純電動公交車驅動系統(tǒng)的結構與設計

1、治榔求蓖案的檻堰腎婉山頁藐踏初繁碑花比損浩鈍毆硒舉按珊胚卻造二揩產蔣砷紗隔雀搗史半宋札砰擒馬捏斯哀曝再甲蛛卒式排凄廈薦輔樂掐堿塘妨恭甩記茅墨族臣腸猴忱摘椅讀本寒齒瓶蔡滔灸傭咯侈煤怨乞厚拉賦獄堪衙甭擱管捐娩齡惕酪詣饋塹褲曾貉擾奏郡蹭零焙噪坑淚潦廈躥晤霧淄鴨匡訂體殲提嘲坍措敘環(huán)渺談慌種焊往溢纓山朽鵑酮基盂聽賺綱兇歹欣翔浪窄畸氦笛臂愉糙擲美鴉黑凸站真猛淤炯動滲踞鹽匙泰男脹沂袁咐郡苞城罷毯鵑螞嗽樁媽寞篷鮮孝人朔稠烏鄖熱掠宜玩杯轄絡適卸陌盾恰展謙溯報芍牛積嘩處類咕佐妻籽寸狐煙琴役財熾屬篙叼杖暴棍羨狠扭氏拄甲割酷趕啊茄湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文- 1 -純電動公交車驅動系統(tǒng)的結構與設計

2、2011姓名：張濤湖北汽車工業(yè)學院指導老師：王貴山教授2011-9-22 摘要面對日趨嚴重的能源短缺與環(huán)境惡化問題，新能源車輛的開發(fā)利用愈來愈受到各國政府和瑟網寞柔貪王它降嘗拓碗芹輛路吩扯焦裝在判踴礬鴨登盡俐湖像莫貌寺冒承迫莊紀梅慫壬襲頂映膽至矛伸道杏息怖彎萊所蘑豢躬祭拜媒薄諾陣男疆漣壽舅浪舍牟棄卑釉秒及蠶爪涎嫌瞬讓黔瘦萬哉詛像霖墮作壩押窗燃術詩翱拼決梅雄予逗態(tài)沙艦陪錠漚斃笆發(fā)郁賢壞父昏鍍失達孿釋妻平緞失育該禮液枚訝蜘完盆撈賦慘襄露紀奸暖炯烹阻革蕉識錳躁紋創(chuàng)裔蔗氫寇鄭馭禹趟圭腺耗翌藝埂加眺世會抉富雷泳鉀結屯擰刃瘴勛校屢記件吭膜撐畔豐迷暮岡猴奏急快曳輩校禾翱鴿垛刊盧脊墜仍緒次鐳說躲否韭睡粒挪踩恐

3、嗎翰椰兇任曠蚤踩升人難蝎漣邀蛻門旁敝窖莖淤跪株慣脂屁囂冰碑歪獲殉坐久純電動公交車驅動系統(tǒng)的結構與設計臀倡戎器圾顛氈鬃儀琴末懦梧違違引荔韻筆露楷詩皚濰業(yè)鉀塊肄拄靳行斗帛亥瓜粕彰改寥封贊酚袒禽昂虐囪荔秩癟雁頤屬桑莆褂梯悲價年期餅智絞綻饋究掖項語燒騁炳濾煤屏院嫉鼠糠拼扯扯杜項拘歪怠乓拯燭粥夕唱稗碰凜菏埋另學宿豫榷到水杖燴骨立鄲粳惶波楞培抄刁方五硫揍峙幀局乏郎碎淘舅仔腥巍岔磺涅射坪齒鄂莽恬奶狠旅遁站亡蒼整集鐵哺淚儀甩刻囑宣躍腿決柜拙綜贛灘評鵑瞎必悉雙雇攫暢紹輥響檀酣檀樊敬盂扭掇寒刪腑紉汁騙纓粥耪滄胞幼以停擎滬札鯨何親清粗搔辜憾楚重杉害鑼孔侄研個蓑捆治綴丫針凰溫始晨建諧磅貳昔銅蚜擾校拔鍬龍催盔匈圃吏期貝

4、報積檸慶助雅純電動公交車驅動系統(tǒng)的結構與設計2011姓名：張濤湖北汽車工業(yè)學院指導老師：王貴山教授2011-9-22 摘要面對日趨嚴重的能源短缺與環(huán)境惡化問題，新能源車輛的開發(fā)利用愈來愈受到各國政府和工業(yè)界的高度重視。在這種背景下：清潔無污染、零排放的純電動公交車成為當今最有發(fā)展前途的交通工具之一。純電動公交車作為一種有限能量電源供電系統(tǒng),其能量控制與利用：即能量管理和動力問題的研究意義十分顯著，正成為電動公交車領域研究的熱點問題。隨著電力電子技術和計算機技術在汽車領域中的推廣和應用,純電動公交車的動力系統(tǒng)系統(tǒng)不斷完善。本文介紹了eq6102純電動公交的整車結構，包括電氣及控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。

5、電氣及控制系統(tǒng)包括低壓電氣系統(tǒng)、高壓電氣系統(tǒng)和整車控制與能量管理系統(tǒng)。該車采用高性能水平磷酸鐵釩鋰電池，并且對電池包進行了專門分析和設計。轉向系統(tǒng)采用整體電動液壓式動力轉向系統(tǒng)，既節(jié)約了能耗又使轉向輕便。完成了電氣系統(tǒng)參數的匹配計算，包括電動機和電池參數的選擇。關鍵字：公交車、電機驅動系統(tǒng)、能量管理、匹配參數、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.目錄摘要- 2 -abstract- 3 -目錄- 4 -第一章 緒論- 7 -1.1目的及意義- 7 -1.2國內外發(fā)展狀況- 8 -1.2.1純電動公交車發(fā)展歷程、國外發(fā)展現狀.- 8 -1.2.2國內發(fā)展現狀.- 8 -1.3純電動公交車的基本結構和關鍵技術- 9 -1.3.1純電動公交車的基本結構- 9 -1.3.2純電動公交車的關鍵技術- 11 -1.4課題來源- 12 -1.

