電動(dòng)汽車(chē)原理與應(yīng)用技術(shù) 第3版 課件 第3、4章 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池系統(tǒng)

第3章驅(qū)動(dòng)電機(jī)1

電機(jī)分類(lèi)

直流電機(jī)交流異步電機(jī)

永磁同步電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)目錄3電機(jī)分類(lèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其性能的好壞直接影響電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。電動(dòng)汽車(chē)要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具備低速大轉(zhuǎn)矩、工況適用性強(qiáng)等性能特點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類(lèi)4電機(jī)分類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能比較最早應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的是直流電機(jī)，這種電機(jī)的特點(diǎn)是控制性能好、控制成本低。隨著電子、機(jī)械制造和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)表現(xiàn)出比直流電機(jī)更加優(yōu)越的性能。5電機(jī)分類(lèi)與工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械、家用電器等的電機(jī)相比，電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作環(huán)境有明顯不同：電機(jī)工況變化頻繁：電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)常起動(dòng)/停車(chē)、加速/減速、上坡/下坡等，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率變化頻繁。電機(jī)在沖擊、振動(dòng)的環(huán)境下工作：電動(dòng)汽車(chē)的顛簸和振動(dòng)都會(huì)傳遞給電機(jī)，此外，電機(jī)還要承受汽車(chē)在緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎、急加速時(shí)的慣性力。車(chē)載電源能量有限：電動(dòng)汽車(chē)的電源能源是有限的，當(dāng)能量用盡時(shí)，需要停止運(yùn)行，進(jìn)行充電或添加燃料來(lái)恢復(fù)其消耗的能量。電機(jī)本身也是負(fù)載：電機(jī)及其控制器本身的質(zhì)量也是車(chē)輛質(zhì)量的一部分。車(chē)用電機(jī)的工作環(huán)境6電機(jī)分類(lèi)由于電動(dòng)汽車(chē)特殊的工作環(huán)境，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求要比普通電機(jī)高，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：高比功率：高比功率可減小對(duì)有效車(chē)載空間的占用，減少系統(tǒng)的質(zhì)量。高效率：在復(fù)雜路況、行駛方式頻繁改變和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)都要節(jié)約電能。高可靠性：耐溫和耐潮性能強(qiáng)，能在較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作。高電壓：減小電機(jī)的尺寸和降低逆變器的成本。高電氣系統(tǒng)安全性：電氣系統(tǒng)的安全性和控制系統(tǒng)的安全性，都必須符合相關(guān)車(chē)輛電氣控制的安全性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。車(chē)用電機(jī)的性能要求電機(jī)分類(lèi)

直流電機(jī)交流異步電機(jī)

永磁同步電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)目錄8直流電機(jī)定子：直流電機(jī)的定子主要用于產(chǎn)生主磁場(chǎng)和在機(jī)械上支承電機(jī)，其主要構(gòu)成是主磁極、換向極、機(jī)座、電刷裝置。轉(zhuǎn)子：直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子也稱(chēng)為電樞，由電樞鐵心和電樞繞組構(gòu)成。換向器：換向器的作用是使電樞繞組中的電流及時(shí)換向，將從電刷輸入的直流電轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交流電。換向器是由許多銅片組成的，各銅片之間用云母片絕緣。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)9直流電機(jī)電源的直流電加于電刷A（正極）和B（負(fù)極）上，在導(dǎo)體ab中，電流由a指向b，導(dǎo)體cd中，電流由c指向d。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過(guò)了180°，直流電仍由電刷A流入，電刷B流出，電流在電樞內(nèi)的流向改變?yōu)閐到c，b到a。直流電機(jī)的基本原理左手定則在轉(zhuǎn)矩M作用下電樞將逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩M方向仍為逆時(shí)針電樞持續(xù)保持逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)101.調(diào)速性能良好：直流電機(jī)具有良好的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，可實(shí)現(xiàn)均勻平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，具有較寬的調(diào)速范圍。2.起動(dòng)性能好：直流電機(jī)具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。3.具有較寬的恒功率范圍：直流電機(jī)恒功率輸出范圍較寬，可確保電動(dòng)汽車(chē)具有較好的低速起動(dòng)性能和高速行駛能力。4.控制較為簡(jiǎn)單：直流電動(dòng)機(jī)可采用斬波器實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，具有控制靈活高效、質(zhì)量小、體積小、響應(yīng)快等特點(diǎn)。5.價(jià)格便宜：直流電機(jī)的制造和控制技術(shù)都比較成熟，其控制裝置簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，因而整個(gè)直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的價(jià)格較便宜。直流電機(jī)直流電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)：111.效率低：相比交流電機(jī)，直流電機(jī)的效率低。2.維護(hù)工作量大：有刷直流電機(jī)工作時(shí)電刷和換向器之間會(huì)產(chǎn)生換向火花，換向器容易燒蝕。3.轉(zhuǎn)速低：轉(zhuǎn)速越高，電刷和換向器產(chǎn)生的火花越大，這限制了直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高。4.質(zhì)量和體積大：直流電機(jī)功率密度低，質(zhì)量大，體積也大。直流電機(jī)直流電機(jī)的主要缺點(diǎn)：121.電樞電壓調(diào)節(jié)法：通過(guò)改變電樞電壓來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。適用于電機(jī)基速（額定轉(zhuǎn)速）以下的調(diào)速調(diào)節(jié)。2.磁場(chǎng)調(diào)節(jié)法：通過(guò)調(diào)節(jié)磁極繞組勵(lì)磁電流，改變磁極磁通量Φ來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，適用于電機(jī)基速以上的轉(zhuǎn)速控制。3.電樞回路電阻調(diào)節(jié)法：在磁極繞組勵(lì)磁電流不變的情況下，改變電樞回路的電阻，使電樞電流變化來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。直流電機(jī)直流電機(jī)的控制方法：由于電動(dòng)汽車(chē)的行駛工況、運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)常變化，因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速必須經(jīng)常調(diào)節(jié)以滿足電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力的需要。直流電機(jī)的控制方法有電樞電壓調(diào)節(jié)法、磁場(chǎng)調(diào)節(jié)法、電樞回路電阻調(diào)節(jié)法等。13直流電機(jī)直流電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用：由于直流電機(jī)體積和質(zhì)量大，存在換向火花、電刷磨損以及電機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用后來(lái)居上。但是直流電機(jī)控制方法和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，起動(dòng)和加速轉(zhuǎn)矩大，電磁轉(zhuǎn)矩控制特性良好、調(diào)速比較方便，不需檢測(cè)磁極位置，技術(shù)成熟，現(xiàn)在仍在很多場(chǎng)合使用。直流電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合電機(jī)分類(lèi)

直流電機(jī)交流異步電機(jī)

永磁同步電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)目錄15交流異步電機(jī)定子由外殼、定子鐵心和定子繞組構(gòu)成。1.定子鐵心：一般由厚0.35~0.5mm的硅鋼片疊壓而成。硅鋼片內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，安放定子繞組。2.定子繞組：由3相空間互隔120°電角度、對(duì)稱(chēng)排列、結(jié)構(gòu)完全相同的繞組連接而成。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子鐵心組成。轉(zhuǎn)子鐵心用硅鋼片疊壓而成，套裝在轉(zhuǎn)軸上，作用和定子鐵心相同，即鐵心本身用作導(dǎo)磁，外圓上均布的槽用于安放轉(zhuǎn)子繞組。交流異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)16交流異步電機(jī)交流異步電機(jī)的三相定子繞組在空間上互差120°電角度，連接成星形或三角形的U、V、W三相繞組。三相繞組中通入iu，iv，iw三相交流電流時(shí)，由“右手螺旋定則”，三相繞組磁場(chǎng)會(huì)合成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。交流異步電機(jī)的基本原理當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組處于旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)中，會(huì)因?yàn)榍懈畲鸥芯€而產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則判斷。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，產(chǎn)生有感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子繞組在磁場(chǎng)中會(huì)受到電磁力的作用，力的方向可由左手定則判斷。由于轉(zhuǎn)子繞組閉合回路兩邊受到兩個(gè)相反方向的電磁力的作用，因此會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向一致。171.效率較高。交流異步電機(jī)的效率高于直流電機(jī)，這一特點(diǎn)對(duì)于車(chē)載能量有限的電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)格外重要。2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、質(zhì)量小。相比于直流電機(jī)，交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)尺寸小、質(zhì)量小。3.工作可靠、使用壽命長(zhǎng)。交流異步電機(jī)無(wú)電刷和換向器，不存在換向火花問(wèn)題，因而工作可靠性較高，使用壽命也較長(zhǎng)。4.免維護(hù)。由于不存在換向火花和電刷磨損問(wèn)題，因而在使用中無(wú)須維護(hù)。交流異步電機(jī)交流異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：181.調(diào)速性能相對(duì)較差。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度存在轉(zhuǎn)差率，因此調(diào)速性能較差。2.配用的控制器成本較高，交流異步電機(jī)的控制相對(duì)較為復(fù)雜，配用的控制器成本較高。交流異步電機(jī)交流異步電機(jī)的缺點(diǎn)：19矢量控制的思想是模擬直流電機(jī)，求出交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與之對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)和電樞電流，并分別加以控制。其特點(diǎn)如下：1.可以從零轉(zhuǎn)速開(kāi)始進(jìn)行控制，調(diào)速范圍很寬。2.轉(zhuǎn)速控制響應(yīng)速度快，且調(diào)速精度較高。3.可以對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)施較為精確的控制，電機(jī)的加速特性也很好。4.

