6电动汽车的结构和工作原理

第六章电动汽车的结构和工作原理•第一节纯电动汽车•第二节混合动力电动汽车•第三节燃料电池电动汽车•教学目的和要求：•掌握电动汽车分类、工作原理、特点、发展趋势。•本章重点：•混合动力汽车•本章难点：•燃料电池汽车•教学内容要点：第一节纯电动汽车•定义：•是由车载可充电蓄电池提供电能、由电动机驱动的汽车（BEV）。•纯电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱。一、纯电动汽车的分类•1．按照是否有辅助动力源分类•（1）用纯蓄电池作为动力源的纯电动汽车•（2）装有辅助动力源的纯电动汽车•辅助电力源有超级电容器或发电机组，用来改善起动性能和增加续驶里程。•2．按照蓄电池的种类不同分类•铅酸蓄电池电动汽车•锂离子电池电动汽车•镍-氢电池电动汽车等•3．按动力驱动控制系统的结构型式不同分类•直流电动机驱动的电动汽车•交流电动机驱动的电动汽车•双电动机驱动的电动汽车•电动轮电动汽车二、纯电动汽车的结构与工作原理•组成：•电力驱动系统：控制单元、驱动控制器、电动机、•机械传动装置和车轮等•电源系统：蓄电池电源、能量管理系统和充电控制器•辅助系统：辅助动力源（辅助电源和DC／DC功率转换器）、动力转向系统、驾驶室显示操纵台和辅助装置（照明、各种声光信号装置、车载音箱设备、空调、刮水器、风窗除霜清洗器、电动门窗、电控玻璃升降器、电控后视镜调节器、电动座椅调节器、车身安全防护装置控制器等）等•控制单元根据加速踏板和制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出相应的控制指令，对电动机进行启动、加速、减速、制动控制。三、纯电动汽车的布置型式•电动汽车的总体布置较灵活。从电气控制的角度讲，在汽车总体布置时，应使电源到控制器再到电动机之间的大电流回路的导线尽可能短，以减小回路的电压损失，保证汽车的动力性和行驶里程的要求。•1、电动机中央驱动•特点：•汽车的结构与传统布置相近，可以在内燃机汽车的基础上改装，其传动装置和技术较成熟。只需一只驱动电动机，控制电路较简单。•2、电动轮驱动•将电动机及相应的减速器布置在车轮上。•特点：•省略传动轴和差速器等装置，简化了传动系统结构。但是需要两只或四只电动机，控制电路较复杂，将电动机与车轮制成一体，必然加大汽车悬架的质量。•3、电动机一驱动桥组合式•取消了离合器和变速器，但具有减速差速机构，由1台电动机驱动两车轮旋转。•优点：继续沿用当前发动机汽车中的动力传动装置，只需要一组电动机和逆变器。这种方式对电动机的要求较高，不仅要求电动机具有较高的起动转矩，而且要求具有较大的后备功率，以保证电动汽车的起动、爬坡、加速超车等动力性。•4、双电动机驱动式•将电动机装到驱动轴上，直接由电动机实现变速和差速转换。•特点：•对电动机有较高的要求，要求有大的起动转矩和后备功率，同时不仅要求控制系统有较高的控制精度，而且要具备良好的可靠性，从而保证电动汽车行驶的安全、平稳。四、纯电动汽车的应用•1．我国自主开发的EV•（1）天津清源纯电动汽车•配置自主开发双离合器两挡自动变速箱和磷酸铁锂动力电池，系统集成度、可靠性、整车性能进一步提高，产品通过了型试认证，已得到美国经销商的认可。•（2）天津一汽夏利汽车股份有限公司•天津一汽以夏利“幸福使者”为基础平台开发的电动轿车。•采用150A·h的镍-氢蓄电池，•用直流电动机驱动，通过总线CAN系统对汽车的各个总成进行控制。•最高车速50km/h，最大爬坡度15％，续驶里程80km。（3）株洲时代集团的TEG6120EV-2型电动大客车TEG6120EV-2型电动大客车有38个座位，TEG6120EV-2型电动大客车采用水平铅酸电池为电力电源，电池管理系统对电池组的SOC进行监控计算。驱动电动机为三相交流异步电动机，采用直接转矩/矢量控制技术进行控制，使电动机控制在最佳工况下运转，整车采用ECU控制器和总线系统CAN对整车进行全网络化控制。•2．