CONTENTS目錄學習目標01項目描述02知識鏈接03項目實施04項目評價05項目小結(jié)0601學習目標學習目標知識目標1.掌握純電動汽車的定義、常見分類及特點。2.掌握純電動汽車的結(jié)構(gòu)組成及工作原理。3.熟悉純電動汽車的布置及參數(shù)。4.了解與純電動汽車相關(guān)的核心技術(shù)。5.了解純電動汽車的典型車型。能力目標1.能夠從多途徑信息源中查找車型的基本參數(shù)。2.能夠獨立指出純電動汽車各組成部分。3.能夠獨立描述純電動汽車動力傳遞路線。素質(zhì)目標1.結(jié)合純電動汽車的發(fā)展樹立能源安全的觀念,培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力。2.通過學習純電動汽車電池技術(shù),培養(yǎng)學生綠色、低碳的環(huán)保理念。3.通過了解純電動汽車典型車型及技術(shù)迭代發(fā)展過程,增強學生的民族自豪感和社會責任感。02項目描述項目描述2021年國務(wù)院最新發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》中指出,爭取到2035年,純電動汽車成為新銷售車輛的主流,公共領(lǐng)域用車全面電動化,有效促進節(jié)能減排水平和社會運行效率的提升。2023年,我國新能源汽車全年產(chǎn)銷邁入950萬輛規(guī)模,連續(xù)9年位居全球第一,其中純電動汽車銷售668.5萬輛,同比增長24.6%。由此可見,在政府引導和政策支持下,我國純電動汽車技術(shù)不斷突破創(chuàng)新,得到了越來越多消費者的青睞。假設(shè)你是一名新能源汽車高級結(jié)構(gòu)工程師,在純電動汽車的研發(fā)過程中,你的主管要求你了解目前典型純電動汽車的參數(shù)、結(jié)構(gòu)及動力傳遞路線,并向全體組員進行介紹。要求以小組為單位,首先進行組內(nèi)模擬,再進行小組匯報展示。要求介紹內(nèi)容準確、信息豐富、表達流暢,匯報時間控制在5min之內(nèi)。03知識鏈接知識鏈接單元一純電動汽車的概述純電動汽車是指以車載電源為動力,用電機驅(qū)動車輪行駛,符合道路交通和安全法規(guī)各項要求的車輛,如圖2-1所示。一般采用動力蓄電池為動力源。因此,純電動汽車的動力蓄電池取代了傳統(tǒng)汽車的燃油箱,電機則取代了原來的內(nèi)燃機。圖2-1純電動汽車一、純電動汽車的定義及發(fā)展知識鏈接從汽車的發(fā)展史來看,純電動汽車出現(xiàn)得比燃油車更早,是最古老的汽車之一,如圖2-2所示。1839年,蘇格蘭的羅伯特·安德森制造出了世界上第一輛靠電力驅(qū)動的車輛,是由一輛粗糙的馬車改造而成。1881年,法國工程師古斯塔夫·特魯夫發(fā)明了世界第一輛鉛酸蓄電池驅(qū)動的純電動汽車,被認為是世界上第一輛電動汽車。圖2-2早期的純電動汽車

1885—1915年是純電動汽車第一次黃金時期。電動汽車在美國風靡一時,約占道路上所有車輛的1/3。但是,由于內(nèi)燃機技術(shù)的大幅提升和石油的大規(guī)模開采,汽車市場迅速被燃油車占領(lǐng),純電動汽車則因電池質(zhì)量大、能量密度低、充電時間長、續(xù)駛里程和使用壽命短及制造成本高等原因逐漸淡出大眾視野。知識鏈接從20世紀80年代末起,節(jié)能與環(huán)保問題成為世界各國關(guān)注的主要社會問題,同時隨著科技的發(fā)展,特別是新型高能電池技術(shù)的發(fā)展,使純電動汽車的續(xù)駛里程大幅提高、充電時間大幅縮短,純電動汽車又進入了一個新的發(fā)展階段,并開始步入實用化階段,迎來了全球純電動汽車的又一次黃金時期。國內(nèi)電動汽車的研究始于20世紀60年代,但當時的研究開發(fā)都是零散和小規(guī)模的,投入也很少。自1980年開始,中國掀起電動汽車的研究高潮,電動汽車被國家列為“八五”“九五”科技攻關(guān)項目。國內(nèi)一些科研院所和生產(chǎn)企業(yè)相繼開始研究電動汽車,并取得了一些成果,如圖2-3所示。近幾年,中國電動汽車的研究開發(fā)工作進入了全面發(fā)展階段。截至2024年,我國政府出臺了多項政策以加快新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過不懈的努力,中國汽車研發(fā)呈現(xiàn)出較好的發(fā)展局面,各大汽車廠商也通過積極投入人力、物力研發(fā)電動汽車,取得了較好的成績,以比亞迪汽車、理想汽車等為首的新能源汽車企業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。圖2-3中國第一輛電動公交車“遠望號”知識鏈接純電動汽車發(fā)展至今，有多種分類方式，主要包括按用途不同分類和按驅(qū)動方式不同分類：1.按用途不同分類

按照用途不同分類，純電動汽車可分為純電動乘用車、純電動貨車、純電動客車。

1)純電動乘用車純電動乘用車是目前最常見的純電動汽車,與傳統(tǒng)乘用車的外形區(qū)別不大,主要區(qū)別在于動力源不同,純電動乘用車是完全由動力蓄電池提供動力源,以電機為驅(qū)動系統(tǒng)的乘用車輛?，F(xiàn)生產(chǎn)純電動乘用車的傳統(tǒng)車企包括比亞迪、北汽新能源、大眾等,新勢力車企包括特斯拉汽車、蔚來汽車、理想汽車等。2)純電動貨車純電動貨車各部件集成度較高,動力源主要來自貨車的電力系統(tǒng)。受制于電池、電機等技術(shù),純電動貨車的續(xù)駛里程較短,但因其運輸效率高、污染少、噪聲小等優(yōu)點,在短途運輸市場具有巨大潛力。純電動貨車的主要生產(chǎn)廠家包括一汽、比亞迪等企業(yè)。目前純電動貨車的續(xù)航大約為300km,因此其使用場景基本以短途城市內(nèi)物流配送為主,兼顧部分短途特殊工況條件下的專用車,如環(huán)衛(wèi)車、灑水車等。二、純電動汽車的類型知識鏈接

3)純電動客車客車是汽車新能源化的先驅(qū),目前純電動小客車較少見,但純電動大客車用作公共汽車,在一些城市的公交線路及世博會或世界性的運動會上,已經(jīng)有了良好的表現(xiàn)。目前,中國客車市場競爭格局已經(jīng)基本穩(wěn)定。依據(jù)近年來大中型客車行業(yè)銷量,宇通客車、金龍汽車、中通客車、福田汽車與比亞迪位居第一梯隊,剩下的100多家擁有客車生產(chǎn)資源的企業(yè)位居第二梯隊。而在新能源客車市場中,包括格力電器旗下的客車品牌珠海銀隆、吉利商用車旗下品牌遠程汽車等新勢力企業(yè)也表現(xiàn)亮眼。知識鏈接

2.按驅(qū)動方式不同分類按驅(qū)動方式的不同,純電動汽車可以分為集中驅(qū)動式和分布驅(qū)動式兩大類。1)集中驅(qū)動式集中驅(qū)動式的設(shè)計理念源自傳統(tǒng)車輛,這種驅(qū)動形式是內(nèi)燃機汽車最常用的驅(qū)動形式。其具有結(jié)構(gòu)簡單、電機控制維修簡單等優(yōu)點,具體可細分為傳統(tǒng)集中驅(qū)動式、無變速器集中驅(qū)動式和集成式集中驅(qū)動式三種驅(qū)動系統(tǒng)。(1)傳統(tǒng)集中驅(qū)動式。傳統(tǒng)集中驅(qū)動式將發(fā)動機換成電機,動力傳遞需要經(jīng)過離合器、變速器、傳動軸、差速器、半軸等傳動部件,最終作用于車輪。該形式主要應用于純電動貨車,多采用電機前置后輪驅(qū)動的布置形式,如圖2-4所示。但由于受到傳統(tǒng)燃油汽車設(shè)計理念的束縛,傳統(tǒng)集中驅(qū)動式設(shè)計方案傳動部件多、傳動效率低、控制復雜。圖2-4傳統(tǒng)集中驅(qū)動式M-電機；C-離合器；GB-離合器；D-差速器知識鏈接

