《汽车发动机原理（第5版）》 练习题及其答案 第9章

第九章练习题电动汽车相对内燃机汽车有什么优势？新型汽车动力装置兴起的原因是什么？目前世界上的电动汽车与一百年之前有什么不同？简述广义电动汽车的基本类型及相应结构特点？纯电动汽车动力装置包含哪几部分？功率传递路线是什么？汽车电池常用的评价指标有哪些？驱动电机的转矩功率具备什么样的特性？使用其作为汽车动力装置有什么优势？目前应用最广泛的电机类型是什么？选择这种电机作为驱动电机有什么优势。按驱动结构分混合动力汽车都有什么形式？串联式混合动力汽车动力装置的工作模式有哪些？串联式混合动力汽车动力装置具备什么样的特性？混联式混合动力汽车性能优缺点是什么？燃料电池汽车性能优势是什么？写出燃料电池汽车电池的化学反应方程式。燃料电池基本原理是什么？什么方式可以提高燃料电池的工作效率？根据电解质类型的不同，可将燃料电池进行怎样的分类？质子交换膜燃料电池的工作原理是什么？质子交换膜燃料电池的工作特性是什么？写出燃料电池汽车动力装置的组成部分，并阐述其能量传递路线。使用空气作为燃料电池氧化剂有什么优势？水/热管理系统对于PEMFC系统的正常工作具有什么意义？第九章练习题答案电动汽车相对内燃机汽车有什么优势？答：电动汽车的转矩响应迅速、加速快，比内燃机汽车高出2个数量级，电机可分散配置，通过线控技术直接控制车轮转速，易实现四轮独立驱动和四轮转向，提高了系统的道路适应性。新型汽车动力装置兴起的原因是什么？目前世界上的电动汽车与一百年之前有什么不同？答：随着汽车保有量的急速攀升，石油能源的日渐紧张和环境污染的日益严重，内燃机作为汽车主要动力已经不能解决这种越来越严重的矛盾。能够满足社会与自然和环境协调发展要求的新型汽车动力装置成为人们研究的重点。相比一百年前的电动汽车，现代电动汽车驱动电机性能更优秀，控制系统更复杂，续航里程更能满足人们日常的需求。简述广义电动汽车的基本类型及相应结构特点？答：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)。纯电动汽车只使用动力电池作为汽车能量来源。混合动力至少使用两种动力来源作为能量源，通常情况下其中一种为电力驱动。燃料电池汽车为使用燃料电池作为为动力来源的汽车。纯电动汽车动力装置包含哪几部分？功率传递路线是什么？答：纯电动汽车动力装置主要包括：动力电池、高压线路、驱动电机、传动减速结构和车轮。功率传递方向为动力电池到驱动电机到驱动轮。汽车电池常用的评价指标有哪些？答:电池容量、电池能量、能量密度、循环使用寿命、电池功率。驱动电机的转矩功率具备什么样的特性？使用其作为汽车动力装置有什么优势？答：电机驱动过程中功率输出可以分为恒转矩区和恒功率区两部分。恒转矩区电机输出恒定转矩，汽车起步加速过程中能迅速爆发出巨大的加速度；恒功率加速过程中电机输出恒定功率，随着转速的上升转矩逐渐下降。电机的这种特性有利于汽车加速性能，较宽的高转矩区能减少汽车换挡次数。目前应用最广泛的电机类型是什么？选择这种电机作为驱动电机有什么优势。答：目前应用最广泛的电机为永磁同步电机。恒转矩区比较长，一直延伸到电机最高转速的50%处左右，这对提高汽车的低速动力性能有很大帮助；电机最高转速较高，能达到10000r/min以上。永磁同步电机功率密度高、调速性能好，在宽转速范围内运行效率高(90%～95%)，比永磁无刷直流电机有更加优越的性能，是理想的电动汽车驱动电机之一。按驱动结构分混合动力汽车都有什么形式？答：串联式混合动力装置、并联式混合动力装置、混联式混合动力装置。串联式混合动力汽车动力装置的工作模式有哪些？答：1）车辆起步、加速行驶，以及高速和爬坡行驶工况时，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。2）车辆正常行驶（中等功率需求）以及车辆滑行工况时，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。3）车辆行驶于对排放要求较高的路段时，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。