新能源汽车-电动汽车的结构和工作原理

1、电动汽车8/11/20221比亚迪8/11/20222比亚迪K98/11/20223 比亚迪奔驰合资腾势8/11/20224 特斯拉8/11/20225日产 Leaf8/11/20226宝马 i38/11/20227大众8/11/20228起亚汽车Soul EV 8/11/20229雷诺8/11/202210戴姆勒smart electric drive 8/11/202211通用Bolt EV 8/11/202212混合动力汽车8/11/202213燃料电池汽车8/11/202214太阳能汽车8/11/202215第六章 电动汽车的结构和工作原理 第一节 纯电动汽车 第二节 混合动力电动汽车

2、 第三节 燃料电池电动汽车 第四节 太阳能汽车8/11/202216教学目的和要求： 掌握电动汽车分类、工作原理、特点、发展趋势本章重点：本章难点：教学内容要点： 8/11/202217电动汽车的概述电动汽车的特点电动汽车的分类蓄电池电动汽车（EV）燃料电池电动汽车（FCEV）混合电动汽车（HEV）太阳能汽车概论8/11/202218 电动汽车是与燃油汽车相对应的，1873年就出现了电动汽车。在20世纪20年代达到了鼎盛时期，然而在燃油汽车出现后电动汽车无论在整车质量、动力性能、行驶里程、机动性和灵活性方面愈来愈落后于燃油汽车。 在全球温室效应与能源问题逐渐受到各国政府的重视下，主要国家之污染

3、法规渐趋严格，因此对低污染车辆之需求势必增加。随着各种高性能蓄电池和高效率电机不断地出现，使人们把目光又转向了零污染或超低污染排放的电动汽车。电动汽车概述8/11/202219电动汽车与内燃机汽车的比较项目电动汽车燃料电池电动车混合动力电动车内燃机汽车尾气排放无无少量多能量来源广较窄广窄能量转换率高高适中低高效工况区范围宽宽适中窄能量回收（再生制动）有有有无行驶里程短适中较长长8/11/202220电动汽车的特点 随着能源危机和环境污染的全球两大突出问题日益严重，特别是随电动汽车自身难点不断解决，使电动汽车具有更多突出特点。 (1)对环境无污染（包括大气污染和噪声污染） (2)节能及能源多样化

4、和综合利用 效率高、排放废热少、可回收能量多、改善能源结构 (3)结构简单和维护使用方便缺点：续航里程小，载质量低；制造成本高；重建基础设施。8/11/202221 因车载动力系统不同可分为三类：1、以车载燃料电池为动力的燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle-FCEV） ；2、以车载蓄电池为动力的蓄电池电动汽车（ Electric Vehicle-EV ），亦称之为纯电动汽车；3、以车载多能源为动力的混合动力电动汽车（ Hybrid Electric Vehicle-HEV），其动力来自2 个或2 个以上能源，如蓄电池，超级电容，飞轮电池，太阳能，内燃机，燃气

5、轮机，斯特林发动机等。4、太阳能汽车（Solar Car ），完全用太阳能为驱动力代替传统燃油, 没有发动机、底盘、驱动、变速箱等构件，而是由电池板、储电器和电机组成利用贴在车体外表的太阳电池板，将太阳能直接转换成电能，再通过电能的消耗，驱动车辆行驶，车的行驶快慢只要控制输入电机的电流就可以解决。 电动汽车的分类8/11/202222蓄电池电动汽车（EV） EV是一种最好的零污染或超低污染的车辆，它没有噪声和振动，操作性能好等，远远地优先于燃油汽车，是当前开发和研制取代燃油汽车的首选车型。EV动力源采用蓄电池-电动机系统。 EV的基本组成部分： (1) 车载电源 (2) 电池的管理系统 (3)

6、 驱动电动机和驱动系统 (4) 控制技术 (5) 车身及底盘 (6) 安全保护系统 EV的控制策略和控制系统8/11/2022238/11/202224蓄电池电动汽车的发展 EV发展的瓶颈在于电池。近年来由于电池技术的制约使得EV发展速度有所缓慢。在车载电源得到解决后，电动汽车必会迅速地发展。 目前EV趋于小型化、个性化和家庭化发展，主要为家庭辅助用车或休闲用车。几种典型EV世界各国有各种微型和小型EV在使用。8/11/202225 采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车即Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)。其动力源是用燃料电池发动机-电动机系统。燃料

7、电池驱动系统是FCEV的核心部分，不同燃料作为动力源，发电机系统组成是有差别的。目前，多以压缩氢气或液化氢气及作为基本燃料。几种典型的燃料电池电动车 下面分别介绍以氢为燃料和以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统。并介绍通用的一款用氢气作为燃料的燃料电池电动汽车。燃料电池电动汽车（FCEV）8/11/202226以氢为燃料的燃料电池发动机系统氢气储存罐 氢气压力调节器热交换器氢气循环泵 5冷凝器、汽水分离器 水箱水泵空气压缩机空气加湿、去离子过滤器燃料电池组11电源开关 12 DC/DC转换器 13逆变器 驱动电机8/11/202227以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统甲醇储存罐 重整器带燃烧气H净化

