《电动汽车动力系统教学课件》

电动汽车动力系统教学课件欢迎来到电动汽车动力系统教学课程本课程将深入探讨电动汽车动力系统的基本原理、关键组成部分以及最新技术发展随着全球对环保和可持续交通解决方案的日益关注，电动汽车技术正迅速发展通过本课程，学生将掌握电动汽车各子系统的工作原理，了解系统集成的关键技术，以及行业最新发展趋势我们将结合理论知识与实际案例，帮助学生建立全面的技术认知课程目标与内容掌握基础理论学习电动汽车动力系统的基本原理和工作机制，包括能量转换、储存和管理的科学基础理解系统构成深入了解电池系统、电机驱动系统、电力电子变换器等核心部件的功能与特性掌握集成技术学习动力系统各子系统间的集成方法，理解整车控制策略与能量管理技术分析发展趋势了解电动汽车技术的最新发展方向和市场趋势，培养前瞻性思维电动汽车的分类纯电动汽车BEV完全依靠电池储存的电能驱动，无内燃机，零排放，具有结构简单、能量转换效率高等特点代表车型包括特斯拉Model系列、比亚迪汉EV等混合动力电动汽车HEV同时装备内燃机和电动机，内燃机为主要动力源，电动机作为辅助，不能外部充电代表车型如丰田普锐斯、本田雅阁混动等插电式混合动力电动汽车PHEV同时装备内燃机和电动机，可外部充电，具有一定纯电动行驶里程代表车型如比亚迪唐DM、宝马5系插电混动等燃料电池电动汽车FCEV使用氢燃料电池发电驱动电机，排放物仅为水，具有加注快速、续航长等优点代表车型如丰田Mirai、现代NEXO等电动汽车的优势与挑战环境优势经济优势技术挑战零排放或低排放，减少温室气体和空气污能源效率高，电能到机械能的转换效率可续航里程限制，目前主流电动车续航在染物排放根据研究，即使考虑电力生产达以上，而传统内燃机效率通常只公里，仍低于燃油车80%300-600的排放，电动汽车的全生命周期碳排放仍有20-30%充电基础设施不足，尤其在农村和欠发达低于燃油车维护成本低，电动机结构简单，无需频繁地区电池技术仍需突破，包括能量密度噪音污染小，提高城市生活质量，特别是更换机油、火花塞等部件，长期使用成本、充电速度和使用寿命等在人口密集区域优势明显电动汽车动力系统的基本组成电机驱动系统电源系统电机及其控制器2动力电池包及电池管理系统1BMS电力电子变换器转换器、逆变器等DC-DC3辅助系统5热管理系统、车载充电机、能量回收系机械传动系统统4减速器、差速器等传动部件电动汽车的动力系统是一个高度集成的复杂系统，各子系统之间通过整车控制器协调工作，保证车辆的高效、安全运行与传统汽车相比，电动汽车动力系统的控制复杂度更高，但结构更为简洁动力电池系统电池类型电池性能指标电池组结构123铅酸电池成本低但能量密度低，主要能量密度单位质量或体积所能存储的电池组由多个电池模块并联或串联组成用于早期电动车或辅助电源能量，决定续航里程目前三元锂电池，模块之间设有绝缘层和冷却系统高可达电压系统通常工作在范围，250-300Wh/kg300-800V镍氢电池能量密度较高，安全性好，需特殊防护措施多用于混合动力车辆功率密度单位时间内可输出最大功率，影响加速性能锂离子电池目前主流，能量密度高，循环寿命长，有多种类型如三元锂、磷循环寿命电池可充放电的次数，当前酸铁锂等先进技术可达次1500-2000锂离子电池工作原理电池结构锂离子电池由正极如钴酸锂、磷酸铁锂等、负极通常为石墨、电解质和隔膜四部分组成正负极之间的电位差是电池能量的来源充电过程充电时，外部电流促使锂离子从正极脱嵌，通过电解质迁移至负极并嵌入碳层间同时电子通过外电路从正极流向负极，实现能量存储放电过程放电时，锂离子从负极脱嵌，经电解质迁移回正极并重新嵌入电子则通过外电路从负极流向正极，驱动负载工作，释放能量老化机制电池老化主要表现为容量衰减和内阻增加，原因包括膜生长、SEI活性物质损失、结构变化等温度、充放电速率和深度都会影