【文章內(nèi)容簡介】 12 ??? ????nnnn tt VVMP (219) 式中 M 為整車質(zhì)量， V為行駛速度， t為時間 電動汽車克服滾動阻力和空氣阻力行駛單位里程消耗功率： ?????? ????????? ??? ??? 151 nnnn VVMVVMe (220) 電動汽車續(xù)駛里程是指電動車消耗掉電池中的電能所能行駛的最大距離 ，是電動汽車的一個重要指標，降低電動車質(zhì)量，提高能量利用效率，對電動車發(fā)展極其重要。 電動車正常行駛時所需功率： ? ?tmvBPP ??? (221) 式中 BP 為電動車所需功率， vP 是電動車驅(qū)動功率， m? 是電機效率， t? 是傳動效率 電動車消耗能量： ? ? ? ?dtPUPUE BBt BBB ?? ?0 (222) 式中 BE 為消耗能量， ? ?BBPU 為驅(qū)動電壓， ? ?BBPU 為驅(qū)動電流 續(xù)駛里程： VPESBB ?? 1000 (223) 本章小結(jié) 本章介紹了電動汽車動力系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)形式，通過分析四種驅(qū)動模式特點，結(jié)合本文設計要求，選擇電動機驅(qū)動橋結(jié)合式的結(jié)構(gòu)形式作為本文設計車輛的驅(qū)動模式，通過對關(guān)鍵零部件的分析，為電動機和電池的選型奠定基礎(chǔ)，通過對電動汽車動力性和經(jīng)濟性進行分析，為動力系統(tǒng)參數(shù)匹配提供了依據(jù)。 16 3 電動汽車關(guān)鍵技術(shù) 電動機技術(shù) 電動機作為電動汽車的動力輸出，應該高效的將電池中的電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動車輛行駛的機械能，此外為了增加汽車的續(xù)航能力，電動機還應該盡量高效的將制動時產(chǎn)生的能量存儲的電池中 [10]。電動汽車使用電動機種類不一，傳統(tǒng)電動機主要有以下幾種： 直流電動機：直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動。直流電機可以在重載工況下實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍廣，此外直流電動機起動力矩大適用于重負載機械，但是它質(zhì)量、體積比較大，與輕量化設計理念不一致，同時效率低經(jīng)濟性不好，所以在汽車上應用受限。直流電動機及控 制器如圖31 所示。 圖 31 直流電動機及控制器 交流感應電動機：交流感應電動機是轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下獲得一個轉(zhuǎn)矩，將電能轉(zhuǎn)換為機械能。交流感應電動機包括籠形和繞線轉(zhuǎn)子兩種，因為籠形交流感應電動機具有效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、便于維修的特點，所以與直流電動機相比更具優(yōu)勢，但是繞線轉(zhuǎn)子交流感應電動機結(jié)構(gòu)復雜，成本高，而且故障率也較高。感應電動機可以再生制動實現(xiàn)車輛制動時的能量回收，因此在電動汽車上得以廣泛應用。但是感應電動機也具有降低電網(wǎng)功率、調(diào)速范圍窄、不能平滑調(diào)速的缺點。因為感應電動機使用 三相電，所以需要使用逆變器將電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給感應電機。此外，感應電動機控制策略有轉(zhuǎn)速控制、矢量控制、變壓變頻控制、效率優(yōu)化控制、自適應控制和變級控制等。交流感應電動機及控制器如圖 32 所示。 17 圖 32 交流感應電動機及控制器 開關(guān)磁阻電動機 :開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)包括功率變換器、開關(guān)磁阻電動機、控制器和傳感器四部分。具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高和成本低的有點，轉(zhuǎn)速比較高。缺點是轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，噪音大，經(jīng)濟性也不理想，所以在電動汽車上應用也有限。開關(guān)磁阻電動機及控制器如圖 33所示。 圖 33 開關(guān)磁阻電動機及控制器 永磁電動機分為兩種：永磁無刷直流電動機、永磁同步電動機。永磁無刷直流電機的優(yōu)點是便于控制和轉(zhuǎn)矩大，缺點是工作轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。永磁同步電機優(yōu)點是工作轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，但是其難以控制，技術(shù)要求高，成本也高，并且轉(zhuǎn)矩較無刷直流電機小。永磁同步電動機及控制器如圖 34 所示。 圖 34 永磁同步電動機及控制器 18 蓄電池技術(shù) 蓄電池是電動汽車唯一的能量提供源，電池蓄電能力對電動汽車續(xù)駛里程有很大影響，要想續(xù)駛里程遠，就必須增大蓄電池容量，蓄電池容量越大，體積和質(zhì)量就越 大，導致整車質(zhì)量加重，自身消耗能量增加，使汽車續(xù)駛里程降低。因此，蓄電池對整車性能影響重大。 電動汽車蓄電池有五大要求：功率密度高、能量密度高、循環(huán)壽命長、安全可靠、制造成本低 [11]。根據(jù)電動汽車工作需要，平衡五個方面的取舍，獲得最優(yōu)方案。這也是目前電動汽車蓄電池領(lǐng)域需要攻克的難關(guān)。 市場存在的蓄電池主要有三種：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池。不同類型蓄電池性能比較如表 31 所示。 表 31 不同類型蓄電池性能比較 電池類型 鉛酸電池 鎳氫電池 鋰離子電池 正極 PbO2 NiOOH LiCoO2 電解液 H2SO4 KOH LiPF6 負極 Pb MH C 能量密度（ Wh/kg） 30 6080 100 基本電壓 2V 自我放電率（月） 5% 30% 10% 可充電次數(shù) 200500 500 1000 容忍過充電率 高 低 非常低 最佳放電率 30%50% 80% 60% 容許負載 高 最低 低 最快充電 8H 2H 3H 工作溫度 20600C 20600C 20600C 估計成本 25 70 100 鉛酸電池：電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種 蓄電池 。