《新能源汽车构造》课件-2.新能源汽车电池、电机、电控

2.1.1动力电池定义、系统组成及成组方式动力电池系统组成02动力电池定义01目录CONTENTS动力电池成组方式03动力电池的定义动力电池，指具有较大电能容量和较高输出功率，可用作电动汽车、混合动力汽车等各种电动设备驱动电源的蓄电池。定义动力电池的主要功能是储存能量，并在需要时向电动设备提供电能，确保设备的正常运行。功能动力电池与普通电池的区别相比于普通电池，动力电池具有更高的能量密度，能够在相同体积和重量下储存更多电能。能量密度充放电性能循环寿命动力电池具有更优异的充放电性能，支持快速充电和深度放电，满足电动设备高功率运行的需求。动力电池的循环寿命更长，可承受更多次的充放电循环，保证电动设备的长期使用。030201动力电池系统组成为电动汽车及全车用电设备提供电能对动力电池进行充放电管理；过充过放、温度等保护；与外部进行通信支撑、固定和包围电池系统，为电池提供防水、防尘、抗振动等保护、为电池系统安装提供机械接口包括：主继电器、预充继电器及电压、电流传感器及熔断器、加热继电器及保险动力电池成组方式

几个概念：电芯→模组→电池组→电池包串联方式定义特点优点缺点串联方式下，电池组的总电压等于各个电池单体电压之和，而总容量保持不变。串联方式能够提高电池组的总电压，从而满足高压电器的需求，同时保持电池组容量不变。串联方式下，若其中一个电池单体出现故障，整个电池组将无法正常工作，因此需要严格的电池单体匹配和管理。串联方式是指将多个电池单体正极与负极首尾相连，形成一个电池串联组合。并联方式ABCD定义并联方式是指将多个电池单体正极与正极、负极与负极相连，形成一个电池并联组合。优点并联方式能够提高电池组的总容量，从而延长电动汽车的续航里程，同时保持电池组电压不变。缺点并联方式下，由于各个电池单体之间存在内阻差异，可能导致电池单体间电流不均衡，需要采取均衡措施。特点并联方式下，电池组的总容量等于各个电池单体容量之和，而总电压保持不变。混联方式缺点混联方式的控制策略和管理系统较为复杂，需要精确计算和设计。同时，混联方式对电池单体的一致性和匹配性要求较高，增加了生产和维护的难度。定义混联方式是指将多个电池单体既串联又并联，形成一个复杂的电池组合。特点混联方式下，电池组的总电压和总容量均可调整，具有较大的灵活性。优点混联方式能够综合利用串联和并联方式的优点，实现电压和容量的平衡，满足电动汽车多样化的需求。2.1.2动力电池性能指标课程导入动力电池是以纯电动汽车为代表的新能源汽车的三大关键技术之一，动力电池的性能指标直接影响电动汽车的动力性能。电池电压电池容量电池能量密度电池功率密度电池荷电状态电池循环寿命动力电池性能指标一、电池电压额定电压：又称标称电压，是指电池在标准规定条件下工作时应达到的电压，它是选用不同种类电池时的参考。工作电压：也称为负载电压，指电池在带负载时的放电电压。通常是一个电压范围。电池类型额定电压（V）工作电压（V）铅酸电池21.8~2镍氢电池1.51.1~1.5磷酸铁锂电池3.22.75~3.6一、电池电压充电电压：指外电路直流电压对电池进行充电的电压，充电电压一般比额定电压高。终止电压：指放电终止时的电压值。电池类型充电电压（V）终止电压（V）铅酸电池2.51.6~1.75镍氢电池1.4~1.61.0磷酸铁锂电池4.1~4.22.0二、电池容量电池容量是指电池在特定条件下可以释放的电量，通常以安时（Ah）为单位表示。定义电池容量受到电池化学体系、电极材料、电池结构等因素的影响。影响因素电池容量直接决定了电动汽车的续航里程，容量越大，车辆行驶里程越长。重要性三、电池能量密度电池能量密度是指单位体积或单位质量的电池所能存储的能量，通常以瓦时/千克（Wh/kg）或瓦时/升（Wh/L）为单位表示。定义电池能量密度与电极材料、电池设计、制造工艺等因素密切相关。影响因素能量密度越高，电池的储能能力越强，对电动汽车而言，意味着更长的续航里程和更轻的车身重量。重要性四、电池功率密度影响因素电池功率密度与电极材料、电解质、电池内阻等因素有关。定义电池功率密度是指电池在单位时间内可以释放或吸收的能量，通常以瓦/千克（W/kg）或瓦/升（W/L）为单位表示。重要性功率密度越高，电池的瞬间放电能力越强，对于电动汽车的加速性能和爬坡能力有重要影响。同时，高功率密度也有助于实现电池的快速充电。五、电池荷电状态SOC电池荷电状态（StateofCharge，SOC）指电池放电后剩余容量与额定容量的百分比。

