纯电动汽车建模与仿真研究文档格式.docx
《纯电动汽车建模与仿真研究文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纯电动汽车建模与仿真研究文档格式.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
Abstract
Therapiddevelopmentofautomobileindustrybringsintenseattentiontoenergyandenvironment.ThepureEV（electricvehicles）,withitsadvantageoflownoise,freecontamination,diversificationandhighefficiencyinenergy,isamajorwaytosolvetheautomobileproblemsinurbanization.
Thisthesismainlyintroducesthepresentsituationofelectricvehicles,analysesthekeytechnologyonthedevelopmentofmodernpureEVandproblemswearefacing,thenillustratesspeedingupthepureEVisanefficientpathtorelievethestressonenergyandenvironment.Thentheplatform—MATLAB/Simulinkforthedevelopmentofverificationsystem,includingitsdevelopmentinterface,datastructure,mainfunctions,featuresandtheapplicationinthesystemisintroduced.Andthen,thisthesisintroducestheresearchanddevelopmentofmodelingandsimulationofelectricvehicle,analysestheprincipleandimplementofoptimizationdesigninMATLAB.Themathematicsdescriptionforthoseoptimizationproblemsarealsogiven.Finally,aconclusionofthisthesisisgivenandsomerelatedissuesandfutureworkinthisareaarealsoaddressed.
Keywords:
Pureelectricvehicle;
Newenergy;
Simulation;
Modeling;
1绪论
1.1电动汽车概述
1.1.1传统汽车面临的挑战及对策
汽车自诞生起已有100多年的历史，其发展速度不断的加快，与人们的联系越来越紧密。
汽车已不再是一个简单的代步运输工具，已成为许多人的生活必需品和文化生活的一部分，甚至成为一些人的流动办公室。
汽车的普及程度和技术水平已成为一个国家或地区现代化程度的标志。
汽车工业在当代世界经济活动中发挥了巨大的作用。
但与此同时，汽车工业的发展所带来的石油危机和环境污染等问题也日益严重，在我国显得较为突出。
2010年全国城市环境综合整治定量考核结果显示，全国地级以上城市，空气达标比例为71．6％，还有近30％地级以上城市空气品质未达到合格标准。
据环境部门统计达标结果表明，大气污染42％的来自于交通运输，按照国家环保中心预测，2011年汽车尾气排放量将占空气污染源的64％。
2010年我国消耗石油4亿吨，居全球第二。
显然，汽车的大量使用带来了环境污染、能源消耗等许多负面影响。
汽车面临的挑战之二就是能源供应问题。
从人类对可持续发展的观点的出发，人类应设法减少对有限的石油资源的消耗，并且应积极研究石油枯竭后汽车的能源问题。
目前世界范围内使用的主要能源有石油、煤、天然气、核能（原子能）、水能、风能以及可再生资源等。
虽然每年都有新的油田、气田的发现，但是这些资源都是有限的，总有一天会消耗殆尽。
我国面临的形式也十分严峻，国内的石油储藏量和开采量相当有限，随着汽车保有量的增加，石油需求越来越多，目前已不能自给，不足部分主要通过进口来满足，而且每年成递增趋势。
由于电动汽车具有突出的环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。
电动汽车使用的能源是可以用于发电的一切能源。
因此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给有保障。
