《汽車新結(jié)構(gòu)新技術(shù)》電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車技術(shù)

1、 電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車技術(shù)2第一節(jié) 電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)原理第二節(jié) 電動(dòng)汽車的控制技術(shù)第三節(jié) 混合動(dòng)力汽車第四節(jié) 燃料電池汽車技術(shù)首頁返回章返回節(jié)3第一節(jié)電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)原理一、電動(dòng)汽車及其發(fā)展二、電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)原理三、電動(dòng)汽車的總體布置首頁返回章返回節(jié)4一、電動(dòng)汽車及其發(fā)展電動(dòng)汽車（Electric Vehicle）是以電池為動(dòng)力的汽車。德國(guó)1972年開始研制。日本1976年成立“日本電動(dòng)汽車協(xié)會(huì)”，1978年制定了“電動(dòng)汽車試用制度”，每年給試用者試用費(fèi)。通用公司2000年推出的混合動(dòng)力汽車百公里油耗只有2.94L。我國(guó)首輛電動(dòng)轎車2001年6月在東風(fēng)汽車公司問世。首頁返回章返回節(jié)5二、電動(dòng)汽車

2、的結(jié)構(gòu)原理電動(dòng)汽車由車載電源（電池和充電器等）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器、車體（底盤和車身等）三部分組成。由蓄電池輸出電能（電流）通過控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。首頁返回章返回節(jié)6電動(dòng)汽車的基本骨架應(yīng)具備以下幾點(diǎn)：1）為了確保行駛安全性，提高維護(hù)保養(yǎng)性，采用低重心和免維護(hù)一體型蓄電池，并將其放在車身后部的車廂地板下。2）為減輕車架質(zhì)量，提高剛度，將大斷面主車架設(shè)計(jì)成縱直車架。3）為了確保車廂內(nèi)部具有最大限度的乘員空間，最大限度地緊縮機(jī)械空間而采取將乘員空間與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源等完全分開的處置，將電動(dòng)機(jī)、高壓電氣系統(tǒng)集中配置在車身前部。首頁返回章返回節(jié)71.電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)和交流

3、電機(jī)兩大類。直流電機(jī)不需離合器、變速器，起步加速牽引力大，控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，成本低，但需電刷和換向器，體積大、重量大。交流電機(jī)（包括異步、同步、開關(guān)磁阻）體積小、質(zhì)量輕、效率高、免維護(hù)、調(diào)速范圍寬。首頁返回章返回節(jié)82.控制系統(tǒng)控制車輛各類工況下的行駛速度、加速度和能源轉(zhuǎn)換情況。包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器及各種傳感器，其中最關(guān)鍵的是電動(dòng)機(jī)逆變器。首頁返回章返回節(jié)93.管理、監(jiān)控系統(tǒng)管理系統(tǒng)包括能源、安全管理系統(tǒng)。能源管理系統(tǒng)包括車載充電器、行車時(shí)能源分配、能源再生。安全管理系統(tǒng)包括各類信號(hào)檢測(cè)及防誤裝置等。首頁返回章返回節(jié)10監(jiān)控系統(tǒng)包括：1）駕駛員信息中心（DIC）汽車的各種參數(shù)顯示，電池電量指

4、示，放電情況監(jiān)視及報(bào)警，車速、自動(dòng)防抱、制動(dòng)能量自動(dòng)回收和電差速等。2）車輛電子裝置中心（VEC）對(duì)動(dòng)力-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控，平穩(wěn)調(diào)速，換擋提示，車燈監(jiān)視，懸架控制，汽車電話等。首頁返回章返回節(jié)11三、電動(dòng)汽車的總體布置1.傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模式1）電機(jī)替代發(fā)動(dòng)機(jī)。2）離合器、變速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等。3）電機(jī)前置、驅(qū)動(dòng)橋前置；電機(jī)前置、驅(qū)動(dòng)橋后置等。4）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低，不能充分發(fā)揮電機(jī)的性能。首頁返回章返回節(jié)122.電動(dòng)機(jī)-驅(qū)動(dòng)橋組合式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1）在電機(jī)端蓋處裝置變速齒輪、差速器等驅(qū)動(dòng)總成，形成電機(jī)-驅(qū)動(dòng)橋組合式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2）電機(jī)前置、驅(qū)動(dòng)橋前置；電機(jī)后置、驅(qū)動(dòng)橋后置等。3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率較高，