系統(tǒng)受電機(jī)參數(shù)變化的影響較大，且計(jì)算復(fù)雜，控制較繁瑣。交流異步電機(jī)交流異步電機(jī)的控制方法：交流異步電機(jī)的控制大體分為兩種：矢量控制（FOC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）目前矢量控制理論比較完善日趨成熟可基本滿足電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性要求20直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子坐標(biāo)下，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。其特點(diǎn)如下：1.調(diào)速精度較高，響應(yīng)速度快。2.計(jì)算簡(jiǎn)單，且控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制手段直接。3.信號(hào)處理的物理概念明確，動(dòng)靜態(tài)性能均佳。4.調(diào)速范圍較窄，低速特性有脈動(dòng)現(xiàn)象。交流異步電機(jī)交流異步電機(jī)的控制方法：在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，直接轉(zhuǎn)矩控制往往很難體現(xiàn)出優(yōu)越性制約了直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)入實(shí)用化的進(jìn)程21交流異步電機(jī)交流異步電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用：交流異步電機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的電機(jī)，其運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)速高、成本低。從技術(shù)水平看，交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想選擇，但是，在高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，且其提速性能較差。因而交流異步電機(jī)適合大功率、低速車(chē)輛，尤其是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率需求較大的大型電動(dòng)客車(chē)。交流異步電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合電機(jī)分類(lèi)

直流電機(jī)交流異步電機(jī)

永磁同步電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)目錄23永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與交流異步電機(jī)類(lèi)似，都包括定子部分和轉(zhuǎn)子部分。永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子：有瓦片式、嵌入式和內(nèi)埋式等多種結(jié)構(gòu)，與交流異步電機(jī)不同，轉(zhuǎn)子為永久磁鐵永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子：由鐵心和三相繞組構(gòu)成，與交流異步電機(jī)相似24永磁同步電機(jī)與交流異步交流電機(jī)一樣，當(dāng)定子繞組輸入三相正弦交流電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的永磁體磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并隨著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步，故而稱(chēng)之為永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)的基本原理對(duì)于某一型號(hào)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)速只與電源的頻率有關(guān)251.轉(zhuǎn)子無(wú)須勵(lì)磁，電機(jī)在很低轉(zhuǎn)速下保持同步運(yùn)行，調(diào)速范圍寬。2.效率高、功率密度大：采用了高磁能稀土材料，因此可以大大提高氣隙磁通密度和能量轉(zhuǎn)換的效率。另外，采用稀土永磁材料后，電機(jī)體積大大縮小，質(zhì)量相應(yīng)減小，有效提高了功率密度。3.瞬態(tài)特性通常都比較好：由于采用了高性能的永磁材料，體積得以減小，因此有較低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、更快的響應(yīng)速度。4.具有良好的機(jī)械特性：對(duì)于由于負(fù)載的變化引起的電機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，永磁同步電機(jī)具有較強(qiáng)的承受能力。5.結(jié)構(gòu)多樣化：轉(zhuǎn)子可以有多種結(jié)構(gòu)，永磁體可以內(nèi)置或外置，不同結(jié)構(gòu)有不同性能特點(diǎn)和適用環(huán)境，因而其應(yīng)用范圍廣。永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)：與交流異步電機(jī)相比，也有成本高、啟動(dòng)困難等缺點(diǎn)26矢量控制的原理為：以轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為相互正交的兩個(gè)分量：一個(gè)與磁鏈同方向，代表定子電流勵(lì)磁分量；另一個(gè)與磁鏈方向正交，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量。分別對(duì)其進(jìn)行控制。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴(yán)格同步，轉(zhuǎn)差率恒等于零，控制效果受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小，在永磁同步電機(jī)上更容易實(shí)現(xiàn)矢量控制。永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)的控制方法：永磁同步電機(jī)控制較為復(fù)雜，控制方法有多種，如矢量控制（磁場(chǎng)定向控制）、直接轉(zhuǎn)矩控制和恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制等控制方式。因其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制軟件容易實(shí)現(xiàn)，已被廣泛應(yīng)用到調(diào)速系統(tǒng)中。27直流轉(zhuǎn)矩控制不需要矢量控制中的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈定向，轉(zhuǎn)矩取代電流成為受控對(duì)象。電壓矢量則是控制系統(tǒng)里唯一的輸入，通過(guò)電壓矢量，直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈的增加或減小，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受電機(jī)參數(shù)變化影響小，能夠獲得極佳的動(dòng)態(tài)性能。永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)的控制方法：在電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，直接轉(zhuǎn)矩控制需要結(jié)合復(fù)雜的運(yùn)行工況進(jìn)行控制使得直接轉(zhuǎn)矩控制較難應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真框圖28恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制的控制矢量為電機(jī)的外部矢量，即電壓和頻率?？刂葡到y(tǒng)將參考電壓和頻率輸入到實(shí)現(xiàn)控制策略的調(diào)整器中，最后由逆變器產(chǎn)生一個(gè)交變的正弦電壓施加在電機(jī)的定子繞組上，使之運(yùn)行在指定的電壓和頻率下。1.恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制策略簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速通過(guò)電源頻率進(jìn)行控制。2.恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制策略未引入速度、位置等反饋信號(hào)，因此無(wú)法實(shí)時(shí)捕捉電機(jī)狀態(tài)，致使無(wú)法精確控制電磁轉(zhuǎn)矩。在突發(fā)加載或者加速指令時(shí)，容易發(fā)生失步現(xiàn)象。3.不具備快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，控制性能差，通常只用于對(duì)調(diào)速性能要求一般的通用變頻器上。永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)的控制方法：29永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用：與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)特別是稀土永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、重量小、損耗少、效率高、電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多變等顯著優(yōu)點(diǎn)。在電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。現(xiàn)在很多電動(dòng)乘用車(chē)均使用永磁同步電機(jī)。我國(guó)永磁材料資源儲(chǔ)備豐富，永磁同步電機(jī)制造成本也將進(jìn)一步降低，相對(duì)于其他種類(lèi)的電機(jī)，其優(yōu)勢(shì)必將更加顯著。永磁同步電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合電機(jī)分類(lèi)

直流電機(jī)交流異步電機(jī)

