汽车发动机原理课件：纯电动汽车动力装置

纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。纯电动汽车的动力装置主要包括动力电源、电池管理系统、电动机和电动机控制器等。它利用蓄电池等车载电源作为储能动力源，通过电池向电动机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车前进。电动汽车在运行时不直接对环境造成污染，可以说是零排放。一、纯电动汽车动力装置原理现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制以及化工技术等多种高新技术的综合产品。按照传动系统的不同，纯电动汽车可以分为:传统驱动式电动汽车、简化传统驱动式电动汽车和电动轮驱动式电动汽车。纯电动汽车动力装置的原理如图10-1所示。其能量来源主要为外部的充电，外部电能通过车载充电动机给二次电源(如蓄电池等)充电，供给车辆能量。同时，还有一部分能量来自于制动能量回收。在汽车制动时，电动机可以充当发电机，通过功率转换单元给二次电源进行充电。在电动汽车运行时，加速踏板发送信号给控制转换单元，二次电源通过控制转换单元向电动机供电，在电动机中电能转化为机械能，并依次传递给变速机构、传动轴、驱动桥，最后至车轮，驱动车辆前进。在车辆制动时，制动踏板发制动信号给控制转换单元，驱动电动机变成发电机进行发电制动，发电机把车轮经由驱动桥、传动轴和变速机构传递来的动能转化为电能，所发出的电能经控制转换单元反向给二次电源充电，完成制动能量回收。控制转换单元包括控制器、DC/DC变换器和DC/AC逆变器。以上为传统驱动式电动汽车的工作原理，对于简化传统式电动汽车，根据需要情况，去掉了变速机构，有的甚至去掉了传动轴。因此，在动力和能量的传递路线上，也去掉相应的变速机构和传动轴。对于电动轮驱动式电动汽车，动力和能量的传递路线变化较大，它去掉了变速机构、传动轴和驱动桥，电动轮安装在车轮上，省去了所有的传动机构。二、动力电源纯电动汽车的动力装置依靠电源来提供能量，电动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。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。1.动力电源的主要性能指标电动汽车用电池的主要性能指标有比能量(E)、能量密度(Ed

)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。电动汽车具有足够竞争力的关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。车用动力电池的常用评价指标如下:(1)电池的容量，指电池在一定放电条件下所能放出的电量。它分为实际容量和额定容量，用C表示，单位为A·h(安时)。实际容量指电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流和放电时间的乘积。额定容量也称公称容量，指在一定标准所规定的放电条件下电池应该放出的最低限度的电量。(2)电池的能量，指在一定标准所规定的放电条件下，电池所能输出的电能，单位为W·h(瓦时)或kW·h(千瓦时)。它分为实际能量和标称能量，实际能量等于电池的实际容量与平均工作电压的乘积，标称能量等于电池的额定容量与其额定电压的乘积。(3)能量密度，它分为质量能量密度和体积能量密度。质量能量密度指电池单位质量所能输出的电能，单位为W·h/kg(瓦时/千克)。体积能量密度指电池单位体积所能输出的电能，单位为W·h/L

(瓦时/升)。(4)循环使用寿命，指在规定条件下，电池的有效寿命。由于电池的内部短路或容量达不到额定要求而造成电池使用实效，称为寿命终止。电池充电和放电一次称为一个循环，按一定的测试标准，电池容量降到某一规定值之前，电池所能承受的充放电循环次数，称为电池的循环使用寿命。(5)电池的功率，指在规定的放电条件下，单位时间内电池所能输出的电能，单位为W(瓦)或kW(千瓦)。单位质量的电池所能输出的功率称为质量功率密度，又称为质量比功率，单位为W/kg。单位体积的电池所能输出的功率为体积功率密度，又称为体积比功率，单位为W/L。表10-1为常用电动汽车动力蓄电池的性能比较。2.常用的动力电源1)铅酸蓄电池铅酸蓄电池是目前应用最多的电动汽车电池。铅酸蓄电池的正极采用二氧化铅(PbO2)，负极采用海绵状铅(Pb)，电解液是稀硫酸溶液(H2SO4

)，单体电池标称电压为2V。其充放电化学反应方程式为:放电时正极板上的PbO2和负极板上的Pb都变成PbSO4，电解液中的H2SO4减少，密度相对下降。充电时上式反向，正负极板上的PbSO4

分别还原为原来的PbO2

和Pb，电解液中的H2SO4增加，密度相对上升。铅酸蓄电池性能可靠，技术成熟，价格低，但质量重，过充电和过放电性能差，且容易自放电，比能量、能量密度和寿命都不够理想，快速充电困难。2)镍—氢蓄电池镍—氢蓄电池正极的活性物质为Ni(OH)2

