纯电动汽车--驱动结构和电池性能.ppt

第二章纯电动汽车 蓄电池电动汽车 BatteryElectricVehicles BEV 概述纯电动汽车驱动方案 驱动方程动力电池 分类 电性能 2 0 1定义 蓄电池电动汽车 纯电动汽车 EV ElectricVehicle 是仅由动力蓄电池向电机提供电能驱动车辆行驶的道路车辆 2 0 1定义 结构示意图 2 0 2特点 节能 不消耗石油 环保 无污染 噪声和振动小 能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传递 各部件的布置具有很大的灵活性 驱动系统布置不同会使系统结构区别很大 采用不同类型的电机 如直流电机和交流电机 会影响到纯电动汽车的质量 尺寸和形状 不同类型的储能装置也会影响电动汽车的质量 尺寸及形状 不同的补充能源装置具有不同的硬件和机构 例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电器充电 或者采用替换蓄电池的方式 将替换下来的蓄电池再进行集中充电 2 0 3基本组成 1 车载电源2 电池管理系统3 驱动电动机4 控制系统5 车身及底盘6 安全保护系统 2 0 3基本组成 1 车载电源组成以动力电池组作为车载电源 用周期性的充电来补充电能 重要性 动力电池组是EV的关键装备 储存的电能 质量和体积 对EV性能起决定性影响 也是发展EV的主要研究和开发对象 EV发展的症结在于电池 电池技术对EV的制约仍然是EV发展的瓶颈 建立充电站系统 报废电池回收和处理工厂 是推广EV的关键问题 2 0 3基本组成 1 车载电源发展 1 第一代EV电池 铅酸电池 优点 技术成熟 成本低 缺点 比能量和比功率低不能满足EV续驶里程和动力性能的需求 但进一步发展了阀控铅酸电池 铅布电池等 使铅酸电池的比能量有所提高 2 0 3基本组成 1 车载电源发展 2 第二代高能电池 镍 镉电池 镍 氢电池 钠 硫电池 钠 氯化镍电池 锂离子电池 锂聚合物电池 锌 空气电池和铝 空气电池等 优点 比能量和比功率都比铅酸电池高 大大提高了EV的动力性能和续驶里程 缺点 有些高能电池需要复杂的电池管理系统和温度控制系统 各种电池对充电技术有不同要求 而且电化学电池中的活性物质在使用一定的期限后 会老化变质以至完全丧失充电和放电功能而报废 从而使EV的使用成本高 2 0 3基本组成 1 车载电源发展 3 第三代电池 飞轮电池 超级电容器飞轮电池是电能 机械能 电能转换的电池 超级电容器是电能 电位能 电能转换的电池 这两种储能器在理论上都具有很大的转换能力 而且充电和放电方便迅速 但尚处于研制阶段 2 0 3基本组成 1 车载电源高压电源 动力电池组提供约155 380V高压直流电 动力电池组是供电机工作的唯一动力电源 空调系统的空压机 动力转向系统的油泵和制动系统的真空泵等 也需要动力电池组提供动力电能 低压电源动力电池组通过DC DC转换器 供应12V或24V低压电 并储存到低压电池组中 作为仪表 照明和信号装置等工作的电源 2 0 3基本组成 2 电池管理系统管理 对动力电池组充电与放电时的电流 电压 放电深度 再生制动反馈电流 电池温度等进行控制 个别电池性能变化后 会影响到整个动力电池组性能 故需用电池管理系统来对整个动力电池组及其每一单体电池进行监控 保持各个单体电池间的一致性 充电动力电池组必须进行周期性的充电 高效率充电装置和快速充电装置 是EV使用时所必须的辅助设备 可采用地面充电器 车载充电器 接触式充电器或感应充电器等进行充电 2 0 