5、安裝方便。首頁返回章返回節(jié)133.電動(dòng)機(jī)-驅(qū)動(dòng)橋整體式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1）在電機(jī)端蓋處裝置變速齒輪、差速器等驅(qū)動(dòng)總成，電動(dòng)機(jī)有一個(gè)空心軸，有一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋的半軸從電動(dòng)機(jī)空心軸中通過。2）電機(jī)前置、驅(qū)動(dòng)橋前置；電機(jī)后置、驅(qū)動(dòng)橋后置等。3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率較高，可作為驅(qū)動(dòng)橋布置在車架下面。首頁返回章返回節(jié)144.輪轂電動(dòng)機(jī)分散驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1）電動(dòng)機(jī)裝在輪轂中，有42和44兩種布置方式，各個(gè)車輪之間的同步轉(zhuǎn)動(dòng)或差速轉(zhuǎn)動(dòng)由中央控制器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制。2）42布置方式有雙前輪驅(qū)動(dòng)模式和雙后輪驅(qū)動(dòng)模式。3）能騰出大量有效空間，便于總體布置。首頁返回章返回節(jié)15第二節(jié) 電動(dòng)汽車的控制技術(shù)一、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

6、二、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)三、電動(dòng)汽車的能量管理與再生控制技術(shù)16一、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成1.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由牽引電機(jī)、控制系統(tǒng)（包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器和各種傳感器），機(jī)械減速及傳動(dòng)裝置、車輪等構(gòu)成。首頁返回章返回節(jié)172.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型按驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型分類1）直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流電機(jī)控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，效率較高、成本低、技術(shù)成熟，但需電刷和換向器，體積大、重量大。首頁返回章返回節(jié)182）交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3）永磁同步電動(dòng)機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4）開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)歐美多用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，日本多用直流電動(dòng)機(jī)。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)更有前途。首頁返回章返回節(jié)19二、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)希望能利用調(diào)整電動(dòng)

7、機(jī)磁通來保證電動(dòng)機(jī)完成特定的運(yùn)行，但需考慮電動(dòng)機(jī)的工作效率。首頁返回章返回節(jié)201.自控式同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)能從根本上消除同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子振蕩和失步的隱患。因?yàn)榻o同步電動(dòng)機(jī)定子供電的變頻裝置的輸出頻率受轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的控制，即定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速相等，始終保持同步，不會(huì)由于負(fù)載沖擊造成失步現(xiàn)象。首頁返回章返回節(jié)212.直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。3.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)首頁返回章返回節(jié)22三、電動(dòng)汽車的能量管

8、理與再生控制技術(shù)1.能量管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)各功能部分工作，使有限的能量源最大限度得到利用。首頁返回章返回節(jié)232.能量再生控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)由于自身及其所帶負(fù)載的慣性作用，切斷電源后，不可能立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)可利用的剩余能源。電動(dòng)機(jī)制動(dòng)方法：機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)。電氣制動(dòng)又有反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)和再生發(fā)電制動(dòng)。首頁返回章返回節(jié)24在機(jī)械制動(dòng)時(shí)，將電機(jī)的狀態(tài)由控制系統(tǒng)改變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，在機(jī)械制動(dòng)的同時(shí)，將能量的一部分轉(zhuǎn)換為電池能量，減少機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的能量消耗。首頁返回章返回節(jié)25我國(guó)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器行業(yè)分析2010年08月31日 中國(guó)工業(yè)報(bào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器1. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型及其發(fā)展驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵

9、部件，直接影響整車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括直流電機(jī)和交流電機(jī)。目前電動(dòng)汽車廣泛使用交流電機(jī)，主要包括：異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁電機(jī)（包括無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)）。 26車用電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)如下：(1)電機(jī)本體永磁化：永磁電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)具有世界最為豐富的稀土資源，因此高性能永磁電機(jī)是我國(guó)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要發(fā)展方向。(2)電機(jī)控制數(shù)字化：專用芯片及數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)，促進(jìn)了電機(jī)控制器的數(shù)字化，提高了電機(jī)系統(tǒng)的控制精度，有效減小了系統(tǒng)體積。(3)電機(jī)系統(tǒng)集成化：通過機(jī)電集成（電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)集成或電機(jī)與變速箱集成）和控制器集成，有利于減小驅(qū)

10、動(dòng)系統(tǒng)的重量和體積，可有效降低系統(tǒng)制造成本。272. 國(guó)外發(fā)展情況近年來美、歐開發(fā)的電動(dòng)客車多采用交流異步電機(jī)。為了降低車重，電機(jī)殼體大多采用鑄鋁材料，電機(jī)恒功率范圍較寬，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)基速的22.5倍。日本近年來問世的電動(dòng)汽車大多采用永磁同步電機(jī)。產(chǎn)品功率等級(jí)覆蓋3123kW，電機(jī)恒功率范圍很寬，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)基速的5倍。 283. 我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀(1) 我國(guó)已建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，形成了小批量生產(chǎn)的開發(fā)、制造、試驗(yàn)及服務(wù)體系；產(chǎn)品性能基本滿足整車需求，大功率異步電機(jī)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各類電動(dòng)客車；通過示范運(yùn)行和小規(guī)模市場(chǎng)化應(yīng)用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗(yàn)證。29(2)開關(guān)磁