(充电时)和NiOOH(放电时)，负极的活性物质为H2O(充电时)和H2(放电时)，电解质采用30％的氢氧化钾溶液。其充放电化学反应方程式为:其中，M为储氢合金，MHx为储有氢的储氢合金。蓄电池充电时，正极的氢进入负极的储氢合金中，放电时产生反向过程，充放电过程不会发生电解液的增加或减少现象。其单体电池标称电压为1.2V。镍—氢蓄电池的特性介于铅酸蓄电池和锂离子蓄电池之间，能量密度和功率密度均高于铅酸蓄电池，循环使用寿命在实际电动汽车用蓄电池中最高，充放电效率较高。但其成本较高，价格为相同容量铅酸蓄电池的3~4倍；单体电压低(1.2V)，有“记忆效应”，自放电损耗大；3)锂离子蓄电池锂离子电池是一种新型高能量蓄电池。其正负极均由可嵌入或脱出锂离子(Li+)的化合物或材料组成，正极是锂化过渡金属氧化物，负极是球状石墨或球状石墨与片状石墨的锂碳化合物，电解质是有机溶液或固体聚合物。其充放电化学反应方程式为:其中，M代表Co、Mn或Ni等跃迁金属。在电池充电时，Li+从正极脱出，经过电解质嵌入负极；电池放电时，Li+则从负极脱出，经过电解质再回到正极。电池的充放电过程实际上是Li+在两极之间来回脱出和嵌入的过程，所以，锂离子蓄电池又称为“摇椅式电池”。锂离子电池的比能量和比功率高，充放电性能好，已在便携式信息产品中获得推广应用；并且，由于具有工作电压高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等其他动力电池无与伦比的优越性。电动汽车用锂离子电池推广应用的障碍之一是其价格太高，其中正极加隔膜的成本占锂离子电池总成本的60％以上。因此，如何努力降低隔膜及正极的成本将是今后努力的方向。同时，锂离子电池的安全性对其在电动汽车中的应用也非常的关键，在过充或过放电情况下，锂离子电池可能发生火灾或爆炸。其安全性与散热密切相关，因此，对电池管理系统要求很高。4)超级电容超级电容是一种介于传统电解质电容器和电化学电池之间的新型储能组件，其储能方式与传统电解质电容不同。传统电容器是通过电极间的电解质在电势能作用下产生极化效应而存储能量，而电化学电容器是依靠电解质与电极间形成特有的电双层结构和电极表面的氧化还原反应来存储能量。电化学电容的容量远大于传统电容，达到103

~104法拉级，因此得名超级电容。如图10-2所示，当导体电极插入电解液中时，由于库仑力、分子间作用力(范德华力)或原子间作用力(共价力)的作用，其表面上的静电荷将从溶液中吸引部分不规则分配的带异种电荷的离子，使它们在电极/溶液接口的溶液一侧，从而形成了一层在电极上，另一层在溶液中的两个电荷层，称为双电层。由于接口上存在一个位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，双电层结构将形成一个平板电容器。其电容量为:式中:ΔφM-S——固体与液体之间双电层的电位差，ΔφM-S=

