武汉理工新能源汽车结构与原理复习

混联式混合动力为提高气体燃料的能量密度，在汽车上使用天然气时，或是将天然气加压，或是将天然气液化。天然气压缩后储存在高压气瓶中放在车上相当于普通汽车的油箱，气瓶中气体的压力一般为20MPa，这就是所谓的CNGV(CompressedNaturalGasVehicle)，即压缩天然气汽车。将天然气在常压下-162℃时液化后装入低压保温容器中放在汽车上作为燃料，就是所谓的LNGV(LiquidNaturalGasVehiele)，即液化天然气汽车。在油田轻烃回收装置中处理天然气时和在石油炼制过程中都有一种以丙烷和丁烷为主的副产品。它们也是天然气组成的一部分，较易液化，在常压下是气态，也可做汽车燃料，这就是液化石油气LPG(LiquefiedPetroleumGas)。靠燃烧LPG获取动力的汽车叫液化石油气汽车，英文缩写为LPGV，习惯上也将LPGV作为天然气汽车的一种。氢气具有比任何燃料都高的比能量燃料比能量(Wh/kg)能量密度(Wh/L)压缩氢气a33600600液态氢气b336002400储氢镁24002100储氢钒7004500甲醇57004500汽油124009100a:环境温度@20MPa压力；b:低温环境@0.1MPa压力4.1.2燃料电池概述燃料电池用于FCEV时的不足◇燃料电池可持续发电，但不能开开停停。◇不能被充电，不能接受FCEV制动或下坡时所反馈的再生制动电能，需要配备其它形式的蓄电池来存储燃料电池的多余电能和制动或下坡时所反馈的电能。燃料电池分类质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCells，PEMFC；SolidPolymerFuelCells，SPFC）碱性燃料电池(AlkalineFuelCells，AFC)磷酸燃料电池(PhosphoricAcidFuelCells，PAFC)熔融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonateFuelCells，MCFC)固态氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCells，SOFC)直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCells，DMFC)4.2.2直接甲醇燃料电池使用甲醇燃料的PEMFC◇组成CH3OHH2OH2CO2◇工作原理甲醇与水混合和蒸发后，通过车载重整器转化为氢气和二氧化碳气体。重整反应：CH3OH+H2O→3H2+CO2净化器除去重整产物中使催化剂中毒的二氧化碳等有害气体.净化后的氢气供给PEMFC系统发电并生成可循环使用的纯水。甲醇容器蒸发器重整器净化器PEMFC水箱CO2H2H2O空气CH3OHH2O2.3.3类型铅酸电池◇阀控铅酸电池(VRLA)(2V)镍基电池◇镍—镉电池(Ni-Cd)(1.2V)◇镍—锌电池(Ni-Zn)(1.6V)◇镍氢电池(Ni-MH)(1.2V)金属空气电池◇锌空气电池(Zn/Air)(1.2V)◇铝空气电池(Al/Air)(1.4V)钠-β电池◇钠硫电池(Na/S)(2V)◇钠镍氯化物电池(Na/NiCl2)(2.5V)常温锂电池◇锂聚合物电池(Li-Polymer)(3V)◇锂离子电池(Li-Ion)(4V)电性能表征电池放电时电压特性的专业术语有以下几个:a、额定电压(或称公称电压)，系指该电化学体系的电池工作时公认的标准电压:b、工作电压，系指电池在某负载下实际的放电电压，通常是指一个电压范围;c、中点电压，系指电池放电期间的平均电压或中心电压:d、终止电压，系指放电终止时的电压值，视负载和使用要求不同而异。电性能5、电池容量及其影响因素电池的电容量，简称为容量，单位为库仑(C)或安时(Ah)。