电动汽车构造与原理课件.ppt

1、电动汽车Electric Vehicle,主要内容,1、发展电动汽车缘由 2、电动汽车研发现状 3、结构及工作原理 4、电动汽车关键技术 5、燃料电池电动汽车,自汽车发明以来，汽车的动力主要依赖于石油，由此燃烧产生的废气对大气的污染日益严重，越来越严格的汽车废气排放控制法规正在颁布和实施。 在能源方面，世界石油储量占能源总储量的13，据世界能源理事会预测，按目前的石油开采速度，世界石油的开采只能支撑30多年。显然，汽车制造业必须由利用危害生态环境的单一能源向开发使用多种能源、加强环境保护方面转变。,1.发展电动汽车缘由,2000年世界人口大约60亿，但2050年人口将增加到100亿，从而汽车数

2、量将从7亿增加到25亿。 如果车辆都使用内燃机，石油哪里来？排气污染如何处理？迫使人们去寻找可持续发展的交通工具。 面对节能与环保的双重压力，近几年，国内外各国主要将研究方向锁定在替代燃料汽车（醇类、天然气、氢气等）和电动汽车两个主要方向。,1.发展电动汽车缘由,1.发展电动汽车缘由,我国已成为世界第二石油进口大国。2005年，中国日消费原油约673万桶,其中40%是2700多万辆民用汽车消耗的。按照现在汽车年耗汽油的平均增长速度，中国汽车到2030年耗油将达2.63亿吨，进口比例将达84%，远远高于30%的安全警戒线。 截止到2007年6月底，北京市机动车保有量达273万辆，居国内之首，年均

3、增长率为15%左右，预计07年年底将突破300万辆。汽车在给人们的日常出行带来极大方便的同时，也引起了环境污染、噪声污染和石油紧张等问题。,电动汽车优点,环境方面：零排放 电动汽车可以实现城市交通的零排放，我们即使考虑到为电动汽车提供电力的电站所排放出来的废气，使用电动汽车仍然可以大大的减少全球空气污染。 能源方面：能源多样性 电动汽车可以保证全球的能源安全，并且可以使用多种可再生能源。像热能、核能、水能、潮汐能、风能、地热能、太阳能、化学能、生物能等。 控制方面：易于控制 电动汽车比传统的燃料汽车更易实现精确的控制，智能交通系统则有可能率先通过电动车来实现，从而提高道路利用率和交通安全性。,

4、Advantages of electric vehicles,Electric motors are mechanically very simple, and release almost no air pollutants at the place where they are operated. Electric motors often achieve 90% energy conversion efficiency over the full range of speeds and power output and can be precisely controlled. They

5、 can also be combined with regenerative braking systems that have the ability to convert movement energy back into stored electricity. This can be used to reduce the wear on brake systems (and consequent brake pad dust) and reduce the total energy requirement of a trip, especially effective for star

6、t-and-stop city use.,Advantages of electric vehicles,They can be finely controlled and provide high torque from rest, unlike internal combustion engines, and do not need multiple gears to match power curves. This removes the need for gearboxes and torque converters. Another advantage is that electri

7、c vehicles typically have less vibration and noise pollution than a vehicle powered by an internal combustion engine, whether it is at rest or in motion. Electricity is a form of energy that remains within the continent where it was produced and can be multi-sourced. As a result it gives the greates

8、t degree of energy resilience . The GM Volt will cost less than purchasing a cup of your favorite coffee to recharge. The Volt should cost less than 2 cents per mile to drive on electricity, compared with 12 cents a mile on gasoline at a price of $3.60 a gallon. This would be the equillant to paying

9、 70 cents a gallon of gas.,Disadvantages of electric vehicles,Limited range due to the low energy density of batteries, compared to the fuel of internal combustion engined vehicles. Long recharge times compared to the refueling time required by internal combustion engined vehicles. Most electricity

10、generation in the United States, is from fossil sources, according to the US DOE. The US national grid is under invested and is having trouble meeting current levels of demand according to the US DOE.,Disadvantages of electric vehicles,Overall average efficiency from US power plants (33% efficient)t

