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1、纯电动汽车结构原理与关键技术分析,主编,第一章电动汽车介绍第二章纯电动汽车结构、原理、关键技术、发展趋势,第二章纯电动汽车,)对现代社会而言，纯电动汽车不仅是一辆车，而且是实现清洁、高效道路运输的一个全新的系统。)纯电动汽车系统是一个便于和现代交通网络结合的智能系统，电动汽车的设计是工程和艺术的结合。)必须重新定义纯电动汽车的工作条件和工况循环。4)必须对用户对于纯电动汽车的期望进行调研，这样就能对用户进行适当的有关纯电动汽车知识的教育。第一节纯电动汽车的系统组成第二节纯电动汽车的工作原理第三节典型的纯电动汽车结构,)对现代社会而言，纯电动汽车不仅是一辆车，而且是实现清洁、高效道路运输的一个全
2、新的系统。,)纯电动汽车系统是一个便于和现代交通网络结合的智能系统，电动汽车的设计是工程和艺术的结合。,)必须重新定义纯电动汽车的工作条件和工况循环。,4)必须对用户对于纯电动汽车的期望进行调研，这样就能对用户进行适当的有关纯电动汽车知识的教育。,图2-1纯电动汽车基本结构示意图,第一节纯电动汽车的系统组成,1.机械子系统2.电力电子子系统3.信息子系统,第一节纯电动汽车的系统组成,图2-2纯电动汽车系统组成框图,第一节纯电动汽车的系统组成,表2-1纯电动汽车系统组成分析,1.机械子系统,图2-3底盘与车身分离式设计,2.电力电子子系统,图2-4纯电动汽车电力电子子系统示意图1充电口2维修电路
3、切换开关3动力电池4接触器盒5高压线束6控制单元7电力电子单元8驱动电机9电动真空泵10变速器,3.信息子系统,第二节纯电动汽车的工作原理,一、电气控制系统的工作原理二、传动系统的结构及工作原理三、电源系统的结构及工作原理,一、电气控制系统的工作原理,图2-5纯电动汽车电气控制系统的结构,一、电气控制系统的工作原理,图2-6直流电机驱动系统的基本结构示意图,一、电气控制系统的工作原理,图2-7直流电机驱动系统工作原理示意图,一、电气控制系统的工作原理,图2-8交流电机驱动系统基本结构示意图,二、传动系统的结构及工作原理,1)车轮可以实现180的旋转、横向行驶、任意旋转行驶。2)由于可以进行各车
4、轮任意转矩控制，所以使得防滑控制、制动控制等多种性能得以发挥。3)轮毂电机的大型化较难，但是总功率依靠四台电机分担，可使每台电机的容量变得小一些。4)低速大转矩电机体积大又昂贵，所以近年来出现了减速器内置的轮毂式电机。,二、传动系统的结构及工作原理,图2-9交流电机驱动系统工作原理示意图,二、传动系统的结构及工作原理,图2-10纯电动汽车传动系统布置的常规形式,二、传动系统的结构及工作原理,图2-11常规纯电动汽车传动装置结构图1电机2螺栓3套筒4飞轮壳5飞轮6轴承7压盘8离合器壳9螺栓10轴承11输入轴12分离叉13分离套筒14离合器盖15分离杠杆16从动盘,二、传动系统的结构及工作原理,图
5、2-12固定速比减速器传动系统(无离合器),二、传动系统的结构及工作原理,图2-13固定速比减速器传动系统(无离合器)应用实例,二、传动系统的结构及工作原理,图2-14第三种传动形式,二、传动系统的结构及工作原理,图2-15第三种传动形式应用实例,二、传动系统的结构及工作原理,图2-16双电机-固定速比变速器一体化传动系统,二、传动系统的结构及工作原理,图2-17双电机驱动模式下的底盘结构,二、传动系统的结构及工作原理,图2-18双电机-固定速比变速器一体化轮边驱动传动系统,二、传动系统的结构及工作原理,图2-19双轮毂电机驱动系统,二、传动系统的结构及工作原理,图2-20轮毂电机实物图,1)
