新能源汽車基礎(chǔ)：4純電動汽車

第4章純電動汽車

概述純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)布置純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)純電動汽車示例純電動汽車的充電純電動汽車的再生制動電池管理系統(tǒng)一、電動汽車定義與分類1、定義廣義：由電機(jī)驅(qū)動的車輛，驅(qū)動電能來源于車載儲能裝置（蓄電池、超級電容、飛輪儲能裝置等）。包括:道路行駛電動車輛，低速工業(yè)用電瓶車，機(jī)場、碼頭、倉庫用的電動運(yùn)輸車和電動叉車，電動游覽車，電動巡邏車以及各種電動專用車等。狹義：由電機(jī)驅(qū)動，從車載儲能裝置獲得電能，同時滿足道路安全法規(guī)對汽車的各項(xiàng)要求，允許在正規(guī)道路行駛的車輛。

第1節(jié)概述

2、分類

按用途：電動轎車、電動客車、電動貨車和電動專用車（如電動環(huán)衛(wèi)車、電動工程車等）；

按車載儲能裝置：單能源EV和多能源EV。單能源EV一般采用蓄電池或超級電容，多能源EV采用多個儲能裝置，其中一個為蓄電池。電動轎車

電動客車

電動游覽車

電動牽引車

電動環(huán)衛(wèi)車

電動清掃車

二、純電動汽車動力系統(tǒng)組成可分為三個子系統(tǒng)：電驅(qū)動系統(tǒng)整車控制器、功率變換器、電機(jī)、機(jī)械傳動裝置、車輪能源系統(tǒng)能量源、能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)輔助動力系統(tǒng)輔助動力源、車載用電設(shè)備（車載電器：照明、儀表、電動車窗、電動門鎖、音響、空調(diào)等；車載電控設(shè)備：EPS、ABS、VSC、TCS等

）三、純電動汽車的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）零排放，無污染。（2）整車的能量效率高，電能來源多樣化。（3）舒適性好。（4）動力系統(tǒng)布置靈活。不足：

電池的一些性能還沒完全達(dá)到預(yù)期：充電時間較長，使用不夠方便；循環(huán)使用壽命不長，增加了車輛的使用成本；價格較高，造成整車價格的居高不下。

第2節(jié)

電驅(qū)動的布置形式電機(jī)集中驅(qū)動形式電機(jī)分散驅(qū)動形式（多電機(jī)）傳統(tǒng)機(jī)械傳動型

結(jié)構(gòu)特征：由燃油車底盤改裝，基本保留燃油車的傳動系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)換成電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)難度低，成本低。對電機(jī)要求低，可選功率較低電機(jī)（傳動系傳動比和傳動比范圍都較大）。傳統(tǒng)機(jī)械傳動型

結(jié)構(gòu)特征：由燃油車底盤改裝，基本保留燃油車的傳動系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)換成電機(jī)。缺點(diǎn)：動力部件多（電池、電機(jī)、功率變換器，再加上機(jī)械傳動系），整車質(zhì)量大，布置困難。無變速器型

結(jié)構(gòu)特征：取消了離合器和變速器，通過電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)變速功能。特點(diǎn)：機(jī)械傳動系得到簡化，質(zhì)量、體積減小。對電機(jī)要求較高，要求較大的起動轉(zhuǎn)矩，以及較大后備功率，以保證汽車的起步、加速、爬坡等動力性要求。無變速器型（集成化）

結(jié)構(gòu)特征：取消了離合器和變速器，通過電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)變速功能。

電機(jī)、主減速器和差速器集成一體。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊（占用空間?。b配方便。對電機(jī)要求較高，要求較大的起動轉(zhuǎn)矩，以及較大后備功率，以保證汽車的起步、加速、爬坡等動力性要求。電機(jī)與主減速器（差速器）集成化電機(jī)與減速器一體化結(jié)構(gòu)特征：無變速器，通過電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)變速功能。