表征电池容量特性的专用术语有以下三个:a、理论容量理论容量系指根据参加电化学反应的活性物质电化学当量数计算得到的电量。通常，理论上1电化当量物质((1电化当量物质的量，等于活性物质的原子量或分子量除以反应物的电子数)将放出1法拉第电量，即96500C或26.8Ah。电性能b、实际容量实际容量系指在一定的放电条件下，即在一定的放电电流和温度下，电池在终止电压前所能放出的电量。c.额定容量额定容量系指在设计和生产电池时，规定或保证在指定的放电条件下电池应该放出的最低限度的电量。电性能电池的容量与电池的放电倍率、放电形式、放电终止电压和放电温度等放电条件有关。电池的放电电流强度用放电倍率(简称放电率)来表示。定义:电倍率=额定容量(Ah)/放电电流(A)也就是说，电池的放电倍率用放电时间来表示，或者说以一定的放电电流放完额定容量的电量所需的小时数来衡量。电性能例如:某电池的额定容量为100Ah，若用50A的恒流放电，则放完100Ah的电量需要2小时，我们说用2小时率放电，用符号“C/2”或“0.5C”表示。若用1小时率的恒流放电，放完100Ah的电量，放电电流为100A，用符号“1C”表示。所以放电倍率所表示的放电时间越短，即放电倍率就越高，放电电流越大。锂离子电池的数学模型锂离子电池建模的基础是如何确定锂离子电池的电动势、内阻的特性函数。这些特性函数的确定是基于电池荷电状态值SOC(StateofCapacity)变化关系的结果上得到的。比如：100Ah的容量，用了20Ah，简单认为soc=0.8电池放电至不能再放的时候，放电深度DOD达到100%锂离子电池的荷电状态值锂离子动力电池的两个基本特性:1、电池的容量与放电电流有关，放电电流越大，则在该电流下所能放出的有效容量就越少，这种特性简称容量特性2、电池的工作电压与放电的深度有关，放电电流及放电深度越大，电池的工作电压下降得越多，这种特性我们简称为电压特性2.3.9各种电池的比较※比较：特点电池类型主要优缺点发展潜力VRLA技术成熟、成本低廉、可实现快速充电、比功率高近期目标比能量低潜力巨大Ni-Cd技术成熟、可实现快速充电、比功率高近期目标成本高、比能量低潜力大Ni-Zn比能量高、比功率高、成本低中期目标循环寿命短潜力大Ni-MH比能量高、比功率高、可实现快速充电近期目标成本高潜力巨大Zn/Air机械式充电、成本低廉、非常高的比能量中期目标比功率低、不能接受再生制动能量潜力巨大Al/Air机械式充电、成本低、丰常高的比能量中期目标非常低的比功率、不能接受再生制动能量潜力低2.3.9各种电池的比较※比较：特点电池类型主要优缺点发展潜力Na/S比能量高、比功率高中期目标成本高、安全问题、需要热管理系统潜力一般Na/NiCl2比能量高中期目标成本高、需要热管理系统潜力大Li-Polymer非常高的比能量、高的比功率中期目标低温性能差潜力大Li-Ion非常高的比能量、非常高的比功率中期目标成本高潜力巨大充电特性2.2.7各种电机的比较驱动电机的基本性能比较项目直流电机感应电机永磁电机开关磁阻电机比功率低中高较高峰值效率(%)85~8994~9595~9790负荷效率(%)80~8790~9285~9778~86功率因数(%)-82~8590~9360~65恒功率区-1:51:2.251:3转速范围(r/min)4000~600012000~150004000~10000可15000可靠性一般好优良好结构的坚固性差好一般优良电机外廓大中小小电机质量大中小小电机成本($/kW)108~1210~156~10控制操作性能最好好好好控制器成本低高高一般3.2.2串联混合动力电动汽车的工作模式启动/正常行驶/加速模式发动机通过发电机和蓄电池一起输出电能并传递给功率转换器，然后驱动电动机，通过机械传动装置驱动车轮。发动机发电机功率转换器蓄电池电动机传动装置油箱电力接连机械连接液流连接3.2.2串联混合动力电动汽车的工作模式轻载模式发动机发出的功率大于车辆所需功率，多余的能量通过发电机给蓄电池充电直到SOC达到预定的限值。