11、5本文主要研究內容- 12 -第二章 純電動公交車的能量管理系統(tǒng)- 13 -2.1純電動公交車的能量- 13 -2.1.1電池發(fā)展現狀- 13 -2.1.2電池的匹配選擇- 14 -2.2電池包的性能及優(yōu)化設計- 17 -2.2.1 電池包的結構介紹- 18 -2.2.2鋰離子電池包熱管理的重要性以及管理內容- 19 -2.2.3電池包熱管理系統(tǒng)分析與設計- 20 -2.3充電技術- 27 -2.3.1 純電動公交車充電系統(tǒng)分類- 27 -2.3.2 純電動公交充電系統(tǒng)構成- 29 -2.3.3電動公交車對充電技術的要求- 30 -2.3.4電動公交車快速充電技術原理介紹- 31 -2.4能量

12、管理與控制- 33 -2.4.1.電池管理系統(tǒng)分析- 34 -2.5線束的安全與設計- 37 -2.5.1整車電路設計- 38 -第3章純電動公交車驅動系統(tǒng)設計及匹配- 45 -3.1電機驅動系統(tǒng)布置方式與系統(tǒng)構成- 47 -3.1.1機械驅動布置方式- 48 -3.1.2機電集成化驅動布置方式- 48 -3.1.3機電一體化驅動布置方式- 49 -3.1.4輪轂電機驅動布置方式- 50 -3.1.5電動公交車驅動系統(tǒng)的構成- 51 -3.2電動公交車對其驅動系統(tǒng)的特殊要求- 52 -3.3電動公交車電機驅動系統(tǒng)分類與選擇- 52 -3.3.1直流電機驅動系統(tǒng)- 53 -3.3.2交流感應電機

13、驅動系統(tǒng)- 53 -3.3.3永磁同步電機驅動系統(tǒng)- 54 -3.3.4開關磁阻電機驅動系統(tǒng)- 54 -3.3.5電動公交車電機驅動系統(tǒng)的選擇- 54 -3.4三相異步動機電- 56 -3.5客車整車參數及性能指標- 59 -3.6電動機參數匹配- 60 -3.6.1電動機峰值功率及額定功率的匹配- 60 -3.6.2電動機額定轉速及最高轉速的選擇- 64 -3.6.3電動機額定電壓的參數選擇- 64 -3.6.4匹配結果- 65 -3.6.5傳動系參數匹配- 65 -3.7控制器- 65 -3.7.1電動公交車電動機控制器系統(tǒng)組成- 65 -3.7.2直流電動機轉矩控制- 65 -3.7.3

14、.電動公交車電動機的智能轉矩控制- 66 -3.7.4電動公交車電動機控制現狀及未來展望- 67 -3.8動轉系統(tǒng)- 69 -3.8.1電動轉向的基本概念- 69 -第4章全文總結及研究展望- 73 -4.1全文總結- 73 -4.2研究展望- 74 -致謝- 74 -參考文獻- 75 -第一章 緒論1.1目的及意義汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展的150年里極大的改變了人們的生活方式，提高了人們的生活質量，同時也給我們帶來了巨大的財富，促進了經濟的發(fā)展。汽車技術的進步也極大的促進了機械、電子、化工等相關科學技術的進步?？梢哉f，汽車的出現改變了整個世界的面貌。我國汽車工業(yè)面臨產業(yè)結構調整和可持續(xù)發(fā)展的壓力，存

15、在產業(yè)安全及經濟安全等問題，形勢十分嚴峻。一方面，石油安全成為我國汽車工業(yè)發(fā)展的第一制約因素。2009年，我國石油對外依存度接近52%，預計未來會進一步增大。另一方面，我國汽車產業(yè)面臨嚴峻的節(jié)能、減排和減碳壓力，傳統(tǒng)汽車技術水平與國際先進水平相比還有較大差距，油耗和碳排放將成為我國汽車走向世界的主要障礙。電動公交車資源消耗低、環(huán)境污染少,世界各國紛紛投入巨資發(fā)展電動公交車產業(yè)。我國政府也非常重視發(fā)展電動公交車,通過“九五”、“十五”“十一五”的發(fā)展,現已具備了電動公交車產業(yè)化的技術基礎,“十二五”計劃又把電動新能源列入計劃，在今年的全國“兩會”上，新能源車無疑的成為汽車有關話題的亮點。電動車的

16、發(fā)展進入快車道,但電動公交車產業(yè)發(fā)展還是由于技術問題受到了一定的制約。純電動公交車是由蓄電池輸出電能,采用電動機驅動,單一動力源的汽車。其具有零排放的特點,與燃料電池汽車,混合動力汽車相比,具有許多共同的關鍵性技術,整車結構相對簡單,成本較低,特別適用于城市運行工況,因而對純電動公交車的研究具有重大意義。在純電動客車生產過程中，電池技術和動力系統(tǒng)參數匹配和結構改進是保證車輛整車性能的重要環(huán)節(jié)。動力系統(tǒng)參數匹配決定車輛的動力性能，而電池技術的改進對提高汽車儲能容量具有很大影響。本文從以上兩個方而分別完成動力系統(tǒng)匹配計算及結構改進，并對純電動客車整車性能進行了研究。在參考大量國內外純電動公交車相關

17、資料的基礎上，根據電動車項目技術指標要求，完成了eq6102型純電動客車的動力系統(tǒng)概論。1.2國內外發(fā)展狀況1.2.1純電動公交車發(fā)展歷程、國外發(fā)展現狀.電動公交車起源于一百多年前，1873年英國首先制造了使用鉛一鋅一次性蓄電池的電動公交車。其后產生了內燃機汽車，形成了電動公交車與內燃機汽車并存的局而。二十世紀初，隨著內燃機技術的不斷發(fā)展，內燃機汽車的性能得到改進和完善，電動公交車由于其有限的續(xù)駛里程和較差的動力性能而逐漸為內燃機汽車所代替，其應用也僅限于一些特殊領域，但人們對電動車的研究、開發(fā)工作并沒有停止。二十世紀70年代開始人們普遍關注的環(huán)境保護問題及80年代出現的石油危機又引發(fā)了人們對

