純電動汽車-電機(jī)及控制器課件(PPT 62頁)

1、第二章 純電動汽車動力系統(tǒng)匹配關(guān)鍵部件選型要求電機(jī)及其控制器第1頁，共62頁。2.0.3 基本組成1.車載電源2.電池管理系統(tǒng)3. 驅(qū)動電動機(jī)4. 控制系統(tǒng)5. 車身及底盤6. 安全保護(hù)系統(tǒng)第2頁，共62頁。2.0.3 基本組成1. 車載電源組成 以動力電池組作為車載電源，用周期性的充電來補(bǔ)充電能。重要性 動力電池組是EV的關(guān)鍵裝備，儲存的電能、質(zhì)量和體積，對EV性能起決定性影響，也是發(fā)展EV的主要研究和開發(fā)對象。 EV發(fā)展的癥結(jié)在于電池，電池技術(shù)對EV的制約仍然是EV發(fā)展的瓶頸。 建立充電站系統(tǒng)、報廢電池回收和處理工廠，是推廣EV的關(guān)鍵問題。第3頁，共62頁。2.0.3 基本組成1. 車載電

2、源發(fā)展 (1)第一代EV電池：鉛酸電池 優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，成本低。 缺點(diǎn)：比能量和比功率低不能滿足EV續(xù)駛里程和動力性能的需求，但進(jìn)一步發(fā)展了閥控鉛酸電池、鉛布電池等，使鉛酸電池的比能量有所提高。 第4頁，共62頁。2.0.3 基本組成1. 車載電源發(fā)展 (2)第二代高能電池：鎳鎘電池、鎳氫電池、鈉硫電池、鈉氯化鎳電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池、鋅空氣電池和鋁空氣電池等 優(yōu)點(diǎn)：比能量和比功率都比鉛酸電池高，大大提高了EV的動力性能和續(xù)駛里程。 缺點(diǎn)：有些高能電池需要復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，各種電池對充電技術(shù)有不同要求。而且電化學(xué)電池中的活性物質(zhì)在使用一定的期限后，會老化變質(zhì)以至完全喪失

3、充電和放電功能而報廢，從而使EV的使用成本高。第5頁，共62頁。2.0.3 基本組成1. 車載電源發(fā)展 (3)第三代電池：飛輪電池、超級電容器 飛輪電池是電能機(jī)械能電能轉(zhuǎn)換的電池。 超級電容器是電能電位能電能轉(zhuǎn)換的電池。 這兩種儲能器在理論上都具有很大的轉(zhuǎn)換能力，而且充電和放電方便迅速，但尚處于研制階段。第6頁，共62頁。2.0.3 基本組成1. 車載電源高壓電源 動力電池組提供約155380V高壓直流電。 動力電池組是供電機(jī)工作的唯一動力電源。 空調(diào)系統(tǒng)的空壓機(jī)，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油泵和制動系統(tǒng)的真空泵等，也需要動力電池組提供動力電能。低壓電源 動力電池組通過DC/DC轉(zhuǎn)換器，供應(yīng)12V或24V

4、低壓電，并儲存到低壓電池組中，作為儀表、照明和信號裝置等工作的電源。第7頁，共62頁。2.0.3 基本組成2.電池管理系統(tǒng)管理 對動力電池組充電與放電時的電流、電壓、放電深度、再生制動反饋電流、電池溫度等進(jìn)行控制。 個別電池性能變化后，會影響到整個動力電池組性能，故需用電池管理系統(tǒng)來對整個動力電池組及其每一單體電池進(jìn)行監(jiān)控，保持各個單體電池間的一致性。充電 動力電池組必須進(jìn)行周期性的充電。高效率充電裝置和快速充電裝置，是EV使用時所必須的輔助設(shè)備?？刹捎玫孛娉潆娖鳌④囕d充電器、接觸式充電器或感應(yīng)充電器等進(jìn)行充電。第8頁，共62頁。2.0.3 基本組成3. 驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動電動機(jī)是驅(qū)動EV行駛的唯

