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第二章_纯电动汽车的基础构成和机闭

纯电动汽车

  

第二章_纯电动汽车的基础构成和机闭

  第二章_纯电动汽车的基本组成和结构_理化生_高中教育_教育专区。现代电动汽车技术 第二章 纯电动汽车的基本组成和结构 主要内容 ? 概述 概念、发展简史、优点、关键技术 ? 纯电动汽车基本结构 ? 纯电动汽车的性能 ? 纯电动汽车的设计 一、概述 1)电动 现代电动汽车技术 第二章 纯电动汽车的基本组成和结构 主要内容 ? 概述 概念、发展简史、优点、关键技术 ? 纯电动汽车基本结构 ? 纯电动汽车的性能 ? 纯电动汽车的设计 一、概述 1)电动汽车的概念 所谓的电动汽车就是不使用内燃机而使用电动机作为 驱动装置的汽车。其英文缩写为EV即Electric Vehicle。 电动汽车以电池的电能作为动力,其优点是: 效率高、没有尾气污染、噪声很低、行驶平稳、乘 坐舒适、安全性好及驾驶简单轻便、可使用多种能源、 机械结构多样化等。 2)电动汽车的特点 纯电动汽车和燃油汽车相比的优点 (1)不消耗石油资源,纯电动汽车在运行中不排 放废气,噪声也比内燃机汽车低。 (2)纯电动车具有比内燃机汽车高得多的能量转 换效率。 (3)纯电动汽车运行中消耗的电能可由多种能源 转化。 (4)纯电动汽车可以充分利用夜间电网低谷为电 池充电,避免了电能的浪费。 (5)纯电动汽车能够实现更好的控制性能,包括 运动控制、舒适性、故障诊断等,同时可以更容 易地实现智能化交通管理。 纯电动汽车也具有以下缺点: (1)低的电池能量密度。 (2)过重的电池组。 (3)有限的续驶里程与汽车动力性能。 (4)电池组昂贵的价格及有限的循环 寿命。 (5)汽车附件的使用受到限制。 二、纯电动汽车基本结构 ? 电动汽车系统可分为三个子系统: ? 电动机驱动子系统 ? 由车辆控制器、电力电子变换器、电机、机械传动 装置和驱动车轮组成 ? 能源子系统 ? 由能源、能量管理单元和能量的燃料供给单元构成 ? 辅助子系统 ? 由功率控制单元、车内气候控制单元和辅助电源组 成 纯电动汽车的结构 ? 车辆控制器发出相应的控 制动 电动机驱动子系统 制指令来控制电力电子变换 踏板 器的功率装置的通断 车辆控制器 电力电子 变换器 加速踏板 ? 功率转换器的功能是调节 电机和电源之间的功率流 ? 能量管理系统和车辆控制 能量管理单 元 能源 器一起控制再生制动及其能 量的回收,能量管理系统和 能量的燃料 供给单元 电机 辅助电源 温度控制单 元 车轮 机械传动装置 车轮 功率控制 单元 方向盘 充电器一同控制充电并监测 电源的使用情况 能源子系统 辅助子系统 ? 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 能源 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 典型纯电动汽车的基本结构 制动踏板 电驱动子系统 电子控制器 三相PWM转换 器 加速踏板 三相感应电 机 车轮 固定速比变速 器和差速器 车轮 能量管理系 统 镍氢电池 辅助动力 源 动力转向 系统 方向盘 蓄电池充电 器 冷风和暖气 能源子系统 辅助子系统 交流电源 奥运纯电动客车构型 纯电动汽车的结构形式 C M M GB D M GB D FG D FG M FG M M M FG M FG M C:离合器; D: 差速器;FG: 固定速比 变速箱;GB: 变速箱;M: 电机 纯电动汽车的结构形式 C M GB D AMT AT CVT DSG a)配置多档传动装置和离合器的传统驱动系 纯电动汽车的结构形式 M GB D b)无离合器需求的单档传动装置 借助于电动机在大范围转速变化中所具有的恒功率特性,可用固定档 的齿轮传动装置替代多档变速箱,并缩减了对离合器的需要。减小机 械传动装置的尺寸和重量,且不需要换挡,简化驱动系的控制。 纯电动汽车的结构形式 M FG D c)固定档的传动装置和差速器的集成 纯电动汽车的结构形式 FG M M FG d)两个独立的电动机和带有驱动轴的固定档传动装置 差速器被两个牵引电动机所替代。双侧独立驱动,转向 则通过控制两个电机以不同的转速运转来实现。 纯电动汽车的结构形式 电机安装在车轮内— —轮式驱动。一个薄 型的行星齿轮组可用 以降低电机转速,增 大转矩。 该薄型行星齿轮组具 有高减速比,以及输 入输出轴纵向配置的 优点。 FG M M FG e)配置两个独立电动机和固 定档传动装置的直接驱动 纯电动汽车的结构形式 M M f)两个分离的轮式驱动形式 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 低速外转子电机 轮毂电机驱动 高速内转子电机: 必须装固定速比 的减速器来降低 车速。 制动鼓 电机绕组 PM PM 电机绕组 制动鼓 轮胎 轮辐 车轮 轴承 行星齿轮 编码器 轴承 车轮 轮辐 轮胎 轮毂电机驱动 低速外转子电机:可 轮胎 轮辐 以完全去掉变速装置, PM 外转子就安装在车轮 制动鼓 电机绕组 车轮 轮缘上,而且电机转 编码器 轴承 速和车轮转速相等, 因而就不需要减速装 轴承 置。但它是以低速电 制动鼓 车轮 电机绕组 机的体积、重量和成 PM 本为代价的。 轮辐 轮胎 四轮轮毂电机驱动 清华研制的四轮独立驱动微型电动轿 车 纯电动汽车的传动装置 ? 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 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 ?