新能源汽車技術(shù)概論課件第4章-純電動汽車

純電動汽車第4章

純電動汽車是指以車載電源為動力，用電動機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。一般采用高效率充電蓄電池為動力源。4.1概述4.1.1純電動汽車的分類1．按用途分類按用途不同，純電動汽車可以分為純電動轎車、電動貨車、電動客車。2．按驅(qū)動形式分類按動力驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式不同，純電動汽車可以分為直流電動機驅(qū)動的電動汽車、交流電動機驅(qū)動的電動汽車、雙電動機驅(qū)動的電動汽車、雙繞組電動機驅(qū)動的電動汽車、輪轂電動機驅(qū)動的電動汽車。3．按使用的電池美型分類按使用的電池類型不同，純電動汽車可以分為鉛酸蓄電池電動汽車、鎳氫電池電動汽車、鋰離子電池電動汽車、燃料電池電動汽車。4.1.2純電動汽車的組成與原理電動汽車主要由電力動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)3部分組成，典型電動汽車組成框圖如圖所示。

1．電力驅(qū)動系統(tǒng)

電力驅(qū)動系統(tǒng)主要包括電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動機、機械傳動裝置和車輪等。它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。電動汽車應用較多的電動機有直流電動機和交流電動機兩大類。電動汽車的控制系統(tǒng)的性能直接影響著汽車的性能指標。電動機不同，控制器也有所不同。2．電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)主要包括電源、能量管理系統(tǒng)和充電機等。它的功用是向電動機提供驅(qū)動電能、監(jiān)測電源使用情況以及控制充電機向蓄電池充電。純電動汽車的常用電源有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。純電動汽車和混合動力汽車的能量管理不同，純電動汽車主要是指電池管理系統(tǒng)。3．輔助系統(tǒng)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)、導航系統(tǒng)、刮水器、收音機以及照明和除霜裝置等。4.1.3純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)布置形式電動汽車的驅(qū)動形式是電動汽車的核心部分，決定著電動汽車的整車布置、各項行駛性能以及電動汽車的整車外形。4.1.4純電動汽車的特點1．無污染，噪聲低電動汽車無內(nèi)燃機汽車工作時產(chǎn)生的廢氣，不產(chǎn)生排氣污染；電動汽車無內(nèi)燃機產(chǎn)生的噪聲，電動機的噪聲也較內(nèi)燃機小。2．能源效率高，多樣化電動汽車停車時不消耗電量，在制動過程中，電動機可自動轉(zhuǎn)化為發(fā)電機，實現(xiàn)制動減速時能量的再利用。另一方面，電動汽車的應用可有效地減少對石油資源的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面。3．結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便電動汽車較內(nèi)燃機汽車結(jié)構(gòu)簡單，運轉(zhuǎn)、傳動部件少，維修保養(yǎng)工作量小。動力電源使用成本高，續(xù)駛里程短日前電動汽車尚不如內(nèi)燃機汽車那樣技術(shù)完善，尤其是動力電源(電池)的壽命短，使用成本高。4.1.5純電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)1．電動機及控制技術(shù)電動汽車的驅(qū)動電動機屬于特種電動機，是電動汽車的關(guān)鍵部件。變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自適應控制，以及專家系統(tǒng)、遺傳算法等非線性智能控制技術(shù)，都將應用于電動汽車的電動機控制系統(tǒng)。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。2．電池及管理技術(shù)電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電池組性能直接影響整車的加速性能、續(xù)駛里程以及制動能量回收的效率等。電池的成本和循環(huán)壽命直接影響車輛的成本和可靠性電池包的設(shè)計既要密封、防水防塵、絕緣等，又要考慮空氣流流場分布、均勻散熱。3．整車控制技術(shù)新型純電動轎車整車控制系統(tǒng)是兩條總線的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即驅(qū)動系統(tǒng)的高速CAN總線和車身系統(tǒng)的低速總線，高速CAN總線每個節(jié)點為各子系統(tǒng)的ECU。低速總線按物理位置設(shè)置節(jié)點，基本原則是基于空間位置的區(qū)域自治實現(xiàn)整車網(wǎng)絡化控制4．整車輕量化技術(shù)1）通過對整車實際使用工況和使用要求的分析，對電池的電壓、容量、驅(qū)動電動功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、整車性能等車輛參數(shù)的整體優(yōu)化，合理選擇電池和電動機參數(shù)。2）通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和集成化、模塊化優(yōu)化設(shè)計，減輕動力總成、車載能源系統(tǒng)的質(zhì)量。3）積極采用輕質(zhì)材料，如電池箱的結(jié)構(gòu)框架、箱體封皮、輪轂等采用輕質(zhì)合材料。4）利用CAD技術(shù)對車身承載結(jié)構(gòu)件(如前后橋，新增的邊梁、橫梁)進行有限元分析研究，用計算和試驗相結(jié)合的方式，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。

