汽車構(gòu)造 課件 29主要新能源汽車

主要新能源汽車純電動汽車

學(xué)習(xí)目標

了解純電動汽車的定義及優(yōu)缺點；

重點理解純電動汽車的關(guān)鍵參數(shù)及其計算方法。學(xué)習(xí)任務(wù)描述通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，了解純電動汽車的定義，明確純電動汽車的優(yōu)勢及劣勢，重點理解純電動汽車的關(guān)鍵參數(shù)。引導(dǎo)問題1：

純電動汽車的基礎(chǔ)知識純電動汽車（BladeElectricVehicles，BEV），是一種完全由可充電電池（如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池）提供動力源的汽車。以車載電源為動力，通過電池向電機提供電能，驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)，從而推動汽車前進，使之符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。各種純電動概念車（視頻：純電動汽車高爾夫6）根據(jù)純電動汽車當前的發(fā)展情況，純電動汽車必須符合以下幾個條件：純電動車輛研發(fā)制造運營必須符合國家各項相關(guān)法規(guī)。整車、零部件性能必須滿足國家技術(shù)標準和各項具體要求。純電動車輛是以電為能源，由電動機驅(qū)動行駛的，不再產(chǎn)生新的污染，不再產(chǎn)生易燃、易爆之隱患。純電動車輛儲能用的電池必須是無污染、環(huán)保型的。且具有耐久的壽命，具備超快充電的功能。車輛根據(jù)用途確定一次充電之續(xù)行里程，以此裝置夠用電量的電池組，充分利用公用充電站超快充電以延長續(xù)行里程。電動機組應(yīng)有高效率的能量轉(zhuǎn)換。剎車、減速之能量的直接利用和回收，力求車輛之綜合能源利用的高效率。根據(jù)車輛用途和行駛場合設(shè)定最高車速，且不得超過交通法規(guī)的限定值，以合理選擇電動機的功率和配置電池組容量。車輛駕駛操作，控制簡單有效、工作可靠，確保行車安全。機械、電氣裝置耐用少維修。車輛運營之費用低廉。引導(dǎo)問題2：

純電動汽車有哪些優(yōu)缺點？純電動汽車的電動機相當于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機，蓄電池相當于傳統(tǒng)的油箱，通常采用高效能的充電電池。純電動汽車因其取消傳統(tǒng)燃油發(fā)動機，可避免傳統(tǒng)燃油汽車對石油資源的依賴，以及對環(huán)境的污染，是未來新能源汽車發(fā)展的必然趨勢。優(yōu)點分析純電動汽車有以下優(yōu)點：零排放；電動汽車比汽油機驅(qū)動汽車的能源利用率要高；因使用單一的電能源，省去了發(fā)動機、變速器、油箱、冷卻和排氣系統(tǒng)，所以結(jié)構(gòu)較簡單；噪聲?。豢稍谟秒姷头鍟r進行汽車充電，可以平抑電網(wǎng)的峰谷差，使發(fā)電設(shè)備得到充分利用。1）環(huán)境污染小6）能源來源廣泛2）無噪音，噪聲低7）移峰填谷3）能源利用率高、高效率4）結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，經(jīng)久耐用5）使用范圍廣，不受所處環(huán)境影響缺點分析純電動汽車主要有以下缺點：續(xù)駛里程較短、采用蓄電池及電機控制器使成本較高、充電時間長、維護成本較高、蓄電池壽命短等。1）續(xù)駛里程短

2）成本高3）充電時間長4）維護費用較高5）蓄電池壽命短引導(dǎo)問題3：

純電動汽車的關(guān)鍵參數(shù)影響純電動汽車發(fā)展的主要因素之一是續(xù)駛里程短。根據(jù)不同的使用里程，純電動汽車的續(xù)駛里程的計算有所不同。按照國家標準，通常采用工況法和等速法進行試驗測定，等速法根據(jù)車型采用

或

兩種速度進行等速測試。等速法和工況法在某一狀態(tài)時的計算方法是相同的，主要根據(jù)電池輸出能量與車輛行駛消耗的能量相等的原則進行計算。1純電動汽車的續(xù)駛里程？1）等速行駛續(xù)駛里程的計算汽車在良好的水平路面電池充滿電后等速行駛直至消耗掉全部攜帶的電能為止所行駛的里程，稱為等速行駛的續(xù)駛里程。它是電動汽車的經(jīng)濟性指標之一，汽車以速度

