04 第四章 纯电动汽车.pptx

第1页：第4章 纯电动汽车

第4章 纯电动汽车，本章内容包括：

• 概述
• 纯电动汽车驱动系统布置
• 纯电动汽车动力系统设计
• 纯电动汽车示例
• 纯电动汽车的充电
• 纯电动汽车的再生制动
• 电池管理系统

第2页：电动汽车的定义

第1节 概述：一、电动汽车定义与分类。1、定义：

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

由电机驱动，从车载储能装置获得电能，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3页：电动汽车的分类

2、分类：

• 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：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

图示电动轿车、电动客车、电动游览车、电动牵引车、电动环卫车、电动清扫车。

第4页：纯电动汽车动力系统组成

二、纯电动汽车动力系统组成，可分为三个子系统：

电驱动系统

整车控制器、功率变换器、电机、机械传动装置、车轮

能源系统

能量源、能量管理系统、充电系统

辅助动力系统

辅助动力源、车载用电设备（车载电器：照明、仪表、电动车窗、电动门锁、音响、空调等；车载电控设备：EPS、ABS、VSC、TCS等）

第5页：纯电动汽车的特点

三、纯电动汽车的特点：

优点

零排放，无污染；整车的能量效率高，电能来源多样化；舒适性好；动力系统布置灵活

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

第6页：电驱动的布置形式

第2节 电驱动的布置形式：

• 电机集中驱动形式
• 电机分散驱动形式（多电机）

第7页：传统机械传动型（优点）

传统机械传动型。

结构特征

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

优点

技术难度低，成本低；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）

第8页：传统机械传动型（缺点）

传统机械传动型的缺点：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。

第9页：无变速器型

无变速器型。

结构特征

取消了离合器和变速器，通过电机控制实现变速功能

特点

机械传动系得到简化，质量、体积减小；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

第10页：无变速器型（集成化）

无变速器型（集成化）。

结构特征

取消了离合器和变速器，通过电机控制实现变速功能；电机、主减速器和差速器集成一体

特点

结构紧凑（占用空间小），装配方便；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

第11页：电机与主减速器集成化

电机与主减速器（差速器）集成化：图示电机、主减速器与差速器集成为一体的驱动总成结构。

第12页：电机与减速器一体化

电机与减速器一体化：图示电机与减速器一体化集成的驱动总成结构。

第13页：轮边电机驱动型（优点）

轮边电机驱动型（电机外置）。

结构特征

无变速器，通过电机控制实现变速功能；多电机（2个或4个），有主减速器，无机械差速器

优点

无离合器、变速器、传动轴等机械装置，无相应操纵机构；电机移到车身（车架）以下，增加车身内部有效空间

第14页：轮边电机驱动型（缺点）

轮边电机驱动型（电机外置）的缺点：增加了悬架的非簧载质量，不利于平顺性；电机在底部，影响通过性；电子差速，电机控制系统复杂。

第15页：ZF轮边电驱动低地板车桥

ZF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。

第16页：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

电机装在驱动轮内；高速内转子电机，带减速器

第17页：轮毂电机驱动型（不带减速器）

轮毂电机驱动型（不带减速器）。

结构特征

电机装在驱动轮内；低速外转子电机，不带减速器；对电机要求最高（完全无机械传动系），需要较高的起动转矩与较大的后备功率

第18页：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械传递装置。

• 高速内转子电机，则必须装减速器来降低转速，转速可高达10000r/min
• 低速外转子电机，则可以完全去掉减速装置，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、重量和成本为代价，最高转速在1000～1500r/min

