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1、电动汽车结构与原理,2.0 概 述,定义 特点 基本组成 关键技术 发展趋势,定义,蓄电池电动汽车（纯电动汽车）EV(Electric Vehicle)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。,定义,结构示意图,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
2、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。,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,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。,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
3、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。,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。,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
4、 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。,基本组成,1.车载电源高压电源 动力电池组提供约155380V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。,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
5、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。,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
6、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.,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。,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
7、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。,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。,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
8、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。,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600015000r/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
9、率范围内运转。在低速大转矩（恒转矩区）运转范围内效率在0.750.85之间，在恒功率运转范围内效率在0.80.9之间。,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。,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/T 183862001电动汽车
10、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。,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
11、车。,Nissan Hypermini(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
12、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
13、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
14、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
15、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,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
16、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。,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，如感应电机和永磁电机。电机在低速时应具有大的转矩和超载能力，过载系数应达到34；在高速运转时，应具有大的功率和有较宽阔的恒功率范围。有足够的动力性能克服各种行驶阻力，保证电动汽车有良好的起动、加速性
17、能和行驶速度及实现制动能量回收。,电机驱动力与电动车行驶阻力平衡图,直流电机,分类 永磁直流电机 励磁绕组直流电机,它励,并励,串励(多用于电动车),复励,直流电机,优点 具有优良的电磁转矩控制特性，控制装置简单、价廉。缺点 效率较低、质量大、体积大、可靠性低(有换向器和电刷).控制系统 斩波器是在直流电源与直流电机之间的一个周期性的通断开关装置。,一象限直流斩波控制,直流斩波器控制下的输出电压,感应电机,分类 绕线式感应电机 鼠笼式感应电机：多用于电动车优点 效率高、结构简单、坚实可靠、免维护、体积小、重量轻、易于冷却(可直接向定子和转子喷油)、寿命长、能有效的实现再生制动等。控制方法 脉冲
18、宽度调节(PWM)；变频变压调节(VFVV)；矢量控制调节(VC)；直接转矩控制(DSC),永磁电机,优点 高质量比功率，高效率等。缺点 控制系统复杂，成本高，功率范围较小等。,开关磁阻电机,优点 高起动转矩、低起动电流 高效率、低损耗 电机结构简单，适应于高速运转，成本低 电机功率电路简单 可靠性好 良好的适应性缺点 控制系统复杂，输出转矩波动较大，振动大、噪声大等。,各种电机的比较,驱动电机的基本性能比较,课外作业1,比较各种驱动电机的性能优缺点。,2.2 纯电动汽车实例分析,EV实车,DaimlerChrysler Smart Fortwo,GEM light EVs,Bluecar,P
19、anda EV by MES-DEA,The Modec,Heuliez-Dassault SVE Cleanova,2.2 纯电动汽车实例分析,EV实车,EFFEDI Maranello4,AIXAM Mega City,Nissan Hypermini(2000),2.2 纯电动汽车实例分析,EV实车国产纯电动轿车,2.2 纯电动汽车实例分析,EV实车国产纯电动轿车 国产纯电动轻型客车,2.2 纯电动汽车实例分析,EV实车国产纯电动概念车,2.2 纯电动汽车实例分析,EV实车国产纯电动客车,2.2 纯电动汽车实例分析,“十一五”863计划节能与新能源汽车重大项目纯电动乘用车样车技术指标要求。,*工况法、不带空调或电暖气,2.2 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 1996年9月，日本丰田汽车公司研制了RAV4-EV纯电动车样车，1997年10月又推出了其改型车。该车是“零污染”和低维护的实用型EV,已在美国批量销售。,带蓄电池拖车，延长续驶里程,2.2 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车,结构简图,2.2 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车,总布置图1-动力电池组;2-减速器;3-动力控制组件;4-空调压缩机;5-DC/DC转换器;6-制动器用电动真空泵;7-驱动电动机;8-辅助电池;9-继电器,