11、o point of use (transmission loss 9.5%), (US DOE figures) is 29.87% . Accepting 90% efficiency for the electric vehicle gives us a figure of only 26.88% overall efficiency. That is lower than internal combustion engined vehicles (Petrol/Gasoline 30% efficient, Diesel engines 45% efficient - Volvo fi

12、gures).Diesel engines can also easily run on renewable fuels, biodiesel, vegetable oil fuel (preferably from waste sources), with no loss of efficiency. Using grid electricity entirely negates the efficiency advantages of electric vehicles. This comparison isnt entirely fair, though, since it compar

13、es tank-to-flywheel efficiency of gasoline and diesel powered engines to the well-to-wheel efficiency of electric motors. It also fails to recognize that the practical efficiency of the internal combustion engine is significantly lower in actual use, because of transmission and idling losses. To ach

14、ieve a sound conclusion, one would also have to take into account the refining and delivery losses of gasoline and diesel, and the energy efficiency of biofuel production. (Output fuel energy divided by the sum of the invested energy and energy in the biomass). The equivalent for fossil electricity

15、production would also need to be considered (mining and transportation of coal to the power station for example, or the Co2 produced building renewable electricity generation).,优缺点,优点：不烧油、零污染、电动机驱动噪声小、易于控制，稳态性能良好，可实现再生制动，无复杂的传动系统和机械式逆转装置。 缺点：由于蓄电池的比功率和比能量较低，充电时间长，所以动力性、机动性差和续驶里程短；另外，蓄电池的体积重量大，整车重量大。

16、,电动汽车分类,Battery Electric Vehicle， BEV,蓄电池 电动汽车,Electric Vehicle， FCEV,燃料电池电动汽车,Hybrid Electric Vehicle， HEV,混合动力 电动汽车,电动汽车（Electric Vehicle，EV）是一种电力驱动的道路交通工具，最大区别在于能源和驱动系统（电动机）不同。 包括蓄电池电动汽车（Battery Electric Vehicle， BEV）、混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）和燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）

17、 纯电动汽车（Pure Electric Vehicle,PEV；Full-Electric Vehicle,FEV）以电动机代替燃油的内燃机，电力驱动的优点是不使用燃料、零排放且噪声低；同时因使用单一的电能源，电控系统相比混合电动车大为简化，既降低了成本，又可补偿电池的部分价格。,电动汽车的技术特征,电动汽车的发展历史,实际上，电动汽车早在内燃机汽车诞生的50年前就出现了！ 1834年Thomas Davenport 制造了第一台电动三轮车，它由不可充电的干电池驱动.,电动汽车的初期发展（18341930）,1881年法国工程师Gustave Trouve装配以铅酸蓄电池为动力的三轮车，这是

18、世界上第一辆可充电的电动汽车； 1886年，Frank Sprague设计生产了有轨电车。从此，电动汽车流行起来并且在车辆运输中发挥了重要作用。 1885年世界上第一台汽油机汽车由德国人Benz研制成功。 在当时的美国，年销售4200辆汽车中38是电动汽车，22是内燃机汽车，40是蒸汽机汽车。 其中，电动汽车是金融巨头和财富的象征，当时一辆电动汽车的价格相当于今天的一台Rolls Royce。,在19世纪末期，许多美国、英国和法国公司都开始生产电动汽车： 最早的电动汽车公司是Morris和Salom电动客车和货车公司； 最大的电动汽车公司是Pope，到1898年底生产了500辆Columbia

19、 EV； 车型最多、性能最好的是Riker电动汽车公司。 1897年英国伦敦电动出租汽车公司生产了15辆电动汽车； 法国BGS公司生产各种小汽车、货车、客车和豪华轿车，能够设计制造专用的蓄电池，所以BGS在1900年之前一直保持着世界电动汽车行驶里程的最高纪录，其续驶里程达到290km； 速度最快的电动赛车Jamais Contente（永不满足）于1899年5月创下了110km/h的记录，由比利时人Camill Jenatzy驾驶。,到1912年美国拥有34000辆注册电动汽车。18991916年期间，Baker公司一直是美国最主要的电动汽车制造商。 19011920年，英国伦敦电动出租汽车

