摘 要

随着城市人口的不断增多和人民收入水平的提高，私家车也越来越多，从而导致城市交通压力随之加剧，城市交通拥堵现象十分严重，各种车辆燃烧汽油或柴油更是加剧了空气污染。但纯电动客车是以充电电池，或燃料电池为动力源，所以相较于传统的燃油汽车，纯电动客车几乎不会对大气造成污染，并且其具有较高的能源利用率用率，不会造成能源过多的额外浪费，符合我们国家一贯的环保和资源节约的社会理念。

本文以12米EMT纯电动城市客车的动力系统为研究对象，首先调研了市场上与本文研究对象相关的车型，确定了整车参数，随后提出了整车动力性、经济性指标，通过理论计算匹配出该车动力系统参数，如额定功率、峰值功率等。最后通过使用仿真软件Cruise，构建了电动机、变速器、电池等各个部件的仿真模型，构成一个完整的整车动力系统仿真模型。建立仿真任务，在多种工况下进行测试，得到仿真结果，再把仿真结果与客车的设计要求对比，可知匹配的参数是否满足要求。

最后对仿真结果进行了分析，仿真结果显示：最高车速能达到88km/h，爬坡性能测试中最大爬坡度也达到了20.35%，加速性能测试中0-50km/h加速时间为18s，以40km/h匀速行驶能达到210km的里程。动力性能符合本文的设计要求。

关键词：纯电动城市客车；动力系统；参数匹配；Cruise建模仿真

Abstract

As the urban population continues to increase and the income level of the people increases, so does the number of private cars, which in turn leads to increased traffic pressure in the city. The traffic congestion in the city is very serious. The burning of gasoline or diesel in various vehicles exacerbates the air. Pollution. However, the pure electric bus is powered by a rechargeable battery or a fuel cell, so compared with the conventional fuel car, the pure electric bus will hardly pollute the atmosphere, and it has a high energy utilization rate, and will not The extra waste caused by excessive energy is in line with our country's social philosophy of environmental protection and resource conservation.

In this paper, the power system of the 12-meter EMT pure electric city bus is taken as the research object. Firstly, the models related to the research object in the market are investigated, the vehicle parameters are determined, and then the vehicle dynamic and economic indicators are proposed. Match the vehicle power system parameters, such as rated power, peak power, etc. Finally, through the use of simulation software Cruise, the simulation model of the motor, transmission, battery and other components is constructed to form a complete vehicle power system simulation model. The simulation task is established, the test is carried out under various working conditions, and the simulation results are obtained. Then the simulation results are compared with the design requirements of the passenger car, and it is known whether the matched parameters meet the requirements.

Finally, the simulation results are analyzed. The simulation results show that the maximum speed can reach 88km/h, the maximum grade in the climbing performance test is also 20.35%, and the acceleration time of 0-50km/h is 18s in the acceleration performance test. /h can reach 210km mileage at a constant speed. The power performance meets the design requirements of this article.

Keywords: Pure electric bus; Power system; Parameter matching calculation; Cruise modeling and simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 引言 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外纯电动汽车发展现状及趋势 3

