新能源汽车整套课件汇总完整版电子教案(全)

1、2022/8/29新能源汽车第一章 绪论第一节 新能源汽车概述第二节 发展新能源汽车的必要性第三节 汽车新能源第四节 新能源汽车发展现状2022/8/29 第一节 新能源汽车概述一、混合动力汽车 混合动力汽车是指那些采用传统燃料，同时配以电动机/ 发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。二、纯电动汽车 纯电动汽车就是主要采用电力驱动的汽车，大部分汽车直接采用电动机驱动，也有一部分汽车直接以车轮作为四台电动机的转子。三、燃料电池汽车 燃料电池汽车是利用燃料电池，将燃料中的化学能直接转化为电能来进行动力驱动的汽车。四、氢动力汽车氢动力汽车是以氢为主要能量驱动的汽车。 第一节 新能源汽车概述五、燃

2、气汽车 燃气汽车是指用压缩天然气()、液化石油气()和液化天然气()作为燃料的汽车。六、其他新能源汽车 除以上介绍的新能源汽车以外，还有燃用生物燃料或掺有生物燃料的燃油汽车。 第二节发展新能源汽车的必要性一、能源短缺问题 能源是人类生存与经济发展的物质基础，然而，随着世界经济持续、高速地发展，能源短缺、环境污染、生态恶化等问题逐渐加深，能源供需矛盾日益突出。 中国2010年成为全球第一大汽车市场，持续成为全球最大汽车产销国(图-)。 第二节发展新能源汽车的必要性 至2013年，我国汽车销量已突破2000万辆，达2198万辆(图-)。 第二节发展新能源汽车的必要性二、环境污染问题. 汽车排放的污

3、染物给人们的身体健康带来了严重危害. 汽车排放的污染物对全球气候变暖造成了严重影响 第三节汽车新能源一、天然气 天然气和油田的石油伴生气的主要成分是甲烷。二、液化石油气 液化石油气的主要成分是丙烷C3H8，此外还含有少量的丁烷C4H10、丙烯C3H6和丁烯C4H8。三、醇类燃料 目前最广泛的醇类代用燃料主要是甲醇和乙醇。 甲醇(木醇或木酒精)主要由天然气、重油、石油脑、液化石油气、煤炭、油页岩、木材和垃圾等物质提炼而成。 乙醇俗称酒精，主要通过含糖类作物(甘蔗、甜菜、甜高粱和糖蜜等)、淀粉质作物(玉米、高粱、小麦、红薯、马铃薯等)和纤维素原料(木材、木屑和谷物秸秆等)发酵生产。四、二甲醚 二甲

4、醚()，属于一种很简单的脂肪醚，是甲醇重要的衍生物，无色易液化，性能与液化石油 很相似。 第三节汽车新能源五、生物柴油 生物柴油是指以油料作物、野生油料植物、工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮废油等为原料，通过酯交换工艺制成的有机脂肪酸类燃料，是生物质能的一种，是可替代石化柴油的再生性柴油燃料。六、氢 氢气与天然气、汽油、 相比，单位质量低、热值高，约是汽油低热值的. 倍。七、太阳能 太阳能的热电利用是指将太阳辐射直接转换为热与电供人们使用。 第四节新能源汽车发展现状一、国外新能源汽车发展现状 表- 和表- 给出了部分国家新能源汽车销量和2012年汽车企业电动汽车销量与车型情况。 第四节

5、新能源汽车发展现状 第四节新能源汽车发展现状 第四节新能源汽车发展现状二、国内新能源汽车发展现状 国家在深圳等 个城市开展私人购买新能源汽车补贴试点(表- 给出了我国目前对新能源汽车补贴情况)。 第四节新能源汽车发展现状 新能源汽车的销售总量逐年提升，由2011年的8159 辆提升至2013年的17642 辆，见图-。 第四节新能源汽车发展现状三、我国新能源汽车发展存在的问题()国内充电站和电池交换站等新能源汽车基础配套设施建进程缓慢，覆盖面不广。()新能源汽车市场售价仍较高。 虽然新能源汽车的技术在进步，汽车能源汽车成本在降低，我国中央和政府也对新能源汽车购车者给予相应的补贴，但仍不能很好地

6、普及私人购车群体。()消费者对新能源汽车概念认知不足，国内消费者对于电动汽车几乎没有太多的认知，大多消费者只是听说过电动汽车但缺乏深入的了解。2022/8/29. 新能源汽车如何分类?. 发展新能源汽车有何意义?. 国内新能源汽车发展存在的问题有哪些?复习思考题第二章 新能源汽车的动力电池与能量存储第一节 概述第二节 电化学蓄电池第三节 新能源汽车用其他储能系统第四节 混合能量存储系统第五节 蓄电池的测试2022/8/292022/8/29 第一节 概述 目前各种蓄电池还不能满足新能源汽车对动力电池的实际需要。 其主要不足归纳如下:. 能量密度低. 充电时间长. 价格高且使用寿命短. 汽车附件

