电动汽车技术课件：电动汽车的基本结构与工作原理

电动汽车技术电动汽车的基本结构与工作原理2.1电动汽车分类2.2纯电动汽车2.3混合动力电动汽车2.4燃料电池电动汽车2.5本章小结主要内容2.1电动汽车分类2.2纯电动汽车2.3混合动力电动汽车2.4燃料电池电动汽车2.5本章小结主要内容2.1电动汽车分类

郑殿宇

郑殿宇电动汽车的定义：是指以车载动力电池为能量源，全部或部分由电动机驱动，符合道路交通、安全法规等各项要求的汽车。电动汽车(ElectricVehicle-EV)纯电动汽车（BatteryElectricVehicle-BEV）混合动力电动汽车（HybridElectricVehicle-HEV）燃料电池电动汽车(FuelCellElectricVehicle-FCEV）普通插电串联式混合动力电动汽车（SeriesHybridElectricVehicle-SHEV）并联式混合动力电动汽车（ParallelHybridElectricVehicle-PHEV）混联式混合动力电动汽车（Parallel-SeriesHybridElectricVehicle-PSHEV）普通插电普通插电BEVHEVFCEV2.1电动汽车分类2.2纯电动汽车2.3混合动力电动汽车2.4燃料电池电动汽车2.5本章小结主要内容2.2纯电动汽车

郑殿宇

郑殿宇一、纯电动汽车定义纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规等各项要求的汽车。纯电动汽车主要系统组成机械子系统电力电子子系统信息子系统底盘和车身驱动结构装置变速器等动力网电机及控制器能源系统信号控制器汽车监控系统纯电动汽车关键技术动力电池电动机控制车身底盘设计能量管理系统驱动电动机2.2纯电动汽车

郑殿宇

郑殿宇二、电驱动的结构形式图2-1纯电动汽车驱动系统布置常规形式图2-2固定速比减速器图2-3无传动装置驱动形式图2-4双电机-固定速比变速器一体化驱动系统B：电池I：电机控制器D：差速器G：变速器M：电机FG：固定速比减速器

2.2纯电动汽车

郑殿宇轮毂电机驱动系统舍弃驱动电机和驱动轮之间的机械传动装置之后，轮毂电机的外转子直接连接在驱动轮上。驱动电机转速控制与车轮转速控制融为一体，构成了所谓的双轮毂电机。图2-5双轮毂电机驱动系统图2-6轮毂电机结构图内转子型外转子型图2-7两种轮毂电机驱动方式内部示意图2.2纯电动汽车

郑殿宇

郑殿宇四轮毂电机驱动系统图2-8四轮毂电机驱动系统优点：1.车轮可以实现±180°的旋转、横向行驶、任意旋转行驶。2.由于可以进行各车轮任意转矩控制，所以使得防滑控制、制动控制等多种性能得以发挥。3.轮毂电机的大型化较难，但是总功率依靠四台电机分担，可使每台电机的容量变小。轮毂电机及安装四轮独立控制的电机和逆变器的驱动系统，这样可以使结构更加紧凑，同时能够使车辆达到前所未有的机动性。2.2纯电动汽车

郑殿宇

郑殿宇储能装置的结构形式：动力电池系统是纯电动汽车能量的唯一来源，也是混合动力汽车、燃料电池汽车的主要能量来源。电动汽车能源装置布置形式唯一能量源两种不同的动力电池高比功率（如功率型锂离子电池、超级电容器）高比能量（如能量型锂离子电池、锌空气电池）（如图2-1至2-8的结构所示）图2-9两种储能装置的结构形式目前还可以利用燃料电池、超级电容器和飞轮等共同作为电动汽车的新型储能装置，共同提高电动汽车的续驶里程或者整车的动力性能，其结构形式与图2-9类似。（如图2-9）2.1电动汽车分类2.2纯电动汽车2.3混合动力电动汽车2.4燃料电池电动汽车2.5本章小结主要内容2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇混合动力车辆定义：能量与功率传送路线具有如下特点的车辆称为混合动力车辆1推进车辆运动能量，至少来自两种不同的能量转换装置（例如内燃机、燃气涡轮、斯特林发动机、电机、液压马达、燃料电池等）；这些能量转换装置至少要从两种不同的能量储存装置（例如燃油箱、蓄电池、飞轮、超级电容、高压储氢罐等）吸取能量；从储能装置流向车轮的这些通道，至少有一条是可逆的（既可放出能量、也可吸收能量），并至少还有一条是不可逆的；如果可逆的储能装置供应的是电能时，则称为混合动力电动车。234优点缺点1.重量较大3.电气效率损失大2.存在车辆某些性能降低的可能4.结构复杂，成本高1.车载动力总成可以更有效地工作2.因为车上的另一套储能装置可以提供一部分功率，所以车载动力总成可以更轻更小。3.有多种车载动力总成4.再生制动2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇混合动力电动汽车的分类机械传递路径电功率传递路径机械传递路径+电功率传递路径：发动机和传动系统：能量存储系统、发电机、驱动电机和传动系统按存储、动力传递至车轮的能量流的路径动力系统组件布置串联、并联和串并联电池-电机与发动机的搭配比例微混合系统

