電動汽車技術課件：電動汽車的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

電動汽車技術電動汽車的基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.1電動汽車分類2.2純電動汽車2.3混合動力電動汽車2.4燃料電池電動汽車2.5本章小結(jié)主要內(nèi)容2.1電動汽車分類2.2純電動汽車2.3混合動力電動汽車2.4燃料電池電動汽車2.5本章小結(jié)主要內(nèi)容2.1電動汽車分類

鄭殿宇

鄭殿宇電動汽車的定義：是指以車載動力電池為能量源，全部或部分由電動機驅(qū)動，符合道路交通、安全法規(guī)等各項要求的汽車。電動汽車(ElectricVehicle-EV)純電動汽車（BatteryElectricVehicle-BEV）混合動力電動汽車（HybridElectricVehicle-HEV）燃料電池電動汽車(FuelCellElectricVehicle-FCEV）普通插電串聯(lián)式混合動力電動汽車（SeriesHybridElectricVehicle-SHEV）并聯(lián)式混合動力電動汽車（ParallelHybridElectricVehicle-PHEV）混聯(lián)式混合動力電動汽車（Parallel-SeriesHybridElectricVehicle-PSHEV）普通插電普通插電BEVHEVFCEV2.1電動汽車分類2.2純電動汽車2.3混合動力電動汽車2.4燃料電池電動汽車2.5本章小結(jié)主要內(nèi)容2.2純電動汽車

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鄭殿宇一、純電動汽車定義純電動汽車是指以車載電源為動力，用電動機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)等各項要求的汽車。純電動汽車主要系統(tǒng)組成機械子系統(tǒng)電力電子子系統(tǒng)信息子系統(tǒng)底盤和車身驅(qū)動結(jié)構(gòu)裝置變速器等動力網(wǎng)電機及控制器能源系統(tǒng)信號控制器汽車監(jiān)控系統(tǒng)純電動汽車關鍵技術動力電池電動機控制車身底盤設計能量管理系統(tǒng)驅(qū)動電動機2.2純電動汽車

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鄭殿宇二、電驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式圖2-1純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)布置常規(guī)形式圖2-2固定速比減速器圖2-3無傳動裝置驅(qū)動形式圖2-4雙電機-固定速比變速器一體化驅(qū)動系統(tǒng)B：電池I：電機控制器D：差速器G：變速器M：電機FG：固定速比減速器

2.2純電動汽車

鄭殿宇輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)舍棄驅(qū)動電機和驅(qū)動輪之間的機械傳動裝置之后，輪轂電機的外轉(zhuǎn)子直接連接在驅(qū)動輪上。驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制與車輪轉(zhuǎn)速控制融為一體，構(gòu)成了所謂的雙輪轂電機。圖2-5雙輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)圖2-6輪轂電機結(jié)構(gòu)圖內(nèi)轉(zhuǎn)子型外轉(zhuǎn)子型圖2-7兩種輪轂電機驅(qū)動方式內(nèi)部示意圖2.2純電動汽車

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鄭殿宇四輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)圖2-8四輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點：1.車輪可以實現(xiàn)±180°的旋轉(zhuǎn)、橫向行駛、任意旋轉(zhuǎn)行駛。2.由于可以進行各車輪任意轉(zhuǎn)矩控制，所以使得防滑控制、制動控制等多種性能得以發(fā)揮。3.輪轂電機的大型化較難，但是總功率依靠四臺電機分擔，可使每臺電機的容量變小。輪轂電機及安裝四輪獨立控制的電機和逆變器的驅(qū)動系統(tǒng)，這樣可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時能夠使車輛達到前所未有的機動性。2.2純電動汽車