7、的使用受到限制一、新能源汽车用动力电池分类. 按动力电池电解质分类)酸性电池)碱性电池)中性电池)有机电解液电池 第一节 概述. 按动力电池所用正、负极材料不同分类)锌系电池)镍系电池)铅系电池)锂系电池)金属空气电池 表- 为各种常用车用蓄电池的性能比较。 第一节 概述二、新能源汽车用动力电池性能指标. 电压()开路电压:动力电池未向外电路输出电流时的端电压。()放电电压:蓄电池向外输出电流时的端电压。()充电电压:在充电电源对蓄电池进行充电时，蓄电池的端电压。. 内阻 动力电池的内阻主要与极板的材质、结构及装配工艺有关。. 容量()理论容量:是假设动力电池极板上的活性物质全部参加电化学反应

8、而输出电流时，根据法拉第定律计算出的电量。( )实际容量:是指充足电的蓄电池在一定条件下所能输出的电量。() 小时放电率容量:充足电的蓄电池以某一恒定电流放电，放电 小时后将蓄电池放电至终止电压，此时蓄电池所能输出的电量称为 小时放电容量，通常用 表示。()额定容量:是指充足电的动力电池在规定的条件下所能输出的电量。 第一节 概述. 能量()标称能量:是指在一定的放电条件下动力电池所能输出的电能。()实际能量:是指在一定的放电条件下动力电池所能输出的电能。()比能量:即质量比能量，是指动力电池单位质量所能输出的电能，单位为或()能量密度:即体积比能量，是指动力电池单位体积所能输出的电能，单位为

9、 或. 功率()比功率:即质量比功率，是指动力电池单位质量所能输出的功率，单位为 或. 寿命 动力电池的寿命通常用使用时间或循环寿命来表示。 第一节 概述三、新能源汽车对动力电池的基本要求. 比能量高. 比功率大. 充放电效率高. 相对稳定性好. 使用成本低. 安全性好 第二节电化学蓄电池一、铅酸蓄电池. 铅酸蓄电池的分类 铅酸蓄电池分为免维护铅酸蓄电池和阀控密封式铅酸蓄电池。. 铅酸蓄电池的结构 铅酸蓄电池的基本结构如图- 所示。 第二节电化学蓄电池. 铅酸蓄电池的工作原理 放电时，当蓄电池的正负极板浸入电解液中时，正负极板间就会产生约. 静止电动势。 此时若接入负载，在电动势的作用下，电流

10、就会从蓄电池的正极经外电路流向蓄电池的负极，这一过程称为放电，将蓄电池储存的化学能转化为电能输出。 正极化学反应式是负极化学反应式是 充电时蓄电池的正负极分别与直流电源的正负极相连，当充电电源的端电压高于蓄电池的电动势时，在电场的作用下，电流从蓄电池的正极流入、负极流出，这一过程称为充电。蓄电池的充电过程是电能转换为化学能的过程。 正极化学反应式是负极化学反应式是 第二节电化学蓄电池 铅酸蓄电池使用时，把化学能转换为电能的过程叫放电。 在使用后，借助于直流电在电池内进行化学反应，把电能转变为化学能而储蓄起来，这种蓄电过程叫充电。 铅酸蓄电池是酸性蓄电池，其化学反应式为. 铅酸蓄电池的特点主要优

11、点:()除锂离子电池外，在常用蓄电池中，铅酸蓄电池的电压最高为2.0V。()价格低廉。()可制成小至 大至几千 的各种尺寸和结构的蓄电池。()高倍率放电性能良好，可用于发动机起动。()高低温性能良好，可在-4060条件下工作。()电能效率高达60。()易于浮充使崩，没有“记忆”效应。()易于识别荷电状态。 第二节电化学蓄电池 存在的缺点:()比能量低，在新能源汽车中所占的质量和体积较大，一次充电行驶单程短。()使用寿命短，使用成本高。()充电时间长。()铅是重金属，存在污染。. 铅酸蓄电池的充放电特性)铅酸蓄电池的放电特性 第二节电化学蓄电池)铅酸蓄电池的充电特性 第二节电化学蓄电池二、镍氢电

12、池. 镍氢电池的分类 按照外形，镍氢电池分为方形镍氢电池和圆形镍氢电池。. 镍氢电池的结构 镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电解液等组成。. 镍氢电池的工作原理充电时正、负极的电化学反应为:放电时正、负极的电化学反应为: 第二节电化学蓄电池. 镍氢电池的特点()比功率高。()循环次数多。()无污染。()耐过充过放。()无记忆效应。()使用温度范围宽。()安全可靠。. 镍氢电池的充放电特性 一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，即 充放电倍率 充放电电流/ 额定容量 第二节电化学蓄电池)镍氢电池的充电特性 在充电起始阶段，电池端电压迅速上升，随着时间的延长，电池电压上升减缓，电池的容量