5、一動力裝置。類型 直流電動機(jī)、交流電動機(jī)、永磁電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)等。再生制動 再生制動是EV節(jié)能的重要措施之一。制動時電動機(jī)可實(shí)現(xiàn)再生制動，一般可回收10%15%的能量，有利于延長EV行駛里程。 在EV制動系統(tǒng)中，還保留常規(guī)制動系統(tǒng)和ABS制動系統(tǒng)，以保證車輛在緊急制動時有可靠的制動性能.第9頁，共62頁。2.0.3 基本組成4. 控制系統(tǒng)EV的控制系統(tǒng)主要是對動力電池組的管理和對電動機(jī)的控制。將加速踏板、制動踏板機(jī)械位移的行程量轉(zhuǎn)換為電信號，輸入中央控制器，通過動力控制模塊控制驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。計算動力電池組剩余電量和剩余續(xù)駛里程。對整車低壓系統(tǒng)的電子、電器裝置進(jìn)行控制。采用各種各樣的傳感

6、器、報警裝置和自診斷裝置等，對整個動力電池組功率轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并及時反饋信息和報警。第10頁，共62頁。2.0.3 基本組成5. 車身及底盤車身 EV車身造型特別重視流線型,以降低空氣阻力系數(shù)。底盤 由于動力電池組的質(zhì)量大，為減輕整車質(zhì)量，采用輕質(zhì)材料制造車身和底盤部分總成。 動力電池組占據(jù)的空間大，在底盤布置上還要有足夠的空間存放動力電池組，并且要求線路連接、充電、檢查和裝卸方便，能夠?qū)崿F(xiàn)動力電池組的整體機(jī)械化裝卸。第11頁，共62頁。2.0.3 基本組成6. 安全保護(hù)系統(tǒng)高壓安全 動力電池組具有高壓直流電，必須設(shè)置安全保護(hù)系統(tǒng)，確保駕駛員、乘員和維修人員在駕駛、乘坐和維修時的

7、安全。故障處理 必須配備電氣裝置的故障自檢系統(tǒng)和故障報警系統(tǒng)，在電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時自動控制EV不能起動等，及時防止事故的發(fā)生。第12頁，共62頁。2.0.3 基本組成小結(jié)操縱：在操縱裝置和操縱方法上繼承或沿用內(nèi)燃機(jī)汽車主要的操縱裝置和操縱方法，適應(yīng)駕駛員的操作習(xí)慣，使操作簡單化和規(guī)范化?？刂疲涸贓V控制系統(tǒng)中，采用全自動或半自動的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，達(dá)到安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保和靈活的目的。電池：提高電池的比能量和比功率，實(shí)現(xiàn)電池的高能化。電機(jī)：采用高效率的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和高效率的驅(qū)動電動機(jī)，提高電動機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)的效率。車身和底盤：采用流線型車身，降低迎風(fēng)面積和空氣阻力系數(shù)。采用輕金屬材料、高強(qiáng)度

8、復(fù)合材料和新型EV專用車身和底盤結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車身和底盤的輕量化，減輕整備質(zhì)量。采用低滾動阻力輪胎，降低行駛阻力。再生制動：回收再生制動能量，延長行駛里程。第13頁，共62頁。2.0.4 關(guān)鍵技術(shù)1. 驅(qū)動電動機(jī)的選擇及功率匹配電動機(jī)應(yīng)具有良好的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，一般具有600015000r/min的轉(zhuǎn)速。根據(jù)車輛行駛工況，驅(qū)動電動機(jī)可以在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動電動機(jī)應(yīng)經(jīng)常保持在高效率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。在低速大轉(zhuǎn)矩（恒轉(zhuǎn)矩區(qū)）運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)效率在0.750.85之間，在恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)效率在0.80.9之間。第14頁，共62頁。2.0.4 關(guān)鍵技術(shù)2. 動力電池組的選擇與特性3. 減速器傳動比的確定由于電

9、動機(jī)的轉(zhuǎn)速高，不能直接驅(qū)動車輛的車輪，通常在驅(qū)動系統(tǒng)中采用大速比的減速器或2檔變速器。作用：減速、增扭減速器或變速器中不設(shè)置倒檔齒輪，倒車是靠電動機(jī)的反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。第15頁，共62頁。2.0.4 關(guān)鍵技術(shù)4. 控制系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)：延長續(xù)駛里程續(xù)駛里程 續(xù)駛里程指電動汽車從動力蓄電池全充滿狀態(tài)開始到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)結(jié)束時所走過的里程。采用工況法按照一定的工況反復(fù)地循環(huán)行駛，是EV測定續(xù)駛里程的基本方法。 我國頒布的GB/T 183862001電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法適用于EV最大總質(zhì)量3500kg ，最高車速 70km/h的EV。第16頁，共62頁。2.0.4 關(guān)鍵技術(shù)4. 控制系統(tǒng)的設(shè)

