电动汽车的驱动能源和结构原理

1、    电动汽车的驱动能源和结构原理         电动汽车的驱动能源中镍氢蓄电池在微、轻、中度混合动力车中广泛应用，强混合动力车、插电式混合动力车、纯电动车广泛应用锂离子蓄电池；乘用车驱动电机广泛应用稀土永磁同步电机。现代新能源汽车一般可分为三类：纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车。但是近几年在传统混合动力汽车的基础上，又派生出一种外接充电式混合动力汽车，这种汽车属混合动力车范畴。电动汽车的驱动能源电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法

2、规各项要求的汽车。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力、风力、太阳能等。有关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，再充入蓄电池，再由蓄电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少CO2的排放，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。蓄电池种类：化学电池按工作性质可分为：一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池）。其中：一次电池可分为：糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等。二次电池可分为：镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池、二次碱性锌锰

3、电池等。铅酸蓄电池可分为：开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。镍镉电池的循环使用寿命在300-700次左右，镍氢电池的可充电次数一般为400-800次，锂离子电池为1000-2000次。铅酸蓄电池：用二氧化铅作正极活性物质，铅作负极活性物质，硫酸作电解液，微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。铅酸电池（含铅酸胶体电池），成本便宜，性能稳定，以前的电动车都采用此种电池。由于铅酸电池的供电成本大体和柴油机供电相等，因此它仍然是低端电动车市场的主要动力电池。锂离子电池：锂离子电池指以金属锂或锂的化合物作活性物质的电池通称锂离子电池，分为一次锂电池和二次锂电池。锂离子电池指能使

4、锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极，锂的化合物作正极，混合电解液作电解质液制咸的电池。镉镍电池和镍金属氢化物电池：二者均采用氧化镍或氢氧化镍作正极，以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液，金属镉或金属氢化物作负极。镍金属氢化物电池为20世纪80年代末，利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成，是小型二次电池主导产品。燃料电池：指一种利用燃料（如氢气或含氢燃料）和氧化剂（如纯氧或空气中的氧）直接连接发电的装置。它具有效率高、电化学反应转换效率可达40%以上，且无污染气体排出的特点。燃料电池虽然是理想的清洁能源，但是目前它的价格太高，尚未达到理想寿命，加氢站建设、氢的运输与贮存等制约了

5、燃料电池的应用。绿色环保电池：指近年来已投入使用和正在研制的一类高性能、无污染电池，包括目前已投入使用的镍金属氢化物蓄电池、锂离子蓄电池，正在推广使用的燃科电池、太阳能电池（光伏电池）等。电动汽车的储能装置和电驱动的结构形式1.储能装置的结构形式现在电动汽车所独有的以蓄电池作动力源的一种结构，蓄电池可以布置在车的四周，也可以集中布置在车的尾部或底盘下面。所选用的蓄电池应该能提供足够高的能量密度和功率密度，并且在车辆制动时能回收再生制动能量。同时具有高能量密度和高功率密度的蓄电池对电动汽车而言是最理想的动力能源，能量密度影响汽车的续驶里程，而功率密度影响汽车的加速性和爬坡能力。电动汽车需要高能量

6、密度的蓄电池，而混合动力车需高功率密度的蓄电池。除了蓄电池外，还可以用燃料电池作储能装置，它是一个小型的发电装置。燃料电池能提供高的能量密度，但不能回收再生制动能量，因此最好与一种能提供高功率密度且能高效回收制动能量的蓄电池结合在一起使用。燃料电池所需的氢气不仅可以以压缩氢气、液态氢或金属氢化物的形式储存，还可以由常温的液态燃料如甲醇或汽油重整制氢随车产生。当用蓄电池与超级电容器作混合动力时，所选的蓄电池必须能提供高能量密度，因为超级电容器本身比蓄电池具有更高的功率密度和更高效的回收制动能量能力。由于用在电动汽车上的超级电容器相对而言电压较低，所以需要在蓄电池和超级电容器之间加一个功率转换器。

