《能源汽车技术》PPT课件.ppt

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1、第八章 新能源汽车技术,电动汽车概论电动汽车电机及电池技术电动汽车充电及充电设备检测技术燃料电池电动汽车,内容概要,8.1 电动汽车概论,电动汽车是至少以一种动力源为车载电源，全部或部分由电机驱动，符合道路交通安全法规的汽车。它因车载动力系统不同可分为三类：以车载燃料电池为动力的燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle-FCEV）；以车载蓄电池为动力的蓄电池电动汽车（Electric Vehicle-EV），亦称之为纯电动汽车；以车载多能源为动力的混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle-HEV），其动力来自2 个或2 个以上能源，如蓄电池

2、，超级电容，飞轮电池，太阳能，内燃机，燃气轮机，斯特林发动机等。,电动汽车的电驱动的结构形式,当汽车行驶时，由蓄电池输出电能（电流）通过控制器驱动电动机运转，电动机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。电动汽车续驶里程与蓄电池容量有关，蓄电池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里程，必须尽可能地节省蓄电池的能量。电动汽车主要由电力驱动系统、电源系统和辅助系统3部分组成。,1、电力驱动系统电力驱动系统主要包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和车轮等。它的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，并能够在汽车减速制动时，将车轮的动能转化为电能充人蓄电池。,电源系统主要包括

3、电源、能量管理系统和充电机等。它的功用是向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。纯电动汽车的常用电源有铅酸电池、镍镐电池、镍氢电池、锂离子电池等。它的主要功用是对电动汽车用电池单体及整组进行实时监控、充放电、巡检、温度监测等。,2、电源系统,辅助系统主要包括辅助动力源、空调器、动力转向系统、导航系统、刮水器、收音机以及照明和除霜装置等。辅助系统除辅助动力源外，其余的依据车型不同而不同。辅助动力源主要由辅助电源和DC/DC功率转换器组成。它的功用是向动力转向系统、空调器及其他辅助设备提供动力。,3、辅助系统,电动汽车结构,电动汽车的关键技术,1、电动机及控制技术电动汽车

4、的驱动电动机属于特种电动机，是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电动机应具有较宽的调速范围及较高的转速，足够大的启动转矩，体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。电动汽车所用的电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。,2、电池及管理技术电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池要求比能量高、比功率大、使用寿命长，但目前的电池能量密度低，电池组过重，续驶里程短，价格高，循环寿命有限。,3、整车控制技术新型纯电动轿车整车控制系统是两条总线的网络结构，即驱动系统的高速CAN总线和车身系统的低速总线。高速CAN总线每个节点

5、为各子系统的ECU。低速总线按物理位置设置节点，基本原则是基于空间位置的区域自治。实现整车网络化控制，其意义不只是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加问题，网络化实现的通信和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在汽车上应用的一个基础，同时也为X-by-Wire技术提供了有力的支撑。,4、整车轻量化技术整车轻量化始终是汽车技术重要的研究内容。纯电动汽车由于布置了电池组，整车重量增加较多，轻量化问题更加突出。但可以采用以下措施减轻整车质量。,电动汽车的发展趋势,1、纯蓄电池驱动的超微型汽车2、驱动电机呈多样性发展3、混合动力汽车（节能产品）4、燃料电池汽车成为竞争的焦点,8.2、电动汽车电动机

6、及电池技术,在电动汽车上，驱动电机及其控制器是电动汽车中把电能转换成机械能的动力部件，目前常用的电机驱动系统有四种：（1）直流电机（DC Motor）驱动系统，电机控制器一般采用脉宽调制（PWM）控制方式；（2）异步电动机驱动系统，电机控制器采用矢量控制或直接转矩控制的变频调速方式；（3）交流永磁电机驱动系统，主要包含两类电机：永磁同步电机（PMSM）和无刷直流电机（BDCM）驱动系统；（4）开关磁阻（SR）电机驱动系统。,工业用和汽车上用的电动机的区别,一、直流电动机,（1）定子部分直流电动机定子主要由主磁极、机座、换向极和电刷装置等组成。主磁极的作用是建立主磁场，它由主极铁心和套装在铁心上

