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文檔簡介
第2章新能源汽車類型課題:2.1純電動汽車教學目的:掌握純電動汽車的結構原理,驅動布置型式和特點了解關鍵技術、主要技術指標和主要車型特點教學重點:純電動汽車的結構原理,驅動布置型式和特點教學難點:純電動汽車的結構原理,驅動布置型式和特點類型:新授課教學方法:講練結合課時:3引入:純電動汽車是指以車載電源為動力,用電機驅動車輪行駛,符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。一般采用高效率充電蓄電池為動力源。純電動汽車無需再用內(nèi)燃機,因此,純電動汽車的電動機相當于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機,蓄電池相當于原來的油箱,電能是二次能源,可以來源于風能、水能、熱能、太陽能等多種方式。純電動汽車可分為2種類型,即用純蓄電池作為動力源的純電動汽車和裝有輔助動力源的純電動汽車。純電動汽車的類型1.用純蓄電池作為動力源的純電動汽車用單一蓄電池作為動力源的純電動汽車,只裝置了蓄電池組,它的電力和動力傳輸系統(tǒng)如圖所示P27。2.裝有輔助動力源的純電動汽車用單一蓄電池作為動力源的純電動汽車,蓄電池的比能量和比功率較低,蓄電池組的質量和體積較大。因此,在某些純電動汽車上增加輔助動力源,如超級電容器、發(fā)電機組、太陽能等,由此改善純電動汽車的啟動性能和增加續(xù)駛里程。裝有輔助動力源的純電動汽車的電力和動力傳輸系統(tǒng)如圖所示。純電動汽車的結構原理燃油汽車主要由發(fā)動機,底盤、車身和電氣四大部分組成,純電動汽車的結構與燃油汽車相比,主要增加了電力驅動控制系統(tǒng),而取消了發(fā)動機,由電力驅動主模塊、車載電源模塊和輔助模塊三大部分組成。當汽車行駛時,由蓄電池輸出電能(電流)通過控制器驅動電動機運轉,電動機輸出的轉矩經(jīng)傳動系統(tǒng)帶動車輪前進或后退。電動汽車續(xù)駛里程與蓄電池容量有關,蓄電池容量受諸多因素限制。要提高一次充電續(xù)駛里程,必須盡可能地節(jié)省蓄電池的能量。1.電力驅動主模塊①組成:電力驅動主模塊主要包括中央控制單元、驅動控制器、電機、機械傳動裝置和車輪等。②功用:將存儲在蓄電池中的電能高效地轉化為車輪的動能,并能夠在汽車減速制動時,將車輪的動能轉化為電能充入蓄電池。2.車載電源模塊電源電源模塊主要包括蓄電池電源、能量管理系統(tǒng)和充電控制器等。它的功用是向電動機提供驅動電能、監(jiān)測電源使用情況以及控制充電機向蓄電池充電。3.輔助模塊輔助系統(tǒng)主要包括輔助動力源、動力轉向系統(tǒng)、駕駛室顯示操縱臺和各種輔助裝置等。輔助系統(tǒng)除輔助動力源外,依據(jù)不同車型而不同。三、純電動汽車驅動系統(tǒng)布置形式(1)傳統(tǒng)的驅動模式。圖(a)與傳統(tǒng)汽車驅動系統(tǒng)的布置方式一致,帶有變速器和離合器,只是將發(fā)動機換成電動機,屬于改造型電動汽車。這種布置可以提高電動汽車的起動轉矩,增加低速時電動汽車的后備功率。電動機-驅動橋組合式驅動模式。圖(b)和(c)取消了離合器和變速器,但具有減速差速機構,由1臺電動機驅動兩車輪旋轉。電動機-驅動橋整體式驅動模式。圖(d)是將電動機裝到驅動軸上,直接由電動機實現(xiàn)變速和差速轉換。(4)輪轂電機驅動模式。圖(e)和(f)同圖(d)布置方式比較接近,將電動機直接裝到了驅動輪上,由電動機直接驅動車輪行駛。純電動汽車的特點無污染,噪聲低。純電動汽車不產(chǎn)生排氣污染,對環(huán)境保護和空氣的潔凈是十分有益的,有“零污染”的美稱;電動汽車無內(nèi)燃機產(chǎn)生的噪聲,電動機噪聲小。能源效率高,多樣化。電動汽車的能源效率已超過汽油機汽車,特別是在城市運行。電動汽車停止時不消耗電量,在制動過程中,電動機可自動轉化為發(fā)電機,實現(xiàn)制動減速時能量的再利用。**電動汽車的應用可有效地減少對石油資源的依賴,可將有限的石油用于更重要的方面。向蓄電池充電的電力可以由煤炭、天然氣、水力、核能、太陽能、風力、潮汐等能源轉化。除此之外,如果夜間向蓄電池充電,還可以避開用電高峰,有利于電網(wǎng)均衡負荷,減少費用。(3)結構簡單,使用維修方便。電動汽車較內(nèi)燃機汽車結構簡單,運轉、傳動部件少,維修保養(yǎng)工作量小,當采用交流感應電動機時,電動機無需保養(yǎng)維護,更重要的是電動汽車易操縱。(4)動力電源使用成本高,續(xù)駛里程短。目前電動汽車尚不如內(nèi)燃機汽車技術完善,尤其是動力電池的壽命短,使用成本高。電池的儲能量小,一次充電后行駛里程不理想,電動車的價格較貴。但隨著電動汽車技術的發(fā)展,電動汽車存在的缺點會逐步得到解決。電動汽車的關鍵技術1.