電動汽車構造與原理PPT課件.ppt

電動汽車ElectricVehicle 1 主要內(nèi)容 1 發(fā)展電動汽車緣由2 電動汽車研發(fā)現(xiàn)狀3 結(jié)構及工作原理4 電動汽車關鍵技術5 燃料電池電動汽車 2 自汽車發(fā)明以來 汽車的動力主要依賴于石油 由此燃燒產(chǎn)生的廢氣對大氣的污染日益嚴重 越來越嚴格的汽車廢氣排放控制法規(guī)正在頒布和實施 在能源方面 世界石油儲量占能源總儲量的13 據(jù)世界能源理事會預測 按目前的石油開采速度 世界石油的開采只能支撐30多年 顯然 汽車制造業(yè)必須由利用危害生態(tài)環(huán)境的單一能源向開發(fā)使用多種能源 加強環(huán)境保護方面轉(zhuǎn)變 1 發(fā)展電動汽車緣由 3 2000年世界人口大約60億 但2050年人口將增加到100億 從而汽車數(shù)量將從7億增加到25億 如果車輛都使用內(nèi)燃機 石油哪里來 排氣污染如何處理 迫使人們?nèi)ふ铱沙掷m(xù)發(fā)展的交通工具 面對節(jié)能與環(huán)保的雙重壓力 近幾年 國內(nèi)外各國主要將研究方向鎖定在替代燃料汽車 醇類 天然氣 氫氣等 和電動汽車兩個主要方向 1 發(fā)展電動汽車緣由 4 1 發(fā)展電動汽車緣由 我國已成為世界第二石油進口大國 2005年 中國日消費原油約673萬桶 其中40 是2700多萬輛民用汽車消耗的 按照現(xiàn)在汽車年耗汽油的平均增長速度 中國汽車到2030年耗油將達2 63億噸 進口比例將達84 遠遠高于30 的安全警戒線 截止到2007年6月底 北京市機動車保有量達273萬輛 居國內(nèi)之首 年均增長率為15 左右 預計07年年底將突破300萬輛 汽車在給人們的日常出行帶來極大方便的同時 也引起了環(huán)境污染 噪聲污染和石油緊張等問題 5 電動汽車優(yōu)點 環(huán)境方面 零排放電動汽車可以實現(xiàn)城市交通的零排放 我們即使考慮到為電動汽車提供電力的電站所排放出來的廢氣 使用電動汽車仍然可以大大的減少全球空氣污染 能源方面 能源多樣性電動汽車可以保證全球的能源安全 并且可以使用多種可再生能源 像熱能 核能 水能 潮汐能 風能 地熱能 太陽能 化學能 生物能等 控制方面 易于控制電動汽車比傳統(tǒng)的燃料汽車更易實現(xiàn)精確的控制 智能交通系統(tǒng)則有可能率先通過電動車來實現(xiàn) 從而提高道路利用率和交通安全性 6 Advantagesofelectricvehicles Electricmotorsaremechanicallyverysimple andreleasealmostnoairpollutantsattheplacewheretheyareoperated Electricmotorsoftenachieve90 energyconversionefficiencyoverthefullrangeofspeedsandpoweroutputandcanbepreciselycontrolled Theycanalsobecombinedwithregenerativebrakingsystemsthathavetheabilitytoconvertmovementenergybackintostoredelectricity Thiscanbeusedtoreducethewearonbrakesystems andconsequentbrakepaddust andreducethetotalenergyrequirementofatrip especiallyeffectiveforstart and stopcityuse 7 Advantagesofelectricvehicles Theycanbefinelycontrolledandprovidehightorquefromrest unlikeinternalcombustionengines anddonotneedmultiplegearstomatchpowercurves Thisremovestheneedforgearboxesandtorqueconverters Anotheradvantageisthatelectricvehiclestypicallyhavelessvibrationandnoisepollutionthanavehiclepoweredbyaninternalcombustionengine whetheritisatrestorinmotion Electricityisaformofenergythatremainswithinthecontinentwhereitwasproducedandcanbemulti sourced Asaresultitgivesthegreatestdegreeofenergyresilience TheGMVoltwillcost lessthanpurchasingacupofyourfavoritecoffee torecharge TheVoltshouldcostlessthan2centspermiletodriveonelectricity comparedwith12centsamileongasolineatapriceof 3 60agallon Thiswouldbetheequillanttopaying70centsagallonofgas 8 Disadvantagesofelectricvehicles Limitedrangeduetothelowenergydensityofbatteries comparedtothefuelofinternalcombustionenginedvehicles Longrechargetimescomparedtotherefuelingtimerequiredbyinternalcombustionenginedvehicles MostelectricitygenerationintheUnitedStates isfromfossilsources accordingtotheUSDOE TheUSnationalgridisunderinvestedandishavingtroublemeetingcurrentlevelsofdemandaccordingtotheUSDOE 9 Disadvantagesofelectricvehicles OverallaverageefficiencyfromUSpowerplants 33 efficient topointofuse transmissionloss9 