摘 要

能源日益紧缺和环境污染加剧是人类世界面临的两大突出性难题。近些年来,国内传统燃油汽车得到了快速的发展,汽车总量呈现了阶梯式的递增趋势。传统燃油汽车在服务经济增长和人们生活需求的同时,也很大程度上增加了资源消耗和环境污染。所以人们希望在加大汽车发展的同时也可以减少汽车对于环境的破坏，论文主要针对目前传统燃油汽车的不足，提出了以纯电动客车为研究对象的仿真，包括锂电池组模块与电机模块的搭建，能量控制策略模块、仿真结果分析，性能及优化，主要研究内容及结论如下：

针对目前环境污染问题，在ADVISOR模型搭建系统中的能源采用了低功耗、低噪声、零污染特点的锂电池组,动力锂电池有着十分突出的储能和动力性能,被认为是当前纯电动汽车合适的动力装置，至于发电带来的污染可由绿色能源发电来解决，所以对锂电池纯电动客车动力系统设计与性能研究对于我国汽车行业的未来发展是很有必要的。

论文在ADVISOR软件中开展了锂电池组电源系统电动客车仿真的功能问题，在模型搭建中，分别搭建了客车模型，锂电池组模型，电机模型，具有较高的工程应用价值。

在典型工况下开展了锂电池组电源系统电动客车仿真，给出了仿真结果，分析了电机功率及扭矩，锂电池组功率及扭矩等变量变化情况。

为研究锂电池串联数量和锂电池容量系数对电动客车性能的影响，在锂电池串联数量和锂电池容量系数变化的情况下，仿真得出电动客车的最高车速，加速时间，等效燃油消耗等性能指标，分析了研究锂电池串联数量和锂电池容量系数对电动客车性能的影响规律。

综上所述，本文针对电动客车电源系统的建模、能量控制策略、性能开展研究，研究结论对于今后的电动客车的研究和进一步优化具有一定意义。

关键词：电动客车，锂电池组，建模，能量控制策略，性能

Abstract

Increasing energy shortage and environmental pollution are two prominent problems facing the human world. In recent years, the domestic traditional fuel-fired vehicles have developed rapidly, and the total number of vehicles has shown a step-by-step increasing trend. While serving the economic growth and people's living needs, the traditional fuel vehicles also increase the consumption of resources and environmental pollution to a large extent. So people hope that the development of automobiles can also reduce the damage to the environment. Aiming at the shortcomings of traditional fuel-fired vehicles, this paper puts forward the simulation of pure electric bus, including the construction of lithium battery module and motor module, energy control strategy module, simulation results analysis, performance and optimization, the main research contents and conclusions are as follows. Next:

In view of the current environmental pollution problem, the lithium battery pack with the characteristics of low power consumption, low noise and zero pollution is used in the ADVISOR model building system. The power lithium battery has a very outstanding energy storage and power performance, and is considered to be the appropriate power device for the current pure electric vehicle. As for the pollution caused by power generation, it can be solved by green energy power generation, so for the lithium battery pure electric bus. Power system design and performance research is very necessary for the future development of China's automotive industry.

In this paper, ADVISOR software is used to simulate the function of electric bus with lithium battery power supply system. In the model building, the bus model, lithium battery model and motor model are built respectively, which have high engineering application value.

The simulation of electric bus with lithium battery power supply system is carried out under typical working conditions. The simulation results are given. The variations of motor power and torque, lithium battery power and torque are analyzed.

In order to study the influence of the number of lithium batteries in series and the capacity coefficient of lithium batteries on the performance of electric bus, the maximum speed, acceleration time, equivalent fuel consumption and other performance indicators of electric bus are obtained under the condition of the change of the number of lithium batteries in series and the capacity coefficient of lithium batteries. The influence of the number of lithium batteries in series and the capacity coefficient of lithium batteries on the performance of electric bus is analyzed.

In summary, this paper focuses on the modeling, energy control strategy and performance of electric bus power supply system. The research conclusion has certain significance for the future research and further optimization of electric bus.

Key words: Electric bus, lithium batteries, modeling, energy control strategy, performance improvement.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外锂电池纯电动客车历史与现状 1

1.2.2国内锂电池纯电动客车历史与现状 2

1.3存在的问题 4

1.4本章小结 4

第2章 锂电池组纯电动客车仿真模型构建 5

2.1锂电池组纯电动客车的ADVISOR软件仿真介绍 5

2.2模型搭建 7

2.2.1整车模型 7

2.2.2锂电池组模型 9

2.2.3电机模型 12

2.3本章小结 13

第3章 锂电池组纯电动客车能量管理及仿真 14

3.1能量管理研究 14

3.1.1能量管理模式 14

3.2仿真 15

3.2.1仿真参数设定 15

3.2.2工况介绍和仿真结果 16

3.3锂电池参数对客车性能影响研究 30

3.4本章小结 38

第4章 全文总结与展望 39

4.1全文总结 39

4.2研究展望 39

参考文献 40

致 谢 42

第1章 绪论

本章介绍本文的研究背景与意义，分析锂电池组电源系统在建模、能量控制策略，性能及优化方面的国内外研究现状，分析存在的问题。针对存在的问题，提出本文研究内容及研究方法。