第19页：轮毂电机

轮毂电机：图示轮毂电机的实物与结构，电机直接集成在车轮轮毂内。

第20页：轮毂电机驱动的优缺点

轮毂电机驱动的优缺点。

优点

无复杂机械传动系统，减轻汽车质量；动力部件结构紧凑，便于布置，增加了车内空间；便于整车的电子化、智能化、线控化（X By Wire）

缺点

多个电机的控制与相互协调技术难度大；轮毂电机的散热、电磁干扰、防水、防尘任务较为困难；对平顺性、操纵稳定性、通过性有一定负面影响

第21页：EV传动装置的一般选择

EV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，并减轻电机和动力电池组的负荷
• 通常EV采用两或三档变速器，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，而传动结构也不复杂

第22页：储能装置的结构形式

储能装置的结构形式：需提供足够高的比能量和比功率。

• 蓄电池：提供高比能量
• 超级电容器：具有高比功率和高效回收制动能量的能力
• 飞轮电池：具有高比功率和高效制动能量回收能力

第23页：电机类型的选择

第3节 纯电动汽车动力系统设计：一、电机的选择。1、电机类型的选择。

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、爬坡、频繁起停等工况
• 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、爬坡时有一定的过载能力

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。

第24页：电机功率的选择

2.电机功率的选择：包括额定功率和最大功率。

• 通常从保证预期最高车速来初选电机额定功率
• 电机的最大功率由额定功率与过载系数λ确定，λ一般取2～3

本页功率计算公式以图示形式给出，源文件未提取公式文本，建议对照原图核对。

第25页：电机额定转速与最高转速的选择

3.电机额定转速和最高转速的选择：

• 转速越高，体积小质量轻，造价低，但传动比越大
• β越大，恒功率区越宽，越接近理想的驱动特性
• β一般取3～6

第26页：电机额定电压的选择

4.电机额定电压的选择：

• 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
• 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
• 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

第27页：电池类型的选择

二、电池的选择：1.电池类型的选择。

• 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
• 电池分为功率型和能量型两类

第28页：电池数量的选择

2.电池数量的选择：

• 要求满足车辆最大行驶功率的要求与规定的续驶里程要求
• 满足最大行驶功率要求所需要的电池数量由功率需求与单块电池比功率确定
• 假定对续驶里程的要求是S（km），则可由能量需求推算需要的电池块数

式中：η_m和η_c为电机及功率变换器效率，D_b为电池比功率（kW/kg），m_b为单块电池质量（kg），C_N为每块电池的额定容量，U_N为电压，D为允许放电深度，η_d为电池放电效率，η_t为机械传动效率。

本页计算公式以图示形式给出，源文件未提取公式文本，建议对照原图核对。

第29页：最小传动比的选择

三、传动系的选择：1.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

第30页：最大传动比的选择

2.最大传动比的选择：

• 应满足最大爬坡度要求和附着条件两方面的要求
• 假定要求的汽车最大爬坡度为α_max，最大传动比应满足相应关系式
• 应该校核附着条件是否满足爬坡或加速的附着力要求；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

本页传动比计算公式以图示形式给出，源文件未提取公式文本，建议对照原图核对。

第31页：挡位数与各挡传动比的选择

3.挡位数和各挡传动比的选择：

• 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
• 挡位数影响到挡与挡间的传动比比值，不宜大于1.7～1.8，过大则换挡困难
• 选挡位数主要根据i_tmax/i_tmin的大小；纯电动汽车该值较小，采用2～3挡就可满足使用要求
• 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，i_tmax=i_g1i₀，i_tmin=i_g3i₀，若最高挡（3挡）传动比为1，则1挡和2挡的传动比分别为q²和q

