第四章純電動汽車

1、第四章 純電動汽車第一節(jié) 概述第二節(jié) 純電動汽車組成與原理第三節(jié) 純電動汽車的關鍵技術第四節(jié) 純電動汽車設計原則2022-6-262022-6-26 第一節(jié) 概述一、純電動汽車分類一、純電動汽車分類. 電動轎車電動轎車. 電動貨車電動貨車. 電動客車電動客車 第一節(jié) 概述二、純電動汽車基本結構二、純電動汽車基本結構 圖- 所示為現(xiàn)代純電動汽車驅動系統(tǒng)的功能圖。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理一、純電動汽車驅動系統(tǒng)布置形式一、純電動汽車驅動系統(tǒng)布置形式 由于電動汽車電驅動和能源的多樣性，導致存在各種可能的結構形式，如圖- 所示。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理二、電力驅動系統(tǒng)二、電力驅動系統(tǒng) 電力驅動系

2、統(tǒng)包括電動機驅動裝置、機械傳動裝置和車輪。如圖- 所示為電動機驅動系統(tǒng)結構示意圖。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理三、電源系統(tǒng)三、電源系統(tǒng) 對車載充電器有以下幾點需求:()具有高功率密度，以便減小充電器的體積和重量，具有高效率，以減少發(fā)熱和提高能量利用率，高功率因數(shù)和低的諧波含量，以減少對電網(wǎng)的影響。()滿足環(huán)保要求，具有良好的抗振動、防水、防塵性能，具有良好的溫度適應性。()具有高安全性，如高絕緣性、過流保護、過壓保護、短路保護等特性。 車載充電器一般采用下列技術:()高效隔離型的/ 技術。()單相功率因數(shù)校正和諧波抑制技術。()高密度磁集成技術。()密封結構和工作時散熱設計。()與電池管理系統(tǒng)

3、進行通信。非車載充電器要符合以下技術要求:()充電器功率密度要高，以減少安裝空間和降低成本；運行效率高，以提高能量利用率和降低運行成本；高功率因數(shù)和低的諧波含量，以減少對電網(wǎng)的影響。()充電電流滿足大功率充電的要求。()具有高安全性，如高絕緣性、過流保護、過壓保護、短路保護以及防雷擊等特性。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理 非車載充電器一般采用下列技術:()高效隔離型的/ 技術。()三相功率因數(shù)校正和諧波抑制技術。()多個整流模塊并聯(lián)均流技術。()快速充電技術及其應用。()與電池管理系統(tǒng)進行通信 下面對其中關鍵的隔離型/ 技術和功率因數(shù)校正和諧波抑制技術進行介紹。. 隔離型的隔離型的/ 技術技術

4、圖- 是該變換器主回路， 個開關管兩端并聯(lián)電容或利用開關管的寄生電容，并利用變壓器的漏感即可實現(xiàn)開關管的零電壓關斷。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理. 功率因數(shù)校正和諧波抑制技術功率因數(shù)校正和諧波抑制技術 的基本原理框圖如圖- 所示。) 控制模式) 控制模式 第二節(jié)純電動汽車組成與原理 有源功率因數(shù)校正技術從結構上分為兩級 和單級。()兩級功率因數(shù)校正。典型的兩級變換器的結構如圖- 所示。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理()單級功率因數(shù)校正。典型的單節(jié) 變換器電路如圖- 所示。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理四、輔助系統(tǒng)四、輔助系統(tǒng). 電控助力轉向系統(tǒng)電控助力轉向系統(tǒng) 電動助力轉向系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:()能

5、源消耗低，不轉向時候不消耗功率；()操縱性能好，可以通過軟件實現(xiàn)隨著車速等信息的變化而變化的轉向助力；()結構簡潔，安裝方便。 電動助力轉向可以分為三大類:()液壓電動助力轉向系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，轉向助力系統(tǒng)由液壓驅動控制，只是液壓泵不再是發(fā)動機驅動，而是由電控單元控制的直流無刷電機驅動，它們根據(jù)轉向系統(tǒng)需要向液壓轉向助力器提高壓力油。 該系統(tǒng)與發(fā)動機驅動系統(tǒng)相比，降低了油耗同時提高了車輛的操縱性。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理( )電動助力轉向系統(tǒng)，它取消了傳統(tǒng)的液壓油泵、液壓助力油缸、油管、液壓油等部件，直接由電動機對轉向系統(tǒng)助力，如圖- 所示，與傳統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)相比，減少了結構的復雜性。 第