1.2.1 国外纯电动汽车发展现状及趋势 3

1.2.2国内纯电动汽车发展现状及趋势 4

1.3纯电动汽车动力系统建模仿真研究现状 7

1.4发展纯电动城市客车的必要性 8

1.4.1城市客车的概念 8

1.4.2城市客车的运行特点 9

1.4.3发展纯电动城市客车的优势 9

1.5本文研究的目的及主要内容 10

第2章 纯电动汽车的基础介绍 11

2.1纯电动汽车的结构 11

2.2纯电动汽车的特点 13

第3章 纯电动城市客车动力系统参数匹配 14

3.1 12米EMT纯电动客车整车参数及性能要求 15

3.2驱动电机的选型与参数确定 16

3.2.1驱动电机的选型 16

3.2.2电动机额定电压的选择 18

3.2.3 电动机额定功率和峰值功率的参数匹配 19

3.2.4 电动机转速和转矩的确定 20

3.3电池组的参数匹配 21

3.4 传动系统的参数匹配 23

3.4.1 最小传动比的确定 23

3.4.2 最大传动比的确定 23

3.4.3 各档传动比的选择 23

第4章 建模及仿真 25

4.1仿真软件 Cruise 简介 25

4.1.1 Cruise的特点 25

4.1.2 Cruise 的建模仿真方法与步骤 26

4.2整车Cruise建模仿真 26

4.3 仿真计算分析 27

4.3.1 参数输入 27

4.3.2 循环工况下的仿真结果 30

4.3.3 加速性能的仿真结果 31

4.3.4 最大爬坡度的仿真结果 33

4.3.5 续驶里程的仿真结果 34

4.3.6 仿真结果分析 34

4.4 本章小结 35

第5章 总结与展望 36

5.1全文总结 36

5.2展望 36

参考文献 38

致谢 40

第1章 引言

1.1课题研究背景及意义

汽车作为现代工业文明的标志之一，自从1886年1月29日第一辆汽车诞生起，汽车给人们的生产和生活带来了极大的便利。随着汽车技术不断成熟以及新技术的应用，现代汽车工业也得到了飞速发展，汽车保有量连年增加。与此同时，能源与环境问题也显得更加突出。尤其近年来，随着人们经济水平的上升，私家车数量持续增加，致使能源短缺和大气污染等一系列问题日渐突出。随着全球汽车保有量的不断增长，全球石化能源面临供应短缺的问题，国际能源机构（IEA）的统计数据表明：2004年全球58%的石油能源消耗在交通领域。预计到2020年全球超过62%以上石油将在交通领域，到那时，“石油供给将不能满足全球石油消耗的需求，并且会出现巨大的供应缺口，预计到2050年这个供应缺口会达到500亿桶，大概相当于2004年全球石油开采量的两倍”（美国能源部研究报告）。并且大量汽车石化类交通能源的消耗已经引起一系列严重的环境问题。城市大气污染主要来源于汽车的有害的排放，据统计城市中60%的CO、50%的NOx 、30%的CH均来源于汽车尾气排放。长此以往，使得人类未来的生存和发展遭遇前所未有的挑战：温室效应导致的全球气候变暖，南北两极冰川融化，海平线上升，据联合国相关调查结果表明，大量燃油类汽车的尾气排放已经导致城市的平均温度升高2-3℃:；能源短缺，可能在各个国家产生矛盾；大气污染，如雾霾，对城市居民的健康产生了危害。

为解决能源源匮乏和保护大气环境，提倡可持续发展、绿色环保的理念，在全球范围内大力倡导发展新能源汽车，这一环保、经济的举措越来越多的受到社会各界的关注。

在最近几年里，新能源汽车取得了相当显著的成果。受燃油价格，以及购车限制的影响，消费者对新能源汽车的青睐逐渐加强。我国新能源汽车市场呈现爆发式增长。2017年，中国新能源车保有量为153万辆，占汽车总量的0.7%。2018年我国新能源汽车产销量分别为127万辆和125.6万辆，比2017年同期分别增长59.9%和61.7%。图1-1为2011-2018年我国新能源车产销量变化，图1-2为2011-2018年我国纯电动汽车产销量变化^[1]。

图1-1 2011-2018年新能源汽车产销量图

图1-2 2011-2017年纯电动汽车产销量图

此外，发展清洁能源车辆特别是推广使用纯电动汽车，它作为一种新型的交通工具,有助于促进交通模式的转变和交通运输设备制造产业的升级，对实施交通能源的多元化和快速转型具有极其重要意义。根据我国现阶段公共交通工具的运行特点和集中管理的优势，尤其是对于城市客车而言,运行在复杂拥挤的道路中,工况恶劣,能耗大,污染严重,所以纯电动城市客车的研究显得尤为重要。纯电动城市客车具有零污染有害气体排放、能量利用的效率高、废弃热量排放少、声噪小、制动能回馈利用高等诸多方面的优点，其在城市公交、大巴等公共交通领域具有极强的开发应用意义，研发纯电动客车必将成为我国电动汽车工业发展的一个切入点。