10、計延長續(xù)駛里程的方法 選用高比能量的電池。 減少EV在行駛中各種環(huán)節(jié)中的能量損耗。 減少EV輔助系統(tǒng)的電能消耗，對空調(diào)、動力轉(zhuǎn)向等進(jìn)行自動控制。 設(shè)計新EV時，在造型、結(jié)構(gòu)、材料和配件方面，應(yīng)使G, f 和 CD等盡量降低。第17頁，共62頁。2.0.5 發(fā)展趨勢當(dāng)前EV主要向小型化、個性化、家庭化和休閑化方向開辟市場，可適當(dāng)?shù)亟档蛯恿π阅?、最高車速和續(xù)駛里程方面的要求。世界各國都有各式各樣的微型和小型EV在使用。如日本豐田汽車公司E-com微型電動轎車和日產(chǎn)汽車公司的Hypermini微型電動轎車。Nissan Hypermini(2000)第18頁，共62頁。2.1 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng) 2

11、.1.1 組成和結(jié)構(gòu)形式 2.1.2 傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng) 2.1.3 簡化的傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng) 2.1.4 電動機(jī)驅(qū)動橋整體式 驅(qū)動系統(tǒng) 2.1.5 雙電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 2.1.6 內(nèi)轉(zhuǎn)子電動輪驅(qū)動系統(tǒng) 2.1.7 外轉(zhuǎn)子電動輪驅(qū)動系統(tǒng)第19頁，共62頁。2.1.1 組成和結(jié)構(gòu)形式組成動力電池組驅(qū)動電動機(jī)傳動系統(tǒng)驅(qū)動輪控制裝置驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng) 簡化的傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng) 電動機(jī)驅(qū)動橋整體式驅(qū)動系統(tǒng) 雙電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 內(nèi)轉(zhuǎn)子電動輪驅(qū)動系統(tǒng) 外轉(zhuǎn)子電動輪驅(qū)動系統(tǒng)第20頁，共62頁。2.1.2 傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)電動機(jī)替代發(fā)動機(jī)。仍然采用內(nèi)燃機(jī)汽車的傳動系統(tǒng)，包括離合器、變速器、傳動軸和驅(qū)動橋等總成。有電動

12、機(jī)前置、驅(qū)動橋前置(F-F)，電動機(jī)前置、驅(qū)動橋后置(F-R)等各種驅(qū)動模式。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低，不能充分發(fā)揮電動機(jī)的性能。M電動機(jī)C離合器GB變速器D差速器第21頁，共62頁。2.1.1 組成和結(jié)構(gòu)形式組成動力電池組驅(qū)動電動機(jī)傳動系統(tǒng)驅(qū)動輪控制裝置驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng) 簡化的傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng) 電動機(jī)驅(qū)動橋整體式驅(qū)動系統(tǒng) 雙電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 內(nèi)轉(zhuǎn)子電動輪驅(qū)動系統(tǒng) 外轉(zhuǎn)子電動輪驅(qū)動系統(tǒng)第22頁，共62頁。2.1.2 傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)電動機(jī)替代發(fā)動機(jī)。仍然采用內(nèi)燃機(jī)汽車的傳動系統(tǒng)，包括離合器、變速器、傳動軸和驅(qū)動橋等總成。有電動機(jī)前置、驅(qū)動橋前置(F-F)，電動機(jī)前置、驅(qū)動橋后置(F-R)等各種

13、驅(qū)動模式。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低，不能充分發(fā)揮電動機(jī)的性能。M電動機(jī)C離合器GB變速器D差速器第23頁，共62頁。第24頁，共62頁。經(jīng)典汽車設(shè)計理論推導(dǎo)車輛行駛平衡方程第25頁，共62頁。第26頁，共62頁。第27頁，共62頁。驅(qū)動方程驅(qū)動系統(tǒng)的動力輸出特性與車輛的動力性能直接相關(guān)。驅(qū)動系統(tǒng)的動力輸出應(yīng)該滿足車輛的動力性要求。在設(shè)計電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)時，為了使電動汽車達(dá)到要求的動力性能指標(biāo)，首先必須建立電動汽車的力學(xué)模型，對電動汽車行駛過程中力與功率的平衡進(jìn)行分析，以得到電動汽車的需求特性場。第28頁，共62頁。主要部件選型設(shè)計純電動汽車首先要進(jìn)行選型設(shè)計，除了車型選擇外，電機(jī)類型與其性能參數(shù)、電池