6、车轮可以实现180的旋转、横向行驶、任意旋转行驶。,2)由于可以进行各车轮任意转矩控制，所以使得防滑控制、制动控制等多种性能得以发挥。,3)轮毂电机的大型化较难，但是总功率依靠四台电机分担，可使每台电机的容量变得小一些。,图2-21轮毂电机结构图,3)轮毂电机的大型化较难，但是总功率依靠四台电机分担，可使每台电机的容量变得小一些。,图2-22两种轮毂电机驱动方式内部示意图a)内转子型b)外转子型,3)轮毂电机的大型化较难，但是总功率依靠四台电机分担，可使每台电机的容量变得小一些。,图2-23四轮毂电机驱动系统,3)轮毂电机的大型化较难，但是总功率依靠四台电机分担，可使每台电机的容量变得小一些。
7、,图2-24横向行驶和旋转行驶示意图(YONDEN PIVOT车型),3)轮毂电机的大型化较难，但是总功率依靠四台电机分担，可使每台电机的容量变得小一些。,图2-25低车地板轴a)传统有差速器的结构b)轮毂电机驱动方式,4)低速大转矩电机体积大又昂贵，所以近年来出现了减速器内置的轮毂式电机。,三、电源系统的结构及工作原理,1.动力电池组的设计及整车集成技术所涵盖的内容2.电子产品和电池管理系统设计内容,1.动力电池组的设计及整车集成技术所涵盖的内容,(1)结构结构设计和优化，以满足图纸化制造的需求。(2)热管理提高热管理效率的设计。(3)电气构成传感器的选择，安全系统的设计，高、低压电气元器件
8、的选择和设计。(4)控制系统SOC算法的开发，电池管理系统的设计和开发，整车控制策略的开发和优化。(5)制造材料的选择和成本的降低。(6)集成技术整车集成，冷却开发，车辆性能和燃油经济性的优化调节。,(1)结构结构设计和优化，以满足图纸化制造的需求。,(2)热管理提高热管理效率的设计。,(3)电气构成传感器的选择，安全系统的设计，高、低压电气元器件的选择和设计。,(4)控制系统SOC算法的开发，电池管理系统的设计和开发，整车控制策略的开发和优化。,(5)制造材料的选择和成本的降低。,(6)集成技术整车集成，冷却开发，车辆性能和燃油经济性的优化调节。,2.电子产品和电池管理系统设计内容,1)概念
9、的界定和规范发展。2)电子电路板的设计与开发。3)SOC/SOH算法。4)电池控制功能。5)故障模式影响分析和危险性分析。6)诊断和预测，包括模拟故障响应评估的硬件在环仿真。(1)外箱体整体结构(图2-28)采用钢板冲压成形，外部作喷塑处理，内部喷涂防火绝缘漆，为电池安装提供一个防水、防火、通风的空间。(2)内箱体(图2-29)提供电池单体、电池管理系统、高压防护系统、通风系统、快速更换接口等安装和固定空间。,1)概念的界定和规范发展。,2)电子电路板的设计与开发。,3)SOC/SOH算法。,4)电池控制功能。,5)故障模式影响分析和危险性分析。,6)诊断和预测，包括模拟故障响应评估的硬件在环
10、仿真。,图2-26电池箱总体技术结构a)电池内箱体b)电池外箱体c)电池箱安全防护和管理系统d)电池箱面板结构,6)诊断和预测，包括模拟故障响应评估的硬件在环仿真。,图2-27电池箱整体,(1)外箱体整体结构(图2-28)采用钢板冲压成形，外部作喷塑处理，内部喷涂防火绝缘漆，为电池安装提供一个防水、防火、通风的空间。,(2)内箱体(图2-29)提供电池单体、电池管理系统、高压防护系统、通风系统、快速更换接口等安装和固定空间。,图2-28电池箱外箱体结构,(2)内箱体(图2-29)提供电池单体、电池管理系统、高压防护系统、通风系统、快速更换接口等安装和固定空间。,图2-29电池箱内箱体结构,(2
