电动汽车动力传动系的结构与工作原理

1、电动汽车动力传动系的结构与工作原理摘 要：能源危机已经逐渐成为世界面临的最重大问题之一。电动汽车的发展应运而生。电动汽车的动力传动系统又是其核心技术，本文主要对电动汽车中的蓄电池，电动机以及控制器的结构和工作原理进行了阐述。关 键 词:电动汽车 蓄电池 电动机 控制器The Works And Structure Of Power Transmission For Electric VehicleLIU Xue Lai( School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jia

2、ngsu, China)Abstract: Energy crisis has become one of the most important issues which all the people have to face. Due to this problem, the development of electric vehicle comes into being. Power transmission is the core technology for electric vehicle. The article mainly makes a set about the works

3、 and structure of electric vehicles storage battery, electric motor and motor controller. Keyword: Electric Vehicle Storage Battery Electric Motor Motor Controller 前言能源短缺、环境污染、气候变暖是全球汽车产业面临的共同挑战，各国政府及其产业界积极应对，纷纷提出各自发展战略，新能源汽车已经成为21世纪汽车工业的发展热点。我国是一个能源短缺的国家，尤为重视新能源汽车的研发。其中，纯电动汽车是新能源汽车的重中之重。纯电动汽车是以电池为储

4、能单元，以电动机为驱动系统的车辆。通常地，容量型驱动力电池即可满足实用要求。纯电动汽车的特点是结构相对简单，生产工艺相对成熟，缺点是充电速度慢，续驶里程短。因此适合与行驶路线相对固定，有条件进行较长时间充电的车辆。1. 概述1.1 动力传动系统动力传动系统是电动汽车最主要的系统，电动汽车运行性能的好坏主要是由其动力传动系统的性能决定的。电动汽车动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、变速器、主减速器、等组成。电机控制器接受从加速踏板（相当于内燃机汽车的油门）、刹车踏板和PRND（停车、倒车、空档、前进）控制按键的输出信号，控制电动机的旋转，通过减速器、传动轴、差速器、半轴等机械传动装置驱动车轮旋

5、转。车辆减速时，电机对车辆前进起制动作用，这时电机处于发电机制动的运动状态，给蓄电池充电，也就是所谓的再生制动。电动汽车的再生制动功能是非常重要的，根据对电动汽车的实际运行测试结果表明，再生制动给作为储能动力源的蓄电池补充的能量，能是电动汽车一次充电之后行驶里程增加。动力传动系统的构成框图如1.1所示。在有的情况下，把电机、减速器与传动装置、车轮做成一体，称之为电动轮，这时的差速器是靠电器方法实现的。带电动轮的电动汽车的动力传动系统的构成框图如图1.2所示。1.2 电动汽车动力传动系统布置方案目前，电动汽车动力传动系统具有一下几种布置方案：第一种和传统内燃机传动系统布置方案一样，仍带有变速器，

6、主要是为了提高电动汽车的起动扭矩及增加低速时电动汽车的后备功率，如图1.3a中所示。装有这种传动系统的电动车主要是由内燃机汽车改装而成。第二种布置如图1.3b中所示，这种传动系统的最大特点是取消了离合器和变速器，因此对电动机的要求较高，不仅要求有较高的起动转矩，而且要求较大的后备功率，以保证电动汽车的起车、爬坡、加速超车等动力性能。第三种和第四种的布置比较接近，都是直接将电动机驱动轮和驱动轴上，如图1.3c和1.3d所示。这两种传动系统都是直接由电机实现变速、差速，它不仅要求电动机性能好，有较高的起动转矩，较大的后备功率，而且对控制系统的要求很高。控制系统不仅要有较高的控制精度，而且具备良好的

7、可靠性，从而保证电动汽车安全、平稳的行驶。由于电动汽车传动系统中的变速器、差速器、传动轴等与传统内燃机传动系差别不大，本文不再赘述其结构及其工作原理。2. 蓄电池电池是电动汽车的动力源，是能量的存储装置，也是目前制约电动汽车发展的关键因素。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键是开发出比能量高，比功率大、使用寿命长、成本低的电池。2.1铅酸蓄电池2.1.1铅酸蓄电池的分类和结构 铅酸蓄电池的基本结构如图2.1。铅酸蓄电池是由正负极板、隔板、电解液、溢气阀、外壳等部分组成。极板是铅酸蓄电池的核心部件，正极板上的活性物质是二氧化铅，负极板上的活性物质为海面状纯铅。隔板是隔离正、负极板，防止短路；作为