14、類型與其性能參數(shù)、控制方式的選擇、電池數(shù)量的選擇等都是首先要確定的。1電機(jī)功率的選擇第29頁，共62頁。主要部件選型電機(jī)功率的選擇將對電動汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性有著重要的影響。對于純電動汽車用電機(jī)，在選擇電機(jī)的功率時還要考慮以下幾個因素:a、最高車速。電機(jī)的功率必須能滿足電動汽車最高車速的功率要求，以保證汽車在良好路面和空載情況下，能獲得較高的行駛速度。b、加速性能。電機(jī)的功率越大，則電動汽車的后備功率就越多，從而其加速性能越好。但過多的后備功率又會增加純電動汽車不必要的能量消耗。c、由于汽車的行駛工況較為復(fù)雜，需要電機(jī)具有一定的過載能力，即能承受較大的過載電流，能發(fā)出高于額定轉(zhuǎn)矩2倍以上的轉(zhuǎn)矩

15、。3-5倍第30頁，共62頁。主要部件選型2 電機(jī)、電池電壓的選擇在選擇了電機(jī)和電池的類型后，就要確定電機(jī)的額定電壓和電池的電壓。在電機(jī)功率一定的情況下，電壓越高，電流越低，線路功率損失就越小，電池以小電流放電時，可獲得較大的容量。但電壓過高，又影響電子元器件的性能和安全。第31頁，共62頁。主要部件選型3電池容量選擇眾所周知，目前影響電動汽車商品化和實(shí)用化進(jìn)程的關(guān)鍵因素是電動汽車的續(xù)駛里程和電池的使用性能(包括電池的充電時間、安全性、價格和使用壽命等)。在選擇電池的容量時，既要滿足汽車的續(xù)駛里程的設(shè)計要求，又要考慮整車的空間結(jié)構(gòu)和底盤承載能力。因?yàn)檫x擇電池容量過大，電池組所貯存的電能越多，續(xù)

16、駛里程相應(yīng)延長，但電池組的重量增加，整車的整備質(zhì)量增加，導(dǎo)致行駛阻力也增加，反過來又影響純電動汽車的續(xù)駛里程。第32頁，共62頁。主要部件選型4傳動系的傳動比的選擇汽車在行駛過程中，通過一定的傳動比來滿足不同行駛工況的需要。傳動比起到減速增矩的作用。盡管電機(jī)一般都具有較寬的調(diào)速范圍，但在純電動汽車的設(shè)計過程中要選擇合理的傳動比，一方面滿足不同工況要求，另一方面使得電機(jī)在不同工況運(yùn)轉(zhuǎn)時，盡量處于高效率范圍內(nèi)，以獲得較高的轉(zhuǎn)化效率，減小功率損失。第33頁，共62頁。電機(jī)及其控制器電動機(jī)的基本要求電機(jī)的驅(qū)動曲線圖分析常用電機(jī)常用控制結(jié)構(gòu)和控制方法第34頁，共62頁。電動汽車用電動機(jī)的基本要求采用大功

17、率的電動機(jī)來驅(qū)動電動汽車與采用小功率的電動機(jī)相比，具有電阻小、效率高、比能耗低、動力性能好等優(yōu)點(diǎn)。在確定電動汽車所采用的電動機(jī)時，其性能必須充分滿足電動汽車不同行駛工況的要求。因此其性能要求有: 1、要有較大的起動轉(zhuǎn)矩來保證電動汽車的良好的起動和加速性能; 爬坡、頻繁啟/停的要求,通常電機(jī)的過載系數(shù)應(yīng)達(dá)34。 2、要有較寬的恒功率范圍，保證電動汽車具有高速行駛的能力，電動機(jī)的過載系數(shù)應(yīng)達(dá)到2-3倍;第35頁，共62頁。電動汽車用的電動機(jī)的基本要求 3、要有較大范圍的調(diào)速功能，在低速時具有較大的轉(zhuǎn)矩，在高速時具有高功率，能夠根據(jù)駕駛員對加速踏板的控制，隨即地調(diào)整電動汽車的行駛速度和相應(yīng)的驅(qū)動力;