多電機(jī)（2個或4個），有主減速器，無機(jī)械差速器。優(yōu)點(diǎn)：無離合器、變速器、傳動軸等機(jī)械裝置，無相應(yīng)操縱機(jī)構(gòu)。電機(jī)移到車身（車架）以下，增加車身內(nèi)部有效空間。輪邊電機(jī)驅(qū)動型（電機(jī)外置）結(jié)構(gòu)特征：無變速器，通過電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)變速功能。

多電機(jī)（2個或4個），有主減速器，無機(jī)械差速器。缺點(diǎn)：增加了懸架的非簧載質(zhì)量，不利于平順性。

電機(jī)在底部，影響通過性。電子差速，電機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜。輪邊電機(jī)驅(qū)動型（電機(jī)外置）ZF輪邊電驅(qū)動低地板車橋

兩側(cè)輪端置有水冷式三相異步電機(jī)

結(jié)構(gòu)特征：電機(jī)裝在驅(qū)動輪內(nèi)。

高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，帶減速器。輪轂電機(jī)驅(qū)動型（帶減速器）結(jié)構(gòu)特征：電機(jī)裝在驅(qū)動輪內(nèi)。

低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，不帶減速器。對電機(jī)要求最高（完全無機(jī)械傳動系），較高的起動轉(zhuǎn)矩，較大的后備功率。輪轂電機(jī)驅(qū)動型（不帶減速器）輪轂電機(jī)驅(qū)動將電機(jī)直接安裝在車輪上，簡化甚至去掉電機(jī)與車輪之間的機(jī)械傳遞裝置

高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，則必須裝減速器來降低轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速可高達(dá)10000r/min

低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，則可以完全去掉減速裝置，外轉(zhuǎn)子就安裝在車輪輪緣上，電機(jī)轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)速相等。以低速電機(jī)的體積、重量和成本為代價的。

最高轉(zhuǎn)速在1000-1500r/min。輪轂電機(jī)

輪轂電機(jī)驅(qū)動優(yōu)點(diǎn)：無復(fù)雜機(jī)械傳動系統(tǒng)，減汽車質(zhì)量。動力部件結(jié)構(gòu)緊湊，便于布置，增加了車內(nèi)空間。便于整車的電子化、智能化、線控化（XByWire)。缺點(diǎn)：多個電機(jī)的控制與相互協(xié)調(diào)技術(shù)難度大。輪轂電機(jī)的散熱、電磁干擾、防水、防塵任務(wù)較為困難。對平順性、操縱穩(wěn)定性、通過性有一定負(fù)面影響。EV傳動裝置的一般選擇電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化一般不能滿足行駛阻力變化的要求。在電機(jī)和驅(qū)動輪之間需要減速器（變速器）。變速器可使電機(jī)經(jīng)常保持在高效率范圍工作，并減輕電機(jī)和動力電池組的負(fù)荷。通常，EV采用兩或三檔變速器，即可滿足行駛阻力變化的要求，減輕電機(jī)和電池組的負(fù)荷，提高工作效率，而傳動結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。儲能裝置的結(jié)構(gòu)形式提供足夠高的比能量和比功率。一種高比能量，另一種高比功率。

蓄電池提供高比能量。超級電容器具有高比功率和高效回收制動能量的能力。

飛輪電池具有高比功率和高效制動能量回收能力。第3節(jié)純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、電機(jī)的選擇

1、電機(jī)類型的選擇純電動汽車對電機(jī)性能的基本要求有：低轉(zhuǎn)速下發(fā)出大轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)汽車的起動、加速、爬坡、頻繁起停等工況；在高轉(zhuǎn)速下能恒功率運(yùn)行，以滿足水平路面高速行駛；在寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都要較高的運(yùn)行效率，以提高續(xù)駛里程；在加速、爬坡時有一定的過載能力。電機(jī)類型選擇不僅考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和效率，還要從整車設(shè)計(jì)目標(biāo)、驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、成本控制等方面出發(fā)，綜合考慮電機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性、可維護(hù)性、重量體積、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、成本等因素。

