第二章電動汽車基礎[學習目標]1.學習電動汽車，首先請讀者電動汽車的電動機的分類和相關概念。2.電動汽車的電池對電動汽車的發展起著至關重要的作用，要求掌握電動汽車電池的定義與分類。3.目前，電動汽車的電池成為阻礙電動汽車推廣的主要技術瓶頸，請讀者了解目前幾種應用前景較好的動力電池。第一節電動汽車的電動機一、電動汽車電動機的相關概念1電動機的定義電動機（Motors）是把電能轉換成機械能的一種設備。它是利用通電線圈（也就是定子繞組）產生旋轉磁場并作用于轉子鼠籠式閉合鋁框形成磁電動力旋轉扭矩。電動機的組成電動機主要由定子與轉子組成，通電導線在磁場中受力運動的方向跟電流方向和磁感線（磁場方向）方向有關。電動機工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機轉動。2負載性質

負載性質是指負載類型及其機械特性，是連續運行的負載還是斷續運行的負載，是恒定的力矩，還是變化的力矩，是恒轉速運行還是變速運行3負載容量負載容量是針對電動機功率和轉矩的大小而確定，電機功率的選擇應滿足配套機械負載必需的容量，不要過大也不可以過小。功率選得過大，不能充分發揮電動機效率，增加投資費用和運行費用，浪費電力；功率選得過小，會使電動機超負荷工作，電動機發熱，絕緣壽命縮短。二、電動汽車用電動機分類電動汽車驅動電動機種類：電動機電動機有轉換器無轉換器特種電動機交流電動機正弦波電動機方波電動機同步磁阻電動機直流電動機1、按工作電源分類根據電動機工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機。2、按結構及工作原理分類電動機按結構及工作原理可分為直流電動機，異步電動機和同步電動機。3、按起動與運行方式分類電動機按起動與運行方式可分為電容起動式單相異步電動機、電容運轉式單相異步電動機、電容起動運轉式單相異步電動機和分相式單相異步電動機。4、按運轉速度分類：電動機按運轉速度可分為高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調速電動機。5、按絕緣等級分為：A級、E級、B級、F級、H級、C級6、按額定工作制分①連續工作制（SI）：電動機在銘牌規定的額定值條件下，保證長期運行②短時工作制（S2）：電動機在銘牌規定的額定值條件下，只能在限定的時間內短時運行。短時運行的持續時間標準有四種：10min、30min、60min及90min。③斷續工作制（S3）三、電動汽車常用的電動機1直流電動機.（DCM）1）定義：直流電動機（directcurrentmotor，DCmotor）將直流電能轉換為機械能的轉動裝置。2）特點（1）調速性能好。（2）起動力矩大。（3）高速性能不佳。3）構造分為兩部分：定子與轉子。其中，定子包括：主磁極，機座，換向極，電刷裝置等；轉子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，軸和風扇等。2.交流感應電動機（inductionmotor）1）交流感應電動機定義交流感應電動機又稱交流異步電動機，由定子繞組形成的旋轉磁場與轉子繞組中感應電流的磁場相互作用而產生電磁轉矩驅動轉子旋轉的交流電動機。2）特點交流感應電動機具有結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠、低轉矩脈動和低噪音特點。最大缺點是驅動電路復雜，相對于永磁電機而言，感應電機（異步電機）效率和功率密度偏低。3）工作原理異步電動機定子上有三相對稱的交流繞組，三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流時，將在電機氣隙空間產生旋轉磁場，轉子繞組的導體處于旋轉磁場中，轉子導體切割磁力線，并產生感應電動勢，判斷感應電動勢方向。