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随着世界经济的快速发展，能源与环境已经成为人类发展和生存的重大问题。内燃机汽车使用的燃料均为一次性能源，开发使用后便不可再生。随着全球能源消耗的增加，地球的矿物能源已面临枯竭。环境问题也日益突出，在世界各地的大、中城市，大气污染物中约4070来自内燃机汽车的尾气排放。我国汽车排放造成的大气污染问题也十分严重。世界银行一个专家组的调查报告中指出：中国大城市的污染状况目前是全世界最为严重的，全世界空气污染最严重的20个城市中，有10个在中国。而中国华北、华东的大城市调查中，大气污染的70来自于汽车的尾气排放。电动汽车依靠电能驱动车辆，而电能在驱动汽车行驶过程中基本不排放有害气体，对环境不会造成污染基于这些原因，电动汽车就成为解决能源与环境问题的一个选择。电动汽车与普通燃油汽车的区别主要体现在以下三个方面：控制系统 驱动系统 电池组电动汽车控制系统的基本功能就是实现对驱动电机的控制，对于不同的电机，控制系统的结构也有所不同。 电机控制系统的分类及原理： 直流电机控制系统直流电机控制系统主要由斩波器和中央控制器构成，其原理如图所示： 交流异步电机控制系统交流异步电机控制系统主要由逆变器和中央控制器等部分组成，其原理如下图所示：永磁无刷电机控制器永磁无刷电机控制器与交流异步电机的控制器在结构上有一些相似，但在控制方式、策略及输出波形都有较大的差别。其结构如下图所示： 驱动系统是电动汽车的心脏，它主要由电动机和减速器构成，其主要功能是使电能转变为机械能，并将能量传递到车轮使车辆行驶。目前，电动汽车常用的驱动电机有：交流异步电动机，永磁无刷电机，直流永磁有刷电机，直流它励电机，直流串励电机，开关磁阻电机等。目前比较流行的电机有：交流异步电动机、永磁无刷电动机和直流永磁有刷电动机。 四种电驱动系统的综合性能比较 电机类型优点缺点直流电机驱动系统 调速简单，调速性能优异控制器功率开关器件少 调速系统不需要转速或位置传感器 采用永磁结构，节省励磁功率，提高电机效率。 运行时电刷和换向器之间的摩擦会产生磨损和火花，需要定期维护。 最高转速比较低，体积大，重量重，价格贵永磁无刷直流电机驱动系统 无刷结构，效率高 运行于高速，免维护 调速控制较异步电机简单 运行时电机温度高到一定程度会导致永磁体退磁现象。 需要转子位置传感器 弱磁调速比较困难异步电机驱动系统 适合于高速运行，免维护 控制复杂，控制器价格高，需要速度传感器开关磁阻电机驱动系统 结构简单，适合于高速运行 调速控制容易 电磁噪声 转矩脉动 电动汽车电驱动系统的研究方向 电动汽车对电驱动系统的要求为，高可靠性，高性能，高效率，低成本。目前的研究方向主要在以下几个方面： 电动汽车要求驱动系统尽可能的简洁、可靠，所以目前的交流驱动系统中，无速度传感器、无位置传感器的交流驱动系统是发展方向之一。 最高效率控制在电动汽车上显得特别重要。在异步电机控制中，某个转矩可看成由定子电流的励磁分量和转矩分量产生的，优化这两个分量的组合可使定子电流减小，从而获得最高效率控制。 电机参数的自动测量，控制系统参数的自动整定是高性能控制系统的一个标志。当运行环境发生变化后，系统各种参数会发生变化，从而会偏离最佳运行状态。参数自动辨识、自动整定功能可使控制系统自动调整在最佳状态。 电池组是电动汽车的能源，电池性能的优劣直接影响电动汽车的行驶性能，目前电动汽车广泛应用的电池有：铅酸蓄电池，镍氢蓄电池，镍镉蓄电池等。其中镍氢蓄电池性能最优，但价格昂贵；铅酸蓄电池性能最差，但价格低廉，目前为电动汽车广泛应用。电动车历史1873年英国人Robert Davidson首次在马车的基础上制造出一辆电动三轮车，它由铁锌电池（一次电池）提供电力，由电机驱动。它比内燃机为动力的汽车发明早13年。进入20世纪，电动汽车由于电池技术进步缓慢，在性能、价格等方面都难以与燃油汽车竞争。然而，燃油汽车的发展也带来了一系列的环境问题，60年代末，美国政府就曾公开指出：汽车是公众健康的重大威胁。此后于1966年和1967年，美国通用（GM）、福特（Ford）等汽车公司分别开发了新型电动汽车，电动汽车进入了现代发展时期。90年代，在能源和环境的双重压力下，电动车的研究开发再次进入一个活跃期。新材料、新技术的发展，为电动车的发展注入了新的活力。尽管现今的电动车还存在许多问题，导致电动车的行驶里程还达不到燃油汽车的水平，限制了电动车的使用。进入90年代以来，它还是获得了迅速的发展。美国通用汽车公司于90年代初开发的EV1电动车，如图所示，车身结构采用复合材料制成，32块铅酸电池作为主能源，车体自重1000kg，三相感应电机驱动。