輕型電動(dòng)汽車(chē)的研究與設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、目 錄摘 要1ABSTRACT2第1章 緒 論31.1 論文選題的意義31.1.1 電動(dòng)汽車(chē)研究的背景及必要性31.1.2 電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)的對(duì)比51.2 電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展概況51.2.1 電動(dòng)汽車(chē)的種類51.2.2 我國(guó)電動(dòng)車(chē)輛的研發(fā)現(xiàn)狀51.2.3 國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀71.3 電動(dòng)汽車(chē)的主要研究類容81.4 課題的主要任務(wù)9第2章 純電動(dòng)汽車(chē)(EV)的基本結(jié)構(gòu)和動(dòng)力性能92.1 純電動(dòng)汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)92.2 EV的類型112.3 EV的動(dòng)力性能13第3章 輕型電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)的電能儲(chǔ)存裝置的研究與設(shè)計(jì)153.1 電動(dòng)汽車(chē)電能儲(chǔ)存裝置的種類及主要性能指標(biāo)153.1.1 電動(dòng)汽車(chē)電能儲(chǔ)存裝置的

2、種類153.1.2 電能儲(chǔ)存裝置的主要性能指標(biāo)163.2 蓄電池(二次電池)的結(jié)構(gòu)和工作原理173.2.1 鉛酸蓄電池173.2.2 鎳氫電池193.2.3 鋰離子電池203.2.4 燃料電池213.3 蓄電池的管理系統(tǒng)22本章小結(jié)23第4章 輕型電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究與設(shè)計(jì)244.1 各種電動(dòng)機(jī)的性能比較244.1.1 電動(dòng)車(chē)輛對(duì)電動(dòng)機(jī)性能要求244.1.2 電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)254.2 交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)274.2.1 異步電機(jī)及其控制方案274.2.2 同步電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)方案28本章小結(jié)28第5章 輕型電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)的結(jié)構(gòu)布置及簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)295.1 儲(chǔ)能裝置的結(jié)構(gòu)形式295.2 電驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)

3、形式315.3 電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)325.3.1 總體布置325.3.2 質(zhì)量和質(zhì)心位置335.3.3 電動(dòng)汽車(chē)的典型工況與性能指標(biāo)345.3.4 傳動(dòng)裝置365.4 整車(chē)總體參數(shù)設(shè)計(jì)、選擇和確定365.4.1 主要尺寸參數(shù)365.4.2 質(zhì)量參數(shù)365.4.3 行駛性能參數(shù)365.4.4 電動(dòng)機(jī)功率的選擇375.4.5 動(dòng)力電池的參數(shù)選擇375.5 輕型電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)布置圖和整車(chē)裝配簡(jiǎn)圖38結(jié) 束 語(yǔ)40致 謝40參考文獻(xiàn)41摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪须x開(kāi)不了的代步和運(yùn)輸工具。可以肯定的說(shuō)，汽車(chē)改變了人們的生活方式，提高了人們的生活質(zhì)量，汽車(chē)工業(yè)已經(jīng)成為改變整個(gè)社

4、會(huì)面貌的一個(gè)重要手段。但是，面對(duì)日益嚴(yán)重的能源短缺與環(huán)境惡化問(wèn)題，新型車(chē)輛的開(kāi)發(fā)利用愈來(lái)愈受到各國(guó)政府和工業(yè)界的高度重視。在這種背景下，清潔無(wú)污染，零排放，既能提高交通工具的性能（環(huán)保）又能節(jié)約動(dòng)力（能源）的純電動(dòng)汽車(chē)成為當(dāng)今乃至未來(lái)最有發(fā)展前途的交通工具之一。作為大型企業(yè)和場(chǎng)館以及經(jīng)常在市區(qū)內(nèi)運(yùn)作的輕型運(yùn)輸車(chē)輛，考慮其長(zhǎng)期以低速和怠速為主要運(yùn)行方式，并伴有較為頻繁的制動(dòng)減速和停車(chē)啟動(dòng)，若以傳統(tǒng)的燃油機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，其效率相當(dāng)?shù)?，同時(shí)也將排放更多的有害氣體，既對(duì)能源是一種嚴(yán)重的浪費(fèi)，又對(duì)環(huán)保造成更為不利的影響。因此，以純電力驅(qū)動(dòng)的輕型電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)具有很大節(jié)能環(huán)保意義，同時(shí)迫于環(huán)保和能源可持續(xù)發(fā)展

