电动车能量管理与控制资料.docx

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电动车能量管理与控制资料

第一章概述

1.1电动汽车发展概述

1.汽车发展简史

1885年由德国人卡尔·奔驰研制的全世界第一辆以汽油作为燃料的汽车。

该车最高时速达15Km/h。

为纪念卡尔·奔驰对汽车业做出的杰出功绩，将其汽车获专利日1886年1月26日定为世界汽车诞生日。

美国福特汽车公司创始人亨利·福特完成了四轮汽车的首创，并于1903年成立福特汽车公司。

到了1913年，福特公司研发了世界上第一条汽车装配流水线，实现了汽车的批量生产，将T型车的装配时间从12.5h缩短到1.5h，最终达到高效的10s。

我国汽车行业发展3阶段：

⑴1953年-1978年，该阶段我国开始自主生产汽车，初步奠定了汽车工业发展的基础；

⑵1978年-20世纪末，该阶段我国汽车工业从载重汽车到轿车开始全面发展，形成较为完善的汽车工业体系。

该阶段正是我国汽车工业从计划经济体制向市场经济体制的转型期，引进技术、对外合作、合资经营多种形式促进了我国汽车行业的长远发展，汽车制造水平有较大提升；

⑶中国加入WTO之后-至今，到目前为止我国汽车工业逐步进入一个市场规模、全面接轨世界汽车工业的高速发展期。

随着人民生活的不断改善，私有汽车保有量呈现飞速发展的现状。

我国汽车业迎来有史以来最好的发展期，在崛起中成为世界各国汽车制造业同行强大且友善的竞争对手。

2.电动汽车早期发展

电动汽车技术到目前为止处于新兴发展时期，其产生却早于燃油车。

电动汽车最早构想和研制历史可追溯至1834年，由ThomasDavenport研制的电动三轮车采用一组不可充电的干电池驱动，行驶里程距离较短。

1881年法国工程师古斯塔夫·特鲁夫发明了第一辆以铅酸电池为动力的电动三轮汽车，并成功入围巴黎国际电器展览会。

美国紧跟欧洲步伐，成为电动汽车迅速发展的国家。

1890年美国第一辆蓄电池电动汽车诞生，车速达到23Km/h。

到了20世纪初期，美国电动汽车的保有量达到汽车保有量的38%，仅次于当时主流的蒸汽机汽车（保有量40%），而内燃机汽车保有量仅占22%。

随着内燃机技术的发展以及石油开采，燃油车性能大幅度提升。

电动汽车受到续航里程短、需要长时间充电等因素影响，其发展一度受到严重制约。

到了20世纪60年代后，由于能源、环境问题，电动汽车的研究再次进入正轨，各国政府与汽车制造商对于电动汽车的研究投入上升。

最近电动汽车的研发进入高峰期，且在各项技术中开始取得一定的成果和进步。

3.电动汽车发展现状及计划

①日本

日本属于后来居上的汽车大国，受能源危机和环境保护等因素，对于电动汽车的研发尤为重视。

成立电动汽车协会，展开电动汽车新技术研发工作。

本田公司于1996年推出“PLUS”纯电动汽车，该车采用高能镍氢蓄电池，充电一次续航里程最高可达350Km，其最高车速为130Km/h。

丰田公司于1997年推出第一款批量生产的油电混合动力汽车普锐斯（PRIUS），受市场欢迎度极高。

目前已开发出第二代产品，生产工艺更为成熟。

有关数据表明：

同等排量中普锐斯汽车城市工况下比其它汽车省油高达45%，郊区工况省油接近25%，综合节油量在40%左右。

②美国

美国电动车发展主要是纯电动蓄电池电动汽车的发展，成立了先进电池联合体。

由政府牵头，多家汽车公司共同研发高性能电池。

目前最新消息美国奥巴马政府试图放弃对燃料电池的扶持，转向为锂离子电池制造商提供政府财政拨款24亿美元。

③欧盟各国

欧盟为提高各国的科技水平，也建立了多个与电动汽车及其能源相关的发展计划，包括：

FP-FrameworkProgram系列计划，欧盟燃料电池研究发展示范计划，欧盟燃料电池巴士示范计划以及欧盟电动汽车城市运输系统等。

尤其是欧盟中的德国与法国，2国对于电动汽车的研发不遗余力。

④中国

中国对于电动汽车研发一直未曾中断。

在国家的“十五”期间，国家从维护我国能源安全、改善气候环境、提高汽车工业竞争力、实现我国汽车工业跨越式发展的战略高度出发，设立“电动汽车重大科技专项”，确定“三纵三横”研究布局，三纵包括燃料电池汽车、混合动力电动汽车和纯电动汽车三种车型；三横包括多能源动力总成控制系统、驱动电动机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种技术。

