锂离子电池电动汽车结构与原理.ppt

电动汽车结构与原理,第二章 蓄电池电动汽车,第二章 蓄电池电动汽车,2.0 概述 2.1 电动汽车驱动系统 2.2 驱动电机及其控制系统 2.3 蓄电池结构及性能 2.4 电动汽车能量管理系统 2.5 电动汽车车辆管理系统 2.6 纯电动汽车实例分析,第二章 蓄电池电动汽车,重点 纯电动汽车的结构和性能 各种类型的电动汽车用驱动电机 各种类型的蓄电池及其性能 难点 各种类型驱动电机的控制系统 以蓄电池能量管理为核心的电动汽车能源管理系统、再生制动系统,2.0 概 述,2.0.1 定义 2.0.2 特点 2.0.3 基本组成 2.0.4 关键技术 2.0.5 发展趋势,2.0.1 定义,蓄电池电动汽车（纯电动汽车） EV (Electric Vehicle)是仅由动力蓄电池向电机提供电能驱动车辆行驶的道路车辆。,2.0.1 定义,结构示意图,2.0.2 特点,节能，不消耗石油；环保，无污染；噪声和振动小。 能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传递，各部件的布置具有很大的灵活性。 驱动系统布置不同会使系统结构区别很大；采用不同类型的电机(如直流电机和交流电机)会影响到纯电动汽车的质量、尺寸和形状；不同类型的储能装置也会影响电动汽车的质量、尺寸及形状。 不同的补充能源装置具有不同的硬件和机构，例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电器充电，或者采用替换蓄电池的方式，将替换下来的蓄电池再进行集中充电。,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 183862001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,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,2.1 电动汽车驱动系统,电驱动系统的结构形式 1. 传统的驱动系统 (1)电动机替代发动机。 (2)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。 (3)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。 (4)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 电动汽车驱动系统,电驱动系统的结构形式 2. 简化的传统驱动系统 采用固定速比减速器，去掉离合器，可减少机械传动装置的质量、缩小其体积。,M电动机 FG固定速比减速器 D差速器,2.1 电动汽车驱动系统,电驱动系统的结构形式 3. 电动机驱动桥整体式驱动系统 (1)与发动机横向前置、前轮驱动的内燃机汽车的布置方式类似。 (2)把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮。 (3)传动机构紧凑，传动效率较高，安装方便，在小型电动汽车上应用最普遍。,M电动机 FG固定速比减速器 D差速器,2.1 电动汽车驱动系统,电驱动系统的结构形式 4. 双电动机驱动系统 (1)采用两个电动机通过固定速比减速器分别驱动两个车轮。 (2)每个电动机的转速可以独立的调节控制，便于实现电子差速，不必选用机械差速器。,M电动机 FG固定速比减速器,2.1 电动汽车驱动系统,电驱动系统的结构形式 4. 双电动机驱动系统 (3)电子差速器的优点是体积小、质量轻，在汽车转弯时可以实现精确的电子控制，提高电动汽车的性能；其缺点是由于增加了电动机和功率转换器，增加了初始成本，而且在不同条件下对两个电动机进行精确控制的可靠性需要进一步发展。,机械差速器,电子差速器,2.1 电动汽车驱动系统,电驱动系统的结构形式 5. 内转子电动轮驱动系统 (1) 电动机装在车轮内，形成轮毂电动机，可进一步缩短从电动机到驱动轮的传递路径。 (2) 采用高速内转子电动机(约10000r/min)，需装固定速比减速器降低车速。一般采用高减速比行星齿轮减速装置，安装在电动机输出轴和车轮轮缘之间，且输入和输出轴可布置在同一条轴线上。,M电动机 FG固定速比减速器,2.1 电动汽车驱动系统,电驱动系统的结构形式 5. 内转子电动轮驱动系统 (3)高速内转子电动机具有体积小、质量轻和成本低的优点，但它需要加行星齿轮变速机构。,内转子电动轮,2.1 电动汽车驱动系统,电驱动系统的结构形式 6. 外转子电动轮驱动系统 (1) 采用低速外转子电动机，可完全去掉变速装置。 (2) 电动机外转子直接安装在车轮轮缘上，电动机转速和车轮转速相等，车轮转速和车速控制完全取决于电动机的转速控制。,M电动机,2.1 电动汽车驱动系统,电驱动系统的结构形式 6. 外转子电动轮驱动系统 (3) 低速外转子电动机结构简单，无需齿轮变速传动机构，但其体积大、质量大、成本高。,外转子电动轮,2.2 驱动电机及其控制系统,2.2.1 电机类型 2.2.2 电机性能要求与选用 2.2.3 直流电机 2.2.4 感应电机 2.2.5 永磁电机 2.2.6 开关磁阻电机 2.2.7 各种电机的比较,2.2.1 电机类型,驱动电机的基本类型,直流,交流,特种,直流电机,异步电机,同步电机,鼠笼式感应电机,永磁电机,同步磁阻电机,开关磁阻电机,其它特种电机,永磁无刷电机,永磁同步电机,绕线式感应电机,2.2.2 电机性能要求与选用,对电动汽车用驱动电机的基本要求 较大范围的调速性能。 高效率，低损耗。 在车辆减速时实现制动能量回收并反馈蓄电池。 电动机的质量、各种控制装置的质量和冷却系统的质量等尽可能小。 对电气系统安全性和控制系统的安全性，都必须符合国家(或国际)有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定，装置高压保护设备。 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。 结构简单，适合大批量生产，运行噪声低，使用维修方便，价格便宜等。,2.2.2 电机性能要求与选用,电动车用电机的选用 采用技术成熟，性能可靠，控制方便和价格便宜的电机，如感应电机和永磁电机。 电机在低速时应具有大的转矩和超载能力，过载系数应达到34；在高速运转时，应具有大的功率和有较宽阔的恒功率范围。 有足够的动力性能克服各种行驶阻力，保证电动汽车有良好的起动、加速性能和行驶速度及实现制动能量回收。,电机驱动力与电动车行驶阻力平衡图,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,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。,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。,2.2.7 各种电机的比较,驱动电机的基本性能比较,“十五”863计划电动汽车重大专项成果展示 电动汽车用电机及控制系统,课外作业1,比较各种驱动电机的性能优缺点。,2.3 蓄电池结构及性能,2.3.1 性能参数 2.3.2 工作原理 2.3.3 类型 2.3.4 铅酸电池 2.3.5 镍基电池 2.3.6 金属空气电池 2.3.7 钠-电池 2.3.8 常温锂电池 2.3.9 各种电池的比较 2.3.10 超级电容 2.3.11飞轮电池,2.3.1 性能参数,能量(Wh)= u(t)工作电压(V)；i(t)放电电流(A)；t放电时间(h) 容量(Ah)= 截止电压 蓄电池放电曲线拐点对应的工作电压。蓄电池工作电压不应低于该值，此时蓄电池放电深度DOD (Deepness Of Discharge)达到100%。,放电电流,开路电压,工作电压,截止电压,蓄电池端电压,0,2.3.1 性能参数,可利用能量和容量 达到蓄电池截至工作电压之前的放电总能量和总容量。 