【文章內容簡介】 技術優(yōu)勢上有很多有利條件。純電動車因采用電池而帶來在能源、環(huán)保和降 噪方面顯示出優(yōu)越性和具有強大的競爭能力，采用電機還可以實現(xiàn)無級調速和再生制動功能，除此之外電動汽車還能更快地實現(xiàn)機電一體化和采用現(xiàn)代電子控制技術?，F(xiàn)代電動車是一個復雜的系統(tǒng)工程，它的理論基礎是將汽車技術、電機技術、驅動技術、電力電子技術、能源存儲技術和現(xiàn)代控制理論有機的結合起來，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成優(yōu)化?？偨Y起來純電動車開發(fā)的關鍵技術主要有以下幾個方面。 (1)、 高功率密度驅動電機研究 電動車輛的驅動電機屬于特種電機，它是電動汽車的關鍵部件。要使電動汽車有良好的使用性能，驅動電機應具有寬的調速范圍及高的轉速，足夠 大的啟動扭矩，體積小、質量輕、效率高且有動態(tài)制動強和能量回饋的性能。目前電動汽車所采用的電動機中，直流電動機基本上己被交流電動機、永磁電動機或開關磁阻電動機所取代。電動汽車所用的電動機正在向大功率、高轉速、高效率和小型化方向發(fā)展。當今世界己研制出功率密度超過 1kw/kg，額定點的效率大于 90%的小型電動機，電機滿足低速恒扭矩、大扭矩和高速恒功率的牽引控制要求。 常用的電機基本特性比較如下表 所示 : 表 各種電機基本特性對比 直流電機 交流感應電機 永磁式電機 開關阻尼電機 功率密度 低 中 高 較高 過載能力（ %） 200 300～ 500 300 300～ 500 峰值效率（ %） 85～ 89 94～ 95 95～ 97 90 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 6 頁 共 65 頁 負荷效率（ %） 80～ 87 90～ 92 85～ 97 78～ 85 功率因數(shù)（ %） 82～ 85 90～ 93 60～ 65 恒功率區(qū) 1:5 1： 1:3 轉速范圍（ r/min） 4000～ 6000 12020～ 20200 4000～ 10000 15000 可靠性 一般 好 優(yōu)良 好 結構的堅固 差 好 一般 優(yōu)良 電機尺寸 大 中 小 小 電機 質量 重 中 小 小 目前，在電力傳動中大約有 90%的機械使用交流異步電機。對于電動客車來講，交流感應電機是理想選擇。交流感應電機與直流電機相比其結構簡單，從技術水平上來看，感應電機驅動系統(tǒng)適合功率需求較大的電動客車。 (2)、 車用動力蓄電池的選擇 目前主要限制電動汽車發(fā)展的是車用動力蓄電池，其比能量、比功率、循環(huán)使用壽命低和成本高。因蓄電池的性能決定了電動汽車的性能指標，能量密度決定電動汽車一次充電續(xù)駛里程，功率密度決定電動汽車的加速性能和最高車速。當前世界各發(fā)達國家都制定了相應的發(fā)展電動汽車 動力蓄電池的計劃，如美國三大公司于 1991 年 1 月簽定了一個為期 12 年的協(xié)議，成立了先進電池研究聯(lián)合體，合作研究車用蓄電池，并發(fā)布了中長期目標，如表 所列。可作為電動汽車蓄電池的有很多種，如鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鈉硫、鐳離子及飛輪電池和燃料電池等，其中最有前景的是鎳氫、鈉硫、鐳離子及飛輪電池和燃料電池。 