电动车电器知识讲座

电动车电器知识讲座 电 动 车 电器知识讲座 电动车作为机械、冶金，电子、电机、能源，新材料等诸多产品的集成，同时也是诸多领域技术的综合。各种学科技术互相结合，互相影响，相互制约，又发挥各自的功能特点，从而形成了电动车技术的独特特点。随着世界石油资源日趋枯缺和对生态环境保护的紧迫需求，电动车作为绿色环保交通工具，它将带动相关产业实现新的飞跃和发展，市场潜力巨大。但电动车这一门技术因其尚未完全成熟，目前仍处于不断前进和完善的阶段，不可避免地会出现各种各样的问题，从而决定了这是一项需要科学态度又需要艰苦,细致的工作。 电动车由整车系统和驱动系统、控制系统、电池、充电器等电器部分组成。 现在我们来了解一些电动车的电器部分相关知识。 一、 驱动系统: 驱动系统是电动车的核心。在电动车上采用直流有刷电机，交流异步电机，永磁无刷电机 和开关磁阻电机等种电机作为驱动电机。在结构上也在向机电集成驱动系统和机电一体化驱动 系统发展。 1、 在结构形式上目前有以下几种形式: (1) 摩擦驱动结构——在车轮上方装置一个电机，通过电机驱动滚轮，再摩擦带动车轮运动。 其优点是传动形式简单，直观，维修方便。缺点是摩擦传动的效率稍低，并且受环境影响 较大。欧洲地区多采用此结构，几年前成都“倍特”电动自行车就采用此结构。 (2) 链轮传动结构——在车架上装置电机或加一套减速机构，通过驱动链轮带动链条(带)传 递后轮使其运动。其优点为结构合理，整车重心低，动态平衡。缺点是链条及链轮传动的 效率较低。电动滑板车大部分都采用此种结构。 (3) 轮毂驱动结构——将电机做成轮毂式，直接驱动车轮运动。优点是结构紧凑，传输效率高， 是一种比较有前途的驱动形式。目前电动自行车绝大部分都采用此种结构。 (4) 后桥差动结构——将电机，减速齿轮，差速器做成一体后桥式，直接驱动后轮运动。优点 是结构一体紧凑，安装方便。目前老年代步车，大型电动车大部分都采用此种结构。 2、 电动车用电机按电气性能目前可分为: (1) 交流异步电机:它由定子,定子绕组，转子组成。三相交流正弦波电流通过定子线圈，产生 旋转磁场推动转子旋转。其特点是结构简单，坚固耐用，运行可靠，成本低廉，转距脉动 低，噪声低。它的矢量控制调速技术(变频)也比较成熟，驱动系统有明显的优势，在美 国成为电动汽车驱动系统主流产品。其最大不足是驱动系统(DC-AC)复杂，成本高，电 机功率密度和效率相对永磁电机偏低。 ) 直流有刷电机:它分为激磁式电机和永磁式电机。激磁式电机是由直流电流通过激磁线(2 圈产生磁场，以及经炭刷,换向器换向到转子绕组，从而推动电机转子旋转。上世纪八十年代 以前几乎所有车辆牵引电机都为它，这是因为直流激磁式电机具有起步.加速.牵引力大。永 磁电机则采用永磁磁体的磁场以及炭刷,换向器换向，去推动转子旋转。这样就省去了激磁线 圈工作时消耗的电能，从而提高了机电转换效率。对于使用车载有限能源的电动车来讲，十 分重要。可以降低行驶电流，延长续行里程，现在大部分中小功率的电动车均采用永磁电机。 (3) 开关磁阻电机:定子采用简单的集中绕组，而转子是凸极无绕组结构。特点是结构紧凑 牢固，无炭刷和换向器，适合于高速运行，性能可靠。但目前它的转距脉动较大，噪声也大， 功率密度和效率也偏低。此电机的机理和理论有待进一步深入研究与完善，作为电动车 辆牵引电机具有较强的潜在优势。 3， 电机按动转部位不同，可分为: (1) 内转式电机:电机轴旋转，机壳固定。摩擦驱动结构,链轮传动结构和后桥差动结 构均采用此类电机 。 (2) 外转式电机:电机轴固定，机壳旋转。轮毂驱动结构均采用此类电机。 4，直流永磁电机: 直流有刷电机技术成熟，调速控制系统简单。但是它们的缺点也是显而易见的:由于要通过炭刷和机械换向器进行换向，结构复杂。