电动汽车导论-第二讲

1、第二讲：纯电动汽车第二讲：纯电动汽车Electric Vehicle 主要内容主要内容1. 纯电动汽车概述纯电动汽车概述纯电动汽车特点、基本结构、工作原理、分类纯电动汽车特点、基本结构、工作原理、分类2. 纯电动汽车性能指标纯电动汽车性能指标3. 纯电动汽车关键装置与技术纯电动汽车关键装置与技术储能装置（动力电池）储能装置（动力电池）驱动装置（电动机）驱动装置（电动机）能源管理系统能源管理系统一、纯电动汽车概述一、纯电动汽车概述1、纯电动汽车特点、纯电动汽车特点零污染、噪声低零污染、噪声低能源效率高、多样化能源效率高、多样化结构简单、使用维修方便结构简单、使用维修方便动力电源使用成本高、续驶里

2、程短动力电源使用成本高、续驶里程短 当前开发和研制取代燃油汽车的首选车型当前开发和研制取代燃油汽车的首选车型 目前仍不能与传统燃油汽车相抗衡！目前仍不能与传统燃油汽车相抗衡！一、纯电动汽车概述一、纯电动汽车概述2、纯电动汽车的基本结构、纯电动汽车的基本结构三大子系统：三大子系统：主能源子系统主能源子系统电力驱动子系统电力驱动子系统辅助控制子系统辅助控制子系统与传统汽车主与传统汽车主要差别：要差别：动力系统动力系统部分仪表部分仪表维护保养维护保养工作原理：工作原理：一、纯电动汽车概述一、纯电动汽车概述2、纯电动汽车的基本结构、纯电动汽车的基本结构主能源子系统主能源子系统u 主电源（动力电池） 是

3、整车的能量来源 铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池 可增加：超级电容、飞轮电池u 能量管理系统 对主电源进行监测和管理。监测参数包括电池SOC、电压、电流、温度等；存电量显示、终止放电显示与报警、能量回馈控制、充放电控制等 与辅助蓄能装置协调能量控制u 车载充电设备 变压、调压、整流、滤波 接受能量管理系统控制。自动选择充电方式、充电终了判别与控制、充电异常判别与自动停充保护等一、纯电动汽车概述一、纯电动汽车概述2、纯电动汽车的基本结构、纯电动汽车的基本结构电力驱动子系统电力驱动子系统u 电子控制器（整车控制器） 根据油门和制动踏板信号控制管理转换器中功率开关的通断，从而实现对电动机的转速和扭矩的

4、控制 通过对能量管理系统和功率转换器的协调控制实现能量回馈和能量匹配控制u 功率转换器 根据需要控制电动机和电源之间的功率流驱动工况时，功率开关通断改变电动机转速、扭矩、方向制动时，功率流方向反向，电动机处发电状态，利用制动动能给主电源充电u 电动机（后续专门介绍）u 机械传动装置及车轮一、纯电动汽车概述一、纯电动汽车概述2、纯电动汽车的基本结构、纯电动汽车的基本结构辅助控制子系统辅助控制子系统u 辅助动力源 向汽车上电器和电子控制装置提供电力 配备DC/DC功率转换器，满足用电设备电压要求u 车载用电设备照明、信号、仪表、雨刮、门锁、多媒体、空调、动力转向、ABS等一、纯电动汽车概述一、纯电

5、动汽车概述2、纯电动汽车的种类、纯电动汽车的种类按用途不同分：按用途不同分： 电动轿车 电动客车 电动货车按车载电源数不同分：按车载电源数不同分： 单电源电动汽车 主电源只有蓄电池 特点：结构和控制均简单，但输出功率受蓄电池性能影响大，制动能量回馈效率亦受制于蓄电池最大可接受电流及SOC 多电源电动汽车 蓄电池+储能器（超级电容或飞轮电池）特点：（与单电源电动汽车相反） 按蓄电池种类分：按蓄电池种类分： 铅酸蓄电池电动汽车 镍氢电池电动汽车 锂离子电池电动汽车一、纯电动汽车概述一、纯电动汽车概述2、纯电动汽车的种类、纯电动汽车的种类按驱动系统组成及布置形式分：按驱动系统组成及布置形式分：a传统