5 USDOEfigures is29 87 Accepting90 efficiencyfortheelectricvehiclegivesusafigureofonly26 88 overallefficiency Thatislowerthaninternalcombustionenginedvehicles Petrol Gasoline30 efficient Dieselengines45 efficient Volvofigures Dieselenginescanalsoeasilyrunonrenewablefuels biodiesel vegetableoilfuel preferablyfromwastesources withnolossofefficiency Usinggridelectricityentirelynegatestheefficiencyadvantagesofelectricvehicles Thiscomparisonisn tentirelyfair though sinceitcomparestank to flywheelefficiencyofgasolineanddieselpoweredenginestothewell to wheelefficiencyofelectricmotors Italsofailstorecognizethatthepracticalefficiencyoftheinternalcombustionengineissignificantlylowerinactualuse becauseoftransmissionandidlinglosses Toachieveasoundconclusion onewouldalsohavetotakeintoaccounttherefininganddeliverylossesofgasolineanddiesel andtheenergyefficiencyofbiofuelproduction Outputfuelenergydividedbythesumoftheinvestedenergyandenergyinthebiomass Theequivalentforfossilelectricityproductionwouldalsoneedtobeconsidered miningandtransportationofcoaltothepowerstationforexample ortheCo2producedbuildingrenewableelectricitygeneration 10 優(yōu)缺點 優(yōu)點 不燒油 零污染 電動機驅(qū)動噪聲小 易于控制 穩(wěn)態(tài)性能良好 可實現(xiàn)再生制動 無復雜的傳動系統(tǒng)和機械式逆轉(zhuǎn)裝置 缺點 由于蓄電池的比功率和比能量較低 充電時間長 所以動力性 機動性差和續(xù)駛里程短 另外 蓄電池的體積重量大 整車重量大 11 電動汽車分類 BatteryElectricVehicle BEV 蓄電池電動汽車 ElectricVehicle FCEV 燃料電池電動汽車 HybridElectricVehicle HEV 混合動力電動汽車 12 電動汽車 ElectricVehicle EV 是一種電力驅(qū)動的道路交通工具 最大區(qū)別在于能源和驅(qū)動系統(tǒng) 電動機 不同 包括蓄電池電動汽車 BatteryElectricVehicle BEV 混合動力電動汽車 HybridElectricVehicle HEV 和燃料電池電動汽車 FuelCellElectricVehicle FCEV 純電動汽車 PureElectricVehicle PEV Full ElectricVehicle FEV 以電動機代替燃油的內(nèi)燃機 電力驅(qū)動的優(yōu)點是不使用燃料 零排放且噪聲低 同時因使用單一的電能源 電控系統(tǒng)相比混合電動車大為簡化 既降低了成本 又可補償電池的部分價格 13 電動汽車的技術特征 14 電動汽車的發(fā)展歷史 實際上 電動汽車早在內(nèi)燃機汽車誕生的50年前就出現(xiàn)了 1834年ThomasDavenport制造了第一臺電動三輪車 它由不可充電的干電池驅(qū)動 15 電動汽車的初期發(fā)展 1834 1930 1881年法國工程師GustaveTrouve裝配以鉛酸蓄電池為動力的三輪車 這是世界上第一輛可充電的電動汽車 1886年 FrankSprague設計生產(chǎn)了有軌電車 從此 電動汽車流行起來并且在車輛運輸中發(fā)揮了重要作用 1885年世界上第一臺汽油機汽車由德國人Benz研制成功 在當時的美國 年銷售4200輛汽車中38 是電動汽車 22 是內(nèi)燃機汽車 40 是蒸汽機汽車 其中 電動汽車是金融巨頭和財富的象征 當時一輛電動汽車的價格相當于今天的一臺RollsRoyce 16 在19世紀末期 許多美國 英國和法國公司都開始生產(chǎn)電動汽車 最早的電動汽車公司是Morris和Salom電動客車和貨車公司 最大的電動汽車公司是Pope 到1898年底生產(chǎn)了500輛ColumbiaEV 車型最多 性能最好的是Riker電動汽車公司 1897年英國倫敦電動出租汽車公司生產(chǎn)了15輛電動汽車 法國BGS公司生產(chǎn)各種小汽車 貨車 客車和豪華轎車 能夠設計制造專用的蓄電池 所以BGS在1900年之前一直保持著世界電動汽車行駛里程的最高紀錄 其續(xù)駛里程達到290km 速度最快的電動賽車JamaisContente 永不滿足 于1899年5月創(chuàng)下了110km h的記錄 由比利時人CamillJenatzy駕駛 17 到1912年美國擁有34000輛注冊電動汽車 1899 1916年期間 Baker公司一直是美國最主要的電動汽車制造商 1901 1920年 英國倫敦電動出租汽車公司生產(chǎn)了后輪輪轂式電動機 后輪驅(qū)動 斜輪轉(zhuǎn)向和充氣輪胎的電動汽車 1907 1938年 底特律電氣公司生產(chǎn)的電動汽車不僅無噪聲 清潔可靠 而且最高時速達到40km h 續(xù)駛里程到達129km 到1930年代 電動汽車幾乎消失了 這是怎么造成的呢 18 Edison ElectricCarIN1913 Electriccarandantiquecarondisplayat 1912 19 速度最快的電動賽車JamaisContente 永不滿足 于1899年5月創(chuàng)下了110km h的記錄 由比利時人CamillJenatzy駕駛 