第 20次课教学整体设计

第20 次课教学整体设计教学过程（教学设计实施步骤及时间分配）步骤1：课前准备（10分钟）1、课前考勤2、复习提问①电池按活性物质的存在方式分类？②电池按电池电解液分类？③按电池的工作性质及存贮方式不同分类？步骤2：课程导入（5分钟）一辆性能优良的电动汽车，除了要有良好的机械性能、良好的电驱动性能、选择适当的能量源(即电池)以外，还应该有一套协调各功能部分工作的能量管理系统，使有限的能量源最大限度得到利用。

一个完整的能量管理系统应包含两个方面的内容：①充电管理系统；②放电管理系统。

电动汽车的能量传递路线电动汽车将电池的电能通过柔性导线传输给电动机，将电能转化为电磁力矩，再通过刚性机构驱动车轮。

步骤3：讲授课程内容（10分钟）一、电动汽车的能量管理系统（一）电动汽车的能量管理系统组成及功用1、电动汽车的能量管理系统：对电动汽车动力系统能源转换装置的工作能量进行协调、分配和控制的软、硬件系统。

2、能源管理系统的硬件组成：由一系列传感器、控制单元ECU和执行元件等组成，软件系统的功能主要是对传感器的信号进行分析处理，对能源转换装置的工作能量进行优化分析，并向执行元件发出指令。

3、电动汽车的能量管理系统的主要功用：是在满足汽车基本技术性能和成本等要求的前提下，根据各部件的特性及汽车的运行工况，实现能量在能源转换装置之间按最佳路线流动、使得整车的能源利用效率达到最高。

包含两个方面：充电管理系统和放电管理系统。

电池充电状态指示器电池管理系统（二）电池充电状态指示器电动汽车电池当前存在有多少电能，还能行驶多少公里，是EV行驶中必须知道的重要参数，也是能量管理系统应该完成的重要功能。

电池充电状态指示器正是满足这一需求的仪表，每辆EV都应在设计时加以考虑。

一般来说基于化学反应原理的蓄电池是一个复杂的系统，它的性能取决于极板材料、电解溶液浓度、反应温度、充电状态、放置时间等诸多因素。

充、放电时呈现明显的非线性和非常小的动态内阻，其参考模型中的多个参数，都是充电状态的函数，而且随着充电次数的增加，各参数均有变化。

由于上述原因，能量管理系统在该功能的研制上难度很大，人们还在进行着不懈的努力。

早期研制的EV的充电状态指示器是电压监测型的，由于电池种类的不同和运行状况的不同，它们在精度上存在问题，或者说误差太大。

即使考虑按①当前状态；②市区；③郊区；④高速公路等四种模式预测尚可行驶的公里数，也不能满足EV使用的基本要求。

近几年国外积极研制智能型(带CPU)的充电状态指示器，这是今后发展的方向。

剩余电量的静态计算要考虑电池放电电流、温度对容量的影响，并对电池老化和自放电进行修正。

步骤4：学生就情境展开讨论（5分钟）电池充电状态指示器的工作原理？步骤5：讲授课程内容（5分钟）（三）电池管理系统EV电池能量是有限的，也是非常宝贵的。

为了使EV的续驶里程增加，十分需要对电池系统进行全面的管理，其目标应该实现：对电动汽车动力电池组实现能量管理，特别是当以铅酸电池作为电动汽车的储能动力源时，是十分必要的。

电池能量管理系统要完成的基本任务大致有如下几条：1．对电动汽车电池组中的每块电池的端电压和温度进行采集，对每组电池充、放电电流进行实时采集，建立每块电池的使用历史档案。