随着转速升高和电流较大，换向器表面产生火花，炭刷随着转速高,磨损也加大，从而故障率也较高。随着稀土永磁以及电子元器件的快速发展，一种不需要机械换向器进行换向和炭刷的直流永磁无刷电机应运而生。它运用电子换向器进行无接 触换相，不会产生机械磨损和火花，结构紧凑牢固，噪声极低，而且功率密度和效率都较高。下 面分别介绍: (1)有刷电机:它由定子(永磁)、转子(线圈绕组)、机械换向器组成。经换向器调换方向的 直流电流通过线圈绕组，产生感应电动势，在与定子永磁的磁场相互作用下，推动转子旋转。 有刷电机按速度又可以分为:a)、有刷低速电机:电机速度在250RPM左右，可以直接驱动轮毂旋转。优点:速度低、换向刷炭与整流子磨损次数少又没有齿轮减速，噪声较低，寿命相对高速电机长。结构上相对高速电机简单可靠，技术成熟。缺点:重量较重，在非电动状态下，受磁力作用，加上炭刷与整流子磨擦、转动有滞阻。 b)、有刷高速电机:电机速度在2800RPM左右，通过减速装置再驱动轮毂旋转。优点:启动力距大，爬坡过载能力强，效率高，在非电动状态下不受磁力、炭刷磨擦影响，旋转自如。缺点:速度高、炭刷与整流子磨损次数多，磨损大，减速又增加了齿轮磨损问题，所以结构复杂、寿命相对短、价位高。 (2)无刷电机:它由定子(绕组线圈)、转子(永磁)、位置传感器组成。定子各组绕组线圈依照位置传感器的传输，按一定的顺序通电而产生感应电动势，在与转子永磁的磁场相互作用下，推动转子旋转。 无刷电机按速度也可以分为:a)、无刷低速电机:速度在250RPM左右，可以直接驱动轮毂旋转。优点:结构简单，无磨损，寿命长。缺点:由于采用无刷结构则必须有一个电子换相器来解决直流电流换向的问题，所以控制器比较复杂，价位比较高。在非电动状态下运行也受磁力作用影响，轮毂转动有一定的滞阻。电机由于增加了位置传感器，以至引线为多根。 b)、无刷高速电机;电机转速在2800RPM左右，通过多极减速装置，再驱动轮毂旋转。优点:体积小，重量轻、启动力距大，爬坡过载能力强，效率高。在非电动状态下不受磁力作用影响，旋转自如。缺点:齿轮减速增加了齿轮磨损问题，结构较无刷低速电机复杂，价位较无刷低速电机高。 总之，直流有刷电机较直流无刷电机:骑行电流稍大，但电机，控制器成熟可靠，价位低。直流无刷电机结构简单，无磨损寿命长，功率密度高，效率好。作为电动车的驱动电机有独特的优势。 高速电机较低速电机:结构复杂，价位高，寿命稍低。但效率高，爬坡过载能力强，非电动状态下不受磁力作用影响。 (3) 电机几个参数间的关系: 额定功率 = 额定电压 X 额定电流 X 效率 额定电流 =. 额定功率 ? 效率 ? 额定电压 效率 = 额定功率 ? 额定电压 ? 额定电流 X % 额定扭矩 = 额定功率 ? 额定转速 X 9.549 二、 控制系统 : 控制系统是电动车指挥系统。它由控制器，调速把，刹车断电把，组合开关，仪表，线束等组成。其中控制器最为复杂，重要。 目前现在大部分的电动车均采纳永磁电机，它的控制器主要有二种:一种是有刷电机的控制器，此控制器成熟可靠，价位低，使用较多。另一种是无刷电机的控制器，较有刷电机控制器复杂，价位相对略高。 1、目前电动车直流电机控制器有多种，它们基本上都是采用PWM方式(即脉宽调制方式)来控制输出电压从而对电机进行调速。控制部分分别采用分立元件,集成电路和单片机等不同，驱动部分大都采用大功率MOS管。 2、控制系统的基本功能:一般来说控制系统具有下述五大功能: 1) 显示功能——电量显示:根据电池放电特性，定性或定量地表达电池电量下降的过程。速度显( 示:对速度、行驶里程等根据实际需要进行测定显示。其它功能显示:方向显示，制动显示， 时间显示等等。显示方式可以是LED发光管、液晶、荧光数码管、指针式仪表等。 (2) 无级调速功能——它通过旋转调速把来输出变化的信号，并将此信号调节占空比，控制大功率 MOS管的输出，从而改变电机的转速，实现无级调速。