《新能源汽车基础》4纯电动汽车课件.ppt

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1、第第4 4章章 纯电动汽车纯电动汽车n 概述概述n 纯电动汽车驱动系统布置纯电动汽车驱动系统布置 n 纯电动汽车动力系统设计纯电动汽车动力系统设计 n 纯电动汽车示例纯电动汽车示例n 纯电动汽车的充电纯电动汽车的充电n 纯电动汽车的再生制动纯电动汽车的再生制动n 电池管理系统电池管理系统一、电动汽车定义与分类一、电动汽车定义与分类1、定义、定义广义：广义：由电机驱动的车辆，驱动电能来源于车载储能装置（蓄电池、超级电容、飞轮储能装置等）。包括:道路行驶电动车辆，低速工业用电瓶车，机场、码头、仓库用的电动运输车和电动叉车，电动游览车，电动巡逻车以及各种电动专用车等。狭义：狭义：由电机驱动，从车载储

2、能装置获得电能，同时满足道路安全法规对汽车的各项要求，允许在正规道路行驶的车辆。第第1节节 概述概述 2、分类、分类按用途按用途：电动轿车、电动客车、电动货车和电动专用车（如电动环卫车、电动工程车等）；按车载储能装置按车载储能装置：单能源EV和多能源EV。单能源EV一般采用蓄电池或超级电容，多能源EV采用多个储能装置，其中一个为蓄电池。电动轿车电动轿车 电动客车电动客车 电动游览车电动游览车 电动牵引车电动牵引车 电动环卫车电动环卫车 电动清扫车电动清扫车 二、二、纯电动汽车纯电动汽车动力系统动力系统组成组成可分为三个子系统：可分为三个子系统：电驱动系统电驱动系统p整车控制器、功率变换器、电整

3、车控制器、功率变换器、电机、机械传动装置、车轮机、机械传动装置、车轮能源系统能源系统p能量源、能量管理系统、充电能量源、能量管理系统、充电系统系统辅助动力系统辅助动力系统p辅助动力源、车载用电设备辅助动力源、车载用电设备（车载电器：车载电器：照明、仪表、电照明、仪表、电动车窗、电动门锁、音响、空动车窗、电动门锁、音响、空调等；调等；车载电控设备：车载电控设备：EPS、ABS、VSC、TCS等等）三、三、纯电动汽车的特点纯电动汽车的特点优点：优点：（1 1）零排放，无污染。）零排放，无污染。（2 2）整车的能量效率高，电能来源多样化。）整车的能量效率高，电能来源多样化。（3 3）舒适性好。）舒适

4、性好。（4 4）动力系统布置灵活。）动力系统布置灵活。不足：不足：电池的一些性能还没完全达到预期：充电时间较长，使用电池的一些性能还没完全达到预期：充电时间较长，使用不够方便；循环使用寿命不长，增加了车辆的使用成本；不够方便；循环使用寿命不长，增加了车辆的使用成本；价格较高，造成整车价格的居高不下。价格较高，造成整车价格的居高不下。第第2 2节节 电驱动的布置形式电驱动的布置形式 电机集中驱动形式电机集中驱动形式电机分散驱动形式（多电机）电机分散驱动形式（多电机）传统机械传动型传统机械传动型 结构特征：结构特征：l 由燃油车底盘改装，基本保留燃油车的传动系统，内燃机换成电机。由燃油车底盘改装，

5、基本保留燃油车的传动系统，内燃机换成电机。优点：优点：l 技术难度低，成本低。技术难度低，成本低。l 对电机要求低，可选功率较低电机（传动系传动比和传动比范围都对电机要求低，可选功率较低电机（传动系传动比和传动比范围都较大）。较大）。传统机械传动型传统机械传动型 结构特征：结构特征：l 由燃油车底盘改装，基本保留燃油车的传动系统，内燃机换成电机。由燃油车底盘改装，基本保留燃油车的传动系统，内燃机换成电机。缺点：缺点：l 动力部件多（电池、电机、功率变换器，再加上机械传动系）动力部件多（电池、电机、功率变换器，再加上机械传动系），整车质量大，布置困难。整车质量大，布置困难。无变速器型无变速器型

