研究生课程车辆电子学之课件.ppt

1、 电动汽车 电动汽车的概述电动汽车的概述电动汽车的特点电动汽车的特点电动汽车的分类电动汽车的分类蓄电池电动汽车（蓄电池电动汽车（EVEV）燃料电池电动汽车（燃料电池电动汽车（FCEVFCEV）混合电动汽车（混合电动汽车（HEVHEV）电动汽车的关键技术电动汽车的关键技术电动汽车的结构及工作原理电动汽车的结构及工作原理 1 电动汽车的概述 电动汽车是与燃油汽车相对应的，1881年就出现了电动汽车。在20世纪20年代达到了鼎盛时期，然而在燃油汽车出现后电动汽车无论在整车质量、动力性能、行驶里程、机动性和灵活性方面愈来愈落后于燃油汽车。 在全球温室效应与能源问题逐渐受到各国政府的重视下，主要国家之污

2、染法规渐趋严格，因此对低污染车辆之需求势必增加。随着各种高性能蓄电池和高效率电机不断地出项，使人们把目光又转向了零污染或超低污染排放的电动汽车。从20世纪70年代起，新一代电动汽车脱颖而出，出现了各种高性能的电动汽车。 电动汽车是至少以一种动力源为车载电源，全部或部分由电机驱动，符合道路交通安全法规的汽车。它因车载动力系统不同可分为三类：以车载燃料电池为动力的燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle-FCEV） ；以车载蓄电池为动力的蓄电池电动汽车（ Electric Vehicle-EV ），亦称之为纯电动汽车；以车载多能源为动力的混合动力电动汽车（ Hybri

3、d Electric Vehicle-HEV），其动力来自2 个或2 个以上能源，如蓄电池，超级电容，飞轮电池，太阳能，内燃机，燃气轮机，斯特林发动机等。 2 电动汽车的特点 随着能源危机和环境污染的全球两大突出问题日益严重，特别是随电动汽车自身难点不断解决，使电动汽车具有更多突出特点。 (1)对环境无污染 (2)节能及能源多样化和综合利用 (3)结构简单和维护使用方便 3.1 蓄电池电动汽车（EV） EV是一种最好的零污染或超低污染的车辆，它没有噪声和振动，操作性能好等，远远地优先于燃油汽车，是当前开发和研制取代燃油汽车的首选车型。EV动力源采用蓄电池-电动机系统。 3.1.1 EV的基本组

4、成部分： (1) 车载电源 (2) 电池的管理系统 (3) 驱动电动机和驱动系统 (4) 控制技术 (5) 车身及底盘 (6) 安全保护系统3.1.2 EV的控制策略和控制系统3.1.3蓄电池电动汽车的发展 EV发展的瓶颈在于电池。近年来由于电池技术的制约使得EV发展速度有所缓慢。在车载电源得到解决后，电动汽车必会迅速地发展。 目前EV趋于小型化、个性化和家庭化发展，主要为家庭辅助用车或休闲用车。3.1.4 几种典型EV世界各国有各种微型和小型EV在使用。 韩国现代公司推出的蓄电池电动跑车n 美国洛杉矶车展法国文图瑞（Venturi）公司推出，集各种高端性能于一身，当今世界上最昂贵的一款电动车

5、。 n 3.2 燃料电池电动汽车（FCEV） 采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车即Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)。其动力源是用燃料电池发动机-电动机系统。燃料电池驱动系统是FCEV的核心部分，不同燃料作为动力源，发电机系统组成是有差别的。目前，多以压缩氢气或液化氢气及作为基本燃料。3.2.1介绍几种典型的燃料电池电动车 下面分别介绍以氢为燃料和以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统。并介绍通用的一款用氢气作为燃料的燃料电池电动汽车。以氢为燃料的燃料电池发动机系统氢气储存罐 氢气压力调节器热交换器氢气循环泵 5冷凝器、汽水分离器 水箱水泵空气压缩机空气

6、加湿、去离子过滤器燃料电池组11电源开关 12 DC/DC转换器 13逆变器 驱动电机以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统甲醇储存罐 重整器带燃烧气H净化器氢气净化泵 通用Hy-wire氢动三号由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。氢储存罐分为两种，一种罐内储存的是温度为-253C的液态氢，另一种罐内储存的是承受最高压力可达700Pa的高压氢气。一次充气行驶里程分别可达400公里和270公里。 通用Hy-wire氢动三号的电池组

7、3.2.2 FCEV的发展现状 燃料电池技术被认为是21 世纪首选的洁净、高效的发电技术，其具有能量转化效率高、不污染环境、使用寿命长等不可比拟的优势。但是由于目前燃料电池研究还没有取得重大突破，燃料电池电动汽车的发展也受到了限制。3.3 混合电动汽车（HEV） 从世界范围内电动汽车的发展过程看，电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车开始的。但由于纯电动汽车是从单独依靠蓄电池供电的，而目前动力电池的性能和价格还没有取得重大突破，因此，纯电动汽车的发展没有达到预期的目的。目前燃料电池研究还没有取得重大突破，燃料电池电动汽车的发展也受到了限制。 在此情况下，混合动力汽车成为电动汽车开发过

8、程中最有可能市场化的一种新车型，它将现有内燃机与一定容量的储能器件通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注。3.3.1 HEV的工作过程 HEV采用发动机-发电机和电动驱动系统。发动机的动力保证HEV正常行驶时所需要的基本动力。然后采用控制发动机转速范围、降低发动机的最高转速、保持发动机的稳定均衡地运转和“开关”的控制方式，使发动机避开启动、怠速和转速突然变化时，燃料燃烧不完全而引起的燃料经济性降低和增加有害气体的排放。HEV以电动机驱动作为辅助动力。一