6、型（机械传动型） 变速器可保证起动转矩及低速时所需的后备功率 可选择功率较小的电动机b、c无变速器型 结构简单、质量轻 对电动机要求高D电动轮型 低速外转子电动机直接驱动车轮 对电动机要求最高 对控制系统精度及可靠性要求高 二、纯电动汽车性能指标二、纯电动汽车性能指标1、纯电动汽车的经济性、纯电动汽车的经济性试验循环行驶工况试验循环行驶工况美国城市循环工况（美国城市循环工况（UDDS）联合国欧洲经济委员会循环工况（联合国欧洲经济委员会循环工况（ECE-R15）日本电动汽车协会的日本电动汽车协会的1015循环工况循环工况美国工程师协会试验循环工况（美国工程师协会试验循环工况（SAE-J227a）

7、中国试验循环工况中国试验循环工况 二、纯电动汽车性能指标二、纯电动汽车性能指标1、纯电动汽车的经济性、纯电动汽车的经济性 续驶里程续驶里程（km） 纯电动汽车在蓄电池充足电的状态下，按一定的行驶工况，能连续行驶的最大距离。 工况法、等速（602、402km/h）法 等速工况续驶里程计算公式： ）迎风面积（轮胎阻力系数；）；整车重力（要求蓄电池放电深度，一般蓄电池平均放电效率电动机及控制器效率；传动系统机械效率）；蓄电池组总能量（式中：其中，22-%75-.-15.21,3600mAfNGhkwEACGfFFEsDODDODqmcTBaDqDODmcTB二、纯电动汽车性能指标二、纯电动汽车性能指

8、标1、纯电动汽车的经济性、纯电动汽车的经济性 续驶里程续驶里程（km） 15.21,36002aDqDODmcTBACGfFFEs其中， 续驶里程影响因素： 整车参数 蓄电池均匀性 环境温度 温度下降，蓄电池内阻增大，容量下降，放电能力降低，s减小。二、纯电动汽车性能指标二、纯电动汽车性能指标1、纯电动汽车的经济性、纯电动汽车的经济性 能量消耗率能量消耗率（w.h/km） 电动汽车经过规定的试验循环后对动力蓄电池重新充电至试验前的容量，用从电网上得到的电量除以续驶里程所得到的值GB/T183386-2005 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法二、纯电动汽车性能指标二、纯电动汽车性能指标2、纯

9、电动汽车的动力性、纯电动汽车的动力性 最高车速最高车速 汽车在无风、满载条件下，在水平良好的硬路面上所能到达的最高车速。 有二种：1km最高车速、30min最高车速。 计算公式： 传动系统最小传动比）车轮半径（）电动机最高转速（式中：-min/-377. 0minmaxminmaxmaxttimrrnirn还有一种图解法二、纯电动汽车性能指标二、纯电动汽车性能指标2、纯电动汽车的动力性、纯电动汽车的动力性最大加速能力最大加速能力 在水平良好的硬路面上汽车加速过程中所经过的 加速时间或加速距离。原地起步加速能力、超车加速能力。爬坡能力爬坡能力 汽车在良好的道路上以最低行驶车速上坡行驶的最大坡度。

10、 坡道起步能力：纯电动汽车加载到最大设计总质量时在坡道上能够起步且1min内向上行驶至少10m的最大坡度。 爬坡车速：电动汽车满载时，纯电动汽车在给定坡度（4%和12%）的坡道上能够持续行驶1km以上的最高平均车速。 dtdmGiACGfriTaaDTtm215.21加速能力和爬坡能力均可通过汽车行驶方程计算三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池 电池分类电池分类电 池物理电池生物电池化学电池电解液种类电解液种类正负极材料正负极材料工作性质和工作性质和储存方式储存方式碱性电池有机电解液电池中性电池酸性电池太阳能电池核能电池温差电池一次电池二次电池燃料电池