18、 4、具有良好的效率特性,在較寬的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi),獲得最優(yōu)的效率,提高一次充電后的持續(xù)行駛里程,一般要求在典型的駕駛循環(huán)區(qū),獲得85%93%的效率。 5、再生制動時的能量回收率高。 6電動機(jī)的外形尺寸要求盡可能小，質(zhì)量盡可能輕; 7電動機(jī)的可靠性好，耐溫和耐潮性能強(qiáng)，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，運(yùn)行時噪音低，維修方便。 8 價格低 第36頁，共62頁。第37頁，共62頁。第38頁，共62頁。第39頁，共62頁。電動車驅(qū)動力與行駛阻力平衡圖第40頁，共62頁。第41頁，共62頁。1994年美國通用汽車公司向重慶電機(jī)廠定購電動汽車用50kW交流感應(yīng)電機(jī)時，提出的電機(jī)必須滿足的轉(zhuǎn)矩特性圖第42頁

19、，共62頁。電機(jī)及其控制技術(shù) 純電動汽車是利用電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的。電機(jī)的種類多、用途廣、功率覆蓋面非常大。車輛行駛的路面工況較復(fù)雜，所以作為電動汽車用的電動機(jī)的功率必須要適應(yīng)這種復(fù)雜工況的要求。對于不同的電機(jī)，采用的控制理論不同，其控制方法也各異。第43頁，共62頁?？刂平Y(jié)構(gòu)圖第44頁，共62頁。直流電機(jī)一標(biāo)準(zhǔn)斬波驅(qū)動系直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，具有交流電動機(jī)所不可比擬的優(yōu)良電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，直到20世紀(jì)80年代中期，仍是國內(nèi)外電動汽車用電機(jī)的主要研發(fā)對象。但是，直流電動機(jī)價格高、體積和質(zhì)量，因此在電動汽車上的應(yīng)用受到了限制。第45頁，共62頁。2.2.3 直流電機(jī)分類 永

20、磁直流電機(jī) 勵磁繞組直流電機(jī)它勵并勵串勵(多用于電動車)復(fù)勵第46頁，共62頁。2.2.3 直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn) 具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，控制裝置簡單、價廉。缺點(diǎn) 效率較低、質(zhì)量大、體積大、可靠性低(有換向器和電刷).控制系統(tǒng) 斬波器是在直流電源與直流電機(jī)之間的一個周期性的通斷開關(guān)裝置。一象限直流斬波控制直流斬波器控制下的輸出電壓PWM第47頁，共62頁。2.2.4 感應(yīng)電機(jī)分類 繞線式感應(yīng)電機(jī) 鼠籠式感應(yīng)電機(jī)：多用于電動車優(yōu)點(diǎn) 效率高、結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)實(shí)可靠、免維護(hù)、體積小、重量輕、易于冷卻(可直接向定子和轉(zhuǎn)子噴油)、壽命長、能有效的實(shí)現(xiàn)再生制動等 ?？刂品椒?脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)；變頻變壓調(diào)節(jié)(

21、VFVV)；矢量控制調(diào)節(jié)(VC)；直接轉(zhuǎn)矩控制(DSC)第48頁，共62頁。2.2.5 永磁電機(jī)優(yōu)點(diǎn) 高質(zhì)量比功率，高效率等。缺點(diǎn) 控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，功率范圍較小等。第49頁，共62頁。永磁同步電機(jī)驅(qū)動系永磁無刷電動機(jī)可以分為由方波驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)(BLDCM)和由正弦波驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)(PMSM)，其中以永磁同步電機(jī)應(yīng)用最為廣泛目前，由日本研制的電動汽車主要采用這種電機(jī)。如豐田的Prius混聯(lián)汽車。它們都具有較高的功率密度，其控制方式與感應(yīng)電機(jī)基本相同，因此在電動汽車上得到了廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)前電動汽車專用電動機(jī)的研發(fā)熱點(diǎn)。BLDCM系統(tǒng)不需要絕對位置傳感器，一般采用霍爾元件或增量式碼盤。PMSM系統(tǒng)需要絕對式碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置傳感器，這類電機(jī)具有較高的