4.2.3電池組參數(shù)設(shè)計

1．動力蓄電池匹配原則

動力蓄電池類型的選擇要符合電動汽車的運行要求。

動力蓄電池的電壓等級要與電動機電壓等級相一致且滿足電動機電壓變化的要求。

動力蓄電池一般有能量型與功率型兩種，為滿足電動汽車的行駛要求，采用能量型電池。

2．傳動系統(tǒng)傳動比主減速器傳動比為4.3245。采用Ⅲ檔變速器，I檔傳動比為2.0898，Ⅱ檔傳動比為1.4456，Ⅲ檔傳動比為1。3．蓄電池參數(shù)電池類型選擇鎳氫電池，其容量為250A·h，比能量為80W·h/kg，比功率為230W/kg，電池組數(shù)目為22。電動汽車傳動系統(tǒng)主要參數(shù)都是從汽車行駛時所消耗的能量出發(fā)推導計算得到的，理論上，它的動力性和續(xù)駛里程能夠滿足設(shè)計要求。

4.3.2純電動汽車續(xù)駛里程影響因素1．滾動阻力系數(shù)對續(xù)駛里程的影響輪胎的滾動阻力系數(shù)越小，續(xù)駛里程越大。2．空氣阻力系數(shù)對續(xù)駛里程的影響空氣阻力系數(shù)越小，續(xù)駛里程越大；車速越大，空氣阻力系數(shù)對電動汽車續(xù)駛里程的影響越明顯。3．機械效率對續(xù)駛里程的影響提高電動汽車動力傳動系統(tǒng)的機械效率，能有效地增加電動汽車的續(xù)駛里程。4．整車質(zhì)量對續(xù)駛里程的影響整車質(zhì)量越大，續(xù)駛里程越??；并且不同車速時，續(xù)駛里程也不相同。5．蓄電池參數(shù)對電動汽車續(xù)駛里程的影響（1）蓄電池的放電深度

蓄電池的放電深度越大，電動汽車的續(xù)駛里程就越大（2）電池比能量

當電動汽車攜帶的電池總量一定時，電池參數(shù)中電池的比能量對續(xù)駛里程影響最大，比能量越大，續(xù)駛里程越長。（3）電池箱串聯(lián)電池個數(shù)對續(xù)駛里程的影響

增加每個電池箱串聯(lián)電池的個數(shù)，電動汽車的續(xù)駛里程明顯增加。（4）電池箱并聯(lián)電池組數(shù)對續(xù)駛里程的影響

在保持電池組總電壓的情況下，增加并聯(lián)電池箱的數(shù)量可顯著增加電動汽車的續(xù)駛里程。（5）自行放電率

蓄電池的自行放電率是指在電池的存放期間容量的下降率，即蓄電池無負荷時自身放電使容量損失的速度。6．續(xù)駛里程其他影響因素的分析（1）行駛工況對續(xù)駛里程的影響

行駛工況對電動汽車的續(xù)駛里程影響很大，對于恒速行駛，電流隨車速的增加而增加，每千米消耗的電能隨車速的升高增加，而電池的放電容量則隨車速的升高面減小，故其續(xù)駛里程隨行駛車速的升高而減少（2）行駛的環(huán)境狀況對續(xù)駛里程的影響

在相同的車輛條件下，電動汽車行駛的道路情況與環(huán)境氣候?qū)﹄妱悠囆旭偟睦m(xù)駛里程有很大影響。（3）輔助系統(tǒng)和低電壓電器系統(tǒng)對續(xù)駛里程的影響

電動汽車上制動系統(tǒng)的空氣壓縮機、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油泵需輔助電動機驅(qū)動，其他還有照明、音響、空調(diào)、通風、取暖等電器都需要消耗電池的能量。4.4純電動汽車電源概況純電動汽車電源由高壓電源、低壓電源，充電系統(tǒng)，高壓電纜，電源管理系統(tǒng)、高壓配電系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和預充電系統(tǒng)8個部分組。4.4.1純電動汽車電源系統(tǒng)的功用1）電動汽車起動時，電源系統(tǒng)向電機以及其他電氣設(shè)備供電。2）當動力蓄電池電壓高或低于設(shè)定的電動勢時，電管理系統(tǒng)會切斷動力蓄電池，同時發(fā)出警告。3）當動力蓄電池斷路或損壞時電源管理系統(tǒng)會切斷動力蓄電池保護乘員的人身安全。4）能吸收整車電氣系統(tǒng)電路中出現(xiàn)的瞬時過電壓、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，保護電子元件不被損壞；另外，對電子控制系統(tǒng)來說,電源系統(tǒng)也是電子控制裝置內(nèi)的不間斷電源。4.4.2純電動汽車電源系統(tǒng)組成1.高壓電源為了使電動汽車有更好的駕駛性能和更遠的續(xù)航里程，純電動汽車的高壓電源是由幾十個單體磷酸鐵鋰電池串聯(lián)而成的動力蓄電池組，其功能是儲存能量和釋放能量。2.低壓電源

