电动汽车复习.docx

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电动汽车复习

第一讲电动汽车导论

电动汽车：

全部或部分以电能驱动电动机作为动力系统的汽车电动汽车的分类：

纯电动汽车BEV（BatteryElectricVehicle）:

以可充电的蓄电池为唯一动力源的电动汽车

燃料电池电动汽车FCEV（FuelCellElectricVehicle）:

以燃料电池为动力源的电动汽车

混合动力电动汽车HEV（HybridElectricVehicle）:

有两种或两种以上的储能器、能源或能量转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆

电动汽车的特点：

优势：

（1）有利于车用能源结构调整；

（2）良好的环保效果；（3）能源

多元化和综合利用；（4）热效率高；（5）排放的废热少。

劣势：

（1）续驶里程短，常见蓄电池比能量：

35~110w.h/kg（汽油：

12000w.h/kg），—次充电最大续驶里程200~300km；Vmax约130km/h；

（2）装载质量小；（3）制造成本高，目前

纯电动汽车的价格为同级燃油汽车的2~5倍；（4）必须重新建设配套之基础设施。

第二讲纯电动汽车

纯电动汽车特点：

（1）零污染、噪声低；

（2）能源效率高、多样化；（3）结构简单、使用维修方便；（4）动力电源使用成本高、续驶里程短。

基本结构

三大子系统：

主能源子系统、电力驱动子系统、辅助控制子系统。

与传统汽车主要差别：

动力系统、部分仪表、维护保养。

主能源子系统：

（1）主电源（动力电池）：

整车的能量来源；铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池…可增加：

超级电容、飞轮电池；

（2）能量管理系统：

对主电源进行监测和管理。

监测参数包括电池SOC电压、电流、温度等；存电量显示、终止放电显示与报警、能量回馈控制、充放电控制等；与辅助蓄能装置协调能量控制；

（3）车载充电设备：

变压、调压、整流、滤波；接受能量管理系统控制。

自动选择充电方式、充电终了判别与控制、充电异常判别与自动停充保护等。

电力驱动子系统：

（1）电子控制器（整车控制器）：

根据油门和制动踏板信号控制管理转换器中功率开关的通断，从而实现对电动机的转速和扭矩的控制；通过对能量管理系统和功率转换器的协调控制实现能量回馈和能量匹配控制；

（2）功率转换器：

根据需要控制电动机和电源之间的功率流；驱动工况时，功率开关通断—改变电动机转速、扭矩、方向；制动时，功率流方向反向，电动机处发电状态，利用制动动能给主电源充电；

（3）电动机（4）机械传动装置及车轮辅助控制子系统:

（1）辅助动力源：

向汽车上电器和电子控制装置提供电力；配备DC/DC功率转换器，满足用电设备电压要求；

（2）车载用电设备：

照明、信号、仪表、雨刮、门锁、多媒体、空调、动力转向、ABS等。

纯电动汽车的经济性

1、续驶里程（km）:

纯电动汽车在蓄电池充足电的状态下，按一定的行驶工况，能连续行驶的最大距离。

探工况法、等速（60±2、40±2km/h）法

续驶里程影响因素：

（1）整车参数；

（2）蓄电池均匀性;内阻增大，容量下降，放电能力降低，s减小。

2、能量消耗率（w.h/km）:

电动汽车经过规定的试验循环后对动力蓄电池重新充电至试验前的容量，用从电网上得到的电量除以续驶里程所得到的值。

GB/T183386-2005电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法。

蓄电池的性能参数

1、容量C（A.h）:

在允许放电范围内所输出的电量。

理论容量：

假设活性物质全部参加化学反应输出电流，用法拉第定律计算出的电量。

A.h/kg或A.h/L;

实际容量：

允许放电范围内，放电电流与放电时间的乘积。

C=I•；

i小时放电率容量C:

充足电的蓄电池以恒定电流放电i小时后至终止电压时，蓄电池所输出的电量；

额定容量：

充足电的蓄电池在规定条件下所能输出的电量。

2、能量（w.h或kw.h）:

蓄电池在一定放电条件下所能输出的电能

标称能量：

额定容量与额定电压的乘积

实际能量：

实际容量与放电过程的平均电压的乘积

比能量：

单位质量所能输出的电能（w.h/kg、Kw.h/kg）

能量密度：

单位体积所能输出的电能（w.h/L、Kw.h/L）

3、功率（w或kw）:

