第十章电动汽车与混合动力汽车技术

第十章电动汽车及混合动力汽车技术2•二、电动汽车的结构原理•电动汽车由车载电源（电池和充电器等）、驱动电机及控制器、车体（底盘和车身等）三部分组成。•由蓄电池输出电能（电流）通过控制器驱动电机运转，电机输出的转矩经传动系统带动车轮旋转。首页返回章返回节3•电动汽车的基本骨架应具备以下几点：•1）为了确保行驶安全性，提高维护保养性，采用低重心和免维护一体型蓄电池，并将其放在车身后部的车厢地板下。•2）为减轻车架质量，提高刚度，将大断面主车架设计成纵直车架。•3）为了确保车厢内部具有最大限度的乘员空间，最大限度地紧缩机械空间而采取将乘员空间与驱动系统动力源等完全分开的处置，将电动机、高压电气系统集中配置在车身前部。首页返回章返回节4•1.电动机•直流电机和交流电机两大类。•直流电机不需离合器、变速器，起步加速牵引力大，控制系统较简单，成本低，但需电刷和换向器，体积大、重量大。•交流电机（包括异步、同步、开关磁阻）体积小、质量轻、效率高、免维护、调速范围宽。首页返回章返回节5•2.控制系统•控制车辆各类工况下的行驶速度、加速度和能源转换情况。•包括电动机驱动器、控制器及各种传感器，其中最关键的是电动机逆变器。首页返回章返回节6•3.管理、监控系统•管理系统包括能源、安全管理系统。•能源管理系统包括车载充电器、行车时能源分配、能源再生。•安全管理系统包括各类信号检测及防误装置等。首页返回章返回节7•监控系统包括：•1）驾驶员信息中心（DIC）•汽车的各种参数显示，电池电量指示，放电情况监视及报警，车速、自动防抱、制动能量自动回收和电差速等。•2）车辆电子装置中心（VEC）•对动力-驱动系统监控，平稳调速，换挡提示，车灯监视，悬架控制，汽车电话等。首页返回章返回节8•三、电动汽车的总体布置•1.传统的驱动模式•1）电机替代发动机。•2）离合器、变速器、传动轴和驱动桥等。•3）电机前置、驱动桥前置；电机前置、驱动桥后置等。•4）结构复杂，效率低，不能充分发挥电机的性能。首页返回章返回节9•2.电动机-驱动桥组合式驱动系统•1）在电机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，形成电机-驱动桥组合式驱动系统。•2）电机前置、驱动桥前置；电机后置、驱动桥后置等。•3）传动机构紧凑，传动效率较高，安装方便。首页返回章返回节10•3.电动机-驱动桥整体式驱动系统•1）在电机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，电动机有一个空心轴，有一个驱动桥的半轴从电动机空心轴中通过。•2）电机前置、驱动桥前置；电机后置、驱动桥后置等。•3）传动机构紧凑，传动效率较高，可作为驱动桥布置在车架下面。首页返回章返回节11•4.轮毂电动机分散驱动系统•1）电动机装在轮毂中，有4×2和4×4两种布置方式，各个车轮之间的同步转动或差速转动由中央控制器的计算机系统控制。•2）4×2布置方式有双前轮驱动模式和双后轮驱动模式。•3）能腾出大量有效空间，便于总体布置。首页返回章返回节12•一、电动汽车驱动系统的基本构成•1.驱动系统的构成•电动汽车驱动系统由牵引电机、控制系统（包括电机驱动器、控制器和各种传感器），机械减速及传动装置、车轮等构成。首页返回章返回节13•2.驱动系统的类型•按驱动电机类型分类•1）直流驱动系统•直流电机控制系统较简单，效率较高、成本低、技术成熟，但需电刷和换向器，体积大、重量大。首页返回章返回节14•2）交流驱动系统•3）永磁同步电动机交流驱动系统•4）开关磁阻电动机驱动系统•欧美多用交流感应电动机，日本多用直流电动机。•交流感应电动机更有前途。•二、电动汽车驱动控制技术•希望能利用调整电动机磁通来保证电动机完成特定的运行，但需考虑电动机的工作效率。首页返回章返回节15•1.自控式同步电动机变频调速系统•能从根本上消除同步电动机转子振荡和失步的隐患。因为给同步电动机定子供电的变频装置的输出频率受转子位置检测器的控制，即定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相等，始终保持同步，不会由于负载冲击造成失步现象。