3基本组成 3 驱动电动机驱动电动机是驱动EV行驶的唯一动力装置 类型直流电动机 交流电动机 永磁电动机和开关磁阻电动机等 再生制动 再生制动是EV节能的重要措施之一 制动时电动机可实现再生制动 一般可回收10 15 的能量 有利于延长EV行驶里程 在EV制动系统中 还保留常规制动系统和ABS制动系统 以保证车辆在紧急制动时有可靠的制动性能 2 0 3基本组成 4 控制系统EV的控制系统主要是对动力电池组的管理和对电动机的控制 将加速踏板 制动踏板机械位移的行程量转换为电信号 输入中央控制器 通过动力控制模块控制驱动电动机运转 计算动力电池组剩余电量和剩余续驶里程 对整车低压系统的电子 电器装置进行控制 采用各种各样的传感器 报警装置和自诊断装置等 对整个动力电池组 功率转换器 驱动电动机系统进行监控并及时反馈信息和报警 2 0 3基本组成 5 车身及底盘车身EV车身造型特别重视流线型 以降低空气阻力系数 底盘 由于动力电池组的质量大 为减轻整车质量 采用轻质材料制造车身和底盘部分总成 动力电池组占据的空间大 在底盘布置上还要有足够的空间存放动力电池组 并且要求线路连接 充电 检查和装卸方便 能够实现动力电池组的整体机械化装卸 2 0 3基本组成 6 安全保护系统高压安全动力电池组具有高压直流电 必须设置安全保护系统 确保驾驶员 乘员和维修人员在驾驶 乘坐和维修时的安全 故障处理必须配备电气装置的故障自检系统和故障报警系统 在电气系统发生故障时自动控制EV不能起动等 及时防止事故的发生 2 0 3基本组成 小结操纵 在操纵装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主要的操纵装置和操纵方法 适应驾驶员的操作习惯 使操作简单化和规范化 控制 在EV控制系统中 采用全自动或半自动的机电一体化控制系统 达到安全 可靠 节能 环保和灵活的目的 电池 提高电池的比能量和比功率 实现电池的高能化 电机 采用高效率的电能转换系统和高效率的驱动电动机 提高电动机和驱动系统的效率 车身和底盘 采用流线型车身 降低迎风面积和空气阻力系数 采用轻金属材料 高强度复合材料和新型EV专用车身和底盘结构 实现车身和底盘的轻量化 减轻整备质量 采用低滚动阻力轮胎 降低行驶阻力 再生制动 回收再生制动能量 延长行驶里程 2 0 4关键技术 1 驱动电动机的选择及功率匹配电动机应具有良好的转矩 转速特性 一般具有6000 15000r min的转速 根据车辆行驶工况 驱动电动机可以在恒转矩区和恒功率区运转 驱动电动机应经常保持在高效率范围内运转 在低速 大转矩 恒转矩区 运转范围内效率在0 75 0 85之间 在恒功率运转范围内效率在0 8 0 9之间 2 0 4关键技术 2 动力电池组的选择与特性3 减速器传动比的确定由于电动机的转速高 不能直接驱动车辆的车轮 通常在驱动系统中采用大速比的减速器或2档变速器 作用 减速 增扭减速器或变速器中不设置倒档齿轮 倒车是靠电动机的反转来实现 2 0 4关键技术 4 控制系统的设计目标 延长续驶里程续驶里程 续驶里程指电动汽车从动力蓄电池全充满状态开始到标准规定的试验结束时所走过的里程 采用工况法按照一定的工况反复地循环行驶 是EV测定续驶里程的基本方法 我国颁布的GB T18386 2001 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法 适用于EV最大总质量 3500kg 最高车速 70km h的EV 2 0 4关键技术 4 控制系统的设计延长续驶里程的方法 选用高比能量的电池 