11、)内箱体(图2-29)提供电池单体、电池管理系统、高压防护系统、通风系统、快速更换接口等安装和固定空间。,图2-30锰酸锂动力电池箱结构,(2)内箱体(图2-29)提供电池单体、电池管理系统、高压防护系统、通风系统、快速更换接口等安装和固定空间。,图2-31通用EV-1纯电动汽车动力电池组的布置形式,(2)内箱体(图2-29)提供电池单体、电池管理系统、高压防护系统、通风系统、快速更换接口等安装和固定空间。,图2-32丰田和本田公司使用的镍氢动力电池,第三节典型的纯电动汽车结构,一、改装式的纯电动汽车(福特公司纯电动汽车福克斯)二、完全开发的纯电动汽车三、未来的纯电动汽车技术,一、改装式的纯电
12、动汽车(福特公司纯电动汽车福克斯),(1)电机控制器及转换装置电机控制器监视电机的位置、速度、功率和温度等参数，利用这些信息和由驾驶人发出的加速踏板命令，电机控制器和逆变器将电池提供的直流电压转换成3个用于精确定时驱动的电机信号以完成对牵引电机的控制。(2)高压空调压缩机高压空调系统是专为电动和混合动力汽车而设计应用的，其能量直接从主电池获取。(3)电控水冷管路电控水冷管为牵引电机、变换器和空调器进行冷却。(4)牵引电机牵引电机承担着将电能和机械能互相转换的作用。,一、改装式的纯电动汽车(福特公司纯电动汽车福克斯),(5)电动助力转向装置是由汽油机版本福克斯继承下来的电动助力转向装置。(6)变
13、速器电动汽车的变速器传动装置与传统车辆中的传动装置作用相同，但是由于电机不同的高转速特性和较高的效率及噪声要求，在对电动汽车的变速器传动装置进行设计时，需要考虑不同的重点。(7)模块化动力总成悬架相当于传统车辆的发动机舱，将电动汽车各种子系统组建集成起来，并实现与车身的隔离。(8)电控真空泵真空泵向制动系统提供真空环境以对动力总成实现辅助。,一、改装式的纯电动汽车(福特公司纯电动汽车福克斯),(9)高压制冷/加热装置及控制器纯电动汽车和混合动力汽车对所使用的加热系统进行了特殊设计，使用了能量效率PTC技术对冷却剂加热并在加热系统中进行循环。(10)整车控制单元(VCU)VCU将驾驶人及车内各个
14、独立的系统与监视器进行连接，同时根据汽车总成系统提供的各种参数对整车进行控制。(11)电池箱和电池单体整个电池箱由处于后排座椅后面和下面的两个电池模块组成，并包含有BMS(电池管理系统)，对每个电池单体的温度和电荷状态进行管理。,一、改装式的纯电动汽车(福特公司纯电动汽车福克斯),(12)交流充电器交流充电器用于将来于电网的电力能源转换为动力电池所需要的直流电，这样就能在约6h的时间内完成对动力电池的全状态充电。(13)DC/DC转换器DC/DC转换器可以使电动汽车的动力电池为车身电气用电池提供12V的电压。,一、改装式的纯电动汽车(福特公司纯电动汽车福克斯),图2-33福特福克斯纯电动汽车的
15、结构1电机控制器及转换装置2高压空调压缩机3电控水冷管路4牵引电机5电动助力转向装置6变速器7模块化动力总成悬架8电控真空泵9高压制冷-加热装置及控制器10整车控制单元11电池箱和电池单体12交流充电机13DC/DC转换器,(1)电机控制器及转换装置电机控制器监视电机的位置、速度、功率和温度等参数，利用这些信息和由驾驶人发出的加速踏板命令，电机控制器和逆变器将电池提供的直流电压转换成3个用于精确定时驱动的电机信号以完成对牵引电机的控制。,(2)高压空调压缩机高压空调系统是专为电动和混合动力汽车而设计应用的，其能量直接从主电池获取。,(3)电控水冷管路电控水冷管为牵引电机、变换器和空调器进行冷却
16、。,(4)牵引电机牵引电机承担着将电能和机械能互相转换的作用。,(5)电动助力转向装置是由汽油机版本福克斯继承下来的电动助力转向装置。,(6)变速器电动汽车的变速器传动装置与传统车辆中的传动装置作用相同，但是由于电机不同的高转速特性和较高的效率及噪声要求，在对电动汽车的变速器传动装置进行设计时，需要考虑不同的重点。,(7)模块化动力总成悬架相当于传统车辆的发动机舱，将电动汽车各种子系统组建集成起来，并实现与车身的隔离。,(8)电控真空泵真空泵向制动系统提供真空环境以对动力总成实现辅助。,(9)高压制冷/加热装置及控制器纯电动汽车和混合动力汽车对所使用的加热系统进行了特殊设计，使用了能量效率PT
