【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 技術(shù)優(yōu)勢(shì)上有很多有利條件。純電動(dòng)車因采用電池而帶來(lái)在能源、環(huán)保和降 噪方面顯示出優(yōu)越性和具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)能力，采用電機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和再生制動(dòng)功能，除此之外電動(dòng)汽車還能更快地實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和采用現(xiàn)代電子控制技術(shù)?，F(xiàn)代電動(dòng)車是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它的理論基礎(chǔ)是將汽車技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電力電子技術(shù)、能源存儲(chǔ)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成優(yōu)化?？偨Y(jié)起來(lái)純電動(dòng)車開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面。 (1)、 高功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究 電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)屬于特種電機(jī)，它是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件。要使電動(dòng)汽車有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有寬的調(diào)速范圍及高的轉(zhuǎn)速，足夠 大的啟動(dòng)扭矩，體積小、質(zhì)量輕、效率高且有動(dòng)態(tài)制動(dòng)強(qiáng)和能量回饋的性能。目前電動(dòng)汽車所采用的電動(dòng)機(jī)中，直流電動(dòng)機(jī)基本上己被交流電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)或開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)所取代。電動(dòng)汽車所用的電動(dòng)機(jī)正在向大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。當(dāng)今世界己研制出功率密度超過(guò) 1kw/kg，額定點(diǎn)的效率大于 90%的小型電動(dòng)機(jī)，電機(jī)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(jī)基本特性比較如下表 所示 : 表 各種電機(jī)基本特性對(duì)比 直流電機(jī) 交流感應(yīng)電機(jī) 永磁式電機(jī) 開關(guān)阻尼電機(jī) 功率密度 低 中 高 較高 過(guò)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 65 頁(yè) 負(fù)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(zhuǎn)速范圍（ r/min） 4000～ 6000 12020～ 20200 4000～ 10000 15000 可靠性 一般 好 優(yōu)良 好 結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固 差 好 一般 優(yōu)良 電機(jī)尺寸 大 中 小 小 電機(jī) 質(zhì)量 重 中 小 小 目前，在電力傳動(dòng)中大約有 90%的機(jī)械使用交流異步電機(jī)。對(duì)于電動(dòng)客車來(lái)講，交流感應(yīng)電機(jī)是理想選擇。交流感應(yīng)電機(jī)與直流電機(jī)相比其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從技術(shù)水平上來(lái)看，感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適合功率需求較大的電動(dòng)客車。 (2)、 車用動(dòng)力蓄電池的選擇 目前主要限制電動(dòng)汽車發(fā)展的是車用動(dòng)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(dòng)汽車的性能指標(biāo)，能量密度決定電動(dòng)汽車一次充電續(xù)駛里程，功率密度決定電動(dòng)汽車的加速性能和最高車速。當(dāng)前世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都制定了相應(yīng)的發(fā)展電動(dòng)汽車 動(dòng)力蓄電池的計(jì)劃，如美國(guó)三大公司于 1991 年 1 月簽定了一個(gè)為期 12 年的協(xié)議，成立了先進(jìn)電池研究聯(lián)合體，合作研究車用蓄電池，并發(fā)布了中長(zhǎng)期目標(biāo)，如表 所列?？勺鳛殡妱?dòng)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(jìn)蓄電池中長(zhǎng)期目標(biāo) 性能 中期目標(biāo) 長(zhǎng)期目標(biāo) 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(jià)格 /（美元 /Kw h） 150 100 使用溫度 /℃ 30～ 65 40～ 85 充電時(shí)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(hù) 方法 免維護(hù)，極小的車載控制 (3)、 系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)及整車輕量化技術(shù) 電動(dòng)汽車由于車身質(zhì)量、空間和能源的矛盾，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮采用一定的措施來(lái)提高電動(dòng)車的系統(tǒng)運(yùn)行效率和整車的質(zhì)量，以增加其續(xù)駛里程。 1)通過(guò)對(duì)整車實(shí)際使用工況和使用要求的分析，對(duì)電池的電壓、容量、驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(jī)參數(shù)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 65 頁(yè) 2)通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和集成化、模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕動(dòng)力總成、車載能源系統(tǒng)的重量。