新能源电动汽车技术

新能源电动汽车技术电动汽车是以电池为动力源，全部或部分由电机驱动，集中了机、电、化等各学科领域的高新科技，是汽车、电力拖动、功率电子、自动化控制、化学能源、计算机、新能源、新材料等工程技术中最新成果的集成产物。发展电动汽车的关键技术包括整车技术、电池技术、驱动电机及其控制技术、整车控制技术、电动车充电技术和燃料电池技术。按照目前技术状态和车辆驱动原理，电动汽车分为混合动力电动汽车（HEV）、纯电动汽车（PEV）和燃料电池电动汽车(FCEV)三种类型。 纯电动汽车 插电式混合动力电动汽车电动汽车 混合动力电动汽车非插电式混合动力电动汽车 燃料电池电动汽车电动汽车的基本结构与工作原理电动汽车的基本结构：电子驱动系统由电子控制器、功率转换器、电机、机械传动装置和驱动车轮组成；能源子系统由主电源、能量管理系统和充电系统构成；辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。电动汽车工作过程：根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时功率流的方向是反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电机一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级的电压并提供必要的动力，他主要给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。电动汽车主要部件：1.电力驱动系统：1）作用：电力驱动系统是电动汽车的心脏部分，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。其主要任务是在驾驶员的控制下，高效的将蓄电池的能量转化成为车轮的动能，或者制动时将车轮的动能反馈到蓄电池中。2）组成：纯电动汽车驱动系统主要由中央电子控制器、驱动电动机、电动机逆变器、各种传感器（加速踏板位置传感器、制动踏板开关、转向盘转角传感器等）、机械传动装置（变速器和差速器）和车轮等组成。

3）工作原理：电力驱动控制系统以驾驶人的操作（主要是以加速踏板位置的操作）为输入，经过驱动系统电子控制器的变换后，输出转矩给定值提供给电动机逆变器，电动机逆变器控制驱动电动机的输出转矩，从而使电动汽车以驾驶人预期的状态行驶。当电子控制器同时收到制动和加速信号，则以制动信号优先。其中，最关键的是电动机逆变器，电动机逆变器的主要功能是调节动力电动机和动力电池之间的电流频率和幅值，使其达到匹配，将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机，将电能转换成机械能，电动机输出的转矩经传动系统驱动车轮，使电动汽车行驶。2.电源：电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化成机械能。目前制约电动汽车快速发展的关键因素是动力蓄电池技术。应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但其能量低，充电速度慢，寿命短等缺点逐渐被新型蓄电池所代替。正在发展的电源有钠硫电池、镍镉电池、锂电池、燃料电池等。燃料电池：单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车上的，它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统及能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统，简称燃料电池系统。燃料电池的结构：燃料电池系统主要由燃料电池组、辅助装置和关键设备组成。其中辅助装置和关键设备主要包括：燃料和燃料存储器（包括碳氢化合物转化的重整器）、氧化剂和氧化剂存储器、供给管道系统和调节系统（包括气体输送泵、热交换器、气体分离和净化装置）、水和热管理系统。燃料电池的分类：离子膜氢氧燃料电池：用阳离子交换膜作电解质的酸性燃料电池,现代采用全氟磺酸膜。电池放电时,在氧电极处生成水，通过灯芯将水吸出。这种电池在常温下工作、结构紧凑、重量轻,但离子交换膜内阻较大,放电电流密度小。培根型燃料电池：属碱性电池。氢、氧电极都是双层多孔镍电极(内外层孔径不同)，加铂作催化剂。电解质为80%～85%的苛性钾溶液，室温下是固体，在电池工作温度(204～260°C)下为液体。这种电池能量利用率较高，但自耗电大，起动和停机需较长的时间（起动需24小时，停机17小时）。燃料电池的分类：

石棉膜燃料电池：也属碱性电池。氢电极由多孔镍片加铂、钯催化剂制成，氧电极是多孔银极片，两电极夹有含35%苛性钾溶液的石棉膜，再以有槽镍片紧压在两极板上作为集流器,构成气室,封装成单体电池。放电时在氢电极一边生成水,可以用循环氢的办法排出,亦可用静态排水法。这种电池的起动时间仅15分钟，并可瞬时停机。燃料电池的工作原理：燃料电池更类似于汽油或柴油发动机，它的燃料（主要是氢气）氧化剂（纯氧气或空气）不是存储在电池内部，而是在电池外的储存罐中，当电池发电时，需连续不断的向电池内部输送燃料和氧化剂，并排出反应产物水。确切的说，燃料电池是一个氢氧发电装置，它最大的特点是反应过程不涉及燃烧，能量转换效率高达80%以上，并无污染物产生。燃料电池电化学反应原理负极：H2+