永磁同步電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)目錄31開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本組成部件有轉(zhuǎn)子、定子鐵心和繞組、接線盒等。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子由導(dǎo)磁性能良好的硅鋼片疊壓成，轉(zhuǎn)子的凸極上無(wú)繞組。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的作用是構(gòu)成定子磁場(chǎng)磁通路，并在磁場(chǎng)力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。32開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本組成部件有轉(zhuǎn)子、定子鐵心和繞組、接線盒等。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的定子鐵心也是由硅鋼片疊壓而成的，成對(duì)的凸極上繞有兩個(gè)互相串聯(lián)的繞組。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)定子的作用是定子繞組按順序通電，產(chǎn)生的電磁力牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。33根據(jù)定子、轉(zhuǎn)子凸極對(duì)數(shù)的配比，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)可以設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)34磁阻最小原理：磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本原理開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu)，依據(jù)磁路磁阻最小原理產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的定子雙凸極上繞有集中繞組，轉(zhuǎn)子凸極上沒(méi)有繞組。當(dāng)定子、轉(zhuǎn)子凸極正對(duì)時(shí)，磁阻最小。當(dāng)定子、轉(zhuǎn)子凸極完全錯(cuò)開(kāi)時(shí)，磁阻最大。35當(dāng)B相繞組施加電流時(shí)，由于磁通總是選擇磁阻最小的路徑閉合，為減少磁路的磁阻，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到轉(zhuǎn)子凸極2與定子凸極B的軸線重合。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本原理當(dāng)各電子開(kāi)關(guān)依次控制A、B、C、D四個(gè)定子繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)不斷受電磁力的作用而持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果定子繞組按D→A→B→C的順序通電，則轉(zhuǎn)子就會(huì)逆著勵(lì)磁順序以逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)。反之，若按B→A→D→C的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)逆著勵(lì)磁順序沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。36開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂撇呗院拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)能滿足電動(dòng)汽車(chē)四象限運(yùn)行要求，具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力，并在高速運(yùn)行區(qū)域內(nèi)能保持較強(qiáng)的制動(dòng)能力。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有良好的散熱性能，功率密度大，減小了電機(jī)體積和質(zhì)量，節(jié)省了電動(dòng)汽車(chē)的有效空間。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、制造工藝簡(jiǎn)單。37開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)可以達(dá)到良好控制特性，而且容易智能化，從而能通過(guò)編程和替換電路元器件，滿足不同類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行要求。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)可控參數(shù)多、調(diào)速性能好，適于頻繁啟動(dòng)、停止以及正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在很寬的功率和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能保持高效率，能有效提高電動(dòng)汽車(chē)的一次充電的續(xù)駛里程。38開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的主要不足雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其設(shè)計(jì)和控制較復(fù)雜，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)和控制要求非常精細(xì)，當(dāng)電機(jī)的凸極數(shù)較多時(shí)，主接線數(shù)就多，電機(jī)的主電路較復(fù)雜。由于電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)較大，在特定頻率下會(huì)產(chǎn)生諧振，這些都使得開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的噪聲和振動(dòng)較大。39開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)通過(guò)電子開(kāi)關(guān)控制定子各凸極相繞組的通斷和電流的大小，轉(zhuǎn)子本身不產(chǎn)生磁場(chǎng)，只起導(dǎo)磁的作用。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行不是單純的發(fā)電或者電動(dòng)的過(guò)程，而是將兩者有機(jī)結(jié)合在一起的控制過(guò)程。可控參數(shù)晶體管導(dǎo)通角度開(kāi)通角關(guān)斷角相電流幅值相繞組端電壓40開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法角度控制法：電壓保持不變，而對(duì)開(kāi)通角和關(guān)斷角進(jìn)行控制。改變開(kāi)通角，可以改變電流的波形寬度、改變電流波形的峰值和有效值小，以及改變電流波形與電感波形的相對(duì)位置。角度控制法（APC）改變關(guān)斷角，可以影響電流波形寬度以及與電感曲線的相對(duì)位置，電流有效值也隨之變化。一般情況下采用固定關(guān)斷角、改變開(kāi)通角的控制模式，但固定關(guān)斷角的選取也很重要。角度控制法的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)控制和轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制，但是該方法不適合用于低速工況。41開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法電流斬波控制法：開(kāi)通角和關(guān)斷角保持不變，主要靠控制斬波電流限的大小來(lái)調(diào)節(jié)電流的峰值，從而起到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。電流斬波控制法（CCC）電流斬波控制適用于低速和制動(dòng)運(yùn)行工況，可限制電流峰值的增長(zhǎng)，并起到良好有效的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)矩也比較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一般也比其他控制方式要小。電壓控制法：在某相繞組導(dǎo)通階段，在主開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)中加入PWM信號(hào)，調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)繞組端電壓的大小，從而改變相電流值。電壓控制法（VC）電壓控制法實(shí)現(xiàn)容易，且成本較低，缺點(diǎn)在于功率元件開(kāi)關(guān)頻率高、開(kāi)關(guān)損耗大，不能精確控制相電流。42開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為最新一代無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，尚處于深化研究開(kāi)發(fā)、不斷完善提高的階段，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展之中。目前還沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化車(chē)型使用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的特性十分符合電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)的要求，但其工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲和振動(dòng)，這是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用普遍存在和亟須解決的問(wèn)題。電機(jī)分類(lèi)

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永磁同步電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)目錄44輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)技術(shù)輪轂電機(jī)技術(shù)又稱(chēng)為車(chē)輪內(nèi)裝式電機(jī)技術(shù)，是一種將電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)融為一體的輪轂裝置技術(shù)。輪轂電機(jī)技術(shù)可省去傳統(tǒng)的傳動(dòng)系機(jī)構(gòu)，將輪轂電機(jī)上的驅(qū)動(dòng)力直接或者經(jīng)過(guò)減速器傳遞到車(chē)輪上，不僅避免了復(fù)雜的底盤(pán)結(jié)構(gòu)，而且提高了傳動(dòng)效率。45輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)的技術(shù)發(fā)展輪轂電機(jī)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，美國(guó)人羅伯特發(fā)明了集電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)于一體的輪轂裝置。2011年3月，清水浩教授組建的SIM-DRIVE公司的1號(hào)試驗(yàn)車(chē)SIM-LEI，一次充電可續(xù)航333km，0—100km/h加速時(shí)間為4.8s，最高車(chē)速可達(dá)150km/h。2003年，美國(guó)通用汽車(chē)公司將輪轂電機(jī)技術(shù)成功運(yùn)用到S-10小型貨車(chē)上，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩比普通雪佛蘭S-10皮卡車(chē)高出60%。46輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)的技術(shù)發(fā)展我國(guó)對(duì)輪轂電機(jī)技術(shù)的研究起步較晚，但隨著國(guó)家“863”計(jì)劃電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)課題的推進(jìn)，研究力度在不斷加強(qiáng)。同濟(jì)大學(xué)分別于2002年、2003年和2004年研制了三代“春暉”系列電動(dòng)汽車(chē)，均采用低速永磁無(wú)刷直流輪轂電機(jī)。2004年，比亞迪公司在車(chē)展上展出的“ET”概念車(chē)使用了4個(gè)功率為25kW的輪轂電機(jī)，最高車(chē)速可達(dá)到165km/h，續(xù)駛里程為350km。47輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)技術(shù)的結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)采用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，無(wú)減速裝置，電機(jī)的外轉(zhuǎn)子與車(chē)輪的輪輞固定或者集成在一起，車(chē)輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在1000～1500r/min之間。外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軸向尺寸小，能在很寬的速度范圍內(nèi)控制轉(zhuǎn)矩，且響應(yīng)速度快，沒(méi)有減速機(jī)構(gòu)，因而效率高。不足：要獲得較大的轉(zhuǎn)矩，必須增大電機(jī)的體積和質(zhì)量，因而其成本高。48輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)技術(shù)的結(jié)構(gòu)內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，配備固定傳動(dòng)比的減速器，電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常高達(dá)10000r/min。內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：比功率較高、質(zhì)量小、體積小、噪聲小、成本低等。不足：必須采用減速裝置，使效率降低，非簧載質(zhì)量增大，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到線圈損耗、摩擦損耗以及變速機(jī)構(gòu)的承受能力等因素的限制。隨著緊湊的行星齒輪變速機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，高速內(nèi)轉(zhuǎn)子式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競(jìng)爭(zhēng)力。49輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)由于采用了電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的形式，汽車(chē)底盤(pán)的布置將更加靈活，省去了機(jī)械傳動(dòng)系之后，使得汽車(chē)乘員艙具有更大的空間，底盤(pán)設(shè)計(jì)也就具有更大的通用性。更方便的底盤(pán)布置，更靈活的供電系統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)的電源供電系統(tǒng)也更加靈活，無(wú)論是采用燃料電池、超級(jí)電容器或者蓄電池，或者是它們的組合形式，都將更加靈活而不受限制，動(dòng)力傳動(dòng)形式也由原來(lái)的機(jī)械硬連接變?yōu)橹恍枰娎|進(jìn)行供電的軟連接形式。更好的汽車(chē)底盤(pán)主動(dòng)控制性能在采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式的電動(dòng)汽車(chē)中，汽車(chē)的電動(dòng)輪是可以獨(dú)立控制的，汽車(chē)底盤(pán)的主動(dòng)控制通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的控制響應(yīng)快、精度高，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪由各自的控制器控制，可以實(shí)現(xiàn)底盤(pán)主動(dòng)控制的功能。50輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)輪轂電機(jī)只有少量電磁噪聲和機(jī)械噪聲，并且電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性可在沒(méi)有變速器的情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，也沒(méi)有換檔沖擊，行駛過(guò)程中平順性好。由于驅(qū)動(dòng)輪（2個(gè)或者4個(gè)）的驅(qū)動(dòng)力是可以單獨(dú)調(diào)節(jié)的，所以通過(guò)分析各輪的轉(zhuǎn)矩利用效率，可選擇最經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)方式。最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)力分配更快的控制響應(yīng)輪轂電機(jī)只通過(guò)控制電機(jī)及其控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力的控制，再加上電機(jī)的自身轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.2ms。更佳的駕駛舒適性51輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)的不足雖然電子制動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)能量回收，但是其制動(dòng)能力有限，所以仍需要有液壓制動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)密封有較高要求，同時(shí)在設(shè)計(jì)上也需要為輪轂電機(jī)單獨(dú)考慮散熱、防水等問(wèn)題。輪轂電機(jī)增大了非簧載質(zhì)量，這會(huì)對(duì)整車(chē)的操控性產(chǎn)生一定的不利影響。輪轂電機(jī)關(guān)鍵核心元器件（如大功率集成模塊IGBT、IPM等）以及控制器全部需要從國(guó)外進(jìn)口，這對(duì)于我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)以后的技術(shù)擴(kuò)展和產(chǎn)業(yè)化推廣將帶來(lái)一定的制約。52輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)方式采用減速驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)一般在高速下運(yùn)行，多選用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子式電機(jī)。減速驅(qū)動(dòng)方式減速機(jī)構(gòu)放置在電機(jī)和車(chē)輪之間，起到減速和增加轉(zhuǎn)矩的作用。優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)行在高速下，具有較高的效率，轉(zhuǎn)矩大，爬坡性能好，能保證汽車(chē)在低速運(yùn)行時(shí)獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。不足：難以實(shí)現(xiàn)液態(tài)潤(rùn)滑、齒輪磨損嚴(yán)重、使用壽命短、不易散熱、噪聲大。減速驅(qū)動(dòng)方式適合于丘陵或山區(qū)使用，以及要求過(guò)載能力大和城區(qū)客車(chē)等需要頻繁起動(dòng)/停車(chē)等場(chǎng)合。53輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)方式直接驅(qū)動(dòng)方式多采用外轉(zhuǎn)子式電機(jī)。直接驅(qū)動(dòng)方式為了使汽車(chē)能順利起步，要求電機(jī)在低速時(shí)能提供大的轉(zhuǎn)矩。優(yōu)點(diǎn)：不需要減速機(jī)構(gòu)，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、緊湊，軸向尺寸也較小，而且效率也進(jìn)一步提高，響應(yīng)速度也較快。不足：起步、爬坡以及承載較大載荷時(shí)需要大電流，易損壞電池，電機(jī)效率峰值區(qū)域小。直接驅(qū)動(dòng)方式適合平路或負(fù)荷較小的場(chǎng)合。54輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式的優(yōu)勢(shì)比較明顯，高質(zhì)量的電動(dòng)輪轂產(chǎn)品及電動(dòng)輪轂汽車(chē)控制系統(tǒng)的研發(fā)是國(guó)際電氣和汽車(chē)工程界研究的重要方向。1900年，保時(shí)捷首先制造了前輪裝備輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)。20世紀(jì)70年代，輪轂電機(jī)技術(shù)在礦山運(yùn)輸車(chē)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。對(duì)于車(chē)用的輪轂電機(jī)技術(shù)，日系廠商研究較早，已經(jīng)推出了一些電動(dòng)輪轂汽車(chē)車(chē)型。55輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題由于輪轂電機(jī)布置在輪轂內(nèi)，在不平路面激勵(lì)下的輪胎跳動(dòng)、載荷不均、安裝誤差等都將引起電機(jī)氣隙不均勻，輪轂電機(jī)引起的振動(dòng)激勵(lì)會(huì)進(jìn)一步惡化，同時(shí)會(huì)引起定轉(zhuǎn)子及相鄰部件的振動(dòng)。輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)對(duì)狀態(tài)估計(jì)的精度和控制算法的魯棒性要求更高，且算法須對(duì)非線性的輪胎特性有更好的自適應(yīng)性。輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制問(wèn)題輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題由于車(chē)輪內(nèi)部空間有限，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)、減速機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)合理布置的難度增大。此外，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度性能要求高，同時(shí)輪轂電機(jī)工作環(huán)境惡劣。輪轂電機(jī)整車(chē)性能匹配問(wèn)題電機(jī)分類(lèi)

