【文章內(nèi)容簡介】 既定任務的工作裝置等。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)則由電動機、電源和電動機的調(diào)速控制裝置等電器組成，是純電動汽車的核心部分，也是和內(nèi)燃機汽車的區(qū)別之處； 汽車行駛時，由蓄電池輸出電能通過控制驅(qū)動電動機 運轉(zhuǎn)，電動機輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)帶動車輪前進或后退 。電動汽車的其余裝置則基本與內(nèi)燃機汽車相同。 圖 21 電力驅(qū)動系統(tǒng)示意圖 電源與電池管理系統(tǒng) 純電動汽車的電源系統(tǒng)包括車載電源、能量管理系統(tǒng)和充電 器 等。它的功 能 是向電動機提供驅(qū)動電能、監(jiān)測電源使用情況及控制充電機向蓄電池充電。純電動汽車 的車載 電源 是 以動力蓄電池組 為主 ，用周期性的充電來補充電能。動力蓄電池組是 EV天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 6 的關鍵裝備，儲存的電能、質(zhì)量 以及 體積，對 EV 的性能起決定性 的 影響，也是發(fā)展EV 的主要研究和開發(fā) 方向 。 動力電池是混合動力汽車、電動汽車和燃料電池汽車鎖必備的車載式儲能電源，電池主要由一下幾個部分構(gòu)成： (1) 電極。不同的電極是采用了不同的材料，能夠釋放出電能的電極連接板構(gòu)成，電極還用于支撐和固定電池中參加化學反應的“活性物質(zhì)”。電池在放電時，在電池內(nèi)部，在電池發(fā)生氧化反應并失去電子的電極為正極，獲得電子的電極為負極。在電池外部，從電池殼題 兩端伸出正極和負極的接線柱，通過接線柱與負載連接，由外電路獲得電子的電極為正極，向外電路輸出電子的電極為負極。 (2) 電解質(zhì)。電解質(zhì)是促使電池進行電化學反應的物質(zhì)，電解質(zhì)一半有酸性電解質(zhì)、堿性電解質(zhì)、中性電解質(zhì)和有機物電解質(zhì)等。電解質(zhì)的形態(tài)有也太電解質(zhì)，膠質(zhì)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)等。 (3) 隔離物。在電池內(nèi)部如果發(fā)生正極和負極的接觸時，就會在電池內(nèi)部形成“短路”，使電池在內(nèi)部呈放電狀態(tài)，并消耗電池的電能。因此，在電池內(nèi)部需要用隔離物將電池中正極和負極隔開，防止電池內(nèi)部短路。隔離物有：微孔橡膠隔板、微孔塑膠隔 板等固體狀隔離物；無紡布、玻璃纖維、網(wǎng)狀隔板等膜狀隔離物；硅膠等液狀隔離物。 (4) 外殼。外殼材料通常有上一輪、金屬等。 EV 發(fā)展的癥結(jié)在于蓄電池，蓄電池技術(shù)對 EV 的制約仍然是 EV 發(fā)展的 難題 ；建立充電站系統(tǒng)、報廢蓄電池回收和處理工廠，是推廣 EV 的關鍵問題。純電動汽車的常用電源有鉛酸蓄電池、鎳 錫蓄電池、鎳 氫蓄電池 和 銼離子蓄電池等 。而 車載電源的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段。 (1)第一代 EV蓄電池 是 鉛酸蓄電池。其優(yōu)點是技術(shù)成熟 且 成本低；其缺點是，比能量和比功率 較 低，不能滿足 EV 續(xù)駛里程和動力性能的需求， 但進一步發(fā)展了鉛布蓄電池 、 閥控鉛酸蓄電池等，使鉛酸蓄電池的比能量有所提高。 (2)第二代 EV蓄電池 是 高能蓄電池。第二代 EV 高能蓄電池類型比較多， 鎳基電池主要 有鎳 鎘 蓄電池、 鎳鋅 蓄電池、鎳氫蓄電池、 鎳金屬氫化物 蓄電池、 鎳鐵 蓄電池等。比能量和比功率都比鉛酸蓄電池高 是它的 優(yōu)點， 極 大提高了 EV 的動力性能和續(xù)駛里程；其缺點是，有些高能蓄電池需要復雜的蓄電池管理系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，各種蓄電池對充電技術(shù)有不同的要求，而且電化學蓄電池中的活性物質(zhì)在使用一定的期限后會老化變質(zhì)，以至完全喪失充電和放電功能而報廢，從而使 EV的使用成本較高。 (3)第三代 EV蓄電池 是鋰電池。鋰是最輕的金屬元素，金屬鋰暴露在空氣中或遇到水時會發(fā)生燃燒。鋰的電極性很強，從鋰的單位質(zhì)量中可以獲得大的電子容量，具有高的電壓和質(zhì)量比能量。鋰電池在性能、容量、功率等方面比其他類型的電池具有較大的優(yōu)勢。但鋰電池遇到空氣或水分，會發(fā)生燃燒或爆炸，其中磷酸鐵鋰離子電池 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 7 安全性較高，但體積較大，質(zhì)量較重。在我國對于鋰電池的研發(fā)及其在各種電動汽車上的應用已占據(jù)主導地位。 EV 車載電源由兩部分組成 ，分別是 高壓電源和低壓電源 。 高壓電源是動力蓄電池組提供的 155V380V的高壓直流電，動力蓄電池組是供電動機工作的唯一動力源，空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)壓縮機，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵和制動系統(tǒng)的真空泵等，也需要動力蓄電池組提供動力電能；動力蓄電池組通過 DC/AC 轉(zhuǎn)換器，供應 12V 或 24V 的低壓電，并儲存到低壓蓄電池組中，作為儀表、照明和信號裝置等工作的電源。 