第四章純電動(dòng)汽車

1、第四章 純電動(dòng)汽車第一節(jié) 概述第二節(jié) 純電動(dòng)汽車組成與原理第三節(jié) 純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)第四節(jié) 純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)原則2022-6-262022-6-26 第一節(jié) 概述一、純電動(dòng)汽車分類一、純電動(dòng)汽車分類. 電動(dòng)轎車電動(dòng)轎車. 電動(dòng)貨車電動(dòng)貨車. 電動(dòng)客車電動(dòng)客車 第一節(jié) 概述二、純電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)二、純電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu) 圖- 所示為現(xiàn)代純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能圖。 第二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理一、純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置形式一、純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置形式 由于電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)和能源的多樣性，導(dǎo)致存在各種可能的結(jié)構(gòu)形式，如圖- 所示。 第二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理二、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)二、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 電力驅(qū)動(dòng)系

2、統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)裝置和車輪。如圖- 所示為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 第二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理三、電源系統(tǒng)三、電源系統(tǒng) 對(duì)車載充電器有以下幾點(diǎn)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(duì)電網(wǎng)的影響。()滿足環(huán)保要求，具有良好的抗振動(dòng)、防水、防塵性能，具有良好的溫度適應(yīng)性。()具有高安全性，如高絕緣性、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、短路保護(hù)等特性。 車載充電器一般采用下列技術(shù):()高效隔離型的/ 技術(shù)。()單相功率因數(shù)校正和諧波抑制技術(shù)。()高密度磁集成技術(shù)。()密封結(jié)構(gòu)和工作時(shí)散熱設(shè)計(jì)。()與電池管理系統(tǒng)

3、進(jìn)行通信。非車載充電器要符合以下技術(shù)要求:()充電器功率密度要高，以減少安裝空間和降低成本；運(yùn)行效率高，以提高能量利用率和降低運(yùn)行成本；高功率因數(shù)和低的諧波含量，以減少對(duì)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(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、短路保護(hù)以及防雷擊等特性。 第二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理 非車載充電器一般采用下列技術(shù):()高效隔離型的/ 技術(shù)。()三相功率因數(shù)校正和諧波抑制技術(shù)。()多個(gè)整流模塊并聯(lián)均流技術(shù)。()快速充電技術(shù)及其應(yīng)用。()與電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通信 下面對(duì)其中關(guān)鍵的隔離型/ 技術(shù)和功率因數(shù)校正和諧波抑制技術(shù)進(jìn)行介紹。. 隔離型的隔離型的/ 技術(shù)技術(shù)

4、圖- 是該變換器主回路， 個(gè)開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)電容或利用開(kāi)關(guān)管的寄生電容，并利用變壓器的漏感即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓關(guān)斷。 第二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理. 功率因數(shù)校正和諧波抑制技術(shù)功率因數(shù)校正和諧波抑制技術(shù) 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(dòng)汽車組成與原理 有源功率因數(shù)校正技術(shù)從結(jié)構(gòu)上分為兩級(jí) 和單級(jí)。()兩級(jí)功率因數(shù)校正。典型的兩級(jí)變換器的結(jié)構(gòu)如圖- 所示。 第二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理()單級(jí)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(dòng)汽車組成與原理四、輔助系統(tǒng)四、輔助系統(tǒng). 電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):()能

5、源消耗低，不轉(zhuǎn)向時(shí)候不消耗功率；()操縱性能好，可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)隨著車速等信息的變化而變化的轉(zhuǎn)向助力；()結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，安裝方便。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向可以分為三大類:()液壓電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)由液壓驅(qū)動(dòng)控制，只是液壓泵不再是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而是由電控單元控制的直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它們根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要向液壓轉(zhuǎn)向助力器提高壓力油。 該系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，降低了油耗同時(shí)提高了車輛的操縱性。 第二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理( )電動(dòng)助力轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。 第

6、二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理()線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，去掉了轉(zhuǎn)向盤與車輪之間的機(jī)械連接，如圖- 所示。 第二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理. 電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng) 電動(dòng)空調(diào)與傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)裝置相比，有以下優(yōu)點(diǎn):()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(dòng)汽車組成與原理 電動(dòng)空調(diào)的制熱常用的有三種方法:()采用 加熱器加熱。()采用電動(dòng)機(jī)冷卻液余熱，同時(shí) 輔助加熱。()熱泵型空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作原理圖如圖- 所示。 第二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理. 電動(dòng)制動(dòng)器電動(dòng)制動(dòng)器 電動(dòng)制動(dòng)器施加在制動(dòng)摩擦片上的作用力，是通過(guò)采用力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠

7、(圖-)或者電動(dòng)機(jī)的輸出經(jīng)過(guò)減速齒輪后(圖-)加在制動(dòng)盤上。 第二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理 第二節(jié)純電動(dòng)汽車組成與原理 制動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn):() 制動(dòng)系統(tǒng)用電線傳遞能量、數(shù)據(jù)線傳遞信號(hào)，完全摒棄了原有的液壓管路等部件，而且無(wú)真空助力器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、質(zhì)量輕、體積小，便于發(fā)動(dòng)機(jī)艙其他部件的布置，也有利于減輕整車質(zhì)量和整車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置。() 采用了電控，易于并入車輛綜合控制網(wǎng)絡(luò)中，并且可以同實(shí)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(wú)需增加其他的附加裝置。 避免了像傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)那樣，在制動(dòng)系統(tǒng)線路上安裝大量的電磁閥和傳感器，使得制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)

8、雜，也增加了液壓回路泄漏的隱患。()在傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)中，踏板至制動(dòng)主缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及氣壓液壓系統(tǒng)的固有特性，使得制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。 以踏板模擬器代替了傳統(tǒng)的機(jī)械踏板傳力裝置，中心控制單元接受踏板模擬器傳來(lái)的電信號(hào)，判斷駕駛員的意圖，產(chǎn)生相應(yīng)的控制命令，這樣便大大縮短了制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，而且改善了制動(dòng)時(shí)的腳感。()傳動(dòng)效率高、安全可靠，而且節(jié)能。()無(wú)需制動(dòng)液，降低了對(duì)環(huán)境的污染。 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)一、電動(dòng)機(jī)及控制技術(shù)一、電動(dòng)機(jī)及控制技術(shù) 內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出特性曲線非常接近電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)理想特性曲線(如圖-)。 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) 現(xiàn)在電動(dòng)汽車上采用最多是

9、電動(dòng)機(jī)是交流異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)，有兩種控制技術(shù)可以用來(lái)控制它們。()矢量控制技術(shù)()直接轉(zhuǎn)矩控制)參數(shù)辨識(shí) 圖- 和- 是實(shí)際測(cè)得某電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的情況。 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù))無(wú)傳感器控制 無(wú)傳感器控制主要指無(wú)位置傳感器，主要可以分為基波激磁估算法和高頻信號(hào)成分法。)故障診斷 電動(dòng)機(jī)本身的故障包括定子繞組故障、永磁體故障和轉(zhuǎn)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(kāi)路等，如圖- 所示；永磁體故障包括高溫退磁，永磁體由于機(jī)械強(qiáng)度不足造成的損傷等；轉(zhuǎn)子偏心包括靜態(tài)偏心和動(dòng)態(tài)偏心，如圖- 所示。 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)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(lái)表示不同放電電流下的放電率之比。 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù))Shepherd模型 式(-)是Shepherd模型，該模型常用于電動(dòng)汽車分析，根據(jù)電池的電壓、電流描述電池的電化學(xué)行為，常與Peukert方程一起來(lái)計(jì)算在不同需求功率是電池的電壓和SOC。 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù))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(shí)端電壓開(kāi)始

11、迅速下降的拐點(diǎn)。 實(shí)際工作的電動(dòng)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(jiǎn)化為： 開(kāi)路或者空載情況下電流近似為零，因此開(kāi)路電壓即空載電池端電壓簡(jiǎn)化為： 定義電池等價(jià)內(nèi)阻為 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) 通過(guò)該模型建立了 隨 的變化關(guān)系。 結(jié)合放電功率 ，可以得到電流的公式，可以通過(guò)下式計(jì)算放電時(shí)的電流充電時(shí)的電流最大功率 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù))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(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)()非線性電路模型:圖- 所示 電池實(shí)驗(yàn)手冊(cè)中介紹的 電池模型是一個(gè)典型的非線性模