等速行駛時續(xù)駛里程的計算式如下。其中，

是等速行駛至能量消耗完所需要的時間。2）多工況行駛續(xù)駛里程的計算

多工況續(xù)駛里程如下，式中，

為每個狀態(tài)行駛距離（Km）；

為車輛能夠完成的狀態(tài)總數(shù)。1純電動汽車的續(xù)駛里程？3）純電動汽車續(xù)駛里程影響因素①滾動阻力系數(shù)對續(xù)駛里程的影響②空氣阻力系數(shù)對續(xù)駛里程的影響③機械效率對續(xù)駛里程的影響④整車質(zhì)量對續(xù)駛里程的影響⑤蓄電池參數(shù)對電動汽車續(xù)駛里程的影響2電動汽車的能量消耗純電動汽車的研究大多是基于傳統(tǒng)汽車的架構(gòu)改造或優(yōu)化，將發(fā)動機和油箱用蓄電池和電機代替，仍保留了變速器等傳統(tǒng)部件。所以其能耗計算可以借鑒傳統(tǒng)汽車的能耗計算方式。純電動汽車的能量消耗指標采用單位里程的能耗、噸公里的能耗和百公里綜合耗電量進行評價。2電動汽車的能量消耗1）單位里程的能耗單位里程的能耗定義為單位里程消耗的電池組能量，設(shè)計階段可采用等速法或工況法進行計算。單位里程的能耗可表示為：式中

為驅(qū)動循環(huán)的時間。該指標可以考慮電動汽車的整車重量、驅(qū)動系統(tǒng)效率、造型以及輪胎等結(jié)構(gòu)等因素對能耗的影響。2）噸公里的能耗采用噸公里的能耗主要是為了比較不同重量的電動汽車能耗情況，表示為：

式中，

為整車重量。2電動汽車的能量消耗3）百公里綜合能耗百公里綜合能耗為標稱續(xù)駛里程和標稱電能的比值，計算公式如下：式中，

為動力電池的額定容量，

為動力電池的額定電壓，

為電動汽車的續(xù)駛里程。單位里程的能耗和噸公里的能耗兩個指標需要確定車輛的許多參數(shù)，不便于車輛之間的能耗比較，而百公里綜合能耗指標的計算在設(shè)計階段和整車試制后都非常方便，且對電動汽車的實際應(yīng)用具有較強的指導(dǎo)作用。引導(dǎo)問題1：

純電動汽車的整體汽車結(jié)構(gòu)純電動汽車主要由電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)、驅(qū)動力傳動等機械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工作裝置等組成。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機汽車的最大不同點，汽車行駛時，由蓄電池輸出電能（電流）通過控制器驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)，電動機輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)帶動車輪前進或后退。典型的純電動汽車整體結(jié)構(gòu)圖根據(jù)電動汽車傳動形式不同，純電動汽車的傳動方式也有不同：1）配置多檔傳動裝置和離合器的傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車驅(qū)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(zhuǎn)矩，增加低速時電動汽車的后備功率。電動機軸與驅(qū)動軸相互垂直根據(jù)電動汽車傳動形式不同，純電動汽車的傳動方式也有不同：1）配置多檔傳動裝置和離合器的傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)寶馬ActiveE動力總成結(jié)構(gòu)透視圖從寶馬ActiveE的結(jié)構(gòu)，可以看出，除保留傳統(tǒng)汽車所有驅(qū)動結(jié)構(gòu)部件，完全由電力發(fā)動機及相關(guān)動力部件取代了傳統(tǒng)的發(fā)動機和油箱。根據(jù)電動汽車傳動形式不同，純電動汽車的傳動方式也有不同：2）無離合器需求的單檔傳動裝置此種方式取消了離合器和變速器。但繼續(xù)沿用當前發(fā)動機汽車中的動力傳動裝置，只需要一組電動機和逆變器。這種結(jié)構(gòu)依賴于電動機在大范圍轉(zhuǎn)速變化中所具有的恒功率特性，可用固定檔的齒輪傳動裝置替代多檔變速箱，并縮減了對離合器的需要。減小機械傳動裝置的尺寸和重量，且不需要換擋，簡化驅(qū)動系的控制。整體驅(qū)動橋式根據(jù)電動汽車傳動形式不同，純電動汽車的傳動方式也有不同：3）固定檔的傳動裝置和差速器的集成這種布置方式將電動機裝到驅(qū)動軸上，直接由電動機實現(xiàn)變速和差速轉(zhuǎn)換。電動機軸與驅(qū)動軸相互平行根據(jù)電動汽車傳動形式不同，純電動汽車的傳動方式也有不同：4）兩個獨立的電動機和帶有驅(qū)動軸的固定檔傳動裝置在這種布置方案中，差速器被兩個牽引電動機所替代，雙側(cè)獨立驅(qū)動，轉(zhuǎn)向則通過控制兩個電機以不同的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。雙電動機整體驅(qū)動橋式根據(jù)電動汽車傳動形式不同，純電動汽車的傳動方式也有不同：5）配置兩個獨立電動機和固定檔傳動裝置的直接驅(qū)動，電機安裝在車輪內(nèi)--輪式驅(qū)動。除上述結(jié)構(gòu)設(shè)計外，部件汽車公司采取在驅(qū)動輪上設(shè)置電動機及傳動裝置實現(xiàn)動力驅(qū)動。直流驅(qū)動式電動輪根據(jù)電動汽車傳動形式不同，純電動汽車的傳動方式也有不同：6）兩個分離的輪式驅(qū)動形式一個薄型的行星齒輪組可用以降低電機轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)矩。該薄型行星齒輪組具有高減速比，以及輸入輸出軸縱向配置的優(yōu)點。帶輪邊減速器電動輪從能量管理的角度而言，整車控制器是純電動汽車運行的核心單元，擔(dān)負著整車驅(qū)動控制、能量管理、整車安全及故障診斷和信息處理等功能，是實現(xiàn)純電動汽車安全、高效運行的必要保障。整車控制策略作為整車控制器的軟件部分，是整車控制器的核心部分。引導(dǎo)問題2：