2OH-

→

2H2O+

2e-正极：1/2O2

+

H2O

+

2e-

→

2OH-电池反应：H2

+

1/2O2==

H2O燃料电池与蓄电池相比有以下优缺点：（1）洁净、安全。排放基本达到零，属于“超低污染”。（2）节能、转换效率高。（3）多燃料系统。（4）运行功率高。（5）无振动和噪声且寿命长。（6）结构简单、运行平稳。（7）燃料种类单一。（8）要求高质量的密封。（9）价格高。（10）需要配备辅助电池系统。3.驱动电动机：驱动电动机的作用是将电源的电能转化成机械能，通过传动装置或直接驱动车轮工作的装置。由于蓄电池提供的是直流电源，因此直流电动机最早被电动汽车所应用。但直流电动机由于存在换向火花，功率小，效率低，维修保养工作量大的缺点，逐渐被交流感应电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。驱动电机基本类型目前电动汽车用电动机主要有直流电动机（DCM）、开关磁阻电动机（SRM）、感应电动机（IM）、永磁无刷电动机（PMBLM）4类。电动汽车的驱动形式电动汽车的驱动系统布置取决于电机驱动系统的形式，常见的驱动系统布置形式有：1.传统驱动模式：2.电机—驱动桥组合式驱动模式：3.电动机—驱动桥整体式驱动模式：4.轮毂电机驱动模式：1.传统驱动模式：

与传统汽车驱动系统的布置方式一致，带有变速器和离合器，只是将发动机换成电机，属于改造型电动汽车。这种布置可以提高电动汽车的起动转矩，增加低速时电动汽车的后备功率。这种驱动系统布置形式有电动机前置-驱动桥前置（F-F）、电动机前置-驱动桥后置（F-R）等驱动模式。但是，这种驱动系统布置形式结构复杂、效率低，不能充分发挥驱动电动机的性能。

2.电机—驱动桥组合式驱动模式：

这种模式的优点是可以继续沿用燃油发动机汽车中的动力传动装置，只需要一组电机和逆变器。这种方式对电机的要求较高，不仅要求电机具有较高的起动转矩，还要求其具有较大的后备功率，以保证电动汽车的起动、爬坡、加速和超车等动力性。3.电动机—驱动桥整体式驱动模式：

将电机装到驱动轴上，直接由电机实现变速和差速转换。这种传动方式同样对电机有较高的要求，要求其有大起动转矩和后备功率，同时还要求控制系统有较高的控制精度和可靠性。

4.轮毂电机驱动模式：

这种电动机直接驱动车轮的形式，要求电动机具有较高的起动转矩，较大的后备功率，丰田公司研发的轮毂电机实物图。

4.再生制动系统电动汽车的再生制动，就是利用电机的电气制动产生反向力矩使车辆减速或停车。对于感应电机来说，电气制动有反接制动、直流制动和再生制动等。其中，能实现将刹车过程中能量回收的只有再生制动，其本质是电机转子的转动频率超过电机的电源频率，电机工作于发电状态，将机械能转化为电能通过逆变器的反向续流二极管给电池充电。1.再生制动系统的结构与传统汽车的制动系统相比，电动汽车具有再生制动系统。通常，再生制动系统是在传统液压制动系统的基础上增加了蓄电池、电机、扭矩合成器、再生制动控制器、电机控制器等，同时在每个车轮上还分别安装了轮速传感器以测量车轮转速。典型再生制动系统示意图2.再生制动系统的工作过程：踩下制动踏板，再生制动控制器与电机控制器协同工作，对电动汽车的再生制动力矩和前后车轮的液压制动力矩进行分配。电动液压泵使制动管路压力升高，产生需要的液压制动力。再生制动时，再生制动控制器控制电机以发电机状态工作，回收制动能量并反馈到蓄电池中，以便在驱动模式工作时蓄电池中的电能通过电机控制器供应给电机。ABS调节机构有两个高压蓄能器和两个低压蓄能器，其中高压蓄能器在保压模式下蓄存由液压泵输送的高压制动液，低压蓄能器主要是为了减小在增减压工作模式切换时产生的压力波动，这种波动现象在车轮发生抱死现象时尤为明显。电动汽车的使用与维护保养电动汽车的使用及注意事项：电动汽车的合理使用方法：（1）正确掌握充电时间：（2）保护好充电器（3）定期深放电（4）避免充电时插头发热（5）严禁存放时亏电（6）避免大电流放电（7）电动汽车的正确清洗电动汽车的维护和保养注意事项：维护保养安全坚持“以人为本，安全第一”的原则，确保人身安全与系统安全。电动汽车的安全包括人身安全与系统安全。在制定安全防范措施时，人身安全是优先的。即使发生不可预见的事故、系统崩溃，也要保证人身安全。从系统设计到部件选型、加工工艺、质量检验及维护等都应严格按有关电动汽车的国家标准和国际标准执行。