12、型。()神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性、容錯(cuò)性、自學(xué)習(xí)性的特點(diǎn)，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(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)()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(shí)會(huì)有衰減的現(xiàn)象，常用的用來(lái)描述這個(gè)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(kāi)路電壓通常會(huì)降低，近似符合線性關(guān)系。 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)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(guān)系，可以由以下等式描述. 電池電池 估計(jì)估計(jì) 比較常用的 估計(jì)方法有:實(shí)驗(yàn)放電法、安培計(jì)量法、內(nèi)阻法、負(fù)載電壓法、開(kāi)路電壓法

13、、線性模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程如下:()確定熱管理系統(tǒng)的目標(biāo)和要求；()測(cè)量和計(jì)算電池模型的基本參數(shù)，包括導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)、比熱容等；()熱管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，包括傳熱介質(zhì)的選擇、電池箱體和通風(fēng)等設(shè)計(jì)；()初步設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)，主要包括仿真和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕ⅲ?)仿真和實(shí)驗(yàn)；()分析結(jié)果并對(duì)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。 美國(guó)加州大學(xué)的YufeiChen 等在計(jì)算鋰聚合物電池內(nèi)部溫度場(chǎng)時(shí)使用了的三維模型，其模型如下: 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)三、整車控制技術(shù)三、整車控制技術(shù) 整車控制功能分為集中式控制和分布式

14、控制兩種結(jié)構(gòu)。 分布式控制系統(tǒng)具有模塊化、復(fù)雜度低和靈活配置等優(yōu)點(diǎn)。其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖- 所示。 第三節(jié)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) 整車控制器負(fù)責(zé)整車的運(yùn)行管理及對(duì)各個(gè)相關(guān) 電控單元的控制，它的基本功能有以下幾個(gè)方面:. 驅(qū)動(dòng)控制功能驅(qū)動(dòng)控制功能. 制動(dòng)能量回饋控制制動(dòng)能量回饋控制. 整車能量?jī)?yōu)化管理整車能量?jī)?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(dòng)汽車設(shè)計(jì)原則一、純電動(dòng)汽車整車設(shè)計(jì)原則一、純電動(dòng)汽車整車設(shè)計(jì)原則 在進(jìn)行整車設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況，然后進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，提出各個(gè)部分的參數(shù)要求，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)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(guò)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足車輛對(duì)動(dòng)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(dòng)汽車設(shè)計(jì)原則. 驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動(dòng)系傳至驅(qū)動(dòng)輪上。 此時(shí)作用于驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩 產(chǎn)生一對(duì)地面的圓周力，如圖-所示，地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的反作用力 (方向與 相反)即是驅(qū)動(dòng)汽車的外力，此外力稱為汽車的驅(qū)動(dòng)力。 其數(shù)值為: 第四節(jié)純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)原則 令傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比為，主減速器的傳動(dòng)比0，變速器的傳動(dòng)比，傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率為，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)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(dòng)汽車設(shè)

16、計(jì)原則)滾動(dòng)阻力 滾動(dòng)阻力 可以等效的表示為:)空氣阻力 在無(wú)風(fēng)條件下汽車的運(yùn)動(dòng)， 即為汽車的行駛速度； 單位為/ ， 為 時(shí)，空氣阻力可以表示為:第四節(jié)純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)原則)坡度阻力當(dāng)?shù)缆返钠露容^小時(shí)，通常采用坡度值替代，即 。 第四節(jié)純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)原則)加速阻力 這樣，汽車行駛阻力為 車輛運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率有滾動(dòng)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(dòng)汽車設(shè)計(jì)原則 根據(jù)以上的推導(dǎo)，可得車輛行駛過(guò)程中的平衡方程如下:. 電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì))電動(dòng)機(jī)的功率 所選擇的電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)不小于在平坦良好路面上車輛以最高車速行駛時(shí)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(shí)過(guò)載功率 第四節(jié)純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)原則)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速由常規(guī)車速確定。)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩由額定功率和額定轉(zhuǎn)速確定。 第四節(jié)純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)原則. 傳動(dòng)比選擇傳動(dòng)比選擇 最小傳動(dòng)比擋位為直接擋，主減速器的傳動(dòng)比可以由最高車速求取。 即有: 為了使電動(dòng)機(jī)在最高車速時(shí)仍能發(fā)揮最大功率，0 的選擇還應(yīng)該滿足 第四