EV1的最高时速可达到128km/h，一次充电可以行驶144km，已成为90年代电动车的经典之作。GM公司1996年12月推向市场的EV1电动汽车，车身结构采用复合材料制成，32块铅酸电池作为主能源，车体自重1000kg,三相感应电机驱动。EV1的最高时 速可达到128km/h，从静止加速到96km/h的时间小于9s，一次充电可以行驶144km，目前已成为90年代电动车的经典之作。空气阻力系数0.19； 85%电池电量行驶里程：EPA 城市循环：112km；高速公路行驶：144km； 电池剩余电量为15%时充电时间： 220V/6.6kw充电机约需3小时；110V/1.2kw车载充电机约需15小时Ford公司于1998年以小型卡车Ranger为样车推出的一款铅酸电池电动汽车，其外形尺寸与汽油发动机Ranger相同。080km加速：12.5秒最高车速：120km/h 最大续航里程：131kmRAV4 EV是TOYOTA公司推出的这一款电动汽车是在平衡整车性能和环境效应之间关系的基础上设计的5座城市用舒适型电汽车。Fiat公司于1994年推出该车的样车。车身采用铝合金结构，重量减少40%。该车的设计从概念到实车上路仅用了24个月。Fiat的这一款Cinquecento 同时装有常规内燃机和电动机，是世界首创。 Cinquecento Elettra 是一种零排放四座城市型汽车国家“八五”攻关项目，由学院汽车系电动车组与广东益威电动汽车有限公司及广东粤海汽车改装厂于1995年共同开发。经专家评定，这一款四座电动轻型客车性能优良，行驶安全、舒适，实用性强。国家“八五”攻关项目，十六座轻型电动客车。于1995年由学院汽车系电动车组研制成功。 随着世界经济的快速发展，能源与环境已经成为人类发展和生存的重大问题。内燃机汽车使用的燃料均为一次性能源，开发使用后便不可再生。随着全球能源消耗的增加，地球的矿物能源已面临枯竭。环境问题也日益突出，在世界各地的大、中城市，大气污染物中约4070来自内燃机汽车的尾气排放。 我国汽车排放造成的大气污染问题也十分严重。世界银行一个专家组的调查报告中指出：中国大城市的污染状况目前是全世界最为严重的，全世界空气污染最严重的20个城市中，有10个在中国。而中国华北、华东的大城市调查中，大气污染的70来自于汽车的尾气排放。电动汽车依靠电能驱动车辆，而电能在驱动汽车行驶过程中基本不排放有害气体，对环境不会造成污染。 基于这些原因，电动汽车就成为解决能源与环境问题的一个选择。 电动汽车主要由电池组、控制系统、和驱动系统等组成。其中控制系统与使用的驱动电机的形式有关。常用的驱动电机有：交流异步电机、永磁无刷电机、永磁有刷电机、直流它励电机等。 为什么要发展电动汽车？目前内燃机汽车存在那些不可克服的缺陷？电动汽车关键技术的研究对未来汽车工业的发展具有什么意义？电动汽车控制系统、驱动系统的主要形式及特点。试论述电动汽车三大组成部分及主要特点。你对电动汽车的发展前景如何认识？ 在电动汽车的能源系统中，如蓄电池、超大电容器及储能高速飞轮等，目前还没有一种能源能够使电动汽车的性能完全与燃油汽车相匹敌，其主要原因在于这些能源系统不能提供足够高的比能量和比功率。为了解决这个问题，人们在电动汽车上加入辅助动力单元。这个辅助动力单元实际上是一个动力发电机组或某种原动机。原动机可以是内燃机、燃气轮机等热机。这就构成了目前所说的混合动力电动汽车。混合动力电动汽车按其能量耦合方式的不同可分为：串联、并联和混联三种方式。  混和动力车发展背景 经济与社会的发展对汽车工业提出了高标准的要求。这些要求中最重要的部分可以分为三类，美国政府在1993年提出“新一代汽车合作计划”，其中的目标之一是“开发一种燃油经济性三倍于现有车辆的中型轿车，即每加仑燃油行驶80英里（折合3L/100km）。”从目前的研究来看，混合动力汽车是实现上述指标的主要途径。最近几年，美、日、欧等国家和地区的政府部门、研究机构纷纷将其研究重点转到更具实用性与发展前途的混合动力电动汽车上来。混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle，简称HEV）是将电力驱动与辅助动力驱动结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生的优势的车辆。辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机或动力发电机组。  混和动力车工作原理 混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成。以串联混合动力电动汽车为例，介绍一下混合动力电动汽车的工作原理。