轉子導體通過端環自成閉路，并通過感應電流。3.永磁無刷電動機簡介與傳統的電勵磁電動機相比，永磁電動機特別是稀土永磁電動機具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量小、損耗少、效率高，以及電動機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點.4.開關磁阻電動機1）開關磁阻電動機的定義開關磁阻電動機（SwitchedReluctanceDrive：SRD）是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統之后發展起來的最新一代無級調速系統，是集現代微電子技術、數字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。2）系統特點①結構簡單。②起動優點。③頻繁起停。④性能好。⑤效率高損耗小。5.永磁電機永磁電機包括反電動勢為方波的無刷直流電機和反電動勢為正反弦波的永磁同步電機。1）無刷直流電機。無刷直流電機具有高轉矩密度、高功率密度、位置檢測和控制方法簡單、效率高優點。但因換相電流難以達到理想狀況，造成電機存在一定程度的轉矩脈動及振動噪音，因此較適合應用于減速系統和車速不高的電動汽車。2）永磁同步電機永磁同步電動機的運行原理與電勵磁同步電動機相同，但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵磁繞組勵磁，使電動機結構較為簡單，降低了加工和裝配費用，且省去了容易出問題的集電環和電刷，提高了電動機運行的可靠性；又因無需勵磁電流，省去了勵磁損耗，提高了電動機的效率和功率密度。3）分類與特點永磁同步電機的轉子結構按定、轉子的內外關系來看，可分為：外轉子結構和內轉子結構，而對內轉子結構而言，又可分為三種:表面式、內置式和爪極式。永磁同步電機有如下的特點:（l）高起動力矩、高過載能力（2）運行效率高、節能效果尤為明顯第二節電動汽車電動機的選用策略1）電動汽車上所使用的電動機往往要求頻率啟動，頻率加減速以及工作模式的頻繁切換，這對電動機的響應性提出了更高的要求。2）在允許的范圍內，盡可能采用高電壓，可以減小電動機的尺寸和導線等裝備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本。3）相對于傳統電動機相比，電動汽車所使用的電動機系統的工作環境更加惡劣，干擾更大，從而要求它具有更高的可靠性，抗震性和抗干擾性。4）傳統電動機一般工作在額定工作點附近，而電動汽車電動機的工作范圍相對較寬，卻由于電動機工作模式的特殊性，額定功率這個參數對于電動機而言，沒有特大意義。5）現在混合動力汽車上，主要采用能夠實現變頻、調速的高轉速電動機，高速電機的轉速可以達到1萬～1.2萬r/min，在高速運轉時，有更大的功率和有較寬闊的恒功率范圍，體積較小和質量較小，但要求裝置高精度的高速軸襯，需要用高品質的材質來制作，并要保證高效率的冷卻。第三節、蓄電池一、蓄電池的定義與分類1、蓄電池的定義電池（Battery）指盛有電解質溶液和金屬電極以產生電流的杯、槽或其他容器或復合容器的部分空間。2、蓄電池的記憶效應和消除方法如果電池屬鎳鎘電池，長期不徹底充、放電，會在電池內留下痕跡，降低電池容量，這種現象被稱為電池記憶效應。消除記憶的方法是把電池完全放電，然后重新充滿。3、電池的分類電池的分類有不同的方法，其分類方法大體上可分為四大類：1）按電解液種類分類2）按工作性質分類3）按貯方式分類4）按電池所用正、負極材料劃分4.