新能源汽車與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù) 課件全套 靳文瑞 第1-6章 新能源動(dòng)力 -智能線控底盤

新能源汽車與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)第1章新能源動(dòng)力“十四五”時(shí)期國(guó)家重點(diǎn)出版物出版專項(xiàng)規(guī)劃項(xiàng)目新能源與智能網(wǎng)聯(lián)汽車新技術(shù)系列叢書中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)“十四五”普通高等教育規(guī)劃教材本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.1新能源汽車汽車工業(yè)是制造業(yè)的支柱,也是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大產(chǎn)業(yè),很難找到一個(gè)產(chǎn)業(yè)有如此大的影響力。2023年我國(guó)汽車銷量為3009.4萬輛,連續(xù)15年全球第一,千人汽車保有量約為248輛(美國(guó)約為830輛),全國(guó)新能源汽車保有量為1821萬輛,全國(guó)汽車保有量為4.2億輛

(美國(guó)為2.7億輛)。

汽車產(chǎn)業(yè)占我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的10%左右(德國(guó)約為20%),國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明汽車產(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)占全國(guó)就業(yè)總?cè)藬?shù)的1/6。行業(yè)背景1.1新能源汽車傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€(gè)非常成熟的“需求、研發(fā)、制造、銷售”一體化網(wǎng)絡(luò)圖1傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈1.1新能源汽車國(guó)內(nèi)外環(huán)保意識(shí)(氣候變化及其帶來的破壞)、城鎮(zhèn)化進(jìn)程(到2030年全球城鎮(zhèn)化將達(dá)60%)、新政策法規(guī)(CO2立法、車輛限行、新能源補(bǔ)貼)、節(jié)能意識(shí)(能源衰竭及油價(jià)上漲)、文化發(fā)展(可持續(xù)交通成為城市生活的元素,承擔(dān)社會(huì)責(zé)任)和客戶需求(觀念的變化、個(gè)性化、共享經(jīng)濟(jì))的變化，汽車工業(yè)正在向電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化的趨勢(shì)發(fā)展。減少CO2的排放是汽車技術(shù)創(chuàng)新中最為重要的部分。汽車工業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)交通問題能源問題環(huán)境問題1.1新能源汽車【例1-1】一輛日常出行的插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）每天行駛里程為64km，該車的電能消耗率為155Wh/km，傳動(dòng)效率為100%，假設(shè)為車輛充電的電網(wǎng)輸配電的損失率為10%，燃煤電廠的CO2排放量為950g/(kWh)，計(jì)算為其提供電能的電廠的CO2排放量。解：本題前提是此PHEV僅工作在用電模式，每日行駛64km消耗電能64×155=9.92kWh。將車輛消耗的電量折算為電廠的發(fā)電量9.92kWh/(1-10%)=11.02kWh。根據(jù)電廠CO2的排放程度，得到其排放量為：950g/(kWh)×11.02kWh=10.469kg。1.1新能源汽車國(guó)務(wù)院辦公廳《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》發(fā)布時(shí)間：2012年6月28日。國(guó)務(wù)院辦公廳《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》發(fā)布時(shí)間2020年11月2日。產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃特點(diǎn)強(qiáng)調(diào)“三縱三橫”研發(fā)布局。三縱：純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力（含增程式）汽車、燃料電池汽車三橫：動(dòng)力電池與管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電力電子、網(wǎng)聯(lián)化與智能化技術(shù)燃料電池汽車。力爭(zhēng)經(jīng)過15年持續(xù)努力，燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用?；A(chǔ)設(shè)施體系。有序推進(jìn)氫燃料供給體系建設(shè)。到2025年，純電動(dòng)乘用車新車平均電耗將至12KW·h/100km，新能源汽車新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售量的20%左右。1.1新能源汽車新規(guī)劃更能適應(yīng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)由零部件、整車研發(fā)生產(chǎn)及營(yíng)銷服務(wù)的“鏈?zhǔn)疥P(guān)系”，演變?yōu)槠?、能源、交通、信息通信等多領(lǐng)域多主體參與的“網(wǎng)狀生態(tài)”的新特征，力爭(zhēng)在核心技術(shù)創(chuàng)新、質(zhì)量保障體系、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)等方面鼓勵(lì)突破。新能源汽車主要技術(shù)圖2新能源汽車主要技術(shù)本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.2電池各種儲(chǔ)能形式的理論能量密度如下:核燃料?氣體燃料>內(nèi)燃機(jī)傳統(tǒng)液體燃料/鋰金屬/鋰空氣電池>燃料電池>鋰離子電池>普通電池>超級(jí)電容器各種儲(chǔ)能形式裝機(jī)狀態(tài)的實(shí)際能量密度如下:氣體燃料>內(nèi)燃機(jī)傳統(tǒng)液體燃料>燃料電池>鋰離子電池>普通電池>超級(jí)電容器動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)是整車的能量源,為整車提供驅(qū)動(dòng)電能,是電動(dòng)汽車最重要的子系統(tǒng)。電池系統(tǒng)的體積、形狀和技術(shù)參數(shù)會(huì)影響電動(dòng)汽車的行駛性能。1.2電池動(dòng)力蓄電池特點(diǎn)表1各類電池特點(diǎn)對(duì)比1.2電池1)能量密度高,以提高運(yùn)行效率和續(xù)駛里程。2)輸出功率密度高,以滿足駕駛性能要求。3)工作溫度范圍寬廣,以滿足夏季高溫和冬季低溫的運(yùn)行需要。4)循環(huán)壽命長(zhǎng),保證電池的使用年限和行駛總里程。5)無記憶效應(yīng),以滿足車輛在使用時(shí)常處于非完全放電狀態(tài)下的充電需要。6)自放電率小,滿足車輛較長(zhǎng)時(shí)間的擱置需求。7)安全性好、可靠性高及可循環(huán)利用。特性詳解分類圖3動(dòng)力蓄電池分類1.2電池性能指標(biāo)電動(dòng)勢(shì)：電池的電動(dòng)勢(shì)，又稱電池標(biāo)準(zhǔn)電壓或理論電壓，為電池?cái)嗦窌r(shí)正負(fù)兩極間的電位差。標(biāo)稱電壓：在正常工作過程中表現(xiàn)出來的電壓，比如二次鎳氫電池標(biāo)稱電壓為1.2V，鋰電池3.7V。開路電壓：外線路中沒有電流通過時(shí)，電池兩極之間的電位差。負(fù)載電壓：外線路中有電流通過時(shí)，電池兩極之間的電位差。中點(diǎn)電壓：放到50%容量時(shí)電池的電壓。主要用來衡量大電流放電系列電池高倍率放電能力，是電池的一個(gè)重要指標(biāo)。電池容量：在一定的放電條件下，可以從電池獲得的電量。一般用Ah或mAh來表示，它直接影響到電池的最大工作電流和工作時(shí)間。電池內(nèi)阻：電流通過電極或電池時(shí)所受到的阻力，包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)反應(yīng)中電極極化所造成的極化內(nèi)阻。1.2電池電池荷電狀態(tài)：表征電池的剩余容量，從電量的角度，定義為電池在一定的放電倍率下，剩余電量與相同條件下實(shí)際容量得到比值。電池內(nèi)阻：電流電流通過電極或電池時(shí)所受到的阻力,包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)反應(yīng)中電極極化所造成的極化內(nèi)阻。電池自放電：電池在儲(chǔ)存過程中由于非成流反應(yīng)而引起的放電容量下降的現(xiàn)象。電池自放電又稱荷電保持能力,即在開路狀態(tài)下,電池儲(chǔ)存的電量在一定環(huán)境條件下的保持能力,它是衡量電池性能的主要參數(shù)之一。電池功率：在一定的放電制度下,單位時(shí)間內(nèi)電池所輸出的能量。電池比能量

：電池能量即能量?jī)?chǔ)存密度,有體積比能量和質(zhì)量比能量?jī)煞N。比功率：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位體積的電池所輸出的功率稱為比功率。電池循環(huán)壽命：按照一定的制度進(jìn)行充放電,其性能衰減到某一程度時(shí)的循環(huán)次數(shù)。它是衡量電池壽命的重要指標(biāo),對(duì)電池的使用有直接影響。1.2電池有兩塊鋰離子電池:一臺(tái)筆記本計(jì)算機(jī)電池額定容量為4400mA·h,一款手機(jī)電池額定容量為5000mA·h。從外形上看,筆記本計(jì)算機(jī)電池比手機(jī)電池大許多,但容量卻比手機(jī)電池的少,手機(jī)電池是否比筆記本計(jì)算機(jī)電池耐用,如何理解?【例1-2】解:手機(jī)電池的額定電壓為3.7V,額定容量為5000mA·h,額定能量為3.7V×5000mA·h=18.5W·h。筆記本計(jì)算機(jī)電池的額定電壓為11.1V,額定容量為4400mA·h,額定能量為11.1V×4400mA·h=48.84W·h。如果有一個(gè)5W燈泡,工作電壓為2.5~12V,即在前面的這兩個(gè)電壓平臺(tái)下都可以工作,那么手機(jī)電池可供此燈泡連續(xù)工作18.5W·h/5W=3.7h,而筆記本計(jì)算機(jī)1.2電池鋰離子電池結(jié)構(gòu)原理鋰離子電池以碳為負(fù)極,以含鋰的化合物為正極;在充放電過程中,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池名稱的由來。鋰離子電池由正極、負(fù)極、電解質(zhì)和隔膜等組成。根據(jù)電解質(zhì)的不同,鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。圖3電解質(zhì)分類1.2電池正極:由含鋰的過渡金屬氧化物組成,常用的材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰。負(fù)極:石墨、石墨化碳材料、改性石墨、石墨化中間相碳微粒。電解質(zhì):大部分是由六氟磷酸鋰(LiPF6)加上有機(jī)溶劑配成。六氟磷酸鋰由五氯化磷和溶解在無水氟化氫中的氟化鋰反應(yīng)結(jié)晶而成。