《汽車發(fā)動機原理（第5版）》 練習題及其答案 第9章

第九章練習題電動汽車相對內(nèi)燃機汽車有什么優(yōu)勢？新型汽車動力裝置興起的原因是什么？目前世界上的電動汽車與一百年之前有什么不同？簡述廣義電動汽車的基本類型及相應(yīng)結(jié)構(gòu)特點？純電動汽車動力裝置包含哪幾部分？功率傳遞路線是什么？汽車電池常用的評價指標有哪些？驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩功率具備什么樣的特性？使用其作為汽車動力裝置有什么優(yōu)勢？目前應(yīng)用最廣泛的電機類型是什么？選擇這種電機作為驅(qū)動電機有什么優(yōu)勢。按驅(qū)動結(jié)構(gòu)分混合動力汽車都有什么形式？串聯(lián)式混合動力汽車動力裝置的工作模式有哪些？串聯(lián)式混合動力汽車動力裝置具備什么樣的特性？混聯(lián)式混合動力汽車性能優(yōu)缺點是什么？燃料電池汽車性能優(yōu)勢是什么？寫出燃料電池汽車電池的化學反應(yīng)方程式。燃料電池基本原理是什么？什么方式可以提高燃料電池的工作效率？根據(jù)電解質(zhì)類型的不同，可將燃料電池進行怎樣的分類？質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理是什么？質(zhì)子交換膜燃料電池的工作特性是什么？寫出燃料電池汽車動力裝置的組成部分，并闡述其能量傳遞路線。使用空氣作為燃料電池氧化劑有什么優(yōu)勢？水/熱管理系統(tǒng)對于PEMFC系統(tǒng)的正常工作具有什么意義？第九章練習題答案電動汽車相對內(nèi)燃機汽車有什么優(yōu)勢？答：電動汽車的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速、加速快，比內(nèi)燃機汽車高出2個數(shù)量級，電機可分散配置，通過線控技術(shù)直接控制車輪轉(zhuǎn)速，易實現(xiàn)四輪獨立驅(qū)動和四輪轉(zhuǎn)向，提高了系統(tǒng)的道路適應(yīng)性。新型汽車動力裝置興起的原因是什么？目前世界上的電動汽車與一百年之前有什么不同？答：隨著汽車保有量的急速攀升，石油能源的日漸緊張和環(huán)境污染的日益嚴重，內(nèi)燃機作為汽車主要動力已經(jīng)不能解決這種越來越嚴重的矛盾。能夠滿足社會與自然和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展要求的新型汽車動力裝置成為人們研究的重點。相比一百年前的電動汽車，現(xiàn)代電動汽車驅(qū)動電機性能更優(yōu)秀，控制系統(tǒng)更復(fù)雜，續(xù)航里程更能滿足人們?nèi)粘５男枨?。簡述廣義電動汽車的基本類型及相應(yīng)結(jié)構(gòu)特點？答：電動汽車在廣義上可分為3類，即純電動汽車(BatteryElectricalVehicle，BEV)、混合動力電動汽車(HybridElectricalVehicle，HEV)和燃料電池電動汽車(FuelcellElectricalVehicle，F(xiàn)CEV)。純電動汽車只使用動力電池作為汽車能量來源。混合動力至少使用兩種動力來源作為能量源，通常情況下其中一種為電力驅(qū)動。燃料電池汽車為使用燃料電池作為為動力來源的汽車。純電動汽車動力裝置包含哪幾部分？功率傳遞路線是什么？答：純電動汽車動力裝置主要包括：動力電池、高壓線路、驅(qū)動電機、傳動減速結(jié)構(gòu)和車輪。功率傳遞方向為動力電池到驅(qū)動電機到驅(qū)動輪。汽車電池常用的評價指標有哪些？答:電池容量、電池能量、能量密度、循環(huán)使用壽命、電池功率。驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩功率具備什么樣的特性？使用其作為汽車動力裝置有什么優(yōu)勢？答：電機驅(qū)動過程中功率輸出可以分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)兩部分。恒轉(zhuǎn)矩區(qū)電機輸出恒定轉(zhuǎn)矩，汽車起步加速過程中能迅速爆發(fā)出巨大的加速度；恒功率加速過程中電機輸出恒定功率，隨著轉(zhuǎn)速的上升轉(zhuǎn)矩逐漸下降。電機的這種特性有利于汽車加速性能，較寬的高轉(zhuǎn)矩區(qū)能減少汽車換擋次數(shù)。目前應(yīng)用最廣泛的電機類型是什么？選擇這種電機作為驅(qū)動電機有什么優(yōu)勢。答：目前應(yīng)用最廣泛的電機為永磁同步電機。恒轉(zhuǎn)矩區(qū)比較長，一直延伸到電機最高轉(zhuǎn)速的50%處左右，這對提高汽車的低速動力性能有很大幫助；電機最高轉(zhuǎn)速較高，能達到10000r/min以上。永磁同步電機功率密度高、調(diào)速性能好，在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行效率高(90%～95%)，比永磁無刷直流電機有更加優(yōu)越的性能，是理想的電動汽車驅(qū)動電機之一。按驅(qū)動結(jié)構(gòu)分混合動力汽車都有什么形式？答：串聯(lián)式混合動力裝置、并聯(lián)式混合動力裝置、混聯(lián)式混合動力裝置。串聯(lián)式混合動力汽車動力裝置的工作模式有哪些？答：1）車輛起步、加速行駛，以及高速和爬坡行駛工況時，發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的電能和來自蓄電池組的電能共同向車輛提供功率輸出。2）車輛正常行駛（中等功率需求）以及車輛滑行工況時，發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機組向蓄電池組和車輛提供功率輸出，同時彌補SOC的衰減。3）車輛行駛于對排放要求較高的路段時，整車功率需求全部由蓄電池供給，車輛為純電動工作，這時車輛的SOC降低較快。4）車輛在減速/制動工況，當車載蓄電池組電量偏低時，驅(qū)動電動機回收車輛部分動能存儲到蓄電池組，同時發(fā)動機-發(fā)電機組的全部功率輸出到蓄電池組。