11、阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已形成優(yōu)化設(shè)計(jì)和自主研發(fā)能力，通過合理設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)控制技術(shù)，產(chǎn)品性能基本滿足整車需求；部分公司已具備年產(chǎn)2000套的生產(chǎn)能力，能滿足小批量配套需求，目前部分產(chǎn)品已配套整車示范運(yùn)行，效果良好。30(3)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)企業(yè)通過合理設(shè)計(jì)及改進(jìn)控制技術(shù)，有效提高了無刷直流電機(jī)產(chǎn)品性能，基本滿足電動(dòng)汽車需求；已初步具有機(jī)電一體化設(shè)計(jì)能力。31(4)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已形成了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，開發(fā)了不同系列產(chǎn)品，可應(yīng)用于各類電動(dòng)汽車；產(chǎn)品部分技術(shù)指標(biāo)接近國(guó)際先進(jìn)水平，但總體水平與國(guó)外仍有一定差距；基本具備永磁同步電機(jī)集成化設(shè)計(jì)能力；多數(shù)公司仍處于小規(guī)模試制生產(chǎn)，少數(shù)公司

12、已投資建立車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)專用生產(chǎn)線。32(5) 永磁電機(jī)的主要材料有釹鐵硼磁鋼、硅鋼等。部分公司掌握了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁體先裝配后充磁的整體充磁技術(shù)。國(guó)內(nèi)研制的釹鐵硼永磁體最高工作溫度可達(dá)280，但技術(shù)水平仍與德國(guó)和日本有較大差距。硅鋼是制造電機(jī)鐵芯的重要磁性材料，其成本占電機(jī)本體的20%左右，其厚度對(duì)鐵耗有較大影響，日本已生產(chǎn)出0.27mm硅鋼片用于車用電機(jī)，我國(guó)僅開發(fā)出0.35mm硅鋼片。33(6)電機(jī)控制器關(guān)鍵部件位置轉(zhuǎn)速傳感器多為旋轉(zhuǎn)變壓器，目前基本采用進(jìn)口產(chǎn)品，我國(guó)部分公司已具備旋轉(zhuǎn)變壓器的研發(fā)生產(chǎn)能力，但產(chǎn)品精度、可靠性與國(guó)外仍有差距。IGBT（Insulated Gate Bipola

13、r Transistor絕緣柵雙極型功率管）基本依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，國(guó)產(chǎn)車用IGBT尚處于研究階段。344. 我國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器存在的主要問題(1)電機(jī)原材料、控制器核心部件研發(fā)能力較弱，依賴進(jìn)口，如硅鋼片、電機(jī)高速軸承、位置轉(zhuǎn)速傳感器、IGBT模塊等。進(jìn)口產(chǎn)品成本高，影響電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化。(2)我國(guó)車用電機(jī)的機(jī)電集成水平與國(guó)外差距較大。控制器集成度較低，體積、重量相對(duì)偏大。35(3)我國(guó)車用電機(jī)系統(tǒng)尚處于起步階段，制造工藝水平落后，缺乏自動(dòng)化生產(chǎn)線，造成產(chǎn)品可靠性、一致性差。產(chǎn)業(yè)化規(guī)模較小，成本較高。(4)現(xiàn)階段國(guó)家出臺(tái)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)較少，且不完善。如：不同類型電機(jī)系統(tǒng)采用同一

14、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏可靠性、耐久性評(píng)價(jià)方法等。36整車控制器1. 國(guó)外發(fā)展情況整車控制器的開發(fā)包括軟、硬件設(shè)計(jì)。核心軟件一般由整車廠研發(fā)，硬件和底層驅(qū)動(dòng)軟件可選擇由汽車零部件廠商提供。(1)國(guó)外整車控制器技術(shù)趨于成熟,國(guó)外大部分汽車企業(yè)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域積累充足，控制策略成熟度高，整車節(jié)油效果良好，控制器產(chǎn)品通過市場(chǎng)檢驗(yàn)證實(shí)了其可靠性。37(2)汽車電子零部件企業(yè)積極開展整車控制器研發(fā)和生產(chǎn)制造。各汽車電子零部件巨頭，如德爾福、大陸、博世集團(tuán)都紛紛進(jìn)行整車控制器研發(fā)和生產(chǎn)。部分汽車設(shè)計(jì)公司也為整車廠提供整車控制器技術(shù)方案，如AVL、FEV、RICARDO等，在電動(dòng)汽車整車控制器領(lǐng)域也有不少成功的案例。3

