纯电动汽车电机及控制器技术培训

第二章 纯电动汽车 动力系统匹配 关键部件选型要求 电机及其控制器 2.0.3 基本组成 1.车载电源 2.电池管理系统 3. 驱动电动机 4. 控制系统 5. 车身及底盘 6. 安全保护系统 2.0.3 基本组成 1. 车载电源 组成 以动力电池组作为车载电源，用周期性的充电来补 充电能。 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发展的瓶颈。 建立充电站系统、报废电池回收和处理工厂，是推 广 EV的关键问题。 2.0.3 基本组成 1. 车载电源 发展 (1)第一代 EV电池： 铅酸电池 优点： 技术成熟，成本低 。 缺点： 比能量和比功率低 不能满足 EV续驶里程和 动力性能的需求，但进一步发展了阀控铅酸电池、 铅布电池等，使铅酸电池的比能量有所提高。 2.0.3 基本组成 1. 车载电源 发展 (2)第二代高能电池：镍 镉电池、 镍 氢电池 、钠 硫电池、钠 氯化镍电池、 锂离子电池 、锂聚合物 电池、锌 空气电池和铝 空气电池等 优点： 比能量和比功率 都比铅酸电池 高 ，大大提高 了 EV的动力性能和续驶里程。 缺点：有些高能电池 需要复杂的电池管理系统和温 度控制系统 ，各种电池对充电技术有不同要求。而 且电化学电池中的活性物质在使用一定的期限后， 会老化变质以至完全丧失充电和放电功能而报废， 从而使 EV的使用 成本高 。 2.0.3 基本组成 1. 车载电源 发展 (3)第三代电池： 飞轮电池 、 超级电容器 飞轮电池是电能 机械能 电能转换的电池。 超级电容器是电能 电位能 电能转换的电池。 这两种储能器在理论上都具有很大的转换能力，而 且 充电和放电方便迅速 ，但尚 处于研制阶段 。 2.0.3 基本组成 1. 车载电源 高压电源 动力电池组提供约 155380V高压直流电 。 动力电池组是供 电机 工作的唯一动力电源。 空调系统的 空压机 ，动力转向系统的 油泵 和制动系 统的 真空泵 等，也需要动力电池组提供动力电能。 低压电源 动力电池组通过 DC/DC转换器，供应 12V或 24V低压 电 ，并储存到低压电池组中，作为 仪表、照明和信 号装置 等工作的电源。 2.0.3 基本组成 2.电池管理系统 管理 对动力电池组充电与放电时的电流、电压、放电深 度、再生制动反馈电流、电池温度等进行控制 。 个别电池性能变化后，会影响到整个动力电池组性 能，故需用电池管理系统来对整个动力电池组及其 每一单体电池进行监控， 保持各个单体电池间的一 致性 。 充电 动力电池组必须进行周期性的充电。 高效率充电装 置和快速充电装置 ，是 EV使用时所必须的辅助设备。 可采用 地面充电器、车载充电器、接触式充电器或 感应充电器 等进行充电。 2.0.3 基本组成 3. 驱动电动机 驱动电动机是 驱动 EV行驶 的唯一动力装置。 类型 直流电动机 、 交流电动机 、 永磁电动机 和 开关磁阻 电动机 等。 再生制动 再生制动是 EV节能的重要措施之一。制动时 电动机 可 实现再生制动 ，一般可回收 10%15%的能量，有 利于 延长 EV行驶里程 。 在 EV制动系统中，还保留常规制动系统和 ABS制动 系统，以保证车辆在紧急制动时有 可靠的制动性能 . 2.0.3 基本组成 4. 控制系统 EV的控制系统主要是 对动力电池组的管理和对电动 机的控制 。 将加速踏板、制动踏板机械位移的行程量转换为电 信号，输入中央控制器，通过动力控制模块控制驱 动电动机运转。 计算动力电池组剩余电量和剩余续驶里程。 对整车低压系统的电子、电器装置进行控制。 采用各种各样的传感器、报警装置和自诊断装置等， 对整个动力电池组 功率转换器 驱动电动机系统 进行监控 并及时反馈信息和报警。 2.0.3 基本组成 5. 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 。 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 制造车身和底盘部分总成 。 