《汽车发动机原理（第5版）》 课件 第九章 新型汽车动力装置

汽车发动机原理

2024/10/132

目录绪论第一章发动机的性能第二章发动机的换气过程第三章燃料与燃烧第四章汽油机混合气的形成和燃烧第五章柴油机混合气的形成和燃烧第六章汽车发动机特性第七章车用发动机废气涡轮增压第八章发动机排气污染与噪声控制第九章新型汽车动力装置第十章发动机动力学2024/10/13汽车发动机原理3第九章新型汽车动力装置

能源问题、环保问题和安全问题成为困扰汽车业发展的三大难题，多能源、高效率、少污染和高安全性是未来汽车的发展方向。电动汽车动力装置因其效率高和清洁性成为未来汽车动力的主要发展方向。电动汽车除了在能源、环保和节能方面显示出优越性和具有强大的竞争力外，在车辆性能方面也具备巨大的优势。第一节概述

电动汽车在广义上可分为3类，即纯电动汽车(BatteryElectricalVehicle，BEV)、混合动力电动汽车(HybridElectricalVehicle，HEV)和燃料电池电动汽车(FuelcellElectricalVehicle，FCEV)目前，这3种电动汽车都处于不同的发展阶段，面临着不同的困难和挑战。2024/10/13汽车发动机原理45第二节纯电动汽车动力装置纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。纯电动汽车的动力装置主要包括动力电源、电源管理系统、电动机及其控制系统等。2024/10/13汽车发动机原理2024/10/13汽车发动机原理6

一、纯电动汽车动力装置原理按照传动系的不同，纯电动汽车可以分为：单电机集中驱动和多电机分布驱动式电动汽车。2024/10/13汽车发动机原理7

纯电动汽车能量来源主要为外部的充电，外部电能通过车载充电机给二次电源（如蓄电池等）充电，供给车辆能量。同时，还有一部分能量来自于制动能量回收。单电机集中驱动式电动汽车的工作原理如下：对于多电机分布驱动式（如电动轮驱动式）电动汽车，传动部分结构差别较大，没有传动机构，采用电子差速等。2024/10/13汽车发动机原理8二、动力电池纯电动汽车的动力装置依靠动力电源来提供能量，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是锂离子动力电池，其他可用的电源还有镍-氢电池、超级电容等。1、动力电源的主要性能指标电池容量电池能量能量密度循环使用寿命电池功率2024/10/13汽车发动机原理9种类能量密度功率密度(W/kg)寿命（充电次数）成本特点缺点(Wh/kg)(Wh/L)密封铅酸3580200400～800低功率密度较大，安全能量密度低镍-氢30~80140~300250~1000600～1200较高功率密度和能量密度大成本高，温度特性差锂离子110~200250~530300~1500500~2000很高高电压，高能量密度成本高目前商业化的电动汽车动力蓄电池的性能比较2024/10/13发动机原理10

2.常用的动力电池铅酸蓄电池：正极采用二氧化铅（PbO2），负极采用海绵状铅（Pb），电解液是稀硫酸溶液（H2SO4），单体电池标称电压为2V。其化学方程式为：镍-氢蓄电池：正极为Ni(OH)2（充电时）和NiOOH（放电时），负极为H2O（充电时）和H2（放电时），电解质采用氢氧化钾溶液。其化学反应方程式为：锂离子蓄电池：正极是锂化过渡金属氧化物，负极是球状石墨或球状石墨与片状石墨的锂碳化合物。其化学方程式为：超级电容：超级电容是一种介于传统电解质电容器和电化学电池之间的新型储能组件。电化学电容器是依靠电解质与电极间形成特有的双电层结构（ElectricDoubleLayers）和电极表面的氧化还原反应来存储能量。2024/10/13发动机原理11双电层结构示意图微观力行成的一层在电极上，另一层在溶液中的两个异种电荷层，称为双电层。双电层结构形成一个平板电容器，其电容量为：其中为固体与液体之间双电层的电位差，

