1、电动汽车基础知识2022年4月17日 Contents目录电动汽车的三种主要型式2纯电动汽车3电动汽车概述1Contents目录电动汽车的三种主要型式2纯电动汽车3电动汽车概述1城市大气污染日趋严重石油资源面临枯竭威胁 1.石油资源有限, 不可再生 , 按目前探明的储量和开采的速度 还能用4050年。 2电力可从多种能源得到。电动汽车有利于节能起电能调峰作用 充分利用晚间富余电能，占总容量1/2。1 电动汽车概述1、电动汽车发展的必要性1 电动汽车概述2、国内外电动汽车的发展状况(一)、国际电动汽车的发展现状日、美、欧三足鼎立，日本称雄，美国雄起、欧洲跟进EV 、HEV、 FCEV多头并进，H
2、EV重点发展第一，日本一直以来，出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来世界汽车市场的考虑，日本十分重视电动汽车的研制与开发。从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面，日本居世界领先地位。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。第二，美国。美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的同行逊色不少，三大汽车公司仅仅小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前还未能实现产业化，来自日本的混和动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。1 电动汽车概述2、国内外电动汽车的
3、发展状况公司车型投放时间现运行情况丰田公司混合动力轿车（普锐斯）1997年批量投放20007出口北美20009出口欧洲二十多个国家至目前其全球销量达到了50万辆2012年该公司要将其所有的车型全部装上混合动力发动机继混合动力轿车之后，丰田还推出了（大霸王）混合动力汽车和搭载软混合动力系统的（皇冠）轿车，其在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面走在了世界前列。本田公司混合动力电动汽车混合动力汽车 （思域）2002年混合动力汽车（阿蒂玛）2006年向美国市场销售2010年日本国内普及万辆2、国内外电动汽车的发展状况(二)、国内电动汽车的现状 政府搭台、企业唱戏，活动助推、补贴运行企业
4、、科研院所、高校形成产学研1 电动汽车概述1 电动汽车概述(三)、中国政府的政策与推动电动汽车科技发展“十二五”专项规划的总体思路，“十二五”期间将重点开展7个方面的工作。第一，坚持“三纵三横”研发布局（即以燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车三种车型为“三纵”，多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种共性技术为“三横”）和“产业化研发”模式。第二，加大充电基础设施科技创新力度，加快基础设施建设。第三，加快技术标准研究，完善标准体系建设。第四，深化示范推广，探索商业推动模式。第五，支持组建产业技术创新联盟、承担科技计划任务。第六，完善公共平台，加强人才培养
5、。第七，深化国际技术交流与合作，推动电动汽车国际化发展。2、国内外电动汽车的发展状况1 电动汽车概述(三)、中国政府的政策与推动2013年政府补贴政策：2、国内外电动汽车的发展状况 不管是哪种类型的电动汽车，均具有环保 、节能的特点。汽车诞生至今，面临着能源、环保和安全的问题，电动汽车是节能和环保的现代汽车发展的主要方向。 未来电动汽车发展方向：方向是燃料电池电动汽车和纯电动汽车，目前的主流是混合动力电动汽车；以政府主导扶持为主，产学研合作为模式，补贴的商业化；关键技术发展是核心，理论研究是基础，基础配套设施是保障。1 电动汽车概述3、电动汽车的特点和发展方向Contents目录电动汽车的三种
6、主要型式2纯电动汽车3电动汽车概述11、纯电动汽车 （Battery powered EV)2、混合动力电动汽车 (Hybrid EV)3、燃料电池电动汽车 (Fuel cell EV)2 电动汽车的三种主要型式 纯电动汽车由可充电电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池等）提供动力源的汽车。优点：零排放、无污染、结构简单。缺点：能量密度低、成本高、续航里程有限。2 电动汽车的三种主要型式2.1 EVEV的动力组成的动力组成2 电动汽车的三种主要型式2.1 EV 混合动力电动汽车车上装有两个以上动力源，包括有电机驱动，符合汽车道路交通、安全法规的汽车。一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电
