第七章共享出行定制化車輛關(guān)鍵技術(shù)目錄01概述02新能源汽車類型03動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)04驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制05整車電控系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)匹配06新能源汽車共享出行定制化設(shè)計(jì)PART

1概述一、定制化車輛近年來的國內(nèi)外大型車展上，除了可以看到眾多的車型外，在很多廠商的展臺上，也發(fā)現(xiàn)了汽車定制化服務(wù)的身影。比如奔馳品牌的AMG定制服務(wù)、smart品牌的BRABUS(巴博斯)專屬定制服務(wù)及奧迪品牌的Audiexclusive(奧迪專享定制服務(wù))等。汽車定制化服務(wù)起源于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)推出的汽車定制服務(wù)是完全針對上流社會的個(gè)性化服務(wù)，為各界的達(dá)官貴人量身定做一輛僅屬于自己的汽車。而隨著時(shí)間的不斷推移，汽車定制化服務(wù)開始慢慢融入到更多人的生活之中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年，美國有85%的汽車消費(fèi)者會選擇定制化汽車，而日本也有將近80%的消費(fèi)者會選擇個(gè)性化汽車定制。所謂的汽車定制化服務(wù)，就是汽車生產(chǎn)企業(yè)按照用戶需求(包括車身材料、車身顏色、內(nèi)飾材料、內(nèi)飾顏色、動(dòng)力性要求、制動(dòng)效果、輪輞樣式、輪輞顏色及空氣動(dòng)力學(xué)套件等)進(jìn)行定制生產(chǎn)與組裝，從而滿足用戶對車輛個(gè)性化和特殊化的需求。汽車定制化服務(wù)可以大致分為3個(gè)級別：第一個(gè)級別就是簡單地對車身顏色、輪輞樣式及內(nèi)飾選材等方面進(jìn)行固有化的裝配，比如北汽新能源的ARCFOXLITE車型，按照星座屬性提供了12種車身顏色選擇，同時(shí)內(nèi)飾的顏色也能根據(jù)用戶的需求進(jìn)行定制化裝配；第二個(gè)級別為大規(guī)模定制化，就是廠商進(jìn)行模塊化生產(chǎn)，用戶可以根據(jù)個(gè)人需求對車輛的動(dòng)力裝置及車身材料等進(jìn)行自主選擇，比如奔馳的AMG車型，可以根據(jù)車主的需求對發(fā)動(dòng)機(jī)排量、輪輞材質(zhì)、制動(dòng)系統(tǒng)及車身材料進(jìn)行自主定義；而第三個(gè)級別為分散個(gè)性化生產(chǎn)，這是汽車定制服務(wù)的最高級別，其拋棄了流水線和模塊化生產(chǎn)的固有模式，可完全按照用戶的需求進(jìn)行個(gè)性化生產(chǎn)，比如勞斯萊斯車型，就是完全按照用戶的需求進(jìn)行裝配，真正做到了純手工定制化生產(chǎn)，并保證每臺勞斯萊斯車型都是獨(dú)一無二的。在我國，人們對于汽車定制化服務(wù)還有很大的誤區(qū)，一般分為2種情況：第一種就是不理解汽車定制化服務(wù)的內(nèi)涵，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有超過37%的消費(fèi)者認(rèn)為在4S店加裝導(dǎo)航或裝飾就算汽車定制化服務(wù)了，有25%的消費(fèi)者認(rèn)為汽車改裝或噴繪等也算是汽車定制化服務(wù)；第二種就是認(rèn)為汽車定制化服務(wù)所要花費(fèi)的金錢是不值當(dāng)?shù)模驗(yàn)閷?zhǔn)備買車的用戶進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，有超過90%的用戶希望享受到汽車定制化服務(wù)，但剛買車的用戶有將近70%的人之所以沒有選擇汽車定制化服務(wù)，就是因?yàn)榛ㄙM(fèi)超出了預(yù)算。所以從以上的數(shù)據(jù)可以看出，人們對汽車定制化的需求還是非?？释摹５捎趯ζ囄幕R的相對生疏，再加上我國的汽車定制化服務(wù)也僅屬于第一個(gè)級別，所以在整體的規(guī)模和認(rèn)知上還和汽車定制化文化發(fā)展程度高的國家有很大的差距，進(jìn)而導(dǎo)致我國的汽車定制化服務(wù)一直處于停滯不前的狀況。一、定制化車輛為了打破這種局面，國內(nèi)很多廠商也開始推行自己的汽車定制化服務(wù)。比如長城汽車的高端自主品牌WEY,在2018年北京車展上就推出了WEYVV7定制版車型，該款車型是由WEY聯(lián)合CRD一同打造而成的。CRD隸屬于全球頂級個(gè)性化汽車廠商BRABUS(巴博斯),在汽車改裝方面有著雄厚的技術(shù)資源和先進(jìn)的理念，這次合作也開創(chuàng)了自主品牌與汽車個(gè)性化廠商進(jìn)行合作的先河。該車在原有車型的基礎(chǔ)上，對整車的外觀及性能配件進(jìn)行定制，包括減振系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)及整車空氣套件等，從而彰顯其與眾不同之處。除了長城的“大手筆”投入外，上汽大通、吉利及長安等品牌，相繼推出了自己的汽車定制化服務(wù)?；ㄍ瑯拥腻X享受不同的用車感受，這才是人們最希望得到的，也是目前中國汽車文化發(fā)展的一大特點(diǎn)。雖然國內(nèi)汽車廠商對定制化服務(wù)已經(jīng)有了全新的認(rèn)知，但如何將這些知識進(jìn)行科學(xué)普及和宣傳，是各廠商需要好好研究的課題。與此同時(shí)也希望汽車行業(yè)可以盡快推出相關(guān)規(guī)定，對整個(gè)汽車定制化服務(wù)市場進(jìn)行有效的監(jiān)督和管理，從而讓汽車定制化服務(wù)走上正確的快速發(fā)展之路。我國作為一個(gè)新興的汽車大國，汽車定制化服務(wù)是必不可少的，但是一定要講究方式方法，純粹套用汽車發(fā)達(dá)國家的思路，在中國是很難走下去的。舉個(gè)簡單的例子，保時(shí)捷的定制服務(wù)已經(jīng)進(jìn)入中國多年，但是高昂的價(jià)格和煩瑣的配置參數(shù)，注定這樣的定制服務(wù)只能滿足小部分人群的需求，甚至可以說是一種汽車領(lǐng)域的奢侈品。人們選購汽車的初衷其實(shí)只有兩點(diǎn)，實(shí)用和炫耀，但為了達(dá)到炫耀的目的而花費(fèi)過多的金錢，對于大部分消費(fèi)者來說并不是他們消費(fèi)的主流觀念。此外，定制化車輛與共享出行結(jié)合起來后，會有更廣闊的市場前景。滴滴出行于2020年11月發(fā)布了全球首款定制網(wǎng)約車D1,該車型由滴滴聯(lián)合比亞迪共同設(shè)計(jì)開發(fā)，基于滴滴平臺上5.5億乘客、上千萬駕駛員需求、百億次出行數(shù)據(jù)，針對網(wǎng)約車出行場景，在車內(nèi)人機(jī)交互、駕乘體驗(yàn)、車聯(lián)網(wǎng)等多方面進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。同時(shí)滴滴出行負(fù)責(zé)人表示：到2030年，希望去掉駕駛艙，能夠?qū)崿F(xiàn)完全意義上的自動(dòng)駕駛。曹操出行推出了定制車吉利·曹操60,該車由曹操出行負(fù)責(zé)產(chǎn)品定義和智能開發(fā)，吉利負(fù)責(zé)整車開發(fā)與生產(chǎn)。該車型加大了后排乘客空間，賦予乘客對車輛的更多控制權(quán)限，如控制空調(diào)、車內(nèi)空氣換新、智能燈語等，同時(shí)自研了防暈車黑科技，減少暈車乘客顧慮，保障旅途舒適感。針對駕駛員定制開發(fā)舒享座椅，163°超大躺角、座椅通風(fēng)、電動(dòng)四向調(diào)節(jié)腰托，可保障長時(shí)間舒適駕駛體驗(yàn)。二、共享出行汽車定制化功能配置汽車的定制化的概念最早是指在豪華、高端車型上，結(jié)合客戶的個(gè)性化需求進(jìn)行定制化開發(fā)，也可指針對某種特殊應(yīng)用場景(如碼頭運(yùn)輸、機(jī)場擺渡、觀光、礦山用車等)的特定需求進(jìn)行針對性研發(fā)。共享出行領(lǐng)域的汽車定制化，則可以從乘客端、駕駛?cè)硕说氖孢m性、安全性、便捷性等多方面需求開發(fā)定制化車輛，如圖7-1所示。圖7-1共享出行汽車定制化概念分析二、共享出行汽車定制化功能配置在乘客端的舒適性方面，針對乘客暈車問題，可以在共享出行車輛最常用的行駛速度下的動(dòng)力輸出、制動(dòng)響應(yīng)、路面濾振等方面進(jìn)行針對性技術(shù)設(shè)定，以降低乘客的暈車感。同時(shí)，可以對后排座椅增加坐姿調(diào)整，滿足部分乘客的不同坐姿需求。乘客還可通過手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備對車內(nèi)空調(diào)進(jìn)行控制，選擇最舒適的溫度。在乘客端的便捷性方面，可在副駕椅背處設(shè)置老板鍵，其可快捷地將副駕座椅前移，提供更大的后排乘坐空間。同時(shí)在設(shè)計(jì)開發(fā)行李艙時(shí)，盡量加大行李艙容積，以容納乘客更多的行李。在車輛的迎賓燈方面，通過手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，設(shè)置特定的接駕燈語，方便乘客更快地找到車輛。此外還有如車內(nèi)免費(fèi)Wi-Fi、車內(nèi)音樂播放等便捷化設(shè)計(jì)。在乘客端的安全性方面，乘客可進(jìn)行行程分享，在感到危險(xiǎn)時(shí)，可在手機(jī)端、車內(nèi)進(jìn)行一鍵報(bào)警，此外，如果乘客發(fā)現(xiàn)行李、物品丟失，也可通過手機(jī)端來查看乘車期間的車內(nèi)錄像視頻，迅速定位丟失物品。也可結(jié)合視頻，開發(fā)行李防丟失系統(tǒng)。在乘客端的交互性方面，乘客可通過手機(jī)端、車內(nèi)按鍵進(jìn)行溫度控制、乘客艙換氣，還可在前排座椅后部設(shè)置屏幕，實(shí)時(shí)顯示行程路線，也可以方便乘客增加途徑點(diǎn)、選擇路線等。針對駕駛?cè)硕?，舒適性方面的設(shè)計(jì)可包括一鍵小憩、電動(dòng)調(diào)節(jié)腰托以及超大趟角的座椅。增加熱泵空調(diào)，既能對蓄電池進(jìn)行溫度高效調(diào)節(jié)，確保續(xù)駛里程，還可以提高能量利用率，降低耗能。在便捷性方面，可在屏幕上顯示接單熱力地圖，顯示周邊停車場、衛(wèi)生間、商場等生活推薦，同時(shí)為了提高車輛利用率，可以設(shè)計(jì)開發(fā)換電系統(tǒng)，避免因需要等待動(dòng)力蓄電池充電而耽誤運(yùn)行時(shí)間。在安全性方面，包括智能領(lǐng)航駕駛、安全預(yù)警、盲區(qū)監(jiān)測、超寬視野等。同時(shí)，針對共享出行車輛運(yùn)行里程長的特點(diǎn)，車型在研發(fā)時(shí)可進(jìn)行超長運(yùn)行里程的耐久設(shè)計(jì)和測試。在交互性方面，可包括一鍵接單、語音識別等。共享出行中用的車輛大都以新能源汽車為主,本章針對共享出行定制化車輛的特點(diǎn)、功能設(shè)計(jì)等,從新能源汽車的類型、動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)以及新能源汽車共享出行定制化設(shè)計(jì)等方面展開論述,旨在為共享出行領(lǐng)域汽車定制化研發(fā)提供一定的設(shè)計(jì)思路、理論支撐,以促進(jìn)我國共享出行產(chǎn)業(yè)健康、有序、高速發(fā)展。PART

2新能源汽車類型新能源汽車是指采用新型動(dòng)力系統(tǒng),完全或者主要依靠新型能源驅(qū)動(dòng)的汽車,包括純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力(含增程式)電動(dòng)汽車、燃料電池電動(dòng)汽車等,如圖7-2所示。新能源汽車采用非常規(guī)車用燃料,或使用常規(guī)的汽柴油燃料和電能作為動(dòng)力來源,綜合車輛的動(dòng)力裝置和控制方面的新技術(shù),其技術(shù)原理先進(jìn)、綠色低碳環(huán)保。其中,純電動(dòng)汽車僅靠電能驅(qū)動(dòng)行駛,內(nèi)部沒有發(fā)動(dòng)機(jī)。插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車則是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上增加驅(qū)動(dòng)電機(jī),燃油和電能均可驅(qū)動(dòng)汽車,且可外接電源對動(dòng)力蓄電池充電,也稱為常規(guī)插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。當(dāng)插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中,發(fā)動(dòng)機(jī)只負(fù)責(zé)發(fā)電,所產(chǎn)生的電能用于動(dòng)力蓄電池充電或驅(qū)動(dòng)電機(jī),即僅由電能驅(qū)動(dòng),稱為增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。值得注意的是,在我國新能源汽車發(fā)展進(jìn)程中,存在一種汽車類型,有發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī),但只能加油,不能外接電源充電,稱為常規(guī)混合動(dòng)力汽車,我國不將其歸為新能源汽車。燃料電池電動(dòng)汽車是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動(dòng)力源的汽車。車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣或含氫燃料經(jīng)重整所得到的高含氫重整氣。其他類型汽車則包含天然氣、甲醇等替代燃料驅(qū)動(dòng)的汽車,或飛輪儲能等新型儲能裝置汽車等。圖7-2新能源汽車類型一、純電動(dòng)汽車(一)純電動(dòng)汽車系統(tǒng)組成及工作原理與傳統(tǒng)燃油汽車不同,純電動(dòng)汽車取消了發(fā)動(dòng)機(jī),主要由動(dòng)力蓄電池包、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制器、整車控制器、DC/DC變換器、充電口等組成,其基本組成結(jié)構(gòu)如圖7-3所示,基本工作原理如圖7-4所示,可分為電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載電源系統(tǒng)輔助系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等。圖