隔膜:一種特殊的復(fù)合膜,它的功能是隔離正、負(fù)極,阻止電子穿過,同時(shí)能夠允許鋰離子通過,從而完成在電化學(xué)充放電過程中鋰離子在正、負(fù)極之間的快速傳輸。目前隔膜主要是聚乙烯(Polyethylene,PE)或者聚丙烯(Polypropylene,PP)微孔膜。電池本質(zhì)上為一個(gè)能量轉(zhuǎn)化器1.2電池當(dāng)外部電源給電池充電時(shí),正極上的電子e通過外部電路到達(dá)負(fù)極,鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里,“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞,“游”到負(fù)極,與先前就過來的電子結(jié)合在一起。當(dāng)電池放電時(shí),機(jī)理與充電時(shí)剛好相反,以LiFePO4為例,其化學(xué)反應(yīng)方程式為：當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí),電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí),嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出,又運(yùn)動(dòng)回正極。搖椅式工作原理只是反映了鋰離子和電極材料之間的作用,而沒有反映電解質(zhì)的作用。事實(shí)上,電解質(zhì)是決定鋰離子電池性能的重要因素。（1.1）1.2電池①能量比相對(duì)較高。目前，單體已達(dá)到200-300Wh/kg，較鉛酸電池優(yōu)勢(shì)明顯。②使用壽命長(zhǎng)。使用壽命可達(dá)到6年以上，以磷酸亞鐵鋰為正極的電池1C（100DOD）充放電為例，可以有10000次的充放電記錄。③額定電壓高。單體工作電壓為3.7V或3.2V，約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓，便于組成電池電源組。④高功率承受力。磷酸亞鐵鋰離子電池達(dá)到15-30C充放電，便于高強(qiáng)度的啟動(dòng)加速。⑤自放電率很低。這是該電池最突出的優(yōu)越性之一，目前一般可做到一個(gè)月1%以下，不到鎳氫電池的1/20；且無記憶效應(yīng)。⑥重量輕。相同體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的1/5。⑦高低溫適應(yīng)性強(qiáng)。在-20℃~60℃使用，經(jīng)過工藝處理，可在-45℃環(huán)境下使用。⑧綠色環(huán)保。不論生產(chǎn)、使用和報(bào)廢，都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。⑨生產(chǎn)基本不消耗水。對(duì)我國(guó)缺水地區(qū)來說，十分有利。鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)1.2電池①鋰原電池均存在安全性差，有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。鋰離子電池近年來在國(guó)內(nèi)外已建成的大規(guī)模儲(chǔ)能電站，著火爆炸事故不斷（包括磷酸鐵鋰電池），據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2011-2021年達(dá)34起以上，造成巨大損失。此電池電解液使用易燃易爆的有機(jī)溶劑，決定了其非本征安全的特性。②鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電，安全性較差。③鋰離子電池均需保護(hù)線路，防止電池被過充過放電。④在不使用的狀態(tài)下存儲(chǔ)一段時(shí)間后，其部分容量會(huì)永久喪失。⑤生產(chǎn)要求條件高，成本高。鋰離子電池的缺點(diǎn)1.2電池電池單體與動(dòng)力蓄電池組鋰離子電池單體/電芯(Cell)有方形和圓柱形兩種。單體正極材料:有LiCoO2、Li2Mn2O4、LiFePO4、三元素NCM/NCA等。單體負(fù)極材料:一般為石墨、碳纖維、金屬氧化物(如SnO、SnO2)等。電解質(zhì):一般為L(zhǎng)iPF6。衡量鋰離子電池性能的兩個(gè)重要指標(biāo):一是比容量和能量密度,二是充放電倍率。表2幾種電極材料和電池單體的比容量、能量密度數(shù)據(jù)1.2電池將n個(gè)Cell經(jīng)np個(gè)并聯(lián)和ns個(gè)串聯(lián)再裝配成模塊(Module),np個(gè)并聯(lián)在一起的Cell稱為1個(gè)電池磚(Block)。即1個(gè)Module有ns個(gè)Block,1個(gè)Block里有np個(gè)Cell。電池模塊1.2電池單個(gè)電芯容量小、電壓低,動(dòng)力蓄電池為了獲得更高的容量和電壓平臺(tái),往往將電芯并聯(lián)或串聯(lián)使用,為了獲得更高的容量,先將電芯并聯(lián),形成單體電池,再將單體串聯(lián)獲得高電壓平臺(tái),從而形成動(dòng)力蓄電池組。優(yōu)越的動(dòng)力蓄電池組應(yīng)滿足高能量密度、結(jié)構(gòu)可靠、安全性和熱管理等要求。動(dòng)力蓄電池組對(duì)于動(dòng)力蓄電池而言,必須保證單體電池內(nèi)并聯(lián)的電芯電壓平臺(tái)的一致性,否則容易出現(xiàn)單體內(nèi)部環(huán)流。1.2電池電池組的單體數(shù)、容量和能量:將n′個(gè)模塊經(jīng)串聯(lián),將導(dǎo)線、集流體、熔絲、電池管理系統(tǒng)(BatteryManagementSystem,BMS)、箱體、蓋板等焊接和裝配(Packing)成動(dòng)力蓄電池組或電池包。其中一節(jié)或幾節(jié)電芯電壓低或出現(xiàn)內(nèi)部短路,其他電芯會(huì)對(duì)其放電,單體電池的能量會(huì)使短路電芯溫度急速升高,極易引發(fā)熱失控,最終可能導(dǎo)致整個(gè)單體電池的損壞,甚至引發(fā)相鄰單體或整包的損毀。還必須保證串聯(lián)的單體電池內(nèi)阻及容量的一致性,內(nèi)阻互差大容易造成局部熱失控,容量互差大則影響電池的有效容量和使用壽命。1.2電池電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)(BMS)是對(duì)蓄電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理,提高蓄電池使用效率的裝置。對(duì)于電動(dòng)汽車而言,通過該系統(tǒng)對(duì)電池組充放電的有效控制,可以達(dá)到增加續(xù)駛里程、延長(zhǎng)使用壽命、降低運(yùn)行成本的目的,并保證動(dòng)力蓄電池組應(yīng)用的安全性和可靠性。動(dòng)力BMS已經(jīng)成為電動(dòng)汽車不可缺少的核心部件之一。鋰離子電池在成組使用時(shí),更容易發(fā)生過充電、過放電的現(xiàn)象,其根源在于電池的一致性差異。BMS的基本功能有:單體電池電壓采集、單體電池溫度采集、電池組電流檢測(cè)、單體/電池組SOC測(cè)算、電池組健康狀態(tài)評(píng)估、充放電均衡功能、絕緣檢測(cè)及漏電保護(hù)、熱管理控制、關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄、電池故障分析與在線報(bào)警、通信功能。1.2電池圖4BMS組成結(jié)構(gòu)1.2電池SOC均衡方法鋰離子電池SOC測(cè)算方法有如下幾種:1)電壓法:不依賴于歷史狀態(tài),無累積誤差,各單體SOC相對(duì)獨(dú)立;但是鋰離子，電池電壓曲線平緩,不易判斷。2)電阻測(cè)量法:用不同頻率的交流電激勵(lì)電池,測(cè)量電池內(nèi)部交流電阻,通過計(jì)算模型得到SOC估計(jì)值;但SOC與電阻等參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜,傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法難以建模。3)Ah(安時(shí))積分法:依賴于歷史狀態(tài),有累積誤差,有均衡的情況下SOC測(cè)算難度加大;但Ah積分法可以通過補(bǔ)償、校準(zhǔn)提高精度。1.2電池均衡分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡。被動(dòng)均衡以電阻能耗法為代表,該方法可以實(shí)現(xiàn)充電均衡。主動(dòng)均衡以DC/DC變換器為代表,基于此主動(dòng)均衡又可以分為電池組向單體均衡(放電均衡效果尤佳)、單體向電池組均衡(充電均衡效果尤佳)、電池組與單體之間雙向均衡和單體與單體之間均衡4種方式,每種方式均可以實(shí)現(xiàn)下圖所示的充電均衡和放電均衡。均衡系統(tǒng)的目的是平衡電池組中單體電池的容量和能量差異,提高電池組的能量利用率。1.2電池?zé)峁芾黼妱?dòng)汽車自燃事件頻出,究其原因主要與BMS的熱管理有關(guān)。由于過高或過低的溫度都將直接影響動(dòng)力蓄電池的使用壽命和性能,并有可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)的安全問題。電池箱內(nèi)溫度場(chǎng)的長(zhǎng)久不均勻分布將造成各電池模塊、單體間性能、不均衡。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)于電動(dòng)車輛動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)而言是必需的。

可靠、高效的熱管理系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)車輛的可靠、安全應(yīng)用意義重大。熱管理的功能包括:池溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控、電池組溫度過高時(shí)的有效散熱和通風(fēng)低溫條件下的快速加熱、有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng)、電池組溫度場(chǎng)的均勻分布。1.2電池電池內(nèi)傳熱的基本方式有以下3種:熱傳導(dǎo):物質(zhì)與物體直接接觸產(chǎn)生的熱傳遞。電池內(nèi)部的電極、電解液、集流體等都是熱傳導(dǎo)介質(zhì)。熱對(duì)流:電池表面的熱量通過環(huán)境介質(zhì)(一般為流體)的流動(dòng)交換熱量,和溫差成正比。熱輻射:主要發(fā)生在電池表面,與電池表面材料的性質(zhì)相關(guān)。熱管理系統(tǒng)按照傳熱介質(zhì)分空冷、液冷和相變材料冷卻,空冷系統(tǒng)又分串行通風(fēng)方式和并行通風(fēng)方式兩種。安全管理安全管理的功能有煙霧報(bào)警、絕緣檢測(cè)、自動(dòng)滅火、過電壓和過電流控制、過放電控制、防止溫度過高、在發(fā)生碰撞的情況下關(guān)閉電池等。1.2電池續(xù)航里程和電池組能量的計(jì)算新能源汽車的主要性能參數(shù)有續(xù)駛里程、最高車速、起步加速度和超越加速時(shí)間、最大爬坡度等。續(xù)駛里程主要與動(dòng)力電池額定能量、車頭造型、車輛質(zhì)量有關(guān)。后面幾個(gè)參數(shù)與電機(jī)選配有關(guān)。續(xù)駛里程（D）是電動(dòng)汽車在動(dòng)力電池完全充電狀態(tài)下，以一定的行駛工況，能連續(xù)行駛的最大距離，單位為km。對(duì)于純電動(dòng)汽車，計(jì)算續(xù)駛里程應(yīng)考慮三方面問題：實(shí)際可提供的能量。包括動(dòng)力電池組的設(shè)計(jì)能量或額定能量、放電深度（Depthofdischarge）以及汽車的機(jī)械效率、電氣效率、再生制動(dòng)回收的能量。行駛工況。