6、二節(jié)純電動汽車組成與原理()線控電動轉向系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)相比，去掉了轉向盤與車輪之間的機械連接，如圖- 所示。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理. 電動空調系統(tǒng)電動空調系統(tǒng) 電動空調與傳統(tǒng)燃油汽車空調裝置相比，有以下優(yōu)點:()提高車載空間的自由度()效率高，省能源，提高乘員的舒適性。如圖- 所示。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理 電動空調的制熱常用的有三種方法:()采用 加熱器加熱。()采用電動機冷卻液余熱，同時 輔助加熱。()熱泵型空調系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作原理圖如圖- 所示。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理. 電動制動器電動制動器 電動制動器施加在制動摩擦片上的作用力，是通過采用力矩電動機驅動滾珠絲杠

7、(圖-)或者電動機的輸出經(jīng)過減速齒輪后(圖-)加在制動盤上。 第二節(jié)純電動汽車組成與原理 第二節(jié)純電動汽車組成與原理 制動系統(tǒng)與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)相比，它具有以下優(yōu)點:() 制動系統(tǒng)用電線傳遞能量、數(shù)據(jù)線傳遞信號，完全摒棄了原有的液壓管路等部件，而且無真空助力器，結構簡潔、質量輕、體積小，便于發(fā)動機艙其他部件的布置，也有利于減輕整車質量和整車結構的設計與布置。() 采用了電控，易于并入車輛綜合控制網(wǎng)絡中，并且可以同實現(xiàn)、 等多種功能，這些電子裝備的傳感器、控制單元等部件可以與 共用，而無需增加其他的附加裝置。 避免了像傳統(tǒng)制動系統(tǒng)那樣，在制動系統(tǒng)線路上安裝大量的電磁閥和傳感器，使得制動系統(tǒng)結構更加復

8、雜，也增加了液壓回路泄漏的隱患。()在傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)中，踏板至制動主缸的機械結構以及氣壓液壓系統(tǒng)的固有特性，使得制動反應時間長、動態(tài)響應速度慢。 以踏板模擬器代替了傳統(tǒng)的機械踏板傳力裝置，中心控制單元接受踏板模擬器傳來的電信號，判斷駕駛員的意圖，產生相應的控制命令，這樣便大大縮短了制動反應時間，而且改善了制動時的腳感。()傳動效率高、安全可靠，而且節(jié)能。()無需制動液，降低了對環(huán)境的污染。 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術一、電動機及控制技術一、電動機及控制技術 內置式永磁同步電動機的輸出特性曲線非常接近電動汽車驅動電動機理想特性曲線(如圖-)。 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術 現(xiàn)在電動汽車上采用最多是

9、電動機是交流異步電動機和永磁同步電動機，有兩種控制技術可以用來控制它們。()矢量控制技術()直接轉矩控制)參數(shù)辨識 圖- 和- 是實際測得某電動機參數(shù)變化的情況。 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術)無傳感器控制 無傳感器控制主要指無位置傳感器，主要可以分為基波激磁估算法和高頻信號成分法。)故障診斷 電動機本身的故障包括定子繞組故障、永磁體故障和轉子偏心等，定子繞組故障包括匝間短路、相間短路、相與外殼短路、某相開路等，如圖- 所示；永磁體故障包括高溫退磁，永磁體由于機械強度不足造成的損傷等；轉子偏心包括靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心，如圖- 所示。 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術二、電池管

10、理系統(tǒng)及策略二、電池管理系統(tǒng)及策略. 電池模型電池模型)Peukert方程式(-)的Peukert方程是經(jīng)典的電池模型，方程表明:電池的可用電量隨著放電電流的增大而減少。 Peukert方程可以寫為另外一種形式，用來表示不同放電電流下的放電率之比。 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術)Shepherd模型 式(-)是Shepherd模型，該模型常用于電動汽車分析，根據(jù)電池的電壓、電流描述電池的電化學行為，常與Peukert方程一起來計算在不同需求功率是電池的電壓和SOC。 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術)Unnewehr模型 Shepherd模型適用于小電流恒流工作的電池，模型能夠找到電池放電時端電壓開始

11、迅速下降的拐點。 實際工作的電動汽車電池并不經(jīng)常工作在這樣的臨界狀態(tài)。 Unnewehr和Nasar將Shepherd模型簡化為： 開路或者空載情況下電流近似為零，因此開路電壓即空載電池端電壓簡化為： 定義電池等價內阻為 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術 通過該模型建立了 隨 的變化關系。 結合放電功率 ，可以得到電流的公式，可以通過下式計算放電時的電流充電時的電流最大功率 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術)等效電路電池模型()Thevenin電池模型:如圖- 所示。()線性電路模型:如圖-所示。 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術()非線性電路模型:圖- 所示 電池實驗手冊中介紹的 電池模型是一個典型的非線性模