ΔφM-ΔφS；Q——双电层的电荷量；φα——从零电荷电位算起的电极电位。电容器存储能力为:式中:Vw——电容器的最大工作电压。超级电容存储量大，而且能在短时间内大电流充放电(一次充放电只需几分钟)，循环寿命长(反复充放电使用寿命10000次，极限寿命达10万次)，充放电效率高，能够工作在正常温度(-35~75℃)目前，超级电容已开始应用于电网的负载调配和电动汽车的动力装置以及其他需要的不间断电源(UPS)。3.电池管理系统电池技术的进步与性能的提高对于电动汽车用动力电源具有非常重要的意义，现在的研究主要在两个方面，一是开发高性能的电池，另一方面就是采用电池管理系统，在使用方面进行优化，充分发挥电池的性能，提高电池的寿命。电池管理系统应有的主要功能为:显示荷电状态(SOC)、电池温度管理、显示电解液状态、电池性能异常报警、提供电池老化信息、记录电池关键数据。一个好的电池管理系统可以大大提高动力电源的使用寿命。为此，电动汽车界进行了不懈的研究，比较实用的电池管理系统主要功能有:数据采集、电池状态估计、能量管理、热管理和安全管理，如图10-3所示。(1)数据采集。数据采集系统所采集的数据是电池管理系统算法的基础，采样频率、精度和滤波特性是影响电池管理系统的重要指标。电动汽车电池管理系统采样频率一般要求大于200Hz。(2)电池状态估计。电池状态估计包括SOC和SOH两方面。SOC显示电池的荷电状态，依此可以估计汽车的行驶里程；SOH显示电池的寿命信息。SOC和SOH是进行电池能量管理的基础。最常用的SOC估计方法是Ah计量结合效率补偿。但由于电池的荷电状态与电池的使用状况密切相关，一般的SOC算法准确度都不太高，可以作为一个相对量来作参考。(3)能量管理。在能量管理中，电流、电压、温度、SOC和SOH等参数作为输入来控制充电过程，保持均衡充电；用SOC、SOH和温度信息限制电池放电电流。(4)安全管理。安全管理主要监测电池的电压、电流是否超过限制；防止电池过渡放电，尤其是防止个别电池单体过渡放电；防止电池过热而发生热失控。(5)热管理。热管理系统主要是使电池单体温度均衡，保持在合理的范围之内，对高温电池实施冷却，对低温电池实施加热等。该功能对于大功率放电和高温条件下使用的电池尤为重要。4.DC/DC变换器纯电动汽车一般用蓄电池作为动力电源，电动汽车在加速和大负荷运转时，瞬时放电电流比较大，这种大电流放电会使蓄电池产生很大的瞬间电压降，进而造成较大的电压波动，这种电压波动对于电动机和其他电气设备是非常不利的。另一方面，设计较高的动力总线电压等级有利于提高驱动系统的效率和减小驱动系统的体积及质量。1)Boost型变换器Boost型变换器也称为并联开关型变换器，其电路原理如图10-4所示，由开关管V1、二极管VD1、储能电感L1和输出滤波电容C1组成。当V1导通时，能量从输入端AO流入，并储存于电感L1中，由于V1导通期间正向饱和管压降很小，二极管VD1反偏，变换器输出由C1提供能量。当V1截止时，电感L1中的电流不能突变，它所产生的感应电势阻止电流减小，感应电势的极性为右正左负，二极管VD1导通，电感中存储的能量经二极管VD1流入电容C1，并供给输出端BO。如果开关管V1周期性的导通和截止，开关周期为T，其中导通时间为ton，截止时间为T-ton，则Boost型变换器输出电压UBO和输入电压UAO之间的关系为:由此可知，当开关周期T不变，改变导通时间ton时就能获得所需的上升电压值。Boost型变换器的效率高达90％以上，并且其电路结构简单、器件少、质量轻、体积小等，所以，常被用作车载变换器。2)全桥逆变型变换器如图10-5所示，全桥逆变型变换器主要由开关管V1~V4、中频升压器TR和输出整流二极管VD1、VD2组成。开关管V1~V4构成全桥逆变电路，需要两组相位相反的驱动脉冲进行控制:当V1和V4同时导通、V2和V3同时截止时，输入电压UAC通过V1和V4加到中频变压器TR的一次线圈上，一次电压UTR=UAC；当V1和V4同时截止、V2和V3

同时导通时，输入电压UAC通过V2和V3反向加到中频变压器TR的一次线圈上，一次电压UTR=-UAC；当开关管V1~V4同时截止时，UTR=0。这样通过开关管V1~V4的交替导通和截止，将输入的直流电压转换成交流电压加到变压器上，其二次电压通过VD1和VD2的整流，输出直流电压。如果开关管V1~V4的开关周期为2T，其中导通时间为ton，变压器一次、二次线圈比为n，则全桥逆变型变换器输出电压UBD与输入电压UAC之间的关系为:由此可知，当采用升压变压器时，n

>1，可获得变换器的升压特性；当开关周期T不变，改变导通时间ton就可以调节输出的电压值。全桥逆变式变换器的输入和输出是通过中频变压器隔离的，由于变压器具有一定的频率响应带宽，在变换器输入端和变压器一次电路产生的部分高频干扰信号不能传输到变换器的输出端。因此，作为车载变换器，全桥逆变式变换器比Boost型变换器具有较好的电磁兼容性。电动汽车中用到的DC/DC变换器还有很多其他种类，另外，对于交流电机驱动的电动汽车还需要DC/AC逆变器，把蓄电池的直流电变换为交流电供给交流电动机。带有制动能量回收的电动汽车还需要AC/DC变换器，把交流发电机发出的电能变换为直流电，向蓄电池充电。对于这两种变换器，此处不作介绍。三、电动机驱动系统电动机驱动系统的作用是通过电动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。其基本构成主要有两部分:电动机和控制器。电动机由控制器控制，可以将电能转化为机械能。控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于电动机运行的另一种形式的电能，所以控制器本质上是一个电能转换控制装置。电动汽车用电机通常要求能频繁地起动、停车、加速和减速。低速行驶或爬坡时要求电动机高转矩运行；高速行驶时要求电动机低转矩运行，变速范围要大。对电动汽车驱动电动机要求过载能力能满足短时内加速行驶与最大爬坡度的要求；最高转速应能达到基速的3