5、的雙重壓力，輕型電動(dòng)運(yùn)輸汽車(chē)在輕型運(yùn)輸車(chē)具有很大的發(fā)展前景。所以，本文以輕型電動(dòng)運(yùn)輸汽車(chē)作為研究與設(shè)計(jì)的對(duì)象，具有很大的研究?jī)r(jià)值，同時(shí)符合汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展要求。關(guān)鍵詞：能源； 電動(dòng)汽車(chē)； 儲(chǔ)能裝置； 驅(qū)動(dòng)電機(jī)；AbstractWith the development of science and technology, the car has become people daily life wont leave the car and carriage tool. Can say for sure, car changed peoples life style, and improve the

6、 quality of peoples lives, auto industry has become the social change is an important means of social appearance. But the serious shortage of energy and environmental degradation problems, development and utilization of new vehicles by governments and industry, more and more attention. In this conte

7、xt, clean, zero emission pollution, both to improve transport performance (environmental protection) and can save power (energy) of pure electric vehicles and even the future become the most promising means of transport. As a large enterprises and venues and often in the operation of the light vehic

8、les, consider its long-term with low and idle for main operation mode, and accompanied by frequent braking deceleration and parking, if the traditional machine as driving force, fuel efficiency, also be quite low emissions more harmful gases, both for energy is a serious waste of environmental prote

9、ction, and cause more adverse effects. Therefore, the pure electric light electric truck driver has a great significance, energy-saving and environmental protection and sustainable energy development under the double pressure, light electric car in light truck transport has great development prospec

10、ts. Therefore, based on the light electric car research and design transportation as the object of study, has great value, and conform to the requirements of the development of automobile industry.Keywords: energy; electric vehicles; energy storage devices; drive motor第1章 緒 論1.1 論文選題的意義 電動(dòng)汽車(chē)研究的背景及必要

11、性汽車(chē)自問(wèn)世以來(lái)，已逐漸成為人們生產(chǎn)和生活中不可缺少的工具，成為現(xiàn)代社會(huì)文明的重要組成部分；但是，汽車(chē)在其發(fā)展過(guò)程中，伴生了2個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題：環(huán)境污染和能源危機(jī)。圖1-1 汽車(chē)數(shù)量增加、石油需求增加從世界范圍看，剩余石油約為1400億t，未來(lái)幾十年石油仍將是各國(guó)的重要戰(zhàn)略資源。目前全球石油年產(chǎn)量為32億t，估計(jì)20102020年將達(dá)到3539億t；因此，地球上現(xiàn)已探明的石油儲(chǔ)藏量只能滿足人類充分使用4050年。從我國(guó)能源與環(huán)境狀況看，2000年進(jìn)口石油7000萬(wàn)t，預(yù)計(jì)2010年后將超過(guò)1.5 億t。同時(shí)，隨著汽車(chē)保有量的增加，汽車(chē)尾氣對(duì)全球大氣環(huán)境的污染也日益嚴(yán)重。有關(guān)研究結(jié)果表明，各類機(jī)動(dòng)車(chē)輛

12、排氣污染已占城市大氣污染物的70以上，其中排放的CO對(duì)空氣污染的分擔(dān)率約為80，NOx約為40，成為影響城市居民生活質(zhì)量的重要污染源。根據(jù)國(guó)家環(huán)保中心預(yù)測(cè)，2010年汽車(chē)尾氣排放量將占空氣污染源的64。如果進(jìn)一步使用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展汽車(chē)工業(yè)，必將給我國(guó)能源安全和環(huán)境保護(hù)造成巨大壓力；因此，開(kāi)發(fā)低廢氣排量、低油耗的新型汽車(chē)成為當(dāng)今汽車(chē)界的緊迫任務(wù)。如上所述,隨著石油資源的逐漸枯竭,能源危機(jī)的加劇,直接嚴(yán)重的沖擊著傳統(tǒng)燃油汽車(chē)。同時(shí)，由于世界各地人民的環(huán)保觀念、意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)熱要求越來(lái)越高，促使人們致力于減少汽車(chē)排放的研究，開(kāi)發(fā)無(wú)污染的新能源汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)是解決能源短缺、環(huán)境危機(jī)的