12、型。()神經(jīng)網(wǎng)絡模型:神經(jīng)網(wǎng)絡具有非線性、容錯性、自學習性的特點，而電池也是一種非線性的系統(tǒng)，因此，可以用于電池的建模。 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術()特定因素模型:溫度模型:電池的容量在最佳溫度范圍以外時會有衰減的現(xiàn)象，常用的用來描述這個衰減的模型如下 模型:電池的 極大地影響電池性能。 隨著 的增加電池的開路電壓通常會降低，近似符合線性關系。 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術循環(huán)壽命模型:循環(huán)壽命模型是指電池壽命與放電深度(depthofdischarge，DOD)之間的關系，可以由以下等式描述. 電池電池 估計估計 比較常用的 估計方法有:實驗放電法、安培計量法、內阻法、負載電壓法、開路電壓法

13、、線性模型、神經(jīng)網(wǎng)絡法、卡爾曼濾波法等. 電池組熱管理電池組熱管理 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術 電池熱管理系統(tǒng)設計的一般過程如下:()確定熱管理系統(tǒng)的目標和要求；()測量和計算電池模型的基本參數(shù)，包括導熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)、比熱容等；()熱管理系統(tǒng)總體設計，包括傳熱介質的選擇、電池箱體和通風等設計；()初步設計熱管理系統(tǒng)，主要包括仿真和實驗模型的建立；()仿真和實驗；()分析結果并對熱管理系統(tǒng)進行優(yōu)化。 美國加州大學的YufeiChen 等在計算鋰聚合物電池內部溫度場時使用了的三維模型，其模型如下: 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術三、整車控制技術三、整車控制技術 整車控制功能分為集中式控制和分布式

14、控制兩種結構。 分布式控制系統(tǒng)具有模塊化、復雜度低和靈活配置等優(yōu)點。其控制系統(tǒng)的結構如圖- 所示。 第三節(jié)純電動汽車的關鍵技術 整車控制器負責整車的運行管理及對各個相關 電控單元的控制，它的基本功能有以下幾個方面:. 驅動控制功能驅動控制功能. 制動能量回饋控制制動能量回饋控制. 整車能量優(yōu)化管理整車能量優(yōu)化管理. 故障診斷與處理故障診斷與處理 第四節(jié)純電動汽車設計原則一、純電動汽車整車設計原則一、純電動汽車整車設計原則 在進行整車設計時，首先要確定電動汽車的運行工況，然后進行針對性的設計，提出各個部分的參數(shù)要求，然后根據(jù)對應行駛工況下的均衡功率和功率范圍，確定蓄電池組的容量，通過優(yōu)化控制策略

15、，提高能源的利用率和電池的壽命。二、傳動系統(tǒng)設計二、傳動系統(tǒng)設計 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設計應該滿足車輛對動力性能的要求和續(xù)駛里程的要求。汽車的行駛方程式為: 第四節(jié)純電動汽車設計原則. 驅動力驅動力 電動機產生的轉矩，經(jīng)傳動系傳至驅動輪上。 此時作用于驅動輪上的轉矩 產生一對地面的圓周力，如圖-所示，地面對驅動輪的反作用力 (方向與 相反)即是驅動汽車的外力，此外力稱為汽車的驅動力。 其數(shù)值為: 第四節(jié)純電動汽車設計原則 令傳動系統(tǒng)總傳動比為，主減速器的傳動比0，變速器的傳動比，傳動系統(tǒng)的機械效率為，驅動電動機的輸出轉矩為，則有:. 行駛阻力行駛阻力 汽車行駛的總阻力為: 第四節(jié)純電動汽車設

16、計原則)滾動阻力 滾動阻力 可以等效的表示為:)空氣阻力 在無風條件下汽車的運動， 即為汽車的行駛速度； 單位為/ ， 為 時，空氣阻力可以表示為:第四節(jié)純電動汽車設計原則)坡度阻力當?shù)缆返钠露容^小時，通常采用坡度值替代，即 。 第四節(jié)純電動汽車設計原則)加速阻力 這樣，汽車行駛阻力為 車輛運動阻力所消耗的功率有滾動阻力功率，空氣阻力功率，坡度阻力功率 以及加速阻力功率。 即: 第四節(jié)純電動汽車設計原則 根據(jù)以上的推導，可得車輛行駛過程中的平衡方程如下:. 電動機參數(shù)設計電動機參數(shù)設計)電動機的功率 所選擇的電動機功率應不小于在平坦良好路面上車輛以最高車速行駛時阻力功率之和，即 忽略加速阻力功率和空氣阻力功率，汽車在爬坡工況下，要求的瞬時過載功率 第四節(jié)純電動汽車設計原則)電動機的額定轉速 電動機的額定轉速由常規(guī)車速確定。)電動機的額定轉矩 電動機的額定轉矩由額定功率和額定轉速確定。 第四節(jié)純電動汽車設計原則. 傳動比選擇傳動比選擇 最小傳動比擋位為直接擋，主減速器的傳動比可以由最高車速求取。 即有: 為了使電動機在最高車速時仍能發(fā)揮最大功率，0 的選擇還應該滿足 第四