剩余容量额定容量

六、电池循环寿命电池循环寿命：指在一定的充放电条件下下，电池容量降低（衰减）到某一规定值之前，电池能经受的充电与放电的次数（充电一次放电一次称为一个周期或一次循环）。各种动力电池的循环寿命2.1.3新能源汽车对动力电池的要求新能源汽车对动力电池的安全要求02新能源汽车对动力电池的性能要求01目录CONTENTS新能源汽车对动力电池的环境适应性要求03新能源汽车对动力电池的性能要求01能量密度新能源汽车要求动力电池具有高的能量密度，即单位体积或单位质量内储存的能量要足够大。高能量密度可以提高电动汽车的续航里程，减少充电次数，提高用户使用便利性。高能量密度能量密度需在各种环境条件下保持稳定，包括温度变化、充放电速率等，以确保电池在复杂的工作环境下仍能维持良好的性能。稳定性功率密度新能源汽车需要动力电池具有高功率密度，即电池在短时间内能释放出大量能量，以满足汽车加速、爬坡等高强度驾驶需求。高功率密度高功率密度电池应具备快速充放电能力，支持电动汽车在短时间内完成充电，并能在高负荷下迅速放电，提升车辆的整体性能。快速充放电能力循环寿命长循环寿命电动汽车要求动力电池具有长循环寿命，即电池在多次充放电循环后仍能保持良好的性能。长循环寿命可以提高电池的使用寿命，降低用户的维护成本。耐候性动力电池需要在各种环境条件下保持良好的循环寿命。这包括在不同温度、湿度条件下，电池都能够稳定工作，并且在长时间使用过程中保持较少的性能衰减。新能源汽车对动力电池的安全要求02防过热动力电池应在适宜的温度范围内工作，避免高温环境下导致电池过热，确保电池的正常运行和安全性。电动汽车应配备有效的热管理系统，对电池进行散热和温控，防止电池过热引发安全隐患。高效的热管理系统严格控制电池工作温度防短路电池组的绝缘保护动力电池组应具备良好的绝缘性能，防止电池组内部或外部因素导致短路现象，确保电池组的安全运行。防电击保护设计电动汽车的动力电池系统应具备防电击保护设计，避免电池在异常情况下产生电击危险。防爆炸动力电池应配备安全阀，当电池内部压力异常升高时，安全阀能够及时开启，释放内部压力，防止电池爆炸。安全阀设计电动汽车的动力电池应具备抗过充、过放保护功能，避免电池过充、过放导致的安全隐患，确保电池的稳定性和安全性。抗过充、过放保护新能源汽车对动力电池的环境适应性要求03温度适应性VS动力电池需要在各种温度条件下正常工作，包括极端高温和低温环境。它应能够在-30°C至55°C的宽温度范围内正常充放电，以保证电动汽车在各地域和季节的正常运行。温度管理系统动力电池应具备有效的温度管理系统，以控制电池在适宜的工作温度范围内运行。这包括电池的加热和冷却系统，确保电池在极端温度条件下的性能和寿命。宽温范围工作能力湿度适应性动力电池应具备良好的防潮和防水性能，能够在高湿度环境中正常工作，不受潮湿和水分的影响。电池的外壳和密封设计应能够有效防止水分渗透，确保内部电路和元件的安全运行。动力电池在潮湿环境中应保持稳定，不出现性能下降、短路或安全隐患。它应具备防腐蚀和抗氧化能力，以应对湿度对电池材料和结构的不良影响。防潮防水性能湿度环境下的稳定性一、电池电压为推动动力电池可持续发展，需要建立完善的回收体系，确保废旧电池能够得到有效收集和处理。回收体系建设研究动力电池再利用技术，如梯次利用、材料再生等，降低新电池生产成本，减少对自然资源的依赖。再利用技术政府应出台相关政策，鼓励和支持动力电池回收与再利用产业的发展，形成良性循环。政策引导2.1.4动力电池的种类、结构和原理锂离子电池结构及工作原理02动力电池的种类01目录CONTENTS镍氢电池结构及工作原理03铅酸电池结构及工作原理04动力电池的种类锂离子电池：高能量密度、高工作电压、长循环寿命、无记忆效应等优点，因此广泛应用于电动汽车、电子产品等领域。镍氢电池：环保，具有较高的能量密度和良好的充放电性能。与锂离子电池相比，它的价格更为实惠，且技术成熟、可靠性高。铅酸电池：技术成熟且成本较低，主要用于低速电动车、储能等领域。但能量密度较低，重量较重，且使用寿命相对较短。锂离子电池结构及工作原理锂离子电池一般由正极、负极、隔膜、电解液（电解质）等组成。