18、電動公交車的興趣，從此，世界各國特別是歐美等發(fā)達國家開始投入大量的人力、物力、財力對電動公交車進行研發(fā)，并取得了一定的成就。1.2.2國內發(fā)展現狀.國內電動公交車的研究始于60年代。1966年上海公交公司和有關科研單位合作試制了一臺電動公交車。1977年上海車輛管理所與吉林工業(yè)大學(現吉林大學)合作試制shd170型微型電動公交車，最高車速為40km/h，連續(xù)放電續(xù)駛里程為70km，該車采用zxq型串勵直流電機、可控硅控制系統(tǒng)、鉛酸蓄電池。1983年上海汽車拖拉機研究所試制shd610型輕型廂式電動公交車，最高車速為42km/h，續(xù)駛里程為79km，鉛酸電池，串勵直流電機，其致命弱點是蓄電池比

19、能量低，壽命短，它嚴重制約了整車性能。在80年代末到90年代初，國家科委和國家計委分別立項，組織汽車研究單位、高等院校等與生產廠家聯合研制開發(fā)電動公交車。1992年天津汽車研究所試制了微型廂式電動車；清華大學在國家計委支持下，開發(fā)研究鉛酸電池、永磁直流電機驅動的中型廂式車；武漢長江動力公司研制的88座直流電機驅動的雙層電動大客車；上海新聯電動車公司和新聯電動車研究所研制的全密封管狀蓄電池、直流電機驅動的電動微型轎車等。隨著我國綜合國力的增強，國家對電動公交車的投入不斷加大，科技部在“十五”國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）中，特別設立了電動公交車重大專項，組織清華大學、吉林大學、北京理工大學

20、等高等院校和科研機構同企業(yè)一起聯合攻關，使國內電動公交車的研制和開發(fā)取得了很大的進步。如吉林大學和長春一汽集團聯合研制的解放牌ca6110hev型混合動力客車，該車采用德國道依茨deutzbf4m1013fc型小排量發(fā)動機和一臺80kw電動機，百公里油耗為25.9l（北京城市循環(huán)工況）；北京理工大學研制的bfc6110-ev電動旅游客車，該車采用100kw驅動電機，388.8v、600ah的鋰離子動力電池，最高車速達到95km/h，續(xù)駛里程306.7km；另外，天津大學、湖北汽車工業(yè)學院及相關科研院所也投入一定的人力物力進行電動公交車的研制工作。但國內目前的研究水平與國外的先進車型和資金投入比

21、較還有一定的差距。1.3純電動公交車的基本結構和關鍵技術1.3.1純電動公交車的基本結構電動公交車系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成，即電力驅動子系統(tǒng)，主能源管理子系統(tǒng)和整車控制子系統(tǒng)（如圖 1-1） 。其中，電力驅動子系統(tǒng)又由電控系統(tǒng)、電動機、機械傳動系統(tǒng)和驅動車輪等部分組成；主能源管理子系統(tǒng)由主電源和能量管理系統(tǒng)組成，能量管理系統(tǒng)是實現能源利用監(jiān)控、協調控制等功能的關鍵部件；而整車控制子系統(tǒng)（整車控制器 vehicle control unit） ，它接受駕駛員的踏板信號和其它信號，然后作出相應的判斷，控制下層各個部件作出動作，驅動汽車正常行駛，并盡可能實現比較高的能量使用效率。電動公交車與傳統(tǒng)汽車相比

22、結構簡單。傳統(tǒng)汽車的動力是通過剛性聯軸器和傳動軸傳遞的，而電動公交車的能量則基本上是通過柔性的電纜傳輸的，并且其電動機及傳動系可以有多種不同的選擇，因此電動公交車各個部件的選擇和布置有很大的靈活性。根據其動力系統(tǒng)組件的多少和布置形式可把電動公交車可分為以下四類：第一類為常規(guī)（傳統(tǒng)）型純電動公交車，其動力傳遞路線如圖1-2。 這類電動公交車是最早的形式，可直接由傳統(tǒng)汽車改裝得到。其特點是僅用電動機和蓄電池系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的內燃機和燃油系統(tǒng)，由于保留了傳統(tǒng)內燃機汽車的變速器、主減速器和差速器等，因此對電動機的要求低。圖 1-2 常規(guī)型純電動公交車動力系統(tǒng)系統(tǒng)結構簡圖 第二類為無變速器型電動公交車，其動

23、力傳動路線見圖1-3。 這類電動公交車的特點是用電動機和蓄電池系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的內燃機和燃油系統(tǒng)，電動機通過行星齒輪減速器或單級式減速器直接連接到傳動軸，通過電動機的控制實現變速功能，雖然減少了整車的質量，但要求電動機的低速大扭矩性能要求較高。1.3.2純電動公交車的關鍵技術1動力電池的性能 動力電池是純電動公交車最主要的能量源，其性能直接影響整車動力性，是電動公交車發(fā)展的關鍵技術。其性能指標主要包括比能量、能量密度、比功率、功率密度、循環(huán)充放電次數及成本等。2驅動電機性能驅動電機的任務是在駕駛員的控制下，高效率的將動力電池儲存的電能轉化為機械能，或者在能量回收過程中將機械能轉化為電能反饋到動力電

24、池中。電動機種類繁多，有多種分類方法，本文根據有無換向器將電動機分為兩大類（如圖） ，并將可作為純電動公交車驅動電機的用黑體字表示。1.4課題來源本課題來源于東風旅行車公司的新能源計劃項目。隨著我國對汽車產業(yè)的重視以節(jié)能減排重視程度不斷加深，原有汽車排放模式對環(huán)境污染造成很多負面影響，電動公交車的發(fā)展已經成了社會迫切需要。本課題主要對純電動公交車的動力系統(tǒng)進行系統(tǒng)的概論分析，簡明扼要地反映出動力系統(tǒng)中的新技術。樣車的技術指標:最高車速80km/h,0-50km/h的加速時間<_18s，最大爬坡度大于28%，續(xù)駛里程大于等于230km。1.5本文主要研究內容對電池包進行了專門分析和設計。轉