汽車驅(qū)動(dòng)所需能量。取決于汽車行駛阻力，包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力（與車輛區(qū)隔、風(fēng)阻系數(shù)有關(guān)）、上坡阻力和加速阻力。1.2電池按照尺寸從小到大，把純電動(dòng)轎車分為以下類型和區(qū)隔。間隔電池組可提供能量設(shè)電池組額定能量為E，單位是Wh。表3部分純電動(dòng)轎車類型和區(qū)隔（1.2）1.2電池分四步進(jìn)行計(jì)算電池的實(shí)際可提供能量。Step1考慮放電深度DOD。由于電池放電到剩余電量SOC約10%時(shí)就需要充電，所以ηDOD=0.90，則電池組釋放能量E1為：Step2考慮能量回收。純電動(dòng)車制動(dòng)能量回收的δs（續(xù)駛里程貢獻(xiàn)度）可達(dá)10%~30%。引入系數(shù)λ=1+δs，取δs=20%，λ=1.20，則電池組釋放能量E2為：（1.3）（1.4）1.2電池Step3考慮純電動(dòng)汽車機(jī)械效率和電氣效率，設(shè)總效率為η，取η=0.82，則可提供給汽車的能量E3為：考慮能量回收不考慮能量回收Step4考慮設(shè)計(jì)裕量。因?yàn)镾EI膜的不可逆容量損失和焦耳熱損失，故應(yīng)有一個(gè)裕量系數(shù)Δ=1.1?？紤]能量回收不考慮能量回收1.2電池受力分析計(jì)算續(xù)駛里程D（km）和電池包所需的額定能量E。計(jì)算之前，先要對(duì)汽車做受力分析，這是車輛分析的基礎(chǔ)。（1.4）1.2電池上坡阻力滾動(dòng)阻力加速阻力空氣阻力純電動(dòng)轎車受力分析1.2電池續(xù)駛里程測(cè)試分為兩種方法:方法一是利用底盤測(cè)功機(jī)和試驗(yàn)循環(huán)曲線進(jìn)行的NEDC工況法;方法二是在試驗(yàn)道路上進(jìn)行的等速法。按照方法一,即NEDC工況法估算續(xù)駛里程,也有兩種方法:方法A是利用現(xiàn)成的Cruise軟件進(jìn)行仿真計(jì)算;方法B是手工計(jì)算,繪制下表中6個(gè)組別的E-D曲線(即“電池組額定能量-續(xù)駛里程”曲線)。續(xù)駛里程D為定值，電池組設(shè)計(jì)能量的計(jì)算問題表

汽車?yán)m(xù)航里程和電池包能量計(jì)算中的關(guān)鍵參數(shù)1.2電池NEDC工況NEDC工況是歐洲續(xù)航測(cè)試采用的標(biāo)準(zhǔn),雖然現(xiàn)在國(guó)際上常用世界輕型汽車測(cè)試規(guī)程(WorldLightVehicleTestProcedure,WLTP)循環(huán)工況,但在國(guó)內(nèi)新能源汽車?yán)m(xù)駛里程測(cè)定還是使用NEDC工況。整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)由市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)(1部)和市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)(2部)組成,如圖所示。圖5一個(gè)NEDC工況一個(gè)NEDC當(dāng)量距離為11.023km。試驗(yàn)1部由4個(gè)城區(qū)循環(huán)單元組成,每個(gè)城區(qū)循環(huán)有15個(gè)工況,共195s,平均車速為18.7km/h,試驗(yàn)的當(dāng)量距離為1.017km。整個(gè)試驗(yàn)1部共780s,試驗(yàn)的當(dāng)量距離為4.067km。試驗(yàn)2部由1個(gè)城郊循環(huán)組成,有13個(gè)工況,共400s,平均車速為62.6km/h,試驗(yàn)的當(dāng)量距離為6.956km。1.2電池NEDC循環(huán)工況的模擬計(jì)算式中，Wa為加速段驅(qū)動(dòng)力做功，單位是J。①加速段：設(shè)加速度為a，初速度為v0，則瞬時(shí)速度vt=v0+at，ds=vtdt=(v0+at)dt。設(shè)加速時(shí)間為0→t1，行駛距離為0→s1，則驅(qū)動(dòng)力做功為:1.2電池②勻速段：設(shè)勻速度為v，則ds=vdt。設(shè)行駛時(shí)間0→t2，行駛距離為0→s2，則驅(qū)動(dòng)力做功為式中，Wc為勻速段驅(qū)動(dòng)力做功，J③減速段：汽車制動(dòng)過程中，產(chǎn)生兩種摩擦阻力。一個(gè)是車輪制動(dòng)器產(chǎn)生的摩擦阻力使車輪轉(zhuǎn)速減慢，稱之為制動(dòng)器制動(dòng)力；另一個(gè)是車輪與地面產(chǎn)生的摩擦阻力使汽車減速，稱之為地面制動(dòng)力。計(jì)算時(shí)假定制動(dòng)過程中不消耗能源，而回收的能量已反映在下式中。針對(duì)停車工況和減速工況，不需要計(jì)算。1.2電池中國(guó)循環(huán)工況CLTC我國(guó)在WLTP的基礎(chǔ)上建立了適合中國(guó)路況的中國(guó)輕型汽車行駛工況（CLTC），此標(biāo)準(zhǔn)也將在2025年升級(jí)為強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。CLTC包括適用于M1類乘用車的CLTC-P(中國(guó)乘用車行駛工況)以及適用于N1類和最大整備質(zhì)量不超過3500kg的M2類汽車的CLTC-C(中國(guó)輕型商務(wù)車行駛工況)。圖6CLTC-P與NEDC的對(duì)比本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.3燃料電池系統(tǒng)概述燃料電池系統(tǒng)由電池電堆、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)和輸出管理子系統(tǒng)(DC/DC轉(zhuǎn)換器)5個(gè)子系統(tǒng)組成。圖7燃料電池系統(tǒng)1.3燃料電池系統(tǒng)分類燃料電池是一種類似于普通電池,可以把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的電池,但是它又與普通電池有較大的差別。它通過催化劑促使燃料發(fā)生氧化還原反應(yīng),持續(xù)產(chǎn)生電流,進(jìn)而起到發(fā)電的作用。燃料電池的分類可以依據(jù)燃料電池的電堆工作溫度、燃料種類、電解質(zhì)性質(zhì)等分類。按照電解質(zhì)性質(zhì)可以分為五大類,分別為:質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC)、磷酸燃料電池(PhosphoricAcidFuelCell,PAFC)、堿性燃料電池(AlkalineFuelCell,AFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MoltenCarbonateFuelCell,MCFC)和固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell,SOFC)等。質(zhì)子交換膜燃料電池工作在中低溫度,堿性和磷酸燃料電池工作在中高溫度,固體氧化物和熔融碳酸鹽燃料電池工作在高溫范圍。以氫氣作為燃料,通過電化學(xué)反應(yīng)將氫能轉(zhuǎn)化為電能,具備清潔、高效、燃料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。1.3燃料電池系統(tǒng)PEMFC電堆結(jié)構(gòu)組成氫燃料電池電堆被稱為氫燃料電池系統(tǒng)的心臟,是氫燃料電池汽車的動(dòng)力來源,是整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中成本和技術(shù)的核心。燃料電池電堆由多個(gè)燃料單電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。雙極板與膜電極(質(zhì)子交換膜、MEA-催化劑、碳紙/碳布)交替疊合,各單體之間嵌入密封件,經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢,即構(gòu)成燃料電池電堆。電堆工作時(shí),氫氣和氧氣分別經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板,經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極,通過電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.4燃料電池工作原理在陽極在陰極反應(yīng)熱燃燒是一個(gè)放熱過程，所釋放能量為：化學(xué)反應(yīng)的熱（或焓）是產(chǎn)物與反應(yīng)物生成熱之間的差值燃料電池?zé)崃W(xué)1.4燃料電池工作原理以形成液態(tài)水為例，形成液態(tài)水的熱量為氫的高熱值286kJ/mol（25℃）理論電功：對(duì)于氫燃料電池而言，化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的部分反應(yīng)焓（或氫的高熱值）對(duì)應(yīng)于吉布斯自由能由于熵ΔS的產(chǎn)生，在能量轉(zhuǎn)換過程中會(huì)存在一些不可逆的損耗。ΔS為產(chǎn)物和反應(yīng)物所產(chǎn)生的熵之差（1.5）（1.7）（1.6）1.4燃料電池工作原理燃料電池的理論電勢(shì)：一般情況下，電功是電荷和電勢(shì)的乘積每消耗1mol氫時(shí)，燃料電池反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的總電荷量等于阿伏伽德羅常數(shù)與一個(gè)電子電荷量的乘積稱為法拉第常數(shù)：因此，電功為：如上所述，燃料電池中產(chǎn)生的最大電能對(duì)應(yīng)于吉布斯自由能ΔG，即：（1.8）（1.9）（1.10）（1.11）1.4燃料電池工作原理則燃料電池的理論電勢(shì)為：燃料電池的理論效率對(duì)于燃料電池，有用輸出能量是指所產(chǎn)生的電能，而輸人能量為氫的焓，即氫的高熱值。假定所有吉布斯自由能均能轉(zhuǎn)換為電能，則燃料電池最大可能效率（理論值）為根據(jù)燃料電池的效率可定義，ΔG和ΔH同時(shí)除以nF，則兩個(gè)電勢(shì)之比：（1.12）（1.13）（1.14）1.4燃料電池工作原理燃料電池可工作于任意壓力下，通常是從大氣壓直至6~7bar。對(duì)于一個(gè)等溫過程，由基本的熱力學(xué)知識(shí)，可知吉布斯自由能的變化可表示為：得到對(duì)于理想氣體：對(duì)其積分后壓力效應(yīng)（1.15）（1.16）（1.17）（1.18）1.4燃料電池工作原理根據(jù)化學(xué)反應(yīng)：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)：代入得這就是著名的能斯特方程（NernstEquation）燃料電池車只是氫能應(yīng)用的突破口，應(yīng)結(jié)合雙碳戰(zhàn)略不斷推向前進(jìn)（1.19）1.4燃料電池工作原理對(duì)于氫氧燃料電池反應(yīng)，能斯特方程可寫為：亦或是：遵循反應(yīng)物壓力越高，電池電勢(shì)越高的規(guī)律。此外，如果反應(yīng)物被稀釋，例如：用空氣而非純氧，則局部壓力與其濃度成正比，從而導(dǎo)致電池的電勢(shì)較低。在空氣與氧對(duì)比的情況下，理論的電壓損耗/增益為：壓力效率（1.20）（1.21）1.4燃料電池工作原理活化能是分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量?；罨芸梢岳斫鉃榛瘜W(xué)反應(yīng)的能量壁壘，分子需先越過活化能的壁壘，反應(yīng)物才能轉(zhuǎn)化為生成物。對(duì)于電化學(xué)反應(yīng)，同樣存在能壘，活化能越小，意味著電化學(xué)反應(yīng)越容易發(fā)生，而活化能的大小與催化劑的屬性密切相關(guān)。