直流電機(jī)交流異步電機(jī)

永磁同步電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)目錄57電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)相對(duì)于車(chē)輛行駛所提出的高制動(dòng)力矩需求，電機(jī)只能提供較小的制動(dòng)力矩，因此電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)不僅包括再生制動(dòng)系統(tǒng)，還保留了傳統(tǒng)汽車(chē)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)。再生制動(dòng)：在制動(dòng)時(shí)將汽車(chē)行駛的慣性能量通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給電機(jī)，電機(jī)以發(fā)電機(jī)方式工作，為動(dòng)力電池充電，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的再生利用。與此同時(shí)，產(chǎn)生的電機(jī)制動(dòng)力矩又可通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)，產(chǎn)生制動(dòng)力。在車(chē)輛需要減速時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)輪反拖驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，產(chǎn)生反向電流，同時(shí)產(chǎn)生作用于驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)力矩，可通過(guò)動(dòng)力電池將制動(dòng)產(chǎn)生的電能回收。謝謝！58第4章動(dòng)力電池系統(tǒng)59動(dòng)力電池簡(jiǎn)介

鋰離子動(dòng)力電池

其他儲(chǔ)能裝置動(dòng)力電池管理系統(tǒng)動(dòng)力電池組動(dòng)力電池的梯次利用與回收目錄動(dòng)力電池簡(jiǎn)介61動(dòng)力電池的基本構(gòu)成1）必須將化學(xué)反應(yīng)中失去電子的氧化過(guò)程（在負(fù)極進(jìn)行)，得到電子的還原過(guò)程（在正極進(jìn)行），分別在兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行。電池是一種把化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量直接轉(zhuǎn)變成直流電能的裝置。要實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的過(guò)程，必須滿足如下條件：2）兩電極間必須具有離子導(dǎo)電性的物質(zhì)。3）化學(xué)變化過(guò)程中電子的傳遞必須經(jīng)過(guò)外線路。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介62動(dòng)力電池的基本構(gòu)成為滿足構(gòu)成電池的條件，電池需包含以下基本組成部分：正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)、電解質(zhì)、隔膜、外殼以及導(dǎo)電柵、匯流體、端子、安全閥等零件。電池的基本結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池簡(jiǎn)介63動(dòng)力電池的基本參數(shù)端電壓：動(dòng)力電池正極和負(fù)極之間的電位差。動(dòng)力電池在沒(méi)有負(fù)載情況下的端電壓叫開(kāi)路電壓。動(dòng)力電池接上負(fù)載后處于放電狀態(tài)下的電壓稱(chēng)為負(fù)載電壓，又稱(chēng)為工作電壓。電池充放電結(jié)束時(shí)的電壓稱(chēng)為終止電壓，分為充電終止電壓和放電終止電壓。端電壓和電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)（E）：組成電池的兩個(gè)電極的平衡電極電位之差。電池充放電電壓變化曲線動(dòng)力電池簡(jiǎn)介64動(dòng)力電池的基本參數(shù)容量是指電池在一定的放電條件下所能放出的電量，用符號(hào)C表示，單位常用A·h或mA·h表示。容量理論容量是假定電池中的活性物質(zhì)全部參加電池的成流反應(yīng)所能提供的電量。理論容量可根據(jù)電池反應(yīng)式中電極活性物質(zhì)的用量，按法拉第定律計(jì)算的活性物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量精確求出。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介65動(dòng)力電池的基本參數(shù)法拉第定律指出，電流通過(guò)電解質(zhì)溶液時(shí)，在電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過(guò)的電量成正比。數(shù)學(xué)式表達(dá)為容量

動(dòng)力電池簡(jiǎn)介66動(dòng)力電池的基本參數(shù)容量理論容量是電池容量的最大極限值，電池實(shí)際放出的容量只是理論容量的一部分。額定容量也叫標(biāo)稱(chēng)容量，是指按國(guó)家或有關(guān)部門(mén)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件（如溫度、放電率、終止電壓等）下應(yīng)該放出的最低限度的容量。額定容量是制造廠標(biāo)明的安時(shí)容量，是驗(yàn)收電池質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介67動(dòng)力電池的基本參數(shù)容量實(shí)際容量（C）是指在實(shí)際應(yīng)用工作情況下放電時(shí)電池放出的電量。充滿電的電池在一定條件下所能輸出的電量，等于放電電流與放電時(shí)間的積分。實(shí)際容量的計(jì)算方法如下：

恒電流放電時(shí)變電流放電時(shí)

I——放電電流，是放電時(shí)間t的函數(shù)；T——放電至終止電壓的時(shí)間。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介68動(dòng)力電池的基本參數(shù)內(nèi)阻電流通過(guò)電池內(nèi)部時(shí)受到阻力，使電池的工作電壓降低，該阻力稱(chēng)為電池內(nèi)阻。由于電池內(nèi)阻的作用，電池放電時(shí)端電壓低于電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓。充電時(shí)充電的端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓。它直接影響電池的工作電壓、工作電流、輸出能量與功率等，其內(nèi)阻越小越好。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介69動(dòng)力電池的基本參數(shù)內(nèi)阻電池內(nèi)阻不是常數(shù)，在放電過(guò)程中由于活性物質(zhì)的組成、電解液濃度和溫度的變化以及放電時(shí)間而變化。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和電極在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)出的極化內(nèi)阻，兩者之和稱(chēng)為電池的全內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻主要由電極材料、電解液、隔膜的內(nèi)阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻是指化學(xué)電源的正極與負(fù)極在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由于極化所引起的內(nèi)阻。它是電化學(xué)極化和濃差極化所引起的電阻之和。極化內(nèi)阻與活性物質(zhì)的本性、電極的結(jié)構(gòu)、電池的制造工藝有關(guān)，尤其與電池的工作條件密切相關(guān)，放電電流和溫度對(duì)其影響很大。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介70動(dòng)力電池的基本參數(shù)能量與能量密度能量是指電池在一定放電制度下所能釋放出的電能，單位常用W·h或kW·h表示。電池的能量分為理論能量和實(shí)際能量。