低壓電源是由車載12V鉛酸蓄電池和DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)提供的，DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓為13.8V。DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能如下：1）能將動力蓄電池上的高壓直流電轉(zhuǎn)換成12V低壓直流電。2）能對12V后備電池進行充電管理。3）通過DC/DC面板指示燈顯示工作狀態(tài)、故障代碼等。4）密封防水形式，無風扇，自然對流冷卻。低壓電源與高壓電源連接線路圖如圖所示。3.充電系統(tǒng)

動力蓄電池充電系統(tǒng)是電動汽車特有的，充電系統(tǒng)有慢充和快充之分。慢充系統(tǒng)主要是依靠車載充電機以小電流給車輛充電，充電時間長；快充系統(tǒng)主要是依靠充電站以大電流給車輛充電，充電時間短。

（1）過熱保護

當充電機內(nèi)部溫度超過75℃，充電電流自動減少，超過85℃時，充電機保護性關(guān)機，溫度下降時，自動恢復充電。（2）短路保護

當充電機輸出發(fā)生意外短路時，充電機自動關(guān)閉輸出，故障排除后，延遲10s重新啟動充電。

（3）反接保護

當電池反接時，充電機會切斷內(nèi)部電路與電池的連接，不會啟動充電，并不會有任何損壞。

（4）輸入低壓、過壓保護當輸入交流電壓低于85V或高于265V時，充電機保護性關(guān)機，電壓正常后自動恢復工作。4.高壓電纜

高壓電纜是電動汽車特用的專用電纜，它包括高壓電纜和高壓電纜專用接口。其功用是保證能傳送大電流、大電壓的同時又能滿足電纜散熱性能，絕緣性能良好。5.電源管理系統(tǒng)純電動汽車電源管理系統(tǒng)的作用是采集動力蓄電池的電壓、電流和溫度，以判斷動力蓄電池的漏電狀態(tài)，通過控制高壓配電箱內(nèi)高壓接觸器和繼電器來控制電池的充放電狀態(tài)，主要由主控模塊、采集模塊和絕緣模塊組成。6．熱管理系統(tǒng)

純電動汽車的熱管理系統(tǒng)主要是采用外界空氣主動式冷卻，裝備了風機給磷酸鐵鋰離子電池進行冷卻。熱管理系統(tǒng)風機控制結(jié)構(gòu)如圖所示。熱管理系統(tǒng)包括電動轎車的車架、電池箱和電池控制箱、電池箱進風口、風管、電池控制箱出風口和風機。車架前部為乘員艙后部，且與行李艙相鄰。電池箱前端開孔與乘員艙相連形成電池進風口，電池控制箱整體呈T形，位于行李艙內(nèi)，電池控制箱內(nèi)裝有電池組和控制硬件，其T形尾部中間位置設(shè)有電池控制箱的出風口。

8.高壓配電系統(tǒng)

高壓配電系統(tǒng)的功能是由供電的動力蓄電池將電能通過繼電器、熔斷絲等配電器件，送到車輛的電機系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、PTC加熱系統(tǒng)、DC/DC低壓系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。它主要由維修開關(guān)、電源管理系統(tǒng)、分流器、繼電器、預充電阻、接觸器、熔斷絲等組成。純電動汽車高壓配電箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖所示。（1）接觸器

接觸器用來接通或斷開功率較大的負載，用在（功率）主電路中，主觸頭可能帶有連鎖接頭以表示主觸頭的開閉狀態(tài)。（2）繼電器

繼電器一般用在電器控制電路中，用來放大微型或小型繼電器的觸點容量，以驅(qū)動較大的負載。（3）分流器

分流器是一個阻值很小的電阻，當有直流電流通過時，即產(chǎn)生壓降，系統(tǒng)通過測量該壓降，即可得到此刻的通過電流值，當ECU判斷通過分流器的電流大于預設(shè)電流時，則斷開總正接觸器，對后端的功能單元起到斷電保護作用。其外形如圖所示。（4）熔斷器