首页返回章返回节16•2.直接转矩控制技术•用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩。采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。•3.感应电动机矢量变换控制系统首页返回章返回节17•三、电动汽车的能量管理与再生控制技术•1.能量管理系统•协调各功能部分工作，使有限的能量源最大限度得到利用。首页返回章返回节18•2.能量再生控制系统•电动机由于自身及其所带负载的惯性作用，切断电源后，不可能立即停止运转——可利用的剩余能源。•电动机制动方法：机械制动和电气制动。电气制动又有反接制动、能耗制动和再生发电制动。•在机械制动时，将电机的状态由控制系统改变为发电状态，在机械制动的同时，将能量的一部分转换为电池能量，减少机械制动系统的能量消耗。首页返回章返回节19•车用电机的发展趋势如下：–(1)电机本体永磁化：永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。–(2)电机控制数字化：专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机控制器的数字化，提高了电机系统的控制精度，有效减小了系统体积。–(3)电机系统集成化：通过机电集成（电机与发动机集成或电机与变速箱集成）和控制器集成，有利于减小驱动系统的重量和体积，可有效降低系统制造成本。20第三节混合动力汽车•一、混合动力汽车的特点•二、混合动力汽车的类型21•一、混合动力汽车的特点•同时拥有燃油驱动系统和电驱动系统。•低排放、低噪声、省油，有一定的续驶里程。•二、混合动力汽车的类型•1.串联式混合动力系统•发动机带动发电机，电能在控制器的调节下带动电动机运转以驱动车轮。•发动机始终在热效率高而排放较低的单一最佳工况行运转。首页返回章返回节22•发电机发出的功率超过电机（驱动车辆）的需要时（减速、低速行驶或短时间停车等），多余的电能向蓄电池充电。•发电机发出的功率低于电机（驱动车辆）的需要时（起步、加速、爬坡、高速行驶等），蓄电池向电机提供额外的电能，补充发电机功率的不足。首页返回章返回节23•串联式混合动力系统的优点：•1）发动机工作状态不受车辆行驶工况的影响，始终在最佳的工作区域内稳定运行，因此，发动机具有良好的经济性和低的排放性能。•2）发动机与电机之间无机械连接，整车的结构布置自由度大。•3）由于电机的功率大，制动能量回收的潜力大，从而提高能量效率。首页返回章返回节24•串联式混合动力系统的缺点：•1）发电机将发动机的机械能转变为电能，电机又将电能转变为机械能，电池的充电和放电都有能量损失，因此，发动机输出的能量利用率较低。•2）电机是唯一驱动汽车行驶的动力装置，因此，其功率要足够大。蓄电池既要满足驱动的要求，又要满足吸收能量的要求，需要较大的电池容量。所以电机和电池的体积和重量都比较大，使整车的重量较大。首页返回章返回节25•2.并联式混合动力系统•发动机和电动机可以分别独立地向汽车的驱动系统提供动力，也可以一起协调工作，共同驱动。•改进了串联系统最大功率不足的缺陷。首页返回章返回节26并联式混合动力电动汽车的特点：•发动机通过机械传动直接驱动汽车，无机-电能量转换损失，发动机输出能量的利用率相对较高。•当电机仅起功率“调峰”作用时，电机、发动机的功率可适当减小，电池的容量也可减小。•市区行驶时，可关闭发动机，污染小，但需电池的容量大。•传动机构较复杂。•发动机的运行工况会受车辆行驶工况的影响，发动机有可能不在最佳工作区域内运行，油耗和排放不如串联混合动力系统。首页返回章返回节27•3.串并联灵活驱动式混合动力系统•通过一种行星齿轮系统组成的动力分配装置，将整个系统耦合在一起，根据行驶工况灵活采取串联或并联方式，以达到热效率最高、排气污染最低的效果。•起步或低负荷时由电池电能驱动，匀速行驶时由发动机驱动，加速行驶时发动机和电池共同提供动力。