也可用電池組額定容量與電池放電平均電壓的乘積來(lái)估算動(dòng)力電池簡(jiǎn)介71動(dòng)力電池的基本參數(shù)能量與能量密度能量密度是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所能輸出的能量，相應(yīng)地稱(chēng)為質(zhì)量能量密度（W·h/kg）或體積能量密度（W·h/L），也稱(chēng)為質(zhì)量比能量或體積比能量。功率與功率密度功率是指在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，單位為W或kW。功率密度又稱(chēng)比功率，是單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率，單位為W/kg或W/L。比功率是評(píng)價(jià)電池及電池包是否滿足電動(dòng)汽車(chē)加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介72動(dòng)力電池的基本參數(shù)電荷狀態(tài)荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）描述了電池的剩余電量，其值為電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。荷電狀態(tài)值是個(gè)相對(duì)量，一般用百分比的方式來(lái)表示，SOC的取值為：0≤SOC≤100%。放電深度（DepthofDischarge，DOD）是放電容量與額定容量之比的百分?jǐn)?shù)，與SOC之間存在如下數(shù)學(xué)計(jì)算關(guān)系：放電深度DOD=100%-SOC動(dòng)力電池簡(jiǎn)介73動(dòng)力電池的基本參數(shù)循環(huán)使用壽命（CycleLife）循環(huán)使用壽命是指以電池充電和放電一次為一個(gè)循環(huán)，按一定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池容量降到某一規(guī)定值（一般規(guī)定為額定值的80%）以前，電池經(jīng)歷的充放電循環(huán)總次數(shù)。循環(huán)使用壽命是評(píng)價(jià)電池壽命性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。自放電率是指電池在存放時(shí)間內(nèi)，在沒(méi)有負(fù)荷的條件下自身放電，使得電池的容量損失的速度，用單位時(shí)間（月或年）內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。自放電率動(dòng)力電池簡(jiǎn)介74動(dòng)力電池的基本參數(shù)輸出效率電池實(shí)際上是一個(gè)能量存儲(chǔ)器，充電時(shí)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，放電時(shí)再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?lái)，供用電裝置使用。電池的輸出效率通常用容量效率和能量效率來(lái)表示。容量效率指電池放電時(shí)輸出的容量與充電時(shí)輸入的容量之比。能量效率指電池放電時(shí)輸出的能量與充電時(shí)輸入的能量之比。通常，電池的能量效率為55%~85%，容量效率為65%~95%。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)而言，能量效率是比容量效率更重要的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介75動(dòng)力電池的基本參數(shù)抗濫用能力指電池對(duì)短路、過(guò)充電、過(guò)放電、機(jī)械振動(dòng)、撞擊、擠壓以及遭受高溫和著火等非正常使用情況的容忍程度。電池的成本與電池的技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)。開(kāi)發(fā)和研制高效、低成本的電池是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵。電池成本一般以電池單位容量或能量的成本進(jìn)行表示，單位為元/A·h或元/kW·h。成本動(dòng)力電池簡(jiǎn)介76動(dòng)力電池的基本參數(shù)放電制度放電制度是電池放電時(shí)所規(guī)定的各種條件，主要包括放電速率（電流）、終止電壓和溫度等。放電電流是指電池放電時(shí)的電流大小。放電電流通常用放電率表示。放電率是指電池放電時(shí)的速率，有時(shí)率或倍率兩種表示形式。時(shí)率以一定的放電電流放完額定容量所需的時(shí)間（h），常用C/n來(lái)表示，其中，C為額定容量，n為一定的放電電流。倍率是指電池在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放出其額定容量所輸出的電流值。放電終止電壓是指電池放電時(shí)，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓，其值與電池材料直接相關(guān)，并受到電池結(jié)構(gòu)、放電率、環(huán)境溫度等多種因素影響。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介77動(dòng)力電池的分類(lèi)按電解液種類(lèi)分類(lèi)堿性電池以氫氧化鉀水溶液為主的電池，氫鎳電池等。酸性電池以硫酸水溶液為介質(zhì)的電池，如鉛酸蓄電池。中性電池以鹽溶液為介質(zhì)的電池，如鋅錳干電池。有機(jī)電解液電池以有機(jī)溶液為介質(zhì)的電池，如鋰離子電池等。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介78動(dòng)力電池的分類(lèi)按工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式分類(lèi)一次電池即不能再充電使用的電池，如鋰原電池等。二次電池即可充電電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池等。燃料電池活性材料在電池工作時(shí)才連續(xù)不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池、金屬燃料電池等。儲(chǔ)備電池儲(chǔ)備電池儲(chǔ)存時(shí)電極板不直接接觸電解液，直到電池使用時(shí)，才加入電解液，如鎂?氯化銀電池。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介79國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池的研究現(xiàn)狀電池的壽命和成本問(wèn)題一直是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)改進(jìn)，電池技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。已從傳統(tǒng)的鉛酸電池演化到包含鎳氫動(dòng)力電池、鈷酸鋰、錳酸鋰、聚合物、三元鋰、磷酸鐵鋰等先進(jìn)的綠色動(dòng)力電池的技術(shù)體系。在比能量、比功率、安全性、可靠性、循環(huán)壽命、成本等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。動(dòng)力電池簡(jiǎn)介80國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池的研究現(xiàn)狀現(xiàn)階段在電動(dòng)汽車(chē)上使用的主流電池類(lèi)型及其基本特性見(jiàn)下表。鋰離子動(dòng)力電池具有容量高、比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因而成為當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的主要方向。電動(dòng)汽車(chē)用主流電池類(lèi)型及其基本特性動(dòng)力電池簡(jiǎn)介

