纯电动汽车关键技术

纯电动汽车关键技术2023/11/151任务一电动汽车动力电池一、电动汽车电池概述1.电池的功能：2.电动汽车电池的组成：3.电动汽车电池的分类：1）电动汽车电池按电解液分为：（1）碱性电池。即电解液为碱性水溶液的电池；（2）酸性电池。即电解液为酸性水溶液的电池；（3）中性电池。即电解液为中性水溶液的电池；（4）有机电解质溶液电池。即电解液为有机电解质溶液的电池。2023/11/1522）按活性物质的存在方式分为：（1）活性物质保存在电极上。可分为一次电池(非再生式，原电池)和二次电池(再生式，蓄电池)；（2）活性物质连续供给电极。可分为非再生燃料电池和再生燃料电池。3）按电池的某些特点分为：（1）高容量电池；（2）免维护电池；（3）密封电池；（4）燃结式电池；（5）防爆电池；（6）扣式电池、矩形电池、圆柱形电池等。2023/11/1534）电池工作性质及存贮方式不同，一般分为四类：（1）一次电池，又称“原电池”，即放电后不能用充电的方法使它复原的电池。换言之，这种电池只能使用一次，放电后电池只能被遗弃了。这类电池不能再充电的原因，或是电池反应本身不可逆，或是条件限制使可逆反应很难进行。（2）二次电池，又称“蓄电池”，即放电后又可用充电的方法使活性物质复原而能再次放电，且可反复多次循环使用的一类电池。这类电池实际上是一个化学能量贮存装置，用直流电将电池充足，这时电能以化学能的形式贮存在电池中，放电时，化学能再转换为电能。（3）贮备电池，又称“激活电池”，是正、负极活性物质和电解液不直接接触，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。这类电池的正、负极活性物质的化学变质或自放电，因与电解液的隔离而基本上被排除，从而使电池能长时间贮存。（4）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。它的特点是电池自身只是一个载体，可以把燃料电池看成一种需要电能时将反应物从外部送入电池的一种电池。2023/11/154二、锂离子电池1.锂离子电池发展的社会背景2.锂离子电池的原理、结构和应用1）锂离子电池的工作原理2023/11/155图3-1锂离子电池工作原理示意图2）小型锂离子电池的结构和应用2023/11/156图3-2各种形状的锂离子电池示意图（a）圆柱形电池；（b）方形铝塑膜软包装电池；（c）方形铝壳电池2023/11/157图3-3锂离子电池常见结构（a）圆柱形锂离子电池结构；（b）方形锂离子电池结构3）大型锂离子电池结构和应用2023/11/158图3-4大型锂离子电池及其相关模块（a）储能锂离子电池堆；（b）电动车用锂离子电池模块；（c）中型BMS管理系统3.锂离子电池的常用概念和术语内阻、开路电压、容量、实际容量、额定容量、比容量、能量、比能量、功率、嵌入、脱嵌、插入、脱插、倍率、放电深度、截止电压、恒流充电、恒压充电2023/11/1594.锂离子电池电极材料（1）锂离子电池正极材料（2）锂离子电池负极材料（3）锂离子电池电解质（4）锂离子电池隔膜（5）锂离子电池的安全问题①锂离子电池出现安全性问题的原因②应对锂离子电池安全问题的措施2023/11/15105.磷酸铁锂电池概述（1）LiFePO4电池结构与工作原理2023/11/1511图3-6LiFePO4电池内部结构（2）主要性能（3）磷酸铁锂电池的优势：（4）磷酸铁锂电池的缺点：2023/11/15126.三元锂电池概述三元锂电池又称三元聚合物锂电池，它指的以镍钴锰三元材料做正极材料，以石墨为负极材料的电池，其以镍盐、钴盐、锰盐为原料，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整。