電池及管理技術(1)關鍵就是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長、成本低的高效電池。(2)電池組性能直接影響整車的加速性能、續(xù)駛里程以及制動能量回收的效率等。電池的成本和循環(huán)壽命直接影響車輛的成本和可靠性,所有影響電池性能的參數(shù)必須得到優(yōu)化。2.電機及控制技術(1)電動汽車的驅動電機是電動汽車的關鍵部件。要使電動汽車有良好的使用性能,驅動電機應具有較寬的調速范圍及較高的轉速,足夠大的啟動轉矩,體積小、質量輕、效率高且有動態(tài)制動強和能量回饋的性能。電動汽車所用的電動機正在向大功率、高轉速、高效率和小型化方向發(fā)展。(2)隨著電機及驅動系統(tǒng)的發(fā)展,控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化。3.整車控制技術(1)新型純電動汽車整車控制系統(tǒng)是兩條總線的網(wǎng)絡結構,即驅動系統(tǒng)的高速CAN總線和車身系統(tǒng)的低速總線。(2)實現(xiàn)整車網(wǎng)絡化控制,其意義不只是解決汽車電子化中出現(xiàn)的線路復雜和線束增加問題,網(wǎng)絡化實現(xiàn)的通訊和資源共享能力成為新的電子與計算機技術在汽車上應用的一個基礎,同時也為X-by-Wire技術提供有力的支撐。4.整車輕量化技術通過對整車實際使用工況和使用要求的分析,對電池的電壓、容量、驅動電動機功率、轉速和轉矩、整車性能等車輛參數(shù)的整體優(yōu)化,合理選擇電池和電動機參數(shù)。通過結構優(yōu)化和集成化、模塊化優(yōu)化設計,減輕動力總成、車載能源系統(tǒng)的重量。積極采用輕質材料,如電池箱的結構框架、箱體封皮、輪轂等采用輕質合金材料。利用CAD技術對車身承載結構件進行有限元分析研究,用計算和試驗相結合的方式,實現(xiàn)結構最優(yōu)化。純電動汽車的主要技術指標見P32純電動汽車車型實例1.比亞迪e6純電動汽車2.北汽E150純電動汽車3.江淮同悅iEV4.上汽榮威E50EV5.日產(chǎn)Leaf純電動汽車6.特斯拉ModelS小結:學習純電動汽車的結構原理,傳動系統(tǒng)布置形式和特點作業(yè):課后習題課題:2.2增程式電動汽車教學目的:掌握增程式電動汽車的結構原理,驅動布置型式和特點了解關鍵技術、主要技術指標和主要車型特點教學重點:增程式電動汽車的結構原理,驅動布置型式和特點教學難點:增程式電動汽車的結構原理,驅動布置型式和特點類型:新授課教學方法:講練結合課時:4引入:根據(jù)美國通用汽車公司Tate等人給出的定義,增程式電動車(ExtendedRangeElectricVehicle,E-REV)是指整車在純電動模式下可以達到其所有的動力性能,而當車載可充電電池無法滿足續(xù)駛里程要求時,打開車載輔助發(fā)電裝置為動力系統(tǒng)提供電能,以延長續(xù)駛里程。增程式電動車是一種配有地面充電和車載供電功能的純電驅動的電動汽車、電動自行車、電動摩托車。其動力系統(tǒng)由動力電池系統(tǒng)、動力驅動系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)和輔助動力系統(tǒng)(APU)組成。一、增程式電動汽車結構0.51.組成:電驅動系統(tǒng)、發(fā)動機/發(fā)動機系統(tǒng)、功率分配裝置、動力電池2.電驅動系統(tǒng)由驅動電動機及牽引力驅動控制裝置組成發(fā)動機→燃油→化學能→發(fā)電機→三相交流電→發(fā)電機驅動控制器→直流電→功率分配系統(tǒng)→動力輸出①需要大功率:功率分配系統(tǒng)→電能→驅動力控制系統(tǒng)逆變器→三相交流電→電動機→汽車②增程模式:增程模塊提供電力有余則為蓄電池充電,平衡系統(tǒng)充放電,穩(wěn)定系統(tǒng)電壓③停車:通過外接電源充電3.系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸由CAN總線完成4.發(fā)動機、發(fā)電機和發(fā)電機驅動控制裝置共同組成増程器系統(tǒng)5.増程器只提供電能,來驅動電動機或者位動力電池充電,增加電動汽車的行駛里程二、増程器的分類1.5増程器是增程式電動汽車最重要的組件之一,與汽車的性能、油耗、燃油替代、原始成本和運行成本密切相關。1.按布置位置分類掛車式増程器插拔式増程器車載式増程器2.按結構組成分類大容量蓄電池増程器燃料電池増程器發(fā)動機/發(fā)電機組増程器三、增程式電動汽車原理0.5在電池電量充足時,動力電池驅動電機,提供整車驅動功率需求,此時發(fā)動機不參與工作。當電池電量消耗到一定程度時,發(fā)動機啟動,發(fā)動機為電池提供能量對動力電池進行充電。