鋰離子動(dòng)力電池

其他儲(chǔ)能裝置動(dòng)力電池管理系統(tǒng)動(dòng)力電池組動(dòng)力電池的梯次利用與回收目錄鋰離子動(dòng)力電池82概述鋰離子電池根據(jù)正極材料的不同，分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和三元材料鋰離子電池等；根據(jù)所用電解質(zhì)材料不同，分為液態(tài)鋰離子電池（Lithium-IonBattery，LIB）和聚合物鋰離子電池（PolymerLithium-IonBattery，PLB）兩大類(lèi)。三元材料鋰離子電池以其能量密度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)開(kāi)始在電動(dòng)汽車(chē)上得到廣泛的應(yīng)用。鋰離子動(dòng)力電池83概述相對(duì)于其他類(lèi)型電池，鋰離子電池具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：工作電壓高鈷酸鋰單體電池的工作電壓為3.6V，錳酸鋰單體電池的工作電壓為3.7V。能量密度高正極材料的理論能量密度可達(dá)200W·h/kg以上。循環(huán)壽命長(zhǎng)在深度放電情況下，循環(huán)次數(shù)可達(dá)1000次以上；在低放電深度條件下，循環(huán)次數(shù)可達(dá)上萬(wàn)次。自放電小月自放電率僅為總電容量的5%~9%。無(wú)記憶效應(yīng)記憶效應(yīng)是多次充電后電池容量減少的現(xiàn)象。環(huán)保性高不包含汞、鉛、鎘等有害元素。鋰離子動(dòng)力電池84鋰離子動(dòng)力電池的工作原理鋰離子電池的電極反應(yīng)表達(dá)式分別為正極反應(yīng)式：負(fù)極反應(yīng)式：電池反應(yīng)式：鋰離子電池工作原理鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋰離子動(dòng)力電池85鋰離子動(dòng)力電池的失效機(jī)理理想的鋰離子電池除了鋰離子在正、負(fù)極之間嵌入和脫出外，不發(fā)生其他副反應(yīng)，不出現(xiàn)鋰離子的不可逆消耗。鋰離子電池每時(shí)每刻都有副反應(yīng)存在，也有活性物質(zhì)不可逆的消耗，如電解液分解、活性物質(zhì)溶解、金屬鋰沉積等。鋰離子動(dòng)力電池86鋰離子動(dòng)力電池的失效機(jī)理造成鋰離子電池容量衰退的原因主要有：正極材料的溶解以尖晶石LiMn2O4為例，Mn的溶解是引起LiMn2O4可逆容量衰減的主要原因。正極材料的相變化鋰離子的正常脫嵌反應(yīng)總是伴隨著宿主結(jié)構(gòu)摩爾體積的變化，引起結(jié)構(gòu)的膨脹與收縮，導(dǎo)致氧八面體偏離球?qū)ΨQ(chēng)性并成為變形的八面體構(gòu)型。電解液的分解在充電的條件下，電解液對(duì)含碳電極具有不穩(wěn)定性，故會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)。鋰離子動(dòng)力電池87鋰離子動(dòng)力電池的失效機(jī)理造成鋰離子電池容量衰退的原因主要有：過(guò)充電造成的容量損失電池在過(guò)充電時(shí)，會(huì)造成負(fù)極鋰的沉積、電解液的氧化以及正極氧的損失。自放電鋰離子電池的自放電所導(dǎo)致的容量損失大部分是可逆的，只有一小部分是不可逆的。SEI膜的形成因SEI膜形成而損失的鋰離子將導(dǎo)致兩極間容量平衡的改變。集流體的腐蝕鋰離子電池中的集流體材料常用銅和鋁，兩者都容易發(fā)生腐蝕。鋰離子動(dòng)力電池88鋰離子動(dòng)力電池的性能充放電特性鋰離子電池充電從安全、可靠及兼顧充電效率等方面考慮，通常采用兩段式充電方法。第1階段為恒流限壓，第2階段為恒壓限流。鋰離子電池充電的最高限壓值根據(jù)正極材料不同而有一定的差別。鋰離子電池基本充放電電壓曲線如圖所示。曲線采用的充放電電流為0.3C。鋰離子電池基本充放電電壓曲線鋰離子動(dòng)力電池89鋰離子動(dòng)力電池的性能充放電特性以額定容量100A·h某鋰離子電池為例，在SOC=40%、恒溫20℃情況下，采用不同充電率充電。充電曲線如圖所示（1）充電電流對(duì)充電特性的影響隨充電電流的增加，恒流時(shí)間逐步減少，恒流可充入容量和能量也逐步減少。在實(shí)際電池組應(yīng)用中，可以以鋰離子電池允許的最大充電電流充電，達(dá)到限壓后，進(jìn)行恒壓充電。應(yīng)綜合考慮充電時(shí)間和效率，選擇適中的充電電流，以減少內(nèi)阻能耗。鋰離子電池充電電流曲線鋰離子動(dòng)力電池90鋰離子動(dòng)力電池的性能充放電特性（2）放電深度對(duì)充電特性的影響在恒溫環(huán)境溫度20℃下，對(duì)額定容量100A·h鋰離子電池在不同SOC、以0.3C恒流限壓進(jìn)行充電。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表。鋰離子動(dòng)力電池91鋰離子動(dòng)力電池的性能充放電特性（2）放電深度對(duì)充電特性的影響①隨放電深度增加，充電所需時(shí)間增加，但平均每單位容量所需的充電時(shí)間減少，即充電時(shí)間的增加隨放電深度不成正比增加；②隨放電深度增加，恒流充電時(shí)間所占總充電時(shí)間比例增加，恒流充電容量占所需充入容量的比重增加；③隨放電深度增加，等安時(shí)充放電效率有所降低，降低幅度不大。鋰離子動(dòng)力電池92鋰離子動(dòng)力電池的性能充放電特性（3）充電溫度對(duì)充電特性的影響在不同環(huán)境溫度下對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電，以某額定容量200A·h鋰離子電池為例，采用恒流限壓方式，記錄充電截止條件為充電電流下限為1A的充電參數(shù)不同溫度電池充電參數(shù)鋰離子動(dòng)力電池93鋰離子動(dòng)力電池的性能充放電特性（3）充電溫度對(duì)充電特性的影響隨著環(huán)境溫度降低，電池的可充入容量明顯降低，而充電時(shí)間明顯增加。低溫（?25℃）同室溫（25℃）相比，相同的充電結(jié)束電流，可充入容量和能量降低約25%~30%。若以5A為充電結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，則電池僅能充入在此溫度下可充入容量或能量的75%~85%。但降低充電結(jié)束電流，就意味著充電時(shí)間的大幅增加。在冬季低溫情況下，電池可充入容量低，為了防止電池過(guò)放電，必須降低單次充電電池的可用容量。鋰離子動(dòng)力電池94鋰離子動(dòng)力電池的性能充放電特性（4）放電特性影響因素以某額定容量200A·h鋰離子電池為例。在20℃的環(huán)境溫度下，將電池充滿電，分別在?20℃、0℃、20℃進(jìn)行不同放電電流下的放電試驗(yàn)，100A（0.5C）放電過(guò)程的曲線如圖。鋰離子電池100A（0.5C）放電過(guò)程的曲線鋰離子動(dòng)力電池95鋰離子動(dòng)力電池的性能充放電特性（4）放電特性影響因素在同一溫度、同樣的放電終止電壓下，不同的放電結(jié)束電流，可放出的容量和能量有一定的差別。電流越小，可放出容量和能量越多。在低溫下，電池的放電電壓較低，尤其在放電初期同樣的放電電流下，電池電壓將出現(xiàn)一個(gè)急劇下降，所以放電能量偏低；在放電中期，放電消耗在電池內(nèi)阻上的能量使得電池自身的溫度升高，鋰離子電池活性物質(zhì)的活性增加，電池電壓有所升高，因此可放出的能量增加；在放電后期，電池電壓降低，單位時(shí)間放出的能量隨之降低。鋰離子動(dòng)力電池96鋰離子動(dòng)力電池的性能安全性鋰離子電池在熱沖擊、過(guò)充電、過(guò)放電和短路等濫用情況下，其內(nèi)部的活性物質(zhì)及電解液等組分間將發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量與氣體，使得電池內(nèi)部壓力升高，積累到一定程度可能導(dǎo)致電池著火甚至爆炸。其主要原因如下：材料穩(wěn)定性在高溫、過(guò)充電、針刺穿透以及擠壓等情況下，可以導(dǎo)致電極和有機(jī)電解液之間的強(qiáng)烈作用。反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量如不能及時(shí)散失到周?chē)h(huán)境中，必將導(dǎo)致電池內(nèi)熱失控的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致電池的燃燒、爆炸。制造工藝制造工藝分為液態(tài)和聚合物鋰離子電池的制造工藝。電極制造、電池裝配等制造過(guò)程都會(huì)對(duì)電池的安全性產(chǎn)生影響。鋰離子動(dòng)力電池97鋰離子動(dòng)力電池的應(yīng)用（1）便攜式電器（2）交通行業(yè)鋰離子動(dòng)力電池98鋰離子動(dòng)力電池的應(yīng)用（3）在軍事裝備及航空航天事業(yè)中的應(yīng)用（4）其他動(dòng)力電池簡(jiǎn)介鋰離子動(dòng)力電池其他儲(chǔ)能裝置動(dòng)力電池管理系統(tǒng)動(dòng)力電池組動(dòng)力電池梯次利用與回收目錄1004.3其他儲(chǔ)能裝置鉛酸電池：因?yàn)榭煽啃院谩⒊杀镜?、瞬時(shí)輸出功率大、安全性好、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，鉛酸電池是在今所有化學(xué)電源中生產(chǎn)規(guī)模最大。組成：鉛酸蓄電池的正極活性物質(zhì)主要成分為二氧化鉛，負(fù)極活性物質(zhì)主要成分為絨狀鉛，隔板由微孔橡膠、顏料玻璃纖維等材料制成，電解液由濃硫酸和凈化水配制而成。鉛酸電池1014.3其他儲(chǔ)能裝置鉛酸電池的應(yīng)用：起動(dòng)、點(diǎn)火、照明電池，主要用于汽車(chē)、摩托車(chē)、內(nèi)燃機(jī)車(chē)等工業(yè)用鉛酸蓄電池，用于通信、發(fā)電廠和變電所開(kāi)關(guān)控制設(shè)備以及計(jì)算機(jī)備用電源閥控密封式鉛酸蓄電池，用于應(yīng)急燈、UPS、電信等動(dòng)力電池，主要用于電動(dòng)汽車(chē)、高爾夫球車(chē)、電動(dòng)叉車(chē)、礦用車(chē)等1024.3其他儲(chǔ)能裝置鎳氫電池鎳氫電池是在鎳鎘電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種綠色電池，屬于堿性電池。其正極主要成分為氫氧化物，負(fù)極主要成分為儲(chǔ)氫合金，電解質(zhì)為氫氧化鉀溶液，隔膜主要有尼龍纖維、聚丙烯纖維和維綸纖維電池隔膜。壽命長(zhǎng)溫度適應(yīng)性好高功率無(wú)記憶效應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：鎳氫電池應(yīng)用與鋰電池相比，鎳氫電池采用堿性水溶液做電解質(zhì)，安全性更好，且其快速充放電性能好，所以在日系的混合動(dòng)力車(chē)型中應(yīng)用廣泛，如豐田普銳斯等。但是由于鋰電池的比能量密度更高，可以滿足電動(dòng)汽車(chē)高續(xù)航的需求，我國(guó)國(guó)產(chǎn)混合動(dòng)力車(chē)型普遍采用鋰電池作為動(dòng)力電池。1034.3其他儲(chǔ)能裝置鎳氫電池or鎳氫電池鋰電池1044.3其他儲(chǔ)能裝置超級(jí)電容器超級(jí)電容器依靠電解質(zhì)與電極接觸界面上形成的特有雙層結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存能量。超級(jí)電容器的比功率高，儲(chǔ)存電荷的能力強(qiáng)，并具有充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、無(wú)污染等特點(diǎn)，是一種非常有前途的綠色儲(chǔ)能裝置。特性：超級(jí)電容具有與電池不同的充放電特性，在相同的放電電流情況下，電壓呈現(xiàn)隨放電時(shí)間線性下降的趨勢(shì)。這種特性使超級(jí)電容的剩余能量預(yù)測(cè)以及充放電控制相對(duì)于電池的非線性特性曲線簡(jiǎn)單了許多。超級(jí)電容放電曲線

