新能源汽车电子教案 第二章电动汽车基础

第二章电动汽车基础

［学习目标］

1.学习电动汽车，首先请读者电动汽车的电动机的分

类和相关概念。

2.电动汽车的电池对电动汽车的发展起着至关重要的

作用，要求掌握电动汽车电池的定义与分类。

3.目前，电动汽车的电池成为阻碍电动汽车推广的主

要技术瓶颈，请读者了解目前几种应用前景较好的动

力电池。

第一节电动汽车的电动机

一、电动汽车电动机的相关概念

1电动机的定义

电动机（Motors）是把电能转换成机械能的一种设备。它

是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子

鼠笼式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。

电动机的组成

电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受

力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动

机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

2负载性质

负载性质是指负载类型及其机械特性，是连续运行的负载还

是断续运行的负载，是恒定的力矩，还是变化的力矩，是恒转速

运行还是变速运行

3负载容量

负载容量是针对电动机功率和例§的大小而确定，电机功

率的选择应满足配套机械负载必需的容量，不要过大也不可以过

小。功率选得过大，不能充分发挥电动机效率，增加投资费用和

运行费用，浪费电力；功率选得过小，会使电动机超负荷工作，

电动机发热，绝缘寿命缩短。

二、电动汽车用电动机分类

电动汽车驱动电动机种类:

电动机按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动研、

电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和

分相式单相异步电动机。

4、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。

5、按绝缘等级分为：

A级、E级、B级、F级、H级、C级

6、按额定工作制分

①连续工作制（SI）:电动机在铭牌规定的额定值条件下，保证

长期运行

②短时工作制（S2）:电动机在铭牌规定的额定值条件下，只能

在限定的时间内短时运行。短时运行的持续时间标准有四种：

lOmin、30min、60min及90min。

③断续工作制（S3）

三.电动汽车常用的电动机

1直流电动机.（DCM）

1）定义：

直流电动机（directcurrentmotor,DCmotor）将直流

电能转换为机械能的转动装置。

2）特点

(1)调速性能好。

(2)起动力矩大。

(3)高速性能不佳。

3)构造

分为两部分：定子与转子。其中，定子包括：主磁极，机座,

换向极，电刷装置等；转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，

轴和风扇等。

2.交流感应电动机(inductionmotor)

1)交流感应电动机定义

交流感应电动机又称交流异步电动机，由定子绕组形成的旋

转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转矩

驱动转子旋转的交流电动机。

2)特点

交流感应电动机具有结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行

可靠、低转矩脉动和低噪音特点。

最大缺点是驱动电路复杂，相对于永磁电机而言，感应电机

（异步电机）效率和功率密度偏低。

3）工作原理

异步电动机定子上有三相对称的交流绕组，三相对称交流绕

组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场，

转子绕组的导体处于旋转磁场中，转子导体切割磁力线，并产

生感应电动势，判断感应电动势方向。转子导体通过端环自成闭

路，并通过感应电流。

3.永磁无刷电动机简介

与传统的电励磁电动机相比，永磁电动机特别是稀土永磁电

动机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量小、损耗少、效率

高，以及电动机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点.

