第二章-电动汽车结构与设计.ppt

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1、第二章 电动汽车结构与设计,北京理工大学 林程 教授,车辆电动技术,电动汽车结构特点,传统燃油汽车： 液态汽油或柴油作燃料，内燃机驱动 电动汽车： 电动机驱动，用蓄电池、燃料电池、电容器或飞轮作相应的能源 ，由于电容器和飞轮目前所能达到的比能量有限，因而它们不能单独作为电动汽车的能源。 结构灵活：动力传递方式、驱动系统布置 能源补充方式不同 尽管大多数的电动汽车参数是从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴的，但电动汽车的结构和许多性能与技术参数有它本身的特征,电动汽车基本结构,电动汽车系统可分为三个子系统： 电力驱动子系统 由电控单元、功率转换器、电机、机械传动装置和驱动车轮组成 主能源子系统 由主电

2、源、能量管理系统和充电系统构成 辅助控制子系统 具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能,电动汽车的结构,电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断 功率转换器的功能是调节电机和电源之间的功率流 能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一同控制充电并监测电源的使用情况 辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级的电压并提供必要的动力,双线表示机械连接，粗实线表示电气连接， 细线表示控制信号连接,典型电动车的基本结构,奥运电动客车构型,新型电电混合无轨电车构型,新型电电混合无轨电车关键技术,整车的高压电压体制应能兼容技术，即能满足纯电动模式

3、和无轨电车模式的两种用电要求； 自动判断和控制整车的能源使用模式，使整车的能源使用方式最为高效、安全合理、延长动力电池使用寿命； 在整车绝缘、电磁兼容技术等方面要求满足纯电动汽车标准和无轨电车的相关标准。,Plug-in电动客车构型方案,Plug-in电动客车构型方案,能量源为锂离子动力电池组与辅助动力单元（APU）混合供电方式，APU是车载发电机组，可以用燃油发电，和电池组并联为整车供电； 这种构型使电动客车行驶距离更远，动力性更强；更重要的是可以利用电网为该车实施外接充电，形成Plugin方式，使客车的能源应用方式更加灵活，既能以纯电动方式在有排放限制要求的城市内行驶，又能以混合动力方式在

4、郊区长途行驶，外接充电方式减少了能源费用。,电驱动的结构形式,储能装置的结构形式,所选用的蓄电池应该能提供 足够高的比能量和比功率,两种不同的蓄电池，其中一种能提供 高比能量，另外一种提供高比功率,燃料电池能提供高的比能量但不能回收再生 制动能量，因此最好与高比功率且能高效回收制动能量的蓄电池结合在一起使用,带小型重整器的电动汽车的结构简图， 燃料电池所需的氢气由重整器随车产生,当用蓄电池与电容器进行混合时，所选的 蓄电池必须能提供高比能量，因为电容器 本身比蓄电池具有更高的比功率和更高效 回收制动能量的能力,超高速飞轮是具有高比功率和高效 制动能量回收能力的储能器。超高 速飞轮与具有两种工作

5、模式（电动 机和发电机）的电机转子相结合， 能够将电能和机械能进行双向转换。 所选用的蓄电池应能提供高比能量。 飞轮最好与无刷交流电机结合使用， 在蓄电池和飞轮之间加一个ACDC 转换器。,单电机或多电机驱动,对于电动汽车，如果采用双电机或者四个电机驱动，由于每个电机的转速可以有效地独立调节控制，实现电子差速，在这种情况下，电动汽车可以不用机械差速器。如由三个微处理器组成的电子控制器，其中两个分别控制左右两个电机，另一个用于控制与协调，通过监测器来监视彼此的工作情况以改善其可靠性。,轮毂电机驱动,如果将驱动电机直接安装在车轮上，可以缩短甚至可以去掉电机与车轮之间的机械传递装置 高速内转子电机，

