城市纯电动中型客车的总体设计.docx
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城市纯电动中型客车的总体设计
摘要
随着能源问题和环境问题的日益突出，现有车辆使用的动力方式已经不能很好的适应未来社会发展的需要。
为此，电动汽车的发展得到了广泛的关注，各种类型的电动汽车也在研究和开发之中。
本研究的目的就是为了积累电动客车相关方面的技术，主要对电动汽车进行了总体设计研究，其中包括：
分析了部分电动机的优缺点，选择永磁直流电动机作为动力源；对电动汽车的动力性进行了分析，通过最高车速、最大爬坡度和加速时间校核了电动机的性能；介绍了部分蓄电池的性能特点，选择铅酸蓄电池作为能量源；对电动机的控制策略进行了研究，提出蓄电池管理系统总体结构和各部分功能，并对蓄电池组电压、电流、温度和均衡充放电模块进行了总体设计研究；对整车再生制动的结构和控制进行了设计研究；讨论了电动汽车电动机及传动系统的结构和布置方案，设计了蓄电池组的布置位置和安放结构，同时对制动系统进行了初步改装设计。
关键词：
纯电动汽车改装设计；电动机控制系统；蓄电池管理系统；再生制动
ABSTRACT
Beingmoreandmoreseriousalongwiththeenergyproblemsandtheenvironmentproblems,themotivemethodoftheexistingvehicleusedcan'tsatisfythedemandofthesocialdevelopmentinthefuture.Forthis,thedevelopmentofEVgottenanextensiveconcern,varioustypesofEVisalsobeingintheresearchandthedevelopment.
Thepurposeofthisresearchistoaccumulatedelectricbustechniques.Thisresearchmainlycarriedonatotaldesigntotheelectricpassengercar,theworksareasfollow:
Ianalyzedthemeritandshortcomingofsomeelectricmotors,andchoosedthepermanencemagnetDCmotortobethemotivesource;analyzedthemotiveoftheelectricpassengercar,examinetheperformanceoftheelectricmotor;introducedthefunctioncharacteristicsofsomestoragebatteries,andchoosedtheLead-acidstoragebatterytobetheenergysource;studythecontrolstrategyoftheelectricmotor,putforwardtotalstructureofthestoragebatterymanagementsystemandeachpartsoffunctions,andcarriedonadesignandresearchtoeachpart;designedthestructureandthecontroloftheregenerativebrakingsystem;discussedelectricmotorandtransmissiontoequipofconstituteandthedecorationproject,designedthedecorationpositionofthestoragebatterysetandinstallstructure,inthemeantimefirststeptodesignarefitprojectofthethebrakesystem,tocarryon.
Keyword:
EVrefit；motordrivesystem；batterymanagementsystem；regenerativebraking
第1章绪论
1.1选题的背景、目的及意义
1、普通汽车带来的问题
汽车自诞生起已有100多年历史，其发展速度不断加快，与人们生活的联系越来越紧密。
汽车也不再是一个简单的代步和运输工具，它已成为许多人的生活必需品和文化生活的一部分。
但同时也面临着来自环境保护、能源短缺、道路交通事故等方面越来越严峻的挑战，并带来了一系列负面效应。
汽车的环境公害包括汽车在生产过程中、使用中和报废后的环境大气污染、水质污染、废弃物、环境噪声、电波对人体的危害及对用电器的干扰等。
汽车的环境大气污染包括两层含义：