1.锂离子电池结构组成锂离子电池组成锂离子电池结构及工作原理

2.锂离子电池结构类型长方形锂离子电池

圆柱形锂离子电池（1）圆柱形锂离子电池18650电池型号：18表示直径为18mm；65表示长度为65mm；0表示为圆柱形电池。（2）长方形锂离子电池长方形锂离子电池也需要多个电池串联组成电池组。锂离子电池结构及工作原理

2.锂离子电池结构类型（3）薄板形锂离子电池薄板形锂离子电池一般为容量较小可充电电池，由于体积较小的优点多用在手机、照相机电池等便携式电子产品上。薄板形锂离子电池（4）纽扣形锂离子电池纽扣形锂离子电池通常也是小容量的可充电电池，用于汽车钥匙电池、电子手表电池等。纽扣形锂离子电池锂离子电池结构及工作原理

锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。回正极的锂离子越多，放电容量越高。

3.锂离子电池工作原理镍氢电池结构及工作原理

2.镍氢电池结构类型方形圆形扣形镍氢电池的结构组成与锂离子电池类似，一般也是由正极、负极、隔膜、电解液（电解质）等组成。

1.镍氢电池结构组成镍氢电池结构及工作原理（1）充电过程充电时，镍氢电池正负极的电化学反应为：正极：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-负极：M+H2O+e-→MH+OH-在充电时，电解液中的水被分解为氢离子和氧化氢离子，负极吸收氢离子，负极的金属变成为金属氧化物。（2）放电过程放电时，镍氢电池正负极的电化学反应为：正极：NiOOH

+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-负极：MH+OH-→M+H2O+e-放电时，正极析出氧化氢离子，负极析出氢离子，其在电解液中结合生成水，在正负极之间通过外部电路放出电能。

