纯电动车动力系统概要

到2008年，北京地区的机 动车排放将实行相当于欧 洲Ⅲ号的标准。北京奥组 委在《北京奥运行动规划 科技奥运建设专项规划》 中，将电动汽车开发、示 范及产业化研究、动力锂 离子电池及关键材料研究 列入重点任务。
纯电动动力系统组成
纯电动车动力系统结构简图
动力系统组成： 电池及其管理系统
电机及其管理系统
发展纯电动车的原因
资源
政策
市场需求
据国务院发展研究中心 预测，从2007年我国电 力将开始盈余。微型电 动汽车在夜间充电有利 于我国电力结构优化， 假定我国2020年电动汽 车、微型电动汽车、电 动自行车保有量分别达 到50万、500万和2亿辆， 以三类电动车年行使里 程2万公里、1万公里和 5000公里为例计算，夜 间充电将为电网提供总 装机容量近7%的蓄能设 备，为电力产业发展节 约投资成本约1000亿元。
Li－Ion 锂离子电池
动力电池体系发展现状比较
铅酸电池 能量密度 （Wh/kg） 差 30～40 镍镉电池 一般 40～50 镍氢电池 好 50～90 锂离子电池 优良 60～200 超级电容器 非常差 0～15
功率密度 （W/kg）
低温性能 高温性能 循环寿命 记忆效应 安全可靠性 应用成本 发展现状
差 100～ 150
一般 一般 差 无 好 低 商业化
良好 30～40
良好 良好 良好 有 好 较低 商业化
好 150～1500
良好 一般 优良 无 好 较高 商业应用
良好 150～2500
差 一般 一般 无 差 高 有应用实例
优异 1000～ 30000
优良 优良 优良 无 好 高 有应用实例
蓄电池主要实验
永磁同步电机
永磁同步电机分类
• 永磁同步(PMSM) 转子永磁体形成的空间磁场强度沿周向呈正弦波分布。 随转子旋转，定子线圈感生反电动势(bemf)为正弦波。 为产生平稳扭矩，定子电流随转角也应为正弦波。
S
N
N
S
永磁同步电机
永磁同步电机分类
• 交流无刷(BDCM) 转子永磁体形成梯形空间磁场 随转子旋转，在定子线圈感生反电动势(bemf)为梯形波 为产生平稳扭矩，定子电流也应控制为梯形波。 但不可能产生完全平稳扭矩输出 (只有当bemf为理想矩形波时)
浙江雄霸 800W直流永磁刷 单个重量约8Kg
电机分类
1 直流电机－如传统汽车用启动电机 • 直流电机（通过直流电直接驱动的电机） 定子磁场空间固定：通过直流电或永磁体产生 转子磁场空间固定：通过电刷转子线圈产生 • 两空间旋转磁场，当方向夹角90度时，产生最大作用 扭矩。
电机分类 2 交流同步电机 • 交流同步电机(转子转速与磁场转速相同) 定子磁场空间旋转：通过交流电定子线圈产生 转子磁场空间旋转：通过电刷转子线圈或永磁体产生
电池类型
铅酸 Pb－Acid
化学反应式
P b P bO2 2H 2 SO4 2P b SO4 2H 2O
镍铬 Ni－Cd
镍锌 Ni－Zn
Cd 2NiOOH 2H2O Cd (OH )2 2Ni (OH )2
Zn 2NiOOH 2H2O Zn (OH )2 2Ni (OH )2
性能实验——测试变温度/DOD/充放电速率下的 时 间－电压 或 时间－SOC 等曲线，了解电池的本 身特性。 随车实验——记录不同转速/扭矩下的电池电压/电流 /温度/SOC，优化电池的管理策略，不仅用于纯 电动车，还用于混合动力车（结合混合动力车辆 的构型、能量分配策略和控制算法）。 极限实验——在刺穿/热失稳等极限条件下，评估电 池的安全性。
MH NiOOH M Ni (OH )2
xLi M yOz Li x M yOz , M yOz为过渡金属氧化物
LixC Li1 x M y Oz C LiM y Oz , LixC为锂碳化合物，Li1 x M y Oz为锂化过渡金属氧化物
镍氢 Ni－MH
Li聚合物电池
纯电动车动力系统
S N S N
李哲 清华大学汽车工程系发动机控制课题组 2006.12
提纲
1 2 3 4 5 纯电动概述 纯电动动力系统组成 动力系统的不同布置方法 电机 电池
电池的反应式和基本类型比较 三类主要实验，放电特性 与充电方法 BMS的任务 SOC估计方法 单体差异 安全性管理
概述
环境
永磁同步电机
电机损耗
• 铜损(电损) 定子线圈为铜导线，铜损是指由于导线内阻R引起的损耗 电损随定子电流幅值增大而增大。
• 铁损(磁损) 定子导磁材料为铁片，铁损是指由于磁路漏磁Rc引起的损 耗。铁损随磁通和转速增大而增大。即随定子电压幅值增 大而增大。
电池
电池－电动汽车产业化发展的瓶颈之一
常见蓄电池的反应式
• 励磁同步发电机(APU所用发电机) 转子通过励磁机励磁(无刷直流励磁)，定子感生交流电
• 永磁同步电机(ISG广泛采用) 转子永磁体，定子线圈，无电刷
S
N
电机分源自文库 3 直流磁阻电机 • 磁阻同步电机(多用于步进电机) 定子磁场空间旋转：通过直流电定子线圈产生 转子磁场空间旋转：无转子磁场
电机分类 4 交流异步电机 • 交流异步电机(转子转速小于磁场转速) 定子磁场空间旋转：通过交流电定子线圈产生 转子磁场空间旋转：通过金属条(鼠笼)感应产生
•
磁场相互作用
两个空间磁场，产生相互作用力，使得磁力 线方向趋于一致。（指南针） •
磁力线总是喜欢从磁阻小得地方通过。 （吸铁）
电机的数量和布置
• 选装几个电机？ • 使用轮毂电机吗？ • 电机选择什么类型？ 直流永磁无刷？
四轮单独控制，减少打滑等 附着 制动能量回收 重量 电机的效率曲线 轮毂电机——线控，体积，空间布置 成本
辅助子系统
动力系统的不同布置方法
电机
电机原理 电磁场基本原理 磁通、磁场强度、磁感应强度、磁导率 电&磁：
电动势E 电流 I 电流密度I/S 电阻R=L/rs I=E/R=E/(L/rs) <-> <-> <-> <-> <-> 磁通势F=NI 磁通 Ф 磁感应强度B 磁阻 Rm=L/µS Ф=F/Rm=NI/(L/µS) • 电机原理： 在空间内产生定子磁场和转子磁 场。 磁场相互作用产生扭矩和感生电 动势。 通过保持两磁场强度和相对夹角 控制扭矩。 电动机 (电能机械能) 当扭矩方向与旋转方向相同时输 出机械能。 此时感生电动势方向与电流同相， 消耗电能。 发电机 (机械能电能) 当扭矩方向与旋转方向相反时消 耗机械能。 此时感生电动势方向与电流反相， 产生电能。