由于电池组中的每块电池在使用过程中的性能和状态不一致，因而对每一块电池的电压、电流和温度数据都要进行检测。

2．随时预报电动汽车还能运行多少路程，即预报电动汽车储能电池还剩余多少能量，使司机在行车过程中做到心中有数。

3．电池需要充电时，及时报警，以防止电池过放电而影响其使用寿命。

特别是铅酸电池，过放电会严重损坏电池，显著地缩短电池的寿命。

4．电动汽车运行时，如果电池组中有哪块电池损坏了或因使用时间过长需要更换，自动用好的电池替换，从而提高系统的可靠性，并显示有关信息，以便操作者在方便时取下坏的电池。

5．合理地分配电池能量在电动汽车上的使用，以便达到节能的目的。

例如，当铅酸电池作为电动汽车的储能动力源时，在电动汽车启动、爬坡过程中暂时关闭空调等耗电大的电器，使电池放电电流不会过大，有利于提高电池的实际使用容量。

6．当给电池组充电时，能量管理系统根据所检测的电池组中每块电池的有关数据，通过一定的运算处理，确定每块电池的充电状态，根据电池的充电与维护要求，控制充电机的充电过程，综合考虑各电池的充电状态，确定何时该停止充电，从而在一定程度上弥补电池组在充电过程中，由于各电池的不均衡性而造成某些电池过充电或欠充电问题，这样有利于延长电池的使用寿命。

另外，能量管理系统还能确定哪块电池因长期处在欠充电状态，而需要单独给予完全充电或适当的过充电，以免该电池过早损坏。

在电动汽车上实现能量管理的难点，在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。

据称，美国通用休斯电子公司已研制并在电动汽车上应用了铅酸电池能量管理系统。

在福特汽车公司的电动汽车实验室中，也正在试验性能完善的电动汽车能量管理系统。

在电动汽车上，除了有必要使用电池能量管理系统外，在选用电池组中的电池时，应尽量选用各种特性参数接近的电池，这对提高电池组中各电池的使用寿命也是十分重要的。

步骤6：学生就情境展开讨论（5分钟）电池能量管理系统要完成的基本任务？步骤7：讲授课程内容（5分钟）（四）EV汽车的能量管理系统综上所述，一个完整的能量管理系统，应考虑诸多方面的因素，从功能上考虑应具备电池充电指示和电池放电(用电)的管理两大功能。

图6-24是基于这一思想设计的EV汽车的能量管理系统。

图6-24 EV汽车的能量管理系统框图步骤8：学生就情境展开讨论（5分钟）EV汽车的能量管理系统的功能？步骤9：讲授课程内容（5分钟）EV汽车不管采用什么电动机都有如下相同的特点：电动机由于本身及其所带负载的惯性作用，从切断电源到完全停止旋转，不能立即完成。

这一部分剩余能源如何利用也是人们一直在研究和探讨的问题。

就一般电动机制动而言，采用的方法一般为两大类：机械制动和电气制动两种方式。

而在电气制动中又有：反接制动、能耗制动和再生发电制动三种型式。

电动汽车的制动方式应考虑两种类型的结合，一般的刹车系统为机械式制动，若能在电动汽车刹车和下坡滑行时考虑设计一种再生发电系统，这样更可提高整车能量的使用效率，达到节约能源的目的。

在机械式刹车制动时，大量的能源被消耗，若能在此时将电机的状态由控制系统改变为发电状态，在机械刹车制动的同时，将能量的一部分转换为电池能量，这样亦可减小机械刹车系统的损耗，达到一举两得的效果。

一般而言，再生发电制动，它只能起到限制电动机转子的速度过高的作用，即不让转子的速度比同步速度高出很多，但无法使其转速降低到小于同步转速。

也就是说，再生发电制动仅仅能起到稳定运行的作用，因此，在考虑设计再生制动发电的几种使用场合时，应全面综合通盘考虑，它应该包括：①刹车制动时；图6-25 电动汽车能量再生控制系统框图②下坡滑行时；③高速运行时；④减速运行时等多种场合。

图6-25为基于此思想设计的一个电动汽车再生发电系统原理框图。

电动汽车(EV)的能量再生系统能充分发挥电动汽车的优点，将汽车刹车制动，下坡滑行，高速运行，减速运行等状态下的部分能量转化为电能反充给蓄电池，从而有效地利用能源，提高了电动汽车的续驶里程。

