新能源汽车课件第6章

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。１)对现代社会而言，纯电动汽车不仅是一辆车，而且是实现清洁、高效道路运输的一个全新的系统。２)纯电动汽车系统是一个便于和现代交通网络结合的智能系统，电动汽车的设计是工程和艺术的结合。３)必须重新定义纯电动汽车的工作条件和工况循环。4)必须对用户对于纯电动汽车的期望进行调研，这样就能对用户进行适当的有关纯电动汽车知识的教育。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。一、电气控制系统的工作原理纯电动汽车电气控制系统的结构三、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。二、传动系统的结构及工作原理常规纯电动汽车传动装置结构图1—电机2—螺栓3—套筒4—飞轮壳5—飞轮6—轴承7—压盘8—离合器壳9—螺栓10—轴承11—输入轴12—分离叉13—分离套筒14—离合器盖15—分离杠杆16—从动盘•2、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。•3、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。•4、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。二、传动系统的结构及工作原理轮毂电机实物图轮毂电机结构图两种轮毂电机驱动方式内部示意图a)内转子型b)外转子型四轮毂电机驱动系统四轮毂电机工作特点1)车轮可以实现±180°的旋转、横向行驶、任意旋转行驶。2)由于可以进行各车轮任意转矩控制，所以使得防滑控制、制动控制等多种性能得以发挥。3)轮毂电机的大型化较难，但是总功率依靠四台电机分担，可使每台电机的容量变得小一些。4)低速大转矩电机体积大又昂贵，所以近年来出现了减速器内置的轮毂式电机。５米其林轮毂电机米其林轮毂电机结构图2.米其林轮毂电机图2-51米其林轮毂电机实物图2.米其林轮毂电机米其林基于其轮毂电机开发的主动控制汽车底盘(Hy-light)(1)米其林轮毂电机的优点1)省略大量传动部件，让车辆结构更简单。2)可实现多种复杂的驱动方式。3)便于采用多种新能源车技术。(2)米其林轮毂电机的缺点1)增大了簧下质量和轮毂的转动惯量，对车辆的操控有所影响。2)电制动性能有限，维持制动系统运行需要消耗不少电能。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）。第一个混合动力电动汽车专利混合动力技术在汽车中的应用混合动力电动汽车的概念(1)动力传动系这是汽车上用于存储、转化和传递能量并使汽车获得运动能力的所有部件的总称，具体包括车载能量源、动力装置、传动系和其他辅助系统四部分。(2)车载能量源这是在汽车动力传动系中，用于能量存储或进行能量的初始转化以向动力装置直接供能的所有部件的总称，由能量直接存储装置或能量存储、调节和转化装置组成。(3)动力装置这是在汽车动力传动系中，用于把其他形式的能量转化为机械动能(旋转动能)的装置，并直接作为传动系的输入，如常规汽车上的内燃机、纯电动汽车上的电机等。(4)传动系这是在汽车动力传动系中，用于调节和传递动力装置输出的动力，使之与汽车行驶时驱动轮处要求的理想动力达到较好匹配的所有部件的总称，具有减速、变速、倒车、中断动力、轮间差速和轴间差速等功能。(5)辅助系统是指在汽车动力传动系中，用于从动力装置中获取动力，区别于直接驱动车辆，主要用于维持汽车良好的操控特性、舒适性等的所有部件的总称，如转向助力系统、制动助力系统、空调系统(动力装置直接拖动)、辅助电气系统(12/24V发电机系统)等。汽车动力传动系简化模型混合动力汽车动力传动系组成一、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。•串联混合动力汽车的特点１)车载能量源环节的混合。２)单一的动力装置。３)车载能量源由两个以上的能量联合组成。•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。串联混合动力电动汽车的工作原理1)当动力电池组具有较高的电量且动力电池组输出功率满足整车行驶功率需求时，串联混合动力电动汽车以纯电池组驱动模式工作，此时发动机-发电机组处于关机状态。2)当汽车以纯电池组驱动行驶时，若汽车减速制动，电动机-发电机工作于再生制动状态，汽车制动能量通过再生发电回收到动力电池组中，即工作于再生制动充电模式。3)当汽车加速或爬坡需要更大的功率输出且超出了动力电池组的输出功率限制时，发动机-发电机组起动发电，并同动力电池组一起输出电功率，实施混合动力驱动工作模式。4)当动力电池组的电量不足且发动机-发电机组输出功率在驱动车辆的同时有富裕时，实施动力电池组强制补充充电工作模式。5)当动力电池组的电量不足且发动机-发电机组处于发电状态时，若汽车减速制动，电动机-发电机工作于再生制动状态，汽车制动能量通过再生发电与发动机-发电机组输出功率一起为动力电池组充电，实施动力电池组的混合补充充电。6)当动力电池组的电量在目标范围内，且发动机-发电机组输出功率满足汽车行驶功率需求时，为提高串联混合动力系统的能量利用效率，采用纯发动机驱动工作模式，此时发动机-发电机组输出功率与汽车行驶功率需求相等。串联混合动力电动汽车的工作原理7)若动力电池组的电量过低，为保证整车行驶的