20 陳清泉院士認為 一個人的伙伴同時也是他的敵人 是描述電動汽車發(fā)展最為合適的句子 因為電動機是促進電動汽車發(fā)展的關鍵部件 同時由于電動機的迅速發(fā)展 推動燃油汽車快速發(fā)展 1911年Kettering發(fā)明汽車起動機 電動機 使得燃油汽車比價格昂貴的電動汽車更有吸引力 福特推出的T型車使其從1906年的850美元降低到1925年260美元 福特公司員工兩個月工資就能買一臺 使用成本很低 續(xù)駛里程為電動汽車的2 3倍 宣告了電動汽車的迅速消失 21 Large scaleelectrictransport MetrosTramselectriclocomotivesTrolleybusesSedenEVBus 22 Smallscaleelectricvehicles 23 電動汽車經(jīng)歷的三次重大機遇 第一次發(fā)生在一百余年前 當時電池和電機的發(fā)展較內(nèi)燃機成熟 且石油的運用還沒有普及 使電動汽車在早期的汽車領域中占有舉足輕重地位 第二次機遇上世紀70年代石油危機的爆發(fā) 給世界各國巨大沖擊 人們開始考慮替代石油的其他能源 包括風能 太陽能 電能等可再生能源 第三次機遇開始于環(huán)境保護日益成為人們所關注的重大課題 開發(fā)生產(chǎn)零污染交通工具成為各國所追求的目標 使電動汽車成為當代汽車發(fā)展的主流 24 2 國內(nèi)外電動汽車技術現(xiàn)狀與存在問題國外現(xiàn)狀日本轉(zhuǎn)向鋰電池HEV和EV通用看好氫燃料汽車FCV國內(nèi)現(xiàn)狀 25 通用的EV 1 S 1 Impact 福特的ETX 1 ETX 2 Rcostar Ranger 豐田的RAV4 雪鐵龍的AX106 SAXO等EV 采用了鎳氫電池 鋰離子電池等高能電池 快速充電時間減少到15 20min 續(xù)駛里程增加到300 400km 但其動力性和機動性仍然不如內(nèi)燃機轎車 目前 EV應用較多的是電動大客車 小型電動游覽車和生活用電動汽車 國外現(xiàn)狀EV 26 國外現(xiàn)狀FCEV 1989年美國能源研究小組ERC和克萊斯勒分別研制了磷酸鹽燃料電池 蓄電池的混合電力FCEbus PEMFC具有能量轉(zhuǎn)換效率高 能耗低 比功率大 工作溫度低 啟動快 壽命長 體積小 設計制造容易等優(yōu)點 Ballad的質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC研究處于世界前列 研究了105kW的PEMFC和采用PEMFC的205kW燃料電池大客車 美國新一代汽車協(xié)會PNGV partnershipforanewgenerationofvehicle 開展對PEMFC的全方位研究 采用氫氣 甲醇 乙醇 碳氫化合物和汽油等多種燃料進行試驗研究 美國杜邦公司開發(fā)的全氟質(zhì)子交換膜在PEMFC得到廣泛應用 27 國外現(xiàn)狀FCEV 通用從1994年開始開發(fā)了液態(tài)和壓縮氫的氫動一號 氫動三號FCEV 戴 克公司開發(fā)了Necar 1 Newcar 5電動轎車和Nebus 1 Nebus 4電動大客車 采用甲醇和汽油重整制氫氣 壓縮氫等試驗 日本豐田1996 1997開發(fā)了金屬氫化物儲氫和甲醇重整制氫 研發(fā)了RAV4型和FCHV型FCEV 本田公司2000年研發(fā)了FCX V系列FCEV 在21世紀里 通用的AutonomySkateboard Hu wire采用滑板式整體平臺率先采用X by wire控制技術 可以裝配不同車身 擺脫了用傳統(tǒng)底盤改裝FCEV的約束 豐田研發(fā)的Fine S Fine N 本田的KIWAMI IMASD等都是FCEV技術不斷創(chuàng)新 28 EVProduction Source CARB2000PreliminaryReport 29 CityElectricVehicles CEV FordThinkCity NissanHyper mini Speed 60mphRangeabout50miles 30 NeighborhoodEVs NEV Speed 25mphRangeabout25miles 31 國外部分電動汽車技術數(shù)據(jù) 32 國內(nèi)現(xiàn)狀自2001年起 國家就啟動了863計劃電動汽車重大專項 涉及的電動汽車包括純電動汽車 混合動力和燃料電池等3種電動汽車 其中以燃料電池汽車 混合動力汽車 純電動汽車為 三縱 多能源動力總成控制 驅(qū)動電機 動力蓄電池為 三橫 建立起 三縱三橫 的開發(fā)布局 33 三縱三橫布局及其組織管理模式 34 總成測試基地課題 驅(qū)動評估系統(tǒng)課題 電池評估系統(tǒng)課題 ISA ISG 內(nèi)燃機及其控制系統(tǒng) 混合動力整車項目 多能源動力總成控制系統(tǒng) 電機驅(qū)動系統(tǒng) 電池及電池管理系統(tǒng) 通訊協(xié)議課題 控制專題 電池專題 電機驅(qū)動專題 DC DC變換器 燃料電池整車項目 燃料電池發(fā)動機 多能源動力總成控制系統(tǒng) 電機驅(qū)動系統(tǒng) 電池及電池管理系統(tǒng) Specialprogram ElectricVehicle電動汽車重大專項 純電動整車項目 多能源動力總成控制系統(tǒng) 電機驅(qū)動系統(tǒng) 電池及電池管理系統(tǒng) 總成測試基地課題 驅(qū)動評估系統(tǒng)課題 電池評估系統(tǒng)課題 ISA ISG 內(nèi)燃機及其控制系統(tǒng) 混合動力整車項目 多能源動力總成控制系統(tǒng) 電機驅(qū)動系統(tǒng) 電池及電池管理系統(tǒng) 通訊協(xié)議課題 控制專題 電池專題 電機驅(qū)動專題 DC DC變換器 燃料電池整車項目 燃料電池發(fā)動機 多能源動力總成控制系統(tǒng) 電機驅(qū)動系統(tǒng) 電池及電池管理系統(tǒng) 純電動整車項目 多能源動力總成控制系統(tǒng) 電機驅(qū)動系統(tǒng) 電池及電池管理系統(tǒng) 政策 法規(guī) 技術標準 專利保護課題 35 我國純電動汽車技術走向成熟隨著我國對純電動汽車研發(fā)力度的加大 我國純電動汽車在技術上趨于成熟 從1994年至今 科技部和北京市科委已經(jīng)累計投入1億多元 作為以北京理工大學為牽頭單位的北京市純電動客車團隊的研發(fā)費用 經(jīng)過10多年的研究 純電動汽車技術上的難點被一一攻克 