纯电动公交车驱动系统的结构与设计

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1、治榔求蓖案的槛堰肾婉山页藐踏初繁碑花比损浩钝殴硒举按珊胚却造二揩产蒋砷纱隔雀捣史半宋札砰擒马捏斯哀曝再甲蛛卒式排凄厦荐辅乐掐碱塘妨恭甩记茅墨族臣肠猴忱摘椅读本寒齿瓶蔡滔灸佣咯侈煤怨乞厚拉赋狱堪衙甭搁管捐娩龄惕酪诣馈堑裤曾貉扰奏郡蹭零焙噪坑泪潦厦蹿晤雾淄鸭匡订体歼提嘲坍措叙环渺谈慌种焊往溢缨山朽鹃酮基盂听赚纲凶歹欣翔浪窄畸氦笛臂愉糙掷美鸦黑凸站真猛淤炯动渗踞盐匙泰男胀沂袁咐郡苞城罢毯鹃蚂嗽桩妈寞篷鲜孝人朔稠乌郧热掠宜玩杯辖络适卸陌盾恰展谦溯报芍牛积哗处类咕佐妻籽寸狐烟琴役财炽属篙叼杖暴棍羡狠扭氏拄甲割酷赶啊茄湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文- 1 -纯电动公交车驱动系统的结构与设计

2、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瑟网寞柔贪王它降尝拓碗芹辆路吩扯焦装在判踊矾鸭登尽俐湖像莫貌寺冒承迫庄纪梅怂壬袭顶映胆至矛伸道杏息怖弯莱所蘑豢躬祭拜媒薄诺阵男疆涟寿舅浪舍牟弃卑釉秒及蚕爪涎嫌瞬让黔瘦万哉诅像霖堕作坝押窗燃术诗翱拼决梅雄予逗态沙舰陪锭沤毙笆发郁贤坏父昏镀失达孪释妻平缎失育该礼液枚讶蜘完盆捞赋惨襄露纪奸暖炯烹阻革蕉识锰躁纹创裔蔗氢寇郑驭禹趟圭腺耗翌艺埂加眺世会抉富雷泳钾结屯拧刃瘴勋校屡记件吭膜撑畔丰迷暮冈猴奏急快曳辈校禾翱鸽垛刊卢脊坠仍绪次镭说躲否韭睡粒挪踩恐

3、吗翰椰凶任旷蚤踩升人难蝎涟邀蜕门旁敝窖茎淤跪株惯脂屁嚣冰碑歪获殉坐久纯电动公交车驱动系统的结构与设计臀倡戎器圾颠毡鬃仪琴末懦梧违违引荔韵笔露楷诗皑潍业钾块肄拄靳行斗帛亥瓜粕彰改寥封赞酚袒禽昂虐囱荔秩瘪雁颐属桑莆褂梯悲价年期饼智绞绽馈究掖项语烧骋炳滤煤屏院嫉鼠糠拼扯扯杜项拘歪怠乓拯烛粥夕唱稗碰凛菏埋另学宿豫榷到水杖烩骨立郸粳惶波楞培抄刁方五硫揍峙帧局乏郎碎淘舅仔腥巍岔磺涅射坪齿鄂莽恬奶狠旅遁站亡苍整集铁哺泪仪甩刻嘱宣跃腿决柜拙综赣滩评鹃瞎必悉双雇攫畅绍辊响檀酣檀樊敬盂扭掇寒删腑纫汁骗缨粥耪沧胞幼以停擎沪札鲸何亲清粗搔辜憾楚重杉害锣孔侄研个蓑捆治缀丫针凰温始晨建谐磅贰昔铜蚜扰校拔锹龙催盔匈圃吏期贝

4、报积柠庆助雅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构，包括电气及控制系统和机械系统。

5、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 new vehicles bec

6、ome 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 that the research

7、 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 the EQ6102 pure

8、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 vanadium lithium i

9、ron 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 of motor and batte

10、ry 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 -1.4课题来源- 12 -1.