8、电解液的载体，能够吸收大量的电解液，起到促进离子良好扩散的作用；它还是正极板产生的氧气到达负极板的“通道”，以顺利建立氧循环，减少水的损失。电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定比例配制而成，主要作用是参与电化学反应，是铅酸蓄电池的活性物质之一。电池槽中装入一定密度的电解液后，由于电化学反映，正、负极板间会产生约为2.1V的电动势。溢气阀位于电池顶部，起到安全。密封、防暴等作用。2.1.2铅酸蓄电池的特点铅酸蓄电池主要有一下有点：1. 电压较高，为2.0V；2. 价格低廉；3. 可制成小至1Ah大至几千安时的各种尺寸和结构的蓄电池；4. 高倍率放电性能良好，可用于引擎起动；5. 高低温性能良好，可在-4

9、0C-60C条件下工作；6. 电能效率高达60%；7. 易于识别电荷状态。铅酸蓄电池的缺点：1 比能量低；2 使用寿命短，使用成本高；3 充电时间长；4 铅是重金属，存在污染。2.1.3铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池使用时，把化学能转换为电能的过程叫放电。在实用后，借助于直流电在电池内进行化学反映，把电池变为化学能储蓄起来，这种蓄电池过程称作充电。铅酸蓄电池是酸性蓄电池，其化学反应式为：充电时，把铅板分别和直流电源的正、负极相连，进行充放电电解，还原反应式为阳极的氧化反应为充电时总反映为铅酸蓄电池放电时如图2.2所示放电时蓄电池阴极的氧化反应为 阳极的还原反应为 放电时总反映为蓄电池充电的时候

10、，随着电池端电压的升高，水开始被电解，当电池电压达到约2.39V/单体时，水的电解不可被忽略。水电解时阳极和阴极的化学反应式为 阳极给出的电子，阴极得到电子，从而形成了回路电流。端电压越高，水的电解也越激烈，此时冲入的大部分电荷参加水电解，形成活性物质很少。2.2镍氢电池镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型电池。它的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要有储氢合金支撑，是一种碱性蓄电池。2.2.1镍氢电池的结构镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电解液等组成。如图2.3所示。镍氢电池正极是活性物质氢氧化镍，负极是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质，在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单体

11、电池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。镍氢电池的极板有发泡体和烧结体两种，发泡体极板的镍氢电池在出厂前必须进行预充电，且放电电压不能低于0.9V，工作电压也不太稳定，特别是在存放一段时间后，会有近20%的电荷流失，老化现象比较严重，为避免发泡镍氢电池老化所造成的内阻的增高，镍氢电池在出厂钱必须进行预充电。经过改进的烧结体极板的镍氢电池，其烧结体基本本身就是活性物质，不需要进行活性处理，也不需要进行预充电，电压平衡，稳定，遇有低温放电性能好、不易老化和寿命长的优点。图2.3 镍氢电池的基本结构2.2.2镍氢电池的特点镍氢电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用性等许多优点

12、。与铅酸蓄电池相比，镍氢电池除具有比能量高、质量轻、体积小、循环寿命长的特点以外，还有一下特点。1.比功率高，目前能达到1350W/kg；2.循环次数多；3.无污染，为21世纪“绿色环保电池”；4.耐过充过放；5.无记忆效应；6.使用温度范围宽。正常温度范围-30C-55C；7.安全可靠。短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热、耐震动等安全性，可靠性试验无爆炸、燃烧现象。2.2.3镍氢电池的工作原理镍氢电池是将物质的化学反应产生的能量直接转化成电能的一种装置。镍氢电池有镍氢化合物正电极、储氢合金负电极、以及碱性电解液组成。密封一次镍氢电池的性能特点主要取决于本身体系的电极反应。如图2.4

13、所示。图2.4 镍氢电池充放电原理充电时正、负极的化学反应为 放电时正、负极的化学反应为 当镍氢电池以标准电流放电时，平均工作电压为1.2V。当电池以8C率放电时，端电压将至1.1V时，则认为放电完成。电压1.1V称为8C率放电时的放电终止电压（0.6-0.8V）。2.3锂离子电池锂离子电池是1990年有日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，是目前世界最新一代的充电电池。2.3.1锂离子电池的结构锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。结构如图2.5所示1. 正极正极物质在锰酸锂离子电池以锰酸锂为主要原料，在磷酸铁离子电池中以磷酸铁锂为主要原料，在钴镍锂离子电池中以钴镍锂为主要