電池主要性能指標①比能量②能量密度③比功率④功率密度⑤壽命⑥充放電效率⑦自放電率⑧按一定標準規律的放電二、電動汽車常用的蓄電池1、動力電池的定義動力電池即為工具提供動力來源的電源，多指為電動汽車、電動列車、電動自行車、高爾夫球車提供動力的蓄電池。2、動力電池的分類①二次電池。②超級電容器③飛輪電池3、電動汽車常用的蓄電池1.）鉛蓄電池鉛蓄電池可分為兩類：注水式鉛蓄電池和閥控式鉛蓄電池.2）.鎳氫電池3）.鋰離子電池4）.豐田Pruis普銳斯電動汽車電池三、蓄電池能量管理技術蓄電池能量管理系統直接檢測及管理電動汽車的儲能電池運行全過程，包括蓄電池充放電過程管理、電池溫度檢測、電池電壓電流檢測、電量估計、單體電池故障診斷等幾個方面。作為電池系統的核心部分，在整個電動汽車的研究和發展過程中具有舉足輕重的作用。其工作過程為：（1）通過數據采集模塊獲取電池電路中的重要數據（如單體電池和電池組電流電壓和溫度等）；（2）將獲取的數據發送給中央處理器進行分析和處理；（3）比對數據庫記錄，發出程序控制和變更指令；將實時數據發送到數據顯示器，同時對應的執行模塊做出動作，對電池組進行調控。（1）數據采集數據采集是電池管理系統中最重要和最基本的功能（2）荷電狀態（SOC）估計電池管理系統的核心課題之一就是SOC估計，一般由CPU模塊進行計算.幾種計算方法如下：1）安培法2）開路電壓法3）內阻法4）神經網絡主要用于模擬電池動態特性來估算SOC5）卡爾曼濾波法（3）蓄電池的充電技術目前，蓄電池主要采用的充電方式有如下幾種：恒流充電、恒壓充電、衰減充電、脈沖充電、快速充電。目前存在的快速充電法主要有:分級恒流充電法、脈沖充電法、定化學反應狀態法、變電流間歇/恒電壓充電法以及變電壓間歇充電法等。（4）均衡管理防止過充和過放對于鋰離子電池常用的均衡方案主要有：電阻方案、開關電容方案、獨立充電方案。對于鉛酸電池和氫鎳電池常用的方法有：涓流充電均衡法、電阻并聯均衡法、放電均衡法、電感均衡法。（5）熱管理鋰離子電池工作溫度范圍為：充電時10~45℃，；放電時30~55℃，鉛酸電池和氫鎳電池工作溫度范圍為：充電時10~50℃，放電時20~60℃，他們最佳的工作溫度范圍為：20~40℃。（6）數據通訊目前應用到電池管理系統中的主要通訊手段有：SMBUS總線、CAN總線、RS232總線和RS485總線。第四節其他類型動力電池一、超級電容器超級電容器（supercapacitor，ultracapacitor），又叫雙電層電容器（ElectricalDoubleLayerCapacitor）、電化學電容器（ElectrochemcialCapacitor，EC），電容、法拉電容，通過極化電解質來儲能。1）充放電時間超級電容器的電阻阻礙其快速放電，超級電容器的時間常數τ在12s，完全給阻容式電路放電大約需要5τ，也就是說如果短路放電大約需要510s2）優點1、在很小的體積下達到法拉級的電容量；2、無須特別的充電電路和控制放電電路；3、和電池相比過充、過放都不對其壽命構成負面影響；4、從環保的角度考慮，它是一種綠色能源；5、超級電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題；3）缺點1、如果使用不當會造成電解質泄漏等現象；2、和鋁電解電容器相比，它內阻較大，因而不可以用于交流電路；4）超級電容器與電池的比較的優點序號內容1超級電容器在其額定電壓范圍內可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而電池則受自身化學反應限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放可能造成永久性破壞。2超級電容器的荷電狀態（SOC）與電壓構成簡單的函數，而電池的荷電狀態則包括多樣復雜的換算。3超級電容器與其體積相當的傳統電容器相比可以存儲更多的能量，電池與其體積相當的超級電容器相比可以存儲更多的能量。