2.電機(jī)功率的選擇額定功率和最大功率通常從保證預(yù)期最高車速來初選電機(jī)額定功率電機(jī)的最大功率為λ為電機(jī)過載系數(shù)，一般取2~3

3.電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的選擇

轉(zhuǎn)速越高，體積小質(zhì)量輕，造價低。但傳動比越大。

β越大，恒功率區(qū)越寬，越接近理想的驅(qū)動特性。增加β的方式

β一般取3~64.電機(jī)額定電壓的選擇電壓高則電流小，對導(dǎo)線和電力器件要求較低。但需要較多的電池串聯(lián)，增加整車成本和質(zhì)量，并且車載設(shè)備的安全保護(hù)級別也需要提高。選的太低，導(dǎo)線截面積更大，電力器件額定電流更大，增加電力器件的成本，使用壽命縮短。一般要求是：在允許的范圍內(nèi)盡可能采用高電壓，以減少電機(jī)、電力器件、導(dǎo)線等裝備的尺寸。電機(jī)額定電壓：微型電動車輛48~288V，普通電動汽車300V左右，電動大客車400~600V。

二、電池的選擇1.電池類型的選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)車輛的性能指標(biāo)、動力系統(tǒng)的類型與布置以及整車成本控制，綜合考慮各類型電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行選定。分為功率型和能量型兩類。2.電池?cái)?shù)量的選擇

要求：車輛最大行駛功率的要求；規(guī)定的續(xù)駛里程要求。滿足最大行駛功率要求所需要的電池?cái)?shù)量：

假定對續(xù)駛里程的要求是S（km），則需要的電池塊數(shù)ηm和ηc為電機(jī)及功率變換器效率，Db為電池比功率（kW/kg），mb為單塊電池質(zhì)量（kg）

CN每塊電池的額定容量，UN電壓，D允許放電深度，ηd電池放電效率，ηc功率變換器效率，ηm電機(jī)效率，ηt機(jī)械傳動效率。三、傳動系的選擇

1.最小傳動比的選擇應(yīng)保證能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定的最高車速

也不宜取得過小，應(yīng)保證最高車速出現(xiàn)在電機(jī)的恒功率區(qū)，而不出現(xiàn)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)

2.最大傳動比的選擇應(yīng)滿足最大爬坡度要求和附著條件兩方面的要求。假定要求的汽車最大爬坡度為αmax，最大傳動比應(yīng)滿足應(yīng)該校核附著條件是否滿足爬坡或加速的附著力要求。若不滿足，需要調(diào)整最大傳動比取值，或者從汽車總布置和結(jié)構(gòu)入手，改善汽車的附著條件。

3.擋位數(shù)和各擋傳動比的選擇擋位多，可以減輕電機(jī)負(fù)荷，增加高效區(qū)工作機(jī)會，對動力性和經(jīng)濟(jì)性都有利。擋位數(shù)影響到擋與擋間的傳動比比值。不宜大于1.7~1.8，過大則換擋困難。選檔位數(shù)主要根據(jù)itmax/itmin的大小。純電動汽車該值較小，采用2~3擋就可滿足使用要求。各擋傳動比可大體采用等比級數(shù)進(jìn)行分配。例如，某EV采用3擋變速器，itmax和itmin已定，itmax

=ig1

i0，itmin=ig3

i0

若最高擋（即3擋）傳動比為1，則1擋和2擋的傳動比分別為q2和q。第5節(jié)純電動汽車的充電一、對充電的要求充電的快速化充電的通用化充電的智能化電能利用的高效化充電的集成化二、電池的充電方法

1.常規(guī)充電方法恒流充電法恒壓充電法階段充電法

恒流充電曲線

恒壓充電曲線

2.快速充電方法脈沖快速充電法脈沖快速充電

脈沖快速充電（帶負(fù)脈沖）

變電流間歇快速充電法變電壓間歇快速充電法

變電壓快速充電充電曲線

變電流快速充電充電曲線

三、充電機(jī)1、充電機(jī)的類型1）按充電機(jī)安裝位置分類可分為車載充電機(jī)和非車載充電機(jī)。車載充電機(jī)