电动汽车高压操作人员必须具有相应的操作资质，严禁没有操作资质的人员对电动汽车高压系统进行操作。操作人员上岗前必须进行安全操作培训，严格执行安全操作规范。操作人员上岗不得佩戴金属饰物，如手表、戒指等，工作服衣袋内不得有金属物件。操作人员不得把与工作无关的工具带入工作场地，必须使用的金属工具，手持部分应作绝缘处理。每次通高压电源之前，操作人员应检查各高压电器周边有无杂物，并通知无关人员远离上述部件，合闸时要有高声提示。人员要求：维护要求：

拆卸检修高压电器部件时应切断高压回路。车辆长时间停放时，应每周检查一次动力电池状态，防止电池漏电、损坏。整车维护与保养：电动汽车使用过程中，为确保汽车正常行驶，必须对汽车进行日常维护，日常维护是发挥汽车效率、减少行车事故、节约维修费用、降低能耗和延长汽车使用寿命的重要环节，是每个驾驶人在开车前及行车中必须做到的，其主要内容包括：检查转向、制动、悬架、传动等主要部件的紧固情况。检查真空管道有无漏气现象。检查驱动桥主减速器、转向机构、真空泵等有无渗漏油现象。检查轮胎气压是否合乎标准，剔除嵌入轮胎花纹的渣石、铁钉等杂物。按润滑表规定，按时按量对各润滑点进行润滑。关键零部件的维护和保养1.动力电池系统的检查：2.驱动电机的检查：3.其他高压系统的检查：4.电气线束的检查：5.动力转向系统的检查：6.制动系统检查第六部分：其他新能源汽车气体燃料汽车

气体燃料汽车一般有两种，一种为普通汽车改装的双燃料汽车，另一种是专用气体燃料汽车。其中双燃料汽车保留汽油、柴油的供油系统，外加一套供气系统，技术较为成熟；专用气体燃料汽车可以充分发挥天然气理化性能特点，价格低，污染少，是最清洁的汽车。气体燃料汽车的主要技术：（1）燃料的随车携储容器（铝基复合材料或碳素纤维玻璃钢材料）、储运、加气站的设备与技术（2）燃料供给系统与混合燃烧技术（3）燃气喷射系统及闭环控制技术（4）内燃机上广泛采用的控喷射技术、增压中冷技术、四气门技术、稀薄燃烧技术等。天然气汽车（CNG）天然气汽车是指以天然气作为燃料的汽车。按照所使用天然气燃料状态的不同，天然气汽车可以分为压缩天然气汽车和液化天然气汽车。压缩天然气汽车（CNG）CNG（CompressedNaturalGas）汽车是指以压缩天然气替代常规汽油或柴油作为汽车燃料的汽车。其能量效率与柴油发动机相比较低，但是污染值部分相对地在粒状污染物部分是完全不存在的，且在氮氧化物的排放上，亦比柴油车低。CNG汽车采用定型汽车改装，在保留原车供油系统的情况下增加一套“车用压缩天然气转换装置”，改装部分由以下天然气系统、燃气供给系统、油气燃料转换系统组成。天然气汽车的结构：（1）天然气系统：主要由充气阀，高压截止阀，天然气钢瓶，高压管线，高压接头，压力表，压力传感器及气量显示器等组成。（2）燃气供给系统：主要由燃气高压电磁阀，三级组合式的减压阀，混合器等组成。（3）油气燃料转换系统：主要由三位油气转换开关，点火时间转换器，汽油电磁阀组成。

