电动汽车技术基础

1、 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 电动汽车发展的历史与现状电动汽车发展的历史与现状 第三章第三章 电动汽车的理论基础电动汽车的理论基础 第四章第四章 电动汽车的能源系统电动汽车的能源系统 第五章第五章 电动汽车的电机驱动系统电动汽车的电机驱动系统 第六章第六章 混合动力驱动系统混合动力驱动系统 1.1 能源、环境与汽车 汽车的发展极大地改变了人们的生活方式， 提高了人们的生活质量，同时汽车工业的发展给 人们造就了大量的就业机会，带来了财富，促进 了经济的发展，汽车技术的进步也极大地促进了 机械、电子、化工等相关科学技术的进步。 然而汽车的发展在给人类带来巨大利益的同 时也在面对能源、环境

2、与气候问题的挑战 。 电动汽车是主要以电池为能源、全部或电动汽车是主要以电池为能源、全部或 部分由电机驱动的汽车。部分由电机驱动的汽车。 按照目前技术状态和车辆驱动原理的不同，按照目前技术状态和车辆驱动原理的不同， 一般将电动汽车分为纯电动汽车、混合动一般将电动汽车分为纯电动汽车、混合动 力电动汽车、燃料电池电动汽车。力电动汽车、燃料电池电动汽车。 混合动力电动汽车是指能够至少从下述 两类车载储存的能量中获得动力的汽 车：可消耗的燃料；可再充电能/ 能量储存装置。 纯电动汽车是由电动机驱动的汽车,电动 机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或 其他能量存储装置。 燃料电池汽车是以燃料电池作为动力源

3、 的汽车。 特特 点点 混合动力汽车混合动力汽车纯电动汽车纯电动汽车燃料电池汽车燃料电池汽车 劣 势 混合动力仍是基于石油燃 料，并没解决能源危机问 题，只是汽车新能源发展 过程中的一个过渡产品。 续驶里程短，动 力性较差，充电 时间长，用途有 限。 1、因性价比上的劣势而无法 产业化； 2、氢动力、燃料电池汽车实 用化至少还要10年的时间 优 势 在诸多新能源汽车解决方 案中，成功实现了产业化 的只有混合动力汽车。 造价低，技术较 成熟，结构简单， 维修费用及技术 难度低。 以太阳能和各种燃料电池作为 动力的车辆，在动力性上不输 燃油汽车，噪音极低且对环境 没有丝毫破坏。 分 析 世界汽车发

4、展的趋势，就是开发洁净排放的燃气汽车和燃料电池汽车。在业 界看来，从技术上讲，氢燃料电池动力汽车是完全可行的，惟一的问题是氢 气的制备和携带问题，还有燃料电池的成本问题。 无污染，噪声低无污染，噪声低 能源效率高，多样化能源效率高，多样化 结构简单，使用维修方便结构简单，使用维修方便 动力电源使用成本高，续驶里程短动力电源使用成本高，续驶里程短 混合动力电动汽车混合动力电动汽车 电动汽车电动汽车 分分 类类 纯电动汽车纯电动汽车 燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车 串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车 并联式混合动力电动汽车并联式混合动力电动汽车 混联式混合动力电动汽车混联式混合动力电动

5、汽车 铅酸电池型铅酸电池型 镍镉电池型镍镉电池型 镍氢电池型镍氢电池型 锂离子电池型锂离子电池型 维护型维护型 （现小巴车辆使用）（现小巴车辆使用） 免维护型免维护型 碱性燃料电池（碱性燃料电池（afc） 质子交换膜燃料电（质子交换膜燃料电（pemfc） 磷酸燃料电池（磷酸燃料电池（pafc） 熔融碳酸燃料电池（熔融碳酸燃料电池（mcfc） 固志氧燃料电池（固志氧燃料电池（sofc） 电动汽车分类电动汽车分类 国外电动汽车发展情况国外电动汽车发展情况 国内电动汽车发展情况国内电动汽车发展情况 一百多年来，电动汽车在汽车发展史中经历了一百多年来，电动汽车在汽车发展史中经历了 三次重大机遇：三次重