7、的励磁绕组构成。主极铁心一般由11.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成，是主磁路的一部分。励磁绕组用扁铜线或圆铜线绕制而成，产生励磁磁动势。,（2）转子部分转子部分主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器等三部分组成。电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑部分，电枢绕组嵌放在电枢铁心的槽内。电枢铁心一般用0.55mm硅钢冲片叠压而成。电枢绕组由扁铜线或圆铜线按一定规律绕制而成，它是直流电动机的电路部分，也是产生电动势和电磁转矩进行机电能量转换的部分。,直流电动机结构,二、永磁同步电动机,永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）

8、具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车界的高度重视，是最具竞争力的电动汽车驱动电机系统之一。,永磁同步电动机的结构，和传统电动机一样，主要由定子和转子两大部分构成。定子与普通感应电动机基本相同，由电枢铁心和电枢绕组构成。电枢铁心一般采用0.5 mm硅钢冲片叠压而成，对于具有高效率指标或频率较高的电动机，为了减少铁耗，可以考虑使用0.35mm的低损耗冷轧无取向硅钢片。电枢绕组则普遍采用分布、短距绕组；对于极数较多的电动机，则普遍采用分数槽绕组；需要进一步改善电动势

9、波形时，也可以考虑采用正弦绕组或其他特殊绕组。,永磁同步电动机结构,四、开关磁阻电动机,开关磁阻电动机是由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组，把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”；转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。,开关磁阻电动机的磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化。因为电感与磁阻成反比，所以当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大；当转子磁极中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。,电动汽车电池技术,电动汽车使用的动力电池可以分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。1、化学电池化学电池是

10、利用物质的化学反应发电。化学电池按工作性质分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。,2、物理电池物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池。如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。3、生物电池 生物电池是利用生物化学反应发电的电池，如微生物电池、酶电池、生物太阳电池等。,一、铅酸蓄电池,铅酸蓄电池由正负极板、隔板、电解液、溢气阀、外壳等部分组成。极板是铅酸蓄电池的核心部件，正极板上的活性物质是二氧化铅，负极板上的活性物质为海绵状纯铅。隔板是隔离正、负极板，防止短路；作为电解液的载体，能够吸收大量的电解液，起动促进离子良好扩散的作用；它还是正极板产生的氧气到达负极板的“通道”，以顺利建立氧

11、循环，减少水的损失。电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定比例配制而成，主要作用是参与电化学反应，是铅酸蓄电池的活性物质之一。,铅酸蓄电池放电示意图,铅酸蓄电池使用时，把化学能转换为电能的过程叫放电。在使用后，借助于直流电在电池内进行化学反应，把电能转变为化学能而储蓄起来，这种蓄电过程称作充电。铅酸蓄电池是酸性蓄电池，其化学反应式为PbO+H2SO4PbSO4+H2O,二、锂离子电池,锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。,1绝缘体；2垫圈；3PTC元件；4正极端子；5排气孔；6防爆阀；7正极；8隔板；9负极；10负极引线；11正极；12外壳,为锂离子电池的工作原理，电池在充电时，锂离子从

12、正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到负极中；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到正极材料晶格中。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间。,锂离子电池工作原理图,三、超级电容,超级电容器（super capacitor）又叫电化学电容器、双电层电容器，是一种新型的电容器，它的出现使得电容器的极限容量骤然上升了3-4个数量级，达到了1PF/g级以上的大容量。它不同于传统意义上的电容器，它类似于充电电池，但比传统的充电电池（镍氢电池和锂离子电池）具有更高的比功率和更长的循环寿命。,超级电容器具有高功率密度、循环寿命长、充电速度快、工作温度范围宽、充放电线路简单、检

13、测方便、绿色环保等优点。超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。,四、飞轮储能器,飞轮储能器（亦称飞轮电池等）指利用飞轮高速旋转储存和释放能量的一种装置。使用飞轮以机械能的形式存储能量并不是一个新的设计理念。现代的飞轮储能器多使用轻质复合材料转子，质量仅有几十千克而转速可达每分几十万转，因此，飞轮储能器常被称为高速、超高速飞轮储能器。,飞轮储能器的结构,飞轮储能器是实现电动汽车储能要求的一种有效方式，超高速飞轮

14、主要具有比能量高、比功率高、电能和机械能之间的转化效率高，能快速充电、可实现免维护和具有良好的性能价格比等优点。因此飞轮储能器成为电动汽车远期储能装置的一种选择。,五、质子交换膜燃料电池,在20世纪90年代，质子交换膜燃料电池获得了较大的发展。质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用可传导离子的聚合膜作为电解质，所以也叫聚合物电解质燃料电池（PEFC）、固体聚合物燃料电池（SPFC）或固体聚合物电解质燃料电池（SPEFC）。PEMFC由质子交换膜，催化剂层，扩散层、集流板（又称双极板）组成。,质子交换膜燃料电池结构示意图,当前电动汽车正处于发展高潮，对于电动汽车技术的全面发展，重中之重就在于能量存