7-3純電動(dòng)汽車基本組成結(jié)構(gòu)圖圖

7-4純電動(dòng)汽車工作原理圖一、純電動(dòng)汽車1.電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車的“心臟”,負(fù)責(zé)將動(dòng)力蓄電池的電能按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求輸送到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩并驅(qū)動(dòng)車輪。該系統(tǒng)主要包括中央控制單元、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電力電子變流器、機(jī)械傳動(dòng)裝置和車輪等。其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電力電子變流器是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心。研發(fā)全速段高效運(yùn)行、自動(dòng)調(diào)速以及具有高可靠性的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和高效率、高功率密度以及具有良好動(dòng)態(tài)特性的電力電子變流器是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的未來發(fā)展方向之一。1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)是為車輛行駛提供驅(qū)動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)。其工作原理為利用通電線圈(即定子繞組)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并作用于轉(zhuǎn)子形成磁電動(dòng)力旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。在早期研發(fā)的電動(dòng)汽車上多采用直流電機(jī),但由于采用電刷和機(jī)械換向器的結(jié)構(gòu)而限制了驅(qū)動(dòng)電機(jī)過載能力和轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高。在新研制的電動(dòng)汽車上已基本不采用直流電機(jī)。永磁無刷直流電機(jī)以永磁體提供勵(lì)磁,無需勵(lì)磁電流,沒有勵(lì)磁損耗,不再采用容易出問題的集電環(huán)和電刷,是一種高性能的電機(jī),因其運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗、運(yùn)行成本低和調(diào)速性能好,在電動(dòng)汽車上被廣泛應(yīng)用。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電磁場轉(zhuǎn)速相同,結(jié)構(gòu)與永磁無刷直流電機(jī)相似,不同之處在于它采用正弦波驅(qū)動(dòng),所以在具備永磁無刷直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),還具有噪聲低、體積小、功率密度大、控制精度高等特點(diǎn)。永磁同步電機(jī)在我國新能源汽車上廣泛使用,例如比亞迪秦、北汽EV系列純電動(dòng)汽車等都是使用永磁同步電機(jī)。2)電力電子變流器電力電子變流器主要實(shí)現(xiàn)四類電能變換:AC(交流)到DC(直流)的整流變換DC到DC的直流變換、AC到AC的交流變換、DC到AC的逆變變換。根據(jù)電力電子應(yīng)用場合的不同可以選擇不同變換類型的變流器以及各種變換組合。DC/AC變換器在電動(dòng)汽車上應(yīng)用廣泛,比如將動(dòng)力蓄電池的高壓直流電逆變成交流電來驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作,又或者把動(dòng)力蓄電池內(nèi)的直流高壓轉(zhuǎn)變成交流高壓供給空調(diào)壓縮機(jī)使用等。除DC/AC變換器外,DC/DC變換器也是電動(dòng)汽車中的一項(xiàng)重要技術(shù),它可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車中電能的高低壓變換,一方面為汽車低電壓電器供電,另一方面向低壓蓄電池提供充電電流。一、純電動(dòng)汽車2.車載電源系統(tǒng)車載電源是電動(dòng)汽車的能量源和動(dòng)力源。純電動(dòng)汽車運(yùn)行的能量全部來源于車載動(dòng)力蓄電池。電動(dòng)汽車使用的車載動(dòng)力蓄電池類型非常多，常用的主要有鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子蓄電池等。以目前新能源汽車常用的鋰離子蓄電池為例，目前市場上的鋰離子蓄電池負(fù)極材料是石墨，正極材料主要是氧化鈷鋰(LiCoO?)、氧化錳鋰(LiMn?O?)、磷酸鐵鋰(LiFePO?)和三元鋰[Li(NiCoMn)O?]等，電解質(zhì)通常是有機(jī)碳酸鹽的混合物。鋰離子蓄電池主要有以下幾方面的特點(diǎn)，依次是工作電壓高，單體蓄電池的工作電壓為3.6V,是鎳氫蓄電的3倍；比能量大，可達(dá)150W·h/kg,是鎳氫蓄電池的2倍、鉛酸蓄電池的4倍；循環(huán)壽命長，循環(huán)次數(shù)可達(dá)1000次，蓄電池組100%充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到600次以上，使用壽命為鉛酸蓄電池的2～3倍；自放電率低僅為6%左右，遠(yuǎn)低于鎳氫蓄電池(25%～30%);允許工作溫度范圍寬，低溫性能好，可在-20～55℃范圍內(nèi)工作；無記憶效應(yīng)，可以根據(jù)要求隨時(shí)充電，而不會降低動(dòng)力蓄電池性能；動(dòng)力蓄電池充放電深度對動(dòng)力蓄電池的壽命影響不大，可以全充全放。一、純電動(dòng)汽車3.輔助系統(tǒng)電動(dòng)汽車輔助系統(tǒng)主要包括輔助動(dòng)力源、電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)輔助制動(dòng)系統(tǒng)、駕駛室顯示操縱臺和各種輔助裝置等。輔助動(dòng)力源主要由輔助電源和DC/DC功率變換器組成，其主要負(fù)責(zé)給電動(dòng)汽車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向、制動(dòng)力調(diào)節(jié)控制、照明、空調(diào)、電動(dòng)窗門等各種輔助裝置提供所需的能源。電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行輔助助力。以電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)為例，純電動(dòng)汽車無法由傳統(tǒng)燃油汽車的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，也沒有內(nèi)燃機(jī)余熱可以利用以達(dá)到取暖、除霜的效果。對于純電動(dòng)汽車而言，車上擁有高壓電源，因此，采用電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，壓縮機(jī)采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)制冷，成為純電動(dòng)汽車最佳的解決方案。電動(dòng)空調(diào)的制熱常采用以下三種方法。(1)采用熱敏電阻(PTC)加熱器加熱。PTC是一種典型的具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過一定的溫度時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。該加熱方式成本低，安裝方便，但是能耗高，安全系數(shù)低。(2)采用電動(dòng)機(jī)冷卻液余熱、PTC輔助加熱。該方式以電動(dòng)機(jī)的冷卻液為主要的熱量來源，不足部分由PTC加熱器來提供，因此能耗要比僅依靠PTC加熱要低。(3)熱泵型空調(diào)系統(tǒng)加熱。熱泵是一種驅(qū)動(dòng)熱量由低溫度介質(zhì)朝向高溫度介質(zhì)傳遞的裝置，純電動(dòng)汽車的熱泵型空調(diào)系統(tǒng)便是利用了熱泵的工作原理，主要包括空調(diào)壓縮機(jī)、車外換熱器、車內(nèi)換熱器和一些關(guān)鍵閥門等組成，其空調(diào)壓縮機(jī)是由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。熱泵空調(diào)系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是制冷、制熱效率高。一、純電動(dòng)汽車(二)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置形式由于純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)和能源的多樣性,純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在多種的布置結(jié)構(gòu)形式,根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝位置和動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的不同可以分為以下幾大類,如圖7-5所示。圖7-5常見純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)形式C-離合器;D-差速器;FG-固定傳動(dòng)比減速器;GB-變速器;M-驅(qū)動(dòng)電機(jī)一、純電動(dòng)汽車(二)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置形式如圖7-5a)所示的布置形式與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置形式一致,帶有變速器和離合器。只是將發(fā)動(dòng)機(jī)換成驅(qū)動(dòng)電機(jī),屬于改造型電動(dòng)汽車。這種布置形式可以提高電動(dòng)汽車的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,增加低速時(shí)電動(dòng)汽車的后備功率。如圖7-5b)所示的布置形式取消了離合器和變速器,但具有減速差速機(jī)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是可以繼續(xù)沿用當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)汽車中的動(dòng)力傳動(dòng)裝置,只需要布置一組驅(qū)動(dòng)電機(jī)和逆變器。如圖7-5c)所示的布置形式對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求較高,不僅要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,而且要求具有較大的后備功率,以保證電動(dòng)汽車在起動(dòng)、爬坡、加速超車等工況時(shí)的動(dòng)力性。如圖7-5d)所示的布置形式將驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝到驅(qū)動(dòng)軸上,直接由驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)變速和差速轉(zhuǎn)換,這種傳動(dòng)形式同樣對驅(qū)動(dòng)電機(jī)有較高的要求:大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和后備功率,不僅要求控制系統(tǒng)有較高的控制精度,而且要具備良好的可靠性從而保證電動(dòng)汽車行駛的安全平穩(wěn)。如圖7-5e)、f)與圖7-5d)所示的布置形式比較類似,其均將驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接裝到了驅(qū)動(dòng)輪上,由驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪行駛。這種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡化了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng),縮小了驅(qū)動(dòng)部分占用的布設(shè)空間,為減輕整車質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)力控制提供了設(shè)計(jì)研究空間。二、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(Plug-inHybridElectricVehicle,簡稱PHEV)是指可以使用電網(wǎng)對動(dòng)力蓄電池進(jìn)行充電的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車,是在傳統(tǒng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種新型新能源汽車。