电动汽车工程系统和关键技术

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发表时间:2015-08-26 23:03


电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学技术等。尽管电源技术至关紧要,但车身设计、电力驱动、能量管理系统和系统的优化也同样重要,事实上,所有这些领域技术上的整合才是电动汽车技术成功的关键。

1、车身设计

生产电动汽车有两种基本方法,一种是改装,另一种是专门设计制造。对于改装的电动汽车,燃油车中原来安装发动机以及相关组件的部位由电动机、功率转换器和电池所取代,由于可采用现有的燃油汽车底盘,对于小批量生产而言,这种方法较经济。但是,对于大部分改装车而言,均具有自重较大、重心位置较高以及质量分配不合理等缺点,因而这种方法逐渐被淘汰。目前,现代电动汽车大部分是为特定目的而设计的,这种特定设计的电动汽车与改装车相比有一定的优势,它允许工程师灵活地调整和整合各子系统,使之能有效地工作。

在设计电动汽车时,对影响整车整体性能(如续驶里程、爬坡能力、加速能力以及最高车速)的参数需要进一步改进,比如减轻整车的质量、降低风阻系数和减小滚动阻力等。汽车的质量直接影响整车性能,特别是续驶里程和爬坡能力,可采用铝和合成材料制作车身和底盘来减轻汽车的自重。车身风阻系数越低,汽车行驶时的空气阻力就越小,因而可以大大提高汽车在公路上行驶的续驶里程。采用流线型的车头和车尾,隐藏式和平坦的车身底部可减小空气阻力。当汽车以中低速行驶时,采用滚动阻力系数小的轮胎可以有效地减小汽车的滚动阻力,也有利于延长汽车在市区内行驶的续驶里程。

2.电力驱动

电力驱动电力驱动子系统的主要任务是把电能转换为机械能,使汽车能克服空气阻力、滚动阻力和加速阻力而前进。另外,现代电动机的高转矩、低转速和恒功率、高转速的工作范围可以通过电子控制来获得,使得电动汽车的驱动系统设计更加灵活多样。例如,可采用单电动机或多电动机驱动,可选用或不用变速器,可选用或不用差速器,可选用轴式电动机或轮边电动机等。

电力驱动系统由电气系统、变速装置和车轮组成,其中变速装置是选用的。电力驱动系统的关键是电气系统,电气系统由电动机、功率变换器和电子控制器等组成。对电动机驱动系统的要求如下:

l  恒功率输出和高功率密度;

l  在汽车起步和爬坡时具有低速一高转矩的输出特性以及汽车巡航时的高速一低转矩特性;

l  具有较大的转速范围足以覆盖恒转矩区和恒功率区;

l  快速的转矩响应特性;

l  在转矩/转速特性的较宽范围内具有高的效率;

l  再生制动时的能量回收效率高;

l  坚固,能在不同的工作条件下可靠地工作;

l  成本低。

为了满足这些特定的要求,驱动电动机的额定功率与转矩/转速特性应该在驾驶模式和系统仿真的基础上进行确定。为优化系统效率,扩大高效率运行工作范围,人们正在寻求新的电动机设计技术和控制策略,同时,应用新开发的一些电子技术以改善系统的性能及降低成本。

随着先进的电动机、功率电子、微电子技术以及控制策略的发展,现在越来越多的电动机可用于电动汽车。由于直流电动机在低速时的转矩很高且容易控制,所以早期的电动汽车都采用直流电动机驱动系统,但直流电动机的换向器和电刷需定期维护。目前,随着技术的发展,许多先进的电动机驱动技术显示出优于直流电动机的性能,它们在高效率、高功率密度、有效的再生能量回馈、坚固性、可靠性和免维护性等方面具有明显的优势。在这些电动机中,矢量控制的感应电动机最受欢迎,技术也最成熟,但它的缺点是在小负荷范围内效率低。永磁无刷电动机比其它电动机的效率和功率密度都高,但它在高速恒功率工作区很难进行弱磁控制。永磁混合式无刷电动机是一种特殊的永磁无刷电动机,这种电动机加入了励磁绕组,永磁磁通分量和励磁磁通分量在气隙中迭加形成气隙磁通,气隙磁通可通过调节励磁电流来控制,因而这种电动机在宽转速范围内具有最佳效率。开关磁阻电动机应用在电动汽车上是很有前途的,因为它自身的结构和相应的功率转换器的结构都非常简单可靠,且它的转速范围宽、散热能力强,能在各种环境下工作并且再生制动的能量回收效率高,但必须解决转矩脉动和噪音问题。