调把把目前基本上有两种型式，一种 是光电式;一种是霍尔传感式，其原理都是改变光电元件位置和霍尔元件与磁极的位置来输出 变化的电压。它们都是非接触式控制，几乎不存在寿命问题，故可靠性很高。 (3) 限流功能——当电动车启动时，电机启动电流是额定电流的数倍，机械冲击.电流冲击很大。直 流有刷电机而且易在电刷和整流子之间产生火花，反复启动更易损坏电机,电池和控制器。在行 驶中由于路况不佳等等原因，电机电流也会非常大。控制器设置限流功能后，电机即可减小冲 击，又可保护电池和控制器。目前电动车大部分采用的控制器输入电流限制方式，限流值根据 不同车型分别不等。 (4) 欠压保护功能——众所周知，电动车都是由蓄电池供电的，过放电对蓄电池寿命危害极大。因 此在控制器上设置放电终止电压，来保护电池不被深放电是非常重要的。目前电池的种类很多， 特性也各有不同，所以欠压保护值也有所不同。对于标称电压为12V的铅酸电池一般将欠压值 设定在10.5V。 5) 刹车断电功能——此项功能根据电动车要求设定:在制动同时必须同步切断电机电源。为了实( 行此项功能，电动车都配用了刹车断电把。刹车断电把一般有机械开关式和霍尔开关式两种， 前者有触点，防水性能和可靠性稍差，但成本低。后者无触点，性能极佳，但成本较高。目前 市场上大部分采用机械开关式。 3，控制器的几个参数:a, 额定电压;为所控制的电机工作电压 b, 限流保护值:根据不同车种，保护值不同，一般为所控制电机的两倍额定电流 c, 欠压保护值:根据不同电池类型，保护值不同。同类型电池根据不同车种，保护值也不同。电动自行车用铅酸电池一般将标称24V电池，保护值设定在21V。电动滑板车将24V电池，保护值设定在19.5V-20V。 随着电动车的发展，控制器系统的功能也在不断完善:速度助力，扭距助力，定速巡行，电磁刹车，语音提示……。正在朝人性化发展。 三、充电器: 现在电动车上使用的都是二次电源，充电器是补充电能的重要器件。人们都说“电池不是用坏的，而是充电充坏的”。可见充电器性能的重要性。根据不同类形的电池及特性，配有各种充电器，而且新的充电功能也不断出现。 就目前普通使用的铅酸电池来讲，充电器基本上主要有两种形式:一种是开关电源式充电器;一种是变压器式充电器。a开关电源式充电器为直接对市电整流，在高频状态下，经高频功率管和高频变压器调压来对电池充电。这种充电器的优点是体积小、重量轻，对电源电压波动适应性强。但对元器件的要求很高，返修率较大。目前电动车行业大部分采用此种充电器。b变压器式充电器是由工频变压器将市电降压后，再由低电压电路来控制充电电压和电流。因大部分电路元件均工作在低电压状态下，故可靠性高，充电器的返修率较低。但缺点是体积大，重量重，对电源电压波动适应性能差，价格略高。 常用铅酸电池的充电器工作过程为恒流、恒压、浮充三段式。以36V/10Ah的动力电池为例:即开始充电时为恒流充电，充电电流为0.18C2(1.8A)。当电池电压充到44.4V，这时进入恒压充电状态。 当充电电流逐步减小至约0.3A时，充电器进入浮充阶段，充电电压恒定为41.4V，指示灯由红色转绿色。大约再经过1个多小时左右，电流便渐近于0A，电池便充好。铅酸电池充电器充电电流的选定:电池容量的0.18-0.20倍。 (7Ah:1.2A 。 12Ah:2A ) 锂离子电池的充电器工作过程为恒流、恒压二段式。先以恒流充电至4.2V/单体，然后转为恒压充电，当充电电流小到一定程度后充电结束。锂离子电池对充电器的电压精度要求较高。额定电压为4.2V,充电小于0.1V,就会导致充电不足.约少充15%左右电量。电压超过0.1V又会引起过充,影响电池的使用寿命。还有充电电流必须与电池容量相配。 随着电动车的发展，充电器的功能也在不断完善:负脉冲充电，温度补偿，单体充电……。 