纯电动汽车的基本构成及其关键技术.docx

如图1所示，纯电动汽车EV (Electric Vehicle)是仅由动力蓄电池向电动机提供电能驱动车辆行驶的道路车辆，也称为蓄电池电动汽车。纯电动汽车具有以下特点：节能，不消耗石油；环保，无污染；噪声和振动小；能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传递，各部件的布置具有很大的灵活性；驱动系统布置不同会使系统结构区别很大，采用不同类型的电动机（如直流电动机和交流电动机）会影响到纯电动汽车的质量、尺寸和形状；不同类型的储能装置会影响纯电动汽车的质量、尺寸及形状；不同的补充能源装置具有不同的硬件和机构，例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电器充电，或者采用替换蓄电池的方式，对替换下来的蓄电池进行集中充电。1 纯电动汽车的类型 纯电动汽车按照用途进行分类，可以分为纯电动轿车、纯电动货车和纯电动客车3种类型；按照驱动型式进行分类，可以分为直流电动机驱动的纯电动汽车、交流电动机驱动的纯电动汽车、双电动机驱动的纯电动汽车、双绕组电动机驱动的纯电动汽车和电动轮纯电动汽车等5种类型。2纯宅动汽车的基本构成如图2所示，纯电动汽车主要由电力驱动系统、电源系统、辅助系统、控制系统、安全保护系统等组成。汽车行驶时，由蓄电池输出电能（电流）通过控制驱动电动机运转，电动机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。图3所示为奥运纯电动客车的基本构成。21电力驱动系统 纯电动汽车的电力驱动系统的构成简图如图4所示，主要由电子控制器、驱动电动机、电动机逆变器、各种传感器、机械传动装置和车轮等组成，其中最关键的是电动机逆变器，电动机不同，控制器也有所不同，控制器将蓄电池直流电逆变成交流电后驱动交流驱动电动机，电动机输出的转矩经传动系统驱动车轮，使电动汽车行驶。该系统的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，并能够在汽车减速制动时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。 驱动电动机是驱动EV行驶的唯一动力装置。目前EV上使用的驱动电动机主要类型有直流电动机、交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。再生制动是EV节能的重要措施之一。制动时电动机可实现再生制动，一般可回收10%15%的能量，有利于延长EV的行驶里程。在EV制动系统中，还保留有常规制动系统和ABS，以保证车辆在紧急制动时有可靠的制动性能。关于电动机，本讲座后文将详细讲解。22电源系统 纯电动汽车的电源系统包括车载电源、能量管理系统和充电机等。它的功用是向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况及控制充电机向蓄电池充电。 纯电动汽车以动力蓄电池组作为车载皂源，用周期性的充电来补充电能。动力蓄电池组是EV的关键装备，储存的电能、质量和体积，对EV的性能起决定性影响，也是发展EV的主要研究和开发对象。EV发展的症结在于蓄电池，蓄电池技术对EV的制约仍然是EV发展的瓶颈；建立充电站系统、报废蓄电池回收和处理工厂，是推广EV的关键问题。纯电动汽车的常用电源有铅酸蓄电池、镍一镉蓄电池、镍一氢蓄电池、锂离子蓄电池等。车载电源的发展经历了以下几个阶段。 (1)第一代EV蓄电池铅酸蓄电池。其优点是技术成熟，成本低；其缺点是，比能量和比功率低，不能满足EV续驶里程和动力性能的需求，但进一步发展了阀控铅酸蓄电池、铅布蓄电池等，使铅酸蓄电池的比能量有所提高。 (2)第二代EV蓄电池高能蓄电池。第二代EV高能蓄电池类型比较多，主要有镍一镉蓄电池、镍一氢蓄电池、钠一硫蓄电池、钠一氯化镍蓄电池、锂离子蓄电池、锂聚合物蓄电池、锌一空气蓄电池和铝一空气蓄电池等。其优点是比能量和比功率都比铅酸蓄电池高，大大提高了EV的动力性能和续驶里程；其缺点是，有些高能蓄电池需要复杂的蓄电池管理系统和温度控制系统，各种蓄电池对充电技术有不同的要求，而且电化学蓄电池中的活性物质在便用一定的期限后会老化变质，以至完全丧失充电和放电功能而报废，从而使EV的使用成本较高。 (3)第三代EV蓄电池飞轮蓄电池和超级电容器。飞轮蓄电池是电能一机械能一电能转换的电池；超级电容器是电能一电位能一电能转换的电池。这两种储能器在理论上都具有很大的转换能力，而且充电和放电方便迅速，但目前尚处于研制阶段。EV车载电源由高压电源和低压电源两部分组成。高压电源是动力蓄电池组提供的155 V380 V的高压直流电，动力蓄电池组是供电动机工作的唯一动力源，空调系统的空调压缩机，动力转向系统的转向油泵和制动系统的真空泵等，也需要动力蓄电池组提供动力电能；动力蓄电池组通过DC/AC转换器，供应12 V或24 V的低压电，并储存到低压蓄电池组中，作为仪表、照明和信号装置等工作的电源。 蓄电池管理系统用于对动力蓄电池组充电与放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈电流、蓄电池温度等进行控制。个别蓄电池性能变化后会影响到整个动力蓄电池组的性能，故需用蓄电池管理系统来对整个动力蓄电池组及其每一单体蓄电池进行监控，保持各个单体蓄电池间的一致性。动力蓄电池组必须进行周期性的充电，高效率充电装置和快速充电装置是EV使用时所必须的辅助设备，可采用地面充电器、车载充电器、接触式充电器或感应式充电器等进行充电。23辅助系统 纯电动汽车辅助系统主要包括辅助动力源、空调器、动力转向系统、导航系统、刮水器、收音机及照明和除霜装置等。辅助动力源主要由辅助电源和DC/AC转换器组成，其功用是向动力转向系统、空调及其他辅助设备提供电力。2.4控制系统 EV的控制系统主要是对动力蓄电池组的管理和对驱动电动机的控制。EV的控制系统的主要作用有：将加速踏板、制动踏板机械位移的行程量转换为电信号，输入至中央控制单元，通过动力控制单元控制驱动电动机运转；计算动力蓄电池组剩余电量和剩余续驶里程；对整车低压系统的电子、电器装置进行控制；采用各种各样的传感器、报警装置和自诊断装置等，对整个动力蓄电池组一功率转换器一驱动电动机系统进行监控并及时反馈信息和报警。25安全保护系统 动力蓄电池组具有高压直流电，因此必须设置安全保护系统，以确保驾驶人、乘员和维修人员在驾驶、乘坐和维修时的安全。另外，纯电动汽车必须配备电气装置的故障自诊断系统和故障报警系统，在电气系统发生故障时自动控制EV不能起动等，及时防止事故的发生。2.6车身及底盘 EV车身造型特别重视流线型，以降低空气阻力系数。由于动力蓄电池组的质量大，为减轻整车质量，一般采用轻质材料制造车身和底盘部分总成。动力蓄电池组占据的空间大，在底盘布置上还要有足够的空间存放动力蓄电池组，并且要求线路连接、充电、检查和装卸方便，能够实现动力蓄电池组的整体机械化装卸。3纯电动汽车的关键技术3.1驱动电动机及控制技术 纯电动汽车的驱动电动机属于特种电动机，是电动汽车的关键部件。驱动电动机应具有良好的转矩一转速特牲，驱动电动机应具有较宽的调速范围及较高的转速(一般为6 000 r/min15 000 r/min)，足够大的起动转矩，体积小、质量轻、效率高，且有动态制动强和能量回馈的性能；根据车辆的行驶工况，驱动电动机可以在恒转矩区和恒功率区运转；驱动电动机应经常保持在高效率范围内运转，在低速、大转矩（恒转矩区）运转范围内效率在0.7 5-0.85，在恒功率运转范围内效率在0.8-0.9，图5所示为纯电动汽车驱动电动机的效率图。今后变结构控制技术、模糊控制技术、神经网络、自适应控制技术、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于纯电动汽车的驱动电动机控制系统。纯电动汽车再生制动控制系统可以节约能源、提高续驶里程，具有显著的经济价值和社会效益。再生制动还可以减少制动摩擦片的磨损，降低车辆故障率及使用成本。纯电动汽车一般在车辆空间和使用环境上要求较严格，所以对驱动电动机驱动系统提出更高的要求：体积质量密度高，效率高，调速范围宽，制动能量回馈，适应性好，可靠性高。目前纯电动汽车电动机主要有以下四类：直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁无刷电动机(PMBLM)和开关磁阻电动机(SRM)。