7、池的电动汽车。串联、并联和混联、综合式；轻度和混合，中度混合和重度混合。优点： 可实现内燃机和电动机的最佳配合； 可方便回收能量； 市区可零排放； 可解决空调、取暖等问题； 可利用现有加油站；可延长电池寿命。缺点：结构复杂、依赖原油。2 电动汽车的三种主要型式2.2 HEV2 电动汽车的三种主要型式2.2 HEV混合动力电动汽车（串联增程式）混合动力电动汽车（串联增程式） 混合动力电动汽车（行星轮式并联混合动力电动汽车（行星轮式并联型）型）发动机控制器电机变速箱主减速器辅助电池转矩合成装置2 电动汽车的三种主要型式2.2 HEV混合动力电动汽车（并联型混合动力电动汽车（并联型-插电式）插电式）
8、发动机电机变速箱主减速器辅助电池控制器充电器 节约运行成本2 电动汽车的三种主要型式2.2 HEV混合动力汽车的发展现状1、节能减排优势明显。丰田、本田等公司的混合动力品 种已超过20多个，年产量超过25万辆。燃料经济性提高（3050），减排明显。2、国内企业热情很高，一汽、上汽、东风、长安等公司均在开发并联、混联等多种型式的混合动力轿车。3、混合动力正成为通用技术。 汽油机、柴油机、天然气发电机、燃料电池发电机都可向混合动力发展。日本的混合动力系统水平最高。日本的混合动力系统水平最高。2 电动汽车的三种主要型式2.2 HEV氢燃料电池电动汽车利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经
9、电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽车。优点：燃料电池汽车具有安静、高效、能量密度较高和零污染（或低污染）排放的特点，同时续驶里程完全可以和内燃机汽车相媲美，具有结束内燃机汽车百年统治地位的潜力。缺点：成本高，可靠性和寿命有待改进。 2 电动汽车的三种主要型式2.3 FCEV 电机控制器 燃料 电池发动机电动机 单向DC/DC变换器辅助电池能量混合型结构方案 1辅助电池容量大2 电动汽车的三种主要型式2.3 FCEV 电机控制器 燃料 电池发动机电动机 双向DC/DC变换器辅助电池结构方案 2 功率混合型辅助电池容量小2 电动汽车的三种主要型式2.3 FCEVH2阳极电解质（质子交换
10、膜）催化剂阴极H22H+2e-2H+e-e-O2H2O2H+2e-+1/2O2质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(PEMFC) (PEMFC) 工作原理工作原理图图2 电动汽车的三种主要型式2.3 FCEV目前使用于电动汽车中的燃料电池是一种被称为质子交换膜燃料电池(PEMFC)，它以纯氢为燃料，以空气中的氧气为氧化剂。 燃料电池：燃料电池：能量转换效率高，实际效率已达4555，是传统燃油发动机效率的23倍。 加拿大的BALLABC公司目前处于世界领先水平。优点：零排放或近似零排放、效率高。目前面临的主要问题：1、氢的来源；2、氢的存储；3、核心材料成本高。推广使用需要一定的时间。2 电动汽
11、车的三种主要型式2.3 FCEV燃料电池城市客车2 电动汽车的三种主要型式2.3 FCEV燃料电池电动汽车的发展现状但各国政府在对研发燃料电池技术上也存在分歧，在支持力度上也各不相同。 1、日本经济产业省日本经济产业省前几年就对燃料电池汽车开发与推广制定了时间表，其战略目标是：到2020年,日本使用的燃料电池汽车达到500万辆；到 2030年，要全面普及燃料电池汽车。2、在欧洲，欧盟把燃料电池和氢能源技术发展成为能源领域的一项战略战略高新技术高新技术，使欧盟在燃料电池和氢能源技术方面处于世界领先地位，欧盟将力争在年前建立一个燃料电池和氢能源的庞大市场。3、在美国，承认燃料电池电动车“不是近期的
12、解决方法，也不是中期的解决方法，而确实是远期的方法”。燃料电池的研发重点已转向了基础性研研发重点已转向了基础性研究究。2 电动汽车的三种主要型式2.3 FCEVContents目录电动汽车的三种主要型式2纯电动汽车3电动汽车概述13.2 主要的参数的确定3.1 基本组成3.3 总结1. 车载电源及其管理系统2. 驱动电机及其控制系统3. 整车控制系统4. 车身及底盘3 纯电动汽车3.1 基本组成1. 车载电源及其管理系统重要性 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