其一是汽车排放的CO2、硫化物SOx、氮氧化物NOx、氟氯烃等使温室效应加剧、臭氧层破坏和形成酸雨等大气环境问题；其二是汽车排出的CO、NOx、SOx、未燃碳氢化合物HC、颗粒物PM和臭味气体等造成的局部空气污染，进而对人类和动植物产生的危害，与此有关的汽车造成的空气污染大多数人们可以直接感受到，如在机动车道和人行道没有分开的道路上，汽车行驶扬起数米高的尘土、排气的刺鼻臭味、柴油车排出的黑烟等严重地威胁着人们的身体健康。
特别是在大城市中，汽车行驶时排出的气体污染物、微粒污染物、蒸发排放物等已成为城市空气污染的主要来源。
由此可见，汽车排入大气的有害污染物除使城市空气中的有害污染物增加、产生光化学烟雾和硫酸烟雾外，还导致大气臭氧层破坏、地球温暖化和酸雨的形成等。
因此，就目前的情况来看，环境公害是汽车行业面临的最大挑战。
汽车面临的挑战之二是能源供应问题。
从人类对可持续发展的观点出发，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资源枯竭后汽车的能源来源。
另外随着汽车保有量的增长，石油的供应日趋紧张，汽车研发和制造行业必须加大对汽车新能源的研究和开发的力度。
目前世界范围内使用的主要能源有石油、煤、天然气、核能、水能、风能以及可再生能源等。
虽然每年都有新的油田、气田的发现，但这些资源都是有限的，总有一天会消耗殆尽。
随着世界人口的增加和生活水平的提高，人类对能源需求的增加速度很快，石油资源的枯竭速度正在加剧。
我国面临的形势也十分严峻，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。
由于进口石油又与石油安全问题密切相关，所以又带来了石油安全问题。
据估计，即使在采用先进技术、继续节能、加速可再生能源开发利用以及依靠市场力量优化资源配置的条件下，2010年世界能源仍短缺8%，到2040年将短缺24%左右，其中石油短缺额可能多达数亿吨[5]。
随着世界经济的持续增长和世界人口的增加、人民生活水平的提高，人均能源消耗将会高速增加，环境污染会变得更为严重。
开发新的替代能源、提高热能转换的效率和节约能源被认为是解决或缓解环境污染和保障能源供给的有效方法。
对我国及一些发展中国家而言，汽车保有量远低于发达国家目前的水平。
因而汽车保有量将会在较长一段时间内持续高速增长。
可以预见，我国在未来对传统的车用燃料的需求将持续大幅度增长。
因此，开发不使用传统燃料的代用燃料和电动汽车、降低单位里程的燃料消耗量对缓解环境污染和保障能源供给具有重要的战略意义。
由于电动汽车具有突出的优势，特别是在环保方面的优势，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，使能源的供给得到有效保障。
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[2]。
2、电动汽车的优点
近几年来，随着能源危机和环境污染的全球性两大突出问题日益严重，特别是随着电动汽车自身难点的不断解决，使电动汽车具有更多突出的特点[1]。
（1）污染低
电动汽车由电力驱动，在行驶中不排放有害气体，即使电动汽车所消耗的电力由使用石油燃料的火力发电厂提供，火力发电厂的大气污染物主要是NOx，根据电动汽车所消耗电力折算出以火力发电来估计NOx的排放量，也不到同类型汽油车的10%。
（2）可使用多种能源
由于电动汽车使用二次电力能源，它不受石油资源的限制，电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。
向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化，从而可节省日渐枯竭的石油资源。
而且电动车利用夜间大量富裕电力充电，有利于电网均衡负荷，减少了能源浪费，提高了电力系统整体效益。
（3）效率高
电动汽车的研究表明，此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，电动汽车没有怠速损失，在制动时能回收能量，80%以上的电池能量可由电动机转为汽车的动力，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。
即使考虑原油的发电效率，配送电效率，充放电效率等，其最终效率也比内燃机高。
（4）噪声低
噪声对人的听觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫系统也是有危害的。
发动机性能是影响汽车噪声、振动的重要因素。
传统汽车和电动汽车相比，由动力部分引起的噪声和振动，特别是在加速时，电动机的噪声和振动要比发动机低得多。
（5）更有利于智能化
由于电动汽车已达到电气化，所以电动汽车系统中更利于采用先进的电子信息技术，提高汽车智能化程度。
电动汽车的电动机控制系统，可与各个电子控制系统包括无级变速、防抱死制动系统（ABS）、制动能量回收系统、安全气囊系统、自动空调系统等相协调，在电动汽车上实现计算机智能控制。