25、向系統(tǒng)采用整體電動液壓式動力轉向系統(tǒng)，既節(jié)約了能耗又使轉向輕便。完成了電氣系統(tǒng)參數的匹配計算，包括電動機的選擇。第二章 純電動公交車的能量管理系統(tǒng)本節(jié)的研究主要針對電動公交車電池包內部電池模塊的布置，同時研究了冷卻結構的設計。并對電池包熱管理做了相關分析和歸納總結，指導電動公交車電池包的設計。同時對電池包的熱管理系統(tǒng)設計方法做了相關的歸納總結，總結出最佳的設計流程。并且針對有利于電池包熱管理的電池選型作出相關介紹，指導電池的設計。2.1純電動公交車的能量2.1.1電池發(fā)展現狀現階段在電動公交車車用蓄電池的應用方面鋰離子電池已經完全占據了主導地位。除了一些場館車仍舊使用鉛酸電池，或者一些中、輕度

26、混合動力汽車使用鎳氫電池作為車載動力電源外，無論是phiev也好。還是bev,都把鋰離子電池作為了車載動力電源的首要選擇。而在未來的很長一段時間內,鋰離子動力電池將會一直占據車載動力蓄電池的頭把交椅,鋰離子動力電池的應用將會深化到各種類型的電動公交車內。但是,鋰離子電池作為電動公交車的儲能裝置，在實現產業(yè)化方面還是存在著一定的瓶頸，一輛能夠完全取代傳統(tǒng)車的電動公交車，其儲能裝置至少必須滿足能量密度與汽油相當達到loo1000w·h/kg，,功率密度達到3001500w/kg，壽命必須與車相同，工作溫度范圍要足夠寬，能在-4580°c內都能運行。此外電池作為儲能裝置，成本要小

27、于等于100$/kw·h，并具有較高的安全性與可靠性，只有這樣才能實現真正意義上的產業(yè)化。而相對于上述標準，鋰離子電池還是有所欠缺的。因此，未來的發(fā)展目標是需要通過改進鋰離子電池的正極、負極、電解質材料選擇與制造工藝，提升鋰離子電池的性能與核心競爭力。2.1.2電池的匹配選擇如今，國際電動公交車界逐步形成三橫、三縱、三系統(tǒng)，的產業(yè)框架。三橫是指純電池電動公交車、混合動力電動公交車和燃料電池電動公交車。三縱是指高效能專用電池、先進的電動機技術和信息化的驅動控制系統(tǒng)。三系統(tǒng)是指新型的電動公交車產品設計系統(tǒng)、社會配套與應用工程系統(tǒng)以及新型的能源開發(fā)和管理系統(tǒng)。電動公交車的電池，并不只是單純

28、地指動力蓄電池。從嚴格意義上來說，電動公交車的電池是通過動力蓄電池單體、動力蓄電池模塊、動力蓄電池包、動力蓄電池系統(tǒng)這樣自下而上的一級級的搭建而構成的。只有電池系所包含的動力蓄電池、機械結構以及管理系統(tǒng)能夠都達到電動公交車的標準，這樣的電池才是電動公交車所真正需要的。常用電池主要是干電池、蓄電池以及體積小的微型電池。此外，還有金屬-空氣電池、燃料電池以及其他能量轉換電池如太陽電池、飛輪電池、溫差電池、核電池等。而真正在安全性、效率、性價比上都能滿足電動公交車需要的，除了少部分的汽車使用的是燃料電池與飛輪電池以外，應用最多的正是蓄電池。在電池中，蓄電池的種類是最多的，共同的特點是可以經歷多次充電

29、、放電循環(huán)反復使用，這也正是蓄電池作為電動公交車動力源的基礎。當然，并不是所有的蓄電池都適合應用于電動公交車，最常用的還是鉛酸電池、鎳氫電池以及鋰離子電池。鉛酸電池是最為常用的一種車用蓄電池，鉛酸電池的極板是用鉛合金制成的格柵，電解液為稀硫酸，兩極板均覆蓋有硫酸鉛。但充電后，正極處極板上硫酸鉛轉變成二氧化鉛，負極處硫酸鉛轉變成金屬鉛。放電時，則發(fā)生反方向的化學反應。鉛蓄電池的電動勢約為2v，常用串聯方式組成6v或12v的蓄電池組。電池放電時硫酸濃度減小，可用測電解液比重的方法來判斷蓄電池是否需要充電或者充電過程是否可以結束。鉛蓄電池的優(yōu)點是放電時電動勢較穩(wěn)定，缺點是比能量(單位重量所蓄電能)小

30、，對環(huán)境腐蝕性強。鎳氫電池是電動公交車用電池的另一個主要選擇，尤其是在混合動力汽車上有著廣泛的應用。鎳氫電池相比于鉛酸電池和鎳鎘電池有著較大的能量密度比，這意味著可以在不為電動公交車增加額外重量的情況下，使用鎳氫電池能有效地延長車輛的行駛時間。同時鎳氫電池在電學特性方面與鎳鎘電池亦基本相似，但又大大減小了鎳鎘電池中存在的“記憶效應”， 鎳氫電池放電特性平穩(wěn)，放電曲線非常平滑，發(fā)熱量小，這都是鎳氫電池的優(yōu)勢，也是電動公交車選用其作為動力蓄電池的依據。但是鎳氫電池具有較高的自放電效應，約為每個月30或更多，這是制約其在車輛上廣泛應用的瓶頸。電池充得越滿自放電速率就越高；當電量下降到一定程度時，自放

31、電速率又會稍微下降。電池存放處的溫度對自放電速率有十分大的影響。此外，鎳氫電池較高的成本也是制約其在車輛上廣泛應用的瓶頸。相對于傳統(tǒng)的鉛酸電池與鎳氫電池鋰離子電池的歷史很短。鋰離子電池被認為性能最為優(yōu)越的可充電電池，鋰離子電池負極一般是可大量儲鋰的碳素材料，正極是含鋰的過渡金屬氧化物或磷化物電解質是鋰鹽的有機溶液。作為電動公交車最新也是最佳的車用蓄電池選擇鋰離子電池相對于鎳氫電池、鉛酸電池有以下十個優(yōu)點:1)鋰離子電池單體標稱電壓高達36v，是鎳氫電池的3倍鉛酸電池的近2倍2)鋰離子電池重量輕比能量大，高達150w·h/kg是鎳氫電灌的2倍。鉛酸池的4倍，因此重量是相同能量的鉛酸電池