由于正、逆向反應(yīng)同時(shí)在發(fā)生，電化學(xué)反應(yīng)速率是正向凈反應(yīng)速率，即正向反應(yīng)與逆向反應(yīng)速率之差。對(duì)于正向反應(yīng)的發(fā)生，反應(yīng)物分子需要越過正向反應(yīng)的活化能壘ΔE1，同樣，對(duì)于逆向反應(yīng)的發(fā)生則需要逆向反應(yīng)的活化能壘ΔE2。當(dāng)ΔE1＜ΔE2，即正向反應(yīng)速率大于逆向反應(yīng)速率，并存在正向反應(yīng)凈速率。此時(shí)只有存在正向反應(yīng)凈速率，ΔE1和ΔE2存在以下關(guān)系：催化劑與活化能（1.21）1.4燃料電池工作原理燃料電池的可逆電壓是基于熱力學(xué)平衡狀態(tài)求得，此時(shí)正向反應(yīng)速率與逆向反應(yīng)速率相等，也就是沒有凈反應(yīng)速率，即燃料電池沒有對(duì)外的電流輸出。沒有凈反應(yīng)速率并不意味著正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)各自沒有進(jìn)行，此時(shí)正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)均在發(fā)生，且進(jìn)行的速率相同。反應(yīng)速率和電流密度具有相似的概念，均可描述電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的速率。由此可以定義平衡態(tài)下的正向（或逆向）電流密度為交換電流密度：巴特勒-沃爾默（Butler-Volmer）方程對(duì)于燃料電池，人們需要的是燃料電池輸出電流，對(duì)外做電功，即存在正向凈電流密度，因此必須打破正向反應(yīng)與逆向反應(yīng)相等的活化能壘，使得反應(yīng)進(jìn)行的速率偏向于正向反應(yīng)的進(jìn)行。（1.22）1.4燃料電池工作原理Butler-Volmer方程給出了電化學(xué)反應(yīng)速率（或電流密度）與活化損失η間的關(guān)系，但公式的形式較為復(fù)雜。塔菲爾從一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中歸納總結(jié)出了電極表面過電勢(shì)與電流密度間的經(jīng)驗(yàn)公式——Tafel公式：簡(jiǎn)化形式的Tafel公式其中，也可表示為可見活化損失ηact與lnI為線性關(guān)系，斜率為b。Tafel公式的形式較BV方程簡(jiǎn)化了許多，兩者均描述反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。（1.23）（1.24）1.4燃料電池工作原理一般情況下，燃料電池輸出性能，就是燃料電池在一定電流密度下的輸出電壓（或一定輸出電壓下的電流密度）。電勢(shì)是電子能量的一種衡量方法，而電流密度對(duì)應(yīng)著電化學(xué)反應(yīng)的速率。燃料電池對(duì)外輸出電流時(shí)，由于存在不可逆的動(dòng)力學(xué)，燃料電池的實(shí)際輸出電壓無法達(dá)到可逆電壓。事實(shí)上，除了由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)造成的電壓損失燃料電池在工作狀態(tài)下還存在其他原因造成的電壓損失。一般而言，電壓損失可概括為一下3種：活化損失：為獲得正向凈反應(yīng)速率，由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)造成的電壓損失，也稱為極化損失。歐姆損失：質(zhì)子和電子傳導(dǎo)中存在阻力而造成的電壓損失。傳質(zhì)損失：反應(yīng)物由流場(chǎng)輸送至催化層，反應(yīng)物濃度降低造成部分電壓損失，為成為濃度損失或濃度差損失。燃料電池的輸出性能1.4燃料電池工作原理燃料電池的實(shí)際輸出電壓可以表示為熱力學(xué)提供的電壓上限（可逆電壓）減去各項(xiàng)電壓損失：燃料電池的輸出性能了解各項(xiàng)電壓損失的產(chǎn)生機(jī)制，明確如何降低各項(xiàng)損失的技術(shù)途徑，是實(shí)現(xiàn)電池設(shè)計(jì)優(yōu)化，提升電池性能的基礎(chǔ)。由Tafel公式可知，活化損失ηact隨著反應(yīng)速率的增加而增加，由歐姆定律，歐姆損失ηohm也是隨著輸出電流密度的增加而近似線性增長(zhǎng)，而傳質(zhì)損失ηconc也在大電流密度下變得十分顯著?？梢耘袛?，燃料電池的實(shí)際輸出電壓隨輸出電流密度的增大而減小。（1.25）1.4燃料電池工作原理常用電流密度-電壓特性圖，即I-V曲線，或稱為極化曲線，來描述一個(gè)燃料電池的輸出性能。通常極化曲線可以大致分為3段。燃料電池的輸出性能圖8燃料電池的電壓損耗以及所得的極化曲線1.4燃料電池工作原理活化損失區(qū)。電流密度極小時(shí)，電壓隨電流呈快速下降。由BV方程，活化損失ηact與lnI成正比，在小電流密度區(qū)會(huì)隨著電流密度的增加而快速增加；由歐姆定律，歐姆損失ηohm與電流密度I成正比關(guān)系，小電流密度區(qū)時(shí)歐姆損失很??；傳質(zhì)損失在小電流密度區(qū)時(shí)更無從體現(xiàn)。這一段內(nèi)活化損失在各項(xiàng)電壓損失中占主導(dǎo)，因此極化曲線的小電流密度區(qū)稱為活化損失區(qū)。歐姆損失區(qū)。隨著電流密度的增大，電壓呈一段近似線性的下降。由BV方程，電流密度較大后，活化損失的增長(zhǎng)不再明顯。而電壓的近似線性下降正對(duì)應(yīng)于歐姆定律的特點(diǎn)，這一段內(nèi)電壓損失的增長(zhǎng)主要源于歐姆損失的增大，因此這一段稱為歐姆損失區(qū)。1.4燃料電池工作原理質(zhì)傳損失區(qū)。當(dāng)電流密度繼續(xù)增大，對(duì)應(yīng)著催化層內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)速率的增長(zhǎng)，氣體反應(yīng)物消耗速率和陰極產(chǎn)生水速率增大。一方面氣體反應(yīng)物傳輸?shù)酱呋瘜拥乃俾释邢?，高電流密度下催化層?nèi)氣體反應(yīng)物濃度會(huì)有顯著下降，不利于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；另一方面電化學(xué)反應(yīng)生成物水在催化層內(nèi)的積累也不利于反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，液態(tài)水還會(huì)堵塞多孔電極內(nèi)氣相輸運(yùn)通道，更加不利于氣體反應(yīng)物輸運(yùn)至催化層。當(dāng)電流密度增大到一定程度時(shí)，輸出電壓可能會(huì)急速下降。這一般由氣體反應(yīng)物供給不足和生成水不能快速排出導(dǎo)致，即傳質(zhì)不良造成的電壓損失，稱這一段為傳質(zhì)損失區(qū)。本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.5燃料電池汽車分類按有無蓄能裝置分類根據(jù)燃料電池汽車是否配備蓄能裝置,可把燃料電池汽車分為純?nèi)剂想姵仄嚭突旌闲腿剂想姵仄噧纱箢?。純?nèi)剂想姵仄嚾剂想姵厥请妱?dòng)汽車上電能的唯一來源。要求燃料電池的功率大,并且無法回收汽車制動(dòng)能量。純?nèi)剂想姵仄嚹壳皯?yīng)用較少。混合型燃料電池汽車同時(shí)配備了燃料電池與蓄能裝置(如蓄電池、超級(jí)電容器或飛輪電池等)。蓄能裝置可協(xié)助供電,降低燃料電池的需求功率。蓄能裝置可用于汽車制動(dòng)時(shí)的能量回收,提高燃料電池汽車的能量利用率。燃料電池汽車多采用混合型結(jié)構(gòu)。1.5燃料電池汽車分類按燃料電池與蓄電池的結(jié)構(gòu)關(guān)系分類根據(jù)混合型燃料電池汽車中燃料電池和蓄電池的電路結(jié)構(gòu),可將混合型燃料電池汽車分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。串聯(lián)式燃料電池汽車其燃料電池相當(dāng)于車載發(fā)電裝置,通過DC/DC變換器進(jìn)行電壓變換后對(duì)蓄電池充電,再由蓄電池向電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)車輛的全部電力。串聯(lián)式燃料電池汽車的特點(diǎn)與普通的串聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車相似?？刹捎眯」β实娜剂想姵?但要求蓄電池的容量和功率要足夠大。其燃料電池發(fā)出的電能需經(jīng)過蓄電池的電化學(xué)轉(zhuǎn)換過程,從中有能量的轉(zhuǎn)換損失。并聯(lián)式燃料電池汽車由燃料電池和蓄電池共同向電機(jī)提供動(dòng)力。根據(jù)燃料電池與蓄電池能量大小的配置不同,可分為大燃料電池型和小燃料電池型兩種電動(dòng)汽車。大燃料電池汽車主要由燃料電池提供電力,蓄電池的容量較小,只是在電動(dòng)汽車起步、加速、爬坡等行駛工況時(shí)協(xié)助供電,并在車輛減速與制動(dòng)時(shí)進(jìn)行能量回收。并聯(lián)式是目前燃料電池汽車采用較多的形式。1.5燃料電池汽車分類按提供的燃料不同分類根據(jù)燃料電池所提供的燃料不同,燃料電池汽車又可分為直接燃料電池汽車和重整燃料電池汽車兩大類。直接燃料電池汽車燃料主要是純氫,也可以用甲醇等。采用純氫作為燃料時(shí),對(duì)儲(chǔ)氫裝置的要求較高,氫燃料的儲(chǔ)存方式有壓縮氫氣、液態(tài)氫和合金(碳納米管)吸附氫等。與重整燃料電池汽車相比,直接燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、能量效率高、成本低。重整燃料電池汽車燃料主要有汽油、天然氣、甲醇、甲烷、液化石油氣等。重整燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)比直接燃料電池汽車復(fù)雜。需要設(shè)置重整裝置,將其他燃料轉(zhuǎn)化為燃料電池所需的氫。比如,甲醇重整燃料電池汽車需要對(duì)甲醇加熱至200℃左右以分解出氫,汽油重整燃料電池汽車也需要對(duì)汽油加熱至1000℃左右以分解出氫。本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的基本組成部分有燃料電池系統(tǒng)、輔助蓄能裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電子控制系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)以燃料電池堆為核心,并配備了氫氣供系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)和輸出管理子系統(tǒng)(DC/DC轉(zhuǎn)換器)等。輔助蓄能裝置混合式燃料電池汽車還配備輔助蓄能裝置。輔助蓄能裝置可采用蓄電池、超級(jí)電容器和飛輪蓄電池中的一種,組成雙電源的混合動(dòng)力系統(tǒng);或采用蓄電池+超級(jí)電容器、蓄電池+飛輪電池的三電源系統(tǒng)。1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于將電源所提供的電能轉(zhuǎn)換為電磁轉(zhuǎn)矩,并通過傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車輛行駛。與純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車一樣,燃料電池汽車采用驅(qū)動(dòng)電機(jī),也可采用直流有刷電機(jī)、交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等。燃料電池汽車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有以下特性:1)高功率密度以滿足布置要求。