减少EV在行驶中各种环节中的能量损耗 减少EV辅助系统的电能消耗 对空调 动力转向等进行自动控制 设计新EV时 在造型 结构 材料和配件方面 应使G f和CD等尽量降低 2 0 5发展趋势 当前EV主要向小型化 个性化 家庭化和休闲化方向开辟市场 可适当地降低对动力性能 最高车速和续驶里程方面的要求 世界各国都有各式各样的微型和小型EV在使用 如日本丰田汽车公司E com微型电动轿车和日产汽车公司的Hypermini微型电动轿车 NissanHypermini 2000 2 1电动汽车驱动系统 2 1 1组成和结构形式2 1 2传统的驱动系统2 1 3简化的传统驱动系统2 1 4电动机 驱动桥整体式驱动系统2 1 5双电动机驱动系统2 1 6内转子电动轮驱动系统2 1 7外转子电动轮驱动系统 2 1 1组成和结构形式 组成 结构形式 传统的驱动系统 简化的传统驱动系统 电动机 驱动桥整体式驱动系统 双电动机驱动系统 内转子电动轮驱动系统 外转子电动轮驱动系统 2 1 2传统的驱动系统 电动机替代发动机 仍然采用内燃机汽车的传动系统 包括离合器 变速器 传动轴和驱动桥等总成 有电动机前置 驱动桥前置 F F 电动机前置 驱动桥后置 F R 等各种驱动模式 结构复杂 效率低 不能充分发挥电动机的性能 M 电动机C 离合器GB 变速器D 差速器 纯电动汽车驱动方案 1 机械驱动 差速半轴方案2 机电集成化驱动布置方案3 电动轮方案 1 机械驱动 差速半轴方案布置示意图 1 机械驱动 差速半轴方案驱动布置的特点 用蓄电池 电机及其控制系统取代了原来的内燃机及其控制系统作为电动汽车的动力源 在这种布置形式中 一般选用或保留了内燃机汽车的变速器 传动轴 和半轴等传动部件 优点 有利于集中精力匹配电动汽车的动力系统 缺点 传动效率较低 并且不能充分满足电动汽车的动力性能的要求 2 机电集成化驱动布置方案 机电集成化驱动布置方案类似于差速半轴驱动方案 这种布置方案充分利用电动机的调速范围宽的特点 取消了传动效率低 操纵烦琐的齿轮变速箱 只采用部分传动齿轮 保留差速器和半轴 从而使得动力传动系统得到了简化 并提高了传动效率 3 电动轮方案布置示意图 3 电动轮方案 此方案取消了差速器和半轴 而将行星减速器与电动机制造为一体 称为电动轮 轮胎直接安装在电动轮上 不但提高了传动效率 而且不占用车身和底盘的空间 扩大乘坐的空间 利用底部空间来安装电池 并使整车的总体布置得到简化 化学电源的分类 按其工作性质及存贮方式不同 a 一次电池 又称 原电池 即放电后不能用充电的方法使其复原的电池 b 二次电池 又称 蓄电池 电池放电后又可用充电的方法使活性物质复原而再次放电 且可反复多次循环使用的一类电池 C 贮备电池 又称 激活电池 是指正负极活性物质和电解质在贮存期不直接接触 使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活的一类电池 d 燃料电池 又称 连续电池 即只要活性物质连续地注入电池 就能长期不断地进行放电的一类电池 电池的性能参数 化学电池品种繁多 性能各异 常以表征其性能的指标有 电性能 机械性能 储存性能等 有时还包括使用性能和经济成本 电性能包括电动势 开路电压 工作电压 内阻 充电电压 电容量 比能量 比功率 和使用寿命等 储存性能主要取决于电池的自放电大小 总工 技术开发 电池开发 材料研发 电性能 1 电动势电池的电动势 又称电池的标准电压或理论电压 为电池断路时正负两极间的电位差 2 开路电压电池的开路电压是无负荷情况下的电池电压 开路电压不等于电池的电动势 