•停车或滑行时，发动机带动发电机向电池充电，制动和减速时通过能量回收系统向电池充电。首页返回章返回节28电机发动机逆变器蓄电池发电机丰田Prius的THS混合动力系统12645378ToyotaHybridSystem起步：8-1-2-3-4起动：8-1-7-6-5起动后：5-6-7-1-8正常行驶：①不发电5-6-3-4②发电5-6-3-4；5-6-7-1-8或5-6-7-1-2低速行驶：发动机关闭，8-1-2-3-4加速或爬坡：混合驱动5-6-3-4；8-1-2-3-4减速行驶：发动机关闭4-3-2-1-8静止：5-6-7-1-8首页返回章返回节29第四节燃料电池汽车技术•1.概述•2.燃料电池的种类及特点•3.车用燃料电池的关键技术•4.燃料电池系统的构成及发电原理30燃料电池的主要类型电池类型工作温度燃料氧化剂电解质效率特点技术状态及应用碱性燃料电池（AFC）室温～200纯氢纯氧水氧化钾50％能量转化率高，高比功率、比能量，不适合地面使用高度发展，航天中已应用质子交换膜燃料电池（PEMFC）室温～200纯氢氧气、空气阳离子交换膜50％（60%~80%）可室温快速启动，无电解液流失，水易排出，寿命长，比功率与比能量高高度发展，适用于分散电站、电动车、潜艇推动、各种移动电源、家庭动力源。已有样车，需降低成本首页返回章返回节31电池类型工作温度燃料氧化剂电解质效率特点技术状态及应用直接燃料电池（DMFC）室温～200CH3OH空气磷酸载体离子交换膜40％能量转化率高，高比功率、比能量，不适合地面使用适用于手机、笔记本电脑磷酸燃料电池（PAFC）100～200重整气天然气、氢空气磷酸水溶液40％～50％建分散电站运行可靠度高，启动时间长，成本高（2500欧元/kw），余热利用价值低高度发展，适用于特殊需求、区域性分散电站，目前商业上已可得到200kw的系统首页返回章返回节32电池类型工作温度燃料氧化剂电解质效率特点技术状态及应用熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）600～700净化煤气、重整气、天然气空气磷酸锂碳酸55％具有建分散电站的优势，余热利用价值高适宜建区域性分散电站，需延长寿命，可靠性和腐蚀性有待解决固体氧化物燃料电池（SOFC）800～1000净化煤气、天然气空气氧化锆陶瓷50％全固体结构，无腐蚀和液体流失，寿命长。但工作温度高适宜建大、中型电站，分散电站，原料与成本仍需研究首页返回章返回节33•3.车用燃料电池的关键技术•1）质子交换膜（PEM）•是质子交换膜燃料电池的核心材料。•当前研究主要包括提高膜的质子交换容量。降低膜厚度以减小电阻，降低膜的制作成本以延长膜的使用寿命等。•目前应用最多的全氟磺酸型离子聚合物材料，如杜邦的Nafion、日本的Asahi等，800＄/m2，价格昂贵。首页返回章返回节34•2）电极催化剂•目前主要采用铂（Pt）为催化剂，对于电池电压的提高非常重要。•价格昂贵，会中毒而失去催化作用。•研究重点：一是提高Pt的利用率（目前只有20%），减少单位面积电极的使用量，增强抗CO中毒、抗衰老能力；一是寻找高效廉价的Pt替代品。首页返回章返回节35•3）双极板•现PEMFC广泛采用无孔石墨板，但制作工艺和机械加工工艺复杂，成本较高。•关键是材料的选择（耐腐蚀性、导电性好，接触阻力小，重量轻及价格低廉）、流体流动的流场设计及其加工技术。•4）燃料电池的组装•单个电堆输出的电压较小，需多个组装。•选择合适的电路连接方式，使内阻最低且避免短路。•如何向各燃料电池单元充分供应燃料和氧化剂。首页返回章返回节36•5）反应气体供给系统•PEMFC在运行时，反应气体往往会带入污染物，导致膜电极失效，因此必须采取措施减少污染物的进入。•6）水、热管理系统•主要问题：一是低温运转的燃料电池堆热量排出困难；二是燃料电池需要含水簿膜和阳极、阴极气体使质子转移以产生电力。0℃以下冷启动困难。首页返回章返回节37•4.燃料电池系统的构成及发电原理•1）质子交换膜燃料电池的构成•质子交