15、储技术的提高。动力电池将向着高比能量、高可靠性、低成本、安全环保方向发展。近阶段，铅酸电池虽然年代久远，但其技术成熟、成本低，在今后的一定时期内依然具有竞争能力，仍将拥有一定市场；燃料电池代表着未来动力电池的发展方向，但其成本太高，短时间内无法得到大规模商业化；镍氢蓄电池依然具有优势；锌空气电池有待开发；锂离子电池具有很多优点，是我们今后要大力发展的动力电池。,8.3、电动汽车充电技术及充电检测,电动汽车充电技术对于一辆电动车来讲，蓄电池充电设备是不可缺少的子系统之一，它的功能是将电网的电能转化为电动车车载蓄电池的电能。电动汽车充电装置的分类有不同的方法。总体上可分为车载充电装置和非车载充电装

16、置。,电动汽车充电系统图,电动汽车充电设备图,车载充电装置，指安装在电动汽车上的采用地面交流电网和车载电源对电池组进行充电的装置。包括车载充电机、车载充电发电机组和运行能量回收充电装置。它将一根带插头的交流动力电缆线直接插到电动汽车的插座中给电动汽车充电。车载充电装置通常使用结构简单、控制方便的接触式充电器也可以是感应充电器。它完全按照车载蓄电池的种类进行设计，针对性较强。,非车载充电装置，即地面充电装置，主要包括专用充电机、专用充电站、通用充电机、公共场所用充电站等。它可以满足各种电池的各种充电方式。通常非车载充电器的功率、体积和重量均比较大，以便能够适应各种充电方式。另外，根据对电动车蓄电

17、池充电时的能量装换的方式不同，充电装置可以分为接触式和感应式。,电动汽车充电方式主要分为以下几种：（1）常规充电方式该充电方式采用恒压、恒流的传统充电方式对电动车进行充电。以相当低的充电电流为蓄电池充电，电流大小约为15A，若以120 Ah（例如360 V，即串联12 V 100 Ah 30只）的蓄电池为例，充电时间要持续8个多小时。相应的充电器的工作和安装成本相对比较低。电动汽车家用充电设施（车载充电机）和小型充电站多采用这种充电方式。,常规充电方式,（2）快速充电方式,快速充电也可称为迅速充电或应急充电，其目的是在短时间内给电动汽车充满电，充电时间应该与燃油车的加油时间接近。大型充电站（机

18、）多采用这种充电方式。大型充电站（机）快速充电方式主要针对长距离旅行或需要进行快速补充电能的情况进行充电，充电机功率很大，一般都大于30kW，采用三相四线制380V供电。其典型的充电时间是：1030min。,（3）无线充电方式电动汽车无线充电方式是近几年国外的研究成果，其原理就像在车里使用的移动电话，将电能转换成一种符合现行技术标准要求的特殊的激光或微波束，在汽车顶上安装一个专用天线接收即可。有了无线充电技术，公路上行驶的电动汽车或双能源汽车可通过安装在电线杆或其它高层建筑上的发射器快速补充电能。电费将从汽车上安装的预付卡中扣除。,无线充电方式,（4）更换电池充电方式,除了以上几种充电方式外，

19、还可以采用更换电池组的方式，即在蓄电池电量耗尽时，用充满电的电池组更换已经耗尽的电池组。蓄电池归服务站或电池厂商所有，电动汽车用户只需租用电池。电动汽车用户把车停在一个特定的区域，然后用更换电池组的机器将耗尽的蓄电池取下，换上已充满电的电池组。,（5）移动式充电方式,对电动汽车蓄电池而言，最理想的情况是汽车在路上巡航时充电，即所谓的移动式充电（MAC）。这样，电动汽车用户就没有必要去寻找充电站、停放车辆并花费时间去充电了。MAC系统埋设在一段路面之下，即充电区，不需要额外的空间。接触式和感应式的MAC系统都可实施。,电动汽车充电设备需要检测的参数,电动汽车充电站就像加油站，充电桩就像加油机一样