由于可外接充電裝置,插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可以更多地依賴動(dòng)力蓄電池驅(qū)動(dòng)汽車,相比于傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)汽車和常規(guī)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車,插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性得到了進(jìn)一步提高。在動(dòng)力蓄電池電量低時(shí)可以使用發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)行駛,這樣就解決了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程不足的難題。插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有噪聲低、排放低、成本低、對石油燃料依賴程度低的特點(diǎn)。插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車相似,包括發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)和動(dòng)力蓄電池等。插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的蓄電池容量一般都比較大可以依靠外部電網(wǎng)對動(dòng)力蓄電池進(jìn)行充電。插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的純電動(dòng)續(xù)駛里程較長,當(dāng)動(dòng)力蓄電池荷電狀態(tài)(StateofCharge,SOC)下降到一定程度或驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率不能滿足需求功率時(shí),可以起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)整車。插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的典型結(jié)構(gòu)如圖7-6所示。圖

7-6插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的典型結(jié)構(gòu)二、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車根據(jù)主要?jiǎng)恿υ垂β史至髋c合成方式不同,插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種基本類型。低速行駛時(shí)或當(dāng)動(dòng)力蓄電池中的電量消耗到一定程度,驅(qū)動(dòng)動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,電能直接由發(fā)電機(jī)輸送給驅(qū)動(dòng)電機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)汽車,而由驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng),稱為串聯(lián)式。在這種驅(qū)動(dòng)形式下,發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪之間沒有直接機(jī)械連接,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速解耦,可以穩(wěn)定地工作在高效工作區(qū)間,發(fā)動(dòng)機(jī)燃油轉(zhuǎn)化效率高,但是所有驅(qū)動(dòng)車輛的能量均經(jīng)過了機(jī)械能-電能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換,能量傳遞效率不高。另一種傳動(dòng)形式稱為并聯(lián)式,由發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或者兩者聯(lián)合驅(qū)動(dòng)汽車,即驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力均能以機(jī)械的形式傳遞到驅(qū)動(dòng)橋,發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)是相互獨(dú)立的,這種形式下實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)整車的功率可以直接以機(jī)械傳動(dòng)的方式傳遞到驅(qū)動(dòng)橋而且可以實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并充電、兩者并行驅(qū)動(dòng)等多種工作模式的靈活切換,目前這種驅(qū)動(dòng)形式被廣泛采用。如果發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出功率的一部分通過機(jī)械方式傳遞到驅(qū)動(dòng)橋,而另一部分驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能輸送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩,并通過動(dòng)力耦合裝置傳送給驅(qū)動(dòng)橋這種復(fù)雜的動(dòng)力傳遞方式稱為混聯(lián)式,通常以行星排作為動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)。行星排上的太陽輪、行星架、齒圈分別與發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接,利用行星排多自由度的特點(diǎn),通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的解耦,保證發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作在高效區(qū)間,進(jìn)而取得比較理想的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。從動(dòng)力蓄電池電量的角度看,插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的運(yùn)行模式可以分為電量消耗模式(Charge-depletingMode,簡稱CD模式)和電量維持模式(Charge-sustainingMode,簡稱CS模式)。在CD模式下,車載電源能量充足,整車以電能為主要驅(qū)動(dòng)能源;相反,在CS模式下,車載電源能量處于較低水平,整車以燃油為主要驅(qū)動(dòng)能源,同時(shí)考慮純電動(dòng)或電助力工況的電能需求,可以為車載電源少量充電。從驅(qū)動(dòng)功率源的角度看,插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可以分為工作在純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式、驅(qū)動(dòng)電機(jī)為主的驅(qū)動(dòng)模式和發(fā)動(dòng)機(jī)為主的驅(qū)動(dòng)模式二種。三、增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車為了增加純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程,解決駕駛?cè)说睦锍探箲]問題,在純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上,額外增加一套動(dòng)力系統(tǒng)給動(dòng)力蓄電池充電補(bǔ)能,以延長純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程。這套動(dòng)力系統(tǒng)被稱為增程器,包含發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車與純電動(dòng)汽車和串聯(lián)式插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車一樣,采用純電力驅(qū)動(dòng)的方式工作,主要區(qū)別在于增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以動(dòng)力蓄電池驅(qū)動(dòng)為主,增程器補(bǔ)能為輔,增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車典型結(jié)構(gòu)如圖7-7所示。通常情況下,當(dāng)動(dòng)力蓄電池組有足夠的能量時(shí),增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力全部來源于車載動(dòng)力蓄電池組。在一定的行駛距離內(nèi)與純電動(dòng)汽車相同,為“零排放、零油耗、低噪聲”。在動(dòng)力蓄電池荷電狀態(tài)達(dá)到較低水平時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)作為主要?jiǎng)恿υ?補(bǔ)充車輛行駛所需的電能。增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可以通過系統(tǒng)的設(shè)定,使其按照以下四種不同模式進(jìn)行工作。圖7-7增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車典型結(jié)構(gòu)圖三、增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(1)純電動(dòng)工作模式。在動(dòng)力蓄電池組的電量充足的條件下,增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車處于純電動(dòng)工作模式,在這種模式下相當(dāng)于一輛純電動(dòng)汽車,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力全部來源于車載動(dòng)力蓄電池組。(2)增程模式。當(dāng)動(dòng)力蓄電池組電量達(dá)到預(yù)設(shè)的SOC最低值時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,一部分用于驅(qū)動(dòng)車輛行駛,多余的電量為動(dòng)力蓄電池充電。(3)制動(dòng)模式。在車輛制動(dòng)過程中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)以發(fā)電狀態(tài)工作,回收的制動(dòng)能量儲存在動(dòng)力蓄電池組中,用于提高整車能量的利用率，(4)停車充電模式。停車時(shí),可以通過車載充電器外接電網(wǎng)進(jìn)行充電。增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有如下優(yōu)勢。(1)增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能夠有效地隆低燃油消耗率,在增程模式下,發(fā)動(dòng)機(jī)被設(shè)定在最佳的運(yùn)行區(qū)間工作,輸出恒定的功率和轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)油-電能量轉(zhuǎn)化過程,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率、排放、可靠性等均處在最佳工作狀態(tài),系統(tǒng)具有較高的節(jié)油率。(2)增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車與純電動(dòng)汽車相比,行駛里程更長,而且相同行駛里程下增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車無需配備大容量的動(dòng)力蓄電池,一般動(dòng)力蓄電池只需配置同級別純電動(dòng)汽車蓄電池用量的30%~40%,制造成本大幅降低，四、燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池電動(dòng)汽車(FullCellElectricVehicle,簡稱FCEV)是指以燃料電池系統(tǒng)作為單一動(dòng)力源或者是以燃料電池與可充電儲能系統(tǒng)作為混合動(dòng)力源的電動(dòng)汽車。燃料電池種類繁多,目前具有廣泛應(yīng)用前景的燃料電池包括質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)堿性膜燃料電池(AEMFC)等。質(zhì)子交換膜燃料電池不僅具備燃料電池的一般優(yōu)勢,同時(shí)還具有工作溫度低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。因此,在汽車應(yīng)用方面,質(zhì)子交換膜燃料電池被視為替代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的理想動(dòng)力源。目前,燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是以燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)作為主要?jiǎng)恿υ?