三元锂电池最大优势在于电池储能密度高，其储能密度通常在200Wh/kg以上，但是三元锂电池材料分解温度在200℃左右，它会释放氧分子，在高温作用下电解液会迅速燃烧，引发电池自燃和易爆风险，因此它对电池管理要求很高，需要做好过充保护(OVP)、过放保护（UVP）、过温保护（OTP）和过流保护（OCP）等，因此三元锂电池虽在我国纯电动车乘用市场装机比例高达76%，但是在电动大巴装机量却仅为27.6%，相反磷酸铁锂达到了64.9%。2023/11/1513任务二电动汽车电机驱动系统一、驱动电机概述1.新能源汽车对驱动电机的性能要求1）体积小、质量轻2）全速段高效运行3）低速大转矩及宽范围的恒功率特性4）高可靠性5）高电压6）安全性能7）高转速8）使用寿命长2023/11/15142.驱动电机的分类1）直流电动机2）交流感应电动机3）永磁电动机4）开关磁阻电动机2023/11/15152023/11/15163.电机学基本定律安培环路定律、电磁感应定律和电磁力定律是进行电机原理分析的基本定律，可逆性原理是电机的普通规律。4.电机的基本性能参数额定功率（ratedpower）——在额定条件下的输出功率。峰值功率（peakpower）——在规定的持续时间内，电机允许的最大输出功率。额定转速（ratedspeed）——额定功率下电机的最低转速。最高工作转速（maximumworkspeed）——相应于车辆的最高设计车速的电机转速。额定转矩（ratedtorque）——电机在额定功率和额定转速下的输出转矩。峰值转矩（peaktorque）——电机在规定的持续时间内允许输出的最大转矩。堵转转矩（Locked-rotortorque）——转子在所在角位堵住时所产生的转矩最小测得值。电机及控制器整机效率（combinationefficiencyofelectricalmachineandcontroller）——电机转轴输出功率除以电机控制器输入功率乘以l00％。2023/11/1517二、电机驱动系统的结构及关键技术1.电机驱动系统结构组成电机驱动系统一般由电动机、功率变换器、传感器和控制器组成。2.电机驱动系统关键技术1）弱磁控制技术2）能量回收技术3）无位置传感器控制技术2023/11/1518三、常用的驱动电机1、直流电动机直流电动机是指通入直流电而产生机械运动的电动机，按励磁方式的不同，直流电动机分为励磁绕组式电动机和永磁式电动机，前者的励磁磁场是可控的，后者的励磁磁场是不可控的。由于控制方法简单，控制技术成熟，直流电动机曾广泛应用于早期电动汽车驱动系统。1）直流电动机的结构直流电动机由静止的定子(励磁)和旋转的转子(电枢)两部分组成。定子和转子之间的间隙称为气隙。直流电动机结构剖面如图3-7所示。2023/11/15192023/11/1520图3-7直流电动机结构1-端盖；2-励磁绕组；3-主磁极；4一换向器；5一电刷装置；6一电刷端盖；7-转子绕组；8-转子铁芯；9-机座；10-主轴2023/11/1521图3-8换向极与主磁极的位置关系

1-换向极；2-主磁极图3-9电刷装置模型1-压簧；2-电刷盒；3-刷辫；4-电刷座；5-电刷

2）直流电动机的工作原理2023/11/1522图3-10直流电动机模型图3-11换向器在直流电机中的作用3）直流电动机的励磁方式2023/11/1523图3-13直流电动机的励磁方式（a）他励式；（b）并励式；（c）串励式（d）复励式2.交流感应电动机1） 感应电动机结构2023/11/1524图3-14交流感应电动机的基本结构1-内端盖；2-定子铁芯；3-定子绕组；4、6-前端盖5-主轴；7-机座；8-笼型绕组；9-轴承；10-风扇；11-风扇罩2023/11/1525图3-15交流电感应电动机定子结构1-定子铁芯；2-转子铁芯2023/11/1526图3-16定子绕组的接法（a）丫形接法；（b）△形接法2）感应电动机工作原理（1）气隙旋转磁场和感应电动势2023/11/1527图3-19三相交流电与旋转磁场的对应关系（2）工作原理分析2023/11/1528图3-20感应电动机工作原理（3）交流感应电动机的性能特点①小型轻量化。