13、与电池的端电压有一定的对应关系，如图- 所示的曲线。 第二节电化学蓄电池 电池在高温情况下充电，虽然充电时间较长，但充电效率下降，导致放电容量减少如图- 所示。 第二节电化学蓄电池)镍氢电池的放电特性 随着放电的进行，总的趋势是随着放电时间的延续，电池的端电压不断下降。 放电电流越大电池所能放出的安时量越小，电池的端电压越低，如图- 所示。 第二节电化学蓄电池 虽然常温下延长了充电时间，但在低温情况下，电池放电容量将会下降，如图- 所示。 第二节电化学蓄电池三、锂离子电池. 锂离子电池的分类 按照锂离子电池外形形状，可以分为:()方形锂离子电池()圆柱形锂离子电池。 按照锂离子电池正极的材料不

14、同，可以分为:()锰酸锂离子电池()磷酸铁锂离子电池()镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。. 锂离子电池的结构 锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。 圆柱形锂离子电池结构如图- 所示。 第二节电化学蓄电池. 锂离子电池的工作原理 在充放电过程中，锂离子电池的反应方程式如下: 锂离子电池的工作原理如图- 所示(以 金属为例进行说明)。 第二节电化学蓄电池. 锂离子电池的特点 锂离子电池的主要优点有:()电压高，单格电池的工作电压高达. . ，是镍镉、镍氢电池的 倍。()比能量大，达 ，是镍镉电池的 倍，镍氢电池的. 倍。 锂离子电池，其比能量可高达 。()循环寿命长，新型锂离子电

15、池的循环寿命可超过 次。()安全性能好，无公害，无记忆效应。()自放电小，室温下充满电的锂离子电池储存 个月后的自放电率仅为，低于镍镉电池的 、镍氢电池的 。()可实现安全、快速充电。()允许温度范围宽，随着电解质和正极的改进，期望能扩宽到 。锂离子电池的缺点主要有:()蓄电池的成本较高。 这主要是因为正极材料 的价格高( 的资源较少)电解质体系提纯较困难。()不能大电流放电。 由于有机电解质体系等原因，锂离子电池的内阻较大，因此放电电流不能过大，最大的放电电流通常被限制在 。 过大的放电电流会使蓄电池温度过高，影响其使用寿命。 第二节电化学蓄电池. 锂离子电池的充放电特性 在电压方面，锂离子

16、电池对充电终止电压的精度要求很高，一般误差不能超过额定值的。 充电电流方面，锂电池的充电率(充电电流)应根据电池生产厂的建议选用。 放电方面，锂离子电池的最大放电电流一般被限制在 左右。 锂电池的充电温度一般应该被限制在 范围。四、空气电池. 锌空气电池)锌空气电池的基本原理 锌空气电池放电时的电化学反应方程式如下: 负极反应式为:正极反应式为:总反应式为: 第二节电化学蓄电池)锌空气电池的特点 相比于铅酸电池，锌空气电池具有以下优点:()比能量高。()可采用机械式“充电”方式。()大电流持续放电的能力强。()自放电率低。()性能稳定。()安全性好。()锌可以回收利用。. 铝空气电池)铝空气电

17、池的原理 铝空气电池充放电时的电化学反应方程式为: 第二节电化学蓄电池)铝空气电池的特点 相比于新能源汽车用的其他蓄电池，铝空气电池具有以下特点:()比能量大。()质量轻。()铝没有毒性和危险性。()生产成本较低。一、燃料电池第三节新能源汽车用其他储能系统. 燃料电池的分类)按燃料电池的运行机理分类 可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。)按电解质分类 可分为质子交换膜燃料电池(PEFMC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFL)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、再生型燃料电池(RFC)、锌空燃料电池(ZAFC)、质子陶瓷燃料

18、电池(PCFC)等。)按燃料使用类型分类 可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池、再生型燃料电池。)按燃料种类分类 可分为氢燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池等。)按工作温度分类 可分为低温型(温度低于200)、中温型(温度为200750)、高温型(温度为7501000)、超高温型(限度高于1000)。 第三节新能源汽车用其他储能系统)按燃料状态分类 可分为液体型燃料电池、气体型燃料电池。. 燃料电池的工作原理 图- 是燃料电池基本原理简图，其反应过程如下: 第三节新能源汽车用其他储能系统()氢气通过管道或导气板达到阳极。()在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个氢离子，并释放出两个电子，

19、阳极反应为:()在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。()在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为:总的化学反应为: 第三节新能源汽车用其他储能系统. 燃料电池的特点)燃料电池的优点 燃料电池与蓄电池相比，具有以下优点:()节能、转换效率高。()排放基本达到零污染。()无振动和噪声、寿命长。()结构简单、运行平稳。)燃料电池的缺点 燃料电池的缺点如下:()燃料种类单一。()要求高质量的密封。()价格高。 制造成本高，电池价格昂贵。()需要配备辅助电池系统。 第三节新能源汽车用其他储能系统. 车用

