新能源汽车电子教案 第二章 电动汽车基础

第二章电动汽车基础[学习目标]1.学习电动汽车，首先请读者电动汽车的电动机的分类和相关概念。

2.电动汽车的电池对电动汽车的发展起着至关重要的作用，要求掌握电动汽车电池的定义与分类。

3.目前，电动汽车的电池成为阻碍电动汽车推广的主要技术瓶颈，请读者了解目前几种应用前景较好的动力电池。

第一节电动汽车的电动机一、电动汽车电动机的相关概念1电动机的定义电动机（Motors）是把电能转换成机械能的一种设备。

它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。

电动机的组成电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。

电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

2 负载性质负载性质是指负载类型及其机械特性，是连续运行的负载还是断续运行的负载，是恒定的力矩，还是变化的力矩，是恒转速运行还是变速运行3负载容量负载容量是针对电动机功率和转矩的大小而确定，电机功率的选择应满足配套机械负载必需的容量，不要过大也不可以过小。

功率选得过大，不能充分发挥电动机效率，增加投资费用和运行费用，浪费电力；功率选得过小，会使电动机超负荷工作，电动机发热，绝缘寿命缩短。

二、电动汽车用电动机分类电动汽车驱动电动机种类：1、按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。

2、按结构及工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。

3、按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

4、按运转速度分类： 电动机有转换器 无转换器 特种电动机交流电动正弦波电动机 方波电动机 同步磁阻电动直流电动电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

5、按绝缘等级分为：A级、E级、B级、F级、H级、C级6、按额定工作制分①连续工作制（SI）：电动机在铭牌规定的额定值条件下，保证长期运行②短时工作制（S2）：电动机在铭牌规定的额定值条件下，只能在限定的时间内短时运行。

短时运行的持续时间标准有四种：10min 、30min 、60min及90min。

③断续工作制（S3）三、电动汽车常用的电动机1直流电动机.（DCM）1）定义：直流电动机（direct current motor，DC motor）将直流电能转换为机械能的转动装置。

2）特点（1）调速性能好。

（2）起动力矩大。

（3）高速性能不佳。

3）构造分为两部分：定子与转子。

其中，定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等；转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。

2.交流感应电动机（induction motor）1）交流感应电动机定义交流感应电动机又称交流异步电动机，由定子绕组形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转矩驱动转子旋转的交流电动机。

2）特点交流感应电动机具有结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、低转矩脉动和低噪音特点。

最大缺点是驱动电路复杂，相对于永磁电机而言，感应电机（异步电机）效率和功率密度偏低。

3）工作原理异步电动机定子上有三相对称的交流绕组，三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场，转子绕组的导体处于旋转磁场中，转子导体切割磁力线，并产生感应电动势，判断感应电动势方向。

转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。

3.永磁无刷电动机简介与传统的电励磁电动机相比，永磁电动机特别是稀土永磁电动机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量小、损耗少、效率高，以及电动机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点.4.开关磁阻电动机1）开关磁阻电动机的定义开关磁阻电动机（Switched Reluctance Drive ：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。

2）系统特点①结构简单。

②起动优点。

③频繁起停。

④性能好。

⑤效率高损耗小。

5.永磁电机永磁电机包括反电动势为方波的无刷直流电机和反电动势为正反弦波的永磁同步电机。

1）无刷直流电机。

无刷直流电机具有高转矩密度、高功率密度、位置检测和控制方法简单、效率高优点。

但因换相电流难以达到理想状况，造成电机存在一定程度的转矩脉动及振动噪音，因此较适合应用于减速系统和车速不高的电动汽车。

2）永磁同步电机永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。

3）分类与特点永磁同步电机的转子结构按定、转子的内外关系来看，可分为：外转子结构和内转子结构，而对内转子结构而言，又可分为三种:表面式、内置式和爪极式。

永磁同步电机有如下的特点:（l）高起动力矩、高过载能力（2）运行效率高、节能效果尤为明显第二节电动汽车电动机的选用策略1）电动汽车上所使用的电动机往往要求频率启动，频率加减速以及工作模式的频繁切换，这对电动机的响应性提出了更高的要求。

2）在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。

3）相对于传统电动机相比，电动汽车所使用的电动机系统的工作环境更加恶劣，干扰更大，从而要求它具有更高的可靠性，抗震性和抗干扰性。

4）传统电动机一般工作在额定工作点附近，而电动汽车电动机的工作范围相对较宽，却由于电动机工作模式的特殊性，额定功率这个参数对于电动机而言，没有特大意义。

5）现在混合动力汽车上，主要采用能够实现变频、调速的高转速电动机，高速电机的转速可以达到1万～1.2万r/min，在高速运转时，有更大的功率和有较宽阔的恒功率范围，体积较小和质量较小，但要求装置高精度的高速轴衬，需要用高品质的材质来制作，并要保证高效率的冷却。

