纯电动汽车课程教学设计

纯电动汽车课程教学设计一、任务引入（时间：5分钟）【知识回顾】1、世界新能源汽车的主要品牌？2、我国新能源汽车的主要车型品牌？3、系能源汽车的主要技术，何为三纵三横？【任务分析】通过本节的学习，掌握纯电动汽车的定义、类型及总体结构，明确纯电动汽车的优势及劣势，理解纯电动汽车的关键技术及主要技术指标。【目标要求】1.掌握纯电动汽车的类型与各总成结构结构；2.熟知纯电动汽车的特点；3.了解纯电动汽车的关键技术及主要技术指标。【教学活动设计】教师活动：创设情境，展示教具；学生活动：体会场景，感知实物。二、知识准备（时间：100分钟）【相关知识】1.导入新课由于纯电动汽车具有零排放、不依赖石油、耗电低，操作维修简便等优点，世界主要汽车公司和专业电动汽车生产集团公司都在研发和生产纯电动汽车。同时消费者对纯电动汽车的了解和接受程度也越来越强。今后电动汽车的发展方向将是以电池、电机及整车等技术为着力点，提高其可靠性、动力性和续驶里程，降低成本，加强充电基础设施的规划，加快电动汽车智能充换电服务网络建设。下面我们一起进入纯电动汽车的学习。2.讲授新知识一、纯电动汽车简介纯电动汽车广义上可理解成由电动机驱动的车辆，电动机的驱动电能来源于车载储能装置（如蓄电池、超级电容、飞轮储能装置等），它包括在道路上行驶的电动车辆，低速的工业用电瓶车，机场、码头、仓库用的电动运输车和电动叉车，电动观光游览车，电动巡逻车及各种电动专用车等。纯电动汽车狭义上指的是从车载储能装置获得电能，由电机驱动，同时满足道路安全法规对汽车的各项要求，允许在正规道路行驶的车辆。总的来说，纯电动汽车是涉及机械、电子、电力、微机控制等多学科的高科技技术产品，是与燃油汽车相对应的。二、纯电动汽车分类纯电动汽车根据动力源的不同可分为2类，即用纯蓄电池作为动力源的纯电动汽车和装有辅助动力源的纯电动汽车。1.用纯蓄电池作为动力源的纯电动汽车用单一蓄电池作为动力源的纯电动汽车，只装置了蓄电池组，它的电力和动力传输系统如图所示。2.装有辅助动力源的纯电动汽车用单一蓄电池作为动力源的纯电动汽车，蓄电池的比能量和比功率较低，蓄电池组的质量和体积较大。因此，在某些纯电动汽车上增加辅助动力源，如超级电容器、发电机组、太阳能等，由此改善纯电动汽车的启动性能和增加续驶里程。装有辅助动力源的纯电动汽车的电力和动力传输系统如图所示。三、纯电动汽车的结构组成与原理燃油汽车主要由发动机，底盘、车身和电气四大部分组成，纯电动汽车的结构与燃油汽车相比，主要增加了电力驱动控制系统，而取消了发动机，由电力驱动主模块、车载电源模块和辅助模块三大部分组成。当汽车行驶时，由蓄电池输出电能（电流）通过控制器驱动电动机运转，电动机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。电动汽车续驶里程与蓄电池容量有关，蓄电池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里程，必须尽可能地节省蓄电池的能量。典型的纯电动汽车结构如下图所示。动力蓄电池组输出电能驱动电动机，从而推动车辆行驶。蓄电池的电能通过充电系统在车辆行驶一定里程后进行补充。电力驱动控制系统工作原理1.电力驱动主模块①组成：电力驱动主模块主要包括中央控制单元、驱动控制器、电机、机械传动装置和车轮等。②功用：将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，并能够在汽车减速制动时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。2.车载电源模块电源电源模块主要包括蓄电池电源、能量管理系统和充电控制器等。它的功用是向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。辅助模块辅助系统主要包括辅助动力源、动力转向系统、驾驶室显示操纵台和各种辅助装置等。辅助系统除辅助动力源外，依据不同车型而不同。四、纯电动汽车驱动系统布置形式1.传统机械传动型传统机械传动型纯电动汽车由燃油汽车底盘改装，基本保留燃油汽车的机械传动系统（离合器、变速器、差速器等），内燃机换成电动机。2.无变速器型无变速器型纯电动汽车的结构特点是取消了离合器和变速器，采用了固定传动比的减速器，通过对电动机的控制实现变速功能。