11、储备电池锌系列电池镍系列电池铅系列电池锂系列电池二氧化锰系列电池金属空气系列电池酶电池微生物电池生物太阳电池（蓄电池）（蓄电池）三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池 电动汽车用储能装置主要有：电动汽车用储能装置主要有：蓄电池蓄电池：铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、镍锌电池、锂电池（锂聚合物、磷酸铁锂）、锂离子电池燃料电池燃料电池：（第三讲！）（第三讲！）超级电容超级电容飞轮电池飞轮电池三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池 蓄电池的性能参数与常用术语蓄电池的性能参数与常用术语蓄电池的性能参数蓄电池的性能参数 电压（

12、V）：蓄电池正负极之间的电位差开路电压蓄电池未向外电路输出电流时的端电压放电电压蓄电池向外电路输出电流时的端电压充电电压在充电电源对蓄电池充电时，蓄电池的端电压 内阻（）：与极板材料、结构、工艺、放电程度有关 容量C（A.h）：在允许放电范围内所输出的电量。 理论容量假设活性物质全部参加化学反应输出电流，用法拉第定律计算出的电量。A.h/kg或 A.h/L实际容量 允许放电范围内，放电电流与放电时间的乘积。C=I t i小时放电率容量Ci充足电的蓄电池以恒定电流放电i小时后至终止电压时，蓄电池所输出的电量 额定容量充足电的蓄电池在规定条件下所能输出的电量三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽

13、车关键装置与技术1、动力电池、动力电池 蓄电池的性能参数与常用术语蓄电池的性能参数与常用术语蓄电池的性能参数蓄电池的性能参数 能量（w.h或kw.h）：蓄电池在一定放电条件下所能输出的电能标称能量额定容量与额定电压的乘积实际能量实际容量与放电过程的平均电压的乘积比能量单位质量所能输出的电能(w.h/kg、 Kw.h/kg)能量密度单位体积所能输出的电能(w.h/L、 Kw.h/L) 功率（w或kw）：在规定的放电条件下，蓄电池单位时间所能输出的电能 比功率单位质量所能输出的功率(w /kg、 Kw/kg)功率密度单位体积所能输出的功率(w/L、 Kw/L) 寿命：用使用时间或循环寿命表示。与充

14、放电电流大小、蓄电池温度、放电深度等有关 成本：三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池 蓄电池的性能参数与常用术语蓄电池的性能参数与常用术语蓄电池常用术语蓄电池常用术语 终止电压：充电或放电结束时的电压。充电终止电压充电结束时的高限电压。充电电流越大，达到充 电终止电压的时间越短。继续充电过度充电放电终止电压放电至低限电压。放电电流越大，放电终止电压 越低。继续放电过度放电 i小时放电率（Ci）：蓄电池以恒定电流放电i小时，正好放电至终止电压（即放完其额定容量）。 i小时充电率：蓄电池以恒定电流充电i小时，正好充电 至终止电压。 过充电与过放电：荷电状态

15、SOC（State of Charge）：蓄电池的剩余容量与其额定容量的比值。表示蓄电池充放电过程中的存电状态。三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池 蓄电池的性能参数与常用术语蓄电池的性能参数与常用术语蓄电池常用术语蓄电池常用术语 放电深度DOD（Depth of Discharge）：蓄电池已放出的电量与其额定容量的比值。 恒压充电： 恒流充电： 极化：电池由静止状态转入工作状态产生的电池电压、电极电位的变化现象。包括阳极极化、阴极极化、浓差极化、电化学极化等 短路：不一致性：指蓄电池组中的各个蓄电池的电压、容量、内阻等存在差异三、纯电动汽车关键装置

16、与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池 纯电动汽车对蓄电池的性能要求纯电动汽车对蓄电池的性能要求 容量要足够大。满足电动汽车续驶里程的设计目标 可实现深度放电（DOD达80%），且不影响其寿命。必要时能在满负荷状态下工作和实现全放电 比能量和能量密度要尽可能大。确保电动汽车的动力性和乘用空间 可接受充电电流要大。对有制动能量回馈系统的电动汽车，短时间可接受5C的脉冲电流充电，以提高汽车制动能量回收效率三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池正极柱外壳电极衬套连条加液孔负极柱护