两者通常是放电电流、放电环境温度、电池老化程度的函数。,2.3.1 性能参数,放电率 蓄电池放电电流(A)I=kCn k放电率；C蓄电池的额定容量(Ah)； n与蓄电池额定容量对应的标定放电时间 例 额定容量5Ah的蓄电池以C/5放电率放电，则放电电流为kCn=(1/5)x5=1A。 额定容量10Ah的蓄电池以2A放电，则放电率为I/Cn=(2/10)C=0.2C，即C/5。 随放电率的提高，蓄电池可利用能量和容量降低。在表示蓄电池的可利用能量或容量时，一定要指出放电率。,2.3.1 性能参数,荷电状态SOC (State Of Charge) 定义：剩余容量与总容量的百分比。 用于描述蓄电池的剩余容量。 是蓄电池放电率、工作环境温度和蓄电池老化程度的函数。 理论上： SOC=Cr/Ct100% Cr蓄电池在计算时刻的剩余容量 Ct蓄电池在计算时刻的总容量 由于容量受放电率或放电电流的影响很大，则 实际上： SOCI=CrI/CtI100% SOCI蓄电池以恒流I放电时在计算时刻的SOC CrI蓄电池以恒流I放电时在计算时刻的剩余容量 CtI 蓄电池以恒流I放电时在计算时刻的总容量,2.3.1 性能参数,Peukert方程 蓄电池有效容量与放电电流之间的关系式：CtI=kI(1-n) 其中：n=lg(t2/t1)/lg(I1/I2)；k=I1nt1=I2nt2 I1最高的放电电流； I2最低的放电电流 t1 与I1相对应的放电时间; t2 与I2相对应的放电时间,2.3.1 性能参数,计算SOC的方法 密度法 有些蓄电池电解液密度的变化取决于电解液浓度的变化，相应的会引起SOC变化，密度法适合于测量这些蓄电池。只有在蓄电池稳定后才能用该方法来测量。 开路电压法(OCV) SOC与开路电压有对应关系。该方法只适用于SOC随开路电压变化明显的蓄电池。开路电压需要很长的时间才能稳定(一般12 h)。,铅酸电池SOC与OCV关系曲线图,2.3.1 性能参数,计算SOC的方法 恒定电流电压法 假定负载电流不变，则负载电压与OCV成正比，由此可估计电池SOC。 安培小时法 CtI 蓄电池以恒流I放电时在计算时刻的总容量 t 放电时间,2.3.1 性能参数,比能量( Wh/kg) 定义：单位质量的蓄电池所具有的能量，即蓄电池的质量能量密度。 影响电动汽车整车质量和续驶里程的重要指标。 能量密度(Wh/L) 定义：单位体积的蓄电池所具有的能量，即蓄电池的体积能量密度。 只影响蓄电池的布置空间。 蓄电池比能量和能量密度与蓄电池的放电率有关。,2.3.1 性能参数,比功率(W/kg) 定义：单位质量的蓄电池所具有的输出能量的速率，即质量比功率。 影响电动汽车加速和爬坡能力等动力性的重要指标。 与蓄电池放电深度DOD密切相关，在表示蓄电池比功率时要指出蓄电池DOD 。 功率密度(W/L) 定义：单位体积的蓄电池所具有的输出能量的速率，即体积比功率。,2.3.1 性能参数,能量效率 定义：放电过程的输出电能与充电过程的输入电能的百分比。 蓄电池能量效率通常为55%75%。 电量效率 定义：蓄电池放电Ah数与充电Ah数的百分比。 蓄电池电量效率通常为65%90%。,2.3.1 性能参数,循环寿命 定义：蓄电池失效前所允许的深放电次数。 受蓄电池放电深度DOD的影响，放电深度越大，循环寿命越短。表示循环寿命时要同时指出放电深度DOD，如：蓄电池循环寿命400次100%DOD或1000次50%DOD。 成本 包括初始的生产成本和使用过程中的维护使用成本。初始成本具有决定意义，目前初始成本约为1201200US$/kWh (9609600RMB/kWh)。 正是因为成本问题使电动汽车不能与燃油车竞争。,2.3.1 性能参数,对蓄电池性能的要求 高比能量满足车辆续驶里程的要求。 高比功率满足车辆动力性的要求。 与车辆使用寿命相当的循环寿命。 高效率。 良好的性能价格比。 免维护。 充放电性能适合车辆使用要求。 蓄电池是纯电动汽车发展的制约因素。