纯电动公交车驱动系统的结构关与设计.doc
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1、湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文纯电动公交车驱动系统的结构与设计2011姓名:张涛湖北汽车工业学院指导老师:王贵山教授2011-9-22 摘要面对日趋严重的能源短缺与环境恶化问题,新能源车辆的开发利用愈来愈受到各国政府和工业界的高度重视。在这种背景下:清洁无污染、零排放的纯电动公交车成为当今最有发展前途的交通工具之一。纯电动公交车作为一种有限能量电源供电系统,其能量控制与利用:即能量管理和动力问题的研究意义十分显著,正成为电动公交车领域研究的热点问题。随着电力电子技术和计算机技术在汽车领域中的推广和应用,纯电动公交车的动力系统系统不断完善。本文介绍了EQ6102纯电动公交的整车结
2、构,包括电气及控制系统和机械系统。电气及控制系统包括低压电气系统、高压电气系统和整车控制与能量管理系统。该车采用高性能水平磷酸铁钒锂电池,并且对电池包进行了专门分析和设计。转向系统采用整体电动液压式动力转向系统,既节约了能耗又使转向轻便。完成了电气系统参数的匹配计算,包括电动机和电池参数的选择。关键字:公交车、电机驱动系统、能量管理、匹配参数、AbstractAbstract: Faced with increasingly serious energy shortage and environmental degradation, development and utilization of
3、 new vehicles become more and more governments and industry attention.In this context, clean pollution-free, zero-emission electric cars become the most promising of transport.Pure electric vehicles as a limited energy supply system, its control and use of energy, energy management and power issues
4、that the research is very去significant sense, the field of electric vehicles is becoming a hot issue.With the power electronics and computer technology in the automotive sector in the promotion and application of pure electric vehicle powertrain system of continuous improvement.This article describes
5、 the EQ6102 pure electric bus in the vehicle structure, including electrical and control systems and mechanical systems. Electrical and control systems, including low-voltage electrical systems, high voltage electrical system and vehicle control and energy management system .High levels of car use v
6、anadium lithium iron phosphate batteries, and battery pack for a special analysis and design.Steering system using integrated electro-hydraulic power steering system, which saves energy and so turned to light.Completion of the electrical system parameters matching calculation, including the choice o