动力电池组占据的空间大，在底盘布置上 还要有足 够的空间存放动力电池组 ，并且要求线路连接、充 电、检查和装卸方便，能够实现动力电池组的整体 机械化装卸。 2.0.3 基本组成 6. 安全保护系统 高压安全 动力电池组具有高压直流电，必须设置安全保护系 统，确保驾驶员、乘员和维修人员在驾驶、乘坐和 维修时的安全。 故障处理 必须配备电气装置的故障自检系统和故障报警系统， 在电气系统发生故障时自动控制 EV不能起动等，及 时防止事故的发生。 2.0.3 基本组成 小结 操纵：在操纵装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主 要的操纵装置和操纵方法，适应驾驶员的操作习惯，使 操 作简单化和规范化 。 控制：在 EV控制系统中，采用全自动或半自动的 机电一体 化控制 系统，达到安全、可靠、节能、环保和灵活的目的。 电池： 提高电池的比能量和比功率 ，实现电池的高能化。 电机：采用高效率的电能转换系统和高效率的驱动电动机， 提高电动机和驱动系统的效率 。 车身和底盘：采用 流线型车身 ， 降低迎风面积和空气阻力 系数 。采用轻金属材料、高强度复合材料和新型 EV专用车 身和底盘结构，实现 车身和底盘的轻量化 ，减轻整备质量。 采用 低滚动阻力轮胎 ，降低行驶阻力。 再生制动：回收 再生制动 能量，延长行驶里程。 2.0.4 关键技术 1. 驱动电动机的选择及功率匹配 电动机应具有 良好的转矩 转速特性 ，一般具有 600015000r/min的转速。 根据车辆行驶工况，驱动电动机可以在 恒转矩区 和 恒 功率区 运转。 驱动电动机应经常保持在高效率范围内运转。在低 速 大转矩（恒转矩区）运转范围内效率在 0.750.85之间，在恒功率运转范围内效率在 0.80.9 之间。 2.0.4 关键技术 2. 动力电池组的选择与特性 3. 减速器传动比的确定 由于电动机的转速高，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 。 2.0.4 关键技术 4. 控制系统的设计 目标： 延长续驶里程 续驶里程 续驶里程指电动汽车从动力蓄电池全充满状态开始 到标准规定的试验结束时所走过的里程。 采用工况 法按照一定的工况反复地循环行驶，是 EV测定续驶 里程的基本方法。 我国颁布的 GB/T 18386 2001 电动汽车能量消耗 率和续驶里程试验方法 适用于 EV最大总质量 3500kg ，最高车速 70km/h的 EV。 2.0.4 关键技术 4. 控制系统的设计 延长续驶里程的方法 选用 高比能量的电池 。 减少 EV在 行驶 中各种环节中的 能量损耗 。 减少 EV辅助系统的电能消耗 ，对空调、动力转向等 进行自动控制。 设计新 EV时，在造型、结构、材料和配件方面，应 使 G, f 和 CD等尽量降低 。 2.0.5 发展趋势 当前 EV主要向 小型化、个性化、家庭化和休闲化 方 向开辟市场，可适当地降低对动力性能、最高车速 和续驶里程方面的要求。 世界各国都有各式各样的微型和小型 EV在使用。如 日本丰田汽车公司 E-com微型电动轿车和日产汽车公 司的 Hypermini微型电动轿车。 Nissan Hypermini (2000) 2.1 电动汽车驱动系统 2.1.1 组成和结构形式 2.1.2 传统的驱动系统 2.1.3 简化的传统驱动系统 2.1.4 电动机 驱动桥整体式 驱动系统 2.1.5 双电动机驱动系统 2.1.6 内转子电动轮驱动系统 2.1.7 外转子电动轮驱动系统 2.1.1 组成和结构形式 组成 动力电池组 驱动电动机 传动系统 驱动轮 控制装置 驱动系统 结构形式 传统的驱动系统 简化的传统驱动系统 电动机 驱动桥整体式驱动系统 双电动机驱动系统 内转子电动轮驱动系统 外转子电动轮驱动系统 2.1.2 传统的驱动系统 电动机替代发动机 。 仍然 采用内燃机汽车的传动系统 ，包括离合器、变 速器、传动轴和驱动桥等总成。 