,2.3.2 工作原理,多个单体电池串联组成蓄电池。 电化学电池单体的基本工作原理 电池正极和负极都浸在电解液中。 放电：负极发生氧化反应，向外电路释放电子；正极发生还原反应，从外电路得到电子。 充电：与放电过程正好相反，负极得到电子发生还原反应；正极失去电子发生氧化反应。,2.3.3 类型,类型 铅酸电池 阀控铅酸电池(VRLA) (2V) 镍基电池 镍镉电池(Ni-Cd) (1.2V) 镍锌电池(Ni-Zn) (1.6V) 镍氢电池(Ni-MH) (1.2V) 金属空气电池 锌空气电池(Zn/Air) (1.2V) 铝空气电池(Al/Air) (1.4V) 钠-电池 钠硫电池(Na/S) (2V) 钠镍氯化物电池(Na/NiCl2) (2.5V) 常温锂电池 锂聚合物电池(Li-Polymer) (3V) 锂离子电池(Li-Ion ),2.3.4 铅酸电池,性能 单体额定电压2V，比能量35Wh/kg，比功率200W/kg。 化学反应式 Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 采用金属铅Pb作负电极，二氧化铅PbO2作正电极，用硫酸H2SO4作电解液，为酸性蓄电池。 阀控铅酸电池VRLA 密封、免维护、不漏液。典型代表为Electrosource公司的Horizon电池。,2.3.4 铅酸电池,优点 技术可靠，生产工艺成熟，成本低，单体电池电压高，适合电动汽车使用的良好的大电流输出性能，良好的高温和低温性能，高的能量效率(75%80%)以及多种多样的型号和尺寸。 缺点 比能量和能量密度都比较低(通常为35Wh/kg和70Wh/L)，自放电率较高(每天降低1%环境温度25)，循环寿命相对较低(约为500次)，由于硫酸腐蚀电极不便于长期储存等。,2.3.5 镍基电池,Ni-Cd电池 性能 单体额定电压1.2V，比能量56Wh/kg,比功率225W/kg。 化学反应式 Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2 采用金属Cd作负极，NiOOH作正极，用碱性KOH溶液作电解液，为碱性蓄电池。,2.3.5 镍基电池,Ni-Cd电池 优点 比功率高于220W/kg，循环使用寿命高达2000次，抗电流冲击能力强，机械强度高，在相当大的放电电流范围内都具有比较平滑的电压曲线，良好的快速充电能力(18min内达电池容量的40%80%)，较宽的工作温度范围(-40 85)，自放电率小(0.5%每天)，优越的长期使用能力(电解液对电极的腐蚀作用可以忽略)以及较宽的尺寸和容量选择范围等。 缺点 生产成本高(为铅酸电池的24倍)，具有记忆效应，相对较低的电池电压以及金属镉具有致癌性等。,2.3.5 镍基电池,Ni-Zn电池 性能 单体额定电压1.6V,比能量60Wh/kg,比功率300W/kg。 化学反应式 Zn+2NiOOH+2H2O Zn(OH)2+2Ni(OH)2 采用锌作负极，NiOOH作正极，用碱性KOH溶液作电解液，为碱性蓄电池。,2.3.5 镍基电池,Ni-Zn电池 优点 比能量高，比功率高，电池单体电压高，设计成本低，无毒性，允许过充电和深度放电，可以大的放电率充/放电，工作温度范围宽(-2060)等。 缺点 致命弱点是循环寿命短(大约仅为300次)。,2.3.5 镍基电池,Ni-MH电池 性能 单体额定电压1.2V，比能量65Wh/kg,比功率200W/kg。 化学反应式 MH+NiOOH M+2Ni(OH)2 采用金属氢化物MH作负极，NiOOH作正极，用碱性KOH溶液作电解液，为碱性蓄电池。,2.3.5 镍基电池,Ni-MH电池 优点 高于其它任何镍基电池的比能量和能量密度，环保 (无镉)，平坦的放电曲线和快速充电性能(与Ni-Cd电池类似)。 缺点 初始成本高，有记忆效应，充电发热等。 前景 满足电动汽车使用的近期目标。众多电池生产厂家，如GM Ovonic、GP、 GS、Panasonic、SAFT、VARTA和YUASA等都致力于开发电动汽车用Ni-MH电池。