表 先進蓄電池中長期目標 性能 中期目標 長期目標 比能量（ C/3放電率）/(W h kg1? ) 80～ 100 200 比功率（ 80%放電深度）/(W kg1? ) 150～ 200 400 循環(huán)壽命（ 80%放電深度） /次 600 1000 銷售價格 /（美元 /Kw h） 150 100 使用溫度 /℃ 30～ 65 40～ 85 充電時間 /h 6 3～ 6 效率（ C/3 放電， 6h充電） /% 75 80 自放電 （ 48h） (30d) 熱損耗（高溫電池） ( Kw h)15%額定容量 維護 方法 免維護，極小的車載控制 (3)、 系統(tǒng)匹配設計及整車輕量化技術 電動汽車由于車身質量、空間和能源的矛盾，因此在設計時必須考慮采用一定的措施來提高電動車的系統(tǒng)運行效率和整車的質量，以增加其續(xù)駛里程。 1)通過對整車實際使用工況和使用要求的分析，對電池的電壓、容量、驅動電機功率、轉速和轉矩范圍、整車性能等車輛宏觀參數(shù)的總體優(yōu)化，合理選擇電池和電機參數(shù)。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 7 頁 共 65 頁 2)通過結構優(yōu)化和集成化、模塊化優(yōu)化設計，減輕動力總成、車載能源系統(tǒng)的重量。這里包括對電機、電機驅動器、傳動系、冷卻系統(tǒng)、空調和制動真空系統(tǒng)的集成和模塊 化設計，是系統(tǒng)得到優(yōu)化 。電池、電池箱、電池管理系統(tǒng)、車載充電機組成的車載能源系統(tǒng)的合理集成和分散，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。 3)積極采用輕質材料，如電池箱的結構框架、箱體封皮、輪毅等采用輕質合金材料。 4)利用 CAD 技術對車身承載結構件 (如前后橋、新增的邊梁、橫梁等 )進行有限元分析研究，用計算和試驗相結合的方式，實現(xiàn)結構最優(yōu)化。 (4)、 電力驅動系統(tǒng)綜合控制研究 實現(xiàn)電動車各種驅動方案的關鍵技術是各驅動輪電機的調速控制和行駛系統(tǒng)的控制。目前世界各國所開發(fā)的電動車電力驅動系統(tǒng)控制的軟硬件大致如圖 所示 : 圖 電動車驅動系統(tǒng)控制結構原理圖 因此，首先必須建立準確適用的數(shù)學模型和控制模型，設計快速有效的控制算法，然后再開發(fā)以微處理機為核心的控制單元。這些控制技術和方法的研究也是當今世界各國攻關的熱點。 (5)、 整車網絡通訊系統(tǒng)研究 現(xiàn)代電動車整車控制系統(tǒng)是兩條總線的網絡結構，即驅動系統(tǒng)的高速 CAN 總線和車身系統(tǒng)的低速 CAN 總線。實現(xiàn)整車網絡化控制，其意義不只是解決汽車電子化中出現(xiàn)的線路復雜和線束增加問題，網絡化實現(xiàn)的通訊和資源共享能力成為新的電子與計算機技術在汽車上應用的一個基礎，同時也為 Xbywire 技術提供有力的支撐。高速 CAN 每個節(jié)點為各子系統(tǒng)的 ECU，低速 CAN 按物理位置設置節(jié)點。基本原則是基于空間位置的區(qū)域自治，即物理位置相近的電器元件連接到一個節(jié)點控制單元，各元件的信號通過 ECU 與總線進行通訊。低速總線有兩種方案可以選擇，低速 CAN 和 LIN 總線。高速和低速 CAN 總線的結構都為獨立控制結構，可以按照 ISO1189 J1939 及 J2284 組建高速CAN，按照 ISO115192 J1939及 J2284組建低速容錯 CAN。各節(jié)點自成一個系統(tǒng)，節(jié)點控制單元根據(jù)本地傳感器和來自 CAN 總線上的信 號控制本地執(zhí)行機構，同時將需要與其他節(jié)點共享的信號傳輸?shù)娇偩€上。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 8 頁 共 65 頁 (6)．