；Q为双电层的电荷量；

为从零电荷电位算起的电极电位。电容器存储能力为Vw为电容器的最大工作电压。2024/10/13汽车发动机原理122.电池管理系统现有的研究主要在两个方面，一是开发高性能的电池，另一方面就是采用电池管理系统，在使用方面进行优化，充分发挥电池的性能，提高电池的寿命。电池管理系统主要功能：数据采集电池状态估计能量管理安全管理热管理2024/10/13汽车发动机原理132024/10/13汽车发动机原理14三、电机驱动系统电机驱动系统的作用是通过电机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。其基本构成主要有两部分：电机和控制器。2024/10/13汽车发动机原理15目前电动汽车上使用的基本都是交流电机，在驱动过程中，电能转换装置按照DC/AC逆变器模式工作，把蓄电池的直流电变换为交流电供给交流电机；在制动能量回收过程中以AC/DC变换器模式工作，把交流发电机发出的电能变换为直流电，向蓄电池充电。电动汽车对电机的要求：转矩、转速变化范围大过载能力满足短时间内加速要求过载能力满足最大爬坡度要求电机功率密度高可控性高、稳态精度高、动态性能好能适应恶劣环境2024/10/13汽车发动机原理16目前电动汽车主要采用的电机驱动系统有：直流电机驱动系统、三相交流感应电机驱动系统、永磁电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统。2.直流电机驱动系统

