电动汽车的构造与原理.doc

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.第二章电动汽车构造与原理2.1纯蓄电池电动汽车（技术基础）2.1.1BEV的分类和特点BEV的分类主要按照所选用的动力储能装置、驱动电动机的不同、驱动结构的布局或用途的不同进行分类。按储能装置分类：铅酸蓄电池、锂电池、镍氢蓄电池、钠硫蓄电池；按驱动电动机分类：直流电动机、交流电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机；按驱动结构布局分类：传统驱动模式、电动机—驱动桥组合驱动方式、电动机—驱动桥整体式驱动方式、轮毂电机分散驱动方式。2.1.2BEV的驱动结构采用蓄电池作为驱动能源的汽车，受到蓄电池容量的限制，必须设计较为合理的驱动结构及布局，才能最大限度的发挥电动机驱动优势。电动机驱动和发动机驱动相比具有2大技术势：⑴发动机能高效产生转矩时的转速被限定在较窄范围内，必须增添庞大繁琐的变速机构适应该特性。电动机可以在比较宽广的速度范围内产生转矩，目前成熟的电机控制理论已能实现直接转矩控制，其调速性能满足汽车行驶要求；⑵电动机转矩快速响应指标比发动机高出2个数量级别。主要原因在于电动机属于电气执行元件，发动机则属于机械执行元件，而电气执行响应速度通常较之机械响应速度快几个数量级。基于此，采取先进的电气控制技术取代笨重、庞大且响应滞后的部分机械、液压装置成为技术进步发展的必然趋势。不仅能够使各项指标性能提高，而且简化了汽车结构，实现了制造成本的降低。2.1.3BEV的结构原理纯电动汽车结构主要由电力驱动控制系统、汽车底盘、车身、各种辅助装置构成。电力驱动控制系统决定了整个电动汽车的结构组成及其性能特征，属于电动汽车的核心，相当于传统汽车发动机与其它功能以机电一体化方式的组合体，这正是电动汽车区别与传统内燃机汽车的最大不同点。1）电力驱动控制系统电力驱动控制系统按工作原理主要划分为车载电源模块、电力驱动主模块与辅助模块。⑴车载电源模块车载电源模块由蓄电池电源、能量管理系统与充电控制器三部分构成。①蓄电池电源。蓄电池作为纯电动汽车的唯一能源，除了供给汽车驱动行驶所需电能外，还必须供应汽车上各种辅助装置的工作电源。蓄电池通过串并联方式组合成满足电动汽车驱动所需等级的电压（48V-144V）；但是其辅助装置电压一般采用低压电源（12V或24V），因此需要添加必要的DC/DC变换器构成多种电压等级。. .图2-5电力驱动控制系统组成与工作原理图再者，由于制造工艺的因素，即使同一批次的蓄电池其电解液浓度和性能也存在个性差异，在进行组装前，必须对每块蓄电池进行检测并记录，尽量实现性能接近的蓄电池同组组装，有利于动力电池组性能的稳定以及使用寿命的延长。②能源管理系统。能源管理系统的主要功能是在汽车行驶过程中进行合理的能源分配，协调各功能部分工作的能量管理，使有限的电池能量得到最大限度利用（最优化）。能源管理系统与电力驱动主模块的中央控制单元配合一起控制发电回馈，在汽车减速制动或下坡滑行时进行能量回收，从而有效扩充能源，提高续航能力。为了提高蓄电池性能的稳定性与延长使用寿命，需要实时监控电源的使用情况，对蓄电池的状态参数（蓄电池温度、电解液浓度、蓄电池内阻、电池端电压、当前电池剩余容量、放电时间、放电电流、放电深度等）进行检测，根据要求对蓄电池环境温度进行温度控制、通过限流控制避免蓄电池过充、过放，对状态参数进行显示与报警，实时显示在驾驶室显示操纵台上，便于驾驶员随时掌握并配合操作，根据需要及时对蓄电池进行充电并维护保养。