1、 系统结构

纯电动汽车是驱动能量完全由电能提供、由电机驱动的汽车。纯电动汽车动力系统的主要由电力驱动系统、电源系统和辅助系统三部分构成。

其中电力驱动系统的部件有电动机、控制器、功率转换器、机械传动装置和车轮等。电动机的作用就像普通汽车中的发动机,在工作时,会把动力电池中储存的电能转换为车轮的动能驱动车轮,或是在需要制动时把车轮上的动能转化成电能返回到动力电池中以达到电动汽车的制动能量回收。控制器在电力驱动系统中的作用是协调和控制各个子系统,相当于一个整车控制系统,只有各个部分都协调好,才能发挥电动汽车的最佳性能。电源系统顾名思义,它包括电动汽车的蓄电池组以及电池管理系统(BMS)。辅助系统则由辅助动力源、动力转向系统、空调器及照明装置组成。

图 1 纯电动汽车动力系统组成

2、 工作原理

纯电动汽车动力系统的工作原理为:先有蓄电池组提供电能,经过控制器和功率转化器的调速控制,驱动电动机,再由传动系统驱动车轮,使纯电动汽车行驶。

图 2 纯电动汽车工作原理

3、 零部件介绍

(1)驱动电机

驱动电机将电能转化为机械能车辆前进。新能源汽车使用驱动电机主要包括永磁同步、交流异步电机等。

1)直流电动机

在电动汽车发展的早期,大部分的电动汽车都采用直流电动机作为驱动电机,这类电机技术较为成熟,有着控制方式容易,调速优良的特点,曾经在调速电动机领域内有着最为广泛的应用。但是由于直流电动机有着复杂的机械结构,例如:电刷和机械换向器等,导致它的瞬时过载能力和电机转速的进一步提高受到限制,而且在长时间工作的情况下,电机的机械结构会产生损耗,提高了维护成本。此外,电动机运转时电刷冒出的火花使转子发热,浪费能量,散热困难,也会造成高频电磁干扰,影响整车性能。由于直流电动机有着以上缺点,目前的电动汽车已经基本将直流电机淘汰。

2)交流异步电动机

交流异步电机是目前工业中应用十分广泛的一类电机,其特点是定、转子由硅钢片叠压而成,两端用铝盖封装,定、转子之间没有相互接触的机械部件,结构简单,运行可靠耐用,维修方便。交流异步电机与同功率的直流电动机相比效率更高,质量约轻了二分之一左右。如果采用矢量控制的控制方式,可以获得与直流电机相媲美的可控性和更宽的调速范围。由于有着效率高、比功率较大、适合于高速运转等优势,交流异步机是目前大功率电动汽车上应用最广的电机。目前,交流异步电机已经大规模化生产,有着各种类型的成熟产品可以选择。但在高速运转的情况下电机的转子发热严重,工作时要保证电机冷却,同时异步电机的驱动、控制系统很复杂,电机本体的成本也偏高,相比较于永磁式电动机和开关磁阻电机而言,异步电机的效率和功率密度偏低,对于提高电动汽车的最大行驶里程不利。

3)永磁式电动机

永磁式电动机根据定子绕组的电流波形的不同可分为两种类型,一种是无刷直流电机,它具有矩形脉冲波电流;另一种是永磁同步电机,它具有正弦波电流。这两种电机在结构和工作原理上大体相同,转子都是永磁体,减少了励磁所带来的损耗,定子上安装有绕组通过交流电来产生转矩,所以冷却相对容易。由于这类电机不需要安装电刷和机械换向结构,工作时不会产生换向火花,运行安全可靠,维修方便,能量利用率较高。

永磁式电动机的控制系统相比于交流异步电机的控制系统来说更加简单。但是由于受到永磁材料工艺的限制,使得永磁式电动机的功率范围较小,一般最大功率只有几十千万,这是永磁电机最大的缺点。同时,转子上的永磁材料在高温、震动和过流的条件下,会产生磁性衰退的现象,所以在相对复杂的工作条件下,永磁式电机容易发生损坏。而且永磁材料价格较高,因此整个电机及其控制系统成本较高。