一體式非車載充電機(jī)

2）按能量轉(zhuǎn)換方式分類可分為接觸式充電機(jī)和感應(yīng)式充電機(jī)。接觸式充電機(jī)感應(yīng)式充電機(jī)2.充電機(jī)的組成高頻開關(guān)電源模塊監(jiān)控單元人機(jī)操作界面與電動汽車電氣接口計(jì)量系統(tǒng)通訊接口四、充電設(shè)施

目前純電動汽車在充電模式上主要有慢充、快充和換電池三種。充電設(shè)施根據(jù)充電方式的不同，可分為：充電樁充電站換電站1、充電樁充電樁是充電機(jī)為電動汽車充電的終端輔助設(shè)備。占地面積較小，布點(diǎn)靈活。提供充電接口、人機(jī)接口等功能，并對充電進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)充電開停機(jī)、通信、計(jì)費(fèi)等功能。組成：樁體、電氣模塊、計(jì)量模塊等。按輸出電流類型，分為：直流充電樁、交流充電樁。按安裝位置，分為：室內(nèi)充電樁、室外充電樁。室外充電樁2、充電站具有特定控制功能和通信功能的，將電能量傳送到電動汽車的設(shè)施總稱。能以快充或慢充方式對電動汽車進(jìn)行充電。組成：供配電設(shè)施、充電機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)、安全防護(hù)設(shè)施、和其他配套設(shè)施等組成，功能：供配電、充電、充電過程和配電設(shè)備監(jiān)控、計(jì)量、站內(nèi)設(shè)備管理和通信，擴(kuò)展功能包括計(jì)費(fèi)。

第6節(jié)純電動汽車的再生制動一、電機(jī)的制動原理

1、他勵直流電機(jī)的制動

能耗制動他勵直流電機(jī)能耗制動的電路

他勵直流電機(jī)能耗制動的機(jī)械特性

反接制動他勵直流電機(jī)的反接制動

再生制動他勵直流電機(jī)正向再生制動

他勵直流電機(jī)反向再生制動

2.交流異步電機(jī)的制動

能耗制動異步電機(jī)能耗制動的電路

異步電機(jī)能耗制動的機(jī)械特性

反接制動繞線式異步電機(jī)反接制動原理圖

繞線式異步電機(jī)反接制動機(jī)械特性

再生制動異步電機(jī)反向再生制動1-固有機(jī)械特性2-反向固有機(jī)械特性

異步電機(jī)正向再生制動

二、純電動汽車的再生制動原理帶再生制動的制動系統(tǒng)

三、再生制動的控制策略對再生制動有如下要求：（1）車輛的制動操作要符合駕駛員的制動習(xí)慣，制動過程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)燃油汽車的制動過程近似。（2）再生制動作用時，要防止出現(xiàn)后輪先抱死的危險情況，并盡量避免前輪拖死，以保持車輛的轉(zhuǎn)向能力。（3）在滿足車輛制動性能前提下，機(jī)械制動應(yīng)能根據(jù)電制動力大小進(jìn)行相應(yīng)變化，使駕駛員制動感覺與駕駛傳統(tǒng)燃油車一樣平順，防止對駕乘人員造成不適的感覺。（4）保證制動性能與平順性條件下，盡可能多回收制動能量。（5）防止充電電流過大或充電時間過長，縮短電池壽命。制定控制策略的原則：在滿足制動安全的前提下，盡可能多回收制動能量。理想制動力分配策略最大制動能量回收策略前后輪制動力固定比值策略

第7節(jié)電池管理系統(tǒng)一、電池管理系統(tǒng)的功能

數(shù)據(jù)采集預(yù)測電池狀態(tài)能量管理熱管理安全管理通訊均衡控制

分布式電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二、電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1、電池性能模型

1）簡化電化學(xué)模型

（1）Peukert方程（2）Shepherd模型2）等效電路模型