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鄭殿宇儲能裝置的結(jié)構(gòu)形式：動力電池系統(tǒng)是純電動汽車能量的唯一來源，也是混合動力汽車、燃料電池汽車的主要能量來源。電動汽車能源裝置布置形式唯一能量源兩種不同的動力電池高比功率（如功率型鋰離子電池、超級電容器）高比能量（如能量型鋰離子電池、鋅空氣電池）（如圖2-1至2-8的結(jié)構(gòu)所示）圖2-9兩種儲能裝置的結(jié)構(gòu)形式目前還可以利用燃料電池、超級電容器和飛輪等共同作為電動汽車的新型儲能裝置，共同提高電動汽車的續(xù)駛里程或者整車的動力性能，其結(jié)構(gòu)形式與圖2-9類似。（如圖2-9）2.1電動汽車分類2.2純電動汽車2.3混合動力電動汽車2.4燃料電池電動汽車2.5本章小結(jié)主要內(nèi)容2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇混合動力車輛定義：能量與功率傳送路線具有如下特點的車輛稱為混合動力車輛1推進車輛運動能量，至少來自兩種不同的能量轉(zhuǎn)換裝置（例如內(nèi)燃機、燃氣渦輪、斯特林發(fā)動機、電機、液壓馬達、燃料電池等）；這些能量轉(zhuǎn)換裝置至少要從兩種不同的能量儲存裝置（例如燃油箱、蓄電池、飛輪、超級電容、高壓儲氫罐等）吸取能量；從儲能裝置流向車輪的這些通道，至少有一條是可逆的（既可放出能量、也可吸收能量），并至少還有一條是不可逆的；如果可逆的儲能裝置供應的是電能時，則稱為混合動力電動車。234優(yōu)點缺點1.重量較大3.電氣效率損失大2.存在車輛某些性能降低的可能4.結(jié)構(gòu)復雜，成本高1.車載動力總成可以更有效地工作2.因為車上的另一套儲能裝置可以提供一部分功率，所以車載動力總成可以更輕更小。3.有多種車載動力總成4.再生制動2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇混合動力電動汽車的分類機械傳遞路徑電功率傳遞路徑機械傳遞路徑+電功率傳遞路徑：發(fā)動機和傳動系統(tǒng)：能量存儲系統(tǒng)、發(fā)電機、驅(qū)動電機和傳動系統(tǒng)按存儲、動力傳遞至車輪的能量流的路徑動力系統(tǒng)組件布置串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)電池-電機與發(fā)動機的搭配比例微混合系統(tǒng)

“

啟-?；旌希⊿tart-Stop）”輕混合系統(tǒng)

輕混合系統(tǒng)節(jié)油可達10%-15%全混合系統(tǒng)

