電動汽車原理與應(yīng)用技術(shù) 第2版 課件 第2章 電動汽車的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

第2章電動汽車的基本結(jié)構(gòu)與工作原理1

純電動汽車

混合動力電動汽車

插電式混合動力電動汽車

燃料電池電動汽車目錄3純電動汽車純電動汽車是指利用動力電池作為儲能動力源，通過動力電池向驅(qū)動電機(jī)提供電能，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動電動汽車的一種新能源汽車。純電動汽車基本結(jié)構(gòu)示意圖純電動汽車示意圖4純電動汽車相對于燃油汽車，純電動汽車所具有的優(yōu)點如下：零排放、零污染、噪聲小。結(jié)構(gòu)簡單、使用維修方便。能量轉(zhuǎn)換效率高，同時可回收制動時和下坡時的能量，提高能量利用效率。可在夜間利用電網(wǎng)廉價“谷電”進(jìn)行充電，起到平抑電網(wǎng)的峰谷差的作用。制動能量回收零排放，綠色環(huán)保5純電動汽車純電動汽車集成了機(jī)械、電子、能源、計算機(jī)、信息等多種高新技術(shù)，是典型的高新技術(shù)產(chǎn)品，其最終目標(biāo)是實現(xiàn)車輛的智能化、數(shù)字化和輕量化。純電動汽車關(guān)鍵技術(shù)主要有：動力電池驅(qū)動電機(jī)電機(jī)控制車身和底盤設(shè)計能量管理技術(shù)6純電動汽車機(jī)械子系統(tǒng)由底盤和車身、驅(qū)動裝置、變速器等組成，與之相關(guān)的特性包括道路特性、被動安全性、汽車內(nèi)部空間、裝配時間、適用性以及價格等。從電氣工程的角度來分，純電動汽車可以分為機(jī)械子系統(tǒng)、電力電子子系統(tǒng)和信息子系統(tǒng)。電力電子子系統(tǒng)由動力網(wǎng)、電機(jī)及其控制器和能源系統(tǒng)組成，與之相關(guān)的特性有安全、規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)、效率、可靠性、重量以及價格等。信息子系統(tǒng)用于處理駕駛員的意圖，并監(jiān)控汽車的運(yùn)行以及電源、電機(jī)、控制器和充電器的狀態(tài)，與之相關(guān)的有通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理的算法以及和通信相關(guān)的故障診斷和充電控制等。純電動汽車的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)純電動汽車的工作原理純電動汽車的行駛性能電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀8燃油汽車與電動汽車的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動系統(tǒng)不同，傳統(tǒng)的燃油汽車以內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，而電動汽車由電機(jī)驅(qū)動。純電動汽車純電動汽車的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)與燃油汽車相比，電動汽車的結(jié)構(gòu)特點是靈活，這種靈活性源于電動汽車具有以下三個獨特的特點：91.能量傳遞方式不同。電動汽車的能量主要是通過柔性電纜電線而不是通過剛性聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)軸傳遞的，因此，電動汽車各部件的布置具有很大的靈活性。純電動汽車純電動汽車的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)燃油汽車能量傳遞方式電動汽車能量傳遞方式10純電動汽車2.驅(qū)動系統(tǒng)布置不同。例如獨立的四輪驅(qū)動和輪轂電機(jī)驅(qū)動等系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)區(qū)別很大，采用不同類型的驅(qū)動電機(jī)也會影響到電動汽車的重量、尺寸和形狀。