17、板负极板隔板肋条正极板p 组成部件 极板及极板组 隔板 电解液 连条 外壳p 蓄电池是由若干个单格电池串联组成1859.法法.普兰特普兰特三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 极板极板及及极板组极板组o 极板：是蓄电池的核心部件，是带有栅格结构的铅栅格板。o 极板分正极板和负极板两种。正极板上的活性物质是二氧化铅，呈棕红色；负极板上的活性物质是海绵状纯铅，呈青灰色。负极板隔板正极板极板联条三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性

18、蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 极板极板及及极板组极板组p极板组的作用：接受充入的电能和向外释放电能。p极板组的结构特点为了增大蓄电池容量将多片正极板（4-13片）和多片负极板（5-14片）分别并联，用横板焊接组成正、负极板组。横板上连有电桩。安装时，正负极板相互嵌合，之间插入隔板，用极板连接条将所有的正极和所有的负极分别连接，如此组装起来，便形成单格蓄电池。负极板隔板正极板极板联条三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 极板极板及及极板组极板组负极板隔板正极板极板联条以一个单格电

19、池的正极边连接另一单格电池的负极边的方式依次连接（用连条），最后留出一组正负极作为蓄电池的正负极。不管单格蓄电池含有几块正极板和负极板，每个单格蓄电池均只能提供2.1V的电压。极板的数量越多，蓄电池能提供2.1V电压的时间越长。汽车蓄电池一般由6个单格蓄电池串联而成（12V）三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 隔板隔板负极板隔板正极板极板连条p 隔板的作用：隔离蓄电池正负极板，避免其相互接触而短路p 隔板的结构特点： 孔性材料，化学性能稳定，有良好的耐酸性和抗氧化性。 为厚度小于1mm的

20、长方形板，长、宽略大于极板，一面有特制的沟槽。 安装时将沟槽面竖直朝向正极板。三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 电解液电解液（液体电解质）（液体电解质）p 由密度为1.84g/cm3的纯硫酸+水制成p 密度一般在1.24g/cm31.31g/cm3p 密度是影响蓄电池性能和使用寿命的重要因素p 硫酸液面应高出极板组15mm左右 外壳外壳p 为一整体式结构的容器，极板、隔板和电解液均装入外壳内p 外壳内由间壁分成若干个互不相通的单格，底部有突起的肋条以搁置极板组p 外壳应耐酸、耐热、耐寒

21、、抗振动三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 连条连条p 铅连接条：各单格电池为串联连接，一个单格电池的正极桩与另一个单格电池的负极桩用连条焊接,由铅锑合金制成p 连接方式：外露式、跨桥式、穿壁式三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 工作原理工作原理 PbO2 +2H2SO4+ Pb PbSO4+2H2O+PbSO4放电放电充电充电正极板正极板负极板负极板总电化学总电化学反应式：反应式

22、：p 电动势的建立电动势的建立正极板：正极板：PbO2溶解电离，Pb4+沉附于正极板，正极板电位升高（约+2V）负极板：负极板：Pb溶解电离，带负电的电子2e留在负极板，负极板电位下降（约-0.1V） 平衡时，正负极板电位平衡时，正负极板电位差（电动势）约为：差（电动势）约为：2.1V2.1V三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 工作原理工作原理p 铅酸电池的铅酸电池的放电过程放电过程 正负极板之间接上负载后，在电动势作用下，外电路形成放电电流If,放电！正负极板化学反应 正、负极板的活性

23、物质PbO2 和Pb 通过不断溶解和电离以维持正负极板之间的电位差，并逐渐转变为PbSO4 。电解液中，H2SO4逐渐减少，其密度下降，H2O逐渐增多 放电会没完没了吗？放完电后，状态？放电会没完没了吗？放完电后，状态？三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 工作原理工作原理p 铅酸电池的铅酸电池的充电过程充电过程 电池放电后，其正、负极板上有少量PbSO4呈离子状态，当接通充电电源后，在电场力的作用下形成充电电流，充电！正负极板化学反应 正、负极板的PbSO4逐渐溶解电离，转化为正极板上P