17、C技术对冷却剂加热并在加热系统中进行循环。,(10)整车控制单元(VCU)VCU将驾驶人及车内各个独立的系统与监视器进行连接，同时根据汽车总成系统提供的各种参数对整车进行控制。,(11)电池箱和电池单体整个电池箱由处于后排座椅后面和下面的两个电池模块组成，并包含有BMS(电池管理系统)，对每个电池单体的温度和电荷状态进行管理。,(12)交流充电器交流充电器用于将来于电网的电力能源转换为动力电池所需要的直流电，这样就能在约6h的时间内完成对动力电池的全状态充电。,(13)DC/DC转换器DC/DC转换器可以使电动汽车的动力电池为车身电气用电池提供12V的电压。,图2-34纯电动汽车福克斯实物图a
18、)整车实物图b)电池舱布置图c)底盘结构,二、完全开发的纯电动汽车,1.通用EV1/EV2系列纯电动汽车2.本田EV-plus纯电动汽车3.奥运纯电动大客车,1.通用EV1/EV2系列纯电动汽车,(1)整车技术和设计EV1纯电动汽车不仅是用来展示的电动动力系统，而且还担任了技术首演的任务，后来开发的纯电动汽车大多采用了同样的模型和概念。(2)传动系统这款车使用的三相交流异步电机可以在7000r/min时产生137hp(102kW)的功率。(3)动力电池通用汽车公司1996年发布的EV1纯电动汽车使用铅蓄电池，质量为3086lbf(1400kg)。,(1)整车技术和设计EV1纯电动汽车不仅是用来
19、展示的电动动力系统，而且还担任了技术首演的任务，后来开发的纯电动汽车大多采用了同样的模型和概念。,图2-35通用EV1电动汽车的结构,(2)传动系统这款车使用的三相交流异步电机可以在7000r/min时产生137hp(102kW)的功率。,(3)动力电池通用汽车公司1996年发布的EV1纯电动汽车使用铅蓄电池，质量为3086lbf(1400kg)。,2.本田EV-plus纯电动汽车,1)前/后轮距：59.1 in/58.7in(1.50m/1.49m)。2)传动系：前轮驱动。3)乘客数：4。4)电压：288V。5)电机：直流无刷。6)功率：49kW(66hp)。7)电池：12V镍氢电池模块。8
20、)充电时间：68h。9)加速性能：4.9s(030mile/h)。10)最大速度：80mile/h(130km/h)。11)续驶里程：100mile，即160km(80放电)。,2.本田EV-plus纯电动汽车,图2-36本田EV-plus纯电动汽车结构视图,2.本田EV-plus纯电动汽车,图2-37本田EV-plus纯电动汽车局部结构图,2.本田EV-plus纯电动汽车,图2-38EV-plus纯电动汽车动力舱内实物图,1)前/后轮距：59.1 in/58.7in(1.50m/1.49m)。,2)传动系：前轮驱动。,3)乘客数：4。,4)电压：288V。,5)电机：直流无刷。,6)功率：4
21、9kW(66hp)。,7)电池：12V镍氢电池模块。,8)充电时间：68h。,9)加速性能：4.9s(030mile/h)。,10)最大速度：80mile/h(130km/h)。,11)续驶里程：100mile，即160km(80放电)。,3.奥运纯电动大客车,(1)整车概述BK6122EV型纯电动客车(图2-39)整车动力性、可靠性、安全性、能耗经济性均较好，具有完全的自主知识产权；BK6122EV型纯电动客车整车造型设计独特，内饰美观高雅，舒适性高，采用专用电动化低地板底盘，整车达到发动机客车超二级相关要求，并解决了与无轨电车电网兼容的电-电混合的关键技术；该车在国际上首次使用先进的锂离子