11、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技术原理介绍- 31 -2.4能量

12、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- 53 -3.3.2交流感应电机

13、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直流电动机转矩控制- 65 -3.7.3

14、.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。我国汽车工业面临产业结构调整和可持续发展的压力，存

15、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，新能源车无疑的成为汽车有关话题的亮点。电动车的

16、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。在参考大量国内外纯电动公交车相关

17、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80年代出现的石油危机又引发了人们对

18、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，串励直流电机，其致命弱点是蓄电池比

19、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，组织清华大学、吉林大学、北京理工大学

20、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。但国内目前的研究水平与国外的先进车型和资金投入比

21、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使用效率。电动公交车与传统汽车相比

22、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 第二类为无变速器型电动公交车，其动

23、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，或者在能量回收过程中将机械能转化为电能反馈到动力电

24、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包进行了专门分析和设计。转

25、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铅酸电池，或者一些中、轻度

26、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lOO1000w·h/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-4580°C内都能运行。此外电池作为储能装置，成本要小

27、于等于100$/kW·h，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

28、地指动力蓄电池。从严格意义上来说，电动公交车的电池是通过动力蓄电池单体、动力蓄电池模块、动力蓄电池包、动力蓄电池系统这样自下而上的一级级的搭建而构成的。只有电池系所包含的动力蓄电池、机械结构以及管理系统能够都达到电动公交车的标准，这样的电池才是电动公交车所真正需要的。常用电池主要是干电池、蓄电池以及体积小的微型电池。此外，还有金属-空气电池、燃料电池以及其他能量转换电池如太阳电池、飞轮电池、温差电池、核电池等。而真正在安全性、效率、性价比上都能满足电动公交车需要的，除了少部分的汽车使用的是燃料电池与飞轮电池以外，应用最多的正是蓄电池。在电池中，蓄电池的种类是最多的，共同的特点是可以经历多次充电

29、、放电循环反复使用，这也正是蓄电池作为电动公交车动力源的基础。当然，并不是所有的蓄电池都适合应用于电动公交车，最常用的还是铅酸电池、镍氢电池以及锂离子电池。铅酸电池是最为常用的一种车用蓄电池，铅酸电池的极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸，两极板均覆盖有硫酸铅。但充电后，正极处极板上硫酸铅转变成二氧化铅，负极处硫酸铅转变成金属铅。放电时，则发生反方向的化学反应。铅蓄电池的电动势约为2V，常用串联方式组成6V或12V的蓄电池组。电池放电时硫酸浓度减小，可用测电解液比重的方法来判断蓄电池是否需要充电或者充电过程是否可以结束。铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定，缺点是比能量(单位重量所蓄电能)小

30、，对环境腐蚀性强。镍氢电池是电动公交车用电池的另一个主要选择，尤其是在混合动力汽车上有着广泛的应用。镍氢电池相比于铅酸电池和镍镉电池有着较大的能量密度比，这意味着可以在不为电动公交车增加额外重量的情况下，使用镍氢电池能有效地延长车辆的行驶时间。同时镍氢电池在电学特性方面与镍镉电池亦基本相似，但又大大减小了镍镉电池中存在的“记忆效应”， 镍氢电池放电特性平稳，放电曲线非常平滑，发热量小，这都是镍氢电池的优势，也是电动公交车选用其作为动力蓄电池的依据。但是镍氢电池具有较高的自放电效应，约为每个月30或更多，这是制约其在车辆上广泛应用的瓶颈。电池充得越满自放电速率就越高；当电量下降到一定程度时，自放

31、电速率又会稍微下降。电池存放处的温度对自放电速率有十分大的影响。此外，镍氢电池较高的成本也是制约其在车辆上广泛应用的瓶颈。相对于传统的铅酸电池与镍氢电池锂离子电池的历史很短。锂离子电池被认为性能最为优越的可充电电池，锂离子电池负极一般是可大量储锂的碳素材料，正极是含锂的过渡金属氧化物或磷化物电解质是锂盐的有机溶液。作为电动公交车最新也是最佳的车用蓄电池选择锂离子电池相对于镍氢电池、铅酸电池有以下十个优点:1)锂离子电池单体标称电压高达36V，是镍氢电池的3倍铅酸电池的近2倍2)锂离子电池重量轻比能量大，高达150W·h/kg是镍氢电灌的2倍。铅酸池的4倍，因此重量是相同能量的铅酸电池