13、展的瓶颈。3 纯电动汽车一、铅酸电池一、铅酸电池3 纯电动汽车铅酸蓄电池已有多年的前史，普遍用作传统燃油汽车的起动电源。它也是成熟的电动汽车动力电池。优点：它可靠性好、维护简单、原资料易得、价格比较低。但它有两大缺陷：一是比能量低，目前水平：45Wh/kg，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是循环寿命短（300-500次） ，运行成本过高。1. 车载电源及其管理系统二、镍氢电池二、镍氢电池3 纯电动汽车优点：镍氢蓄电池没有重金属污染问题。其比能量达7080Wh/kg，比功率达160230Wkg，镍氢电池有高倍率的放电特性，短时间可以以3C放电，瞬时脉冲放电率很大。镍氢电池的过
14、充和过放性能很好，并且可以随充随放，在15分钟内充满60%的容量，1h内可以完全充满，在80%SOC的放电深度下，循环寿命可以达到1000次以上。未来随着其技术发展，其循环寿命可超过2000次，成本可降至150美元/Kwh。主要不足：1、有记忆效应。2、自放电损耗大，对环境温度敏感，充电发热；3、价格仍较高，目前500700美元/kWh。1. 车载电源及其管理系统三、锂离子电池三、锂离子电池3 纯电动汽车锂离子电池与铅酸电池比较： 1、循环寿命长：磷酸铁锂动力电池循环寿命达到2000次以上；铅酸电池寿命短（300-500次）。2、低温度放电性能好：锂离子电池可在-25度时正常工作，其电容量可达
15、标称容量的70%，而铅酸电池在-10度时的电容量的50%，在-25度时不：能正常工作。3、自放电率低：将充满电的锂离子电池组，放置两个月后，其电容量大于等于80%，而铅酸电池放置两个月，仅为标称容量的40%-50%。4、比能量高：由于锂离子电池的体积仅为铅酸电池的30%，因此当使用相同的空间时锂离子电池的能量储备比铅酸电池大。 锂离子电池比能量的理论值为570Whkg，它当前到达的功能目标是：比能量为100whkg，比功率200w/kg5、工作温度范围宽：锂离子电池可在-25度到55度范围内工作，而铅酸电池只能在10度到40度范围内工作。6、可以大电流放电：锂离子电池在1C倍率下大电流放电，其
16、容量仅为额定电容量60%。7、 充电时间短：由于锂离子电池具有可大电流充电的特性，因此充电时间只要4-5小时，而铅酸电池则需要8至10小时。8、绿色环保：无污染（电池材料不存在有毒物质）。与铅酸电池对人体，环境有害的重金属铅。缺点：价格高。1. 车载电源及其管理系统四、超级电容四、超级电容3 纯电动汽车. 超级电容器与铅酸电池比较：. 1、超级电容器是绿色能源（活性炭），不污染环境。. 2、超级电容器循环寿命长（10万次）；铅酸电池寿命短（500次）。. 3、超级电容器充电速度快（0.3秒15分钟）；铅酸电池充电时间长（58小时），很多电池就是充电时间长。. 4、超级电容器充放电效率高（98%
17、）；铅酸电池充放电效率低（70%）；. 5、超级电容器功率密度高（10.000W/kg）；铅酸电池功率密度低（300W/kg），差30多倍。. 6、超级电容器工作温度范围（-4050）；铅酸电池电动车在-40续驶里程减少90%，超级电容器只减少10%。. 7、超级电容器电动大客车能量回收率强，紧急制动能量回收高达75%；铅酸电池能量回收仅为5%，这点对大客车很重要，可以节约大量的燃料。缺点：超级电容器价格比铅酸电池高一倍。但超级电容器的寿命比铅酸电池高10倍，这点对公共大客车产业化非常重要。比能量小。超级电容与蓄电池混合前景看好。1. 车载电源及其管理系统管理系统的功能：(1)锂电池管理系统主
18、要达成以下四个目标: 保障各个单体电池的均衡性; 及时诊断出电池出现的问题; 防止电池的过充电和过放电; 准确地获得电池的荷电状态(SOC)。3 纯电动汽车1. 车载电源及其管理系统具体来说： 电池工况监测: 实时采集的数据有单体模块电池电压,电池总电压、电池总电流、以及多点温度等。 剩余电量(SOC)估计: 电池剩余能量相当于传统车的油量。系统应在线采集电流、电压等参数,通过相应的算法进行SOC的估计。 电池健康度(SOH)估计: 电池健康度表示了电池寿命的信息,通过相应的算法进行SOH的估计。 充放电控制: 根据电池的工作状况,对电池的进行充放电控制。如电池电压超标或过电流,系统将切断继电