1.1研究背景与意义

汽车的出现改变了人们的出行方式,如今汽车行业已经与人们的日常生活密不可分,而且汽车的普及程度相对一个国家来说也是代表了一个国家工业水平的体现,同时汽车的发展也是国家制造业的表现。一百多年来,汽车技术日新月异,汽车性能趋于完善,然而传统汽车一直消耗化石燃料来充当动力来源,一方面化石燃料是不可再生能源,在将来的某一天,化石能源也会有消耗完,所以化石能源会渐渐枯竭;另一方面,随着汽车需求量的不断扩大,汽车尾气排放问题也越来越严重,所造成的环境污染影响也是巨大的,汽车尾气排放给我们的生活带来了巨大的灾难。汽车尾气污染问题和化石能源的不可再生问题已经成了汽车发展道路上不得不面对和解决的两个巨大难题。面对日益严重的资源短缺与环境污染问题,社会、经济、资源和环境的协调可持续发展成为社会发展的新潮流和新风向。

随着石化能源对环境污染持续加重,电动汽车行业技术与标准不断完善,以锂电池作为动力的电动汽车因为拥有绿色和环保等优点,日益受到人们的青睐^[3]。锂电池组具有高能量密度、宽阔的电化学窗口和对环境友好等优势,于是锂电池便被看作现代社会最好的化学储能器件^[4]。

锂电池电源正成为电动汽车电源系统领域的研究热点,对其开展建模、能量管理策略、性能及优化研究具有重要意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外锂电池纯电动客车历史与现状

20世纪初期,全球除了化石能源车辆外，汽车行业共卖出约了77万辆,新能源乘用车包括电动汽车和插电式混合动力汽车,占了全球汽车市场份额的0.85%,其中主要集中在中国、美国、欧洲和日本。21世纪初期年,全球锂电池的售出量达到143.5Gwh,其中关于汽车的锂电池的出货量达到接近58Gwh。

在全球汽车行业发展历史中，电动汽车行业发展时间是比较长的，而纯电动汽车发展概况是最复杂的。在1990年以后,美国人便创造除了世界上第一辆纯电动汽车,标志着全球汽车行业的重大突破。1990年以后迎来了电动汽车行业生产的高潮,其中市场的40%都是纯电动汽车行业。但是后来发明创造除了电子启动器,再加上纯电动汽车动力性能差等原因,早期的纯电动汽车生产在1930年至1940年期间便停止了,后来的时间便是燃油汽车的顶峰时间。

终于约在1975年左右,在欧洲和美国爆发了两次关于能源的危机,这就导致了纯电动汽车的研制工作重新进入顶峰。然而在这一时期尚未创建完整的电力电子学,同时缺乏完善的科学指导的支持,更缺乏高等电力电子装置。

特别是,当时仅有铅酸蓄电池可供使用,然而由于铅酸蓄电池具有诸多缺点,比如体积大、质量重、能量密度小、功率密度低、充电时间太长,每次充满电后又行驶不了多远的路程,另一方面又有很高的制造成本,20世纪90年代末期以后很多公司对纯电动汽车的研制基本就停滞不前了。

第二代纯电动汽车的开发的科学指导是电力电子学,其中技术的改革有高能量密度锂离子蓄电池和锂离子电容器等的发明,以及乘用车电动化技术的开发和利用等。虽然,第二代纯电动汽车离在汽车市场出售还有一定的距离,但它已经在充电时间、续驶里程、动力性和快速充放电能力等方面取得了不错的突破。

1.2.2国内锂电池纯电动客车历史与现状

目前已经在汽车行业参与使用的锂电池材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和NCM (镍钴锰)三元材料等产品。在国内电动客车发展初期,动力电池基本都是采用磷酸铁锂正极材料,虽然这种正极材料制作的电池的具有一定的优点,比如电池组的循环寿命较好,但同时也具有许多的缺点,比如能量密度比较低,这就导致电动客车的行驶路程较短。"能量密度、循环寿命、低温特性、高温存储稳定性、安全性和成本"是锂电池的几项关键指标^[5]。

据研究数据显示,21世纪初期,在中国市场,锂离子电池需求量达到了接近3520万kWh,相对来说增长了79%,同时全球市场总额占比也创造了新的记录,达到了约39%,比上一年增长了10%以上,其中,在中国新能源汽车市场,锂离子电池出售量达到了1604万kWh,相对来说增长了300%,同时中国市场锂离子电池出售量的比例达到了一个新的高度,为45%,在2015年整年中,在中国锂离子电池需求量中,接近全部都是用于新能源汽车行业。