20、燃料电池系统)质子交换膜() 表- 是美国Freedomcar Roadmap项目总结报告的质子交换膜数据。 第三节新能源汽车用其他储能系统)电极催化剂 表- 是美国FreedomcarRoadmap项目总结报告给出的电催化剂数据。 第三节新能源汽车用其他储能系统)双极板 表- 是美国FreedomcarRoadmap项目总结报告给出的双极板数据。 第三节新能源汽车用其他储能系统)燃料电池的组装 单个单元电池输出的电压较小，汽车动力装置必须将多个单元进行连接组装成，形成燃料电池堆，以提供高电压和大电流。 )反应气体供给系统 目前主要采用提高空气供给压力的方法，但空气压缩机的寄生功率又降低了PE

21、MFC的功率输出和整体效率。 )水、热管理系统 热管理和水管理是目前燃料电池面临的两个主要技术挑战:一是低温运转的燃料电池堆热量排出很困难，特别是在高环境温度时二是燃料电池需要含水薄膜和阳极、阴极气体，使质子转移以产生电力。 第三节新能源汽车用其他储能系统二、超级电容器. 超级电容的工作原理 如图- 所示，主要由集电极(电容板)、电解液和绝缘层等组成。 第三节新能源汽车用其他储能系统. 超级电容的特点 超级电容器作为一种新型能源器件，主要具有以下特点:)功率密度高)充放电循环寿命长)充电时间短)特殊的功率密度和适度能量密度)储存寿命长)工作温度范围宽 第三节新能源汽车用其他储能系统三、飞轮电池

22、. 飞轮电池的工作原理 飞轮电池主要由飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器等组成，如图-所示。. 飞轮电池的特点 超高速飞轮储能装置主要具有放电电流大、超高的比功率、一定的(相对一般蓄电池较小，相对超级电容为较高)比能量、能量转换效率高、可快速充电、可实现免维护等优点。 并且飞轮储能装置循环寿命长、无环境污染，是一种“零污染”能源。 第四节混合能量存储系统一、动力电池 超级电容构成的混合能源系统 图- 为典型的动力电池 超级电容构成的混合能源系统的结构 第四节混合能量存储系统二、动力电池 燃料电池构成的混合能源系统 图- 为典型的动力电池 燃料电池构成的混合能源系统的结构形式。 第五

23、节蓄电池的测试一、蓄电池性能检测的相关标准. 动力电池的国家标准 我国颁布了动力电池的相关国家标准:电动道路车辆用铅酸蓄电池 (GB/T18332.1-2009)、电动道路车辆用锂离子蓄电池 (GB/T18333.1-2001)、电动道路车辆用金属氢化物镍蓄电池(GB/T18332.2-2001)。. 动力电池的行业标准 国家发改委在2006年颁布了动力电池的相关行业标准:电动汽车用铅酸蓄电池QC/T742-2006、电动汽车用锂离子蓄电池QC/T743-2006、电动汽车用金属氢化物镍蓄电池QC/T744-2006。 第五节蓄电池的测试二、蓄电池充放电性能的测试. 蓄电池充电性能的测试)充电

24、可接受电流)最高充电电压)充电效率)耐过充电能力. 蓄电池放电性能的测试)定电流放电测试方法 蓄电池定电流放电性能测试电路如图- 所示。 第五节蓄电池的测试)蓄电池放电性能的评价方法 图- 所示为某蓄电池定电流放电测试时记录下的定电流放电特性曲线。 第五节蓄电池的测试三、蓄电池容量的测定. 定电流放电法 用定电流放电法测定蓄电池的容量如同蓄电池的定电流放电性能测试。. 定电阻放电法 定电阻放电过程蓄电池的容量 可由式(-)确定。四、蓄电池寿命的测定 具体的蓄电池循环寿命测定方法可参阅我国颁布的GB/T18332.1-2009、GB/T18333.1-2001和GB/T18332.2-2001等

25、蓄电池国家标准中的蓄电池循环寿命测定规定或国际电工委员会()制定的相关标准。 第五节蓄电池的测试五、蓄电池内阻及自放电的测定. 蓄电池内阻的测定 蓄电池内阻的测量方法有方波电流法、交流电桥法、交流阻抗法、直流伏安法、短路电流法和脉冲电流法等。. 蓄电池自放电的测定)自放电程度的表示方法 蓄电池的自放电程度可用自放电速率z 表示。 如果用 表水蓄电池存放的天数，1、2分别表示存放前后的蓄电池容量，那么z 的表达式为 从式(-)可知，z 表示单位时间内蓄电池容量下降的百分数，而在实际测量中，通常用指定时间内容量的保持率(或称为剩余容量百分比、荷电保持能力等)b 来表示，即 第五节蓄电池的测试)自放