15、8(3)控制器日趨標(biāo)準(zhǔn)化。控制器的標(biāo)準(zhǔn)化已引起相關(guān)企業(yè)的關(guān)注。由全球汽車制造商、部件供應(yīng)商及電子、半導(dǎo)體和軟件系統(tǒng)公司，聯(lián)合建立了汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)聯(lián)盟，形成了AUTOSAR（汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)化了開發(fā)流程并使ECU軟件具有復(fù)用性，是控制器開發(fā)的一個(gè)趨勢(shì)。392. 我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀“863”計(jì)劃中我國(guó)整車控制器主要是以高校為依托進(jìn)行研究，如清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京理工大學(xué)等，目前已初步掌握了整車控制器的軟、硬件開發(fā)能力。產(chǎn)品功能較為完備，基本可以滿足電動(dòng)汽車需求，已經(jīng)應(yīng)用到樣車及小批量產(chǎn)品上。部分整車企業(yè)與國(guó)外公司進(jìn)行合作，如FEV、RICARDO。通過聯(lián)合開發(fā)，吸收國(guó)外相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)

16、自主開發(fā)能力。目前各廠家基本掌握整車控制器開發(fā)技術(shù)，但技術(shù)積累有限，水平參差不齊。40我國(guó)控制器硬件水平與國(guó)外存在一定差距，產(chǎn)業(yè)化能力相對(duì)不足。大部分企業(yè)推出量產(chǎn)電動(dòng)汽車產(chǎn)品時(shí)更傾向于選擇國(guó)外整車控制器硬件供應(yīng)商。另外，控制器基礎(chǔ)硬件、開發(fā)工具等基本依賴進(jìn)口。總體來講，控制器產(chǎn)品技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化能力與國(guó)外仍有較大差距。413. 我國(guó)整車控制器存在的主要問題(1)應(yīng)用軟件方面多數(shù)停留在功能實(shí)現(xiàn)，軟件診斷功能、整車安全控制策略、監(jiān)控功能均有待優(yōu)化和提高。(2)我國(guó)電動(dòng)汽車處于樣車研發(fā)和示范運(yùn)行階段，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫不完善，影響整車控制器設(shè)計(jì)水平。42(3)部分企業(yè)能根據(jù)V型開發(fā)流程（一種軟件和產(chǎn)品開發(fā)工

17、具）引進(jìn)相關(guān)的設(shè)備和軟件，普遍使用通用開發(fā)工具進(jìn)行二次開發(fā)；現(xiàn)有工具偏重于前期開發(fā)，缺少用于生產(chǎn)制造和售后服務(wù)的工具，不利于產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。43(4)國(guó)內(nèi)企業(yè)能夠完成整車控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但由于我國(guó)芯片集成力量比較薄弱，制造能力較差，可靠性和穩(wěn)定性仍有很大的提升空間。44(5)目前各整車企業(yè)控制器接口和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議定義互不相同，造成控制器之間的通用性和復(fù)用性差，不利于控制器的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?5第三節(jié) 混合動(dòng)力汽車一、混合動(dòng)力汽車的定義二、為什么會(huì)有混合動(dòng)力車型三、混合動(dòng)力汽車的類型四、混合動(dòng)力汽車的基本優(yōu)點(diǎn)五、混合動(dòng)力汽車的控制策略46一、混合動(dòng)力汽車的定義及特點(diǎn)混合動(dòng)力汽車（Hybri

18、dElectricVehicle,HEV）是指車輛驅(qū)動(dòng)系由兩個(gè)或多個(gè)能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的單個(gè)驅(qū)動(dòng)系聯(lián)合組成的車輛，車輛的行駛功率依據(jù)實(shí)際的車輛行駛狀態(tài)由單個(gè)驅(qū)動(dòng)系單獨(dú)或共同提供。首頁返回章返回節(jié)廣義上說，混合動(dòng)力汽車是指擁有至少兩種動(dòng)力源，使用其中一種或多種動(dòng)力源提供部分或者全部動(dòng)力的車輛。但是，在實(shí)際生活中，混合動(dòng)力汽車多半采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過混合使用熱能和電力兩套系統(tǒng)開動(dòng)汽車。47二、為什么會(huì)有混合動(dòng)力車型當(dāng)前普遍使用的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車存在種種弊病，統(tǒng)計(jì)表明在占80%以上的道路條件下，一輛普通轎車僅利用了動(dòng)力潛能的40%，在市區(qū)還會(huì)跌至25%，更為嚴(yán)重的是排放廢氣污染環(huán)境。482