純電動汽車的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)輪邊電機(jī)驅(qū)動輪轂電機(jī)驅(qū)動11純電動汽車3.儲能裝置不同。不同的補(bǔ)充能源裝置需要不同的硬件和機(jī)構(gòu)，例如動力電池可通過感應(yīng)式和接觸式的充電機(jī)充電，或者采用替換動力電池的方式，將替換下來的動力電池進(jìn)行集中充電。純電動汽車的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)充電機(jī)充電方式替換動力電池的方式12純電動汽車電動汽車可分為三個子系統(tǒng)：1.電驅(qū)動子系統(tǒng)，由電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電機(jī)、機(jī)械傳動裝置和驅(qū)動車輪組成。2.能源子系統(tǒng)，由主電源、能量管理系統(tǒng)和充電系統(tǒng)構(gòu)成。3.輔助控制子系統(tǒng)，有動力轉(zhuǎn)向、溫度控制和輔助動力源等功能。純電動汽車的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)純電動汽車的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)純電動汽車的工作原理純電動汽車的行駛性能電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀14純電動汽車純電動汽車傳動系統(tǒng)布置的常規(guī)形式：依托于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，采用驅(qū)動電機(jī)替代原有的內(nèi)燃機(jī)，由驅(qū)動電機(jī)、離合器、變速器和差速器組成。純電動汽車的工作原理15純電動汽車采用固定速比減速器的驅(qū)動系統(tǒng)：由于驅(qū)動電機(jī)能在較長的速度范圍內(nèi)提供相對恒定的功率，因此多級變速器可以被一個固定速比減速器所代替，并且離合器也可以省去，即無變速器的傳動形式。純電動汽車的工作原理16純電動汽車整合式布置形式：驅(qū)動電機(jī)、固定速比減速器和差速器被進(jìn)一步整合為一體，布置在驅(qū)動軸上，整個驅(qū)動傳動系統(tǒng)被大大簡化和集成，并且從再生制動的角度出發(fā)，容易實現(xiàn)電能從車輪再到電機(jī)的回收。純電動汽車的工作原理17純電動汽車無機(jī)械差速器的分布式驅(qū)動形式：在整合式布置形式的基礎(chǔ)上，差速器被兩個獨立的驅(qū)動電機(jī)所代替，每個驅(qū)動電機(jī)單獨完成一側(cè)車輪的驅(qū)動任務(wù)。在車輛進(jìn)行曲線行駛時，兩側(cè)的電機(jī)就會分別工作在不同的速度下。純電動汽車的工作原理18純電動汽車輪邊電機(jī)驅(qū)動型式：為了進(jìn)一步簡化驅(qū)動系統(tǒng)，牽引電機(jī)與車輪之間取消了傳統(tǒng)的傳動軸，由輪邊電機(jī)直接驅(qū)動車輪前進(jìn)。同時用一個單排的行星齒輪來減小轉(zhuǎn)速和增強(qiáng)轉(zhuǎn)矩，以滿足不同工況的功率要求。純電動汽車的工作原理19純電動汽車輪轂電機(jī)驅(qū)動型式：完全舍棄驅(qū)動電機(jī)和驅(qū)動輪之間的機(jī)械傳動裝置，輪轂電機(jī)的外轉(zhuǎn)子直接接在驅(qū)動輪上，電機(jī)與車輪的轉(zhuǎn)速控制融為一體，使車速控制變得簡單，但需要驅(qū)動電機(jī)提供更高的轉(zhuǎn)矩來起動和加速車輛。純電動汽車的工作原理純電動汽車的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)純電動汽車的工作原理純電動汽車的行駛性能電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀純電動汽車的行駛性能21電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力驅(qū)動力