13、有效途徑之一。所以，電動(dòng)汽車(chē)作為燃油汽車(chē)的替代品，是汽車(chē)技術(shù)革命的重要內(nèi)容，是世紀(jì)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的潮流。電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)的對(duì)比電動(dòng)汽車(chē)是指以車(chē)載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車(chē)輛。它使用存儲(chǔ)在電池中的電來(lái)發(fā)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)汽車(chē)時(shí)有時(shí)使用12或24塊電池，有時(shí)則需要更多。電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)相比,有著自身許多特點(diǎn),下面表1-1中給出了電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)性能和用途方面的比較。表電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)性能和用途比較項(xiàng) 目性 能用 途機(jī)動(dòng)性廢氣排放噪聲震動(dòng)操作難易能源補(bǔ)給購(gòu)置費(fèi)用維修費(fèi)用大范圍作業(yè)連續(xù)作業(yè)不通風(fēng)場(chǎng)所低噪聲場(chǎng)所狹窄場(chǎng)所易燃爆場(chǎng)所低溫場(chǎng)所電動(dòng)汽車(chē)汽油汽車(chē)柴油汽車(chē)注：好

14、（適用）；一般；差（不適用）1. 能源效率高，多樣化 電動(dòng)汽車(chē)的研究表明，其能源效率已超過(guò)汽油機(jī)汽車(chē)。特別是在城市運(yùn)行，汽車(chē)走走停停，行駛速度不高，電動(dòng)汽車(chē)更加適宜。電動(dòng)汽車(chē)停止時(shí)不消耗電量，在制動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)減速時(shí)能量的再利用。有些研究表明，同樣的原油經(jīng)過(guò)粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，其能量利用效率比經(jīng)過(guò)精煉變?yōu)槠?，再?jīng)汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)高，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量。另一方面，電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用可有效地減少對(duì)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(yáng)能、風(fēng)力、潮汐等能源轉(zhuǎn)化。

15、除此之外，如果夜間向蓄電池充電，還可以避開(kāi)用電高峰，有利于電網(wǎng)均衡負(fù)荷，減少費(fèi)用。 2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便電動(dòng)汽車(chē)較內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)、傳動(dòng)部件少，維修保養(yǎng)工作量小。當(dāng)采用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，電機(jī)無(wú)需保養(yǎng)維護(hù)，更重要的是電動(dòng)汽車(chē)易操縱。3. 動(dòng)力電源使用成本高，續(xù)駛里程短 目前電動(dòng)汽車(chē)尚不如內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)技術(shù)完善，尤其是動(dòng)力電源（電池）的壽命短，使用成本高。電池的儲(chǔ)能量小，一次充電后行駛里程不理想，電動(dòng)車(chē)的價(jià)格較貴。但從發(fā)展的角度看，隨著科技的進(jìn)步，投入相應(yīng)的人力物力，電動(dòng)汽車(chē)的問(wèn)題會(huì)逐步得到解決。揚(yáng)長(zhǎng)避短，電動(dòng)汽車(chē)會(huì)逐漸普及，其價(jià)格和使用成本必然會(huì)降低。1.2 電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展概況 電動(dòng)

16、汽車(chē)的種類 1. 外供電源的電動(dòng)車(chē)輛 包括各種架空線供電車(chē)輛(電氣“火車(chē)”、城市有軌電車(chē)和無(wú)軌電車(chē)等),和各種軌道供電車(chē)輛(地鐵、軌道車(chē)等)。它們由架空線或軌道輸入電能、直接用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行使。它們的特點(diǎn)是不需要裝置復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換裝置，動(dòng)力性好，運(yùn)輸能力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但受到架空線或軌道的線路長(zhǎng)度的限制，只能在固定的線路和軌道范圍內(nèi)行使，不能自由馳騁。 2. 自攜電源的電動(dòng)車(chē)輛包括純電動(dòng)車(chē)輛、燃料電池車(chē)輛和混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛，它們的特點(diǎn)是不受架空線或軌道的線路和長(zhǎng)度的限制，可以自由馳騁不同的道路上合沒(méi)有道路的地方（越野），并且可以在外星“地面”上行駛。電動(dòng)車(chē)輛的共同點(diǎn)是（1）必須具備一種或多種