以電池起家的比亞迪一直致力于純電動汽車的研發(fā)在北京奧運會和殘奧會期間 我國自主研制生產(chǎn)的50輛電動公交客車已經(jīng)投入使用 為運動員 記者 觀眾等提供綠色交通服務 這也是國際上第一次大規(guī)模使用鋰離子動力電池的電動客車 36 2007年 國家發(fā)改委正式出臺了 新能源汽車生產(chǎn)準入管理規(guī)則 將新能源車納入發(fā)改委準生管理 于11月1日正式生效 新能源汽車包括混合動力汽車 純電動汽車 燃料電池電動汽車 氫發(fā)動機汽車 其它新能源汽車等 規(guī)則規(guī)定 新能源生產(chǎn)企業(yè)必須提交申請 核準后方可生產(chǎn) 發(fā)改委總共設定15道準生門檻 其中最引人注意的一項是 企業(yè)需要至少掌握新能源汽車車載能源系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三者之一的核心技術 發(fā)改委表示 經(jīng)過考核沒有過關的企業(yè)6個月后才能再次提出申請生產(chǎn)新能源車 根據(jù)規(guī)則規(guī)定 新能源汽車發(fā)展分為起步期 發(fā)展期 成熟期三個技術階段 起步期產(chǎn)品只能進行小批量生產(chǎn) 在批準的區(qū)域 范圍和條件下進行示范運行 發(fā)展期產(chǎn)品允許進行批量生產(chǎn) 但也只能在批準的區(qū)域 期限和條件下銷售 使用 成熟期產(chǎn)品則與常規(guī)汽車相同 在銷售 使用上也與常規(guī)車輛相同 國家863計劃 電動汽車 重大專項國家973計劃 電動汽車 重大基礎理論研究 37 國外有關政策與科技計劃 美國PNGV計劃歐盟的能源與電動汽車計劃FP系列計劃RDD燃料電池示范計劃CUTE燃料電池大客車示范計劃ELCIDIS城市電動汽車運輸系統(tǒng)日本的電動汽車JHFC氫燃料電池示范工程專項研究計劃 38 北京奧運期間投入運營的電動汽車以及結(jié)構框圖 39 部分國產(chǎn)電動車 BK6122EV奧運用純電動大客車 吉利熊貓純電動車 純電動汽車 40 燃料電池電動汽車 清能一號燃料電池大巴 41 BYDF6DM ManufacturerBYDAutoProduction2008Classplug inhybridsedanLength4846mmWidth1822mmHeight1465mmElectricrange60milesRelatedBYDF3DM 42 BYDF3DMHybridConcept 2008GenevaAutoShow BYDISCURRENTLYTHEWORLD SLARGESTPRODUCEROFCELL PHONEBATTERIES BUTITSAUTOMOTIVESUBSIDIARYSHOWEDITSSAVVYWHENROLLS ROYCEBEGANITSOWNPRESSCONFERENCEJUSTASBYDWASUNVEILINGTHEF3DM THECHINESEHYBRID SMOMENTOFGLORYLOOKEDLOSTFOREVERASAROLLSEXECUTIVETOUTEDHISCOMPANY SSUCCESS UNTILABYDREPRESENTATIVEGRABBEDAMICROPHONETOLOUDLYPROCLAIMHISOWNCOMPANY SGRATITUDETOTHECROWDANDHISOPTIMISMREGARDINGTHEFUTUREOFTHEF3DMSEDAN BYDTECHNOLOGYBEHINDTHECHINESECOMPANY SDUAL MODEHYBRIDISIMPRESSIVE THEF3DMCANBEDRIVENMORETHAN60MILESONELECTRICITYALONEBEFORENEEDINGTOBERECHARGED ANDTHEREISASMALLGASOLINEENGINEASABACKUPIFYOURUNOUTOFELECTRICPOWER THECARTHENFUNCTIONSASAREGULARGAS ELECTRICHYBRID SUCHASTHETOYOTAPRIUS THETOYOTAREFERENCEALSOAPPLIESWHENITCOMESTOLOOKS THEDULLDESIGNOFTHEF3DMREMINDSUSOFTHEPREVIOUS GENERATIONTOYOTACOROLLA ESPECIALLYFROMTHEFRONT MAYBETHISSHOULDN TCOMEASATOTALSURPRISE SINCEBYD SOTHERGENEVASHOWCAR THEF1HATCHBACK HASBEENPANNEDBYTHEMEDIAASBEINGASTYLISTICRIP OFFOFTOYOTA SAYGOSUPER MINI 43 3 純電動汽車EV 以電動機代替燃油的內(nèi)燃機 電力驅(qū)動的優(yōu)點是不使用燃料 零排放且噪聲低 同時因使用單一的電能源 電控系統(tǒng)相比混合電動車大為簡化 既降低了成本 又可補償電池的部分價格 44 一般由電力驅(qū)動 主能源和輔助控制三大子系統(tǒng)組成 其中電力驅(qū)動子系統(tǒng)主要由電控單元 功率轉(zhuǎn)換器 電動機 機械傳動裝置和驅(qū)動車輪組成 主能源子系統(tǒng)由主電源 能量管理系統(tǒng)和充電系統(tǒng)構成 輔助控制子系統(tǒng)由動力轉(zhuǎn)向 溫度控制和輔助動力供給三個模塊構成 電動汽車的基本結(jié)構 45 電動汽車結(jié)構 46 47 48 電動汽車的典型結(jié)構電動機采用三相交流感應電動機 相應功率轉(zhuǎn)換器采用脈寬調(diào)制 PWM PulseWidthModem 機械變速傳動系統(tǒng)一般采用固定速比的減速器或變速器與差速器 鎳氫電池 鉛酸蓄電池或鋰離子電池是常見的三種電動汽車動力電池 49 電動汽車的工作原理根據(jù)從制動踏板和加速踏板輸入的信號 電子控制器發(fā)出相應的指令來控制功率轉(zhuǎn)換器的功率裝置的通斷 功率轉(zhuǎn)換器的功能是調(diào)節(jié)電動機和電源之間的功率流 50 電動汽車的工作原理當電動汽車制動時 再生制動的動能被電源吸收 此時功率流的方向要反向 能量管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)一起控制再生制動系統(tǒng)及其能量的回收 能量管理系統(tǒng)和充電器一同控制充電并監(jiān)測電源的使用情況 51 電動汽車的工作原理輔助動力供給系統(tǒng)供給電動汽車輔助系統(tǒng)不同等級的電壓并提供必要的動力 