電動(dòng)汽車(chē)及混合動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)_第1頁(yè)
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1、第十章 電動(dòng)汽車(chē)及混合動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)1第一節(jié) 電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)原理第二節(jié) 電動(dòng)汽車(chē)的控制技術(shù)第三節(jié) 混合動(dòng)力汽車(chē)第四節(jié) 燃料電池汽車(chē)技術(shù)首頁(yè)返回章返回節(jié)2第一節(jié)電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)原理一、電動(dòng)汽車(chē)及其發(fā)展二、電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)原理三、電動(dòng)汽車(chē)的總體布置首頁(yè)返回章返回節(jié)3一、電動(dòng)汽車(chē)及其發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)(Electric Vehicle)是以電池為動(dòng)力的汽車(chē)。德國(guó)1972年開(kāi)始研制。日本1976年成立“日本電動(dòng)汽車(chē)協(xié)會(huì)”,1978年制定了“電動(dòng)汽車(chē)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(chē)百公里油耗只有2.94L。我國(guó)首輛電動(dòng)轎車(chē)2001年6月在東風(fēng)汽車(chē)公司問(wèn)世。首頁(yè)返回章返回節(jié)4二、電

2、動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)原理電動(dòng)汽車(chē)由車(chē)載電源(電池和充電器等)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器、車(chē)體(底盤(pán)和車(chē)身等)三部分組成。由蓄電池輸出電能(電流)通過(guò)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(chē)輪旋轉(zhuǎn)。首頁(yè)返回章返回節(jié)5電動(dòng)汽車(chē)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(chē)身后部的車(chē)廂地板下。2)為減輕車(chē)架質(zhì)量,提高剛度,將大斷面主車(chē)架設(shè)計(jì)成縱直車(chē)架。3)為了確保車(chē)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(kāi)的處置,將電動(dòng)機(jī)、高壓電氣系統(tǒng)集中配置在車(chē)身前部。首頁(yè)返回章返回節(jié)61.電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)

3、和交流電機(jī)兩大類(lèi)。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(kāi)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(yè)返回章返回節(jié)72.控制系統(tǒng)控制車(chē)輛各類(lèi)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(yè)返回章返回節(jié)83.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(chē)載充電器、行車(chē)時(shí)能源分配、能源再生。安全管理系統(tǒng)包括各類(lèi)信號(hào)檢測(cè)及防誤裝置等。首頁(yè)返回章返回節(jié)9監(jiān)控系統(tǒng)包括:1)駕駛員信息中心(DIC)汽車(chē)的各種參數(shù)顯示,電池電

4、量指示,放電情況監(jiān)視及報(bào)警,車(chē)速、自動(dòng)防抱、制動(dòng)能量自動(dòng)回收和電差速等。2)車(chē)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(chē)燈監(jiān)視,懸架控制,汽車(chē)電話等。首頁(yè)返回章返回節(jié)10三、電動(dòng)汽車(chē)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(yè)返回章返回節(jié)112.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

5、高,安裝方便。首頁(yè)返回章返回節(jié)123.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(guò)。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(chē)架下面。首頁(yè)返回章返回節(jié)134.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(chē)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(yè)返回章返回節(jié)14第二節(jié) 電動(dòng)汽車(chē)的控制技術(shù)一、電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本

6、構(gòu)成二、電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)三、電動(dòng)汽車(chē)的能量管理與再生控制技術(shù)15一、電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)輪等構(gòu)成。首頁(yè)返回章返回節(jié)162.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)型按驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型分類(lèi)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(yè)返回章返回節(jié)172)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(kāi)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(yè)返回章返回節(jié)18二、電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)希望能利用調(diào)整

7、電動(dòng)機(jī)磁通來(lái)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(yè)返回章返回節(jié)191.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(yè)返回章返回節(jié)202.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(kāi)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(yè)返回章返回節(jié)21三、電動(dòng)汽車(chē)的能

8、量管理與再生控制技術(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(yè)返回章返回節(jié)222.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(yè)返回章返回節(jié)23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(yè)返回章返回節(jié)24我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)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(lèi)型及其發(fā)展驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)的

9、關(guān)鍵部件,直接影響整車(chē)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(chē)廣泛使用交流電機(jī),主要包括:異步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和永磁電機(jī)(包括無(wú)刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī))。 25車(chē)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(chē)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(zhuān)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(guò)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

10、小驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重量和體積,可有效降低系統(tǒng)制造成本。262. 國(guó)外發(fā)展情況近年來(lái)美、歐開(kāi)發(fā)的電動(dòng)客車(chē)多采用交流異步電機(jī)。為了降低車(chē)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(lái)問(wèn)世的電動(dòng)汽車(chē)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。 273. 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(kāi)發(fā)平臺(tái),形成了小批量生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)、制造、試驗(yàn)及服務(wù)體系;產(chǎn)品性能基本滿足整車(chē)需求,大功率異步電機(jī)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電動(dòng)客車(chē);通過(guò)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。28(2)開(kāi)