20、公司生产了后轮轮毂式电动机、后轮驱动、斜轮转向和充气轮胎的电动汽车。19071938年，底特律电气公司生产的电动汽车不仅无噪声、清洁可靠，而且最高时速达到40km/h，续驶里程到达129km。 到1930年代，电动汽车几乎消失了。这是怎么造成的呢？,Edison Electric Car IN 1913,Electric car and antique car on display at_1912,速度最快的电动赛车Jamais Contente（永不满足）于1899年5月创下了110km/h的记录，由比利时人Camill Jenatzy驾驶。,陈清泉院士认为，“一个人的伙伴同时也是他的敌人”

21、是描述电动汽车发展最为合适的句子。因为电动机是促进电动汽车发展的关键部件，同时由于电动机的迅速发展，推动燃油汽车快速发展。 1911年Kettering发明汽车起动机（电动机），使得燃油汽车比价格昂贵的电动汽车更有吸引力。福特推出的T型车使其从1906年的850美元降低到1925年260美元（福特公司员工两个月工资就能买一台），使用成本很低，续驶里程为电动汽车的23倍，宣告了电动汽车的迅速消失。,Large-scale electric transport,Metros Trams electric locomotives Trolleybuses Seden EV Bus,Small sca

22、le electric vehicles,电动汽车经历的三次重大机遇,第一次发生在一百余年前。当时电池和电机的发展较内燃机成熟，且石油的运用还没有普及，使电动汽车在早期的汽车领域中占有举足轻重地位。 第二次机遇上世纪70年代石油危机的爆发，给世界各国巨大冲击，人们开始考虑替代石油的其他能源，包括风能、太阳能、电能等可再生能源。 第三次机遇开始于环境保护日益成为人们所关注的重大课题，开发生产零污染交通工具成为各国所追求的目标，使电动汽车成为当代汽车发展的主流。,2、国内外电动汽车技术现状与存在问题 国外现状 日本转向锂电池HEV和EV 通用看好氢燃料汽车FCV 国内现状,通用的EV-1、S-1、

23、Impact，福特的ETX-1、ETX-2、Rcostar、Ranger，丰田的RAV4、雪铁龙的AX106、SAXO等EV，采用了镍氢电池、锂离子电池等高能电池，快速充电时间减少到1520min，续驶里程增加到300400km，但其动力性和机动性仍然不如内燃机轿车。 目前，EV应用较多的是电动大客车、小型电动游览车和生活用电动汽车。,国外现状EV,国外现状FCEV,1989年美国能源研究小组ERC和克莱斯勒分别研制了磷酸盐燃料电池蓄电池的混合电力FCEbus；PEMFC具有能量转换效率高、能耗低、比功率大、工作温度低、启动快、寿命长、体积小，设计制造容易等优点。 Ballad的质子交换膜燃料

24、电池PEMFC研究处于世界前列。研究了105kW的PEMFC和采用PEMFC的205kW燃料电池大客车。 美国新一代汽车协会PNGV（partnership for a new generation of vehicle）开展对PEMFC的全方位研究，采用氢气、甲醇、乙醇、碳氢化合物和汽油等多种燃料进行试验研究。美国杜邦公司开发的全氟质子交换膜在PEMFC得到广泛应用。,国外现状FCEV,通用从1994年开始开发了液态和压缩氢的氢动一号、氢动三号FCEV。戴克公司开发了Necar1Newcar5 电动轿车和Nebus1Nebus4电动大客车，采用甲醇和汽油重整制氢气、压缩氢等试验。 日本丰田1

25、9961997开发了金属氢化物储氢和甲醇重整制氢，研发了RAV4型和FCHV型FCEV。本田公司2000年研发了FCX-V系列FCEV。 在21世纪里，通用的Autonomy Skateboard、Huwire采用滑板式整体平台率先采用X-by-wire控制技术，可以装配不同车身，摆脱了用传统底盘改装FCEV的约束。丰田研发的FineS、FineN，本田的KIWAMI、IMASD等都是FCEV技术不断创新。,EV Production,Source: CARB 2000 Preliminary Report,City Electric Vehicles (CEV),Ford Think Cit