镍氢电池充放电原理图铅酸电池结构及工作原理铅酸电池充放电原理图铅酸电池主要由正极板、负极板、隔板和电解液等组成。新能源汽车动力电池充电方式直流充电02交流充电01目录CONTENTS更换电池充电03交流充电交流充电也称为慢充。交流220V进入车载充电机，由其转换成直流电对动力电池进行充电。常见的形式有两种：家用三孔插座充电、交流充电桩充电。1.交流充电常见形式家用三孔插座充电一般功率较小，电流控制在16A以下；交流充电桩输出电流一般最大为32A(GB/T-20234要求),电压为220V。交流充电交流充电系统主要包括交流充电口、车载充电机和充电桩等部件。2.交流充电系统组成交流充电口车载充电机充电桩交流充电3.交流充电原理在充电初期，电池内部化学反应剧烈，充电电流较大，此时应采用恒流充电，即电流保持一定，以控制电池温度上升。当电池电压接近额定电压时，调整为恒压充电方式，保持电压不变，逐渐减小充电电流，直至充满。恒压充电恒流充电交流充电优点（1）充电机及其安装成本比较低。（2）可充分利用电力低谷时段进行充电，隆低充电成本。（3）可提高充电效率和延长电池的使用寿命。缺点：（1）充电时间过长，因此当车辆需要紧急出行时难以满足要求。（2）充电时占用停车场时间过长，因此对停车位的数量和环境的要求比较高。4.交流充电系统特点直流充电直流充电也称为快速充电或应急充电。特点：（1）不经过车载充电机——直接冲入电池组（2）充电时间短——10-30分钟（3）充电电压高——400V或750V（4）充电电流大——125A或250A直流充电主要是通过充电站的充电柜将高压直流电直接通过直流充电机给动力电池充电。更换电池充电当车辆进行补充充电式，将需要充电的电池从车辆上卸下，安装已充满电的电池，车辆即离开继续运营或使用。对卸下的电池通过充电站进行补充充电。2.2.1驱动电机系统的组成与作用驱动电机系统的组成02驱动电机系统的作用01目录CONTENTS驱动电机系统的作用新能源汽车电机驱动系统是电动汽车的心脏，它的主要任务是按驾驶员的驾驶意图，将动力电池的化学能高效地转化为机械能，经过变速器、驱动轴等机构驱动车轮或将车轮的动能反馈到蓄电池中。驱动电机系统的组成驱动电机系统主要由电动机、功率转换器和控制器、各种检测传感器和电源（动力电池）组成。电源（动力电池）驱动电机系统的组成1.电动机电动机负责给整车提供驱动的力量，是新能源汽车驱动系统的核心部件之一。驱动电机系统的组成2.控制器和功率转换器控制器和功率器件共同构成电机控制器，根据变速杆、加速踏板和自动踏板等提供的指令，将动力电池存储的电能转换成驱动电机所需要的电能，来控制新能源汽车启动、进退速度、爬坡力度等行驶状态。或者帮助电动汽车刹车，并将部分刹车能量存储到动力电池中。驱动电机系统的组成3.各种检测传感器新能源汽车工作过程成，使用电流传感器、温度传感器和转速传感器等对电机运行状态信息进行采集。驱动电机系统的组成4.电源（动力电池）电源作为驱动电机系统的动力源，当电动汽车启动、加速、爬坡时为电动机供电，车辆减速、制动时又可以回收电机制动能量。驱动电机系统的组成目前电机驱动系统主要有三种形式：一是将电机与减速器集成为“二合一”，电机控制器单独或与其它部件集成，如图a所示；二是将电机、电机控制器与减速器集成为“三合一”形式，如图b所示，“三合一”电驱动系统已成为新能源汽车电驱动系统的主流；目前还有采用集成度更高的“多合一”电驱动系统，如比亚迪的“八合一”，长城的“七合一”等。2.2.2驱动电机的基本定义驱动电机的主要性能指标02驱动电机的基本定义01目录CONTENTS驱动电机的基本定义驱动电机是新能源汽车中的重要组成部分，依据电磁感应定律，将电能转化为机械能，从而推动车辆行驶。它是一种将电能转化为机械能的装置，类似于传统汽车的发动机。