(2)無變速器集中驅(qū)動式。隨著純電動汽車的發(fā)展,出現(xiàn)了無變速器集中驅(qū)動式,這種形式使用一個固定速比的減速器代替多速變速器,同時去掉離合器,實現(xiàn)了無變速器的傳動,如圖2-5所示。(3)集成式集中驅(qū)動式。集成式集中驅(qū)動式可將機械傳動部件集成,節(jié)省了機械傳動結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和體積,同時也減少了由于換擋帶來的控制困難,使整個驅(qū)動系統(tǒng)更為簡化和集成化,如圖2-6所示。圖2-5無變速器集中驅(qū)動式M-電機；FG-固定速比減速器；D-差速器圖2-6集成式集中驅(qū)動式M-電機；FG-固定速比減速器；D-差速器知識鏈接

2)分布驅(qū)動式相比集中驅(qū)動式,分布驅(qū)動式具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、傳動效率高等優(yōu)點,從而提升了純電動汽車的動力性及續(xù)駛里程等。分布驅(qū)動式電動汽車按照動力系統(tǒng)的組織構(gòu)型不同可分為兩種形式:電機與減速器組合驅(qū)動式,輪邊電機或輪轂電機驅(qū)動式。(1)電機與減速器組合驅(qū)動式。在電機與減速器組合驅(qū)動式中,電機與固定速比減速器連接,通過半軸實現(xiàn)對應側(cè)車輪的驅(qū)動。由于電機和減速器布置在車架上,因此只需在現(xiàn)有車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上稍加改動即可推廣應用。該驅(qū)動式如圖2-7所示,差速器被兩個獨立的牽引電機代替,實現(xiàn)了無差速器傳動。圖2-7電機與減速器組合驅(qū)動式M-電機；FG-固定速比減速器知識鏈接

(2)輪邊電機或輪轂電機驅(qū)動式。輪邊電機驅(qū)動式是將驅(qū)動電機安裝于副車架上,驅(qū)動輪從其對應側(cè)的輸出軸獲取驅(qū)動力,如圖2-8所示。該驅(qū)動式取消了牽引電機與車輪之間傳統(tǒng)的傳動軸,由電機直接驅(qū)動車輪前進,同時使用一個單排的行星齒輪來減小轉(zhuǎn)速和增強轉(zhuǎn)矩,以滿足不同工況的要求。輪轂電機驅(qū)動式是將電機和減速機構(gòu)直接布置在輪輞中,取消了半軸、萬向節(jié)、差速器、變速器等傳動部件,如圖2-9所示。輪轂電機驅(qū)動式完全舍棄了電機和驅(qū)動輪之間的機械傳動裝置,輪轂電機的外轉(zhuǎn)子直接連接在驅(qū)動輪上,電機轉(zhuǎn)速控制與車輪控制融為一體,構(gòu)成了所謂的雙輪轂電機,使車速控制變得簡單。圖2-8輪邊電機驅(qū)動式M-電機；FG-固定速比減速器圖2-9輪轂電機驅(qū)動式知識鏈接

1.優(yōu)點

1）無污染、噪聲小

2）結(jié)構(gòu)簡單，維修方便

3）能量轉(zhuǎn)化效率高

4）用車經(jīng)濟

5）智能網(wǎng)聯(lián)配置高

2.缺點

1）續(xù)航里程短

2）充電時間長

3）充電難

4）電池成本高且安全性有待提高

5）保值率低三、純電動汽車的特點知識鏈接單元二純電動汽車的結(jié)構(gòu)與驅(qū)動原理傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車主要由發(fā)動機、底盤、車身、電氣設(shè)備四大部分組成,主要由發(fā)動機提供動力。純電動汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比,用電力驅(qū)動控制系統(tǒng)取代了發(fā)動機,用電子輸入裝置取代了節(jié)氣門,用動力蓄電池取代了油箱。由于驅(qū)動方式不同,部分部件已經(jīng)簡化或取消,因此純電動汽車由新的四大部分組成,分別為:電力驅(qū)動控制系統(tǒng)、底盤、車身和輔助系統(tǒng),如圖2-10所示。圖2-10純電動汽車一、純電動汽車的結(jié)構(gòu)知識鏈接底盤、車身和輔助系統(tǒng)與內(nèi)燃機汽車基本一致,而電力驅(qū)動控制系統(tǒng)是純電動汽車的核心。它將電機、動力蓄電池和其他輔助系統(tǒng)互相連接并且加以控制。電力驅(qū)動控制系統(tǒng)可劃分為車載電源模塊、電力驅(qū)動主模塊和輔助模塊三大部分,如圖2-11所示。圖2-11電力驅(qū)動控制系統(tǒng)知識鏈接1.車載電源模塊車載電源模塊主要由蓄電池電源、能源管理系統(tǒng)和充電控制器三部分組成,它的作用是向電機提供驅(qū)動電能、監(jiān)測電源使用情況及控制充電機向動力蓄電池充電。1)蓄電池電源動力蓄電池是純電動汽車的唯一能源,通常分為低壓電源和高壓電源。當前,低壓電源主要是鉛酸蓄電池,為低壓用電設(shè)備供電,如燈光照明、信號系統(tǒng)、音響等。高壓電源有鈉硫電池、鎳氫電池、鋰電池、燃料電池等新型電源,主要為電力驅(qū)動主模塊、空調(diào)驅(qū)動系統(tǒng)等提供電能。2)能源管理系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)主要是指電池管理系統(tǒng)(BatteryManagementSystem,BMS),一般集成在動力蓄電池內(nèi)部,其作用是在汽車行駛過程中進行能源分配,協(xié)調(diào)各功能模塊的能量管理,使有限資源得到最大利用。BMS具有集成化程度高和功能穩(wěn)定的特點。BMS電池組控制器還起著連接電池本體和整車控制器的橋梁作用。3)充電控制器充電控制器又稱車載充電機,其最主要的功能就是把220V的家用交流電轉(zhuǎn)化為直流高壓電,再通過高壓控制盒到達電池,并按要求控制其充電電流。知識鏈接