同時(shí)配備一個(gè)輔助動(dòng)力源,如蓄電池組、飛輪儲能器或超大容量電容器,在車輛起動(dòng)、急加速和爬陡坡時(shí)提供輔助能源,在制動(dòng)時(shí)進(jìn)行能量回收。燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由燃料電池電堆、燃料電池升壓器、動(dòng)力控制單元、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、儲氫罐、動(dòng)力蓄電池等組成基本結(jié)構(gòu)如圖7-8所示。圖7-8燃料電池電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)四、燃料電池電動(dòng)汽車(一)燃料電池系統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)主要由燃料電池電堆、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。圖7-9為某種質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖，圖7-9某質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖1-空氣濾清器;2-空氣壓縮機(jī);3-中冷器;4-進(jìn)氣截止閥;5-膜加濕器;6-背壓閥;7-膨脹水箱;8-水泵;9-節(jié)溫器;10-散熱器;11-冷凝器;12-尾排閥;13-氫氣循環(huán)泵;14-儲氫罐;15-減壓閥;16-噴氫閥;17-DC/DC變換器;18-DC/AC逆變器;19-驅(qū)動(dòng)電機(jī);20-燃料電池電堆四、燃料電池電動(dòng)汽車(一)燃料電池系統(tǒng)1.燃料電池電堆燃料電池電堆是一種能夠持續(xù)地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置,特點(diǎn)是只要保持進(jìn)行燃料和氧化劑的供給,燃料電池就會連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。燃料電池把儲存在燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。如圖7-10所示,在陽極,氫氣在催化劑的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子,釋放電子,電子通過外電路負(fù)載做功,質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極,在陰極氧氣與從質(zhì)子交換膜傳遞過來的質(zhì)子和從外電路傳遞過來的電子三者結(jié)合,在催化劑的作用下生成水。圖

7-10燃料電池單電池工作原理四、燃料電池電動(dòng)汽車(一)燃料電池系統(tǒng)2.氫氣供應(yīng)系統(tǒng)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)主要由高壓儲氫罐、一級減壓閥、噴氫閥、氫氣循環(huán)泵、冷凝器、尾排閥等組成。儲氫罐是氣態(tài)氫的儲存裝置，為保證燃料電池電動(dòng)汽車一次加氫之后有足夠的行駛里程，通常需要多個(gè)高壓儲氣罐來儲存氣態(tài)氫，一般轎車需要2～4個(gè)，大型客車需要5~10個(gè)。高壓氫氣從高壓儲氫罐中釋放出來，需要經(jīng)一級減壓閥減壓，進(jìn)而通過控制噴氫閥開度，來調(diào)節(jié)氫氣進(jìn)入電堆的壓力。氫氣進(jìn)入燃料電池電堆發(fā)生反應(yīng)之后，出口氣體中水蒸氣含量較高，通過冷凝器實(shí)現(xiàn)水汽分離。此外，為了提高氫氣利用率，采用氫氣循環(huán)泵將部分出口氣體重新送回電堆氫氣入口進(jìn)行循環(huán)利用。隨著燃料電池反應(yīng)的進(jìn)行，電堆氫氣出口附近氫氣的濃度越來越高，這時(shí)需要根據(jù)制訂的排氣策略，控制尾排閥開度來對氫氣濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則，氫氣濃度過高會影響燃料電池電堆的性能及壽命。3.空氣供應(yīng)系統(tǒng)空氣供應(yīng)系統(tǒng)主要由空氣濾清器、空氣壓縮機(jī)、中冷器、膜加濕器、背壓閥、進(jìn)氣截止閥等組成。為保證燃料電池電堆中的化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，除了供給氣外，還需要根據(jù)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載大小，向電堆提供適宜流量及壓力的空氣參與反應(yīng)，可以通過改變空氣壓縮機(jī)的供電電壓來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變空氣進(jìn)入電堆的空氣流量以及進(jìn)入電堆的空氣壓力大小。通常情況下，入堆空氣流量與入堆空氣壓力之間具有互相耦合的關(guān)系，需要對空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與空氣背壓閥開度進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，從而達(dá)到良好的控制效果?？諝饨?jīng)壓縮機(jī)壓縮之后，溫度較高，需要通過中冷器進(jìn)行冷卻，同時(shí)空氣壓縮機(jī)的高流速干空氣容易使得空氣入口出現(xiàn)“膜干”現(xiàn)象，即質(zhì)子交換膜含水量過低，造成膜的電導(dǎo)率過小、電池內(nèi)阻增加、燃料電池性能下降。因此，為了避免出現(xiàn)“膜干”現(xiàn)象，膜加濕器利用空氣出口的反應(yīng)生成的水增濕電堆入口空氣，保證入口空氣的濕度在一定范圍內(nèi)。四、燃料電池電動(dòng)汽車(一)燃料電池系統(tǒng)4.冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)主要由水泵、膨脹水箱、節(jié)溫器、散熱器等部件組成。燃料電池電堆運(yùn)行溫度對燃料電池系統(tǒng)性能至關(guān)重要，溫度既不能過高，也不能過低。在冷卻系統(tǒng)中，水泵驅(qū)動(dòng)冷卻液在電堆內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，帶走燃料電池電堆反應(yīng)產(chǎn)生的大部分熱量，并通過散熱器將熱量帶到外界環(huán)境中，從而保證燃料電池電堆的工作溫度始終維持在一個(gè)最佳的溫度，其中通過控制節(jié)溫器的開度可以實(shí)現(xiàn)大小循環(huán)冷卻液流量的分配。當(dāng)燃料電池溫度高于最佳運(yùn)行溫度時(shí)，控制節(jié)溫器開度，使得冷卻液大部分流量流經(jīng)散熱器散熱，然后流回電堆。當(dāng)燃料電池電堆溫度低于最佳運(yùn)行溫度時(shí)，通過控制節(jié)溫器開度，使得冷卻液大部分流量不流經(jīng)散熱器，而是直接流回電堆，實(shí)現(xiàn)電堆的快速升溫。另外，冷卻液因?yàn)槲諢崃慷a(chǎn)生大量氣泡可以通過膨脹水箱排出，同時(shí)膨脹水箱也起到向冷卻回路中補(bǔ)充冷卻液的作用。5.電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)燃料電池所產(chǎn)生的直流電，需要經(jīng)過DC/DC變換器進(jìn)行調(diào)壓，才能與動(dòng)力蓄電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)相匹配。如果燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中采用的是交流電動(dòng)機(jī)，那么還需要DC/AC逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。四、燃料電池電動(dòng)汽車(二)輔助動(dòng)力源目前燃料電池電動(dòng)汽車上，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是主要能源，另外還配備有輔助動(dòng)力源。在燃料電池電動(dòng)汽車起動(dòng)時(shí)，輔助動(dòng)力源可提供電能帶動(dòng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或帶動(dòng)車輛起步。車輛行駛時(shí)，由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)所需的全部電能，剩余的電能儲存到輔助動(dòng)力源裝置中。在加速和爬坡時(shí)，若燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供的電能不足以滿足燃料電池電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)功率要求，則由輔助動(dòng)力源提供額外的電能，從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率或轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大。在車輛制動(dòng)或減速的時(shí)候，輔助動(dòng)力源用來儲存制動(dòng)時(shí)回收的電能。輔助動(dòng)力源向汽車上的各種電子、電氣設(shè)備提供所需要的電能。目前輔助動(dòng)力源主要有蓄電池組、超級電容器、超高速飛輪電池三種。(三)驅(qū)動(dòng)電機(jī)燃料電池電動(dòng)汽車采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與純電動(dòng)汽車類似，主要有直流電機(jī)、交流電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等，燃料電池電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型必須結(jié)合整車考慮，并綜合驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特點(diǎn)。PART

3動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)一、蓄電池種類(一)按電解液種類分類堿性電池：堿性電池的電解質(zhì)主要是以氫氧化鉀水溶液為主，如堿性鋅錳蓄電池(俗稱堿錳蓄電池或堿性蓄電池)、鎳鎘蓄電池、氫鎳蓄電池等。酸性電池：酸性電池主要是以硫酸水溶液為介質(zhì)，如鉛酸蓄電池。中性電池：中性電池是以鹽溶液為介質(zhì)，如鋅錳干電池、海水激活電池等。有機(jī)電解液電池：有機(jī)電解液蓄電池主要是以有機(jī)溶液為介質(zhì)，如鋰離子蓄電池等。(二)按工作性質(zhì)和儲存方式分類一次電池：一次電池又稱原電池，即不能再充電使用的電池，如鋅錳干電池、鋰原電池等。二次電池：二次電池即可充電電池，如鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子蓄電池等。燃料電池：燃料電池中，活性材料在電池工作時(shí)才連續(xù)不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池、金屬燃料電池等。儲備電池：儲備電池儲存時(shí)電極板不直接接觸電解液，直到電池使用時(shí)，才加入電解液，如鎂-氯化銀電池又稱海水激活電池。(三)按電池所用正、負(fù)極材料分類(1)鋅系列電池：如鋅錳蓄電池、鋅銀蓄電池等。(2)鎳系列電池：如鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池等。(3)鉛系列電池：如鉛酸蓄電池。(4)鋰系列電池：如鋰離子蓄電池、鋰聚合物蓄電池和鋰硫蓄電池。(5)二氧化錳系列電池：如鋅錳蓄電池、堿錳蓄電池等。(6)空氣(氧氣)系列電池：如鋅空氣蓄電池、鋁空氣蓄電池等。二、動(dòng)力蓄電池工作原理(一)鋰離子蓄電池的工作原理純電動(dòng)汽車的鋰離子蓄電池是其重要的能源存儲設(shè)備，主要由以下幾個(gè)組成部分構(gòu)成：正極材料通常采用鋰化合物，如磷酸鐵鋰(LiFePO?)或鎳錳鈷氧化物(NMC),正極材料在充放電過程中負(fù)責(zé)嵌入或釋放鋰離子。負(fù)極材料通常采用石墨，其具有良好的導(dǎo)電性和嵌鋰性能，負(fù)極材料在充放電過程中負(fù)責(zé)釋放或吸收鋰離子，與正極材料相互嵌鋰。電解質(zhì)是正負(fù)極之間的介質(zhì)，通常采用有機(jī)溶液或聚合物凝膠。電解質(zhì)負(fù)責(zé)離子的傳導(dǎo)，使鋰離子能夠在正負(fù)極之間自由移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電功能。隔膜位于正負(fù)極之間，起到隔離正負(fù)極的作用，防止短路。隔膜通常采用聚合物材料，具有良好的離子傳導(dǎo)性能和隔離性能。鋰離子蓄電池還包括外殼和蓄電池管理系統(tǒng)。外殼用于保護(hù)蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受外界環(huán)境的影響。蓄電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測蓄電池的工作狀態(tài)、蓄電池容量、蓄電池溫度等參數(shù)，并進(jìn)行蓄電池的管理和保護(hù)，以確保蓄電池的安全和性能。鋰離子蓄電池的主要作用是儲存電能，并通過釋放和吸收鋰離子來實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電功能。在純電動(dòng)汽車中，動(dòng)力蓄電池組提供電能給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛，同時(shí)通過回收制動(dòng)能量將部分能量轉(zhuǎn)化為電能存儲，以提高能源利用效率。鋰離子蓄電池具有高能量密度、長壽命、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是純電動(dòng)汽車的動(dòng)力蓄電池選用的重要類型。