②易实现转速超过10000r／M的高速旋转。③高转速低转矩时运行效串高。④低速时有高转矩输出，以及具有较宽的速度调节范围⑤高可靠性。⑥制造成本低。2023/11/15293.交流永磁电动机1）交流永磁电动机概述（1）交流永磁电动机的分类与特点交流永磁电动机主要包括永磁同步电动机（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSW）和无刷直流电动机（BrushlessDCMotor，BLDCM）两大类，两者最主要的区别在于输入电动机接线端的电压波形和在定子绕组中感应出的电动势波形有所不同。2023/11/1530（2）交流永磁电动机的磁性转子①磁性转子的结构将永磁磁极按N极和S极顺序排列组成交流永磁电动机的磁性转子。按照永磁体在转子上的安装方式，可以把转子分为表面永磁式和内置永磁式转子。表面永磁式（SurfacePermanentMagnet，SPM）转子，如图3-21所示，永磁体菇附在转子铁芯的外表面，可以有效地利用永磁体的磁通量，具有良好的控制性能和散热性能。内置水磁式（InteriorPermanentMagnet，IPM）转子，如图3-22所示，永磁体嵌在转子铁芯内部，有较高的磁显性，可产生额外的磁阻转矩分量；同时可以承受转子高速旋转的离心力作用，并且可以有效抑制高次谐波的作用，但散热效果较差。2023/11/15312023/11/1532图3-21典型的SPM转子2023/11/1533图3-22典型的IPM转子（a）径向式（b）切向式（c）U形混合式2）永磁同步电动机（1）永磁同步电动机的结构永磁同步电动机主要由定子和转子两大部分组成，如图3-232023/11/1534图3-23永磁同步电动机的结构1-定子铁芯；2-定子绕组；3-转子；4-转轴；5-机座（2）工作原理分析永磁同步电动机的工作原理与交流同步电动机相似，动力蓄电池电源经逆变器变换为电压可调的三相正弦波电压，输入给永磁同步电动机的三相对称绕组，产生三相对称电流，在正弦波电流和水磁磁动势的作用下产生电磁转矩，带动转子随着旋转磁场以相同的旋转速度旋转。永磁同步电动机负载运行时定子绕组电流会产生电枢磁动势，与永磁磁动势共同作用合成气隙磁场，因此存在电枢反应。电枢磁场与永磁磁场以相同的速度旋转，彼此相对静止。电枢磁场不仅会使永磁磁场波形发生畸变，而且会产生去磁或增磁作用。直接影响永磁同步电动机的运行性能。2023/11/1535（3）永磁同步电动机的性能特点永磁同步电动机不仅能够产生永磁转矩，而且在一定的条件下，由于永磁体的磁阻接近于空气。因此有较大的有效气隙，可以较大程度降低电枢反应。永磁同步电动机转子采用永磁体，转子上无绕组、无铜耗、磁通量小，在低负载时铁损很小。因此，永磁同步电动机具有以下优点：①高效节能水磁同步电动机不用励磁，没有励磁损耗，具有高效率(达97％)、高比功率(超过1Kw/kG)和输出转矩/转动惯量比高的特点。相比其他类型电动机，具有更高的效率和更大的输出转矩，并且更加节能。②可靠性永磁同步电动机的运行与供电电源频率同步影响，在额定的负载范围内，保持以同步转速旋转，运行平稳，具有良好的可靠性。不受电源电压和负载变换的电流损耗小，在高速运行区具有良好的可靠性。③调速性能好水磁同步电动机具有调速范围宽、调速精度高、效率高、噪声低的优点。④结构简单、使用寿命长、便于维护、体积小。2023/11/15363）无刷直流电动机（1）无刷直流电动机结构普通直流电动机采用磁场固定电枢旋转式结构。