图1-3 纯电动客车

目前我国政府提出了大力发展纯电动客车战略规划，各级政府部门也在进行公车改革，公车集中使用。这样，政府单位、企事业单位将会对纯电动客车有很大的需求，所以纯电动客车在我国有着极其广阔的市场和良好的发展环境。不仅如此，在资源与环境压力日趋严重的今天，传统汽车产业带来的弊端与经济社会的节能环保之间的观念冲突不断，发展纯电动客车对增强新能源汽车技术科研实力、提高人民生活质量、促进社会健康和谐的可持续发展都具有十分重大的意义。

1.2国内外纯电动汽车发展现状及趋势

19世纪，纯电动汽车诞生之初便得到迅速发展，到20世纪初曾占汽车市场40%的份额，甚至超过了汽油车及蒸汽机车的销量。但受制于续驶能力的限制，以及传统汽车的竞争，电动汽车的发展黄金期结束于20世纪中前期。如今，迫于能源短缺及环境污染的压力，纯电动汽车正在大力发展高能量密度的锂离子电池及乘用车电动轮，使电动汽车再次进入人们的视野。目前，国外发展电动汽车的重点放在轿车等小型车辆，而就我国目前的汽车工业发展现状及城市发展背景，优先发展电动城市客车并使之实用化更能符合现在的发展需要^{[2] [3]}。

1.2.1 国外纯电动汽车发展现状及趋势

国外纯电动汽车发展比国内要早的多。自从19世纪90年代美国人制造出世界上第一辆纯电动汽车以来，汽车市场在20世纪初第一次达到生产高峰。德国作为率先提出电动汽车发展计划的国家之一，在2010年，德国总理默克尔制定了到2020年末在德国道路上100万辆电动汽车上路行驶的目标。然而，到了今年年初，这一数字还不足10万辆，但可喜的是，这其中超过一半为纯电动汽车。鉴于当下德国汽车企业的电动汽车规划及市场发展限制，德国政府决定将目标截止日期推迟两年时间，即到2022年实现100万辆电动汽车的上路目标。为了刺激需求，德国政府于2016年7月推出了一项名为“环境奖金”（Environment Bonus）的购买激励措施。

英国希望成为电动汽车市场的一支中坚力量，更是为此提高了研发支出。按照英国政府的“零排放之路”战略要求，到2030年，英国至少要有50%的汽车和40%的货车达到超低排放标准（二氧化碳含量低于50克/公里）。政府还计划在2040年前禁止销售传统内燃机驱动的新车。为此，英国政府已经建立了一个4亿英镑（4.5亿欧元）的基金以帮助扩大充电网络。

2009年推出的由三菱研发的i-MiEV，使用了高效能锂离子电池技术，30分钟充电可达80%，一次充满可行驶150km。此后， 2012年推出的由丰田研制的SCION IQEV纯电动汽车，采用永磁式电动马达驱动并由11kW/270V锂离子电池为其提供电能，续航里程可达105km。德国宝马公司推出的全新子品牌——BMWi，其中的BMW i3更是开始量产，2014年在中国上市。还有德国大众的e-Up、e-Golf等都会相继上市，奔驰也推出全新B级电动汽车。日产聆风（Leaf）更是现在市场上的宠儿，日产官方宣布，日产聆风的全球销量已突破10万大关。

1.2.2国内纯电动汽车发展现状及趋势

早在上世纪60年代，我国就开始了纯电动汽车相关的研究工作，并于上世纪90年代掀起了一股研究高潮，但由于投入小，不重视等原因，电动汽车并未获得很大的发展。直至20世纪80年代，国家才开始重视电动汽车的发展。这时国内一些高校、科研单位和企业陆续开始研究纯电动汽车，并取得了一些成果。2006年，我国第一批纯电动轿车获得了国家的批准，取得了产品准入公告，正式进入了汽车市场，成功吸引了很多的投资商和企业单位对纯电动汽车展开了研发和运营。

