電動及混合動力汽車

1、 電動汽車 電動汽車的概述電動汽車的概述電動汽車的特點電動汽車的特點電動汽車的分類電動汽車的分類蓄電池電動汽車（蓄電池電動汽車（EVEV）燃料電池電動汽車（燃料電池電動汽車（FCEVFCEV）混合電動汽車（混合電動汽車（HEVHEV）電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)電動汽車的結(jié)構(gòu)及工作原理電動汽車的結(jié)構(gòu)及工作原理 1 電動汽車的概述 電動汽車是與燃油汽車相對應(yīng)的，1881年就出現(xiàn)了電動汽車。在20世紀(jì)20年代達到了鼎盛時期，然而在燃油汽車出現(xiàn)后電動汽車無論在整車質(zhì)量、動力性能、行駛里程、機動性和靈活性方面愈來愈落后于燃油汽車。 在全球溫室效應(yīng)與能源問題逐漸受到各國政府的重視下，主要國家之污

2、染法規(guī)漸趨嚴(yán)格，因此對低污染車輛之需求勢必增加。隨著各種高性能蓄電池和高效率電機不斷地出項，使人們把目光又轉(zhuǎn)向了零污染或超低污染排放的電動汽車。從20世紀(jì)70年代起，新一代電動汽車脫穎而出，出現(xiàn)了各種高性能的電動汽車。 電動汽車是至少以一種動力源為車載電源，全部或部分由電機驅(qū)動，符合道路交通安全法規(guī)的汽車。它因車載動力系統(tǒng)不同可分為三類：以車載燃料電池為動力的燃料電池電動汽車（Fuel Cell Electric Vehicle-FCEV） ；以車載蓄電池為動力的蓄電池電動汽車（ Electric Vehicle-EV ），亦稱之為純電動汽車；以車載多能源為動力的混合動力電動汽車（ Hybri

3、d Electric Vehicle-HEV），其動力來自2 個或2 個以上能源，如蓄電池，超級電容，飛輪電池，太陽能，內(nèi)燃機，燃氣輪機，斯特林發(fā)動機等。 2 電動汽車的特點 隨著能源危機和環(huán)境污染的全球兩大突出問題日益嚴(yán)重，特別是隨電動汽車自身難點不斷解決，使電動汽車具有更多突出特點。 (1)對環(huán)境無污染 (2)節(jié)能及能源多樣化和綜合利用 (3)結(jié)構(gòu)簡單和維護使用方便 3.1 蓄電池電動汽車（EV） EV是一種最好的零污染或超低污染的車輛，它沒有噪聲和振動，操作性能好等，遠遠地優(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動力源采用蓄電池-電動機系統(tǒng)。 3.1.1 EV的基本組

4、成部分： (1) 車載電源 (2) 電池的管理系統(tǒng) (3) 驅(qū)動電動機和驅(qū)動系統(tǒng) (4) 控制技術(shù) (5) 車身及底盤 (6) 安全保護系統(tǒng)3.1.2 EV的控制策略和控制系統(tǒng)3.1.3蓄電池電動汽車的發(fā)展 EV發(fā)展的瓶頸在于電池。近年來由于電池技術(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，電動汽車必會迅速地發(fā)展。 目前EV趨于小型化、個性化和家庭化發(fā)展，主要為家庭輔助用車或休閑用車。3.1.4 幾種典型EV世界各國有各種微型和小型EV在使用。 韓國現(xiàn)代公司推出的蓄電池電動跑車n 美國洛杉磯車展法國文圖瑞（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車

5、。 n 3.2 燃料電池電動汽車（FCEV） 采用燃料電池作電源的電動汽車稱為燃料電池電動汽車即Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)。其動力源是用燃料電池發(fā)動機-電動機系統(tǒng)。燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)是FCEV的核心部分，不同燃料作為動力源，發(fā)電機系統(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)動機系統(tǒng)。并介紹通用的一款用氫氣作為燃料的燃料電池電動汽車。以氫為燃料的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)氫氣儲存罐 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空氣