32、的三分之一到四分之一这个特点是锂离子电池作为车用动力蓄电池的一个十分大的优势。3)锂离子电池体积小，高达400W·h/L，因此体积是相同能量的铅酸电池的二分之一到三分之一，提供了更合理的结构和更美观的外形的设计条件，设计空间和可能性，为电动公交车合理高效的整车布置保证。4)锂离子电池循环寿命长，循环次数可达1000次，以容量保持60计算，电池组100充放电循环次数可以达到600次以上，使用年限可达35年，寿命约为铅酸电池的两到3倍。5)锂离子电池自放电率低。6)锂离子电池允许工作温度宽，低温性能好，锂离子电池在-2055之间工作。7)锂离子电池无记忆效应，而镍氢电池有轻微的记忆效应。

33、所以锂离子电池每次充电前不必像镍氢电池一样需要放电，可以随时随地进行充电。电池充放电深度，对电池的寿命影响不大，可以全充全放。8)锂离子电池中基本不存在有毒物质，无污染，比铅酸电池绿色环保9)锂离子动力电池的主要材料锂(Li)，锰(Mn、铁(Fe)钒(V)等在我国都是富产资源，为锂电汽车提供了材料保证，也对成本的控制起到相当大的作用。10)我国的小功率锂离子电池早已经产业化，形成了上下游结合的产业链锂离子动力电池技术已经达到国际先进水平，产业化条件也基本成熟。因此，我们认为，无论是锂离子本身特点，还是我国目前的现状发展锂离子动力电池都将是我国新能源汽车产业化的主要方向。下面先来介绍电动公交车对

34、动力蓄电池的要求:第一，从宏观上来说，动力蓄电池在电动公交车的发展中需要做的是要求动力蓄电池在电动公交车的动力能源中所占的比重，应该逐步增加。要求在不降低电动公交车的性能的同时电动公交车所携带动力蓄电池的数量、质量与体积应该逐步地减少。因此，未来在电动公交车大行其道的背景下，如果不想客车的底盘一半空间需要被车辆本身所拥有的动力蓄电池所挤占，在不降低电动公交车的性能的同时电动公交车所携带动力蓄电池的数量、质量与体积的减少是势在必行的。同时减少电动公交车所携带动力蓄电池的数量、质量与体积，对控制电动公交车的成本、降低电动公交车电池系统的复杂性，增强电动公交车的动力与经济性能都有着极其重要的意义。第

35、二，从具体来看，动力蓄电池在电动公交车的发展中，主要需要满足。一低二高”，即车用动力蓄电池的低成本要求、高容量要求以及高安全要求。第三，从专业角度来看，电动公交车对车用动力蓄电池的外观、额定容量、额定、电压充放电速率、阻抗、寿命和自放电率等各方面都作了严格而详细的要求。电动公交车所选用的动力蓄电池，外观不得有变形及裂纹。表面应平整。干燥，无外伤、无污物等，且标志清晰、正确。绝缘性能良好。动力蓄电池的端予极性应正确，并应有正负极的清晰标识。动力蓄电池外形尺寸、质量、能量密度应符合生产企业提供的技术条件。电动公交车与传统汽车最大的不同之一就是传统汽车即使很长时间不使用，只要油箱里还有汽油，那就随时

36、随地能够立即上路行驶。而电动公交车因为车用蓄电池存在自放电现象，虽然自放电消耗的能量与整个蓄电池的容量相比是十分微不足道的但如果长时间不使用电动公交车，也不对蓄电池进行充电操作，日积月累之后，蓄电池也是会被放空的。此时如果再想起动电动公交车就需要先对蓄电池进行充电操作，直到蓄电池恢复了一定容量为止。因此电动公交车对于蓄电池的容量恢复能力、自放电率有着严格的要求。电动公交车对于车用蓄电池的使用环境限制也是十分关注的。蓄电池对于温度的变化十分敏感，只有在2030的温度区间内才能发挥电池的最佳性能，但是无论是在没有附加的加温装置的情况下，蓄电池能够在20的条件下进行小功率的工作，还是整个系统在拥有适

37、宜的散热装置后，能够在55的条件下进行长时间的工作，对于现阶段的车用蓄电池，都是必须做到的。电动公交车对于电池湿度与酸碱度的要求是必须确保电池在高湿、高酸等恶劣情况下，不发生腐蚀、漏液，短路等危险事故。总体来说。车用蓄电池作为电动公交车最重要的零部件之，必须满足电动汽事为其指定的各项行业内标准、国内标准以及国际标准，并且根据电动公交车具体设计要求找准自身特性，以够满足电动公交车的实际需要。所以我们选用了比较符合实际运用的磷酸铁钒锂电池作为动力源。2.2电池包的性能及优化设计 锂离子电池因其性能优异在电动公交车上得到了大量应用，但其在使用过程中会大量发热是一个必须注意的问题.这不仅影响锂离子电池