它主要給動力轉(zhuǎn)向 空調(diào) 制動及其它輔助裝置提供動力 52 電動汽車的關鍵系統(tǒng) 電源系統(tǒng)主要包括蓄電池 燃料電池等 53 電力驅(qū)動系統(tǒng)電動汽車電力驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的心臟 其任務是在駕駛員的控制下 高效地將蓄電池的能量轉(zhuǎn)化為車輪的動能 或者 剎車時 將車輪上的動能反饋到蓄電池中 電動機驅(qū)動系統(tǒng)分為電氣和機械兩大部分 電氣部分由電動機 功率轉(zhuǎn)換器和電子控制器三個子系統(tǒng)組成 機械部分主要由機械傳動裝置 變速器和差速器 和車輪構成 電子控制器分為三個功能單元 傳感器 中間連接電路和處理器 在驅(qū)動和能量再生過程中 能量源與電機之間的能量流動是通過功率轉(zhuǎn)換器進行調(diào)節(jié)的 54 電力驅(qū)動系統(tǒng) 55 電力驅(qū)動系統(tǒng)的種類根據(jù)電動汽車驅(qū)動輪的布置方式有全輪驅(qū)動 后輪驅(qū)動和全輪驅(qū)動等方式 根據(jù)電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的組成特點 其基本布置方式可分為機械驅(qū)動系統(tǒng) 半機械驅(qū)動系統(tǒng)和純電氣驅(qū)動系統(tǒng)等 根據(jù)電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中是否采用輪轂電動機 可分為輪轂電動機驅(qū)動系統(tǒng)和非輪轂電動機驅(qū)動系統(tǒng) 根據(jù)電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中電動機的數(shù)量可分為單電機和多電機驅(qū)動系統(tǒng) 56 電動汽車對驅(qū)動電動機性能的基本要求 1 高電壓 2 高轉(zhuǎn)速 3 質(zhì)量輕 體積小 4 電動機應具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能 以滿足啟動 加速 行駛 減速 制動等所需要的功率和轉(zhuǎn)矩 5 電動機需要有4 5倍的過載 以滿足短時加速行駛和最大爬坡度的要求 6 電動機應具有較高的可控性 穩(wěn)態(tài)精度 動態(tài)性能 以滿足多部電動機協(xié)調(diào)運作 7 電動機應具有高效率 低損耗 并在車輛減速時 可進行制動能量回收 8 電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的安全性應達到有關的規(guī)定和標準 9 能夠在惡劣條件下可靠工作 10 結(jié)構簡單 適合量生 使用維修方便 價格便宜等 57 驅(qū)動電機除了要滿足上述性能要求外 在設計是還應注意一下幾點 a 單電動機與多電動機結(jié)構一種是采用單個電動機驅(qū)動車輪 另一種是采用多個電動機和一起單獨驅(qū)動每一個車輪 單電動機結(jié)構的優(yōu)點是 由于只用一個電動機 它最大限度的減少體積 質(zhì)量和成本 而多電動機結(jié)構能減小單個電動機的電流和功率的額定值 并能均衡電動機的尺寸和質(zhì)量 另外 在電子減速器起作用時 考慮過失容限的能力 多電動機驅(qū)動需采取額外的預防 a 單電動機 b 雙電動機 58 b 單電動機與多電動機結(jié)構比較 59 c 固定速比 單速傳動 與可變速比 多速傳動 齒輪減速單速傳動 采用固定速比齒輪變速傳動 要求電動機能夠在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的瞬時轉(zhuǎn)矩 3 5倍額定值 又能在恒功率區(qū)提供較高的運行速度 3 5倍基速 多速傳動 采用帶離合器和變速器的多級齒輪變速傳動 優(yōu)點是應用常規(guī)的驅(qū)動電動機可在低速檔得到較高的啟動轉(zhuǎn)矩 在高速檔得到較高的行駛速度 缺點是重量 體積大 成本高 可靠性低 機構復雜 60 d 有 無齒輪傳動采用高傳動比的固定速比變速傳動 可使電動汽車的驅(qū)動電機高速運轉(zhuǎn) 因而系統(tǒng)功率密度較高 電動汽車也可采用無齒輪變速傳動 電動機直接驅(qū)動傳動軸或采用輪轂電動機驅(qū)動 但是如果采用低速外轉(zhuǎn)子電動機 系統(tǒng)功率密度較低 可通過減少變速器 相應增加電動機的重量來增加平衡 a 帶變速器的驅(qū)動 b 不帶變速器的驅(qū)動 61 系統(tǒng)電壓電動汽車的電壓等級對驅(qū)動電動機系統(tǒng)的設計有很大影響 采用合理的高電壓電動機可以減小逆變器的成本和體積 但如果電壓選擇過高 需要串聯(lián)蓄電池增多 引起車輛的重量 成本增加 車輛性能下降 車內(nèi)空間和行李箱空間減小 系統(tǒng)電壓受蓄電池重量限制 一般約占整車的30 左右 另外 電動機功率越大 所采用的電壓等級越高 通用汽車EV1采用102kW電動機的電壓等級為312V 而RevaEV的13kW電動機采用48V電壓 62 驅(qū)動電動機電動機的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了一個多世紀 不像電子和計算機科學 電動機的發(fā)展時間較長發(fā)展速度較慢 然而 借助于新材料技術 高度發(fā)展的拓撲學 功能強大的計算機輔助設計 CAD 先進的功率電子和微電子技術 電動機得以不斷地發(fā)展 Electricmotor 63 驅(qū)動電動機圖中陰影的電動機已經(jīng)被電動汽車使用 驅(qū)動電動機的分類 64 各國電動汽車所使用的驅(qū)動電動機 65 電動汽車所采用的電動機的性能比較 66 電動車用電機驅(qū)動系統(tǒng)中選用的電機 67 直流電動機直流電機模型 68 上圖表示一臺最簡單的兩極直流電機模型 它的固定部分 定子 上 裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S 在旋轉(zhuǎn)部分 轉(zhuǎn)子 上裝設電樞鐵心 定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙 固定部分有磁鐵 主磁極 電刷 轉(zhuǎn)動部分有電樞鐵心和繞在鐵心上的繞組 在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導體連成的電樞線圈 