驱动电机的主要性能指标序号性能指标含义1额定电压在额定运行工况下，电机定子绕组应输入的线电压2额定电流在额定电压下，电机轴上输出的机械功率为额定功率时，电机定子绕组通过的线电流3额定转速在额定电压输入下以额定功率输出时对应的电机最低转速4额定功率额定条件下，电机轴上输出的机械功率5峰值功率在规定的时间内，电机允许输出的最大功率6最高工作转速相应于电动汽车最高设计车速的电机转速7最高转速在无带载条件下，电机允许旋转的最高转速驱动电机的主要性能指标序号性能指标含义8额定转矩电机在额定功率和额定转速下的输出转矩9峰值转矩电机在规定的持续时间内允许输出的最大转矩10堵转转矩电机转子在所有角位堵住时所产生的的转矩最小测得值11机械效率在额定运行时电机轴上输出的机械功率与电源输入到电机定子绕组上的功率之比值12电机及控制器整体效率电机转轴输出功率除以控制器输入功率13温升电机在运行时允许升高的最高温度各种驱动电机性能比较项目直流电机三相异步电机永磁同步电机开关磁阻电机功率密度低中高较高过载能力（%）200300-500300300-500峰值效率（%）85-8994-9595-9790负荷效率（%）80-8790-9285-8778-86功率因数（%）-----------82-8590-9360-65转速范围（rpm）4000-600012000-200004000-10000可以大于15000可靠性一般好优良好结构的坚固性差好一般优良电机的外形尺寸大中小小电机质量重中轻轻2.2.3新能源汽车对电机的要求课程导入要使新能源汽车具有良好的使用性能，驱动电机应该满足哪些要求呢？新能源汽车对电机的要求全段速高效运转电动应保证在较宽的转速和转矩范围内，具有很高的效率，以降低功率损耗，提高一次充电的续航里程。新能源汽车对电机的要求低速大转矩低速运行输出的恒定转矩大，以满足汽车快速启动、加速、负荷爬坡等要求。低速运行时输出恒转矩新能源汽车对电机的要求高转速高速运行输出恒定功率，有较大的调速范围，以满足平坦路面，超车等高速行驶要求。高速运行时输出恒功率新能源汽车对电机的要求调速范围宽满足不同车速要求，在高低不同工况下都可以高效运转，需要电机有较宽转速范围，并能够保持理想的调速特性。新能源汽车对电机的要求高效的再生制动新能源汽车对电机的要求体积小质量轻、安全可靠寿命长电机结构紧凑，体型小，便于安装，减轻了车辆总质量，方便车辆整体布局，运行噪声小，安全可靠，能够在条件恶劣的情况下长期正常工作。新能源汽车对电机的要求具有制动和发电两项功能电机一般要求具有电动和发电两项功能，用于适应不同的行驶工况和复杂的道路情况。新能源汽车对电机的要求电动功能在电动汽车正常行驶时，电机控制器把逆变后的三相电输入到电机，电机接收到三相电后开始驱动车轮，汽车开始行驶。新能源汽车对电机的要求发电机功能电机不仅在正常行驶中驱动车轮，更在车辆减速或者长时间下坡时，转换成发电机及时回收车轮传递的机械能转变为电能存储到动力电池组中，增加了电池组中电能存储，并延长了电动汽车的续航里程。新能源汽车对电机的要求发电机功能小知识：制动能量回收国外有关研究表明，在交频繁制动与起动的城市工况运行条件下，有效的回收制动能量，电动汽车大约可降低15%的能量消耗，可使电动汽车的行驶距离延长10%~15%。新能源汽车对电机的要求电机需要在高温环境下长时间运行，保持稳定的性能和结构。耐高温电机也需要适应低温环境，确保在寒冷天气下正常运行。耐低温新能源汽车对电机的要求降低制造成本新能源汽车的电机需要降低制造成本，以促进新能源汽车的普及和应用。降低维护成本电机需要具有低维护成本的特点，减少车辆使用过程中的维修和保养费用。低成本新能源汽车对电机的要求简洁设计电机需要具备简洁的设计，以便于日常维护和保养。易于更换部件电机的部件需要易于更换，以便于在出现故障时快速修复。易于维护2.2.4新能源汽车电机的类型及发展新能源汽车驱动电机的发展02新能源汽车驱动电机的类型01目录CONTENTS驱动电机的类型电机从很早以前就已经实用化，并且产品种类、形式也越来越丰富。新能源汽车常用的驱动电机主要有以下三类：a交流异步电机机b开关磁阻电机