8、器氢气净化泵 8/11/202228 通用Hy-wire氢动三号由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。氢储存罐分为两种，一种罐内储存的是温度为-253C的液态氢，另一种罐内储存的是承受最高压力可达700Pa的高压氢气。一次充气行驶里程分别可达400公里和270公里。 8/11/202229通用Hy-wire氢动三号的电池组8/11/202230FCEV的发展现状 燃料电池技术被认为是21 世纪首选的洁净、高效的发电技术，其具

9、有能量转化效率高、不污染环境、使用寿命长等不可比拟的优势。但是由于目前燃料电池研究还没有取得重大突破，燃料电池电动汽车的发展也受到了限制。8/11/202231混合电动汽车（HEV） 从世界范围内电动汽车的发展过程看，电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车开始的。但由于纯电动汽车是从单独依靠蓄电池供电的，而目前动力电池的性能和价格还没有取得重大突破，因此，纯电动汽车的发展没有达到预期的目的。目前燃料电池研究还没有取得重大突破，燃料电池电动汽车的发展也受到了限制。 在此情况下，混合动力汽车成为电动汽车开发过程中最有可能市场化的一种新车型，它将现有内燃机与一定容量的储能器件通过先进控制系

10、统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注。8/11/202232HEV的工作过程 HEV采用发动机-发电机和电动驱动系统。发动机的动力保证HEV正常行驶时所需要的基本动力。然后采用控制发动机转速范围、降低发动机的最高转速、保持发动机的稳定均衡地运转和“开关”的控制方式，使发动机避开启动、怠速和转速突然变化时，燃料燃烧不完全而引起的燃料经济性降低和增加有害气体的排放。HEV以电动机驱动作为辅助动力。一般在HEV发动机启动、车辆启动、加速和爬坡时起作用。还起发电机的作用，

11、使发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。8/11/202233HEV的主要技术组成 (1)发动机 采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。 (2)电动机 采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。 (3)电池 采用不同的蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器等。8/11/202234按发动机和电动机的不同形式的组合可分为：(1)串联式混合动力电动汽车（SHEV）(2)并联式混合动力电动汽车（PHEV） (a) 发动机轴动力组合式 (b) 动力组合器组合式 (c) 驱动轮动力组合式(3)混联式混合动力

12、电动汽车（PSHEV） (a) 动力组合器动力组合式 (b) 驱动轮动力组合式 日本、美国开展了混合动力电动汽车的研究。混合动力电动轿车多采用并联和混联的结构型式不同，混合动力电动公共汽车的结构型式以串联为主。8/11/2022358/11/2022368/11/2022378/11/2022388/11/202239在1998 年，通用公司研制出的Gen2 斯特灵混和动力车，使用斯特灵发动机通用公司Gen2 混合动力样车8/11/202240普锐斯混合动力汽车8/11/202241 标致雪铁龙集团推出基于“柴油-电力”混合动力的两款展示车标致307和雪铁龙C4。这种混合动力车平均百公里能耗为

13、升柴油，二氧化碳的排放量为每公里90克。在高速行驶模式下为80g/km，与307及C4的柴油发动机车型相比，分别减少了28和45。柴油混合动力车的燃效为，比汽油混合动力车提高25，每100km可节省1L左右的燃料。 混合动力系统由最大输出功率为66kW的柴油发动机、柴油颗粒过滤器（DPF）、起动器兼交流发电机、“Stop Start”系统、DC无刷马达、逆变器及镍氢充电电池构成。该系统配套使用6速手自一体变速箱。 柴油混合动力车8/11/202242 混合动力系统采用以发动机为主动力、利用马达进行辅助的并联驱动方式。当车速降到60km/h以下时，Stop Start系统就会停止发动机工作。马达

14、可通过减速时回收能量来向电池蓄电，当车速在50km/h以下时仅凭马达行驶。在加速及电池没电时，便会自动切换至发动机驱动。为了停止发动机工作后仍可凭借马达行驶，在发动机与马达之间采用了干式离合器。 马达在连续使用时的额定功率为16kW，可产生80Nm的扭矩。在超车等情况下进行暂时辅助时，最大输出功率为23kW，最大扭矩为130Nm。马达与逆变器连接，以210380V的电压驱动。在车辆后部通常用于配备备用轮的位置上配备了由240个电池单元构成的镍氢充电电池。充电电池的容量为，普通电压为288V。仅凭马达可持续行驶5km。柴油混合动力车8/11/202243 配备柴油混合动力系统的展示车,左为“标致