3.能源系统

目前推广电动汽车的主要障碍是一次充电的续驶里程和初始价格,而电动汽车的能源系统是引起这些问题的主要原因。在目前以及不久的将来,能源系统是电动汽车实现市场化的关键。对能源系统要求如下:

l  高的比能量和能量密度;

l  高的比功率和功率密度;

l  快充和深放电的能力;

l  寿命长;

l  自放电率小、充电效率高;

l  安全性好且成本低廉;免维修;

l  对环境无危害,可回收性好。

目前还没有一种能源能完全满足上述要求,选用某一种蓄电池只能满足上述部分要求。相对而言,铅酸电池具有成本低廉和比功率高的优点,但它的寿命短且比能量低;而镍氢电池的比能量高但其价格也高。总之,任何一种蓄电池都不可能同时满足对比能量、比功率和价格的要求。在不久的将来,锂基电池如锂离子电池和锂聚合物电池在现代电动汽车中的应用将会有很好的前景;超级电容器和超高速飞轮由于其高的比功率也将有希望用于电动汽车;燃料电池能从根本上解决电动汽车续驶里程短的问题,被公认为是目前电动汽车最重要的能源之一,若燃料电池能大大降低其初始成本,在下一代的路面交通工具中它将最有希望和现在的燃油汽车相媲美。

为解决一种能源不能同时提供足够高的比能量和比功率这个问题,可采用多能源系统即混合动力系统提供动力。对于采用两个能源的混合动力而言,可以选用一个能源具有高的比能量,而另一个具有高的比功率。有蓄电池和蓄电池相结合的混合动力,也有采用蓄电池和超级电容器、蓄电池和超高速飞轮以及燃料电池和蓄电池相结合的混合动力,内燃机和蓄电池结合是混合动力的一种特例,其中燃油的高比能量能保证汽车足够长的行驶里程,而蓄电池的高比功率有利于提高汽车的加速性能并减少废气排放。

4.能量管理系统

由于电动汽车的车载能量有限,其行驶里程远远达不到燃油车的水平,能量管理系统的目的就是要最大限度地利用有限的车载能量,增加行驶里程。智能能量管理系统采集从各个子系统输入的传感器信息,这些传感器包括车内外气温传感器、充/放电时电源电流和电压传感器、电动机电流和电压传感器、速度和加速度传感器以及车外环境和气候传感器等。能量管理系统能实现以下基本功能:

n  优化系统的能量分配;

l  预测电动汽车电源的剩余能量和还能继续行驶的里程数;

l  提供最佳的驾驶模式;

l  再生制动时,合理地调整再生能量;

l  根据车辆的行驶气候条件,调整其温度控制方式;

l  根据外部光照条件,自动调节电动汽车的灯光照明强度;

l  分析电源尤其是蓄电池的工作历史;

l  诊断电源错误的工作模式和有缺陷的部件。

如果智能能量管理系统与电动汽车导航系统相结合,驾驶员就能随时根据交通情况修改剩余行驶里程的预测,制定最节能的行驶路线,以及发现最近的充电站。智能管理系统如同电动汽车的大脑,同时具有功能多、灵活性好、适应性强的特点,它能智能地利用有限的车载能量。

5.系统优化

如前所述,电动汽车系统是一个涉及多学科技术的复杂系统,电动汽车的性能受多学科相关因素的影响,通过系统优化来改进电动汽车的性能和降低车辆的成本。计算机仿真是一项很重要的技术,它有利于制造商减少开发新产品的时间、降低成本,并能迅速进行概念评价。由于整个电动汽车系统由不同的子系统组成,并通过机械的、电气的、控制以及热等连接方式连接在一起,所以仿真应在混合信号的概念基础上进行。不同的子系统之间有许多协定,系统优化应在系统上进行,对于首选的系统标准通常要用数字迭代法。

系统水平上的仿真和电动汽车的优化应考虑下列关键问题:

 电动汽车的各子系统之间的相互作用会影响整车的性能,应分析和考虑这些相互作用的重要性;

 模型的精确性通常与模型的复杂性一致,与其可用性相矛盾,应综合考虑模型的精确性、复杂性、可用性以及计算时间

 在设计电动汽车时,通常系统的电压会引起一些相互矛盾的问题,优化系统时应在系统水平上综合考虑以下问题:蓄电池的质量、驱动电动机的电压和额定电流、加速性能、续驶里程以及安全性能等;

 采用多能源系统提高电动汽车的续驶里程时,应根据整车性能和价格来优化相应的混合比;

 由于传动比对整车性能和操纵性影响很大,而电动汽车通常采用固定减速比,因此,应通过驱动力平衡图并采用迭代优化法来确定最优减速比。--


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