电动汽车在解决道路交通事故方面和传统汽车相比也具有一定优势。
因此，开发电动汽车是迎接汽车面临挑战的重要对策之一。
1.1.2电动汽车的概述
电动汽车作为一种交通工具，最早出现在1873年的欧洲，这比内燃机汽车早了十几年。
到二十世纪初在欧洲普及，与蒸汽动力车、内燃机汽车平分秋色。
直到二十世纪二十年代初，随着内燃机技术的进步，使燃油汽车的综合性能大为提高。
与此同时，由于蓄电池技术发展缓慢，制约了电动汽车的发展。
此消彼长，电动汽车渐渐退出竞争市场，仅在码头、机场、车站、仓库、工厂等特殊场合使用。
到二十世纪六十年代，电动汽车的保有量只占世界汽车总量的0.3%。
从20世纪20年代初至60年代末，电动车的发展进入了一个沉寂期。
进入70年代以来，石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点。
尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性的进展，但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改善其性能。
现在，能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。
为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发的投资力度，加快电动车的商品化步伐。
电动汽车具有污染小、噪音小、节约能源，结构、控制和维护简单的特点，较之燃油汽车有其突出的优点：
1.燃油汽车排放的废气是主要的空气污染源（约占42%），而电动汽车不产生废气，且不需要冷却剂、机油等会造成污染的物质。
且电动汽车充电可以采用集中式充电方式，容易控制污染源。
2.在拥挤的城市街道，必须不断的停车和启动，对燃油汽车来说，这意味着大量的能源浪费并且加剧了对空气的污染。
而电动车在停车时，不需让电机空转，减速时车辆的动能还可以通过电动机的发电状态回馈为电能，储存于蓄电池之中。
3.燃油汽车噪声大，而电动汽车运行中较为安静和平稳。
4.电动汽车的结构相对于燃油汽车要简单，除定期更换蓄电池外，基本上无须日常保养。
此外，电动车的使用寿命也比普通燃油汽车长。
5.全球性的能源（石油）危机，使燃油汽车的燃料费用日趋昂贵。
虽然目前电动汽车价格高于燃油汽车，但电动汽车运行成本低，从今后的发展和普及推广考虑，其价格将会逐步降低。
目前由于蓄电池、逆变器等关键部件的价格偏高致使电动汽车价格高于燃油汽车，但是电动汽车运行成本低，从今后发展考虑，其价格将会逐步的降低。
因此电动汽车必然成为运输车辆更新换代的方向，电动汽车的推广使用也是当代车辆运输的又一重大改革。
1.2国内外纯电动汽车发展现状
1.2.1国外主要国家电动汽车发展情况
近年来，世界各国为了鼓励电动汽车的生产和使用，实行了各种优惠扶持政策和发展计划，如美国、韩国就拨出巨款，对电动汽车的生产厂家和购买电动汽车的客户给予资助或补贴；
日本则对电动汽车用户的牌照税、养路费以及夜间充电电费等给予优惠；
美国的加州还通过一项强制推广电动汽车的法规，规定汽车总销售量中电动汽车必须占有一定比例，而且该比例逐年上升；
而德国更是发布了由总理亲自挂帅组织实施的电动汽车的发展计划，该计划由政府部门、企业、高校和研究机构共同参与，协作攻克电池、电机、回收利用等技术攻关重点，并确定了到2020年德国将有100万辆电动汽车上路的发展目标。
美、日及欧洲发达国家，纯电动汽车已开始进入实用化阶段。
其中，美国的通用EV-1两座轿车、通用S-10两座皮卡、福特Ranga两座皮卡，日本的丰田RAV-4五座轿车、本田Plus四座轿车、日产Lunnet五座轿车、大发Hi-jet微型面包，法国研制的标志-雪铁龙P106四座轿车等都投入了商业运行。
在2000年，日本公路上就已运行着1000多辆纯电动汽车，美国商业化运行的纯电动汽车己达到6000辆，欧共同体主要城市基本上都有试运行的电动公交车。
电动汽车的前景取决于电池技术的突破，近年来，镍氢、锂离子被相对看好，国外汽车公司投入大量资金进行研究，铅酸、镍镉等传统电池的改进工作也在进行。
美国纯电动汽车研究开发时间较长，投资力度较大。
早在1991年，美国3大汽车公司签定协议，成立先进电池联合体，合作研究电动汽车用电池。
90年代初期，通用汽车公司投入10亿美元开发EV-1型纯电动轿车，并发展到第二代通用EV-I。
该车采用高容量铅酸电池和镍氢电池，137马力、3相AC感应发动机驱动，电调节最高时速可达80公里/小时，一次充电里程75-130公里，完全充电时间5.5-6小时。
1996年通用公司在底特律新建电动汽车生产线，每天生产10辆，至1999年生产950辆纯电动汽车。
福特公司2002年推出全新的TH!