整車智能化的能量管理系統(tǒng)研究與開發(fā) 能量管理系統(tǒng)擔負著維持電動車所有的蓄電池組件工作處于最佳狀態(tài) 。采集車輛的各個子系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，進行監(jiān)控和診斷 。控制充電方式和提供剩余能量顯示等職責。因此智能化的能量管理系統(tǒng)研究與開發(fā)不僅要建立包括蓄電池在內的電動車的數(shù)學模型而且要開發(fā)以微處理器為核心的電子控制單元?？梢詺w結為以下幾個方面 : 1)故障診斷及高壓點安全管理技術 故障診斷及安全管理系統(tǒng)對純電動車動力鏈的各個環(huán)節(jié)進行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷，并相 應啟動失效策略和安全保護功能，確保車輛的安全性和可靠性。其設計功能為 :以高壓電安全管理為第一功能目標 。以分布式控制系統(tǒng)的故障診斷為特點 。兼顧 CAN 總線的故障檢測與管理。 2)能量儲存系統(tǒng)的集成 實現(xiàn)動力電池與電池管理系布置集成，以及與車載智能充電機、均衡系統(tǒng)以及專用充電機的功能架構細分，實現(xiàn)充電過程管理系統(tǒng)和充電機協(xié)同工作，快速充電和車載慢速充電兩種方式智能識別，快速充電過程和充電信息基于 CAN 總線交互。 3)電池均衡及熱管理系統(tǒng)的設計 電動汽車的性能表現(xiàn)依賴于作為能量貯存系統(tǒng)的動力蓄電池組。電池組 性能直接影響整車的加速特性、續(xù)駛里程以及制動能量回收的效率等。電池的成本和循環(huán)壽命直接影響車輛的成本和可靠性，所有影響電池性能的參數(shù)必須得到優(yōu)化。電動車的電池在使用中發(fā)熱量很大，電池溫度影響電池的電化學系統(tǒng)的運行、循環(huán)壽命和充電可接受性、功率和能量、安全性和可靠性。所以，為了達到最佳的性能和壽命，需將電池包的溫度控制在一定范圍內。減小包內不均勻的溫度分布以避免模塊間的不平衡，以此避免了電池性能下降，且可以消除相關的潛在危險。由于電池包的設計既要密封、防水、防塵、絕緣等，又要考慮空氣流流場分布、均勻散熱。電池 包的散熱通風設計，成為電動車研究的一個重要領域。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 9 頁 共 65 頁 電動汽車動力總成主要包括能源系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)。動力總成是電動汽車最重要的子系統(tǒng)，決定了整車的動力性和經濟性，是電動汽車產業(yè)化的關鍵。能源系統(tǒng)主要由動力電池及相關的管理系統(tǒng)構成。驅動系統(tǒng)是由驅動電機及其控制器、機械傳動系統(tǒng)、車輪等構成。動力總成在整車控制 系統(tǒng)的協(xié)調控制下，實現(xiàn)駕駛員的操縱意圖。 純電動汽車的動力總成 動 力 總 成 的基本形式 純電動汽車動力總成有很多種形式，主要有單電機驅動方式、雙 電機驅動方式、輪毅電機驅動方式、相互相反電動機驅動方式等。不同方式有不同的動力總成布置和不同的傳動系結構方式。純電動客車采用了 單電機后輪驅動 的方式，動力總成主要包括 驅動電機、動力電池、傳動系和控制系統(tǒng) 四部分。純電動客車保留了原車型的部分傳動系統(tǒng)。電機驅動系統(tǒng)和動力電池系統(tǒng)基于 CAN 網絡結構和在控制系統(tǒng)的協(xié)調控制下實現(xiàn)整車驅動、再生制動和能源合理分配等功能。圖 為純電動客車動力系統(tǒng)結構原理。 