三、电池: 电池是电动车动力之源。目前广泛使用的是铅酸蓄电池，镍氢电池用量正在增加，锂离子电池也在小部分使用。 A，反映电池性能的指标有许多，我们这里只对几个主要的指标作一介绍。 (1) 标称电压——指蓄电池的端电压，如6V、12V、24V、36V、48V等 (2) 容量——容量为蓄电池放电电流和放电时间的乘积，根据放电倍率的不同，容量是不同的。电 动车动力型电池的容量指的是2h率的放电容量。如果一个电池标称12Ah，那么其6A放电就 必须达到2h;如果标称10Ah，那么其5A放电就必须达到2h。 (3) 比能量——电池能量与重量的比值，即电池每千克重量能够提供的能量，单位W.H/Kg，这个 指标对选用合适重量的电池为电动车配套是很重要的，也决定了该电池的一次充电能够行驶的 里程，为电池的主要性能指标之一。 (4) 循环寿命——以电池8循环充放电衰减到某一程序的次数来表示，由于实验室数据与实际使用 情况相差甚大，目前应从实际使用的数据积累来评判其优劣。 (5) 能量体积比——即电池每升容积能够提供的能量单位W.H/L，该指标决定了电池的基本体积比 能量一样对电动车的外型设计起了重要作用。 B，几种电动车常用电池简介 (1)铅酸类蓄电池主要是阀控免维护电池，胶体电池和铅布水平电池也开始小批量试产使用。它的构造通常为:阴极板、阳极板、隔板、电解液、中间极柱、电槽、安全阀、防爆气片、正负极端子。主要优点是价格低廉，技术成熟，使用性能稳定。其主要不足是比能量低，体积大，质量重，循环寿 命短。同时也存在废弃电池残酸液和金属铅的二次污染问题。 (2)镍氢电池容量较高.无记忆效应，制造材料对环境污染很小，人们习惯称其为环保电池，是90年代涌现出的电池家族中新秀，发展迅猛。它和Nicd蓄电池一脉相承，只是以吸藏氢气的合金材料(MH)取代Nicd蓄电池中的负材料镉Cd,电动势仍为1.32V。且能量密度高于Nicd，对环境不存在任何污染问题，备有Nicd蓄电池的所有优异特性。但是，镍氢电池也有美中不足，那就是吸藏氢气的合金材料远比Nicd蓄电池的镉Cd贵重，镍材料也不便宜。因此，镍氢电池的重要研究课题就是降低材料成本，其难度也是很大的。 (3)锂离子电池是继镍氢电池后新一代可充电电池，其质量比能量是镍氢电池的1.5-2倍，有工作电压高(3.6V)，安全.循环寿命长和无记忆效应的优点，工作温范围可达-20?-60?。锂离子电池保持了锂电池高电压，高容量的主要优点，又具有循环寿命长，自放电低的显著特点，锂离子电池将是继镍隔，镍氢电池后，在下世纪相当长一段时间内市场前景最好，发展最快的一种二次电池。但基于锂离子电池的特有电化学工作原理和电极.电解液材料的固有特性，锂离子电池也有美中不足之处:抗过充.过放能力弱，应用中要求有较为完善的保护措施和较高精度的充放电控制电路。这样就增加了电池整体系统的复杂性，降低了可靠度，同时也导致了电池整体应用成本的增加。相对其它电池而言，现阶段的锂离子电池容量还显得偏小，有待进一步提高。由于正极材料.电解液和隔膜的价格原因，整体电池的价格水平较高。 电池类型 铅酸电池 镍氢电池 锂离子电池 锌空电池 比能量Wh/KG 25-35 60-80 130 160 循环寿命(次) 300 800 1200-1500 电池在电动车上使用是由多个电池串联组成，由于生产过程的工艺问题，各单只电池的充放电特性必定会有差异。实际使用时铅酸电池往往都是串联使用，若差异到达一定时，性能就会急剧下降，寿命缩短。因此，在选用电池时一定要考虑到一致性的配对问题。两只电池串联使用可以电压配组，叁只电池以上串联使用一般进行容量配组。另外整车厂的生产工艺，质量保证体系对电池寿命也很十分重要。镍氢电池. 锂离子电池在实际使用时也都是串联使用，但为了保障电池的使用寿命，充电时往往是采用并联式充电。 