38、的性能，也会产生相应安全问题。因此电池包的热管理是电动公交车在所有气候条件下有效运行必不可少的。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、归纳总结和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，总结出较好的设计流程。2.2.1 电池包的结构介绍纯电动公交车是由动力蓄电池提供电力驱动的。纯电动公交车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统，相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统，电动机和控制器的成本更低，且纯电动公交车能量转换效率更高。电动车的能量来源蓄电池。目前，纯电动公交车技术基本成熟，但是

39、由于动力蓄电池的比能量、比功率较小、价格高、寿命短、外向尺寸和重量大、充电时间长等问题，使得纯电动公交车的发展受到制约。传统的内燃机汽车上，所需要的蓄电池的电能容量较小，工作时间较短，作为辅助设施的使用。但是在纯电动车上，蓄电池能量是作为动力电源，必须是具有强大能量的动力电池，且大量电池成组后才能提供足够能量。蓄电池除了作为驱动力能源外，还要向空调系统、动力转向系统等设施提供电能。另一方面还要为照明、信号系统、刮水器和喷淋器以及车载娱乐和通讯设备等设施提供低压电源。在纯电动车上蓄电池是唯一的电能源，用于动力驱动纯电动车，且为车辆上其它附属设施供电。由于动力源能量要求较大，电池单体的需求数量也较

40、大。就需要将电池单体、模块以最有利于热管理的方式排列摆放固定在车辆上。电池包就是这样的一个元件，它的设计要考虑到电池组的重量和体积在车辆空间上的分配，合理的装载电池单体、模块，并且其中还有相应的管理控制监控设施结构为电池提供最优的工作环境，同时检测控制电池组的正常运行。一般电池包是由许多个模块组成。一个模块又由多个单电池组成。电池装载在一个有电池管理系统的箱体中，这个箱体内还有整个电拖系统与车辆其它组成部分的接口设施以及电池管理系统。每个模块也有其适当的包装、热控制和机械或电子设备。这个装载有电池、热控制和电子设备以及装载其它部件的箱体整体就是通常所说的电池包。电池包由于所组成的电池形状各异，

41、还有电池数量不一，排列摆放的方式不同，加之电池包中电池固定的方式，以及散热通风管路系统的设计不同，以及受车辆摆放电池包的有效空间影响等等使得电池包的形状各不相同。其实根据车辆实际需求单体电池组成模块的数目模式各不相同。电池的形状尺寸各异，考虑到电池包的通风散热要设计风道，由模块组成电池包就差异更大了。电池包结构上不一定是长方形，可以有很多形状，可以是一个也可以是两个。可以装载有控制系统集成的整体箱体，也可是和管理系统控制系统等分开的。电池包中电池管理系统控制系统的设计和它们在电池包中的具体位置一样也不相同。同时电池包除了其装载固定电池的作用外。还起着要起到密封，防水，保护电池免受外界冲击，免受

42、外界热量干扰等等功能。为使电池组发挥最佳的性能，减少其它由于在车辆上的应用而产生的不利因素的影响。根据在车上运行的具体情况而定。加上在车辆上可以装载的空间位置不一，导致电池包的电池包的结构具有很大的多样性。2.2.2锂离子电池包热管理的重要性以及管理内容电池包作为电动公交车上装载有电池组的主要储能元件，是电动公交车的关键部件，直接影响到电动公交车的性能。锂离子动力电池因其优异的功率输出特性和长寿命等优点，目前在电动公交车上电池包中得到良好应用。但锂离子动力电池性能对温度变化较敏感，特别是运用于汽车上的大容量、高功率锂离子电池。优化电池性能的实现需要保持在一个合适的温度范围运行，从而尽可能均一整

43、个大型电池堆的温度分散。某个电池的失灵或者滥用会导致电池包内部温度的显著升高即热失控，所以锂离子电池在热学上处理的核心问题是怎样避免在整个大型电池包体系内部温度的显著上升和由此产生的热失控。由于车辆上空间有限，电池都是紧密连接装载在汽车电池包中，电池在工作中产生大量热量受空间影响而累积，并且造成各处温度不均匀影响电池单体一致性。如果电动公交车电池组得不到良好的均匀通风散热而长时间处于比较恶劣的温度环境中，其结果一方面将降低电池充放电循环效率，影响电池的功率和能量发挥，严重时还将导致热失控，影响系统安全性与可靠性;因此为了提高整车的性能，使电池组发挥最佳的性能和寿命，就需要优化电池包的结构，设计

