純電動汽車的基本構(gòu)成及其關(guān)鍵技術(shù)

1、如圖1所示，純電動汽車EV (Electric Vehicle是僅由動力蓄電池向電動機(jī)提供電能驅(qū)動車輛行駛的道路車輛，也稱為蓄電池電動汽車。純電動汽車具有以下特點(diǎn)：節(jié)能，不消耗石油；環(huán)保，無污染；噪聲和振動??；能量主要是通過柔性的電線而不是通過剛性聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)軸傳遞，各部件的布置具有很大的靈活性；驅(qū)動系統(tǒng)布置不同會使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)區(qū)別很大，采用不同類型的電動機(jī)（如直流電動機(jī)和交流電動機(jī)）會影響到純電動汽車的質(zhì)量、尺寸和形狀；不同類型的儲能裝置會影響純電動汽車的質(zhì)量、尺寸及形狀；不同的補(bǔ)充能源裝置具有不同的硬件和機(jī)構(gòu)，例如蓄電池可通過感應(yīng)式和接觸 式的充電器充電，或者采用替換蓄電池的方式，對替換下來的蓄

2、電池進(jìn)行集中充電。1 純電動汽車的類型純電動汽車按照用途進(jìn)行分類，可以分為純電動轎車、純電動貨車和純電動客車3種類型；按照驅(qū)動型式進(jìn)行分類，可以分為直流電動機(jī)驅(qū)動的純電動汽車、交流電動機(jī)驅(qū)動的純電動汽車、雙電動機(jī)驅(qū)動的純電動汽車、雙繞組電動機(jī)驅(qū)動的純電動汽車和電動輪純電動汽車等5種類型。 2純宅動汽車的基本構(gòu)成如圖2所示，純電動汽車主要由電力驅(qū)動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)等組成。汽車行駛時，由蓄電池輸出電能（電流）通過控制驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)帶動車輪前進(jìn)或后退。圖3所示為奧運(yùn)純電動客車的基本構(gòu)成。21電力驅(qū)動系統(tǒng)純電動汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成簡圖如圖

3、4所示，主要由電子控制器、驅(qū)動電動機(jī)、電動機(jī)逆變器、各種傳感器、機(jī)械傳動裝置和車輪等組成，其中最關(guān)鍵的是電動機(jī)逆變器，電動機(jī)不同，控制器也有所不同，控制器將蓄電池直流電逆變成交流電后驅(qū)動交流驅(qū)動電動機(jī)，電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)驅(qū)動車輪，使電動汽車行駛。該系統(tǒng)的功用是將存儲在蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輪的動能，并能夠在汽車減速制動時，將車輪的動能轉(zhuǎn)化為電能充入蓄電池。驅(qū)動電動機(jī)是驅(qū)動EV 行駛的唯一動力裝置。目前EV 上使用的驅(qū)動電動機(jī)主要類型有直流電動機(jī)、交流電動機(jī)、永磁電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)等。再生制動是EV 節(jié)能的重要措施之一。制動時電動機(jī)可實(shí)現(xiàn)再生制動，一般可回收10%15%的能量，

4、有利于延長EV 的行駛里程。在EV 制動系統(tǒng)中，還保留有常規(guī)制動系統(tǒng)和ABS ，以保證車輛在緊急制動時有可靠的制動性能。關(guān)于電動機(jī)，本講座后文將詳細(xì)講解。 22電源系統(tǒng)純電動汽車的電源系統(tǒng)包括車載電源、能量管理系統(tǒng)和充電機(jī)等。它的功用是向電動機(jī)提供驅(qū)動電能、監(jiān)測電源使用情況及控制充電機(jī)向蓄電池充電。純電動汽車以動力蓄電池組作為車載皂源，用周期性的充電來補(bǔ)充電能。動力蓄電池組是EV 的關(guān)鍵裝備，儲存的電能、質(zhì)量和體積，對EV 的性能起決定性影響，也是發(fā)展EV 的主要研究和開發(fā)對象。EV 發(fā)展的癥結(jié)在于蓄電池，蓄電池技術(shù)對EV 的制約仍然是EV 發(fā)展的瓶頸；建立充電站系統(tǒng)、報(bào)廢蓄電池回收和處理工廠