線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上 此銅片稱為換向片 換向片之間互相絕緣 由換向片構成的整體稱為換向器 換向器固定在轉(zhuǎn)軸上 換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣 在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2 當電樞旋轉(zhuǎn)時 電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通 69 直流電機的結(jié)構 70 定子 包括主磁極 勵磁繞組主極鐵心 換向極 繞組和鐵心 機座 端蓋和電刷裝置 71 主磁極主磁極 包括勵磁繞組 主極鐵心主磁極的作用是建立主磁場 絕大多數(shù)直流電機的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場 主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成 主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴大的部分稱為極靴 它的作用是使氣隙磁阻減小 改善主磁極磁場分布 并使勵磁繞組容易固定 為了減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時由于齒槽移動引起的鐵耗 主磁極鐵心采用1 1 5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成 主磁極上裝有勵磁繞組 整個主磁極用螺桿固定在機座上 主磁極的個數(shù)一定是偶數(shù) 勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按N S極交替出現(xiàn) 72 電刷裝置是電樞電路的引出 或引入 裝置 它由電刷 刷握 刷桿和連線等部分組成 電刷是石墨或金屬石墨組成的導電塊 放在刷握內(nèi)用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面 旋轉(zhuǎn)時與換向器表面形成滑動接觸 刷握用螺釘夾緊在刷桿上 每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷組 同極性的各刷桿用連線連在一起 再引到出線盒 73 換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極 由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構成 換向極的作用是改善直流電機的換向情況 使電機運行時不產(chǎn)生有害的火花 換向極的個數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等 在功率很小的直流電機中 也有不裝或少裝換向極的 換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯(lián)的 要流過較大的電流 和串勵繞組一樣 導線截面較大 74 機座有兩個作用 一是作為主磁極的一部分 二是作為電機的結(jié)構框架 機座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛 機座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成 或者用鑄鋼件 小型機座用鑄鐵件 制成 機座的兩端裝有端蓋 75 端蓋 端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉(zhuǎn)子 將定轉(zhuǎn)子連為一體 同時端蓋對電機內(nèi)部還起防護作用 76 電樞 轉(zhuǎn)子 直流電機的轉(zhuǎn)動部分稱為轉(zhuǎn)子 即電樞 包括電樞鐵心1 電樞繞組3 轉(zhuǎn)軸5 軸承 換向器 風扇2等 77 電樞鐵心既是主磁路的組成部分 又是電樞繞組支撐部分 電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi) 為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗 鐵心一般用沖有齒 槽的硅鋼片疊壓夾緊而成 小型電機的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上 大型電機的電樞鐵心沖片先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上 然后再將支架固定在軸上 為改善通風 沖片可沿軸向分成幾段 以構成徑向通風道 78 電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成 是直流電機的電路部分 也是感生電動勢 產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進行機電能量轉(zhuǎn)換的部分 線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成 分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內(nèi) 上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣 并用槽楔壓緊 大型電機電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上 79 換向器起整流作用 在直流電動機中 換向器起逆變作用 因此換向器是直流電機的關鍵部件之一 換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個圓筒 其間用云母片絕緣 兩端再用兩個V形環(huán)夾緊而構成 每個電樞線圈首端和尾端的引線 分別焊入相應換向片的升高片內(nèi) 小型電機常用塑料換向器 這種換向器用換向片排成圓筒 再用塑料通過熱壓制成 80 直流電動機的工作原理 81 直流電動機的工作原理 82 如果直流電機的兩個電刷加上直流電源 如上圖 a 所示 則有直流電流從電刷A流入 經(jīng)過線圈a b c d 從電刷B流出 根據(jù)電磁力定律 載流導體ab和cd受到電磁力的作用 其方向可由左手定則判定 