第四章--纯电动汽车

第四章纯电动汽车 第一节概述 第二节纯电动汽车组成与原理 第三节纯电动汽车的关键技术 第四节纯电动汽车设计原则 2020 4 12 2020 4 12 第一节概述 一 纯电动汽车分类 电动轿车 电动货车 电动客车 第一节概述 二 纯电动汽车基本结构图 所示为现代纯电动汽车驱动系统的功能图 第二节纯电动汽车组成与原理 一 纯电动汽车驱动系统布置形式由于电动汽车电驱动和能源的多样性 导致存在各种可能的结构形式 如图 所示 第二节纯电动汽车组成与原理 二 电力驱动系统 电力驱动系统包括电动机驱动装置 机械传动装置和车轮 如图 所示为电动机驱动系统结构示意图 第二节纯电动汽车组成与原理 三 电源系统 对车载充电器有以下几点需求 具有高功率密度 以便减小充电器的体积和重量 具有高效率 以减少发热和提高能量利用率 高功率因数和低的谐波含量 以减少对电网的影响 满足环保要求 具有良好的抗振动 防水 防尘性能 具有良好的温度适应性 具有高安全性 如高绝缘性 过流保护 过压保护 短路保护等特性 车载充电器一般采用下列技术 高效隔离型的 技术 单相功率因数校正和谐波抑制技术 高密度磁集成技术 密封结构和工作时散热设计 与电池管理系统进行通信 非车载充电器要符合以下技术要求 充电器功率密度要高 以减少安装空间和降低成本 运行效率高 以提高能量利用率和降低运行成本 高功率因数和低的谐波含量 以减少对电网的影响 充电电流满足大功率充电的要求 具有高安全性 如高绝缘性 过流保护 过压保护 短路保护以及防雷击等特性 第二节纯电动汽车组成与原理 非车载充电器一般采用下列技术 高效隔离型的 技术 三相功率因数校正和谐波抑制技术 多个整流模块并联均流技术 快速充电技术及其应用 与电池管理系统进行通信 下面对其中关键的隔离型 技术和功率因数校正和谐波抑制技术进行介绍 隔离型的 技术 图 是该变换器主回路 个开关管两端并联电容或利用开关管的寄生电容 并利用变压器的漏感即可实现开关管的零电压关断 第二节纯电动汽车组成与原理 功率因数校正和谐波抑制技术 的基本原理框图如图 所示 控制模式 控制模式 第二节纯电动汽车组成与原理 有源功率因数校正技术从结构上分为两级 和单级 两级功率因数校正 典型的两级变换器的结构如图 所示 第二节纯电动汽车组成与原理 单级功率因数校正 典型的单节 变换器电路如图 所示 第二节纯电动汽车组成与原理 四 辅助系统 电控助力转向系统 电动助力转向系统具有以下优点 能源消耗低 不转向时候不消耗功率 操纵性能好 可以通过软件实现随着车速等信息的变化而变化的转向助力 结构简洁 安装方便 电动助力转向可以分为三大类 液压电动助力转向系统 在该系统中 转向助力系统由液压驱动控制 只是液压泵不再是发动机驱动 而是由电控单元控制的直流无刷电机驱动 它们根据转向系统需要向液压转向助力器提高压力油 该系统与发动机驱动系统相比 降低了油耗同时提高了车辆的操纵性 第二节纯电动汽车组成与原理 电动助力转向系统 它取消了传统的液压油泵 液压助力油缸 油管 液压油等部件 直接由电动机对转向系统助力 如图 所示 与传统液压助力系统相比 减少了结构的复杂性 第二节纯电动汽车组成与原理 线控电动转向系统 它与传统的转向系统相比 去掉了转向盘与车轮之间的机械连接 如图 所示 第二节纯电动汽车组成与原理 电动空调系统 电动空调与传统燃油汽车空调装置相比 有以下优点 提高车载空间的自由度 效率高 省能源 提高乘员的舒适性 如图 所示 第二节纯电动汽车组成与原理 电动空调的制热常用的有三种方法 采用 加热器加热 采用电动机冷却液余热 同时 