电动公共汽车的发展及关键技术研究精要

1、电动公共汽车的发展及关键技术研究随着我国公共汽车技术的发展，优质的底盘技术、亮丽的造型、 符合欧洲2号排放标准的发动机、代用燃料公共汽车、自动变速器、 空气悬挂等国内较为先进的技术已经融入了中国公共汽车制造业。同时，在公共汽车“环保化、高档化、大型化、低地板化” 口号逐渐变 为现实的今天，电动公共汽车以其特有的优势，开始在中国公共汽车 市场中占有了一定的份额，并且各大汽车制造厂商也正在积极地开发 和研制新一代的电动公共汽车。结合电动公共汽车目前的研究成果， 本文综合分析了电动公共汽车所涉及的主要关键技术。1电动公共汽车的发展由于电动公共汽车有不产生噪声、不污染环境和操作简单的优 点，所以在公共

2、汽车的发展初期，工程师们都首先选择了以电能作为 公共汽车的动力。1888年世界上第一辆电动公共汽车开始运营，它 是由英国的拉德克利弗华德(radcliffe ward)负责制造的，该车最 高时速为7英里，其外形与当时的有轨电车相似。到 1912年，美国 电动公共汽车的发展达到了一个高潮，当时大约有3万辆行驶在马路 上的电动车辆中就有约2万辆为电动公共汽车。受内燃机公共汽车制 造成本低的冲击，电动公共汽车从 1935年开始进入了沉睡期，到19 世纪60年代，从人们认识到石油即将短缺，电动公共汽车的研制才 再一次被人们所重视。1976年，美国国会通过了 “电动车辆及混合 车辆研究、开发与演示法案”

3、。1987年，美国能源部启动了电动客 车的研究、开发和演示工作。为紧跟世界汽车工业的发展，我国在863计划中将电动车辆的发展，也放到极其重要的位置。1996年，东风电动车辆有限公司开发出中国第一辆纯电动客车，2001年，该公司又开发成功了中国第一辆燃料电池电动客车。与此同时，国内其它几大汽车公司也相继开发了一系列电动公共汽车。总之，随着人们对能源危机、环境污染的进一步认识，电动公共汽车将成为公共汽车发 展的必然趋势。2电动公共汽车关键技术分析2.1 整车结构设计技术电动公共汽车的整车结构设计技术包括车身设计、 结构布置和 底盘设计，主要完成电动公共汽车的“形体”设计和“器官”布置， 它与传统汽

4、车的整车结构设计有很大的区别。首先，电动公共汽车能量的传递是由电线传递，而不是由刚性联轴器和转轴传递；其次，电 动公共汽车能量生成装置结构变化多样，而不同于内燃机的结构难于 变化；再次，电动公共汽车悬架等结构不再受机械装置的限制，有更 大的设计和布置空间。电动公共汽车的整车结构设计技术，为实现“减小车型的行驶 阻力系数、提供舒适的乘座空间、较好的主（被）动安全性能以及美 观的外形”的设计目标，采用了如下的技术路线：(1)根据总体设计意图，结合电动公共汽车的特点，确定总体布置方案；(2)根据总体布置，选定或设计能量生成装置、悬架和座椅 等总成的结构样式；(3)结合电动公共汽车各总成布置位置的灵活

5、性，以人为本 的设计理念，完成车型的总成布置；(4)整车各总成所用材料选取；(5)利用计算机辅助设计技术，建立设计车型的三维模型；(6)整车设计模型的模拟试验，模拟试验包括强度试验、风 洞试验、振动噪声试验和安全性试验等；(7)根据试验的结果，进行改进设计，制造实物模型。从以上分析可知，进行电动公共汽车整车的设计时，设计者有 更多的个性设计空间，并能进行更人性化的设计。2.2 能源技术可用于电动公共汽车的能量源有许多种，目前，主要考虑的几种类型为：可充电的电化学蓄电池、燃料电池、超级电容、超高速飞 轮以及混合动力系统。燃料电池所具有的效率高、启动快、零排放、 响应速度快、工作安静、产生的剩余热

6、量可以再利用、工作持久可靠 等优点，使其当仁不让地成为21世纪公共汽车动力源的最佳选择。燃料电池的基本工作原理很简单， 与普通电池相似。它是一种 不经过燃烧而通过化学反应，把富氢燃料的化学能直接转变成电能的 发电装置。如图1所示为燃料电池的基本工作原理。阳极（a）为燃 料和电解液（e）提供了一个接触面，在催化剂作用下发生氧化反应 并输出电子到外电路。另一方面，阴极（c）为氧气和电解液提供了 一个接触面，在催化剂作用下发生还原反应并从外电路接受电子。在阳极和阴极之间电解液用于传递燃料反应的离子，并和氧气电极反 应，而且还用于传递电子。从燃料电池的工作原理可知：要发展燃料电池，主要从燃料、 氧化剂

7、和催化剂3个方面入手。燃料电池技术经历了五代的发展，一 是碱性电池；第二代是磷酸燃料电池，它是目前技术最成熟、商业化 应用最广泛的燃料电池，但它要用贵重的钳系金属做催化剂； 第三代 是熔融碳酸盐燃料电池，由于其工作温度高，不太适合于车用；第四代是固体氧化物燃料电池，它具有效率高、寿命长的特点；第五代是质子交换膜燃料电池，它是近几年备受关注的新型燃料电池， 它采用 高分子聚合物膜作为电解质，构造简单，工作温度低、启动快，它的 特点使其在电动公共汽车上有更大的发展空间。混合动力系统在目前也被广泛采用，采用混合动力系统的关键 在于如何合理布置整个动力系统、如何对混合动力系统进行最优的控 制，以求达到