图 3 永磁式电动机

4)开关磁阻电机

开关磁阻电机作为一种新型电机,相比其他类型的驱动电机而言,开关磁阻电机的结构最为简单,定、转子均为普通硅钢片叠压而成的双凸极结构,转子上没有绕组,定子装有简单的集中绕组,具有结构简单坚固、可靠性高、质量轻、成本低、效率高、温升低、易于维修等诸多优点。而且它具有直流调速系统的可控性好的优良特性,同时适用于恶劣环境,非常适合作为电动汽车的驱动电机使用。

图 4 开关磁阻电机

(2)动力电池

动力电池是指具有较大电能容量和输出功率,装备在交通工具、电动设备及工具上作为驱动电源的电池。

与一次性电池相比,动力电池具有如下特点:

Ø高能量和高功率;

Ø高能量密度;

Ø高倍率部分荷电状态下(HRPSOC)循环使用;

Ø工作温度范围宽(一30 ~65℃);

Ø使用寿命长,一般要求5—10 年;

Ø安全可靠性高

电动车的主要动力来源是动力电池,要求电池能量密度高,在不增加重量的情况下容量尽可能大,在现有的动力电池类型中锂电池的比能量最高,可以达到250Wh/kg,是电动车主要使用的动力电池。

按照电芯所用正极材料的不同,可以将锂电池分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元锂四类。

Ø钴酸锂电池的工作电压较高、充放电电压平稳,比能量高、循环性能好,电导率高,生产工艺简单、容易制备,但缺点是安全性差、成本高、寿命短。钴酸锂电池目前主要应用在消费电子领域。

Ø锰酸锂电池电压平台高、低温性好、倍率性好、综合性价比高;但缺点是能量密度低,高温循环性和储存性较差。锰酸锂电池主要应用在插电混动客车和电动专用车上。

Ø磷酸铁锂电池能量密度低,但安全性高。磷酸铁锂电池在新能源客车应用比例很高,同时在部分电动乘用车和电动专用车上使用。

Ø三元锂电池能量密度最高、电压平台高,但安全性和耐高温性差、成本高。三元锂电池主要在续航里程要求高的新能源乘用车上使用。

表 4 不同锂电池性能比较

(3)电机控制器

电机控制器就是控制主牵引电源与电机之间能量传输的装置,电机控制器作为整个制动系统的控制中心,它由逆变器和控制器两部分组成。逆变器接收电池输送过来的直流电电能,逆变成三相交流电给汽车电机提供电源。控制器接受电机转速等信号反馈到仪表,当发生制动或者加速行为时,控制器控制变频器频率的升降,从而达到加速或者减速的目的。

在不同的电机驱动系统中使用不同技术类型的电机控制器。

Ø直流电机驱动系统中电机控制器一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制方式,控制技术简单、成熟、成本低,但效率低、体积大等缺点。

Ø交流感应电机驱动系统的电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速,采用矢量控制或直接转矩控制策略实现电机转矩控制的快速响应。

Ø交流永磁电机驱动系统包括正弦波永磁同步电机驱动系统和梯形波无刷直流电机驱动系统,其中正弦波永磁同步电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速;梯形波无刷直流电机控制通常采用“弱磁调速”方式实现电机的控制。由于正弦波永磁同步电机驱动系统低速转矩脉动小且高速恒功率区调速更稳定,因此比梯形波无刷直流电机驰动系统具有更好的应用前景。

Ø开关磁阻电机驱动系统的电机控制一般采用模糊滑模控制方法。目前纯电动汽车所用电机均为永磁同步电机,交流永磁电机采用稀土永磁体励磁,与感应电机相比不需要励磁电路,具有效率高、功率密度大、控制精度高、转矩脉动小等特点。