辅助加热 热泵型空调系统 系统的工作原理图如图 所示 第二节纯电动汽车组成与原理 电动制动器电动制动器施加在制动摩擦片上的作用力 是通过采用力矩电动机驱动滚珠丝杠 图 或者电动机的输出经过减速齿轮后 图 加在制动盘上 第二节纯电动汽车组成与原理 第二节纯电动汽车组成与原理 制动系统与传统制动系统相比 它具有以下优点 制动系统用电线传递能量 数据线传递信号 完全摒弃了原有的液压管路等部件 而且无真空助力器 结构简洁 质量轻 体积小 便于发动机舱其他部件的布置 也有利于减轻整车质量和整车结构的设计与布置 采用了电控 易于并入车辆综合控制网络中 并且可以同实现 等多种功能 这些电子装备的传感器 控制单元等部件可以与 共用 而无需增加其他的附加装置 避免了像传统制动系统那样 在制动系统线路上安装大量的电磁阀和传感器 使得制动系统结构更加复杂 也增加了液压回路泄漏的隐患 在传统的制动系统中 踏板至制动主缸的机械结构以及气压液压系统的固有特性 使得制动反应时间长 动态响应速度慢 以踏板模拟器代替了传统的机械踏板传力装置 中心控制单元接受踏板模拟器传来的电信号 判断驾驶员的意图 产生相应的控制命令 这样便大大缩短了制动反应时间 而且改善了制动时的脚感 传动效率高 安全可靠 而且节能 无需制动液 降低了对环境的污染 第三节纯电动汽车的关键技术 一 电动机及控制技术 内置式永磁同步电动机的输出特性曲线非常接近电动汽车驱动电动机理想特性曲线 如图 第三节纯电动汽车的关键技术 现在电动汽车上采用最多是电动机是交流异步电动机和永磁同步电动机 有两种控制技术可以用来控制它们 矢量控制技术 直接转矩控制 参数辨识 图 和 是实际测得某电动机参数变化的情况 第三节纯电动汽车的关键技术 无传感器控制 无传感器控制主要指无位置传感器 主要可以分为基波激磁估算法和高频信号成分法 故障诊断 电动机本身的故障包括定子绕组故障 永磁体故障和转子偏心等 定子绕组故障包括匝间短路 相间短路 相与外壳短路 某相开路等 如图 所示 永磁体故障包括高温退磁 永磁体由于机械强度不足造成的损伤等 转子偏心包括静态偏心和动态偏心 如图 所示 第三节纯电动汽车的关键技术 第三节纯电动汽车的关键技术 二 电池管理系统及策略 电池模型 Peukert方程式 的Peukert方程是经典的电池模型 方程表明 电池的可用电量随着放电电流的增大而减少 Peukert方程可以写为另外一种形式 用来表示不同放电电流下的放电率之比 第三节纯电动汽车的关键技术 Shepherd模型式 是Shepherd模型 该模型常用于电动汽车分析 根据电池的电压 电流描述电池的电化学行为 常与Peukert方程一起来计算在不同需求功率是电池的电压和SOC 第三节纯电动汽车的关键技术 Unnewehr模型Shepherd模型适用于小电流恒流工作的电池 模型能够找到电池放电时端电压开始迅速下降的拐点 实际工作的电动汽车电池并不经常工作在这样的临界状态 Unnewehr和Nasar将Shepherd模型简化为 开路或者空载情况下电流近似为零 因此开路电压即空载电池端电压简化为 定义电池等价内阻为 第三节纯电动汽车的关键技术 通过该模型建立了 随 的变化关系 结合放电功率 可以得到电流的公式 可以通过下式计算放电时的电流 充电时的电流 最大功率 第三节纯电动汽车的关键技术 等效电路电池模型 Thevenin电池模型 如图 所示 线性电路模型 如图 所示 第三节纯电动汽车的关键技术 非线性电路模型 图 所示 电池实验手册中介绍的 电池模型是一个典型的非线性模型 神经网络模型 神经网络具有非线性 容错性 自学习性的特点 