14、材料。在正极活性物质中再加入导电剂、树脂黏合剂，并涂覆在铝机体上，呈细薄成分布。2. 负极负极活性物质是有碳材料与黏合剂的混合物再加上有机溶剂调和制成糊状，并涂覆在铜基上，呈薄层状分布。3. 隔板隔板的工程是关闭或阻断通道的作用，一般使用聚乙烯活聚丙烯材料的微多孔膜。所谓关闭或阻断功能是电池出现一场温度上升，阻塞或阻断作为离子通道的细孔，使蓄电池停止充放电反应。隔板可以有效防止因外部短路等引起的过大电流而使电池产生异常发热现象。这种现象即使产生一次，电池就不能正常使用。4. 电解液 电解液是以混合溶剂为主体的有机电解液。为了使主要电解质成分的锂盐溶解，必须具有高电容率，并且具有与锂离子相容性好

15、的溶剂，即不阻碍离子移动的低粘度的有机溶液为宜，而且在锂离子蓄电池的工作温度范围内，必须呈液体状态，凝固点低，沸点高。电解液对于活性物质具有化学稳定性，必须良好适应充放电反应过程中发生的剧烈的氧化还原反应。又由于使用单一溶剂很难满足上述严酷条件，因此电解液一般混合不同性质的几种溶剂使用。5. 安全阀为了保证锂离子电池的适应安全性，一般通过对外部电路的控制或者在蓄电池内部设有异常电流切断的安全装置。即使这样，在使用过程中也有可能其他原因引起蓄电池内阻一场上升，这样，安全阀释放气体，以防止蓄电池破裂。安全阀实际上是一次性非修复式的破裂膜，一旦进入工作状态，保护蓄电池使其工作，因此是蓄电池的最后保护

16、手段。图2.5 锂离子电池的基本结构2.3.2锂离子电池的特点 1.工作电压高。锂离子电池工作电压为3.6V。 2.比能量高。锂离子电池比能量已达到150Wh/kg。 3.循环寿命长。目前锂离子电池循环寿命已经达到1000次以上。 4.自放电率低。 5.无记忆性。可以根据要求随时充放电，而不会降低电池性能。 6.对环境无污染。锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。 7.能够制造成任意形状。 锂离子也存在一些不足，主要体现在一下几个方面： 1.成本高。 2.必须有特殊的保护电路，以防止过充。 2.3.3锂离子电池的工作原理 锂离子电池正极材料采用锂化合物，负极采用锂-碳层间化合物

17、，电解液为有机溶液。 图2.6所示为锂离子电池的工作原理，电池在充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到负极中；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到正极材料晶格中。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间。 正、负极的电化学反应为 由于锂离子电池只涉及锂离子而不涉及金属锂的充放电过程，从根本上解决了由于锂枝晶的产生而带来的电池循环性和安全性的问题图2.6 锂离子电池充放电原理 目前市面上还有很多类型的电池。例如：燃料电池，太阳能电池，飞轮电池，超级电容器等。由于篇幅的限制，在此不再详细的介绍。3.电动机电动机是电动汽车驱动系统的核心部件，其性能的好

18、坏直接影响电动汽车驱动系统的性能，特别是影响电动汽车的最高车速、加速性能及爬坡性能等，因此，在开发电动汽车之前初步确定电动机类型及其参数而对电动机进行选择是至关重要的。3.1直流电动机直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电动机，是电动机的主要类型之一。主要分为他励式、并励式、串励式和复励式4种类型。3.1.1直流电动机的结构直流电动机由定子与转子两大部分组成，定子和转子之间的间隙称为气隙，如图3.1所示。1. 定子部分。直流电动机钉子主要是由主磁极、机座、换向极和电刷装置等组成。1）主磁极。主磁极的作用是建立主磁场，由他主机铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主极铁心一般由1-1.5mm的低碳

19、钢板冲压一定形状叠装固定而成，是主磁路的一部分。励磁绕组用扁铜线或圆铜线绕制而成，产生励磁磁动势。2）机座。机座用铸钢或厚钢板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是电动机的结构框架。3）换向极。换向极的作用是改善直流电动的换向性能，是直流电动机运行时不产生有害的火花。它由换向极体心和套装在铁心上的换向极绕组构成。4）电刷装置。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、汇流排等组成，用于电枢电路的引入或引出。2.转子部分。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。1）电枢铁心。电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑部分。电枢绕组嵌放在电枢铁心的槽内。电枢铁心一般用0.55mm硅钢冲片叠压而成。2）电枢