目前在我国，纯电动汽车已经确定了作为汽车产业转型的主要方向，而普通混合动力汽车将作为节能车看待，不在我国对新能源汽车的支持政策范围之内，无法享受购买扶持，发展纯电动汽车正式成为我国新能源汽车计划的主要目标。2018年作为新能源汽车元年，全球停售燃油汽车成为潮流，国内双积分和补贴退坡两大政策刺激着新能源汽车的火速发展，使新能源汽车成为近年来不可避免的热议话题。2018年1-11月，我国新能源汽车产销已破百万，分别实现105.35万辆和102.98万辆。截止2019，新能源汽车补贴的逐步滑坡，将倒逼电动汽车技术升级。随着行业技术水平提升，成本减少，加上国家环保政策的激励，电动汽车完全替代燃油车指日可待。电动汽车行业销量仍有再创新记录的可能，未来可期。

环保节能意识越来越普及的今天，社会许多领域都在倡导这一理念，而发展新能源汽车正是实现节能减排的重要方法，目前国家政策的大力扶持，研发技术越来越成熟，新能源汽车的发展前景一片大好。为了实现这一目标，国家正全力推进新能源汽车商业化进程，而纯电动客车毫无疑问是新能源汽车商业化的首选。谁能率先解决其在商业化过程中遇到的问题，谁就能主导整个纯电动客车的未来市场。此外，随着政府正在逐步完善如充电桩之类的充电基础设施，纯电动客车凭借节能环保的优势，将成为国家主推路线。

得益于此，从2011年到2016年，短短五年时间，纯电动客车市场发展态势惊人，尤其是2014年和2015年这两年（如图1-4），2014销量同比增长了6.63倍，2015年同比增长了6.39倍，纯电动客车只用了不到三年，其年销量基数从一开始的上千辆提高至十万辆以上，让人看到了这一市场的巨大潜力。

图1-4 2011-2017年中国纯电动客车销量（单位：辆）

到了2018年5月，国内纯电动客车市场以破万的销量再度刷新了月度纪录。2018年5月，纯电动客车市场累计生产各类车型达1.43万辆，同比净增117%，比去年同期爆发式增长782%。此外，1-5月纯电动客车市场累计生产达到2.72万辆，同比增长899%。5月纯电动客车市场表现强劲，各车企也不俗。宇通客车5月生产纯电动客车3622辆，同比增长1475%，排名第一。随后为南京金龙，产量为1194辆；银隆新能源第三，产量为1112辆^[4]。

随着国家和地方政策扶持力度不断加强，以及充电桩和动力总成等核心技术不断提升竞争力，相信未来纯电动车市场发展前景很可观。

此外，与燃油汽车一样,电动汽车动力系统的各组成部分的匹配好坏,才是体现专业水准的高低,其动力系统参数匹配是否合理，将直接影响其动力性和经济性是否满足要求。在纯电动汽车动力系统发展这一块，我国电机在功率密度、效率等指标方面与国外先进水平基本相当；国内电机控制器在功率密度等指标方面总体上与国外先进水平存在差距,但差距在快速缩小，车规级功率半导体材料、芯片、器件、模组技术水平与国外差距较大。国外轮毂电机已经接近或达到量产状态,部分样机集成了电力电子控制器模块,具有高转矩密度和集成度。国内轮毂电机总体处于样机测试阶段,功率、集成度等技术指标和国外存在较大差距。在电驱动总成的发展方面，现北汽新能源率先在国内采用高压集成系统PEU，比亚迪率先在电机减速器体化动力总成^[5]。

1.3纯电动汽车动力系统建模仿真研究现状

电动汽车仿真可以采用通用软件和专用软件。通用软件主要是 Matlab。专用软件包括AVI公司的Cruise，斯图加特大学的FASLMA，香港大学的EVSIM以及PSAT和ADVISOR等。以下简要介绍几种仿真软件：

（1）Cruise 软件是AVL公司开发的。AVL CRUISE软件功能强大，具有方便可供使用者通用的模型元件，简洁直观的数据管理系统，能进行许多复杂车辆动力传动系统的建模仿真，大受好评。软件的主要特点可简述为：便捷的建模方法和模块化的建模手段使得不同项目组可以对模型进行方便快捷的整合；能方便快捷地建立各种车辆的可动力系统模型；可以对模型同时进行正向或逆向两种仿真分析。

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