7、f motor and battery parameters. Keywords: Bus, New Energy,Motor Driven Propulsion, Energy Management, Matching Parameters.目录摘要- 2 -Abstract- 3 -目录- 4 -第一章 绪论- 7 -1.1目的及意义- 7 -1.2国内外发展状况- 8 -1.2.1纯电动公交车发展历程、国外发展现状.- 8 -1.2.2国内发展现状.- 8 -1.3纯电动公交车的基本结构和关键技术- 9 -1.3.1纯电动公交车的基本结构- 9 -1.3.2纯电动公交车的关键技术- 11
8、 -1.4课题来源- 12 -1.5本文主要研究内容- 12 -第二章 纯电动公交车的能量管理系统- 13 -2.1纯电动公交车的能量- 13 -2.1.1电池发展现状- 13 -2.1.2电池的匹配选择- 14 -2.2电池包的性能及优化设计- 17 -2.2.1 电池包的结构介绍- 18 -2.2.2锂离子电池包热管理的重要性以及管理内容- 19 -2.2.3电池包热管理系统分析与设计- 20 -2.3充电技术- 27 -2.3.1 纯电动公交车充电系统分类- 27 -2.3.2 纯电动公交充电系统构成- 29 -2.3.3电动公交车对充电技术的要求- 30 -2.3.4电动公交车快速充电
9、技术原理介绍- 31 -2.4能量管理与控制- 33 -2.4.1.电池管理系统分析- 34 -2.5线束的安全与设计- 37 -2.5.1整车电路设计- 38 -第3章纯电动公交车驱动系统设计及匹配- 45 -3.1电机驱动系统布置方式与系统构成- 47 -3.1.1机械驱动布置方式- 48 -3.1.2机电集成化驱动布置方式- 48 -3.1.3机电一体化驱动布置方式- 49 -3.1.4轮毂电机驱动布置方式- 50 -3.1.5电动公交车驱动系统的构成- 51 -3.2电动公交车对其驱动系统的特殊要求- 52 -3.3电动公交车电机驱动系统分类与选择- 52 -3.3.1直流电机驱动系统
10、- 53 -3.3.2交流感应电机驱动系统- 53 -3.3.3永磁同步电机驱动系统- 54 -3.3.4开关磁阻电机驱动系统- 54 -3.3.5电动公交车电机驱动系统的选择- 54 -3.4三相异步动机电- 56 -3.5客车整车参数及性能指标- 59 -3.6电动机参数匹配- 60 -3.6.1电动机峰值功率及额定功率的匹配- 60 -3.6.2电动机额定转速及最高转速的选择- 64 -3.6.3电动机额定电压的参数选择- 64 -3.6.4匹配结果- 65 -3.6.5传动系参数匹配- 65 -3.7控制器- 65 -3.7.1电动公交车电动机控制器系统组成- 65 -3.7.2直流电
11、动机转矩控制- 65 -3.7.3.电动公交车电动机的智能转矩控制- 66 -3.7.4电动公交车电动机控制现状及未来展望- 67 -3.8动转系统- 69 -3.8.1电动转向的基本概念- 69 -第4章全文总结及研究展望- 73 -4.1全文总结- 73 -4.2研究展望- 74 -致谢- 74 -参考文献- 75 -第一章 绪论1.1目的及意义汽车工业蓬勃发展的150年里极大的改变了人们的生活方式,提高了人们的生活质量,同时也给我们带来了巨大的财富,促进了经济的发展。汽车技术的进步也极大的促进了机械、电子、化工等相关科学技术的进步。可以说,汽车的出现改变了整个世界的面貌。我国汽车工业面临
12、产业结构调整和可持续发展的压力,存在产业安全及经济安全等问题,形势十分严峻。一方面,石油安全成为我国汽车工业发展的第一制约因素。2009年,我国石油对外依存度接近52%,预计未来会进一步增大。另一方面,我国汽车产业面临严峻的节能、减排和减碳压力,传统汽车技术水平与国际先进水平相比还有较大差距,油耗和碳排放将成为我国汽车走向世界的主要障碍。电动公交车资源消耗低、环境污染少,世界各国纷纷投入巨资发展电动公交车产业。我国政府也非常重视发展电动公交车,通过“九五”、“十五”“十一五”的发展,现已具备了电动公交车产业化的技术基础,“十二五”计划又把电动新能源列入计划,在今年的全国“两会”上,新能源车无疑