近几年来，电动汽车用电动机逐渐由直流向交流发展，直流电动机基本上已经被交流电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。3.2蓄电池及管理技术 蓄电池是纯电动汽车的储能动力源，也是一直制约纯电动汽车发展的关键因素。纯电动汽车用蓄电池要求比能量高，比功率大，使用寿命长，充电技术成熟、时间短，连续放电率高、自放电率低，适应车辆运行环境，寿命长、免维护，适应车辆运行环境。但目前的蓄电池能量密度低，蓄电池组过重，续驶里程短，价格高，循环寿命有限。纯电动汽车要获得非常好的动力特性，必须具有比能量高、使用寿命长、比功率大的蓄电池作为动力源，而要使纯电动汽车具有良好的工作性能，就必须对蓄电池进行系统管理。 能量管理系统是纯电动汽车的智能核心。一辆优良的电动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、选择适当的能量源（即蓄电池）外，还应该有一套协调各个功能部分工作的能量管理系统，它的作用是检测单个电池或电池组的荷电状态，并根据各种传感信息，包括力、加减速命令、行驶路况、蓄电池工况、环境温度等，合理地调配和使用有限的车载能量；它还能够根据蓄电池组的使用情况和充放电历史选择最佳充电方式，以尽可能延长蓄电池的寿命。世界各大汽车制造商的研究机构都在进行纯电动汽车车载蓄电池能量管理系统的研究与开发。纯电动汽车蓄电池当前存有多少电能，还能行驶多少公里，是纯电动汽车行驶中必须知道的重要参数，也是纯电动汽车能量管理系统应该完成的重要功能。应用纯电动汽车车载能量管理系统，可以更加准确地设计纯电动汽车的电能储存系统，确定一个最佳的能量存储及管理结构，并且可以提高电动汽车本身的性能。 在纯电动汽车上实现能量管理的难点，在于如何根据所采集的每块蓄电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块蓄电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。33减速器传动比的确定 由于电动机的转速高，不能直接驱动车辆的车轮，通常在驱动系统中采用大速比的减速器或2挡变速器，其作用是减速、增扭。减速器或变速器中不设置倒挡齿轮，倒车是靠电动机的反转来实现的。3.4整车控制技术 整车控制系统由整车控制器、通讯系统、部件控制器及驾驶人操纵系统构成，主要功能是根据驾驶人的操作和当前的工况，在保证安全和动力性要求的前提下选择尽可能优化的工作模式。 目前，较主流的纯电动汽车整车控制系统都采用CAN总线通讯连接，这样不仅大大提高了控制的效率和稳定性，而且能实现数字控制。纯电动汽车驱动电动机、蓄电池等执行动力部分的状态信号被发送到CAN总线，最终传输到显示终端提供给驾驶人，以实现整车控制。 新的电子控制系统在传统汽车上应用不多，但其对纯电动汽车的工作有着重要影响。与国外相比，目前我国还有一定的差距，但是随着电动机驱动系统的发展及各种新技术、新材料的应用，国内外在这方面的差距将越来越小。 新型纯电动轿车整车控制系统是两条总线的网络结构，高速CAN总线每个节点为各子系统的FJCU；低速总线按物理位置设置节点，基本原则是基于空间位置的区域自治。实现整车网络化控制，其意义不只是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加问题，网络化实现的通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在汽车上应用的一个基础，同时也为X-by-Wire技术提供有力的支撑。 整车控制系统设计的目的是延长续驶里程，续驶里程是指纯电动汽车从动力蓄电池全充满状态开始到标准规定的试验结束时所走过的里程。采用工况法按照一定的工况反复地循环行驶，是EV测定续驶里程的基本方法。我国颁布的GBTI18386-2001电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法适用于EV最大息质量3 500 kg，最高车速70 kn/h的EV。延长续驶里程的方法有：选用高比能量的蓄电池；减少EV在行驶中各种环节中的能量损耗；减