2)瞬時(shí)過載能力強(qiáng),以滿足加速和爬坡要求。3)調(diào)速范圍寬(包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū))。4)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。5)在運(yùn)行的整個(gè)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有高效率,以提高能量利用率。6)四象限運(yùn)行,狀態(tài)切換平滑。7)高可靠性及容錯(cuò)控制。8)成本合理。驅(qū)動(dòng)電機(jī)1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)電子控制系統(tǒng)燃料電池汽車的電子控制系統(tǒng)包括燃料電池系統(tǒng)控制器、DC/DC變換器、輔助蓄能裝置能量管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器及整車協(xié)調(diào)控制器等，各控制功能模塊通過總線連接。燃料電池系統(tǒng)控制器用來控制燃料電池的燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)并協(xié)調(diào)各系統(tǒng)工作,以使燃料電池系統(tǒng)能持續(xù)向外供電。DC/DC變換器通過電子控制器控制改變?nèi)剂想姵氐闹绷麟妷?。輔助蓄能裝置能量管理系統(tǒng)對(duì)蓄電池的充電、放電、存電狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控,使輔助蓄能裝置能正常起作用,實(shí)現(xiàn)車輛在起動(dòng)、加速、爬坡等工況下的協(xié)助供電,并在車輛運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)存燃料電池的富余電能,實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)時(shí)的能量回饋。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的主要控制功能有:電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、電機(jī)工作模式控制(設(shè)有制動(dòng)能量回饋的電動(dòng)汽車)、電機(jī)過載保護(hù)控制等。1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配計(jì)算燃料電池的參數(shù)匹配計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)在車輛行駛過程中輸出的功率與燃料電池發(fā)出功率和蓄電池發(fā)出功率之和呈功率平衡狀態(tài)。其中在車輛最高速度行駛狀態(tài)下,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率全部來自主能量源,即此時(shí)燃料電池全部承擔(dān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率。車輛的功率平衡關(guān)系為:忽略加速阻力和上坡阻力，燃料電池的輸出功率為（1.26）（1.27）1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)蓄電池參數(shù)匹配計(jì)算蓄電池容量的選擇蓄電池作為燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的輔助能量源,依據(jù)車輛峰值功率設(shè)計(jì)其容量,需要同時(shí)考慮車輛對(duì)于最大持續(xù)行進(jìn)距離的要求。若電池重量隨儲(chǔ)能量變化,則電池容量增大的同時(shí),車身重量也將增大。若電池容量過大,雖然車輛的儲(chǔ)能能力強(qiáng),但犧牲了車輛的動(dòng)力性。若電池容量過小,電池功率則不夠提供車輛的峰值功率,所以蓄電池的容量需要權(quán)衡選擇。驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定電壓為400V,蓄電池電壓應(yīng)與動(dòng)力系統(tǒng)總線電壓相近,所以蓄電池電壓與之匹配。燃料電池汽車的需求功率由燃料電池和蓄電池共同決定,針對(duì)動(dòng)力性要求,蓄電池的最大功率應(yīng)滿足：蓄電池?cái)?shù)量的選擇（1.28）1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求,當(dāng)車速以va(km/h)勻速行駛時(shí),車輛可純電續(xù)駛里程大于或等于sa(km)。車輛以va勻速行駛sa所需電能可以通過下式計(jì)算：蓄電池的放電量可以通過下式計(jì)算為：蓄電池的可放電電量需至少等于車輛純電模式下以va勻速行駛sa所需電能,這樣才能滿足純電續(xù)航的基本性能要求,即：（1.28）（1.29）（1.30）1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)得出所需蓄電池容量和蓄電池電壓的乘積。目前市場(chǎng)上磷酸鐵鋰離子電池電芯一般為3.2V或3.65V,單顆電芯容量也是有限的,基本為小于30A·h。根據(jù)上述參數(shù)可以對(duì)單體電池進(jìn)行選型,確定其額定電壓Umer與額定容量Cmer,依據(jù)所需蓄電池容量和蓄電池電壓的乘積,最終可以確定單體電池?cái)?shù)量nmer。驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配計(jì)算燃料電池汽車的動(dòng)力性能是車輛設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略的重要部分,驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為整車唯一的動(dòng)力裝置,其開發(fā)關(guān)系到燃料電池汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)過大時(shí),會(huì)導(dǎo)致整車成本提高,并且影響整車輕量化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn);驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)過小時(shí),則在某些特定狀況下不能滿足車輛動(dòng)力性要求。1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)目前我國(guó)乘用車設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求主要從最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間這3個(gè)動(dòng)力性能指標(biāo)來考慮。依據(jù)上述指標(biāo)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩和峰值功率行參數(shù)匹配。最高車速與最大轉(zhuǎn)速

最高車速與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和額定功率相關(guān),汽車在零坡度道路上驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為：汽車在零坡度道路上驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為：通常電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速之間關(guān)系遵從：（1.31）（1.32）（1.33）1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)最大爬坡度與最大轉(zhuǎn)矩

規(guī)定最大爬坡度為車輛可在具有坡度的道路上起步后在1min內(nèi)可行進(jìn)10m以上的斜坡與水平面之間的最大角度的正切值。考慮到真實(shí)駕駛環(huán)境的多種因素以及車輛工作穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)最大爬坡度時(shí)應(yīng)留有一定余量,車輛爬坡時(shí)的動(dòng)力性能由最大爬坡度體現(xiàn)。而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩直接決定了車輛爬坡性能,最大轉(zhuǎn)矩可根據(jù)最大爬坡度等推導(dǎo)得出：加速性能與峰值功率

車輛加速性能的優(yōu)劣取決于車輛從某一速度提高到一個(gè)更高的速度所需的時(shí)間長(zhǎng)短。車輛在零坡度道路加速時(shí)需求功率為：車輛工作時(shí)的峰值功率通過燃料電池汽車以最高車速行駛時(shí)的輸出功率,以及燃料電池汽車在加速時(shí)的最大輸出功率兩個(gè)不同工況下的輸出功率進(jìn)行比較。二者較大值作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出功率的選擇依據(jù)。（1.34）（1.35）本章內(nèi)容1.1新能源汽車1.2電池1.3燃料電池系統(tǒng)1.4燃料電池工作原理1.5燃料電池汽車分類1.6燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)1.7燃料電池汽車效率1.7燃料電池汽車效率燃料電池汽車能量轉(zhuǎn)換效率高。氫燃料電池的效率約為60%,甲醇燃料電池的效率為8%~45%,而內(nèi)燃機(jī)的效率僅為30%~40%。燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)主要效率參數(shù)包括:燃料電池系統(tǒng)發(fā)電效率、蓄電池充/放電效率、DC/DC變換器效率、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率、傳動(dòng)效率。

圖9燃料電池汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛從油井到車輪的全效率比較1.7燃料電池汽車效率估算氫燃料電池車的能量轉(zhuǎn)化效率。氫燃料電池車的能量轉(zhuǎn)化過程:煤火力發(fā)電,電傳輸?shù)街茪湓O(shè)備后,電解水制氫,氫用于氫燃料電池發(fā)電,驅(qū)動(dòng)車輛行駛。假定煤到電的轉(zhuǎn)化效率為42%,電能傳輸效率為90%,電解水制氫轉(zhuǎn)換率為83%,氫燃料電池發(fā)電效率為50%,電能到驅(qū)動(dòng)車輛的利用率為81%。解:能源轉(zhuǎn)換效率是42%×90%×83%×50%×81%≈12.7%。謝

謝新能源汽車與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)第2章