在1960-1970年,我国才开始在电动汽车行业的研究工作,系统的研发工作却开始于1995年左右,对比美国等国家迟了差不多二十年的时间。然而,在近十年内,在国家八六三计划的指导下,我国电动汽车的研发工作取得了一系列不错的成就,首先许多关键性的问题被得以解决了,而且许多中国研制的电动汽车已经有一些产品进入了国内市场,在许多领域已经实现了与日美欧等国同步发展。

我国电动汽车行业的发展大概经了三个阶段。

第一阶段,20世纪60年代年到21世纪初期的阶段。这一阶段,在我国,系统的支持电动汽车领域的技术并没有研发出来,没有理论方面的支持,国内各企业集团也没有将电动汽车作为研发投入。这就导致了电动汽车行业停滞不前,没有一款电动汽车整车产品在我过汽车市场上出现。而与此同时,一百多种型号的电动汽车在国外汽车公司已经开发生产出来了,其中,投入了汽车市场生产的纯电动汽车就有了十多种。对比之下,我国的电动汽车发展至少落后于发达国家20年。然而,可贺的是,从"85"计划被加入我国科技攻关计划,到"95"时期,电动汽车的发展对于一个国家的重要性已经逐渐展现出来,于是我国政府正式将其列入了国家重大科技产业工程项目,这就为电动汽车的进一步发展奠基了基础。

第二阶段,1995年至2010年期间。该时期的起点是两个重大事件。一方面2001年,863计划在科学技术部召开了,电动汽车重大科专项"可行性研究论证会,专项可行性研究报告在集会得以通过了,这意味着我国正式启动了电动汽车专项计划,这是第一次电动客车的研发工作得到了我国政府的大力支持。另一方面,在6年之后,我国实施了《新能源汽车生产准入管理规则》,这又促进了电动汽车在我国的商业化销售,同时电动汽车取得了一系列关键的技术性突破,三类电动汽年分別成了动能样、性能样车和产品样车试制:以幸福使者微型轿车为基础开发的纯电动轿车实现了生产和商业化出售,若干个品牌的纯电动客车、混合动力客车和混合动力新车在北京等城市进行了标准化行驶检测,一些国内研制的混合动力轿车已完成商品化的准备,我国纯电动汽车取得了极为重大的研究突破,拉近了与发达国家的差距,为以后国内的电动汽车商业化奠定了牢不可破的道路

第三阶段,《新能源汽车生产准入管理规则》从发布到施用以来的阶段。这一时期,因为有了863计划的不断开展和实施，我国的电动汽车获得很大程度上的升级,国家发改委汽车新产品公告中首批了一些自主研发商标的混合动力轿车产品,长安汽车、奇瑞汽车和比亚迪汽车的自主创新混合动力轿车上市销售。同时,通过了先期在北京和天津等7个城市及电网公司开展的电动汽车在一定地域内模拟行驶检测,同时清华大学和同济大学分别研究了燃料电池电动客车和再生制动系统;北京理工大学主要研究了纯电动汽车动力电池、混合动力汽车的动力总成技术;重庆大学对混合动力汽车制动系统进行研究;武汉理工大学主要研究城市公交混合动力汽车建模和仿真;吉林大学对混合动力汽车仿真、参数的选择和优化进行了研究^[6],在北京奥运会时候,我国成功实现了595辆国内研制的电动汽车的一起模拟行驶检测,表明国内纯电动汽车行业已经可以形成产业,可以预见,在将来的持续几年内将以纯电动汽车和混合动力车的持续发展为核心,我国的电动汽车行业将逐步形成和持续的发展。

目前,我国电动汽车已经创建了较为明确的行业创新体系,取得了动力系统技术平台构建、关键零部件和新技术开发、整车产品上市、示范运行等多方面的突破,已经基本形成了未来产业的发展模型,在国家产业政策和财政补贴政策下,即将迎来规模的发展阶段。

为了进一步改善锂电池性能，国内外很多学者都对锂电池组进行了研究，在文献^[7]中研究了磷酸铁锂电池在不同温度下的循环性能，从而提出了不同老化途径下电池容量损失的机理。文献^[8]中提出了磷酸铁锂电池的老化的评估方法。文献^[9]中通过控制锂电池温度从而提高锂电池的循环寿命。文献^[10]中，提高了电池的充电速度和降低极化对电池性能的影响。文献^[11]对锂电池的循环寿命进行预测。

改进锂电池的能量管理系统也是改善锂电池性能的重要方面,在文献^[12]中，针对国内电动汽车锂电池主动均衡系统质量不稳定，国外该项技术可靠性较高，但成本较高的问题，文章借鉴水桶补短理论，设计了一款新型电动汽车锂电池主动均衡管理系统。该系统通过矩阵电路对最低单体进行充电，使能量有效转移到最低点，起到最大幅度节能的目的。文献^[13]对锂电池充电系统进行改进，提高其充电性能。文献^[14-15]对锂电池组的能量管理系统进行了综述。

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