二、動(dòng)力蓄電池工作原理(一)鋰離子蓄電池的工作原理鋰離子蓄電池工作原理如圖7-11所示，鋰離子蓄電池的充放電機(jī)理實(shí)質(zhì)上就是鋰離子在正、負(fù)電極間的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。在對蓄電池進(jìn)行充電的時(shí)候，在蓄電池的正極上，鈷離子被氧化，然后分解出鋰離子。分解出的鋰離子通過中間的電解液，在通過隔膜后，與外電路傳遞的電子結(jié)合，到達(dá)負(fù)極的鋰離子會被嵌入到碳材料的孔隙，隨著鋰離子被嵌入的數(shù)量越來越多，鋰離子蓄電池的充電容量也會越來越大。而當(dāng)蓄電池放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子將會脫出回到正極，并吸收電子，回到LiCoO?狀態(tài)。圖7-11鋰離子蓄電池工作原理二、動(dòng)力蓄電池工作原理(二)動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)組成動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)(圖7-12)主要由四部分組成：動(dòng)力蓄電池箱、動(dòng)力蓄電池模組、蓄電池管理系統(tǒng)、輔助元器件。(1)動(dòng)力蓄電池箱：支撐、固定、包圍蓄電池系統(tǒng)的組件，主要包含上蓋和下托盤，還有其他輔助器件，如過渡件、護(hù)板、螺栓等，動(dòng)力蓄電池箱有承載及保護(hù)動(dòng)力蓄電池組及電氣元件的作用。動(dòng)力蓄電池箱的主要功能有：幫助蓄電池通風(fēng)散熱；使蓄電池絕緣與防水；保護(hù)蓄電池免受碰撞碰。蓄電池箱安裝在車輛底板下方，下殼體材質(zhì)為鑄鋁或鋼板，上殼體材質(zhì)為玻璃鋼，上下殼體之間有密封膠，后側(cè)面設(shè)有高壓插接器、低壓插接器，上方設(shè)有維修開關(guān)。蓄電池箱密封等級IP67及以上，“6”表示防護(hù)灰塵進(jìn)入，“7”表示在深1m的水中防浸泡30min。圖7-12動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)組成二、動(dòng)力蓄電池工作原理(二)動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)組成(2)動(dòng)力蓄電池模組:動(dòng)力蓄電池的作用是接收和儲存充電裝置的高壓直流電,并為電動(dòng)汽車提供高壓直流電。動(dòng)力蓄電池的主要組成部分包括電芯、模組和蓄電池包。電芯是蓄電池的基本單元,模組則是將多個(gè)電芯按一定方式組裝在一起,而蓄電池包則是進(jìn)一步將多個(gè)模組和管理系統(tǒng)集成在一起的完整蓄電池系統(tǒng)。這些組件共同構(gòu)成了一個(gè)完整的動(dòng)力蓄電池系統(tǒng),能夠滿足不同應(yīng)用場景下的能量需求和性能要求。(3)蓄電池管理系統(tǒng)(BatteryManagementSystem,BMS):監(jiān)視蓄電池的狀態(tài)(溫度、電壓、荷電狀態(tài)),可以為蓄電池提供通信、安全、電芯均衡及管理控制,并提供與應(yīng)用設(shè)備通信接口的系統(tǒng)。蓄電池管理系統(tǒng)包括硬件和軟件:硬件由主控盒BMS、從控盒、高壓盒、電壓采集線、電流傳感器、溫度傳感器、蓄電池內(nèi)部CAN總線等組成;軟件由監(jiān)測電壓、監(jiān)測電流監(jiān)測溫度、監(jiān)測絕緣電阻、SOC估算等程序組成。蓄電池管理系統(tǒng)是連接動(dòng)力蓄電池和電動(dòng)汽車的重要紐帶,它主要的功能包括蓄電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、蓄電池狀態(tài)估計(jì)、在線診斷與預(yù)警、充放電與預(yù)充控制均衡管理、熱管理等。(4)輔助元器件:是指動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)內(nèi)部的電子電器,包括主正繼電器、預(yù)充繼電器預(yù)充電阻、主負(fù)繼電器、高壓熔斷器、加熱繼電器、加熱熔斷器、電流傳感器、高壓插座、低壓插座,還包括密封條、絕緣材料等。主正繼電器由BMS控制,作用是接通/斷開動(dòng)力蓄電池正極。預(yù)充繼電器的預(yù)充動(dòng)作發(fā)生在充放電初期,閉合預(yù)充繼電器進(jìn)行預(yù)充,預(yù)充完成后開預(yù)充繼電器,預(yù)充繼電器就是控制預(yù)充回路的斷開、閉合,而預(yù)充電阻的作用是限流,由BMS控制,作用是接通/斷開動(dòng)力電池預(yù)充正極。預(yù)充電阻的阻值一般為1000.目的是通/小電流,預(yù)充電時(shí)檢測單體電池有無短路;上電時(shí)先用小電流給電機(jī)控制器和電動(dòng)壓縮機(jī)控制器的電容器充電,因?yàn)殡娙萜髟诔潆婇_始時(shí)處于短路狀態(tài),直接使用大電流充電容易擊穿電容器。三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(一)基本構(gòu)成和功能對蓄電池管理系統(tǒng)功能和用途的理解是隨著電動(dòng)汽車輛技術(shù)的發(fā)展逐步豐富起來的最早的蓄電池管理系統(tǒng)僅僅進(jìn)行一次測量參數(shù)(電壓、電流、溫度等)的采集,之后發(fā)展到二次參數(shù)(SOC、內(nèi)阻)的測量和預(yù)測,并根據(jù)極端參數(shù)進(jìn)行蓄電池狀態(tài)預(yù)警。現(xiàn)階段蓄電池管理系統(tǒng)除完成數(shù)據(jù)測量和預(yù)警功能外,還通過數(shù)據(jù)總線直接參與車輛狀態(tài)的控制。蓄電池管理系統(tǒng)的主要工作原理可簡單歸納為:數(shù)據(jù)采集蓄電路采集蓄電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù)后,由電控單元(ECU)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,然后蓄電池管理系統(tǒng)根據(jù)分析結(jié)果對系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令,并向外界傳遞參數(shù)信息。在功能上,蓄電池管理系統(tǒng)主要包括:數(shù)據(jù)采集、蓄電池狀態(tài)估計(jì)、能量管理、安全管理、熱管理、均衡控制、通信功能和人機(jī)接口。圖7-13所示為蓄電池管理系統(tǒng)功能圖。圖7-13蓄電池管理系統(tǒng)功能圖三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(一)基本構(gòu)成和功能(1)數(shù)據(jù)采集：蓄電池管理系統(tǒng)的所有算法都是以采集的動(dòng)力蓄電池?cái)?shù)據(jù)作為輸入，采樣速率、精度和前置濾波特性是影響蓄電池系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。電動(dòng)汽車蓄電池管理系統(tǒng)的采樣速率一般要求大于200Hz(50ms)。(2)蓄電池狀態(tài)估計(jì)：蓄電池狀態(tài)估計(jì)包括蓄電池組荷電狀態(tài)(StateofCharge,SOC)和蓄電池組健康狀態(tài)(StateofHealth,SOH)兩方面。SOC用來提示動(dòng)力蓄電池組剩余電量，是計(jì)算和估計(jì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的基礎(chǔ)。SOH用來提示蓄電池技術(shù)狀態(tài)、預(yù)計(jì)可用壽命等健康狀態(tài)的參數(shù)。(3)能量管理：能量管理主要包括以電流、電壓、溫度、SOC和SOH為輸入進(jìn)行充電過程控制，以SOC、SOH和溫度等參數(shù)為條件進(jìn)行放電功率控制兩個(gè)部分。(4)安全管理：監(jiān)視蓄電池電壓、電流、溫度是否超過正常范圍，防止蓄電池組過充過放。現(xiàn)在對蓄電池組進(jìn)行整組監(jiān)控的同時(shí)，多數(shù)蓄電池管理系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到對極端單體蓄電池進(jìn)行過充、過放、過溫等安全狀態(tài)管理。(5)熱管理：在蓄電池工作溫度超高時(shí)進(jìn)行冷卻，低于適宜工作溫度下限時(shí)進(jìn)行蓄電池加熱，使蓄電池處于適宜的工作溫度范圍內(nèi)，并在蓄電池工作過程中保持蓄電池單體間溫度均衡。對于大功率放電和高溫條件下使用的蓄電池，蓄電池的熱管理尤為必要。(6)均衡控制：蓄電池的一致性差異所導(dǎo)致的蓄電池組工作狀態(tài)是由最差蓄電池單體決定的。在蓄電池組各個(gè)蓄電池之間設(shè)置均衡電路，實(shí)施均衡控制是為了使各單體蓄電池充放電的工作情況盡量一致，提高整體蓄電池組的工作性能。(7)通信功能：通過蓄電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)蓄電池參數(shù)和信息與車載設(shè)備或非車載設(shè)備的通信，為充放電控制、整車控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)是蓄電池管理系統(tǒng)的重要功能之一。根據(jù)應(yīng)用需要，數(shù)據(jù)交換可采用不同的通信接口，如模擬信號、PWM信號、CAN總線或I2C串行接口。(8)人機(jī)接口：根據(jù)設(shè)計(jì)的需要設(shè)置顯示信息以及控制按鍵、旋鈕等。三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(二)電量管理系統(tǒng)蓄電池電量管理是蓄電池管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一，對于整個(gè)蓄電池狀態(tài)的控制、電動(dòng)汽車輛續(xù)駛里程的預(yù)測和估計(jì)具有重要意義。但由于動(dòng)力蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)成非線性，并且受多種因素影響，導(dǎo)致蓄電池電量估計(jì)和預(yù)測方法復(fù)雜，準(zhǔn)確估計(jì)困難。SOC估算精度的影響因素定性規(guī)律如下。(1)充放電電流：相對于額定充放電工況，動(dòng)力蓄電池一般表現(xiàn)為大電流可充放電容量低于額定容量，小電流可充放電容量大于額定容量。(2)溫度：不同溫度下蓄電池組的容量存在著一定的變化，溫度段的選擇及校正因素直接影響到蓄電池性能和可用電量。(3)蓄電池容量衰減：蓄電池的容量在循環(huán)過程中會逐漸減少，因此對電量的校正條件就需要不斷地改變，這也是影響模型精度的一個(gè)重要因素。(4)自放電：蓄電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生自放電現(xiàn)象，使其在放置時(shí)，電量發(fā)生損失。自放電大小主要與環(huán)境溫度成正比，需要按試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。(5)一致性：蓄電池組的建模和容量估算與單體蓄電池有一定的區(qū)別，蓄電池組的一致性差別對電量的估算有重要的影響。蓄電池組的電量估算是按照總體蓄電池的電壓來估算和校正的，如果蓄電池差異較大將導(dǎo)致估算的精度誤差很大。三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(三)均衡管理系統(tǒng)為了平衡蓄電池組中單體蓄電池的容量和能量差異，提高蓄電池組的能量利用率，在蓄電池組的充放電過程中需要使用均衡電路。根據(jù)均衡過程中電路對能量的消耗情況，可以分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類。能量耗散型是將多余的能量全部以熱量的方式消耗，非耗散型是將多余的能量轉(zhuǎn)移或者轉(zhuǎn)換到其他蓄電池中。1.能量耗散型能量耗散型是通過單體蓄電池的并聯(lián)電阻進(jìn)行充電分流從而實(shí)現(xiàn)均衡，如圖7-13所示。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，均衡過程一般在充電過程中完成，對容量低的單體蓄電池不能補(bǔ)充電量，存在能量浪費(fèi)和增加熱管理系統(tǒng)負(fù)荷的問題。能量耗散型一般有兩類：一是恒定分流電阻均衡充電電路，每個(gè)蓄電池單體上都始終并聯(lián)一個(gè)分流電阻。這種方式的特點(diǎn)是可靠性高，分流電阻的值大，通過固定分流來減小由于自放電導(dǎo)致的單體蓄電池差異。其缺點(diǎn)在于無論蓄電池充電還是放電過程，分流電阻始終消耗功率，能量損失大，一般在能夠及時(shí)補(bǔ)充能量的場合適用。二是開關(guān)控制分流電阻均衡充電電路，分流電阻通過開關(guān)控制，在充電過程中，當(dāng)單體蓄電池電壓達(dá)到截止電壓時(shí)，均衡裝置能阻止其過充并將多余的能量轉(zhuǎn)化成熱能。這種均衡電路工作在充電期間，特點(diǎn)是可以對充電時(shí)的單體蓄電池電壓偏高者進(jìn)行分流。其缺點(diǎn)是由于均衡時(shí)間的限制，導(dǎo)致分流時(shí)產(chǎn)生的大量熱量需要及時(shí)通過熱管理系統(tǒng)耗散，尤其在容量比較大的蓄電池組中更加明顯。2.非能量耗散型非能量耗散型電路的耗能相對于能量耗散型電路小很多，但電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜可分為能量轉(zhuǎn)換式均衡和能量轉(zhuǎn)移式均衡兩種方式。三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(三)均衡管理系統(tǒng)2.非能量耗散型1)能量轉(zhuǎn)換式均衡能量轉(zhuǎn)換式均衡是通過開關(guān)信號，將蓄電池組整體能量對單體蓄電池進(jìn)行能量補(bǔ)充，或者將單體蓄電池能量向整體蓄電池組進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。其中單體能量向整體能量轉(zhuǎn)換，一般都是在蓄電池組充電過程中進(jìn)行的，通過檢測各個(gè)單體蓄電池的電壓值，當(dāng)單體蓄電池電壓達(dá)到一定值時(shí)，均衡模塊開始工作。把單體蓄電池中的充電電流進(jìn)行分流從而降低充電電壓，分出的電流經(jīng)模塊轉(zhuǎn)換把能量反饋回充電總線，達(dá)到均衡的目的。蓄電池組整體能量向單體轉(zhuǎn)換，在充電過程中首先通過主充電模塊對蓄電池組進(jìn)行充電，電壓檢測電路對每個(gè)單體蓄電池進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)任一單體蓄電池的電壓過高，主充電電路就會關(guān)閉，然后均衡充電模塊開始對蓄電池組充電。2)能量轉(zhuǎn)移式均衡能量轉(zhuǎn)移式均衡是利用電感或電容等儲能元件，把蓄電池組中容量高的單體蓄電池的電量，通過儲能元件轉(zhuǎn)移到容量比較低的蓄電池上，如圖7-14所示。該電路是通過切換電感開關(guān)傳遞相鄰蓄電池間的能量，將電荷從電壓高的蓄電池傳送到電壓低的蓄電池，從而達(dá)到均衡的目的。此電路的能量損耗很小，但是均衡過程中必須有多次傳輸，均衡時(shí)間長，不適于多串的蓄電池組，且均衡中能量的判斷以及開關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)較困難。圖