直流电机驱动系统具有控制简单、调速性能好、技术成熟和成本低等优点，以前在中小功率电动汽车中有广泛应用。通常采用PWM控制。直流驱动系统优缺点如下：优点串励电机（启动转矩大）他励电机（转速高）平稳切换工作模式容易再生制动2024/10/13汽车发动机原理17缺点有电刷和机械换向器散热困难最高转速低体积大功率密度低成本高需要经常维护2.三相交流感应电机驱动系统交流感应电机驱动系统主要由三相功率逆变器、三相交流感应电机、电机控制器、辅助系统组成。三相功率逆变器一般采用绝缘栅极晶体管IGBT以及驱动、自检测、自保护功能融合在一起的智能功率模块IPM。三相交流感应电机驱动系统优缺点如下：优点结构简单、经久耐用适应性好运行可靠冷却自由度高功率覆盖范围广2024/10/13汽车发动机原理18缺点控制比较困难3.永磁电机驱动系统：永磁无刷直流电机、永磁同步电机永磁无刷直流电机采用梯形波三相电流向定子线圈供电，最大特点就是具有直流电机的外特性而没有换向器和电刷等机械接触结构。永磁无刷直流电机驱动系统优缺点如下：优点没有励磁损耗容易散热寿命长，运行可靠能量密度高，效率高2024/10/13汽车发动机原理19无刷直流电机定子供电波形永磁同步电机采用正弦波三相电流向定子线圈供电，转矩区比较长，低速时采用矢量控制。永磁同步驱动系统优缺点如下：优点恒转矩区长最高转速高调速性能好能量密度高，效率高缺点功率范围小控制系统复杂造价高2024/10/13汽车发动机原理20永磁同步电机定子供电波形2024/10/13汽车发动机原理212.开关磁阻电机驱动系统开关磁阻电机由磁阻电机和开关电路控制器组成。开关磁阻电机采用集中绕组结构，转子无任何绕组，适合用于频繁正反转及冲击的负载。三相交流感应电机驱动系统优缺点如下：优点结构简单、经久耐用成本低，工作可靠能实现宽调速、低速大扭矩冷却自由度高功率覆盖范围广缺点驱动系统较复杂噪音直流电流波动大22第三节混合动力电动汽车动力装置混合动力电动汽车是指由两种或两种以上的储能器和能量转换器作为驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆。一般意义上的混合动力电动汽车是指在一辆汽车中同时使用电动机和内燃机作为动力装置的汽车。一、混合动力电动汽车动力装置分类混合动力电动汽车动力装置按照驱动系统结构可以分为：（1）串联式混合动力装置（2）并联式混合动力装置（3）混联式混合动力装置2024/10/13汽车发动机原理23按混合度大小分类轻度混合动力混合动力有限，不提供纯电动行驶全混合动力可以提供一定的纯电动行驶范围按照是否可以外接充电分类插电式混合动力装置可以通过电网进行充电，电量充足是可以纯电动工况行驶非插电式混合动力装置不依赖来自电网的电能充电，而通过车载内燃机和电机的配合工作达到自我电量的平衡。2024/10/13汽车发动机原理242024/10/13汽车发动机原理二、混合动力电动汽车汽车动力装置工作模式串联式混合动力装置串联式混合动力系统结构252024/10/13发动机原理按照辅助动力源（发动机/发电机组）功率值的大小不同，串联式混合动力装置有两种典型的类型：（1）电力主动型（电量消耗型）：发动机占比少，不足以维持电池组的荷电状态。（2）发动机主动型（电量维持型）：发动机功率占整个系统功率的百分比较大，电池组仅提供车辆行驶时的峰值功率。典型的串联式混合动力装置工作模式有以下几种：262024/10/13汽车发动机原理典型串联式混合动力装置工作模式B—车载电池组E—内燃机F—燃油箱G—发电机M—电动机P—功率转换器T—变速箱：机械连接：电缆连接：功率流2024/10/13发动机原理27图a：发动机带动发电机发电，发出的电能和来自蓄电池组的电能共同向车辆提供功率输出。图b：发动机驱动的发电机组向蓄电池组和车辆提供功率输出，同时弥补SOC的衰减。图c：整车功率需求全部由蓄电池供给，车辆为纯电动工作，这时车辆的SOC降低较快。图d：驱动电动机回收车辆部分动能存储到蓄电池组，同时发动机-发电机组的全部功率输出到蓄电池组。并联式混合动力装置在典型的并联式混合动力装置中，发动机以常规模式（传统汽车的工作模式）工作，但只承担部分车辆驱动行驶功率。2024/10/13汽车发动机原理28典型的并联式混合动力装置工作模式有以下几种：B—车载电池组E—内燃机F—燃油箱G—发电机M—电动机P—功率转换器T—变速箱：机械连接：电缆连接：功率流2024/10/13发动机原理29图a：车辆起动、轻载行驶时，发动机关闭，车辆由电动机单独驱动。图b：车辆正常行驶时由发动机单独驱动，加速、爬坡时，电动机和发动机同时工作。图c：车辆在减速/制动工况，当车载蓄电池组电量偏低时，电动机回收车辆部分动能以向蓄电池组充电。图d：典型并联式混合动力系统在电池组SOC过低时，不能利用发动机对其随车充电，只能采用外界电源补充充电。混联式混合动力装置兼有串联式和并联式混合动力装置的特点，控制方式一般可分为两种，一种是发动机主动型，另一种是电力主动型。2024/10/13汽车发动机原理30丰田混合动力电动汽车Prius工作模式B—车载电池组E—内燃机F—燃油箱G—发电机M—电动机P—功率转换器DT—双轴输入变速箱：机械连接：电缆连接：功率流2024/10/13汽车发动机原理31图a：发动机处于关闭状态，而由电动机单独驱动车辆。图b、c：发动机和电动机一起工作，共同提供车辆所需功率。图d：车辆在减速/制动工况，当车载蓄电池组电量偏低时，电动机回收车辆部分动能以向蓄电池组充电。