锂离子电池电动汽车结构与原理

电动汽车结构与原理第二章蓄电池电动汽车第二章蓄电池电动汽车2.0概述2.1电动汽车驱动系统2.2驱动电机及其控制系统2.3蓄电池结构及性能2.4电动汽车能量管理系统2.5电动汽车车辆管理系统2.6纯电动汽车实例分析第二章蓄电池电动汽车※重点纯电动汽车的结构和性能各种类型的电动汽车用驱动电机各种类型的蓄电池及其性能※难点各种类型驱动电机的控制系统以蓄电池能量管理为核心的电动汽车能源管理系统、再生制动系统2.0概述2.0.1定义2.0.2特点2.0.3基本组成2.0.4关键技术2.0.5发展趋势2.0.1定义蓄电池电动汽车（纯电动汽车）EV(ElectricVehicle)是仅由动力蓄电池向电机提供电能驱动车辆行驶的道路车辆。2.0.1定义结构示意图2.0.2特点节能，不消耗石油；环保，无污染；噪声和振动小。能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传递，各部件的布置具有很大的灵活性。驱动系统布置不同会使系统结构区别很大；采用不同类型的电机(如直流电机和交流电机)会影响到纯电动汽车的质量、尺寸和形状；不同类型的储能装置也会影响电动汽车的质量、尺寸及形状。不同的补充能源装置具有不同的硬件和机构，例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电器充电，或者采用替换蓄电池的方式，将替换下来的蓄电池再进行集中充电。2.0.3基本组成1.车载电源2.电池管理系统3.驱动电动机4.控制系统5.车身及底盘6.安全保护系统2.0.3基本组成1.车载电源组成以动力电池组作为车载电源，用周期性的充电来补充电能。重要性◇动力电池组是EV的关键装备，储存的电能、质量和体积，对EV性能起决定性影响，也是发展EV的主要研究和开发对象。◇EV发展的症结在于电池，电池技术对EV的制约仍然是EV发展的瓶颈。◇建立充电站系统、报废电池回收和处理工厂，是推广EV的关键问题。2.0.3基本组成1.车载电源发展(1)第一代EV电池：铅酸电池◇优点：技术成熟，成本低。◇缺点：比能量和比功率低不能满足EV续驶里程和动力性能的需求，但进一步发展了阀控铅酸电池、铅布电池等，使铅酸电池的比能量有所提高。2.0.3基本组成1.车载电源发展(2)第二代高能电池：镍—镉电池、镍—氢电池、钠—硫电池、钠—氯化镍电池、锂离子电池、锂聚合物电池、锌—空气电池和铝—空气电池等◇优点：比能量和比功率都比铅酸电池高，大大提高了EV的动力性能和续驶里程。◇缺点：有些高能电池需要复杂的电池管理系统和温度控制系统，各种电池对充电技术有不同要求。而且电化学电池中的活性物质在使用一定的期限后，会老化变质以至完全丧失充电和放电功能而报废，从而使EV的使用成本高。2.0.3基本组成1.车载电源发展(3)第三代电池：飞轮电池、超级电容器飞轮电池是电能—机械能—电能转换的电池。超级电容器是电能—电位能—电能转换的电池。这两种储能器在理论上都具有很大的转换能力，而且充电和放电方便迅速，但尚处于研制阶段。2.0.3基本组成1.车载电源高压电源◇动力电池组提供约155~380V高压直流电。◇动力电池组是供电机工作的唯一动力电源。◇空调系统的空压机，动力转向系统的油泵和制动系统的真空泵等，也需要动力电池组提供动力电能。低压电源动力电池组通过DC/DC转换器，供应12V或24V低压电，并储存到低压电池组中，作为仪表、照明和信号装置等工作的电源。2.0.3基本组成2.电池管理系统管理◇对动力电池组充电与放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈电流、电池温度等进行控制。◇个别电池性能变化后，会影响到整个动力电池组性能，故需用电池管理系统来对整个动力电池组及其每一单体电池进行监控，保持各个单体电池间的一致性。充电动力电池组必须进行周期性的充电。高效率充电装置和快速充电装置，是EV使用时所必须的辅助设备。可采用地面充电器、车载充电器、接触式充电器或感应充电器等进行充电。2.0.3基本组成3.驱动电动机驱动电动机是驱动EV行驶的唯一动力装置。