19、0世紀(jì)90年代以來，世界各國(guó)對(duì)改善環(huán)保的呼聲日益高漲，各種各樣的電動(dòng)汽車脫穎而出。雖然人們普遍認(rèn)為未來是電動(dòng)汽車的天下，但是電池技術(shù)問題阻礙了電動(dòng)汽車的應(yīng)用。由于電池的能量密度與汽油相比差上百倍，遠(yuǎn)未達(dá)到人們所要求的數(shù)值，因此在未來的一段時(shí)間內(nèi)電動(dòng)汽車還無法取代燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車（除非燃料電池技術(shù)有重大突破）。49現(xiàn)實(shí)迫使工程師們想出了一個(gè)兩全其美的辦法，開發(fā)了一種混合動(dòng)力裝置（Hybrid-ElectricVehicel，縮寫HEV）的汽車。就是將電動(dòng)機(jī)與輔助動(dòng)力單元組合在一輛汽車上做驅(qū)動(dòng)力，輔助動(dòng)力單元實(shí)際上是一臺(tái)小型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力發(fā)電機(jī)組。50將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)盡量做小，讓一部分動(dòng)力由電池-電動(dòng)

20、機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)。這種混合動(dòng)力裝置既發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)力性好的優(yōu)點(diǎn)，又可以發(fā)揮電動(dòng)機(jī)無污染、低噪聲的好處，取長(zhǎng)補(bǔ)短，汽車的熱效率可提高，廢氣排放可改善。5152三、混合動(dòng)力汽車的類型因各個(gè)組成部件、布置方式和控制策略的不同，形成了多種分類形式。首頁返回章返回節(jié)（一）根據(jù)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的聯(lián)結(jié)方式，混合動(dòng)力系統(tǒng)主要分為以下三類：1.串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，電能在控制器的調(diào)節(jié)下帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)車輪。發(fā)動(dòng)機(jī)始終在熱效率高而排放較低的單一最佳工況行運(yùn)轉(zhuǎn)。5354發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率超過電機(jī)（驅(qū)動(dòng)車輛）的需要時(shí)（減速、低速行駛或短時(shí)間停車等），多余的電能向蓄電池充電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率低于電

21、機(jī)（驅(qū)動(dòng)車輛）的需要時(shí)（起步、加速、爬坡、高速行駛等），蓄電池向電機(jī)提供額外的電能，補(bǔ)充發(fā)電機(jī)功率的不足。首頁返回章返回節(jié)55燃料原動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)控制器電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋電池組串聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首頁返回章返回節(jié)56串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：1）發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)不受車輛行駛工況的影響，始終在最佳的工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和低的排放性能。2）發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間無機(jī)械連接，整車的結(jié)構(gòu)布置自由度大。3）由于電機(jī)的功率大，制動(dòng)能量回收的潛力大，從而提高能量效率。首頁返回章返回節(jié)57串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的缺點(diǎn)：1）發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，電機(jī)又將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，電池的充電和放電都有能量

22、損失，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量利用率較低。2）電機(jī)是唯一驅(qū)動(dòng)汽車行駛的動(dòng)力裝置，因此，其功率要足夠大。蓄電池既要滿足驅(qū)動(dòng)的要求，又要滿足吸收能量的要求，需要較大的電池容量。所以電機(jī)和電池的體積和重量都比較大，使整車的重量較大。首頁返回章返回節(jié)582.并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以分別獨(dú)立地向汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，也可以一起協(xié)調(diào)工作，共同驅(qū)動(dòng)。改進(jìn)了串聯(lián)系統(tǒng)最大功率不足的缺陷。首頁返回章返回節(jié)59蓄電池組發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋變速器單軸式并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)控制器首頁返回章返回節(jié)60發(fā)動(dòng)機(jī)變速器驅(qū)動(dòng)橋雙軸式并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)齒輪系蓄電池組電機(jī)變速器首頁返回章返回節(jié)61并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的特點(diǎn)：發(fā)動(dòng)

