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1、第二章纯电动汽车的基本组成和结构现代电动汽车技术主要内容n概述概念、发展简史、优点、关键技术n纯电动汽车基本结构n纯电动汽车的性能n纯电动汽车的设计一、概述一、概述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ElectricVehicle。电动汽车以电池的电能作为动力，其优点是:1）电动汽车的概念）电动汽车的概念效率高、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。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）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
2、低。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）纯电动车具有比内燃机汽车高得多的能量转能量转换效率换效率。（3）纯电动汽车运行中消耗的电能可由多种能源）纯电动汽车运行中消耗的电能可由多种能源转化。转化。（4）纯电动汽车可以充分利用夜间电网低谷为电）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。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）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。易地实现智能化交通管理。2）电动汽车的特点）
3、电动汽车的特点纯电动汽车也具有以下缺点：（1）低的电池能量密度。）低的电池能量密度。（2）过重的电池组。）过重的电池组。（3）有限的续驶里程与汽车动力性能。）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）电池组昂贵的价格及有限的循环寿命。寿命。（5）汽车附件的使用受到限制。）汽车附件的使用受到限制。二、纯电动汽车基本结构二、纯电动汽车基本结构n电动汽车系统可分为三个子系统：n电动机驱动子系统n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n能源子系统n由能源、能量管理单元和能量的燃料供给单元构成n辅助子系统n由功率控制单元、车内气候控制单元和辅助电源组成纯电
4、动汽车的结构n车辆控制器发出相应的控制指令来控制电力电子变换器的功率装置的通断n功率转换器的功能是调节电机和电源之间的功率流n能量管理系统和车辆控制器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n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纯电动汽车的基本结构奥运纯电动客车构型纯电动汽车的结构形式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a）配置多档传动装置和离合器的传统驱动系AMTATCVTDSG纯电动汽车的结构形式b）无离
5、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e）配置两个独立电动机和固定档传动装置的直接驱动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
6、向配置的优点。纯电动汽车的结构形式f）两个分离的轮式驱动形式轮毂电机驱动n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。轮毂电机驱动低速外转子电机：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。四轮轮毂电机驱动四轮轮毂电机驱动四轮轮毂电机驱动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n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
7、和驱动轮之间需要安装一个机械减速箱或变速箱。n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n额定功率100kwn峰值功率150kwn最高转速4500rpmn冷却方式：风冷三挡变速器n最大输入转矩1100Nm，静扭安全系数2.5n最高输入转速4500rpmn最大输入功率150KWn可靠性达到30万次1100Nm1860rpmn变速器噪声79dB1860r
8、pmn输出端符合无轨电车附加绝缘连接标准传统车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传动电机与AMT控制系统电机AMT控制系统组成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，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
9、式根据踏板信号输出目标力矩电机与AMT控制系统换挡过程中电机工作模式及控制策略u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。u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
10、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。AT液力机械变速器电机与AT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。电机与CVT传动主动带轮可动锥盘主动带轮油缸主动带轮固定锥盘从动带轮油缸从动带轮可动锥盘从动带轮固定锥盘优点：1.结构简