26、电的测定方法 通常的自放电测定方法是:先通过定电流放电等方法测定蓄电池的容量1，然后将蓄电池再充足电，放置一定时间，再以定电流放电法测定蓄电池的容量2。 图- 表示了某蓄电池在不同温度下存放不同时间的容量保持率。蓄电池的开路电压与放电程度有着对应的线性关系(见图-)。 第五节蓄电池的测试六、蓄电池安全性能的测试. 耐过充电、过放电能力的测试. 短路测试. 耐高温测试. 钻孔测试. 力学性能测试. 耐蚀性能测试七、蓄电池荷电状态 的检测方法. 放电试验法)使用中的蓄电池剩余电量显示和能量管理需要当前的，而放电试验法都是在蓄电池放完电后才能得到。)在不同的定电流放电电流下，所能放出的电量是不同的，

27、因而用该方法测得的只对一种定电流放电情况较准确，对于不同定电流放电或变电流放电的情况则误差较大。)放电试验法必须停止蓄电池的工作，且需要较长的时间才能获得结果。 第五节蓄电池的测试. 安时计量法 安时计量法是通过对蓄电池放电电量的累积，并按式(-)计算得到当前的，即 安时计量法比较简单，但在实际应用中存在的主要问题是:()安时计量法本身不能给出初始的 值，而使用中的蓄电池充放电起始状态是很难准确估计的。()在蓄电池工作过程中，如果电流测量不准确，将会造成充放电电量计量误差，并导致 计算误差，且经过长时间积累，误差会越来越大。()安时计量必须考虑蓄电池的充放电效率，而充放电效率与充放电电流的大小

28、及蓄电池的技术状况等有关。 第五节蓄电池的测试. 开路电压法 由于开路电压法在蓄电池充电的初期和末期对 的估计较为准确，因此，通常与安时计量法结合，用于电动汽车蓄电池的 测量。. 负载电压法 负载电压法可实时估计蓄电池的，且在定电流放电时可获得较为准确的 估计值。. 内阻法 交流阻抗和直流内阻均与 密切相关，因而可通过测量交流阻抗和直流内阻来估计。. 神经网络法 神经网络可适用于各种类型的蓄电池 估计，其缺点是需要大量的参考数据进行训练， 估计的准确性受训练数据和训练方法的影响很大。. 卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波法不仅可以给出的估计值，还可以给出 的估计误差，其缺点是对蓄电池的模型准确性和计算能

29、力要求很高。2022/8/29复习思考题. 新能源汽车用动力电池有哪些类型?. 动力电池的性能指标主要有哪些?. 新能源汽车对动力电池有哪些要求?. 新能源汽车用蓄电池主要有哪几种? 各自的特点是什么?. 蓄电池性能测试有哪些标准?第三章新能源汽车的电驱动系统第一节 新能源汽车的电驱动系统特性第二节 直流电动机第三节 永磁无刷直流电动机第五节 永磁同步电动机第四节 交流异步电动机第六节 开关磁阻电动机2022/8/292022/8/29 电驱动系统的功能模块框图如图- 所示。 第一节新能源汽车的电驱动系统特性一、电动机分类)按工作电源分类 根据电动机工作电源不同，可分为直流电动机和交流电动机，

30、其中，直流电动机又分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机，交流电动机分为单相电动机和三相电动机。)按结构及工作原理分类 电动机按结构及工作原理可分为直流电动机、交流异步电动机和同步电动机。 直流电动机又分为无刷直流电动机和有刷直流电动机；交流异步电动机分为感应电动机和交流换向器电动机；同步电动机分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。)按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。)按转子的结构分类 电动机按转子的结构分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。)按运转速度分类 电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。 第一节新能源汽车的电

31、驱动系统特性. 各类电动机介绍)直流电动机 直流电动机具有起动加速时驱动力大、调速控制简单、技术成熟等优点。)永磁无刷直流电动机 永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。)交流异步电动机 交流异步电动机在新能源汽车上广泛应用，这是因为交流异步电动机采用变频调速时，可以取消机械变速器，实现无级变速，使传动效率大为提高。)永磁同步电动机 永磁同步电动机结构上与永磁无刷直流电动机相似，不同之处在于它采用正弦波驱动，所以在具备永磁无刷直流电动机优点的同时，还具有低噪声、体积小、功率密度大、转动惯量小、脉动转矩小、控制精度高等特点，特别适用于混合动力新能源汽车电动机驱动系统，以达到减小系统体积，改善汽车

32、加速性能和行驶平稳性等目的。)开关磁阻电动机 开关磁阻电动机是一种新型电动机，因其结构简单、坚固、工作可靠、效率高，其调速系统运行性能和经济指标比普通的交流调速系统好，具有很大的潜力，被公认是一种极有发展前途的新能源汽车驱动电动机。 第一节新能源汽车的电驱动系统特性 各种电动机的性能比较见表-。 第一节新能源汽车的电驱动系统特性二、电动机的性能指标. 功率 功率是指电动机运行时轴端输出的机械功率( 或)。. 电压 电压是指外加于线端的电源线电压()。. 电流 电流是指电动机运行时电枢绕组(或定子绕组)的线电流()。. 频率 频率是指电动机运行时电枢(或定子侧)的频率()。. 转速 转速是指电动