2.電力驅(qū)動主模塊電力驅(qū)動主模塊是純電動汽車的心臟,主要由中央控制單元、驅(qū)動控制器、驅(qū)動電機、機械傳動裝置等組成,它的作用是將存儲在蓄電池電源中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輪的動能,并在車輛進行減速制動時,將車輪的動能轉(zhuǎn)化為電能充入動力蓄電池中。1)中央控制單元中央控制單元可以理解為車輛的電腦。中央控制單元不僅是電力驅(qū)動主模塊的控制中心,還負責整輛電動汽車的控制協(xié)調(diào)。它根據(jù)加速踏板與制動踏板的輸入信號,向驅(qū)動控制器發(fā)出相應的控制指令,對電機進行啟動、加速、降速、制動控制。在純電動汽車降速和下坡滑行時,中央控制單元配合車載電源模塊的能源管理系統(tǒng)進行發(fā)電回饋,即向動力蓄電池反向充電。2)驅(qū)動控制器驅(qū)動控制器又稱電機控制器,其功能是按中央控制單元的指令、電機的速度和電流反饋信號,對電機的速度、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向進行控制。驅(qū)動控制器與電機必須配合使用。目前,大部分車型的驅(qū)動控制器已與其他控制單元集成一體。知識鏈接3)驅(qū)動電機驅(qū)動電機在純電動汽車中承擔著電動和發(fā)電的雙重功能,即在正常行駛時發(fā)揮其主要的電動機功能,將電能轉(zhuǎn)化為機械能;而在降速和下坡滑行時進行發(fā)電,將車輪的動能轉(zhuǎn)換為電能。電機與驅(qū)動控制器所組成的驅(qū)動系統(tǒng)是純電動汽車中最為關(guān)鍵的部件,純電動汽車的運行性能主要取決于驅(qū)動系統(tǒng)的類型和性能,它直接影響著車輛的各項性能指標。4)機械傳動裝置純電動汽車機械傳動裝置的作用是將電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳輸給車輛的驅(qū)動軸,從而帶動車輛行駛。由于電機本身具有較好的調(diào)速特性,其變速機構(gòu)可被大幅簡化,因此,通常為放大電機的輸出轉(zhuǎn)矩僅采用一種固定的減速裝置。又因為電機可帶負載直接啟動,所以省去了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的離合器。同時,由于電機可以輕松實現(xiàn)正反向旋轉(zhuǎn),因此也不需要通過變速器中的倒擋齒輪組來實現(xiàn)倒車。知識鏈接3.輔助模塊輔助模塊包括輔助動力源、動力轉(zhuǎn)向單元和駕駛室顯示操縱臺等。各個裝置的功能與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車上的基本相同,但其結(jié)構(gòu)原理與純電動汽車的特點有所不同。1)輔助動力源輔助動力源主要由輔助電源和DC-DC轉(zhuǎn)換器組成,其功用是為純電動汽車其他各種輔助裝置提供所需的動力電源,一般為12V或24V的直流低壓電源。這些輔助裝置主要包括動力轉(zhuǎn)向、制動力調(diào)節(jié)控制、照明、空調(diào)、電動門窗等。DC-DC轉(zhuǎn)換器的功能是將動力蓄電池的高壓直流電轉(zhuǎn)化成低壓直流電,為車輛低壓用設(shè)備供電并為12V蓄電池提供電力。2)動力轉(zhuǎn)向單元轉(zhuǎn)向裝置是為實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)彎而設(shè)置的,它由方向盤、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和轉(zhuǎn)向輪等組成。作用在方向盤上的控制力,通過轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一定的角度,實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。為提高駕駛員的操控性,現(xiàn)代汽車都采用了動力轉(zhuǎn)向,較理想的是采用電子控制動力轉(zhuǎn)向(ElectricalPowerSteering,EPS)系統(tǒng)。3)駕駛室顯示操縱臺駕駛室顯示操縱臺類似傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車駕駛室的儀表盤,但其功能根據(jù)純電動汽車驅(qū)動的控制特點有所增減。其信息指示通常選用數(shù)字或液晶屏幕顯示。它與前述電力驅(qū)動主模塊中的中央控制單元結(jié)合,用計算機進行控制。知識鏈接純電動汽車的驅(qū)動原理如圖2-12所示。如圖2-12中虛線框所示,當駕駛員把擋位換到D擋并踩加速踏板時,擋位信息和加速踏板的行程轉(zhuǎn)化為電信號傳遞給中央控制單元,中央控制單元將駕駛員的操作意圖以電信號的形式傳遞給驅(qū)動控制器,驅(qū)動控制器通過DC-AC轉(zhuǎn)換器。將動力蓄電池提供的高壓直流電DC轉(zhuǎn)化為三相交流電AC,驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩,并通過機械傳動裝置驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。圖2-12電力驅(qū)動控制系統(tǒng)二、純電動汽車的驅(qū)動原理知識鏈接隨著加速踏板被踩的深度不斷加大,電機的轉(zhuǎn)矩隨著電流的增加而增加。因此,起步時電機提供最大的轉(zhuǎn)矩。當駕駛員松開加速踏板,變速系統(tǒng)根據(jù)加速踏板的位置和傳感器的信息調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速,最終使純電動汽車的速度下降。同時,電機控制器會通過電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、電機旋轉(zhuǎn)變壓器等檢測當前電機的電流、電壓、轉(zhuǎn)速、溫度等信息,再把信息通過車載網(wǎng)絡(luò)傳遞給中央控制單元和車內(nèi)儀表。當駕駛員掛倒擋時,駕駛員的請求信號會發(fā)送給中央控制單元,再通過車載網(wǎng)絡(luò)傳遞給驅(qū)動控制器,驅(qū)動控制器結(jié)合當前轉(zhuǎn)子位置信息,改變輸出的三相交流電,從而控制電機反轉(zhuǎn),實現(xiàn)倒車。當駕駛員松開加速踏板時,電機由于慣性仍在旋轉(zhuǎn)。隨著電機轉(zhuǎn)速下降,電機反過來被車輛拖動,此時驅(qū)動電機變?yōu)榘l(fā)電機,將汽車的部分動能回饋給動力蓄電池并對其充電,延長純電動汽車的續(xù)駛里程。知識鏈接純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計應該滿足車輛對動力性能和續(xù)駛里程的要求。車輛行駛的動力性能可以用以下4個指標來評價。1.起步加速性能車輛在設(shè)定時間內(nèi)由靜止加速到額定車速,或行駛預定距離的能力。2.以額定車速穩(wěn)定行駛的能力對純電動汽車來說,動力蓄電池和電機應該能夠提供足夠功率,使車輛以額定車速穩(wěn)定行駛,并且根據(jù)我國的道路狀況,至少應能克服坡度為3%的路面阻力。3.以最高車速穩(wěn)定行駛的能力在純電動汽車上,電機發(fā)出的功率應該能夠維持車輛以最高車速行駛。4.爬坡能力純電動汽車能以一定的速度行駛在一定坡度的路面上。另外,純電動汽車的動力蓄電池所輸出的電能和電量應該能夠維持純電動汽車在一定工況下行駛額定里程。三、純電動汽車的參數(shù)知識鏈接單元三純電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)相對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車,純電動汽車的核心技術(shù)主要包括三電,即電池、電機和電控,如圖2-13所示。這些技術(shù)對整車的動力性、經(jīng)濟性、可靠性和安全性等有著重要影響。圖2-13純電動汽車三電知識鏈接國家標準《電動汽車術(shù)語》(GB/T19596—2017)中對動力蓄電池的定義是:為電動汽車動力系統(tǒng)提供能量的蓄電池。動力蓄電池是純電動汽車的三大核心技術(shù)之一,作為純電動汽車的能量儲存裝置,其性能的優(yōu)劣直接影響純電動汽車的市場應用和普通消費者的接受度,包括安全性、比能量、能量密度、比功率、壽命及成本等方面。在三電系統(tǒng)中,動力蓄電池的研發(fā)與應用進程較慢是制約純電動汽車快速發(fā)展的瓶頸。國內(nèi)外大批電化學專家在動力蓄電池材料、內(nèi)在質(zhì)量、電化學特性,尤其是安全性方面的研發(fā)投入了大量的精力和財力。根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》,2021—2035年我國將實施電池技術(shù)突破行動,推動動力蓄電池全價值鏈發(fā)展,建設(shè)動力蓄電池高效循環(huán)利用體系。目前,純電動汽車主要采用鋰離子蓄電池。一、動力蓄電池知識鏈接1.動力蓄電池的性能指標1)電壓電壓包括端電壓、開路電壓、額定電壓、充電電壓和放電終止電壓。(1)端電壓。端電壓即電池正極和負極之間的電位差。(2)開路電壓。開路電壓即電池外部不接任何負載或電源時,正負極之間的電位差。(3)額定電壓。額定電壓即電池在標準規(guī)定條件下工作時應達到的電壓,又稱公稱電壓。