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                        純電動客車動力系統設計

                        添加時間:2018/08/23 來源:沈陽工業大學 作者:馬書新
                        電動汽車本應該迅猛發展,但從世界各國電動汽車發展現狀來看,其發展速度仍然比較緩慢,其主要原因是受到續駛里程的制約。本文以XC6123EVCA車型研究項目為背景,研發了一套高性能的純電動客車動力系統,整車的動力性能得到很大的提高。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          純電動客車的研發是解決能源危機和環境污染的有效途徑,具有重大意義。“城市公交電動化”是未來城市客車的發展趨勢,也是緩解城市霧霾的必然要求,實現電動客車全覆蓋是國家能源可持續發展的戰略布局。但續航里程問題一直制約著純電動客車的發展,其核心問題是動力系統不夠完善。因此,研究一套高性能的動力系統勢在必行。

                          本文以純電動客車 XC6123EVCA 車型研發項目為背景,對整車的動力系統進行研究。

                          本文的主要研究內容為:

                          分析研究了純電動客車的發展現狀和制約因素,提出研發一種高性能的動力系統是促進純電動客車發展的關鍵環節。對整車進行了受力分析和數學建模。對動力系統主要部件包括動力電池、驅動電機、傳動部分、及車輪進行了合理的選型,數學模型的建立及參數的匹配。

                          分析了蓄電池單一動力源的不足,提出了一種超級電容-蓄電池組合動力源系統,此系統能夠將超級電容和蓄電池的優勢進行互補,對組合動力源系統的工作主回路進行設計研究,分析研究了組合動力源的性能。

                          設計研究了動力總成控制系統,對電機控制器進行合理些選擇和參數的匹配,對動力總成控制系統的軟硬件進行設計研究。在 MATLAB/Simulink 環境下建立了動力總成的仿真模型,得出仿真曲線和仿真值,分析了整車的動力性能與預期值進行比較,動力性能指標均達到預期要求。動力系統研究方案圓滿通過了公司驗收,在整車實際試制過程中對動力總成復審的問題進行了整改。

                          關鍵詞:純電動客車,動力系統,MATLAB/Simulink,動力總成控制

                        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

                          世界上第一輛內燃機汽車問世至今已有一百多年的歷史。汽車是科技技術發展的產物,它的出現給人類社會帶來了翻天覆地變化,最直接的是產生了一種新的產業——汽車工業,至今為止仍是許多國家支柱性產業之一[1]。汽車的發展引起了一場陸路運輸劃時代的革命,徹底地改變了人們的出行方式,有力地提高了社會生產力的發展效率,大大地提高了人們的生活質量,有效地推動了人類文明的全球交流。但是,傳統內燃機汽車在使用過程中會消耗大量的石油資源,并排放出有害尾氣,從而加劇了能源危機和環境污染兩大亟待解決的問題。

                          隨著社會的進步和經濟的發展,人們對汽車的需求也越來越大。據公安部交管局統計,截至 2016 年底,全國機動車保有量達到 2.9 億輛,其中汽車 1.94 億輛,機動車駕駛人超過 3.6 億人,汽車駕駛人超過 3.1 億人。全國有 49 個城市汽車保有量超百萬輛,18 個城市汽車保有量超兩百萬輛,6 個城市汽車保有量超三百萬輛。

                          目前,全球汽車行業發展勢頭依然迅猛,國內更是增長迅速。汽車保有量的增加勢必造成能源短缺、環境污染等嚴重問題[2]。目前備受關注的霧霾天氣日益嚴重,而汽車尾氣的排放是霧霾形成的重要因素。由此可見,傳統內燃機汽車在行駛過程中所產生的尾氣不僅污染了空氣也對人的身體健康產生了直接的危害。因此,世界各地正加大精力去探索解決能源危機和環境污染的有效途徑。尋求一條清潔、環保、可持續的發展道路勢在必行。純電動客車的研究是解決環境污染和能源危機最有效的途徑,發展純電動客車具有全球性戰略意義。關乎全球的平穩發展,關乎人類的長久生存。

                          與傳統內燃機汽車以發動機為動力核心不同,純電動汽車的動力核心是蓄電池,把電能轉化為機械能驅動汽車。與內燃機汽車相比,純電動汽車具有以下優勢:

                         。1)環保

                          純電動汽車在行駛過程中可以做到零排放,對空氣的污染幾乎為零,即使按所消耗的電能換算到電廠發電造成的污染也遠遠小于內燃機汽車在行駛過程中產生的污染,因為電廠的能源轉換效率更高,而且集中排放便于安裝治污裝置。