“

启-停混合（Start-Stop）”轻混合系统

轻混合系统节油可达10%-15%全混合系统

不同试验工况的节油达30%-50%可外接电源充电混合动力系统（PHEV）2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇串联混合动力电动汽车结构及工作原理定义：车辆提供驱动力的通路只有电机一条，没有分支，故称作串联混合动力。图2-10串联混合动力系统构型发动机/发电机构成的发电单元又称辅助动力单元（AuxliaryPowerUnit，APU）发动机：汽油机、柴油机、燃气发动机等发电机：永磁同步发电机、电励磁同步发电机等工作方式纯电动驱动发动机/电机联合驱动制动能量回收停车充电等工作模式2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇纯电动驱动模式当车辆低速行驶、倒车或蠕行时，电机需求功率很小；当电池荷电状态（SOC）很高时，系统进入纯电动模式如图2-11所示。发动机停机，电机所需的能量完全由电池提供。当APU输出功率小于电机需求功率时，不足的电能由电池提供，电池放电；反之，当APU输出功率大于电机需求功率时，多余的电能储存于电池中。联合工作模式2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇制动能量回收模式当车辆进行制动时，电机可工作在发电模式，由车轮向电机提供制动转矩，将车辆的动能转换为电能，存储于电池中停车充电模式当车辆处于停止状态，特别是由于交通原因导致的临时停车时，如果电池SOC过低，APU系统输出电能为电池充电，2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇串联式混合动力电动车优点1.发动机具有良好的经济性和低的排放性能2.发动机与电机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大3.由于电机的功率大，制动能量回收的潜力大，从而提高能量效率缺点1.电能与机械能转化，还有电池的充电和放电都有能量损失2.电机是唯一驱动汽车行驶的动力装置，因此，电机的功率要足够大。电机和蓄电池的体积和重量都比较大，使得整车重量较大根据以上特点，串联混合动力电动车更适合用于市内低速运行的工况，而不适合高速公路行驶工况。2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇并联混合动力电动汽车结构及工作原理结构：根据混合点的位置不同，并联构型又可细分为离合器前混合型（构型1）、离合器后混合型（构型2）、变速箱后混合（构型3）、双离合器型（构型4）和道路混合型（TTR，ThroughtheRoad）（构型5）。并联构型系统中车辆驱动力通常主要由发动机提供，电机起到辅助作用。工作模式发动机快速启动/停止模式纯电动模式联合工作模式制动能量回收模式2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇发动机快速启动/停止模式通过混合动力电机可以将发动机在短时间内（<1s）快速启动，从而实现发动机的快速启动/停止。在车辆由于交通等原因临时停车时，发动机迅速停止，取消了原有的怠速状态，节省了怠速状态中的燃油消耗和有害气体排放。当检测到司机发出的车辆起步意图后，发动机被迅速启动，驱动车辆前进。纯电动模式当汽车起步蠕行、低速行驶或倒车时，发动机前的离合器分离，发动机不工作，电机为车辆提供驱动力，电池放电。此模式使得发动机在小负荷时可以完全停止旋转，减少了燃油消耗。2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇联合工作模式汽车正常行驶时系统的主要工作模式，各个离合器均处于结合状态。发动机和电机联合工作。当车辆起步加速或上坡时，车辆需求功率较大，电机处于电动模式输出扭矩，对系统进行功率补偿，蓄电池放电。当汽车处于中低速巡航或电池SOC很低时，电机处于发电模式将发动机输出的一部分扭矩转变为电能为电池充电。2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇制动能量回收模式当车辆减速制动时，电机工作在发电模式，将车辆机械能进行回收，转变为电能为电池充电。发动机和混合点间有离合器的构型可以通过分离该离合器使发动机停转，减小由于倒拖发动机造成的摩擦损失，以便回收更多的能量。对于发动机和混合点间没有离合器的系统构型，发动机停止喷油，工作在断油状态，减小燃油消耗。2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇发动机的运行工况会受车辆行驶工况的影响，车辆在行驶工况频繁变化的情况下运行时，发动机有可能不在其最佳工作区域内运行并联式混合动力电动汽车具有如下特点：发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，无机械能-电能转换损失，因此发动机输出能量的利用率相对较高当电机仅起功率“调峰”作用时，电机、发动机的功率可适当减小，电池的容量也可减小在繁华的市区低速行驶时，并联式混合动力电动汽车也可通过关闭发动机，以纯电动方式运行实现零排放行驶，但这就需要有功率足够大的电机，所需电池容量也相应要大发动机与电机并联驱动时，还需要动力复合装置，因此，并联驱动系统的传动机构较为复杂123452.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇混联混合动力电动汽车结构及工作原理特征：（1）至少包含两个电机；