圖 動力系統(tǒng)構成 動 力蓄 電 池 組 及 其管理系統(tǒng) 純電動車行駛完全依賴蓄電池的能量，電池容量越大，可以 實現(xiàn)的續(xù)駛里程越長，但是相應的需要的電池的體積、質量也越大，會增加電動車的整車質量降低整車的動力性，同時給整車的布置也增加了難度。所以純電動汽車電池的選擇和匹配要根據(jù)具體的設計目標、道路情況和行駛工況的要求和實際情況來確定電池的類型和參數(shù)?？偨Y電動車對動力電池的具體要求如下。 ①電池組要有足夠的能量和容量，以保證典型的連續(xù)放電不超過 1C，典型峰值放電一般不超過3C。如果電動汽車上安裝了回饋制動，電池組必須能夠接受高達 5C 的脈沖電流充電。 ②電池要能夠實現(xiàn)深度放電 (例如 80%)而不影響其壽命，在必要時能實現(xiàn)滿負荷功率和全放電。 ③需要安裝電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，顯示電池組的剩余電量和實現(xiàn)溫度控制。 ④由于動力電池組體積和質量較大，電池箱的設計、電池的空間布置和安裝問題都需要認真研究。 基于以上的標準綜合市場電池供給和成本等因素進行電池的選擇。目前電動車用動力電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池、金屬空氣電池、鐳離子電池等類型，綜合各類電池，基于電池的高比功率陜西理工學院畢業(yè)設計 第 10 頁 共 65 頁 和高比能量，項目組選擇了鐳離子電池作為動力電池。鐳離子電池是在二次鐳電池的基礎上發(fā)展起來的 。它從原理上解決了二次鐳電池安全性差和充放電壽命短兩個技術難題。典型的電池體系構成如下 :電池的正負極均由可以由嵌入和脫出 Li＋的化合物或材料組成。其中正極為鐳化躍遷金屬氧化物 (LiMo2， M－ Co、 Mn或 Ni等躍遷金屬 )。負極為可嵌入 Li＋的碳 (形成 LixC－碳化鐳 )。電解質通常是有機溶液或固體聚合物。 鐳離子電池是 1990 年由日本索尼公司首先推向市場的新型高能蓄電池。 1995 年，索尼公司又開發(fā)成功用于電動車的鐳離子蓄電池，共分為兩種類型，一種是用于純電動車容量為 100Ah 的高能量電池 。另一種是用于混合動 力車容量為 22Ah，功率密度為 800w/g的高功率電池。日本近年來一直在大力研究鐳離子電池。日本政府在 20202020 年設立了國家級鐳離子研究項目，日本的主要電池廠商，包括日立、湯淺、松下，都是該項目的成員。電池的技術指標如表 所示。 表 日本 SNOY 公司電動車用鋰電池的技術指標 技術 圓柱形單體電池 方形組合電池 性能 高能型 高功率型 高能型 高功率型 重量（ kg） 29 尺寸（ mm） 67? 410 50? 250 290 150 140 220 300 160 工作電壓（ v） 28． 8 額定容量（ Ah） 100 22 100 22 比能量（ Wh/kg） 110 62 100 55 比功率（ Wkg） 300 800 300 700 法國 SAFT 公司受美國能源部資助，一直在進行鐳離子電池的研究工作，致力于 2LiNiO 及2OMLiNi yx 等 較便宜的正極材料的開發(fā)并取得一定進展。 SAFT 公司在 200 年向美國能源部提供的鐳離子電池組的性能與 FreedomCar 項目對儲能電源的目標相比，除了成本外其它性能指標均已達標。該公司開發(fā)的大容量鐳離子電池的主要技術 性能見表 。 表 法國 SAFT 公司鋰離子電池性能指標 技術參數(shù) 方形電池 圓柱型電池 單體電池 組合電池（ 6只） 重量（ kg） 尺寸（ mm） 137? 53? 216 290? 150? 140 220? 300? 160 額定能量（ Wh） 415 158 950 額定容量（ Ah） 115 44 88 重量比能量（ Wh/kg） 125 143 128 體積比能量