这种布置形式的优点是机械传动系统得到简化，质量、体积减小，但对电动机要求较高，要求较大的起动转矩及较大后备功率，以保证汽车的起步、加速、爬坡等动力性要求。3.轮边电动机驱动型轮边电动机驱动型纯电动汽车不带变速器，通过电动机控制实现变速功能；驱动系统采用多电动机（2个或4个），电动机位于车轮一侧，每个电动机配备一个减速器，没有机械差速器，两侧电动机的控制系统实现电子差速的功能。4.轮毂电动机驱动型轮毂电动机驱动型纯电动汽车将电机置于驱动轮内部，进一步缩短了电动机与驱动轮间的动力传递路径。按照是否配备减速器，分为带减速器式左下图和不带减速器式右下图两类。带减速器式轮毂电动机一般采用高速内转子电动机，转速可高达10000r/min，必须配置减速器来降低转速，如下图a。不带减速器式轮毂电动机一般采用低速外转子电动机，外转子就安装在车轮轮缘上，电动机转速和车轮转速相等，最高转速在1000～1500r/min，不需要减速装置，如下图b所示。但是，低速外转子电动机的体积、质量较大，成本较高。五、纯电动汽车动力系统的选择纯电动汽车动力系统中电池、电动机、传动系统这三种动力部件的参数对汽车的动力性和经济性有很大影响。在确定这些参数的时候，必须充分考虑满足这两个基本性能要求。1．电动机的选择（1）电动机类型的选择电动机类型的选择不仅要考虑电动机的转矩特性和效率，还需要从电动汽车的整车设计目标、驱动系统的结构、成本控制等方面出发，综合考虑电动机的环境适应性、可维护性、质量体积、结构强度、成本等其他因素。下表为纯电动汽车用电动机的性能比较。（2）电动机功率的选择电动机的功率大小对电动汽车的动力性和经济性有直接的影响。电动机如果选择过小，就不能在正常状态下实现电动汽车要求的性能指标，经常在过载状态下运行，易损坏电动机及相关电力器件；相反，如果电动机功率选择太大，虽然车辆的后备功率增加，有利于提升车辆的加速和爬坡能力，但是电动机经常在欠载状态下运行，工作效率低、浪费电能，缩短了车辆的续驶里程。因此，合理选择电动机功率非常重要。（3）电动机额定转速和最高转速的选择额定功率相同的电动机，额定转速越高，电动机体积越小，质量越轻，造价越低，因此选择高速电动机比较经济。但是电动机转速越高，需要的传动机构的传动比越大，使传动机构越复杂。（4）电动机额定电压的选择额定电压是电动机的一个重要性能参数。纯电动汽车用电动机的额定电压选择与动力电池组电压密切相关。在相同输出功率条件下，电池组电压高则电流小，对导线和电力器件要求较低。但较高的电压需要较多的电池串联，会增加整车成本和总质量，并且车载设备的安全保护级别也需要提高。电动机的额定电压如果选得太低，则要求导线截面积更大，电力器件额定电流更大，增加了导线布置安装的难度及电力器件的成本，并且会使电力器件的额外损耗增加，使用寿命缩短。2．电池的选择（1）电池类型的选择电池是纯电动汽车的动力来源，为了达到动力性和续驶里程的要求，对它的基本要求是具有较高的比功率和比能量。此外，为了能够更好地使用电池，还要求其可靠性强、循环寿命长、充电快、易维护、环保性能好、充放电效率高及成本不过高。动力电池的类型应当根据车辆的性能指标、动力系统的类型与布置及整车成本控制，综合考虑各类型电池的各项性能指标进行选定。铅酸电池由于质量大、充电时间长等不足，目前只在小型电动车辆上应用，镍氢电池和锂离子电池是当前动力电池的主流。（2）电池数量的选择由于单块电池不能满足整车的电压和能量的要求，因此纯电动汽车的电池系统需要采用多块电池，它们以串联、并联或混联方式形成电池组。电池的数量要满足纯电动汽车的两项基本要求，一是能够满足车辆最大行驶功率的要求，二是要携带足够的能量以满足规定的车辆续驶里程要求。3．传动系统的选择由于电动机的特性接近于理想驱动特性，理论上是可以直接用于驱动电动汽车的，但要达到整车的动力性和经济运行的性能指标，对电动机的负载能力、高效率区范围有极高的要求，符合这种要求的电动机的设计和制造成本目前还很高。因此，目前的纯电动汽车只有少数采用电动轮直接驱动的形式，多数车辆的驱动系统为电动机匹配了机械传动机构，以满足整车的动力性要求，并可减轻电动机的负荷，提高它在复杂行驶工况下的运行效率，有利于获得较大的续驶里程。六、纯电动汽车的特点（1）无污染，噪声低。纯电动汽车不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，有“零污染”的美称；电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机噪声小。