當電池電量充足時,發(fā)動機又停止工作,由電池驅動電機,提供整車驅動。1.純電動模式與發(fā)動機和發(fā)電機無關電池是唯一動力源,驅動電動機2.增程模式條件:電池的電量達到預設的最低值,増程器系統(tǒng)啟動發(fā)動機達到最佳工作狀態(tài),能量一部分驅動汽車,一部分位蓄電池充電四、增程式電動汽車的特點0.5可純電動模式運行,所需電池容量小,造價低且不會發(fā)生缺電拋錨現(xiàn)象??刹咫娛椒侥_\行,在混合動力基礎上進一步提高節(jié)油率。電池充電功率小,不必建設大型充電設施。電池充放電可以淺充淺放,有利于電池壽命。具有外接充電方式,能利用夜間得低價低谷電充電。結構簡單,電機直驅,易于維修保養(yǎng),易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。節(jié)能:發(fā)動機一直處于最佳工作狀態(tài),效率高,排放小。減排:綜合節(jié)油率高,現(xiàn)有技術就可節(jié)油50%以上。五、增程式電動汽車的主要技術指標0.51.動力電池能量密度循環(huán)壽命目標成本2.車用電動機成本概率密度最高效率3.電子控制4.整車平臺最高車速純電續(xù)航里程附加成本六、增程式電動汽車車型實例0.51.瑞麟X1增程式電動汽車2.增程式電動寬體輕客V80Hybrid3.馬自達ExtenderEV增程式電動汽車4.雪佛蘭VOLT增程式電動汽車小結:學習增程式電動汽車的結構原理,傳動系統(tǒng)布置形式和特點作業(yè):課后習題課題:2.3混合動力電動汽車教學目的:掌握混合動力電動汽車的結構原理,驅動布置型式和特點了解關鍵技術、主要技術指標和主要車型特點教學重點:混合動力電動汽車的結構原理教學難點:混合動力電動汽車的結構原理類型:新授課教學方法:講練結合課時:引入:所謂混合動力電動汽車,是指擁有兩種不同動力源的汽車。這兩種動力源在汽車不同的行駛狀態(tài)(如起步、低中速、勻速,加速,高速,減速或者剎車等)下分別工作,或者一起工作,通過這種組合達到最少的燃油消耗和尾氣排放,從而實現(xiàn)省油和環(huán)保的目的。例:豐田普銳斯一、混合動力電動汽車的定義與分類1.混合動力電動汽車的定義1從狹義上講,混合動力電動汽車是指同時裝備兩種動力源——熱動力源(由傳統(tǒng)的汽油機或者柴油機產(chǎn)生)與電動力源(電池與電動機)的汽車。既有蓄電池可提供電力驅動,又裝有一個相對小型內(nèi)燃機的汽車。從廣義上來講,混合動力電動汽車指的是裝備有兩種具有不同特點驅動裝置的車輛。國際電子技術委員會對混合動力車輛的定義為:在特定的工作條件下,可以從兩種或兩種以上的能量存儲器、能量源或能量轉化器中獲取驅動能量的汽車。2.混合動力電動汽車的分類混合動力電動汽車分類方法較多,主要介紹6種分類方法。按照動力系統(tǒng)結構形式劃分。根據(jù)混合動力電動汽車零部件的種類、數(shù)量和連接關系,可以將其分為串聯(lián)式混合動力電動汽車(SHEV)、并聯(lián)式混合動力電動汽車(PHEV)和混聯(lián)式混合動力電動汽車(PSHEV)。①串聯(lián)式混合動力電動汽車是指車輛行駛系統(tǒng)的驅動力只來源于電動機的混合動力電動汽車。②并聯(lián)式混合動力電動汽車是指車輛行駛系統(tǒng)的驅動力由電動機及發(fā)動機同時或單獨供給的混合動力電動汽車。③混聯(lián)式混合動力電動汽車是指具備串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種混合動力系統(tǒng)結構的混合動力電動汽車。按照混合度劃分。按照電動機相對于燃油發(fā)動機的功率比大小,可以將其分為微混合型混合動力電動汽車、輕度混合(弱混合)型混合動力電動汽車、中度混合型混合動力電動汽車和重度混合(強混合)型混合動力電動汽車。①微混合型混合動力電動汽車是以發(fā)動機為主要動力源,不具備純電動行駛模式的混合動力電動汽車。②輕度混合(弱混合)型混合動力電動汽車是以發(fā)動機為主要動力源,電動機作為輔助動力,在車輛加速和爬坡時,電動機可向車輛行駛系統(tǒng)提供輔助驅動力矩,但不能單獨驅動車輛行駛的混合動力電動汽車。③中度混合型混合動力電動汽車是以發(fā)動機和/或電動機為動力源的混合動力電動汽車。④重度混合(強混合)型混合動力電動汽車是以發(fā)動機和/或電動機為動力源,且電動機可以獨立驅動車輛行駛的混合動力電動汽車。按照外接充電能力劃分。按照是否能夠外接充電,可分為可外接充電型混合動力電動汽車和不可外接充電型混合動力電動汽車。①可外接充電型混合動力電動汽車是一種被設計成可以在正常使用情況下從非車載裝置中獲取能量的混合動力電動汽車。②不可外接充電型混合動力電動汽車是一種被設計成在正常使用情況下從車載燃料中獲取全部能量的混合動力電動汽車。按照行駛模式的選擇方式劃分。