变速器噪声 ?输出端符合无轨电车附加 绝缘连接标准 电机与AMT传动 传统车AMT系统组成 自动离合器 齿轮式机械变速器 电子控制系统 电机与AMT传动 控制单元输入: 驾驶员意图——加速踏板, 制动踏板,档位的选择; 汽车的工作状态——发动机 转速、节气门开度、车速等。 控制单元根据换挡规律、 离合器控制规律、发动机 节气门自适应调节规律产 生的输出,对节气门开度、 离合器、换挡操作三者进 行综合控制,有效配合。 电机与AMT控制系统 驾 加速信号 驶 制动信号 整车控 员 …… 制器 电机 电机控 制器 AMT 车轮 AMT控 制器 CAN Bus 250K 电机——AMT控制系统组成 电机与AMT控制系统 换挡过程中电机工作模式及控制策略 换挡过程 电机工作模式 控制策略 换挡前 转矩模式 根据踏板信号输出目标力矩 摘空挡 自由模式 目标力矩为0,洒水车消防车型号规格!电机自由旋转 等待同步 调速模式 给定目标转速 换挡操作 自由模式 目标力矩为0,电机自由旋转 换挡完成 转矩模式 根据踏板信号输出目标力矩 电机与AMT控制系统 ?优点:AMT的系统集成性好,容易布置, 开发时间短,成本低,省油。一般用于重 型汽车及城市公交车上,如环卫车、奥运 大客车等。 ?缺点:AMT会因挡位变动引起换挡过程 中动力中断,车辆失速快,冲击大,同时, 由于AMT控制策略与电机配合的问题,可 能出现掉挡、换挡失败及其它机械故障等 问题! 电机与AMT控制系统 传统手动箱动力传动系统 效率匹配曲线 AMT动力传动系统效率匹 配曲线 电机与AT传动 AT传动系统指液力变 矩器加行星齿轮变速 器自动变速系统。 工作原理:通过自动操 纵系统控制与行星齿轮传 动各构件相连接的离合器 和制动器来实现AT的档位 切换。 组成:变矩器、机械式变 速器和电子液压控制系统 电机与AT传动 液力变矩器的转矩变化范围较小。 用液力变矩器的无因次特性表征其特性。 变矩比K,效率及泵轮转矩系数随速比i变化的规律。 电机与AT传动 AT液力机械变速器 优点:简化操作、起 步平稳,动力换挡, 技术成熟可靠,应用 范围大 缺点:结构复杂,制 造困难,造价高,传 动效率低,油耗大。 电机与CVT传动 CVT 机械式无级变速器: 采用传动带和工作直径 可变的主从动轮相配合 来传递动力,可以实现 传动比的连续改变,从 而得到传动系与发动机 工况的最佳匹配。 主动带轮 固定锥盘 从动带轮 可动锥盘 从动带轮油缸 主动带轮 可动锥盘 主动带轮油缸 从动带轮 固定锥盘 电机与CVT传动 优点: 1.结构简单,体积小,零件少; 2. 它的工作速比范围宽,容易形成理 想的匹配; 3. 具有较高的传送效率,功率损失少, 经济性高。 缺点: 传动带容易损坏,无法承受较大的载 荷等。 应用在小排量、低功率的汽车上。 电机与DSG传动 DSG双离合器变速箱:一台电子控制的 手动变速箱装有两套自动控制的离合器。 电机与DSG传动 DSG装有两根同轴心的传 动轴:内置的实心传动轴 和外套的空心传动轴。内 置传动轴连接了1、3、5 及倒挡,而外套的空心传 动轴则连接2、4及6挡, 两套离合器各自负责一根 传动轴的啮合动作,动力 便会由其中一根传动轴作 出无间断的传送。 电机与DSG传动 在某一档位时,离合器1结合,对应的一组齿轮咬合输出动力, 在接近换挡时,下一组齿轮已被预选,而与之相连的离合器2 仍处于分离状态; 在换位时,处于工作状态的离合器1分离,将使用中的齿轮脱 离动力,同时离合器2咬合已被预选的齿轮,进入下一档。 在整个换挡期间两组离合器轮流工作,确保最少有一组齿轮 输出动力,两者的切换在瞬间同时完成。 电机与DSG传动 DSG的换挡速度要比AT或AMT还快。既有像 手动档一样的直接输出,又省去了手动档进 退档动作所需的时间,动力响应极快,机械 转换效率高。 优点:动力传输连贯,效率较高 缺点:结构复杂,制造成本较高 电机与DSG传动 大众汽车六档DSG视频文件 变速箱特性比较 电动汽车的能源结构形式 B:蓄电池; P: 功率转换器 BP 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 所选用的蓄电池应该能 提供足够高的比能量和 比功率 B P B 电动汽车的能源结构形式 B:蓄电池; FC: 燃料电池 P: 功率转换器 R: 重整器 R FC P B 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 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 FC P B 电动汽车的能源结构形式 B:蓄电池;C: 电容器 FW: 超高速飞轮 P: 功率转换器 B P CP 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AC/DC转换器。 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 B P FW P 三、纯电动汽车的性能 ? 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。 牵引电动机的特性 ? ??Tp ? ? ?? T ? ? 9549? 9549? Pp Nn Pp n ?n ? Nn ? ?n ? Nn ? 牵引电动机的特性 效率 功率/kW 转矩/Nm 100 150 800 700 120 90 600 90 500 80 400 60 300 70 200 30 100 60 转矩 功率 效率 0 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 转速/r/min 牵引电动机的效率特性 电动汽车的驱动力 ? 