国外汽车公司开发的EV•（1）美国通用汽车公司EV-1电动轿车•EV-1型电动轿车使用85％的电池组电量时，EPA城市循环行驶里程112km，高速公路行驶可达144km。•（2）日本丰田汽车公司的RAV4-EV•在市内道路行驶条件下，其最高车速可达125km/h，一次充电后的续驶里程为215km。RAV4-EV采用免维修密封型Ni-MH动力电池组，总电压288V。动力电池组采用强制性空气冷却，动力电池组装在底盘中部和座椅的地板下面，可以保证车厢有宽大的乘坐空间，驱动电动机为永磁电动机，效率高，体积小，最大输出功率为45kW。汽车制动时，电动机转换为发电机回收制动能量。五、纯电动汽车的特点和发展方向•1、特点•优点:•纯电动汽车具有无污染、噪声低、结构简单、使用维修方便、能源效率高-电动汽车停车时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用,多样化等。缺点:•动力电源使用成本高、续驶里程短。•2、发展方向•纯电动汽车发展的关键在于电池，攻关重点集中在提高电池性能、降低成本。•纯电动汽车的发展重点趋向小型乘用车；大型公交车、市政、邮政等特殊用途车辆。•纯电动汽车大规模进入市场为时尚早。在车载电源得到解决后，电动汽车必然会迅速地发展。•我国纯电动汽车基本掌握整车动力系统匹配与集成设计、整车控制技术，样车的动力性和能耗水平与国外相当。•在小型纯电动汽车和大型公交车方面实现了小规模生产和示范运行。•存在一些主要问题：•整车产品在续驶里程、可靠性和工程化上；•电池的比能量、安全性、可靠性、使用寿命等方面在满足整车要求上；•机、电池所需部分部件、材料要国产化，同时在控制器基础硬件、芯片、高速CAN网关和信号处理放大部件、电动附件还没有成熟的产品可用，成本高，也依赖进口。第二节混合动力电动汽车•定义：•混合动力汽车是能够从至少两类车载储能装置（传统的汽、柴油机和电池与电动机）中获得动力的汽车（HybridElectricVehicle—HEV）。一、混合动力电动汽车的分类•1、混合动力汽车动力系统结构类型分类•（1）串联式混合动力汽车•车辆行驶系统的驱动力只来源于电动机的混合动力汽车。•（2）并联式混合动力汽车•车辆行驶系统的驱动力由电动机及发动机同时或单独供给的混合动力汽车。•（3）混联式混合动力汽车•具备串联式和并联式两种混合动力系统结构的混合动力汽车。2、混合动力汽车混合程度分类•（1）微度混合动力汽车（MicroHEV）•以发动机为主要动力源，电动机的峰值功率和发动机的额定功率比≤5%，只具备停车停机功能的混合动力汽车。•（2）轻度混合动力汽车（MildHEV）•以发动机为主要动力源，电动机作为辅助动力，电动机的峰值功率和发动机的额定功率比为5%~15%，电动机可向车辆行驶系统提供辅助驱动力矩，但不能单独驱动车辆行驶的混合动力汽车。•（3）中度混合动力汽车（MediumHEV）•以发动机和/或电动机为动力源，电动机的峰值功率和发动机的额定功率比为15%~40%，低速时可电机独立驱动的混合动力汽车。•（4）重度/全混合动力汽车（FullHEV）•以发动机和/或电动机为动力源，电动机的峰值功率和发动机的额定功率比大于40%，电动机可以独立驱动车辆行驶的混合动力汽车。二、混合动力电动汽车的结构与工作原理•1、串联式混合动力电动汽车SeriesHybridElectricVehicle（SHEV）•发动机仅仅用于发电。•蓄电池也可以单独向•电动机提供电能来驱•动混合动力电动汽车•在零污染状态下行驶。••能量转换效率比传统汽车低。•应用：•适用于环保要求较高、车速低的城市大型客车使用。•2、并联式混合动力电动汽车ParallelHybridElectricVehicle（PHEV）•两套系统可以同时使用，•也可以独立使用。并联•式混合动力电动汽车不•需要发电机，发动机与•车轴直接连接，•与串联式混合动力电动汽车比：•具有效率高、能量损失小、排放性能差的特点。•应用：•适合于小型混合动力电动汽车。