响寿命电池管理系统（）功能BMS温度监测与管理均衡管理状态估计监测电池组各部位温度，控监控电池组中各单体电池状通过算法估算电池的荷电状制冷却系统工作，防止电池态，实施主动或被动均衡，态SOC、健康状态SOH和过热或温度不均典型的工防止个别电池过充或过放功率状态SOP，为驾驶员提作温度范围为15-45℃，超单体电池之间的电压差异越供续航里程预测，同时为整出范围会损害电池寿命或引小，整个电池组的使用效率车控制系统提供决策依据发安全问题越高安全保护监控电池系统异常情况，如过充、过放、过流、短路、过热等，并采取相应保护措施，必要时切断主回路以保障安全电机驱动系统概述整车控制策略匹配驾驶需求与效率优化1电机控制算法2调速、转矩控制与效率优化电力电子变换器3DC-DC变换、DC-AC逆变电机及传动机构4电能转化为机械能电机驱动系统是电动汽车的核心动力来源，负责将电池储存的电能转换为驱动车轮的机械能与传统内燃机相比，电机具有启动转矩大、响应速度快、调速范围宽、能量回收等显著优势现代电动汽车通常采用高集成度的电驱动系统，将电机、电机控制器和减速器集成在一起，形成紧凑的驱动单元，大幅提高空间和重量效率电机类型及其特点永磁同步电机交流异步电机开关磁阻电机PMSM IMSRM永磁体产生主磁场，具有效率高最高可达结构简单、成本低、可靠性高，但效率略无永磁体和转子绕组，结构坚固、成本低、功率密度大、控制性能优异等特点低，功率密度较小在高速运行、耐高温，但存在噪声大、转矩脉动明显97%92-94%但永磁材料成本高，高温下可能退磁时具有较好性能，适合经济型电动汽车等缺点控制复杂性高，但在恶劣工况下目前是主流高性能电动汽车的首选电机类特斯拉早期车型多采用此类电机具有优势，适合特殊应用场景型电机控制器工作原理信号采集1采集电池电压、电流、电机转速、位置、温度等信号，通过各类传感器获取实时运行数据，精度和抗干扰能力对控制效果至关重要控制算法2基于获取的数据，执行FOC（磁场定向控制）或DTC（直接转矩控制）等算法，计算出最优的PWM控制信号高性能电机控制器采用多核处理器，执行频率可达数十kHz功率驱动3通过IGBT或MOSFET等功率器件将控制信号转换为大功率驱动信号，控制电机运行现代电机控制器多采用SiC或GaN等宽禁带半导体，提高效率和功率密度保护与诊断4实时监控系统状态，在过流、过压、过温等故障发生时迅速采取保护措施同时具备自诊断功能，能识别系统异常并上报整车控制器电力电子变换器电力电子变换器是连接电池和电机的关键接口，负责电能形式的转换主要包括变换器和逆变器变换器将电池输出DC-DC DC-AC DC-DC的不稳定电压转换为稳定电压，提供给车载低压系统或作为逆变器输入逆变器将直流电转换为驱动电机所需的交流电，控制电流幅值、频率和相位，实现对电机的精确控制现代电动汽车逆变器多采用三DC-AC相全桥结构，工作频率可达以上，效率最高可达20kHz98%宽禁带半导体材料、的应用大幅提高了电力电子变换器的效率、功率密度和耐温性能，是当前技术发展重点SiC GaN动力传动系统电机输出轴1连接电机与减速器，传递电机输出的转矩减速器2降低转速，增大输出转矩差速器3分配转矩，允许左右车轮转速差驱动轴4将转矩传递至车轮电动汽车的动力传动系统与传统汽车相比大幅简化，通常只需单级或双级减速器，无需复杂的多挡变速箱这得益于电机宽广的转速范围和平坦的转矩特性曲线减速器常用的结构包括行星齿轮、平行轴齿轮和谐波齿轮等高性能电动汽车通常使用减速比在8:1至10:1范围内的单级减速器，兼顾加速性能和高速效率能量回收系统加速能耗爬坡能耗空气阻力滚动阻力车辆辅助系统可回收能量能量回收系统再生制动是电动汽车的重要特性，能够在车辆减速或下坡时将动能转换回电能存储到电池中该系统通过控制电机反向工作为发电机，将机械能转换为电能能量回收效率受多种因素影响，包括电机效率、电池充电特性、车速和制动强度等通常在中低速、中等制动强度下回收效率最高，可达60-70%在城市工况下，能量回收可提升15-25%的续航里程先进的能量回收系统采用智能制动分配策略，根据道路条件、车速和制动需求自动调整回收强度，最大化回收效率同时保证制动舒适性车载充电系统