23、機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)汽車，無機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換損失，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量的利用率相對(duì)較高。當(dāng)電機(jī)僅起功率“調(diào)峰”作用時(shí)，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可適當(dāng)減小，電池的容量也可減小。市區(qū)行駛時(shí)，可關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，污染小，但需電池的容量大。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況會(huì)受車輛行駛工況的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)有可能不在最佳工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，油耗和排放不如串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。首頁返回章返回節(jié)623.串并聯(lián)靈活驅(qū)動(dòng)式混合動(dòng)力系統(tǒng)通過一種行星齒輪系統(tǒng)組成的動(dòng)力分配裝置，將整個(gè)系統(tǒng)耦合在一起，根據(jù)行駛工況靈活采取串聯(lián)或并聯(lián)方式，以達(dá)到熱效率最高、排氣污染最低的效果。起步或低負(fù)荷時(shí)由電池電能驅(qū)動(dòng)，勻速行駛時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，加速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電

24、池共同提供動(dòng)力。停車或滑行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向電池充電，制動(dòng)和減速時(shí)通過能量回收系統(tǒng)向電池充電。首頁返回章返回節(jié)63發(fā)動(dòng)機(jī)功率分流裝置發(fā)電機(jī)控制器電池傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)橋電機(jī)混聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首頁返回章返回節(jié)64電機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)逆變器蓄電池發(fā)電機(jī) 豐田Prius的THS混合動(dòng)力系統(tǒng)12645378Toyota Hybrid System起步：8-1-2-3-4起動(dòng)：8-1-7-6-5起動(dòng)后：5-6-7-1-8正常行駛：不發(fā)電5-6-3-4 發(fā)電5-6-3-4；5-6-7-1-8 或5-6-7-1-2 低速行駛：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，8-1-2-3-4加速或爬坡：混合驅(qū)動(dòng)5-6-3-4；8-1-2-3-4減速行駛

25、：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉4-3-2-1-8靜止：5-6-7-1-8首頁返回章返回節(jié)（二）根據(jù)在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電機(jī)的輸出功率在整個(gè)系統(tǒng)輸出功率中占的比重，也就是常說的混合度的不同，混合動(dòng)力系統(tǒng)還可以分為以下四類。651.微混合動(dòng)力系統(tǒng)。代表的車型是PSA的混合動(dòng)力版C3和豐田的混合動(dòng)力版Vitz。這種混合動(dòng)力系統(tǒng)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上的啟動(dòng)電機(jī)（一般為12V）上加裝了皮帶驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)電機(jī)（也就是常說的Belt-alternator Starter Generator, 簡(jiǎn)稱BSG系統(tǒng)）。66該電機(jī)為發(fā)電啟動(dòng)(Stop-Start)一體式電動(dòng)機(jī)，用來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，從而取消了發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速，降低了油耗和排放。從嚴(yán)

26、格意義上來講，這種微混合動(dòng)力系統(tǒng)的汽車不屬于真正的混合動(dòng)力汽車，因?yàn)樗碾姍C(jī)并沒有為汽車行駛提供持續(xù)的動(dòng)力。在微混合動(dòng)力系統(tǒng)里，電機(jī)的電壓通常有兩種：12v 和42v。其中42v主要用于柴油混合動(dòng)力系統(tǒng)。672.輕混合動(dòng)力系統(tǒng)。代表車型是通用的混合動(dòng)力皮卡車。該混合動(dòng)力系統(tǒng)采用了集成啟動(dòng)電機(jī)（也就是常說的Integrated Starter Generator，簡(jiǎn)稱ISG系統(tǒng)）。與微混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，輕混合動(dòng)力系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)用發(fā)電機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，還能夠?qū)崿F(xiàn)：68（1）在減速和制動(dòng)工況下，對(duì)部分能量進(jìn)行吸收；（2）在行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)等速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量可以在車輪的驅(qū)動(dòng)需求和發(fā)

27、電機(jī)的充電需求之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。輕混合動(dòng)力系統(tǒng)的混合度一般在20%以下。輕混常用BSG皮帶傳送啟動(dòng)/發(fā)電技術(shù)，通常節(jié)油10%以下，電機(jī)不直接參與驅(qū)動(dòng)，主要用于啟動(dòng)和回收制動(dòng)能量。693.中混合動(dòng)力系統(tǒng)。與輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)不同，中混合動(dòng)力系統(tǒng)采用的是高壓電機(jī)。另外，中混合動(dòng)力系統(tǒng)還增加了一個(gè)功能：在汽車處于加速或者大負(fù)荷工況時(shí)，電動(dòng)機(jī)能夠輔助驅(qū)動(dòng)車輪，從而補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)本身動(dòng)力輸出的不足，從而更好的提高整車的性能。這種系統(tǒng)的混合程度較高，可以達(dá)到30%左右，目前技術(shù)已經(jīng)成熟，應(yīng)用廣泛。中混常用ISG內(nèi)置安裝曲軸啟動(dòng)/發(fā)電技術(shù)，強(qiáng)混合動(dòng)力可節(jié)油40%。704.完全混合動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了272-650v