26、y,Nissan Hyper-mini,Speed 60 mphRange about 50 miles,Neighborhood EVs (NEV),Speed 25 mphRange about 25 miles,国外部分电动汽车技术数据,国内现状 自2001年起，国家就启动了863计划电动汽车重大专项，涉及的电动汽车包括纯电动汽车、混合动力和燃料电池等3种电动汽车。 其中以燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车为“三纵”，多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池为“三横”，建立起“三纵三横”的开发布局。,三纵三横布局及其组织管理模式,总成测试基地课题,驱动评估系统课题,电池评估系统课题,

27、ISA /ISG,内燃机及其控制系统,混合动力整车项目,多能源动力总成控制系统,电机驱动系统,电池及电池 管理系统,通讯协议课题,控制 专题,电池 专题,电机驱动专题,DC/DC 变换器,燃料电池整车项目,燃料电池发动机,多能源动力总成控制系统,电机驱动系统,电池及电池管理系统,Special program : Electric Vehicle 电 动 汽 车 重 大 专 项,纯电动整车项目,多能源动力总成控制系统,电机驱动系统,电池及电池管理系统,总成测试基地课题,驱动评估系统课题,电池评估系统课题,ISA /ISG,内燃机及其控制系统,混合动力整车项目,多能源动力总成控制系统,电机驱动系

28、统,电池及电池 管理系统,通讯协议课题,控制 专题,电池 专题,电机驱动专题,DC/DC 变换器,燃料电池整车项目,燃料电池发动机,多能源动力总成控制系统,电机驱动系统,电池及电池管理系统,纯电动整车项目,多能源动力总成控制系统,电机驱动系统,电池及电池管理系统,政 策 、法 规、 技 术 标 准、专 利 保 护 课 题,我国纯电动汽车技术走向成熟 随着我国对纯电动汽车研发力度的加大，我国纯电动汽车在技术上趋于成熟。从1994年至今，科技部和北京市科委已经累计投入1亿多元，作为以北京理工大学为牵头单位的北京市纯电动客车团队的研发费用。经过10多年的研究，纯电动汽车技术上的难点被一一攻克。 以电

29、池起家的比亚迪一直致力于纯电动汽车的研发 在北京奥运会和残奥会期间，我国自主研制生产的50辆电动公交客车已经投入使用，为运动员、记者、观众等提供绿色交通服务，这也是国际上第一次大规模使用锂离子动力电池的电动客车。,2007年，国家发改委正式出台了新能源汽车生产准入管理规则，将新能源车纳入发改委准生管理，于11月1日正式生效。新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其它新能源汽车等。规则规定，新能源生产企业必须提交申请，核准后方可生产。发改委总共设定15道准生门槛，其中最引人注意的一项是，企业需要至少掌握新能源汽车车载能源系统、驱动系统及控制系统三者之一的核心技术

30、。发改委表示，经过考核没有过关的企业6个月后才能再次提出申请生产新能源车。 根据规则规定，新能源汽车发展分为起步期、发展期、成熟期三个技术阶段。起步期产品只能进行小批量生产，在批准的区域、范围和条件下进行示范运行；发展期产品允许进行批量生产，但也只能在批准的区域、期限和条件下销售、使用；成熟期产品则与常规汽车相同，在销售、使用上也与常规车辆相同。 国家863计划“电动汽车”重大专项 国家973计划“电动汽车”重大基础理论研究,国外有关政策与科技计划,美国PNGV计划 欧盟的能源与电动汽车计划 FP系列计划 RDD燃料电池示范计划 CUTE燃料电池大客车示范计划 ELCIDIS城市电动汽车运输系

31、统 日本的电动汽车 JHFC氢燃料电池示范工程 专项研究计划,北京奥运期间投入运营的电动汽车以及结构框图,部分国产电动车,BK6122EV奥运用纯电动大客车,吉利熊猫纯电动车,纯电动汽车,燃料电池电动汽车,清能一号燃料电池大巴,BYD F6DM,ManufacturerBYD Auto Production2008Class plug-in hybrid sedan Length4846mm Width1822mm Height1465mm Electric range60 miles RelatedBYD F3DM,BYD F3DM Hybrid Concept 2008 Geneva Au