图e：发动机一部分功率用于驱动车辆，另一部分功率用于给蓄电池组充电。图f：发动机在蓄电池电量较低时通过发电机为蓄电池组充电。2024/10/13发动机原理32三、混合动力装置特性比较串联式混合动力装置特性延长了续航里程较高的燃油经济性和低的排放良好的操作性和加速动力性串联式混合动力装置控制相对简单对于频繁起步加速的城市车辆来说有着较大的发展空间系统需要至少两个电机，成本较高2024/10/13汽车发动机原理33并联式混合动力装置特性比串联式混合动力装置的三个动力总成的功率、质量和体积要小得多发动机功率可以选择较小电动机质量和体积较小，配套的电池组的容量也较小，整车的整备质量得到控制机电耦合装置控制以及能量的分配控制较为复杂2024/10/13汽车发动机原理34混联式混合动力装置特性可以使其节能最佳，有害气体的排放达到最低能量转换中的综合效率要比内燃机汽车高发动机功率可以选择较小，燃油经济性比串联式混合动力装置要高混联式混合动力系统较为复杂，控制难度较高2024/10/13汽车发动机原理35燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。由于其转换过程不经过燃烧，不受“卡若循环”的限制，转换效率可高达60%～70%，实际热效率是内燃机的2倍左右。转换效率高是燃料电池的主要特点之一。一、燃料电池的基本原理燃料电池的基本结构主要由四部分组成：阳极阴极电解质外部电路第四节燃料电池汽车动力装置2024/10/13汽车发动机原理36燃料电池工作过程中化学方程式：阳极反应：阴极反应：与此同时，电子在外电路的连接下定向流动形成电流，通过适当处理，可以向负载输出电能。2024/10/13汽车发动机原理37燃料电池基本原理示意图2024/10/13汽车发动机原理38二、燃料电池的分类燃料电池的种类很多，根据所使用的电解质类型的不同，可以把目前正在开发的商用燃料电池分为以下五类：碱性燃料电池（AlkalineFuelCell,AFC）磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell,PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell,MCFC）固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell,SOFC）质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）2024/10/13汽车发动机原理39类型电解质导电离子工作温度燃料氧化剂碱性燃料电池KOH-H2OOH－80℃纯氢纯氧质子交换膜燃料电池含氟质子交换膜H+80～100℃氢气、重整氢空气磷酸燃料电池H3PO4H+200℃重整气空气熔融碳酸盐燃料电池Na2CO3CO32－650℃净化煤气、天然气、重整气空气固体氧化物燃料电池ZrO2-Y2O3O2－1000℃净化煤气、天然气空气五种类型燃料电池对比表2024/10/13汽车发动机原理40三、质子交换膜燃料电池质子交换摸燃料电池单体主要由膜电极（阳极和阴极、质子交换膜）和集流板组成。燃料电池基本原理示意图2024/10/13汽车发动机原理41质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)一种厚度为50～180的薄膜片；电解质和电极活性物质(催化剂)的基底一种选择透过性膜，只允许H+离子（质子）透过，不允许H2分子和其他离子透过2024/10/13汽车发动机原理42PEM的材料，应当满足以下条件:良好的离子导电性材料的分子量充分大水分子在膜中的电渗作用小，H+在其间的迁移速度高水分子在平行离子交换膜表面的方向上有足够大的扩散速度气体(尤其是氢气和氧气)在膜中的渗透性尽可能小膜的水合/脱水可逆性好，不易膨胀膜应对氧化、还原和水解具有稳定性足够高的机械强度和结构强度膜的表面性质适合于与催化剂结合2024/10/13汽车发动机原理43催化剂为了加快电化学反应的速度，气体扩散电极上都含有一定量的催化剂。电极催化剂包括阴极催化剂和阳极催化剂两类。目前，PEMFC主要采用铂作为PEMFC的催化剂，它对于两个电极反应均具有催化活性，而且可长期工作。主要研究方向：提高铂的利用率，降低其用量寻找新的价格较低的非贵重金属催化剂2024/10/13汽车发动机原理44膜电极和集流板膜电极膜电极(MembraneE1ectrodeAssembly，MEA)为PEMFC的心脏，它由质子交换膜和其两侧的多孔气体扩散电极（阳极和阴极）复合而成。膜电极结构示意图2024/10/13汽车发动机原理45影响膜电极性能的因素电极材料制备工艺、方法电池工作环境电极结构碳载体类型导电网类型聚四氟乙烯含量全氟磺酸含量极板类型2024/10/13汽车发动机原理46集流板集流板放置在膜电极的两侧，有阳性集流板和隐性集流板，所以又称双极性集流板，简称双极板和集流板。集流板的主要作用除了导电外，还包括导流燃料、氧气以及冷却液。形式：石磨集流板金属集流板复合型集流板2024/10/13汽车发动机原理47质子交换膜燃料电池的工作特性燃料电池的效率在理论上可以达到83%实际效率在50%～70%之间对工作环境的要求比较苛刻必须在较高的压力下工作温度升高，燃料电池的功率增大为保证质子交换膜处于适当的湿润条件，一般工作温度不超过80℃CO的含量对燃料电池性能的影响非常大水管理系统和热管理系统非常重要2024/10/13汽