在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作；电池电量低于60时，辅助动力系统起动：当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量当车辆能量需求较小时，辅助动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善整车能量控制系统能量管理系统采取层级式控制：最上层为整车能量管理系统，统一协调和控制各个低端控制器；中间一层包括五个低端控制器，即发动机控制器、发电机控制器、电动机控制器、离合器及制动器控制器和电池能量管理系统（BMS）等；最下层为各个执行器，即发动机、电机、离合器等部件。  混和动力车家族EV1串联式混和动力汽车使用重整汽油作为燃料，燃油经济性指标达到21.1km/L,其排放已经降低到1/10 ULEV的水平 EV1并联式混和动力车使用柴油机作为辅助动力，其燃油经济性指标为28.2km/L,排放指标达到Tier 2标准。TOYOTA公司推出的这一款串联式混和动力汽车是以1.5升汽油发动机为辅助动力系统的大型客车，有25个座位。其有关参数如下：TOYOTA公司的Prius混和动力汽车为五座双开门，使用无铅汽油作为燃料的EFI发动机的前驱动轿车。 目前在电动汽车的能源系统中，如蓄电池、超级电容器及储能高速飞轮等，还没有一种能源能够使电动汽车的性能完全与燃油汽车相匹敌，其主要原因在于这些能源系统不能提供足够高的比能量和比功率。为了解决这个问题，人们在电动汽车上加入辅助动力单元。这个辅助动力单元实际上是一个动力发电机组或某种原动机。原动机可以是内燃机、 燃气轮机等热机。这就构成了目前所说的混合动力电动汽车。混合动力电动汽车按其能量耦合方式的不同可分为：串联、并联和混联三种方式。混合电动汽车（Hybrid Electric Vehicle，简称HEV）是将电力驱动与辅助动力驱动结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生的优势的车辆。 试论述混合动力车各种工况下的能量流情况。 比较串联、并联及混联式混和动力车的结构及动力特点。利用氢和氧在燃料电池中的反应发电的想法在160多年前就有了，直到现在人们还在千方百计实现它。1839年英国人威廉，罗伯特，格鲁夫爵士就已发现氢和氧的逆电解反应，这就是燃料电池的基本原理。物理学家认为燃料电池的发明可与德国人尼古拉斯.奥古斯特.奥托发明的四冲程发动机相媲美。燃料电池拥有其他动力系统没有的独特优点：产生电能的过程不生产任何污染物，而且氢作为一种能源，尽管是以水这样的化合物存在，但是取之不尽。这对于节约矿物资源并减少二氧化碳排放十分重要。将燃料电池作为辅助动力系统用于电动汽车，这就是燃料电池电动汽车。由于燃料电池产生的是电能，这就决定了它与电动汽车能量系统的耦合方式多为串联方式。燃料电池 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。它平时将燃料（如氢气、甲醇等）和氧化剂（如氧气）分别作为电池两极的活性物质保存在电池的本体之外，当使用时连续通入电池体内，使电池发电。燃料电池本体由质子交换膜，膜电极，集流板三部分组成。燃料电池实质上是电化学反应发生器，它的燃料主要是氢气。 反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。电化反应步骤为：经增湿后的氢气和氧气分别进入阳极室和阴极室，经气体电极扩散层扩散，到达催化层与质子交换膜的界面，分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应。氢气的来源可以是已制备好的氢气，也可以是由甲醇或汽油等经过重整而随车制备，氧气来源于大气。燃料电池输出的是直流电，输出的电压可以随电流的变化而改变。 阳极的催化剂将氢分子电离，生成氢离子(H)，氢离子透过质子交换膜到达阴极，与氧分子结合，生成水；同时，阳极反应生成的电子，通过外部负载形成电流，到达阴极。 其反应机理可以用方程式来表示： 阳极：阴极： 电池总反应： 燃料电池特点燃料电池是一种能量转化装置，与车用内燃机相比较,主要具有以下优点: 效率高燃料电池的化学反应将化学能直接转化为电能，燃料电池不是热机，因此不受卡诺循环的限制，效率很高。理论上能量效率可接近100，目前热、电总效率已达80%。 排气清洁，对环境污染少燃料电池没有燃烧过程，用化学方式直接转换化学能，称为“冷燃烧”，所以氢/氧燃料电池的产物只有水，没有其他废气排出，属于零排放或接近零排放。 过载能力强燃料电池的短时过载能力可达200的额定功率或更大，而内燃机没有这样强的过载能力，燃料电池的这个特点特别适合汽车的短时加速的特性。 