純電動汽車的主要功能總成有哪些？純電動汽車可分為三個子系統(tǒng)：電動機驅(qū)動子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)、輔助子系統(tǒng)。電動機驅(qū)動子系統(tǒng)由車輛控制器、電力電子變換器、電機、機械傳動裝置和驅(qū)動車輪組成；能源子系統(tǒng)由能源、能量管理單元和能量的燃料供給單元構(gòu)成；輔助子系統(tǒng)由功率控制單元、空調(diào)控制單元和輔助電源組成。從結(jié)構(gòu)上而言，純電動系統(tǒng)的核心部件包括：動力電池組、驅(qū)動電動機及其控制器。1）動力電池組純電動汽車的能量來源是動力電池組，其體積、比能量、比功率、充放電循環(huán)壽命直接影響整車的行駛性能。2）驅(qū)動電動機及其控制器驅(qū)動電動機的作用是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機械能，通過傳動裝置或直接驅(qū)動車輪和工作裝置。由于汽車工況復(fù)雜多變，以及成本、空間的限制，純電動汽車電動機的輸出力也受到制約，因此電動汽車對電機的要求也較高，純電動汽車對電機的要求則較其它類型汽車有所不同：1）高密度小型輕量化2）高效率3）可靠性、耐久性、適應(yīng)性。4）低俗高轉(zhuǎn)矩和高速恒功率的寬調(diào)度。5）低噪聲與低成本。純電動汽車的控制系統(tǒng)主要是對電動汽車電池組和電動機加以控制。由于純電動汽車高度電氣化，因此更加有條件實現(xiàn)機電一體化，采用自動化的控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)。一般用中央控制器中的計算機來進行控制和管理?？刂葡到y(tǒng)還包括整車低壓系統(tǒng)的電子電氣裝置、現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航和雷達防撞等裝備。純電動汽車除裝備現(xiàn)代內(nèi)燃機汽車的一些先進電子設(shè)備外，電動輪、四輪轉(zhuǎn)向、再生制動和太陽能利用等，都可以在純電動汽車上發(fā)揮其獨特的作用。引導(dǎo)問題3：

關(guān)鍵零部件如何選型？純電動汽車，相對燃油汽車而言，主要差別在于四大部件：驅(qū)動電機，調(diào)速控制器、動力電池、車載充電器。其價值高低取決于這四大部件的品質(zhì)。用途也與選用的配置直接相關(guān)。

純電動汽車的驅(qū)動電機目前有直流有刷、無刷、有永磁、電磁之分，再有交流步進電機等，它們的選用也與整車配置、用途、檔次有關(guān)。驅(qū)動電機之調(diào)速控制也分有級調(diào)速和無級調(diào)速，有采用電子調(diào)速控制器和不用調(diào)速控制器之分。電動機有輪轂電機、內(nèi)轉(zhuǎn)子電機、有單電機驅(qū)動、多電機驅(qū)動和組合電機驅(qū)動等。電機及調(diào)速控制器的選用和配制對整車檔次和價位也有影響。