不同試驗工況的節(jié)油達30%-50%可外接電源充電混合動力系統(tǒng)（PHEV）2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇串聯(lián)混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)及工作原理定義：車輛提供驅(qū)動力的通路只有電機一條，沒有分支，故稱作串聯(lián)混合動力。圖2-10串聯(lián)混合動力系統(tǒng)構(gòu)型發(fā)動機/發(fā)電機構(gòu)成的發(fā)電單元又稱輔助動力單元（AuxliaryPowerUnit，APU）發(fā)動機：汽油機、柴油機、燃氣發(fā)動機等發(fā)電機：永磁同步發(fā)電機、電勵磁同步發(fā)電機等工作方式純電動驅(qū)動發(fā)動機/電機聯(lián)合驅(qū)動制動能量回收停車充電等工作模式2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇純電動驅(qū)動模式當車輛低速行駛、倒車或蠕行時，電機需求功率很?。划旊姵睾呻姞顟B(tài)（SOC）很高時，系統(tǒng)進入純電動模式如圖2-11所示。發(fā)動機停機，電機所需的能量完全由電池提供。當APU輸出功率小于電機需求功率時，不足的電能由電池提供，電池放電；反之，當APU輸出功率大于電機需求功率時，多余的電能儲存于電池中。聯(lián)合工作模式2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇制動能量回收模式當車輛進行制動時，電機可工作在發(fā)電模式，由車輪向電機提供制動轉(zhuǎn)矩，將車輛的動能轉(zhuǎn)換為電能，存儲于電池中停車充電模式當車輛處于停止狀態(tài)，特別是由于交通原因?qū)е碌呐R時停車時，如果電池SOC過低，APU系統(tǒng)輸出電能為電池充電，2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇串聯(lián)式混合動力電動車優(yōu)點1.發(fā)動機具有良好的經(jīng)濟性和低的排放性能2.發(fā)動機與電機之間無機械連接，整車的結(jié)構(gòu)布置自由度較大3.由于電機的功率大，制動能量回收的潛力大，從而提高能量效率缺點1.電能與機械能轉(zhuǎn)化，還有電池的充電和放電都有能量損失2.電機是唯一驅(qū)動汽車行駛的動力裝置，因此，電機的功率要足夠大。電機和蓄電池的體積和重量都比較大，使得整車重量較大根據(jù)以上特點，串聯(lián)混合動力電動車更適合用于市內(nèi)低速運行的工況，而不適合高速公路行駛工況。2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇并聯(lián)混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)：根據(jù)混合點的位置不同，并聯(lián)構(gòu)型又可細分為離合器前混合型（構(gòu)型1）、離合器后混合型（構(gòu)型2）、變速箱后混合（構(gòu)型3）、雙離合器型（構(gòu)型4）和道路混合型（TTR，ThroughtheRoad）（構(gòu)型5）。并聯(lián)構(gòu)型系統(tǒng)中車輛驅(qū)動力通常主要由發(fā)動機提供，電機起到輔助作用。工作模式發(fā)動機快速啟動/停止模式純電動模式聯(lián)合工作模式制動能量回收模式2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇發(fā)動機快速啟動/停止模式通過混合動力電機可以將發(fā)動機在短時間內(nèi)（<1s）快速啟動，從而實現(xiàn)發(fā)動機的快速啟動/停止。在車輛由于交通等原因臨時停車時，發(fā)動機迅速停止，取消了原有的怠速狀態(tài)，節(jié)省了怠速狀態(tài)中的燃油消耗和有害氣體排放。當檢測到司機發(fā)出的車輛起步意圖后，發(fā)動機被迅速啟動，驅(qū)動車輛前進。純電動模式當汽車起步蠕行、低速行駛或倒車時，發(fā)動機前的離合器分離，發(fā)動機不工作，電機為車輛提供驅(qū)動力，電池放電。此模式使得發(fā)動機在小負荷時可以完全停止旋轉(zhuǎn)，減少了燃油消耗。2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇聯(lián)合工作模式汽車正常行駛時系統(tǒng)的主要工作模式，各個離合器均處于結(jié)合狀態(tài)。發(fā)動機和電機聯(lián)合工作。當車輛起步加速或上坡時，車輛需求功率較大，電機處于電動模式輸出扭矩，對系統(tǒng)進行功率補償，蓄電池放電。當汽車處于中低速巡航或電池SOC很低時，電機處于發(fā)電模式將發(fā)動機輸出的一部分扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔転殡姵爻潆姟?.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇制動能量回收模式當車輛減速制動時，電機工作在發(fā)電模式，將車輛機械能進行回收，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔転殡姵爻潆?。發(fā)動機和混合點間有離合器的構(gòu)型可以通過分離該離合器使發(fā)動機停轉(zhuǎn)，減小由于倒拖發(fā)動機造成的摩擦損失，以便回收更多的能量。對于發(fā)動機和混合點間沒有離合器的系統(tǒng)構(gòu)型，發(fā)動機停止噴油，工作在斷油狀態(tài)，減小燃油消耗。2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇發(fā)動機的運行工況會受車輛行駛工況的影響，車輛在行駛工況頻繁變化的情況下運行時，發(fā)動機有可能不在其最佳工作區(qū)域內(nèi)運行并聯(lián)式混合動力電動汽車具有如下特點：發(fā)動機通過機械傳動機構(gòu)直接驅(qū)動汽車，無機械能-電能轉(zhuǎn)換損失，因此發(fā)動機輸出能量的利用率相對較高當電機僅起功率“調(diào)峰”作用時，電機、發(fā)動機的功率可適當減小，電池的容量也可減小在繁華的市區(qū)低速行駛時，并聯(lián)式混合動力電動汽車也可通過關閉發(fā)動機，以純電動方式運行實現(xiàn)零排放行駛，但這就需要有功率足夠大的電機，所需電池容量也相應要大發(fā)動機與電機并聯(lián)驅(qū)動時，還需要動力復合裝置，因此，并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)的傳動機構(gòu)較為復雜123452.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇混聯(lián)混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)及工作原理特征：（1）至少包含兩個電機；