8、整个混合系统的高比能量和高比功率。2.3 电机驱动技术电机驱动系统是电动公共汽车的心脏，它的作用是将电池的电 能高效率地转化为机械能，并通过传动装置直接驱动车轮。电机驱动 系统一般由电动机、电源、电子控制器和功率变换器组成，电机驱动 技术主要包括电动机的设计与选定、电子控制器的控制策略、电机驱 动系统的整合等，本节主要分析电动机的设计与选定， 后两项将在下 面相应的小节中进行重点分析。设计电动机时需要考虑的基本因素为磁载荷和电载荷， 磁载荷 是指通过电动机气隙的磁通密度的基本分量的峰值， 电载荷是指电动 机单位周长上的安匝数或单位体积和单位质量的功率和转矩、 单位磁 路的磁通密度、转速、转矩损

9、失和效率，以及热回路设计和冷却等。设计电动机的方法主要有电路法和电磁场法， 电路法基于等效电路分 析，而电磁场法依赖于电磁场分析。 电磁场法能较好地处理复杂的机 械外形及非线性材料，并能较好地确定临界区域。电动机设计的关键 之处在于对钢、磁和铜的较好利用，更好的电磁耦合、电动机的几何 形状与布局，更好的热设计和冷却，了解电动机性能的限制，了解电 动机的几何形状、尺寸、参数和性能的关系，以设计出具有较高的单 位质量功率和单位质量转矩的高性能电动机为总设计思想。电动机的选定是一个复杂的系统工程，适用于电动公共汽车的 电动机类型主要有：直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机、开 关磁阻电动机和永磁混

10、合电动机。电动机的选定主要综合考虑以下几 个方面。2.3.1 公共汽车的行驶性能要求它主要包括加速性能、最高车速、最大爬坡度和续驶里程等，这 就对可列为被选电动机的功率密度和最高转速进行了约束。2.3.2 整车的结构布置它规定了车型所选用的结构形式是单电动机、双电动机还是多 电动机结构，多电动机结构能减小每个电动机的电流和功率的额定值，并能均衡电动机的尺寸和质量2.3.3 传动系的样式传动系的样式一般分为单速传动和多速传动， 前者采用固定速 比齿轮变速传动，后者采用带离合器和变速器的多级齿轮变速传动。 前者要求电动机既能在恒转矩区提供较高的瞬时转矩，又能在恒功率区提供较高的运行速度。后者对电动

11、机要求较低，但其体积过大，优 化结构复杂。2.3.4 公共汽车的系统电压等级采用合理的高电压电动机可减小逆变器的成本和体积，一般情况下，电动机的功率越大，所采用的电压等级越高。2.4 电控技术电控系统是电动公共汽车的大脑，它负责对电动公共汽车能源 系统、电机驱动系统、动力转向系统、再生制动系统和其它辅助系统 进行监测和管理。整车电控系统由各个子系统构成， 每个子系统一般 由传感器、信号传输电路、电控单元（ecu、控制策略、执行机构、 自诊断电路和指示灯等组成。电控技术在电动公共汽车上应用的关键， 不是每个子系统的控 制策略和控制方法，而是各个系统的综合控制。每个子系统的控制技 术在传统汽车上，

12、已经得到了广泛的应用和研究，技术相对成熟，而 系统的综合控制在传统汽车上还没有得到足够的重视和研究。电动公共汽车整车系统的综合控制是一个复杂的系统工程，而不是各个子系 统的简单叠加。2.4.1 电动公共汽车电控系统一般需要达到的目标(1)使整车系统能量分配最优。(2)使公共汽车处于最佳的行驶模式。(3)再生制动时，能合理地调整再生能量。(4)能量的最优使用。(5)适时进行温度控制，使车内始终处于最佳温度。(6)自行诊断整车系统的工作状况。2.4.2 电动公共汽车电控系统设计的一般步骤和方法(1)根据设计要求，提出控制目标。(2)确定系统整体控制方案。(3)确定控制算法。(4)选定单片机。(5)

13、软件的设计与编程。(6)总体电路布局。(7)系统调试。2.4.3 电控技术的发展随着电动公共汽车对电控技术要求的进一步提高，电控技术势必在以下几方面有所突破：一是新型传感器的研发与应用；二是高性 能、高速度芯片研发与应用；三是控制算法的借鉴与应用；四是控制 理论研究成果的应用；五是电动公共汽车新控制系统的产生。2.5 整车系统优化技术电动公共汽车系统是一个复杂的系统工程，在相同硬件条件 下，受机械、电气、控制、节能和环保等相关因素的影响，整车性能 可能因为系统优化的不同而出现较大的差异。通过系统优化可以改进 电动公共汽车的性能和降低公共汽车的制造成本。整车系统优化的一般步骤和方法为：(1)分析电动公共汽车各子系统的结构和特点以及各子系统 之间的相互作用；(2)各子系统优化模型的建立以及整车优化模型的建立；(3)各子系统间的约束性分析；(4)根据分析结果，选定优化变量；(5)根据优化模型，选定合适的优化算法；(6)根据设计任务书，确定各优化变量的初始值;(7)根据优化模型和优化算法，选用合理的编程语言进行编程；(8)优化程序的调试与应用。电动公共汽车各子系统