4.开关磁阻电动机

1)开关磁阻电动机的定义

开关磁阻电动机(SwitchedReluctanceDrive:SRD)是

继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新

一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子

技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的

光、机、电一体化高新技术。

2)系统特点

①结构简单。

②起动优点。

③频繁起停。

④性能好。

⑤效率高损耗小。

5.永磁电机

永磁电机包括反电动势为方波的无刷直流电机和反电动

势为正反弦波的永磁同步电机。

1）无刷直流电机。

无刷直流电机具有高转矩密度、高功率密度、位置检测和控制方

法简单、效率高优点。但因换相电流难以达到理想状况，造成电

机存在一定程度的转矩脉动及振动噪音，因此较适合应用于减速

系统和车速不高的电动汽车。

2）永磁同步电机

永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它

以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较

为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环

和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去

了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。

3)分类与特点

永磁同步电机的转子结构按定、转子的内外关系来看，可分

为：

外转子结构和内转子结构，

而对内转子结构而言，又可分为三种:表面式、内置式和爪

极式。

永磁同步电机有如下的特点：

(I)高起动力矩、高过载能力

(2)运行效率高、节能效果尤为明显

第二节电动汽车电动机的选用策略

1)电动汽车上所使用的电动机往往要求频率启动，频率加减速

以及工作模式的频繁切换，这对电动机的响应性提出了更高的要

求。

2）在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺

寸和导线等装备的尺寸,特别是可以降低逆变器的成本。

3）相对于传统电动机相比，电动汽车所使用的电动机系统的工

作环境更加恶劣，干扰更大，从而要求它具有更高的可靠性,抗

震性和抗干扰性。

4）传统电动机一般工作在额定工作点附近，而电动汽车电动机

的工作范围相对较宽，却由于电动机工作模式的特殊性，额定功

率这个参数对于电动机而言，没有特大意义。

5）现在混合动力汽车上，主要采用能够实现变频、调速的高转

速电动机，高速电机的转速可以达到1万~1.2万r/min,在高

速运转时，有更大的功率和有较宽阔的恒功率范围，体积较小和

质量较小，但要求装置高精度的高速轴衬，需要用高品质的材质

来制作，并要保证高效率的冷却。

第三节、蓄电池

一、蓄电池的定义与分类

1、蓄电池的定义

电池（Battery）指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流

的杯、槽或其他宣器或复合容器的部分空间。

2、蓄电池的记忆效应和消除方法

如果电池属银镉电池，长期不彻底充、放电，会在电池内留

下痕迹，降低电池容量，这种现象被称为电池记忆效应。消除记

忆的方法是把电池完全放电，然后重新充满。

3、电池的分类

电池的分类有不同的方法，其分类方法大体上可分为四大

类：

1）按电解液种类分类

2）按工作性质分类

3）按贮方式分类

4）按电池所用正、负极材料划分

4.电池主要性能指标

①比能量

②能量密度

③比功率

④功率密度

⑤寿命

⑥充放电效率

⑦自放电率

⑧按一定标准规律的放电

二、电动汽车常用的蓄电池

1、动力电池的定义

动力电池即为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、

电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。

2.动力电池的分类

①二次电池。

②超级电容器

③飞轮电池

3、电动汽车常用的蓄电池

1.)铅蓄电池

铅蓄电池可分为两类：注水式铅蓄电池和阀控式铅蓄电池.

2).镇氢电池

3).锂离子电池

4).丰田Pruis普锐斯电动汽车电池

三.蓄电池能量管理技术

蓄电池能量管理系统直接检测及管理电动汽车的储能电池

运行全过程，包括蓄电池充放电过程管理、电池温度检测、电池

电压电流检测、电量估计、单体电池故障诊断等几个方面。

作为电池系统的核心部分，在整个电动汽车的研究和发展过

程中具有举足轻重的作用。

其工作过程为：

(1)通过数据采集模块获取电池电路中的重要数据(如单

体电池和电池组电流电压和温度等)；

(2)将获取的数据发送给中央处理器进行分析和处理；

(3)比对数据库记录，发出程序控制和变更指令；将实时

数据发送到数据显示器，同时对应的执行模块做出动作，对电池

组进行调控。

(1)数据采集

数据采集是电池管理系统中最重要和最基本的功能

(2)荷电状态(SOC)估计

电池管理系统的核心课题之一就是SOC估计，一般由CPU模块

进行计算.

几种计算方法如下:

