新能源汽车技术

2020/4/20新能源汽车2020/4/20新能源汽车随着世界经济的快速发展，能源与环境已经成为人类发展和生存的重大问题。•内燃机汽车使用的燃料均为一次性能源，开发使用后便不可再生。•随着全球能源消耗的增加，地球的矿物能源已面临枯竭。•环境问题也日益突出，在世界各地的大、中城市，大气污染物中约40％～70％来自内燃机汽车的尾气排放。中国大城市的污染状况目前是全世界最为严重的，全世界空气污染最严重的20个城市中，有10个在中国。而中国华北、华东的大城市调查中，大气污染的70％来自于汽车的尾气排放。基于这些原因，新能源汽车就成为解决能源与环境问题的一个选择。2020/4/20新能源汽车按照使用能源的来源划分，新能源汽车的技术可分为五类。•一是基于传统石油燃料的节能环保汽车，如先进柴油车和混合动力汽车。•二是基于天然气和石油伴生品的燃气汽车。•三是燃料电池、氢动力汽车•四是纯电动汽车。•五是太阳能动力汽车。2020/4/20•定义–GB定义“由两种和两种以上的储能器、能源或转换器作为驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆称为混合动力汽车（HybridElectricVehicle,简称HEV）”，该定义称为广义的定义方式。混合动力汽车2020/4/20•混合动力汽车的组合形式混合动力汽车2020/4/20混合动力电动汽车的工作原理视频2020/4/20混合动力汽车•混合动力汽车将是短期和中期新能源汽车发展的主导力量,燃料电池汽车则是长期发展的重点。•结构形式主要有并联、串联和混联三种。•并联结构：将内燃机和电动机在汽车上并联起来可以提供三种驱动模式:内燃机直接驱动；电动机直接驱动；内燃机电动机同时驱动。•特点：能量利用率较高•驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响,因此不适于汽车行驶工况变化较多的场合。该驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。2020/4/20混合动力汽车（并联式）2020/4/20串联结构•电动机的驱动可以由电池完成,也可以是由内燃机完成,但不管由什么完成,电动机都是驱动汽车行驶的最终部件•内燃机是起辅助作用的，蓄电池通过控制器驱动电动机则是起主要作用•串联式结构可使发动机不受汽车行驶工况的影响,始终在其最佳的工作区稳定运行•串联式混合动力电动汽车特别适用于在市内低速运行的工况。在繁华的市区汽车在起步和低速时还可以关闭原动机,只利用电池进行功率输出,使汽车达到零排放的要求2020/4/20•将内燃机和电动机串联起来,同时也将蓄电池和电动机串联起来。2020/4/20混联结构•混联结构是串联式与并联式的综合。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。•在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主2020/4/20•目前，混合动力汽车分为传统的油电混合动力和插电式混合动力，这两者有着很大的不同。•丰田品牌和雷克萨斯品牌有多款这类车型多用传统混合动力•优点：节油、实用价值较高。特别是深度混合动力车型，城市油耗可以比同等级别汽油车低50%。这种技术对电池依赖性不大，因此可以得到广泛应用，在日本和北美，它的普及率很高。•缺点：能源仍来自石油。无论多好的混合动力技术，它的能量仍来自燃油，它只不过相当于把内燃机效率提高了而已，因此在节能本质上与前面说的柴油机没有区别，另外，从能量转换的角度讲长距离高速行驶基本不能省油。由于属于新技术，而且结构复杂，它的成本要明显高于内燃机，影响其普及2020/4/201传统油电混合动力2020/4/20插电式混合动力•插电式混合动力与传统的油电混合有着很大的不同。这种技术本质上可以看作是电动车，它绝大多数情况下是靠电力驱动的，但同时它配备了一台功率较小的内燃机，可以解决电动车续航里程不足的问题。•优点：短途使用零油耗、零排放、续航不成问题。