清潔燃料汽車-電動(dòng)汽車

第五章電動(dòng)汽車（ＥＶ） 第一節(jié)概述一、電動(dòng)汽車的發(fā)展產(chǎn)生：1859年，法國人Plante發(fā)明了蓄電池為電動(dòng)汽車的發(fā)展創(chuàng)造了條件。1881年法國工程師Gustavetrouve研制了世界上第一輛可充電鉛酸電動(dòng)電池三輪車；1890年、1899年、1900年，美國、法國、德國相繼制造了電動(dòng)汽車，1912年美國生產(chǎn)了大量電動(dòng)汽車，使電動(dòng)汽車的保有量占38%，而內(nèi)燃機(jī)汽車占22%。1895年~1915年是電動(dòng)汽車的黃金時(shí)代。1912年美國工程師CharlesKettering發(fā)明了起動(dòng)機(jī)，以及四乙基鉛抗暴劑的發(fā)明，促進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)展，另外電動(dòng)汽車的儲能問題，從1915年到20世紀(jì)六、七十年代，電動(dòng)汽車的發(fā)展幾乎停滯。EV—主要是指由蓄電池供電的電動(dòng)汽車復(fù)蘇和發(fā)展：20世紀(jì)60、70年代，汽車的污染和石油危機(jī)，推動(dòng)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。1975年出現(xiàn)第一輛汽油-電動(dòng)混合動(dòng)力汽車；1986年福特公司開發(fā)了ETX-Ⅰ、Ⅱ型電動(dòng)汽車；1990年福特開發(fā)了“沖擊牌”電動(dòng)汽車，最高車速128km/h，續(xù)駛里程144km；1994年克萊斯勒的甲醇燃料電池汽車問世；1996年日本推出RAV4-EV四人電動(dòng)汽車，采用鎳氫電池，最高車速125km/h，續(xù)駛里程215km；我國：90年代的85計(jì)劃、2001年的863計(jì)劃，將電動(dòng)汽車列位重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目。應(yīng)用：交通運(yùn)輸車站、碼頭、倉庫等—電動(dòng)叉車、牽引車游覽、娛樂場所—電動(dòng)游覽車、高爾夫球場車二、電動(dòng)汽車的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、零排放2、低噪音—60dB（內(nèi)燃機(jī)70dB）3、電能來源豐富4、能量利用率高—暫停時(shí)不消耗電能，減速充電5、結(jié)構(gòu)簡單—部件少，維修方便缺點(diǎn)：1、技術(shù)不完善—電池容量小、壽命短、價(jià)格高、充電長等2、動(dòng)力性差—加速差、最高車速低、續(xù)駛里程短三、主要類型按用途分：電動(dòng)轎車（2-9人）；電動(dòng)客車（9人以上）電動(dòng)貨車；電動(dòng)牽引車；電動(dòng)賽車；電動(dòng)娛樂車；電動(dòng)特種作業(yè)車（售貨車、叉車、救護(hù)車等）按動(dòng)力源分：純電動(dòng)汽車（PEV））—用蓄電池為動(dòng)力源；燃料電車電動(dòng)汽車（FCEV）—用燃料（H2、甲醇）與空氣電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；混合型電動(dòng)汽車（HEV）—內(nèi)燃機(jī)+電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車又分：串聯(lián)型（SHEV）—內(nèi)燃機(jī)→發(fā)電機(jī)→動(dòng)力電池→電機(jī)→傳動(dòng)系并聯(lián)型（PHEV）—內(nèi)燃機(jī)→傳動(dòng)系動(dòng)力電池→電機(jī)↗并串型（PSHEV）—加動(dòng)力分配裝置（行星齒輪機(jī)構(gòu)）按傳動(dòng)系分：①傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)式：電機(jī)→變速器→傳動(dòng)軸→后橋→驅(qū)動(dòng)輪②簡化傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)式：無變速器驅(qū)動(dòng)式；雙電機(jī)半軸驅(qū)動(dòng)式（無差速器）；變速齒輪驅(qū)動(dòng)式(電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪上的變速齒輪)③電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)式：車輪安裝在電動(dòng)輪（電機(jī)+行星齒輪變速器） 