且总小于电动势 电性能 3 电池的内阻电池的内阻包括 正负极板电阻 电解液电阻 隔离物电阻和连接体电阻等 单个电池所呈现的内阻 就是上述电阻的总和 电池组的内阻 就是单个电池的电阻再乘上所串联的电池只数 电池的内阻 在放电的过程中会逐渐增加 而在充电过程中则会逐渐减小 所以 在电池充放电过程中 端电压会因其内阻的变化而变化 端电压在放电时低于电池的电动势 充电时又高于电池的电动势 电性能 4 充电电压电池的充电电压 仅对二次电池充电而言 为充电时该二次电池的端电压 在恒流充电时 充电电压随时间的延长而逐渐增高 在恒压充电时 充电电流随充电时间的延长而很快减小 对于某些电池 为了保证电池能充足电 并保护电池不过充或抑制气体析出 规定了充电的终止电池充电电压 电性能 表征电池放电时电压特性的专业术语有以下几个 a 额定电压 或称公称电压 系指该电化学体系的电池工作时公认的标准电压 b 工作电压 系指电池在某负载下实际的放电电压 通常是指一个电压范围 c 中点电压 系指电池放电期间的平均电压或中心电压 d 终止电压 系指放电终止时的电压值 视负载和使用要求不同而异 电性能 5 电池容量及其影响因素电池的电容量 简称为容量 单位为库仑 C 或安时 Ah 表征电池容量特性的专用术语有以下三个 a 理论容量理论容量系指根据参加电化学反应的活性物质电化学当量数计算得到的电量 通常 理论上1电化当量物质 1电化当量物质的量 等于活性物质的原子量或分子量除以反应物的电子数 将放出1法拉第电量 即96500C或26 8Ah 电性能 b 实际容量实际容量系指在一定的放电条件下 即在一定的放电电流和温度下 电池在终止电压前所能放出的电量 c 额定容量额定容量系指在设计和生产电池时 规定或保证在指定的放电条件下电池应该放出的最低限度的电量 电性能 电池的容量与电池的放电倍率 放电形式 放电终止电压和放电温度等放电条件有关 电池的放电电流强度用放电倍率 简称放电率 来表示 定义 电倍率 额定容量 Ah 放电电流 A 也就是说 电池的放电倍率用放电时间来表示 或者说以一定的放电电流放完额定容量的电量所需的小时数来衡量 电性能 例如 某电池的额定容量为100Ah 若用50A的恒流放电 则放完100Ah的电量需要2小时 我们说用2小时率放电 用符号 C 2 或 0 5C 表示 若用1小时率的恒流放电 放完100Ah的电量 放电电流为100A 用符号 1C 表示 所以放电倍率所表示的放电时间越短 即放电倍率就越高 放电电流越大 电性能 6 比能量和比功率电池的输出能量 是指在一定的放电条件下电池所能做出的电功 它等于电池的放电容量和电池平均工作电压的乘积 其单位常用瓦时 Wh 表示 电池的比能量有两种表示方法 一种是质量比能量 用瓦时 千克 Wh kg 表示 另一种是体积比能量 用瓦时 升 Wh L 表示 它是比较电池性能优劣的重要指标 必须指出 单体电池和电池组的比能量是不一样的 由于电池组合时总要有连接片 外部容器等 故电池组的比能量总是小于单体电池的比能量 电性能 6 比能量和比功率电池的功率是指在一定的放电条件下 电池在单位时间内所放出的能量 其单位常用瓦 W 或千瓦 kW 表示 电池的单位质量或单位体积的功率称为电池的比功率 它的单位是瓦 千克 W kg 或瓦 升 W L 如果一个电池的比功率较大 则表示在单位时间内 单位质量或单位体积中放出的能量较多 即表示该电池能用较大的电流放电 因此 电池的比功率也是评价电池性能优劣的重要指标之一 贮存性能和自放电性能 电池在贮存一定时间后 其实际容量将会自行降低 这种现象称为自放电 所谓