按照行駛模式的選擇方式可分為有手動選擇功能的混合動力電動汽車和無手動選擇功能的混合動力電動汽車。①有手動選擇功能的混合動力電動汽車是指具備行駛模式手動選擇功能的混合動力電動汽車,車輛可選擇的行駛模式包括熱機模式、純電動模式和混合動力模式三種。②無手動選擇功能的混合動力電動汽車是指不具備行駛模式手動選擇功能的混合動力電動汽車,車輛的行駛模式根據(jù)不同工況自動切換。按照車輛用途劃分。按照車輛用途可以分為混合動力電動乘用車、混合動力電動客車和混合動力電動貨車。按照與發(fā)動機混合的可再充電能量儲存系統(tǒng)劃分。按照與發(fā)動機混合的可再充電能量儲存系統(tǒng)不同,可以劃分為動力蓄電池式混合動力電動汽車、超級電容器式混合動力電動汽車、機電飛輪式混合動力電動汽車和動力蓄電池與超級電容器組合式混合動力電動汽車。二、混合動力電動汽車的結構原理11.串聯(lián)式混合動力電動汽車串聯(lián)式混合動力電動汽車系統(tǒng)結構主要由發(fā)動機、發(fā)電機、驅動電動機和蓄電池組等部件組成。發(fā)動機僅僅用于發(fā)電,發(fā)電機發(fā)出的電能通過電動機控制器直接輸送到電動機,由電動機產(chǎn)生的電磁力矩驅動汽車行駛。2.并聯(lián)式混合動力電動汽車并聯(lián)式混合動力電動汽車系統(tǒng)結構主要是由發(fā)動機、電動機/發(fā)電機和蓄電池等部件組成,有多種組合型式,可以根據(jù)使用要求選用。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)采用發(fā)動機和電動機兩套獨立的驅動系統(tǒng)驅動車輪。3.混聯(lián)式混合動力電動汽車混聯(lián)式驅動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合,主要由發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、行星齒輪機構和蓄電池組等部件組成。三、混合動力電動汽車的特點混合動力電動汽車是將原動機、電動機、能量存儲裝置(蓄電池)等組合在一起,它們之間的良好匹配和優(yōu)化控制,可充分發(fā)揮內(nèi)燃機汽車和電動汽車的優(yōu)點,避免各自的不足,是當今最具實際開發(fā)意義的低排放和低油耗汽車。1.較之純電動汽車,混合動力電動汽車具有如下的優(yōu)點:(p53表2-5)由于有原動機作為輔助動力,蓄電池的數(shù)量和質量可減少,因此汽車自身重量可以減??;汽車的續(xù)駛里程和動力性可達到內(nèi)燃機的水平;借助原動機的動力,可帶動空調、真空助力、轉向助力及其它輔助電器,無需消耗蓄電池組有限的電能,從而保證了駕車和乘坐的舒適性2.較之內(nèi)燃機汽車,混合動力電動汽車具有如下的優(yōu)點:(p53表2-6)可使原動機在最佳的工況區(qū)域穩(wěn)定運行,避免或減少了發(fā)動機變工況下的不良運行,使得發(fā)動機的排污和油耗大為降低;在人口密集的商業(yè)區(qū)、居民區(qū)等地可用純電動方式驅動車輛,實現(xiàn)零排放;可通過電動機提供動力,因此可配備功率較小的發(fā)動機,并可通過電動機回收汽車減速和制動時的能量,進一步降低了汽車的能量消耗和排污。四、混合動力電動汽車的關鍵技術11.驅動電動機及其控制技術電動機系統(tǒng)時混合動力電動汽車的心臟,該系統(tǒng)包括混合動力機驅動裝置、機械傳動裝置和車輪。而電動機驅動裝置是電力驅動系統(tǒng)的核心,針對混合動力電動汽車設計的混合動力機驅動系統(tǒng)需要靈活有效地驅動車輪(或者提供輔助動力系統(tǒng)驅動車輪)。對于現(xiàn)代混合動力電動汽車而言,混合動力電動汽車驅動系統(tǒng)需要滿足一些基本的要求:1)高功率密度和高瞬時輸出功率;2)在混合動力電動汽車低速或者爬坡時,能提供低速大轉矩輸出,高速時能為巡航提供高速低轉矩特性;3)具有寬調速范圍,包括恒轉矩區(qū)和恒功率區(qū);4)轉矩響應快速;5)在較寬的轉速和轉矩工作區(qū)內(nèi),保持較高能量效率;6)再生制動時,可實現(xiàn)高的能量回收效率;7)在各種工況下,具有高的可靠性和魯棒性;8)價格合理。目前用于混合動力電動汽車的電動力機種類有直流電動力機、感應電動力機、永磁無刷直流電動力機或永磁同步電動力機、開關磁阻電動力機等。2.動力電池及其管理系統(tǒng)現(xiàn)代混合動力電動汽車的能量源是混合動力電動汽車商業(yè)化和能否全面推廣的一個主要問題?,F(xiàn)在和將來一段時間,如何發(fā)展混合動力電動汽車的能量源是混合動力電動汽車領域的一個主要研發(fā)內(nèi)容?,F(xiàn)代混合動力電動汽車的發(fā)展和推廣所考慮的能量源應滿足以下幾個方面的要求:1)高比能量和能量密度;2)高比功率和功率密度;3)快速充電和深度放電的能力;4)可循環(huán)使用,壽命能夠滿足高脈沖大電流充放電;5)高充電和放電效率;6)安全性能高且成本合理;7)免維護;8)環(huán)保且可以回收;9)能與汽車工程有機結合。