純電動汽車的行駛性能22電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力驅(qū)動力機(jī)械傳動裝置:與驅(qū)動電機(jī)輸出軸有運(yùn)動學(xué)聯(lián)系的減速齒輪傳動箱或者變速器、傳動軸以及主減速器等機(jī)械裝置。純電動汽車的行駛性能23電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力驅(qū)動力功率損失:齒輪嚙合點處的摩擦損失、軸承中的摩擦損失、旋轉(zhuǎn)零件與密封裝置之間的摩擦損失以及攪動潤滑油的能量損失等。

對于單排行星減速器的效率值一般取0.97~0.98，萬向傳動軸的效率取0.98純電動汽車的行駛性能24電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力驅(qū)動力汽車在各種行駛工況下行駛時，所需的轉(zhuǎn)矩和功率是行駛速度的函數(shù)，取決于不同車速行駛時所遇到的行駛阻力。假設(shè)原動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時的功率保持不變，則

在原動機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比、轉(zhuǎn)矩特性是一條在第一象限內(nèi)的雙曲線。轉(zhuǎn)速低時轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速高時轉(zhuǎn)矩小。這種特性比較接近汽車的行駛工況。但是各種原動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性與這種理想的特性是有區(qū)別的。純電動汽車的行駛性能25電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力驅(qū)動力串激式直流驅(qū)動電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩特性加載時間不同時，串激式直流驅(qū)動電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩特性純電動汽車的行駛性能26電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力驅(qū)動力串激式交流驅(qū)動電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩特性加載時間不同時，串激式交流驅(qū)動電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩特性純電動汽車的行駛性能27電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力行駛阻力電動汽車在坡道上上坡加速行駛時，作用于電動汽車上的阻力與驅(qū)動力保持平衡，建立如下的汽車行駛方程式：

純電動汽車的行駛性能28電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力

電動汽車在硬路面上行駛，由于橡膠輪胎的彈性遲滯形成的能量損失，相當(dāng)于汽車車輪在前進(jìn)方向上遇到的一個阻力消耗了汽車的能量。

滾動阻力系數(shù)f數(shù)值由試驗確定，通常滾動阻力系數(shù)與路面的種類，行駛車速和輪胎的材料、構(gòu)造、氣壓等因素有關(guān)。純電動汽車的行駛性能10電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力

汽車在行駛過程中由于空氣動力的作用，在汽車行駛方向上作用在汽車上的分力稱為空氣阻力?？諝庾枇νǔＥc氣流相對速度的動壓力成比。

純電動汽車的行駛性能30電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力

車身表面上的空氣法向壓力分布純電動汽車的行駛性能31電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力

純電動汽車的行駛性能32電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力

道路的坡度角除以角度表示外，道路工程上常以坡度表示，將坡度角的正切值定義為坡度，

純電動汽車的行駛性能33電動汽車驅(qū)動力和行駛阻力

電動汽車的質(zhì)量換算系數(shù)可進(jìn)一步作理論分析計算，通常由試驗確定。對于電動汽車還缺乏實驗數(shù)據(jù)和近似的計算方法，可參考內(nèi)燃機(jī)汽車的質(zhì)量換算系數(shù)的計算方法。加速阻力：

純電動汽車的行駛性能34電動汽車的驅(qū)動力與行駛阻力的平衡電動汽車在行駛過程中，驅(qū)動力與行駛阻力始終保持平衡。利用行駛方程式通過解析法或者圖解法分析電動汽車的動力性能。

利用上述計算結(jié)果，即可畫出驅(qū)動力圖。純電動汽車的行駛性能35電動汽車的驅(qū)動力與行駛阻力的平衡

驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖純電動汽車的行駛性能36電動汽車的驅(qū)動力與行駛阻力的平衡

五種不同主減速比的電動汽車爬坡坡度曲線純電動汽車的行駛性能37電動汽車的驅(qū)動力與行駛阻力的平衡

五種不同主減速比的電動汽車加速曲線純電動汽車的行駛性能38電動汽車的動力性評價參數(shù)電動汽車的動力性也可以用最高車速、加速能力和最大爬坡度來進(jìn)行描述，但是與燃油汽車不同的是，驅(qū)動電機(jī)存在不同的工作制，如1min工作制、5min工作制、30min工作制等，即存在瞬時功率、連續(xù)功率和小時功率。最高車速：指汽車在無風(fēng)條件下，在水平、良好的路面上所能達(dá)到的平均最高車速。加速能力：汽車原地起步的加速能力和超車加速能力來表示，通常采用電動汽車加速過程中所經(jīng)過的加速時間和加速距離作為評價汽車的加速性能指標(biāo)。爬坡能力：指汽車在良好的路面上，以低車速行駛的上坡的最大坡度，坡度值一般用百分比來表示。對于電動汽車而言，不同的用途和使用工況，對于汽車的爬坡能力的要求是不一樣的。39純電動汽車電動汽車上動力電池組充滿一次電后的最大行駛里程稱為電動汽車的續(xù)駛里程。純電動汽車的行駛性能電動汽車的續(xù)駛里程問題思考充電時長低溫衰退容量衰減40純電動汽車純電動汽車的行駛性能電動汽車的續(xù)駛里程的計算