19、器,停止电池工作。 电池均衡控制: 由于电池个体的差异以及使用状态的不同,电池在使用过程中不一致性会越来越严重。均衡技术消除这种不一致。 热管理: 实时采集每组电池的多点温度,采取散热措施防止电池温度过高。 故障诊断报警: 通过数据采集,可预测电池性能,进行故障诊断和报警。 信息监控: 电池的主要信息传送到车载显示终端进行实时显示。3 纯电动汽车1. 车载电源及其管理系统2. 驱动电机及其控制系统3 纯电动汽车电机的主要类型3 纯电动汽车一、直流电机一、直流电机基本性能：有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟。具有交流电机不可比拟的优良控制特性。不足：由于存在电刷和机械换向器，不但限制了
20、电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护和更换电刷和换向器。另外，运行过程中需要电刷和换向器换向，电机效率低于交流感应电机。此外，电机本身体积大、重量大、最高转速低，鉴于直流电动机存在以上缺陷，在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电机。3 纯电动汽车二、交流三相感应电机二、交流三相感应电机基本性能： 交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压而定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单，运行可靠，经久耐用。交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到1200015000r/min。可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高。对环境的适应
21、性好，井能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。 不足：交流三相感应电动机的耗电量较大，转子容易发热，在高速运转时需要保证对交流三相感应电动机的冷却，否则会损坏电动机。交流三相感应电动机的功率因数较低，使得变频变压装置的输入功率因数也较低，因此需要采用大容量的变频变压装置。交流三相感应电动机的控制系统的造价远远高于交流三相感应电动机本身，增加了电动汽车的成本。另外，交流三相感应电动机的调速性也较差。3 纯电动汽车三、开关磁阻电机三、开关磁阻电机基本性能：开关磁阻电动机是一种新型电动机，该系统具有很多明显的特点：它的结构比其它任何一种电
22、动机都要简单，在电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，没有相间跨接线，维护修理容易。因而可靠性好，转速可达15000 r/min。效率可达85%93%呢，比交流感应电动机要高。损耗主要在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性，而且在很广的范围内保持高效率。更加适合电动汽车动力性能要求。 不足：开关磁阻电动机的控制系统比其他电动机的控制系统复杂一些，位置检测器是开关磁阻电动机的关键器件，其性能对开关磁阻电动机的控制操作有重要影响。由于开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是开关
23、磁阻电动机最主要的缺点。但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。另外，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率变换器的直流电流波动也较大，所以在直流母线上需要装置一个很大的滤波电容器。3 纯电动汽车四、永磁无刷直流电动机四、永磁无刷直流电动机基本性能：永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有电磁干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。不足：永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动机的功率范
24、围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的控制系统造价很高。3 纯电动汽车五、永磁同步电机五、永磁同步电机基本性能：永磁同步电机和永磁无刷直流电机在结构上和工作原理上大致相同，转子都是永久磁铁，定子电枢绕组略有差别。 永磁同步电机通常采用矢量控制策略，可以实现宽范围的恒功率弱磁调速。 优点是：效率高、体积小、重量轻、控制精度高、转矩脉动小等。不足：永磁材