電驅(qū)動(dòng)技術(shù)“十四五”時(shí)期國(guó)家重點(diǎn)出版物出版專項(xiàng)規(guī)劃項(xiàng)目新能源與智能網(wǎng)聯(lián)汽車新技術(shù)系列叢書中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)“十四五”普通高等教育規(guī)劃教材課程負(fù)責(zé)人：靳文瑞譚理剛黃晉wrjin@本章內(nèi)容2.1電機(jī)電機(jī)基礎(chǔ)直流電機(jī)交流電機(jī)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算問題2.2電控電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效能和能量回收的計(jì)算問題本章內(nèi)容2.1電機(jī)電機(jī)基礎(chǔ)直流電機(jī)交流電機(jī)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算問題2.2電控電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效能和能量回收的計(jì)算問題2.1電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟，由電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、各種檢測(cè)傳感器和電源（蓄電池）組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)是在駕駛?cè)说目刂葡?，高效率地將電池的電量轉(zhuǎn)化為車輪的動(dòng)能，或者將車輪的動(dòng)能反饋到蓄電池中。電機(jī)基礎(chǔ)圖1電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.1電機(jī)電動(dòng)汽車在行駛過程中,經(jīng)常頻繁地起動(dòng)/停車、加速/減速等,所以電動(dòng)汽車中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)負(fù)載、性能指標(biāo)、工作環(huán)境有更特殊的要求，應(yīng)單獨(dú)歸為一類電機(jī)。運(yùn)行特性應(yīng)滿足電動(dòng)汽車的以下要求：電動(dòng)汽車對(duì)電機(jī)的要求在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)低速運(yùn)行時(shí)應(yīng)具有大轉(zhuǎn)矩,以滿足電動(dòng)汽車起動(dòng)和爬坡的要求,此時(shí)需要4~5倍的短時(shí)過載,而工業(yè)電機(jī)一般需要2倍過載。在恒功率區(qū)低轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)應(yīng)具有高速度、大變速范圍,以滿足電動(dòng)汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求,此時(shí)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到基本速度的4~5倍?？筛鶕?jù)車型、駕駛?cè)颂攸c(diǎn)等做量身定制,結(jié)合人因工程等學(xué)科綜合考慮。應(yīng)可控性高、可靠性好、使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好(瞬時(shí)功率大、帶負(fù)載啟動(dòng)性能好、過載能力強(qiáng)、加速性能好)。2.1電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi),應(yīng)功率密度大、效率高,減輕車重、延長(zhǎng)續(xù)駛里程。應(yīng)能夠在電動(dòng)汽車減速時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng),將能量回收并反饋給蓄電池,使得電動(dòng)汽車具有最佳能量的利用率。應(yīng)體積小、重量輕,一般為工業(yè)電機(jī)的1/3~1/2;安裝空間小,可工作在高溫、振動(dòng)頻繁等惡劣工況下,而工業(yè)電機(jī)一般安裝在某個(gè)固定位置。2.1電機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的種類根據(jù)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)輪的布置方式,驅(qū)動(dòng)輪有全輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)和全輪驅(qū)動(dòng)等方式。根據(jù)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成特點(diǎn),其基本布置方式分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、半機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和純電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。根據(jù)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中是否采用輪轂電機(jī),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和非輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);根據(jù)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)數(shù)量,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為單電機(jī)和多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖2單電機(jī)和多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型圖3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型從當(dāng)前應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)來看,永磁同步電機(jī)占有新能源車電機(jī)約80%的份額,永磁無刷直流電機(jī)的應(yīng)用越來越少。2.1電機(jī)電機(jī)的額定指標(biāo)額定功率:指額定運(yùn)行情況下軸端輸出的機(jī)械功率(W或kW)。額定電壓:指外加于線端的電源線電壓(V)。額定電流:指電機(jī)額定運(yùn)行(額定電壓、額定輸出功率)情況下電樞繞組(或定子繞組)的線電流(A)。額定頻率:指電機(jī)額定運(yùn)行情況下電樞(或定子側(cè))的頻率(Hz)。額定轉(zhuǎn)速:指電機(jī)額定運(yùn)行(額定電壓、額定頻率、額定輸出功率)的情況下,電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(r/min)。2.1電機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)模型如圖所示,它的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對(duì)直流勵(lì)磁的靜止的主磁極N和S,在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。固定部分有磁鐵(主磁極)、電刷。轉(zhuǎn)動(dòng)部分有電樞鐵心和繞在鐵心上的繞組。在電樞鐵心上放置了由兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個(gè)圓弧形的銅片,此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣,由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上,換向片與轉(zhuǎn)軸之間也互相絕緣。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷,當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí),電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。圖4直流電機(jī)模型2.1電機(jī)如果直流電機(jī)的兩個(gè)電刷加上直流電源,,則有直流電流從電刷A流入,經(jīng)過線圈a→b→c→d,從電刷B流出,根據(jù)電磁力定律,載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用,其方向可由左手定則判定,兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩,使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。工作原理圖5直流電機(jī)工作原理2.1電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如下圖所示的位置,電刷A和換向片1接觸,電刷B和換向片2接觸,直流電流從電刷A流入,在線圈中的流動(dòng)方向是d→c→b→a,從電刷B流出。其受到電磁力的作用方向由左手定則判定,它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電機(jī)的工作原理。

外加的電源是直流的,但由于電刷和換向片的作用,在線圈中流過的電流是交流的,其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向是不變的。圖5直流電機(jī)工作原理2.1電機(jī)交流電機(jī)交流電機(jī)是將交流電的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種裝置。交流電機(jī)主要由一個(gè)用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的定子繞組和一個(gè)轉(zhuǎn)子組成。定子一般由鐵心、繞組與機(jī)座3部分組成,轉(zhuǎn)子由鐵心與繞組組成。轉(zhuǎn)子繞組有籠型和繞線轉(zhuǎn)子。籠型轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子鐵心槽里插入銅條,再將全部銅條兩端焊在兩個(gè)銅端環(huán)上;繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣,由線圈組成繞組放入轉(zhuǎn)子鐵心槽里?；\型與繞線轉(zhuǎn)子兩種電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)不一樣,但工作原理是一樣的。根據(jù)定子繞組不同,交流電機(jī)分為單向交流電機(jī)和三相交流電機(jī)。圖6交流電機(jī)2.1電機(jī)單相交流電機(jī)只有一個(gè)定子繞組,轉(zhuǎn)子是籠型的。當(dāng)單相正弦電流通過定子繞組時(shí),定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向隨時(shí)間做正弦規(guī)律變化,但在空間方位上是固定的,所以又稱這個(gè)磁場(chǎng)是交變脈動(dòng)磁場(chǎng)。要使單相交流電機(jī)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)起來,需在定子中加上一個(gè)起動(dòng)繞組或起動(dòng)電容,起動(dòng)繞組與主繞組在空間上相差90°,起動(dòng)繞組串接一個(gè)合適的電容,使得與主繞組的電流在相位上近似相差90°,即分相原理。這個(gè)交變脈動(dòng)磁場(chǎng)可分解為兩個(gè)轉(zhuǎn)速相同、旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí),這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩,使得合成轉(zhuǎn)矩為零,所以電機(jī)無法旋轉(zhuǎn)。這樣兩個(gè)在時(shí)間上相差90°的電流通入兩個(gè)在空間上相差90°的繞組將會(huì)在空間上產(chǎn)生(兩相)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),在這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)子就能自動(dòng)轉(zhuǎn)起來。