這里包括對(duì)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)系、冷卻系統(tǒng)、空調(diào)和制動(dòng)真空系統(tǒng)的集成和模塊 化設(shè)計(jì)，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(jī)組成的車載能源系統(tǒng)的合理集成和分散，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。 3)積極采用輕質(zhì)材料，如電池箱的結(jié)構(gòu)框架、箱體封皮、輪毅等采用輕質(zhì)合金材料。 4)利用 CAD 技術(shù)對(duì)車身承載結(jié)構(gòu)件 (如前后橋、新增的邊梁、橫梁等 )進(jìn)行有限元分析研究，用計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。 (4)、 電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)綜合控制研究 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車各種驅(qū)動(dòng)方案的關(guān)鍵技術(shù)是各驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的調(diào)速控制和行駛系統(tǒng)的控制。目前世界各國(guó)所開發(fā)的電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的軟硬件大致如圖 所示 : 圖 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖 因此，首先必須建立準(zhǔn)確適用的數(shù)學(xué)模型和控制模型，設(shè)計(jì)快速有效的控制算法，然后再開發(fā)以微處理機(jī)為核心的控制單元。這些控制技術(shù)和方法的研究也是當(dāng)今世界各國(guó)攻關(guān)的熱點(diǎn)。 (5)、 整車網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)研究 現(xiàn)代電動(dòng)車整車控制系統(tǒng)是兩條總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速 CAN 總線和車身系統(tǒng)的低速 CAN 總線。實(shí)現(xiàn)整車網(wǎng)絡(luò)化控制，其意義不只是解決汽車電子化中出現(xiàn)的線路復(fù)雜和線束增加問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)的通訊和資源共享能力成為新的電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)在汽車上應(yīng)用的一個(gè)基礎(chǔ)，同時(shí)也為 Xbywire 技術(shù)提供有力的支撐。高速 CAN 每個(gè)節(jié)點(diǎn)為各子系統(tǒng)的 ECU，低速 CAN 按物理位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)。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(gè)節(jié)點(diǎn)控制單元，各元件的信號(hào)通過(guò) ECU 與總線進(jìn)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(jié)構(gòu)都為獨(dú)立控制結(jié)構(gòu)，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(cuò) CAN。各節(jié)點(diǎn)自成一個(gè)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)控制單元根據(jù)本地傳感器和來(lái)自 CAN 總線上的信 號(hào)控制本地執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)將需要與其他節(jié)點(diǎn)共享的信號(hào)傳輸?shù)娇偩€上。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 65 頁(yè) (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(dān)負(fù)著維持電動(dòng)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(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)控和診斷 ?？刂瞥潆姺绞胶吞峁┦Ｓ嗄芰匡@示等職責(zé)。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(nèi)的電動(dòng)車的數(shù)學(xué)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(jié)為以下幾個(gè)方面 : 1)故障診斷及高壓點(diǎn)安全管理技術(shù) 故障診斷及安全管理系統(tǒng)對(duì)純電動(dòng)車動(dòng)力鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷，并相 應(yīng)啟動(dòng)失效策略和安全保護(hù)功能，確保車輛的安全性和可靠性。其設(shè)計(jì)功能為 :以高壓電安全管理為第一功能目標(biāo) 。以分布式控制系統(tǒng)的故障診斷為特點(diǎn) 。兼顧 CAN 總線的故障檢測(cè)與管理。 2)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的集成 實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池與電池管理系布置集成，以及與車載智能充電機(jī)、均衡系統(tǒng)以及專用充電機(jī)的功能架構(gòu)細(xì)分，實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)同工作，快速充電和車載慢速充電兩種方式智能識(shí)別，快速充電過(guò)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(shè)計(jì) 電動(dòng)汽車的性能表現(xiàn)依賴于作為能量貯存系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(xué)系統(tǒng)的運(yùn)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(dá)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(nèi)。減小包內(nèi)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(guān)的潛在危險(xiǎn)。由于電池包的設(shè)計(jì)既要密封、防水、防塵、絕緣等，又要考慮空氣流流場(chǎng)分布、均勻散熱。