11、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CVT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
12、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视频文件电机与DSG传动变速箱特性比较电动汽车的能源结构形式电动汽车的能源结构形式电动汽车的能源结构形式电动汽车的能源
13、结构形式所选用的蓄电池应该能所选用的蓄电池应该能所选用的蓄电池应该能所选用的蓄电池应该能提供足够高的提供足够高的提供足够高的提供足够高的比能量比能量比能量比能量和和和和比功率比功率比功率比功率 两种不同的蓄电池，其中一两种不同的蓄电池，其中一两种不同的蓄电池，其中一两种不同的蓄电池，其中一种能提供种能提供种能提供种能提供高比能量高比能量高比能量高比能量，另外一，另外一，另外一，另外一种提供种提供种提供种提供高比功率高比功率高比功率高比功率B:蓄电池；P:功率转换器燃料电池能提供高的比能量但燃料电池能提供高的比能量但燃料电池能提供高的比能量但燃料电池能提供高的比能量但不能回收再生制动能量，因此不
14、能回收再生制动能量，因此不能回收再生制动能量，因此不能回收再生制动能量，因此最好与最好与最好与最好与高比功率且能高效回收高比功率且能高效回收高比功率且能高效回收高比功率且能高效回收制动能量制动能量制动能量制动能量的蓄电池结合在一起的蓄电池结合在一起的蓄电池结合在一起的蓄电池结合在一起使用使用使用使用带带带带小小小小型型型型重重重重整整整整器器器器的的的的电电电电动动动动汽汽汽汽车车车车的的的的结结结结构构构构简简简简图图图图，燃燃燃燃料料料料电电电电池池池池所所所所需需需需的的的的氢氢氢氢气气气气由由由由重重重重整器随车产生整器随车产生整器随车产生整器随车产生 电动汽车的能源结构形式电动汽车的
15、能源结构形式电动汽车的能源结构形式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:重整器当用当用当用当用蓄电池蓄电池蓄电池蓄电池与与与与电容器电容器电容器电容器进行混合进行混合进行混合进行混合时，所选的蓄电池必须能提供时，所选的蓄电池必须能提供时，所选的蓄电池必须能提供时，所选的蓄电池必须能提供高比能量，因为电容器本身比高比能量，因为电容器本身比高比能量，因为电容器本身比高比能量，因为电容器本身比蓄电池具有更高的比功率和更蓄电池具有更高的比功率和更蓄电池具有更高的比功率和更蓄电池具有更高的比功率和更高效回收制动能量的能力高效回收制动能量的能力高效回收制动能量的能力高效回收制动
16、能量的能力超高速飞轮超高速飞轮超高速飞轮超高速飞轮是具有是具有是具有是具有高比功率和高效制高比功率和高效制高比功率和高效制高比功率和高效制动能量回收能力动能量回收能力动能量回收能力动能量回收能力的储能器。超高速飞的储能器。超高速飞的储能器。超高速飞的储能器。超高速飞轮与具有两种工作模式（电动机和发轮与具有两种工作模式（电动机和发轮与具有两种工作模式（电动机和发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，能够将电电机）的电机转子相结合，能够将电电机）的电机转子相结合，能够将电电机）的电机转子相结合，能够将电能和机械能进行双向转换。所选用的能和机械能进行双向转换。所选用的能和机械能进行
17、双向转换。所选用的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。飞轮最好蓄电池应能提供高比能量。飞轮最好蓄电池应能提供高比能量。飞轮最好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，在蓄电池与无刷交流电机结合使用，在蓄电池与无刷交流电机结合使用，在蓄电池与无刷交流电机结合使用，在蓄电池和飞轮之间加一个和飞轮之间加一个和飞轮之间加一个和飞轮之间加一个AC/DCAC/DC转换器。转换器。转换器。转换器。电动汽车的能源结构形式电动汽车的能源结构形式电动汽车的能源结构形式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:功率转换器三、纯电动汽车的性能三、纯电动汽车的性
18、能n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n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。n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。n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
19、动机的特性牵引电动机的特性牵引电动机的效率特性电动汽车的驱动力n电动汽车的的驱动力：式中：Ft驱动力（N）；Tm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；t电动汽车机械传动效率；rd驱动轮半径（m）。行驶阻力计算n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n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
20、加速能力和最大爬坡度。n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最高车速。n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。n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。电动汽车的续驶里程n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n影响因素n行驶的环境状况行驶的环境状况n行驶规范行驶规范n蓄电池的性能蓄电池的性能n电动汽车的总质量电动汽车的总质量n辅助装置的能量消耗辅助装置的能量消耗行驶的环境状况n在相同的车