7-14開關(guān)電感均衡示意圖三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(四)熱管理系統(tǒng)1.熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成動(dòng)力蓄電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成主要包括如下部分。(1)溫度傳感器：負(fù)責(zé)感知蓄電池的表面溫度和內(nèi)部溫度，并將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給熱管理控制單元。(2)熱管理控制單元：處理溫度傳感器的信號，判斷當(dāng)前蓄電池溫度是否在安全范圍內(nèi)。如果蓄電池溫度超過設(shè)定的安全范圍，熱管理控制單元將下達(dá)指令啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)，通過循環(huán)泵和散熱風(fēng)扇等組件將蓄電池產(chǎn)生的熱量快速散發(fā)，降低蓄電池溫度。在特殊低溫環(huán)境下，熱管理控制單元會啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，通過加熱蓄電池單元，提高蓄電池的工作溫度，保證蓄電池的正常使用。(3)冷卻系統(tǒng)：利用冷卻液循環(huán)、自然風(fēng)吹散熱、熱泵空調(diào)等方式對蓄電池進(jìn)行冷卻降溫。具體包括低溫冷卻器、熱交換器、制冷劑循環(huán)回路等組件，通過這些組件的協(xié)同作用，將蓄電池產(chǎn)生的余熱排出，或者直接排放到環(huán)境中。(4)加熱系統(tǒng)：在低溫環(huán)境下，通過加熱蓄電池單元提高工作溫度，保證蓄電池在低溫環(huán)境下的正常使用。(5)狀態(tài)顯示裝置：實(shí)時(shí)顯示蓄電池的溫度狀態(tài)和工作狀態(tài)，為用戶提供直觀的監(jiān)控信息，確保用戶對蓄電池狀態(tài)有清晰的了解。三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(四)熱管理系統(tǒng)2.熱管理系統(tǒng)的功能動(dòng)力蓄電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的主要功能是通過監(jiān)測動(dòng)力蓄電池組各個(gè)溫度點(diǎn)的溫度變化情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值進(jìn)行比較來控制冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)工作，以保持動(dòng)力蓄電池組在合適的溫度范圍內(nèi)工作。(1)蓄電池?zé)峁芾恚壕S持適宜溫度，確保蓄電池在充放電過程中處于最佳溫度范圍內(nèi)，以提高效率和壽命；防止過熱，通過冷卻措施防止蓄電池在高負(fù)荷下過熱，避免熱失控。(2)電機(jī)和電控單元熱管理：冷卻保護(hù)，保護(hù)電機(jī)和電控單元免受過高溫度的影響，維持其穩(wěn)定性和性能；延長壽命，適當(dāng)?shù)臏囟裙芾砜梢匝娱L這些部件的使用壽命。(3)乘員艙熱管理：舒適性，為乘客提供適宜的溫度環(huán)境，提高駕乘舒適性；除霜/除霧，在冬季，快速為風(fēng)窗玻璃除霜/除霧，保證駕駛視線清晰。(4)整體能耗管理：節(jié)能，通過高效的熱管理，減少因溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致的能耗損失；提高續(xù)駛里程，特別是在冬季和夏季極端天氣下，良好的熱管理可以顯著提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。(5)安全性保障：防止熱失控，通過監(jiān)控和調(diào)節(jié)溫度，防止蓄電池?zé)崾Э?，保障車輛安全。(6)保護(hù)電子器件：確保電機(jī)和電控單元在安全的溫度下工作，防止因過熱導(dǎo)致的損壞。三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(五)蓄電池?zé)崾Э嘏c熱安全管理1.蓄電池?zé)崾Э匦铍姵責(zé)崾Э厥侵冈谝欢ㄍ饨鐥l件(如穿刺、過熱、短路、過充電等)的觸發(fā)下，蓄電池發(fā)生的以快速大量放熱為主、可伴隨其他(如短路放電、燃燒、爆炸等)物理或化學(xué)變化的劇烈反應(yīng)。在動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)中，某一單體蓄電池發(fā)生熱失控后，其劇烈的反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱，同時(shí)有可能產(chǎn)生燃燒或爆炸等劇烈反應(yīng)，由此造成的高溫或機(jī)械沖擊，往往會成為鄰近蓄電池發(fā)生熱失控的觸發(fā)條件，依此類推，單一蓄電池的熱失控很容易在蓄電池系統(tǒng)中擴(kuò)展開來，造成大量能量的快速釋放，其危害十分巨大。蓄電池的熱失控問題，有機(jī)理復(fù)雜、影響因素眾多的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：動(dòng)力蓄電池單體的熱失控與其內(nèi)部的電化學(xué)體系類型、材料構(gòu)成、結(jié)構(gòu)形式、封裝形式、容量、結(jié)構(gòu)、外形、尺寸形式以及工藝狀況等直接相關(guān)。蓄電池過熱、過充電、外界撞擊、擠壓、穿刺、蓄電池短路等均可觸發(fā)熱失控。除此之外，環(huán)境條件、熱失控觸發(fā)方式及加載狀態(tài)、蓄電池成組連接方式、蓄電池?zé)峁芾硇问?、始發(fā)熱失控蓄電池在動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)內(nèi)的位置等直接影響熱失控?cái)U(kuò)展過程。因此，蓄電池的熱失控機(jī)理復(fù)雜，多種因素互為前提，動(dòng)力蓄電池?zé)崾Э匮芯肯到y(tǒng)性強(qiáng)、難度大，已經(jīng)成為動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一。三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(五)蓄電池?zé)崾Э嘏c熱安全管理2.蓄電池?zé)崾Э氐挠|發(fā)與擴(kuò)展1)蓄電池?zé)崾Э赜|發(fā)蓄電池?zé)崾Э氐挠|發(fā)條件主要?dú)w納為四方面：機(jī)械濫用(如針刺、擠壓等);電濫用(如過充、短路等);熱濫用(如過熱、火燒等);異常的蓄電池老化。觸發(fā)條件可以是蓄電池正常工作條件下，破壞蓄電池正常工作條件的突發(fā)型觸發(fā)條件，如針刺、撞擊、短路、火燒等；也可以是蓄電池在非正常工作條件下，逐步積累到一定程度而產(chǎn)生的累積型觸發(fā)條件，如過熱、過充電、異常老化等。但最終都會引發(fā)蓄電池內(nèi)部材料間發(fā)生的劇烈熱化學(xué)反應(yīng)，放出大量熱量并生成大量氣體等產(chǎn)物。蓄電池?zé)崾Э赜|發(fā)蓄電池內(nèi)部的材料體系構(gòu)成直接相關(guān)，具體包括電解液、正極和負(fù)極材料、電解液和正/負(fù)極材料的共存體系、隔膜等。對于蓄電池?zé)崾Э赜|發(fā)過程的研究，常采用加速量熱(ARC)等熱分析手段和紅外成像等測試技術(shù)，研究單體蓄電池在濫用情況下熱失控觸發(fā)過程中溫度、電壓、產(chǎn)熱量和壓力等參數(shù)的變化規(guī)律；采用X射線成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)等技術(shù)手段，研究熱失控鋰離子動(dòng)力蓄電池內(nèi)部材料的物理結(jié)構(gòu)變化機(jī)理；采用紅外和拉曼光譜、氣相色譜、質(zhì)譜等技術(shù)，研究熱失控過程前后材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化機(jī)理和副反應(yīng)產(chǎn)物，根據(jù)內(nèi)部材料的物理化學(xué)變化、外部蓄電池產(chǎn)熱和溫度變化的對應(yīng)關(guān)系確定蓄電池?zé)崾Э氐挠|發(fā)機(jī)理和過程。三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(五)蓄電池?zé)崾Э嘏c熱安全管理2.蓄電池?zé)崾Э氐挠|發(fā)與擴(kuò)展2)熱失控在動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)內(nèi)的擴(kuò)展單體蓄電池的熱失控反應(yīng)會波及相鄰蓄電池，通過熱擴(kuò)散、火燒甚至爆炸沖擊的方式，可引發(fā)一系列周圍蓄電池發(fā)生熱失控反應(yīng)，造成熱失控反應(yīng)在蓄電池系統(tǒng)中的擴(kuò)展。在熱失控?cái)U(kuò)展過程中，發(fā)生熱失控的單體蓄電池周圍熱擴(kuò)散邊界條件復(fù)雜、熱擴(kuò)展路徑及其模式復(fù)雜，熱失控蓄電池與相鄰蓄電池間的熱、電等相互作用復(fù)雜，還需要充分考慮動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)物理邊界的影響，散熱系統(tǒng)的影響等因素。另外，動(dòng)力蓄電池的封裝形式(鋼殼、鋁塑膜等)、幾何形狀(圓柱、方形等)、物理尺寸各異，成組連接方式(串聯(lián)、并聯(lián))、固定連接結(jié)構(gòu)、動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)參數(shù)(容量、電壓)等差距大，同時(shí)，動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)的熱失控受使用工況、環(huán)境等因素影響。當(dāng)前研究熱失控在動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)內(nèi)擴(kuò)展主要從試驗(yàn)測試和模型建立兩方面入手。試驗(yàn)方面，通過測試熱失控觸發(fā)時(shí)間、觸發(fā)順序、溫度場分布、熱傳播途徑等，研究熱失控過程中蓄電池特性參數(shù)(如電壓、溫度、內(nèi)阻等)的變化特性；另外也利用計(jì)算機(jī)斷層掃描和X射線成像技術(shù)，觀察熱失控中蓄電池材料、結(jié)構(gòu)的變化形式。模型方面，其目標(biāo)是建立準(zhǔn)確描述動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)熱失控的數(shù)學(xué)模型。對于物理場，?；陔娀瘜W(xué)模型和熱模型構(gòu)建熱電耦合的動(dòng)力蓄電池?zé)崾Э啬Ｐ?，或?gòu)建更多物理場耦合的數(shù)學(xué)模型。對于維度，通過建立鋰離子動(dòng)力蓄電池?zé)崾Э囟S、三維模型，實(shí)現(xiàn)對熱失控過程更全面的描述。對于影響因素，常在復(fù)雜影響因素中選取一種或幾種，對模型進(jìn)行修正，但這也會造成模型在不同研究對象和不同環(huán)境條件下的通用性稍差。三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(五)蓄電池?zé)崾Э嘏c熱安全管理3.蓄電池?zé)岚踩芾韯?dòng)力蓄電池系統(tǒng)熱安全管理建立在蓄電池常規(guī)熱管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，內(nèi)容包含熱失控預(yù)警與防護(hù)控制、熱失控后的延緩擴(kuò)散控制。其目標(biāo)是防止動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)熱安全事故的發(fā)生、阻斷或延緩熱失控的擴(kuò)展。當(dāng)前研究主要涉及安全事故預(yù)警機(jī)制、熱安全控制策略、高安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面。(1)在動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)熱失控預(yù)警機(jī)制和控制策略方面，通過建立動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)故障樹，建立電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)多級預(yù)警機(jī)制，并制訂相關(guān)機(jī)制的觸發(fā)閾值，以實(shí)現(xiàn)對不同故障階段的蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行分級處理。