24、bO2的和负极板上的Pb。电解液中H2O逐渐减少，H2SO4逐渐增多，其密度增大。 充电近终了时，若继续充，会怎样？充电近终了时，若继续充，会怎样？三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 铅酸电池的特性铅酸电池的特性p 放电特性放电开始期（A-B段）： 极板孔隙内H2SO4迅速被消耗，其密度迅速下降。端电压迅速下降！放电相对稳定期（B-C段）： 极板孔隙外H2SO4迅速向孔隙内渗透，孔隙内电解液密度下降缓慢。端电压下降缓慢！放电终了期（C-D段）： 化学反应深入到极板的内层 沉附在极板表面的

25、PbSO4逐使孔隙变小，电解液渗透困难，密度迅速下降。端电压迅速下降！继续放电 过度放电！危害铅酸电池恒流放电特性铅酸电池恒流放电特性放电终止电压。与放电电流有关三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 铅酸电池的特性铅酸电池的特性p 充电特性充电开始期（A-B段）： 极板孔隙内因化学反应而生成H2SO4，电解液密度上升，产生浓差极化。端电压迅速上升！充电相对稳定期（B-C段）： 极板孔隙内H2SO4生成速率与向孔隙外扩散速率相当，动态电动势相对稳定，端电压缓慢上升！充电终了期（C-D段）：

26、充电达90%时，电解液开始冒气泡，继续充电，极板表面产生电化学极化，端电压又迅速上升！再继续充电过充电！危害铅酸电池恒流充电特性铅酸电池恒流充电特性三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 铅酸电池的性能特点铅酸电池的性能特点p价格低廉p单格电池的电压较高（2V）p适用性宽，可逆性好p电能效率高，可达60%p易于浮充使用，没有记忆效应p对温度适应性较强，（-40 60 ）p工作中其SOC较易识别p可实现免维护p 比能量、能量密度较低p 寿命短，使用成本高p 充电时间较长p 非密封式铅酸蓄电池，

27、会析出酸雾，污染环境p 铅毒三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性铅酸电池铅酸电池 铅酸电池的其它知识铅酸电池的其它知识p 铅酸蓄电池的使用与维护p 铅酸蓄电池容量的影响因素p 电动汽车铅酸蓄电池性能的改进方法自学！三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性镍镍-氢（金属氢氢（金属氢化物化物MHMH）电池）电池 NNi i-MH-MH电池的结构电池的结构正极：氢氧化镍Ni(OH)2负极：储氢合金（稀土系、钛系）电解液：氢氧化

28、钾KOH（30%、碱性）20C70S.美美.Klein三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性Ni-MHNi-MH电池电池 NNi i-MH-MH电池工作原理电池工作原理放电时：222222)(HMeMHOHOOHNeOHOHNii负极：正极：eMHHMOHOHNeOHOOHNii222)(222负极：正极：充电时：主要特点：无论是放电还是充电，电解液没有变化！密封、免维护！三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性Ni-MH

29、Ni-MH电池电池 NNi i-MH-MH电池的特性电池的特性 充电电流充电电流 ，则充电电压，则充电电压 ，充电效率，充电效率 温度过高，充电效率温度过高，充电效率 ，易造成充电不足，易造成充电不足放放电电流电电流 ，则放电电压，则放电电压 ，放电时间，放电时间 温度降低，放电端电压温度降低，放电端电压 ，放电时间，放电时间 三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性Ni-MHNi-MH电池电池 NNi i-MH-MH电池的性能特点电池的性能特点p比能量大。70w.h/kgp循环寿命长。80%DOD时循环寿命

30、可超过1000次，是铅酸电池的3倍p无污染。21世纪“绿色环保电源”p耐过充放电能力强p稍有记忆效应p使用温度范围宽。 正常使用温度（-40 55 ），储存温度（-40 70 ）p使用安全可靠p 成本较高。是铅酸电池的58倍p 单格电池电压较低。1.3Vp 自放电的损耗较大p 环境温度对放电电压和容量影响较大三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性镍镍- 镉电池镉电池 NNi i- -CdCd电池的结构电池的结构正极：氢氧化镍Ni(OH)2负极：镉（Cd）或氢氧化镉电解液：氢氧化钾KOH水溶液1898.瑞典瑞