13、的成为汽车有关话题的亮点。电动车的发展进入快车道,但电动公交车产业发展还是由于技术问题受到了一定的制约。纯电动公交车是由蓄电池输出电能,采用电动机驱动,单一动力源的汽车。其具有零排放的特点,与燃料电池汽车,混合动力汽车相比,具有许多共同的关键性技术,整车结构相对简单,成本较低,特别适用于城市运行工况,因而对纯电动公交车的研究具有重大意义。在纯电动客车生产过程中,电池技术和动力系统参数匹配和结构改进是保证车辆整车性能的重要环节。动力系统参数匹配决定车辆的动力性能,而电池技术的改进对提高汽车储能容量具有很大影响。本文从以上两个方而分别完成动力系统匹配计算及结构改进,并对纯电动客车整车性能进行了研究
14、。在参考大量国内外纯电动公交车相关资料的基础上,根据电动车项目技术指标要求,完成了EQ6102型纯电动客车的动力系统概论。1.2国内外发展状况1.2.1纯电动公交车发展历程、国外发展现状.电动公交车起源于一百多年前,1873年英国首先制造了使用铅一锌一次性蓄电池的电动公交车。其后产生了内燃机汽车,形成了电动公交车与内燃机汽车并存的局而。二十世纪初,随着内燃机技术的不断发展,内燃机汽车的性能得到改进和完善,电动公交车由于其有限的续驶里程和较差的动力性能而逐渐为内燃机汽车所代替,其应用也仅限于一些特殊领域,但人们对电动车的研究、开发工作并没有停止。二十世纪70年代开始人们普遍关注的环境保护问题及8
15、0年代出现的石油危机又引发了人们对电动公交车的兴趣,从此,世界各国特别是欧美等发达国家开始投入大量的人力、物力、财力对电动公交车进行研发,并取得了一定的成就。1.2.2国内发展现状.国内电动公交车的研究始于60年代。1966年上海公交公司和有关科研单位合作试制了一台电动公交车。1977年上海车辆管理所与吉林工业大学(现吉林大学)合作试制SHD170型微型电动公交车,最高车速为40km/h,连续放电续驶里程为70km,该车采用ZXQ型串励直流电机、可控硅控制系统、铅酸蓄电池。1983年上海汽车拖拉机研究所试制SHD610型轻型厢式电动公交车,最高车速为42km/h,续驶里程为79km,铅酸电池,
16、串励直流电机,其致命弱点是蓄电池比能量低,寿命短,它严重制约了整车性能。在80年代末到90年代初,国家科委和国家计委分别立项,组织汽车研究单位、高等院校等与生产厂家联合研制开发电动公交车。1992年天津汽车研究所试制了微型厢式电动车;清华大学在国家计委支持下,开发研究铅酸电池、永磁直流电机驱动的中型厢式车;武汉长江动力公司研制的88座直流电机驱动的双层电动大客车;上海新联电动车公司和新联电动车研究所研制的全密封管状蓄电池、直流电机驱动的电动微型轿车等。随着我国综合国力的增强,国家对电动公交车的投入不断加大,科技部在“十五”国家高技术研究发展计划(863计划)中,特别设立了电动公交车重大专项,组
17、织清华大学、吉林大学、北京理工大学等高等院校和科研机构同企业一起联合攻关,使国内电动公交车的研制和开发取得了很大的进步。如吉林大学和长春一汽集团联合研制的解放牌CA6110HEV型混合动力客车,该车采用德国道依茨DeutzBF4M1013FC型小排量发动机和一台80kw电动机,百公里油耗为25.9L(北京城市循环工况);北京理工大学研制的BFC6110-EV电动旅游客车,该车采用100kw驱动电机,388.8V、600Ah的锂离子动力电池,最高车速达到95km/h,续驶里程306.7km;另外,天津大学、湖北汽车工业学院及相关科研院所也投入一定的人力物力进行电动公交车的研制工作。但国内目前的研
18、究水平与国外的先进车型和资金投入比较还有一定的差距。1.3纯电动公交车的基本结构和关键技术1.3.1纯电动公交车的基本结构电动公交车系统由三个子系统组成,即电力驱动子系统,主能源管理子系统和整车控制子系统(如图 1-1) 。其中,电力驱动子系统又由电控系统、电动机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成;主能源管理子系统由主电源和能量管理系统组成,能量管理系统是实现能源利用监控、协调控制等功能的关键部件;而整车控制子系统(整车控制器 vehicle control unit) ,它接受驾驶员的踏板信号和其它信号,然后作出相应的判断,控制下层各个部件作出动作,驱动汽车正常行驶,并尽可能实现比较高的能量