③充电控制器。充电控制器主要功能是把电网供电制式转换成蓄电池要求的制式（AC/DC与充电电流控制）。⑵电力驱动主模块电力驱动主模块由中央控制单元、驱动控制器、电动机、机械传动装置等构成。为了适应驾驶室传统操纵习惯，电动汽车保留了加速踏板、制动踏板及其它操纵手柄或按钮。其实现形式是采用电信号输入到中央控制单元对汽车的行驶实时控制。①中央控制单元。中央控制单元不仅是电力驱动主模块控制中心，也对整辆电动汽车的控制起协调作用。1.根据外部信号，向驱动控制器发相应信号驱动电动机进行起动、加速、减速、制动控制等；. .2.电动车减速或下坡滑行时，配合车载电源模块的能量管理系统进行发电回馈，向蓄电池充电；3.配合辅助模块将电动汽车实时参数送至驾驶室操纵台，方便驾驶员了解汽车状态；4.汽车弯道行驶时，配合辅助模块的动力转向单元，对轮毂电机进行电子式差速转向控制。②驱动控制器。按照中央控制单元的指令和电动机的速度、电流反馈信号，对电动机速度、驱动转矩和旋转方向进行控制。驱动控制器与电动机必须配套使用。1.直流电动机：通过DC/DC变换器进行调压调速控制；2.交流电动机：通过DC/AC变换器进行调频调压矢量控制；3.磁阻电动机：通过控制脉冲频率进行调速控制。③电机。电机在电动汽车中具有电动和发电双重功能，即正常行驶过程中用作电动机，将电能转换成机械能；在减速和滑行过程中用于发电机，将机械能转换成电能。根据汽车起步与运行中的要求，得出“起动低速恒转速输出，高速恒功率输出”。电机与驱动控制器构成的驱动控制系统是电动汽车中最为关键的部件，直接影响电动汽车的各项功能指标。④机械传动装置。将电动机的驱动转矩传输给汽车的驱动轴，带动汽车车轮行驶。电动机本身具备较好的调速特性，使得变速机构简化，取消离合器直接起动，并且由于正反转控制方便，取消了倒档齿轮，若采用轮毂电机分散驱动则省去主要传动部件，名副其实的成为“零传动”方式。⑶辅助模块辅助模块包括辅助动力电源、动力转向单元、驾驶室显示操纵台及各种辅助装置等。①辅助动力源。辅助动力源供给电动汽车各种辅助装置所需的动力电源，一般选用12V或24V直流低压电源，向电子辅助动力转向、制动力调节控制、照明、车载空调、电动门窗等在内的各种辅助装置提供所需能源。②动力转向单元。转向装置是为实现汽车转弯设置，由方向盘、转向器、转向机构和转向轮构成。通过作用在方向盘上的控制力，通过转向器及转向机构使车轮发生一定角度的转向。现代汽车一般采用辅助动力转向装置，目前较为理想的是电子控制动力转向系EPS，电动汽车适合选用电控电动转向系（内燃机汽车大多数采用电控液力转向系）。为了提高汽车转向时的操纵稳定性和机动性，最为理想的方法是采用四轮转向系统。③驾驶室显示操纵台。相当于传统驾驶室仪表盘，根据电动汽车驱动的控制特点在功能上有所添补。④其它辅助装置。电动汽车辅助装置主要由空调、照明、各种声光信号装置、车载音响装置、刮水器、电动门窗、电动座椅调节器、车身安全防护装置等。其主要目的是为了提升汽车操纵性、舒适性、安全性而设置的。其中车载空调作为电动车中除驱动部分外的主要负载，尽量从节能角度考虑，以适应电动汽车能源不富裕的特点。. .2）汽车底盘汽车底盘作为整个汽车的基体，不仅起着支撑蓄电池、电动机、驱动控制器、汽车车身、空调在内的各种辅助装置作用，而且将电动机动力进行传递和分配，按照驾驶员需求行驶。传统的汽车底盘包括传动系、行驶系、转向系、制动系四大系统。电动汽车底盘根据实际的不同类型有很大的变动，总体而言朝着轻便、简化的方向发展。3）车身与纯电动汽车总体布局特点针对纯电动车能源不富裕的特点，电动汽车车身外形应尽量符合空气流体动力学，减少行驶过程中的空气阻力，并选取高强度轻型材料来减轻自重。