31、典.Jungner NNi i- -CdCd电池工作原理电池工作原理222)()(222OHCdOHNOHCdOOHNii正极板正极板负极板负极板放电充电 NNi i- -CdCd电池的特点电池的特点与镍氢电池基本相似。p 比能量大（可达55w.h/L）p 比功率大（可超过225w/kg）p 寿命长p 自放电较小，快充能力强p 开路电压低（1.2V）p 对环境污染大p 有记忆效应 有可能被淘汰！三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性锂离子电池锂离子电池(Li-(Li-ion)ion) 锂离子电池的结构锂离子

32、电池的结构正极：嵌锂金属氧化物。钴酸锂（ LiCoO2 ）、镍酸锂（ LiNiO2 ）、锰酸锂（ LiMn 2 O 4 ）、磷酸铁锂（LiFePO4）等负极：碳素材料。石墨、焦炭、硬炭等（正在探索的负极材料有氮化物、锡基氧化物、锡合金，以及纳米负极材料等）电解液：非水性的有机溶液或聚合物。碳酸丙稀酯（ PC ）、碳酸乙烯酯（ EC ）、二甲基碳酸酯（ DMC ）、二乙基碳酸酯（ DEC ）、甲基乙基碳酸酯（ MEC ）等组成的一元、二元或者三元的混合物 20C90S.在金属锂电池基础上发展而来在金属锂电池基础上发展而来隔膜：一种特殊的复合膜。聚乙烯（ PE ）、聚丙稀（ PP ）等组成的单层或

33、者多层的微多孔薄膜三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性锂离子电池锂离子电池(Li-ion)(Li-ion) 锂离子电池工作原理锂离子电池工作原理放电充电放电充电充电时：充电时：正极被氧化，所含的Li离子脱出，电解液中的Li离子向负极移动，并在负极表面得到电子，形成锂碳（嵌锂）化合物放电时：放电时：镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子，被氧化成Li+，进入电解液，电解液内的Li+向正极移动，正极材料被还原，电解液中的锂离子进入正极其充放电过程实际上是Li离子在正负电极之间来回地嵌入和脱出的过程。“摇椅式电池”

34、三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、动力电池、动力电池蓄电池的结构、原理与特性蓄电池的结构、原理与特性锂离子电池锂离子电池(Li-ion)(Li-ion) 锂离子电池的特点锂离子电池的特点p比能量大。达100125w.h/kg，是Ni-Cd、 Ni-MH电池的21.5倍p电压高。其端电压达3.63.9Vp循环寿命长。循环寿命可超过1000次p无污染、安全性能好、无记忆性p自放电小。储存1个月的自放电率仅为10%p可实现安全、快速充电p允许温度范围宽。（-40 70 ） p 成本高p 内阻较大，最大放电电流限制在23C三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技

35、术性能等指标性能等指标铅酸电池铅酸电池镍镉电池镍镉电池镍氢电池镍氢电池锂离子电池锂离子电池端电压（V）2.01.21.23.6电池容量（A.h）330000.170.0130.0550比能量（w.h/kg）355070120能量密度（w.h/L）90100140360工作温度（）-4060-4050-4050-4070大电流放电性能高较高较低较低充放电寿命（次）20030050010001000有无污染有有无无自放电率（%/月）320303035610记忆效应无有略有无安全性高较高较高较低回收循环利用高低低低成本低较低较高高技术成熟度高较高较高一般常用四类蓄电池性能比较常用四类蓄电池性能比较三

36、、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、储能装置、储能装置超级电容（双电层电容器）超级电容（双电层电容器） 超级电容的结构超级电容的结构集电极：多孔活性炭电解质：水有机溶液或固态 聚合物绝缘层（隔膜）：三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、储能装置、储能装置超级电容（双电层电容器）超级电容（双电层电容器） 超级电容工作原理超级电容工作原理储存的电量电容量；电极表面积电解质常数；-ECAr充电前：集电极无正负之分充电后：电荷沿集电极和电解液成对排列，形成双层电容器（相当于两个电容器串联） 正负电极距离d极小（只有几纳米！），且活性炭多孔化电极可获得极大的电