2009年初公布的我国汽车产业调整振兴规划中明确提出：

要实施新能源汽车战略，推动电动汽车及其关键零部件产业化。

科技部部长表态：

我国新能源汽车产业面临的发展机遇十分难得，科技部将联合相关部门进一步加大对节能和新能源汽车的研发、示范和产业化支持力度，推动我国节能与新能源汽车健康快速的发展。

1.2电动汽车定义与特点

1.电动车辆的类型

电动车辆定义：

用电能驱动，电动机作为牵引或驱动行驶的车辆。

电动车辆类型

轨道电车：

电动火车：

电动机车、电动列车、磁悬浮列车

轻轨电力客车：

地铁、高架

无轨电车：

有馈线无轨电车、无馈线快速充电电车

特定车：

高尔夫球场车、观光游览车、电动自行车、残疾人电动车

电动汽车：

纯电动汽车、混合电动汽车、燃料电池电动汽车

2.电动汽车定义和分类

电动汽车定义：

全部或部分用车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的汽车。

电动汽车应具备汽车特性与属性，但动力线路与内燃机动力线路不同，具有电力车辆基本特性。

车载电源一般采用高效充电电池或燃料电池，驱动电动机相当于内燃机的发动机，蓄电池或燃料电池相当于内燃机的汽油。

电动汽车具体分类：

电动汽车类型

蓄电池电动汽车（BEV）：

铅酸蓄电池/二次锂电池/镍氢蓄电池/钠硫蓄电池

混合动力汽车（HEV）：

内燃机+电能/燃料电池+蓄电池/蓄电池+电容+太阳能/蓄电池+电容/飞轮

燃料电池汽车（FCEV）：

氢燃料电池/甲醇燃料电池/重整燃料电池

3.电动汽车的性能特点

电动汽车驱动装置与内燃机驱动装置有着截然不同的变化，因此其动力驱动特性、结构布局及其组成方面也将有相应变化：

⑴提高能源的综合利用和效率

①可用能源范围广。

纯电池汽车通过“蓄电池”将电能转变为汽车的驱动行驶能量，而电能的来源除常规燃煤、水力、核能发电外，还能采用各种新能源。

燃料电池则采取氢、甲醇等非化石燃料作为能源，既解决了汽车的替代能源问题，也改善了能源结构，缓解石油资源的枯竭带来的担心。

②能源利用率高。

内燃机汽车使用汽油、煤油作为燃料，在提炼、运输、分配环节中要消耗30%左右的原油能量，内燃机有效效率为30%，机械效率75%，因此其输出动力轴仅能获取22.5%的可利用能量。