41純電動汽車

純電動汽車的行駛性能電動汽車的續(xù)駛里程如何更合理地用電？智慧電網(wǎng)智慧交通42純電動汽車電動汽車?yán)m(xù)駛里程的影響因素:純電動汽車的行駛性能電動汽車的續(xù)駛里程環(huán)境狀況:道路狀況較差、交通擁擠環(huán)境溫度:溫度由25℃降低到0℃的過程中，電動汽車的阻力增加10%，增加的電動汽車能耗使得續(xù)駛里程大為減少。電動汽車的總質(zhì)量:車身的輕量化。在工況一定時，電動汽車的能耗和質(zhì)量基本呈線性關(guān)系。輔助裝置的能量消耗:照明、音響、通風(fēng)、取暖、空調(diào)都需要消耗動力電池的電能。電池的性能:動力電池組的一致性、動力電池的可用放電容量等是影響電動汽車?yán)m(xù)駛里程的重要因素。43純電動汽車

實際情況并沒有計算式那樣簡單。由于空氣阻力消耗的能量與質(zhì)量無關(guān)，同時動力電池受到放電效率、放電深度、放電電流以及自放電現(xiàn)象的影響，有的動力電池每天自放電率高達(dá)1％以上，這些因素都會影響動力電池組的輸出總能量。另外，行駛工況的差別等因素都將影響電動汽車的續(xù)駛里程，因此，上式只能近似地估算電動汽車的續(xù)駛里程。純電動汽車的行駛性能電動汽車的續(xù)駛里程純電動汽車混合動力電動汽車

插電式混合動力電動汽車

燃料電池電動汽車目錄45混合動力電動汽車混合動力汽車：汽車動力傳動系由兩個或多個能同時運(yùn)轉(zhuǎn)的單個動力傳動系統(tǒng)聯(lián)合組成的汽車分類：按結(jié)構(gòu)分類串聯(lián)式混合動力并聯(lián)式混合動力混聯(lián)式混合動力按混合度分類微混輕混中混重混按是否插電分類插電式混合動力非插電式混合動力46混合動力電動汽車混合動力汽車的優(yōu)點：可以結(jié)合內(nèi)燃機(jī)較大的續(xù)駛里程和電驅(qū)動零排放的優(yōu)點。通過起停功能降低燃油消耗，通過制動回收為電池充電，提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性?？梢詫崿F(xiàn)電動機(jī)對發(fā)動機(jī)的功率補(bǔ)償，改善動力性，或通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速使發(fā)動機(jī)工作點盡可能在發(fā)動機(jī)的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線附近，提高經(jīng)濟(jì)性。VS豐田Prius純電動汽車47混合動力電動汽車串聯(lián)式混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)示意圖串聯(lián)式混合動力電動汽車串聯(lián)式混合動力電動汽車具有如下特點：

①車載能量源環(huán)節(jié)和混合

②單一的動力裝置

③車載能量源由兩個以上的能量聯(lián)合組成48混合動力電動汽車并聯(lián)式混合動力電動汽車并聯(lián)式混合動力電動汽車具有如下特點：①機(jī)械動能的混合；

②具有兩個或多個動力裝置；

③每一個動力裝置都有自己單獨的車載能量源。并聯(lián)式混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)49混合動力電動汽車混聯(lián)式混合動力電動汽車混聯(lián)式混合動力電動汽車動力傳動系統(tǒng)中通常有兩個電機(jī)，在車輛行駛過程中可以根據(jù)整車的功率需求調(diào)整發(fā)動機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)多種工作模式的切換。案例豐田THS混動系統(tǒng)比亞迪DM-i混動系統(tǒng)50混合動力電動汽車?yán)昧诵行禽喯?個自由度實現(xiàn)發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)以及驅(qū)動軸的動力耦合。功率分流式