2.1電機(jī)三相電機(jī)定子上有3個(gè)在空間互隔120°電角度、對(duì)稱排列、結(jié)構(gòu)完全相同的繞組連接而成,通入三相對(duì)稱交流電流時(shí),在電機(jī)氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。三相電機(jī)不需要起動(dòng)繞組或起動(dòng)電容。三相交流電機(jī)又分異步電機(jī)和同步電機(jī)。異步電機(jī)和同步電機(jī)的定子繞組是相同的,主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。異步電機(jī)：三相交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)子是個(gè)封閉的短路環(huán)。動(dòng)力蓄電池的高壓直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成高壓交流電,送入三相定子繞組,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子短路環(huán),轉(zhuǎn)子里面會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流,轉(zhuǎn)子成為載流導(dǎo)體,處于定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中,根據(jù)左手定則,轉(zhuǎn)子會(huì)受到電磁力而旋轉(zhuǎn)起來。由于定子的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領(lǐng)先,轉(zhuǎn)子比定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)慢,有轉(zhuǎn)差、不同步。所以此類電機(jī)稱為異步電機(jī)。2.1電機(jī)同步電機(jī)：繞組勵(lì)磁交流同步電機(jī)轉(zhuǎn)子是人為加入直流電形成不變磁場(chǎng)的,而不是靠感生電流,這樣轉(zhuǎn)子就跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)而同步,所以此類電機(jī)稱為同步電機(jī)。該交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有直流勵(lì)磁繞組,作為電機(jī)時(shí)需要外加直流勵(lì)磁電源,通過集電環(huán)引入電流。繞組勵(lì)磁同步電機(jī)的定子繞組是電樞繞組,轉(zhuǎn)子是勵(lì)磁繞組。永磁同步電機(jī)：若轉(zhuǎn)子采用稀土永磁體,而不是像繞組勵(lì)磁同步電機(jī)那樣采用勵(lì)磁繞組,定子送入三相交流電,則制成永磁同步電機(jī)(permanentmagnetsynchronousmotor,PMSM)。永磁同步電機(jī)的定子繞組是電樞繞組,無勵(lì)磁繞組。目前新能源汽車80%以上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)就是這種電機(jī)。2.1電機(jī)輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種新興的電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式,其布置靈活,可以根據(jù)汽車驅(qū)動(dòng)方式分別布置在電動(dòng)汽車的兩前輪、兩后輪或四個(gè)車輪的輪轂中。輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)示意如下圖所示。其通常由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)器與散熱系統(tǒng)等組成。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子形式主要分成兩種結(jié)構(gòu)形式:內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型。圖7輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2.1電機(jī)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)汽車在動(dòng)力源配置、底盤結(jié)構(gòu)等方面有其獨(dú)特的技術(shù)特征和優(yōu)勢(shì)。具體體現(xiàn)在以下方面：動(dòng)力控制由硬連接改為軟連接形式。通過電子線控技術(shù),實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)輪從零到最大速度的無級(jí)變速和各電動(dòng)輪間的差速要求,從而省略了傳統(tǒng)汽車所需的機(jī)械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動(dòng)軸和機(jī)械差速器等,使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,有效可利用空間大,傳動(dòng)效率提高。各電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力直接獨(dú)立可控,使其動(dòng)力學(xué)控制更為靈活、方便;能合理控制各電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力,從而提高惡劣路面條件下的行駛性能。容易實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)輪的電氣制動(dòng)、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)和制動(dòng)能量回饋,還能對(duì)整車能源的高效利用,實(shí)施最優(yōu)化控制和管理,節(jié)約能源。底架結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化,使整車總布置和車身造型設(shè)計(jì)的自由度增加,若能將底架承載功能與車身功能分離,則可實(shí)現(xiàn)相同底盤不同車身造型的產(chǎn)品多樣化和系列化,從而縮短新車型的開發(fā)周期,降低開發(fā)成本。若在采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的四輪電動(dòng)汽車上導(dǎo)入線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù),實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛高性能化,可有效減小轉(zhuǎn)向半徑,甚至實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑,大大增加了轉(zhuǎn)向靈便性。2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算問題關(guān)于電機(jī)的計(jì)算問題條件設(shè)定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算問題電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算問題電機(jī)額定功率和峰值功率的計(jì)算問題驅(qū)動(dòng)電機(jī)選配的計(jì)算問題電機(jī)轉(zhuǎn)速由車速和傳動(dòng)比決定,有3種情形:最高車速,決定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速;常規(guī)行駛速度,決定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速或額定功率;30min持續(xù)最高車速,決定電機(jī)30min持續(xù)最高轉(zhuǎn)速(不是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速)。2.1電機(jī)30min持續(xù)最高轉(zhuǎn)速(不是電機(jī)額定轉(zhuǎn)速)?？紤]純電動(dòng)車沒有變速器,變速器速度比ig=1,僅保留減速器速度比i0,所以總傳動(dòng)比為i0。故車速v(單位為km/h)與電機(jī)轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)的關(guān)系為：（2-1）當(dāng)電機(jī)處于最高轉(zhuǎn)速和最高車速時(shí)，上式可做進(jìn)一步改寫：（2-2）電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算問題2.1電機(jī)同步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速也稱為基速,用nb表示,其計(jì)算公式為（2-3）β=nmax/nb是指擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù),通常以車輛常規(guī)行駛速度vb確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nb和最高轉(zhuǎn)速nmax的選配應(yīng)該符合右圖所示的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性要求,即在起步階段低轉(zhuǎn)速時(shí)得到恒定的最大轉(zhuǎn)矩Tmax,在高轉(zhuǎn)速時(shí)得到恒定的較高功率Pb。圖8驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性2.1電機(jī)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算問題在平坦道路上,起步加速時(shí)轉(zhuǎn)矩大于高速時(shí)的轉(zhuǎn)矩,因此最大轉(zhuǎn)矩一般考慮兩種情形:一種是以20km/h速度爬20%最大坡度時(shí)所需轉(zhuǎn)矩,另一種是平坦道路上0~50km/h起步急加速達(dá)到50km/h時(shí)所需最大轉(zhuǎn)矩T50max。經(jīng)過實(shí)際校核,T50max是作為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(峰值轉(zhuǎn)矩),而不是低速勻速爬坡時(shí)的轉(zhuǎn)矩。討論0~50km/h起步急加速時(shí)的轉(zhuǎn)矩T50max計(jì)算問題。平坦道路起步加速,此時(shí)Fi=0,只有滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、加速阻力Fa。這里,按照勻加速度處理,設(shè)加速后最終速度va=50km/h,對(duì)應(yīng)的加速時(shí)間為ta。（2-4）整個(gè)加速過程中在加速末了轉(zhuǎn)矩最大,即為T50max。（2-5）2.1電機(jī)電機(jī)額定功率和峰值功率的計(jì)算問題額定功率是長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的功率,驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率由30min持續(xù)最高車速?zèng)Q定。