37、极表面积A。故单体超级电容的电容量C可达5000F“超级”的含义充放电过程始终是物理过程，没有化学反应三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、储能装置、储能装置超级电容（双电层电容器）超级电容（双电层电容器） 超级电容性能特点超级电容性能特点p充放电循环寿命超长。循环寿命可达50000次或使用时间达90000hp可提供很大的放电电流。达（数百千）Ap端电压约3.0Vp无污染、安全性能好、无记忆性p可实现快速充电。数十秒数分钟即可充满p允许温度范围宽。（-40 70 ） p 比能量小（ 5-20W.h/kg ）p 使用不当，电解液易泄漏应用：特别适合作为电动汽车辅助电源p汽车

38、起步、加速、爬坡时提供大电流p汽车正常行驶、减速、制动时回收、储存能量三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、储能装置、储能装置飞轮电池飞轮电池 飞轮电池结构飞轮电池结构20C90S.新概念电池新概念电池用物理方法实现储能用物理方法实现储能飞轮：4000050000r/min、碳纤维、动平衡精度非常高轴承：磁悬浮电动机（发电机）：永磁无刷电机真空容器电力电子变换器：实现外界和电机之间双向功率流动轴三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、储能装置、储能装置飞轮电池飞轮电池 飞轮电池工作原理飞轮电池工作原理20C90S.新概念电池新概念电池用物理方法实现储能

39、用物理方法实现储能 机械能机械能 电能电能“充电”时：在外电源的驱动下，电机以电动机形式运转，电机带动飞轮高速旋转，飞轮电池储存动能“放电”时：电机以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术1、储能装置、储能装置飞轮电池飞轮电池 飞轮电池的特点飞轮电池的特点20C90S.新概念电池新概念电池用物理方法实现储能用物理方法实现储能p比能量高。 100200w.h/kg，功率密度可达500010000w/kgp能量转换效率高（可达90%）、充电快p体积小、质量轻p工作温度范围宽p使用寿命长。无重复深度放电影响，循环充放电次数可达数百万次（20

40、年以上）p维护周期长问题与对策：问题与对策：p 转向或颠簸时，易产生陀螺力矩，严重影响车辆的操纵性多个小型飞轮连接成组，一半顺时针旋转，另一半逆时针旋转，理论上作用在车辆上的总陀螺力矩为零p飞轮出故障时，能量会在短时间内释放出来，产生极大的破坏力增大飞轮转子边缘厚度。当飞轮转子出故障时，转子边缘较厚的部分就会首先脱落，起到保险丝的作用三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术2、电动机、电动机电动汽车用电动机的使用环境与要求电动汽车用电动机的使用环境与要求使用环境： 电动机工况变化频繁 电动机工作在振动、冲击环境中 车载电源能量有限电动机本身也是负载对电动机的要求： 电动机的短时

41、过载能力强。满足电动汽车起步、加速和爬坡时的动力需求 电动机的调节性能好。有较宽的调速范围和理想的调速特性（低速-恒转矩调速；高速-恒功率调速） 电动机的效率高、逆向工作性能好电动机工作可靠性好、结构尺寸小 价格低，运转噪音低三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术2、电动机、电动机电动汽车用电动机的分类电动汽车用电动机的分类驱动电动机直流驱动电动机交流驱动电动机方波驱动电动机励磁式永磁式异步式同步式并励直流电动机串励直流电动机复励直流电动机笼型异步电动机绕线转子异步电动机绕线转子同步电动机永磁同步电动机永磁无刷直流电动机开关磁阻电动机三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车

42、关键装置与技术2、电动机、电动机电动汽车用电动机的性能比较电动汽车用电动机的性能比较直流电动机直流电动机交流异步电动机交流异步电动机永磁同步电动机永磁同步电动机开关磁阻电动机开关磁阻电动机功率密度低一般高一般力矩转速性能一般好好好转速范围（r/min）4000600090001500040001000015000最大功率（%）8589949595978590效率（%，10%负荷时）8087798590927886过载能力（%）200300500300300500恒功率区比例1：51：2.251：3尺寸/质量大/重中/中小/轻小/轻可靠性差好一般好结构坚固性差好一般好控制操作性能最好好好好控制器