44、热管理系统。具体而言温度对电池系统的运行充放电效率功率与能量安全与可靠性寿命和成本都有重要影响。车用动力电池系统是把电池串或并联组合使用的比较复杂的系统，它不仅要求各个电池单体在容量、内阻、放电平台等方面匹配一致，还要考虑电池组的整体平衡与热管理。如不能很好的管理，对某个单体而言，无异于滥用(大的热扰动)，进而由于单个电池的热失控会引发整个电池模块的热失控，最终导致电池包出现严重的安全问题。对于电池组而言，其表面不同位置(点)存在温差，组间阻抗不一致，而电池局部热传导的差异，可进一步增大阻抗的差异，同时电池组间热传输效率也存在差异，其强烈依赖于电池的形状与尺寸及组合方式，从而进一步增大电池组间

45、温差与阻抗。因此运用在电动车辆上的大型锂离子电池包体系就必须有热管理。热管理的主要有如下几个功能:保持电池的温度均衡;降低电池包中温度分布不均，以避免电池间不平衡而降低性能;消除与失控温度有关的潜在危险;通过使用空气、液体与电池直接或间接接触来主动或被动加热/冷却电池包。并提供通风，保证电池所产生的潜在的有害气体能及时排出，从而保证电池能够安全运行。2.2.3电池包热管理系统分析与设计由于电池包中电池的种类特性各不一样，电池包的结构也不一样。运用在不同类车辆上的电池包结构大不一样。电池包有很大的多样性。针对电池包的热管理就各不一样。我们针对电池包的热管理方式方法也各异。热管理就是指在电池包过热

46、时散热，在电池包温度低是加热，以保证电池一直在最佳温度范围内工作，以保证发挥电池最佳性能。比较目前国内外各种电池包热管理，主要针对热管理的散热加热方式，以及主被动系统来说明目前的热管理类型。1、主动系统与被动系统采用主动方式还是被动方式的加热和散热，效率会有很大差别。被动系统所要求的成本会比较低，采取的设施也会相对较简单。主动系统结构就相对复杂一些，且需要更大的附加功率，但它的热管理会更加有效。考虑成本、质量、空间的布置，早期在温和气候条件下使用的车辆都是没有使用加热或冷却单元并且只依靠空气来散热电池(如图1)。目前生产的一些纯电动公交车也是使用环境空气来被动冷却/加热电池包。尽管空气是经过汽

47、车空调(交流)或供暖系统加热和冷却的，但它仍然被认为是一种被动系统。运用这种被动系统，环境空气必须在一定温度范围(10-35)中才能正常进行热管理，在环境极冷或极热条件下运行电池包可能会产生更大的不均匀。相关实验也证明被动系统中，由于引入环境空气的温度的不一致性，冷却加热电池包会导致电池包更大的不均匀性。2、散热系统根据传热学理论，固体与气体，固体与液体接触产生传热现象。气体的对流换热系数远远没有液体的对流换热系数大，液体和固体接触对流换热能力更强。传热系数越大所交换的热量越多，换热效果更明显，因此我们要选择合适的传热介质。各种传热现象的传热系数范围如下表所示:使用液体作为传热介质，这需要考虑

48、到导电性，安全性，还有密封性，以及以后的维修方便性，还要考虑到电池包整体的重量。相变材料(例如液体石蜡)的传热蓄热能力最强，且在达到相变温度时可以大量吸热或放热而不升温降温。通过选用合适的相变材料能够使电池单体有效地达到热平衡，很好的控制电池温度上下限，避免产生温度过高过低的现象。但是考虑到材料的研发还有制造成本等问题，目前最有效且最常用的还是采用空气作为散热介质。目前多采用的空冷主要有并行和串行两种通风方式，如下图所示.这就要求在电池包结构上的设计相应导风口，尽量减小空气流动阻力，保证气流的均匀性。串行情况下一般是使空气从电池包一侧流往另外一侧，从而达到带走热量的效果。这里气流会将先流过的地

