汽车电工电子技术基础课件：纯电动汽车

纯电动汽车7-1纯电动汽车纯电动汽车的组成如图7-1-1所示，主要包括电源系统、驱动电机系统、整车控制器和辅助系统等。动力蓄电池输出电能，通过电机控制器驱动电机运转产生动力，再通过减速机构将动力传送给驱动车轮，使车辆行驶。一、纯电动汽车的组成7-1纯电动汽车纯电动汽车的电源系统主要由动力蓄电池、电池管理系统、高压系统、低压系统、辅助蓄电池及车载充电机等组成，其作用是为驱动电机及其他用电装置提供电能、监测动力蓄电池使用情况以及控制充电设备向蓄电池充电。二、纯电动汽车的电源系统7-1纯电动汽车1. 动力蓄电池纯电动汽车使用的动力蓄电池主要有铅酸蓄电池、锂电池、燃料电池、超级电容器等。铅酸蓄电池主要用于低速电动汽车，超级电容器主要用于城市公交车。目前，我国纯电动汽车中，锂电池的应用最为广泛（见图1-1-2）。7-1纯电动汽车（1）锂电池锂电池分为圆柱形和方形两种，电池内部为卷式结构，由正极、负极和含锂盐的有机溶液组成（见图7-1-3）。锂电池在充放电过程中不消耗电解液，也不产生气体，只是锂离子在正负极之间移动，所以锂电池可以做成完全封闭式，其优点是充电效率高、能量密度大、使用寿命长。7-1纯电动汽车2）燃料电池燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池及其应用如图7-1-4所示。7-1纯电动汽车2. 电池管理系统（BMS）电池管理系统主要由检测模块、均衡电源模块和控制部分组成，其基本功能如下。（1）电池状态监测：一般是指对电池电压、电流及温度进行监测。（2）电池状态分析：一般是指对电池剩余电量和电池老化程度进行评估。（3）电池安全保护：一般是指对电池的过流、过充、过放、过热等进行保护。（4）能量控制管理：一般是指对电池的充电、放电和均衡控制进行管理。（5）电池信息管理：电池信息管理包括电池的信息显示、系统内外信息的交换和储存。7-1纯电动汽车例如，每辆特斯拉电动汽车使用约8000节小容量锂电池组成电池组，如图7-1-5a所示。7-1纯电动汽车特斯拉电动汽车电池组中的每一个单体电池都连接着一个热敏电阻以及一系列光导纤维，并分别连接到相应的监控器。当某一个单体电池温度超限时，热敏电阻输出信号至电池监控器，电池冷却系统随之起动。冷却管道曲折分布在电池之间，管道两端既是进液口，也是出液口（见图7-1-5b），冷却液双向流动，提高了散热能力，保证了单体电池间温度的均一性，从而降低整体的平均温度。当汽车发生激烈碰撞时，电池组与电机的能量传输路径被立即阻断，电池组外保护层将保护电池组免受碰撞影响。7-1纯电动汽车3. 高压系统和低压系统（1）高压系统的组成电动汽车高压系统是指电动汽车内部与动力蓄电池直流母线相连或由动力蓄电池电源驱动的高压驱动零部件系统，其组成框图如图7-1-6所示。7-1纯电动汽车1）动力蓄电池为车辆提供高压电能，充电时储存电能，如图7-1-7所示。7-1纯电动汽车2）高压控制盒（PDU，也称高压配电箱）为高压系统中各个零部件进行电能分配。图7-1-8所示为三合一高压电控总成（包含高压分配器、DC/DC变换器、电机控制器等）。7-1纯电动汽车3）驱动电机将电能转换成机械能，为车辆行驶提供驱动力（见图7-1-9）。4）电机控制器控制动力电源与驱动电机之间的能量传输（见图7-1-10）。7-1纯电动汽车5）空调压缩机为空调制冷循环提供动力（见图7-1-11）。6）PTC加热器为空调加热系统提供热能（见图7-1-12）。7-1纯电动汽车7）车载充电机（OBC）将220V交流电转换成直流电，为动力蓄电池补充电能（见图7-1-13）。8）交流充电接口。输入高压交流电，经交流充电接口转化为高压直流电后，再经PDU为动力蓄电池充电（见图7-1-14）。7-1纯电动汽车9）直流充电接口。输入高压直流电，经直流充电接口直接为动力蓄电池充电（见图7-1-14）。10）DC/DC变换器将动力蓄电池输出的高压直流电转换为低压直流电，为车辆低压电路提供电源（见图7-1-15）。7-1纯电动汽车（2）低压系统电动汽车低压系统是指由12V或24V低压直流电源供电的零部件系统。一方面为灯光、仪表、车身附件等常规低压电器供电；另一方面为整车控制器、高压电气设备的控制电路和辅助部件供电。电动汽车与燃油汽车的低压系统相比，主要区别在于燃油汽车的辅助蓄电池是由与发动机相连的发电机充电，而电动汽车的辅助蓄电池则是由动力蓄电池通过DC/DC变换器充电（见图7-1-16）。7-1纯电动汽车纯电动汽车驱动电机系统主要由驱动电机和电机控制器组成，由于电动汽车的驱动电机与常规的工业驱动电机不同，工业驱动电机通常优化在额定的工作点，而电动汽车的驱动电机必须适应一系列的特殊要求，如频繁的起动、停车、加速、减速，速或者爬坡时要求高转矩，并要求变速范围大等。电动汽车所使用的电动机主要有直流电动机、永磁无刷直流电动机、开关磁阻电动机、异步电动机、永磁同步电动机等。三、纯电动汽车驱动电机系统7-1纯电动汽车1. 直流电动机根据磁场来源不同，直流电动机分为永磁式和绕组励磁式两类。永磁式直流电动机按有无换向电刷，又分为有刷和无刷两种。绕组励磁式直流电动机按励磁方式不同，又分为他励式、并励式、串励式、复励式四种。电动汽车所使用的直流电动机主要是他励式直流电动机（包括永磁式直流电动机）串励式直流电动机、复励式直流电动机三种。7-1纯电动汽车2. 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机用电子换向装置取代了有刷直流电动机的机械换向装置（见图7-1-17），克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列缺点，是最理想的调速电动机之一，在电动汽车上得到了广泛的应用。7-1纯电动汽车（1）永磁无刷直流电动机的结构图7-1-18a所示为三相无刷直流电动机，定子是电动机的静止部分，主要由定子铁芯和绕组线圈组成，转子由高磁能永磁材料制成。为了减小电动机转子的转矩脉动，通常将定子相数和转子磁极数同步加倍，如图7-1-18b所示，A1X1