電池 包的散熱通風(fēng)設(shè)計(jì)，成為電動(dòng)車研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 65 頁(yè) 電動(dòng)汽車動(dòng)力總成主要包括能源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。動(dòng)力總成是電動(dòng)汽車最重要的子系統(tǒng)，決定了整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。能源系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池及相關(guān)的管理系統(tǒng)構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、車輪等構(gòu)成。動(dòng)力總成在整車控制 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下，實(shí)現(xiàn)駕駛員的操縱意圖。 純電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成 動(dòng) 力 總 成 的基本形式 純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成有很多種形式，主要有單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式、雙 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式、輪毅電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式、相互相反電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式等。不同方式有不同的動(dòng)力總成布置和不同的傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)方式。純電動(dòng)客車采用了 單電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng) 的方式，動(dòng)力總成主要包括 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、傳動(dòng)系和控制系統(tǒng) 四部分。純電動(dòng)客車保留了原車型的部分傳動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)基于 CAN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和在控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng)、再生制動(dòng)和能源合理分配等功能。圖 為純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。 圖 動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成 動(dòng) 力蓄 電 池 組 及 其管理系統(tǒng) 純電動(dòng)車行駛完全依賴蓄電池的能量，電池容量越大，可以 實(shí)現(xiàn)的續(xù)駛里程越長(zhǎng)，但是相應(yīng)的需要的電池的體積、質(zhì)量也越大，會(huì)增加電動(dòng)車的整車質(zhì)量降低整車的動(dòng)力性，同時(shí)給整車的布置也增加了難度。所以純電動(dòng)汽車電池的選擇和匹配要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)、道路情況和行駛工況的要求和實(shí)際情況來(lái)確定電池的類型和參數(shù)。總結(jié)電動(dòng)車對(duì)動(dòng)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(guò) 1C，典型峰值放電一般不超過(guò)3C。如果電動(dòng)汽車上安裝了回饋制動(dòng)，電池組必須能夠接受高達(dá) 5C 的脈沖電流充電。 ②電池要能夠?qū)崿F(xiàn)深度放電 (例如 80%)而不影響其壽命，在必要時(shí)能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)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(shí)現(xiàn)溫度控制。 ④由于動(dòng)力電池組體積和質(zhì)量較大，電池箱的設(shè)計(jì)、電池的空間布置和安裝問(wèn)題都需要認(rèn)真研究。 基于以上的標(biāo)準(zhǔn)綜合市場(chǎng)電池供給和成本等因素進(jìn)行電池的選擇。目前電動(dòng)車用動(dòng)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 65 頁(yè) 和高比能量，項(xiàng)目組選擇了鐳離子電池作為動(dòng)力電池。鐳離子電池是在二次鐳電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(gè)技術(shù)難題。典型的電池體系構(gòu)成如下 :電池的正負(fù)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(fù)極為可嵌入 Li＋的碳 (形成 LixC－碳化鐳 )。電解質(zhì)通常是有機(jī)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(chǎng)的新型高能蓄電池。 1995 年，索尼公司又開發(fā)成功用于電動(dòng)車的鐳離子蓄電池，共分為兩種類型，一種是用于純電動(dòng)車容量為 100Ah 的高能量電池 。另一種是用于混合動(dòng) 力車容量為 22Ah，功率密度為 800w/g的高功率電池。日本近年來(lái)一直在大力研究鐳離子電池。日本政府在 20202020 年設(shè)立了國(guó)家級(jí)鐳離子研究項(xiàng)目，日本的主要電池廠商，包括日立、湯淺、松下，都是該項(xiàng)目的成員。電池的技術(shù)指標(biāo)如表 所示。 表 日本 SNOY 公司電動(dòng)車用鋰電池的技術(shù)指標(biāo) 技術(shù) 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(guó) SAFT 公司受美國(guó)能源部資助，一直在進(jìn)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(jìn)展。 SAFT 公司在 200 年向美國(guó)能源部提供的鐳離子電池組的性能與 FreedomCar 項(xiàng)目對(duì)儲(chǔ)能電源的目標(biāo)相比，除了成本外其它性能指標(biāo)均已達(dá)標(biāo)。該公司開發(fā)的大容量鐳離子電池的主要技術(shù) 性能見表 。 表 法國(guó) SAFT 公司鋰離子電池性能指標(biāo) 技術(shù)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