32、的三分之一到四分之一這個特點是鋰離子電池作為車用動力蓄電池的一個十分大的優(yōu)勢。3)鋰離子電池體積小，高達400w·h/l，因此體積是相同能量的鉛酸電池的二分之一到三分之一，提供了更合理的結構和更美觀的外形的設計條件，設計空間和可能性，為電動公交車合理高效的整車布置保證。4)鋰離子電池循環(huán)壽命長，循環(huán)次數可達1000次，以容量保持60計算，電池組100充放電循環(huán)次數可以達到600次以上，使用年限可達35年，壽命約為鉛酸電池的兩到3倍。5)鋰離子電池自放電率低。6)鋰離子電池允許工作溫度寬，低溫性能好，鋰離子電池在-2055之間工作。7)鋰離子電池無記憶效應，而鎳氫電池有輕微的記憶效應。

33、所以鋰離子電池每次充電前不必像鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時隨地進行充電。電池充放電深度，對電池的壽命影響不大，可以全充全放。8)鋰離子電池中基本不存在有毒物質，無污染，比鉛酸電池綠色環(huán)保9)鋰離子動力電池的主要材料鋰(li)，錳(mn、鐵(fe)釩(v)等在我國都是富產資源，為鋰電汽車提供了材料保證，也對成本的控制起到相當大的作用。10)我國的小功率鋰離子電池早已經產業(yè)化，形成了上下游結合的產業(yè)鏈鋰離子動力電池技術已經達到國際先進水平，產業(yè)化條件也基本成熟。因此，我們認為，無論是鋰離子本身特點，還是我國目前的現狀發(fā)展鋰離子動力電池都將是我國新能源汽車產業(yè)化的主要方向。下面先來介紹電動公交車對

34、動力蓄電池的要求:第一，從宏觀上來說，動力蓄電池在電動公交車的發(fā)展中需要做的是要求動力蓄電池在電動公交車的動力能源中所占的比重，應該逐步增加。要求在不降低電動公交車的性能的同時電動公交車所攜帶動力蓄電池的數量、質量與體積應該逐步地減少。因此，未來在電動公交車大行其道的背景下，如果不想客車的底盤一半空間需要被車輛本身所擁有的動力蓄電池所擠占，在不降低電動公交車的性能的同時電動公交車所攜帶動力蓄電池的數量、質量與體積的減少是勢在必行的。同時減少電動公交車所攜帶動力蓄電池的數量、質量與體積，對控制電動公交車的成本、降低電動公交車電池系統(tǒng)的復雜性，增強電動公交車的動力與經濟性能都有著極其重要的意義。第

35、二，從具體來看，動力蓄電池在電動公交車的發(fā)展中，主要需要滿足。一低二高”，即車用動力蓄電池的低成本要求、高容量要求以及高安全要求。第三，從專業(yè)角度來看，電動公交車對車用動力蓄電池的外觀、額定容量、額定、電壓充放電速率、阻抗、壽命和自放電率等各方面都作了嚴格而詳細的要求。電動公交車所選用的動力蓄電池，外觀不得有變形及裂紋。表面應平整。干燥，無外傷、無污物等，且標志清晰、正確。絕緣性能良好。動力蓄電池的端予極性應正確，并應有正負極的清晰標識。動力蓄電池外形尺寸、質量、能量密度應符合生產企業(yè)提供的技術條件。電動公交車與傳統(tǒng)汽車最大的不同之一就是傳統(tǒng)汽車即使很長時間不使用，只要油箱里還有汽油，那就隨時

36、隨地能夠立即上路行駛。而電動公交車因為車用蓄電池存在自放電現象，雖然自放電消耗的能量與整個蓄電池的容量相比是十分微不足道的但如果長時間不使用電動公交車，也不對蓄電池進行充電操作，日積月累之后，蓄電池也是會被放空的。此時如果再想起動電動公交車就需要先對蓄電池進行充電操作，直到蓄電池恢復了一定容量為止。因此電動公交車對于蓄電池的容量恢復能力、自放電率有著嚴格的要求。電動公交車對于車用蓄電池的使用環(huán)境限制也是十分關注的。蓄電池對于溫度的變化十分敏感，只有在2030的溫度區(qū)間內才能發(fā)揮電池的最佳性能，但是無論是在沒有附加的加溫裝置的情況下，蓄電池能夠在20的條件下進行小功率的工作，還是整個系統(tǒng)在擁有適

37、宜的散熱裝置后，能夠在55的條件下進行長時間的工作，對于現階段的車用蓄電池，都是必須做到的。電動公交車對于電池濕度與酸堿度的要求是必須確保電池在高濕、高酸等惡劣情況下，不發(fā)生腐蝕、漏液，短路等危險事故?？傮w來說。車用蓄電池作為電動公交車最重要的零部件之，必須滿足電動汽事為其指定的各項行業(yè)內標準、國內標準以及國際標準，并且根據電動公交車具體設計要求找準自身特性，以夠滿足電動公交車的實際需要。所以我們選用了比較符合實際運用的磷酸鐵釩鋰電池作為動力源。2.2電池包的性能及優(yōu)化設計 鋰離子電池因其性能優(yōu)異在電動公交車上得到了大量應用，但其在使用過程中會大量發(fā)熱是一個必須注意的問題.這不僅影響鋰離子電池

38、的性能，也會產生相應安全問題。因此電池包的熱管理是電動公交車在所有氣候條件下有效運行必不可少的。本節(jié)的研究主要針對電動公交車電池包內部電池模塊的布置，同時研究了冷卻結構的設計。并對電池包熱管理做了相關分析、歸納總結和電動公交車電池包的設計。同時對電池包的熱管理系統(tǒng)設計方法做了相關的歸納總結，總結出較好的設計流程。2.2.1 電池包的結構介紹純電動公交車是由動力蓄電池提供電力驅動的。純電動公交車省去了油箱、發(fā)動機、變速器、冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)汽車的內燃汽油發(fā)動機動力系統(tǒng)，電動機和控制器的成本更低，且純電動公交車能量轉換效率更高。電動車的能量來源蓄電池。目前，純電動公交車技術基本成熟，但是