3、我国发展城市电动客车的优势
目前国外对电动汽车的研究还主要集中在轿车方面，虽然我们也要发展电动轿车，但是根据我国的国情和工业经济基础，优先发展电动城市客车并使之商业化、实用化则更为重要和可行。
首先，城市客车相比于轿车来使用路线固定，停靠站点固定，而且有集中的停放场所，便于充电设施的布置，可有效解决充电设施分布广，先期资金投入大的难题[20]。
其次，在我国，城市交通拥堵和汽车尾气排放问题日益严重，公共交通发展越来越受到人们的重视。
城市客车的需求量将出现较快增长，优先发展电动城市客车将使我国公交车发展处于世界领先位置，增强国际竞争力，同时也能大大缓解城市交通问题，提高城市环境的和谐性和人们出行的方便性。
再次，我国的客车发展已经达到国际先进水平，在此基础上发展电动城市客车要相对来说容易一些。
同时，客车车体宽大，布置电动机、蓄电池、燃料电池和相关的设备也比较容易，成本不会太高。
对轿车而言，空间有限，对电动机等部件的要求高，成本投入巨大，而且短期内不会有较大的改善。
最后，虽然电动城市客车单车的运行成本要比电动轿车的高，但是总的来看运行成本和社会效益比还是优于电动轿车，而且政府和企业也还是可以承受[1,2]。
1.2国内外电动汽车的现状及发展
1、我国电动汽车发展现状
我国电动汽车发展始于上世纪九十年代。
中科院电工所、上海811所、清华大学、上海同济大学、北京理工大学等单位，在“863”计划和“十五”国家科技专项等国家项目的支持下，取得了阶段性的研究成果，培养了一支能力较强的研发队伍，人才储备体系正在日趋完善。
目前，我国许多科研机构、高等院校都增设了与电动汽车研发有关的机构和人员，并把电动汽车及相关零部件的研发列为重点课题，这为我国电动汽车产业的发展打下了良好的基础。
近年来，随着全球汽车工业重心开始向中国市场转移，电动汽车的产业化进程明显加快。
据不完全统计，目前，我国包括比亚迪、上汽、一汽、东风、北汽、奇瑞、吉利、力帆等在内的整车企业超过150家，包括一汽、上汽、宇通等在内的从事混合动力客车研制和生产的厂家就有30多家。
特别是随着我国电动汽车的制造体系逐步建立，自主创新能力得到较大提升，国内许多企业已开始涉足与电动汽车相关的电池、发动机等关键零部件的研制和生产，技术水平与国际先进水平的差距正在缩小。
当前，国际金融危机不断蔓延，各国汽车企业的发展都受到很大影响，企业生存面临着极大挑战。
针对这一形势，按照国务院指示，国家发展改革委组织制定了《汽车工业调整和振兴规划》，对我国汽车工业发展进行了全面规划部署，财政部、科技部等部门也制定了《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》，推出了“十城千辆”计划等一系列国家行动方案，加大了对电动汽车的政策支持力度。
在此激励政策的鼓舞下，国内汽车企业纷纷增加对电动汽车及相关零部件的研发投入，我国电动汽车产业正在进入高速发展的新阶段[1]。
2、国外电动汽车发展状况和趋势
新能源汽车主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、氢动力汽车、代用燃料汽车等。
通常人们所说的电动汽车主要是指混合动力汽车和纯电动汽车。
目前，在众多的新能源汽车当中，电动汽车以其优越的使用性能和相对低廉的销售价格，得到了市场的广泛认可和普遍欢迎，日益成为全球汽车工业关注的焦点，展现出良好的发展前景。
美国、日本、德国等发达国家电动汽车技术高度重视，从汽车技术变革和产业升级的战略出发，颁布制定了优惠的政策措施，积极促进本国电动汽车产业发展，以期提升本国汽车工业国际竞争力。
据不完全统计，到目前为止，发达国家累计用于电动汽车的科研开发和产业化发展的资金已达数十亿美元。
凭借雄厚的实力和巨额的资金投入，发达国家的汽车制造商已经在全球汽车工业新一轮竞争中占据了有利地位。
特别是以丰田为代表的日本汽车企业，已经在混合动力技术方面掌握了绝对优势，并在北美等国际市场上形成了相当的规模[16,17]。
从全球主要汽车生产厂家的发展计划看，电动汽车的产业化时代正在到来。
目前，“低排放”汽车（主要指混合动力汽车）已进入大规模产业化阶段，在全球的累计销量已超过100万辆，“零排放”汽车（主要指纯电动汽车）的批量生产时间已提前到2015年，比原来预计的时间提前了10年至15年。
特别是近年爆发国际金融危机以来，面对严峻形势，发达国家的政府纷纷出台相关政策，加快了电动汽车的发展步伐。
据权威部门预测，未来10年，将是电动汽车产业格局形成的关键时期，电动汽车将成为拉动经济发展新的增长点[2]。
1.3本设计的研究内容及预期结果
1、针对本研究电动客车的使用条件，选择电动机，通过计算0-50km/h加速时间、最大爬坡度、最高车速来验证电动机性能是否满足要求。
选择控制策略并对其进行研究。
