小于内燃机汽车在行驶过程中产生的污染，因为电厂的能源转换效率更高，而且集中排放便于安装治污装置。

　　（2）能源消耗小

　　传统内燃机汽车消耗的是不可再生能源石油，过度的开采必然导致能源的枯竭，而电动汽车以清洁的可再生的电能为动力源，可有效地减缓能源危机。

　　（3）振动噪音小

　　电动汽车的振动和噪音都要比传动内燃机汽车小，舒适性高于传统汽车，同时也有助于提升汽车的 NVH 性能。

　　（4）结构简单

　　电动汽车不再需要传统汽车复杂的传动机构，节省了空间维护起来也更加方便。

　　而且，电动汽车更加便于实现四轮驱动。

　　（5）加速快

　　电动汽车比传统汽车起步加速更加迅猛。

　　综合以上，纯电动汽车的研究关乎能源和环境这两大世界性尖锐难题，具有重大意义，具有很高研究价值，也具有巨大实用意义，是当今乃至未来汽车行业研究的主流方向。

　　在分析了纯电动客车的发展和现存的问题之后，本文的研究工作主要围绕制约纯电动客车发展的关键因素展开，即研究一套高性能的动力系统。

　　对整车进行了受力分析和数学建模。对动力系统主要部件包括动力电池、驱动电机、传动部分、及车轮进行了合理的选型，数学模型的建立及参数的匹配。

　　分析了蓄电池单一动力源的不足，提出了一种超级电容-蓄电池组合动力源系统，研究了超级电容在电动起汽车中没有得到广泛应用的原因，选取了一种性能优越的新型的超级电容器，此系统能够将超级电容和蓄电池的优势进行互补，对组合动力源系统的工作主回路进行设计研究，分析研究了组合动力源的性能。

　　设计研究了动力总成控制系统，对电机控制器进行合理些选择和参数的匹配，对动力总成控制系统的软硬件进行设计研究。

　　动力系统的关键部件选取完成之后，设计出一套完整的在 MATLAB/Simulink 环境下建立了动力总成的仿真模型，得出仿真曲线和仿真值，分析了整车的动力性能与预期值进行比较，动力性能指标均达到预期要求。

　　动力系统研究方案圆满通过了公司验收，在整车实际试制过程中对动力总成复审的问题进行了整改。

　　纯电动客车动力系统设计仿真：

主减速器模型

超级电容仿真模型

组合动力源系统仿真模型

驱动电机仿真模型

电机的仿真曲线图

主减速器模型

传动轴器模型

车轮仿真模型

系统于不同电压下系统的转矩转速仿真图

系统于不同电压下系统的功率转速仿真图

系统驱动效率

目录

　　摘要
　　Abstract
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 纯电动客车研究背景及意义
　　　　1.2 纯电动汽车发展现状
　　　　　　1.2.1 纯电动汽车的国外发展现状
　　　　　　1.2.2 国内电动汽车发展现状
　　　　1.3 纯电动客车公害准则和面临的难题
　　　　1.4 纯电动客车动力系统组及结构特点
　　　　1.5 本文主要工作
　　第 2 章 动力系统主要部件的选择、建模及参数匹配
　　　　2.1 整车参数及动力性能指标
　　　　2.2 整车的受力分析
　　　　2.3 驱动电机的选择
　　　　　　2.3.1 驱动电机的种类
　　　　　　2.3.2 PSM 数学模型的建立和参数匹配
　　　　2.4 电机控制器的选择
　　　　2.5 传动系统的选择
　　　　　　2.5.1 电动客车的驱动方式
　　　　　　2.5.2 驱动桥的选型和参数匹配
　　　　2.6 车轮的数学模型
　　　　2.7 动力电池的选择
　　　　　　2.7.1 蓄电池的种类及其特点
　　　　　　2.7.2 本研究选用的电池及数学模型的建立
　　　　2.8 超级电容-蓄电池组合动力源系统的提出
　　　　2.9 本章小结
　　第 3 章 超级电容-蓄电池组合动力源系统研究
　　　　3.1 超级电容数学模型的建立
　　　　3.2 超级电容的选择
　　　　3.3 超级电容-蓄电池组合动力源系统设计
　　　　　　3.3.1 组合动力源系统形式的选择
　　　　　　3.3.2 超级电容-蓄电池组合动力源系统数学模型的建立
　　　　3.4 本章小结
　　第 4 章 MATLAB/Simulink 环境下的动力总成仿真
　　　　4.1 动力系统仿真39
　　　　　　4.1.1 蓄电池仿真模型
　　　　　　4.1.2 超级电容仿真模型
　　　　　　4.1.3 超级电容-蓄电池组合动力源仿真模型
　　　　　　4.1.4 驱动电机仿真模型
　　　　4.2 传动系统仿真模型
　　　　　　4.2.1 主减速器模型
　　　　　　4.2.2 传动轴仿真模型
　　　　4.3 车轮仿真模型
　　　　4.4 整车动力性能仿真
　　　　　　4.4.1 整车仿真模型
　　　　　　4.4.2 整车动力性能仿真曲线
　　　　　　4.4.3 动力系统性能仿真结果
　　　　4.5 动力系统主控制器的选择
　　　　4.6 本章小结
　　第 5 章 动力总成布局结构设计及试制过程问题整改
　　　　5.1 动力总成结构设计及试制情况
　　　　　　5.1.1 动力总成布局结构设计
　　　　　　5.1.2 动力总成试制安装情况
　　　　5.2 评审问题及改正
　　　　5.3 成品车及性能测试
　　第 6 章 结论
　　参考文献
　　在学研究成果
　　致谢

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