•3、混联式混合动力电动汽车SplitHybridElectricVehicle（PSHEV）•在市区低低速行驶时，•采用串联方式工作；•在高速行驶时，采用•并联方式工作。混联•式混合动力电动汽车•能够使发动机、发电•机、电动机等部件进•行更多的优化匹配，•保证了在更复杂的工•况下使系统在最优状•态下工作，更容易良•好的经济性和排放性。•4.不同类型的混合动力电动汽车类型的比较三、混合动力电动汽车的应用•1、日产Altima双电动机混合动力轿车•配备了2.5升双顶置凸轮轴四缸L4汽油发动机，平均耗油量为:34mile/USgal•2、福特Escape四驱混合动力系统•前轮驱动的标配为2.3L、直列四缸发动机，最大功率为133hp，城市工况和高速时每加仑燃油可分别行驶34mile和30mile。•四轮驱动的福特Escape同样配备了2.3L、直列四缸发动机，最大功率仍为133hp的混合发动机，它在城市工况和高速时每加仑燃油可分别行驶29mile和27mile。可任选自动或是手动的变速器。•3、长安杰勋混合动力汽车4、Prius混合动力电动汽车•（1）Prius混合动力电动汽车基本结构•采用发动机前置，4×2前轮驱动的布置形式。•采用经过强化后的INZ-FXE-1.5L、直列4缸、16气门，Atkinson循环“高膨胀比”的汽油发动机。•发动机的尺寸更加紧凑，采用铝合金缸体减轻了发动机的质量，使得INZ-FXE汽油发动机的效率比传统发动机的效率高80％。在汽车行驶速度低于20km/h时，发动机自动关闭，当电量不足时，发动机自行起动，对蓄电池进行充电，供应驱动电动机运行。•THS系统是一个单排单行星齿轮机构，其有三个“接口”单行星轮行星齿轮机构（THS）的驱动模式：•发动机输出轴与齿轮架相连接，•ISG与太阳轮相连接，•驱动电动机与内齿圈相连接，•实现：•（1）发动机驱动模式；•（2）发动机ISG双混合驱动模式；•（3）发动机、驱动电动机双混合驱动模式；•（4）发动机、ISG和驱动电动机三混合驱动模式；•（5）驱动电动机驱动模式；•（6）驱动电动机与ISG双混合驱动模式；•（7）发动机带动ISG发电；•（8）带动发动机起动；•（9）回收制动反馈能量等。•一般控制策略是起步或低负荷行驶时用电池电能驱动；•匀速行驶时由发动机提供动力；•加速行驶时，发动机与电池共同提供动力；•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。（2）普锐斯的维修知识•1)维修注意事项•①发动机维修注意事项•检查或维护发动机室时应遵守的注意事项：•a）电源开关ON位置时，普锐斯的发动机自动ON和OFF（仪表板的READY灯亮）。维护发动机室前，应该将HV主系统OFF。•b）解除检查模式前行驶可能损坏变速驱动桥。•c）在检查模式下，主警告灯点亮时，解除检查模式来检查诊断区域。①发动机维修注意事项•激活混合动力系统时应遵守的注意事项：•a）将电源开关切换为ON（在IG位置），断开蓄电池。如果重新连接时钥匙不在钥匙孔内，则可能输出DTCB2799。•b）蓄电池断开又重新连接或者警告灯亮起时，初次按下电源开关可能无法启动该系统，则再次按下电源开关可以启动。①发动机维修注意事项•使用智能测试仪Ⅱ时应遵守的注意事项：•a）使用前要仔细阅读使用手册。•b）测试汽车时需要两人配合：一人驾驶汽车，另一人操作测试仪。•c）智能测试仪Ⅱ连接在汽车上行驶时，要防止其电缆绞到换档杆、方向盘或踏板上。①发动机维修注意事项•初始化应注意的事项：•断开蓄电池负极（－）电缆后，当重新连接端子时，以下系统将被初始化，仅拆下蓄电池不能完成初始化。②混合动力控制系统维修注意事项•混合动力系统使用高压电路，不正确的操作可能导致电击、漏电，发生危险。操作高压系统时一定要断开电源：•a）确保电源开关关闭。•b）从辅助蓄电池上断开负极端子电缆。•c）必须戴绝缘手套。DTC（故障诊断码）也会被清除，因此断开电源之前必须检查DTC。•d）拆下检修塞。为防止其他技师重新连