49、方的热量带到后流过的地方，从而导致两处温度不一致且温差较大。而并行情况下模块间空气都是直立上升气流。这样能够更均匀的分配气流，从而保证电池包中各处的散热一致性。在设计电池包散热加热系统时，应该综合考虑各因素。可以看出，采用气体(空气)作为传热介质的主要优点有：结构简单，质量轻;有害气体产生时能有效通风，成本较低。不足之处就在于，与电池壁面之间换热系数低，冷却速度慢，效率低。目前应用较多。采用液体作为传热介质的主要优点有:与电池壁面之间换热系数高、冷却、加热速度快;不足之处在于:密封性要求高、重量相对较大、维修和保养复杂、需要水套、换热器等部件，结构相对复杂。采用相变材料的主要优点有:与电池壁面

50、之间换热系数高，冷却、加热速度快，效率高，还能一定程度上控制温度上下限;不足之处在于研发制造成本高。3、加热系统在气候严寒温度较低的季节中使用电池时，必须加热才能够保证电池的正常运行，同时保证整车的正常启动和运行。实验磷酸铁钒锂电池在不同放电倍率，不同温度下发热量不同。可以看出电池在低温下，生热率最大。这样就导致车辆在严寒气候条件下启动时，电池包产生的能量大部分会用来发热而不是产生车辆运行的电流。如果在低温下启动会导致电池包中电流不稳定，同时还会影响到电池的寿命。为了保证电池的正常有效运行，必须在低温下对电池包加热。同散热一样我们可以通过流体加热。将空气或液体加热后引入到在电池包中，然后将热量

51、传递给电池。由十常用空气作为传热介质，可以将空气加热后引入到电池包，但是由于电池包中流速及空间的限制，且气态空气将热量传导到固态电池上效率较低，且各处流速不均，很难保证均匀传热。因此我们更多采用其它方式加热电池包。目前除了将热空气引入到电池包中，更多采用其它方式如加热板加热、发热线缠绕加热，电热膜包覆加热等方式。试验证明这些方式加热更加有效且升温迅速，能够保证各处加热的均匀性。如下图所示(方型电池):结构最简单的加热方式就是在电池包上下添加加热板实行加热，还有就是在每个电池列前后缠绕加热线，例如硅胶加热线来对电池加热。或者利用加热膜(如金属电热膜，碳基电热膜等)整个包覆在电池四周进行加热。电池

52、加热所运用的能量也是由电动公交车电池包中的能量来源提供的，因此我们就必需考虑到加热能量利用的有效性。通过研究事实上电热膜直接接触电池壳体，并且电热膜具有很高的成形性能够紧密贴在电池本体上，传热效率高且能量的浪费损失更小，更有利于电池包的能量运用。再者加热后热传导均匀，更能够保证电池加热的一致性。这样加热升温更加有效且迅速。当然电热膜加热构造更加复杂。考虑到加热的经济性还有成本及工艺问题采用有效地加热方式是很有必要的。总之我们应该根据电池的热特性来选择主被动加热冷却系统。某些电动公交车电池包，在车辆经常使用温度环境下，不需要进行加热和散热就能够正常运行。而有些混合动力汽车就只需要冷却系统，有些车

53、辆例如纯电动公交车就需要冷却和加热两个系统才能保证正常运行。我们还应根据具体强度需求来选择何种加热和散热方式。例如并联混合电动公交车或一些由电源协助的混合动力汽车，空冷散热系统就足够了，对于纯电动公交车和串联混合电动公交车，产生的热量较多，可能需要更有效的液体冷却系统.另外还应该考虑到车辆的构造，以及成本需求等合理的选取主被动方式，还应该充分利用车辆自身的资源。例如对于混合动力汽车可以将内燃机运行所产生的热量引入到电池包中进行加热。再就是把空调系统引入到电池包中进行热管理，这样即可节约能量又可简化结构。总之我们所设计的散热加热系统需要满足结构简单、系统可靠耐用、低成本以及低寄生功率等特性。4、