目前的電動汽車能源還無法完全符合上述要求,但是采用多種能源的組合可以符合較多的要求,如選用一種能源滿足能量高,另一種能量滿足功率高,這樣兩種能源組合就可以取得較佳的效果?,F(xiàn)在正在應用或還在開發(fā)的,具有一定前景的能量源有蓄電池、超級電容、燃料電池和超高速飛輪組合等。目前用于混合動力電動汽車的蓄電池種類有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。需要注意的是,混合動力電動汽車的電池和其他一般用途的電池在工況和運行環(huán)境方面有顯著的不同,因此必須由電化學專家、汽車專家和電氣專家共同開發(fā)電動汽車的電池才能滿足要求。3.整車能量管理控制系統(tǒng)當前,混合動力電動汽車的車載能量源還比不上燃油汽車,因此為了最大限度地利用電動汽車鎖帶有的能量源,以便增加行駛里程,需要設計相應的能量變換系統(tǒng),并優(yōu)化設計混合動力電動汽車的能量管理系統(tǒng)。通過安裝在混合動力車內(nèi)的各種傳感器,能量管理系統(tǒng)可以得到所需要的全部信息,從而可以實現(xiàn)以下功能:1)優(yōu)化系統(tǒng)能量流;2)可實時顯示所剩的能量和可繼續(xù)行駛的里程數(shù);3)提供最佳的駕駛模式;4)可以制動過程中,獲取能量并存儲;5)根據(jù)外界的氣溫,可實時調節(jié)車內(nèi)的溫度;6)根據(jù)外界的光照條件,可自動調節(jié)車內(nèi)外的燈光系統(tǒng);7)分析能源,尤其是蓄電池的工作記錄;8)診斷能源錯誤的工作方式,并監(jiān)控能源的運行狀況。另外,通過把能量管理系統(tǒng)和混合動力電動汽車導航系統(tǒng)結合起來,就可以規(guī)劃能源的最佳利用,鎖定充電站的位置。總之,能量管理系統(tǒng)可以最大限度地利用混合動力電動汽車的能源、優(yōu)化配置,使混合動力電動汽車高效運行。4.動力傳動系統(tǒng)匹配5.能量再生制動回收系統(tǒng)6.先進車輛控制技術在混合動力電動汽車上的應用五、混合動力電動汽車的主要技術指標11.動力電池鎳氫電池功率型鋰離子電池超級電池2.車用電動機能量密度功率密度使用壽命系統(tǒng)目標成本3.電子控制P56表2-84.整車平臺節(jié)油率附加成本六、混合動力電動汽車車型實例1普銳斯混合動力電動汽車凱美瑞混合動力電動汽車雷克薩斯混合動力電動汽車凱迪拉克凱雷德混合動力電動汽車5.福特林肯混合動力車電動汽車6.比亞迪DM雙模混合動力電動汽車7.吉利帝豪混合動力電動汽車小結:學習混合動力電動汽車的結構原理,傳動系統(tǒng)布置形式和特點作業(yè):課后習題課題:2.4燃料電池電動汽車教學目的:理解燃料電池電動汽車的類型掌握燃料電池電動汽車的結構原理理解燃料電池電動汽車的特點了解燃料電池電動汽車車型實例教學重點:燃料電池電動汽車的結構原理教學難點:燃料電池電動汽車的結構原理類型:新授課教學方法:講練結合課時:純?nèi)剂想姵仉妱悠囍挥腥剂想姵匾粋€動力源,汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔。純?nèi)剂想姵仉妱悠囍挥腥剂想姵匾粋€動力源,汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔。2.燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅動(FC+B)的FCEV燃料電池電動汽車的類型11.純?nèi)剂想姵仳寗拥腇CEV3.燃料電池與超級電容聯(lián)合驅動(FC+C)的FCEV這種結構形式與燃料電池+蓄電池結構相似,只是把蓄電池換成超級電容。4.燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯(lián)合驅動(FC+B+C)的FCEV燃料電池電動汽車的結構原理2燃料電池電動汽車的動力系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動機、輔助動力源、DC/DC變換器、DC/AC逆變器、電動機和動力電控系統(tǒng)等組成。1.燃料電池發(fā)動機在FCEV所采用的燃料電池發(fā)動機中,為保證PEMFC組的正常工作,除以PEMFC組為核心外,還裝有氫氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)、氣體加濕系統(tǒng)、反應生成物的處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電能轉換系統(tǒng)等。