其采用的电池类型和容量都不是传统混合动力车型可比的，大多数这类车型的理论行驶里程在100公里左右，实际使用里程也能有50公里左右，满足日常上下班没有问题。•缺点：仍需两套系统，电池容量大，成本高。与纯电动车一样，插电式混合动力仍需采用大量的电池，其电池容量比传统的混合动力车型要大得多，这种成本是硬性的，除非电池技术有突破，否则无法解决。另外与纯电动车相比，它还得加入内燃机系统，进一步增加了成本。2020/4/202020/4/20•拓展•按混合强度分：–弱混、中混、强混•按混合燃料分：–油电混合、油液混合•按混合位置分：–变速箱前置、变速箱后置混合动力汽车2020/4/20混合动力汽车的优点•较之纯电动汽车，混合动力汽车具有如下的优点：–(1)由于有原动机作为辅助动力，蓄电池的数量和质量可减少，因此汽车自身重量可以减小；–(2)汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平；–(3)借助原动机的动力，可带动空调、真空助力、转向助力及其他辅助电器，无需消耗蓄电池组有限的电能，从而保证了驾车和乘坐的舒适性。2020/4/20•较之内燃机汽车，混合动力汽车具有如下的优点：–(1)可使原动机在最佳的工况区域稳定运行，避免或减少了发动机变工况下的不良运行，使得发动机的排污和油耗大为降低；–(2)在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现零排放；–(3)可通过电动机提供动力，因此可配备功率较小的发动机，并可通过电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低汽车的能量消耗和排污。混合动力汽车的优点2020/4/20混合动力汽车2020/4/20混合动力汽车类型的比较项目串联式并联式混联式公路行驶燃油经济性较优优优城市行驶燃油经济性优较优优无路行驶燃油经济性较优优优低排放性能优较优较优成本低较低较低复杂程度简单较复杂复杂控制难易程度简单较复杂复杂2020/4/20不同类型混合动力汽车的特点结构模型串联式并联式混联式动力总成发动机、发电机、驱动电动机三大动力总成发动机、电动/发电机或电动机两大动力总成发动机、电动/发电机、电动机三大动力总成驱动模式电动机是唯一的驱动模式发动机驱动模式、电动机驱动模式、发动机-电动机混合驱动模式发动机驱动模式、电动机驱动模式、发动机-电动机混合驱动模式、电动机-电动机混合驱动模式传动效率能量转换效率较低传动效率较高传动效率较高制动能量回收能够回收制动能量能够回收制动能量能够回收制动能量整车总布置三大动力总成之间没有机械式连接装置，机构布置的自由度较大，但三大动力总成的质量、尺寸都较大，一般在大型车辆上采用发动机驱动系统保持机械式传动系统，发动机与电动机两大动力总成之间被不同的机械装置连接起来，结构复杂，使布置受到一定限制三大动力总成之间采用机械装置连接、三大动力总成的质量、尺寸都较小，能够在小型车辆布置，但结构更加紧凑适用条件适用于大型客车或货车，适应在路况较复杂的城市道路和普通公路上行驶，更加接近电动汽车性能适用于中小型汽车，适应在城市道路和高速公路上行驶，接近普通的内燃机汽车性能适用于各种类型的汽车，适应在各种道路上行驶，更加接近普通的内燃机汽车性能2020/4/20混合动力汽车关键技术•混合动力汽车以先进的控制技术为纽带，是传统燃油汽车与纯电动汽车的一种过渡性车型，其关键技术涵盖机电工程、电力电子、电化学、控制工程、汽车电子和车辆工程等多学科。混合动力汽车的关键技术包括驱动电动机及其控制技术、动力电池及其管理系统、整车能量管理控制系统、动力传动系统匹配、再生制动能量回收系统、先进车辆控制技术等。2020/4/20混合动力汽车关键技术（1）驱动电动机及其控制技术•电动机是电动汽车的心脏，重要性与发动机等同。•要求：能量密度高、体积小、重量轻、效率高。