6、大机遇： 第一次发生在一百余年前。由于当时电池和 电机的发展较内燃机成熟，而且石油的运用还没 有普及，使电动汽车在早期的汽车领域中占有举 足轻重的位置。 但由于石油的大量开采和内燃机的种种优越 性，直到上世纪70年代石油危机的爆发，又给了 电动汽车第二次机遇，又一次被人瞩目。 第三次机遇开始于若干年前，世界上除了已 存在的能源问题之外，环境保护问题也逐渐成为 了各个方面所关心重大课题， 国外电动汽车的发展概况国外电动汽车的发展概况 从20世纪70年代起，世界发达国家均投入 巨资进行电动汽车商业化开发和应用。到 20世纪90年代，欧美发达国家纷纷制定了 汽车尾气排放标准并严格执行。 国外电动汽车

7、发展情况 公司公司车型车型投放时间投放时间现运行情况现运行情况 丰 田 公 司 混合动力轿车 （普锐斯） 1997年批量投放 20007出口北美 20009出口欧洲二十多个国家 至目前其全球销量达到了50万辆 2012年 该公司要将其所有的车型全 部装上混合动力发动机 继混合动力轿车之后，丰田还推出了（大霸 王）混合动力汽车和搭载软混合动力系统的（皇冠）轿车， 其在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面走在了 世界前列。 本 田 公 司 混合动力电动汽车 （ 因赛特） 混合动力汽车 （思域） 2002年 混合动力汽车 （阿蒂玛） 2006年向美国市场销售 2010年日本国内普及万辆

8、 戴克燃料电池运行突破戴克燃料电池运行突破200万公里万公里 我国电动汽车发展概况我国电动汽车发展概况 我国电动汽车的研发与国外基本处于同一起跑线上，技 术水平与产业化差距相差较小。“十五”期间，国家从维 护能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现 跨越式发展的战略高度考虑，设立“电动汽车重大科技专 项”，通过组织企业、高等院校和科研院所等方面的力量 进行联合攻关。从年起，国家在电动车领域的投 资达到亿元人民币，“”计划中涉及这一领 域的投资达到.亿元人民币。 我国“十五”国家高新技术研究发展计划（863计划）将电电 动汽车动汽车以重大专项列入。 国家发展改革委员会 2004年6月1日

9、出台了汽车产业发展 政策：重点发展混合动力汽车技术混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技术。 节能中长期专项规划 （国家发展改革委员会 2004年11 月25日）中指出：实施清洁汽车行动计划，发展混合动力汽发展混合动力汽 车车，在城市公交客车、出租车等推广燃气汽车. 建设部2004年3月6日颁布关于优先发展城市公共交通的意 见，提出“争取用5年左右的时间基本确立公共交通在城确立公共交通在城 市交通中的主体地位市交通中的主体地位”。 东风电动车辆股份有限公司东风电动车辆股份有限公司 武汉示范运营的混合动力客车武汉示范运营的混合动力客车 （单车运营里程近（单车运营里程近13万公里）万公里） 已实现批量

10、生产能力已实现批量生产能力 武汉示范运行的混合动力轿车武汉示范运行的混合动力轿车 中通客车公司混合动力客车中通客车公司混合动力客车 聊城运营的电动汽车聊城运营的电动汽车 上海沪翔电动车辆制造有限公司上海沪翔电动车辆制造有限公司 上海运营的混合动力客车上海运营的混合动力客车 北京科凌电动车辆股份有限公司北京科凌电动车辆股份有限公司 -北京示范运营纯电动客车北京示范运营纯电动客车 拥有拥有“复合励磁加增磁电动车直流电复合励磁加增磁电动车直流电 机及控制器机及控制器”、“电动车锂动力电池电动车锂动力电池 均衡充电器均衡充电器”、“电动车用变频空调电动车用变频空调 装置装置”等一批电动车关键技术专利成

11、等一批电动车关键技术专利成 果果 15辆采用铅辆采用铅 酸电池的酸电池的11 米电动汽车米电动汽车 5辆采用锂离辆采用锂离 子电池的子电池的12 米低地板电动米低地板电动 汽车汽车 株洲时代集团公司株洲时代集团公司 株洲示范运营的纯电动公交客车株洲示范运营的纯电动公交客车 单车单车运行里程超过运行里程超过3万公里万公里 天津清源电动车辆有限公司天津清源电动车辆有限公司 天津示范运营的纯电动中巴车天津示范运营的纯电动中巴车 独立开发研制的具有自主知 识产权的新型环保车型 “幸福使者”电动汽 车，达到了美国相关的汽车 技术标准，成功打入国际市 场，目前已出口美国100余 辆。 山东黑豹集团有限公司

