純電動汽車-電機及控制器.ppt

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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 電機及其控制器,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 4. 控制系統(tǒng) 5. 車身及底盤 6. 安全保護系統(tǒng),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。,2.0.3 基本組成,1. 車載電源 發(fā)展 (1)第一代

2、EV電池：鉛酸電池 優(yōu)點：技術(shù)成熟，成本低。 缺點：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。,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：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：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)以至完全喪失充電和放電功能而報廢，從而使EV的

3、使用成本高。,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。,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工作的唯一動力電源。 空調(diào)系統(tǒng)的空壓機，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

4、工作的電源。,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。可采用地面充電器、車載充電器、接觸式充電器或感應(yīng)充電器等進行充電。,2.0.3 基本組成,3. 驅(qū)動電動機 驅(qū)動電動機是驅(qū)動EV行駛的唯一動力裝置。 類型 直流電動機、交流電動機、永磁電動機和開關(guān)磁阻電動機等。 再

5、生制動 再生制動是EV節(jié)能的重要措施之一。制動時電動機可實現(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.,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的控制。 將加速踏板、制動踏板機械位移的行程量轉(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)動電動機運轉(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、電器裝置進行控制。 采用各種各樣的傳感器、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)動電動機系統(tǒng)進行監(jiān)控并

6、及時反饋信息和報警。,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械化裝卸。,2.0.3 基本組成,6. 安全保護系統(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

7、等，及時防止事故的發(fā)生。,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。 控制：在EV控制系統(tǒng)中，采用全自動或半自動的機電一體化控制系統(tǒng)，達到安全、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，實現(xiàn)電池的高能化。 電機：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，提高電動機和驅(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、高強度復(fù)合材料和新型EV專用車身和底盤結(jié)構(gòu)，實現(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

8、。 再生制動：回收再生制動能量，延長行駛里程。,2.0.4 關(guān)鍵技術(shù),1. 驅(qū)動電動機的選擇及功率匹配 電動機應(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)動電動機可以在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)運轉(zhuǎn)。 驅(qū)動電動機應(yīng)經(jīng)常保持在高效率范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)。在低速大轉(zhuǎn)矩（恒轉(zhuǎn)矩區(qū)）運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)效率在0.750.85之間，在恒功率運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)效率在0.80.9之間。,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 由于電動機的轉(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

9、倒檔齒輪，倒車是靠電動機的反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。,2.0.4 關(guān)鍵技術(shù),4. 控制系統(tǒng)的設(shè)計 目標：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)開始到標準規(guī)定的試驗結(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)駛里程試驗方法適用于EV最大總質(zhì)量3500kg ，最高車速 70km/h的EV。,2.0.4 關(guān)鍵技術(shù),4. 控制系統(tǒng)的設(shè)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)向等進行自動控制。 設(shè)計

10、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。,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),2.1 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng),2.1.1 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 電動機驅(qū)動橋整體式 驅(qū)動系統(tǒng) 2.1.5 雙電動機驅(qū)動系統(tǒng) 2.1.6 內(nèi)轉(zhuǎn)子電動

11、輪驅(qū)動系統(tǒng) 2.1.7 外轉(zhuǎn)子電動輪驅(qū)動系統(tǒng),2.1.1 組成和結(jié)構(gòu)形式,組成,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) 電動機驅(qū)動橋整體式驅(qū)動系統(tǒng) 雙電動機驅(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),2.1.2 傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng),電動機替代發(fā)動機。 仍然采用內(nèi)燃機汽車的傳動系統(tǒng)，包括離合器、變速器、傳動軸和驅(qū)動橋等總成。 有電動機前置、驅(qū)動橋前置(F-F)，電動機前置、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)揮電動機的性能。,M電動機 C離合器 GB變速器 D差速器,2.1.1 組成和結(jié)構(gòu)形式,組成,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) 電動機驅(qū)

12、動橋整體式驅(qū)動系統(tǒng) 雙電動機驅(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),2.1.2 傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng),電動機替代發(fā)動機。 仍然采用內(nèi)燃機汽車的傳動系統(tǒng)，包括離合器、變速器、傳動軸和驅(qū)動橋等總成。 有電動機前置、驅(qū)動橋前置(F-F)，電動機前置、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)揮電動機的性能。,M電動機 C離合器 GB變速器 D差速器,經(jīng)典汽車設(shè)計理論推導(dǎo)車輛行駛平衡方程,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，為了使電動汽車達到要求的動力性能指標，首先必須建立電動汽