例如,鋰離子蓄電池的額定電壓為3.6V。(4)充電電壓。充電電壓即外電路直流電壓對電池充電的電壓,一般充電電壓要大于電池的開路電壓,通常在一定的范圍內(nèi)。例如,鋰離子蓄電池的充電電壓為4.1~4.2V。(5)放電終止電壓。放電終止電壓即放電終止時的電壓值,視負載和使用要求不同而異。例如,鋰離子蓄電池的放電終止電壓為4.25V。知識鏈接2)容量電池充足電以后,在一定的放電條件下所能釋放出的電量稱為電池的容量,常用單位為A·h或mA·h,它等于放電電流與放電時間的乘積。例如,車內(nèi)蓄電池標注16A·h,表示其工作電流為1A時,理論上可以使用16h。電池的容量可以分為理論容量、實際容量、標稱容量和額定容量。(1)理論容量。理論容量即將活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律進行計算,從而得到的理論最高電量值。為了比較不同系列的電池,常用比容量來評估,即單位體積或單位質(zhì)量電池所能提供的理論電量,相應地稱為體積比容量或質(zhì)量比容量,單位為(A·h)/L或(A·h)/kg。(2)實際容量。實際容量即動力蓄電池在一定條件下所能輸出的電量,單位為A·h。其值小于理論容量。(3)標稱容量。標稱容量是用來鑒別動力蓄電池的近似安時值。(4)額定容量。額定容量是按照國家或有關(guān)部門頒布的標準,確保電池在一定的放電條件下所能釋放出的最低限度的容量。知識鏈接3)能量能量是指在一定放電條件下,電池所能輸出的電能,單位是W·h或kW·h,它直接影響純電動汽車的行駛距離。能量分為理論能量、實際能量、能量密度和比能量。(1)理論能量。理論能量即動力蓄電池的理論容量與額定電壓的乘積,是指一定標準所規(guī)定的放電條件下,動力蓄電池所輸出的能量。(2)實際能量。實際能量即動力蓄電池實際容量與平均工作電壓的乘積,表示在一般條件下動力蓄電池所能輸出的能量。(3)能量密度和比能量。能量密度指單位體積或單位質(zhì)量電池釋放的能量。如果是單位體積,即體積能量密度[(W·h)/L],簡稱能量密度;如果是單位質(zhì)量,就是質(zhì)量能量密度[(W·h)/kg],又稱比能量。能量密度是用來評價純電動汽車的動力蓄電池是否滿足設(shè)計續(xù)駛里程的重要指標。比能量影響純電動汽車的整車質(zhì)量和續(xù)駛里程,同時也影響到電池的體積及布置空間。知識鏈接4)功率密度將能量除以時間,便得到功率,單位為W或kW。同理,功率密度是指單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率(又稱比功率),單位為W/kg或W/L。比功率是評價動力蓄電池是否滿足純電動汽車加速性能和最高車速的重要指標。5)電池放電C率電池放電C率是指在規(guī)定時間內(nèi)釋放出其額定容量時所需要的電流值,它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù),是決定電池充放電快慢的主要參數(shù)。對于容量為24A·h電池來說,用48A放電,其放電倍率為2C,反之,使用2C放電,其放電電流為48A,0.5h放電完畢;用12A充電,其充電倍率為0.5C,反之,使用0.5C充電,其充電電流為12A,2h充電完畢。6)荷電狀態(tài)(%)荷電狀態(tài)(StateOfCharge,SOC),也稱剩余電量,代表電池在一定放電C率下,剩余容量與相同條件下額定容量的比值,它反映了電池容量的變化。SOC取值范圍為0~1,當SOC=0時,表示電池完全放電;當SOC=1時,表示電池完全充滿。BMS主要通過管理SOC來估算電池狀態(tài)保證電池高效工作,因此SOC是電池管理的核心。知識鏈接7)電池內(nèi)阻電池內(nèi)阻是電流流過電池內(nèi)部時所受到的阻力。在計算電池內(nèi)阻時,通常使用電池電壓除以短路電流。充電電池的內(nèi)阻很小,不可能使用儀表直接短路電池來進行短路電流的測量,而是需要使用專用儀器才可以測量得到比較準確的結(jié)果。8)壽命電池的壽命通常用循環(huán)壽命表示。動力蓄電池經(jīng)歷一次充電和放電過程稱為一個循環(huán)或一個周期,循環(huán)壽命指的是電池可以循環(huán)充放電的次數(shù),即在理想的溫濕度條件下,以額定的充放電電流進行充放電,電池容量衰減到80%時所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。電池在衰減到80%的容量后,一般都會進行回收。知識鏈接2.動力蓄電池的種類及組成動力蓄電池從廣義上主要可分為化學電池、物理電池和生物電池三大類,其中化學電池和物理電池已經(jīng)應用于量產(chǎn)電動汽車中,而生物電池則被視為未來電動汽車動力蓄電池的重要發(fā)展方向之一。目前,低速電動汽車采用鉛酸蓄電池較多,純電動汽車上主要使用鉛酸蓄電池,此外還出現(xiàn)了鈉離子電池、燃料電池、超級電容器、飛輪電池等新的電池類型。知識鏈接1)鉛酸蓄電池(1)概述。正極板活性物質(zhì)使用二氧化鉛,負極板活性物質(zhì)使用鉛,并以硫酸溶液作為電解質(zhì)的蓄電池稱為鉛酸蓄電池,其廣泛應用于燃油汽車的起動系統(tǒng)。鉛酸蓄電池于1859年由法國科學家普蘭特(GastonPlante)發(fā)明,是商業(yè)化應用的第一種可充電電池。鉛酸蓄電池由正極板、負極板、隔板、電池蓋、電解液、加液孔蓋和電池外殼等組成,如圖2-14所示。正負極板浸入稀硫酸電解液中成為單體電池。每個單體電池的標稱電壓為2V,因此,6格單體電池串聯(lián)起來成為12V蓄電池。純電動汽車使用的鉛酸動力蓄電池型號為××V-××A·h。例如,12V-120A·h,前面部分表示鉛酸蓄電池的標稱直流電壓,后面部分表示鉛酸蓄電池的標稱容量。圖2-14鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)知識鏈接(2)特點。①優(yōu)點。電壓高,單體電壓為2.0V,在常用蓄電池中,僅次于鋰離子蓄電池。價格低廉?？芍瞥尚≈?A·h、大至幾千安時的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池。高倍率放電性能良好,可用于發(fā)動機起動。高低溫性能良好,可在-40~60℃條件下工作。電能效率高,可達60%。易于浮充使用,沒有記憶效應。易于識別荷電狀態(tài)。②缺點。比能量低,在電動汽車中所占的質(zhì)量和體積較大,一次充電行駛里程短。使用壽命短,使用成本高。充電時間長。存在鉛污染。知識鏈接(3)應用。早期生產(chǎn)的電動汽車大多采用鉛酸蓄電池,如五十鈴EifResort、大發(fā)HijetVan、鈴本奧拓、富士SamberEV等。我國株洲時代集團公司研發(fā)的TEG6120EV-2型電動大客車采用鉛酸蓄電池為動力電源,工作電壓為384V。鉛酸蓄電池由于其比能量和比功率較低,充放電循環(huán)壽命短,已不再作為電動汽車主流動力蓄電池使用,只有在低速電動車輛上仍存在應用。知識鏈接2)鎳氫蓄電池(1)概述。以鎳化合物(通常為氫氧化鎳)為正極板活性材料,以儲氫合金為負極板材料(活性物質(zhì)為氫),使用水溶性氫氧化鉀和氫氧化鋰的混合物作為電解質(zhì)的電池稱為鎳氫蓄電池。鎳氫蓄電池屬于堿性電池的一種,多用于混合動力汽車,如豐田普銳斯采用的鎳氫蓄電池,如圖2-15所示。圖2-15豐田普銳斯采用的鎳氫蓄電池知識鏈接鎳氫蓄電池的正極是由球狀氫氧化鎳粉末與添加劑(鈷等金屬)、樹脂和黏合劑等混合成的涂膏制成,該涂膏通過自動涂膏機涂在正極板上,然后經(jīng)過干燥處理,形成發(fā)泡的氫氧化鎳正極板。鎳氫蓄電池負極的關(guān)鍵技術(shù)是儲氫合金。儲氫合金是一種允許氫原子進入或分離的多金屬合金的晶格基塊,是使用鈦、釩、鋯、鎳、鉻5種基本元素,并與鈷、錳等金屬元素燒結(jié)形成的合金。合金經(jīng)過加氫、粉碎、成型燒結(jié)工藝,形成負極板。(2)特點。與鉛酸蓄電池相比,鎳氫蓄電池具有以下特點。①比功率高。鎳氫蓄電池比功率可達到200W/kg,是鉛酸電池的2倍,能夠提高車輛的起動性能和加速性能。目前商業(yè)化的鎳氫功率型蓄電池,其比功率已經(jīng)達到1350W/kg。②比能量高。鎳氫蓄電池的標稱電壓為1.2V,比能量可達到70~80(W·h)/kg,有助于延長電動汽車的行駛里程。知識鏈接③壽命長。在80%的放電深度下,鎳氫蓄電池循環(huán)壽命可達到1000次(或10年)以上,是鉛酸蓄電池的3倍。在100%放電深度下其循環(huán)壽命也在500次以上,在混合動力汽車中可使用5年以上。④無重金屬污染。鎳氫蓄電池中沒有鉛和鎘等重金屬元素,不會對環(huán)境造成污染。⑤耐過充過放。鎳氫蓄電池有高倍率的放電特性,短時間內(nèi)可以實現(xiàn)3C放電,瞬時脈沖放電率很大。鎳氫蓄電池的過充電和過放電性能好。⑥可以快速充電。鎳氫蓄電池在15min內(nèi)可充60%的容量,在1h內(nèi)可以完全充滿,其應急補充充電的時間短。⑦無記憶效應。因為鎳氫蓄電池無記憶效應,故可以隨充隨放。⑧使用溫度范圍寬。鎳氫蓄電池正常使用的溫度范圍為-30~55℃;存儲溫度范圍為-40~70℃。知識鏈接⑨安全性好。鎳氫蓄電池在短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力、跌落、加熱、耐振動等安全可靠性試驗中表現(xiàn)良好,無爆炸、燃燒現(xiàn)象。此外,其采用全封閉外殼,可以在真空環(huán)境中正常工作。鎳氫蓄電池的主要缺點是充電時發(fā)熱量大,需采用有效的散熱系統(tǒng)。