2、通过分析各种蓄电池的性能优缺点和本研究的使用条件，具体选择某型蓄电池来组成蓄电池组作为本研究电动客车的动力源。
同时对蓄电池管理系统进行总体设计和研究。
3、对整车再生制动的结构、控制策略和控制逻辑进行研究。
4、在原车的基础上进行改装，根据原车的实际结构，研究电动机、蓄电池组和控制系统在车辆上的布置。
第2章电动汽车电机技术
2.1电动汽车电机的分类及特点
电动汽车电动机可分为交流电动机、直流电动机、交/直流两用电动机、控制电动机（包括步进、测速、伺服、自整角等）、开关磁阻电动机及信号电动机等多种。
适用于电力驱动的电动机可分为直流电动机（将直流电能转换为机械能的电动机）和交流电动机（将交流电能转换为机械能的电动机）两大类。
目前在电动汽车上已应用的和有应用前景的有直流电动机、交流感应（异步）电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等。
1、直流电动机
直流电动机（DCM）是最早发明的电动机，到现在已经有100多年的历史。
直流电动机按照励磁方式的不同可以分为：
他励、并励、串励、短复励等。
直流电动机的优点是：
具有优良的电磁转矩控制特性，启动转矩、制动转矩大，易于快速启动、停车；调速比较方便，调速范围宽，易于平滑调速；由于磁场和电枢可以分别控制，因此控制起来比较容易，而且控制性能好；直流电动机制造技术很成熟，驱动系统价格较便宜。
直流电动机的缺点是效率较低、质量大、结构较复杂、体积大、价格高、可靠性差等。
同时，直流电动机上有电刷和换向器，它们容易磨损，在高速运行时还会产生火花，严重时形成“环火”，限制了直流电动机的转速提高[3，10]。
2、异步电动机
感应电动机（IM）有绕线式和鼠笼式两种类型，其具有结构简单、坚固、成本低、可靠性高、转矩脉动小、噪声小、转速极限高、无需位置传感器及免维护等优点，因此得到广泛应用。
感应电动机的最大缺点是驱动电路复杂，相对永磁电动机而言，其效率和功率密度偏低，因此有被其它新型永磁电机逐步取代的趋势[21]。
3、永磁无刷电动机
永磁无刷直流电动机因为没有碳刷与换向器，所以没有维修与保养的需要；由于采用永磁转子，所以没有励磁损耗的问题。
与其他电动机相比其特点有：
一是低频转矩大，启动转矩可以达到额定转矩的两倍或更高。
二是转速弹性大，运转精度高，并且不受电压与负载变动的影响。
三是结构简单牢固、免维修或少维护、运转费用更低，没有保养维修的烦恼。
四是永磁无刷直流电动机尺寸小、质量轻，具有很高的功率密度。
五是综合效率高，明显高出有刷直流的效率及欧盟CEMED效率标准。
永磁无刷直流电动机的主要不足是励磁不能控制，因此永磁电动机不能得到类似于绕线直流电动机的工作特性。
另外，控制系统较为复杂。
4、开关磁阻电动机
开关磁阻电动机（SRM）具有高起动转矩、低起动电流；高效率、低损耗、耐温；电动机结构简单，适应于高速运转；功率电路简单；可靠性好；良好的适应性、低成本等优点。
但是开关磁阻电动机又有转矩有脉动；振动和噪声较大；驱动控制系统复杂，控制器价格高；在高峰和高峰电流时容易产生电磁兼容性问题等缺点。
当前在电动汽车上的应用极少[3,21]。
5、各种电动机的性能比较[3]
表2.1各种电动机的性能比较
项目
直流电动机
异步电动机
开关磁阻电动机
永磁无刷电动机
转速范围（r/min）
4000-6000
12000-20000
>15000
4000-10000
功率密度
低
中
较高
高
功率因数（%）
—
82-85
60-65
90-93
峰值效率（%）
85-89
94-95
85-90
95-97
负荷效率（%）
80-87
90-92
78-86
97-85
过载能力（%）
200
300-500
300-500
300
恒功率区比例
—
1:
5
1:
3
1:
2.25
电动机质量
重
中
轻
轻
电动机外形尺寸
大
中
小
小
可靠性
一般
好
好
优良
结构的坚固性
差
好
优良
一般
控制操作性能
最好
好
好
好
控制器成本
低
高
一般
高
2.2电动汽车对电机性能的要求
汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速、停车等。
在低速或爬坡时需要高转矩，在高速行驶时需要低转矩。
电动机的转速范围应能满足汽车从零到最大行驶速度的要求，即要求电动机具有高的比功率和功率密度。
电动汽车电动机应满足的主要要求可归纳为如下10个方面:
1、高电压。
在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。
工作电压由THS的274V提高到THSB的500V;在尺寸不变的条件下，最高功率由33kw提高到50kw,最大转矩由350N·m提高到400ON·m。
可见，应用高电压系统对汽车动力性能的提高极为有利。
2、转速高。