熔斷器俗稱“保險絲”，就是在電路中連接一段低熔點的金屬絲或金屬片，既是導體也是過熱熔斷的脆弱環(huán)節(jié)，在過負荷時通過熱熔效應而切斷故障電流，實現(xiàn)對用電器的自動保護。（5）緊急維修開關(guān)1）緊急維修開關(guān)外形和緊急維修開關(guān)電氣部位布置位置如圖所示。2）緊急維修開關(guān)操作要求。

①緊急維修開關(guān)是在特殊情況下才使用，如車輛維修、漏電報警等情況，在非特殊情況下不允許對緊急維修開關(guān)進行操作。

②緊急維修開關(guān)的操作應由專業(yè)人員進行，至少操作人員應該進行過相關(guān)培訓。

③操作時，操作人員必須佩帶必要的勞保用品，如絕緣手套、絕緣膠鞋等，其電壓等級必須大于電池組的最高電壓。用前需檢查其是否完好無損，確保安全。

④拔下緊急維修開關(guān)手柄后，必須妥善保管，直至檢修完畢，避免誤操作。⑤拆開緊急維修開關(guān)之后，必須等待至少10min后方能進行維修操作，以確保高壓線路的余電已釋放，如果條件允許建議等待時間為30min。推薦的操作步驟如下：a）斷開點火開關(guān)，并將鑰匙移開智能鑰匙系統(tǒng)探測范圍。b）斷開低壓蓄電池負極端子。c）確認絕緣手套不漏氣，并佩戴。d）斷開緊急維修開關(guān)。e）將緊急維修開關(guān)保存于自己口袋當中。f）等待10min或更長時間，以便高壓部件總成內(nèi)部電容放電。4.5純電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）電池管理系統(tǒng)是集監(jiān)測、控制與管理為一體的、復雜的電氣測控系統(tǒng)，也是電動汽車商品化、實用化的關(guān)鍵。電池管理的核心問題就是SOC的預估問題，電動汽車電池操作窗SOC的合理范圍是30%～70%，這對保證電池壽命和整體的能量效率至關(guān)重要。4.5.1基本構(gòu)成和功能

電池管理系統(tǒng)的主要工作原理可簡單歸納為：數(shù)據(jù)采集電路采集電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù)后，由電子控制單元(ECU)進行數(shù)據(jù)處理和分析，然后電池管理系統(tǒng)根據(jù)分析結(jié)果對系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令，并向外界傳遞參數(shù)信息。在功能上，電池能量管理系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)計算、能量管理、安全管理、熱管理、均衡控制、通信功能和人機接口。數(shù)據(jù)采集電池管理系統(tǒng)的所有算法都是以采集的動力蓄電池數(shù)據(jù)作為輸入，采樣速率、精度和前置濾波特性是影響電池系統(tǒng)性能的重要指標。2.電池狀態(tài)計算電池狀態(tài)計算包括電池組電荷狀態(tài)和電池組健康狀態(tài)兩方面。SOC用來提示動力蓄電池組剩余電量，是計算和估計電動汽車續(xù)駛里程的基礎(chǔ)。SOH用來提示電池技術(shù)狀態(tài)、預計可用壽命等健康的參數(shù)。3.能量管理主要包括以電流、電壓、溫度、SOC和SOH為輸入進行放電過程控制，以SOC、SOH和溫度等參數(shù)為條件進行放電功率控制。4.安全管理監(jiān)視電池電壓、電流、溫度是否超過正常范圍，防止電池組過充放。5.熱管理對于大功率放電和高溫條件下使用的電池，電池的熱管理尤為重要。6.均衡控制由于電池的一致性差異導致電池組的工作狀態(tài)是由最差電池單體決定的。7.通信功能通過電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)電池參數(shù)和信息與車載設(shè)備或非車載設(shè)備的通信，為充放電控制、整車控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)是電池管理系統(tǒng)的重要功能之8.人機接口根據(jù)設(shè)計的需要設(shè)置顯示信息以及控制按鍵、旋鈕等。4.5.2電量管理系統(tǒng)

充放電電流相對于額定充放電工況，動力蓄電池一般表現(xiàn)為大電流可充放電容量低于額定容量，小電流可充放電容量大于額定容量。2.溫度不同溫度下電池組的容量存在著一定的變化，溫度段的選擇及校正因素直接影響到電池性能和可用電量。