12、山东黑豹集团有限公司 威海示范运营的电动出租车威海示范运营的电动出租车 威海示范运营的纯电动客车威海示范运营的纯电动客车 万向电动汽车有限公司万向电动汽车有限公司 杭州运营的纯电动杭州运营的纯电动 轿车和纯电动大巴轿车和纯电动大巴 按照按照“电池电池电机电机电控电控 电动汽车电动汽车”的发展战略，在的发展战略，在 大功率、高能量聚合物锂离大功率、高能量聚合物锂离 子动力电池、一体化电机及子动力电池、一体化电机及 其驱动控制系统、整车电子其驱动控制系统、整车电子 控制系统、汽车工程集成技控制系统、汽车工程集成技 术以及试验试制平台等方面术以及试验试制平台等方面 取得了显著的成果。取得了显著的成果

13、。 深圳五洲龙燃料电池客车深圳五洲龙燃料电池客车 该车目前已出口菲律宾，近期还将向澳门出口第三批型号为该车目前已出口菲律宾，近期还将向澳门出口第三批型号为fdg6920bg的环保的环保 巴士客车，数量为巴士客车，数量为42辆辆 上汽股份研发的氢动三号，代表国内上汽股份研发的氢动三号，代表国内 氢燃料电池汽车领先水平氢燃料电池汽车领先水平 金龙海格氢燃料电池汽车金龙海格氢燃料电池汽车 整车方面，燃料电池汽车研发取得重要进展，进 入国际先进行列；混合动力汽车已实现载客运行， 具备小批量生产能力；纯电动汽车开始批量生产， 进入道路运营并开始出口 零部件方面：车用燃料电池发动机取得重大突破， 进入世界

14、前列；大功率车用动力蓄电池性能显著 提高，形成产业基础；驱动电机技术性能先进， 与整车集成化程度逐步加强；车辆电控技术异军 突起，电动化汽车底盘发展迅速，带动了传统汽 车的技术进步 从试验示范区的经验看，目前推广电动汽 车还存在诸多问题，需要我们去解决： 电动汽车的技术性能有待提高 电动汽车控制与管理系统应加大开发力度 电池及其管理系统有待完善 充电机的技术也有待提高 整车技术也不够成熟 电动汽车的基本结构 电动汽车一般可分为三个子系统，即电力 驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子 系统。 其中，电力驱动子系统由电机、电控单元、 功率转化器、机械传动装置和车轮组成;主 能源子系统由电源、能量管

15、理系统和充电 系统等组成；辅助控制子系统具有动力转 向单元、温度控制单元和辅助动力能源等 功能。 电动汽车的行驶性能 1 1、电动汽车的动力性、电动汽车的动力性 电动汽车动力性用最高车速、加速性能电动汽车动力性用最高车速、加速性能 和最大爬坡度进行描述和最大爬坡度进行描述 2 2、电动汽车的续驶里程、电动汽车的续驶里程 电动汽车的续驶里程的影响因素电动汽车的续驶里程的影响因素 （1）行驶的环境状况）行驶的环境状况 （2）电动汽车的行驶工况）电动汽车的行驶工况 （3）滚动阻力和空气阻力）滚动阻力和空气阻力 （4）电池的性能）电池的性能 （5）电动汽车的总质量）电动汽车的总质量 （6）辅助装置的能

16、量消耗）辅助装置的能量消耗 电动汽车能量的主要任务是提供驱动电能， 有多种能量源可用于电动汽车，目前可以 应用的有可充电的电化学蓄电池（也称动 力电池，简称为电池）、燃料电池、超级 电容和超高速飞轮等。其中，电池、电容 器和飞轮为能量存储系统，通过外界的充 电过程实现储能；燃料电池为能量生成装 置，一般需要用动力电池作为能量的辅助 存储装置。 可用于电动汽车的动力电 池包括阀控铅酸电池、镍 镉电池、镍锌电池、镍氢 电池、锌空气电池、铝空 气电池、钠硫电池、锂离 子电池等多种类型。 动力电池的关键技术:单体 电池技术、动力电池成组 技术、动力电池测试与评 估技术、动力电池的标准 化、动力电池的回

17、收利用。 铅酸动力电池 以酸性水溶液为电解质的电池称为酸电池，由 于酸电池电极以铅及其氧化物为材料，故又称为 铅酸电池。 目前，电动汽车常用的铅酸电池主要为阀控 式密封铅酸电池和水平式密封铅酸电池。 镍氢动力电池 镍氢电池属于碱性电池，是20世纪90年代发 展起来的一种新型绿色电池。具有比镍镉电池高 的比能量以及无毒性、无致癌物质等特点，随着 混合动力电动汽车的规模化应用，镍氢动力电池 得到迅速发展。 燃料电池实质上是电化学反应发生器，起 反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而 直接转化为电能。与普通电池相比，燃料 电池是一个能量生成装置，并且能一直产 生能量直至燃料用尽。具有能量转化效率 高，