电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到8000一12000r/min，高转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低整车的整备质量。
3、质量轻，体积小。
电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低电动机的质量，各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。
电动汽车驱动电动机要求有高的比功率（电动机单位质量的输出功率）和在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率，以实现降低车重，延长续驶里程;而工业驱动电动机通常对比功率、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。
4、电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。
电动机应具有自动调速功能，以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。
5、电动汽车驱动电动机需要有4一5倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求，而工业驱动电动机只要求有2倍的过载就可以了。
6、电动汽车驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电动机协调运行，而工业驱动电动机只要求满足某一种特定的性能。
7、电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。
8、电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。
电动汽车的各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到300V以上，因此必须装备高压保护设备以保证安全。
9、能够在恶劣条件下可靠工作。
电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并在运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作。
10、结构简单.适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜等。
2.3本研究用电动机
永磁直流电机控制简单，通过PWM的控制，实现无级调速，调速性能优良，因而广泛应用于我国工业控制领域。
本研究基于降低研究和开发成本，缩短研究周期的角度，选择包头永磁电机研究所研制的额定功率为60kw的ZYCD永磁直流电机作为驱动电机。
ZYCD型永磁直流电动车电机是专为电动汽车及混合动力电动汽车研制的驱动电机，该电机的定子采用高性能钕铁硼永磁材料励磁，转子为大气隙结构；具有能量转换效率高且高效区宽广、体积小、重量轻、换向性能好、电刷寿命长等优点，同时还有控制系统简单、成本低、可以降低整车成本的优点，在不少国内研究的电动汽车上都得到了应用。
其外型如图2.1所示，表2.2则给出了电机的主要性能参数。
图2.1本研究用的永磁直流电机
表2.2ZYCD永磁直流电机技术参数
电机型号
ZYCD-60
电源电压V
384
额定电压V
350
最高电压V
384
额定功率kw
60
最大功率kw
100
额定转速rpm
2000
最大转速rpm
2500
额定效率%
92
最大转矩N.m
1000
工作制min
S2-60
重量kg
300
2.4电动机性能计算
2.4.1电动车的使用情况及性能选择
由于条件的限制，在电动汽车开发时必须提出合理而且恰当的整车动力性能指标，从而能够更好的选择动力电动机和动力蓄电池，及相关的其他设备。
以市区使用的电动公交车为例，结合市区道路的特点可以提出电动公交车的动力性能指标如下：
最高车速≥70km/h；0～50km/h加速时间≤25s；最大爬坡度≥15%[7]。
本课题所选车型为中型客车，载员人数为61人，主要用于城市之内的乘客运输工作，这就对车辆的动力性能有较高的要求，具体来说就是最高车速不能太低，一般要求在70~90km/h之间；同时，车辆要有一定的爬坡能力，爬坡能力不能低于16%；对加速能力的要求是0~50km/h，加速时间不大于25s。
图2.2为本研究用的上海申沃客车有限公司生产的SWB6940HG型城市客车，表2.3给出了该车的一些基本参数配置。
图2.2本研究用的中型城市客车
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