只有這些輔助系統(tǒng)匹配恰當和正常運轉,才能保證燃料電池發(fā)動機正常運轉。以氫為燃料的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)①氫氣供應、管理和回收系統(tǒng)②氧氣供應和管理系統(tǒng)③水循環(huán)系統(tǒng)④電力管理系統(tǒng)以氫氣為燃料的FCEV的總布置基本結構模型①甲醇貯存裝置②燃燒器、加熱器和蒸發(fā)器③重整器④氫氣凈化器2.輔助動力源在FCEV上燃料電池發(fā)動機是主要電源,另外還配備有輔助動力源。根據(jù)FCEV的設計方案不同,其所采用的輔助動力源也有所不同,可以用蓄電池組、飛輪儲能器或超大容量電容器等共同組成雙電源系統(tǒng)。起步時,提供電力行駛時,儲存電能加速或爬坡時,雙電源供電模式制動時,儲存反饋電能3.DC/DC變換器FCEV的燃料電池需要裝置單向DC/DC變換器,蓄電池和超級電容器需要裝置雙向DC/DC變換器。調節(jié)燃料電池的輸出電壓調節(jié)整車能量分配穩(wěn)定整車直流母線電壓驅動電動機燃料電池電動汽車用的驅動電動機主要有直流電動機、交流電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機等。燃料電池汽車驅動電機的選型必須結合整車開發(fā)目標,綜合考慮電動機的特點。驅動電動機的詳細內(nèi)容見第4章。動力電控系統(tǒng)燃料電池汽車的動力電控系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動機管理系統(tǒng)(FCE-ECU)、蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)、動力控制系統(tǒng)(PCU)及整車控制系統(tǒng)(VMS)組成,而原型車的變速器系統(tǒng)會簡化很多。發(fā)動機管理系統(tǒng)蓄電池管理系統(tǒng)動力控制系統(tǒng)整車控制系統(tǒng)三、燃料電池電動汽車的特點0.5效率高。燃料電池的工作過程是化學能轉化為電能的過程,不受卡諾循環(huán)的限制,能量轉換效率較高,可以達到30%以上。續(xù)駛里程長。采用燃料電池系統(tǒng)作為能量源,克服了純電動汽車續(xù)駛里程短的缺點,其長途行駛能力及動力性已經(jīng)接近于傳統(tǒng)汽車。綠色環(huán)保。燃料電池沒有燃燒過程,以純氫作燃料,生成物只有水,屬于零排放。采用其它富氫有機化合物用車載重整器制氫作為燃料電池的燃料,生產(chǎn)物除水之外還可能有少量的CO2,接近零排放。過載能力強。燃料電池除了在較寬的工作范圍內(nèi)具有較高的工作效率外,其短時過載能力可達額定功率的200%或更大。低噪音。燃料電池屬于靜態(tài)能量轉換裝置,除了空氣壓縮機和冷卻系統(tǒng)以外無其它運動部件,因此與內(nèi)燃機汽車相比,運行過程中噪音和振動都較小。設計方便靈活。燃料電池汽車可以按照X-By-Wire的思路進行汽車設計,改變傳統(tǒng)的汽車設計概念,可以在空間和重量等問題上進行靈活的配置。燃料電池電動汽車的主要缺點有:燃料電池汽車的制造成本和使用成本過高。輔助設備復雜,且質量和體積較大。起動時間長,系統(tǒng)抗振能力有待進一步提高。四、燃料電池電動汽車的關鍵技術11.燃料電池系統(tǒng)燃料電池是燃料電池汽車發(fā)展的最關鍵技術之一。車用燃料電池系統(tǒng)的核心是燃料電池堆。燃料電池堆技術發(fā)展趨勢可用耐久性、低溫啟動溫度、凈輸出比功率以及制造成本4個要素來評判。燃料電池堆研究正在向高性能、高效率和更高耐久性方向努力。降低成本也是燃料電池堆研究的目標,控制成本的有效手段是減少材料(電催化劑、電解質膜、雙極板等)的費用,降低(膜電極制作、雙極板加工和系統(tǒng)裝配等的)加工費。但是如何在材料價格與系統(tǒng)性能之間做一個平衡,依然需要繼續(xù)研究。以電催化劑為例,非鉑催化劑體系雖然在降低成本上有潛力,但是其性能卻遠遠無法達到車用燃料電池系統(tǒng)的要求。人們一直在努力降低鉑的使用量,但即便是膜電極中有高負載量(如Pt擔載量為1mg/cm2),其性能也不能滿足車用的功率需求。如何更有效地利用電催化劑的活性組分使活性組分長期保持活性狀態(tài),延長催化劑使用壽命,是催化劑研究應該考慮的重點。2.車載儲氫系統(tǒng)傳統(tǒng)儲氫方法有兩種,一種方法是利用高壓鋼瓶(氫氣瓶)來儲存氫氣,但鋼瓶儲存氫氣的容積小,而且還有爆炸的危險;另一種方法是儲存液態(tài)氫,但液體儲存箱非常龐大,需要極好的絕熱裝置來隔熱。近年來,一種新型簡便的儲氫方法應運而生,即利用儲氫合金(金屬氫化物)來儲存氫氣。儲氫技術是氫能利用走向規(guī)?;玫年P鍵。目前常用的車載儲氫系統(tǒng)有高壓儲氫、低溫儲存液氫和金屬氫化物儲氫3種基本方法。