15、307混合动力HDi，右为“雪铁龙C4混合动力HDi。8/11/202244雪铁龙C4柴油混合动力系统的构成示意图8/11/202245 柴油混合动力系统 升Hdi柴油发动机(最大输出功率为66kW) 2-柴油机微粒过滤器(DPF) 3-”停车-启动”系统 4-电动机(额定功率为16kW) 5- 6速手自一体变速箱 6-逆变器 7-低压电池 8-动力传输管理单元 9-高压电缆 10-高压镍氢充电电池(288V)8/11/202246“雪铁龙C4混合动力HDi”发动机室8/11/202247第一节 纯电动汽车概述：电动汽车可分为纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车太阳能汽车等类型，纯电

16、动汽车是电动汽车的技术基础。定义：以电池为储能单元，以电动机为驱动系统的车辆。 8/11/202248一、纯电动汽车的分类1按照是否有辅助动力源分类（1）用纯蓄电池作为动力源的纯电动汽车 8/11/202249（2）装有辅助动力源的纯电动汽车 辅助电力源有超级电容器或发电机组，用来改善起动性能和增加续驶里程。 8/11/2022502按照蓄电池的种类不同分类铅酸蓄电池电动汽车锂离子电池电动汽车镍-氢电池电动汽车等3按动力驱动控制系统的结构型式不同分类直流电动机驱动的电动汽车交流电动机驱动的电动汽车双电动机驱动的电动汽车电动轮电动汽车8/11/202251二、纯电动汽车的结构与工作原理组成： 电

17、力驱动系统：控制单元、驱动控制器、电动机、 机械传动装置和车轮等 电源系统：蓄电池电源、能量管理系统和充电控制器 辅助系统：辅助动力源（辅助电源和 DCDC功率转换器）、动力转向系统、驾驶室显示操纵台和辅助装置（照明、各种声光信号装置、车载音箱设备、空调、刮水器、风窗除霜清洗器、电动门窗、电控玻璃升降器、电控后视镜调节器、电动座椅调节器、车身安全防护装置控制器等）等 8/11/2022528/11/202253控制单元根据加速踏板和制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出相应的控制指令，对电动机进行启动、加速、减速、制动控制。 8/11/202254三、纯电动汽车的布置型式 电动汽车的总体布置较灵

18、活。从电气控制的角度讲，在汽车总体布置时，应使电源到控制器再到电动机之间的大电流回路的导线尽可能短，以减小回路的电压损失，保证汽车的动力性和行驶里程的要求。 8/11/2022551、电动机中央驱动特点： 汽车的结构与传统布置相近，可以在内燃机汽车的基础上改装，其传动装置和技术较成熟。只需一只驱动电动机，控制电路较简单。8/11/2022562、电动轮驱动将电动机及相应的减速器布置在车轮上。特点：省略传动轴和差速器等装置，简化了传动系统结构。但是需要两只或四只电动机，控制电路较复杂，将电动机与车轮制成一体，必然加大汽车悬架的质量。8/11/2022573、电动机一驱动桥组合式取消了离合器和变速

19、器，但具有减速差速机构，由1台电动机驱动两车轮旋转。优点：继续沿用当前发动机汽车中的动力传动装置，只需要一组电动机和逆变器。这种方式对电动机的要求较高，不仅要求电动机具有较高的起动转矩，而且要求具有较大的后备功率，以保证电动汽车的起动、爬坡、加速超车等动力性。 8/11/2022584、双电动机驱动式将电动机装到驱动轴上，直接由电动机实现变速和差速转换。特点： 对电动机有较高的要求，要求有大的起动转矩和后备功率，同时不仅要求控制系统有较高的控制精度，而且要具备良好的可靠性，从而保证电动汽车行驶的安全、平稳。 8/11/202259四、纯电动汽车的应用1我国自主开发的EV（1）天津清源纯电动汽车

20、 配置自主开发双离合器两挡自动变速箱和磷酸铁锂动力电池，系统集成度、可靠性、整车性能进一步提高，产品通过了型试认证，已得到美国经销商的认可。8/11/2022608/11/202261（2）天津一汽夏利汽车股份 天津一汽以夏利“幸福使者”为基础平台开发的电动轿车。 采用150Ah的镍-氢蓄电池， 用直流电动机驱动，通过总线CAN系统对汽车的各个总成进行控制。 最高车速50km/h，最大爬坡度15，续驶里程80km。8/11/202262（3）株洲时代集团的TEG6120EV-2型电动大客车 TEG6120EV-2型电动大客车有38个座位， TEG6120EV-2型电动大客车采用水平铅酸电池为电力电源，电池管理系统对电池组的SOC进行监控计算。 驱动电动机为三相交流异步电动机，采用直接转矩/矢量控制技术进行控制，使电动机控制在最佳工况下运转，整车采用ECU控制器和总线系统CAN对整车进行全网络化控制。 8/11/2022638/11/2022642国外汽车公司开发的EV（1）美国通用汽车公司EV-1电动轿车 EV-1型电动轿车使用85的电池组电量时，EPA城市循环行驶里程112km，高速公路行驶可达144km。 8/11/2022658/11/202266（2）日本丰田汽车公司的 RAV4-EV 在市内道路行驶条件下，其最高车速可