NK都市车。
该车为前轮驱动，采用交流电电控动力系统和单速齿轮减速传动装置，另有一系列充电设备选件，其中110或220伏的插入式充电器为标准配置，220伏的充电器可在6-8小时之内完全充电。
1992年克莱斯勒公司、美国电力研究院与南加州爱迪生公司共同开发50辆电动货车。
日本政府一直很重视电动汽车的发展，很早就制定了电动汽车发展计划。
1991年通产省制定了第三届电动汽车普及计划，用于推动电动汽车的普及与应用，日本各汽车制造商均开始了纯电动汽车的开发。
1997年后日本汽车制造商推出了装载镍氢、锂离子电池的第二代纯电动汽车。
90年代末，丰田公司研制出RAV-4EV型纯电动轿车，其动力装置是一台免维护50kW交流同步电动机，由288V镍氢电池提供电能，充电时间5-6h，最高车速为125km/h，一次充电行驶距离215km。
在纯电动车的基础设施建设方面，国外已经进行了不错的尝试。
日本东京目前有87个充电站，楼宇、路旁的充电桩随处可见。
在美国加州斯坦福大学里，有专供电动汽车充电的停车位，每两个车位之间就有一个充电桩。
而且美国的家庭普遍拥有车库，充电问题更易得到解决。
国内市场方面，纯电动车的发展也在继续，但是任重而道远。
不过我们也相信随着政策的不断落实和企业的一起努力，纯电动车的春天也会到来。
1.2.2我国电动汽车的发展概况
在我国，自“八五”以来，电动轿车、电动公交客车、电动车辆系统设计与开发、子系统与零部件研制、能量存储装置、示范运行和标准制定及政策研究等多方面都取得了诸多成果。
清华大学早在1990年北京国际EV展览会上就展出EV6580型电动小客车，在那以后又为多家汽车制造厂商开发和研制了多种EV、HEV、FCEV等功能样车。
西安交通大学在电动汽车关键技术领域研究开发了15项国家发明专利，正式授权5项。
在电动汽车驱动控制和能量回收技术的研究中，率先将鲁棒控制应用到电动汽车能量回收技术上。
与传统的控制方法相比，鲁棒控制可以方便地同时考虑输入电压变动、负载扰动和其他非线性的补偿，显著提高了车辆的一次性充电续驶里程。
目前在纯电动汽车的电池和电机研制方面，我国与世界先进水平差距较小，有些甚至处于领先地位。
如深圳雷天绿色电动源（深圳）有限公司开发的锂离子电池续驶能力达到300公里，最高时速可达120公里，单台车电池成本4万元左右；
深圳中星汽车制造公司研制的超级纳米碳纤素电池容量是一般铅酸电池的11倍，能量功率之比可达每千克一千瓦时，充电仅需10分钟就可以完成，寿命可达10年以上，价格为锂电池的一半，体积为锂电池的1/3，商业化前景看好。
安徽兆成电动车辆技术有限公司开发的水平极板铅酸蓄电池具有较高的性能指标，已经获得国家专利。
中国科学院北京三环通用电气公司开发出电动汽车专用7.5千瓦电机等。
这些都是中国电动汽车高性能电池和驱动电机技术的重大突破。
在整车开发方面，天津清源电动车辆有限责任公司和一汽天津夏利股份有限公司牵头，中国汽车技术研究中心、天津大学、天津和平海湾公司和天津蓝天高科公司等十几个单位共同参与合作开发出XL2000纯电动轿车。
该车采用天津夏利2000车型和平海湾的镍氢电池、十八所锂离子动力电池技术。
首批开发了5辆达国际先进水平的纯电动轿车，并将在两年内实现产业化。
天津清源电动车辆有限公司和中科院电动所还共同研制成功全国第一辆纯电动中型客车。
该电动客车以二汽东风客车为原车型，单纯以电池为动力源，可载客17人，最大时速可达80公里。
表1.1国内主要小型纯电动汽车研发情况
产品名称
主要参数
主要研发单位
长×
宽×
高（mm）
整备质量（kg）
最高车速（km/h）
最大爬坡度
续驶里程（km）
电池种类
电机种类
夏利纯电动车
4145×
1660×
1510
1300
120
20%
150
锂离子电池
交流异步
天津清源
幸福使者
3395×
1475×
1695
984
50
80
铅酸电池
直流
EQ716OEV
4094×
1682×
1474
1212
110
225
镍氢电池
-
东风电动车辆有限公司
QREV低配置纯度的汽车
83
永磁直流
安徽兆成电动车辆公司
比亚迪电动汽车
4130×
1645×
1551
1500
125
30%
300
永磁无刷直流
比亚迪汽车有限公司
1.3我国发展纯电动汽车面临的问题和挑战
1.3.1电动汽车发展面临的问题和挑战
