純電動汽車電機及控制器技術(shù)培訓

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 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 ， 降低迎風面積和空氣阻力 系數(shù) 。采用輕金屬材料、高強度復合材料和新型 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。 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 18386 2001 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?shù)亟档蛯恿π阅?、最高車?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 動力電池組 驅(qū)動電動機 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 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 動力電池組 驅(qū)動電動機 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 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車的力 學模型，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。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 )。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 3 4。 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 ) 復勵 2.2.3 直流電機 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 ， 高效率 等。 缺點 控制系統(tǒng)復雜 ， 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，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 項目 直流電機 感應(yīng)電機 永磁電機 開關(guān)磁阻電機 比功率 低 中 高 較高 峰值效率 (%) 8589 9495 9597 90 負荷效率 (%) 8087 9092 8597 7886 功率因數(shù) (%) - 8285 9093 6065 恒功率區(qū) - 1:5 1:2.25 1:3 轉(zhuǎn)速范圍 (r/min) 40006000 1200015000 400010000 可 15000 可靠性 一般 好 優(yōu)良 好 結(jié)構(gòu)的堅固性 差 好 一般 優(yōu)良 電機外廓 大 中 小 小 電機質(zhì)量 大 中 小 小 電機成本 ($/kW) 10 812 1015 610 控制操作性能 最好 好 好 好 控制器成本 低 高 高 一般 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。