蓄電池管理系統(tǒng)用于對動力蓄電池組充電與放電時的電流、電壓、放電深度、再生制動反饋電流、蓄電池溫度等進行控制 。個別蓄電池性能變化后會影響到整個動力蓄電池組的性能，故需用蓄電池管理系統(tǒng)來對整個動力蓄電池組及其每一單體蓄電池進行 監(jiān)控，保持各個單體蓄電池間的一致性。動力蓄電池組必須進行周期性的充電，高效率充電裝置和快速充電裝置是 EV使用時所必須的輔助設備，可采用地面充電器、車載充電器、接觸式充電器或感應式充電器等進行充電。 電池管理系統(tǒng)可以根據(jù)實現(xiàn)方式分為兩大類：第一類是依靠芯片的電池管理系統(tǒng)；第二類是采用分立式器件的電池管理系統(tǒng)；其中依靠芯片的電池管理系統(tǒng)一般將、把系統(tǒng)前端采集電路、電量計量算法、和通訊功能等集成在芯片中，而外圍電路則是為輔助來實現(xiàn)對電池的管理，依靠芯片的電池管理系統(tǒng)它具有小體積、高集成度等優(yōu)勢；而依靠分立 器件的電池管理系統(tǒng)，有基于純硬件和基于軟硬件協(xié)調(diào)工作的解決方案，而軟硬件協(xié)調(diào)工作方案因為靈活而功能完善，所以被社會廣泛采用。 電機驅(qū)動系統(tǒng) 在純電動汽車上，電動機是唯一的動力源輸出，在混合動力汽車上，電動機是輔助驅(qū)動裝置。在電動汽車上最常采用的電動機為：直流電動機（ DC Motor）、交流電動機（ AC IM）、永磁電動機（ BDCM）和開關磁阻電動機（ SR）等電動機，電動汽車可選用的驅(qū)動電機類型如下，它 主要由電子控制器、各種傳感器、驅(qū)動電動機、電動機逆變器、機械傳動裝置和車輪等組成，其中最 為 關鍵 的 就 是電動機逆變器，電動機不同，控制器也 就 有所不同，控制器將蓄電池直流電變成交流電后 來 驅(qū)動交流驅(qū)動電動機，電動機 則將電能轉(zhuǎn)化為機械能來 輸出轉(zhuǎn)矩 ,再經(jīng)過 傳動系統(tǒng) 來實現(xiàn) 車輪 的驅(qū)動 ，從而帶動 電動汽車行駛。該系統(tǒng)的功用是將存儲在蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輪的動能， 通過傳動裝置或直接驅(qū)動車輪的工作裝置 ， 并能夠在汽車減速制動 的同 時，將車輪的動能轉(zhuǎn)化為電能充入蓄電池。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 8 圖 22 動力蓄電池供電示意圖 圖 23 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)分類圖 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 9 目前電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要分為四類： （ 1）、直流電動驅(qū)動系統(tǒng)，這種驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、電磁轉(zhuǎn)矩控制特性優(yōu)良，在城市無軌電車上廣泛應用但重量和體積也較大； （ 2）、感應電機驅(qū)動系統(tǒng)，這種驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐 用、成本低廉、運行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動低、低噪聲、矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，但驅(qū)動電路復雜，成本高； （ 3）、永磁無刷電機系統(tǒng)，這種驅(qū)動系統(tǒng)功率密度較高、電機尺寸小、體積小、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好； （ 4）新一代牽引電機系統(tǒng)，這種系統(tǒng)即開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)，具有高密度、高效率、低成本、寬調(diào)速。 傳動系統(tǒng) 純 電動汽車傳動 系統(tǒng) 的作用是將電動機的 輸出 轉(zhuǎn)矩 傳遞 給汽車的 車輪 ，當 電動機 采用電動輪驅(qū)動時，傳動 系統(tǒng) 的 絕大 多數(shù) 零 部件可以忽略 掉， 因為 此時 電機可以 進行 負載啟動，所以 不需要傳統(tǒng) 內(nèi)燃機汽車 上常用 的離合器 ，而 驅(qū) 動電機的 轉(zhuǎn)向則 可以通過電路控制 來產(chǎn)生 變換，所以 不需要傳統(tǒng) 內(nèi)燃機汽車變速器中的 倒車檔位； 當電動機 采用 無級調(diào)速控制時，可以忽略 傳統(tǒng)內(nèi)燃機 汽車 上常用的 變速器 。 如（圖 24）所示，該電動汽車動力傳動系統(tǒng)主要是由三個電機，一個電機控制器，變速裝置和蓄電池組組成。其中主電機負責驅(qū)動前輪運動，而兩后輪分別裝有一個小型輪轂電機，它們主要是為了實現(xiàn)能量的回收和后備功率的提供；車輛在一般工況下運 行時，由蓄電池向主電機供電，驅(qū)動前輪來使車輛正常行駛；車輛大負荷運行時，為了保護電機，這時由蓄電池分別向前、后電機供電，通過電動機控制機控制 3個電機同時工作向車輛提供所需功率；車輛在制動、下坡等需要減速的工況下工作時，前后電機均參與能量的回收，進而實現(xiàn)四個車輪同時回收能量。