對于車載儲氫系統(tǒng),美國能源部提出在續(xù)駛里程與標準汽油車相當?shù)娜剂想姵仄囓囕d儲氫目標是:質量儲氫密度6Wt%、體積儲氫密度60kg/m2.縱觀現(xiàn)有儲氫方法,除了低溫儲存液氫技術,其他技術都不能達到以上指標。而低溫儲存氫氣的成本與能耗都很大,作為車載儲氫并不是最佳選擇。如何有效減小儲氫系統(tǒng)的重量與體積,是車載儲氫技術研發(fā)的重點,一個比較理想的方案是采用儲氫材料與高壓儲氫復合的車載儲氫新模式,即在高壓儲氫容器中裝填重量較輕的儲氫材料,這種裝置與純高壓儲氫方式(﹥40MPa)相比,既可以降低儲氫壓力(約10MPa)又可以提高儲氫能力。復合式儲氫模式的技術難點是如何開發(fā)吸、放氫性能好,成型加工性良好、質量輕的儲氫材料。3.整車熱管理燃料電池發(fā)動機的運行溫度為60-70°C,實際的散熱系統(tǒng)工作溫度大致可以控制在60°C。這樣一來與整車運行環(huán)境溫度相比,溫差不大,造成燃料電池汽車無法像傳統(tǒng)汽車一樣依賴環(huán)境溫差散熱。轉而必須依賴整車動力系統(tǒng)提供額外的冷卻動力為系統(tǒng)散熱。這樣從動力系統(tǒng)效率角度出發(fā)是不經(jīng)濟的,二者之間的平衡將是熱管理開發(fā)方面必須關注的。目前整車各零部件的體積留給整車布置回旋的余地很小,造成散熱系統(tǒng)設計的改良空間不大,無法采用通用的解決方案應對,必須開發(fā)專用的零部件(如特殊構造或布置的冷凝器、高功率的冷卻風扇等)。這樣就要求有豐富的整車散熱系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)以支持相關開發(fā)設計,而這點正好是目前國內(nèi)整車企業(yè)欠缺的。與整車散熱系統(tǒng)密切相關的車用空調系統(tǒng)開發(fā)也是整車企業(yè)必須關注的。由于燃料電池汽車沒有傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機,傳統(tǒng)空調的壓縮機動力源發(fā)生了顛覆性變化,改用純電動壓縮機作為空調系統(tǒng)的動力源。這樣在整車散熱系統(tǒng)需求分析時,空調系統(tǒng)性能需求作為整車散熱系統(tǒng)的“負載”因素也成為散熱系統(tǒng)開發(fā)的技術難點。4.整車與動力系統(tǒng)的參數(shù)選擇與優(yōu)化設計燃料電池汽車整車性能參數(shù)是整個燃料電池動力系統(tǒng)開發(fā)的信息來源,而虛擬配置的動力系統(tǒng)的特性參數(shù)也影響整車性能。兩者之間的參數(shù)選擇是一個多變量多目標的優(yōu)化設計過程,而且參數(shù)選擇與行駛工況和控制策略緊密相關,只有在建立準確的仿真模型的基礎上,經(jīng)過反復尋優(yōu)計算才能達到較好的設計結果。目前參數(shù)設計主要借助于通用的或專用的仿真軟件進行離線仿真,如ADVISOR、EASY5、PSCAD、V2ELPH、FAHRSIM等,其優(yōu)點是方便快捷,適合于在設計初期對系統(tǒng)性能進行宏觀的預估和評價,但難以對動力系統(tǒng)進行深入仔細的分析和設計。隨著系統(tǒng)開發(fā)的不斷深入,某些已經(jīng)存在的部件或環(huán)節(jié)將會集成仿真回路進行測試與研究,這些部件包括難建模部件、整車控制器及駕駛員等。為了實現(xiàn)虛擬模型與真實部件的聯(lián)系,必須建立實時的仿真開發(fā)環(huán)境。目前實時仿真在燃料電池汽車領域主要用于整車控制器的在環(huán)仿真。例如,采用dSPACE建立整車控制的硬件在環(huán)仿真環(huán)境。而集成真實部件的動力系統(tǒng)實時仿真測試環(huán)境,將是整車與動力系統(tǒng)的參數(shù)選擇與優(yōu)化設計的技術升級方向。5.多能源動力系統(tǒng)的能量管理策略能量管理策略對燃料經(jīng)濟性影響很大,且受到動力系統(tǒng)參數(shù)和行駛工況的雙重影響。目前的開發(fā)方式一般是借助仿真技術建立一個虛擬開發(fā)環(huán)境,對動力系統(tǒng)模型進行合理簡化,從理論分析的角度得到最優(yōu)功率分配策略與能量源參數(shù)和工況特征之間的解析關系。并從該關系出發(fā)定量地分析功率緩沖器特性參數(shù)對最優(yōu)功率分配策略的影響,為功率緩沖器的參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。最終目的是定量分析工況特征參數(shù)與最有功率分配策略之間的映射關系,完成功率分配策略的工況適應性研究。完成能量管理策略的工況適應性開發(fā)后,其核心問題轉變?yōu)楣β史峙鋬?yōu)化,當然還必須考慮一些限制條件,如蓄電池容量的限制和各部件額定值的限制等??