无论国内还是国外，电池始终是电动车发展的关键和瓶颈，八十年代以前出现的电动助动车，限于当时的技术水平，使用的是非密闭型的需补液维护的铅酸电池，比能量小，维护使用不便。且寿命短，易损坏，当然不为市场所接受，最终被淘汰是理所当然的。近几年电池的发展出现了新的变化与 进步，其中表现为许多新型高能电池开发出来，如镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等。而且铅酸电池本身的技术也在不断进步，工艺水平也不断完善，如采用密封免维护形式，新型栅极材料的采用，正负极活性物质，酸比的掌握，添加剂的研究，凝胶技术的完善，使得铅酸电池的比能量增加，循环寿命提高。就目前来讲燃料电池还在试验室阶段，锂离子电池充放电安全性能尚没有保证，镍氢电池在大容量运用上价格太高。所以在电动车上得到广泛使用的目前仍是铅酸蓄电池。但铅酸蓄电池比能量只在30Wh/KG左右，增加电池容量，往往又被电池本身重量所消耗。电动车行业期待着容量大，比能量高，循环寿命长，成本又低的电池问世。 五，电动车辆电机的参数选择: A: 电动车辆驱动电机的功率 (1)，平路行驶电动机所需的功率 Pout= (P+ P)/η δ1 2 P = 9.8 × F × G × V (W) 1 3P = 9.8 × K × S × V (W) 2 η = η × η × η δ123 P:滚动行驶所需的功率 P:克服空气阻力所需的功率 12 η:传动总效率 F:滚阻系数 δ G:质量(自重+负载)KG V:速度 M / S 2 K:流线性系数 S:迎风面积M η:减速机构效率 η:传动机构效率 η:电动机效率 123滚阻系数:在同一路面上与轮径，轮宽，轮胎花纹……有关。(自行车24”1.75为0.01, 24”2.25为0.015) 流线性系数: 与车外形有关 (自行车为0.06) (2)，在极端使用条件下行驶电动机所需的功率 P = (2-3)Pout AXM 极端使用条件:爬坡.逆风行驶 B: 电动车辆驱动电机的额定转速 ω = V ? Q ? (2R×π)?60 NN Q:减速.传动机构的速比 R:车轮半径 N C: 电动车辆驱动电机的额定电压 U = 12 × N N:串联电池的组数 电动车辆驱动电机的功率一确定，电机额定电压的高低将确定电机额定电流的大小。额定电流大 ，由于额定电流大，各将引发两个问题:a,由于额定电流大，使用的导线线径就大，生产成本增加。b 导线及接口端头电压降增大，引起发热，可靠性降低。电动车辆动力源为多组电池串，并联而成。由于生产过程的工艺问题，各单只电池的充放电特性必定会有差异，实际使用时若差异到达一定时，动力源性能就会急剧下降，电池寿命缩短，动力源电池串联组越多差异性就越大。因此电动车的额定电压应当根据综合情况选定。 (1)常用联接端子的性能: 名 称 安德生-30 6.3P 4.5P 2.8P SM 航空 安全导流量 30A 15A 10A 5A 2A 10A (2)常用导线性能: 美国线号 12 14 16 18 20 22 24 2面积mm 3.32 2.09 1.32 0.82 0.52 0.33 0.21 构造 65 / 0.253 41 / 0.253 26 / 0.253 41 / 0.16 21 / 0.16 17 / 0.16 11 / 0.16 根数/线径 安全导流量 30A 25A 15A 10A 6A 4A 2.5A (3)电动车辆电池的容量选择 续行里程 = 电池能量 / 骑行电流 × 时速 从上关系式中，电池能量大小决定了续行里程。关系式中的电池能量与电池标识容量不同之处是“放电倍率的不同，容量是不同的”。后备型电池是按10小时率标识，动力型电池是按2小时率标识，在电动车实际使用中，根据设计的续行里程，按骑行电流的放电时间来选择电池容量。