3.3最低功率kW家用慢充最低功率22常见功率kW公共交流充电桩典型功率200快充最高功率kW超级充电站最大功率30充满时间分钟快充条件下充至80%所需时间车载充电系统包括充电接口和车载充电机，负责将外部交流电转换为适合电池充电的直流电车载充电机主要包含EMI滤波器、PFC电路、DC-DC变换器等部分，工作效率通常在92-96%范围内现代电动汽车通常同时支持交流慢充和直流快充交流充电时，车载充电机起主要转换作用；直流快充时，外部充电桩直接向电池提供直流电，绕过车载充电机，实现更高功率充电热管理系统电池热管理电机热管理控制电池温度在最佳工作范围，防15-45℃12控制电机温度不超过允许范围通常低于止温度过高或过低冷却方式包括风冷、液，避免绝缘材料损坏和永磁体退磁120℃冷和相变材料冷却，高性能电动车多采用直冷却方式主要包括水冷和油冷两种接液冷方案乘员舱热管理电力电子器件热管理负责乘员舱的制热、制冷，通常采用热泵技控制功率模块温度，降低导通损耗，提高可术，能效比高于传统电阻加热，可显著提升43靠性典型的冷却方式包括冷板液冷和双面寒冷环境下的续航里程冷却技术热管理系统对电动汽车的性能、续航和寿命至关重要先进的热管理系统往往将各子系统整合为一体，实现热能的级联利用，大幅提高整车能效整车控制系统决策层协调层执行层基于驾驶需求和车辆状协调各子系统工作，保各子系统控制器接收指态，确定整车运行模式证动力性、经济性和安令并执行具体操作，同和关键参数，如动力分全性的平衡通过时将反馈信息上报包CAN配策略、能量管理策略、、等车载括、电机控制器、LIN FlexRayBMS等采用模型预测控制网络进行通信，响应时制动控制器等，执行频等算法优化系统性能间通常在毫秒级率可达数百赫兹整车控制系统是电动汽车的大脑，负责协调各子系统工作，实现最优的性能、舒适性和安全性现代电动汽车控制系统普遍采用分层分布式架构，集成了大量的传感器和智能控制算法最新的整车控制系统还融合了人工智能技术，能根据驾驶习惯和环境条件自适应调整控制策略，提供个性化的驾驶体验动力系统集成技术机械集成将电机、减速器和差速器集成为紧凑型驱动单元，减少传动链损失，提高空间利用率如三合一电驱动系统，体积比传统方案减少，重量减少25-30%15-20%热集成整合电池、电机和电力电子器件的冷却回路，实现多级热能利用先进系统可将电力电子冷却产生的热量用于电池预热或客舱加热，提高整体能效电气集成高度集成化的电力电子系统，将变换器、逆变器和充电机功能集成在DC-DC一个模块中，共用功率器件和冷却系统，降低成本和体积控制集成基于域控制器架构的集成式控制系统，统一管理动力域内各系统，减少控制器数量，提高系统响应速度和可靠性电动汽车性能指标续航里程km百公里加速s最大爬坡度%续航里程是消费者最关注的指标，由电池容量、整车能耗和驾驶条件共同决定NEDC、WLTP和CLTC等测试标准下的续航数据各有差异，实际道路续航通常低于标称值15-30%加速性能通常用0-100km/h加速时间表示，电动车因具有全转速范围的最大扭矩特性，通常比同级别燃油车加速更快高性能电动车已实现2秒内破百的惊人成绩爬坡能力反映车辆的最大驱动力，与电机峰值扭矩、减速比和整车质量等因素相关现代电动汽车一般能够轻松应对30%的坡度，满足日常使用需求电动汽车能量管理策略基于规则的策略1采用预设规则和阈值进行控制，实现简单直观，但难以适应复杂多变的工况，且难以实现全局优化适用于结构简单的电动汽车系统实时优化策略2基于瞬时工况和系统状态求解最优控制，计算量适中，适应性强，但难以考虑长期优化目标是目前主流量产电动车普遍采用的方法预测控制策略3结合导航信息和历史数据预测未来行驶条件，实现前瞻性能量分配可显著提升能效5-10%，但对数据和算力要求高学习型控制策略4应用强化学习等AI技术，通过不断学习优化控制策略能适应不同驾驶风格和环境，实现个性化能量管理，是未来发展方向电动汽车充电技术交流慢充直流快充AC DC功率范围