车内布局则尽量减少刚性机械部件连接的动能传动，选取柔性电缆，使得电动汽车车内布局有较大灵活度。蓄电池作为电动汽车上必不可少的动力源，其自身也有一定重量，在设计放置中可选用分散布置，作为配重布局。总体而言，对于电动汽车各个部件的总体布局依据为：符合车辆动力学对汽车重心的要求，并尽可能降低汽车质心高度。4）电动汽车能源的复合利用电动汽车能量不富裕的最大弊端，严重影响电动车的整体性能。若电动汽车能源与其它能源有机结合复合利用，可以改善电动汽车加速性能，提高续航里程，成为电动汽车实用化的有效途径之一。太阳能、风能等自然能如果与蓄电池配合使用则既发挥了蓄电池可逆储能装置的优势，又有效解决能源不充足的缺陷。2.2混合动力电动汽车（中间过渡模式）2.2.1HEV定义及优点参考国际能源组织(IEA)相关文献：能量与功率传送路线具有如下特点的车辆称之为HEV：①传动到车轮推进车辆运动的能量，至少来自两种不同的能量转换装置（内燃机、燃气涡轮、电动机、液压马达等）；②转换装置至少由两种不同的能量储存装置（燃油箱、蓄电池、超级电容、高压储氢罐等）吸取能量；③从储能装置流向车轮的通道（能量通道），可逆通道与不可逆通道并存；④可逆通道储能装置供应的是电能。在内燃机汽车的基础上，增加一套蓄电池+电机的可逆储能装置系统，可以使发动机许多损耗能量被回收或综合利用：①通过综合利用，可以大为减少或消除发动机怠速状态；②车辆减速制动时进行能量再生回馈；③汽车下坡行驶中能量发电回馈；④两套能量转换装置的利用，可以减轻发动机设计功率，利用电动机短时过载能力进行汽车瞬时加速性能。. .混合动力汽车设计时必须考虑其纯电动运行模式，这样可以用来改善在城市工况中的尾气排放问题（城市工况下开启纯电动模式），这样混合动力电动汽车的尾气排放在一定程度上较之内燃机汽车具有很大的改善，特别是怠速时的尾气排放问题，降低了城市环境污染。2.2.2HEV分类及结构特点按动力系统结构分类：串联形式、并联形式、混联形式；按混合度分类：微混合（≦5%）、轻度混合（5%~15%）、中度混合（15%~40%）、重度混合（﹥40%）；1）串联式混合动力电动汽车（SHEV）主要特征是驱动力只来源于电动机。三大动力总成：发动机、发电机、驱动电机采取串联方式组成，发动机不直接参与SHEV的驱动，它与电动机合成只作为电能供应系统。单向驱动电动机形式特点是驱动电动机只由蓄电池供给电能，发动机带动发电机向蓄电池供电。动力系统的蓄电池作为主要动力源，要求蓄电池容量较大。供电模式有2种：正常运行时动力电池供电；滑行、下坡、减速制动通过电机发电回馈向蓄电池充电。图2-6蓄电池单向驱动电动机结构原理图发电机或蓄电池双向驱动电动机形式，其发动机—发电机组功率要求较大，作为主要的动力系统；蓄电池动力容量较大，补充峰值功率。供电模式有3种：单独动力电池组供电（低速、平坦道路）、发动机—发电机组供电（起动、高速）、动力电池组与发动机—发电机组同时供电（起动、爬坡、高速。优点：发动机可以固定在工况点工作，因此可以使发动机在有害排放物最低与效率最高的工作点工作。排气成分稳定也便于处理装置处理，保持高净化率；缺点：总效率低，发动机产生的机械能通过发电机转换成电能，电能再由电动机转换成机械能，转换过程会带来较大的机械损耗；输出功率较低，若需要高速运行则需要设计最大功率电动机，使电动汽车自重增大。串联式混动汽车主要适应于城区低速行驶工况，才会体现出串联式混动汽车的最大特点。2）并联式混合动力电动汽车（PHEV）主要特征是车辆的驱动力可由电动机或发电机单独供给。