32、to Show,BYD IS CURRENTLY THE WORLDS LARGEST PRODUCER OF CELL-PHONE BATTERIES. BUT ITS AUTOMOTIVE SUBSIDIARY SHOWED ITS SAVVY WHEN ROLLS-ROYCE BEGAN ITS OWN PRESS CONFERENCE JUST AS BYD WAS UNVEILING THE F3DM. THE CHINESE HYBRIDS MOMENT OF GLORY LOOKED LOST FOREVER AS A ROLLS EXECUTIVE TOUTED HIS COM

33、PANYS SUCCESSUNTIL A BYD REPRESENTATIVE GRABBED A MICROPHONE TO LOUDLY PROCLAIM HIS OWN COMPANYS GRATITUDE TO THE CROWD AND HIS OPTIMISM REGARDING THE FUTURE OF THE F3DM SEDAN. BYD TECHNOLOGY BEHIND THE CHINESE COMPANYS DUAL-MODE HYBRID IS IMPRESSIVE. THE F3DM CAN BE DRIVEN MORE THAN 60 MILES ON ELE

34、CTRICITY ALONE BEFORE NEEDING TO BE RECHARGED, AND THERE IS A SMALL GASOLINE ENGINE AS A BACKUP IF YOU RUN OUT OF ELECTRIC POWER. THE CAR THEN FUNCTIONS AS A REGULAR GAS-ELECTRIC HYBRID, SUCH AS THE TOYOTA PRIUS.,THE TOYOTA REFERENCE ALSO APPLIES WHEN IT COMES TO LOOKSTHE DULL DESIGN OF THE F3DM REM

35、INDS US OF THE PREVIOUS-GENERATION TOYOTA COROLLA, ESPECIALLY FROM THE FRONT. MAYBE THIS SHOULDNT COME AS A TOTAL SURPRISE, SINCE BYDS OTHER GENEVA SHOW CAR, THE F1 HATCHBACK, HAS BEEN PANNED BY THE MEDIA AS BEING A STYLISTIC RIP-OFF OF TOYOTAS AYGO SUPER-MINI.,3. 纯电动汽车EV,以电动机代替燃油的内燃机，电力驱动的优点是不使用燃料、

36、零排放且噪声低；同时因使用单一的电能源，电控系统相比混合电动车大为简化，既降低了成本，又可补偿电池的部分价格。,一般由电力驱动、主能源和辅助控制三大子系统组成。 其中电力驱动子系统主要由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成；主能源子系统由主电源、能量管理系统和充电系统构成；辅助控制子系统由动力转向、温度控制和辅助动力供给三个模块构成。,电动汽车的基本结构,电动汽车结构,电动汽车的典型结构 电动机采用三相交流感应电动机，相应功率转换器采用脉宽调制(PWM_Pulse Width Modem)，机械变速传动系统一般采用固定速比的减速器或变速器与差速器。镍氢电池、铅酸蓄电池或锂离

37、子电池是常见的三种电动汽车动力电池。,电动汽车的工作原理 根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的指令来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流。,电动汽车的工作原理 当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动系统及其能量的回收，能量管理系统和充电器一同控制充电并监测电源的使用情况。,电动汽车的工作原理 辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级的电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。,电动汽车的关键系统,电源系统主要包括蓄电池、燃料电池等

38、,电力驱动系统 电动汽车电力驱动系统是电动汽车的心脏 ，其任务是在驾驶员的控制下，高效地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者（刹车时）将车轮上的动能反馈到蓄电池中。 电动机驱动系统分为电气和机械两大部分。电气部分由电动机、功率转换器和电子控制器三个子系统组成；机械部分主要由机械传动装置（变速器和差速器）和车轮构成。电子控制器分为三个功能单元：传感器、中间连接电路和处理器。 在驱动和能量再生过程中，能量源与电机之间的能量流动是通过功率转换器进行调节的。,电力驱动系统,电力驱动系统的种类 根据电动汽车驱动轮的布置方式有全轮驱动、后轮驱动和全轮驱动等方式。 根据电动汽车驱动系统的组成特点，其基本布置