和A2X2

串联构成A相，这样在通电时会同时产生磁通，使转矩脉动减小。7-1纯电动汽车（2）永磁无刷直流电动机的工作原理永磁无刷直流电动机的驱动系统主要由电动机本体、电子换向器和转子位置传感器三部分组成，如图7-1-19所示。7-1纯电动汽车3. 开关磁阻电动机（1）开关磁阻电动机的结构开关磁阻电动机主要由双凸极的定子和转子组成，如图7-1-20所示。定子和转子的极数并不相等。定子极上绕有集中绕组，把径向相对的两个绕组串联成为“一相”；转子既无绕组，又无永磁体，仅由硅钢片叠成。7-1纯电动汽车（2）开关磁阻电动机的工作原理下面以图7-1-21所示四相8/6极开关磁阻电动机为例，介绍开关磁阻电动机的工作原理。图中，S1、S2为电子开关。7-1纯电动汽车开关磁阻电动机驱动系统由开关磁阻电动机本体和控制系统两部分组成，而控制系统主要由功率变换器、电流检测器、位置检测器、控制器等组成，如图7‑1‑22所示。7-1纯电动汽车4. 异步电动机异步电动机是由定子旋转磁场与转子感应电流相互作用产生电磁转矩，从而将电能转换为机械能的一种交流电动机。异步电动机按转子结构来分，有笼型和绕线型；按定子绕组相数来分，有单相、三相等。在电动汽车中，主要使用三相笼型异步电动机。7-1纯电动汽车（1）三相笼型异步电动机的结构如图7-1-23所示，三相笼型异步电动机主要由定子和转子两部分组成。7-1纯电动汽车（2）三相笼型异步电动机的工作原理三个对称绕组互成120°嵌入铁芯槽中，并以星形连接，当通入三相交流电时，在三个绕组中会产生同样按正弦规律变化的旋转磁场（设转速为no）。由于转子绕组是闭合的，因此转子绕组中便有感应电流流过，绕组中的感应电流同时又受到旋转磁场的作用从而产生电磁转矩，于是转子就沿着旋转磁场的方向旋转起来（设转速为no），如图7-1-24所示。7-1纯电动汽车异步电动机的转速n必定小于旋转磁场转速n0（又称同步转速），如果n=n0，则转子和磁场之间没有相对运动，转子中无感应电流，不能产生电磁转矩，电动机就不能转动。由此可见，n<n0是异步电动机工作的必要条件，所以称其为异步电动机。又由于这类电动机的转子电流是由电磁感应产生的，故又称其为感应电动机。7-1纯电动汽车若交流电频率为f，则旋转磁场转速n0=60f（r/min）。如果旋转磁场有两对磁极，当电流变化一周时，磁场只转过半周。以此类推，当旋转磁场具有P

对磁极时，磁场的转速为旋转磁场转速n0

与n

之差称为转差，转差Δn

与旋转磁场转速n0之比称为转差率，用S

表示，即电动机转速的计算式为由以上分析可知，对于笼型交流异步电动机，通过改变定子绕组极对数或改变定子电源频率都可以达到调速的目的。7-1纯电动汽车5. 电机控制器电机控制器是控制动力电源与驱动电机之间能量传输的装置，主要由电子控制模块、驱动模块、功率变换模块和各种传感器组成。其功能是从动力蓄电池获得电能，经逆变器调制后，提供给驱动电机所需要的电压和电流，满足车辆对转速和转矩等在各种工况下的要求。（1）电子控制模块电子控制模块对电机电流、电压、转速、温