实际使用过程中，受外部环境影响（城市工况下的堵车情况）等燃油的燃烧不完全，可利用能量更低，有效利用率只能达到15%左右。

电动汽车采取电能作为媒介，其电能的损耗主要体现在发电厂发电、输配电、电机设备等环节，最终可获取20%左右有效能量。

若能采用新能源（太阳能、风能、原子能）等发电，则效率会直线上升。

对于采用化学能转变为电能的燃料电池，其电池能量利用率可高达50%。

③可实现能量回收。

内燃机汽车在下坡时为减速，必须消耗能量抵抗重力加速度副作用。

电动汽车则可以利用回馈制动方式将电能反向回馈至蓄电池，实现能量有效回收利用，从而增加电动汽车续航里程，提高经济性能。

有数据表明，较好的能量回收系统可以使汽车续航里程增加10%-20%。

⑵良好的环境保护效果

①排污量小。

纯电池汽车无废气排放，基本达到零排放要求。

混合动力汽车发动机配合蓄电池使用，废气排放量减少，实现少排放目标。

燃料电池电动汽车虽然排放废气（主要是二氧化碳，少量氮、硫氧化物），但是相对内燃机汽车，其排放量仅为后者的40%，对大气造成危害较轻。

严格而言，蓄电池中的电能在生产过程中也会产生大量的污染，但是若集中生产处理，可以使污染控制在有效程度内。

对于蓄电池本身，也存在有毒金属，对于蓄电池回收也应妥善处理。

②噪音低。

电动机所产生噪音远比发动机小。

发动机运行过程中冷却风扇运行亦会产生噪音。

燃料电池通过电化学原理工作，运动部件少，产生噪音较低。

对于压力供气的燃料电池而言，由于空压机的运转会带来相当的噪音，应添加隔音装置措施减小噪音。

可以看出，纯电动车噪音最低。

③排放废热少。

内燃机汽车运行时汽车尾气温度明显高于环境温度，废气携带的热量导致环境温度升高，带来目前城市较为明显的“热岛效应”。

燃料电池和混合动力电池热效率较高，单位里程排热少。

纯电动汽车基本不存在废热气体的排放，大量普及使用会明显缓解城市环境温度。

⑶提高汽车性能与结构布局

①利用电动机的快速响应性提高汽车性能。

电动汽车的驱动机构是电动机，电动机实现转矩快速响应性指标一般比发动机高出2个数量级，通过微电子控制方式可以极大提高对汽车车轮控制的动态响应性，从而较容易实现一些高性能的控制功能，改善汽车的操控性与行驶安全性。

②结构与整体布局的差别大。

传统内燃机汽车能高效产生转矩时转速被控制在较狭窄的范围内，必须添加庞大的变速机构来适应该特性。

电动汽车电动机可以在较大的转速范围内产生转矩，这样可以简化甚至省略掉庞大的变速机构，从而带来汽车机械结构的重大变革，减轻汽车自重，缩小传动及附加损耗，降低成本，节能减噪。

③能量不富裕特点突出。

纯电动汽车完全依赖蓄电池工作，而蓄电池能量比受目前材料影响受限，如何有效利用车载可用能量极为关键。

汽车重量作为消耗能量的重要参数，包含了自重及负载。

为增强续航里程，就需要在以下方面做重点研究：

简化机械传动机构、采用新型轻质高强度材料、提高蓄电池能量密度等等实现。

另外，需要从空气动力学入手减轻行驶过程中的各种阻力，也能减少能量消耗。

正是能量少的特点，目前绝大多数纯电动车都制作成微型车样式。

⑷制造成本与售后服务

①制造成本与使用寿命。

目前电动汽车制造价格总体较高。

对于纯电动汽车而言，主要成本在于蓄电池和电动机驱动部分。

业界内看好的蓄电池主要包括磷酸锂铁电池、锂离子电池、锂聚合物电池、镍氢电池等，价格都难以承受。

随着制造工艺的成熟和批量生产，价格问题可以得到大幅度改善。

②能源补充添加特点。

类似内燃机汽车需要加油站补充能源，纯电动车需要配备电能补充配套设施。

③维护与维修特点。

电动汽车除了机械部件的正常维护外，还需要定时对蓄电池进行维护，以延长其使用寿命。

⑸电动汽车性能指标

①最高车速限制。

电动车采用电动机驱动，理论上其车速可以超越传统汽车。

但是受蓄电池影响，其正常速度远远低于传统汽车。

正由于蓄电池能量受限，电动汽车非常适合城市中短距离行驶，所带来的正面效应是极为可观的。

对于其最高车速，应在电动汽车相关技术进一步发展的前提下提出。

②加速性能。

传统汽车受惯性影响较大，其加速性能表现欠佳。

电动汽车若采用直接驱动方式，则可以较大缩短加速时间。

亦可利用电动机短时过载能力提高其加速性能。

③爬坡能力。

爬坡能力指汽车在良好的路面上，以最大驱动力行驶所能爬行的最大坡度。

坡度采用坡高与水平距离比表示，电动汽车一般要求其最大爬坡度≧20%。

④能量利用效率。

不完全统计，电动汽车能量利用效率比传统内燃机汽车高30%~40%。

⑤续驶里程。

纯电动汽车重要参数，表明电动汽车一次充电情况下所能行驶的最大距离，与电池容量有关。

⑥车载电源系统里程寿命。

纯电动汽车参数，反应所配备的蓄电池的使用寿命。

即蓄电池报废前所能行驶最大里程数。

1.3汽车业面临的新挑战和技术发展方向

汽车业发展到现阶段已经有100多年的历史，在这100多年的历史长河中，汽车技术的发展日新月异，汽车的结构不断改进，性能不断提升，汽车保有量日渐壮大。

汽车工业成为资金与技术密集、规模效应明显、产业关联度大的支柱性龙头产业。

汽车工业的发展带动了上下游多种产业结构，对其它众多产业有明显的拉动作用，对国家的就业情况、扩大内需、促进经济发展影响显著。

在给人类带来福祉的同时，汽车也带来许多不幸与灾难。

交通事故频发、能源危机紧迫、环境污染严重、道路拥堵均与汽车有关联。

⑴交通事故频发。

有关数据显示，近年来全世界每年接近50万人死于交通事故。

从全世界发生的第一起交通死