超級(jí)電容器主要應(yīng)用在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)上，超級(jí)電容器-蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)被認(rèn)為是解決未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力問(wèn)題的有效途徑之一。當(dāng)前針對(duì)于搭載超級(jí)電容器-蓄電池復(fù)合電源的混合動(dòng)力汽車(chē)的能量管理策略已經(jīng)有不少學(xué)者進(jìn)行了研究。隨著對(duì)電動(dòng)車(chē)用超級(jí)電容的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)，超級(jí)電容—蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)在滿足性能和成本要求上更具有實(shí)用性，其市場(chǎng)前景廣闊。1054.3其他儲(chǔ)能裝置超級(jí)電容器動(dòng)力電池簡(jiǎn)介鋰離子動(dòng)力電池其他儲(chǔ)能裝置動(dòng)力電池管理系統(tǒng)動(dòng)力電池組動(dòng)力電池梯次利用與回收目錄基本功能：數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)估計(jì)、能量管理、安全管理、熱管理、均衡控制、通信功能和人機(jī)接口動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，BMS）是用來(lái)對(duì)蓄電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及管理、保障電池性能的裝置，可以起到保證動(dòng)力電池組應(yīng)用的安全可靠、延長(zhǎng)電池使用壽命、能量管理的作用。1074.4動(dòng)力電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的功能：1084.4動(dòng)力電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集：電池電壓、溫度等基本數(shù)據(jù)的采集狀態(tài)估計(jì)：荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）的估計(jì)能量管理：確保電池的實(shí)時(shí)能量輸出和輸入不超出系統(tǒng)的承載能力安全管理：監(jiān)視電池電壓、電流、溫度等是否超過(guò)正常范圍熱管理：使電池處于適宜的工作溫度范圍內(nèi)，并在電池工作過(guò)程中保持電池單體間溫度均衡均衡控制：使各單體電池充放電的工作情況盡量一致，延長(zhǎng)使用壽命通信功能：實(shí)現(xiàn)電池參數(shù)信息與車(chē)載設(shè)備或非車(chē)載設(shè)備的通信，為充放電控制、整車(chē)控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)人機(jī)接口：根據(jù)設(shè)計(jì)需要設(shè)置的顯示信息以及控制按鍵、旋鈕等電池管理系統(tǒng)可以進(jìn)行電池一次測(cè)量參數(shù)的采集，也可以完成二次參數(shù)（SOC、內(nèi)阻）的測(cè)量和預(yù)測(cè)，能夠識(shí)別極端參數(shù)進(jìn)行電池狀態(tài)預(yù)警，還可以通過(guò)數(shù)據(jù)總線直接參與車(chē)輛狀態(tài)的控制。1094.4動(dòng)力電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)工作原理工作原理：數(shù)據(jù)采集電路采集電池電壓、電流、溫度等狀態(tài)信息后，通過(guò)CAN總線將數(shù)據(jù)傳送給電子控制單元ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，然后根據(jù)分析結(jié)果BMS對(duì)電池工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，如控制風(fēng)機(jī)開(kāi)、關(guān)等。同時(shí)，電池管理系統(tǒng)也能通過(guò)CAN總線與組合儀表及充電設(shè)備等進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示、充電監(jiān)控等功能。過(guò)高或過(guò)低的溫度都將直接影響動(dòng)力電池的使用壽命和性能，可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)的安全問(wèn)題，且電池箱內(nèi)溫度場(chǎng)的長(zhǎng)久不均勻分布將造成各電池模塊、單體間性能的不均衡，因此電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)于電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力電池系統(tǒng)而言是必需的。1104.4動(dòng)力電池管理系統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)電池單體不一致性熱失控1114.4動(dòng)力電池管理系統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)按照傳熱介質(zhì)分類(lèi)，熱管理系統(tǒng)可分為空冷、液冷及相變材料冷卻3種方式。比較：空氣冷卻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量相對(duì)較小；沒(méi)有發(fā)生漏液的可能；有害氣體產(chǎn)生時(shí)能有效通風(fēng)；成本較低與電池壁面之間換熱系數(shù)低，冷卻、加熱速度慢液體冷卻

（直接接觸和非直接接觸兩種方式）與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻、加熱速度快；體積較小存在漏液的可能；重量相對(duì)較大；維修和保養(yǎng)復(fù)雜；需要水套、換熱器等部件，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜相變材料冷卻不需要運(yùn)動(dòng)部件，不需要耗費(fèi)電池額外能量，能夠有效降溫，滿足各電池單體間溫度分布的均衡要求結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用不廣泛散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：電池模塊的溫度差異與電池組布置有很大關(guān)系，一般情況下，中間位置的電池容易積累熱量，邊緣的電池散熱條件要好些。所以在進(jìn)行電池組結(jié)構(gòu)布置和散熱設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量保證電池組散熱的均勻性。以空冷散熱為例，通風(fēng)方式一般有串行通風(fēng)和并行通風(fēng)兩種來(lái)保證電池組散熱的均勻性。電池組熱管理系統(tǒng)有如下5項(xiàng)主要功能：電池溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控；電池組溫度過(guò)高時(shí)的有效散熱和通風(fēng)；低溫條件下的快速加熱；有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng)；保證電池組溫度場(chǎng)的均勻分布。1124.4動(dòng)力電池管理系統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：1134.4動(dòng)力電池管理系統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)串行通風(fēng)并行通風(fēng)串行通風(fēng)一般是使空氣從電池包一側(cè)流往另外一側(cè)，從而達(dá)到帶走熱量的效果。這時(shí)氣流會(huì)將先流過(guò)的地方的熱量帶到后流過(guò)的地方，從而導(dǎo)致兩處溫度不一致且溫差較大。而并行通風(fēng)時(shí)，模塊間空氣都是直立上升氣流，這樣能夠更均勻地分配氣流，從而保證電池包中各處的散熱一致性。熱管理系統(tǒng)按照是否有內(nèi)部加熱或制冷裝置可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)系統(tǒng)成本較低，采取的措施相對(duì)簡(jiǎn)單；主動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，并且需要更大的附加功率，但效果較為理想1144.4動(dòng)力電池管理系統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)比較：圖1被動(dòng)加熱與散熱圖2被動(dòng)加熱與散熱（內(nèi)部空氣流通）圖3主動(dòng)加熱與散熱圖1，圖2盡管空氣是經(jīng)過(guò)汽車(chē)空調(diào)或供暖系統(tǒng)冷卻和加熱的，但它仍然被認(rèn)為是一種被動(dòng)系統(tǒng)。運(yùn)用這種被動(dòng)系統(tǒng)，由于引入環(huán)境空氣的溫度的不一致性，環(huán)境空氣必須在0-35℃中才能正常進(jìn)行熱管理，在環(huán)境極冷或極熱條件下運(yùn)行電池包可能會(huì)產(chǎn)生更大的不均勻度。