39、方式可分为机械驱动系统、半机械驱动系统和纯电气驱动系统等。 根据电动汽车驱动系统中是否采用轮毂电动机，可分为轮毂电动机驱动系统和非轮毂电动机驱动系统。 根据电动汽车驱动系统中电动机的数量可分为单电机和多电机驱动系统,电动汽车对驱动电动机性能的基本要求 （1）高电压； （2）高转速； （3）质量轻，体积小。 （4）电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、减速、制动等所需要的功率和转矩。 （5）电动机需要有4-5倍的过载，以满足短时加速行驶和最大爬坡度的要求。 （6）电动机应具有较高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电动机协调运作。 （7）电动机应具有高效率、

40、低损耗、并在车辆减速时，可进行制动能量回收。 （8）电气系统和控制系统的安全性应达到有关的规定和标准。 （9）能够在恶劣条件下可靠工作。 （10）结构简单,适合量生,使用维修方便,价格便宜等。,驱动电机除了要满足上述性能要求外，在设计是还应注意一下几点： a)单电动机与多电动机结构 一种是采用单个电动机驱动车轮，另一种是采用多个电动机和一起单独驱动每一个车轮。单电动机结构的优点是：由于只用一个电动机，它最大限度的减少体积、质量和成本。而多电动机结构能减小单个电动机的电流和功率的额定值，并能均衡电动机的尺寸和质量。另外，在电子减速器起作用时，考虑过失容限的能力，多电动机驱动需采取额外的预防。,（

41、a）单电动机 （b）双电动机,b)单电动机与多电动机结构比较,c)固定速比（单速传动）与可变速比（多速传动）齿轮减速 单速传动采用固定速比齿轮变速传动；要求电动机能够在恒转矩区提供较高的瞬时转矩（35倍额定值），又能在恒功率区提供较高的运行速度（35倍基速）； 多速传动采用带离合器和变速器的多级齿轮变速传动；优点是应用常规的驱动电动机可在低速档得到较高的启动转矩，在高速档得到较高的行驶速度；缺点是重量、体积大，成本高，可靠性低，机构复杂。,d)有/无齿轮传动 采用高传动比的固定速比变速传动，可使电动汽车的驱动电机高速运转，因而系统功率密度较高。 电动汽车也可采用无齿轮变速传动，电动机直接驱动传

42、动轴或采用轮毂电动机驱动。但是如果采用低速外转子电动机，系统功率密度较低，可通过减少变速器，相应增加电动机的重量来增加平衡。,（a）带变速器的驱动 （b）不带变速器的驱动,系统电压 电动汽车的电压等级对驱动电动机系统的设计有很大影响。采用合理的高电压电动机可以减小逆变器的成本和体积。但如果电压选择过高，需要串联蓄电池增多，引起车辆的重量、成本增加，车辆性能下降，车内空间和行李箱空间减小。 系统电压受蓄电池重量限制，一般约占整车的30左右；另外，电动机功率越大，所采用的电压等级越高。通用汽车EV1采用102kW电动机的电压等级为312V，而Reva EV的13kW电动机采用48V电压。,驱动电动

43、机 电动机的发展已经经历了一个多世纪，不像电子和计算机科学，电动机的发展时间较长发展速度较慢。然而，借助于新材料技术、高度发展的拓扑学、功能强大的计算机辅助设计（CAD）、先进的功率电子和微电子技术，电动机得以不断地发展。,Electric motor,驱动电动机 图中阴影的电动机已经被电动汽车使用。,驱动电动机的分类,各国电动汽车所使用的驱动电动机,电动汽车所采用的电动机的性能比较,电动车用电机驱动系统中选用的电机,直流电动机 直流电机模型,上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有

44、一气隙。 固定部分有磁铁（主磁极）、电刷。转动部分有电枢铁心和绕在铁心上的绕组。 在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。,直流电机的结构,定子：包括主磁极（励磁绕组 主极铁心）、换向极（绕组和铁心）、机座、端盖和电刷装置。,主磁极 主磁极：包括励磁绕组 、主极铁心 主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁

45、而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用11.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现。,电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷、刷握、刷杆和连线等部分组成，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面

46、，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。,换向极 是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成。 换向极的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装或少装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，和串励绕组一样，导线截面较大。,机座 有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。 机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以

47、后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。,端盖,端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。,电枢（转子）,直流电机的转动部分称为转子（即电枢）。 包括电枢铁心1、电枢绕组3、转轴5、轴承、换向器、风扇2等。,电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用冲有齿、槽的硅钢片叠压夹紧而成。 小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。,