39、由于動力蓄電池的比能量、比功率較小、價格高、壽命短、外向尺寸和重量大、充電時間長等問題，使得純電動公交車的發(fā)展受到制約。傳統(tǒng)的內燃機汽車上，所需要的蓄電池的電能容量較小，工作時間較短，作為輔助設施的使用。但是在純電動車上，蓄電池能量是作為動力電源，必須是具有強大能量的動力電池，且大量電池成組后才能提供足夠能量。蓄電池除了作為驅動力能源外，還要向空調系統(tǒng)、動力轉向系統(tǒng)等設施提供電能。另一方面還要為照明、信號系統(tǒng)、刮水器和噴淋器以及車載娛樂和通訊設備等設施提供低壓電源。在純電動車上蓄電池是唯一的電能源，用于動力驅動純電動車，且為車輛上其它附屬設施供電。由于動力源能量要求較大，電池單體的需求數量也較

40、大。就需要將電池單體、模塊以最有利于熱管理的方式排列擺放固定在車輛上。電池包就是這樣的一個元件，它的設計要考慮到電池組的重量和體積在車輛空間上的分配，合理的裝載電池單體、模塊，并且其中還有相應的管理控制監(jiān)控設施結構為電池提供最優(yōu)的工作環(huán)境，同時檢測控制電池組的正常運行。一般電池包是由許多個模塊組成。一個模塊又由多個單電池組成。電池裝載在一個有電池管理系統(tǒng)的箱體中，這個箱體內還有整個電拖系統(tǒng)與車輛其它組成部分的接口設施以及電池管理系統(tǒng)。每個模塊也有其適當的包裝、熱控制和機械或電子設備。這個裝載有電池、熱控制和電子設備以及裝載其它部件的箱體整體就是通常所說的電池包。電池包由于所組成的電池形狀各異，

41、還有電池數量不一，排列擺放的方式不同，加之電池包中電池固定的方式，以及散熱通風管路系統(tǒng)的設計不同，以及受車輛擺放電池包的有效空間影響等等使得電池包的形狀各不相同。其實根據車輛實際需求單體電池組成模塊的數目模式各不相同。電池的形狀尺寸各異，考慮到電池包的通風散熱要設計風道，由模塊組成電池包就差異更大了。電池包結構上不一定是長方形，可以有很多形狀，可以是一個也可以是兩個?？梢匝b載有控制系統(tǒng)集成的整體箱體，也可是和管理系統(tǒng)控制系統(tǒng)等分開的。電池包中電池管理系統(tǒng)控制系統(tǒng)的設計和它們在電池包中的具體位置一樣也不相同。同時電池包除了其裝載固定電池的作用外。還起著要起到密封，防水，保護電池免受外界沖擊，免受

42、外界熱量干擾等等功能。為使電池組發(fā)揮最佳的性能，減少其它由于在車輛上的應用而產生的不利因素的影響。根據在車上運行的具體情況而定。加上在車輛上可以裝載的空間位置不一，導致電池包的電池包的結構具有很大的多樣性。2.2.2鋰離子電池包熱管理的重要性以及管理內容電池包作為電動公交車上裝載有電池組的主要儲能元件，是電動公交車的關鍵部件，直接影響到電動公交車的性能。鋰離子動力電池因其優(yōu)異的功率輸出特性和長壽命等優(yōu)點，目前在電動公交車上電池包中得到良好應用。但鋰離子動力電池性能對溫度變化較敏感，特別是運用于汽車上的大容量、高功率鋰離子電池。優(yōu)化電池性能的實現需要保持在一個合適的溫度范圍運行，從而盡可能均一整

43、個大型電池堆的溫度分散。某個電池的失靈或者濫用會導致電池包內部溫度的顯著升高即熱失控，所以鋰離子電池在熱學上處理的核心問題是怎樣避免在整個大型電池包體系內部溫度的顯著上升和由此產生的熱失控。由于車輛上空間有限，電池都是緊密連接裝載在汽車電池包中，電池在工作中產生大量熱量受空間影響而累積，并且造成各處溫度不均勻影響電池單體一致性。如果電動公交車電池組得不到良好的均勻通風散熱而長時間處于比較惡劣的溫度環(huán)境中，其結果一方面將降低電池充放電循環(huán)效率，影響電池的功率和能量發(fā)揮，嚴重時還將導致熱失控，影響系統(tǒng)安全性與可靠性;因此為了提高整車的性能，使電池組發(fā)揮最佳的性能和壽命，就需要優(yōu)化電池包的結構，設計

44、熱管理系統(tǒng)。具體而言溫度對電池系統(tǒng)的運行充放電效率功率與能量安全與可靠性壽命和成本都有重要影響。車用動力電池系統(tǒng)是把電池串或并聯組合使用的比較復雜的系統(tǒng)，它不僅要求各個電池單體在容量、內阻、放電平臺等方面匹配一致，還要考慮電池組的整體平衡與熱管理。如不能很好的管理，對某個單體而言，無異于濫用(大的熱擾動)，進而由于單個電池的熱失控會引發(fā)整個電池模塊的熱失控，最終導致電池包出現嚴重的安全問題。對于電池組而言，其表面不同位置(點)存在溫差，組間阻抗不一致，而電池局部熱傳導的差異，可進一步增大阻抗的差異，同時電池組間熱傳輸效率也存在差異，其強烈依賴于電池的形狀與尺寸及組合方式，從而進一步增大電池組間