5、，是推廣EV 的關(guān)鍵問題。純電動汽車的常用電源有鉛酸蓄電池、鎳一鎘蓄電池、鎳一氫蓄電池、鋰離子蓄電池等。車載電源的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段。(1第一代EV 蓄電池鉛酸蓄電池。其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，成本低；其缺點(diǎn)是，比能量和比功率低，不能滿足EV 續(xù)駛里程和動力性能的需求，但進(jìn)一步發(fā)展了閥控鉛酸蓄電池、鉛布蓄電池等，使鉛酸蓄電池的比能量有所提高。(2第二代EV 蓄電池高能蓄電池。第二代EV 高能蓄電池類型比較多，主要有鎳一鎘蓄電池、鎳一氫蓄電池、鈉一硫蓄電池、鈉一氯化鎳蓄電池、鋰離子蓄電池、鋰聚合物蓄電池、鋅一空氣蓄電池和鋁一空氣蓄電池等。其優(yōu)點(diǎn)是比能量和比功率都比鉛酸蓄電池高，大大提高了EV 的動力

6、性能和續(xù)駛里程；其缺點(diǎn)是，有些高能蓄電池需要復(fù)雜的蓄電池管理系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，各種蓄電池對充電技術(shù)有不同的要求，而且電化學(xué)蓄電池中的活性物質(zhì)在便用一定的期限后會老化變質(zhì)，以至完全喪失充電和放電功能而報(bào)廢，從而使EV 的使用成本較高。(3第三代EV 蓄電池飛輪蓄電池和超級電容器。飛輪蓄電池是電能一機(jī)械能一電能轉(zhuǎn)換的電池；超級電容器是 電能一電位能一電能轉(zhuǎn)換的電池。這兩種儲能器在理論上都具有很大的轉(zhuǎn)換能力，而且充電和放電方便迅速，但目前尚處于研制階段。EV 車載電源由高壓電源和低壓電源兩部分組成。高壓電源是動力蓄電池組提供的155 V380 V的高壓直流電，動力蓄電池組是供電動機(jī)工作的唯一動力源

7、，空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)壓縮機(jī)，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵和制動系統(tǒng)的真空泵等，也需要動力蓄電池組提供動力電能；動力蓄電池組通過DC/AC轉(zhuǎn)換器，供應(yīng)12 V 或24 V 的低壓電，并儲存到低壓蓄電池組中，作為儀表、照明和信號裝置等工作的電源。蓄電池管理系統(tǒng)用于對動力蓄電池組充電與放電時的電流、電壓、放電深度、再生制動反饋電流、蓄電池溫度等進(jìn)行控制。個別蓄電池性能變化后會影響到整個動力蓄電池組的性能，故需用蓄電池管理系統(tǒng)來對整個動力蓄電池組及其每一單體蓄電池進(jìn)行監(jiān)控，保持各個單體蓄電池間的一致性。動力蓄電池組必須進(jìn)行周期性的充電，高效率充電裝置和快速充電裝置是EV 使用時所必須的輔助設(shè)備，可采用地面充電器

8、、車載充電器、接觸式充電器或感應(yīng)式充電器等進(jìn)行充電。23輔助系統(tǒng)純電動汽車輔助系統(tǒng)主要包括輔助動力源、空調(diào)器、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、刮水器、收音機(jī)及照明和除霜裝置等。輔助動力源主要由輔助電源和DC/AC轉(zhuǎn)換器組成，其功用是向動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)及其他輔助設(shè)備提供電力。2.4控制系統(tǒng)EV 的控制系統(tǒng)主要是對動力蓄電池組的管理和對驅(qū)動電動機(jī)的控制。EV 的控制系統(tǒng)的主要作用有：將加速踏板、制動踏板機(jī)械位移的行程量轉(zhuǎn)換為電信號，輸入至中央控制單元，通過動力控制單元控制驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；計(jì)算動力蓄電池組剩余電量和剩余續(xù)駛里程；對整車低壓系統(tǒng)的電子、電器裝置進(jìn)行控制；采用各種各樣的傳感器、報(bào)警裝置和自診斷