步骤10：学生就情境展开讨论（5分钟）EV汽车的能量再生控制系统工作原理？步骤11：讲授课程内容（10分钟）一、电动汽车各参数最佳匹配的探讨（一）蓄电池容量与放电率的匹配关系蓄电池的额定容量，一般规定为蓄电池的l0h放电率容量，其单位为A·h。

当放电率低于10 h放电率，即放电电流大于10 h放电率的放电电流时，所得到的放电容量将低于额定容量。

电动汽车在行驶工况中，由于蓄电池的端电压的限制，其放电电流一般都是额定容量放电电流的几倍，甚至几十倍。

因此，电动汽车从电参数匹配角度来看，希望电动机稳定运行时，电流较小，通常工作在满负荷的情况下，且要求启动力矩较大；就蓄电池的容量而言，最好选择比功率、比转率和效率都尽可能高的电动机，使整车性能达到最佳匹配，还应考虑电动机功率，满足整车的动力性要求，包括最高车速、爬坡能力、满载加速等性能的要求：1．最高车速电动机的功率必须满足电动汽车最高车速的要求，以保证在良好的工况下或空载时，能以较高的车速行驶。

考虑到电动汽车主要是作为城市交通工具，大多数情况下是以中、低速行驶，因此，电动机的功率不能选择得过大，否则会使其经常处于部分负荷下工作，使得电机效率大大下降，大大浪费蓄电池有限的电能。

电动机功率的选择既要满足整车具有一定的车速，又要根据整车的车型和使用条件：使得电动机经常在较满负载状态下运行。

2．加速性能一般来说，电动汽车的电动机功率越大则其储备的功率越高，从而加速性越好，但又会使电动机经常处于部分负荷下工作，这又需根据车型和使用条件来选择。

若是城市交通工具，为了不浪费能源，尽量提高电动机的使用效率，其加速性只要能满足城市车流的需要，折中选择电动机的功率为佳。

但是，也需考虑到行驶工况的复杂性，如城市内也有坑洼路面，或有一定坡度，或满载启动加速等等，这就要求在折中考虑电动机功率的同时，还要求电动机有一定的过载能力，即能承受较大的过载电流，能产生高于额定转矩l.55倍的转矩。

（二）电动机额定电压的选择确定电动机的功率之后就要确定电动机的额定电压和蓄电池组的端电压。

在电动机功率一定的情况下，电压越高，电流就越小，线路等功率损失也小，电池以小时电流放电时，可发挥出较大的容量。

但若电压选择得过高，也会带来一些问题：一则安全性能和电力电子器件的性能要求提高，这样是很不经济的；二则电压过高，电流过小，蓄电池的输出功率显著下降；同时，电压过高，就需要更多的电池串联使用，这样不仅会增加蓄电池组的重量和布置的难度，也增大连接线路的损耗。

一般来说，电动机的额定电压一般选择在120～400 V 之间为宜，四轮中型车辆通常240 V左右，电动二轮、三轮车辆可在120 V左右，大型客车电动机的额定电压取360 V左右为佳。

二、提高电动汽车性能的研究目前研制的电动汽车样车，大多数是利用内燃机汽车改装而成，这样会受到诸多因素阳制，如空间的布置、整车的质量均无法考虑。

在当前缺乏理想蓄电池的条件下，为了提高电或汽车的性能，必须从电动汽车自身的特性出发，进行真正符合电动汽车自身规律的总体设计，才能提高电动汽车的动力性、节约能量、延长其续驶里程。

（一）从动力学角度出发提高电动汽车性能的途径考虑到蓄电池的储能能力极其有限，为了充分利用蓄电池中有限的能量，应尽量减小行驶阻力，包括空气阻力和滚动阻力，减少这两种阻力是提高电动汽车动力性能的关键。