33、机运行时，电动机转子的转速(r/min)。三、新能源汽车对电动机的要求. 体积小、重量轻. 在整个运行范围内的高效率. 低速大转矩特性及较宽范围内的恒功率特性. 高可靠性. 高电压. 电气系统安全性高 第二节直流电动机一、直流电动机的分类 各种励磁方式直流电动机的电路如图- 所示。 直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机。绕组励磁式直流电动机可分为他励式、并励式、串励式和复励式种类型。 第二节直流电动机二、直流电动机的结构与特点. 直流电动机的结构 直流电机的结构形式是多种多样的，图- 是一台直流电机的结构示意图。 图- 是横截面示意图。 第二节直流电动机 第二节直流电动机)定子

34、 定子通常指磁路中静止部分及其机械支撑，包括机座、主磁极、换向极等。()机座:直流机的机座有两种形式:整体机座和叠片机座。()主磁极:主磁极的作用，是使电枢表面的气隙磁通密度在空间按一定形状分布，并且能在磁极上固定励磁绕组，如图- 所示。 第二节直流电动机()换向极:容量大于 的直流电机，在相邻两主磁极之间装设换向极，也称附加极。如图-所示。 第二节直流电动机( )电刷装置:直流电机电枢绕组和电流均通过电刷装置与外电路相接。如图- 所示。 第二节直流电动机)转子部分 转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承。 直流电机的转子如图-所示。 第二节直流电动机()电枢铁芯:它提供主极

35、下磁通的通路。()电枢绕组:用带绝缘的铜导线绕成一个个的线圈元件，嵌放在电枢铁芯的槽中，各元件按一定的规律联结到相应的换向片上，全部这些元件就组成了电枢绕组。()换向器:换向器由许多换向片组成。 第二节直流电动机)气隙 气隙是定子主极和电枢之间的间隙，是主磁路的重要组成部分，气隙磁场是电机进行能量转换的媒介，气隙的大小和气隙磁场的分布及其变化对电机运行影响很大。. 直流电动机的特点)调速性能好)起动转矩大)控制比较简单)有易损件三、直流电动机的工作原理 根据左手定则(图-)，将左手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，手心面向 极(叉进点出)，四指指向电流所指方向，则大拇指的方向就是导体受力的方向

36、。 因此，绕组内的电流如果顺时针方向流动时，绕组线圈就会顺时针方向旋转(图-)。 第二节直流电动机 第二节直流电动机. 直流发电机的工作原理 图- 是一个最简单的直流电动机模型，在两个空间固定的磁极 极和 极之间，有一个硅钢片叠成的圆柱体(称为电枢铁芯)。 第二节直流电动机 由电磁感应定律，每根导体的感应电动势的瞬时值为:. 直流电动机的工作原理 直流电动机的工作原理如图- 所示。 第二节直流电动机 根据“毕萨电磁力定律”载流导体， 受电磁力为:四、直流电动机的运行特性. 他励直流电动机的工作特性 图- 是他励直流电动机的工作特性，下面说明它们的变化规律。 第二节直流电动机)转速特性 根据直流

37、电动机电动势平衡方程式，可得转速特性为:)转矩特性)效率特性. 并励直流电动机的工作特性 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联。. 串励直流电动机的工作特性 串励直流电动机的原理电路如图-)所示。 第二节直流电动机 第二节直流电动机 如果不计磁路不饱和，串励电动机的气隙磁通 与电枢电流和励磁电流成正，即: 将式(-)代入转矩公式，得串励电动机的电磁转矩为:转矩特性如图-)所示。 如果不计电刷的接触电压降，串励电动机得转速公式为:图-)画出了 ()曲线。 第二节直流电动机. 复励直流电动机的运行特性 为了便于比较，将几种不同励磁方式的电动机的转速特性画在同一图中，如图- 所示。 第二节直流电动

38、机五、直流电动机的控制. 电枢调压控制 电枢调压控制是指通过改变电枢的端电压来控制电动机的转速。 他励电动机改变电枢端电压时的转速控制特性如图- 所示。 第二节直流电动机. 磁场控制 磁场控制是指通过调节直流电动机的励磁电流改变每极磁通量，从而调节电动机的转速。 他励电动机带恒转矩负载时磁场控制的转速控制特性如图- 所示。 第二节直流电动机. 电枢回路串电阻控制 电枢回路串电阻控制是指当电动机的励磁电流不变时，通过改变电枢回路电阻来调节电动机的转速。 其转速控制特性如图- 所示。 第三节永磁无刷直流电动机一、永磁无刷直流电动机的分类. 具有直流电动机特性的永磁无刷直流电动机 具有直流电动机特性