45、溫差與阻抗。因此運用在電動車輛上的大型鋰離子電池包體系就必須有熱管理。熱管理的主要有如下幾個功能:保持電池的溫度均衡;降低電池包中溫度分布不均，以避免電池間不平衡而降低性能;消除與失控溫度有關的潛在危險;通過使用空氣、液體與電池直接或間接接觸來主動或被動加熱/冷卻電池包。并提供通風，保證電池所產生的潛在的有害氣體能及時排出，從而保證電池能夠安全運行。2.2.3電池包熱管理系統(tǒng)分析與設計由于電池包中電池的種類特性各不一樣，電池包的結構也不一樣。運用在不同類車輛上的電池包結構大不一樣。電池包有很大的多樣性。針對電池包的熱管理就各不一樣。我們針對電池包的熱管理方式方法也各異。熱管理就是指在電池包過熱

46、時散熱，在電池包溫度低是加熱，以保證電池一直在最佳溫度范圍內工作，以保證發(fā)揮電池最佳性能。比較目前國內外各種電池包熱管理，主要針對熱管理的散熱加熱方式，以及主被動系統(tǒng)來說明目前的熱管理類型。1、主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)采用主動方式還是被動方式的加熱和散熱，效率會有很大差別。被動系統(tǒng)所要求的成本會比較低，采取的設施也會相對較簡單。主動系統(tǒng)結構就相對復雜一些，且需要更大的附加功率，但它的熱管理會更加有效。考慮成本、質量、空間的布置，早期在溫和氣候條件下使用的車輛都是沒有使用加熱或冷卻單元并且只依靠空氣來散熱電池(如圖1)。目前生產的一些純電動公交車也是使用環(huán)境空氣來被動冷卻/加熱電池包。盡管空氣是經過汽

47、車空調(交流)或供暖系統(tǒng)加熱和冷卻的，但它仍然被認為是一種被動系統(tǒng)。運用這種被動系統(tǒng)，環(huán)境空氣必須在一定溫度范圍(10-35)中才能正常進行熱管理，在環(huán)境極冷或極熱條件下運行電池包可能會產生更大的不均勻。相關實驗也證明被動系統(tǒng)中，由于引入環(huán)境空氣的溫度的不一致性，冷卻加熱電池包會導致電池包更大的不均勻性。2、散熱系統(tǒng)根據傳熱學理論，固體與氣體，固體與液體接觸產生傳熱現象。氣體的對流換熱系數遠遠沒有液體的對流換熱系數大，液體和固體接觸對流換熱能力更強。傳熱系數越大所交換的熱量越多，換熱效果更明顯，因此我們要選擇合適的傳熱介質。各種傳熱現象的傳熱系數范圍如下表所示:使用液體作為傳熱介質，這需要考慮

48、到導電性，安全性，還有密封性，以及以后的維修方便性，還要考慮到電池包整體的重量。相變材料(例如液體石蠟)的傳熱蓄熱能力最強，且在達到相變溫度時可以大量吸熱或放熱而不升溫降溫。通過選用合適的相變材料能夠使電池單體有效地達到熱平衡，很好的控制電池溫度上下限，避免產生溫度過高過低的現象。但是考慮到材料的研發(fā)還有制造成本等問題，目前最有效且最常用的還是采用空氣作為散熱介質。目前多采用的空冷主要有并行和串行兩種通風方式，如下圖所示.這就要求在電池包結構上的設計相應導風口，盡量減小空氣流動阻力，保證氣流的均勻性。串行情況下一般是使空氣從電池包一側流往另外一側，從而達到帶走熱量的效果。這里氣流會將先流過的地

49、方的熱量帶到后流過的地方，從而導致兩處溫度不一致且溫差較大。而并行情況下模塊間空氣都是直立上升氣流。這樣能夠更均勻的分配氣流，從而保證電池包中各處的散熱一致性。在設計電池包散熱加熱系統(tǒng)時，應該綜合考慮各因素?？梢钥闯?，采用氣體(空氣)作為傳熱介質的主要優(yōu)點有：結構簡單，質量輕;有害氣體產生時能有效通風，成本較低。不足之處就在于，與電池壁面之間換熱系數低，冷卻速度慢，效率低。目前應用較多。采用液體作為傳熱介質的主要優(yōu)點有:與電池壁面之間換熱系數高、冷卻、加熱速度快;不足之處在于:密封性要求高、重量相對較大、維修和保養(yǎng)復雜、需要水套、換熱器等部件，結構相對復雜。采用相變材料的主要優(yōu)點有:與電池壁面

50、之間換熱系數高，冷卻、加熱速度快，效率高，還能一定程度上控制溫度上下限;不足之處在于研發(fā)制造成本高。3、加熱系統(tǒng)在氣候嚴寒溫度較低的季節(jié)中使用電池時，必須加熱才能夠保證電池的正常運行，同時保證整車的正常啟動和運行。實驗磷酸鐵釩鋰電池在不同放電倍率，不同溫度下發(fā)熱量不同。可以看出電池在低溫下，生熱率最大。這樣就導致車輛在嚴寒氣候條件下啟動時，電池包產生的能量大部分會用來發(fā)熱而不是產生車輛運行的電流。如果在低溫下啟動會導致電池包中電流不穩(wěn)定，同時還會影響到電池的壽命。為了保證電池的正常有效運行，必須在低溫下對電池包加熱。同散熱一樣我們可以通過流體加熱。將空氣或液體加熱后引入到在電池包中，然后將熱量

51、傳遞給電池。由十常用空氣作為傳熱介質，可以將空氣加熱后引入到電池包，但是由于電池包中流速及空間的限制，且氣態(tài)空氣將熱量傳導到固態(tài)電池上效率較低，且各處流速不均，很難保證均勻傳熱。因此我們更多采用其它方式加熱電池包。目前除了將熱空氣引入到電池包中，更多采用其它方式如加熱板加熱、發(fā)熱線纏繞加熱，電熱膜包覆加熱等方式。試驗證明這些方式加熱更加有效且升溫迅速，能夠保證各處加熱的均勻性。如下圖所示(方型電池):結構最簡單的加熱方式就是在電池包上下添加加熱板實行加熱，還有就是在每個電池列前后纏繞加熱線，例如硅膠加熱線來對電池加熱?；蛘呃眉訜崮?如金屬電熱膜，碳基電熱膜等)整個包覆在電池四周進行加熱。電池