設(shè)計純電動汽車首先要進行選型設(shè)計，除了車型選擇外，電機類型與其性能參數(shù)、電池類型與其性能參數(shù)、控制方式的選擇、電池數(shù)量的選擇等都是首先要確定的。1純電動汽車驅(qū)動電機選擇電機驅(qū)動系統(tǒng)需求指系統(tǒng)額定電壓、額定電流、額定功率、最高允許電壓、最低允許電壓、最大允許電流、最大功率等一系列指標。2純電動汽車動力電池組選擇根據(jù)汽車使用需求，確定動力電池類型，然后需要確定電機的額定電壓和電池的電壓。按功率需求、行駛能量需求確定電池組個數(shù)1純電動汽車驅(qū)動電機選擇電機驅(qū)動系統(tǒng)需求指系統(tǒng)額定電壓、額定電流、額定功率、最高允許電壓、最低允許電壓、最大允許電流、最大功率等一系列指標。根據(jù)對車輛功率需求的分析，選擇電機最大功率；根據(jù)設(shè)計車輛傳動系統(tǒng)主減速比及擋位傳動比信息，通過匹配合適的擋位，結(jié)合車輪半徑信息，以滿足車輛最高設(shè)計車速為目標，確定電機額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速。電機功率的選擇將對電動汽車的動力性和經(jīng)濟性有著重要的影響。對于純電動汽車用電機，電機功率需要根據(jù)不同的工況進行選擇，如最高車速行駛、滿足爬坡性能、加速性能的電機功率。3純電動汽車傳動系傳動比的設(shè)計選擇汽車在行駛過程中，通過一定的傳動比來滿足不同行駛工況的需要。傳動比起到減速增矩的作用。純電動汽車有寬廣的工況范圍，在城市交通中，電動汽車頻繁工作的工況在中速區(qū)域。提高電機的工作效率，必須是電機的工況區(qū)域在高效區(qū)域，即0.8以上的區(qū)域。盡管電機一般都具有較寬的調(diào)速范圍，但在純電動汽車的設(shè)計過程中要選擇合理的傳動比，一方面滿足不同工況要求，另一方面使得電機在不同工況運轉(zhuǎn)時，盡量處于高效率范圍內(nèi)，以獲得較高的轉(zhuǎn)化效率，減小功率損失。3純電動汽車傳動系傳動比的設(shè)計選擇純電動汽車傳動比的選擇應(yīng)該滿足汽車最高設(shè)計車速、最大爬坡度以及對加速時間的要求。純電動汽車的傳動系參數(shù)匹配設(shè)計主要包括變速器的匹配設(shè)計和主減速器的匹配設(shè)計。1）傳動系最小傳動比傳動系速比的上限由電動機最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車速確定。

式中，為主減速器的傳動比；

變速器的傳動比。3純電動汽車傳動系傳動比的設(shè)計選擇2）傳動系最大傳動比傳動系最大傳動比

是變速器最低擋傳動比

與主減速器傳動比

的乘積，它主要電動機的峰值轉(zhuǎn)矩和車輛最大爬坡度決定：式中，

γ——車輪滾動半徑；αmax——車輛的最大爬坡度；f——滾動阻力系數(shù)；Tmax——最大驅(qū)動力矩；nT——傳動系總效率。動力電池的基本概念1.電壓：工作電壓：電池在一定負載條件下實際的放電電壓，如鉛酸蓄電池的工作電壓為1.8V-2V，鎳氫電池的工作電壓：1.1V-1.5V，鋰離子電池的工作電壓：2.75-3.6V；額定電壓：電池工作時公認的標準電壓，如鎳鎘電池額定電壓：1.2V，鉛酸蓄電池的額定電壓：2V；終止電壓：放電終止時的電壓值，通常與負載、使用要求有關(guān)；充電電壓：外電路直流電壓對電池充電的電壓。一般，充電電壓要大于開路電壓，如鎳鎘電池的充電電壓：1.45-1.5V，鋰離子電池的充電電壓：4.1-4.2V，鉛酸蓄電池的充電電壓：

2.25-2.7V。2.容量與比容量：容量是指在充電以后，在一定放電條件下所能釋放出的電量，其單位為

，容量與放電電流大小有關(guān)，與充放電截止電壓有關(guān)。比容量是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所能給出的電量。額定容量，是指設(shè)計與制造電池時，按照國家或相關(guān)部門頒布的標準，保證電池在一定的放電條件下能夠放出的最低限度的電量。實際容量，是指電池在定的放電條件下實際放出的電量。它等于放電電流與放電時間的乘積。值得注意的是，實際電池中正負極容量不等，多為負極容量過剩。3.功率與比功率電池的功率是指電池在一定放電制度下，單位時間內(nèi)輸出的能量，單位為