天然气汽车结构国内外已投入市场的天然气汽车有梅赛德斯—奔驰B170NGT新爱丽舍天然气双燃料汽车天然气汽车优缺点：1）燃烧稳定，不会产生爆震，并且冷热起动方便。2）压缩天然气储运，减压，燃烧都在严格的密封状态下进行，不易发生泄露。另外其储气瓶经过各种特殊的破坏性试验，安全可靠。3）压缩天然气燃烧安全，积碳少，减少气阻和爆震，有利于延长发动机各部件的使用寿命，减少维修保养次数，大幅度降低维修保养成本。4）可减少发动机的机油消耗量。5）可大幅度降低，一氧化碳，二氧化硫，二氧化碳等的排放。6）CNG汽车的动力性略有降低.燃用天然气时，动力性略下降5-15%。7）改装一次性投资较大，随着日后技术的不断进步，费用会继续降低。天然气汽车经济驾驶技巧：起步时轻踩油门，循序加速起步。减少刹车频率，保持车距。保持车速，限高限超。四平八稳，规范行驶。加强自检，及时维保。液化石油气汽车(LPG)液化石油气汽车[Liquefiedpetroleumgas(LPG)vehicles]，以液化石油气为燃料的汽车称为液化石油气汽车。液化石油气汽车和天然气汽车结构类似，增加一套燃气供给系统。液化石油气双燃料动力车的改装步骤：选择气罐安装气罐安装电磁阀安装调节器安装仪表板燃料切换/量表LPG汽车日常维护维护：

驾驶员应在出车前、行车中和收车后对车辆进行日常维护,以清洁、补给和安全检视为作业中心内容,并重点观查LPG专用装置有无泄漏和异常情况。燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽车。燃料电池车的优势1.能量转化效率高。燃料电池的能量转换效率可高达60～80%，为内燃机的2～3倍；2．零排放，不污染环境。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水；3．氢燃料来源广泛，可以从可再生能源获得，不依赖石油燃料。燃料电池电动汽车的分类燃料电池电动汽车按主要燃料种类可分为以纯氢气为燃料的FCEV和经过重整后产生的氢气为燃料的FCEV两种。燃料电池电动汽车按“多电源”的配置不同，可分为纯燃料电池驱动（PFC）的FCEV、燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV、燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV、燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV四种。燃料电池汽车的结构组成：燃料电池汽车多采用混合驱动形式，在燃料电池的基础上，增加了一组电池或超级电容作为另一个动力源。主要结构有能量控制单元、空气压缩机、燃料电池堆、高压储氢瓶、动力电池组、电动机等。高压储氢瓶提供燃料，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。主要动力源。动力蓄电池组：辅助动力源。电流变换器：交直流变换。动力总成：传递动力、换档。氢气系统：提供氢气。动力控制单元：动力控制、故障诊断。1.燃料电池发动机在FCEV所采用的燃料电池发动机中，为保证PEMFC组的正常工作，除以PEMFC组为核心外，还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换系统等。以氢为燃料的燃料电池发动机系统示意图2.辅助动力源1）在FCEV起动时，由辅助动力源提供电能带动燃料电池发动机起动，或带动车辆起步。2）车辆行驶时，由燃料电池发动机提供驱动所需全部电能，剩余的电能储存到辅助动力源装置中。3）在加速和爬坡时，若燃料电池发动机提供的电能还不足以满足FCEV驱动功率要求，则由辅助动力源提供额外的电能，使驱动电动机的功率或转矩达到最大，形成燃料电池发动机与辅助动力源同时供电的双电源的供电模式。4）贮存制动时反馈的电能，以及向车辆的各种电子、电器设备提供所需要的电能。3.DC/DC变换器当输入直流电压在一定范围内变化时，能输出负载要求的变化范围的直流电压，例如，输入电压最低时也能达到最高输出电压，输入电压最高时也能达到最低输出电压等。输出负载要求的直流电流（范围）：能够输出足够的直流负载电流，并且能够允许在足够宽的负载变化范围的情况下（例如，从空载到满载，即电流从零到最大)，设备能正常运行（例如，电压稳定、不损坏器件）。4.驱动电机1）直流电机驱动系统采用换向器和电刷，保证了励磁磁动势与电枢磁动势的严格正交，易于控制。但直流电机结构复杂，其高速性能和可靠性受换向器和电刷的影响较大。2）交流电机坚固耐用、结构简单、技术成熟、免维护、成本低，尤其适合恶劣的工作环境。其缺点在于损耗大、效率低、功率因数低，进而导致控制器容量增加，成本上升。3）永磁电机驱动系统通常可分为方波供电的无刷直流电机和正弦波供电的永磁同步电机。转子采用永磁体，不需要励磁。因此，功率因数大，电机具有较高的功率密度和效率。但仍然存在成本高、可靠性较低及使用寿命较短的缺点。4）开关磁阻电机驱动系统作为一种基于“磁阻最小原理”设计的新型电机，定子、转子均采用凸极结构，具有结构简单、可靠性高、控制简便及功率/转矩特性优越的特点。但存在噪声大、转矩和母线电流脉动严重的缺陷。5.电控系