类型直流电动机、交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。再生制动◇再生制动是EV节能的重要措施之一。制动时电动机可实现再生制动，一般可回收10%~15%的能量，有利于延长EV行驶里程。◇在EV制动系统中，还保留常规制动系统和ABS制动系统，以保证车辆在紧急制动时有可靠的制动性能.2.0.3基本组成4.控制系统EV的控制系统主要是对动力电池组的管理和对电动机的控制。将加速踏板、制动踏板机械位移的行程量转换为电信号，输入中央控制器，通过动力控制模块控制驱动电动机运转。计算动力电池组剩余电量和剩余续驶里程。对整车低压系统的电子、电器装置进行控制。采用各种各样的传感器、报警装置和自诊断装置等，对整个动力电池组—功率转换器—驱动电动机系统进行监控并及时反馈信息和报警。2.0.3基本组成5.车身及底盘车身EV车身造型特别重视流线型,以降低空气阻力系数。底盘◇由于动力电池组的质量大，为减轻整车质量，采用轻质材料制造车身和底盘部分总成。◇动力电池组占据的空间大，在底盘布置上还要有足够的空间存放动力电池组，并且要求线路连接、充电、检查和装卸方便，能够实现动力电池组的整体机械化装卸。2.0.3基本组成6.安全保护系统高压安全动力电池组具有高压直流电，必须设置安全保护系统，确保驾驶员、乘员和维修人员在驾驶、乘坐和维修时的安全。故障处理必须配备电气装置的故障自检系统和故障报警系统，在电气系统发生故障时自动控制EV不能起动等，及时防止事故的发生。2.0.3基本组成小结操纵：在操纵装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主要的操纵装置和操纵方法，适应驾驶员的操作习惯，使操作简单化和规范化。控制：在EV控制系统中，采用全自动或半自动的机电一体化控制系统，达到安全、可靠、节能、环保和灵活的目的。电池：提高电池的比能量和比功率，实现电池的高能化。电机：采用高效率的电能转换系统和高效率的驱动电动机，提高电动机和驱动系统的效率。车身和底盘：采用流线型车身，降低迎风面积和空气阻力系数。采用轻金属材料、高强度复合材料和新型EV专用车身和底盘结构，实现车身和底盘的轻量化，减轻整备质量。采用低滚动阻力轮胎，降低行驶阻力。再生制动：回收再生制动能量，延长行驶里程。2.0.4关键技术1.驱动电动机的选择及功率匹配电动机应具有良好的转矩—转速特性，一般具有6000~15000r/min的转速。根据车辆行驶工况，驱动电动机可以在恒转矩区和恒功率区运转。驱动电动机应经常保持在高效率范围内运转。在低速—大转矩（恒转矩区）运转范围内效率在0.75~0.85之间，在恒功率运转范围内效率在0.8~0.9之间。2.0.4关键技术2.动力电池组的选择与特性3.减速器传动比的确定由于电动机的转速高，不能直接驱动车辆的车轮，通常在驱动系统中采用大速比的减速器或2档变速器。作用：减速、增扭减速器或变速器中不设置倒档齿轮，倒车是靠电动机的反转来实现。2.0.4关键技术4.控制系统的设计目标：延长续驶里程续驶里程◇续驶里程指电动汽车从动力蓄电池全充满状态开始到标准规定的试验结束时所走过的里程。采用工况法按照一定的工况反复地循环行驶，是EV测定续驶里程的基本方法。◇我国颁布的GB/T18386—2001《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》适用于EV最大总质量≤3500kg，最高车速≥70km/h的EV。2.0.4关键技术4.控制系统的设计延长续驶里程的方法◇选用高比能量的电池。◇减少EV在行驶中各种环节中的能量损耗。◇减少EV辅助系统的电能消耗，对空调、动力转向等进行自动控制。◇设计新EV时，在造型、结构、材料和配件方面，应使G,f和CD等尽量降低。2.0.5发展趋势当前EV主要向小型化、个性化、家庭化和休闲化方向开辟市场，可适当地降低对动力性能、最高车速和续驶里程方面的要求。世界各国都有各式各样的微型和小型EV在使用。如日本丰田汽车公司E-com微型电动轿车和日产汽车公司的Hypermini微型电动轿车。