28、的高壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)，混合程度更高。與中混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，完全混合動(dòng)力系統(tǒng)的混合度可以達(dá)到甚至超過50%。技術(shù)的發(fā)展將使得完全混合動(dòng)力系統(tǒng)逐漸成為混合動(dòng)力技術(shù)的主要發(fā)展方向。71四、混合動(dòng)力汽車的基本優(yōu)點(diǎn)1、采用復(fù)合動(dòng)力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機(jī)的最大功率，此時(shí)處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內(nèi)燃機(jī)功率不足時(shí)，由電池來補(bǔ)充；負(fù)荷少時(shí)，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機(jī)可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電。722、因?yàn)橛辛穗姵兀梢允址奖愕鼗厥罩苿?dòng)時(shí)、下坡時(shí)、怠速時(shí)的能量。3、在繁華市區(qū)，可關(guān)停內(nèi)燃機(jī)，由電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零排放。4、有了內(nèi)燃機(jī)可以十分方便地解決耗能大的空調(diào)、取

29、暖、除霜等純電動(dòng)汽車遇到的難題。735、可以利用現(xiàn)有的加油站加油，不必再投資。6、可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過充、過放，延長(zhǎng)其使用壽命，降低成本。7、動(dòng)力性優(yōu)于同排量的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，尤其是在車輛起步加速時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以有效地彌補(bǔ)內(nèi)燃機(jī)低轉(zhuǎn)速扭矩力不足的弱點(diǎn)，而且有效的減少了汽車內(nèi)部的機(jī)械的噪音。74五、混合動(dòng)力汽車的控制策略由于各種混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)上的差異，因而需要不同的控制策略來調(diào)節(jié)和控制功率流在不同元件間的流動(dòng)，其目的是為了達(dá)到以下四個(gè)主要目標(biāo)：- 最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性- 最低的排放- 最低的系統(tǒng)成本- 最好的驅(qū)動(dòng)性能75混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾點(diǎn)：(1) 優(yōu)

30、化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)：基于最佳燃油經(jīng)濟(jì)性、最低排放或者二者選其一，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性曲線確定最優(yōu)工作點(diǎn);(2) 優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作曲線：如果發(fā)動(dòng)機(jī)需要發(fā)出不同的功率，相應(yīng)的最優(yōu)工作點(diǎn)就構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)工作曲線;76(3) 優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)：在轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性曲線上，發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)首選的工作區(qū)，在此工作區(qū)內(nèi)，燃油效率最高;(4) 最小的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)波動(dòng)：應(yīng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速以避免波動(dòng)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)波動(dòng)達(dá)到最小;(5) 限制發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，燃油效率很低，因而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于某一下限值時(shí)，應(yīng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī);77(6) 減少發(fā)動(dòng)機(jī)的開/關(guān)次數(shù)：頻繁地開/關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)，引起油耗和排放

31、增加;(7)合適的蓄電池荷電狀態(tài)：蓄電池的容量須保持在適當(dāng)?shù)乃?，以便在汽車加速時(shí)提供足夠的功率，在汽車制動(dòng)或下坡時(shí)能回收能量。若蓄電池的容量過高，應(yīng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)或使之怠速運(yùn)轉(zhuǎn);78(8)安全的蓄電池電壓：在放電、發(fā)電機(jī)充電或制動(dòng)回收充電時(shí)，蓄電池的電壓揮發(fā)生很大變化，應(yīng)避免蓄電池電壓過低或過高，否則蓄電池會(huì)產(chǎn)生永久性破損，因而蓄電池管理很關(guān)鍵;(9) 分工適當(dāng)：在驅(qū)動(dòng)循環(huán)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池應(yīng)合理分擔(dān)汽車所需功率;(10) 在某些城市或地區(qū)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以純電動(dòng)模式工作效率最高，這種轉(zhuǎn)變可以通過手動(dòng)或自動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。7980第四節(jié) 燃料電池汽車技術(shù)1.概述2.燃料電池的種類及特點(diǎn)3.車用燃料電池的