1.目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100~300公里，并且这个数字通常还需要保持适当的行驶速度及具有良好的电池调节系统才能得到保证，而绝大多数电动汽车在一般行驶环境下的续驶里程只有50~100公里。
比起传统燃油汽车而言电动汽车的较短续驶里程成为其致命的弱点。
2.普通蓄电池充放电次数仅为300~400次，即使性能良好的蓄电池充放电次数也不过700~900次，按每年充放电200次计算，一个蓄电池的寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。
另外，不同类型的电池在性能方面都有各自的优势和不足，例如，铅酸电池成本低，原材料丰富且易于回收，但续驶里程短、加速动力差且寿命短。
镍镉电池加速动力足、寿命较长．但其成本高、可回收性差。
钠硫电池的能量较高，能够提供较长的续驶里程。
但它要求的工作环境较苛刻．并易爆炸。
就整体来看．成熟电池的寿命都相对较短。
3.现有电动汽车所使用的电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和质量。
如果电动汽车自身装备质量大．就会影响加速性能和最大车速的提高。
例如，现有电动汽车电池的外体积一般要达到550L．当把这么大体积的电池用于家庭轿车上时，就必然要挤占轿车的行李厢空间。
4.电动汽车电池技术复杂，成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技术，致使电动汽车的造价居高不下。
电动汽车蓄电池的价格约为100美元／kwh，甚至有的高达350美元／kwh，成本太高，用户难以承受。
5.电动汽车本身虽无排放污染，但其间接污染也是不容忽视的。
如铅酸电池中的铅，从开采、冶炼到生产的排污，都会对环境造成污染。
再如所用电能，相当大一部分来自火力发电，煤炭燃料也会造成大气污染。
1.3.2我国发展纯电动汽车的重要意义
1.能减排目标的重要保障
温室气体排放带来的全球气候变暖问题已引起全世界的高度关注。
为此各国共同签订了《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》，规定各国减少温室气体排放的责任和期限。
而最近的10年来，我国汽车一直保持高速增长态势，汽车保有量以及汽车排放的温室气体都急剧增加，目前我国已成为最大二氧化碳排放国之一。
这使我国面临巨大的碳减排国际压力，甚至贸易壁垒压力。
而
2.克服石油能源难题的有力支撑
随着汽车工业的不断发展，石油安全问题已成为制约我国汽车工业发展的最大因素。
国家发改委今年公布的统计数据表明，我国每年提炼的汽油，60%以上被全国汽车所消耗，国家近5年新增的炼油能力，几乎全部被新增汽车所吞噬。
而用于提炼的原油，大部分需要依靠进口。
2008年，我国石油进口量达20067万吨，对外依存度高达52%。
国家对此高度重视，认为只有全力扶持电动汽车发展，才能从根本上解决石油能源难题。
3.发展成汽车强国的必然选择
在传统内燃机汽车方面，我国落后于国外20年，特别是轿车发动机这一高新技术领域，目前国内企业还没有自主开发能力。
我国在内燃机汽车领域赶超发达国家的机会很小。
但在电动汽车领域，我国与国际先进水平之间只有四、五年的差距，部分技术甚至已达到世界先进水平，而且中国拥有成本和市场等多方面的优势。
因此，电动汽车很可能成为我国汽车产业的超赶路径，是我国汽车产业实现跨跃式发展、做大做强自主品牌的必然选择。
4.促进科技进步和产业结构升级的难得机遇
电动汽车是一个涉及面广的高科技系统项目，它的研发及产业化将会大大促进一系列高新技术和相关产业的大发展，如电能蓄存、燃料电池、整车能量管理系统、整车优化设计、高性能电动机及其控制器、信息技术应用、低阻力轮胎、轻质复合材料应用等。
这为我国的科技进步和产业结构升级提供了一次难得的机遇。
2纯电动汽车的工作模式和原理
纯电动汽车与燃油汽车的主要区别在于它们的驱动系统不同，纯电动汽车结构各式各样，尽管大多数的纯电动汽车参数是从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴的，但纯电动汽车的结构和许多性能与技术参数有它本身的特征。
2.1纯电动汽车的构造与原理
2.1.1纯电动汽车的基本组成部分
电动汽车的基本结构系统可分为3个子系统：
即主能源子系统，电力驱动子系统和辅助控制子系统，如图2.1所示。
其中，主能源子系统，由电源和能量管理系统构成，能量管理系统能实现能源利用监控、能量再生、协调控制等作用；