串聯(lián)式混合動力汽車動力裝置具備什么樣的特性？答：1）發(fā)動機－發(fā)電機組所發(fā)出的電能向電池組充電，用于補充電池組的電量損耗，大大延長了續(xù)航里程。2）串聯(lián)式混合動力裝置的發(fā)動機并不跟隨外界工況而大范圍波動，能夠保持在穩(wěn)定、高效和低排放的經(jīng)濟區(qū)工作，可以獲得較高的燃油經(jīng)濟性和低的排放。3）串聯(lián)式混合動力裝置采用電動機直驅(qū)的動力驅(qū)動方式，實現(xiàn)了車輛的無級變速，具有良好的操作性和加速動力性。4）兩大原動力沒有機械聯(lián)結(jié)，一方面使其在車輛的布置上有較大自由度，另一方面免去了二者的動力合成，這也是其他形式的混合動力系統(tǒng)的一大難點，從而使得串聯(lián)式混合動力裝置控制相對簡單。5）串聯(lián)式混合動力裝置依靠電動機驅(qū)動，可以以電池組為主動力源，使其在城市中實現(xiàn)“零污染”狀態(tài)的行駛。這對于在工況比較復(fù)雜的城市道路下有頻繁起步加速的城市車輛來說有著較大的發(fā)展空間。6）串聯(lián)式混合動力的能量通過發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，然后供給驅(qū)動電機或向電池充電，能量傳遞路徑較長，中間損失環(huán)節(jié)較多，在汽車中、高速巡航工況下系統(tǒng)能效較低，并且系統(tǒng)需要至少兩個電機，成本較高?；炻?lián)式混合動力汽車性能優(yōu)缺點是什么？答：優(yōu)點：1）能選擇的工作模式比較多，更能適應(yīng)復(fù)雜的汽車行駛條件；2）高速行駛時選擇串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)，減少機械損失；3)需要較大驅(qū)動力時，選用并聯(lián)式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升整車輸出功率；4）發(fā)動機處于優(yōu)秀的運行工況下，具備良好的燃油經(jīng)濟性。缺點：機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控系統(tǒng)復(fù)雜；整車使用兩種動力裝置，成本較高。燃料電池汽車性能優(yōu)勢是什么？答:料電池是一種將氫和氧的化學能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。由于其轉(zhuǎn)換過程不經(jīng)過燃燒，不受“卡若循環(huán)”的限制，轉(zhuǎn)換效率可高達60%～70%，實際熱效率是內(nèi)燃機的2倍左右。轉(zhuǎn)換效率高是燃料電池的主要特點之一。寫出燃料電池汽車電池的化學反應(yīng)方程式。答：陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)燃料電池基本原理是什么？什么方式可以提高燃料電池的工作效率？答：通過電化學反應(yīng)將燃料電池的化學能不經(jīng)過燃燒直接轉(zhuǎn)換為電能。這種能量轉(zhuǎn)換是通過氧化還原反應(yīng)來完成的。氫氧燃料電池裝置可以說是水電解的一個“逆”裝置。氫和氧通過電化學反應(yīng)生成水，并釋放出電能。根據(jù)電解質(zhì)類型的不同，可將燃料電池進行怎樣的分類？答：堿性燃料電池（AlkalineFuelCell,AFC）、磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell,PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell,MCFC）、固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell,SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理是什么？答：PEMFC工作時，經(jīng)加濕的H2和O2分別進入陽極室和陰極室，經(jīng)電極擴散層到達催化層和質(zhì)子交換膜的界面，分別在催化劑作用下發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。陽極反應(yīng)生成的質(zhì)子（H+）通過質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)到達陰極，陽極反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過外電路到達陰極。產(chǎn)生的水以水蒸氣或冷凝水的形式隨過剩的陰極反應(yīng)氣體從陰極室排出。質(zhì)子交換膜燃料電池的工作特性是什么？答：1）效率在50%～70%之間；2）壓力越高，PEMFC的性能約好；PEMFC在工作時，隨著溫度的升高，電池內(nèi)阻減小，在相同電流密度條件下，工作電壓隨之增大，即燃料電池的功率增大；燃料氣體中CO的含量對燃料電池性能的影響非常大PEMFC中水管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)非常重要寫出燃料電池汽車動力裝置的組成部分，并闡述其能量傳遞路線。答：燃料電池與蓄電池混合驅(qū)動型動力系統(tǒng)主要由整車控制器、燃料電池、燃料電池控制器、DC/DC變換器、DC/AC逆變器、電動機/發(fā)電機、電機控制器、蓄電池、電池管理系統(tǒng)等組成。能量傳遞線路為：燃料電池、DC/DC,電機控制器或者蓄電池最后到電機。使用空氣作為燃料電池氧化劑有什么優(yōu)勢？答：空氣比較容易獲得，基本沒有價格要求，對于整車結(jié)構(gòu)要求小，不需要使用耐高壓設(shè)備進行存儲，直接就可以使用。水/熱管理系統(tǒng)對于PEMFC系統(tǒng)的正常工作具有什么意義？答：在多數(shù)PEMFC系統(tǒng)中，反應(yīng)產(chǎn)物水被用于系統(tǒng)的冷卻和部分用來加濕燃料氣和氧化劑。產(chǎn)物水首先通過燃料電池堆的反應(yīng)區(qū)冷卻電堆本身