6、加濕、去離子過濾器燃料電池組11電源開關(guān) 12 DC/DC轉(zhuǎn)換器 13逆變器 驅(qū)動電機以甲醇為燃料的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)甲醇儲存罐 重整器帶燃燒氣H凈化器氫氣凈化泵 通用Hy-wire氫動三號由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68升的氫氣儲存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動機后，通過功率為60千瓦/82馬力三相異步電機驅(qū)動車輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。氫儲存罐分為兩種，一種罐內(nèi)儲存的是溫度為-253C的液態(tài)氫，另一種罐內(nèi)儲存的是承受最高壓力可達700Pa的高壓氫氣。一次充氣行駛里程分別可達400公里和270公里。 通用Hy-wire氫動三號的電池組

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、使用壽命長等不可比擬的優(yōu)勢。但是由于目前燃料電池研究還沒有取得重大突破，燃料電池電動汽車的發(fā)展也受到了限制。3.3 混合電動汽車（HEV） 從世界范圍內(nèi)電動汽車的發(fā)展過程看，電動汽車的研究是從單獨依靠蓄電池供電的純電動汽車開始的。但由于純電動汽車是從單獨依靠蓄電池供電的，而目前動力電池的性能和價格還沒有取得重大突破，因此，純電動汽車的發(fā)展沒有達到預(yù)期的目的。目前燃料電池研究還沒有取得重大突破，燃料電池電動汽車的發(fā)展也受到了限制。 在此情況下，混合動力汽車成為電動汽車開發(fā)過

8、程中最有可能市場化的一種新車型，它將現(xiàn)有內(nèi)燃機與一定容量的儲能器件通過先進控制系統(tǒng)相組合，可以大幅度降低油耗，減少污染物排放。國外普遍認(rèn)為它是投資少、選擇余地大、易于滿足未來排放標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能目標(biāo)、市場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。3.3.1 HEV的工作過程 HEV采用發(fā)動機-發(fā)電機和電動驅(qū)動系統(tǒng)。發(fā)動機的動力保證HEV正常行駛時所需要的基本動力。然后采用控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍、降低發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速、保持發(fā)動機的穩(wěn)定均衡地運轉(zhuǎn)和“開關(guān)”的控制方式，使發(fā)動機避開啟動、怠速和轉(zhuǎn)速突然變化時，燃料燃燒不完全而引起的燃料經(jīng)濟性降低和增加有害氣體的排放。HEV以電動機驅(qū)動作為輔助動力。一

9、般在HEV發(fā)動機啟動、車輛啟動、加速和爬坡時起作用。還起發(fā)電機的作用，使發(fā)動機的動能轉(zhuǎn)換為電能，儲存到電池組中去。3.3.1 HEV的主要技術(shù)組成 (1)發(fā)動機 采用四沖程內(nèi)燃機（包括汽油機和柴油機）、二沖程內(nèi)燃機（包括汽油機和柴油機）、轉(zhuǎn)子發(fā)動機、燃氣輪機和斯特林發(fā)動機等。 (2)電動機 采用直流電動機、交流感應(yīng)電動機、永磁電動機和開關(guān)磁阻電動機等。 (3)電池 采用不同的蓄電池、燃料電池、儲能器和超級電容器等。3.3.2按發(fā)動機和電動機的不同形式的組合可分為：(1)串聯(lián)式混合動力電動汽車（SHEV）(2)并聯(lián)式混合動力電動汽車（PHEV） (a) 發(fā)動機軸動力組合式 (b) 動力組合器組合

10、式 (c) 驅(qū)動輪動力組合式(3)混聯(lián)式混合動力電動汽車（PSHEV） (a) 動力組合器動力組合式 (b) 驅(qū)動輪動力組合式 日本、美國開展了混合動力電動汽車的研究?；旌蟿恿﹄妱愚I車多采用并聯(lián)和混聯(lián)的結(jié)構(gòu)型式不同，混合動力電動公共汽車的結(jié)構(gòu)型式以串聯(lián)為主。在1998 年，通用公司研制出的Gen2 斯特靈混和動力車，使用斯特靈發(fā)動機通用公司Gen2 混合動力樣車 標(biāo)致雪鐵龍集團推出基于“柴油-電力”混合動力的兩款展示車標(biāo)致307和雪鐵龍C4。這種混合動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)動機車型相比，分別減少了