當(dāng)車速v單位為km/h時(shí),功率Pv(單位為kW)和驅(qū)動(dòng)力Fk(單位為N)的關(guān)系式為：（2-6）在車輛行駛時(shí),功率平衡方程為：（2-7）當(dāng)車輛在較小坡度i(<10%)行駛時(shí),功率平衡方程為：（2-8）2.1電機(jī)電機(jī)額定功率Pb由30min持續(xù)最高車速?zèng)Q定,此時(shí)無上坡阻力和加速阻力,只有滾動(dòng)阻力和空氣阻力,有：（2-9）從一些車型的最高車速和30min持續(xù)最高車速公告數(shù)據(jù)來看,前者比后者大5~15km/h,式(2-9)表明Pb也與車輛總質(zhì)量m的選取方式有關(guān),按照前面的設(shè)定條件,這里使用滿載質(zhì)量計(jì)算。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Tb(單位為N·m)由額定功率Pb(單位為kW)和額定轉(zhuǎn)速nb(單位為r/min)確定,即：（2-10）2.1電機(jī)峰值功率Pmax是瞬時(shí)的最大功率,維持時(shí)間很短,驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率隨整車動(dòng)力性能指標(biāo)的設(shè)定,對(duì)應(yīng)的工況可能有所不同,應(yīng)按照5種情形計(jì)算:①最高車速時(shí)的功率Pmaxv;②0~50km/h起步加速工況P50max;③50~80km/h超越加速工況P80umax;④0~100km/h加速工況P100max;⑤20km/h勻速爬20%陡坡時(shí)的功率Pimax。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率Pmax必須滿足上述5種情況,則：對(duì)于0~100km/h起步加速電機(jī)功率P100max的計(jì)算問題,應(yīng)考慮電機(jī)特性曲線。0~100km/h起步加速分為兩段:第1段時(shí)間為t0~60,車輛速度從0加速到60km/h,轉(zhuǎn)矩恒定,功率線性增加。第2段時(shí)間為t60~100,車輛速度從60km/h加速到100km/h,功率恒定,轉(zhuǎn)矩呈雙曲線下降。2.1電機(jī)要計(jì)算P100max,需得到t0~60,而t0~100=t0~60-t60~100,設(shè)ta1=t0~100,tm=t60~100,有（2-11）2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)選擇和計(jì)算依據(jù)見下表表1驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)選擇和計(jì)算依據(jù)按照上述方法計(jì)算后,還需要根據(jù)供應(yīng)商提供產(chǎn)品和型號(hào)進(jìn)行選配,實(shí)際參數(shù)更多的則是接近計(jì)算值。隨后,可以根據(jù)上面計(jì)算過程,反過來校核各種工況。本章內(nèi)容2.1電機(jī)電機(jī)基礎(chǔ)直流電機(jī)交流電機(jī)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算問題2.2電控電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效能和能量回收的計(jì)算問題2.2電控電控系統(tǒng)電控系統(tǒng)控制的對(duì)象為電機(jī),目前電動(dòng)汽車上常用的電機(jī)有交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)兩種。交流異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))控制系統(tǒng)該控制系統(tǒng)由電機(jī)控制器和逆變器構(gòu)成。從電機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=60f(1-S)/p來看,電機(jī)控制器采用脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation,PWM)方式實(shí)現(xiàn)高壓直流到三相交流的電源變換,其逆變器實(shí)際上是變頻器,采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的快速響應(yīng)。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)該控制系統(tǒng)采用正弦波永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),即定子電流為正弦波對(duì)稱電流,控制技術(shù)與感應(yīng)電機(jī)類似?？刂撇呗灾饕性谔岣叩退俎D(zhuǎn)矩特性和高速恒功率特性上。低速運(yùn)行時(shí)常采用矢量控制,高速運(yùn)行時(shí)常采用弱磁控制。正弦波永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用前景。2.2電控制動(dòng)效能和能量回收的計(jì)算問題設(shè)地面制動(dòng)力為Fxb,輪邊摩擦制動(dòng)力為Fμ,輪邊的電機(jī)制動(dòng)力為Fre,有：（2-12）Fμ、Fre與摩擦制動(dòng)力矩Tμ(汽車非抱死情況下)、再生制動(dòng)力矩Tre關(guān)系為：（2-13）電動(dòng)汽車和串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車取K1=93%,并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車取K1=88%。摩擦制動(dòng)最大制動(dòng)力Fμmax是可以計(jì)算的,而電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大制動(dòng)力為Fremax,從而（2-14）α為摩擦制動(dòng)力的加權(quán)系數(shù);β為電機(jī)制動(dòng)力的加權(quán)系數(shù)。0≤α,β≤1。根據(jù)制動(dòng)踏板開度,調(diào)節(jié)α和β的值。2.2電控電機(jī)再生制動(dòng)力矩Tre為:（2-15）電動(dòng)汽車制動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)分析當(dāng)汽車在良好路面制動(dòng)時(shí),以地面制動(dòng)力Fxb代替加速阻力Fa,有：車輪負(fù)載功率P為：（2-16）（2-17）制動(dòng)時(shí)輸入機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的瞬時(shí)功率P1為電機(jī)制動(dòng)力功率Pre和摩擦制動(dòng)力功率Pμ之和,即：（2-18）2.2電控則制動(dòng)過程衰減的慣性能量ΔE為：（2-19）根據(jù)能量守恒,有：（2-20）再生制動(dòng)時(shí)輸入發(fā)電機(jī)瞬時(shí)功率P2為:（2-21）對(duì)于電動(dòng)汽車和串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車取K1=93%,對(duì)于并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車取K1=88%。輸入動(dòng)力蓄電池的瞬時(shí)功率P3為：（2-22）在常規(guī)車速60km/h以下,將電機(jī)轉(zhuǎn)速n分為幾段,引入電機(jī)轉(zhuǎn)速影響因子ω(n),有：2.2電控（2-23）當(dāng)車速或電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí),有:（2-24）當(dāng)n≤nb時(shí),Fre為定值?；厥漳芰抗β蔖4為：（2-25）一次制動(dòng)回收的總能量E4為：（2-26）充電電流I為:（2-27）2.2電控城市常規(guī)行駛工況制動(dòng)效能和能量回收分析在城區(qū)以常規(guī)車速60km/h以下行駛時(shí),空氣阻力Fw和上坡阻力Fi可以忽略,從而其所做功Ew和Ei可忽略,有：（2-28）一次制動(dòng)回收的總能量E4為:（2-29）分幾種情況討論制動(dòng)效能純?cè)偕苿?dòng)模式若在輕制動(dòng)情況下,電機(jī)制動(dòng)力滿足車輛制動(dòng)需求,制動(dòng)力矩完全由再生制動(dòng)力矩提供,地面制動(dòng)力為:2.2電控（2-30）設(shè)制動(dòng)時(shí)加速度為a,有：（2-31）不考慮滾動(dòng)阻力對(duì)制動(dòng)時(shí)加速度a的影響,則汽車能達(dá)到的加速度為:（2-32）城區(qū)常規(guī)行駛純?cè)偕苿?dòng)模式下汽車制動(dòng)時(shí)加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線如上圖所示。圖中t1為再生制動(dòng)力增長(zhǎng)所需時(shí)間,t2為最大再生制動(dòng)力持續(xù)作用時(shí)間。式(2-32)對(duì)應(yīng)t2段?？梢赃M(jìn)行制動(dòng)能量回收的時(shí)間為t1、t2之和,其中第2階段可以回收的制動(dòng)能量較多。圖9城區(qū)常規(guī)行駛純?cè)偕苿?dòng)模式下汽車加速度和時(shí)間的關(guān)系曲線2.2電控在t1時(shí)間段內(nèi),制動(dòng)時(shí)加速度a線性增加,即a=kt可以求得k=aremax/t1。當(dāng)汽車初速度為v0時(shí)瞬時(shí)車速v為：（2-33）t=t1時(shí)的速度為t1段末速度、t2段初速度,此時(shí)速度v=v0-1.8aremaxt1(km/h)。在t2時(shí)間段,將時(shí)間重新歸0,即將t2段起始點(diǎn)作為原點(diǎn),制動(dòng)時(shí)的加速度為aremax,瞬時(shí)車速為:（2-34）t=t2時(shí)的速度為t2段末速度,等于零,有：（2-35）2.2電控電動(dòng)汽車在純?cè)偕苿?dòng)模式下的制動(dòng)距離S為：將式(2-35)代入上式，得：（2-36）t1就是制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。真空助力系與氣壓制動(dòng)系起作用時(shí)間一般為0.3~0.9s,液壓制動(dòng)系起作用時(shí)間在0.1s左右,電制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間很短,電機(jī)時(shí)間常數(shù)一般為1ms。我們討論的是電制動(dòng),取t1=0.001s,則式(2-36)最后一項(xiàng)可以忽略不計(jì),因而:（2-37）2.2電控忽略空氣阻力和上坡阻力,純?cè)偕苿?dòng)時(shí)Eμ=0,故一次制動(dòng)回收的總能量E4為：（2-38）緊急制動(dòng)模式此時(shí)再生制動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)共同作用,汽車的制動(dòng)加速度為：（2-39）由于地面制動(dòng)力Fxb不能超過附著力Fφ,即:（2-40）在此模式下制動(dòng)加速度與時(shí)間關(guān)系曲線如所示。其中,t1為再生制動(dòng)力增長(zhǎng)所需時(shí)間,可取t1=0.001s;t2為踩下制動(dòng)踏板補(bǔ)償摩擦片與制動(dòng)鼓/盤間隙所需時(shí)間,可取t2=0.1s;t3為機(jī)械制動(dòng)力增長(zhǎng)所需時(shí)間,可取t3=0.5s;t4為最大共同制動(dòng)力持續(xù)作用時(shí)間。圖10城區(qū)行駛緊急制動(dòng)模式下加速度和時(shí)間的關(guān)系曲線2.2電控參照式(2-37)推導(dǎo)方法,得此模式下的制動(dòng)距離s為：（2-38）上式計(jì)算的制動(dòng)距離s應(yīng)小于規(guī)定的安全制動(dòng)距離。適當(dāng)