。比功率則是指單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率，單位為KW/kg或KW/L。4.放電率放電率是指放電時的速率，常用“時率”和“倍率”表示。時率是指以放電時間表示的放電速率，即以一定的放電電流放完額定容量所需的時間。倍率是指電池在規(guī)定時間內(nèi)放出額定容量所輸出的電流值，數(shù)值上等于額定容量的倍數(shù)。放電深度（Depthofdischarge，DOD）表示放電程度的一種量度，它是放電容量與總放電容量的百分比。5.荷電狀態(tài)：荷電狀態(tài)（Stateofcharge，SOC），是指剩余電量與額定容量或?qū)嶋H容量的比例。這一參數(shù)是在電動汽車使用中十分關(guān)鍵卻不易獲取的數(shù)據(jù)。6.自放電與存儲性能：對所有化學(xué)電源，即使在與外界電路無任何接觸的條件下開路放置，其容量也會自然衰減，這種現(xiàn)象稱為自放電。電池自放電的大小用自放電率衡量，通常以單位時間內(nèi)容量減少的百分比表示：

自放電率=（儲存前電池容量—儲存后電池容量）/儲存前電池容量x100%7.使用壽命：使用壽命是指電池實際使用的時間長短。對于充電電池而言，電池的壽命分為充放電循環(huán)壽命和濕擱置壽命。充放電循環(huán)壽命是衡量充電電池性能的重要參數(shù)。它是指在一定的充放電制度下，電池容量降到某規(guī)定值前，電池能耐受的充放電次數(shù)。充放電循環(huán)壽命趙長，電池性能越好。目前，鎳鎘電池的充放電循環(huán)壽命為

500-800次，鉛酸蓄電池為

200-500次，鋰離子電池為

600-1000次。充電電池的充放電循環(huán)壽命與放電深度、溫度、充放電制度工等條件有關(guān)。

新能源汽車對動力電池的要求1.比能量高。為保證電動汽車的續(xù)駛里程，電動汽車的動力電池須盡可能儲存多的能量，同時電動汽車的重量不能過大，電池的安裝空間也受整車分布限制，因此動力電池必須有足夠的比能量。2.比功率大。為滿足電動汽車在加速、上坡、負載等行駛條件下的動力要求，電池必須具備大的比功率。3.連續(xù)放電率高，自放電率低，電池能夠適應(yīng)快速放電的要求。自放電率低，以保證電池能夠長期存放。4.充電技術(shù)成熟，時間短，充電技術(shù)通用性強。能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電。5.適應(yīng)車輛運行環(huán)境。電池除能在常溫條件下正常穩(wěn)定地工作，不受環(huán)境溫度影響，不需要特殊的加熱、保溫系統(tǒng)。能夠適應(yīng)電動汽車行駛過程中的振動。6.安全可靠。電池應(yīng)干燥、潔凈，電解質(zhì)不會滲漏腐蝕接線柱、外殼。不會引起自燃或燃燒，在發(fā)生碰撞等事故時，不會對乘員造成傷害。廢電池能夠回收處理及再生利用，電池中的有害重金屬能夠集中回收處理。電池組可采用機械裝置進行整體拆解、更換，線路連接方便。7.長壽命、免維護。電池的循環(huán)壽命不低于1000次，在使用壽命限定期間內(nèi)，不需要進行維護與修理。

常用電動汽車動力電池常用的車用動力電池主要包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池等。鉛酸電池廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機汽車的低壓供電電源，是一種成熟的汽車電池，但存在比能量低、質(zhì)量和體積太、續(xù)駛里程短、使用壽命短、污染嚴重等問題，制約了其在電動汽車上的應(yīng)用。鎳氫電池因其能量密度高、無鎘污染、可大電流快速充放電等優(yōu)點，能夠滿足電動汽車對動力電池的要求，因此鎳氫電池目前被成熟地應(yīng)用到商業(yè)化的電動汽車，如豐田Prius。鋰離子電池是目前新能源汽車研究的熱點，它具備能量密度高、能量效率高、自放電率小、循環(huán)使用壽命長、可實現(xiàn)大電流充放電、無污染等優(yōu)點。各種動力電池1.鉛酸電池蓄電池工作過程就是化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化。當蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而向外供電時，稱為放電過程；當蓄電池與外界直流電池相聯(lián)而將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來時，稱為充電過程。鉛酸電池充足電時，正極板活性物質(zhì)為