39、的永磁无刷直流电动机，反电动势波形和供电电流波形都是矩形波，所以又称为矩形波同步电动机。. 具有交流电动机特性的永磁无刷直流电动机 具有交流电动机特性的永磁无刷直流电动机，反电动势波形和供电电流波形都是正弦波，所以又称为正弦波同步电动机。二、永磁无刷直流电动机的结构与特点. 永磁无刷直流电动机的结构 永磁无刷直流电动机主要由电动机本体、电子换相器和转子位置传感器 部分组成。 第三节永磁无刷直流电动机 图- 是某永磁无刷直流电动机实物图。 第三节永磁无刷直流电动机. 永磁无刷直流电动机的特点 永磁无刷直流电动机作为新能源汽车用电动机，具有以下优点:()外特性好，非常符合新能源汽车的负载特性，尤其

40、是具有低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足新能源汽车的加速要求；()可以在低、中、高宽速度范围内运行，而有刷电动机由于受机械换向影响，只能在中低速下运行；()效率高，尤其是在轻载车况下，仍能保持较高的效率，这对保存珍贵的电池能量是很重要的；()过载能力强，比 系列电动机可提高过载能力两倍以上，可满足新能源汽车的突起堵转需要；()再生制动效果好，因永磁无刷直流电动机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电动机可完全进入发电机状态，给电池充电，同时起到电制动作用，减轻机械制动负担；( )体积小、重量轻、比功率大，可有效地减轻重量、节省空间；()无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入

41、电动机内部，可靠性高；()控制系统比交流异步电动机简单。 第三节永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机作为新能源汽车用电动机，具有以下缺点:()电磁转矩波动较大；()成本较高；()能耗较大；()需要用转子位置传感器。三、永磁无刷直流电动机的工作原理 永磁无刷直流电动机工作原理如图- 所示。 第三节永磁无刷直流电动机四、永磁无刷直流电动机的控制. 永磁无刷直流电动机的控制方法 永磁无刷直流电动机的主控电路可参见图-。 在每个状态中，对上桥臂晶体管作用(占空比信号)，控制其导通时间，而相应的下桥臂晶体管则处于常导通状态，见表-。第三节永磁无刷直流电动机 第三节永磁无刷直流电动机. 永磁无刷直流电动机

42、的控制原理 永磁无刷直流电动机的控制原理如图- 所示。 第四节交流异步电动机一、交流异步电动机的结构与特点. 交流异步电动机的结构 三相交流异步电动机的典型结构如图- 所示。 第四节交流异步电动机)定子 交流异步电动机的定子由定子铁芯、定子绕组和外壳构成。定子的构成如图- 所示。 第四节交流异步电动机)转子 交流异步电动机的转子主要有笼型和绕线两种形式。 笼型转子由铁芯和绕组构成，如图- 所示。 第四节交流异步电动机 转子绕组也有三相绕组，一般接成星形联结，三相引出线分别接到转子轴上与转子轴绝缘的三个集电环上，通过电刷装置与外电路相连(见图-)，可在转子电路中串接电阻或引入电动势，以改善电动机

43、的运行特性。)其他部分 其他部分包括轴承、风扇等。. 交流感应电动机的特点 交流感应电动机与直流电动机相比，具有效率高、结构简单、坚实可靠、免维护、体积小、重量轻、易于冷却、寿命良等许多优点。第四节交流异步电动机二、交流异步电动机的工作原理. 转子电磁转矩的产生 三相交流异步电动机的工作原理如图- 所示。 第四节交流异步电动机. 定子旋转磁场的产生 定于绕组通人的是三相交流电(见图-)，对称布置的三相定子绕组通电后磁场方向的变化如图- 所示。 第四节交流异步电动机三、交流异步电动机的控制. 交流异步电动机的矢量控制)交流异步电动机矢量控制方法()转子磁场定向矢量控制()转差率矢量控制()气隙磁

44、场定向矢量控制()定子磁场定向矢量控制)交流异步电动机矢量控制的特点()可以从零转速开始进行速度控制，因此，调速范围很宽；()转速控制响应速度快，且调速精度较高，低速特性连续；()可以对转矩实行较为精确地控制，电动机的加速特性也很好；()系统受电动机参数变化的影响较大，且计算复杂，控制相对烦琐。 第四节交流异步电动机 基于转子磁场定向矢量控制原理的交流异步电动机变频控制系统组成框图如图- 所示。 第四节交流异步电动机. 交流异步电动机的直接转矩控制)交流异步电动机直接转矩控制方法 交流异步电动机直接转矩控制系统框图如图- 所示。 第四节交流异步电动机直接转矩控制过程如下:()通过相关传感器获得

45、定子电流和电压的 分量信号；()传感器的信号输入磁链观测器和转矩观测器，计算得到定于磁链和转矩的实际值 、 ；()将定子磁链的实际值 与给定值 通过滞环比较器进行比较，并输入磁链调节器实现磁链的自控制；()将转速测量值 与给定值 进行比较，通过转速调节器获得转矩给定值 ，再将转矩给定值 和实际值 输入转矩调节器，实现转矩的自控制。)交流异步电动机直接转矩控制的特点相比于交流异步电动机的矢量控制转矩控制的特点如下:()调速精度较高，响应速度快；()计算简便，而且控制思想新颖，控制结构简单；()信号处理的物理概念明确，动静态性能均佳；()调速范围较窄，低速特性有脉动现象。一、永磁同步电动机的结构与