18、对环境污染小等优点。 超级电容是一种介于电解质电容器和电化 学蓄电池之间的新型储能装置，依靠电解 质与电极接触界面上形成的特有双层结构 储存能量。超级电容比蓄电池具有更高的 功率密度和更长的循环使用寿命，同时可 在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且 无环境污染。 飞轮储能系统包括三个核心部分：飞轮、 电动机、发电机和电力电子变换装置。 超高速飞轮是实现电动汽车储能要求的一 种有效方式，它具有高比能量、高比功率、 长循环寿命、高能量效率、能快速充电和 免维护等优点，成为远期储能装置的一种 选择。 电机驱动系统的基本要求： （1）过载能力强 （2）转矩响应快 （3）调速范围宽 （4）高效工作区宽

19、（5）功率密度高 （6）待机驱动系统可靠性好，电磁兼容性好， 易于维护。 1.直流电机驱动系统 2.交流感应电极驱动系统 3.交流永磁电机驱动系统 4.开关磁阻电机驱动系统 直流电机主要由定子与转子两大部分组成。 直流电机按照励磁方式的不同可以分为永 磁式和励磁式。 励磁式又分：（1）他励直流电机 （2）并励直流电机 （3）串励直流电机 （4）复励直流电机 交流感应电极又称异步电机，与直流电机相比， 具有效率高、结构简单、免维护等优点。 分类：交流感应电机主要由定子和转子两大部分。 原理：转子绕组的导体处于旋转磁场中，转子导 体切割磁力线，并产生感应电动势。由于转子导 体通过端环自成闭路，在感

20、应电动势的作用下， 转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的 感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用产生电 磁力，电磁力作用在转子上产生电磁转矩，驱动 转子旋转。 交流永磁电机的种类：永磁同步电机和无刷直流电机。 永磁同步电机和永磁无刷直流电机在结构上和工作原理上 大致相同，转子都是永久磁铁，定子电枢绕组略有差别。 两者最主要的区别在于永磁体励磁磁场在定子绕组中感应 出的电动势波形：永磁同步电机感应出的电动势波形为正 弦波，而无刷直流电机为梯形。 交流永磁电机采用稀土永磁体励磁，与感应电机相比不需 要励磁电路，具有效率高、功率密度大等特点，在中、小 功率的驱动系统中有优势，目前在电动汽车中得到

21、了一定 的应用。 结构：开关磁阻电机的定子和转子采用凸极结构， 都是由硅钢片叠片组成。开关磁阻电机的定子和 转子具有不同的极数，有多种组合方式，常采用 的结构是定子、转子的极数分别为三相6/4极、 四相8/6极及六项12/8极结构。 开关磁阻电机的气隙磁场有三种形式：径向磁场、 轴向磁场和混合磁场。 开关磁阻电机控制系统主要由功率变换器、控制 器、位置传感器等组成。 近年来，国外驱动电机及控制系统呈现出 如下发展趋势： （1）电机驱动系统向永磁化、数字化和集 成化方向发展 （2）电机转速有向高速化发展的趋势 （3）电机驱动系统的冷却有向液冷发展的 趋势 混合动力驱动系统指的是装备有两种不同特点

22、驱 动装置的系统，这两个驱动装置中一个是车辆的 主要动力来源，能够提供稳定的动力输出；另外 一个是辅助驱动装置，具有良好的变工况特性， 能够进行功率的平衡，制动能量的回收与储存。 混合动力驱动系统一般采用动力电池+电机+内燃 机构成的形式。 混合动力驱动系统的分类 按照两种能量不同的搭配比例，混合动力驱动系 统一般可以分为轻混合、中混合、全混合、插电 式四种主要类型。 混合动力电动汽 车的动力系统主 要由控制系统、 驱动系统、辅助 动力系统和电池 组等部分构成。 1、串联式混合动力系统、串联式混合动力系统 发动机驱动发电机，电动 机使用发电机发出的电能来驱 动车轮，因为功率是以串联的 方式流向驱动车轮的，所以称 作串联式混合动力系统。 比如，发动机的功率和电 动机的功率是串联而成的，串 联式混合动力系统可以使用小 功率输出的发动机，并且使其 在相对稳定的高效率