,2.3.6 金属空气电池,特点 采用金属负电极和空气正电极；具有很大的潜力提高比能量和能量密度。 充电方式 电力充电方式：需要一个附加电极维持氧化作用或采用一个双功能电极以允许氧气的减少。 机械充电方式：采用更换金属电极的方法。 充电过程包括四步：(1)打开已放完电的电极盒，取出放电反应废物氧化锌或氧化铝；(2) 把氧化锌或氧化铝溶于氢氧化钾溶液中形成锌酸盐或铝酸盐；(3)电解锌酸盐或铝酸盐溶液；(4)将电解产生的锌粒或铝粒重新装入电极盒中。,2.3.6 金属空气电池,优点 高比能量和能量密度、低价格(采用了常用金属材料和空气)、环保、平坦的放电曲线以及与负载和工作温度无关的容量特性。机械充电方式采用加料方式实现了快速充电(与燃油车的加油方式相似)，集中充电/回收方式实现了高效环保的利用电能。 缺点 比功率低、工作温度范围有限、空气中的二氧化碳溶于水生成碳酸中和碱性电解液并释放氢气等。 利用金属空气电池比能量和能量密度高的优点，与其它类型电池(如高比功率的铅酸电池)组合作为动力电源，可延长车辆续驶里程。,2.3.6 金属空气电池,Zn空气电池 性能 单体额定电压1.2V，比能量180Wh/kg,比功率95W/kg。 化学反应式 2Zn+O2 2ZnO 采用金属Zn作负极，O2作正极，用碱性KOH溶液作电解液，为碱性蓄电池。,2.3.6 金属空气电池,Al空气电池 性能 单体额定电压1.4V,比能量250Wh/kg,比功率7W/kg。 化学反应式 4Al+3O2+6H2O 4Al(OH)3 采用金属Al作负极，O2作正极，用碱性KOH溶液或盐溶液作电解液，为碱性蓄电池。,2.3.7 钠-电池,Na/S电池 性能 单体额定电压2V,比能量170Wh/kg,比功率390W/kg,工作温度范围300350。 化学反应式 2Na+xS Na2Sx (x=52.7) 采用熔铸钠作负极，熔铸钠多硫化合物作正极，用陶瓷-Al2O3作电解液。,2.3.7 钠-电池,Na/S电池 优点 高的比能量、比功率，80%的能量效率，灵活的工作特性和对环境条件改变不敏感。 缺点 安全问题(熔铸活性物质具有腐蚀性并且反应活跃)，冻结解冻耐久力技术未得到解决陶瓷电解液机械强度不够)，需要对热进行管理(多余能量和发热的隔离)等。,2.3.7 钠-电池,Na/NiCl2电池 性能 单体额定电压2.5V,比能量86Wh/kg,比功率150W/kg,工作温度范围250350。 化学反应式 2Na+NiCl2 Ni+2NaCl 采用熔铸钠作负极，固体镍氯化物作正极，用陶瓷-Al2O3和钠铝氯化物作电解液。,2.3.7 钠-电池,Na/NiCl2电池 优点 更高的开路电压、更宽的工作温度范围、化学反应物的安全性更好、更加可靠的失效模式、更好的耐冻结解冻能力(更小的温度差)。 缺点 成本高的难题(镍成本较高)，比功率低。,2.3.7 钠-电池,Na/NiCl2电池 性能 单体额定电压2.5V,比能量86Wh/kg,比功率150W/kg,工作温度范围250350。 化学反应式 2Na+NiCl2 Ni+2NaCl 采用熔铸钠作负极，固体镍氯化物作正极，用陶瓷-Al2O3和钠铝氯化物作电解液。,2.3.8 常温锂电池,Li聚合物电池 性能 单体额定电压3V,比能量155Wh/kg,比功率315W/kg。 化学反应式 xLi+MyOz LixMyOz 采用金属锂作负极，过渡金属氧化物MyOz作正极，固态薄层电解液(SPE) 。,2.3.8 常温锂电池,Li聚合物电池 优点 电池单体电压高(3 V)、比能量和能量密度高、自放电率低(0.5%/月)、形状和尺寸多变，并且达到了安全设计(降低了锂和固态电解液的活性)。 缺点 低温性能较差。,2.3.8 常温锂电池,Li-Ion电池 类型 镍基、钴基、锰基(主要发展类型)Li-Ion电池 性能 镍基单体额定电压4V,比能量120Wh/kg,比功率260W/kg. 