（2）系統(tǒng)能量混合方式同時具備并聯(lián)混合和串聯(lián)混合特征。電機與傳動系耦合方式構(gòu)型1（豐田構(gòu)型）通過1個行星齒輪實現(xiàn)了動力分配和無級變速功能。構(gòu)型2（雙并聯(lián)構(gòu)型CombinedHybrid）通過雙并聯(lián)結(jié)構(gòu)和一個離合器構(gòu)成能量的混聯(lián)通路。構(gòu)型3（GM/DC/BMW雙模式構(gòu)型）則利用自動變速器中的兩個行星齒輪組與電機的不同耦合連接，同時實現(xiàn)了類似構(gòu)型1（3-1模式：輸入分配inputsplit）和構(gòu)型2（3-2模式：混合分配compoundsplit）的兩種工作模式。2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇純電動模式聯(lián)合工作模式當汽車起步蠕行、低速行駛或倒車時，系統(tǒng)中發(fā)動機停機，車輛由電機以純電動方式帶動行駛，如圖2-21所示。構(gòu)型1中的行星齒輪和發(fā)電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。構(gòu)型2中的離合器分離。雙模式構(gòu)型3工作于3-1模式，行星齒輪組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，離合器分離。在構(gòu)型1中，發(fā)動機一部分動力直接輸出至車輪，另一部分動力通過發(fā)電機--電機輸出至車輪。在構(gòu)型2中，離合器處于結(jié)合狀態(tài)，發(fā)動機主要動力通過機械方式輸出至車輪，兩個電機可以根據(jù)發(fā)動機工作狀態(tài)決定驅(qū)動/發(fā)電，優(yōu)化系統(tǒng)效率。對于雙模式構(gòu)型3，其3-1模式適合于行駛于頻繁行駛/停車的低速低負荷城市工況，工作方式與構(gòu)型1類似。其3-2模式適合于高速高負荷的高速路工況，工作方式類似于構(gòu)型2。2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇制動能量回收模式停車充電模式混聯(lián)構(gòu)型具備停車充電功能，構(gòu)型1中的行星齒輪輸出軸不輸出能量，能量通過發(fā)動機--發(fā)電機進入電池中。構(gòu)型2中離合器分離即可實現(xiàn)停車充電。構(gòu)型3工作于3-1模式，行星齒輪組不向外輸出能量。當車輛制動時，行星齒輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，離合器分離，發(fā)動機停機。電機將車輛機械能轉(zhuǎn)換為電能，儲存在電池中2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇插電式混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)及工作原理

（Plug-inHEV，簡稱PHEV）混聯(lián)式PHEV串聯(lián)式PHEV并聯(lián)式PHEV：串聯(lián)式PHEV與并聯(lián)式PHEV綜合工作模式PHEV結(jié)構(gòu)電量消耗（ChargeDepleting,CD）階段電量保持（ChargeSustaining,CS）階段2.1電動汽車分類2.2純電動汽車2.3混合動力電動汽車2.4燃料電池電動汽車2.5本章小結(jié)主要內(nèi)容2.4燃料電池電動汽車

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鄭殿宇燃料電池電動汽車電池的工作原理是將氫氣和氧氣通過電極反應直接轉(zhuǎn)化成電能，最大的特點是由于反應的過程不涉及燃燒和熱機做功，因此能量轉(zhuǎn)換效率不受卡諾循環(huán)的限制可高達60%~70%，實際使用效率則是普通內(nèi)燃機的2倍左右。電池類型AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC陽極Pt/NiPt/CNi/AlNi/ZrO2Pt/C陰極Pt/AgPt/CLi/NiOSr/LaMnO3Pt/C燃料純氫天然氣、氫天然氣、煤氣天然氣、煤氣純氫電解質(zhì)KOHH3PO4Li2/K2CO3

YSZ

聚合物腐蝕性強強強弱無工作溫度（℃）約100約200600~700800~1000約100比功率（W/kg）35~105120~18030~4015~20340~3000啟動時間幾分鐘幾分鐘>10分鐘>10分鐘<5S壽命水平（h）100001500013000700010000應用方向航空航天電站電站電站移動電源、電動汽車、航空航天等幾種典型燃料電池比較2.4燃料電池電動汽車

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鄭殿宇①燃料電池發(fā)動機（FCE）：主要由燃料電池堆、進氣系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電堆控制單元和監(jiān)控系統(tǒng)組成。此為主要動力源。②動力蓄電池組：輔助動力源。③電流變換器：交直流變換。④動力總成：傳遞動力、換檔。⑤氫氣系統(tǒng)：提供氫氣。⑥動力控制單元：動力控制、故障診斷2.4燃料電池電動汽車

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鄭殿宇質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）以氫氣為燃料，氫氣在陽極催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子（即質(zhì)子）并釋放出帶負電的電子；氫離子穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，電子則通過外電路到達陰極，電子在外電路形成電流；在電池另