6、则必须装固定速比的减速器来降低车速 低速外转子电机，则可以完全去掉变速装置，外转子就安装在车轮轮缘上，而且电机转速和车轮转速相等，因而就不需要减速装置。但它是以低速电机的体积、重量和成本为代价的,清华研制的四轮独立驱动微型电动轿车,新型双电机防滑驱动系统方案（北理工专利）,双高速电机和二级减速器组合式结构并采用半轴传动； 在减速齿轮箱内安装了一个防滑差速装置，该装置中的主被动元件分别与两侧车轮的减速齿轮刚性连接，元件之间为柔性连接。,方案的优点,在具备双电机驱动的优点同时，将电机和减速器安装在发动机仓里，使其全部变为簧载质量，避免了轮毂电机驱动或电机-减速器同轴驱动所带来的缺陷，方便整车布置和

7、车身造型设计，有利于改善车辆的操纵性和平顺性，降低开发成本。 防滑差速装置能根据车轮的转动情况自动控制打滑车轮的转速。当一侧车轮发生打滑现象时可用另一侧提供的附着力进行驱动和制动，对打滑一侧进行辅助控制，起到ASR和ABS的部分作用。当粘性联轴器内叶片间滑移很大时，油温升高，油压增加，会出现“峰值”现象26。内外叶片间自动压紧无滑移、似刚性连接，提高了车辆的通过性能，在恶劣路面行驶或遇到障碍时容易使车辆脱困。 结构方案适用性强、成本低、效率高，安装维修方便，由于采用二级减速可以选用高速电机，减少了电机尺寸，提高了电机驱动效率。在对传统前置前驱内燃机汽车进行改装时，原则上只要移除现有动力、传统系

8、统，用所设计系统进行替换即可，作为微型乘用车驱动系统非常合适。,电动汽车的质量,设计电动汽车最重要的一条准则是：在满足电动汽车性能的前提下，实现最低的汽车质量。电动汽车每增加1kg的重量，其百公里能耗就增加510Wh的电能。 降低车重的措施在于：应在车上广泛采用新技术、新材料、新工艺；开展 结构优化设计；合理匹配动力驱动系统。,其中 和,质心位置,整车质心位置的变化直接影响电动汽车的操纵稳定性、制动性和平顺性。整车质心高度影响电动汽车抗倾覆的能力。整车质心过高，电动汽车易产生侧倾或纵倾，发生翻车事故。,式中,：电动汽车质心距前轴线的水平距离（mm）；,：电动汽车质心距后轴线的水平距离（mm）；

9、,：两个前轮轮胎的侧偏刚度之和（N/rad）；,：两个后轮轮胎的侧偏刚度之和（N/rad），,的绝对值为负。 若S=0，电动汽车为中性转向，其转向特性不良； S0，电动汽车为过多转向，汽车易失去稳定，造成事故； S0，电动汽车为不足转向。,电动汽车的典型工况与性能指标,在城市高等级快速公路上行驶时，道路设施完善，路面为柏油路和水泥路，由于广泛采用立体交通，立交桥的路面坡度一般为45%。电动汽车在这种路面上行驶时，车速一般为60100Km/h。目前电动汽车的比功率均低于燃油汽车，相应地，电动汽车的最高车速略低一些。电动轿车的稳定最高车速一般选为90100Km/h，电动大客车的最高车速一般为759

10、0Km/h。 应考虑到电动汽车在立交桥坡道上原地起步的工况。因此，在这种路面上电动汽车能克服的坡度不应低于15%。对于在市区运行的电动公共汽车，车站与车站之间的距离通常为1Km左右，车辆需要经常起步和停车，乘客时多时少，高峰时电动公共汽车的超载能力为设计载荷能力的1.41.8倍。尤其在夏天，电动公共汽车长时间在高温、高负荷状态下工作，因此应考虑合理的过热和过载保护。,电动汽车的典型工况与性能指标,最大坡度行驶工况，我国某些沿海港口、旅游观光胜地以及内地山城的城区郊区的坡度较大。坡度在15%左右，考虑到在坡道上起步的能力，根据电动汽车的不同用途，电动汽车能克服的最大坡度一般选1827%比较合适（