构造简单，维护保养方便，容易实现模块化燃料电池容易通过模块化组合，串联、并联，提高输出功率。 噪声小、振动少，对机械加工要求不高燃料电池属于静态能量转换装置，无运动部件，因此在运行过程中没有噪音，振动很小。 燃料电池具有如下缺点： 价格高目前质子交换膜燃料电池的价格虽然已有所降低，但是要达到3050美元/kW的目标还需要一段时间的努力。 贵金属催化剂铂的用量虽然已降低，但是距0.1-0.2mg/ 还有段距离。 燃料的限制目前车用的燃料电池主要是质子交换膜燃料电池，它们只能用纯氢作燃料 燃料电池分类 目前有上车历史的燃料电池主要为以下三种：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)AFC，PAFC，PEMFC三种 燃料电池的发展概况燃料电池的发展趋势燃料电池发展的第一课题是降低成本，第二是选择材料，第三是提高性能。降低成本主要是因为材料的价格很高。车载用50kw系统仅氟高分子膜就要花费近7400美元。另外，在电池单元的电极中使用的白金催化剂也是高成本的材料之一。50kw的系统中白金催化剂就要花费将近5000美元。燃料的选择：燃料采用氢后，重整器部分的成本可以减免，系统得以简化。氢的储存则采用储氢合金或者高压储气罐。提高性能：目前燃料电池的研究开发成果日趋成熟。东芝公司与美国International Fuel Cell公司合作试制了12.5kw的汽车用燃料电池。实际上是把几个燃料电池进行组合后装在汽车上。即使在也可以在短时间内平滑起动。 燃料电池车工作原理 燃料电池车的动力系统与混和动力车大体相似，主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成，其中辅助动力为燃料电池。在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，燃料电池动力系统不需要工作；电池电量低于60时，燃料电池动力系统起动：当车辆能量需求较大时，燃料电池动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量；当车辆能量需求较小时，燃料电池动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。燃料电池汽车的现状与未来 目前世界各大汽车公司都在研究燃料电池电动汽车，其中较具代表性的是GM公司HydroGen 1和Daimler Chrysler 公司的necar3和Zbus。 HydroGen 1采用液氢为燃料，一次加氢可行驶400km，最高车速140km/h。 Necar3采用甲醇为原始燃料，通过重整后获得，续驶里程为400km，最高车速140km/h。Zbus为城市公共交通车，采用高压氢气（300Bar)为燃料，一次加氢可行驶250km。采用液氢为燃料，车辆在行驶过程中可以做到真正的零污染。但液氢的储存和灌装有较大的技术难度。 采用富氢有机化合物（甲醇等）为燃料，需通过重整后获得，因此车上需增加重整器。燃料的储存及灌装比较容易，但车辆在行驶过程中要排放碳氧化物。 用高压氢气为燃料，燃料的储存及加装比较容易，成本较低。燃料电池系统起动快，非常适合城市公共交通车辆使用。目前，燃料电池公共汽车已在芝加哥（辆）、温哥华（辆）、德国部分城市运行两年以上。美国加州正在筹备更大规模的燃料电池城市公共交通车的试运行。 以上两车的差别在于所用的原始燃料不同，这一差别也是燃料电池电动汽车的两个发展方向。未来的燃料电池汽车最终是以什么方式出现，则要取决于未来相关技术的发展。我国已将燃料电池汽车列入S863攻关计划。 利用氢和氧在燃料电池中的反应发电的想法在160多年前就有了，直到现在人们还在千方百计实现它。1839年英国人威廉，罗伯特，格鲁夫爵士就已发现氢和氧的逆电解反应，这就是燃料电池的基本原理。物理学家认为燃料电池的发明可与德国人尼古拉斯，奥古斯特，奥托发明的四冲程发动机相媲美。 燃料电池拥有其他动力系统没有的独特优点：产生电能的过程不生产任何污染物，而且氢作为一种能源，尽管是以水这样的化和物存在，但是取之不尽。这对于节约矿物资源并减少二氧化炭排放十分重要。 将燃料电池作为辅助动力系统用于电动汽车，这就是燃料电池电动汽车。由于燃料电池产生的是电能，这就决定了它与电动汽车能量系统的耦合方式多为串联方式。 燃料电池的工作原理是什么？目前燃料电池发展的主要问题是什么？ 简述燃料电池汽车发展的背景及其现状。 比较电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车的各自特点，提出自己对以上三种车辆未来发展的预测。