第二章 纯电动汽车结构及其原理

第二章纯电动汽车的结构和原理纯电动汽车分类纯电动汽车基本组成纯电动汽车结构及工作原理2.1纯电动汽车分类1).按用途分类（1）纯电动轿车；（2）电动货车；（3）电动客车。2)．按驱动形式分类（1）直流电机驱动的电动汽车；（2）交流电机驱动的电动汽车；（3）双电机驱动的电动汽车；（4）双绕组电机电动汽车；（5）电动轮电动汽车。纯电动轿车实例江淮纯电动轿车实例特斯拉纯电动客车实例东风纯电动城市客车纯电动货车实例东风纯电动货车、东风纯电动扫地车2.2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2.2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。2.2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。2.2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。2.2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。2.2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。2.2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。2.2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.2.2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。2.2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。2.2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。2.2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。2.3纯电动汽车基本工作原理纯电动汽车(BatteryElectricVechicle,BEV)是由车载可充电蓄电池提供电能，由电动机驱动的汽车。纯电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于传统汽车的油箱。2.3.1纯电动汽车各子系统与工作原理电动汽车主要由电力驱动系统、电源系统和辅助系统等三部分组成。汽车行驶时，由蓄电池输出电能（电流）通过控制器驱动电动机运转，电动机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。电动汽车续驶里程与蓄电池容量有关，蓄电池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里程，必须尽可能地节省蓄电池的能量。2.3.2纯电动车三大系统电力驱动系统由控制单元、驱动控制器、电动机、机械传动装置和车轮等组成。电源系统由蓄电池、能量管理系统和充电控制器等组成。辅助系统由辅助动力源（辅助电源和DC/DC功率转换器）、动力转向系统、驾驶室显示操纵台和辅助装置（照明、各种声光信号装置、车载音箱设备、空调、刮水器、风窗除霜清洗器、电动门窗、电控玻璃升降器、电控后视镜调节器、电动座椅调节器、车身安全防护装置控制器等）等组成。2.3.2电力驱动系统电力驱动系统电力驱动系统主要包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和车轮等。它的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，并能够在汽车减速制动时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。包括电动机驱动器、控制器及各种传感器，其中最关键的是电动机逆变器。电动机不同，控制器也有所不同。控制器将蓄电池直流电逆变成交流电后驱动交流驱动电动机，电动机输出的转矩经传动系统驱动车轮，使电动汽车行驶。2.3.2辅助动力源辅助动力源一般为12V或24V的直流低压电源，它主要给动力转向单元，制动力调节控制、照明、空调、电动窗门、导航系统、刮水器、收音机以及除霜装置等等各种辅助装置提供所需的能源。2.3.2纯电动车电源系统电源系统包括电源、能量管理系统和充电机等。它的功用是向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。纯电动汽车的常用电源有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。纯电动汽车电池管理系统，它的主要功用是对电动汽车用电池单体及整组进行实时监控、充放电、巡检、温度监测等。2.3.3纯电动车工作原理描述当汽车行驶时，电力驱动系统经储存在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，控制单元根据加速踏板和制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出相应的控制指令，对电动机进行起动、加速、减速、制动控制，并能够将汽车车轮的动能转换为电能充入蓄电池。电动机正常行驶时发挥其主要的电动机功能，将电能转化为机械能；在减速和下坡滑行时又被要求进行发电，将车轮的惯性动能转化为电能。机械传动装置将电动机的驱动转矩传输给汽车的驱动轴，从而带动汽车车轮前进或后退。2.3.4纯电动汽车组成与工作原理图2.4纯电动汽车的布置形式纯电动汽车的布置是指电源、驱动系统及机械传动装置等的具体布置。由于电动汽车的驱动电动机及其减速器的体积和质量较内燃机要小，蓄电池虽然质量和体积较大，但电池组可以分散，所以电动汽车的总体布置较灵活。从电气控制的角度讲，在汽车总体布置时，应使电源到控制器再到电动机之间的大电流回路的导线尽可能短，以减小回路的电压损失，保证汽车的动力性和行驶里程的要求。2.4.1纯电动汽车布置形式分类1.电动机中央驱动2.电动轮驱动3.电动机驱动桥组合4.双电动机驱动式2.4.1电动机中央驱动电动机中央驱动的布置方式与内燃机汽车的布置方式相同，即将电动机放在发动机的位置，动力经离合器、变速器、减速器、差速器传至半轴及车轮。电动汽车的中央驱动布置示意图如图所示。这种布置方式的特点是：汽车的结构与传统布置相近，可以在内燃机汽车的基础上改装，其传动装置和技术较成熟；只需一台驱动电动机，控制电路较简单。2.4.1电动机中央驱动布置2.4.1电动轮驱动电动轮驱动的方式是将电动机及相应的减速器布置在车轮上，如图所示。这种布置方式可以省略传动轴和差速器等装置，简化了传动系统结构；但是需要两台或四台电动机，控制电路较复杂，而且将电动机与车轮制成一体，必然加大汽车悬架的质量。2.4.1电动轮驱动2.4.1带边轮减速器的电动轮驱动方式2.4.1电动机-驱动桥组合式如图所示，电动机-驱动桥组合式的布置方式取消了离合器和变速器，但有减速差速机构，由一台电动机驱动两个车轮旋转，其优点是可以继续沿用当前发动机汽车中的动力传动装置，只需要一组电动机和逆变器。这种方式对电动机的要求较高，不仅要求电动机具有较高的启动转矩，而且要求具有较大的后备功率，以保证电动汽车在起动、爬坡、加速超车时的动力性。2.4.1电动机—驱动桥组合式2.4.1电动机-驱动桥组合式2.4.1双电动机驱动式将电动机装到驱动轴上，直接由电动机实现变速和差速转换，如图所示。这种传动方式同样对电动机有较高的要求，要求有大的起动转矩和后备功率；同时，这种方式不仅要求控制系统有较高的控制精度，而且要具备良好的可靠性，从而保证电动汽车行驶的安全、平稳。2.4.1双电机驱动式2.4.2纯电动汽车布置实例纯电动汽车底盘俯视图2.4.2纯电动汽车布置形式宝马2.4.2纯电动汽车布置形式纯电动汽车布置形式广汽2.4.2纯电动汽车驱动布置结构2.5纯电动车关键技术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。2.5纯电动车关键技术2.电机及控制技术电动汽车的驱动电机属于特种电机，是电动汽车的关键部件。驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速，足够大的启动转矩，体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。2.5纯电动车关键技术变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电动机控制系统。电动汽车再生制动控制系统可以节约能源、提高续驶里程，具有显著的经济价值和社会效益。再生制动还可以减少刹车片的磨损，降低车辆故障率及使用成本。2.5纯电动车关键技术.整车控制系统的设计新型纯电动轿车整车控制系统是两条总线的网络结构，高速CAN总线每个节点为各子系统的ECU。低速总线按物理位置设置节点、基本原则是基于空间位置的区域自治。实现整车网络化控制，其意义不只是解决