11、關(guān)磁阻電機(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(guò)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(chē)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(chē)示范運(yùn)行,效果良好。29(3)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)合理設(shè)計(jì)及改進(jìn)控制技術(shù),有效提高了無(wú)刷直流電機(jī)產(chǎn)品性能,基本滿足電動(dòng)汽車(chē)需求;已初步具有機(jī)電一體化設(shè)計(jì)能力。30(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(kāi)發(fā)了不同系列產(chǎn)品,可應(yīng)用于各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē);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)

12、公司已投資建立車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)專(zhuān)用生產(chǎn)線。31(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(chē)用電機(jī),我國(guó)僅開(kāi)發(fā)出0.35mm硅鋼片。32(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 Bipo

13、lar Transistor絕緣柵雙極型功率管)基本依賴(lài)進(jìn)口,價(jià)格昂貴,國(guó)產(chǎn)車(chē)用IGBT尚處于研究階段。334. 我國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器存在的主要問(wèn)題(1)電機(jī)原材料、控制器核心部件研發(fā)能力較弱,依賴(lài)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(chē)用電機(jī)的機(jī)電集成水平與國(guó)外差距較大??刂破骷啥容^低,體積、重量相對(duì)偏大。34(3)我國(guó)車(chē)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(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)較少,且不完善。如:不同類(lèi)型電機(jī)系統(tǒng)采用

14、同一檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),缺乏可靠性、耐久性評(píng)價(jià)方法等。35整車(chē)控制器1. 國(guó)外發(fā)展情況整車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)包括軟、硬件設(shè)計(jì)。核心軟件一般由整車(chē)廠研發(fā),硬件和底層驅(qū)動(dòng)軟件可選擇由汽車(chē)零部件廠商提供。(1)國(guó)外整車(chē)控制器技術(shù)趨于成熟,國(guó)外大部分汽車(chē)企業(yè)在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域積累充足,控制策略成熟度高,整車(chē)節(jié)油效果良好,控制器產(chǎn)品通過(guò)市場(chǎng)檢驗(yàn)證實(shí)了其可靠性。36(2)汽車(chē)電子零部件企業(yè)積極開(kāi)展整車(chē)控制器研發(fā)和生產(chǎn)制造。各汽車(chē)電子零部件巨頭,如德?tīng)柛?、大陸、博世集團(tuán)都紛紛進(jìn)行整車(chē)控制器研發(fā)和生產(chǎn)。部分汽車(chē)設(shè)計(jì)公司也為整車(chē)廠提供整車(chē)控制器技術(shù)方案,如AVL、FEV、RICARDO等,在電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器領(lǐng)域也有不少成功的案例

15、。37(3)控制器日趨標(biāo)準(zhǔn)化??刂破鞯臉?biāo)準(zhǔn)化已引起相關(guān)企業(yè)的關(guān)注。由全球汽車(chē)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(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)聯(lián)盟,形成了AUTOSAR(汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu))標(biāo)準(zhǔn),簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程并使ECU軟件具有復(fù)用性,是控制器開(kāi)發(fā)的一個(gè)趨勢(shì)。382. 我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀“863”計(jì)劃中我國(guó)整車(chē)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(chē)控制器的軟、硬件開(kāi)發(fā)能力。產(chǎn)品功能較為完備,基本可以滿足電動(dòng)汽車(chē)需求,已經(jīng)應(yīng)用到樣車(chē)及小批量產(chǎn)品上。部分整車(chē)企業(yè)與國(guó)外公司進(jìn)行合作,如FEV、RICARDO。通過(guò)聯(lián)合開(kāi)發(fā),吸收國(guó)外相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),

16、增強(qiáng)自主開(kāi)發(fā)能力。目前各廠家基本掌握整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)技術(shù),但技術(shù)積累有限,水平參差不齊。39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(chē)產(chǎn)品時(shí)更傾向于選擇國(guó)外整車(chē)控制器硬件供應(yīng)商。另外,控制器基礎(chǔ)硬件、開(kāi)發(fā)工具等基本依賴(lài)進(jìn)口??傮w來(lái)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。403. 我國(guó)整車(chē)控制器存在的主要問(wèn)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(chē)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(chē)處于樣車(chē)研發(fā)和示范運(yùn)行階段,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)不完善,影響整車(chē)控制器設(shè)計(jì)水平。41(3)部分企業(yè)能根據(jù)V型開(kāi)發(fā)流程(一種軟件和產(chǎn)品開(kāi)