54、热管理系统的散热结构设计电池包的散热加热结构设计是电池包热管理的重要内容。如若是采用目前大多采用的风冷就要对电池包的结构合理设计.合理选取通风方式(并行/串行)，合理设计电池包的模块化方式以及模块的摆放排列，最终定出电池包内风道的设计、导风口的设计还有风扇的添加等等。目前考虑到电池包热管理结构的复杂性，大多采用的是结构简单的风冷方式，且考虑到散热的均匀性大多采用的并行通风方式。风冷系统采用的并行的风冷通风方式，系统结构设计的风常有效且紧凑。风道设计的非常合理，保证了空气流动的均匀性进而保证了电池包风冷的均匀性。在冷却风扇的设计也非常的巧妙，通过抽取式风扇把从空调中引进的冷却气流吸入电池包，气流

55、流经电池包后对电池进行有效地散热，最后由风扇抽出车外。可以看出我们在电池包的散热系统设计中由于电池包结构不一，电池形状、数量、模块化方式不一样，风道设计将会有很大的不同。同样对于电池包温度传感器而言，对于不同的电池包结构传感器应放置在不同测温点位置，且需求数量不一。温度传感器应该放置在最具代表性，温度变化幅度最大的地点，例如空气的进出口位置以及电池包的中间区域。特别是最高温和最低温处，以及电池包中心热量累积较厉害区域。电池包应该合理设计才能发挥出电池的最佳性能，还要考虑到机械，包装，电，热，安全，监测和控制多方面，以及与车辆其它部分的接口等问题。我们在选取电池时，就应该充分考虑到这些，选取合适

56、的类型、恰当的模块化模式、合适的排列摆放以及封装方式。我们可以看出电池的选取对电池包的性能有很大的影响，严重时会导致电池包的性能下降、成本升高、并且具有安全隐患等。同时也迫切需要电池制造商的协同努力，制造出最适用于电动公交车使用的电池。2.3充电技术2.3.1 纯电动公交车充电系统分类纯电动公交车充电系统由供电电源、充电机和其他辅助设备组成，能够为纯电动公交车的动力蓄电池提供符合要求的充电服务。根据供电电源、充电机以及充电方式的不同，可以分为家庭充电系统、太阳能充电系统、泊车充电系统、行驶充电系统等多种充电系统。一种典型的由各种充电系统构成的多重充电系统如图所示：1、家庭充电系统适用于装备有车

57、载充电机的纯电动公交车，在夜间于家中利用普通单相交流电对动力蓄电池进行慢速充电。根据蓄电池容量和放电深度的不同，充电时间一般需要68小时，充电电流一般限制在15A以下。车载充电机重量一般要求限制在5kg以下。因此，结构紧凑、重量轻便的车载充电机对于家庭充电系统来说是相当重要的，这种需求促进了高功率密度、高效率单相ACDC变换器的研列。此外，由于夜间的电力需求较低，处于波谷阶段，家庭充电系统有利于电网的峰谷调节控制。2、太阳能充电系统为了进一步提高能源利用效率，还可以利用安装在纯电动公交车车顶上的太阳能电池板对蓄电池进行充电。在Nissan公司开发的FEV型纯电动公交车上，安装在车顶上的300V

58、太阳能电池板能够以16的光电转换率为蓄电池充叫71。有报道称美国Califomia州Santa Monica市建立了一个小型太阳能充电站为纯电动公交车提供充电服务。在这种充电系统中，需要使用与家庭充电系统类似的车载充电机。3、泊车充电系统当纯电动公交车停在停车场中时，可以根据停车时间的长短通过地面充电机进行常规充电或快速充电(PAC)。地面充电机通常采用三相交流电作为输入电源，通过微机控制，转换为直流电后为蓄电池充电。充电过程控制以及充电均衡控制都由微机控制实现，以避免蓄电池过充电，尽量延长蓄电池的使用寿命。4、行驶充电系统对纯电动公交车蓄电池进行充电的最理想情况是在纯电动公交车行驶过程中就完

59、成充电过程，从而形成了行驶充电(MAC)系统的构想。MAC系统可以嵌入在某些特定区域的路而上，如高速公路的充电区。该系统既可以采用传导式充电，也可以采用感应式充电。对于传导式MAC系统，纯电动公交车车体底部需要安装接触受电弓，通过与路面上的充电元件接触而接受大电流充电。对于感应式MAC系统，其原理与感式充电机类似，纯电动公交车驶过充电区域时，就可以完成一次充电过程。2.3.2 纯电动公交充电系统构成在目前的技术水平下，将纯电动公交车作为城市公交车使用时，适宜采用的充电系统是泊车充电系统，这是因为纯电动公交车需要输出大功率、大电流的充电机来进行充电，从而需要在纯电动公交车的专用停车场内建设大型充