11、有特殊要求的除外）。,电动汽车的典型工况与性能指标,汽油机轿车的加速性能很高，高级轿车的超车加速性能要求更高，因此轿车的后备功率很大，最大功率在100KW以上。纯电动轿车由于受到电动机功率和动力电池的重量与尺寸的限制，要达到同类汽油机轿车的加速性，目前还比较困难。电动汽车的加速能力与其最大爬坡能力相当即可。,传动装置,电动机的力矩变化范围不能满足电动汽车行驶性能的要求，因此，在电动机和驱动轮之间需要安装一个机械减速箱或变速箱。 另一方面，可以使电动机经常保持在高效率的工作范围内工作，减轻电动机和动力电池组的负荷。采用一个两档变速箱，即可满足电动汽车行驶阻力变化范围的要求，同时可以减轻电动机和动

12、力电池组的负荷，提高工作效率，而传动装置的结构也不复杂,两档变速器和差速器一体化,与电机匹配使用的两档变速器，进行一体化设计，采用线控技术实现了换档操作。电机与量产多挡变速器的一体化设计。,电机和变速器一体化部件,变速器和电机一体化技术,奥运客车一体化电机驱动系统,采用交流异步电机 额定功率100kw 峰值功率150kw 最高转速4500rpm 冷却方式：风冷 三挡变速器 最大输入转矩1100 Nm，静扭安全系数2.5 最高输入转速4500 rpm 最大输入功率150 KW 可靠性达到30万次 1100 Nm1860rpm 变速器噪声79dB1860rpm 输出端符合无轨电车附加绝缘连接标准,

13、AMT基本功能,4S110自动变速器自动操纵系统(AMT) 无离合器自动换挡 按驾驶意图正确选挂起步档； 具有12321 自动换档控制功能； 具有升档降档自动控制功能； 具有故障诊断功能；,增加强制换档开关 2表示强制2档 1表示强制1档 0表示非强制模式 当开关处于强制1档时，相当于两档行星变速箱的低档 当开关处于强制2档时，相当于两档行星变速箱的高档 N档用于强制空档(在拖车时使用),可靠性和安全性控制措施,电动汽车的行驶性能,电动汽车和传统内燃机汽车的性能既有相同之处又有区别 这两种汽车的转向装置、悬架装置及制动系统基本上也是相同的。 它们之间的主要差别是采用了不同的动力源。内燃机汽车是

14、燃油混合气体在内燃机中燃烧作功，从而推动汽车前进。电动汽车是由蓄电池提供电能，经过驱动系统和电动机，驱动电动汽车行驶。因此，电动汽车的操纵稳定性、平顺性及通过性与内燃机汽车完全相同。 电动汽车本身除具有再生制动性能外，与内燃机的制动性能也是相同的。对于电动汽车不存在燃油经济性。电动汽车的能量供给和消耗，与蓄电池的性能密切相关，直接影响电动汽车的动力性和续驶里程，同时影响电动汽车行驶的成本效益，这是研究电动汽车经济性的课题。,电动汽车的驱动力,电动汽车的的驱动力： （Nm） （N）,式中： Ft驱动力（N）； M电动机输出转矩（Nm）； ig减速器或者变速箱传动比； io主减速器传动比； 电动汽

15、车机械传动效率； r驱动轮半径（m）。 一般机械传动装置效率可以按下式计算：,式中： y圆柱齿轮对的效率，y0.970.98； z圆锥齿轮对的效率，z0.960.97； n传递转矩时处于啮合状态的圆柱齿轮对数； m传递转矩时处于啮合状态的圆锥齿轮对数。,对于单排行星减速器的效率值一般取0.970.98。 万向传动轴的效率取0.98。,电动机的转矩特性,假设原动机在不同转速时的功率保持不变，则： （kW） 式中n原动机转速（r/min） M原动机转矩（Nm）； PM原动机的输出功率（kW） 在原动机的工作转速范围内，转矩与转速成反比、转矩特性是一条在第一象限内的双曲线。转速低时转矩大，转速高时转