化学反应式 LixC+Li1-xMyOz C+LiMyOz 采用锂碳化合物LixC作负极，锂化过渡金属氧化物 Li1-xMyOz作正极，液体有机溶液或固体聚合物作电解液.,2.3.8 常温锂电池,Li-Ion电池 优点 高电池单体电压，高比能量和能量密度、非常可靠的设计(没有使用金属锂)，长循环寿命(约1000次)。 缺点 自放电率高 (10%/月)。,2.3.9 各种电池的比较,比较:性能参数 a:C/3放电率;b:80%DOD;c:机械充电方式;d:仅供参考;NA:没有数据,2.3.9 各种电池的比较,比较：特点,2.3.9 各种电池的比较,比较：特点,“十五”863计划电动汽车重大专项成果展示 镍氢电池项目,“十五”863计划电动汽车重大专项成果展示 电动汽车电池测试基地软、硬件建设初具规模,课外作业2,比较各种动力蓄电池的性能优缺点。,2.3.10 超级电容,双层电容 双层电容技术是实现超级电容的主要措施。 当在电容器电极上加上电压时，由于电解质分子的趋耦和排列作用，在两电极的表面形成一个双层电容。电容器的这种极化作用可以储存电能。 电极：使用碳金属纤维复合物或在碳纤维布料上涂导电聚合物以及采用在金属箔上包裹金属氧化物作为电极。 电解液：水有机溶液或固态聚合物等。 能量转换：电能电位能电能,2.3.10 超级电容,电容器的电容量C和电能量E C=A/d；E=CU2/2 有效电介质常数；d间隙距离；A电极表面积； U外加电压 使用高的电介质材料，缩短分层间距d，增加电极表面积A可提高电容器的电容量C。 特点 很高的比功率，但极低的比能量，故不可单独用作电动汽车能量源。 作电动汽车辅助能量源起载荷均衡和制动能量回收作用. 成本高。 最佳组合为电池&超级电容混合能量系统，从而使得电动汽车对电池的比能量和比功率要求分离。,2.3.11 飞轮电池,结构 转子(飞轮)：复合材料；等应力设计，外形随转子半径增加厚度递减。 电机：永磁无刷，高能量密度，高效率，内部不产生热量。 轴承：磁性轴承，无机械接触，减小摩擦损耗。 真空室：减小风摩损耗。 外壳,2.3.11 飞轮电池,飞轮储能E E=J2/2 J转动惯量；飞轮转速 超高速飞轮质量轻而转速极高，储能量大，但受飞轮转子材料抗张强度的限制，飞轮转速不能无限提高。 能量转换 电能机械能电能 主要技术 能承受超高速运行的高强度飞轮。 能将电能和机械能进行高效双向转换的电动机和功率变换器。,2.3.11 飞轮电池,优点 高比能量、高比功率、长循环寿命、高能量效率、能快速充电、免维护和良好的性能价格比。 缺点 用作电动汽车的储能装置面临两大问题： 陀螺力矩：当车辆转弯或产生颠簸偏离直线行驶时，飞轮将会产生陀螺力矩，陀螺力矩将严重影响车辆的操纵性能。 故障抑制：若飞轮出现故障，以机械能形式存储在飞轮中的能量就会在短时间内释放出来，产生的大功率输出将对车辆产生巨大破坏。,2.3.11 飞轮电池,在电动汽车中的应用 辅助能量源 在混合储能系统中，作主能源的负载均衡装置，在车辆匀速行驶和再生制动时以机械形式实施充电储能，在车辆启动、加速或爬坡时进行发电并输出峰值功率。 单独用作电动汽车的能量源。,2.4 电动汽车能量管理系统,蓄电池的充放电管理 蓄电池管理系统具有保护和诊断蓄电池的作用。 防止蓄电池过电流放电(放电电流大于最大允许放电 电流) 防止欠电压放电(放电过程中蓄电池电压低于截止电压) 防止过电流充电(充电电流高于允许的最大充电电流) 防止过电压充电(充电过程中蓄电池电压高于发泡电压) 上述限定值随着蓄电池类型、样式、充放电电流、工作温度和蓄电池老化程度不同而有所变化。,2.4 电动汽车能量管理系统,实现单体电池均衡的方法 均衡充电法 采用脉冲电流将所有电池都充满，这种方法适用于所有种类蓄电池的正常充电。 分流电路法 当电池组充满时，分流电路就会分流对应的充电电流，这种方法适于蓄电池的快充，而且对过充敏感的电池如锂离子电池尤为重要。,2.4 电动汽车能量管理系统,实现单体电池均衡的方法 开关电容平衡器法 开关电容平衡器的作用是平衡所有电池组之间的电压。