20、，是电动汽车推广应用的基础条件，直接影响电动汽车推广应用的效果，因此充电设备的检测成为迫切需要解决的问题，而检测设备和检测技术规程在我国都是空白。,充电机应具有自动、安全地为电动汽车蓄电池系统充满电能的能力，充电过程中不应对电池造成伤害，即使在正常使用时出现误操作，也不应给周围的人或环境造成伤害。几乎所有有关的标准文件都采用类似上述的总则，说明对充电机的最基本要求是充电和安全。,一、检测总则,二、充电站检测内容,充电机一般情况下都是设置在充电站内的，所以对充电机周围的环境，如充电站，也有一定的要求，对充电机所在充电站的检测是充电机检测的内容之一。首先，充电站的基本构成必须包括供电系统、充电系统

21、、监控系统、安全防护设施、停车场地等硬件配套。其次，是对充电站所在地环境的检测。充电站不宜设在有剧烈震动、高温、潮湿、低洼地等场所，防止不利环境条件可能对充电机的损害和对人员造成的伤害。,三、充电机检测内容充电机是充电站充电系统的主要部分，它是充电站的服务功能的核心，它对充电站的工作效率和安全均有重要影响，在检测充电机时主要是对充电机工作环境及其本身结构的检测、各功能模块的检测、工作参数和高压连接器的检测。,8.4、燃料电池电动汽车,燃料电池汽车的基本结构多种多样。按照驱动形式分可分为纯燃料电池驱动和混合驱动两种形式。按照能量来源可分为车载纯氢和燃料重整两种方式。由于燃料电池电动汽车正处在研究

22、的初期阶段，所以各种技术竞相试用并各有优缺点。,纯燃料电池汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。其主要缺点有：燃料电池的功率大，成本昂贵；对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出很高要求；不能进行制动能量回收。基于这些不利因素，目前的燃料电池汽车主要采用的是混合驱动形式，即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动力源。,燃料电池汽车基本结构,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。只有这些辅助系

23、统匹配恰当和正常运转，才能保证燃料电池发动机正常运转。,以氢为燃料的燃料电池发动机系统,1一氢气储存罐；2一氢气压力调节仪表；3一热交换器；4一氢气循环泵；5一冷凝器及气水分离器；6一水箱；7一水泵；8一空气压缩机(或氧气罐)；9一加湿器及去离子过滤装置；10一燃料电池组；11一电源开关；12一DC./DC变换器；13一DC./AC逆变器；14一驱动电动机,燃料电池汽车动力系统参数匹配思路是：首先针对某种给定的动力驱动系统构型，选择一种基本的能量分配策略；然后在已知整车参数、目标工况以及基本能量分配策略的条件下，以满足车辆动力性为前提，燃料经济性最优为目标，进行整车及动力驱动系统的参数匹配，最

24、后，改变构型方式，完成每种构型下的参数匹配。这样，就完成了构型方式、参数匹配以及控制策略三者之间的解耦。,8.5、其它清洁能源汽车技术,按照发改委公告定义，新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。其他清洁能源汽车主要指的以天然气（NG）、液化石油气（LPG）、乙醇汽油（EG）、甲醇、二甲醚、氢能、太阳能等为燃料的汽车。,一、天然气汽车按照燃料使用状况的不同，天然气汽车可分为专用燃料天然气汽车、两用燃料天然气汽车和双燃料天然气汽车。专用燃料天然气汽车是指发动

25、机只使用天然气作为燃料；两用燃料天然气汽车是指既可以使用天然气也可以使用汽油作为燃料；双燃料天然气汽车是指可以同时使用液体燃料和天然气。,混合器式闭环控制天然气供给系统,1汽油箱；2油位传感器；3汽油表；4汽油滤清器；5电动汽油泵；6车用气瓶；7充气阀；8过滤器；9手动截止阀；10天然气电磁阀；11高压表；12安全阀；13低压表；14减压调节器；15步进电机；16混合器；17化油器；18压力显示器；19压力传感器；20发动机转速传感器；21氧传感器；22发动机排气管；23三元催化转换器；24电控单元；25汽油/天然气转换开关,二、液化石油气汽车以液化石油气为燃料的汽车称为液化石油气汽车。液化石