9、裝置等，對整個動力蓄電池組一功率轉(zhuǎn)換器一驅(qū)動電動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并及時反饋信息和報(bào)警。25安全保護(hù)系統(tǒng)動力蓄電池組具有高壓直流電，因此必須設(shè)置安全保護(hù)系統(tǒng)，以確保駕駛?cè)?、乘員和維修人員在駕駛、乘坐和維修時的安全。另外，純電動汽車必須配備電氣裝置的故障自診斷系統(tǒng)和故障報(bào)警系統(tǒng)，在電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時自動控制EV 不能起動等，及時防止事故的發(fā)生。2.6車身及底盤EV 車身造型特別重視流線型，以降低空氣阻力系數(shù)。由于動力蓄電池組的質(zhì)量大，為減輕整車質(zhì)量，一般采用輕質(zhì)材料制造車身和底盤部分總成。動力蓄電池組占據(jù)的空間大，在底盤布置上還要有足夠的空間存放動力蓄電池組，并且要求線路連接、充電、檢查和裝卸方便，

10、能夠?qū)崿F(xiàn)動力蓄電池組的整體機(jī)械化裝卸。3純電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)3.1驅(qū)動電動機(jī)及控制技術(shù)純電動汽車的驅(qū)動電動機(jī)屬于特種電動機(jī)，是電動汽車的關(guān)鍵部件。驅(qū)動電動機(jī)應(yīng)具有良好的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特牲，驅(qū)動電動機(jī)應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍及較高的轉(zhuǎn)速(一般為6 000 r/min15 000 r/min，足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，體積小、質(zhì)量輕、效率高，且有動態(tài)制動強(qiáng)和能量回饋的性能；根據(jù)車輛的行駛工況，驅(qū)動電動機(jī)可以在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)；驅(qū)動電動機(jī)應(yīng)經(jīng)常保持在高效率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，在低速、大轉(zhuǎn)矩 （恒轉(zhuǎn)矩區(qū)）運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)效率在0.7 5-0.85，在恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)效率在0.8-0.9，圖5所示為純電動汽車驅(qū)動電動機(jī)的效率圖

11、。今后變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制技術(shù)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等非線性智能控制技術(shù)，都將各自或結(jié)合應(yīng)用于純電動汽車的驅(qū)動電動機(jī)控制系統(tǒng)。純電動汽車再生制動控制系統(tǒng)可以節(jié)約能源、提高續(xù)駛里程，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會效益。再生制動還可以減少制動摩擦片的磨損，降低車輛故障率及使用成本。純電動汽車一般在車輛空間和使用環(huán)境上要求較嚴(yán)格，所以對驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)提出更高的要求：體積質(zhì)量密度高，效率高，調(diào)速范圍寬，制動能量回饋，適應(yīng)性好，可靠性高。目前純電動汽車電動機(jī)主要有以下四類：直流電動機(jī)(DCM、感應(yīng)電動機(jī)(IM、永磁無刷電動機(jī)(PMBLM和開關(guān)磁阻電動機(jī)(SRM。近幾年來，電動汽

12、車用電動機(jī)逐漸由直流向交流發(fā)展，直流電動機(jī)基本上已經(jīng)被交流電動機(jī)、永磁電動機(jī)或開關(guān)磁阻電動機(jī)所取代。3.2蓄電池及管理技術(shù)蓄電池是純電動汽車的儲能動力源，也是一直制約純電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。純電動汽車用蓄電池要求比能量高，比功率大，使用壽命長，充電技術(shù)成熟、時間短，連續(xù)放電率高、自放電率低，適應(yīng)車輛運(yùn)行環(huán)境，壽命長、免維護(hù)，適應(yīng)車輛運(yùn)行環(huán)境。但目前的蓄電池能量密度低，蓄電池組過重，續(xù)駛里程短，價(jià)格高，循環(huán)壽命有限。純電動汽車要獲得非常好的動力特性，必須具有比能量高、使用壽命長、比功率大的蓄電池作為動力源，而要使純電動汽車具有良好的工作性能，就必須對蓄電池進(jìn)行系統(tǒng)管理。能量管理系統(tǒng)是純電動汽車