21、辆条件下，电动汽车行驶的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道路与环境气候影响着电动汽车行驶的能量消耗，如能量消耗，如气温气温的高低，的高低，风力风力的方向的方向与大小，与大小，道路道路的种类与的种类与交通拥挤状况交通拥挤状况都都会使车辆的能量消耗增加或减小，从而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。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n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。n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。n采用多工况道路循环试验较为接近车辆实际的行驶工
22、况，具有较好的可比性。n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n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。n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
23、助装置的能量消耗n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。n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电动动汽汽车车在在动动力力蓄蓄电电池池完完全全充充电电状状态态下下以以一一定定的的行行驶驶工工况况，能能连连续续行行驶驶的的最最大大距离，单位为距离，单位为km.km.能能量量消消耗耗率率(Energy(Energy Consump
24、tion)Consumption)：电电动动汽汽车车经经过过规规定定的的试试验验循循环环后后对对动动力力蓄蓄电电池池重重新新充充电电至至试试验验前前的的容容量量，从从电电网网上上得得到到的的电电能能除除以以行行驶驶里里程程所所得得到到的的数数值，单位为值，单位为Wh/km;Wh/km;纯电动汽车燃料经济性比比能能量量消消耗耗率率：电电动动汽汽车车能能量量消消耗耗率率与与整车质量整车质量的比值，单位为的比值，单位为Wh/(kmton)Wh/(kmton)能能量量经经济济性性：电电动动汽汽车车以以各各种种预预定定行行驶驶规规范范达达到到的的续续驶驶里里程程与与蓄蓄电电池池再再充充电电恢恢复复到到原
25、原有有的的充充电电状状态态所所需需要要的的交交流流电电能能量之比。单位：量之比。单位：km/kWh ackm/kWh ac纯电动汽车燃料经济性n n 工况续驶里程：工况续驶里程：工况续驶里程：工况续驶里程：电动汽车单位里程的能耗在电动汽车单位里程的能耗在电动汽车单位里程的能耗在电动汽车单位里程的能耗在0.110.111.07Wh/km1.07Wh/km范围内变化。范围内变化。范围内变化。范围内变化。电动汽车比能耗在电动汽车比能耗在电动汽车比能耗在电动汽车比能耗在0.0350.0350.11kWh/(km ton)0.11kWh/(km ton)范范范范围内变化围内变化围内变化围内变化 国内外电
26、动汽车比能耗与续驶里程的统计数据车型总质量/kg总能量/kWh续驶里程/km能耗/(kWh/km)比能耗/(kWh/kmt)Impact134516.2950.1450.107G型厢式电动汽车353033.5597.60.3440.097U.S电动轿车16420130120.71.0770.066大发HJIET139514.41000.1440.103IZA157328.85480.052600.035华利微型电动汽车142014.4900.160.113清华号电动汽车129014.41000.1440.11华联“HL42”137817.21560.110.08华联“HL61”456042.2
27、1561280.270.190.040.06北京市大通道电车1600018000901000.90.050.06电池国家标准16000180001151001.150.0640.072美国加州试验结果0.150.220.1320.294奥地利150辆电动汽车试验结果0.1340.25YW61200DD电动大客车(40km/h等速)16980110165.20.6650.039BJD6100EV电动公交车(40km/h等速)15610113.031680.6720.043电动汽车的典型工况与性能指标n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
28、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。电动轿车的最高车速一般选为80100Km/h，电动大客车的最高车速一般为7590Km/h。n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
29、动汽车的典型工况与性能指标n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（有特殊要求的除外）。电动汽车的典型工况与性能指标n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、纯电动汽车的设计四、纯电动汽车的设计1、确定总体参数、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5、零部件的准备、零部件的准备6、工厂装配、工厂装配7、整车及零部件调试、整车及零部件调试8、试验、试验2、整车动力性能的设计计算、整车动力性能的设计计算3、确定零部件基本参数、确定零部件基本参数4、辅助系统设计（转向、制动、控制等）、辅助系统设计（转向、制动、控制等）练习题：练习题：请设计一轻型纯电动汽车，主要用途：中大型城市家用上中大型城市家用上下班交通工具。下班交通工具。谢谢大家！谢谢大家！每讲一帖每讲一帖习勤忘劳，习逸成惰。习勤忘劳，习逸成惰。