2大动力总成：发动机、电动/发电机并联方式组成，在较低负荷时单独使用发动机或电动机作为动力源，大功率负荷时同时起动电动机和发动机作为汽车动力源。电磁离合器动力组成式电动汽车工作过程：. .发动机起动时，通过控制离合器切换，电动机作为发动机起动器带动发动机快速起动。起动后发动机带动发电机转动，把发动机部分动能转换成电能储存到动力蓄电池组中，同时离合器接入变速器，通过驱动桥带动汽车低速行驶；当车辆加速或爬坡时，离合器脱开电动/发电机，同时动力蓄电池组也向驱动桥提供动能，形成电动机和发电机并行驱动模式。在车辆滑行、下坡、减速制动时又通过电动/发电机发电回馈储能。图2-7动力组合器动力组合式并联混动汽车结构原理图3）混联式混合动力电动汽车（CHEV）混联式混动汽车综合了串联式电动汽车与并联式电动汽车的结构特点，既能工作在串联混合式模式（增加了机械动力传递路线），也可以工作在并联混合式模式（增加了电力驱动传递路线）。同时兼顾了串联式与并联式的优点，结构上保证了各种复杂工况下的最优工作模式，以实现热效率最高、排污量最低为己任。通常汽车在低速轻负荷运行时，驱动系统主要以串联模式工作；当汽车处于高速行驶时，以并联模式工作。图2-9混联式混合动力电动汽车结构原理图. .优点：动力总成（发动机、发电/电动机、驱动电动机）设计时功率要求各自仅需车辆总驱动功率的50%，功率、重量及体积小使得车身自重小，性能完善，经济型高；实现“超低污染排放”甚至“零排放”指标；缺点：多能源系统结构复杂，增加了各部分的总体布置难度，控制系统复杂性高，带来设计、调试、故障诊断和维修等一系列难度。4）HEV的能量管理与控制策略混合动力电动汽车能量管理指：车辆在不同工况下行驶过程中，控制各组成部件（发动机、发电机、蓄电池、电动机、传动装置）之间的能量流大小及其方向。主要目的：①最佳燃油经济性及排放指标，通过发动机工作点及工作区域优化设计，复杂工况下减少发动机工作转速波动和停止次数来实现；②根据行驶工况对能量需求，合理分配发动机与蓄电池的能量流；③确保蓄电池合适的荷电状态（SOC）及蓄电池电压安全范围内使用，保证蓄电池使用寿命。能量管理的手段即为控制策略，属于混合动力电动汽车的控制核心。根据驾驶员实际需求与行驶工况，协调各部件间的能量流合理分配动力，优化车载能源，提高整车经济型，降低排放量，在不牺牲整车整体性能情况下实现两者的折中优化。（1）串联式HEV控制策略1.开关型控制；2.功率跟随型控制；3.动态规划法能量优化控制；4.路线适应型控制；5.负荷预测型控制。（2）并联式HEV控制策略1.基于规则的逻辑门限控制；2.瞬时优化控制；3.智能控制；4.全局最优控制。（3）混联式HEV控制策略1.发动机恒定工作点模式；2.发动机最优工作曲线模式；3.瞬时优化模式；4.全局优化模式。2.3燃料电池电动汽车（理想目标）燃料电池电动汽车主要指以燃料电池系统作为动力源或主动力源的车辆。燃料电池用于汽车动力源，可以为能源问题和环境污染问题提供有效的方案。燃料电池电动汽车与其它动力汽车的主要区别在于动力源采用燃料电池供给，而其它结构并无大的变化。针对燃料电池电动汽车在车辆中的应用，主要了解燃料电池电动汽车结构、燃料电池系统、供氢系统、氢源及使用安全等相关内容。2.3.1FCEV基本结构与原理. .图2-10混合驱动型燃料电池汽车动力系统结构原理图2.3.2FCEV燃料电池系统单独的燃料电池堆不能发电并应用到汽车中，必须结合燃料供给和循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统及协调各系统有序工作的控制系统，共同构成燃料电池发电系统，简称燃料电池系统（FCS），才能对外输出功率。