因为电枢是旋转的，电枢电流就必须经过电刷和换向器组成的换向装置以保持在固定位置上的电流方向不变。无刷直流电动机的结构则与其相反，即永磁体安装在转子上并随转子一起旋转，电枢绕组是固定的，在结构上与同步电动机更为相似。电枢绕组的电流换向可以借助电子换向装置来实现，不再需要机械式换向装置——电刷和换向器。由于定子绕组电流的导通次序与转子转角同步，电子换向电路起到了机械换向装置的作用，保证了电动机在运行过程中定子与转子保持基本垂直，以提高运行效率。所以无刷直流电动机就基本结构而言，可以认为是一台由电子开关换相电路、永磁式同步电动机和位置传感器组成的自同步电动机驱动系统，它在运行过程中不会失步。无刷直流电动机的转子结构既有传统的内转子结构，又有近年来出现的盘式结构、外转子结构和线性结构等新型结构形式。2023/11/1537（2）无刷直流电动机工作原理无刷直流电动机驱动系统主要由无刷直流电动机、直流电源、逆变器、位置传感器和控制电路几部分组成。2023/11/1538图3-24两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的工作原理2023/11/1539图3-25无刷直流电动机工作原理（4）无刷直流电动机的特点优点：无刷直流电动机转子采用永磁体，不需要励磁。优点为功率因数高、功率密度大、效率高、低速转矩大，在低速时可以达到理论转矩输出，起动转矩可以达到额定转矩的两倍。高速性能良好，转速不受电压与负载变化的影响，转速范围可以由几十转到十万转，转速控制精度高。在电磁性能、磁场衰退等方面的性能都优于其他种类的电动机。无换向器和电刷、结构简单牢固、尺寸和质量小、基本免维护。缺点：无刷直流电动机的控制系统比较复杂，励磁不能控制，机械特性较硬，不具有绕组式直流电动机的机械特性。如果逆变器输出波形不理想，会出现较大的转矩脉动，影响电动机的低速性能，电流损耗大，噪声较大。永磁体材料在受到高温时，会发生退磁现象。由于永磁体的作用，转子在高速旋转时电动机会产生与转速成正比的反电动势，并通过逆变器反接二极管施加在高压母线上，此种方式会造成一定的安全隐患。2023/11/15404．开关磁阻电动机1）开关磁阻电动机结构分析开关磁阻电动机的定子与转子都是由硅钢片叠压而成，均采用凸极结构形式。2023/11/1541图3-27三相6/4磁阻电动机定、转子结构2023/11/1542图3-28三相6/4磁阻电动机截面结构2023/11/1543图3-29磁阻电机工作原理分析（0°～20°）（a）0°；（b）10°；（c）20°2023/11/1544图3-30磁阻电机工作原理分析（30°～50°）（a）30°；（b）40°；（c）50°2023/11/1545图3-31磁阻电机工作原理分析（60°～80°）（a）60°；（b）70°；（c）80°3）开关磁阻电动机的性能特点①开关磁阻电动机结构简单、紧凑牢固，适于在高速、高温环境下运行。②功率转换器结构简单，容错能力强。③可控参数多，调速性能好。④起动转矩大，调速范围宽。⑤效率高，功耗小。2023/11/1546任务三逆变器和变频器一、逆变器1.逆变器概念整流和逆变是一个互逆的过程。整流器是把交流变成直流的装置，种类分为单管单相半波整流器、四管单相全桥整流器、六管三相全桥整流器。逆变器是把直流变成交流的装置，种类有单管单相逆变器、四管单相全桥逆变器、六管三相全桥逆变器。电动汽车电动机一般为三相全桥逆变器，按导通控制分为两两导通和三三导通两种。2023/11/15472.逆变器组成1）逆变器组成电动汽车电源为直流电源，所以逆变器内部元件主要功能是逆变功能．即把直流变成三相交流。为了降低成本，同时提高蓄电池组的可靠性、设计上通常要减少蓄电池串联的数目，导致蓄电池总电压降低，电动机效率下降。为了提高电动机的效率，通常要采用升压DC／DC转换器将低电压升压为高电压，再经逆变器把高压直流电变成三相交流电。