，負極板活性物質(zhì)為

。鉛酸電池的電解液由純硫酸和蒸餾水按一定比例配制而成，其密度為2.鎳氫（

MH/Ni）電池鎳氫電池具有長期過放電和過充電保護能力，但壽命不如鎳鎘電池。鎳氫電池已在20世紀90年代逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。鎳氫（MH/Ni）電池采用鎳的氧化物作為正極，儲氫金屬作為負極，電解液通常選用

KOH溶液。由

Ni(OH)2正極材料和儲氫合金負極材料組成電池的反應(yīng)式：3.鋰離子電池鋰離子電池以碳為負極，以含鋰的化合物為正極。鋰電池的種類繁多，常見的有色鋰離子電他、高溫鋰熔直鹽電池、鋰聚合物電池和但聚合物固體電解質(zhì)電池等，鋰離子電池比能量的理論值為570Wh/Kg，它目前達到的性能指標是：比能量為100Wh/Kg，比功率200W/Kg，循環(huán)使用壽命為1200次，充電時間2-4h。以LiFeO4為例，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：4.飛輪電池當飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉(zhuǎn)換成電能的。飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。飛輪電池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動下，電機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其功能；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能(動能)到電能的轉(zhuǎn)換。據(jù)稱，飛輪電池比能呈可達

，比功率達

，使用壽命長達25年，可供電動汽車行駛500萬公里。5.超級電容超級電容（Super-capacitors，ultra-capacitor），又名電化學(xué)電容器(ElectrochemicalCapacitors)，雙電層電容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件。超級電容突出優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。超級電容可以彌補現(xiàn)階段鋰離子電池在功率密度等方面的不足。目前，它已經(jīng)應(yīng)用于軍事、新能源汽車以及各種機電設(shè)備中。5.超級電容我國研發(fā)動力電池產(chǎn)品的主要性能居國際先進水平，電池產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，但需要解決一些薄弱環(huán)節(jié)。我國動力電池關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵材料和產(chǎn)品研發(fā)取得重大進展，與日本、美國、德國等國際先進水平比較，總體水平相當。超級電容結(jié)構(gòu)電機的基本概念1.電機電機，是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的電磁裝置。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為車用電器或各種機械的動力源。通常指電動機與發(fā)電機。2.電機的關(guān)鍵參數(shù)：轉(zhuǎn)速

：額定轉(zhuǎn)速：是指在額定功率下電機的轉(zhuǎn)速。單位為

。電機轉(zhuǎn)矩

：電機扭矩即電動機的輸出扭矩，為電動機的基本參數(shù)之一。常用單位為NM。功率

：額定功率是指電機在額定電壓額定環(huán)境等條件下電機軸上的輸出功率。常用單位是

Kw。效率

：效率指的電機有效輸出功率與總功率之率，不同類型電機效率曲線不同。對于電動汽車而言，電機的效率可以表示為：

新能源汽車對電機的要求1.高電壓。在允許的范圍內(nèi)，盡可能采用高電壓，可以減小電動機的尺寸和導(dǎo)線等裝備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本。2.轉(zhuǎn)速高。電動汽車所采用的感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速可以達到