第三节、蓄电池一、蓄电池的定义与分类1、蓄电池的定义2、蓄电池的记忆效应和消除方法如果电池属镍镉电池，长期不彻底充、放电，会在电池内留下痕迹，降低电池容量，这种现象被称为电池记忆效应。

消除记忆的方法是把电池完全放电，然后重新充满。

3、电池的分类电池的分类有不同的方法，其分类方法大体上可分为四大类：1）按电解液种类分类2）按工作性质分类3）按贮方式分类4）按电池所用正、负极材料划分4.电池主要性能指标①比能量②能量密度③比功率④功率密度⑤寿命⑥充放电效率⑦自放电率⑧按一定标准规律的放电二、电动汽车常用的蓄电池1、动力电池的定义动力电池即为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。

2、动力电池的分类①二次电池。

②超级电容器③飞轮电池3、电动汽车常用的蓄电池1.）铅蓄电池铅蓄电池可分为两类：注水式铅蓄电池和阀控式铅蓄电池. 2）.镍氢电池3）. 锂离子电池4）.丰田Pruis普锐斯电动汽车电池三、蓄电池能量管理技术蓄电池能量管理系统直接检测及管理电动汽车的储能电池运行全过程，包括蓄电池充放电过程管理、电池温度检测、电池电压电流检测、电量估计、单体电池故障诊断等几个方面。

作为电池系统的核心部分，在整个电动汽车的研究和发展过程中具有举足轻重的作用。

其工作过程为：（1）通过数据采集模块获取电池电路中的重要数据（如单体电池和电池组电流电压和温度等）；（2）将获取的数据发送给中央处理器进行分析和处理；（3）比对数据库记录，发出程序控制和变更指令；将实时数据发送到数据显示器，同时对应的执行模块做出动作，对电池组进行调控。

（1）数据采集数据采集是电池管理系统中最重要和最基本的功能（2）荷电状态（SOC）估计电池管理系统的核心课题之一就是SOC估计，一般由CPU模块进行计算.几种计算方法如下：1）安培法2）开路电压法3）内阻法4）神经网络主要用于模拟电池动态特性来估算SOC5）卡尔曼滤波法（3）蓄电池的充电技术目前，蓄电池主要采用的充电方式有如下几种：恒流充电、恒压充电、衰减充电、脉冲充电、快速充电。

目前存在的快速充电法主要有:分级恒流充电法、脉冲充电法、定化学反应状态法、变电流间歇/恒电压充电法以及变电压间歇充电法等。

（4）均衡管理防止过充和过放对于锂离子电池常用的均衡方案主要有：电阻方案、开关电容方案、独立充电方案。

对于铅酸电池和氢镍电池常用的方法有：涓流充电均衡法、电阻并联均衡法、放电均衡法、电感均衡法。

（5）热管理锂离子电池工作温度范围为：充电时-10~45℃，；放电时-30~55℃，铅酸电池和氢镍电池工作温度范围为：充电时-10~50℃，放电时-20~60℃，他们最佳的工作温度范围为：20~40℃。

（6）数据通讯目前应用到电池管理系统中的主要通讯手段有：SMBUS总线、CAN总线、RS232总线和RS485总线。

第四节其他类型动力电池一、超级电容器超级电容器（supercapacitor，ultracapacitor），又叫双电层电容器（Electrical Double-Layer Capacitor）、电化学电容器（Electrochemcial Capacitor，EC），黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。

1）充放电时间超级电容器的电阻阻碍其快速放电，超级电容器的时间常数τ在1-2s，完全给阻-容式电路放电大约需要5τ，也就是说如果短路放电大约需要5-10s2）优点1、在很小的体积下达到法拉级的电容量；2、无须特别的充电电路和控制放电电路；3、和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；4、从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；5、超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题；3）缺点1、如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；2、和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路；4）超级电容器与电池的比较的优点5）应用前景这一技术的意义相当重大，该突破不仅从根本上改变了混合动力动车在交通运输中的位置，也将改进诸如风能、太阳能等间歇性能源的利用性能，增进了电网的效率和稳定性，满足人们能源安全的需求，减少对石油的依赖。

超级电容器取两者之长，结合起来使用在电动汽车上，除了可以具有传统纯电动汽车的“电代油”和“零排放”主要优点外，还具有一次充电行驶距离长（可达300 公里）、速度快（可达100 公里/小时）、行使过程中能量回收效率高等优点，代表了纯电动汽车的最新发展方向之一。

目前，已有富士重工和NEC 联合开发“锂离子电容器”，能量密度达30 瓦时/千克，为先前电容器的4 倍，达到了用于电动汽车的实用水平。