燃料电池功率密度随反应物----氢和氧的压力升高而增大。普遍采用增压模式提高燃料电池系统功率密度。但是空气在加湿过程中会掺入大量水蒸气，减小了氧气的比例，会降低该类燃料电池的净输出功率与系统效率。目前提出了2种改进方案：⑴普通空气做氧化剂，通过对膜加湿、加大空气量供给及先进冷却方法等一系列措施，简化结构，提高效率，克服加压燃料电池的不足；⑵变压系统：根据负荷调节系统中氧气和氢气压力，虽然会带来性能的提升，但结构复杂。电池内部的水/热管理是燃料电池的难点与重点，关乎燃料电池性能好坏。水作为质子膜燃料电池的一部分，一方面起到冷却电堆作用，一方面起到增湿效果。该系统中，必须防止电堆热量积累，增添水/空气热交换器把多余能量带走。整个工作过程中，控制系统根据负载对燃料电池功率需求，对反应气体流量、压力、水/热循环系统等因素进行综合控制，保证燃料电池安全可靠运行。燃料电池系统主要研究热点:使用轻质材料，优化设计，提高燃料电池系统的比功率；提高质子交换膜燃料电池快速冷却起动能力和动态反应性能；研究具有负荷跟随能力的燃料处理器等。燃料电池作为静态能量转换装置，内部基本不采用运动部件，具有效率高、无污染、过载能力强、噪音小、振动小的特点。燃料电池堆理论能量效率已接近83%，实际效率已达50%~60%，远远高出其它类型电动汽车的极限效率。2.3.3燃料电池汽车特点与期望1.优点：. .1）热效率高。用碳氢化合物燃料经过重整器重整，由燃料电池将化学能转换成电能，再通过电动机及驱动系统驱动汽车，综合效率可达到34%；传统内燃机综合效率仅有11%。热效率高是燃料电池的突出优点，意味着燃料电池汽车比内燃机汽车更加节能。2）污染低。燃料电池汽车产生的气体仅有少量有害气体排放，接近“零污染”。3）宽广范围内保持高效且过载能力强。燃料电池组额定功率下运行效率达60%，部分功率下运行时效率达70%。功率范围宽广，效率受功率变化影响小，短时过载能力翻一番，动力性能和加速性能好。4）配置灵活机动性大。燃料电池单体电池产生电压约1V。通过不同的匹配可以组合成不同系列功率燃料电池组。5）现有设施可利用性大。燃料电池以提供燃料作为续航里程的标志，与现有内燃机机理相同，仅燃料装载方法稍许不同，可以充分利用现有的设备和服务体系。2.缺点与不足：1）辅助设备复杂。不同的燃料原材料，在制备过程中都会存在各种其它气体，必须对这类气体进行分离处理才能确保燃料纯度，无形中增加了结构与工艺复杂性；2）辅助设备种且体积大。目前燃料电池汽车的燃料主要采用氢气，氢气的制取、储存、分配、灌装等环节还未实现规模化。灌装体积大，占用空间大。燃料电池系统中还要通过多个环节才能制取氢气。这些环节中使用的设备体积和重量较大，无形中增加了制作难度；3）起动时间长并需要提高系统耐振动能力。一般要产生汽车运行的氢气需要至少10分钟的前期准备，影响汽车机动性。汽车上包括燃料电池本身在内的各种辅助设备，受到振动或冲击时，管道连接的密封可靠性较差，需要进一步提高。密封的高要求造成了燃料电池制造工艺的复杂性，并带来使用与维护上的困难。3.发展与展望燃料电池是目前所开发的电池中最具有发展前途的“高性能电池”。最初应用于航天飞机与人造卫星的电源系统中，后来逐步运用到潜水艇与发电厂等方面，其优越性能明显，带动了燃料电池电动汽车的新发展。随着氢气制造技术的不断成熟，氢气将成为本世纪最优良的燃料。与其相关的燃料电池辅助系统的小型化与轻量化，燃料电池在电动汽车的实用化更接近现实，燃料电池电动汽车商品化的步伐将越来越明朗。.