22、动力电池组、分散式充电快速更换方案、无离合器3档机械自动变速电驱动系统、电动涡旋式一体化冷暖空调器等具有自主知识产权的关键部件，综合技术水平和产品化程度高，整车能耗低。(2)整车布置BK6122EV型纯电动客车采用动力装置后置、后轮驱动形式。,3.奥运纯电动大客车,(3)整车技术方案(图2-41),3.奥运纯电动大客车,图2-39BK6122EV型纯电动大客车外形,(1)整车概述BK6122EV型纯电动客车(图2-39)整车动力性、可靠性、安全性、能耗经济性均较好，具有完全的自主知识产权；BK6122EV型纯电动客车整车造型设计独特，内饰美观高雅，舒适性高，采用专用电动化低地板底盘，整车达到发
23、动机客车超二级相关要求，并解决了与无轨电车电网兼容的电-电混合的关键技术；该车在国际上首次使用先进的锂离子动力电池组、分散式充电快速更换方案、无离合器3档机械自动变速电驱动系统、电动涡旋式一体化冷暖空调器等具有自主知识产权的关键部件，综合技术水平和产品化程度高，整车能耗低。,(2)整车布置BK6122EV型纯电动客车采用动力装置后置、后轮驱动形式。,图2-40BK6122EV型纯电动大客车整车布置形式a)正视图b)侧视图c)座椅布置图,(2)整车布置BK6122EV型纯电动客车采用动力装置后置、后轮驱动形式。,图2-41BK6122EV型纯电动客车整车技术方案,(3)整车技术方案(图2-41)
24、,1)先进的超低地板结构。2)先进的能量源和动力驱动系统。3)兼容无轨电车的电-电混合方案。在车顶上预留无轨电车座圈结构基础，车顶预埋高压线路、低压控制线路、通信线路。按照无轨电车的技术要求，整车高压部件和车身保证连接的二级绝缘。整车尺寸参数 整车质量参数 整车主要性能参数如下所述。,1)先进的超低地板结构。,2)先进的能量源和动力驱动系统。,图2-42BK6122EV型纯电动客车动力电池组,2)先进的能量源和动力驱动系统。,图2-43行驶系统简图1电机2自动变速器3传动轴4驱动轮5后桥,3)兼容无轨电车的电-电混合方案。,在车顶上预留无轨电车座圈结构基础，车顶预埋高压线路、低压控制线路、通信
25、线路。,按照无轨电车的技术要求，整车高压部件和车身保证连接的二级绝缘。,图2-44新型电-电混合城市公交车方案,整车尺寸参数,整车质量参数,整车主要性能参数如下所述。,三、未来的纯电动汽车技术,1.KAZ纯电动汽车2.米其林轮毂电机,1.KAZ纯电动汽车,图2-45日本KAZ大型多用途纯电动汽车,1.KAZ纯电动汽车,图2-46KAZ纯电动汽车座舱布置及低地板设计,1.KAZ纯电动汽车,图2-47总体开发理念,1.KAZ纯电动汽车,图2-48创新型部件设计,1.KAZ纯电动汽车,图2-49KAZ纯电动汽车结构分解图,2.米其林轮毂电机,(1)米其林轮毂电机的优点(2)米其林轮毂电机的缺点,2.
26、米其林轮毂电机,图2-50米其林轮毂电机结构图,2.米其林轮毂电机,图2-51米其林轮毂电机实物图,2.米其林轮毂电机,图2-52米其林基于其轮毂电机开发的主动控制汽车底盘(Hy-light),(1)米其林轮毂电机的优点,1)省略大量传动部件，让车辆结构更简单。2)可实现多种复杂的驱动方式。3)便于采用多种新能源车技术。,1)省略大量传动部件，让车辆结构更简单。,2)可实现多种复杂的驱动方式。,3)便于采用多种新能源车技术。,(2)米其林轮毂电机的缺点,1)增大了簧下质量和轮毂的转动惯量，对车辆的操控有所影响。2)电制动性能有限，维持制动系统运行需要消耗不少电能。,1)增大了簧下质量和轮毂的转动惯量，对车辆的操控有所影响。,2)电制动性能有限，维持制动系统运行需要消耗不少电能。,