电动汽车的的驱动力: M t ? Tmigi0?t Ft ? Mt rd ? Tmigi0?t rd 式中:Ft——驱动力(N); Tm——电动机输出转矩(N·m); ig——减速器或者变速箱传动比; io——主减速器传动比; ηt——电动汽车机械传动效率; rd——驱动轮半径(m)。 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: Ft ? Ff ? Fw ? Fi ? Fj 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能到达的的 Vmax ? 0.377 nmax ? rd ig i0 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。 dv dt ? g ?G (Ft ? Ffw ) ? 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。 i ? Ft ? Ffw G 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 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,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6~12%。 ? 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。 纯电动汽车燃料经济性 电动汽车在动力蓄电池完全充电状态下 以一定的行驶工况,能连续行驶的最大 距离,单位为km. 能量消耗率(Energy Consumption) :电 动汽车经过规定的试验循环后对动力蓄 电池重新充电至试验前的容量,从电网 上得到的电能除以行驶里程所得到的数 值,单位为Wh/km; 纯电动汽车燃料经济性 比能量消耗率:电动汽车能量消耗率与 整车质量的比值,单位为Wh/(km×ton) 能量经济性:电动汽车以各种预定行驶 规范达到的续驶里程与蓄电池再充电恢 复到原有的充电状态所需要的交流电能 量之比。单位:km/kWh ac 纯电动汽车燃料经济性 ? 工况续驶里程: S ? EB ? ? EB ? e m?e0 电动汽车单位里程的能耗在0.11~1.07Wh/km 范围内变化。 电动汽车比能耗在0.035~0.11kWh/(km ton)范 围内变化 国内外电动汽车比能耗与续驶里程的统计数据 车型 Impact G型厢式电动汽车 U.S电动轿车 大发HJ-IET IZA 华利微型电动汽车 清华号电动汽车 华联“HL-42” 华联“HL-61” 北京市大通道电车 电池国家标准 美国加州试验结果 奥地利150辆电动汽车试验结果 YW61200DD电动大客车 (40km/h等速) BJD6100EV电动公交车 (40km/h 等速) 总质量/kg 1345 3530 16420 1395 1573 1420 1290 1378 4560 16000~18000 16000~18000 总能量/kWh 16.2 33.55 130 14.4 28.8 14.4 14.4 17.2 42.2 90① 115① 16980 15610 110 113.03 续驶里程/km 95 97.6 120.7 100 548 90 100 156 156~128 100 100 能耗/(kWh/km) 0.145 0.344 1.077 0.144 0.05260 0.16 0.144 0.11 0.27~0.19 0.9 1.15 0.15~0.22 0.132~0.294 0.134~0.25 165.2 0.665 168 0.672 比能耗/(kWh/km·t) 0.107 0.097 0.066 0.103 0.035 0.113 0.11 0.08 0.04~0.06 0.05~0.06 0.064~0.072 0.039 0.043 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4~5%。电动汽车在这种路面上 行驶时,车速一般为60~100Km/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。电动轿车的最高车速一般选为80~ 100Km/h,电动大客车的最高车速一般为75~90Km/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1.4~1.8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18~27%比较合适(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。 四、纯电动汽车的设计 1、确定总体参数 (1)估算整车总质量 (2) 确定电机的性能 (3)选定电池 (4)确定底盘及车身的特征参数 2、整车动力性能的设计计算 3、确定零部件基本参数 4、辅助系统设计(转向、制动、控制等) 5、零部件的准备 6、工厂装配 7、整车及零部件调试 8、试验 练习题: 请设计一轻型纯电动汽车, 主要用途:中大型城市家用上 下班交通工具。 谢谢大家! 每讲一帖 习勤忘劳,习逸成惰。

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