发动机发电机功率转换器蓄电池电动机传动装置油箱电力接连机械连接液流连接3.2.2串联混合动力电动汽车的工作模式减速/制动模式电动机把驱动轮的动能转化为电能，并通过功率转换器给蓄电池充电。发动机发电机功率转换器蓄电池电动机传动装置油箱电力接连机械连接液流连接3.2.2串联混合动力电动汽车的工作模式蓄电池充电模式停车时，发动机可通过发电机和功率转换器给蓄电池充电。发动机发电机功率转换器蓄电池电动机传动装置油箱电力接连机械连接液流连接并联式混合动力技术特点１）发动机、电机能同时驱动车辆２）适合一般公路工况３）发动机、电机速度与车速相关，控制复杂４）发动机不仅满足车辆能量需求，还要起驱动作用、电机起系统动力和能量调节作用５）电池配备较少，系统尺寸和重量小６）系统机电耦合方案较为复杂4.1.2燃料电池概述优点◇高效：无燃烧，能量转换不受卡诺循环的限制，效率高达50%~60%，通过对余热的二次利用，总效率可高达80%~85%，能量利用效率是普通内燃机的2~3倍。◇环境友好：清洁无污染，氢/氧燃料电池的产物只有水，属于零排放或接近零排放（考虑到燃料重整时）◇安静：无振动与噪声。◇可靠性高：无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。◇燃料补充迅速、易于获得。◇燃料电池的效率随输出功率变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行。燃料电池的效率在额定功率附近可达60％，部分功率下运行时效率会高于额定功率下的效率，可达约70%，过载功率下运行时效率略低于额定功率的效率，可达50~55％。◇过载能力强，更适合于汽车的加速、爬坡等工况。燃料电池的短时过载能力可达200％的额定功率。4.1.2燃料电池概述燃料电池与普通蓄电池的区别◇本质区别燃料电池是一种能量转换装置，在工作时必须有燃料输入，才能产出电能，不存在充电问题。普通蓄电池是一种能量储存装置，必须先将电能储存到电池中，在工作时只能输出电能，在工作时不需输入燃料。◇燃料电池通过不断供给燃料，可连续放电。普通蓄电池必须重复充电后才可重复使用，放电是间断的。◇燃料电池需要一套燃料储存装置或燃料转换装置和附属设备，才能获得氢气，燃料会随着电能的产生逐渐消耗，质量逐渐减轻。普通蓄电池没有其它辅助设备，不论是充满电还是放完电，其质量和体积基本不变。◇燃料电池产生电能时，反应物质不断地消耗不再重复使用，要不断地输入反应物质。普通蓄电池充放电时，活性物质反复进行可逆性化学变化，活性物质并不消耗。4.1.2燃料电池概述FCEV对燃料电池的要求◇由单元电池组成的燃料电池组的比能量不低于150~200Wh/kg，比功率不低300~400W/kg。达到或超过美国先进电池联合体(USABC)提出的电池性能指标水平。◇各种辅助装备的外形尺寸和质量应尽可能地减少，实现FC发动机小型化和轻量化，符合FCEV装车的要求。◇燃料充添方便迅速，燃料电池能打开进行电极、电解质和催化剂的维护和更换。◇可在常温条件下工作，不会发生燃料气体和电解液的泄漏或结冰，有可靠的安全性能。◇可在负荷变化情况下正常运转，能对FCEV行驶工况的变化快速响应。◇各种结构件有足够的强度和可靠性，能耐受FCEV行驶时的振动和冲击。爬坡时速度不能用最大车速，最大车速为100KM/H时，爬坡时应为15或20KM/H;最高车速：P1=(m*g*f*ua/3600+C*A*ua.^3/76140)/yi;最大坡度：P1=(m*g*f*ua/3600+m*g*d*ua/3600)/yi;最大加速度；取两者最大的做为1档功率，因为爬坡时车速较小，风阻可忽略；最大车速时一般不是在爬坡时获得的；电机额定功率P1a=15.0277P1b=16.6530P1c=31.06801KWH=3600KJ