6、结构特征：结构特征：l 取消了离合器和变速器，通过电机控制实现变速功能。取消了离合器和变速器，通过电机控制实现变速功能。特点：特点：l 机械传动系得到简化，质量、体积减小。机械传动系得到简化，质量、体积减小。l 对电机要求较高，要求较大的起动转矩，以及较大后备功率，以保对电机要求较高，要求较大的起动转矩，以及较大后备功率，以保证汽车的起步、加速、爬坡等动力性要求。证汽车的起步、加速、爬坡等动力性要求。无变速器型无变速器型（集成化）（集成化）结构特征：结构特征：l 取消了离合器和变速器，通过电机控制实现变速功能。取消了离合器和变速器，通过电机控制实现变速功能。l 电机、主减速器和差速器集成一体。

7、电机、主减速器和差速器集成一体。特点：特点：l 结构紧凑（占用空间小），装配方便。结构紧凑（占用空间小），装配方便。l 对电机要求较高，要求较大的起动转矩，以及较大后备功率，以保对电机要求较高，要求较大的起动转矩，以及较大后备功率，以保证汽车的起步、加速、爬坡等动力性要求。证汽车的起步、加速、爬坡等动力性要求。电机与主减速器（差速器）集成化电机与减速器一体化结构特征：结构特征：l 无变速器，通过电机控制实现变速功能。无变速器，通过电机控制实现变速功能。l 多电机（多电机（2 2个或个或4 4个），有主减速器，无机械差速器个），有主减速器，无机械差速器。优点：优点：l 无离合器、变速器、传动轴等

8、机械装置，无相应操纵机构。无离合器、变速器、传动轴等机械装置，无相应操纵机构。l 电机移到车身（车架）以下，增加车身内部有效空间。电机移到车身（车架）以下，增加车身内部有效空间。轮边电机驱动型（电机外置）轮边电机驱动型（电机外置）结构特征：结构特征：l 无变速器，通过电机控制实现变速功能。无变速器，通过电机控制实现变速功能。l 多电机（多电机（2 2个或个或4 4个），有主减速器，无机械差速器个），有主减速器，无机械差速器。缺点：缺点：l 增加了悬架的非簧载质量，不利于平顺性。增加了悬架的非簧载质量，不利于平顺性。l 电机在底部，影响通过性。电机在底部，影响通过性。l 电子差速，电机控制系统复

9、杂。电子差速，电机控制系统复杂。轮边电机驱动型（电机外置）轮边电机驱动型（电机外置）ZF轮边电驱动低地板车桥轮边电驱动低地板车桥 两侧轮端置有水冷式三相异步电机两侧轮端置有水冷式三相异步电机 结构特征：结构特征：l 电机装在驱动轮内。电机装在驱动轮内。l 高速内转子电机，高速内转子电机，带减速器。带减速器。轮毂电机驱动型（带减速器）轮毂电机驱动型（带减速器）结构特征：结构特征：l 电机装在驱动轮内。电机装在驱动轮内。l 低速外转子电机，不低速外转子电机，不带减速器。带减速器。l 对电机要求最高（完全无机械传动系），较高的起动转矩，较大的对电机要求最高（完全无机械传动系），较高的起动转矩，较大的

10、后备功率。后备功率。轮毂电机驱动型轮毂电机驱动型（不带减速器）（不带减速器）轮毂电机驱动轮毂电机驱动 将电机直接安装在车轮上，简化甚至去掉电机与车轮之间的机将电机直接安装在车轮上，简化甚至去掉电机与车轮之间的机械传递装置械传递装置 高速内转子电机高速内转子电机，则，则必须必须装装减速器减速器来降低转速。来降低转速。转速可高达10000r/min 低速外转子电机低速外转子电机，则可以，则可以完全去掉减速装置完全去掉减速装置，外转子就安装在车，外转子就安装在车轮轮缘上，电机转速和车轮转速相等。以低速电机的体积、重量轮轮缘上，电机转速和车轮转速相等。以低速电机的体积、重量和成本为代价的和成本为代价的