動(dòng)力電池簡(jiǎn)介

鋰離子動(dòng)力電池

其他儲(chǔ)能裝置

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)動(dòng)力電池組動(dòng)力電池的梯次利用與回收目錄116動(dòng)力電池組單體電池的電壓和容量無(wú)法滿足電動(dòng)汽車(chē)的需求，因此必須通過(guò)串并聯(lián)的方式組成電池組來(lái)提供能量。由于電池組內(nèi)單體間不一致性的存在，在電池組使用過(guò)程中，電池組的最大可用容量與單體的可用容量下降速度不同步，也將導(dǎo)致各單體的SOC狀態(tài)各不相同。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組電池單體間的不一致性117動(dòng)力電池組木桶短板效應(yīng)電池組的性能并不等于各單體電池性能的簡(jiǎn)單相加，而是存在類(lèi)似于木桶短板效應(yīng)的問(wèn)題，因此電池組壽命和電池單體相比有明顯降低。木桶短板效應(yīng)：一只木桶能盛多少水，并不取決于最長(zhǎng)的那塊木板，而是取決于最短的那塊木板。如果把電池組比喻成是一個(gè)盛水的木桶，那么組成電池組的電池單體就是組成這個(gè)木桶的木板，性能最差的那一個(gè)電池單體，決定了電池組的整體性能。118由于現(xiàn)階段電池能量密度的限制，為了達(dá)到滿足車(chē)輛用戶需求的續(xù)駛里程，電池系統(tǒng)占整車(chē)的質(zhì)量比例較高，在10%到20%之間。因此電池包在整車(chē)上的布置位置對(duì)電動(dòng)車(chē)輛的性能和布置結(jié)構(gòu)有很大的影響。動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的布置形式動(dòng)力電池組布置形式分類(lèi)119按照軸荷分配質(zhì)量的位置分類(lèi)，具體可分為前軸前、后軸后和兩軸之間三個(gè)位置。電動(dòng)客車(chē)電池分別置于兩軸間以及后軸后的位置，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)由于電池較少，采用單一位置進(jìn)行電池布置。動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的布置形式按照軸荷分配質(zhì)量的位置分類(lèi)普銳斯混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)電池包位置電動(dòng)客車(chē)骨架圖120近年來(lái)很多乘用車(chē)采用底盤(pán)均布的方式布置動(dòng)力電池系統(tǒng)，不僅可以提高電池系統(tǒng)的安全性，還可以降低車(chē)輛重心，增強(qiáng)車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性和安全性。具體來(lái)說(shuō)，布置方式又可分為底盤(pán)上部布置、一體化布置等。動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的布置形式按動(dòng)力電池組與底盤(pán)的關(guān)系分類(lèi)電池系統(tǒng)底盤(pán)上部布置121采用底盤(pán)上部布置方式的電池系統(tǒng)一般安裝在車(chē)輛座椅下、底盤(pán)上部。動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的布置形式按動(dòng)力電池組與底盤(pán)的關(guān)系分類(lèi)電池系統(tǒng)底盤(pán)上部布置122將電池系統(tǒng)與底盤(pán)結(jié)構(gòu)融為一體可提高電池系統(tǒng)、車(chē)輛的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增強(qiáng)電池系統(tǒng)的碰撞安全性。動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的布置形式按動(dòng)力電池組與底盤(pán)的關(guān)系分類(lèi)電池系統(tǒng)一體化布置123電池一致性是指同一規(guī)格型號(hào)的單體電池組成電池組后，其電壓、荷電量、容量及其衰退率、內(nèi)阻及其變化率、壽命、溫度影響、自放電率等參數(shù)存在一定的差別。電池一致性主要表現(xiàn)在兩方面：動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的一致性1.在制造過(guò)程差異引起的單體原始差異：由于工藝問(wèn)題和材質(zhì)不均勻，使得電池極板活性物質(zhì)的活化程度和厚度、微孔率等存在差別，這種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不一致性使同一批次出廠的同一型號(hào)電池的容量、內(nèi)阻等參數(shù)不完全一致。2.在裝車(chē)使用時(shí)的環(huán)境差異引起的單體退化差異：由于電池組中各個(gè)電池的溫度、通風(fēng)條件、自放電程度、電解液密度等差別的影響，在一定程度上增加了電池電壓、內(nèi)阻及容量等參數(shù)的不一致性。124根據(jù)使用中電池組不一致性擴(kuò)大的原因和對(duì)電池組性能的影響方式，可將電池的一致性分為電壓一致性、容量一致性和電阻一致性。動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的一致性電池一致性的分類(lèi)并聯(lián)電壓不一致性1.電壓一致性電壓不一致的主要影響因素在于并聯(lián)組中電池的互充電，當(dāng)并聯(lián)組中一節(jié)電池電壓低時(shí)，其他電池將給此電池充電。并聯(lián)電壓不一致性如右圖所示，設(shè)V1的端電壓低于V2，則電流方向如圖所示，如同電池充電電路。125動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的一致性電池一致性的分類(lèi)低壓電池和正常電池一起使用將成為電池組的負(fù)載，影響電池組的壽命。所以在電池組不一致程度明顯增加的深放電階段，不能再繼續(xù)行車(chē)，否則會(huì)造成低容量電池過(guò)放電，影響電池組使用壽命。電池靜態(tài)開(kāi)路電壓（電池靜止1h以上）在一定程度上是電池SOC的集中表現(xiàn)。由于電池SOC在一定范圍內(nèi)還與電池開(kāi)路電壓呈線性關(guān)系，因此開(kāi)路電壓不一致也在一定程度上體現(xiàn)了電池能量狀態(tài)不一致。126動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的一致性電池一致性的分類(lèi)2.容量一致性在電池使用過(guò)程中可以通過(guò)電池單體單獨(dú)充放電來(lái)調(diào)整單體電池初始容量使之差異性較小，所以初始容量不一致不是電動(dòng)汽車(chē)電池成組應(yīng)用的主要矛盾。在電池組實(shí)際使用過(guò)程中，容量不一致主要是電池起始容量不一致和放電電流不一致綜合影響的結(jié)果。3.內(nèi)阻一致性電池內(nèi)阻不一致使得電池組中每個(gè)單體在放電過(guò)程中熱損失的能量各不一樣，最終會(huì)影響電池單體的能量狀態(tài)。127動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的一致性電池組電壓一致性的發(fā)展規(guī)律隨使用時(shí)間和行駛里程的增加，電池的不一致程度逐漸增加。最直觀的反映為單體電池電壓不一致程度增加。從下圖中可以看出，電池組的電壓分散程度隨著使用時(shí)間的增加而增加，各電壓段概率值的分布狀態(tài)與正態(tài)分布相似。某鋰離子電池組在使用過(guò)程中電壓一致性的分布128動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的一致性提高電池一致性的措施電池組的一致性是相對(duì)的，不一致性是絕對(duì)的。電池的不一致性在生產(chǎn)階段就已經(jīng)產(chǎn)生了，在應(yīng)用過(guò)程中，需要采取一定的措施，減緩其擴(kuò)大的趨勢(shì)或速度。常用措施有以下八種：1.提高電池制造工藝水平，保證電池出廠質(zhì)量，尤其是初始電壓的一致性。同一批次電池出廠前，篩選相關(guān)性良好的電池，保證同批電池的性能盡可能一致。2.在動(dòng)力電池成組時(shí)，務(wù)必保證電池組采用同一類(lèi)型、同一規(guī)格、同一型號(hào)的電池。3.盡量避免電池過(guò)充電，盡量防止電池深度放電。129動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的一致性提高電池一致性的措施4.在電池組使用過(guò)程中檢測(cè)單體電池參數(shù)，尤其是動(dòng)、靜態(tài)情況下的電壓分布情況，掌握電池組中單體電池不一致性的發(fā)展規(guī)律，對(duì)極端參數(shù)電池進(jìn)行及時(shí)調(diào)整或更換。5.對(duì)使用中發(fā)現(xiàn)的容量偏低的電池進(jìn)行單獨(dú)維護(hù)性充電，使其性能恢復(fù)。6.間隔一定時(shí)間對(duì)電池組進(jìn)行小電流維護(hù)性充電，促進(jìn)電池組自身的均衡和性能恢復(fù)。7.保證電池組良好的使用環(huán)境，盡量保證電池組溫度場(chǎng)均勻，減小振動(dòng)，避免水、塵土等污染電池極柱。8.采用電池組均衡系統(tǒng)，對(duì)電池組充放電進(jìn)行智能管理。130動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的一致性一致性對(duì)電池組壽命的影響電池組壽命的影響因素除了單體本身所含因素以外，還包括單體電池之間的一致性水平。在車(chē)輛應(yīng)用過(guò)程中，主要體現(xiàn)在以下差異：1.溫度差異：根據(jù)需要，電池的安裝位置可能不同，其所處的熱環(huán)境存在差異，或者在同一位置的電池模組內(nèi)由于通風(fēng)條件的差異導(dǎo)致單體間有溫差。2.充放電倍率差異：在串聯(lián)組中電流相同，但由于電池的不一致性，有的電池在最佳放電電流工作，有的電池達(dá)不到或超過(guò)了最佳放電電流。因此導(dǎo)致電池在工作過(guò)程中的放電率有差異。131動(dòng)力電池組動(dòng)力電池組的一致性一致性對(duì)電池組壽命的影響3.放電深度差異：由于電池組中電池單體容量不一致，低容量電池比其他電池提前進(jìn)入深放電階段，并且在其他電池深放電時(shí)，其沒(méi)有電量可以放出而成為負(fù)載，從而導(dǎo)致各個(gè)電池放電深度有差異。4.單體電池與電池組的可用容量差異：在充電過(guò)程中，小容量電池將提前充滿，為使電池組中其他電池充滿，小容量電池必將過(guò)充電，充電后期充電電壓偏高，形成安全隱患，影