13、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行分析，以得到電動汽車的需求特性場。,主要部件選型,設(shè)計純電動汽車首先要進行選型設(shè)計，除了車型選擇外，電機類型與其性能 參數(shù)、電池類型與其性能參數(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電機功率的選擇,主要部件選型,電機功率的選擇將對電動汽車的動力性和經(jīng)濟性有著重要的影響。對于純電動汽車用電機，在選擇電機的功率時還要考慮以下幾個因素: a、最高車速。電機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

14、。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。3-5倍,主要部件選型,2 電機、電池電壓的選擇 在選擇了電機和電池的類型后，就要確定電機的額定電壓和電池的電壓。在電機功率一定的情況下，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。,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用化進程的關(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

15、)。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。因為選擇電池容量過大，電池組所貯存的電能越多，續(xù)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。,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，另一方面使得電機在不同工況運轉(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。,電機及其控制器,電動機

16、的基本要求 電機的驅(qū)動曲線圖分析 常用電機 常用控制結(jié)構(gòu)和控制方法,電動汽車用電動機的基本要求,采用大功率的電動機來驅(qū)動電動汽車與采用小功率的電動機相比，具有電阻小、效率高、比能耗低、動力性能好等優(yōu)點。在確定電動汽車所采用的電動機時，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,通常電機的過載系數(shù)應(yīng)達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，電動機的過載系數(shù)應(yīng)達到2-3倍;,電動汽車用的電動機的基本要求,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

17、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; 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電動機的外形尺寸要求盡可能小，質(zhì)量盡可能輕; 7電動機的可靠性好，耐溫和耐潮性能強，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，運行時噪音低，維修方便。 8 價格低,電動車驅(qū)動力與行駛阻力平衡圖,1994年美國通用汽車公司向重慶電機廠定購電動汽車用50kW交流感應(yīng)電機時，提出的電機必須滿足的轉(zhuǎn)矩特性圖,電機及其控制技術(shù),純電動汽車是利用電動

18、機將電能轉(zhuǎn)化為機械能來實現(xiàn)驅(qū)動的。 電機的種類多、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，采用的控制理論不同，其控制方法也各異。,控制結(jié)構(gòu)圖,直流電機一標準斬波驅(qū)動系,直流電機結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，具有交流電動機所不可比擬的優(yōu)良電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，直到20世紀80年代中期，仍是國內(nèi)外電動汽車用電機的主要研發(fā)對象。 但是，直流電動機價格高、體積和質(zhì)量，因此在電動汽車上的應(yīng)用受到了限制。,2.2.3 直流電機,分類 永磁直流電機 勵磁繞組直流電機,它勵,并勵,串勵(多用于電動車),復(fù)勵,2.2.3 直流電機,

19、優(yōu)點 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 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,2.2.4 感應(yīng)電機,分類 繞線式感應(yīng)電機 鼠籠式感應(yīng)電機：多用于電動車 優(yōu)點 效率高、結(jié)構(gòu)簡單、堅實可靠、免維護、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、能有效的實現(xiàn)再生制動等 。 控制方法 脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)；變頻變壓調(diào)節(jié)(VFVV)；矢量控制調(diào)節(jié)(VC)；直接轉(zhuǎn)矩控制(DSC),2.2.5 永磁電機,優(yōu)點 高質(zhì)量比功率，高

20、效率等。 缺點 控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，功率范圍較小等。,永磁同步電機驅(qū)動系,永磁無刷電動機可以分為由方波驅(qū)動的無刷直流電動機系統(tǒng)(BLDCM)和由正弦波驅(qū)動的無刷直流電動機系統(tǒng)(PMSM)，其中以永磁同步電機應(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。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的研發(fā)熱點。 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，這類電機具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性小、響應(yīng)快

21、，非常適用于電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，有極好的應(yīng)用前景。,2.2.6 開關(guān)磁阻電機,優(yōu)點 高起動轉(zhuǎn)矩、低起動電流 高效率、低損耗 電機結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)于高速運轉(zhuǎn)，成本低 電機功率電路簡單 可靠性好 良好的適應(yīng)性 缺點 控制系統(tǒng)復(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩波動較大，振動大、噪聲大等。,汽車專用電機驅(qū)動,目前汽車專用電機驅(qū)動系主要有三大驅(qū)動系直流電機驅(qū)動系、永磁同步電機驅(qū)動系、交流感應(yīng)電機驅(qū)動系。,2.2.7 各種電機的比較,驅(qū)動電機的基本性能比較,無刷直流電機系統(tǒng)框圖,根據(jù)控制信號的不同，永磁同步電機可以分為兩種。一種是基于方波驅(qū)動的永磁同步電機，又稱為無刷直流電機，簡稱為BLDCM;一種是基于正弦波驅(qū)動的永磁同步電機，簡稱為PMSM,作業(yè),1：比較各種驅(qū)動電機的性能優(yōu)缺點。,