11、。最高转速在1000-1500r/min。轮毂电机轮毂电机 轮毂电机驱动轮毂电机驱动 优点：优点：l无复杂机械传动系统，减汽车质量。无复杂机械传动系统，减汽车质量。l动力部件结构紧凑，便于布置，增加了车内空间。动力部件结构紧凑，便于布置，增加了车内空间。l便于整车的电子化、智能化、线控化（便于整车的电子化、智能化、线控化（X By Wire)X By Wire)。缺点：缺点：l多个电机的控制与相互协调技术难度大。多个电机的控制与相互协调技术难度大。l轮毂电机的散热、电磁干扰、防水、防尘任务较为困难。轮毂电机的散热、电磁干扰、防水、防尘任务较为困难。l对平顺性、操纵稳定性、通过性有一定负面影响。

12、对平顺性、操纵稳定性、通过性有一定负面影响。EV传动装置的一般选择传动装置的一般选择电机转矩变化一般不能满足行驶阻力变化的要求。在电机和电机转矩变化一般不能满足行驶阻力变化的要求。在电机和驱动轮之间需要减速器（变速器）。驱动轮之间需要减速器（变速器）。变速器可使电机经常保持在高效率范围工作，并减轻电机和变速器可使电机经常保持在高效率范围工作，并减轻电机和动力电池组的负荷。动力电池组的负荷。通常，通常，EVEV采用采用两或三档变速器两或三档变速器，即可满足行驶阻力变化的要，即可满足行驶阻力变化的要求，减轻电机和电池组的负荷，提高工作效率，而传动结构求，减轻电机和电池组的负荷，提高工作效率，而传动

13、结构也不复杂。也不复杂。储能装置的结构形式储能装置的结构形式 提供足够高的比能量和比提供足够高的比能量和比功率。功率。一种高比能量，另一种高比功率。一种高比能量，另一种高比功率。蓄电池提供高比能量。超级蓄电池提供高比能量。超级电容器具有高比功率和高效电容器具有高比功率和高效回收制动能量的能力。回收制动能量的能力。飞轮电池具有高比功率和高飞轮电池具有高比功率和高效制动能量回收能力。效制动能量回收能力。第第3节节 纯电动汽车动力系统设计纯电动汽车动力系统设计 一、电机的选择电机的选择 1、电机类型的选择、电机类型的选择p纯电动汽车对电机性能的基本要求有：低转速下发出大转矩，以适应汽车的起动、加速、

14、爬坡、频繁起停等工低转速下发出大转矩，以适应汽车的起动、加速、爬坡、频繁起停等工况；况；在高转速下能恒功率运行，以满足水平路面高速行驶；在高转速下能恒功率运行，以满足水平路面高速行驶；在宽的转速范围内都要较高的运行效率，以提高续驶里程；在加速、爬在宽的转速范围内都要较高的运行效率，以提高续驶里程；在加速、爬坡时有一定的过载能力。坡时有一定的过载能力。p电机类型选择不仅考虑电机的转矩特性和效率，还要从整车设计目标、驱动系统结构、成本控制等方面出发，综合考虑电机的环境适应性、可维护性、重量体积、结构强度、成本等因素。2.电机功率的选择电机功率的选择额定功率和最大功率 通常从保证预期最高车速来初选电

15、机额定功率 l电机的最大功率为为电机过载系数，一般取23 3.电机额定转速和最高转速的选择电机额定转速和最高转速的选择p 转速越高，体积小质量轻，造价低。但传动比越大。p 越大，恒功率区越宽，越接近理想的驱动特性。p 增加的方式p 一般取364.电机额定电压的选择电机额定电压的选择p 电压高则电流小，对导线和电力器件要求较低。但需要较多的电池串联，增加整车成本和质量，并且车载设备的安全保护级别也需要提高。p 选的太低，导线截面积更大，电力器件额定电流更大，增加电力器件的成本，使用寿命缩短。p 一般要求是：在允许的范围内尽可能采用高电压，以减少电机、电力器件、导线等装备的尺寸。p 电机额定电压：

16、微型电动车辆48288V，普通电动汽车300V左右，电动大客车400600V。二、二、电池的选择电池的选择1.电池类型的选择电池类型的选择p应当根据车辆的性能指标、动力系统的类型与布置以及整车成本控制，综合考虑各类型电池的各项性能指标进行选定。p分为功率型和能量型两类。2.电池数量的选择电池数量的选择 p要求：要求：车辆最大行驶功率的要求；规定的续驶里程要求。p满足最大行驶功率要求最大行驶功率要求所需要的电池数量：p假定对续驶里程续驶里程的要求是S（km），则需要的电池块数m和和c为电机及功率变换器效率，为电机及功率变换器效率，Db为电池比功率（为电池比功率（kW/kg），），mb为单块电池质