3.3kW-22kW，充电时间6-12小时取决于电池容量利用功率范围50kW-350kW，充电时间20-60分钟充至80%外部充车载充电机将AC电转换为DC电成本低，适合家庭和办公场所使用标电桩直接提供DC电给电池，绕过车载充电机适合长途旅行中途补能标准接口包括Type1北美、日本和Type2欧洲、中国准接口包括CCS、CHAdeMO和中国GB/T无线充电换电技术功率范围

3.3kW-20kW，充电效率85-93%基于电磁感应或磁共振更换时间3-5分钟，相当于传统加油时间通过自动化设备快速更换整个原理，无需物理连接目前主要应用于试点项目和特定场景，未来有望实电池包可有效解决快充热管理难题和电池寿命问题，但标准化和基础设现行驶中动态充电施投入巨大电动汽车安全性设计电气安全1高压系统设计符合等标准，包括绝缘监测、泄漏电流检测、自动断电保ISO6469-3护等现代电动车通常采用两级安全设计，包括被动绝缘和主动监测相结合电池安全2电池包设计包括多级防护机制单体电池安全设计、模块级热扩散阻隔、电池包整体防护结构以及热失控检测与预警系统先进设计可将单体热失控控制在局部范围内碰撞安全3碰撞后电池系统自动断电，电池包结构设计避免变形侵入乘员舱高强度电池保护框架可承受严重碰撞而保持完整性各主要市场均要求通过严格的碰撞测试热管理安全4多重温度传感器实时监测，冷却系统故障检测与冗余设计先进系统可预测热失控风险并主动降功率或停止运行，防止热事故发生动力电池回收与再利用梯次利用电池退役用于储能、备用电源等2当容量低于初始值的170-80%拆解分选拆解为模块单体并分类/35材料再生产材料回收制造新电池或其他产品4回收有价金属如钴、镍、锂电动汽车动力电池经过年车用寿命后，仍保留的初始容量，可梯次利用于对功率密度要求较低的领域，如固定式储能、备用电源等，延长5-870-80%使用寿命年8-10动力电池材料回收技术主要包括火法冶金、湿法冶金和直接再生法先进工艺可实现钴、镍的以上回收率和锂的以上回收率中国已建立较98%80%完善的动力电池回收体系，年回收量达万吨202220电动汽车与智能电网技术智能充电虚拟电厂V2G车辆到电网技术允许电根据电网负荷状况、电价和用户需求自动将大量分散的电动汽车组合成虚拟电厂，Vehicle-to-Grid动汽车不仅从电网获取电能，还能在必要调整充电功率和时间例如，在电网低谷集中管理其充放电行为，参与电力市场交时向电网反向供电这使电动汽车成为移期充电，既降低用电成本，又缓解电网压易这为车主创造额外收益，同时为电网动储能单元，可参与电网调峰调频，提供力研究表明智能充电可减少的充电提供灵活性，帮助消纳更多可再生能源30%紧急备用电源成本电动汽车相关标准与法规领域中国标准国际标准电池安全GB/T31467ISO6469-1充电接口GB/T20234IEC62196电气安全GB/T18384ISO6469-3EMC要求GB/T18387IEC61000性能测试GB/T18386ISO8714通信协议GB/T27930ISO15118标准化是电动汽车产业发展的关键基础目前，电动汽车标准体系主要涵盖整车、动力电池、电机驱动、充电设施等方面中国已建立了较完整的标准体系，包括300多项标准，并积极参与国际标准制定各国排放法规日益严格，推动电动汽车加速发展欧盟2025