46、特点第五节永磁同步电动机. 永磁同步电动机的结构 永磁同步电机由转子、定子和电动机端盖等部分构成。 基本结构如图- 所示。 第五节永磁同步电动机)转子磁路结构 根据永磁体在转子位置内部布置的不同，永磁同步电动机一般可分为三种:面贴式(凸极同步电动机)、内插式(隐极同步电动机)和内埋式。 三种永磁同步电动机的物理结构如图- 所示。 第五节永磁同步电动机)磁极的数量 永磁电动机的磁极增至一定数量以后，不仅对电动机的性能没有明显的影响，还可以有效地减小电动机的尺寸和质量。 图- 为二极、四极和六极永磁转子的结构。 第五节永磁同步电动机)永磁体材料()铝镍钴(-)。()陶瓷(铁氧体)，例如钡铁氧体()

47、和铁酸锶( 3 )，如图-所示为烧结铁氧体实物图。()稀土永磁材料，即钐钴(-)和钕铁硼(-)。 第五节永磁同步电动机 用于电动机的不同永磁体材料的典型性能如表- 所示。. 永磁同步电动机的特点 永磁同步电动机的特点是，永磁体在气隙中产生的磁场空间上按照正弦分布，定子三相绕组为正弦分布绕组，电动机的反电动势及电动机定子电流均为正弦波。 第五节永磁同步电动机二、永磁同步电动机的工作原理 永磁同步电动机的转子为永久磁铁，定子绕有均匀分布的三相绕组。 其工作原理如图- 所示。 由于同步电动机的转速 与定子的旋转磁场同步，因此，电动机的转速可表示为： 第五节永磁同步电动机三、永磁同步电动机的控制 永磁

48、同步电动机的控制如同交流异步电动机，先后提出了多种控制方法，比如:恒压频比开环控制、矢量控制、直接转矩控制、自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经网络控制等。 第六节开关磁阻电动机一、开关磁阻电动机的结构与特点. 开关磁阻电动机的结构 开关磁阻电动机由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成，如图- 所示。 第六节开关磁阻电动机 目前应用较多的是四相/ 极结构、三相/ 极结构及六相/ 极结构，如图- 所示。 第六节开关磁阻电动机 不同组合方式的结构方案见表-。. 开关磁阻电动机的特点 开关磁阻电动机与其他电动机相比，具有以下优点:()可控参数多，调速性能好。( )

49、结构简单，成本低。()损耗小，运转效率高。()起动转矩大，起动电流小。 第六节开关磁阻电动机 由于开关磁阻电动机的特殊结构和工作方式，也存在如下一些缺点:()转矩脉动现象较大。()振动和噪声相对较大，特别是在负载运行的时候。()电动机的出线头相对较多，还有位置检测器出线端。()电动机的数学模型比较复杂，其准确的数学模型较难建立。()控制复杂，依赖于电动机的结构。二、开关磁阻电动机的工作原理. 开关磁阻电动机的工作原理 开关磁阻电动机的转矩是磁阻性质，其运行原理遵循“磁阻最小原理”，磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力，如图- 所示，具体过程如下: 第六节开关磁阻电动机 设

50、每相绕组开关频率(主开关开关频率)为，转子极数为 则SR 电动机的同步转速(r/min)可表示为:. 开关磁阻电动机的运行特性 开关磁阻电动机的运行特性可分为3个区域:恒转矩区、恒功率区、串励特性区(自然特性区)，如图- 所示。 第六节开关磁阻电动机三、开关磁阻电动机的控制. 角度控制法(APC) APC 是电压保持不变，而对开通角和关断角进行控制，通过对它们的控制来改变电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置。. 电流斩波控制法(CCC) 在电流斩波控制方式中，一般使电动机的开通角和关断角保持不变，主要靠控制斩波电流值的大小来调节电流的峰值，从而起到调节电动机转矩和转速的目的。 实现方式

51、有以下两种:)限制电流上下幅值的控制 斩波的波形如图- 所示。 第六节开关磁阻电动机)电流上限和关断时间恒定 与上一种方法的区别是，当相电流大于电流斩波上限值时，就将功率开关元件关断一段固定的时间再开通。. 电压控制法() 具体的发电/ 电动状态控制策略见图- 所示。 总体的控制方案如图-所示。第六节开关磁阻电动机2022/8/29复习思考题. 电动机的分类有哪些?. 新能源汽车对电动机有哪些要求?. 直流电动机有哪些类型?. 永磁无刷直流电动机的工作原理是什么?. 交流异步电动机的工作原理是什么? 其控制方法有哪些?. 永磁同步电动机的运行原理与特性是什么?. 开关磁阻电动机的工作原理是什么

52、? 其控制方法有哪些?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2022/8/292022/8/29 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

53、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

54、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

55、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

56、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

57、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

58、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，

59、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

60、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