捎米鞴β史峙涞臎Q策輸入量很多,如SOC值、總線電壓、車速、駕駛員功率需求等。按照是否考慮這些變量的歷史狀態(tài),可以把功率分配策略分為瞬時與非瞬時策略兩大類。作為能量管理策略中的一部分,制動能量回饋是提高燃料經(jīng)濟型的重要措施,也是一個難點問題。必須綜合考慮制動穩(wěn)定性、制動效能、駕駛員感覺、蓄電池充電接受能力等限制條件。制動系統(tǒng)關乎生命安全,而且制動過程通常很短暫,在研究初期一般你不直接進行道路試驗,而是在建立系統(tǒng)動態(tài)模型的基礎上在進行細致的仿真研究。五、燃料電池電動汽車的主要技術指標0.51.燃料電池電堆比功率系統(tǒng)比功率低溫儲存與啟動壽命2.車用電動機功率密度最高功率3.電子控制4.整車平臺最高車速續(xù)航里程經(jīng)濟性六、燃料電池電動汽車車型實例11.榮威950燃料電池電動汽車2.豐田燃料電池電動汽車3.奔馳B級F-Cell燃料電池電動汽車4.現(xiàn)代途勝ix燃料電池電動汽車小結:學習燃料電池電動汽車的結構原理,傳動系統(tǒng)布置形式和特點作業(yè):課后習題課題:2.5其他新能源汽車教學目的:理解其他新能源汽車的類型掌握其他新能源汽車的結構原理理解其他新能源汽車的特點了解其他新能源汽車車型實例教學重點:其他新能源汽車的結構原理教學難點:其他新能源汽車的結構原理類型:新授課教學方法:講練結合課時:一、氣體燃料汽車11.天然氣汽車天然氣汽車是指以天然氣作為燃料的汽車。按照所使用天然氣燃料狀態(tài)的不同,天然氣汽車可以分為壓縮天然氣汽車(CNGV)和液化天然氣汽車(LNGV)。壓縮天然氣液化天然氣與同功率的傳統(tǒng)燃油汽車相比與普通燃油汽車相比實例:①東風雪鐵龍愛麗舍CNG雙燃料汽車②陜汽德龍F3000重卡6×4LNG牽引車2.液化石油氣汽車1以液化石油氣為燃料的汽車稱為液化石油氣汽車。液化石油氣汽車和天然氣汽車結構類似,增加一套燃氣供給系統(tǒng)。液化石油氣與其他燃料比較的優(yōu)點液化石油氣汽車與燃油汽車相比,具有污染少、經(jīng)濟性和安全性好等優(yōu)點,受到各國的重視。為適應汽車能源變革的大趨勢,世界上各汽車制造商都紛紛投資開發(fā)液化石油氣汽車,并制訂各種優(yōu)惠政策,推廣使用液化石油氣汽車。(4)實例:①Holden(霍頓)汽油/液化石油氣雙燃料汽車②寶馬GP3GASPOWERED改裝車二、生物燃料汽車1生物燃料是指通過生物資源生產(chǎn)的醇類燃料和生物柴油等,可以替代由石油制取的汽油和柴油,是可再生能源開發(fā)利用的重要方向。生物燃料汽車就是以生物燃料為能源的汽車。1.甲醇燃料汽車定義:甲醇燃料汽車是指利用甲醇燃料做能源驅動的汽車。甲醇作為燃料在汽車上的應用主要有摻燒和純甲醇替代兩種。發(fā)展:甲醇汽車的地位日益提升。甲醇的資源豐富,可以再生,屬于生物質的能源。合成甲醇可以固體(如煤、焦炭)液體(如原油、重油、輕油)木材干餾或氣體(如天然氣及其他可燃性氣體提取。在汽車上使用甲醇,可以提高燃料的辛烷值,增加氧含量,使汽車缸內(nèi)燃燒更完全,可以降低尾氣的害物的排放。我國開展甲醇汽車研發(fā)和應用始于20世紀80年代,不少省、市及企業(yè)積極參與,取得了大量的技術成果和寶貴經(jīng)驗,形成了一定的規(guī)模?!笆晃濉币詠?,甲醇作為車用替代燃料逐步發(fā)展,《車用甲醇汽油(M85)》和《車用燃料甲醇》兩項國家標準頒布實施,甲醇汽車開發(fā)、試驗等活動取得積極成果,特別是在柴油機上實現(xiàn)了技術突破,為甲醇燃料代替柴油提供了可能。但多年來由于社會上對甲醇汽車的甲醛排放、安全性等問題存有爭議,總體上進展不大。2009年全國政協(xié)委員、吉利控股集團董事長李書福今年的“兩會”上,提交了一份《關于盡快出臺甲醇車國家標準的提案》,圍繞甲醇燃料汽車的發(fā)展機遇,在國外甲醇汽車發(fā)展的局限性及國內(nèi)在甲醇燃料制造方面的優(yōu)勢等方面闡述了觀點。2009年7月2日國家標準化管理委員會發(fā)布公告稱,《車用甲醇汽油(M85)》標準正式批準頒布,并將于2009年12月1日起實施。據(jù)了解,該標準是甲醇汽油的首個產(chǎn)品標準。奇瑞汽車公司已推出全新的甲醇汽車(整車),其基礎是先前曾對甲醇發(fā)動機進行大量的研發(fā)工作:發(fā)動機本體開發(fā):壓縮比變更、火花塞匹配、零部件開發(fā)等。燃油系統(tǒng)開發(fā):解決油泵、油箱、油管、油濾的耐醇問題。冷起動:設計冷起動噴嘴,增設起動用注油系統(tǒng)。用單點噴射,發(fā)動機ECU內(nèi)集成冷起動系統(tǒng)控制程序,冷起動操作自動啟停等。電控開發(fā):使整體經(jīng)濟性能和排放性能等各項指標達到開發(fā)預期目標。車用潤滑油也是影響
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