9、般在HEV发动机启动、车辆启动、加速和爬坡时起作用。还起发电机的作用，使发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。3.3.1 HEV的主要技术组成 (1)发动机 采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。 (2)电动机 采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。 (3)电池 采用不同的蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器等。3.3.2按发动机和电动机的不同形式的组合可分为：(1)串联式混合动力电动汽车（SHEV）(2)并联式混合动力电动汽车（PHEV） (a) 发动机轴动力组合式 (b) 动力组合器组合

10、式 (c) 驱动轮动力组合式(3)混联式混合动力电动汽车（PSHEV） (a) 动力组合器动力组合式 (b) 驱动轮动力组合式 日本、美国开展了混合动力电动汽车的研究。混合动力电动轿车多采用并联和混联的结构型式不同，混合动力电动公共汽车的结构型式以串联为主。在1998 年，通用公司研制出的Gen2 斯特灵混和动力车，使用斯特灵发动机通用公司Gen2 混合动力样车 标致雪铁龙集团推出基于“柴油-电力”混合动力的两款展示车标致307和雪铁龙C4。这种混合动力车平均百公里能耗为3.4升柴油，二氧化碳的排放量为每公里90克。在高速行驶模式下为80g/km，与307及C4的柴油发动机车型相比，分别减少了

11、28和45。柴油混合动力车的燃效为29.4km/L，比汽油混合动力车提高25，每100km可节省1L左右的燃料。 混合动力系统由最大输出功率为66kW的1.6L柴油发动机、柴油颗粒过滤器（DPF）、起动器兼交流发电机、“Stop Start”系统、DC无刷马达、逆变器及镍氢充电电池构成。该系统配套使用6速手自一体变速箱。 3.3.3 柴油混合动力车 混合动力系统采用以发动机为主动力、利用马达进行辅助的并联驱动方式。当车速降到60km/h以下时，Stop Start系统就会停止发动机工作。马达可通过减速时回收能量来向电池蓄电，当车速在50km/h以下时仅凭马达行驶。在加速及电池没电时，便会自动切

12、换至发动机驱动。为了停止发动机工作后仍可凭借马达行驶，在发动机与马达之间采用了干式离合器。 马达在连续使用时的额定功率为16kW，可产生80Nm的扭矩。在超车等情况下进行暂时辅助时，最大输出功率为23kW，最大扭矩为130Nm。马达与逆变器连接，以210380V的电压驱动。在车辆后部通常用于配备备用轮的位置上配备了由240个电池单元构成的镍氢充电电池。充电电池的容量为6.5Ah，普通电压为288V。仅凭马达可持续行驶5km。 配备柴油混合动力系统的展示车,左为“标致307混合动力HDi，右为“雪铁龙C4混合动力HDi。雪铁龙C4柴油混合动力系统的构成示意图 柴油混合动力系统 1-1.6升Hdi

13、柴油发动机(最大输出功率为66kW) 2-柴油机微粒过滤器(DPF) 3-”停车-启动”系统 4-电动机(额定功率为16kW) 5- 6速手自一体变速箱 6-逆变器 7-低压电池 8-动力传输管理单元 9-高压电缆 10-高压镍氢充电电池(288V)柴油混合动力系统的驱动系统构成示意图“雪铁龙C4混合动力HDi”发动机室4 电动汽车的关键技术(1)多能源总成控制系统(2)超级电容器(3)电机及其控制系统(4)燃料电池发动机(5) 动力蓄电池4.1 多能源总成控制系统 一般都采用嵌入式计算机或高性能单片机作为主控计算机。就控制器的结构而言，国外主要经历了两代。第一代为集中式控制系统。说，用一台计

14、算机采集电动汽车所有的输入信号，通过处理、计算然后输出控制信号。第二代为分布式控制系统。这种方式是根据汽车的布局，在相对输入输出比较集中的某一部位，用一个高性能单片机，组成一个相对独立的模块，完成这一部位的信号采集和控制。4.2 超级电容器 超级电容器具在混合动力汽车和电动车停车时，由外接电源箱超级电容器充电时电容器积聚大量的电荷。然后在车辆行驶时，其释放电能放电来向驱动电动机提供电能。在这个过程中没有热和化学反应，不需要高速旋转的飞轮，不存在对周边环境的污染，也没有任何噪声，结构简单，质量轻，体积小，是一种更加理想的储能器。4.3 电机及其控制系统 电动汽车的电机驱动系统目前主要有3 种类型

15、： （1）异步电机驱动系统由于转子十分坚固，适合于高速运转。 （2）永磁同步电机驱动系统由于运行效率高，控制相对容易而被广泛应用。 （3）开关磁阻电机驱动系统具有一些很有特色的优点：电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，起动及低速时转矩大电流小，高速恒功率区范围宽、性能好，使系统总调速范围宽，在宽广的转速及功率范围内均有高效率（在汽车运行工况下的总体效率高）4.3 动力蓄电池 目前已在电动汽车上应用的动力蓄电池主要包括：阀控铅酸电池（VRLA）、镍-镉电池（Ni-Cd）、镍-锌电池（Ni-Zn）、镍基电池（Ni-MH）、锌空气电池（Zn/Air）、铝空气电池、钠硫电池、钠镍氯化物电池（Na-NiCl2）、锂聚合物电池（Li-Polymer）和锂离子电池。5 电动汽车结构与工作原理 电动汽车与普通燃油汽车相比，结构差异较大，工作原理也有明显的区别。电动汽车与普通汽车的主要区别是动力源的改变。6 电动汽车与内燃机汽车的比较项目电动汽车燃料电池电动车混合动力电动车内燃机汽车尾气排放无无少量多能量来源广较窄广窄能量转换率高高适中低高效工况区范围宽宽适中窄能量回收（再生制动）有有有无行驶里程短适中较长长