48、电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。,换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过

49、热压制成。,直流电动机的工作原理,直流电动机的工作原理,如果直流电机的两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈 abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。 如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。其受到电磁力的作用方向由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于

50、电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动。,直流电动机的工作原理 将直流电通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。 电动机内部有磁场存在。 电枢电枢载流导体将受到电磁力 f 的作用 f=Blia （其方向用左手定则判断） 所有导体产生的电磁力作用于转子（电枢），使电枢以n转/分旋转。,直流电动机的机械特性,将直流电机的电势方程和转矩方程代入直流电动机电压平衡方程式中，并略加整理后，可得他励直流电机的机械特性方程为：,当 时的转速 称为理想空载转速。,U

51、为电动机电枢电压（伏）；Ke为电动机的电动势常数，其值决定于电动机结构 ； Kt为电动机的转矩常数，其值决定于电动机结构 ；为电动机的磁通量(韦伯)； Ra为电动机电枢回路的电阻(欧) ； T为电动机的电磁转矩（牛米）,机械硬度：转矩变化dT与所引起的转速变化dn的比值，用于衡量机械特性的平直程度。,直流电动机的机械特性,他励直流电动机的机械特性,机械特性的曲线：,nn0 ，空载T0；由于有空载损耗，转矩不为零； 运行时，TTN； 当T增大或减小时，n将减小或增大，以保持转速稳定。,DCDC变换器 全桥式DCDC变换电路: 图示电路就是全桥式变换电路的主电路，该电路由四只功率开关T1T4，高频

52、变压器、整流二极管D1和D2、 LC滤波器等构成。,该电路的工作过程是：控制电路先使T1和T4导通而T2和T3截止，这使得输入电压Ui全部加到初级绕组W1上，其极性为上正下负，根据变压器绕组的同名端标志可知，二极管D1在W2上的感应电流作用下导通。D2此时截止，D1导通后将次级能向L、C和负载传送；T1和T4导通一个时间段Ton后，再令其截止一个时间段Toff，于是Toff期间T1T4均截止， Toff过后再令T2和T3开通而使T1和T4继续关断，T2和T3开通后，输入电压Ui全部加到变压器初级绕组W1上，其极性为上负下正，此时次级感应电压使D2导通而D1截止，绕组W3使二极管D2导通而D1截

53、止，绕组W3经二极管D2向滤波电感L和滤波电容C及负载传送能量，T2和T3导通的时间段也为Ton ，之后再使T1和T4截止一个时间段Toff ，便完成了一个工作周期，此后电路便周而复始的工作。,能量管理系统,电动汽车的能量管理与控制系统是整个汽车能量分配的神经中枢。 它的作用是根据车辆行驶速度和功率需求的变化，实现机械和电力两种动力系统的最佳转换和紧密配合，实现电池运行状态的优化，从而使燃料经济性和排放性能达到最佳。,能源管理系统的主要功能,能量管理系统： 能量管理系统采集从电动汽车各子系统通过传感器收集到的运行信息数据，完成下列功能:选择电池的充电方法、显示蓄电池的荷电状态(SOC)、预测剩

54、余行驶里程、监控电池的动作、调节车内温度、调解车灯亮度以及回收再生制动能量为蓄电池充电等。,制动回收系统 传统车辆的制动是通过摩擦将车辆的动能转化成热能，从而达到降低车速的目的，这样能量就被浪费掉了。而EV可以在制动过程中将牵引电动机作为发电机，依靠车轮的反向拖动产生电能和车轮制动力矩，从而在减缓车速的同时将部分动能转化为电能以备再利用。因此，制动回收系统能够改善EV的能量利用效率，有效地降低车辆的排放并提高燃油经济性和车辆的续驶里程。,制动系统工作时，根据驾驶员的制动需求、电池SOC（荷电状态）和车辆以及路面状况来分配回收制动扭矩和摩擦制动扭矩。 当电池SOC小于设定上极限值而且制动转矩要求