17、電源(包括蓄電池，超級(jí)電容器和燃料電池)；（2）必須具備電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；包括直流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)，永磁電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；輪轂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等；（3）混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輪轂除配備電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外，還平配備了有能燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 我國(guó)電動(dòng)車(chē)輛的研發(fā)現(xiàn)狀我國(guó)電動(dòng)車(chē)輛的研究開(kāi)始于上世紀(jì)80年代。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)政府相關(guān)部門(mén)積極組織開(kāi)展電動(dòng)汽車(chē)的自主創(chuàng)新?！熬盼濉逼陂g，電動(dòng)汽車(chē)列入國(guó)家重大科技產(chǎn)業(yè)工程?！笆濉?、“十一五”期間電動(dòng)汽車(chē)列入國(guó)家863計(jì)劃。在自主創(chuàng)新過(guò)程中，堅(jiān)持了政府支持，以核心技術(shù)、關(guān)鍵部件和系統(tǒng)集成為重點(diǎn)的原則，確立了以混合電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)為“三縱”，以整車(chē)控制系統(tǒng)、電機(jī)

18、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力蓄電池/燃料電池為“三橫”的研發(fā)布局，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研緊密合作，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)自主創(chuàng)新取得了重大進(jìn)展。香港大學(xué)在1993年試制了U2001-EV純電動(dòng)轎車(chē)，是我國(guó)最早研發(fā)的EV，采用比能量52km/h，140A/h循環(huán)壽命2000次的鎳-鎘電池組，鎳鎘電池組的總電壓264V，布置在后排座椅的后下部。表1-2 香港大學(xué)U2001-EV電動(dòng)轎的技術(shù)性能 項(xiàng)目單位U2001EV項(xiàng)目單位U2001EV質(zhì)量參數(shù)裝載質(zhì)量Kg273電動(dòng)機(jī)最大功率Kw50整車(chē)質(zhì)量Kg1820性能參數(shù)最高車(chē)速Km/h130電池組型式鎳-鎘電池續(xù)駛里程（88km/h）Km270容量Ah140循環(huán)壽命次2000加速時(shí)間048

19、km/hS6.3質(zhì)量比能量Kw/kg52 比亞迪汽車(chē)公司的ET純電動(dòng)汽車(chē)（圖1-1）其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下所示： 4605mm1832mm1590mm 3100mm 整備質(zhì)量1205kg/滿載1505kg 165km/h,30%,0z100km/h=8.5s Range=350km Witnout/300km With AC Li-io動(dòng)力電池組296V200Ah400kg 圖1-2比亞迪公司開(kāi)發(fā)純電動(dòng)汽車(chē) 接觸式充電5h/快充60%DOD1 m汽車(chē)質(zhì)量(kg) 行駛加速度(m/)9、 汽車(chē)行駛方程式10、 勻速下總驅(qū)動(dòng)力F （N）11、 續(xù)駛里程S （m）式中：蓄電池總能量（KWh） 電機(jī)及控制

20、器效率（取0.9） 電池平均放電效率（取0.95）第3章 輕型電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)的電能儲(chǔ)存裝置的研究與設(shè)計(jì) 純電動(dòng)車(chē)輛以蓄電池儲(chǔ)存的電能為主要電源，燃料電動(dòng)車(chē)輛和混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛上以蓄電池作為輔助電源。蓄電池的類型和性能對(duì)電動(dòng)車(chē)輛的電力驅(qū)動(dòng)有重要的影響?？傮w來(lái)說(shuō)HEV和EV對(duì)電源的主要要求有如下6個(gè)方面： 1）高的比能量（增長(zhǎng)一次充電可行駛的距離）。 2） 大的比功率（保證在大電流工作時(shí)可平穩(wěn)放電和提高加速，爬坡性能）。 3）循環(huán)壽命長(zhǎng)。 4）安全可靠，免維護(hù)。 5）環(huán)境友好，可再生。 6）成本低廉。3.1 電動(dòng)汽車(chē)電能儲(chǔ)存裝置的種類及主要性能指標(biāo) 電動(dòng)汽車(chē)電能儲(chǔ)存裝置的種類 電動(dòng)汽車(chē)的電能儲(chǔ)存裝置可