43、成本13.52.54.5三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术2、电动机、电动机电动汽车用电动机的发展概况电动汽车用电动机的发展概况励磁式有刷直流励磁式有刷直流电动机电动机 起动转矩大；电动汽车起步、加速性能好；控制电路简单 可靠性差（换向器火花）、转速低交流异步电动机交流异步电动机永磁无刷直流电永磁无刷直流电动机动机 体积小、质量轻、效率高、调速范围广、免维护开关磁阻电动机开关磁阻电动机 双（定子与转子）凸极结构、转子上无绕组 调速范围广、控制灵活、起动电流小电动机的控制技术对其性能影响很大！电动机智能化控制技术是当前的研究方向和重点之一！三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯

44、电动汽车关键装置与技术3、纯电动汽车的能源、纯电动汽车的能源（蓄电池）（蓄电池）管理系统管理系统能源管理系统的功用能源管理系统的功用 在满足汽车动力性需求的前提下，使蓄电池储存的能量得到最有效的利用 使汽车的减速和制动能量能得到最大限度的回收能源管理系统的组成能源管理系统的组成电池输入控制器车辆运行状态参数电池组状态参数车辆操纵状态能源管理系统能源管理系统ECU电池输出控制器能源管理系统状态显示电机（发电机）系统控制三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术3、纯电动汽车的能源管理系统、纯电动汽车的能源管理系统能源管理系统的主要任务能源管理系统的主要任务任任 务务测试仪测试仪执行

45、装置执行装置防止过充电电压、电流、温度测试仪充电器防止过放电电压、电流、温度测试仪电动机控制温度控制及平衡温度测试仪加热及制冷装置、温度平衡单元能源系统信息显示电压、电流、温度、充电状态、剩余容量测试仪显示器电池状态测试及显示电压、电流、温度测试仪显示器、PC总线、分析软件制动能量回馈控制制动能量回馈控制三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术3、纯电动汽车的能源管理系统、纯电动汽车的能源管理系统能源管理系统的主要任务能源管理系统的主要任务 防止蓄电池过充电p 充电期间，连续测量各个蓄电池的电压、温度等参数p ECU据此调整充电参数，控制充电器，尽量保持各蓄电池状态一致p 充电

46、结束时，停止充电 防止蓄电池过放电p 放电期间，管理系统监控蓄电池放电状态p 在每个蓄电池深度放电之前，停止放电过程p 放电结束时，显示电动机控制单元最大放电电流，保持蓄电池电压处正常范围三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术3、纯电动汽车的能源管理系统、纯电动汽车的能源管理系统能源管理系统的主要任务能源管理系统的主要任务温度控制及平衡p 蓄电池的传动容量对温度十分敏感p 管理系统可测量各蓄电池工作温度，并通过加热和制冷控制蓄电池温度能源系统信息显示p 检测蓄电池剩余容量等p 显示相关信息：可行驶的极限里程数、充电所需时间p 管理车上用电系统，合理分配使用，尽可能增加续驶里程

47、三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术3、纯电动汽车的能源管理系统、纯电动汽车的能源管理系统能源管理系统的主要任务能源管理系统的主要任务蓄电池状态测试及显示p 根据驱动系统性能、蓄电池温度、使用累计时间等预测和显示剩余容量p 提供蓄电池性能参数，存储整个过程中的数据并传给计算机p 对获得的蓄电池信息进行分析，提供电池的诊断、故障分析信息三、纯电动汽车关键装置与技术三、纯电动汽车关键装置与技术3、纯电动汽车的能源管理系统、纯电动汽车的能源管理系统能源管理系统的主要任务能源管理系统的主要任务制动能量回馈控制p 概念：车辆在减速或制动时，将其中一部分动能或势能转化为电能并存储在能量储存装置中的过程p电动汽车的制动方式： 机械制动（常规的液压或气压制动）+ 电力制动电力制动；两者并联p电动汽车制动工况： 紧急制动：机械制动为主，电力制动电力制动参与 中轻度