20、绕组。电枢绕组由扁铜线或圆铜线按一定规律绕制而成，它是直流电动机的电路部分，也是产生电动势和电磁转矩进行机电能量转换的部分。3）换向器。换向器由冷拉梯形铜排和绝缘材料等构成，用于电枢电流的换向。图3.1 直流电动机的结构3.1.2 直流电动机的特点1.调速性能好。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。2.启动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节，因此，凡事在重负载下启动或要求均匀调解转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都可用直流电动机拖动。3.控制比较简单。一般用斩波器控制，它具有高效率、控制灵活、重量轻、体积小、响应快等有点。4.有易

21、损件。由于存在电刷、换向器等易磨损器件，所以必须进行定期维护或更换。3.1.3直流电动机的工作原理图3.2所示为直流电动机的工作原理示意图。图中，定子有一对N、S极，电枢绕组的末端分别接到两个换向片上，正、负电刷A和B分别与两个换向片接触。如果给两个电刷加上直流电源，如图所示，有直流电从电刷流入，经过线圈，从另一电刷中流出。根据磁力定律，两端导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果第一个电刷与另一个换向片接触，电流流动方向与原来相反，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的直流电源是直流的，但由于和电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产

22、生的转矩的方向确却是不变的。图3.2 直流电动机的工作原理示意图3.2无刷直流电动机 无刷直流电动机是用电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能，克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点，体积小，重量轻，可做成各种形状，高效率，高转矩，高精度，数字式控制，是最理想的电动机之一，在电动汽车上有着光放的应用前景。3.2.1无刷直流电动机的结构无刷直流电动主要由电动机本体，电子换相器和转子位置传感器3部分组成。如图3.3.所示。1.电动机本体。无刷直流电动机的电动机本体有定子和转子组成。定子是电动机本体的静止部分，它由导磁的定子铁心、导电的点

23、数绕组及固定铁心和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽、引出线以及环氧化脂等。转子是电动本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件，由永磁体、导磁体和支撑零部件组成。2.电子换相器。电子换相器由功率开关和位置信号处理电路构成，主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。无刷直流电动机本质上是自控同步电动机，电动机转子跟随定子旋转磁场运动，因此，应按一定顺序给定子各相绕组轮流停电，使产生旋转的磁场。无刷直流电动机的三相绕组中通过的电流是120度电角度的方波，绕组在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间是静止不动的。而在开关换相期间，随着电流从一相转移到另一相，定子磁场随之

24、跳跃了一个电角度。而转子磁场则随着转子连续旋转。这两个磁场的瞬时速度不同，但是平均速度相等，因此能保持“同步”。 3.位置传感器。位置传感器在无刷直流电动机中起到检测转子磁极位置的作用，为功率就爱管电路提供正确的的换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处理电路处理后控制定子绕组换相。由于功率开关的导通顺序与转子转角同步，因而位置传感器与功率开关一起，起着与传统有刷直流电动机的机械换向器和电刷相类似的作用。位置传感器的种类比较多，可分为电磁式位置传感器、光电式位移传感器、磁敏式位置传感器等。 3.2.2无刷直流电动机的特点 1.外特性好，非常符合电动汽车的负载特性，尤其是具有低

25、速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足电动汽车的加速要求。 2.可以高、中、低宽速度范围内运行，而有刷电动机由于受机械换向的影响，只能在中低速下运行；而有刷电动机由于受机械换向的影响，只能在中低速下运行。3.效率高，尤其是在轻载车况下，仍能保持高效的效率，这对保存珍贵的电池能量是很重要的。4.过载能力强，比Y系列电动机可提高过载能力两倍以上。5.再生制动效果好，因无刷直流电动机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电动机可完全进入发电机状态，给电池充电，同时起到电制动作用，减轻机械制动负担。6.体积小、重量轻、比功率大。可有效减轻重量、节省空间。7.无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘

26、土进入电动机内部，可靠性高。8.控制系统比一步电动机简单。缺点是电动机本身比交流电动机复杂，控制器比有刷直流电动机复杂。3.2.3无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机的工作原理和有刷直流电动机的工作原理基本相同。它是利用电动机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组一次馈电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动电动机转子旋转。同时，随着电动机转子的转动，转子位置传感器又不断送出位置信号，不断地改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下的导体中的电流方向保持不变，这样电动机就旋转起来了。图3.4所示为无刷直流电动极的工作原理图。图3.4 无刷直流电动机的工作