19、使用效率。电动公交车与传统汽车相比结构简单。传统汽车的动力是通过刚性联轴器和传动轴传递的,而电动公交车的能量则基本上是通过柔性的电缆传输的,并且其电动机及传动系可以有多种不同的选择,因此电动公交车各个部件的选择和布置有很大的灵活性。根据其动力系统组件的多少和布置形式可把电动公交车可分为以下四类:第一类为常规(传统)型纯电动公交车,其动力传递路线如图1-2。 这类电动公交车是最早的形式,可直接由传统汽车改装得到。其特点是仅用电动机和蓄电池系统取代传统的内燃机和燃油系统,由于保留了传统内燃机汽车的变速器、主减速器和差速器等,因此对电动机的要求低。图 1-2 常规型纯电动公交车动力系统系统结构简图
20、第二类为无变速器型电动公交车,其动力传动路线见图1-3。 这类电动公交车的特点是用电动机和蓄电池系统取代传统的内燃机和燃油系统,电动机通过行星齿轮减速器或单级式减速器直接连接到传动轴,通过电动机的控制实现变速功能,虽然减少了整车的质量,但要求电动机的低速大扭矩性能要求较高。1.3.2纯电动公交车的关键技术1动力电池的性能 动力电池是纯电动公交车最主要的能量源,其性能直接影响整车动力性,是电动公交车发展的关键技术。其性能指标主要包括比能量、能量密度、比功率、功率密度、循环充放电次数及成本等。2驱动电机性能驱动电机的任务是在驾驶员的控制下,高效率的将动力电池储存的电能转化为机械能,或者在能量回收过
21、程中将机械能转化为电能反馈到动力电池中。电动机种类繁多,有多种分类方法,本文根据有无换向器将电动机分为两大类(如图) ,并将可作为纯电动公交车驱动电机的用黑体字表示。1.4课题来源本课题来源于东风旅行车公司的新能源计划项目。随着我国对汽车产业的重视以节能减排重视程度不断加深,原有汽车排放模式对环境污染造成很多负面影响,电动公交车的发展已经成了社会迫切需要。本课题主要对纯电动公交车的动力系统进行系统的概论分析,简明扼要地反映出动力系统中的新技术。样车的技术指标:最高车速80km/h,0-50km/h的加速时间_18s,最大爬坡度大于28%,续驶里程大于等于230km。1.5本文主要研究内容对电池
22、包进行了专门分析和设计。转向系统采用整体电动液压式动力转向系统,既节约了能耗又使转向轻便。完成了电气系统参数的匹配计算,包括电动机的选择。第二章 纯电动公交车的能量管理系统本节的研究主要针对电动公交车电池包内部电池模块的布置,同时研究了冷却结构的设计。并对电池包热管理做了相关分析和归纳总结,指导电动公交车电池包的设计。同时对电池包的热管理系统设计方法做了相关的归纳总结,总结出最佳的设计流程。并且针对有利于电池包热管理的电池选型作出相关介绍,指导电池的设计。2.1纯电动公交车的能量2.1.1电池发展现状现阶段在电动公交车车用蓄电池的应用方面锂离子电池已经完全占据了主导地位。除了一些场馆车仍旧使用
23、铅酸电池,或者一些中、轻度混合动力汽车使用镍氢电池作为车载动力电源外,无论是PHIEV也好。还是BEV,都把锂离子电池作为了车载动力电源的首要选择。而在未来的很长一段时间内,锂离子动力电池将会一直占据车载动力蓄电池的头把交椅,锂离子动力电池的应用将会深化到各种类型的电动公交车内。但是,锂离子电池作为电动公交车的储能装置,在实现产业化方面还是存在着一定的瓶颈,一辆能够完全取代传统车的电动公交车,其储能装置至少必须满足能量密度与汽油相当达到lOO1000wh/kg,,功率密度达到3001500W/kg,寿命必须与车相同,工作温度范围要足够宽,能在-4580C内都能运行。此外电池作为储能装置,成本要
24、小于等于100$/kWh,并具有较高的安全性与可靠性,只有这样才能实现真正意义上的产业化。而相对于上述标准,锂离子电池还是有所欠缺的。因此,未来的发展目标是需要通过改进锂离子电池的正极、负极、电解质材料选择与制造工艺,提升锂离子电池的性能与核心竞争力。2.1.2电池的匹配选择如今,国际电动公交车界逐步形成三横、三纵、三系统,的产业框架。三横是指纯电池电动公交车、混合动力电动公交车和燃料电池电动公交车。三纵是指高效能专用电池、先进的电动机技术和信息化的驱动控制系统。三系统是指新型的电动公交车产品设计系统、社会配套与应用工程系统以及新型的能源开发和管理系统。电动公交车的电池,并不只是单纯地指动力蓄
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