1）安培法

2）开路电压法

3）内阻法

4）神经网络主要用于模拟电池动态特性来估算SOC

5）卡尔曼滤波法

（3）蓄电池的充电技术

目前，蓄电池主要采用的充电方式有如下几种：恒流充电、

恒压充电、衰减充电、脉冲充电、快速充电。目前存在的快速充

电法主要有:分级恒流充电法、脉冲充电法、定化学反应状态法、

变电流间歇/恒电压充电法以及变电压间歇充电法等。

（4）均衡管理

防止过充和过放对于锂离子电池常用的均衡方案主要有：电

阻方案、开关电容方案、独立充电方案。

对于铅酸电池和氢镇电池常用的方法有：渭流充电均衡法、

电阻并联均衡法、放电均衡法、电感均衡法。

(5)热管理

锂离子电池工作温度范围为：充电时-10~45。(：，；放电时

-30-55℃,

铅酸电池和氢镁电池工作温度范围为：充电时-10~50。(：，

放电时-20~6(TC,他们最佳的工作温度范围为：20~40。

(6)数据通讯

目前应用到电池管理系统中的主要通讯手段有：SMBUS总

线、CAN总线、RS232总线和RS485总线。

第四节其他类型动力电池

一、超级电容器

超级电容器(supercapacitor,ultracapacitor),又叫双电

层电容器（ElectricalDouble-LayerCapacitor\电化学电容

器（ElectrochemcialCapacitor,EC）,黄金电容、法拉电容,

通过极化电解质来储能。

1）充放电时间

超级电容器的电阻阻碍其快速放电，超级电容器的时间常数

T在l-2s,完全给阻-容式电路放电大约需要5T,也就是说如果

短路放电大约需要5-lOs

2）优点

L在很小的体积下达到法拉级的电容量；

2、无须特别的充电电路和控制放电电路；

3、和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；

4、从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；

5、超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问

题；

3）缺点

1、如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；

2、和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交

流电路；

4）超级电容器与电池的比较的优点

序

内容

a

超级电容器在具额定电压范围内可以被充电至任意电

1位，且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作

在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。

2超级电容器的何电状态（SOC）与电压构成简单的函

数，而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。

超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储

更多的能量，电池与其体积相当的超级电容器相比可以存

3

储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用

中，超级电容器是一种更好的途径。

超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影

4

响，相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。

超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损

5

害。

超级电容器可以反复循环数十万次，而电池寿命仅几

6百个循环。它可以无限制地接受无数次放电和充电，超级

电容器没有〃记忆〃。

5）应用前景

这一技术的意义相当重大，该突破不仅从根本上改变了混

合动力动车在交通运输中的位置，也将改进诸如风能、太阳能等

间歇性能源的利用性能，增进了电网的效率和稳定性，满足人们

能源安全的需求，减少对石油的依赖。超级电容器取两者之长，

结合起来使用在电动汽车上，除了可以具有传统纯电动汽车的

〃电代油〃和〃零排放〃主要优点外，还具有一次充电行驶距离

长（可达300公里\速度快（可达100公里/小时\行使过

程中能量回收效率高等优点，代表了纯电动汽车的最新发展方向

之一。

目前，已有富士重工和NEC联合开发〃锂离子电容器〃，

能量密度达30瓦时/千克，为先前电容器的4倍，达到了用于

电动汽车的实用水平。中国有上海瑞华集团研制环保型混合电能

超级电容电动汽车，还有国家电网公司在这方面已经完成了3

种电池-电容混合型电力工程车辆的改装和性能测试，并将开展

示范应用。

二、飞轮电池技术

飞轮电池是一种以动能方式储能量的机械电池，包括电机/

发电机、功率转换、电子控制、飞轮、磁浮轴承和真空壳，具有

高功率能量比、高功率、长寿命和环境适应性好。

1、飞轮电池的能量传递模式

飞轮储能电池系统包括三个核心部分：

一个飞轮，电动机一发电机和电力电子变换装置。

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图2-17飞轮电池的能量传递模式

2、飞轮电池的基本工作原理

基本工作原理：

飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在

外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，将外界输入的电能通

过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来；当外界需要电能时，

又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载。

3、飞轮电池的优点

(1)能量密度高

(2)能量转换效率高

(3)体积小、重量轻

(4)工作温度范围宽

(5)使用寿命长

(6)低损耗、低维护

4、飞轮电池的应用

包括火车和汽车，这种车辆采用内然机和电机混合推动，飞

轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆

中。

三、磷酸亚铁锂电池

磷酸亚铁锂(LiFeP%)为近年来新开发的锂离子电池电极

材料，人们习惯称其为磷酸铁锂。

LiFePo,电池的工作原理是：

电池充电时，正极材料中的锂离子脱出来，经过电解液，穿

过隔膜进入到负极材料中；电池放电时，锂离子又从负极中脱出

来，经过电解液，穿过隔膜回到正极材料中。

磷酸铁锂正极材料具有以下的优点：

(1)优良的安全性，无论是高温性能，还是热稳定性，均是

目前最安全的锂离子电池正极材料；

(2)对环境友好，不含任何对人体有害的重金属元素，为真

正的绿色材料；：磷酸铁锂电池不含任何(锂之外)重金属或者

稀有金属，无毒(SGS认证通过)，无污染，符合欧洲RoHS规

定，为环保电池。

(3)耐过充性能优良;

(4)高的可逆容量，其理论值为170mA・h/g,实际值已超过

150mA・h/g(0.2C、25℃);

(5)工作电压适中，相对于金属锂而言为3.45V;