這種結(jié)構(gòu)增加能量回收的同時，提高能量的利用率，有效地增加車輛的續(xù)航里程。 底盤和車身 電動汽車的車身和底盤與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車大致相同，底盤中的傳動系比內(nèi)燃機汽車有所簡化。電動汽車 在底盤布置上還要有足夠的空間 來放置 動力電池組，并且要求線路連接方便，充電方便 等 。這就要求電動汽車 在 底盤的布置上， 需要改變 傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車底盤布置 方式 ， 要擴大 承載空間的跨度和 結(jié)構(gòu)件 的剛度 。 由于動力電池組的質(zhì)量 和體積較 大，所占據(jù)的空間 較 大， 所以 為了減輕純電動汽車的整 備 質(zhì)量， 則需要廣泛采用 輕質(zhì)材料。碳纖維增強樹脂和復合材料等制造車身和底盤部分總成，并采用三維擠壓成型工藝制造出結(jié)構(gòu)復雜、質(zhì)量小、強度大和裝卸動力電池組方便的車架，補償因裝載動力電池組而增加的負載 。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 10 圖 24 電動汽車動力傳遞系統(tǒng)示意圖 輔助設施 電動 汽車 的 輔助系統(tǒng)中大部分設備與燃油 汽車 的 基本相同， 如 圖所示，其中 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、輔助動力源、空調(diào)器、刮水器以及照明裝置等。 電動汽車的輔助動力源主要由 DCDC功率轉(zhuǎn)換器輔助電源和組成 的 ，其功 能 主要是向動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 等 其他輔助設備提供動力 ； 借助這些輔助設備來提高汽車的操縱性、穩(wěn)定性、還有安全性等。 本章小結(jié) 電動汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車差別較大，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車是由發(fā)動機產(chǎn)生動力，來驅(qū)動車輛行駛；而電動汽車不同，它是由電池提供電能來驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，從而帶動車輪轉(zhuǎn)動；電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)是純電動汽車的核心部分，也是區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的最大不同點。 本章詳細地介紹了純電動汽車的五大系統(tǒng)，即電源與電池管理系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、車身及底盤、輔助設施五個部分；對之后的電動汽車的動力參數(shù)設計和研究，有一定的指導作用。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 11 圖 25 電動汽車與燃油汽車輔助設備對比圖 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 12 3 傳動系參數(shù)設計 概述 電動車 輛動力傳動系的設計必須以滿足車輛的動力性能和行駛里程的要求。確定了汽車的動力性，是決定沿行進方向的車輛的移動情況。為此目的，有必要了解各種外力的作用在本車的行進方向沿汽車，即驅(qū)動力和行駛阻力?；谶@些力量之間的平衡，建立了關于汽車動力性的方程式，可以計算出汽車的最大速度，最大加速度和爬坡能力。 汽車的行駛方程式為： FFt ?? (31) 公 式中： Ft 為 驅(qū)動力； ΣF 為 行駛阻力之和。 驅(qū)動力 汽車發(fā)動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動系統(tǒng)至驅(qū)動輪上，此時作用在驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩Tt 產(chǎn)生一個對地面的圓周力 Fo，抵免對驅(qū)動輪的反作用力 Ft(方向與 Fo 相反 )即是驅(qū)動汽車的外力，此外力稱為汽車的驅(qū)動力， 其 公式 為： rTF tt ? (32) 公 式中： Tt為 作用 于 驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩； r 為 車輪半徑。 由于電動汽車采用電動機驅(qū)動，所以在電動 汽車中 Tt 是由電機輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)傳遞到車輪上 ，所以 令總傳動比 數(shù)值 為 Σ i， 其中變速器的傳動比 ig， 主減速器的傳動比 i0， 傳動系統(tǒng)的機械效率為 η t， 驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩 是 Ttq，則有： ttpt iTT ???? ? ? ? giii 0 (33) 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 (論文 )