第八章 電動(dòng)汽車概述.ppt

第八章電動(dòng)汽車概論 電動(dòng)汽車的概述電動(dòng)汽車的特點(diǎn)電動(dòng)汽車的分類蓄電池電動(dòng)汽車 EV 燃料電池電動(dòng)汽車 FCEV 混合電動(dòng)汽車 HEV 電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)及工作原理 1電動(dòng)汽車的概述電動(dòng)汽車是與燃油汽車相對(duì)應(yīng)的 1881年就出現(xiàn)了電動(dòng)汽車 在20世紀(jì)20年代達(dá)到了鼎盛時(shí)期 然而在燃油汽車出現(xiàn)后電動(dòng)汽車無(wú)論在整車質(zhì)量 動(dòng)力性能 行駛里程 機(jī)動(dòng)性和靈活性方面愈來(lái)愈落后于燃油汽車 在全球溫室效應(yīng)與能源問(wèn)題逐漸受到各國(guó)政府的重視下 主要國(guó)家之污染法規(guī)漸趨嚴(yán)格 因此對(duì)低污染車輛之需求勢(shì)必增加 隨著各種高性能蓄電池和高效率電機(jī)不斷地出項(xiàng) 使人們把目光又轉(zhuǎn)向了零污染或超低污染排放的電動(dòng)汽車 從20世紀(jì)70年代起 新一代電動(dòng)汽車脫穎而出 出現(xiàn)了各種高性能的電動(dòng)汽車 2電動(dòng)汽車的特點(diǎn) 隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的全球兩大突出問(wèn)題日益嚴(yán)重 特別是隨電動(dòng)汽車自身難點(diǎn)不斷解決 使電動(dòng)汽車具有更多突出特點(diǎn) 1 對(duì)環(huán)境無(wú)污染 2 節(jié)能及能源多樣化和綜合利用 3 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和維護(hù)使用方便 電動(dòng)汽車類型 車載動(dòng)力系統(tǒng)不同可分為三類 以車載燃料電池為動(dòng)力的燃料電池電動(dòng)汽車 FuelCellElectricVehicle FCEV 以車載蓄電池為動(dòng)力的蓄電池電動(dòng)汽車 ElectricVehicle EV 亦稱之為純電動(dòng)汽車 以車載多能源為動(dòng)力的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 HybridElectricVehicle HEV 其動(dòng)力來(lái)自2個(gè)或2個(gè)以上能源 如蓄電池 超級(jí)電容 飛輪電池 太陽(yáng)能 內(nèi)燃機(jī) 燃?xì)廨啓C(jī) 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等 3 1蓄電池電動(dòng)汽車 EV EV是一種最好的零污染或超低污染的車輛 它沒(méi)有噪聲和振動(dòng) 操作性能好等 遠(yuǎn)遠(yuǎn)地優(yōu)先于燃油汽車 是當(dāng)前開發(fā)和研制取代燃油汽車的首選車型 EV動(dòng)力源采用蓄電池 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 3 1 1EV的基本組成部分 1 車載電源 2 電池的管理系統(tǒng) 3 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 4 控制技術(shù) 5 車身及底盤 6 安全保護(hù)系統(tǒng)3 1 2EV的控制策略和控制系統(tǒng) 3 1 3蓄電池電動(dòng)汽車的發(fā)展 EV發(fā)展的瓶頸在于電池 近年來(lái)由于電池技術(shù)的制約使得EV發(fā)展速度有所緩慢 在車載電源得到解決后 電動(dòng)汽車必會(huì)迅速地發(fā)展 目前EV趨于小型化 個(gè)性化和家庭化發(fā)展 主要為家庭輔助用車或休閑用車 3 1 4幾種典型EV世界各國(guó)有各種微型和小型EV在使用 韓國(guó)現(xiàn)代公司推出的蓄電池電動(dòng)跑車 美國(guó)洛杉磯車展法國(guó)文圖瑞 Venturi 公司推出 集各種高端性能于一身 當(dāng)今世界上最昂貴的一款電動(dòng)車 3 2燃料電池電動(dòng)汽車 FCEV 采用燃料電池作電源的電動(dòng)汽車稱為燃料電池電動(dòng)汽車即FuelCellElectricVehicle FCEV 其動(dòng)力源是用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 燃料電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是FCEV的核心部分 不同燃料作為動(dòng)力源 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)組成是有差別的 目前 多以壓縮氫氣或液化氫氣及作為基本燃料 3 2 1介紹幾種典型的燃料電池電動(dòng)車下面分別介紹以氫為燃料和以甲醇為燃料的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 并介紹通用的一款用氫氣作為燃料的燃料電池電動(dòng)汽車 以氫為燃料的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 氫氣儲(chǔ)存罐 氫氣壓力調(diào)節(jié)器 熱交換器 氫氣循環(huán)泵 5冷凝器 汽水分離器 水箱 水泵 空氣壓縮機(jī) 空氣加濕 去離子過(guò)濾器 燃料電池組 11電源開關(guān) 12DC DC轉(zhuǎn)換器 13逆變器 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 以甲醇為燃料的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 甲醇儲(chǔ)存罐 重整器帶燃燒氣 H凈化器 氫氣凈化泵 通用Hy wire氫動(dòng)三號(hào)由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池塊組成的電池組產(chǎn)生電力 通過(guò)68升的氫氣儲(chǔ)存罐向燃料電池組提供氫氣 電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動(dòng)機(jī)后 通過(guò)功率為60千瓦 82馬力三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛 并幾乎不產(chǎn)生任何噪音 氫儲(chǔ)存罐分為兩種 一種罐內(nèi)儲(chǔ)存的是溫度為 253 C的液態(tài)氫 另一種罐內(nèi)儲(chǔ)存的是承受最高壓力可達(dá)700Pa的高壓氫氣 一次充氣行駛里程分別可達(dá)400公里和270公里 通用Hy wire氫動(dòng)三號(hào)的電池組 3 2 2FCEV的發(fā)展現(xiàn)狀 燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈 高效的發(fā)電技術(shù) 其具有能量轉(zhuǎn)化效率高 不污染環(huán)境 使用壽命長(zhǎng)等不可比擬的優(yōu)勢(shì) 但是由于目前燃料電池研究還沒(méi)有取得重大突破 燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展也受到了限制 3 3混合電動(dòng)汽車 HEV 從世界范圍內(nèi)電動(dòng)汽車的發(fā)展過(guò)程看 電動(dòng)汽車的研究是從單獨(dú)依靠蓄電池供電的純電動(dòng)汽車開始的 但由于純電動(dòng)汽車是從單獨(dú)依靠蓄電池供電的 而目前動(dòng)力電池的性能和價(jià)格還沒(méi)有取得重大突破 因此 純電動(dòng)汽車的發(fā)展沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的目的 目前燃料電池研究還沒(méi)有取得重大突破 燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展也受到了限制 在此情況下 混合動(dòng)力汽車成為電動(dòng)汽車開發(fā)過(guò)程中最有可能市場(chǎng)化的一種新車型 它將現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)與一定容量的儲(chǔ)能器件通過(guò)先進(jìn)控制系統(tǒng)相組合 可以大幅度降低油耗 減少污染物排放 國(guó)外普遍認(rèn)為它是投資少 選擇余地大 易于滿足未來(lái)排放標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能目標(biāo) 市場(chǎng)接受度高的主流清潔車型 從而引起各大汽車公司的關(guān)注 3 3 1HEV的工作過(guò)程 HEV采用發(fā)動(dòng)機(jī) 發(fā)電機(jī)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力保證HEV正常行駛時(shí)所需要的基本動(dòng)力 然后采用控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍 降低發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 保持發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定均衡地運(yùn)轉(zhuǎn)和 開 關(guān) 的控制方式 使發(fā)動(dòng)機(jī)避開啟動(dòng) 怠速和轉(zhuǎn)速突然變化時(shí) 燃料燃燒不完全而引起的燃料經(jīng)濟(jì)性降低和增加有害氣體的排放 HEV以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作為輔助動(dòng)力 一般在HEV發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 車輛啟動(dòng) 加速和爬坡時(shí)起作用 還起發(fā)電機(jī)的作用 使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能 儲(chǔ)存到電池組中去 3 3 1HEV的主要技術(shù)組成 1 發(fā)動(dòng)機(jī)采用四沖程內(nèi)燃機(jī) 包括汽油機(jī)和柴油機(jī) 二沖程內(nèi)燃機(jī) 包括汽油機(jī)和柴油機(jī) 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 燃?xì)廨啓C(jī)和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等 2 電動(dòng)機(jī)采用直流電動(dòng)機(jī) 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等 3 電池采用不同的蓄電池 燃料電池 儲(chǔ)能器和超級(jí)電容器等 3 3 2按發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的不同形式的組合可分為 1 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 SHEV 2 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 PHEV a 發(fā)動(dòng)機(jī)軸動(dòng)力組合式 b 動(dòng)力組合器組合式 c 驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力組合式 3 混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 PSHEV a 動(dòng)力組合器動(dòng)力組合式 b 驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力組合式日本 美國(guó)開展了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研究 混合動(dòng)力電動(dòng)轎車多采用并聯(lián)和混聯(lián)的結(jié)構(gòu)型式不同 混合動(dòng)力電動(dòng)公共汽車的結(jié)構(gòu)型式以串聯(lián)為主 在1998年 通用公司研制出的Gen2斯特靈混和動(dòng)力車 使用斯特靈發(fā)動(dòng)機(jī) 通用公司Gen2混合動(dòng)力樣車 標(biāo)致雪鐵龍集團(tuán)推出基于 柴油 電力 混合動(dòng)力的兩款展示車 標(biāo)致307和雪鐵龍C4 這種混合動(dòng)力車平均百公里能耗為3 4升柴油 二氧化碳的排放量為每公里90克 在高速行駛模式下為80g km 與307及C4的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車型相比 