(3)應用。松下電池公司用模擬混合動力汽車行駛工況對鎳氫蓄電池進行仿真試驗,證實鎳氫蓄電池的特性幾乎不發(fā)生變化。鎳氫蓄電池用于混合動力汽車是比較合適的,但也有將其應用于純電動汽車上的,如本田的EVPlus、豐田的RAV4EV等。目前鎳氫蓄電池正逐漸被鋰離子蓄電池取代。知識鏈接3)鋰離子蓄電池(1)概述。利用鋰離子作為導電離子,使其在陽極和陰極之間移動,通過化學能和電能相互轉(zhuǎn)化實現(xiàn)充放電的電池稱為鋰離子蓄電池。鋰離子蓄電池主要由正極、負極、隔膜和電解液等組成,如圖2-16所示。鋰離子蓄電池一般使用鋰合金金屬氧化物為正極材料,石墨為負極材料,使用非水電解質(zhì)。正負極及電解質(zhì)材料上的不同和工藝上的差異,使鋰離子蓄電池具有不同的性能,尤其是正極材料對鋰離子蓄電池的性能影響最大。圖2-16鋰離子蓄電池的組成知識鏈接根據(jù)鋰離子蓄電池所用電解質(zhì)材料的不同,鋰離子蓄電池可分為液態(tài)鋰電池和聚合物鋰電池兩大類。上述兩種鋰離子蓄電池的正負極材料相同,基本原理也相似。根據(jù)鋰離子蓄電池外觀形態(tài)的不同,鋰離子蓄電池可以分為方形電池和圓柱電池。根據(jù)鋰離子蓄電池所用正極材料的不同,鋰離子蓄電池可以分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、鎳酸鋰電池、各種三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池。目前,純電動汽車使用的動力蓄電池主要是采用磷酸鐵鋰(LiFePO4)為正極材料的磷酸鐵鋰電池和主要采用鎳鈷錳酸鋰(LiNiCoMnO2或稱NCM)為正極材料的三元鋰電池,如圖2-17和圖2-18所示。圖2-17磷酸鐵鋰動力電池圖2-18三元鋰電池知識鏈接三元鋰電池雖然能量密度較高,動力特性好,但安全性較差,代表車型包括比亞迪唐EV600、吉利帝豪車型、江淮iEV、特斯拉Model3的高性能全輪驅(qū)動版等。磷酸鐵鋰電池性能穩(wěn)定,安全性較好,不受制于稀有金屬,成本低,但其能量密度較低,對低溫的耐受度相對較差,代表車型包括比亞迪宋PLUSEV、比亞迪秦EV,特斯拉Model3和特斯拉ModelY的標準續(xù)航版等。以磷酸鐵鋰電池為例,如圖2-19所示,電池的正極材料為磷酸鐵鋰,由鋁箔與電池正極連接。中間的聚合物隔膜將正負極隔開,允許鋰離子(Li+)通過但阻止電子(e-)通過。負極材料為石墨,由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì),電池由金屬外殼密閉封裝。磷酸鐵鋰電池在充電時,正極中的鋰離子通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中,負極中的鋰離子通過隔膜向正極遷移。鋰電池就是因鋰離子在充/放電過程中來回遷移而得名的。圖2-19磷酸鐵鋰電池的工作原理知識鏈接①優(yōu)點。a.工作電壓高。鋰離子蓄電池的工作電壓為3.6V,是鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池的3倍,是鉛酸蓄電池的近2倍。b.比能量高。鋰離子蓄電池的比能量高達150(W·h)/kg,是鎳氫蓄電池的2倍,是鉛酸蓄電池的4倍,因此其質(zhì)量是相同能量的鉛酸蓄電池的1/4~1/3;其體積小,能量密度高達400(W·h)/L,體積是鉛酸蓄電池的1/3~1/2。c.循環(huán)壽命長。鋰離子蓄電池的循環(huán)次數(shù)可達1000次(10年以上或20萬km)。以容量保持60%計,電池組100%充/放電循環(huán)次數(shù)可達600次以上,使用年限可達3~5年,壽命為鉛酸蓄電池的2~3倍。d.自放電率低。鋰離子蓄電池的每月自放電率僅為6%~8%,遠低于其他類型的動力蓄電池。e.無記憶效應。鋰離子蓄電池可以隨時隨地進行充電。知識鏈接f.無污染。鋰離子蓄電池中不存在有毒物質(zhì),因此稱為“綠色電池”。g.質(zhì)量小。鋰離子蓄電池提供了更合理的結(jié)構(gòu)和更美觀外形的設(shè)計條件、設(shè)計空間和可能性。②缺點。a.成本高。鋰離子蓄電池正極材料的價格高,但按單位瓦時的價格計算,只高于鉛酸蓄電池。b.需要保護電路。鋰離子蓄電池必須有特殊的保護電路防止過充。(3)應用。目前,由于鋰離子蓄電池具有極高的性能優(yōu)勢,因此已成為國內(nèi)外大部分純電動汽車采用的主要動力源,如比亞迪宋PLUS、特斯拉ModelS、蔚來ET5等。知識鏈接4)鈉離子電池(1)概述。鈉離子電池主要依靠鈉離子(Na+)在正極和負極之間的移動進行充放電工作,與鋰離子蓄電池工作原理相似。相比新能源汽車上普遍使用的鋰離子蓄電池,鈉離子電池具有資源豐富、材料成本較低、使用壽命較長、安全性較好等諸多優(yōu)勢。寧德時代第一代鈉離子電池如圖2-20所示。在國家發(fā)展改革委、國家能源局2022年印發(fā)的《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》中,已將鈉離子電池技術(shù)列入新型儲能核心技術(shù)裝備攻關(guān)重點方向之一。圖2-20寧德時代第一代鈉離子電池知識鏈接鈉離子電池的主要構(gòu)成為正極、負極、隔膜、電解液和集流體,其中正極和負極材料的結(jié)構(gòu)和性能決定著整個電池的儲鈉性能。鈉離子電池正負極之間通過隔膜隔開防止短路,電解液作為離子流通的介質(zhì)浸潤正負極,集流體起到收集和傳輸電子的作用。充電時,鈉離子從正極脫出經(jīng)過電解液嵌入負極,同時電子的補償電荷經(jīng)過電路供給到負極,保證正負極電荷平衡。放電時則相反,鈉離子從負極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極,其工作原理如圖2-21所示。圖2-21鈉離子電池的工作原理知識鏈接(2)特點。①優(yōu)點。a.儲量豐富,成本低。鈉元素是地殼含量中第六高的元素,地殼豐度高達2.3%,是鋰元素的數(shù)千倍,且全球各地分布均勻,價格低廉。此外集流體可使用廉價的鋁箔,可進一步降低電池體系成本。b.性能優(yōu)異。相比于鋰離子蓄電池,鈉離子電池充電速度更快,在高低溫條件下都能實現(xiàn)穩(wěn)定充放電。c.安全,環(huán)保。鈉電池化學性質(zhì)比鋰電池穩(wěn)定很多,安全性更高,不易自燃。在快充過程中,鈉離子電池風險更小,可以適應更高充電功率。同時,鈉離子電池中正負極都采用鋁箔,電池的結(jié)構(gòu)和組分更簡單,也更易于回收再利用。②缺點。a.能量密度低。相較于鋰離子,鈉離子質(zhì)量和半徑更大,離子擴散速率較低,所以鈉離子電池的能量密度略低于鋰離子蓄電池。知識鏈接b.材料成本難以控制。目前,鈉離子電池電芯材料成本較理論更高,同磷酸鐵鋰電池成本相當。此外,鈉離子電池原材料和正負極配套設(shè)施尚未進入規(guī)?；?材料成本難以控制,因此尚未開始量產(chǎn)。(3)應用。鈉離子電池幾乎與鋰離子蓄電池同時問世于20世紀70年代,但由于難以找到合適的負極材料且研究條件有限,相關(guān)研究近乎停滯。直到2010年后,新的材料體系不斷涌現(xiàn),鈉離子電池研究才進入快車道。中國的海鈉、寧德時代和弗迪電池、英國的Faradion、法國的Tiamat、瑞典的Northvolt、美國的NatronEnergy等公司即將實現(xiàn)鈉離子電池的商業(yè)化生產(chǎn)。2024年,江淮釔為旗下純電車型“花仙子鈉電版”正式向用戶批量交付,是全球首款搭載了鈉離子電池的電動汽車。該車型搭載了32140鈉離子圓柱電芯,該電芯單體容量為12A·h,能量密度≥140(W·h)/kg。該車中國輕型車測試工況(ChinaLight-dutyVehicleTestCycle,CLTC)續(xù)駛里程達230km,百公里電耗水平接近10度。工信部官網(wǎng)最新公布的第372批《道路機動車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》中,奇瑞牌NEQ7000BEVJH11L(采用的鈉離子電池來自寧德時代)和江鈴牌羿馳JX7001ESMBEV(采用的鈉離子電池來自孚能科技)均搭載了鈉離子電池。知識鏈接5)超級電容器(1)概述。超級電容器(又稱超級電容、超電容器)是一種介于電解電容器和可充電電池之間的大容量電容器,如圖2-22所示。超級電容器發(fā)展于20世紀60年代,既擁有與傳統(tǒng)電容器一樣較高的放電功率,又擁有與電池一樣較大的儲存電荷的能力,是一種物理二次電源。由于其儲能過程并不發(fā)生化學反應,因此這種儲能過程是可逆的,故超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。圖2-22超級電容器知識鏈接超級電容器按儲能原理可分為雙電層電容器和法拉第電容器。①雙電層電容器。雙電層電容器的基本工作原理是利用隔膜將浸潤了電解液的兩電極分隔開。在充電時,正負電荷分別在兩電極表面積累,兩電極分別帶正、負電,從而形成電容效應;放電時,電極表面積累的電荷又回到電解液中,在外電路產(chǎn)生放電電流,如圖2-23所示。目前超級電容器研究和應用中使用較多的為碳材料,包括活性炭、石墨烯、碳納米管、模板碳等。圖2-23雙電層電容器知識鏈接②法拉第準電容。法拉第準電容,又稱贗電容器,其主要以金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔镒鳛殡姌O。