21、分為二次電池、超級(jí)電容器和飛輪電池三類。 1. 二次電池 二次電池亦稱為可充電電池。蓄電池習(xí)慣上指鉛酸蓄電池，也屬于二次電池?，F(xiàn)代混合動(dòng)力汽車(chē)上的最常見(jiàn)的二次電池有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鎳金屬氫化物電池四類。 2. 超級(jí)電容器 超級(jí)電容器是高能量密度的儲(chǔ)能元件,或者稱為電蓄能器。它能存貯大量電荷,并且能迅速地充放電。利用它可以把蓄電池的沖擊負(fù)載降低到適宜的水平,這樣蓄電池需設(shè)計(jì)達(dá)到平均能量密度和平均循環(huán)壽命,而無(wú)需達(dá)到最大峰值能量密度和循環(huán)壽命。超容量電容器也可以用來(lái)存儲(chǔ)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量。 3. 飛輪電池 飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)就具有一定的動(dòng)能，飛輪電池正是以其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的

22、。它有一個(gè)電機(jī)，充電時(shí)為電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)飛輪加速（儲(chǔ)能），放電時(shí)為發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出電能。飛輪電池的比能量可達(dá)150wh/kg，比功率達(dá)500010000Wkg，使用壽命長(zhǎng)達(dá)25 年、可供電動(dòng)汽車(chē)行駛500 萬(wàn)公里。電能儲(chǔ)存裝置的主要性能指標(biāo) 1）比能量（也稱質(zhì)量比能量、質(zhì)量能量密度）：指單位質(zhì)量的電能儲(chǔ)存裝置所能輸出的能量，單位為J/kg、Wh/kg或kWh/kg。比能量越高，汽車(chē)用電能行使的距離越長(zhǎng)。在計(jì)算比能量時(shí)，應(yīng)使用的質(zhì)量為電能儲(chǔ)存裝置的總質(zhì)量。能量密度（也稱體積比能量）：指單位體積電能儲(chǔ)存裝置所能輸出的能量，單位為Wh/L或kWh/L。能量密度越高，汽車(chē)的載重量和車(chē)內(nèi)空間越大。 2）比功

23、率（也稱質(zhì)量比功率、質(zhì)量功率密度）是指單位質(zhì)量電能儲(chǔ)存裝置所具有電能的功率，單位為W/kg或kW/kg。電能儲(chǔ)存裝置的比功率越大，汽車(chē)加速、爬坡性能越好，最高車(chē)速越高。幾種電能儲(chǔ)存裝置的比能量和比功率比較如表3-1所示表3-1 幾種電能儲(chǔ)存裝置的比能量和比功率比較 電池種類比能量Wh/kg比功率W/kg鉛酸洗電池3040300500鎳氫電池4050500800鋰離子電池60705001500鋰聚合物電池506001100飛輪電池1550300超級(jí)電容器284004500 3)功率密度（亦稱體積比功率）是指單位體積電能儲(chǔ)存裝置所具有的電能功率，單位為W/L或kW/L。功率密度越高，汽車(chē)的載重量個(gè)

24、車(chē)內(nèi)空間也越大。 4）壽命：電能儲(chǔ)存裝置的壽命通常指其使用時(shí)間的長(zhǎng)短或充放電的循環(huán)次數(shù)的多少，單位為年、小時(shí)或循環(huán)次數(shù)。顯然電能儲(chǔ)存裝置的壽命越長(zhǎng)越好。 5）充、放電效率：充電效率指充入電能儲(chǔ)存裝置的電能占充電時(shí)消耗的電能的百分比；放電效率指電能儲(chǔ)存裝置的輸出電能占放電時(shí)電能儲(chǔ)存裝置消耗的電能的百分比。顯然，充、放電效率越高越好。 考慮到本文所研究的輕型電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)的工作性質(zhì)和有關(guān)的技術(shù)要求，以及各類儲(chǔ)存裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，將選定二次電池為電能儲(chǔ)存裝置主要的研究對(duì)象。并以此裝置完成輕型電動(dòng)車(chē)的整車(chē)設(shè)計(jì)。3.2 蓄電池（二次電池）的結(jié)構(gòu)和工作原理鉛酸蓄電池1. 鉛酸蓄電池的工作原理 正極 負(fù)極 正極