13、的智能核心。一輛優(yōu)良的電動汽車，除了有良好的機(jī)械性能、電驅(qū)動性能、選擇適當(dāng)?shù)哪芰吭矗葱铍姵兀┩?，還應(yīng)該有一套協(xié)調(diào)各個功能部分工作的能量管理系統(tǒng)，它的作用是檢測單個電池或電池組的荷電狀態(tài)，并根據(jù)各種傳感信息，包括力、加減速命令、行駛路況、蓄電池工況、環(huán)境溫度等，合理地調(diào)配和使用有限的車載能量；它還能夠根據(jù)蓄電池組的使用情況和充放電歷史選擇最佳充電方式，以盡可能延長蓄電池的壽命。世界各大汽車制造商的研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行純電動汽車車載蓄電池能量管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)。純電動汽車蓄電池當(dāng)前存有多少電能，還能行駛多少公里，是純電動汽車行駛中必須知道的重要參數(shù)，也是純電動汽車能量管理系統(tǒng)應(yīng)該完成的重要功能。應(yīng)

14、用純電動汽車車載能量管理系統(tǒng)，可以更加準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)純電動汽車的電能儲存系統(tǒng)，確定一個最佳的能量存儲及管理結(jié)構(gòu)，并且可以提高電動汽車本身的性能。在純電動汽車上實(shí)現(xiàn)能量管理的難點(diǎn)，在于如何根據(jù)所采集的每塊蓄電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數(shù)據(jù)，來建立一個確定每塊蓄電池還剩余多少能量的較精確的數(shù)學(xué)模型。33減速器傳動比的確定由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速高，不能直接驅(qū)動車輛的車輪，通常在驅(qū)動系統(tǒng)中采用大速比的減速器或2擋變速器，其作用是減速、增扭。減速器或變速器中不設(shè)置倒擋齒輪，倒車是靠電動機(jī)的反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。3.4整車控制技術(shù)整車控制系統(tǒng)由整車控制器、通訊系統(tǒng)、部件控制器及駕駛?cè)瞬倏v系統(tǒng)構(gòu)成，主要功能是根據(jù)駕駛?cè)?/p>

15、的操作和當(dāng)前的工況，在保證安全和動力性要求的前提下選擇盡可能優(yōu)化的工作模式。目前，較主流的純電動汽車整車控制系統(tǒng)都采用CAN 總線通訊連接，這樣不僅大大提高了控制的效率和穩(wěn)定性，而且能實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。純電動汽車驅(qū)動電動機(jī)、蓄電池等執(zhí)行動力部分的狀態(tài)信號被發(fā)送到CAN 總線，最終傳輸?shù)斤@示終端提供給駕駛?cè)耍詫?shí)現(xiàn)整車控制。新的電子控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)汽車上應(yīng)用不多，但其對純電動汽車的工作有著重要影響。與國外相比，目前我國還有一定的差距，但是隨著電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展及各種新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，國內(nèi)外在這方面的差距將越來越小。新型純電動轎車整車控制系統(tǒng)是兩條總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，高速CAN 總線每個節(jié)點(diǎn)為各子系統(tǒng)

16、的FJCU ；低速總線按物理位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)，基本原則是基于空間位置的區(qū)域自治。實(shí)現(xiàn)整車網(wǎng)絡(luò)化控制，其意義不只是解決汽車電子化中出現(xiàn)的線路復(fù)雜和線束增加問題，網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)的通訊和資源共享能力成為新的電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)在汽車上應(yīng)用的一個基礎(chǔ)，同時也為X-by-Wire 技術(shù)提供有力的支撐。整車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是延長續(xù)駛里程，續(xù)駛里程是 指純電動汽車從動力蓄電池全充滿狀態(tài)開始到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)結(jié)束時所走過的里程。采用工況法按照一定的工況反復(fù)地循環(huán)行駛，是EV 測定續(xù)駛里程的基本方法。我國頒布的GBTI18386-2001電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法適用于EV 最大息質(zhì)量3 500 kg，最高車速70 kn/h的EV 。延長續(xù)駛里程的方法有：選用高比能量的蓄電池；減少EV 在行駛中各種環(huán)節(jié)中的能量損耗；減少