平衡器由与电池组并联的电容器和用于改变电容器与电池组连接关系的开关电路组成。如果电池组1的电压比电池组2的电压高，电容器就会与电池组1连接，这样电容器就会被充电直到与电池组1的电压相等；接着电容器与电池组1断开连接，与电池组2连接上，电容器给电池组2充电，直到电池组2的电压与电容器的电压相等。重复以上过程则两个电池组的电压会逐渐接近，最后达到电压的平衡。,2.4 电动汽车能量管理系统,蓄电池的温度管理 在蓄电池的充放电过程中将电池组的温度保持在正常的工作温度变化范围内。 冷却后或者加热后的空气进人到电池块之间的空隙中，然后从电池托盘底部的缝隙中吹出来。根据蓄电池的温度控制风扇转速可减少能量消耗。,2.4 电动汽车能量管理系统,能量传递 EV由动力电池组提供直流电源，直流电经过控制器、逆变器等电子控制装置，转换成三相交流电来驱动电动机，然后通过减速器、驱动桥和车轮驱动车辆行驶。 能量损耗 在电能输送和转换过程中，有各种电能损耗。 在机械驱动系统中，有各种机械损耗。 电动机输出驱动功率=EV行驶时克服各种阻力功率+能量损耗功率，才能保证EV正常行驶。,2.4 电动汽车能量管理系统,再生制动 制动时，驱动轮通过传动系带动以发电机状态工作的电机发电向动力电池充电，从而将车辆制动时的动能转换为电能回收存储在动力电池中。 但再生制动回收的能量是不确定因数，因此不能作为EV可靠稳定的能量来源参与动力性能计算，一般只能有助于延长续驶里程。,2.4 电动汽车能量管理系统,EV能量传递和能量损耗流程,动力电池组,驱动电动机,传动系统,驱动轮,控制装置,电能,电能,机械能,机械能,内阻损耗,导线损耗,导线损耗,机械损耗,机械损耗,滚动阻力,空气阻力,爬坡阻力,加速阻力,调控功率损耗,能量转换损耗,制动能量反馈,铜损铁损,摩擦损耗,机械损耗,2.5 电动汽车车辆管理系统,EV三个子系统 1. 电力驱动与传动子系统：由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成。 2. 能源子系统：由主电源、能量管理系统和充电系统组成。 3. 辅助子系统：具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。,2.5 电动汽车车辆管理系统,EV车辆管理 驱动：根据从加速踏板的输入信号进行驱动，电控单元发出相应的控制指令来控制功率转换器功率装置的通断，调节电动机和电源之间的功率流。 制动：根据从制动踏板的输入信号进行制动，能量管理系统和电控系统共同控制再生制动及其能量的回收。 充电：能量管理系统和充电器共同控制充电并监测电源状况。 辅助动力供给：主电源供给EV辅助系统不同等级的电压并提供必要的动力，主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。 转向：转向盘输入是一个重要的输入信号，动力转向系统根据转向盘的角位置决定汽车的转向。,2.5 电动汽车车辆管理系统,EV车辆管理图,电控单元,功率转换器,电动机,机械传动装置,能量管理 系统,动力电池,辅助动力源,动力转向 系统,充电器,空调,转向盘,加速踏板,制动踏板,电力驱动与传动子系统,能源子系统,交流电源,辅助子系统,控制信号线连接,机械连接,电气连接,2.6 纯电动汽车实例分析,EV实车,DaimlerChrysler Smart Fortwo,GEM light EVs,Bluecar,Panda EV by MES-DEA,The Modec,Heuliez-Dassault SVE Cleanova,2.6 纯电动汽车实例分析,EV实车,EFFEDI Maranello4,AIXAM Mega City,Nissan Hypermini (2000),2.6 纯电动汽车实例分析,EV实车 国产纯电动轿车,“十五”863计划电动汽车重大专项成果展示 纯电动轿车项目通过科技部验收,2.6 纯电动汽车实例分析,EV实车 国产纯电动轿车 国产纯电动轻型客车,2.6 纯电动汽车实例分析,EV实车 国产纯电动概念车,2.6 纯电动汽车实例分析,EV实车 国产纯电动客车,“十五”863计划电动汽车重大专项成果展示 纯电动客车开发取得突破进展,2.6 纯电动汽车实例分析,“十一五”863计划节能与新能源汽车重大项目纯电动乘用车样车技术指标要求。