17、發(fā)工具)引進(jìn)相關(guān)的設(shè)備和軟件,普遍使用通用開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行二次開(kāi)發(fā);現(xiàn)有工具偏重于前期開(kāi)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。42(4)國(guó)內(nèi)企業(yè)能夠完成整車(chē)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。43(5)目前各整車(chē)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)?;?。44第三節(jié) 混合動(dòng)力汽車(chē)一、混合動(dòng)力汽車(chē)的特點(diǎn)二、混合動(dòng)力汽車(chē)的類(lèi)型45一、混合動(dòng)力汽車(chē)的特點(diǎn)同時(shí)擁有燃油驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。低排放、低噪聲、省油,有一定的續(xù)駛里程。首頁(yè)返回章返回節(jié)46二、混合動(dòng)

18、力汽車(chē)的類(lèi)型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(chē)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)。首頁(yè)返回章返回節(jié)47發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率超過(guò)電機(jī)(驅(qū)動(dòng)車(chē)輛)的需要時(shí)(減速、低速行駛或短時(shí)間停車(chē)等),多余的電能向蓄電池充電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率低于電機(jī)(驅(qū)動(dòng)車(chē)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(yè)返回章返回節(jié)48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(yè)返回章返回節(jié)49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(chē)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

19、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(wú)機(jī)械連接,整車(chē)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(yè)返回章返回節(jié)50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(chē)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(chē)的重量較大。首頁(yè)返回章返回節(jié)512.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(chē)的驅(qū)動(dòng)

20、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(yè)返回章返回節(jié)52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(yè)返回章返回節(jié)53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(yè)返回章返回節(jié)54并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn):發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)汽車(chē),無(wú)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(chē)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,

21、油耗和排放不如串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。首頁(yè)返回章返回節(jié)553.串并聯(lián)靈活驅(qū)動(dòng)式混合動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)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)和電池共同提供動(dòng)力。停車(chē)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(guò)能量回收系統(tǒng)向電池充電。首頁(yè)返回章返回節(jié)56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(yè)返回章返回節(jié)57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 H

22、ybrid 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:發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉4-3-2-1-8靜止:5-6-7-1-8首頁(yè)返回章返回節(jié)58第四節(jié) 燃料電池汽車(chē)技術(shù)1.概述2.燃料電池的種類(lèi)及特點(diǎn)3.車(chē)用燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)4.燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成及發(fā)電原理591.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(ài)好者。1839年在一次

23、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(guò),同時(shí)消耗氫氣和氧氣。首頁(yè)返回章返回節(jié)60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(lái)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(guò)10000h,累計(jì)完成18次使命沒(méi)有出過(guò)問(wèn)題。首頁(yè)返回章返回節(jié)611)燃料電池汽車(chē)的特點(diǎn)燃料電池汽車(chē)(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(chē)。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)1

24、00%,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(yè)返回章返回節(jié)622)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(kāi)發(fā)。隨后豐田和通用宣布聯(lián)合開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)。首頁(yè)返回章返回節(jié)632.燃料電池的種類(lèi)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(yáng)極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成。燃料在陽(yáng)極氧化,氧化劑在陰極還原,電子從陽(yáng)極通過(guò)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(yè)返回章返回節(jié)64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

25、電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑,通過(guò)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(yè)返回章返回節(jié)65種類(lèi):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(yè)返回章返回節(jié)66 燃料電池的主要類(lèi)型電池類(lèi)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)子交換膜燃料電池(PEMFC)室溫200純氫氧氣、空氣陽(yáng)離子交換膜50(60%80%)可室溫快速啟動(dòng),無(wú)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

26、,適用于分散電站、電動(dòng)車(chē)、潛艇推動(dòng)、各種移動(dòng)電源、家庭動(dòng)力源。已有樣車(chē),需降低成本首頁(yè)返回章返回節(jié)67電池類(lèi)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(yè)返回章返回節(jié)68電池類(lèi)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

27、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(wú)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(yè)返回章返回節(jié)693.車(chē)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N

28、afion、日本的Asahi等, 800/m2,價(jià)格昂貴。首頁(yè)返回章返回節(jié)702)電極催化劑目前主要采用鉑(Pt)為催化劑,對(duì)于電池電壓的提高非常重要。價(jià)格昂貴,會(huì)中毒而失去催化作用。研究重點(diǎn):一是提高Pt的利用率(目前只有20%),減少單位面積電極的使用量,增強(qiáng)抗CO中毒、抗衰老能力;一是尋找高效廉價(jià)的Pt替代品。首頁(yè)返回章返回節(jié)713)雙極板現(xiàn)PEMFC廣泛采用無(wú)孔石墨板,但制作工藝和機(jī)械加工工藝復(fù)雜,成本較高。關(guān)鍵是材料的選擇(耐腐蝕性、導(dǎo)電性好,接觸阻力小,重量輕及價(jià)格低廉)、流體流動(dòng)的流場(chǎng)設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。首頁(yè)返回章返回節(jié)724)燃料電池的組裝單個(gè)電堆輸出的電壓較小,需多個(gè)組裝。選擇合適的電路連接方式,使內(nèi)阻

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