應用廣泛，成本低、控制簡單，技術(shù)成熟，質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高。其缺點是質(zhì)量中，體積大，不能滿足汽車續(xù)駛里程長的要求，其次壽命較其他電池短，更換次數(shù)頻繁。 鎳氫電池：由氫離子和金屬鎳合成，電量儲備比 鎳鎘電池 多 30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染。鎳氫電池的缺點是價格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。其高比功率特性完全可以滿足電動汽車啟動、加速和爬坡的要求，壽命也是鉛蓄電池的 2倍以上，而且安全，環(huán)保。它曾是電 19 動汽車發(fā)展過程中的主要能源，隨著技術(shù)發(fā)展逐漸被替代。 鋰離子電池：是一種二次電池（充電電池），它主要依靠 鋰離子 在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中， Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時， Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現(xiàn)代高性能電池的代表。其具有電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、安全性好、自放電率小和充電速度快的特點。其缺點是不同程度的衰老和不耐受過充、過放。 電池管理系統(tǒng) 系統(tǒng)管理 在電動汽車正常使用時，電池組會不斷的放電、充電，電池組中電壓，電流，溫度都會有不同程度的變化。為了保證整個電池組的整體性能，需要對各單體電池進行監(jiān)控、管理，從而保證電池組中各單體電池性能的一致性。 電池充電 在使用過程中必須對電池組進行周期性的充電。充電需要用專用的充電設備進行充電，充電設備多種多樣，包括接觸式和感應式充電器，根據(jù)汽車需要選擇適合的充電器。 電池管理系統(tǒng)如圖 35 所示。 圖 35 電池管理系統(tǒng) 本章小結(jié) 本章重點對電動汽車的關(guān)鍵技術(shù) —— 電動機技術(shù)和蓄電池技術(shù)做了詳細的 20 介紹，通過對比分析各種類型的電動機和蓄電池的性能參數(shù)，結(jié)合實際需求，最終確定電動機類型為永磁同步電動機，蓄電池類型為鋰離子蓄電池。 21 4 電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配 電動機參數(shù)匹配： 為了使電動機更好的匹配整車性能，本文首先列出了車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能要求，部分參數(shù)為設計車輛的期望值。整車結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能要求如表 41 所示。 表 41 整車結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能要求 名稱 參數(shù) 單位 整車質(zhì)量 1090 Kg 載貨質(zhì)量 600 kg 空載最高車速 80 Km/h 滿載最高車速 60 Km/h 迎風面積 M2 空氣阻力系數(shù) 滾動阻力系數(shù) + 最大爬坡度 20 % 續(xù)駛里程 100 km 傳動效率 輪胎規(guī)格 165/70R14 車輪滾動半徑 m 電動汽車所需轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都來自于電動機，電動機功率大小直接影響到整車性能。如果電動機功率過大，后備功率就會很大，不僅使得電動機的質(zhì)量增大，而且會使電動機工作效率低下；反之，功率過小，不能滿足整車的性能要求，而且電動機經(jīng)常過載工作，導致電動機壽命大大縮短，甚至直接損壞 [12]。 電動機參數(shù)計算： 電動機功率計算： （ 1）滿足空車最高車速（ 80km/h)要求，電動機需要提供的功率： ???????? ?? 21m a x1m a x1m a x AvCm gfvP Dr? (41) 滿足滿載最高車速（ 60km/h）要求，電動機需要提供功率： 22 ???????? ?? 0 22m a x2m a x2m a x AvCm gfvP Dr? (42) 式中 1maxv 、 2maxv — 電動汽車的車速， r? — 功率效率系數(shù)， m— 電動車質(zhì)量 f— 滾動阻力系數(shù)， DC — 空氣阻力系數(shù)， A— 迎風面積， g— 重力加速度 經(jīng)計算得： kwP ? ， kwP ? （ 2）滿足爬坡性能（ 10km/h,20%）要求 ,電動機需要提供功率： ? ? ? ? ???????? ??? rc t a ns i na rc t a nc os36 00 23ma x AvCmgm gfvP DT??? (43) 式中 v— 電動汽車車速， ? — 最大爬坡度 經(jīng)計算得： kwP ? （ 3）滿足電動汽車加速性能（ 0— 40km/h,10s）要求，電動機需要提供率： ???????? ????? 1 234m a x mmmDmmTmvmtAvCtvm gftP ?? (44) 式中 ? 為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù) 經(jīng)計算得： kwP ? 為滿足電動汽車使用性能要求，電動機最大功率應滿足： ? ?4m a x3m a x2m a x1m a xm a x , PPPPP ，? (45) 則電動機的最大功率為： kwP 30max ? 電動機的額定功率為： 23 kwPPrated 15m ax ?? ? (46) 式中 ? 為電機過載系數(shù)，一般選取范圍 2— 4，本文選取 2?? 電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩計算： 電動汽車傳動系統(tǒng)主要包括固定速比減速器、差速器、半軸、驅(qū)動車輪等。主減速比直接影響到整車的經(jīng)濟性和動力性，根據(jù)汽車理論經(jīng)驗公式可以大致得出主減速比的選擇范圍： 69，本文初選傳動比為 i=[13]。 電動貨車在滿載最大爬坡度工況時所需扭矩最大扭矩：