32、關(guān)鍵技術(shù)4.燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成及發(fā)電原理811.概述第一個(gè)發(fā)現(xiàn)燃料電池原理的英國(guó)人William Grove 爵士是一位律師和業(yè)余科學(xué)愛好者。1839年在一次電解實(shí)驗(yàn)中，觀察到把電解器中兩個(gè)電極連到一起時(shí)，有電流反向流過，同時(shí)消耗氫氣和氧氣。首頁返回章返回節(jié)82第一個(gè)實(shí)用的燃料電池是1950年由化學(xué)工程師Francis Bacon在劍橋大學(xué)研制出來的。20世紀(jì)60年代，美國(guó)IFC公司為阿波羅登月飛船制造一套燃料電池裝置，以提供電力和宇航員的飲用水。該燃料電池可連續(xù)提供1.5kw的電力，工作超過10000h，累計(jì)完成18次使命沒有出過問題。首頁返回章返回節(jié)831）燃料電池汽車的特點(diǎn)燃料電池汽車（

33、Fuel Cell Vehicle）以氫氣為燃料，與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率極高，理論上其化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率可達(dá)100%，實(shí)際效率已達(dá)60%80%。是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的23倍?？朔诵铍姵乩m(xù)駛里程低的缺點(diǎn)。首頁返回章返回節(jié)842）燃料電池的發(fā)展及展望1997年戴克公司與巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司聯(lián)合，投資3.3億美元進(jìn)行開發(fā)。隨后豐田和通用宣布聯(lián)合開發(fā)燃料電池汽車。首頁返回章返回節(jié)852.燃料電池的種類及特點(diǎn)燃料電池是一種把儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，等溫地按化學(xué)原理轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池由含氧化劑的陽極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成。燃料在陽極

34、氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽極通過負(fù)載流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電能而驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。首頁返回章返回節(jié)86燃料電池與常規(guī)電池不同的是，它工作時(shí)需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，通過電化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)水并釋放電能。只要保持燃料供應(yīng)，電池就會(huì)不斷工作。首頁返回章返回節(jié)87種類：堿性燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池，直接甲醇燃料電池，磷酸燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，固體氧化物燃料電池等。首頁返回章返回節(jié)88 燃料電池的主要類型電池類型工作溫度燃料氧化劑電解質(zhì)效率特點(diǎn)技術(shù)狀態(tài)及應(yīng)用堿性燃料電池（AFC）室溫200純氫純氧水氧化鉀50能量轉(zhuǎn)化率高，高比功率、比能量，不適合地面使用高度發(fā)展，航天中已應(yīng)用質(zhì)

35、子交換膜燃料電池（PEMFC）室溫200純氫氧氣、空氣陽離子交換膜50（60%80%）可室溫快速啟動(dòng)，無電解液流失，水易排出，壽命長(zhǎng)，比功率與比能量高高度發(fā)展，適用于分散電站、電動(dòng)車、潛艇推動(dòng)、各種移動(dòng)電源、家庭動(dòng)力源。已有樣車，需降低成本首頁返回章返回節(jié)89電池類型工作溫度燃料氧化劑電解質(zhì)效率特點(diǎn)技術(shù)狀態(tài)及應(yīng)用直接燃料電池（DMFC）室溫200CH3OH空氣磷酸載體離子交換膜40能量轉(zhuǎn)化率高，高比功率、比能量，不適合地面使用適用于手機(jī)、筆記本電腦磷酸燃料電池（PAFC）100200重整氣天然氣、氫空氣磷酸水溶液4050建分散電站運(yùn)行可靠度高，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，成本高（2500歐元/kw），余熱利用

36、價(jià)值低高度發(fā)展，適用于特殊需求、區(qū)域性分散電站，目前商業(yè)上已可得到200kw的系統(tǒng)首頁返回章返回節(jié)90電池類型工作溫度燃料氧化劑電解質(zhì)效率特點(diǎn)技術(shù)狀態(tài)及應(yīng)用熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）600700凈化煤氣、重整氣、天然氣空氣磷酸鋰碳酸55具有建分散電站的優(yōu)勢(shì)，余熱利用價(jià)值高適宜建區(qū)域性分散電站，需延長(zhǎng)壽命，可靠性和腐蝕性有待解決固體氧化物燃料電池（SOFC）8001000凈化煤氣、天然氣空氣氧化鋯陶瓷50全固體結(jié)構(gòu)，無腐蝕和液體流失，壽命長(zhǎng)。但工作溫度高適宜建大、中型電站，分散電站，原料與成本仍需研究首頁返回章返回節(jié)913.車用燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)1）質(zhì)子交換膜（PEM）是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心材料。當(dāng)前研究主要包括提高膜的質(zhì)子交換容量。降低膜厚度以減小電阻，降低膜的制作成本以延長(zhǎng)膜的使用壽命等。目前應(yīng)用最多的全氟磺酸型離子聚合物材料，如杜邦的Nafion、日本的Asahi等， 800/m2，價(jià)格昂貴。首