第32页：对充电的要求

第5节 纯电动汽车的充电：一、对充电的要求。

• 充电的快速化
• 充电的通用化
• 充电的智能化
• 电能利用的高效化
• 充电的集成化

第33页：常规充电方法

二、电池的充电方法：1.常规充电方法。

• 恒流充电法
• 恒压充电法
• 阶段充电法

图示恒流充电曲线与恒压充电曲线。

第34页：脉冲快速充电法

2.快速充电方法：脉冲快速充电法。

图示脉冲快速充电与脉冲快速充电（带负脉冲）的电流波形。

第35页：变电流与变电压间歇快速充电

其他快速充电方法：

• 变电流间歇快速充电法
• 变电压间歇快速充电法

图示变电压快速充电充电曲线与变电流快速充电充电曲线。

第36页：充电机的类型（按安装位置）

三、充电机：1、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。

图示车载充电机（一体式）与非车载充电机。

第37页：充电机的类型（按能量转换方式）

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。

图示接触式充电机与感应式充电机。

第38页：充电机的组成

2.充电机的组成：

• 高频开关电源模块
• 监控单元
• 人机操作界面
• 与电动汽车电气接口
• 计量系统
• 通讯接口

第39页：充电设施

四、充电设施：

• 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
• 充电设施根据充电方式的不同，可分为充电桩、充电站、换电站

第40页：充电桩

1、充电桩：

• 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
• 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
• 组成：桩体、电气模块、计量模块等
• 按输出电流类型，分为直流充电桩、交流充电桩
• 按安装位置，分为室内充电桩、室外充电桩

图示室外充电桩。

第41页：充电站

2、充电站：

• 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
• 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
• 功能：供配电、充电、充电过程和配电设备监控、计量、站内设备管理和通信，扩展功能包括计费

第42页：他励直流电机的能耗制动

第6节 纯电动汽车的再生制动：一、电机的制动原理。1、他励直流电机的制动——能耗制动。

图示他励直流电机能耗制动的电路与能耗制动的机械特性。

第43页：他励直流电机的反接制动

反接制动：图示他励直流电机的反接制动电路与机械特性。

第44页：他励直流电机的再生制动

再生制动：图示他励直流电机正向再生制动与反向再生制动的机械特性。

第45页：异步电机的能耗制动

2.交流异步电机的制动——能耗制动：图示异步电机能耗制动的电路与能耗制动的机械特性。

第46页：异步电机的反接制动

反接制动：图示绕线式异步电机反接制动原理图与反接制动机械特性。

第47页：异步电机的再生制动

再生制动：图示异步电机反向再生制动与正向再生制动，图中曲线1为固有机械特性，2为反向固有机械特性。

第48页：纯电动汽车的再生制动原理

二、纯电动汽车的再生制动原理：图示带再生制动的制动系统，电机在制动工况下转为发电机运行，将车辆动能转化为电能回馈给储能装置。

第49页：再生制动的控制策略

三、再生制动的控制策略。对再生制动有如下要求：

• 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
• 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
• 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
• 保证制动性能与平顺性条件下，尽可能多回收制动能量
• 防止充电电流过大或充电时间过长，缩短电池寿命

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
• 最大制动能量回收策略
• 前后轮制动力固定比值策略

第50页：电池管理系统的功能

第7节 电池管理系统：一、电池管理系统的功能。

• 数据采集
• 预测电池状态
• 能量管理
• 热管理
• 安全管理
• 通讯
• 均衡控制

图示分布式电池管理系统结构。

第51页：简化电化学模型

二、电池管理系统的关键技术：1、电池性能模型。1）简化电化学模型：

• Peukert方程
• Shepherd模型

第52页：等效电路模型

2）等效电路模型：

• Rint模型
• Thevenin模型

第53页：PNGV模型

PNGV模型：图示PNGV等效电路模型结构。

第54页：电池SOC预测

2、电池SOC预测：

• 电流积分法
• 开路电压法
• 电池内阻法
• 神经网络法
• 卡尔曼滤波

第55页：电池组的冷却

三、电池的热管理：1、电池组的冷却。

• 空气冷却：串行方式、并行方式
• 液体冷却
• 相变材料冷却
• 热管冷却
• 空调制冷

第56页：电池组的加热

2、电池组的加热：

• 按照加热位置，电池组加热分为内部加热法和外部加热法
• 内部加热法：采用交流电直接对电池的电解液加热
• 外部加热更安全、容易实现，但能量损失大，加热时间长
• 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