有电动机前置、驱动桥前置 (F-F)，电动机前置、驱 动桥后置 (F-R)等各种驱动模式。 结构复杂，效率低，不能充分发挥电动机的性能。 M 电动机 C 离合器 GB 变速器 D 差速器 2.1.1 组成和结构形式 组成 动力电池组 驱动电动机 传动系统 驱动轮 控制装置 驱动系统 结构形式 传统的驱动系统 简化的传统驱动系统 电动机 驱动桥整体式驱动系统 双电动机驱动系统 内转子电动轮驱动系统 外转子电动轮驱动系统 2.1.2 传统的驱动系统 电动机替代发动机 。 仍然 采用内燃机汽车的传动系统 ，包括离合器、变 速器、传动轴和驱动桥等总成。 有电动机前置、驱动桥前置 (F-F)，电动机前置、驱 动桥后置 (F-R)等各种驱动模式。 结构复杂，效率低，不能充分发挥电动机的性能。 M 电动机 C 离合器 GB 变速器 D 差速器 经典汽车设计理论推导车辆行驶平 衡方程 驱动方程 驱动系统的动力输出特性与车辆的动力性 能直接相关。驱动系统的动力输出应该满 足车辆的动力性要求。在设计电动汽车驱 动系统时，为了使电动汽车达到要求的动 力性能指标，首先必须建立电动汽车的力 学模型，对电动汽车行驶过程中力与功率 的平衡进行分析，以得到电动汽车的需求 特性场。 主要部件选型 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。 1电机功率的选择 主要部件选型 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 : a、最高车速。电机的功率必须能满足电动汽车最高 车速的功率要求，以保证汽车在良好路面和空载情 况下，能获得较高的行驶速度。 b、加速性能。电机的功率越大，则电动汽车的后备 功率就越多，从而其加速性能越好。但过多的后备 功率又会增加纯电动汽车不必要的能量消耗。 c、由于汽车的行驶工况较为复杂，需要电机具有一 定的过载能力，即能承受较大的过载电流，能发出 高于额定转矩 2倍以上的转矩。 3-5倍 主要部件选型 2 电机、电池电压的选择 在选择了电机和电池的类型后，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。 主要部件选型 3电池容量选择 众所周知，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车的续 驶里程。 主要部件选型 4传动系的传动比的选择 汽车在行驶过程中，通过一定的传动比来满足不 同行驶工况的需要。传动比起到减速增矩的作用。 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。 电机及其控制器 电动机的基本要求 电机的驱动曲线图分析 常用电机 常用控制结构和控制方法 电动汽车用电动机的基本要求 采用大功率的电动机来驱动电动汽车与采用小功 率的电动机相比，具有电阻小、效率高、比能耗 低、动力性能好等优点。在确定电动汽车所采用 的电动机时，其性能必须充分满足电动汽车不同 行驶工况的要求。因此其性能要求有 : 1、要有较大的起动转矩来保证电动汽车的良 好的起动和加速性能 ; 爬坡、频繁启 /停的要求 ,通 常电机的过载系数应达 3 4。 2、要有较宽的恒功率范围，保证电动汽车具 有高速行驶的能力，电动机的过载系数应达到 2-3 倍 ; 电动汽车用的电动机的基本要求 3、要有较大范围的调速功能，在低速时具有较 大的转矩，在高速时具有高功率，能够根据驾驶 员对加速踏板的控制，随即地调整电动汽车的行 驶速度和相应的驱动力 ; 4、具有良好的效率特性 ,在较宽的转速 /转矩范 围内 ,获得最优的效率 ,提高一次充电后的持续行驶 里程 ,一般要求在典型的驾驶循环区 ,获得 85% 93%的效率。 5、再生制动时的能量回收率高。 6电动机的外形尺寸要求尽可能小，质量尽可能 轻 ; 7电动机的可靠性好，耐温和耐潮性能强，能够 在较恶劣的环境下长期工作，运行时噪音低，维 修方便。 