(6)电压平台特性好，非常平稳；

(7)与大多数电解液系统兼容性好，储存性能好；

(8)无记忆效应；

(9)结构稳定，循环寿命长,在100%DOD条件下,可以充

放电3000次以上;是铅酸电池5倍，银氢电池的4倍，是钻酸

锂电池4倍,是镒酸锂电池4-5倍左右。

(10)可以大电流充电，最快可在30min内将电池充满；

(11)充电时体积略有减小，与碳基负极材料配合时的体积效

应好。

第五节电动汽车的逆变器与变频器

一、逆变器及其控制技术

1.逆变器的概念及工作原理

逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成

交流电（一般为220V,50Hz正弦波\

2.逆变器的分类

1）按波弦性质

主要分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。

2）按照源流性质

（1）有源逆变器：是使电流电路中的电流，在交流侧与电

网连接而不直接接入负载的逆变器；

（2）无源逆变器：使电流电路中的电流，在交流侧不与电

网连接而直接接入负载的逆变器。

3.逆变器控制技术

(1)开环和单电压环控制技术

存在以下弱点：

1)系统动态响应速度缓慢

2)负载适应性差

(2)电压电流双环反馈控制技术

电压电流瞬时值双闭环反馈控制是目前先进的控制技术之

一，其组成是输出滤波电感电流和输出电压(即输出滤波电容电

压)反馈构成的〃电流型控制逆变器〃。

二、变频器及其控制方式

1.变频器的概念及工作原理

变频器(Variable-frequencyDrive,VFD)是应用变频技

术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电

动机的电力控制设备。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,

根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节

能、调速的目的。

2.变频器的分类

交一直一交变频器和交一交变频器两大类。

(1)交一直一交变频器

按照电压、频率的控制方式，交一直一交变频器有三种结构

形式：

1)可控整流器调压、逆变器调频方式。

2)不控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频方式。

3)不控整流器整流、脉宽调制型(wPM)逆变器同时实现调压

调频方式。

(2)交一交变频器

2.2变频器控制方式

(1)正弦脉宽调制(SPWM)控制方式

(2)电压空间矢量(SVPWM)控制方式

⑶矢量控制(VC)方式

⑷直接转矩控制(DTC)方式

第六节电动汽车空调与转向系统

一、电动汽车空调系统

(-)电动汽车空调系统研究现状

对于目前传统燃油汽车空调系统，制冷主要采用发动棚区动

的蒸汽压缩式制冷系统进行降温，而制热主要采用燃油发动机产

生的余热。而对于电动汽车中的纯电动汽车以及燃料电池汽车来

说，没有发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供作为汽车

空调冬天制热用的热源，因此无法直接采用传统汽车空调系统的

解决方案；对于混合动力车型来说，发动机的控制方式多样，故

空调压缩机也不能采用发动机直接驱动的方案。

综合以上原因，在电动汽车的开发过程中，必须研究适合电

动汽车使用的新型空调系统。对于电动汽车来说，车上拥有高压

直流电源，因此，采用电动热泵型空调系统，压缩机采用电机直

接驱动，成为电动汽车可行的解决方案。

目前传统汽车空调制冷系统一般为蒸汽压缩式系统,利用制

冷剂的相态变化达到吸热或者放热的目的，从而实现制冷。其组

成主要为空调压缩机、风冷式冷凝器、风冷式蒸发器、热力膨胀

阀、储液器及连接软管等。压缩机通过皮带轮和离合器与发动机

主轴相连获得压缩动力，压缩后的高温高压制冷剂蒸气通过冷凝

器与车室外空气换热冷却冷凝，之后经节流阀节流降压后进入蒸

发器,在蒸发器内吸热蒸发，从而获得冷量。

压缩式的电动汽车空调系统与传统汽车空调系统并无本质

区别,其主要不同点在于：

(1)电动汽车没有发动机的余热可以利用或者不能完全利用

发动机的余热，需采用热泵型空调系统或辅助加热器；

(2)电动空调压缩机采用电动机直接驱动，这对压缩机的高转

速性和密封性要求较高；

(3)电动汽车空调除了给车厢提供冷量外，还需供给一部分冷量用

于冷却电池,因为电池必须在恒定的温度范围内才能高效率工

作。

(二)电动汽车空调系统分类

L热电(偶)电动汽车空调系统

热电空气调节具有以下特点：

(1)热电元件工作需要直流电源；

(2)改变电流方向即可产生制冷、制热的逆效果；

(3)热电制冷片热惯性非常小，制冷时间很短，在热端散热

良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大

温差;

(4)调节组件工作电流的大小