c永磁同步电机驱动电机的类型

1.交流异步电机交流异步电机，又称“感应电动机”，即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动。转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。异步电机转子笼型导体如图所示。图异步电机转子笼型导体驱动电机的类型三相异步电机的工作原理驱动电机的类型2.永磁同步电机永磁同步电机是指转子转速与定子旋转磁场的转速同步的电机，如图所示。电机的转子为永磁磁体，转子磁体的N极、S极随着定子绕组的旋转磁场磁极的移动而旋转。磁场产生磁通量，电枢完成电能与机械能的转换。

图永磁同步电机的结构1-绕组U；2-绕组V；3-绕组W；4-轴；5-带有旋转磁场绕组的定子；6-带有永久磁铁的转子；7-永久磁铁驱动电机的类型永磁同步电机的工作原理驱动电机的类型3.开关磁阻电机

1）开关磁阻电机的基本结构开关磁阻电机结构示意图如下图所示，定子与转子都是由硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，一般装有位置传感器；定子上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相绕组。图

开关磁阻电机结构示意图驱动电机的类型2）开关磁阻电机工作原理开关磁阻电机工作原理示意图4312开关磁阻电机的工作原理与磁阻（反应）式步进电动机一样，基于磁通总是沿磁导非常大的路径闭合的原理。常见三种驱动电机的特点及应用场合电机类型优点缺点应用交流异步电机效率高、成本低、结构简单、制造方便、可靠性好；体积大、质量大、功率密度低大功率、低速车辆，尤其是驱动系统功率需求较大的大型电动客车永磁同步电机小体积、轻量化、功率密度高，能耗小20%成本高应用广泛开关磁阻电机结构简单，效率高（>85%），成本低，调速灵活（可以通过改变电压，导通和关断角度，拥有很好的调速范围和能力）转矩脉动较大、噪声大在电动汽车上在试验阶段在常见的四种电机中，永磁同步电机的综合性能最优，因此其在新能源汽车上的应用最广泛。驱动电机的发展集成化主要表现在电机方面集成化和控制器方面集成化。电机方面指电机与发动机、变速器集成化，控制器方面指电力电子总成的集成化。永磁化指电机具有高功率密度和转矩密度，调速范围更宽,结构简单，效率高和便于维护等特点。数字化包括驱动控制数字化、驱动到数控系统接口的数字化及测量单元数字化。永磁化数字化集成化2.3新能源汽车逆变器与变频器变频器02逆变器01目录CONTENTS逆变器的作用逆变器是新能源汽车上的一种重要电子元件，它的作用是将动力电池的直流电转换成交流电，驱动电机。逆变器的工作原理S1~S4是单相桥式电路4个臂上的开关。当S1、S4闭合S2、S3断开时，负载电压U0为正；当S2、S3闭合S1、S4断开时，U0为负，这样就把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，就可改变输出交流电频率。这就是逆变的最基本原理。逆变器原理电路逆变器的工作原理驱动电机电压波形三相逆变器变频器的作用变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流电路（交流变直流）、中间环节、逆变电路（直流变交流）、控制电路等组成。变频器的原理按照不同的控制方式，变频电路可分为：采用可控整流器调压、逆变器调频的方式，其结构框图：变频器的原理采用不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的控制方式，其结构框图：变频器的原理采用不控制整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频的控制方式，其结构框图：2.4新能源汽车的核心控制系统目录CONTENTS制动能量回馈系统04电池管理系统（BMS）03电机控制器（MCU）02整车控制器（VCU）01整车控制器（VCU）整车控制器简称VCU，是实现整车控制决