25、料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，影响电机的性能。控制器复杂，造成其成本偏高。3 纯电动汽车电机的比较：电机的比较：3 纯电动汽车电动汽车用电机的发展趋势电动汽车用电机的发展趋势1. 电机向永磁化、数字化和集成化方向发展； 永磁电机具有功率密度和转矩密度高、效率高、便于维护的优点，采用矢量控制的驱动系统可使永磁电机具有宽广的调速范围，因为目前电机类型由原来的日系永磁电机、北美系交流感应电机、欧系永磁和感应电机并存的状况，发展为均向永磁电机靠拢的态势。2. 电机转速有向高速化发展的趋势；3. 电机系统的冷却有向液冷发展的趋势。3. 整车控制系统整车控制器具有
26、以下功能：(1)能接收、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，使车辆按驾驶期望行驶。(2)能与电机、DC/DC、镍氢蓄电池组等进行可靠通讯，通过CAN总线进行状态的采集输入及控制指令量的输出。(3)接收处理各个零部件信息，结合BMS单元提供当前的能源状况信息，评估续驶里程、平均等效油耗等。(4)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。(5)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。(6)协调管理车上其他电器设备。整车控制器是一个多输入、多输出的复杂系统，因此按照模块化思想设计了硬件系统的各个模块，主要包括
27、：最小应用系统模块，电源模块，CAN通讯模块，串口通讯模块，数模输入输出模块。3 纯电动汽车4. 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。采用铝合金车身或碳纤维车身等轻量化措施。底盘 由于动力电池组的质量大，为减轻整车质量，采用轻质材料制造底盘部分总成（如：铝合金车架、轻质轮毂、铝合金副车架等），轻量化的悬架和摆臂等。采用电动助力转向系统、电动空调系统、采用电动真空泵抽取真空的真空助力系统3 纯电动汽车设计纯电动汽车首先要进行选型设计，除了车型选择外，电机类型与其性能参数、电池类型与其性能参数、控制方式的选择、电池数量的选择等都是首先要确定的。3 纯电动汽车3.2 主要
28、参数的确定1 电机功率的选择电机功率的选择将对电动汽车的动力性和经济性有着重要的影响。对于纯电动汽车用电机，在选择电机的功率时还要考虑以下几个因素:1） 用最高车速确定电机额定功率；2） 以常规车速确定电机的额定转速；3） 以额定功率/转速确定电机额定转矩；4） 以最大爬坡度确定低速转矩的最小值。3 纯电动汽车3.2 主要参数的确定3 纯电动汽车电机主要参数的确定电机主要参数的确定3.2 主要参数的确定3 纯电动汽车电机主要参数的确定电机主要参数的确定3.2 主要参数的确定3 纯电动汽车电机主要参数的确定电机主要参数的确定3.2 主要参数的确定2 电机、电池电压的选择在选择了电机和电池的类型后
29、，就要确定电机的额定电压和电池的电压。在电机功率一定的情况下，电压越高，电流越低，线路功率损失就越小，电池以小电流放电时，可获得较大的容量。但电压过高，又影响电子元器件的性能和安全。3 纯电动汽车3.2 主要参数的确定3 电池容量选择目前影响电动汽车商品化和实用化进程的关键因素是电动汽车的续驶里程和电池的使用性能(包括电池的充电时间、安全性、价格和使用寿命等)。在选择电池的容量时，既要满足汽车的续驶里程的设计要求，又要考虑整车的空间结构和底盘承载能力。因为选择电池容量过大，电池组所贮存的电能越多，续驶里程相应延长，但电池组的重量增加，整车的整备质量增加，导致行驶阻力也增加，反过来又影响纯电动汽
30、车的续驶里程。电池的价格因素。3 纯电动汽车3.2 主要参数的确定4 传动系的传动比的选择由于电机的转速高，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。尽管电机一般都具有较宽的调速范围，但在纯电动汽车的设计过程中要选择合理的传动比，一方面满足不同工况要求，另一方面使得电机在不同工况运转时，尽量处于高效率范围内，以获得较高的转化效率，减小功率损失。3 纯电动汽车3.2 主要参数的确定总的来说，电动汽车关键技术： 电池及管理技术 电机及控制技术 整车控制技术 整车轻量化技术3 纯电动汽车3.3 总结thanks