8000-12000r/min，高轉(zhuǎn)速電動機的體積較小，質(zhì)量較輕，有利于降低裝車的裝備質(zhì)量。3.質(zhì)量輕，體積小。電動機可通過采用鋁合金外殼等途徑降低電動機的質(zhì)量，各種控制裝置和冷卻系統(tǒng)的材料等也盡可能選用輕質(zhì)材料。4.電動機應(yīng)具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能，以滿足啟動、加速、行駛、減速、制動所需的功率與轉(zhuǎn)矩。能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電。5.電動汽車驅(qū)動電動機需要有4至5倍的過載，以滿足短時加速行駛與最大爬坡度的要求，而工業(yè)驅(qū)動電動機只要求有2倍的過載就可以了。6.電動汽車驅(qū)動電動機應(yīng)具有高的可控性、穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)性能，以滿足多部電動機協(xié)調(diào)運行，而工業(yè)驅(qū)動電動機只要求滿足某一種特定的性能。7.電動機應(yīng)具有高效率、低損耗，并在車輛減速時，可進行制動能量回收。8.電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)的安全性應(yīng)達到有關(guān)的標準和規(guī)定。9.電機能夠在惡劣條件下可靠工作。電動機應(yīng)具有高的可靠性、耐溫和耐潮性，并在運行時噪聲低，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作。10.結(jié)構(gòu)簡單，適合大批量生產(chǎn)，使用維修方便，價格便宜等。不同類型的電機1.直流電動機有刷直流電動機的主要優(yōu)點是控制簡單、技術(shù)成熟。具有交流電機不可比擬的優(yōu)良控制特性。由于存在電刷和機械換向器，不但限制了電機過載能力與速度的進一步提高，而且如果長時間運行，勢必要經(jīng)常維護和更換電刷和換向器。由于損耗存在于轉(zhuǎn)子上，使得散熱困難，限制了電機轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比的進一步提高。鑒于直流電動機存在以上缺陷，在新研制的電動汽車上已基本不采用直流電動機。2.交流三相感應(yīng)電動機交流三相感應(yīng)電動機是應(yīng)用得最廣泛的電動機。其定子和轉(zhuǎn)子采用硅鋼片疊壓而定子之間沒有相互接觸的滑環(huán)、換向器等部件。結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，經(jīng)久耐用。交流感應(yīng)電動機的功率覆蓋面很寬廣，轉(zhuǎn)速達到12000～15000r/min。可采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高。對環(huán)境的適應(yīng)性好，井能夠?qū)崿F(xiàn)再生反饋制動。與同樣功率的直流電動機相比較，效率較高，質(zhì)量減輕一半左右，價格便宜，維修方便。3.永磁無刷直流電動機永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結(jié)構(gòu)。它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗：發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。它的轉(zhuǎn)速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉(zhuǎn)運行。永磁無刷直流電動機機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動汽車中有著很好的應(yīng)用前景。4.開關(guān)磁阻電動機開關(guān)磁阻電動機是一種新型電動機，該系統(tǒng)具有很多明顯的特點：它的結(jié)構(gòu)比其它任何一種電動機都要簡單，在電動機的轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)、繞組和永磁體等，只是在定子上有簡單的集中繞組，繞組的端部較短，沒有相間跨接線，維護修理容易。開關(guān)磁阻電動機具有高度的非線性特性，因此，它的驅(qū)動系統(tǒng)較為復(fù)雜。它的控制系統(tǒng)包括功率變換器。但近年來的研究表明，采用合理的設(shè)計、制造和控制技術(shù)，開關(guān)磁阻電動機的噪聲完全可以得到良好的抑制。5.電動汽車采用的各種驅(qū)動電動機性能比較目前交流電動機、永磁電動機和開關(guān)磁阻電動機以及它們的控制裝置，成本還比較高，形成批量生產(chǎn)以后，這些電動機和單元控制裝置的價格會迅速降低，將能夠滿足經(jīng)濟效益的要求，并使電動汽車整車價格降低。

新能源汽車電機的發(fā)展直流電機的效率和轉(zhuǎn)速相對較低，其換向器維護困難，直流電機價格高、體積和重量大。隨著控制理論和電力電了技術(shù)的發(fā)展，直流驅(qū)動系統(tǒng)與其它驅(qū)動系統(tǒng)相比，己大大處于劣勢。因此，目前國外各大公司研制的電動車電氣驅(qū)動系統(tǒng)己逐漸淘汰了直流驅(qū)動系統(tǒng)。20世紀90年代后，交流電機驅(qū)動系統(tǒng)的研制和開發(fā)有了新的突破。相比直流電機，交流電機體積小、質(zhì)量輕、效率高、調(diào)速范圍寬、可靠性高、價格便宜、維修簡單方便，在電動汽車上得到了廣泛應(yīng)用。交流電機包括異步電機、永磁電機以及開關(guān)磁阻電機。

美國以及歐洲研制的電動汽車多采用這種電動機，如Chrysler公司生產(chǎn)的EpicVan；Ford公司生產(chǎn)的RangerEV，通用汽車公司生產(chǎn)的IMPACT和EH電動汽車。國內(nèi)也采用感應(yīng)電動機作為電動汽車的驅(qū)動電機也比較多，如勝利SL6700DD電動客車，鄭州華聯(lián)ZK6820HG-1電動輕型客車。但其最大缺點是驅(qū)動電路復(fù)雜，相對永磁電機而言，其效率和功率密度偏低，因此有被其它新型永磁電機逐步取代的趨勢。

永磁電機包括永磁無刷直流電機和永磁無刷同步電機兩種。永磁無刷直流電機是在直流電機的基礎(chǔ)上不再用電刷和換向器，起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強，非常適合電動車的運行特性。隨著稀土永磁材料的開發(fā)和應(yīng)用，永磁無刷電機的性能有了很大的提高，是未來最有發(fā)展前景的驅(qū)動電機之一。開關(guān)磁阻電機(SRM)是英國于1983年首次正式推出的，經(jīng)過多年的研制開發(fā)，己成為現(xiàn)代電動汽車交流驅(qū)動的又一個新支，它具有可控相數(shù)多、實現(xiàn)四象限控制方便、成本低?？傊妱悠囼?qū)動電機總的發(fā)展趨勢是由通用走向?qū)Ｓ?，由直流走向交流；電機的功率密度、可靠性及耐久性不斷提高；驅(qū)動控制系統(tǒng)向集成化與一體化發(fā)展。