17、量（为单块电池质量（kg）CN每块电池的额定容量，每块电池的额定容量，UN电压，电压，D允许放电深度，允许放电深度，d电池放电效率，电池放电效率，c功率变换器效率，功率变换器效率，m电机效率，电机效率，t机械传动效率。机械传动效率。三、传动系的选择三、传动系的选择 1.最小传动比的选择最小传动比的选择应保证能够实现设定的最高车速 也不宜取得过小，应保证最高车速出现在电机的恒功率区，而不出现在恒转矩区 2.最大传动比的选择最大传动比的选择p应满足最大爬坡度最大爬坡度要求和附着条件附着条件两方面的要求。p假定要求的汽车最大爬坡度为max，最大传动比应满足p应该校核附着条件是否满足爬坡或加速的附着力

18、要求。若不满足，需要调整最大传动比取值，或者从汽车总布置和结构入手，改善汽车的附着条件。3.挡位数和各挡传动比的选择挡位数和各挡传动比的选择p挡位多，可以减轻电机负荷，增加高效区工作机会，对动力性和经济性都有利。p挡位数影响到挡与挡间的传动比比值。不宜大于1.71.8，过大则换挡困难。p选档位数主要根据itmax/itmin的大小。纯电动汽车该值较小，采用23挡就可满足使用要求。p各挡传动比可大体采用等比级数进行分配。例如，某EV采用3挡变速器，itmax和itmin已定，itmax=ig1 i0，itmin=ig3 i0 若最高挡（即3挡）传动比为1，则1挡和2挡的传动比分别为q2和q。第第

19、5节节 纯电动汽车的充电纯电动汽车的充电一、对充电的要求一、对充电的要求p充电的快速化充电的快速化p充电的通用化充电的通用化p充电的智能化充电的智能化 p电能利用的高效化电能利用的高效化 p充电的集成化充电的集成化 二、电池的充电方法二、电池的充电方法 1.常规充电方法常规充电方法p恒流充电法p恒压充电法p阶段充电法 恒流充电曲线恒流充电曲线 恒压充电曲线恒压充电曲线 2.快速充电方法快速充电方法p脉冲快速充电法 脉冲快速充电脉冲快速充电 脉冲快速充电（带负脉冲）脉冲快速充电（带负脉冲）p 变电流间歇快速充电法 p 变电压间歇快速充电法 变电压快速充电充电曲线变电压快速充电充电曲线 变电流快速

20、充电充电曲线变电流快速充电充电曲线 三、充电机三、充电机1、充电机的类型、充电机的类型1）按充电机安装位置分类可分为车载充电机和非车载充电机。车载充电机车载充电机 一体式非车载充电机一体式非车载充电机 2）按能量转换方式分类可分为接触式充电机和感应式充电机。接触式充电机接触式充电机感应式充电机感应式充电机2.充电机的组成充电机的组成p高频开关电源模块p监控单元p人机操作界面p与电动汽车电气接口p计量系统p通讯接口 四、充电设施四、充电设施 p目前纯电动汽车在充电模式上主要有慢充、快充和换电池三种。p充电设施充电设施 根据充电方式的不同，可分为：充电桩充电桩充电站充电站换电站换电站1、充电桩、充

21、电桩p充电桩是充电机为电动汽车充电的终端辅助设备。占地面积较小，布点灵活。p提供充电接口、人机接口等功能，并对充电进行控制，实现充电开停机、通信、计费等功能。p组成组成：桩体、电气模块、计量模块等。p按输出电流类型，分为：直流充电桩直流充电桩、交流充电桩交流充电桩。p按安装位置，分为：室内充电桩室内充电桩、室外充电桩室外充电桩。室外充电桩室外充电桩2、充电站、充电站p具有特定控制功能和通信功能的，将电能量传送到电动汽车的设施总称。能以快充或慢充方式对电动汽车进行充电。p组成组成：供配电设施、充电机、监控系统、安全防护设施、和其他配套设施等组成，p功能功能：供配电、充电、充电过程和配电设备监控、