4）车辆在减速/制动工况，当车载蓄电池组电量偏低时，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。串联式混合动力汽车动力装置具备什么样的特性？答：1）发动机－发电机组所发出的电能向电池组充电，用于补充电池组的电量损耗，大大延长了续航里程。2）串联式混合动力装置的发动机并不跟随外界工况而大范围波动，能够保持在稳定、高效和低排放的经济区工作，可以获得较高的燃油经济性和低的排放。3）串联式混合动力装置采用电动机直驱的动力驱动方式，实现了车辆的无级变速，具有良好的操作性和加速动力性。4）两大原动力没有机械联结，一方面使其在车辆的布置上有较大自由度，另一方面免去了二者的动力合成，这也是其他形式的混合动力系统的一大难点，从而使得串联式混合动力装置控制相对简单。5）串联式混合动力装置依靠电动机驱动，可以以电池组为主动力源，使其在城市中实现“零污染”状态的行驶。这对于在工况比较复杂的城市道路下有频繁起步加速的城市车辆来说有着较大的发展空间。6）串联式混合动力的能量通过发动机带动发电机发电，然后供给驱动电机或向电池充电，能量传递路径较长，中间损失环节较多，在汽车中、高速巡航工况下系统能效较低，并且系统需要至少两个电机，成本较高。混联式混合动力汽车性能优缺点是什么？答：优点：1）能选择的工作模式比较多，更能适应复杂的汽车行驶条件；2）高速行驶时选择串联式驱动系统，减少机械损失；3)需要较大驱动力时，选用并联式动力系统结构，提升整车输出功率；4）发动机处于优秀的运行工况下，具备良好的燃油经济性。缺点：机械结构复杂，控系统复杂；整车使用两种动力装置，成本较高。燃料电池汽车性能优势是什么？答: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。写出燃料电池汽车电池的化学反应方程式。答：阳极反应：阴极反应燃料电池基本原理是什么？什么方式可以提高燃料电池的工作效率？答：通过电化学反应将燃料电池的化学能不经过燃烧直接转换为电能。这种能量转换是通过氧化还原反应来完成的。氢氧燃料电池装置可以说是水电解的一个“逆”装置。氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。根据电解质类型的不同，可将燃料电池进行怎样的分类？答：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）质子交换膜燃料电池的工作原理是什么？答：PEMFC工作时，经加湿的H2和O2分别进入阳极室和阴极室，经电极扩散层到达催化层和质子交换膜的界面，分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应。阳极反应生成的质子（H+）通过质子交换膜传导到达阴极，阳极反应产生的电子通过外电路到达阴极。产生的水以水蒸气或冷凝水的形式随过剩的阴极反应气体从阴极室排出。质子交换膜燃料电池的工作特性是什么？答：1）效率在50%～70%之间；2）压力越高，PEMFC的性能约好；PEMFC在工作时，随着温度的升高，电池内阻减小，在相同电流密度条件下，工作电压随之增大，即燃料电池的功率增大；燃料气体中CO的含量对燃料电池性能的影响非常大PEMFC中水管理系统和热管理系统非常重要写出燃料电池汽车动力装置的组成部分，并阐述其能量传递路线。答：燃料电池与蓄电池混合驱动型动力系统主要由整车控制器、燃料电池、燃料电池控制器、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、电动机/发电机、电机控制器、蓄电池、电池管理系统等组成。能量传递线路为：燃料电池、DC/DC,电机控制器或者蓄电池最后到电机。使用空气作为燃料电池氧化剂有什么优势？答：空气比较容易获得，基本没有价格要求，对于整车结构要求小，不需要使用耐高压设备进行存储，直接就可以使用。水/热管理系统对于PEMFC系统的正常工作具有什么意义？答：在多数PEMFC系统中，反应产物水被用于系统的冷却和部分用来加湿燃料气和氧化剂。产物水首先通过燃料电池堆的反应区冷却电堆本身