•研发主要集中在交流感应电动机和永磁同步电动机上–高速、匀速行驶工况，采用感应电动机驱动–经常起动、停车、低速运行的城市工况，永磁同步电动机驱动效率较高•控制技术包括大功率电子器件、转换器、微处理器以及电动机控制算法等2020/4/20混合动力汽车关键技术（2）动力电池及其管理系统•动力电池是混合动力汽车的基本组成单元，其性能直接影响驱动电动机的性能从而影响整车的燃油经济性和排放性能。它起着向电动机供能以及向动力传动系输出峰值功率的作用，其另外一个作用是吸收制动再生能量并将其存储起来。•能量回收制动(Regenerativebreaking)对提高混合动力汽车的总效率是非常有意义的。2020/4/20常见储能装置特性图燃料电池蓄电池飞轮超级电容液压蓄能器电容比功率比能量2020/4/20混合动力汽车关键技术（3）整车能量管理控制系统•主要功能是进行整车功率控制和工作模式的切换控制，整车能量控制系统如同混合动力汽车的大脑，指挥各个子系统协调工作，以达到效率、排放和动力性的最佳匹配，同时兼顾车辆行驶的平顺性。•根据驾驶员的操作，如加速踏板、制动踏板、变速杆的操作等，判断驾驶员的意图，在满足驾驶员需求的前提下，分配电动机、发动机、电池等动力部件的功率输出，实现能量利用率的最优管理，使有限的燃油发挥最大的功效。•能量控制还需考虑其他车载电气附件和机械附件的能量消耗，如空调、动力转向、制动助力能耗，以综合考虑整车的能量使用。2020/4/20混合动力汽车关键技术（4）动力传动系统匹配•混合动力汽车动力传动系统的参数匹配是混合动力汽车设计的一个重要内容，直接影响混合动力汽车的排放和燃油经济性能。它包括合理的选择和匹配发动机功率、动力电池容量和电动机的功率等，以确定车辆的混合度，来组成性能最优的混合驱动系统。2020/4/20混合动力汽车关键技术（5）能量再生制动回收系统•能量再生制动回收是混合动力汽车提高燃油经济性的又一重要途径，由于制动关系到行车安全性，如何在最大限度回收制动时的车辆动能与保证安全的制动距离和车辆行驶稳定性之间取得平衡，是再生制动回收系统需要解决的难题之一，再生制动回收系统与车辆防抱死制动系统的结合可以完美地解决这一难题。2020/4/20混合动力汽车关键技术（6）先进车辆控制技术在混合动力汽车上的应用•传统汽车的车辆动力学控制系统与混合动力控制系统以及制动能量回收控制的结合，将是混合动力汽车控制技术的下一个研究热点。•混合动力汽车的再生制动系统与传统汽车的ABS系统的结合•传统汽车的控制技术与现代电动汽车控制技术的融汇集成，将使未来的混合动力汽车更加节能、舒适和安全。2020/4/20二、燃料电池汽车2020/4/20燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。它平时将燃料（如氢气、甲醇等）和氧化剂（如氧气）分别作为电池两极的活性物质保存在电池的本体之外，当使用时连续通入电池体内，使电池发电。燃料电池本体由质子交换膜，膜电极，集流板三部分组成。二、燃料电池汽车2020/4/20燃料电池汽车2020/4/20燃料电池汽车的工作原理2020/4/20•优越性:能量转换效率高;高可靠性;良好的环境效益。燃料电池汽车所使用的燃料包括氢、甲醇、汽油和柴油。2020/4/20•以“氢”作为能量来源•优点：无需石油、真正零排放。氢气不来自石油，因此它可以彻底摆脱对石油的依赖，排放物是纯水，行驶时不产生任何污染物，理论上可以实现零排放。•缺点：存在氢气来源、存储，安全使用和成本问题。氢燃料电池成本过高，而且氢燃料的存储和运输按照目前的技术条件来说非常困难，氢气很不稳定，存储问题至今没有彻底解决，因为氢分子非常小，极易透过储藏装置的外壳逃逸。另外最致命的问题，目前氢气的提取技术需要通过电解水或者利用天然气，如此一来同样需要消耗大量能源，除非使用核电来提取，否则无法从根本上降低地球二氧化碳的排放。2020/4/20三、天然气汽车•天然气汽车的技术应用已经比较成熟了，国内汽车厂家早在上世纪80年代末就开始这方面的研究应用。这类车辆有两种，一种是仅使用天然气作为“单一燃料”动力行驶的汽车，而同时可以使用天然气和汽油这两种燃料的汽车称为“双燃料”汽车。驾驶双燃料汽车时，驾驶员可以在驾驶中安全地转换所使用的燃料。•与汽油动力汽车相比，天然气汽车可以减