22、计量、站内设备管理和通信，扩展功能包括计费。第第6节节 纯电动汽车的再生制动纯电动汽车的再生制动一、电机的制动原理一、电机的制动原理 1、他励直流电机的制动、他励直流电机的制动 能耗制动能耗制动 他励直流电机能耗制动的电路他励直流电机能耗制动的电路 他励直流电机能耗制动的机械特性他励直流电机能耗制动的机械特性 反接制动反接制动 他励直流电机的反接制动他励直流电机的反接制动 再生制动再生制动他励直流电机正向再生制动他励直流电机正向再生制动 他励直流电机反向再生制动他励直流电机反向再生制动 2.交流异步电机的制动交流异步电机的制动能耗制动能耗制动异步电机能耗制动的电路异步电机能耗制动的电路 异步电

23、机能耗制动的机械特性异步电机能耗制动的机械特性 反接制动反接制动绕线式异步电机反接制动原理图绕线式异步电机反接制动原理图 绕线式异步电机反接制动机械特性绕线式异步电机反接制动机械特性 再生制动再生制动 异步电机反向再生制动异步电机反向再生制动1-固有机械特性固有机械特性 2-反向固有机械特性反向固有机械特性 异步电机正向再生制动异步电机正向再生制动 二、二、纯电动汽车的再生制动原理纯电动汽车的再生制动原理带再生制动的制动系统带再生制动的制动系统 三、再生制动的控制策略三、再生制动的控制策略p对再生制动有如下要求：对再生制动有如下要求：（1 1）车辆的制动操作要符合驾驶员的制动习惯，制动过程应尽

24、可能地与）车辆的制动操作要符合驾驶员的制动习惯，制动过程应尽可能地与传统燃油汽车的制动过程近似。传统燃油汽车的制动过程近似。（2 2）再生制动作用时，要防止出现后轮先抱死的危险情况，并尽量避免）再生制动作用时，要防止出现后轮先抱死的危险情况，并尽量避免前轮拖死，以保持车辆的转向能力。前轮拖死，以保持车辆的转向能力。（3 3）在满足车辆制动性能前提下，机械制动应能根据电制动力大小进行）在满足车辆制动性能前提下，机械制动应能根据电制动力大小进行相应变化，使驾驶员制动感觉与驾驶传统燃油车一样平顺，防止对驾相应变化，使驾驶员制动感觉与驾驶传统燃油车一样平顺，防止对驾乘人员造成不适的感觉。乘人员造成不适

25、的感觉。（4 4）保证制动性能与平顺性条件下，尽可能多回收制动能量。）保证制动性能与平顺性条件下，尽可能多回收制动能量。（5 5）防止充电电流过大或充电时间过长，缩短电池寿命。）防止充电电流过大或充电时间过长，缩短电池寿命。p制定控制策略的原则：制定控制策略的原则：在满足制动安全的前提下，尽可能多回收制动能量。理想制动力分配策略理想制动力分配策略最大制动能量回收策略最大制动能量回收策略 前后轮制动力固定比值策略前后轮制动力固定比值策略 第第7节节 电池管理系统电池管理系统一、电池管理系统的功能一、电池管理系统的功能 数据采集数据采集预测电池状态预测电池状态能量管理能量管理热管理热管理安全管理安

26、全管理通讯通讯均衡控制均衡控制 分布式电池管理系统结构分布式电池管理系统结构 二、电池管理系统的关键技术二、电池管理系统的关键技术 1、电池性能模型、电池性能模型 1）简化电化学模型）简化电化学模型（1）Peukert方程（2）Shepherd模型 2）等效电路模型）等效电路模型（1）Rint模型（2）Thevenin模型（3）PNGV模型 2、电池、电池SOC预测预测p电流积分法p开路电压法p电池内阻法p神经网络法p卡尔曼滤波三、电池的热管理三、电池的热管理1、电池组的冷却、电池组的冷却p空气冷却 串行方式串行方式 并行方式并行方式 p 液体冷却 p 相变材料冷却 p 热管冷却 p 空调制冷2、电池组的加热、电池组的加热p按照加热位置，电池组加热分为内部加热法内部加热法和外部加热法外部加热法。p内部加热法：内部加热法：采用交流电直接对电池的电解液加热。p外部加热更安全、容易实现，但能量损失大，加热时间长。p外部加热法外部加热法分为：加热板加热加热套加热珀耳贴效应热泵加热