（2）系统能量混合方式同时具备并联混合和串联混合特征。电机与传动系耦合方式构型1（丰田构型）通过1个行星齿轮实现了动力分配和无级变速功能。构型2（双并联构型CombinedHybrid）通过双并联结构和一个离合器构成能量的混联通路。构型3（GM/DC/BMW双模式构型）则利用自动变速器中的两个行星齿轮组与电机的不同耦合连接，同时实现了类似构型1（3-1模式：输入分配inputsplit）和构型2（3-2模式：混合分配compoundsplit）的两种工作模式。2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇纯电动模式联合工作模式当汽车起步蠕行、低速行驶或倒车时，系统中发动机停机，车辆由电机以纯电动方式带动行驶，如图2-21所示。构型1中的行星齿轮和发电机处于空转状态。构型2中的离合器分离。双模式构型3工作于3-1模式，行星齿轮组处于空转状态，离合器分离。在构型1中，发动机一部分动力直接输出至车轮，另一部分动力通过发电机--电机输出至车轮。在构型2中，离合器处于结合状态，发动机主要动力通过机械方式输出至车轮，两个电机可以根据发动机工作状态决定驱动/发电，优化系统效率。对于双模式构型3，其3-1模式适合于行驶于频繁行驶/停车的低速低负荷城市工况，工作方式与构型1类似。其3-2模式适合于高速高负荷的高速路工况，工作方式类似于构型2。2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇制动能量回收模式停车充电模式混联构型具备停车充电功能，构型1中的行星齿轮输出轴不输出能量，能量通过发动机--发电机进入电池中。构型2中离合器分离即可实现停车充电。构型3工作于3-1模式，行星齿轮组不向外输出能量。当车辆制动时，行星齿轮处于空转状态，离合器分离，发动机停机。电机将车辆机械能转换为电能，储存在电池中2.3混合动力电动汽车

郑殿宇

郑殿宇插电式混合动力电动汽车结构及工作原理

（Plug-inHEV，简称PHEV）混联式PHEV串联式PHEV并联式PHEV：串联式PHEV与并联式PHEV综合工作模式PHEV结构电量消耗（ChargeDepleting,CD）阶段电量保持（ChargeSustaining,CS）阶段2.1电动汽车分类2.2纯电动汽车2.3混合动力电动汽车2.4燃料电池电动汽车2.5本章小结主要内容2.4燃料电池电动汽车

郑殿宇

郑殿宇燃料电池电动汽车电池的工作原理是将氢气和氧气通过电极反应直接转化成电能，最大的特点是由于反应的过程不涉及燃烧和热机做功，因此能量转换效率不受卡诺循环的限制可高达60%~70%，实际使用效率则是普通内燃机的2倍左右。电池类型AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC阳极Pt/NiPt/CNi/AlNi/ZrO2Pt/C阴极Pt/AgPt/CLi/NiOSr/LaMnO3Pt/C燃料纯氢天然气、氢天然气、煤气天然气、煤气纯氢电解质KOHH3PO4Li2/K2CO3

YSZ

聚合物腐蚀性强强强弱无工作温度（℃）约100约200600~700800~1000约100比功率（W/kg）35~105120~18030~4015~20340~3000启动时间几分钟几分钟>10分钟>10分钟<5S寿命水平（h）100001500013000700010000应用方向航空航天电站电站电站移动电源、电动汽车、航空航天等几种典型燃料电池比较2.4燃料电池电动汽车

郑殿宇

郑殿宇①燃料电池发动机（FCE）：主要由燃料电池堆、进气系统、排水系统、供氢系统、冷却系统、电堆控制单元和监控系统组成。此为主要动力源。②动力蓄电池组：辅助动力源。③电流变换器：交直流变换。④动力总成：传递动力、换档。⑤氢气系统：提供氢气。⑥动力控制单元：动力控制、故障诊断2.4燃料电池电动汽车

郑殿宇

郑殿宇质子交换膜燃料电池结构及工作原理示意图质子交换膜燃料电池（PEMFC）以氢气为燃料，氢气在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子；氢离子穿过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路到达阴极，电子在外电路形成电流；在电池另