7、与超级电容器类似，飞轮是另外一种新兴的具有高功率密度和高效制动能量回收能力的储能器。用于电动汽车的飞轮与传统低速笨重的飞轮是不同的，这种飞轮质量轻，且在真空下高速运转，超高速飞轮与具有一种工作模式（电机和发电机）的电机转子相结合，能够将电能和机械能进行双向转换。显示了这种飞轮和蓄电池作混合动力的结构，所选用的蓄电池应能提供高能量密度。飞轮最好与无刷交流电机结合使用，因为这种电机的效率比直流电机高，因而应在蓄电池和飞轮之间加一个转换器。2.电驱动的结构形式。采用不同的电力驱动系统可构成不同结构形式的电动汽车。由发动机前置前驱的燃油车发展而来，它由电机、离合器、变速器和差速器组成。离合器用来切断或

8、接通电机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员可选择不同的变速比，把力矩传给车轮。如果用固定速比的减速器，去掉离合器，可减少机械传动装置的质量，缩小其体积。由电机、固定速比的减速器和差速器组成电力驱动系统。这种结构的电动汽车由于没有离合器和可选的变速档位，不能提供理想的扭矩和转速特性。它把电机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮，这种结构在小型电动汽车上应用最普遍。3.电动汽车的基本结构电动汽车系统由三个子系统组成，即电力驱动子系统，主能源管理子系统和整车控制子系统。其中，电力驱动子系统又由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组

9、成；主能源管理子系统由主电源和能量管理系统组成，能量管理系统是实现能源利用监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件；而整车控制子系统（整车控制器），它接受驾驶员的踏板信号和其它信号，然后作出相应的判断，控制各个部件作出动作，驱动汽车正常行驶，并尽可能实现比较高的能量使用效率。电动汽车与传统汽车相比结构简单。传统汽车的动力是通过刚性联轴器和传动轴传递的，而电动汽车的能量则基本上是通过柔性的电线传输的，并且其电机及传动系可以有多种不同的选择，因此电动汽车各个部件的选择和布置有很大的灵活性。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电机、电源和电机

10、的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。电源为电动汽车的驱动电机提供电能，电机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。驱动电机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。原来电动汽车上广泛采用直流串激电机，但直流电机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电机（BCDM）、开关磁阻电机（SRM）和交流异步电机所取代。电机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电机的电压或电流，完成电机的驱动扭矩和旋转方向的控制。早期的电动汽车上，

11、直流电机的调速采用串接电阻或改变电机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电机的端电压，控制电机的电流来实现电机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。在驱动电机的旋向变换控制中，直流电机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电机的旋向变换，这使得电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电机驱动时，电机转向的改变只需变换磁场三相电

12、流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。电动汽车传动装置的作用是将电机的驱动扭矩传给汽车的驱动轴，当采用电力驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略，如无需传统内燃机汽车的离合器，因为电机可以带负载起动。电动汽车也无需内燃机汽车变速器中的倒档。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换。当采用电机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电力驱动时，电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。4.电动车辆的驱动电机作为电动汽车三大关键技术之一，电机驱动系统和电池一样，对电动汽车的动力性能、

13、续驶里程也有着重大的影响。电机的高密度、小型轻量化和低成本对整车来讲至关重要。可靠性、耐久性、适应性是电动汽车对驱动电机系统的基本要求。由于车辆的振动及发动机舱的高温环境，车用电机在振动大、冲击大、灰尘多、温湿度变化大的恶劣环境条件下运行，必须适应环境条件的要求，使电机可靠、稳定、安全运行。此外，车用电机要具备低速高扭矩和高速恒功率的宽调速范围在电机起动汽车和行驶中起动发动机要求高扭矩，高速运行时能够进行恒功率输出；电机的基速和最高转速差别很大，存在很大的宽调速范围。电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。电动汽车驱动电机有高速有刷中置电机、高速有刷轮毂电机、低速有刷轮毂电机、低速无