电力驱动子系统由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成；
而辅助控制子系统，主要为电动汽车提供辅助电源，控制动力转向、电池充电等作用。
与燃油汽车相比，电动汽车的结构更加灵活。
燃油汽车的动力，主要通过刚性联轴器和转轴传递，而电动汽车基本上是柔性的电线连接。
电动汽车可以使用不同类型的储能装置，如蓄电池、燃料电池、电容器、高速飞轮等，其密度和尺寸不同，会影响到电动汽车的净质量和体积。
电动汽车可以采用不同类型的电机的驱动，像直流电机、交流电机、轮式电机等，使得电动汽车具有不同的行驶性能。
变速系统是连接驱动电机和车轮的部件，主要起换向和变速的作用。
对于传统汽车来说，主要采用手动变速器或自动变速器。
但对于电动汽车，由于驱动电动机的转矩和转速，可以用电子控制器进行控制，因此变速系统的设计，可有多种选择。
既可用手动变速器和自动变速器，又可用电子驱动器控制电动机直接变速。
究竟采用哪种方案，还要看电动汽车的整体匹配。
这些不同的选择，更加方便了电动汽车的总体设计。
图2.1电动汽车的基本结构系统
1.车载电源
（1）车载电源的发展
第一代的纯电动汽车的电池都是铅酸蓄电池。
由于铅酸电池的比能量和比功率不能满足纯电动汽车动力性能的需求，后来经过科学家的研究，进一步发展了阀控铅酸电池、铅布电池等纯电动汽车，是铅酸电池的比能量有所提高，目前仍然能够作为纯电动汽车的电源。
第二代的高能电池有锂离子电池、锂聚合物电池、锌空电池和铝空气电池等作为电动汽车的能量来源。
第二代的比能量和比功率都比铅酸电池高，大大的提高了EV的动力性和续驶里程。
但是在使用一定期限后，电池将会老化变质以至于报废，从而增加了EV的成本。
第三代电动汽车的电池是以燃料电池为主的电池。
燃料电池直接将燃烧的化学能转变成电能，能量转换率高，比能量和比功率高，是较理想的电动汽车电池，经过科研人员的不断努力，一些关键技术正在不断地突破，并且在使用上能够取得了良好的效果。
（2）动力电池组的组成和布置形式
纯电动汽车上搭载的唯一的动力源一般是由多个12V或24V的电池串联形成的动力电池组，动力电池组一般是电压为155V—400V的高压直流电源。
为了便于向一些低压用电设备供电，而不至于将车上的一些电子元件损坏，动力电池组还有DC/DC转换器。
一般动力电池组采用并联或者串联的方式进行组合，在电动汽车上占据着很大一部分有效的装载空间，在布置上有相当大的难度，通常有“集中”布置和“分散”布置两种形式。
2.电池组管理系统
（1）电池组管理系统组成
电动汽车上的动力电池组是它的主要电源，电动汽车形式所需要的驱动力全靠动力电池组提供电能转化成机械能。
根据电动汽车所采用的电池的类型和动力电池组的组合的方法，电池组管理系统主要包括热管理系统、电池管理系统和电线线路管理系统，如图2.2所示。
图2.2电池组管理系统组成
（2）电池组的管理系统
动力电池组的管理系统包括对动力电池组的充电和放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈的电流、电池的自放电率、电池的温度等进行控制。
因为个别蓄电池性能变化后，影响到整个动力电池组的性能，用蓄电池管理系统来对整个动力电池组和对动力电池组中的每个单体电池进行监控，保持各个电池间的一致性，还要建立动力电池组维护系统，来保证EV的正常运行。
2.1.2驱动电机和驱动系统
驱动电机是电动汽车的动力装置，是电动汽车的骨髓，这也是电动汽车与普通内燃机汽车的根本区别之在。
现代电动汽车所采用驱动电机主要是交流电动机、永磁电动机和开关阻尼电动机等。
电动汽车驱动系统由驱动电动机和驱动操纵系统共同组成，随着电动汽车结构形式不同，采用了不同驱动系统。
电动汽车的驱动系统由集中驱动系统和轮毂驱动系统两驱动系统。
表2.1EV的驱动系统总体布置形式、结构模型、特征
项目
结构模型
特征
传统驱动模式
1.电动机代替发动机；
2.仍然采用内燃机汽车的传动系统，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成；
3.有电动机前置、驱动桥前置，电动机前置、驱动桥后置等驱动模式；
4.结构复杂，效率低，不能充分发挥电动机的性能
电动机-驱动桥组合式驱动系统
1.在电动机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，形成电动机—驱
升级会员 