,*工况法、不带空调或电暖气,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 1996年9月，日本丰田汽车公司研制了RAV4-EV纯电动车样车，1997年10月又推出了其改型车。 该车是 “零污染”和低维护的实用型EV,已在美国批量销售。,带蓄电池拖车，延长续驶里程,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车,结构简图,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车,总布置图 1-动力电池组; 2-减速器; 3-动力控制组件; 4-空调压缩机; 5-DC/DC转换器; 6-制动器用电动真空泵; 7-驱动电动机; 8-辅助电池; 9-继电器,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 1. 技术性能参数,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 2.动力系统 (1)动力电池组 免维护密封型Ni-MH动力电池组，由240节1.2V电池串联。 采用强制性空气冷却，冷却风扇装在动力电池组的前部，对动力电池组的温度进行控制。 动力电池组装在底盘中部和座椅的地板下面，可保证车厢有宽大的乘坐空间。 (2)充电器 车载充电器可随时随地在有电源处进行充电，给用户带来很大方便。,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 3.驱动系统 采用永磁电动机，效率高，体积小。 电动机前置驱动桥前置，传动装置效率高，体积小，质量轻。 制动时，电动机转换为发电机，将制动能量回收，并转化为电能储存到动力电池组中。 驱动电动机的各种工况全部由动力控制组件调节与转换。,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 3.驱动系统,电动机驱动桥整体式驱动系统 1-电动机外壳; 2-电动机空心轴和右驱动轴; 3-电动机转子; 4-驱动桥差速器; 5-左驱动半轴,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 4. 操纵装置 加速踏板、制动踏板的机械位移量转换为电信号，输送到中央控制器中对整车进行控制。,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 5. 控制系统 (1)控制装置 电池管理系统模块对动力电池组的电流、电压和剩余电量进行检测与控制，并控制和调整充电时和再生制动时回收反馈电能的电压与电流，对动力电池组进行自检和报警。 动力电池组的高压直流电通过逆变器转换为三相交流电驱动电动机运转。 动力电池组还向空调系统的压缩机、制动系统的电动真空泵等提供电能，通过DC/DC电流转换器，将动力电池组的高压直流电转换为12V低压直流电，为仪表、照明和车身附件提供电能。,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 5. 控制系统 (2)低压电气系统 动力电池组的电能通过DC/DC转换器，输送到12V辅助电池中，作为车身附件、照明和控制系统的电源。 (3)再生制动能量的回收 制动时，驱动电动机转换为发电机，将再生制动的能量转换为电能，反馈到动力电池组中。 试验表明RAV4-EV电动轿车利用再生制动回收的能量，在高速公路上延长续驶里程可达6%，在平坦路面上延长续驶里程可达25%，在起伏不平路面上延长续驶里程可达35%。,