14、刷轮毂电机、高速无刷轮毂电机等类型。目前使用较多的有永磁无刷同步、交流感应和开关磁阻等三种电机。在电子技术和电子元器件取得突破性进展之后，交流异步电机的调速问题得到解决，交流异步电机作为驱动元件的方案也被电动汽车采用。但是最有发展前途的还是无刷直流电机。因为它的起动力矩大、过载能力强、体积小、省电、高效率、长寿命、免维修、控制方便的特点正适合电动汽车的运行特性。影响无刷直流电机普遍应用的主要是这样两点：价格比较高和电路比较复杂。但是在电子技术迅速发展和电子元器件大幅度降价，专用集成电路被采用之后，电路相应简化很多、价格也下降了很多。尤其是在需要控制的场合，价格已经完全可以和有刷直流电机相比。无

15、刷直流电机仍然处在不断发展、改进的过程中。无刷直流电机是一种机电一体化产品，除了电机本体外，还必须带有传感器，以检测定、转子之间相对位置。而且，离开了驱动控制电路无刷直流电机不可能运行。电动汽车电机的三种主要形式有异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。电动车直流电机用有、无永久磁铁分类，有永磁电机和串激电机两类。永磁电机的转子或者定子有一个是永久磁铁，另一个则是漆包线绕制的线包；串激电机的转子和定子都是漆包线绕制的线包。同样功率的电机，永磁电机比串激电机省电。无刷永磁电机是靠转子磁场和定子磁场的同性相斥、异性相吸进行的。国外电动客车用电机驱动系统目前以异步电机为主；永磁同步电机则是未来的发展方

16、向。电动轮车用驱动电机以永磁同步电机为主。在控制方式上可实现数字化，在结构上可实现电机与齿轮箱的一体化。随着混合动力汽车的发展，电机系统的水平也在不断强化。丰田普锐斯的驱动电机功率现在已发展到2009年第三代的60kW。而另一款丰田混合动力车雷克萨斯的驱动电机功率，也从2005年时的123kW发展到2007年的165kW。与国外同类ISG电机相比，我国小批量装车的ISG电机高效区明显拓宽，效率80%的高效区占到了80%以上，超过了50%的预期指标。在车用驱动电机系统的系列化产品中，燃料电池汽车、纯电动汽车驱动电机系统的功率范围已经涵盖30-180kW，不同混合度混合动力汽车用ISG电机的功率范

17、围已涵盖9-90kW。数字化是电机驱动技术发展的必然趋势。永磁电机具有功率密度和扭矩密度高、效率高、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点，采用矢量控制的驱动控制系统，可使永磁电机具有宽广的调速范围；现发展到采用稀土永磁磁阻同步电机。而集成化则有两个方面：一是电机与发动机总成、电机与变速器总成的集成，另一个则是电力驱动装置中电力电子总成的集成，它包括开关器件、电路、控制、传感器和电源等集成。5.电动汽车的工作原理电动汽车的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的，因此，电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性；其次，电动汽车驱动系统的布置不同（如独立的四轮驱动系统和轮毂电机驱动系统等

18、）会使系统结构区别很大，采用不同类型的电机（如直流电机和交流电机）会影响到电动汽车的质量、尺寸和形状；不同类型的储能装置（如蓄电池和燃料电池）也会影响电动汽车的质量、尺寸及形状。另外，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机充电，或者采用替换蓄电池的方式，将替换下来的蓄电池再进行集中充电。根据制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理

19、系统和充电系统一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力源供给电动汽车辅助系统不同等级电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘也是一个很重要的输入信号，动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。电动汽车行业的发展前景在经济危机和过去两年高油价的影响下，2010年底特律车展上，几乎所有全球汽车巨头们都展示了未来几年将推出电动汽车。新能源汽车行业在中国崛起仅仅几年时间，在这短短的几年内，新能源汽车行业由无到有，由零星分布到大范围普及，取得了飞速的发展和长足的进步。短时间内大量企业将目光锁住新能源汽车这个新兴行业。新能源汽车产业的发展具有较强的地域性，一方面表现在生产，一方面表现在消费领域，而且这也是一个渐进的过程。中国已经是电机的最大的制造商，很多零部件都是世界第一，世界锂电池产量第二。世界电动汽车希望在中国，外国的汽车公司当然也是应该利用这样一个新能源汽车发展的大趋势。据了解，中国海洋石油总公司早前向天津力神电池投资50个亿元，专门为电动车生产锂电池；而上汽也在去年投资60亿元用于制造新能源汽车