55、较小时，回收制动系统单独工作，直到停车； 当电池SOC小于设定上极限值而且制动转矩要求较大时，回收制动系统和机械制动系统同时工作，直到停车；当电池SOC不小于设定上极限值，不管制动转矩要求是大还是小，均由机械制动系统单独工作，直到停车。,电源系统,电动汽车的电源系统主要是为电动汽车提供能源。纯电动汽车主要是由动力电池提供能源。 电源系统主要包括蓄电池、燃料电池、超级电容器等。,蓄电池是电动汽车的动力源，蓄电池的选择将直接关系到整车的性能。电动汽车用蓄电池的主要性能指标是比能量、比功率和使用寿命等，因而关键是开发出比能高、比功率大、使用寿命长，成本低的蓄电池，面临如下几个主要问题： （1）极低的

56、电池能量密度。 （2 ）过重的电池组。 （3 ）有限的续驶里程与汽车动力性能。 （4 ）电池组昂贵的价格及有限的循环寿命。,现有可供选择的动力电池主要有以下几种 ： 铅蓄电池(Lead-acid)。铅酸蓄电池广泛用作内燃机汽车的起动动力源，它也是成熟的电动汽车蓄电池。它可靠性好、原材料易得、价格便宜，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点：一是比能量低，另一个是使用寿命短，这限制了它在电动汽车中的应用前景。,镍镉蓄电池（Nickel-acdium）。它的比能量可达55W h/kg，比功率超过190Wkg 。可快速充电，使用寿命是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000 多次，但价格

57、为铅酸蓄电池的4 5 倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在比能量和使用寿命方面的优势，因此其实际使用成本并不比铅酸蓄电池高多少。镍镉电池注意的问题重金属镉造成环境污染。,镍氢蓄电池(Nickl-metalhy-dride)。它和镍镉蓄电池一样也属于碱 性电池，其特性和镍镉电池相似。不过镍氢蓄电池不含铜、铅，不存在重金属污染问题。由于价格较高目前尚未大批量生产。,雪佛兰Malibu混合动力42V镍氢蓄电池 Ni-MH Battery of Toyota NHW20 Prius,钠硫蓄电池(Sodium-solphur)。钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车蓄电池，钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，

58、电池寿命较短，性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。,钠硫电池车,锂电池(Lithium-Poly-mer)。它的最大优点是比能量高，它种类繁多，常见的有锂离子电池、高温锂熔盐电池、锂聚合物电池和锂聚合物团体电解质电池等。它的比能量的理论值为570wh/kg ，目前达到的比能量为100wh/kg ，比功率200W /kg ，循环使用寿命为1200 次，充电时间2 4 小时。,聚合物锂电池,锌空气电池(Zinc-air)。它的潜在比能量在200Wh kg 左右。但锌空气电池目前尚存在寿命短、比功率小，不能输出大电流及难以充电等缺点。,飞轮电池(Flywheel)。飞轮以一定角速度旋转时就具有一定

59、的动能，飞轮电池正是以其动能转换成电能的。它有一个电机，充电时为电机，电机带动飞轮加速（储能），放电时为发电机对外输出电能。飞轮电池的比能量可达 150wh/kg ，比功率达 500010000W/kg ，使用寿命长达25年、可供电动汽车行驶500 万公里。,燃料电池(Fule-cell) 。它是一种将燃料和氧化剂通过电极反应直接转化为电能的发电装置。它能量转换效率高，燃料电池的化学能转换效率 在理论上可达100%，实际效率现已达60%80%。,超级电容器。也是高能量密度的储能元件,它能存贮大量电荷,并且能迅速地充放电。利用它可以把蓄电池的冲击负载降低到适宜的水平,这样蓄电池只需设计达到平均能量密度和平均循环寿命,而无需达到最大峰值能量密度和循环寿命。超容量电容器也可以用存储制动时产生的再生能量。,锂离子电池 锂离子电池是指分别用二 个能可逆地嵌入与脱嵌锂离 子的化合物作为正负极构成 的二次电池。人们将这种靠 锂离子在正负极之间的转移 来完成电池充放电工作的， 独特机理的锂离子电池形象 地称为“摇椅式电池”，俗称 “锂电”。,NASA_Lithium_Ion_Polymer_Battery,锂离子电池的结构以及正负极反