年实施的Euro7标准将进一步收紧排放限值，中国实施的双积分政策要求车企提高新能源汽车比例，美国多州跟随加州进行零排放汽车转型电动汽车市场现状与趋势中国市场万辆欧洲市场万辆北美市场万辆中国已成为全球最大的电动汽车市场，2023年销量达820万辆，占全球市场份额超过60%欧洲市场受政策推动稳步增长，北美市场在新政策支持下加速发展市场结构方面，乘用车以三元锂电池为主的中高端车型和磷酸铁锂电池为主的经济型车型并行发展商用车领域，公交客车电动化率已超过70%，物流车和重卡电动化加速推进典型电动汽车案例分析特斯拉比亚迪汉蔚来Model3EV ET7采用后置单电机经济版或前后双电机高采用前后双电机四轮驱动结构，使用刀片采用前永磁同步后异步电机结构，提供+性能版结构，电池容量，电池磷酸铁锂技术，电池容量固定电池和半固态电池60-75kWh

76.9kWh100kWh150kWh续航使用或，续航电池采用选项，续航可达配备四NEDC450-600km18650NEDC605km Cell-to-NEDC1000km圆柱电池，电池热管理采用蛇形冷技术，体积利用率提升搭载合一电驱动系统，集成电机、变速器、电2170Pack50%却管道设计整车控制采用集中式架构，碳化硅功率模块，整车效率显著提升控和减速器大量使用技术更新车辆功能OTA最大特点是创新的电池租用和换电模式，最大特点是软件定义能力强，车辆性能可最大特点是电池安全性高，通过针刺测试用户可在分钟内完成换电，有效解决充3通过软件更新持续提升，充分体现电动汽不起火不爆炸，解决了消费者对电动车安电时间长的问题，提供类似传统加油的使车的智能化特性全的顾虑用体验电动汽车技术发展方向电池技术突破全固态电池预计年实现量产，能量密度提升至，充电时2025-2027350-400Wh/kg间缩短至分钟以内钠离子电池将在低成本领域取代部分锂离子电池应用未来十15年，锂空气电池、锂硫电池等新体系可能实现商业化--电驱动系统革新碳化硅功率器件全面应用，逆变器效率提升至以上及以上高压平台成99%800V为标准，充电功率提升至以上多相电机和轮毂电机技术成熟应用，驱动350kW效率和灵活性大幅提升智能化与网联化软件定义汽车成为趋势，硬件标准化、功能软件化基于大数据和的电池健AI康管理将使电池寿命延长车路协同技术可优化能耗，提升续航30%10-15%里程系统集成创新多能融合技术将实现车内温度调节与电池热管理的高效协同电驱三合一向电驱四合一甚至五合一升级，大幅提升系统集成度和空间效率实验与实践内容介绍本课程包含一系列实验与实践内容，旨在加深学生对理论知识的理解，培养动手能力实验内容涵盖电池测试与表征、电机性能测试、控制器编程与调试、整车动力系统集成等方面学生将有机会使用专业测试设备，如电池测试系统、电机测试台架、功率分析仪等，进行实际操作同时，通过使用等仿真工MATLAB/Simulink具，建立电动汽车动力系统模型，进行性能仿真与优化课程还安排有企业参观和实习机会，让学生了解电动汽车生产制造流程和最新研发动态，增强理论与实践的结合，培养解决实际工程问题的能力总结与展望可持续发展绿色能源与电动交通融合1技术创新2电池、电机、电控全面突破产业变革3价值链重构与商业模式创新基础研究4材料科学与系统工程学科支撑电动汽车动力系统是一门跨学科技术，涉及电气工程、机械工程、材料科学、控制工程等多个领域通过本课程的学习，同学们应该掌握了电动汽车动力系统的基本原理、关键技术和发展趋势电动汽车产业正处于快速发展期，技术迭代加速，产业链正在重构作为未来的工程师，同学们应持续关注行业动态，保持学习能力，同时培养系统思维和创新意识，为推动交通电动化和能源清洁化贡献力量随着电动汽车渗透率的不断提高，相关人才需求旺盛希望同学们通过本课程的学习，打下坚实的理论基础，为未来职业发展做好准备。