其基本工作原理為:充電時,在電極和電解液表面發(fā)生快速的氧化還原反應或法拉第過程,因電極材料的氧化還原電位發(fā)生改變,兩電極之間產(chǎn)生電勢差,形成贗電容效應;放電時,電極又與電解液發(fā)生與充電過程相反的逆反應,兩電極間電勢差降低,實現(xiàn)放電,如圖2-24所示。圖2-24法拉第準電容注:E0-Ea為充電狀態(tài)正極電位,E0-Eb為充電狀態(tài)負極電位。知識鏈接(2)特點。①優(yōu)點。a.功率密度高。超級電容器可在短時間之內(nèi)(幾秒到幾分鐘)充滿或釋放電能,高功率密度通常能達到10kW/kg以上,該特點主要由其儲能原理決定。b.壽命長?；谖锢砦降某夒娙萜鞯难h(huán)壽命一般為100萬次以上,基于贗電容效應的超級電容器的循環(huán)壽命也能達到幾萬次以上。而一般的電池壽命僅有2000~4000次循環(huán)壽命。c.能量回收效率高。因為超級電容器對大、小電流是“來者不拒”,更能耐受大電流充電,所以對于制動能量回收非常有利。②缺點。超級電容器最大的缺點就是能量密度低,由于其能量密度遠低于鋰離子蓄電池,因此體積和質(zhì)量遠大于鋰離子蓄電池,這也導致了其單次充電的行駛里程有限,制約了它在驅(qū)動汽車上的應用。知識鏈接(3)應用。甚于功率密度高、能量密度低的特點,超級電容器更多應用于列車或大型客車上,它可以將制動能量儲存起來,在加速時提供峰值功率的輸出。例如,2010年在上海世博園運行的超級電容器客車,如圖2-25所示,其在運營中無須連接電纜,只需在候客時間充電30s~1min,即可行駛5km左右。圖2-25上海世博園專用超級電容車但由于單次充電行駛里程有限,目前超級電容器在新能源汽車上的應用,主要是與鋰離子蓄電池搭配使用。在電動汽車蓄電池組中加入一組超級電容器,可提升電池儲存電量,降低電量消耗速度。知識鏈接6)飛輪電池(1)概述。飛輪電池是20世紀90年代提出的一種新概念電池,它突破了化學電池的局限,屬于物理電池的一種。當飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時,它就具有一定的動能,飛輪電池正是將其動能轉(zhuǎn)換成電能,如圖2-26所示。高技術(shù)型的飛輪用于儲存電能類似于標準電池。飛輪儲能電池系統(tǒng)包括三個核心部分:一個飛輪,電動機-發(fā)電機和電力電子變換裝置,如圖2-27所示。圖2-26飛輪電池圖2-27飛輪儲能電池的組成知識鏈接由于輸入、輸出是彼此獨立的,因此設(shè)計時常將電動機和發(fā)電機用一臺電機來實現(xiàn),輸入、輸出變換器也合并成一個,這樣就可以大幅減小系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量。充電時該電機以電動機形式運轉(zhuǎn),在電力電子變換裝置的驅(qū)動下,電機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn),即用電給飛輪電池充電,增加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其功能;放電時,電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉(zhuǎn),在飛輪的帶動下對外輸出電能,完成機械能(動能)到電能的轉(zhuǎn)換。當飛輪電池發(fā)電時,飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降。飛輪電池的飛輪是在真空環(huán)境下運轉(zhuǎn)的,轉(zhuǎn)速極高。飛輪電池的工作原理如圖2-28所示。圖2-28飛輪電池的工作原理知識鏈接(2)特點。①優(yōu)點。a.比功率大。飛輪電池可以在短時間內(nèi)輸出很大的功率,遠大于化學電池。b.能量轉(zhuǎn)換效率高。飛輪電池的能量轉(zhuǎn)換效率高達90%。c.體積小、質(zhì)量小。飛輪直徑20多厘米,總重為十幾千克。d.工作溫度寬。飛輪電池對環(huán)境溫度沒有嚴格要求。e.使用壽命長。飛輪電池不受重復深度放電影響,能夠循環(huán)幾百萬次運行,預期壽命20年以上。f.低損耗、低維護。飛輪電池的磁懸浮軸承和真空環(huán)境使其機械損耗可以忽略,系統(tǒng)維護周期長。知識鏈接②缺點。a.能量密度不夠高。與鋰離子電池相比,飛輪電池的能量密度相對較低。b.自放電率高。如飛輪電池停止充電,能量在幾到幾十個小時內(nèi)就會自行耗盡。(3)應用。飛輪電池在汽車上的應用主要包括輔助儲能裝置和主要儲能裝置。用作汽車的輔助儲能裝置時,在車輛起步、加速和爬坡時,飛輪電池可以提高電動汽車的動力性,協(xié)助動力蓄電池供電和延長其使用壽命;制動時也可以很好地回收能量。而用作主要儲能裝置的飛輪電池也是行業(yè)研究的熱點之一,美國飛輪公司研制的飛輪電池汽車由0km/h加速到96km/h僅需6.5s,續(xù)駛里程高達600km。在2010年10月美國勒芒系列賽最后一輪中,保時捷911GT3混合動力賽車就首次正式使用飛輪電池技術(shù),如圖2-29所示。盡管飛輪電池在新能源汽車的應用上具有顯著優(yōu)勢,但由于其技術(shù)還未完全成熟等原因,現(xiàn)階段仍未得以大規(guī)模應用。但可以預測,當一些技術(shù)難點被攻克之后,飛輪電池技術(shù)可為純電動汽車發(fā)展添加新的動力。圖2-29保時捷911GT3知識鏈接3.純電動汽車對動力蓄電池的要求純電動汽車作為一種交通工具,其續(xù)駛里程、加速性能、爬坡能力、安全性能等是關(guān)注的重點,這些方面的性能主要取決于動力蓄電池的性能,對純電動汽車動力蓄電池性能的要求主要有以下幾點。1)比能量高為了提高純電動汽車的續(xù)駛里程,要求純電動汽車上的動力蓄電池盡可能多地存儲能量。但純電動汽車又不能太重,其安裝電池的空間也有限,這就要求電池單位質(zhì)量所能輸出的電量更高,也就是要求動力蓄電池具有高的比能量。2)比功率大為了能使純電動汽車在加速行駛、爬坡和負載行駛等方面能與燃油汽車相競爭,要求動力蓄電池單位質(zhì)量(或單位體積)電池輸出的功率高,即具有高的比功率。3)均勻一致性好單體動力蓄電池的均勻一致性是指一組單體動力蓄電池的重要特征參數(shù)的趨同性。這是一個相對概念,沒有最一致,只有更一致。均勻一致性對于純電動汽車而言是極為重要的。動力蓄電池組的工作電壓大多都要達到數(shù)百伏,這就要求動力蓄電池組有上百只單體動力蓄電池進行串聯(lián)。某一只單體動力蓄電池的問題可能會影響整個動力蓄電池組,從而導致純電動汽車出現(xiàn)能量損失增加、續(xù)駛里程縮短等問題。知識鏈接4)循環(huán)壽命長循環(huán)壽命是動力蓄電池充電到放電循環(huán)一周的次數(shù),是衡量動力蓄電池壽命的重要指標。充放電循環(huán)壽命越長,動力蓄電池的性能越好。動力蓄電池的充放電循環(huán)壽命與放電深度、溫度、充放電制式等條件有關(guān),所謂放電深度是指動力蓄電池放出的容量占額定容量的百分比。減少動力蓄電池的放電深度(即“淺放電”),可以大幅延長動力蓄電池的充放電循環(huán)壽命。5)高低溫性能好、環(huán)境適應性強純電動汽車作為交通工具,要求動力蓄電池在冬季極寒環(huán)境和夏季高溫環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。在最惡劣的氣候條件下,動力蓄電池的工作溫度可能為-40~60℃,甚至達到80℃。因此,動力蓄電池必須具有良好的高低溫特性。6)安全性好中小容量動力蓄電池的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)非常成功,但大容量、高功率動力蓄電池的安全性問題還未得到有效解決。而動力蓄電池容量愈大,其一旦失控所造成的危害就愈大。在動力蓄電池安全性方面,需在電氣安全、機械安全和熱安全的基礎(chǔ)上開展動力蓄電池系統(tǒng)的安全性整體方案設(shè)計研究,針對動力蓄電池系統(tǒng)開展故障診斷預測、熱安全監(jiān)測預警和防控等關(guān)鍵技術(shù)的研究。知識鏈接7)價格低廉動力蓄電池作為新能源汽車的核心部件,關(guān)乎車輛的成本。近年來,受限于動力蓄電池原材料價格上漲的影響,動力蓄電池價格一路走高。選擇價格低廉的原材料,通過技術(shù)降低動力蓄電池成本,都有助于提高純電動汽車銷量。8)充放電效率高動力蓄電池中能量的循環(huán)必須經(jīng)過充電—放電—充電的循環(huán)。充電效率是指電池在充電過程中所消耗的電能轉(zhuǎn)化成電池所能儲存的化學能程度的量度。高的充放電效率對保證整車效率具有至關(guān)重要的作用,有助于節(jié)省能源及成本。知識鏈接驅(qū)動電機的作用是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機械能,通過傳動裝置或直接驅(qū)動車輪,如圖2-30所示。驅(qū)動電機是純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件,其性能好壞直接影響純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的性能。適用于電力驅(qū)動的電機可分為直流電機(將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能的電機)和交流電機(將交流電能轉(zhuǎn)化為機械能的電機)兩大類。目前在純電動汽車上已應用的有直流電機、永磁同步電機、永磁無刷直流電機、交流異步電機、開關(guān)磁阻電機。二、驅(qū)動電機圖2-30