NissanHypermini(2000)2.1电动汽车驱动系统组成动力电池组驱动电动机传动系统驱动轮控制装置驱动系统2.1电动汽车驱动系统电驱动系统的结构形式1.传统的驱动系统(1)电动机替代发动机。(2)仍然采用内燃机汽车的传动系统，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成。(3)有电动机前置、驱动桥前置(F-F)，电动机前置、驱动桥后置(F-R)等各种驱动模式。(4)结构复杂，效率低，不能充分发挥电动机的性能。M—电动机C—离合器GB—变速器D—差速器2.1电动汽车驱动系统电驱动系统的结构形式2.简化的传统驱动系统采用固定速比减速器，去掉离合器，可减少机械传动装置的质量、缩小其体积。M—电动机FG—固定速比减速器D—差速器2.1电动汽车驱动系统电驱动系统的结构形式3.电动机—驱动桥整体式驱动系统(1)与发动机横向前置、前轮驱动的内燃机汽车的布置方式类似。(2)把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮。(3)传动机构紧凑，传动效率较高，安装方便，在小型电动汽车上应用最普遍。M—电动机FG—固定速比减速器D—差速器2.1电动汽车驱动系统电驱动系统的结构形式4.双电动机驱动系统(1)采用两个电动机通过固定速比减速器分别驱动两个车轮。(2)每个电动机的转速可以独立的调节控制，便于实现电子差速，不必选用机械差速器。M—电动机FG—固定速比减速器2.1电动汽车驱动系统电驱动系统的结构形式4.双电动机驱动系统(3)电子差速器的优点是体积小、质量轻，在汽车转弯时可以实现精确的电子控制，提高电动汽车的性能；其缺点是由于增加了电动机和功率转换器，增加了初始成本，而且在不同条件下对两个电动机进行精确控制的可靠性需要进一步发展。机械差速器电子差速器2.1电动汽车驱动系统电驱动系统的结构形式5.内转子电动轮驱动系统(1)电动机装在车轮内，形成轮毂电动机，可进一步缩短从电动机到驱动轮的传递路径。(2)采用高速内转子电动机(约10000r/min)，需装固定速比减速器降低车速。一般采用高减速比行星齿轮减速装置，安装在电动机输出轴和车轮轮缘之间，且输入和输出轴可布置在同一条轴线上。M—电动机FG—固定速比减速器2.1电动汽车驱动系统电驱动系统的结构形式5.内转子电动轮驱动系统(3)高速内转子电动机具有体积小、质量轻和成本低的优点，但它需要加行星齿轮变速机构。内转子电动轮2.1电动汽车驱动系统电驱动系统的结构形式6.外转子电动轮驱动系统(1)采用低速外转子电动机，可完全去掉变速装置。(2)电动机外转子直接安装在车轮轮缘上，电动机转速和车轮转速相等，车轮转速和车速控制完全取决于电动机的转速控制。M—电动机2.1电动汽车驱动系统电驱动系统的结构形式6.外转子电动轮驱动系统(3)低速外转子电动机结构简单，无需齿轮变速传动机构，但其体积大、质量大、成本高。外转子电动轮2.2驱动电机及其控制系统2.2.1电机类型2.2.2电机性能要求与选用2.2.3直流电机2.2.4感应电机2.2.5永磁电机2.2.6开关磁阻电机2.2.7各种电机的比较2.2.1电机类型驱动电机的基本类型直流交流特种直流电机异步电机同步电机鼠笼式感应电机永磁电机同步磁阻电机开关磁阻电机其它特种电机永磁无刷电机永磁同步电机绕线式感应电机2.2.2电机性能要求与选用对电动汽车用驱动电机的基本要求◇较大范围的调速性能。◇高效率，低损耗。◇在车辆减速时实现制动能量回收并反馈蓄电池。◇电动机的质量、各种控制装置的质量和冷却系统的质量等尽可能小。◇对电气系统安全性和控制系统的安全性，都必须符合国家(或国际)有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定，装置高压保护设备。◇可靠性好、耐温和耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作。◇结构简单，适合大批量生产，运行噪声低，使用维修方便，价格便宜等。2.2.2电机性能要求与选用电动车用电机的选用◇采用技术成熟，性能可靠，控制方便和价格便宜的电机，如感应