(2)在高安全性動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，進(jìn)行結(jié)構(gòu)、電氣等方面的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以提高動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)的安全性。例如特斯拉公司采用動(dòng)力蓄電池模塊間隔板隔斷、動(dòng)力蓄電池箱上隔板與車輛駕駛室增加隔離層、火焰方向引導(dǎo)等方法實(shí)現(xiàn)了高安全蓄電池箱的設(shè)計(jì)。北京理工大學(xué)奧運(yùn)電動(dòng)客車上則通過采用內(nèi)外箱異常情況可快速分離、上蓋板噴涂高溫防火涂料等方式實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)商用車安全蓄電池箱的設(shè)計(jì)。三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(六)蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)工作過程控制策略1.功率控制BMS為低電壓低功率系統(tǒng)，而主正繼電器、主負(fù)繼電器、預(yù)充電繼電器和充電繼電器需要高功率電流來驅(qū)動(dòng)。為保證這些繼電器穩(wěn)定地工作，通常需要設(shè)計(jì)中間繼電器。中間繼電器通常不僅能夠?qū)MS與高壓系統(tǒng)隔離，使BMS工作更加平穩(wěn)，還能滿足上述繼電器能夠可靠開啟所需的功率。圖7-15所示為電動(dòng)汽車高壓繼電器控制線路。轉(zhuǎn)換器不能通過轉(zhuǎn)換電路直接與蓄電池連接，必須在轉(zhuǎn)換器的輸入端連接濾波電容，否則，在連接的瞬間，它會產(chǎn)生一個(gè)大電流對蓄電池造成傷害。因此，在電路中有必要串聯(lián)一個(gè)合適的電阻構(gòu)成預(yù)充電回路，防止蓄電池在放電瞬間產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓對電氣元件造成損害。圖7-15電動(dòng)汽車高壓繼電器控制線路三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(六)蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)工作過程控制策略2.充電控制按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，完整的充電流程如圖7-16所示。在BMS和充電機(jī)之間握手通信以及蓄電池參數(shù)配置完成后，才能開始充電。3.溫度控制當(dāng)溫度太高或溫度差異太大時(shí)，必須打開風(fēng)扇進(jìn)行散熱或均衡溫度?？紤]蓄電池的溫度特性和溫度控制的滯后性，有必要設(shè)置溫度控制閾值。不同結(jié)構(gòu)的蓄電池箱對溫度測量有很大的影響，因此，需要大量的測試或校正分析來定義這些閾值。一般情況下，設(shè)置四個(gè)溫度閾值：高溫1級、高溫2級、低溫1級、低溫2級。如果溫度超過了高溫1級閾值，蓄電池冷卻程序開始執(zhí)行，蓄電池輸出功率下降。如果溫度超過了高溫2級閾值，表示蓄電池工作溫度超過了極限值，必須停止蓄電池功率輸出以避免熱失控導(dǎo)致發(fā)生危險(xiǎn)事故。在實(shí)際應(yīng)用中，重新起動(dòng)時(shí)的溫度低于停機(jī)時(shí)的溫度，這種做法可以避免蓄電池繼電器的頻繁切換。圖7-16完整的充電流程三、動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)(六)蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)工作過程控制策略4.故障報(bào)警及控制表7-1給出了蓄電池1、2級故障報(bào)警情況。安全報(bào)警閾值的設(shè)置與蓄電池性能、蓄電池成組方法和車輛類型有關(guān)。該表列出了磷酸亞鐵鋰蓄電池組的報(bào)警閾值，該蓄電池組包括120串蓄電池單體，蓄電池容量為210A·h,額定電壓為384V。當(dāng)檢測到報(bào)警信息時(shí)，BMS應(yīng)根據(jù)不同等級和類型來處理報(bào)警信息。例如，當(dāng)SOC太低時(shí)，駕駛?cè)藨?yīng)當(dāng)考慮在附近的充電站充電。當(dāng)SOC太低并達(dá)到2級警報(bào)狀態(tài)時(shí)，駕駛?cè)藨?yīng)當(dāng)立即停車。PART

4驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制一、直流電機(jī)直流電機(jī)因其成本低、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車及其他領(lǐng)域的早期應(yīng)用中占據(jù)重要地位。然而，隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展和需求的變化，現(xiàn)在的電動(dòng)汽車逐漸轉(zhuǎn)向采用交流電機(jī)等更為高效和耐用的電機(jī)系統(tǒng)，以滿足更高的性能和效率要求。直流電機(jī)由定子(固定不動(dòng))與轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn))兩大部分組成，定子與轉(zhuǎn)子之間有空隙，稱為氣隙。其中定子部分包括機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、電刷等裝置，轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等部件，整體結(jié)構(gòu)如圖7-17所示。圖7-17直流電機(jī)結(jié)構(gòu)一、直流電機(jī)圖7-18直流電機(jī)工作原理框圖直流電機(jī)具有成本最低、易于平滑調(diào)速、控制器簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但由于直流電機(jī)在運(yùn)行過程中需要電刷和換向器換向，因而電機(jī)本身的效率低于交流感應(yīng)電機(jī)，同時(shí)，電刷需要定期維護(hù)，造成了使用的不便。此外，電機(jī)本身的體積大、質(zhì)量大，換向器和電刷制約了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這些因素都限制了其在電動(dòng)汽車上的廣泛應(yīng)用。二、交流感應(yīng)電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)(ACInductionMachine,ACIM),又稱為交流異步電機(jī)(ACAsynchronousMachine,ACAM),相比其他類型的電機(jī)，交流感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、耐久性好、成本低、易于維護(hù)以及技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。因此，交流感應(yīng)電機(jī)在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用中具有很強(qiáng)的競爭力。交流感應(yīng)電機(jī)定子是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的，它由定子鐵芯、定子繞組、鐵芯外側(cè)的外殼、支承轉(zhuǎn)子軸的軸承等組成；交流感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有籠型和繞線型兩種類型，其中籠型轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)比較簡單，僅由導(dǎo)條和端環(huán)構(gòu)成。交流感應(yīng)電機(jī)按照轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)可分為籠式交流感應(yīng)電機(jī)和繞線式交流感應(yīng)電機(jī)兩類，如圖7-19所示。圖7-19交流感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組類型二、交流感應(yīng)電機(jī)圖7-20交流感應(yīng)電機(jī)工作原理圖

7-21三相對稱交流電波形二、交流感應(yīng)電機(jī)圖

7-22不同時(shí)刻三相合成旋轉(zhuǎn)磁場的位置二、交流感應(yīng)電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)與直流電機(jī)相比，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)實(shí)可靠、免維護(hù)、體積小、質(zhì)量輕、易于冷卻、壽命長等許多優(yōu)點(diǎn)。交流感應(yīng)電機(jī)本身比直流電機(jī)成本低，只是其逆變器比直流電機(jī)控制器成本高，但隨著功率電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，兩者的成本差距越來越接小。從目前來看，交流感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)總成本要比直流電機(jī)系統(tǒng)高，但由于其重量輕、效率高及能有效地實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，因而在電動(dòng)汽車上使用的運(yùn)營成本要比使用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)低，尤其在大功率電動(dòng)汽車中更有廣泛的應(yīng)用。三、交流永磁電機(jī)永磁同步電機(jī)是用永磁體取代繞線式同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)磁圈、滑環(huán)和電刷，定子中通入三相對稱交流電。永磁同步電機(jī)模型如圖7-23所示，由于電機(jī)定子三相繞組接入三相對稱交流電而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，用旋轉(zhuǎn)磁極S、N來模擬，根據(jù)磁極“異性相吸、同性相斥”的原理，不論定子旋轉(zhuǎn)磁極與永磁轉(zhuǎn)子起始時(shí)相對位置如何，定子的旋轉(zhuǎn)磁極由于磁拉力拖著轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，同步電機(jī)轉(zhuǎn)速n可表示為：從上式可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間沒有產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子分為凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式三種基本結(jié)構(gòu)，如圖7-24所示。在圖7-24a)中，凸裝式具有圓套筒型整體磁鋼，每極磁鋼的寬度與極距相等，可提供接近梯形的磁場分布，在小直徑轉(zhuǎn)子的電機(jī)中，可以采用這種徑向異極的永磁環(huán)，但在大容量電機(jī)中，必須利用若干個(gè)分離的永磁體。如果永磁體厚度一致，寬度又小于一個(gè)極距，整個(gè)磁場分布接近為梯形。在圖7-24b)中，不將永磁體凸裝在轉(zhuǎn)子表面上，而是嵌于轉(zhuǎn)子表面下，永磁體的寬度小于一個(gè)極距，這種結(jié)構(gòu)稱為嵌入式。對于凸裝式和嵌入式轉(zhuǎn)子，一般是用環(huán)氧樹脂將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上，這兩種結(jié)構(gòu)可使轉(zhuǎn)子做得直徑小、慣量小，電感也較小，有利于改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。如圖7-24c)所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其是將永磁體埋裝在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，每個(gè)永磁體都被鐵芯包著，稱為內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)。這種結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度高，磁路氣隙小，與外裝式轉(zhuǎn)子相比，更適用于弱磁。圖7-23永磁同步電機(jī)模型三、交流永磁電機(jī)永磁同步電機(jī)(PMSM)因其高效率、高功率密度、良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、低噪聲和高可靠性，成為電動(dòng)汽車(EV)常見驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型之一。PMSM利用永磁體減少電能轉(zhuǎn)換損耗，并在較小體積內(nèi)提供高功率輸出，適合電動(dòng)汽車的空間要求和性能需求。其無刷設(shè)計(jì)減少機(jī)械磨損，延長電機(jī)壽命，降低維護(hù)需求，因此被特斯拉、日產(chǎn)和寶馬等電動(dòng)汽車品牌廣泛采用。圖7-24永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖四、電機(jī)典型控制方法(一)矢量控制1.PMSM的滯環(huán)電流控制矢量控制技術(shù)借鑒了直流電機(jī)中電樞電流和勵(lì)磁電流互相垂直、獨(dú)立控制的理念，基于坐標(biāo)變換理論，通過控制電機(jī)定子電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的大小和方向，實(shí)現(xiàn)直軸和交軸分量的解耦控制，從而達(dá)到磁場和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制，使交流電機(jī)具備類似直流電機(jī)的控制性能。