在一些功率決定能量存儲器件尺寸的應用中，超級電容器是一種更好的途徑。4超級電容器可以反復傳輸能量脈沖而無任何不利影響，相反如果電池反復傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。5超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會受到損害。6超級電容器可以反復循環數十萬次，而電池壽命僅幾百個循環。它可以無限制地接受無數次放電和充電，超級電容器沒有“記憶”。5）應用前景這一技術的意義相當重大，該突破不僅從根本上改變了混合動力動車在交通運輸中的位置，也將改進諸如風能、太陽能等間歇性能源的利用性能，增進了電網的效率和穩定性，滿足人們能源安全的需求，減少對石油的依賴。超級電容器取兩者之長，結合起來使用在電動汽車上，除了可以具有傳統純電動汽車的“電代油”和“零排放”主要優點外，還具有一次充電行駛距離長（可達300公里）、速度快（可達100公里/小時）、行使過程中能量回收效率高等優點，代表了純電動汽車的最新發展方向之一。目前，已有富士重工和NEC聯合開發“鋰離子電容器”，能量密度達30瓦時/千克，為先前電容器的4倍，達到了用于電動汽車的實用水平。中國有上海瑞華集團研制環保型混合電能超級電容電動汽車，還有國家電網公司在這方面已經完成了3種電池電容混合型電力工程車輛的改裝和性能測試，并將開展示范應用。二、飛輪電池技術飛輪電池是一種以動能方式儲能量的機械電池，包括電機/發電機、功率轉換、電子控制、飛輪、磁浮軸承和真空殼，具有高功率能量比、高功率、長壽命和環境適應性好。1、飛輪電池的能量傳遞模式飛輪儲能電池系統包括三個核心部分：一個飛輪，電動機—發電機和電力電子變換裝置。圖217飛輪電池的能量傳遞模式2、飛輪電池的基本工作原理基本工作原理：飛輪電池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉，在外電源的驅動下，電機帶動飛輪高速旋轉，將外界輸入的電能通過電動機轉化為飛輪轉動的動能儲存起來；當外界需要電能時，又通過發電機將飛輪的動能轉化為電能，輸出到外部負載。3、飛輪電池的優點（1）能量密度高（2）能量轉換效率高（3）體積小、重量輕（4）工作溫度范圍寬（5）使用壽命長（6）低損耗、低維護4、飛輪電池的應用包括火車和汽車，這種車輛采用內燃機和電機混合推動，飛輪電池充電快，放電完全，非常適合應用于混合能量推動的車輛中。三、磷酸亞鐵鋰電池磷酸亞鐵鋰（LiFePO4LiFePO4電池充電時，正極材料中的鋰離子脫出來，經過電解液，穿過隔膜進入到負極材料中；電池放電時，鋰離子又從負極中脫出來，經過電解液，穿過隔膜回到正極材料中。磷酸鐵鋰正極材料具有以下的優點：（1）優良的安全性，無論是高溫性能，還是熱穩定性，均是目前最安全的鋰離子電池正極材料；（2）對環境友好，不含任何對人體有害的重金屬元素，為真正的綠色材料；：磷酸鐵鋰電池不含任何（鋰之外）重金屬或者稀有金屬，無毒（SGS認證通過），無污染，符合歐洲RoHS規定，為環保電池。（3）耐過充性能優良；（4）高的可逆容量，其理論值為170mA·h/g，實際值已超過150mA·h/g（0.2C、25℃）；（5）工作電壓適中，相對于金屬鋰而言為3.45V；（6）電壓平臺特性好，非常平穩；（7）與大多數電解液系統兼容性好，儲存性能好；（8）無記憶效應；（9）結構穩定，循環壽命長，在100%DOD條件下，可以充放電3000次以上；是鉛酸電池5倍，鎳氫電池的4倍，是鈷酸鋰電池4倍，是錳酸鋰電池45倍左右。（10）可以大電流充電，最快可在30min內將電池充滿；（11）充電時體積略有減小，與碳基負極材料配合時的體積效應好。