第二節(jié)電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)及布置一、電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車的主要區(qū)別動(dòng)力源不同二、電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)組成：車體（底盤和車身）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器、車載電源（電池和充電器）1、電源目前主要是鉛酸電池：比能量低、充電慢、壽命短其它：鈉硫電池、鎳鉻電池、鋰電池、燃料電池、飛輪電池等2、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)目前主要采用：直流串激電動(dòng)機(jī)—換向火花、比功率小、效率低其它：直流無刷電機(jī)（BCDM）、開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）、交流異步電機(jī)等3、電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制裝置作用：控制電機(jī)的電壓或電流，以對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向的控制。目前采用：晶閘管斬波調(diào)速，可均勻改變電機(jī)電壓，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速4、傳動(dòng)裝置作用：將電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞給驅(qū)動(dòng)輪可省去離合器、變速器、差速器5、行駛裝置將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變成地面驅(qū)動(dòng)力，車輪、輪胎、懸架等6、制動(dòng)裝置帶有電磁制動(dòng)裝置，可進(jìn)行減速充電二、電動(dòng)汽車的布置主要是電源、驅(qū)動(dòng)裝置和調(diào)速控制裝置的布置1、電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)一只驅(qū)動(dòng)電機(jī)、改裝方便2、電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)將電機(jī)及減速器布置在車輪上。需2或4只電機(jī)大客車傳動(dòng)系統(tǒng)的布置汽車的布置 第三節(jié)電動(dòng)汽車的基本特性一、電動(dòng)汽車的能量傳遞特性能量的交換、傳遞與損失二、蓄電池的放電特性和電機(jī)運(yùn)行特性1、蓄電池的放電特性蓄電池內(nèi)阻不變時(shí)，蓄電池放電時(shí)端電壓Ub、放電功率Pb、放電效率與放電電流Ib的關(guān)系U0=Ub+Ri+Ib蓄電池的效率與Ib成反比，與Ub成正比，因此，選擇電機(jī)的工作電流盡量小，但電流太小，Pb也會下降。2、電機(jī)運(yùn)行特性—電池與電機(jī)的匹配若蓄電池功率不變，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系：串激式直流電機(jī)在連續(xù)、小時(shí)、瞬時(shí)工況時(shí)特性曲線：理想的電機(jī)特性： 第四節(jié)電動(dòng)汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一、電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成組成：牽引電機(jī)、電機(jī)控制器、機(jī)械減速與傳動(dòng)裝置、車輪等機(jī)械傳動(dòng)裝置—減速器、傳動(dòng)軸、差速器、半軸；能量再生—減速時(shí)，電機(jī)制動(dòng)能量向電池充電；電動(dòng)輪—將電機(jī)、減速與傳動(dòng)裝置、車輪成一體；無差速器、傳動(dòng)軸、半軸二、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類按電機(jī)類型分：直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)—控制簡單、技術(shù)成熟等；有電刷、換向器等易損件，效率低于交流電機(jī)。交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)—效率高，質(zhì)量輕，再生制動(dòng)更有效永磁同步電動(dòng)機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)—效率最高，體積最小，質(zhì)量最輕，免維護(hù)。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)—工作可靠，高低速轉(zhuǎn)矩大；但振動(dòng)和噪音大。