25、負(fù)極 充電2. 鉛酸蓄電池的構(gòu)造 圖3-1為普通鉛酸蓄電池的構(gòu)造，鉛酸蓄電池的基本單元是單體電池，每個(gè)單體電池都是由正極板和裝在正極板和負(fù)極板之間的隔板組成。 圖3-1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)圖 3. 鉛酸蓄電池的特性鉛酸蓄電池的特性主要有以下幾個(gè)方面：鉛酸蓄電池的電動(dòng)勢(shì)與開(kāi)路電壓(圖3-2)；鉛酸蓄電池充電特性(圖3-3)；鉛酸蓄電池的放電特性(圖3-4)。1) 鉛酸蓄電池的電動(dòng)勢(shì)與開(kāi)路電壓鉛酸蓄電池的電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓與電解液的濃度的關(guān)系曲線如圖3-2所示。鉛酸蓄電池在放電過(guò)程中，的濃度會(huì)逐漸減小，如果的密度下降到 1.2g/cm時(shí)，鉛酸蓄電池就必須充電。圖3-2 鉛酸蓄電池開(kāi)路電壓與電解液硫酸的濃

26、度的關(guān)系曲線2）鉛酸蓄電池充電特性在蓄電池充電開(kāi)始，蓄電池的端電壓迅速地上升（圖3-3中A-B段）。當(dāng)達(dá)到B點(diǎn)以后，蓄電池的端電壓上升逐漸緩慢（圖3-3中B-C段）。達(dá)到充電量90%左右，蓄電池的端電壓再次上升（圖3-3中C-D段），當(dāng)蓄電池的端電壓達(dá)到D點(diǎn)時(shí)，蓄電池的兩極開(kāi)始析出氣體。出現(xiàn)“過(guò)充”現(xiàn)象，應(yīng)停止充電。蓄電池的充電性能是與蓄電池中PbO在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程生成的速度有關(guān)。圖3-3 鉛酸蓄電池的充電特性3）鉛酸蓄電池恒電流的放電特性蓄電池開(kāi)始放電時(shí)，蓄電池的端電壓隨放電電流增大下降較快（圖3-4中A-B段）。然后蓄電池的端電壓隨放電電流的增大保持穩(wěn)定狀態(tài)（圖3-4中B-C段）。當(dāng)蓄電池放

27、電電流超過(guò)D點(diǎn)后，蓄電池的端電壓迅速下降，達(dá)到蓄電池所規(guī)定的終止電壓。超過(guò)D點(diǎn)時(shí)，蓄電池呈“過(guò)放”狀態(tài)，蓄電池“過(guò)放”時(shí)將使蓄電池?fù)p壞。蓄電池的放電性能是與蓄電池中在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中生成為Pb的速度有關(guān)。圖3-4 鉛酸蓄電池的放電特性 4. 鉛酸蓄電池的技術(shù)性能鉛酸蓄電池之所以能得到廣泛應(yīng)用，其主要原因是其開(kāi)路電壓高，放電電壓平穩(wěn)，充電效率高，能夠在常溫下正常工作，生產(chǎn)技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，規(guī)格齊全。鉛酸蓄電池在國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)生物第一代汽車(chē)上有著廣泛應(yīng)用。但是，鉛酸蓄電池帶來(lái)的嚴(yán)重環(huán)境污染與研制電動(dòng)車(chē)的初衷相違背，也制約了其未來(lái)的發(fā)展市場(chǎng)。鎳氫電池 1. 鎳氫電池的工作原理（圖3-2） 正極 負(fù)極 正

28、極 負(fù)極 充電2. 鎳氫電池的構(gòu)造鎳氫電池的負(fù)極是儲(chǔ)氫合金,正極是氫化鎳,用氫氧化鉀作為電解質(zhì),在正負(fù)極之間有隔膜,共同組成鎳氫單體電池.在金屬鉑的催化作用下,完成充電和放電的可逆反應(yīng).氫氣是沒(méi)有毒性的物質(zhì),無(wú)污染、安全可靠，使用壽命長(zhǎng)，而且不需要補(bǔ)充水分 3. 鎳氫電池的技術(shù)性能 鎳氫電池的比能量可達(dá)75 80Wh/kg, 比功率達(dá)160 230W/k g, 循環(huán)使用壽命超過(guò)600 次。隨著鎳氫蓄電池技術(shù)的發(fā)展, 其比能量可超過(guò)80Wh/k g, 循環(huán)使用壽命可超過(guò)2 000次, 遠(yuǎn)景價(jià)格可降至150 美元(kWh)。豐田E2com電動(dòng)車(chē)采用該種蓄電池, 該車(chē)最高速可達(dá)100km/h, 續(xù)駛