驅(qū)動電機知識鏈接1.驅(qū)動電機的性能指標驅(qū)動電機的主要性能參數(shù)有額定功率、額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、額定效率、額定功率因數(shù)、絕緣等級、功率密度、過載能力等。1)額定功率額定功率是指電機在制造廠所規(guī)定的額定條件下運行時,其輸出端的機械功率,單位一般為kW。2)額定電壓額定電壓是指電機在額定條件下運行時,外加于定子繞組上的線電壓,單位為V。3)額定電流額定電流是指電機在額定電壓和額定輸出功率下,定子繞組的線電流,單位為A。4)額定頻率額定頻率是指交流電動機輸入的交流電頻率。我國電力網(wǎng)的頻率為50Hz,因此除外銷產(chǎn)品外,國內(nèi)用的交流電動機額定頻率均為50Hz。知識鏈接5)額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速是指電機在額定電壓、額定頻率下,輸出端有額定功率輸出時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,單位為r/min。純電動汽車所采用的感應電機的額定轉(zhuǎn)速一般為8000~12000r/min。6)額定效率額定效率是指電機在額定條件下運行時的效率,是額定輸出功率與額定輸入功率的比值。電機在其他工況運行時的最大效率為峰值效率,峰值效率越高越好。純電動汽車還需要在車輛減速和制動時實現(xiàn)能量回收,再生制動回收能量一般可達到總能量的10%~15%。7)額定功率因數(shù)對于交流電機,定子的相電流比相電壓滯后一個角?,cos?就是感應電機的功率因數(shù)。三相感應電機的功率因數(shù)較低,在額定負載時為0.7~0.9,而在輕載和空載時更低。因此,必須正確選擇電機的容量,防止出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象,并力求縮短空載時間。8)絕緣等級絕緣等級是指電機繞組絕緣能力達到的等級數(shù)。絕緣等級是按電機繞組所用的絕緣材料在使用時容許的極限溫度來分級的。所謂極限溫度,是指電機絕緣結(jié)構(gòu)中最熱點的最高容許溫度。知識鏈接9)功率密度功率密度是指單位質(zhì)量電機輸出的功率,單位為kW/kg,功率密度越大越好。10)過載能力過載能力是指電機在超過額定載荷(功率、轉(zhuǎn)矩、電流等)條件下工作的能力。純電動汽車驅(qū)動電機應具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較大的調(diào)速性能,從而獲得車輛所需要的起動、加速、行駛、減速、制動等的功率與轉(zhuǎn)矩,使汽車具備良好的起動性和加速性。11)其他指標除了上述性能參數(shù)外,驅(qū)動電機還要求可靠性好、耐溫和耐潮性好、運行噪聲低、振動小、能夠在較惡劣的環(huán)境下長時期工作、結(jié)構(gòu)簡單、適合大批量生產(chǎn)、使用維修方便、性價比高等。知識鏈接2.驅(qū)動電機的種類及組成1)直流電機(1)概述。直流電機是能將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電機,具有起動加速時驅(qū)動力大,調(diào)速控制簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點。直流電機主要由機座、電樞繞組、勵磁繞組、換向器、電刷、前后端蓋等組成,如圖2-31所示。圖2-31直流電機組成由于直流電機具有良好的調(diào)速性能,早期電動汽車上多采用直流電機,如鈴木奧拓等。但由于電樞電流是通過電刷和換向器引入的,高速、大負荷運轉(zhuǎn)時,在換向的同時換向器表面會產(chǎn)生電火花,導致?lián)Q向器容易燒壞,電刷也容易磨損,需頻繁更換,維護工作量大,因此,直流電機目前在純電動汽車中應用較少。知識鏈接(2)特點。①調(diào)速性能好。直流電機可以在重負載條件下,實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速,且調(diào)速范圍較寬。②起動轉(zhuǎn)矩大。直流電機可以均勻而經(jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),因此,凡是需要在重負載下起動或要求均勻調(diào)速的機械(如電動汽車)都可以使用直流電機驅(qū)動。③控制比較簡單。直流電機一般用斬波器控制,它具有高效率、控制靈活、質(zhì)量小、體積小、響應快等優(yōu)點。④有易損件。由于直流電機存在電刷、換向器等易磨損器件,因此必須進行定期維護或更換。知識鏈接永磁同步電機的結(jié)構(gòu)如圖2-32所示,主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋及定子等各部件組成。永磁同步電機的定子結(jié)構(gòu)與普通感應電機的結(jié)構(gòu)非常相似,而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與普遍感應電機的最大不同是在轉(zhuǎn)子上放置有高質(zhì)量的永磁體磁極。根據(jù)在轉(zhuǎn)子上安裝永磁體位置的不同,永磁同步電機通常分為表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。表面式轉(zhuǎn)子的永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面,這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單,但產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩很小,僅適合于起動要求不高的場合,因此很少應用。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的永磁體位于鼠籠導條和轉(zhuǎn)軸之間的鐵芯中,其起動性能好,目前的絕大多數(shù)永磁同步電機都采用這種結(jié)構(gòu)。2)永磁同步電機(1)概述。永磁同步電機就是采用永磁材料來替代勵磁電機中勵磁繞組(或轉(zhuǎn)子繞組)的電機。永磁同步電機按照輸入電機接線端的電流類型可分為永磁交流同步電機和永磁直流電機兩種。對于交流感應電機,若采用永磁體取代其籠式感應轉(zhuǎn)子,則相應的電機就稱為永磁同步電機。圖2-32永磁同步電機的結(jié)構(gòu)1—鋼質(zhì)定子鐵芯;2—定子繞組;3—鋼質(zhì)轉(zhuǎn)子鐵芯;4—軸承;5—永磁體;6—鋼質(zhì)圓盤;7—轉(zhuǎn)子輪軸知識鏈接(2)特點。①優(yōu)點。永磁同步電機具有較高的功率/質(zhì)量比,體積和質(zhì)量更小,與其他類型電機相比其輸出轉(zhuǎn)矩更大,電機的極限轉(zhuǎn)速和制動性能也比較優(yōu)異。因此,永磁同步電機已成為現(xiàn)今電動汽車中應用最多的電機。②缺點。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時,其導磁性能可能會下降,或發(fā)生退磁現(xiàn)象,有可能降低永磁同步電機的性能。另外,稀土式永磁同步電機要用到稀土材料,制造成本不穩(wěn)定。知識鏈接3)永磁無刷直流電機(1)概述。永磁無刷直流電機是具有直流電機特性的無刷直流電機,其反電動勢波形和供電電流波形都是矩形波,所以又稱矩形波同步電機。這類電機由直流電源供電,借助位置傳感器來檢測主轉(zhuǎn)子的位置,使用所檢測出的信號觸發(fā)相應的電子換相線路以實現(xiàn)無接觸式換相。這種無刷直流電機具有有刷直流電機的各種運行特性。永磁無刷直流電機的結(jié)構(gòu)如圖2-33所示。三相對稱定子繞組固定在定子上,轉(zhuǎn)子上的電樞繞組用稀土永磁材料(衫鉆、釹鐵硼)取代。對于高速永磁無刷直流電機,還需要加裝非磁性護環(huán)。圖2-33永磁無刷直流電機的結(jié)構(gòu)(a)整體縱剖圖;(b)轉(zhuǎn)于橫剖圖1—轉(zhuǎn)軸;2—前端蓋;3—螺釘;4—軸承;5—定子組件;6—永磁體;7—傳感器轉(zhuǎn)子;8—傳感器定子;9—后端蓋;10—軸承;11—護環(huán);12—轉(zhuǎn)子軛知識鏈接(2)特點。①優(yōu)點。