電機(jī)組成：牽引電機(jī)、電機(jī)控制器、機(jī)械減速與傳動(dòng)裝置、車輪等三、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特性（轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性）以直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例：傳動(dòng)路線：電機(jī)→兩擋自動(dòng)變速箱→主減速器→差速器→車輪三、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特性（轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性）以直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例：傳動(dòng)路線：電機(jī)→兩擋自動(dòng)變速箱→主減速器→差速器→車輪工作原理：1擋（起步加速時(shí)）：電機(jī)→齒圈（太陽輪制動(dòng)）→行星架→中間齒輪→主減速器→差速器→車輪傳動(dòng)比：據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程：n1=0,故1擋傳動(dòng)比為：i1=n2/n3=1+1/>12擋：車速升高，制動(dòng)器松開，離合器接合，行星齒輪機(jī)構(gòu)成一體，傳動(dòng)比為1。四、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)1、電機(jī)技術(shù)總要求：體積小、重量輕、維修方便、耐用可靠。2、功率電子器件—晶體管、場效應(yīng)管、可控硅等作用：電源的交換與調(diào)節(jié)要求：工作可靠3、控制技術(shù)開環(huán)控制：小型電動(dòng)汽車，非高速公路使用、低速低功率電動(dòng)汽車閉環(huán)控制：高速公路使用的電動(dòng)汽車自適應(yīng)控制模糊控制交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)電動(dòng)汽車：第五節(jié)電動(dòng)汽車的動(dòng)力源及能量管理系統(tǒng)難點(diǎn)：電池和充電技術(shù)一、電動(dòng)汽車動(dòng)力源多種能源(油、煤、水力、太陽能等)→電能→化學(xué)能（電池儲存）采用動(dòng)力源條件：比能量高、比功率大、壽命長、成本低目前電動(dòng)車輛采用的儲能電源：鉛酸(Pb-H2SO4)蓄電池、鎳鎘(Ni-Ca)電池、鈉硫(Na-S)電池;鎳氫(Ni-MH)電池、鋰(Li)電池、鋅(Sn)-空氣電池、飛輪電池、燃料電池、太陽能電池等。1、鉛酸電池目前電動(dòng)車輛的主要電源再電動(dòng)車輛上，將2V的單體電池串聯(lián)成蓄電池組。鉛酸電池的工作原理：放電過程正極板：負(fù)極板：少量Pb溶入電解液生成Pb++外電路接通后，正極的Pb++++生成Pb++，正負(fù)極板的Pb++與SO4--反應(yīng)生成PbSO4，電解液密度下降。充電過程正極板：部分PbSO4溶入電解液生成Pb++,在電源的作用下又生成Pb++++，然后生成PbO2.負(fù)極板：部分PbSO4生成Pb++與SO4--，在外電源的作用又生成Pb。鉛酸電池的性能：額定容量：3h或5h放電率下的輸出電量。2、鈉硫電池利用350℃熔融態(tài)的鈉和硫作為正負(fù)極的工作物質(zhì)，其工作溫度為350~380℃。鈉硫電池的性能：單格電壓1.9V，比能量100Wh/kg，循環(huán)壽命600次。3、鎳鎘電池特點(diǎn)：屬于堿性電池，單格電壓1.3V，比功率較大：190KW/Kg，可快速充電，循環(huán)壽命長：2000次，成本不比鉛酸電池高；但鎘會造成嚴(yán)重環(huán)境污染。結(jié)構(gòu)：正極—?dú)溲趸囏?fù)極—鎘和鐵化合物電解液—?dú)溲趸涙囨k電池的原理：4、鎳氫(Ni-MH)電池（M—Co、Mn、Ni等金屬）屬于堿性電池，無重金屬污染，被稱為“綠色電池”工作原理：正極—?dú)溲趸?；?fù)極—儲氫合金（LaNi6)；電解液—?dú)溲趸?0%。特點(diǎn)：單格電壓1.2V，比功率160~500W/Kg，可快速充電，從滿容量40%充到80%用15min，循環(huán)壽命長：1000次，成本高，為同容量的鉛酸電池的5~8倍；5、鋰電池(Li)電池特點(diǎn)：比能量高，體積小，但工作溫度高，隔板造價(jià)高。工作原理：正極—(LiMO2)鋰化金屬氧化物；負(fù)極—碳化鋰(LixC)；電解液—有機(jī)溶液或固體聚合物。6、燃料電池（FC）將儲存在燃料和氧化劑的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置。使用的燃料包括：氫、甲醇、乙醇、天然氣、煤制氣等。比能量高，能連續(xù)大功率放電，污染少。結(jié)構(gòu)：負(fù)極—燃料為工作物質(zhì)，氧化反應(yīng)正極—氧(空氣)為工作物質(zhì)，還原反應(yīng)按電解液不同的分類：