29、里程100 km。 鋰離子電池 3-2 鎳氫電池(Ni-MH)充放電原理圖 1. 鋰離子電池的工作原理 鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)。鋰離子電池是一個(gè)鋰離子濃差電池，充電時(shí)鋰離子從正極化合物中脫出經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極晶格，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到負(fù)極，保證負(fù)極電荷平衡；放電時(shí)則相反，鋰離子從負(fù)極脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)（圖3-3）。由于鋰離子電池正負(fù)極材料都用層間化合物，所以在正常充放電時(shí)，鋰離子在層狀機(jī)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)的氧化物的層間嵌入和脫出，只引起層間距的變化，不會(huì)引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞，所以伴隨著充、放電的進(jìn)行，正負(fù)極材料的化學(xué)

30、結(jié)構(gòu)基本不變，因此從充、放電反應(yīng)的可逆性看 圖3-3 鋰離子電池充放電原理，鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)，稱之為“搖椅式”鋰離子電池體系。 鋰的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)基本模式為:在鋰離子電池中正極采用不同的材料時(shí),鋰的電化學(xué)氧化反應(yīng)為:作為正極: 作為正極:作為正極: 在鋰離子電池中正極還原反應(yīng)為: 2. 鋰離子電池的構(gòu)造 鋰離子電池的單體電池做成圓柱形或棱柱形，鋰離子電池由正極、負(fù)極和固體鋰離子導(dǎo)體組成，它們封裝在外殼中。 3. 鋰離子的技術(shù)性能鋰離子電池的最大優(yōu)點(diǎn)是比能量高, 鋰離子電池理論值可達(dá)570Wh/k g, 因此, 受到各汽車(chē)公司的重視。目前其比能量為100Wh/kg, 比功率

31、為200 W /k g, 循環(huán)使用壽命為1200 次, 充電時(shí)間2 4 h。日產(chǎn)Hypenm ini 電動(dòng)車(chē)采用該種蓄電池, 其最高車(chē)速達(dá)100 km/h , 續(xù)駛里程為130 km。4. 鋰離子電池存在問(wèn)題1)導(dǎo)電率低、實(shí)際電容量低，低溫下放電性能差，已有部分解決方案2)成品率低、批次間穩(wěn)定性差是制約成本下降的關(guān)鍵因素3)安全性仍有一定隱患，聚合物鋰電池是未來(lái)方向之一燃料電池燃料電池(FCEV)是一種將儲(chǔ)存在燃料(氫氣或碳?xì)浠衔? 和氧化劑(氧氣或空氣) 中的化學(xué)能通過(guò)電化反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。與目前的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)相比較, 燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。由于不通過(guò)熱機(jī)過(guò)程, 故不受

32、卡諾循環(huán)的限制, 因而具有很高的能量轉(zhuǎn)換率, 實(shí)際效率可達(dá)60% 80% , 是普通內(nèi)燃機(jī)的2 3 倍。燃料電池的燃料和氧化劑由外部源源不斷地供給, 與普通蓄電池相比, 不需要更換或充電, 因而能像發(fā)動(dòng)機(jī)一樣源源不斷地向外部供應(yīng)能量。試驗(yàn)和試用最多的車(chē)用燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池和磷酸燃料電池。它沒(méi)有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu), 而且生成物主要是水, 因此, 運(yùn)行平穩(wěn)且無(wú)污染。制造成本高是燃料電池商業(yè)化所面臨的主要問(wèn)題, 目前燃料電池的制造成本約為30 美元/kW , 而高性能內(nèi)燃機(jī)的制造成本則是5美元/ kW , 另外, 其比功率僅為常規(guī)內(nèi)燃機(jī)的1/3。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步, 燃料電池前景是看好的

33、。 1. 燃料電池基本原理 燃料電池是化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種動(dòng)力設(shè)備,原理圖如圖3-4所示。燃料電池的基本反應(yīng)步驟：1) 反應(yīng)物向燃料電池內(nèi)部傳遞 2) 電化學(xué)反應(yīng)3) 離子傳導(dǎo)以及電子傳導(dǎo)4) 產(chǎn)物排出圖3-4 燃料電池的工作原理 2. 燃料電池的結(jié)構(gòu)燃料電池系統(tǒng)主要包括燃料電池反應(yīng)堆，壓縮機(jī)，流量控制器，加熱器，散熱器，加濕器等，各種不同的燃料電池系統(tǒng)的組成有所區(qū)別，圖3-5的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。將燃料電池系統(tǒng)的各個(gè)部件模塊化，用戶就可以選擇所需要的部件，組成合適的燃料電池系統(tǒng)。 3. 燃料電池存在問(wèn)題燃料電池十分復(fù)雜，涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、