這一技術(shù)的出現(xiàn)對電機(jī)控制領(lǐng)域具有重要意義，推動(dòng)了電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展。后來，研究人員將矢量控制應(yīng)用于三相永磁同步電機(jī)(PMSM),發(fā)現(xiàn)由于PMSM沒有異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率問題，矢量控制實(shí)現(xiàn)起來更加簡便。對于三相PMSM的矢量控制技術(shù)，通常包括三個(gè)主要部分：轉(zhuǎn)速控制環(huán)、電流控制環(huán)和PWM控制算法。轉(zhuǎn)速控制環(huán)用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)速的目標(biāo)；電流控制環(huán)則加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使定子電流更接近預(yù)定的電流矢量。在電壓源逆變器供電的控制系統(tǒng)中，電流控制環(huán)可以分為靜止坐標(biāo)系下的電流控制和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流控制。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，常用的電流控制方法包括滯環(huán)電流控制和PI電流控制等。本節(jié)將簡要介紹滯環(huán)電流控制的基本原理和仿真建模方法。在電壓源逆變器中，滯環(huán)電流控制是一種控制瞬態(tài)電流輸出的方法。其基本原理是比較電流設(shè)定值和檢測到的逆變器實(shí)際輸出電流值。當(dāng)實(shí)際電流值超過設(shè)定值時(shí)，通過改變逆變器的開關(guān)狀態(tài)使電流減??；相反，當(dāng)實(shí)際電流值低于設(shè)定值時(shí)，使電流增大。這樣，實(shí)際電流會在設(shè)定電流波形周圍呈鋸齒狀波動(dòng)，并將偏差限制在一定范圍內(nèi)。因此，采用滯環(huán)電流控制的逆變器系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速控制環(huán)和一個(gè)采用Bang-Bang控制(滯環(huán)控制)的電流閉環(huán)，從而加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)并抑制內(nèi)部擾動(dòng)。這種方法簡單且不依賴于電機(jī)參數(shù)，具有良好的魯棒性。然而，滯環(huán)電流控制的缺點(diǎn)在于逆變器的開關(guān)頻率會隨電機(jī)運(yùn)行狀況而發(fā)生變化，范圍非常大且不規(guī)律，導(dǎo)致輸出電流波形脈動(dòng)較大，并產(chǎn)生噪聲。盡管可以通過引入頻率鎖定環(huán)節(jié)或采用同步開關(guān)型數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法來克服這些缺點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。實(shí)際上，由于三相之間的相互聯(lián)系，電流的紋波值可以達(dá)到滯環(huán)寬度的2倍。四、電機(jī)典型控制方法(一)矢量控制1.PMSM的滯環(huán)電流控制圖7-25三相PMSM的滯環(huán)電流控制框圖四、電機(jī)典型控制方法(一)矢量控制2.PMSM的PI電流控制圖7-26三相PMSM矢量控制框圖四、電機(jī)典型控制方法(二)直接轉(zhuǎn)矩控制1985年由德國學(xué)者M(jìn).Depenbrock教授首次提出了基于感應(yīng)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，隨后日本學(xué)者也提出了類似的控制方案，不同于矢量技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，改估計(jì)轉(zhuǎn)子磁通為估計(jì)定子磁通。由于定子磁通的估計(jì)只牽涉定子電阻，因而對電機(jī)參數(shù)的依賴性降低。采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法，通過檢測電機(jī)定子電壓、電流，借助空間矢量理論(主要是3/2變換原理)來計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并用快速Bang-Bang調(diào)節(jié)器對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)施控制，分別將磁鏈和轉(zhuǎn)矩值的脈動(dòng)限制在預(yù)先設(shè)定的一定容差范圍內(nèi)，Bang-Bang調(diào)節(jié)器是進(jìn)行比較與量化的環(huán)節(jié)，然后根據(jù)定子磁鏈幅值與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)式Bang-Bang調(diào)節(jié)器輸出量、定子磁鏈?zhǔn)噶靠臻g位置形成查表所需的信息，從最優(yōu)開關(guān)信號模式表中直接查出應(yīng)施加的電壓矢量對應(yīng)的開關(guān)信號，以此來控制逆變器?？刂圃砣鐖D7-27所示。直接轉(zhuǎn)矩控制算法的特點(diǎn)是，電機(jī)模型在定子坐標(biāo)系下只需3/2變換，觀測的是定子磁鏈，受電機(jī)參數(shù)影響小。由于是Bang-Bang控制，沒有電流閉環(huán)，容易產(chǎn)生過流。在低速時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)菆A形，電流近似于正弦波，但是進(jìn)入高速區(qū)后，電流波形已很不規(guī)則，諧波很大，電磁噪聲大。如何保證轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)的同時(shí)，又能平滑電流的波形，是一個(gè)迫切需要解決的課題。圖7-27三相PMSM傳統(tǒng)的DTC框圖PART

5整車電控系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)匹配一、整車電控系統(tǒng)1.駕駛?cè)笋{駛意圖解析主要是對駕駛?cè)瞬僮餍畔⒓翱刂泼钸M(jìn)行分析處理，將駕駛?cè)说牟认录铀偬ぐ逦恢眯盘柡椭苿?dòng)踏板位置信號，根據(jù)某種規(guī)則轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩命令。因而驅(qū)動(dòng)電機(jī)對駕駛?cè)瞬僮鞯捻憫?yīng)性能完全取決于整車控制系統(tǒng)對節(jié)氣門大小信號的解釋結(jié)果，直接影響駕駛?cè)说目刂菩Ч筒僮鞲杏X。2.整車驅(qū)動(dòng)控制根據(jù)駕駛?cè)藢囕v的操縱輸入(加速踏板、制動(dòng)踏板以及擋位開關(guān))、道路及環(huán)境狀況，經(jīng)分析和處理，向整車管理系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)車輛，以滿足駕駛?cè)藢囕v驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力性要求；同時(shí)根據(jù)車輛狀態(tài)，向整車管理系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)指令，保證安全性、舒適性。3.制動(dòng)能量回饋控制整車控制器根據(jù)加速踏板和制動(dòng)踏板的位置信息、車輛行駛狀態(tài)信息以及動(dòng)力蓄電池的狀態(tài)信息(如SOC)來判斷某一時(shí)刻能否進(jìn)行制動(dòng)能量回饋。在滿足安全性能、制動(dòng)性能以及駕駛?cè)耸孢m性的前提下，在滑行減速和制動(dòng)過程中對驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，回收制動(dòng)能量。圖7-28電控系統(tǒng)組成一、整車電控系統(tǒng)4.整車能量優(yōu)化管理通過對電動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、蓄電池管理系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及其他車載能源動(dòng)力系統(tǒng)(如空調(diào)、電動(dòng)泵等)的協(xié)調(diào)和管理，提高整車能量利用效率，延長續(xù)駛里程。在純電動(dòng)汽車中，蓄電池除了給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電以外，還要給其他電器供電。因此，為了獲得最大的續(xù)駛里程，整車控制器將對整車的能量進(jìn)行管理，提高能量的利用率。5.充電過程控制與蓄電池管理系統(tǒng)共同進(jìn)行充電過程中的充電功率控制，整車控制器接收到充電信號后，禁止高壓系統(tǒng)上電，保證車輛在充電狀態(tài)下處于行駛鎖止?fàn)顟B(tài)，并根據(jù)動(dòng)力蓄電池狀態(tài)信息限制充電功率，保護(hù)動(dòng)力蓄電池。6.電控系統(tǒng)的上下電控制電控系統(tǒng)控制整車的高壓上電順序一般為：點(diǎn)火鑰匙ON擋，BMS、MCU當(dāng)前狀態(tài)正常、且在之前一次上下電過程中整車無嚴(yán)重故障。(1)BMS、MCU初始化完成，VCU確認(rèn)狀態(tài)；(2)閉合蓄電池繼電器；(3)閉合主繼電器；(4)MCU高壓上電；(5)如擋位在N擋，儀表顯示Ready燈點(diǎn)亮。整車高壓下電順序一般為：純電動(dòng)汽車下電只需點(diǎn)火鑰匙打到OFF擋，即可實(shí)現(xiàn)高壓、低壓電的正常下電。(1)點(diǎn)火鑰匙到OFF擋，主繼電器斷開、MCU低壓下電；(2)輔助系統(tǒng)停止工作，包括DC/DC變換器、水泵、空調(diào)、暖風(fēng)；(3)BMS斷開蓄電池繼電器；(4)整車控制器下電(VCU)整車控制器在下電前會存儲行車過程中發(fā)生的故障信息。7.電動(dòng)化輔助系統(tǒng)管理電動(dòng)化輔助系統(tǒng)包括電動(dòng)空調(diào)、電制動(dòng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。整車控制器應(yīng)該根據(jù)動(dòng)力蓄電池以及低壓蓄電池狀態(tài)，對DC/DC變換器、電動(dòng)化輔助系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。8.車輛狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示整車控制器應(yīng)該對車輛的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并且將各個(gè)子系統(tǒng)的信息發(fā)送給車載信息顯示系統(tǒng)，其過程是通過傳感器和CAN總線，檢測車輛狀態(tài)及其動(dòng)力系統(tǒng)及相關(guān)電器附件相關(guān)各子系統(tǒng)的狀態(tài)信息，驅(qū)動(dòng)顯示儀表，將狀態(tài)信息和故障診斷信息通過數(shù)字儀表顯示出來。一、整車電控系統(tǒng)9.故障診斷與處理連續(xù)監(jiān)視整車電控系統(tǒng)，進(jìn)行故障診斷，并及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)安全保護(hù)處理。根據(jù)傳感器的輸入及其他通過CAN總線通信而得到的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力蓄電池、充電機(jī)等信息，對各種故障進(jìn)行判斷、等級分類、報(bào)警顯示，存儲故障碼，供維修時(shí)查看。故同時(shí)故障指示燈指出故障類型和部分故障碼。在車輛行駛時(shí)，根據(jù)故障內(nèi)容進(jìn)行故障診斷與處理。10.遠(yuǎn)程控制隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展及普及，車輛需要具有遠(yuǎn)程控制功能，具體有如下方面。(1)遠(yuǎn)程查詢功能，用戶可以通過手機(jī)App實(shí)時(shí)查詢車輛狀態(tài)，實(shí)時(shí)了解車輛的狀況，包括剩余SOC值、續(xù)駛里程等。(2)遠(yuǎn)程空調(diào)控制，無論是在炎熱的夏季還是在寒冷的冬季，用戶在出門前就可以通過手機(jī)指令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的空調(diào)制冷、空調(diào)暖風(fēng)和除霜功能。(3)遠(yuǎn)程充電控制，用戶離開車輛時(shí)將充電槍插入充電樁，并不進(jìn)行立即充電，可以在家里實(shí)時(shí)查詢SOC值，需要充電時(shí)通過手機(jī)App發(fā)送遠(yuǎn)程充電指令，進(jìn)行充電操作。11.整車CAN總線網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)絡(luò)化管理電動(dòng)汽車CAN總線系統(tǒng)由中央控制器、蓄電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)組成。各個(gè)控制器之間通過CAN總線進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)傳感器測量數(shù)據(jù)的共享、控制指令的發(fā)送和接收等，并使各自的控制性能都有所提高