2）汽车逆变器内部元件混合动力汽车没有12V发电机、若要通过降压DC／DC（直流转直流）转换器将蓄电池由高压等级降压为12V等级为12V蓄电池充电，使用12V蓄电池为全车电气系统供电。2023/11/15483.丰田普锐斯逆变器图3-32所示为丰田普锐斯逆变器总成内部的逆变器和DC／DC转换器。图3-33所示为丰田普锐斯逆变器总成内部的3块电容器。图3-34所示为丰田普锐斯逆变器总成内部的结构原理，逆变电路主要由智能功率模块(IPM)构成的逆变桥组成，IPM内部的核心是电动汽车换流的绝缘栅双极型晶体管，也称IGBT、逆变器总成内升压DC／DC转换器和两套逆变器担负着向MG1和MG2电动机提供交流电的功能。2023/11/15492023/11/1550图3-32车田普锐斯逆变器总成内部的逆变器和DC／DC转换器2023/11/1551图3-33车田普锐斯逆变器总成内部的3块电容器2023/11/1552图3-34丰田普锐斯逆变题总成内部的结构原理4.逆变器控制器逆变器控制器的作用是从混合动力控制ECU(HV-ECU)或纯电动汽车控制ECU(EV—ECU)接收发送过来的扭矩信号，数字信号处理器根据汽车电动机反馈的转速和相电流信号，输出控制电动机达到控制目标的控制脉冲来驱动智能逆变器。2023/11/1553图3-35丰田普锐斯逆变器总成二、电动机和逆变器冷却系统1.热量的产生1）电动机生热2）逆变器生热3）DC／DC转换器生热2.逆变器、电动机串联冷却系统图3-39所示为丰田普锐斯第二冷却系统。普锐斯冷却系统用于逆变器总成(丰田称变频器总成)、MG1和MG2，采用了配备有电动水循环泵的冷却系统。电源状态转换为IG(点火)时此冷却系统工作。冷却系统的散热器集成在发动机的散热器中，这样散热器的结构得到简化，空间也得到有效利用。2023/11/15542023/11/1555图3-39丰田普税斯第二冷却系统3.发动机、逆变器和电动机冷却系统图3-40所示为奥迪Q5混合动力汽车冷却系统。为了冷却电驱动功率和控制电子装置JX1中的逆变器，增设一个低温冷却循环回路。在冷却液循环和温度管理方面引入了发动机控制系统MED.17.1.1，它有三个处理器，可以实现创新温度管理；使用这种控制单元的目的是通过改进车辆热平衡，来进一步降低油耗和CO2排放。所谓改进热平衡，是指将所有生热部件和需要加热部件连接，比如发动机和变速器上的温度保持功能将能使发动机工作在效率最佳的范围内。奥巡Q5hybridquattro车上的冷却系统分为低温循环和高温循环两部分,在发动机不工作时，冷却液是由电动冷却液泵来循环的。发动机冷却系统为高温循环部分，组件包括：暖风热交换器、冷却液截止阀N82、电动机V141、高温循环冷却液泵V467、冷却液泵、废气涡轮增压器、发动机油冷却器、冷却液温度传感器G62、特性曲线控制的发动机冷却系统节温器F265、冷却液续动泵V51、高温循环散热器、变速器机油冷却器。电动机驱动为低温循环部分，组件包括：电驱动装置的功率和控制电子装置循环冷却液泵V468、低温循环散热器。2023/11/15562023/11/1557图3-40奥迪Q5混合动力汽车冷却系统二、变频器1.变频器概念通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作变频器。2.变频器简介无论是用于家庭还是用于工厂，单相交流电源和三相交流电源，其电压和频率均按各国的规定有一定的标准，如我国大陆规定，直接用户单相交流电压为220V，三相交流电线电压为380V，频率为50Hz，其它国家的电源电压和频率可能与我国的电压和频率不同，如有单相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（