60、电系统，以满足公交车队中所有纯电动公交车的充电要求。一个完整的纯电动公交充电系统，主要由以下几部分组成：1、高压供电线路和高压供电设备等：根据纯电动公交车的动力蓄电池容量、充电时的电压和电流设置、车辆数量等数据的不同，充电系统总容量可能达到MVA等级以上，此时需要采用高压供电方式为充电系统供电。2、低压配电线路和低压配电设备等：高压供电转换为380V低压动力电源，再分配给充电机及其他辅助设备，完成对纯电动公交车的充电及其他辅助功能。3、大功率充电机：纯电动公交充电系统的核心设备，将交流电源转换为能够满足纯电动公交车充电要求的直流电源，并按照一定的充电控制方法完成对纯电动公交车的充电操作。4、谐

61、波抑制与无功功率补偿装置：采用现代电力电子技术的大功率充电机是高度非线性的用电设备，可能功率因数较低，而且对供电系统产生严重的谐波污染，则需要为纯电动公交充电系统配置相应的谐波抑制与无功功率补偿装置。5、其他辅助设备：包括纯电动公交充电系统的监控系统等辅助设备，可以为充电系统的安全可靠运行提供各种辅助功能。一个完整的纯电动公交充电系统的基本系统结构如图所示。2.3.3电动公交车对充电技术的要求随着电动公交车的逐步推广和产业化以及电动公交车技术的日益发展，电动公交车对充电站的技术要求体现了一致的趋势，要求充电站尽可能向以下目标靠近。1、充电快速化相比发展前景良好的镍氢和锂离子动力蓄电池而言，传统

62、铅酸类蓄电池以其技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好和无记忆效应等优点，但同样存在着比能量低、一次充电续驶里程短的问题。因此，在目前动力电池不能直接提供更多续驶里程的情况下，如果能够实现电池充电快速化，从某种意义上也就解决了电动公交车续驶里程短这个致命弱点。2、充电通用化在多种类型蓄电池、多种电压等级共存的市场背景下，用于公共场所的充电装置必须具有适应多种类型蓄电池系统和适应各种电压等级的能力，即充电系统需要具有充电广泛性，具备多种类型蓄电池的充电控制算法，可与各类电动公交车上的不同蓄电池系统实现充电特性匹配，能够针对不同的电池进行充电。因此，在电动公交车商业化的早期，就应该制定相

63、关政策措施，规范公共场所用充电装置与电动公交车的充电接口、充电规范和接口协议等。3、充电智能化制约电动公交车发展及普及的最关键问题之一，是储能电池的性能和应用水平。优化电池智能化充电方法的目标是要实现无损电池的充电，监控电池的放电状态，避免过放电现象，从而达到延长电池的使用寿命和节能的目的。充电智能化的应用技术发展主要体现在以下方面：优化的、智能充电技术和充电机、充电站;电池电量的计算、指导和智能化管理;电池故障的自动诊断和维护技术等。4、电能转换高效化电动公交车的能耗指标与其运行能源费紧密相关。降低电动公交车的运行能耗，提高其经济性，是推动电动公交车产业化的关键因素之一。对于充电站，从电能转

64、换效率和建造成本上考虑，应优先选择具有电能转换效率高，建造成本低等诸多优点的充电装置。5、充电集成化本着子系统小型化和多功能化的要求，以及电池可靠性和稳定性要求的提高，充电系统将和电动公交车能量管理系统集成为一个整体，集成传输晶体管、电流检测和反向放电保护等功能，无需外部组件即可实现体积更小、集成化更高的充电解决方案，从而为电动公交车其余部件节约出布置空间，大大降低系统成本，并可优化充电效果，延长电池寿命。2.3.4电动公交车快速充电技术原理介绍充电器作为电动公交车的能量补给装置，其充电性能关系到电池组的使用寿命、充电时间。实现对动力电池快速、高效、安全、合理的电量补给是电动公交车充电器设计的基本原则，另外，还要考虑充电器对各种动力电池的适用性。图下所示为快速充电器的控制系统组成，该系统区别于传统充电器所采用的连续电流充电和脉冲电流充电方式，采用了智能化的变脉冲充电方式，即采用如图2所示的充电电流脉冲，包