（2）能源效率高，多样化。电动汽车的能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运行。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。（3）结构简单，使用维修方便。电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小，当采用交流感应电动机时，电动机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵。（4）动力电源使用成本高，续驶里程短。目前电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善，尤其是动力电池的寿命短，使用成本高。电池的储能量小，一次充电后行驶里程不理想，电动车的价格较贵。但随着电动汽车技术的发展，电动汽车存在的缺点会逐步得到解决。七、纯电动汽车示例1．比亚迪宋EV300纯电动汽车在2016年度新能源车销量前20车型榜单中，比亚迪旗下车型就占了5席，年销量超过10万辆，比2015年增长63.93%。其“542”（百公里加速5秒、4轮驱动、百公里油耗2升）战略确实取得了新的突破。随着排放压力越来越大，2017年新能源市场还会继续暴涨。比亚迪计划今年推出7款新车来稳固市场的地位。宋EV300是比亚迪推出的首款纯电动SUV如下图所示，综合续航里程达300公里，同时该车还配备了遥控驾驶等配置。2．特斯拉ModelS纯电动汽车特斯拉Models是由美国Tesla汽车公司制造的一款全尺寸高性能轿车，最高车速为200km/h，0～100km/h的加速时间仅为5.6s，充满电最大行驶里程可达502km。特斯拉ModelS车身尺寸为4978mm×1964mm×1435mm，轴距为2595mm，最小离地间隙为152mm;整备质量为2108kg；乘坐5人。3．上汽荣威E50纯电动汽车荣威E50是由上汽集团历时三年自主研发，汇集众多国际先进技术，合力打造出的一款纯电汽车。不同于多数纯电动车是在原有内燃机车型上升级而来，荣威E50采用专为纯电动力而全新开发的整车平台，是中国首款完全意义上的纯电动汽车，在电机、电池的布置和车身的设计过程中，充分考虑了整车性能和人机工程之间的平衡，既获得最好的车内空间，又满足了整车性能目标的要求，减少了碰撞时对人体的伤害。荣威E50荣威E50车身尺寸为3569x1551x1540mm，轴距2305mm，整备质量1080kg，该车为3门4座两厢车。上汽荣威E50纯电动汽车如下图所示。4．日产Leaf纯电动汽车日产Leaf是在骐达车型的基础上开发的电动汽车，采用传统的五门掀背型结构，其车身尺寸为4445mm×1770mm×1550mm，轴距为2700mm；整备质量为1525kg；乘坐4人，如左下图所示。该车充分考虑空气动力学因素，车身前端设计很有特色，V形设计使前保险杠与前风窗玻璃平滑地融为一体，可有效减小风阻。车头灯竖直凸出向后延伸的设计则能够分散导向两侧后视镜的气流，有利于降低风噪和风阻。5．北汽E150EV纯电动汽车北汽E150EV是北京汽车新能源汽车有限公司自主研发的一款两厢纯电动汽车如下图所示。该车具有450L的后备空间，人性化的22处储物空间，再加上电动灭窗、6.5寸液晶触摸导航大屏、多功能转向盘、一键升降车窗、电动折叠外后视镜、主副驾安全气囊、四六折叠后排座椅、泊车雷达十可视化泊车辅助等27项全功能安全和舒适配置，使其在日常使用和驾驶体验上丝毫不逊于传统燃油汽车。【教学活动设计】教师活动：讲授知识，讲演结合；学生活动：理解结构、原理、性能。三、任务实施（时间：60分钟）【任务实施】纯电动汽车的认识1.基本设备一台电动汽车。2.操作步骤认识新能源汽车的结构特点、基本组成，熟悉驱动系统的布置形式。3.具体操作【步骤一】示范操作【步骤二】学生操作训练或课堂实践4.适任评估对任务效果进行检验评价。1.评估要素结合能力要求2.评估标准①操作准确、熟练（100％×满分）；②操作准确、较为熟练（80％×满分）；③熟练程度一般、能完成操作（60％×满分）；……【教学活动设计】教师活动：示范操作，突出要领；学生活动：工学结合，学做合一。四、项目拓展