8 价格低 电动车驱动力与行驶阻力平衡图 1994年美国通用汽车公司向重庆电机厂定购电动汽车用 50kW交流感应电机时，提出的电机必须满足的转矩特性 图 电机及其控制技术 纯电动汽车是利用电动机将电能转化为机 械能来实现驱动的。 电机的种类多、用途广、功率覆盖面非常 大。 车辆行驶的路面工况较复杂，所以作为电 动汽车用的电动机的功率必须要适应这种 复杂工况的要求。 对于不同的电机，采用的控制理论不同， 其控制方法也各异。 控制结构图 直流电机一标准斩波驱动系 直流电机结构简单，技术成熟，具有交流 电动机所不可比拟的优良电磁转矩控制特 性，直到 20世纪 80年代中期，仍是国内外 电动汽车用电机的主要研发对象。 但是，直流电动机价格高、体积和质量， 因此在电动汽车上的应用受到了限制。 2.2.3 直流电机 分类 永磁直流电机 励磁绕组直流电机 它励 并励 串励 (多用 于电 动车 ) 复励 2.2.3 直流电机 优点 具有优良的电磁转矩控制特性， 控制装置简单 、价廉。 缺点 效率较低 、 质量大 、 体积大 、 可靠性低 (有换向器和电刷 ). 控制系统 斩波器是在直流电源与直流电机之间的一个周期性的通断 开关装置。 一象限 直流斩 波控制 直流斩 波器控 制下的 输出电 压 PWM 2.2.4 感应电机 分类 绕线式感应电机 鼠笼式感应电机：多用于电动车 优点 效率高 、 结构简单 、坚实 可靠 、免维护、 体积小 、 重量轻 、易于冷却 (可直接向定子和转子喷油 )、 寿命长、能有效的实现再生制动等 。 控制方法 脉冲宽度调节 (PWM)；变频变压调节 (VFVV)；矢 量控制调节 (VC)；直接转矩控制 (DSC) 2.2.5 永磁电机 优点 高质量比功率 ， 高效率 等。 缺点 控制系统复杂 ， 成本高 ，功率范围较小等。 永磁同步电机驱动系 永磁无刷电动机可以分为由方波驱动的无刷直流电动机系 统 (BLDCM)和由正弦波驱动的无刷直流电动机系统 (PMSM)，其中以永磁同步电机应用最为广泛目前，由日 本研制的电动汽车主要采用这种电机。如丰田的 Prius混 联汽车。它们都具有较高的功率密度，其控制方式与感应 电机基本相同，因此在电动汽车上得到了广泛的应用，是 当前电动汽车专用电动机的研发热点。 BLDCM系统不需要绝对位置传感器，一般采用霍尔元件 或增量式码盘。 PMSM系统需要绝对式码盘或旋转变压器 等转子位置传感器，这类电机具有较高的能量密度和效率， 其体积小、惯性小、响应快，非常适用于电动汽车的驱动 系统，有极好的应用前景。 2.2.6 开关磁阻电机 优点 高起动转矩、低起动电流 高效率、低损耗 电机 结构简单 ，适应于高速运转，成本低 电机功率电路简单 可靠性好 良好的适应性 缺点 控制系统复杂， 输出转矩波动较大 ， 振动大 、 噪 声 大等。 汽车专用电机驱动 目前汽车专用电机驱动系主要有三大驱动 系直流电机驱动系、永磁同步电机驱动系、 交流感应电机驱动系。 2.2.7 各种电机的比较 驱动电机的基本性能比较 项目 直流电机 感应电机 永磁电机 开关磁阻电机 比功率 低 中 高 较高 峰值效率 (%) 8589 9495 9597 90 负荷效率 (%) 8087 9092 8597 7886 功率因数 (%) - 8285 9093 6065 恒功率区 - 1:5 1:2.25 1:3 转速范围 (r/min) 40006000 1200015000 400010000 可 15000 可靠性 一般 好 优良 好 结构的坚固性 差 好 一般 优良 电机外廓 大 中 小 小 电机质量 大 中 小 小 电机成本 ($/kW) 10 812 1015 610 控制操作性能 最好 好 好 好 控制器成本 低 高 高 一般 无刷直流电机系统框图 根据控制信号的不同，永磁同步电机可以 分为两种。一种是基于方波驱动的永磁同 步电机，又称为无刷直流电机，简称为 BLDCM;一种是基于正弦波驱动的永磁同步 电机，简称为 PMSM 作业 1：比较各种驱动电机的性能优缺点。