永磁無刷直流電機外特性好,尤其是具有低速大轉(zhuǎn)矩特性,能夠提供較大的起動轉(zhuǎn)矩,滿足新能源汽車的加速要求;可以在低、中、高寬速度范圍內(nèi)運行;效率高,尤其是在輕載車況下,仍能保持較高的效率;過載能力強,與交流電機相比可提高2倍以上過載能力,滿足純電動汽車的堵轉(zhuǎn)工況需要;再生制動效果好,因永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)子具有很高的永久磁場,故在汽車下坡或制動時電機可完全進入發(fā)電機狀態(tài),在給電池充電的同時起到電制動作用,減輕機械制動負擔;體積小、質(zhì)量小、比功率大,可有效地減小質(zhì)量、節(jié)省空間;無機械換向器,采用全封閉式結(jié)構(gòu),防止塵土進入電機內(nèi)部,可靠性高;控制系統(tǒng)比感應電機簡單。②缺點。永磁無刷直流電機的控制系統(tǒng)比較復雜,勵磁不能控制,機械特性較硬;若輸出波形不理想,會發(fā)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩波動和沖擊力,影響電機的低速性能,同時加大電流損耗,產(chǎn)生較大噪聲;永磁體性能在發(fā)熱時容易發(fā)生退磁現(xiàn)象;磁鐵材料價格較高,而且安裝困難。知識鏈接4)交流異步電機(1)概述。交流異步電機又稱交流感應電機,是一種由定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中感應電流的磁場相互作用,而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的交流電機。交流異步電機的種類雖然很多,但基本結(jié)構(gòu)相同。它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成。定子包括勵磁繞組、基座、磁極和端蓋等裝置,轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子、軸和風扇等,如圖2-34所示。在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。圖2-34交流異步電機知識鏈接(2)特點。①優(yōu)點。交流異步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、堅固,容易做到高速和小型輕量化;弱磁控制與最大效率控制的同時使用可以實現(xiàn)高效率化的目的;價格低,可靠性好。②缺點。由于勵磁電流是必要的,因此會引起功率因數(shù)的惡化,特別在低速區(qū)域功率因數(shù)惡化較為嚴重。另外,交流異步電機進行轉(zhuǎn)矩控制的難度較大。知識鏈接5)開關(guān)磁阻電機(1)概述。開關(guān)磁阻電機(SwitchedReluctanceMotor,SRM),又稱可變磁阻電機(VariableReluctanceMotor,VRM)。與其他電機相比,開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單,功率密度高,轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性好,具有高起動轉(zhuǎn)矩和低起動功率,效率也可以達到85%~93%,是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗姍C。開關(guān)磁阻電機主要由開關(guān)磁阻電機本體、電力電子功率變換器(簡稱功率變換器)、轉(zhuǎn)子位置傳感器(PositionSensor,PS)及控制器4部分組成,如圖2-35所示。圖2-35開關(guān)磁阻電機的組成知識鏈接根據(jù)勵磁方式不同,開關(guān)磁阻電機可分為勵磁式開關(guān)磁阻電機和永磁式開關(guān)磁阻電機兩種。勵磁式開關(guān)磁阻電機本體采用定、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu),單邊勵磁,即僅定子凸極采用集中繞組勵磁,而轉(zhuǎn)子凸極上既無繞組也無永磁體;定、轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊壓而成;定子繞組徑向相對的極串聯(lián),構(gòu)成一相。其結(jié)構(gòu)原理如圖2-36所示。圖2-36開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)原理知識鏈接(2)特點。①優(yōu)點。a.結(jié)構(gòu)簡單。開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低,可用于高速運轉(zhuǎn)。其突出的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子機械強度極高,可以用于超高速運轉(zhuǎn)(如每分鐘上萬轉(zhuǎn))。在定子方面,它只有幾個集中繞組,因此制造簡便、絕緣結(jié)構(gòu)簡單。b.起動優(yōu)點。開關(guān)磁阻電機起動轉(zhuǎn)矩大,起動電流小。控制器從電源側(cè)吸收較少的電流即可得到較大動轉(zhuǎn)矩是本系統(tǒng)的一大特點。起動電流小而轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點還可以延伸到低速運行段,因此該系統(tǒng)十分適合需要重載起動和較長時間低速重載運行的機械。c.頻繁起停。開關(guān)磁阻電機適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)換運行的工況。開關(guān)磁阻電機具有的高起動轉(zhuǎn)矩、低起動電流的特點,使之在起動過程中電流沖擊小,電機和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運行時還要小。其多參數(shù)設(shè)計使其在制動運行和電動運行工況具有同樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩輸出能力和工作特性。兩者綜合作用結(jié)果必然使開關(guān)磁阻電機適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)換運行,次數(shù)可達1000次/h。知識鏈接d.性能好。開關(guān)磁阻電機可控參數(shù)多,調(diào)速性能好,可以根據(jù)對電機的運行要求和電機的情況,采用不同的控制方法和參數(shù)值,使之運行于最佳狀態(tài)(如出力最大、效率最高等)。此外,開關(guān)磁阻電機還可使用各種不同功能的特定曲線,如使電機具有完全相同的四象限運行能力,并具有最高起動轉(zhuǎn)矩和串勵電機的負載能力曲線。e.效率高損耗小。開關(guān)磁阻電機繞組無銅損且可控參數(shù)多,控制靈活方便,易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負載下實現(xiàn)高效優(yōu)化控制,可通過機電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計滿足各種特殊使用要求。②缺點。開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈沖大、噪聲大、相對于永磁電機而言,其功率密度和效率偏低。知識鏈接3.純電動汽車對驅(qū)動電機的要求(1)驅(qū)動電機的運行特性要滿足純電動汽車的要求。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū),要求低速運行時具有大轉(zhuǎn)矩,以滿足純電動汽車起動和爬坡的要求;在恒功率區(qū),要求低轉(zhuǎn)矩時具有高速度,以滿足純電動汽車在平坦的路面高速行駛的要求。(2)驅(qū)動電機應具有瞬時功率大、帶負載起動性能好、過載能力強、加速性能好、使用壽命長的特點。(3)驅(qū)動電機應在整個運行范圍內(nèi)具有很高的效率,以提高單次充電的續(xù)駛里程。(4)驅(qū)動電機應能夠在汽車減速時實現(xiàn)再生制動,將能量回收并反饋給動力蓄電池,使純電動汽車具有更佳的能量利用率。(5)驅(qū)動電機應可靠性好,能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作。(6)驅(qū)動電機應體積小,質(zhì)量小,一般為工業(yè)用電機的1/3~1/2。(7)驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)要簡單堅固,適合批量生產(chǎn),便于使用和維護。(8)驅(qū)動電機應價格便宜,從而能夠減少純電動汽車整