電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車(chē)

1、 電動(dòng)汽車(chē) 電動(dòng)汽車(chē)的概述電動(dòng)汽車(chē)的概述電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)電動(dòng)汽車(chē)的分類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)的分類(lèi)蓄電池電動(dòng)汽車(chē)（蓄電池電動(dòng)汽車(chē)（EVEV）燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEVFCEV）混合電動(dòng)汽車(chē)（混合電動(dòng)汽車(chē)（HEVHEV）電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)及工作原理電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)及工作原理 1 電動(dòng)汽車(chē)的概述 電動(dòng)汽車(chē)是與燃油汽車(chē)相對(duì)應(yīng)的，1881年就出現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)。在20世紀(jì)20年代達(dá)到了鼎盛時(shí)期，然而在燃油汽車(chē)出現(xiàn)后電動(dòng)汽車(chē)無(wú)論在整車(chē)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(chē)。 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

2、染法規(guī)漸趨嚴(yán)格，因此對(duì)低污染車(chē)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(chē)。從20世紀(jì)70年代起，新一代電動(dòng)汽車(chē)脫穎而出，出現(xiàn)了各種高性能的電動(dòng)汽車(chē)。 電動(dòng)汽車(chē)是至少以一種動(dòng)力源為車(chē)載電源，全部或部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，符合道路交通安全法規(guī)的汽車(chē)。它因車(chē)載動(dòng)力系統(tǒng)不同可分為三類(lèi)：以車(chē)載燃料電池為動(dòng)力的燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（Fuel Cell Electric Vehicle-FCEV） ；以車(chē)載蓄電池為動(dòng)力的蓄電池電動(dòng)汽車(chē)（ Electric Vehicle-EV ），亦稱(chēng)之為純電動(dòng)汽車(chē)；以車(chē)載多能源為動(dòng)力的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（ Hybri

3、d Electric Vehicle-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。 2 電動(dòng)汽車(chē)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(chē)自身難點(diǎn)不斷解決，使電動(dòng)汽車(chē)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 3.1 蓄電池電動(dòng)汽車(chē)（EV） EV是一種最好的零污染或超低污染的車(chē)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(chē)，是當(dāng)前開(kāi)發(fā)和研制取代燃油汽車(chē)的首選車(chē)型。EV動(dòng)力源采用蓄電池-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。 3.1.1 EV的基本組

4、成部分： (1) 車(chē)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(chē)身及底盤(pán) (6) 安全保護(hù)系統(tǒng)3.1.2 EV的控制策略和控制系統(tǒng)3.1.3蓄電池電動(dòng)汽車(chē)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(chē)載電源得到解決后，電動(dòng)汽車(chē)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(chē)或休閑用車(chē)。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(chē)n 美國(guó)洛杉磯車(chē)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(chē)

5、。 n 3.2 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEV） 采用燃料電池作電源的電動(dòng)汽車(chē)稱(chēng)為燃料電池電動(dòng)汽車(chē)即Fuel Cell Electric Vehicle (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(chē) 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(chē)。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

6、加濕、去離子過(guò)濾器燃料電池組11電源開(kāi)關(guān) 12 DC/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(chē)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-253C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

7、3.2.2 FCEV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(chē)的發(fā)展也受到了限制。3.3 混合電動(dòng)汽車(chē)（HEV） 從世界范圍內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展過(guò)程看，電動(dòng)汽車(chē)的研究是從單獨(dú)依靠蓄電池供電的純電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始的。但由于純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)的發(fā)展也受到了限制。 在此情況下，混合動(dòng)力汽車(chē)成為電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)

8、程中最有可能市場(chǎng)化的一種新車(chē)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(mǎn)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(chē)型，從而引起各大汽車(chē)公司的關(guān)注。3.3.1 HEV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(kāi)關(guān)”的控制方式，使發(fā)動(dòng)機(jī)避開(kāi)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

9、般在HEV發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、車(chē)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。3.3.1 HEV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(kāi)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(chē)（SHEV）(2)并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（PHEV） (a) 發(fā)動(dòng)機(jī)軸動(dòng)力組合式 (b) 動(dòng)力組合器組合

10、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(chē)（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(kāi)展了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的研究?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)轎車(chē)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(chē)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(chē)，使用斯特靈發(fā)動(dòng)機(jī)通用公司Gen2 混合動(dòng)力樣車(chē) 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(chē)標(biāo)致307和雪鐵龍C4。這種混合動(dòng)力車(chē)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(chē)型相比，分別減少了

11、28和45。柴油混合動(dòng)力車(chē)的燃效為29.4km/L，比汽油混合動(dòng)力車(chē)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(chē) 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(chē)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(chē)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

12、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80Nm的扭矩。在超車(chē)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130Nm。馬達(dá)與逆變器連接，以210380V的電壓驅(qū)動(dòng)。在車(chē)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(chē),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

13、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(chē)-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(chē)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)

14、算機(jī)采集電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)和電動(dòng)車(chē)停車(chē)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(chē)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(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)目前主要有3 種類(lèi)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(kāi)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(chē)運(yùn)行工況下的總體效率高）4.3 動(dòng)力蓄電池 目前已在電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用的動(dòng)力蓄電池主要包括：閥控鉛酸電池（VRLA）、鎳-鎘電池（Ni-Cd）、鎳-鋅電池（Ni-Zn）、鎳基電池（Ni-MH）、鋅空氣電池（