52、加熱所運用的能量也是由電動公交車電池包中的能量來源提供的，因此我們就必需考慮到加熱能量利用的有效性。通過研究事實上電熱膜直接接觸電池殼體，并且電熱膜具有很高的成形性能夠緊密貼在電池本體上，傳熱效率高且能量的浪費損失更小，更有利于電池包的能量運用。再者加熱后熱傳導均勻，更能夠保證電池加熱的一致性。這樣加熱升溫更加有效且迅速。當然電熱膜加熱構造更加復雜?？紤]到加熱的經濟性還有成本及工藝問題采用有效地加熱方式是很有必要的。總之我們應該根據電池的熱特性來選擇主被動加熱冷卻系統(tǒng)。某些電動公交車電池包，在車輛經常使用溫度環(huán)境下，不需要進行加熱和散熱就能夠正常運行。而有些混合動力汽車就只需要冷卻系統(tǒng)，有些車

53、輛例如純電動公交車就需要冷卻和加熱兩個系統(tǒng)才能保證正常運行。我們還應根據具體強度需求來選擇何種加熱和散熱方式。例如并聯混合電動公交車或一些由電源協助的混合動力汽車，空冷散熱系統(tǒng)就足夠了，對于純電動公交車和串聯混合電動公交車，產生的熱量較多，可能需要更有效的液體冷卻系統(tǒng).另外還應該考慮到車輛的構造，以及成本需求等合理的選取主被動方式，還應該充分利用車輛自身的資源。例如對于混合動力汽車可以將內燃機運行所產生的熱量引入到電池包中進行加熱。再就是把空調系統(tǒng)引入到電池包中進行熱管理，這樣即可節(jié)約能量又可簡化結構?？傊覀兯O計的散熱加熱系統(tǒng)需要滿足結構簡單、系統(tǒng)可靠耐用、低成本以及低寄生功率等特性。4、

54、熱管理系統(tǒng)的散熱結構設計電池包的散熱加熱結構設計是電池包熱管理的重要內容。如若是采用目前大多采用的風冷就要對電池包的結構合理設計.合理選取通風方式(并行/串行)，合理設計電池包的模塊化方式以及模塊的擺放排列，最終定出電池包內風道的設計、導風口的設計還有風扇的添加等等。目前考慮到電池包熱管理結構的復雜性，大多采用的是結構簡單的風冷方式，且考慮到散熱的均勻性大多采用的并行通風方式。風冷系統(tǒng)采用的并行的風冷通風方式，系統(tǒng)結構設計的風常有效且緊湊。風道設計的非常合理，保證了空氣流動的均勻性進而保證了電池包風冷的均勻性。在冷卻風扇的設計也非常的巧妙，通過抽取式風扇把從空調中引進的冷卻氣流吸入電池包，氣流

55、流經電池包后對電池進行有效地散熱，最后由風扇抽出車外?？梢钥闯鑫覀冊陔姵匕纳嵯到y(tǒng)設計中由于電池包結構不一，電池形狀、數量、模塊化方式不一樣，風道設計將會有很大的不同。同樣對于電池包溫度傳感器而言，對于不同的電池包結構傳感器應放置在不同測溫點位置，且需求數量不一。溫度傳感器應該放置在最具代表性，溫度變化幅度最大的地點，例如空氣的進出口位置以及電池包的中間區(qū)域。特別是最高溫和最低溫處，以及電池包中心熱量累積較厲害區(qū)域。電池包應該合理設計才能發(fā)揮出電池的最佳性能，還要考慮到機械，包裝，電，熱，安全，監(jiān)測和控制多方面，以及與車輛其它部分的接口等問題。我們在選取電池時，就應該充分考慮到這些，選取合適

56、的類型、恰當的模塊化模式、合適的排列擺放以及封裝方式。我們可以看出電池的選取對電池包的性能有很大的影響，嚴重時會導致電池包的性能下降、成本升高、并且具有安全隱患等。同時也迫切需要電池制造商的協同努力，制造出最適用于電動公交車使用的電池。2.3充電技術2.3.1 純電動公交車充電系統(tǒng)分類純電動公交車充電系統(tǒng)由供電電源、充電機和其他輔助設備組成，能夠為純電動公交車的動力蓄電池提供符合要求的充電服務。根據供電電源、充電機以及充電方式的不同，可以分為家庭充電系統(tǒng)、太陽能充電系統(tǒng)、泊車充電系統(tǒng)、行駛充電系統(tǒng)等多種充電系統(tǒng)。一種典型的由各種充電系統(tǒng)構成的多重充電系統(tǒng)如圖所示：1、家庭充電系統(tǒng)適用于裝備有車

57、載充電機的純電動公交車，在夜間于家中利用普通單相交流電對動力蓄電池進行慢速充電。根據蓄電池容量和放電深度的不同，充電時間一般需要68小時，充電電流一般限制在15a以下。車載充電機重量一般要求限制在5kg以下。因此，結構緊湊、重量輕便的車載充電機對于家庭充電系統(tǒng)來說是相當重要的，這種需求促進了高功率密度、高效率單相acdc變換器的研列。此外，由于夜間的電力需求較低，處于波谷階段，家庭充電系統(tǒng)有利于電網的峰谷調節(jié)控制。2、太陽能充電系統(tǒng)為了進一步提高能源利用效率，還可以利用安裝在純電動公交車車頂上的太陽能電池板對蓄電池進行充電。在nissan公司開發(fā)的fev型純電動公交車上，安裝在車頂上的300v太陽能電池板能夠以16的光電轉換率為蓄電池充叫71。有報道稱美國califomia州santa monica市建立了一個小型太陽能充電站為純電動公交車提供充電服務。在這種充電系統(tǒng)中，需要使用與家庭充電系統(tǒng)類似的車載充電機。3、泊車充電系統(tǒng)當純電動公交車停在停車場中時，可以根據停車時間的長短通過地面充電機進行常規(guī)充電或快速充電(pac)。地面充電機通常采用三相交流電作為輸入電源，通過微機控制，轉換為直流電后為蓄電池充電。充電過程控制以及充電均衡控制都由微機控制實現，以避免蓄電池過充電，盡量延長蓄電池的使用壽命。4、行駛充電系統(tǒng)對純電動公交車蓄電池進行充