27、原理 3.3异步电动机 异步电动机又称为感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流形相互作用产生电磁转矩，从而实现电能量转换为机械能量的一种交流电机。 3.3.1异步电动机的结构 异步电动机主要由静止的定子和转子旋转的转子两大部分组成，定子和转子之间存在气隙，此外，还有端盖、轴承、机座和风扇等部件。如图3.5所示。1. 定子。异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。1）定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。定子铁心一般由0.35=0.5mm厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用来嵌放定子绕组。2）定子绕组。定子绕组是电动机的

28、电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。3）机座。机座主要用于固定定子铁心与前后盖，以支撑转子，并起防护、散热等作用。2.转子。异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。1）转子铁心。转子铁心是电动机磁路的一部分，并在铁心槽内放置转子绕组。2）转子绕组。转子绕组是转子的电路部分，它的作用是切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。3）转轴。转轴用于固定和支撑转子铁心，并输出机械功率。转轴一般使用中碳钢制成。3气隙。异步电动机定子与转子之间有一小的间隙，称为电动机气隙。气隙的大小对异步电动机的运行性能有很大的影响。中小异步电动机的气隙一般为0.2mm-2mm；功率

29、越大，转速越高，气隙尺寸越大。3.3.2异步电动机的特点1、固有机械特性：它上面有4个特殊点。1）电动机在没有任何负载情况下的空转，此时转速最大，此点即电动机的理想空载点。 2）电动机在有负载情况下的正常运转，此时为电动机的额定工作点。 3）电动机在刚启动的时刻，即没有转起来，所克服转子自重时转矩的时候，此点为电动机的启动工作点。 4）电动机在拖动负载最大转矩时，速度也比较适中时，此点位电动机的临界工作点。在此时电压如果过低或有巨大冲击负载，就会造成电动机停机。 2、人为机械特性 1）电压降低电动机在运行时，如电压降低太多，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚至是电动机发生带不动负载或者根本不

30、能启动的现象。此外就是启动后电机也会被烧坏。 2）定子电路接入电阻，此时最大转矩要比原来的大；转子电路串电阻或改变定子电源频率，此时启动转矩要增大，最大转矩不变。3.3.3异步电动机的工作原理图3.6为异步电动机工作原理图。当异步电动机的三相定子绕组通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电动势，电动势的方向由右手定则来判定。由于转子绕组是闭合同路，转子中便有电流产生，电流方向与电动势方向相同，而载流的转子导体在定子旋转磁场中涌下将产生电磁力，电磁力的方向可用左手定则来判定。有电磁力进而产生电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电动机旋转方向与旋转磁场想象

31、相同。图3.6 异步电动机工作原理图 4.控制器由于电动控制系统为整体，故在此将电动汽车整体的控制器在此进行叙述。4.1电动汽车控制器的功能纯电动汽车控制器相当于汽车的大脑， 它在汽车行驶过程中执行多项任务， 包括以下功能。1） 接收、处理驾驶员的驾驶操作指令， 并向各个部件控制器发送控制指令， 使车辆按驾驶员期望行驶。2） 整车驱动系统由驱动电机、燃料电池、蓄电池、DC DC转换器等部件组成。与电机、DC DC、镍氢蓄电池组等进行可靠通信， 以及针对关键信息的模拟量进行状态的采集输入及控制指令量的输出。3） 控制器提供对相应部件进行直接控制的信号通道， 包括D A转换和数字量输出等。4） 接

32、收处理各个零部件信息， 结合能源管理单元提供当前的能源状况信息。为保证驾驶员的安全操作和对汽车控制的可视化， 采用了外接液晶显示器以及触摸屏的方式来显示一些重要的信号量，因此选用了一个串行通信口（UART）。5） 系统故障的判断和存储， 动态检测系统信息， 记录出现的故障。6） 对整车具有保护功能， 视故障的类别对整车进行分级保护， 紧急情况下可以关掉发电机及切断母线高压系统。4.2几种电动汽车控制器实例分析1丰田公司控制器丰田公司控制器的原理图如图4.1所示。该车是后轮驱动， 左后轮和右后轮分别由2个轮毂电机驱动。其控制器接收驾驶员的操作信号和汽车的运动传感器信号， 其中驾驶员的操作信号包括加速踏板信号、制动踏板信号、换档位置信号和转向角度信号， 汽