混合動力電動汽車學(xué)習(xí)目標

熟悉混合動力電動汽車的基本概念；

了解混合動力電動汽車的分類，并明確混合動力電動汽車

的優(yōu)缺點。學(xué)習(xí)任務(wù)描述通過本次學(xué)習(xí)，了解混合動力電動汽車的基本概念，明確混合動力電動汽車與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別；了解混合動力電動汽車的不同分類方式；明確混合動力電動汽車在新能源汽車發(fā)展中的優(yōu)勢與劣勢。引導(dǎo)問題1：

什么是混合動力電動汽車？混合動力汽車通常是指由不同動力源驅(qū)動的汽車，包括油電混合動力汽車、氣電混合動力汽車。目前天然氣汽車通常也是油氣混合動力的一種。本文主要介紹油電混合動力汽車。混合動力電動汽車（HybridElectricalVehicle，簡稱HEV）是指同時裝備兩種動力來源——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。通過在混合動力電動汽車上使用電機，使得動力系統(tǒng)可以按照整車的實際運行工況要求靈活調(diào)控，而發(fā)動機保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，從而降低油耗與排放?；旌蟿恿﹄妱悠囀墙橛趦?nèi)燃機汽車和電動汽車之間的一種車型，是內(nèi)燃機汽車向純電動汽車過渡的車型。混合動力電動汽車盡管不能實現(xiàn)零排放，但其動力性、經(jīng)濟性以及排放等性能能夠在一定程度上緩解汽車發(fā)展與環(huán)境污染、能源危機的矛盾。與傳統(tǒng)汽車的最大區(qū)別在于其動力系統(tǒng)，混合動力電動汽車通常至少擁有兩個動力源和兩個能量儲存系統(tǒng)?；旌蟿恿﹄妱悠嚕ㄒ曨l）根據(jù)2010年頒布的QC/T837—2010《混合動力電動汽車類型》，混合動力電動汽車的有多種分類方式：根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)能量流和功率流的配置結(jié)構(gòu)關(guān)系，混合動力電動汽車可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式。按照兩種不同能量的搭配比例不同，混合動力電動汽車可分為微混合型、輕度混合型、中度混合型及重度混合型。按照外接充電能力，混合動力電動汽車分為可外接充電型（插電式）、不可外接充電型。優(yōu)點分析：混合動力技術(shù)被公認為是目前最可行、最現(xiàn)實的節(jié)能技術(shù)，而混合動力電動汽車也是目前世界上唯一能實現(xiàn)量產(chǎn)的節(jié)能環(huán)保型汽車，這是混合動力電動汽車的最大優(yōu)勢所在，具體地：1.排放性能良好2.動力性能佳3.耗油量低4.對電池的性能要求相對較低缺點分析：由于混合動力電動汽車仍需要燃燒汽油，因此無法從根本上擺脫對石油的依賴和徹底解決環(huán)保問題，也因此混合動力電動汽車沒有太大的市場號召力?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的生產(chǎn)成本比內(nèi)燃發(fā)動機系統(tǒng)的成本更高?；旌蟿恿囆枰渲闷胀ㄆ嚥⒉恍枰陌嘿F配件，例如龐大笨重的電池組、電力發(fā)動機以及精密的電子控制模板。另外受限于動力電池與能量儲存等技術(shù)難題，以及充換電站等基礎(chǔ)配套設(shè)施目前未完善，混合動力電動汽車要得到大規(guī)模發(fā)展尚需要一定的時間。引導(dǎo)問題1：串聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結(jié)構(gòu)串聯(lián)式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機、發(fā)電機和電動機三個動力總成，以串聯(lián)方式組成其動力單元系統(tǒng)。下圖為串聯(lián)式混合動力電動汽車的功能原理圖。串聯(lián)式混合動力電動汽車功能部件分布串聯(lián)式的工作模式通常有三種：純電動模式、純發(fā)動機模式、混合模式。純電動模式即發(fā)動機關(guān)閉，車輛行駛完全依靠電池組供電驅(qū)動；純發(fā)動機模式則僅在發(fā)動機運行情況下驅(qū)動車輛，蓄電池電力充足時作為儲備，不足時，發(fā)動機同時為其充電；混合模式，即整車動力是通過發(fā)動機與電池組共同提供。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速運行工況，主要用于客車。下圖為中通串聯(lián)式混合