16、矩小。这种特性比较接近汽车的行驶工况。但是各种原动机的转矩特性与这种理想的特性是有区别的。,电动机的转矩特性,50kw电机交流感应转矩特性,行驶阻力计算,电动汽车在坡道上上坡加速行驶时，作用于电动汽车上的阻力与驱动力保持平衡，建立如下的汽车行驶方程式：,式中Ft电动汽车驱动力； Ff电动汽车行驶时的滚动阻力(N)； Fw电动汽车行驶时的空气阻力(N) ； Fj电动汽车行驶时的加速阻力(N) ； Fi电动汽车行驶时的坡道阻力(N) ；,驱动力与行驶阻力平衡,通常对汽车的动力性的评价指标有三种，即汽车的最高车速，最大加速能力和最大爬坡度。 汽车的最高车速是指汽车在无风的条件下，在水平良好硬路面上所

17、能到达的的最高车速。 汽车的加速能力用汽车原地起步的加速能力和超车加速能力来表示。通常采用汽车加速过程中所经过的加速时间和加速距离作为评价汽车加速性的指标。 汽车的爬坡能力是指汽车在良好道路上以最低行驶车速上坡行驶的最大坡度。,五种不同减速比的电动汽车爬坡度,五种不同主减速比的电动汽车加速曲线,驱 动 力 Ft / kN,速度 Va / kmh-1,驱动力行驶阻力图,25,20,15,10,6.25,5,2.3,0,电动汽车的功率平衡,电动机输出功率 车速为Va时的加速度为 车速为V0时的爬坡度为,式中PM电动机输出功率（kW）； G车重（N）； Va车速（km/h）； 电动汽车电动机输出轴至

18、驱动轮之机械传动装置的总效率；,电动汽车的行驶加速度（m/s2）.,电动汽车功率平衡图,车速 Va / kmh-1,功率P /kW,21.7,73,I档,II档,II挡,I挡,电动汽车的主电路,电动汽车在运行过程中，主电路中的电流变化较大，主电路电流的大小不仅影响系统的散热与正常工作，而且直接影响蓄电池放电性能与使用寿命，同时影响一次充电后的续驶里程。当采用交流感应电动机时，电动汽车的主电路是指给电动汽车行驶提供所需能量的电路，即动力蓄电池组到控制器和逆变器之间的直流电路，以及逆变器与交流感应电动机之间的交流电路。,电动汽车主电路传递的功率,由图可知 ：PBPIVI 式中： PB动力蓄电池组的

19、输出功率； PIVI逆变器的输入功率。 PBUBIB（W） 式中： UB动力蓄电串联时的端电压（V）； IB动力蓄电组串联时的输出电流（A） 由于蓄电池存在内阻，接通电路后，端电压将有所下降，此处忽略不计，假设逆变器的效率为IV，电动机的效率为M，则 式中： PIVO逆变器的输出功率； PMI电动机的输入功率。,对于三相交流感应电动机，有 （W） 式中： UMI逆变器输出端的线电压（V）； IMI逆变器输出端的线电流（A）； Cos变流感应电动机的功率因数。 另外：,主电路的负载电流,电动汽车的在行驶过程中各种工况下消耗的功率是不同的，主电路的复杂电流也不一样。电动汽车等速行驶所需的功率换算至

20、电机输出轴为： 电动汽车主电路中的直流电路的负载电流为 电动汽车主电路中的交流电路的负载电流为 采用类似的算法，可以计算电动汽车在加速时的主电路的负载电流或在坡道上等速爬坡时主电路的负载电流。,电动汽车的续驶里程,电动汽车上动力蓄电池组两次充足电之间的总行驶里程称为电动汽车的续驶里程，以公里（km）表示 影响因素 行驶的环境状况 行驶规范 蓄电池的性能 电动汽车的总质量 辅助装置的能量消耗,行驶的环境状况,在相同的车辆条件下，电动汽车行驶的道路与环境气候影响着电动汽车行驶的能量消耗，如气温的高低，风力的方向与大小，道路的种类与交通拥挤状况都会使车辆的能量消耗增加或减小，从而使电动汽车的续驶里程