3.電池容量衰減電池的容量在循環(huán)過程中會逐漸減少，因此對電量的校正條件就需要不斷的改變，這也是影響模型精度的一個重要因素。4.自放電由于電池內(nèi)部的化學反應，產(chǎn)生自放電現(xiàn)象，使其在放置不用時電量發(fā)生損失。自放電大小主要與環(huán)境溫度成正比，需要按實驗數(shù)據(jù)進行修正。5.一致性電池組的建模和容量估算與單體電池有一定的區(qū)別，電池組的一致性差別對電量的估算有重要的影響。4.5.3均衡管理系統(tǒng)

1．能量耗散型能量耗散型是通過單體電池的并聯(lián)電阻進行放電分流從而實現(xiàn)均衡，如圖所示，這種電路結(jié)構(gòu)簡單，均衡過程一般在放電過程中完成，對容量低的單體電池不能補充電量，存在能量浪費和增加熱管理系統(tǒng)負荷的問題。2．非能量耗散型（1）能量轉(zhuǎn)換式均衡

能量轉(zhuǎn)換式均衡是通過開關(guān)信號，將電池組整體能量對單體電池進行能量補充，或者將單體電池能量向整體電池組進行能量轉(zhuǎn)換。其中單體能量向整體能量轉(zhuǎn)換一般都是在電池組放電過程中進行，電路如圖所示。電池組整體能量向單體轉(zhuǎn)換的電路如圖所示。這種方式也稱為補充式均衡，即在放電過程中首先通過主放電模塊對電池組進行放電，電壓檢測電路對每個單體電池進行監(jiān)控。（2）能量轉(zhuǎn)移式均衡

能量轉(zhuǎn)移式均衡是利用電感或電容等儲能元件，把電池組中容量高的單體電池通過儲能元件轉(zhuǎn)移到容量比較低的電池上，如圖所示。4.5.4熱管理系統(tǒng)電池組熱管理系統(tǒng)有如下5項主要功能：1）電池溫度的準確測量和監(jiān)控。2）電池組溫度過高時的有效散熱和通風。3）低溫條件下的快速加熱。4）有害氣體產(chǎn)生時的有效通風。5）保證電池組溫度場的均勻分布。電池組高溫放電冷卻控制策略

當BMS檢測到單體最高溫度大于35℃或溫差大于6℃時，熱管理系統(tǒng)風扇開啟；當電池箱體最低溫度T>10℃時，加熱電阻絲斷電。如果兩箱體溫差ΔT≥3℃，熱管理系統(tǒng)風扇依然開啟，否則熱管理系統(tǒng)風扇停止工作。2.電池組低溫充電加熱控制策略

（1）充電預加熱模式

BMS進入充電預加熱模式后，控制充電器輸出功率，用于一定功率的加熱器，預加熱時間為lh。1）當加熱1h后，電池單體最低溫度高于5℃，BMS進入正常充電模式；2）當加熱1h后，電池單體最低溫度小于等于5℃，BMS進入充電加熱模式。（2）充電加熱模式

BMS進入充電加熱模式后，控制充電器正常輸出功率工作，邊加熱（加熱器電流為3A左右）邊涓流充電（電池充電電流為3A左右）保證電池安全，然后通過CAN總線開啟車載充電器。

（3）正常充電模式

BMS進入正常充電模式后，控制充電器正常輸出功率，然后通過CAN總線開啟車載充電器。1）當在充電過程中檢測到電池單體最低溫度小于等于0℃時，首先通過CAN總線關(guān)閉車載充電器，然后BMS進入充電加熱模式；2）當檢測到電池被充滿電時，BMS通過CAN關(guān)閉總線車載充電器，停止加熱和充電。4.5.5電安全管理系統(tǒng)

漏電直測法可以將萬用表打到電流檔，串在直流正極與設(shè)備殼（或者地）之間，這樣就可以檢測到直流負極對殼體之間的漏電流，同樣也可以串在負極與殼體之間檢測直流正極對殼體之間的漏電流。2.電流傳感法

采用霍爾式電流傳感器是對高壓直流系統(tǒng)檢測的一種常見方法，將電源系統(tǒng)中待測的正極和負極一起同方向穿過電流傳感器，當沒有漏電流時，從電源正極流出的電流等于返回到電源負極的電流。3.絕緣電阻表測量法用絕緣電阻表測量絕緣電阻的阻值，絕緣電阻表俗稱兆歐表，它大多采用手搖發(fā)電機供電，故又稱搖表。4.5.6數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信是電池管理系統(tǒng)的重要組成部分之一。主要涉及電池管理系統(tǒng)內(nèi)部主控板與檢測板之間的通信、電池管理系統(tǒng)與車載主控制