兩段導體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩 使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動 如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖 b 所示的位置 電刷A和換向片2接觸 電刷B和換向片1接觸 直流電流從電刷A流入 在線圈中的流動方向是d c b a 從電刷B流出 其受到電磁力的作用方向由左手定則判定 它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動 這就是直流電動機的工作原理 外加的電源是直流的 但由于電刷和換向片的作用 在線圈中流過的電流是交流的 其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的 實用中的直流電動機轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個線圈構成 是由多個線圈連接而成 以減少電動機電磁轉(zhuǎn)矩的波動 83 直流電動機的工作原理將直流電通過電刷接通電樞繞組 使電樞導體有電流流過 電動機內(nèi)部有磁場存在 電樞電樞載流導體將受到電磁力f的作用f Blia 其方向用左手定則判斷 所有導體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子 電樞 使電樞以n轉(zhuǎn) 分旋轉(zhuǎn) 84 直流電動機的機械特性 將直流電機的電勢方程和轉(zhuǎn)矩方程代入直流電動機電壓平衡方程式中 并略加整理后 可得他勵直流電機的機械特性方程為 當時的轉(zhuǎn)速稱為理想空載轉(zhuǎn)速 U為電動機電樞電壓 伏 Ke為電動機的電動勢常數(shù) 其值決定于電動機結(jié)構 Kt為電動機的轉(zhuǎn)矩常數(shù) 其值決定于電動機結(jié)構 為電動機的磁通量 韋伯 Ra為電動機電樞回路的電阻 歐 T為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 牛米 85 機械硬度 轉(zhuǎn)矩變化dT與所引起的轉(zhuǎn)速變化dn的比值 用于衡量機械特性的平直程度 直流電動機的機械特性 86 他勵直流電動機的機械特性 機械特性的曲線 n n0 空載T 0 由于有空載損耗 轉(zhuǎn)矩不為零 運行時 T TN 當T增大或減小時 n將減小或增大 以保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 87 DC DC變換器全橋式DC DC變換電路 圖示電路就是全橋式變換電路的主電路 該電路由四只功率開關T1 T4 高頻變壓器 整流二極管D1和D2 LC濾波器等構成 88 該電路的工作過程是 控制電路先使T1和T4導通而T2和T3截止 這使得輸入電壓Ui全部加到初級繞組W1上 其極性為上正下負 根據(jù)變壓器繞組的同名端標志可知 二極管D1在W2上的感應電流作用下導通 D2此時截止 D1導通后將次級能向L C和負載傳送 T1和T4導通一個時間段Ton后 再令其截止一個時間段Toff 于是Toff期間T1 T4均截止 Toff過后再令T2和T3開通而使T1和T4繼續(xù)關斷 T2和T3開通后 輸入電壓Ui全部加到變壓器初級繞組W1上 其極性為上負下正 此時次級感應電壓使D2導通而D1截止 繞組W3使二極管D2導通而D1截止 繞組W3經(jīng)二極管D2向濾波電感L和濾波電容C及負載傳送能量 T2和T3導通的時間段也為Ton 之后再使T1和T4截止一個時間段Toff 便完成了一個工作周期 此后電路便周而復始的工作 89 能量管理系統(tǒng) 電動汽車的能量管理與控制系統(tǒng)是整個汽車能量分配的神經(jīng)中樞 它的作用是根據(jù)車輛行駛速度和功率需求的變化 實現(xiàn)機械和電力兩種動力系統(tǒng)的最佳轉(zhuǎn)換和緊密配合 實現(xiàn)電池運行狀態(tài)的優(yōu)化 從而使燃料經(jīng)濟性和排放性能達到最佳 90 能源管理系統(tǒng)的主要功能 91 能量管理系統(tǒng) 能量管理系統(tǒng)采集從電動汽車各子系統(tǒng)通過傳感器收集到的運行信息數(shù)據(jù) 完成下列功能 選擇電池的充電方法 顯示蓄電池的荷電狀態(tài) SOC 預測剩余行駛里程 監(jiān)控電池的動作 調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度 調(diào)解車燈亮度以及回收再生制動能量為蓄電池充電等 92 制動回收系統(tǒng)傳統(tǒng)車輛的制動是通過摩擦將車輛的動能轉(zhuǎn)化成熱能 從而達到降低車速的目的 這樣能量就被浪費掉了 而EV可以在制動過程中將牽引電動機作為發(fā)電機 依靠車輪的反向拖動產(chǎn)生電能和車輪制動力矩 從而在減緩車速的同時將部分動能轉(zhuǎn)化為電能以備再利用 因此 制動回收系統(tǒng)能夠改善EV的能量利用效率 有效地降低車輛的排放并提高燃油經(jīng)濟性和車輛的續(xù)駛里程 93 制動系統(tǒng)工作時 根據(jù)駕駛員的制動需求 電池SOC 荷電狀態(tài) 和車輛以及路面狀況來分配回收制動扭矩和摩擦制動扭矩 當電池SOC小于設定上極限值而且制動轉(zhuǎn)矩要求較小時 回收制動系統(tǒng)單獨工作 直到停車 當電池SOC小于設定上極限值而且制動轉(zhuǎn)矩要求較大時 回收制動系統(tǒng)和機械制動系統(tǒng)同時工作 直到停車 當電池SOC不小于設定上極限值 不管制動轉(zhuǎn)矩要求是大還是小 均由機械制動系統(tǒng)單獨工作 直到停車 94 電源系統(tǒng) 電動汽車的電源系統(tǒng)主要是為電動汽車提供能源 純電動汽車主要是由動力電池提供能源 電源系統(tǒng)主要包括蓄電池 燃料電池 超級電容器等 95 蓄電池是電動汽車的動力源 蓄電池的選擇將直接關系到整車的性能 電動汽車用蓄電池的主要性能指標是比能量 比功率和使用壽命等 因而關鍵是開發(fā)出比能高 比功率大 使用壽命長 成本低的蓄電池 面臨如下幾個主要問題 1 極低的電池能量密度 2 過重的電池組 3 有限的續(xù)駛里程與汽車動力性能 4 電池組昂貴的價格及有限的循環(huán)壽命 96 現(xiàn)有可供選擇的動力電池主要有以下幾種 鉛蓄電池 Lead acid 鉛酸蓄電池廣泛用作內(nèi)燃機汽車的起動動力源 它也是成熟的電動汽車蓄電池 它可靠性好 