34、電力系統(tǒng)及自動(dòng)控制等學(xué)科的有關(guān)理論。其能量密度極高，接近于汽油和柴油的能量密度，幾乎是零污染，號(hào)稱“終極電池”，代表著電動(dòng)車(chē)未來(lái)的發(fā)展方向，也是各國(guó)重點(diǎn)研發(fā)的領(lǐng)域之一。目前國(guó)內(nèi)一輛轎車(chē)所用燃料電池的成本約在100 萬(wàn)人民幣左右，北京市引進(jìn)的三輛“零排放”燃料電池公交車(chē)，每輛成本更是高達(dá)千萬(wàn)。由于成本太高，燃料電池目前離產(chǎn)業(yè)化還有較長(zhǎng)的距離要走，預(yù)計(jì)在2025年才會(huì)大規(guī)模商業(yè)化。3.3蓄電池的管理系統(tǒng)我國(guó)已開(kāi)發(fā)多種應(yīng)用在電動(dòng)車(chē)輛上的蓄電池管理模塊，根據(jù)電動(dòng)車(chē)輛所采用的動(dòng)力電池的類型和動(dòng)力電池的組合方法，電池組管理系統(tǒng)主要包括：（1）動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)；（2）高壓電線線路管理系統(tǒng)；（3）熱（溫度）

35、管理系統(tǒng)（表3-2）。動(dòng)力電池組需要多節(jié)單體電池或多個(gè)蓄電池串聯(lián)起來(lái)組成，動(dòng)力電池組的總電壓為200400V。動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)一般采用微處理器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信接口、CAN總線和控制模塊等對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行管理（圖3-6表3-2電池組管理系統(tǒng) 動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)線路管理系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)檢測(cè)電池組電壓監(jiān)測(cè)電池組電流“不一致性”電池和老化電池檢測(cè)SOC的顯示裝置車(chē)輛在線可行駛里程顯示裝置自動(dòng)診斷系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)安全防護(hù)系統(tǒng)動(dòng)力電池組分組及連接高壓電力電總線CAN快速接插器斷電流傳感器電池組和單元電池的溫度測(cè)試溫度管理ECU及溫度傳感器通風(fēng)管道系統(tǒng)和風(fēng)扇熱能的管理與利用 圖3-6 動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)1-電動(dòng)機(jī)

36、；2-逆變器；3-繼電器；4-充電器；5-電池組；6-冷卻風(fēng)扇；7-電池管理系統(tǒng)；8-SOC（里程）顯示器；9-中央控制器；10-駕駛員信號(hào)輸入；V-電壓計(jì)；A-電流計(jì)；T-溫度計(jì)。本章小結(jié)本章通過(guò)對(duì)一些電動(dòng)汽車(chē)常用電池作了比較系統(tǒng)的研究。盡管我們希望所選用的電池就有高的比能量又有高的比功率，但是通過(guò)分析各種電池的原理、結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能，我們知道在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，兼顧二者有一定得難度。不過(guò)我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)及電能儲(chǔ)存裝置的重視，我們會(huì)一一攻克這方面的難題,研究出更加環(huán)保,更高效率的EV用動(dòng)力電池。另外，從對(duì)各類電池的性能和特點(diǎn)分析來(lái)看，鋰離子競(jìng)爭(zhēng)潛力很大,將成為未來(lái)EV用電池的主導(dǎo)。 第4章 輕型電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究與設(shè)計(jì)電動(dòng)車(chē)輛較普遍地采用直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)4.1 各種電動(dòng)機(jī)的性能比較 電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)單元，它的技術(shù)性能直接影響車(chē)輛運(yùn)行的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，所以選擇設(shè)計(jì)符合電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行要求的電機(jī)，具有調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、后備功率高、效率高、功率密度大和可靠性高的特性。如對(duì)感應(yīng)電機(jī)，要求提高額定工