                         。2)能源消耗小

                          傳統內燃機汽車消耗的是不可再生能源石油,過度的開采必然導致能源的枯竭,而電動汽車以清潔的可再生的電能為動力源,可有效地減緩能源危機。

                         。3)振動噪音小

                          電動汽車的振動和噪音都要比傳動內燃機汽車小,舒適性高于傳統汽車,同時也有助于提升汽車的 NVH 性能。

                         。4)結構簡單

                          電動汽車不再需要傳統汽車復雜的傳動機構,節省了空間維護起來也更加方便。

                          而且,電動汽車更加便于實現四輪驅動。

                         。5)加速快

                          電動汽車比傳統汽車起步加速更加迅猛。

                          綜合以上,純電動汽車的研究關乎能源和環境這兩大世界性尖銳難題,具有重大意義,具有很高研究價值,也具有巨大實用意義,是當今乃至未來汽車行業研究的主流方向。

                          在分析了純電動客車的發展和現存的問題之后,本文的研究工作主要圍繞制約純電動客車發展的關鍵因素展開,即研究一套高性能的動力系統。

                          對整車進行了受力分析和數學建模。對動力系統主要部件包括動力電池、驅動電機、傳動部分、及車輪進行了合理的選型,數學模型的建立及參數的匹配。

                          分析了蓄電池單一動力源的不足,提出了一種超級電容-蓄電池組合動力源系統,研究了超級電容在電動起汽車中沒有得到廣泛應用的原因,選取了一種性能優越的新型的超級電容器,此系統能夠將超級電容和蓄電池的優勢進行互補,對組合動力源系統的工作主回路進行設計研究,分析研究了組合動力源的性能。

                          設計研究了動力總成控制系統,對電機控制器進行合理些選擇和參數的匹配,對動力總成控制系統的軟硬件進行設計研究。

                          動力系統的關鍵部件選取完成之后,設計出一套完整的在 MATLAB/Simulink 環境下建立了動力總成的仿真模型,得出仿真曲線和仿真值,分析了整車的動力性能與預期值進行比較,動力性能指標均達到預期要求。

                          動力系統研究方案圓滿通過了公司驗收,在整車實際試制過程中對動力總成復審的問題進行了整改。

                          純電動客車動力系統設計仿真:

                        主減速器模型
                        主減速器模型

                        超級電容仿真模型
                        超級電容仿真模型

                        組合動力源系統仿真模型
                        組合動力源系統仿真模型

                        驅動電機仿真模型
                        驅動電機仿真模型

                        電機的仿真曲線圖
                        電機的仿真曲線圖

                        主減速器模型
                        主減速器模型

                        傳動軸器模型
                        傳動軸器模型

                        車輪仿真模型
                        車輪仿真模型

                        系統于不同電壓下系統的轉矩轉速仿真圖
                        系統于不同電壓下系統的轉矩轉速仿真圖

                        系統于不同電壓下系統的功率轉速仿真圖
                        系統于不同電壓下系統的功率轉速仿真圖

                        系統驅動效率
                        系統驅動效率

                        目錄

                          摘要
                          Abstract
                          第 1 章 緒論
                            1.1 純電動客車研究背景及意義
                            1.2 純電動汽車發展現狀
                              1.2.1 純電動汽車的國外發展現狀
                              1.2.2 國內電動汽車發展現狀
                            1.3 純電動客車公害準則和面臨的難題
                            1.4 純電動客車動力系統組及結構特點
                            1.5 本文主要工作
                          第 2 章 動力系統主要部件的選擇、建模及參數匹配
                            2.1 整車參數及動力性能指標
                            2.2 整車的受力分析
                            2.3 驅動電機的選擇
                              2.3.1 驅動電機的種類
                              2.3.2 PSM 數學模型的建立和參數匹配
                            2.4 電機控制器的選擇
                            2.5 傳動系統的選擇
                              2.5.1 電動客車的驅動方式
                              2.5.2 驅動橋的選型和參數匹配
                            2.6 車輪的數學模型
                            2.7 動力電池的選擇
                              2.7.1 蓄電池的種類及其特點
                              2.7.2 本研究選用的電池及數學模型的建立
                            2.8 超級電容-蓄電池組合動力源系統的提出
                            2.9 本章小結
                          第 3 章 超級電容-蓄電池組合動力源系統研究
                            3.1 超級電容數學模型的建立
                            3.2 超級電容的選擇
                            3.3 超級電容-蓄電池組合動力源系統設計
                              3.3.1 組合動力源系統形式的選擇
                              3.3.2 超級電容-蓄電池組合動力源系統數學模型的建立
                            3.4 本章小結
                          第 4 章 MATLAB/Simulink 環境下的動力總成仿真
                            4.1 動力系統仿真39
                              4.1.1 蓄電池仿真模型
                              4.1.2 超級電容仿真模型
                              4.1.3 超級電容-蓄電池組合動力源仿真模型
                              4.1.4 驅動電機仿真模型
                            4.2 傳動系統仿真模型
                              4.2.1 主減速器模型
                              4.2.2 傳動軸仿真模型
                            4.3 車輪仿真模型
                            4.4 整車動力性能仿真
                              4.4.1 整車仿真模型
                              4.4.2 整車動力性能仿真曲線
                              4.4.3 動力系統性能仿真結果
                            4.5 動力系統主控制器的選擇
                            4.6 本章小結
                          第 5 章 動力總成布局結構設計及試制過程問題整改
                            5.1 動力總成結構設計及試制情況
                              5.1.1 動力總成布局結構設計
                              5.1.2 動力總成試制安裝情況
                            5.2 評審問題及改正
                            5.3 成品車及性能測試
                          第 6 章 結論
                          參考文獻
                          在學研究成果
                          致謝

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