第五節電動汽車的逆變器與變頻器一、逆變器及其控制技術1.逆變器的概念及工作原理逆變器（inverter）是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉變成交流電（一般為220V，50Hz正弦波）。2.逆變器的分類1）按波弦性質主要分兩類，一類是正弦波逆變器，另一類是方波逆變器。2）按照源流性質（1）有源逆變器：是使電流電路中的電流，在交流側與電網連接而不直接接入負載的逆變器；（2）無源逆變器：使電流電路中的電流，在交流側不與電網連接而直接接入負載的逆變器。3.逆變器控制技術（1）開環和單電壓環控制技術存在以下弱點:1）系統動態響應速度緩慢2）負載適應性差（2）電壓電流雙環反饋控制技術電壓電流瞬時值雙閉環反饋控制是目前先進的控制技術之一，其組成是輸出濾波電感電流和輸出電壓（即輸出濾波電容電壓）反饋構成的“電流型控制逆變器”。二、變頻器及其控制方式1.變頻器的概念及工作原理變頻器（VariablefrequencyDrive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的。2.變頻器的分類交—直—交變頻器和交—交變頻器兩大類。（1）交一直一交變頻器按照電壓、頻率的控制方式,交一直一交變頻器有三種結構形式:1）可控整流器調壓、逆變器調頻方式。2)不控整流器整流、斬波器調壓、逆變器調頻方式。3)不控整流器整流、脈寬調制型(wPM)逆變器同時實現調壓調頻方式。（2）交一交變頻器2.2變頻器控制方式(1)正弦脈寬調制（SPWM）控制方式(2)電壓空間矢量（SVPWM）控制方式(3)矢量控制（VC）方式(4)直接轉矩控制（DTC）方式第六節電動汽車空調與轉向系統一、電動汽車空調系統（一）電動汽車空調系統研究現狀對于目前傳統燃油汽車空調系統，制冷主要采用發動機驅動的蒸汽壓縮式制冷系統進行降溫，而制熱主要采用燃油發動機產生的余熱。而對于電動汽車中的純電動汽車以及燃料電池汽車來說，沒有發動機作為空調壓縮機的動力源，也不能提供作為汽車空調冬天制熱用的熱源，因此無法直接采用傳統汽車空調系統的解決方案；對于混合動力車型來說，發動機的控制方式多樣，故空調壓縮機也不能采用發動機直接驅動的方案。綜合以上原因，在電動汽車的開發過程中，必須研究適合電動汽車使用的新型空調系統。對于電動汽車來說，車上擁有高壓直流電源，因此，采用電動熱泵型空調系統，壓縮機采用電機直接驅動，成為電動汽車可行的解決方案。目前傳統汽車空調制冷系統一般為蒸汽壓縮式系統,利用制冷劑的相態變化達到吸熱或者放熱的目的,從而實現制冷。其組成主要為空調壓縮機、風冷式冷凝器、風冷式蒸發器、熱力膨脹閥、儲液器及連接軟管等。壓縮機通過皮帶輪和離合器與發動機主軸相連獲得壓縮動力,壓縮后的高溫高壓制冷劑蒸氣通過冷凝器與車室外空氣換熱冷卻冷凝,之后經節流閥節流降壓后進入蒸發器,在蒸發器內吸熱蒸發,從而獲得冷量。壓縮式的電動汽車空調系統與傳統汽車空調系統并無本質區別,其主要不同點在于:(1)電動汽車沒有發動機的余熱可以利用或者不能完全利用發動機的余熱,需采用熱泵型空調系統或輔助加熱器;(2)電動空調壓縮機釆用電動機直接驅動,這對壓縮機的高轉速性和密封性要求較高；(3)電動汽車空調除了給車廂提供冷量外,還需供給一部分冷量用于冷卻電池,因為電池必須在恒定的溫度范圍內才能高效率工作。（二）電動汽車空調系統分類1、熱電（偶）電動汽車空調系統熱電空氣調節具有以下特點:（1）熱電元件工作需要直流電源；（2）改變電流方向即可產生制冷、制熱的逆效果；（3）熱電制冷片熱慣性非常小，制冷時間很短，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達到最大溫差；（4）調節組件工作電流的大小即可調節制冷速度和溫度，溫度