~5倍；电动机功率密度高，在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率；可控性高，稳态精度高，动态性能好；能在较恶劣的环境中正常工作等。目前电动汽车主要采用的电机驱动系统有:直流电动机驱动系统、三相交流感应电动机驱动系统、永磁电动机驱动系统和开关磁阻电动机驱动系统。1.直流电动机驱动系统直流电动机驱动系统具有控制简单、调速性能好、技术成熟和成本低等优点，在中小功率电动汽车中有广泛应用。电动汽车直流电动机驱动系统中的直流电动机通常采用串励电动机(起动转矩大)或他励电动机(效率高)。利用直流电动机可以从电动机运行状态平滑地转换到发电状态这一特性，当电动汽车制动和减速时，很容易采用再生制动。此时，电动机转矩方向与转速方向相反，电动机吸收机械能，把机械能转化为电能储存于动力电源中。但由于直流电动机存在电刷和机械换向器，限制了电动机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护和更换电刷和换向器。另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电动机转矩质量比的进一步提高。因此，其最高转速较低、体积大、功率密度低、成本高，需要定期维护。鉴于直流电动机存在以上缺陷，在大功率的电动汽车上很少使用。直流电动机常采用PWM的控制方式，其控制器称为斩波控制器(又称电压斩波器)，它是直流电源和负载电动机之间的一个周期性通断的开关控制装置，利用电力电子元件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用于实现直流电动机电枢端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统。它的作用是通过改变供给直流电动机的电压，来控制电动机的转速和转矩。2.三相交流感应电动机驱动系统交流感应电动机驱动系统主要由三相功率逆变器、三相交流感应电动机、电动机控制器、辅助系统组成。交流系统比相同峰值功率的直流他励电动机系统更小、更轻，效率更高。三相功率逆变器一般采用绝缘栅极晶体管IGBT以及驱动、自检测、自保护功能融合在一起的智能功率模块IPM。其主要作用是把车载动力电源的直流电逆变为交流电，供给三相交流感应电动机。三相交流感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压而成，在转子和定子之间没有相互接触的集电环、换向器等部件。结构简单，运行可靠，经久耐用。交流感应电动机的功率覆盖面很广，转速达到12000

~15000r/min。感应电动机可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并能够实现再生反馈制动。与相同功率的直流电动机相比，具有效率高、质量减轻一半左右、价格便宜、维修方便等优点。由于感应电动机没有独立的励磁绕组，其电枢绕组(定子绕组)既是励磁绕组又是转矩绕组。因此感应电动机属于多变量、强耦合的非线性系统，其励磁与转矩之间的耦合使得感应电动机的控制比较困难。目前，感应电动机主要用在中大功率的驱动系统中，其转速公式为:式中:n——转速；f——供电频率；pn——极对数；s——转差率。由该式可知，为了调节电动机的转速，可以采用变极、变转差率和变频调速等方式。其中，变频调速具有调速范围宽、转速可以连续调节、效率高、转矩特性好等优点，更适合电动汽车使用。感应电动机变频驱动的关键是能为电动机提供变压变频电源，同时，其电压和频率应该按照一定的控制策略进行调节，使得驱动系统具有良好的转矩转速特性。其变频系统可以采用不同的控制方式，主要有标量控制和矢量控制两种。在高性能电动汽车上，更倾向于采用矢量控制。矢量控制的基本原理是通过测量和控制感应电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对感应电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制感应电动机转矩的目的。具体是将感应电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。目前，由于交流电动机的变频调速控制器价格较高，在一定程度上限制了交流电动机驱动系统的应用。3.永磁电动机驱动系统永磁无刷电动机包括永磁无刷直流电动机和永磁无刷同步电动机两种。永磁无刷直流电动机的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有换向器和电刷组成的机械接触结构。它采用永磁体转子，没有励磁损耗；发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易。因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机与其他电动机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。永磁无刷同步电动机的恒转矩区比较长，一直延伸到电动机最高转速的50％处左右，这对提高汽车的低速动力性能有很大帮助；电动机最高转速较高，能达到10000

r/min。永磁无刷同步电动机功率密度高、调速性能好，在宽转速范围内运行效率高(90％~95％)，是理想的电动汽车驱动电动机之一。典型的