21、有显著的区别。,电动汽车的行驶规范,行驶规范是指预先确定的行驶速度与时间的变化关系图线。 电动汽车试验时必须沿着规范给定的速度时间程序行驶。通常称为多工况道路循环试验法。 采用多工况道路循环试验较为接近车辆实际的行驶工况，具有较好的可比性。 国外测试电动汽车续驶里程常采用多工况道路循环试验法：联合国欧洲经济委员会（ECE）采用ECE-R15，即十五工况法；日本采用十工况城市循环；美国电动汽车采用SAEJ227a试验循环,ECE城市循环,日本10.15工况循环,SAE J227a实验循环,滚动阻力与空气阻力消耗,滚动阻力与空气阻力消耗的能量是电动汽车能量消耗的主要组成部分 GM的“Impact”

22、与日本“IZA”电动轿车在这方面达到了当前最高技术水平。,蓄电池的性能,蓄电池的性能参数主要是指蓄电池的能量密度、额定容量、放电率、放电电流、放电深度、蓄电池内阻，特别是指整组的一致性及电池的环境温度等是影响电动汽车行驶的能量消耗和续驶里程的重要因素。蓄电池性能对续驶里程的影响实际要复杂得多。,电动汽车的总质量,电动汽车在行驶过程中所消耗的功率，除了空气阻力功率之外，都是与电动汽车的总质量乘正比。电动汽车的总质量越大，消耗的功率和能量越高，它们之间呈线形比例关系。 因而，电动汽车的续驶里程随其总质量的增加而减少。由此可知，增加电动汽车上的电池数量，一方面可以增加电动汽车的总能量储备和续驶里程，

23、另一方面也将大大增加电动汽车的总质量，又会增大电动汽车的能量消耗，降低电动汽车的续驶里程。,辅助装置的能量消耗,汽车上制动系统的空气压缩机，转向系的油泵均需要辅助电动机驱动，其它还有照明、音响、通风、取暖、空调都需要消耗蓄电池的电能。空调除外，这部分能量消耗约占电动汽车总能耗的612。 空调采用涡旋式压缩机，制冷量相同的条件下，比往复式压缩机的能耗要低一半，在一个合理的时间内降低车内的空气温度到一个可接受的水平，尽量减少空调的能量消耗。,经过单位换算后化简得： （kW）,电动汽车的续驶里程,采用电动汽车在道路上滑行试验的方法可求取汽车的滚动阻力和空气阻力，试验中采用五轮仪记录在滑行过程的v-t

24、曲线,Mm是传动系统加于驱动轮的摩擦阻力矩。将上式两端乘以平均速度，克服道路滚动阻力和空气阻力消耗的功率为：,电动汽车的续驶里程,电动汽车行驶单位里程消耗的能量是： 电动汽车滑行时的平均车速为： 因此，电动汽车在平均车速下，克服道路滚动阻力和空气阻力的单位里程消耗的能量为 ： （kWh/km） （kWh/km）,电动汽车车速与功率和能量关系,电动汽车行驶所需功率与速度关系,电动汽车行驶所需能量与车速关系,美国G型厢式电动汽车的试验数据,G型厢式电动汽车与温度有关的实验结果,电动汽车的能量经济性,电动汽车的能量经济性的另一种定义： （km/kWh AC） 设电动汽车行驶时单位里程能耗e（kWh/km），电动汽车总质量为M，单位以吨（t）表示时将电动汽车行驶的比能耗定义为e0，则,国内外电动汽车比能耗与续驶里程的统计数据,电动汽车单位里程的能耗在0.111.07kWh/km范围内变化。电动汽车比能耗在0.0350.11范围内变化,