而电池也是一种非线性的系统 因此 可以用于电池的建模 第三节纯电动汽车的关键技术 特定因素模型 温度模型 电池的容量在最佳温度范围以外时会有衰减的现象 常用的用来描述这个衰减的模型如下 模型 电池的 极大地影响电池性能 随着 的增加电池的开路电压通常会降低 近似符合线性关系 第三节纯电动汽车的关键技术 循环寿命模型 循环寿命模型是指电池寿命与放电深度 depthofdischarge DOD 之间的关系 可以由以下等式描述 电池 估计 比较常用的 估计方法有 实验放电法 安培计量法 内阻法 负载电压法 开路电压法 线性模型 神经网络法 卡尔曼滤波法等 电池组热管理 第三节纯电动汽车的关键技术 电池热管理系统设计的一般过程如下 确定热管理系统的目标和要求 测量和计算电池模型的基本参数 包括导热系数 对流换热系数 比热容等 热管理系统总体设计 包括传热介质的选择 电池箱体和通风等设计 初步设计热管理系统 主要包括仿真和实验模型的建立 仿真和实验 分析结果并对热管理系统进行优化 美国加州大学的YufeiChen等在计算锂聚合物电池内部温度场时使用了的三维模型 其模型如下 第三节纯电动汽车的关键技术 三 整车控制技术 整车控制功能分为集中式控制和分布式控制两种结构 分布式控制系统具有模块化 复杂度低和灵活配置等优点 其控制系统的结构如图 所示 第三节纯电动汽车的关键技术 整车控制器负责整车的运行管理及对各个相关 电控单元的控制 它的基本功能有以下几个方面 驱动控制功能 制动能量回馈控制 整车能量优化管理 故障诊断与处理 第四节纯电动汽车设计原则 一 纯电动汽车整车设计原则 在进行整车设计时 首先要确定电动汽车的运行工况 然后进行针对性的设计 提出各个部分的参数要求 然后根据对应行驶工况下的均衡功率和功率范围 确定蓄电池组的容量 通过优化控制策略 提高能源的利用率和电池的寿命 二 传动系统设计电动汽车动力传动系统的设计应该满足车辆对动力性能的要求和续驶里程的要求 汽车的行驶方程式为 第四节纯电动汽车设计原则 驱动力电动机产生的转矩 经传动系传至驱动轮上 此时作用于驱动轮上的转矩 产生一对地面的圆周力 如图 所示 地面对驱动轮的反作用力 方向与 相反 即是驱动汽车的外力 此外力称为汽车的驱动力 其数值为 第四节纯电动汽车设计原则 令传动系统总传动比为 主减速器的传动比 0 变速器的传动比 传动系统的机械效率为 驱动电动机的输出转矩为 则有 行驶阻力 汽车行驶的总阻力为 第四节纯电动汽车设计原则 滚动阻力滚动阻力 可以等效的表示为 空气阻力 在无风条件下汽车的运动 即为汽车的行驶速度 单位为 为 时 空气阻力可以表示为 第四节纯电动汽车设计原则 坡度阻力 当道路的坡度较小时 通常采用坡度值替代 即 第四节纯电动汽车设计原则 加速阻力 这样 汽车行驶阻力为 车辆运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率 空气阻力功率 坡度阻力功率 以及加速阻力功率 即 第四节纯电动汽车设计原则 根据以上的推导 可得车辆行驶过程中的平衡方程如下 电动机参数设计 电动机的功率所选择的电动机功率应不小于在平坦良好路面上车辆以最高车速行驶时阻力功率之和 即 忽略加速阻力功率和空气阻力功率 汽车在爬坡工况下 要求的瞬时过载功率 第四节纯电动汽车设计原则 电动机的额定转速电动机的额定转速由常规车速确定 电动机的额定转矩电动机的额定转矩由额定功率和额定转速确定 第四节纯电动汽车设计原则 传动比选择 最小传动比挡位为直接挡 主减速器的传动比可以由最高车速求取 即有 为了使电动机在最高