26、油气汽车与燃油汽车相比，其特性如表所示。,LPG供给系统示意图,1汽油箱；2油位传感器；3汽油滤清器；4电动汽油；5汽油表；6辅助液面显示器；7气瓶；8集成阀；9LPG电磁阀；10蒸发调压器；11混合器；12真空电磁阀；13汽油/LPG转换开关；14节气门位置传感器；15发动机转速传感器；16电控单元；17氧传感器；18三元催化转化器；19发动机排气管,三、甲醇燃料汽车,甲醇燃料汽车是指利用甲醇燃料做能源驱动的汽车。甲醇作为燃料在汽车上的应用主要有掺烧和纯甲醇替代两种。掺烧是指将甲醇以不同的比例（如M10、M15、M30等）掺入汽油中，作为发动机的燃料，一般称为甲醇汽油；纯甲醇替代是指将高比例

27、甲醇（如M85、M100）直接用作汽车燃料。,甲醇汽油是指把甲醇部分添加在汽油里，用甲醇燃料助溶剂复配的M系列混合燃料。目前我国市场上使用的甲醇汽油主要有M5、M15、M50、M85以及M100等。,四、乙醇燃料汽车,在2000年以前，国内开展乙醇燃料研究及应用工作的并不多。2000年9月，根据国务院领导指示，国家经贸委要求中国石化集团公司组织有关科研单位开始对乙醇作为车用燃料的可行性进行了系统研究。已经完成的研究工作包括：燃料乙醇作为车用燃料的可行性试验研究、乙醇汽油的行车试验、燃料乙醇作为车用燃料的经济性分析、变性燃料乙醇及车用乙醇汽油国家标准的制定、燃料乙醇金属腐蚀抑制剂研究、车用乙醇汽

28、油应用技术研究等。,乙醇燃料汽车发动动机,五、二甲醚燃料汽车,二甲醚作为环保、清洁、安全的新型替代能源，已经得到国际社会的公认。二甲醚是汽车发动机，特别是柴油发动机燃料的理想替代品。针对我国自然条件和“富煤、少油、有气”的能源资源特色，发展洁净能源二甲醚，对于我国经济发展、环境保护与生态平衡具有重大战略意义。,由于二甲醚燃料的卓越性能，二甲醚燃料发动机技术已引起西方发达国家政府和专家高度重视。近年来欧美、日韩、俄罗斯等国家十分看好二甲醚燃料汽车的市场前景和环保效益，纷纷开展二甲醚燃料发动机与汽车的研发。在欧洲VOLVO汽车公司研制出了燃用二甲醚燃料的大客车样车用于示范，在日本JFE、产业技术综

29、合研究所、COOP低公害车开发会社、交通公害研究所、五十铃汽车公司和伊藤忠会社等分别研制了多辆燃用二甲醚燃料的卡车样车和城市客车样车，计划在35年内小规模推广。,六、氢能汽车,氢能汽车是以氢为主要能量作为移动的汽车。可以分为以下两类：（1）氢燃料汽车；（2）氢燃料电池汽车。氢内燃机在汽车上的应用方式又有三种：（1）纯氢内燃机（2）氢/汽油双燃料内燃机（3）氢-汽油混合燃料内燃机,氢燃料汽车是在传统内燃机的基础上加以修改后可以直接用氢为燃料燃烧，产生动力。氢燃料燃烧产物只有H2O和NOX，不会产生颗粒、积炭等，从而大大减少了发动机的磨损，减轻了润滑油被污染的程度，可以认为氢是发动机最清洁的燃料，

30、氢燃料汽车不污染环境，是一种环境友好的绿色交通工具。缺点是氢燃烧效率低，大约只有38%，且由于氢燃料热值高、火焰传播速度快和着火范围宽等，氢燃料发动机容易出现早燃、回火、敲缸、负荷高以及NOX排放偏高等情况。,七、太阳能汽车,太阳能汽车是利用太阳能电池将太阳能转换为电能，并利用该电能作为能源驱动行驶的汽车，它是电动汽车的一种。太阳能汽车一般由太阳能电池板、电力系统、电能控制系统、电动机、机械系统等组成。,太阳能汽车能量流动图,太阳能汽车外形图,目前研发的太阳能汽车主要用于实验或竞赛。实用型的太阳能汽车还比较少。制约太阳能汽车发展的主要因素是太阳能电池的转换效率低，因此，最有发展前途的太阳能汽车是太阳能电池和蓄电池组合形式的汽车。今后，太阳能汽车的研究主要集中在提高太阳能电池的转换效率、最大功率跟踪技术和蓄电池充放电技术等。,谢谢,