原材料易得 價格便宜 比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求 但它有兩大缺點 一是比能量低 另一個是使用壽命短 這限制了它在電動汽車中的應用前景 97 鎳鎘蓄電池 Nickel acdium 它的比能量可達55W h kg 比功率超過190W kg 可快速充電 使用壽命是鉛酸蓄電池的兩倍多 可達到2000多次 但價格為鉛酸蓄電池的4 5倍 它的初期購置成本雖高 但由于其在比能量和使用壽命方面的優(yōu)勢 因此其實際使用成本并不比鉛酸蓄電池高多少 鎳鎘電池注意的問題重金屬鎘造成環(huán)境污染 98 鎳氫蓄電池 Nickl metalhy dride 它和鎳鎘蓄電池一樣也屬于堿性電池 其特性和鎳鎘電池相似 不過鎳氫蓄電池不含銅 鉛 不存在重金屬污染問題 由于價格較高目前尚未大批量生產(chǎn) 雪佛蘭Malibu混合動力42V鎳氫蓄電池Ni MHBatteryofToyotaNHW20Prius 99 鈉硫蓄電池 Sodium solphur 鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動汽車蓄電池 鈉硫蓄電池主要存在高溫腐蝕嚴重 電池壽命較短 性能穩(wěn)定性及使用安全性不太理想等問題 鈉硫電池車 100 2020 1 15 101 鋰電池 Lithium Poly mer 它的最大優(yōu)點是比能量高 它種類繁多 常見的有鋰離子電池 高溫鋰熔鹽電池 鋰聚合物電池和鋰聚合物團體電解質(zhì)電池等 它的比能量的理論值為570wh kg 目前達到的比能量為100wh kg 比功率200W kg 循環(huán)使用壽命為1200次 充電時間2 4小時 聚合物鋰電池 102 鋅空氣電池 Zinc air 它的潛在比能量在200Wh kg左右 但鋅空氣電池目前尚存在壽命短 比功率小 不能輸出大電流及難以充電等缺點 103 飛輪電池 Flywheel 飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時就具有一定的動能 飛輪電池正是以其動能轉(zhuǎn)換成電能的 它有一個電機 充電時為電機 電機帶動飛輪加速 儲能 放電時為發(fā)電機對外輸出電能 飛輪電池的比能量可達150wh kg 比功率達5000 10000W kg 使用壽命長達25年 可供電動汽車行駛500萬公里 104 燃料電池 Fule cell 它是一種將燃料和氧化劑通過電極反應直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置 它能量轉(zhuǎn)換效率高 燃料電池的化學能轉(zhuǎn)換效率在理論上可達100 實際效率現(xiàn)已達60 80 105 超級電容器 也是高能量密度的儲能元件 它能存貯大量電荷 并且能迅速地充放電 利用它可以把蓄電池的沖擊負載降低到適宜的水平 這樣蓄電池只需設計達到平均能量密度和平均循環(huán)壽命 而無需達到最大峰值能量密度和循環(huán)壽命 超容量電容器也可以用存儲制動時產(chǎn)生的再生能量 106 鋰離子電池鋰離子電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次電池 人們將這種靠鋰離子在正負極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作的 獨特機理的鋰離子電池形象地稱為 搖椅式電池 俗稱 鋰電 NASA Lithium Ion Polymer Battery 107 鋰離子電池的結(jié)構以及正負極反應以石墨負極和LiCoO2正極的鋰離子電池為例 說明鋰離子電池的工作原理 該電池可用符號表示為 C6 1mol LLiPF6 EC DEC LiCoO2 正極反應LiCoO2 Li1 xCoO2 xLi xe負極反應6C xLi xe LixC6電池反應6C LiCoO2 Li1 xCoO2 LixC6 108 當電池充電時 鋰離子從正極中脫嵌 在負極中嵌入 放電時反之 這就需要一個電極在組裝前處于嵌鋰狀態(tài) 一般選擇相對鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極 如LiCoO2 LiNiO2 LiMn2O4 做為負極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物 如各種碳材料包括天然石墨 合成石墨 碳纖維 中間相小球碳素等和金屬氧化物 包括SnO SnO2 錫復合氧化物SnBxPyOz x 0 4 0 6 y 0 6 0 4 z 2 3x 5y 2 等 電解質(zhì)采用LiPF6的乙烯碳酸脂 EC 丙烯碳酸 PC 和低粘度二乙基碳酸脂 DEC 等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系 隔膜采用聚烯微多孔膜如PE PP或它們復合膜 尤其是PP PE PP三層隔膜不僅熔點較低 而且具有較高的抗穿刺強度 起到了熱保險作用 外殼采用鋼或鋁材料 蓋體組件具有防爆斷電的功能 109 鋰離子電池結(jié)構圖解 110 鋰離子電池的種類根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同 鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池 lithiumionbattery 和聚合物鋰離子電池 polymerlithiumionbattery 兩大類 液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池所用的正負極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的 電池的工作原理也基本一致 111 幾種鋰離子電池電極組成和主要性能 112 主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同 鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì) 而聚合物鋰離子電池則以聚合物電解質(zhì)來代替 這種聚合物可以是 干態(tài) 的 也可以是 膠態(tài) 的 目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì) 113 鋰離子電池具有以下優(yōu)點 電壓高 單體電池的工作電壓高達3 6 3 9V 是NiCd NiH電池的3倍比能量大 實際比能量為100 125Wh