11、28和45。柴油混合動力車的燃效為29.4km/L，比汽油混合動力車提高25，每100km可節(jié)省1L左右的燃料。 混合動力系統(tǒng)由最大輸出功率為66kW的1.6L柴油發(fā)動機、柴油顆粒過濾器（DPF）、起動器兼交流發(fā)電機、“Stop Start”系統(tǒng)、DC無刷馬達、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 柴油混合動力車 混合動力系統(tǒng)采用以發(fā)動機為主動力、利用馬達進行輔助的并聯(lián)驅(qū)動方式。當(dāng)車速降到60km/h以下時，Stop Start系統(tǒng)就會停止發(fā)動機工作。馬達可通過減速時回收能量來向電池蓄電，當(dāng)車速在50km/h以下時僅憑馬達行駛。在加速及電池沒電時，便會自動切

12、換至發(fā)動機驅(qū)動。為了停止發(fā)動機工作后仍可憑借馬達行駛，在發(fā)動機與馬達之間采用了干式離合器。 馬達在連續(xù)使用時的額定功率為16kW，可產(chǎn)生80Nm的扭矩。在超車等情況下進行暫時輔助時，最大輸出功率為23kW，最大扭矩為130Nm。馬達與逆變器連接，以210380V的電壓驅(qū)動。在車輛后部通常用于配備備用輪的位置上配備了由240個電池單元構(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。僅憑馬達可持續(xù)行駛5km。 配備柴油混合動力系統(tǒng)的展示車,左為“標(biāo)致307混合動力HDi，右為“雪鐵龍C4混合動力HDi。雪鐵龍C4柴油混合動力系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖 柴油混合動力系統(tǒng) 1-1.6升Hdi

13、柴油發(fā)動機(最大輸出功率為66kW) 2-柴油機微粒過濾器(DPF) 3-”停車-啟動”系統(tǒng) 4-電動機(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)柴油混合動力系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成示意圖“雪鐵龍C4混合動力HDi”發(fā)動機室4 電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)(1)多能源總成控制系統(tǒng)(2)超級電容器(3)電機及其控制系統(tǒng)(4)燃料電池發(fā)動機(5) 動力蓄電池4.1 多能源總成控制系統(tǒng) 一般都采用嵌入式計算機或高性能單片機作為主控計算機。就控制器的結(jié)構(gòu)而言，國外主要經(jīng)歷了兩代。第一代為集中式控制系統(tǒng)。說，用一臺計

14、算機采集電動汽車所有的輸入信號，通過處理、計算然后輸出控制信號。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，在相對輸入輸出比較集中的某一部位，用一個高性能單片機，組成一個相對獨立的模塊，完成這一部位的信號采集和控制。4.2 超級電容器 超級電容器具在混合動力汽車和電動車停車時，由外接電源箱超級電容器充電時電容器積聚大量的電荷。然后在車輛行駛時，其釋放電能放電來向驅(qū)動電動機提供電能。在這個過程中沒有熱和化學(xué)反應(yīng)，不需要高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，不存在對周邊環(huán)境的污染，也沒有任何噪聲，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，體積小，是一種更加理想的儲能器。4.3 電機及其控制系統(tǒng) 電動汽車的電機驅(qū)動系統(tǒng)目前主要有3 種類型： （1）異步電機驅(qū)動系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)子十分堅固，適合于高速運轉(zhuǎn)。 （2）永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)由于運行效率高，控制相對容易而被廣泛應(yīng)用。 （3）開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)具有一些很有特色的優(yōu)點：電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、維護方便甚至免維護，起動及低速時轉(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（在汽車運行工況下的總體效率高）4.3 動力蓄電池 目前已在電動汽車上應(yīng)用的動力蓄電池主要包括：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（