分別減少了28 和45 柴油混合動(dòng)力車的燃效為29 4km L 比汽油混合動(dòng)力車提高25 每100km可節(jié)省1L左右的燃料 混合動(dòng)力系統(tǒng)由最大輸出功率為66kW的1 6L柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 柴油顆粒過(guò)濾器 DPF 起動(dòng)器兼交流發(fā)電機(jī) Stop Start 系統(tǒng) DC無(wú)刷馬達(dá) 逆變器及鎳氫充電電池構(gòu)成 該系統(tǒng)配套使用6速手自一體變速箱 3 3 3柴油混合動(dòng)力車 混合動(dòng)力系統(tǒng)采用以發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力 利用馬達(dá)進(jìn)行輔助的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式 當(dāng)車速降到60km h以下時(shí) Stop Start系統(tǒng)就會(huì)停止發(fā)動(dòng)機(jī)工作 馬達(dá)可通過(guò)減速時(shí)回收能量來(lái)向電池蓄電 當(dāng)車速在50km h以下時(shí)僅憑馬達(dá)行駛 在加速及電池沒(méi)電時(shí) 便會(huì)自動(dòng)切換至發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 為了停止發(fā)動(dòng)機(jī)工作后仍可憑借馬達(dá)行駛 在發(fā)動(dòng)機(jī)與馬達(dá)之間采用了干式離合器 馬達(dá)在連續(xù)使用時(shí)的額定功率為16kW 可產(chǎn)生80N m的扭矩 在超車等情況下進(jìn)行暫時(shí)輔助時(shí) 最大輸出功率為23kW 最大扭矩為130N m 馬達(dá)與逆變器連接 以210 380V的電壓驅(qū)動(dòng) 在車輛后部通常用于配備備用輪的位置上配備了由240個(gè)電池單元構(gòu)成的鎳氫充電電池 充電電池的容量為6 5Ah 普通電壓為288V 僅憑馬達(dá)可持續(xù)行駛5km 配備柴油混合動(dòng)力系統(tǒng)的展示車 左為 標(biāo)致307混合動(dòng)力HDi 右為 雪鐵龍C4混合動(dòng)力HDi 雪鐵龍C4柴油混合動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖 柴油混合動(dòng)力系統(tǒng)1 1 6升Hdi柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 最大輸出功率為66kW 2 柴油機(jī)微粒過(guò)濾器 DPF 3 停車 啟動(dòng) 系統(tǒng)4 電動(dòng)機(jī) 額定功率為16kW 5 6速手自一體變速箱6 逆變器7 低壓電池8 動(dòng)力傳輸管理單元9 高壓電纜10 高壓鎳氫充電電池 288V 柴油混合動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖 雪鐵龍C4混合動(dòng)力HDi 發(fā)動(dòng)機(jī)室 4電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) 1 多能源總成控制系統(tǒng) 2 超級(jí)電容器 3 電機(jī)及其控制系統(tǒng) 4 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī) 5 動(dòng)力蓄電池 4 1多能源總成控制系統(tǒng) 一般都采用嵌入式計(jì)算機(jī)或高性能單片機(jī)作為主控計(jì)算機(jī) 就控制器的結(jié)構(gòu)而言 國(guó)外主要經(jīng)歷了兩代 第一代為集中式控制系統(tǒng) 說(shuō) 用一臺(tái)計(jì)算機(jī)采集電動(dòng)汽車所有的輸入信號(hào) 通過(guò)處理 計(jì)算然后輸出控制信號(hào) 第二代為分布式控制系統(tǒng) 這種方式是根據(jù)汽車的布局 在相對(duì)輸入輸出比較集中的某一部位 用一個(gè)高性能單片機(jī) 組成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊 完成這一部位的信號(hào)采集和控制 4 2超級(jí)電容器 超級(jí)電容器具在混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)車停車時(shí) 由外接電源箱超級(jí)電容器充電時(shí)電容器積聚大量的電荷 然后在車輛行駛時(shí) 其釋放電能放電來(lái)向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供電能 在這個(gè)過(guò)程中沒(méi)有熱和化學(xué)反應(yīng) 不需要高速旋轉(zhuǎn)的飛輪 不存在對(duì)周邊環(huán)境的污染 也沒(méi)有任何噪聲 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 質(zhì)量輕 體積小 是一種更加理想的儲(chǔ)能器 4 3電機(jī)及其控制系統(tǒng) 電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)目前主要有3種類型 1 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)子十分堅(jiān)固 適合于高速運(yùn)轉(zhuǎn) 2 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于運(yùn)行效率高 控制相對(duì)容易而被廣泛應(yīng)用 3 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有一些很有特色的優(yōu)點(diǎn) 電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 堅(jiān)固 維護(hù)方便甚至免維護(hù) 起動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大電流小 高速恒功率區(qū)范圍寬 性能好 使系統(tǒng)總調(diào)速范圍寬 在寬廣的轉(zhuǎn)速及功率范圍內(nèi)均有高效率 在汽車運(yùn)行工況下的總體效率高 4 3動(dòng)力蓄電池