在规定的放电条件下，蓄电池单位时间所能输出的电能

比功率：

单位质量所能输出的功率（w/kg、Kw/kg）

功率密度：

单位体积所能输出的功率（w/L、Kw/L）

纯电动汽车对蓄电池的性能要求：

（1）容量要足够大。

满足电动汽车续驶里程的设计目标；

（2）可实现深度放电（DOD达

80%），且不影响其寿命。

必要时能在满负荷状态下工作和实现全放电；（3）比能量和能量密

度要尽可能大。

确保电动汽车的动力性和乘用空间；（4）可接受充电电流要大。

对有制动能量回馈系统的电动汽车，短时间可接受5C的脉冲电流充电，以提高汽车制动能量回收效率。

铅酸电池

组成部件：

极板及极板组、隔板、电解液、连条、外壳。

蓄电池是由若干个单格电池串联组成

极板：

是蓄电池的核心部件，是带有栅格结构的铅栅格板。

极板分正极板和负极板两种。

正极板上的活性物质是二氧化铅，呈棕红色；负极板上的活性物质是海绵状纯铅，呈青灰色。

极板组的作用：

接受充入的电能和向外释放电能。

极板组的结构特点：

（1）为了增大蓄电池容量将多片正极板（4-13片）和多片负极板（5-14片）分别并联，用横板焊接组成正、负极板组。

横板上连有电桩；

（2）安装时，正负极板相互

嵌合，之间插入隔板，用极板连接条将所有的正极和所有的负极分别连接，如此组装起来，便形成单格蓄电池；（3）以一个单格电池的正极边连接另一单格电池的负极边的方式依次连接

（用连条），最后留出一组正负极作为蓄电池的正负极；（4）不管单格蓄电池含有几块正极板和负极板，每个单格蓄电池均只能提供2.1V的电压。

极板的数量越多，蓄电池能提供2.1V电压的时间越长；（5）汽车蓄电池一般由6个单格蓄电池串联而成（12V）。

隔板：

隔板的作用：

隔离蓄电池正负极板，避免其相互接触而短路

隔板的结构特点：

（1）孔性材料，化学性能稳定，有良好的耐酸性和抗氧化性。

（2）为厚度

小于1mm的长方形板，长、宽略大于极板，一面有特制的沟槽。

（3）安装时将沟槽面竖直朝

向正极板。

电解液（液体电解质）：

（1）由密度为1.84g/cm3的纯硫酸+水制成；

（2）密度一般在1.24g/cm3~1.31g/cm3；（3）密度是影响蓄电池性能和使用寿命的重要因素；（4）硫酸液面应高出极板组15mm左右。

外壳：

（1）为一整体式结构的容器，极板、隔板和电解液均装入外壳内；

（2）外壳内由间壁

分成若干个互不相通的单格，底部有突起的肋条以搁置极板组；（3）外壳应耐酸、耐热、耐

寒、抗振动。

连条：

铅连接条：

各单格电池为串联连接，一个单格电池的正极桩与另一个单格电池的负极桩用连条焊接，由铅锑合金制成；连接方式：

外露式、跨桥式、穿壁式。

工作原理

总电化学反应式：

PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4

电动势的建立：

正极板：

PbO2溶解电离，Pb4+沉附于正极板，正极板电位升高（约+2V）负极板：

Pb溶解电离，带负电的电子2e留在负极板，负极板电位下降（约-0.1V）平衡时，正负极板电位差（电动势）约为：

2.1V

024681012

HN/h

铅酸电池的放电过程：

1、正负极板之间接上负载后，在电动势作用下，外电路形成放电电流f放电！

-正负极板化学反应……；

2、正、负极板的活性物质PbO2和Pb通过不断溶解和电离以维持正负极板之间的电位差，并逐渐转变为Pbsq。

电解液中，H2SO4逐渐减少，其密度下降，H2O逐渐增多。

放电开始期（A-B段）：

极板孔隙内H2SO4迅速被消耗，其密度迅速下降。

端电压迅速下降放电相对稳定期（B-C段）：

极板孔隙外H2SO4迅速向孔隙内渗透，孔隙内电解液密度下降缓慢。

端电压下降缓慢！

放电终了期（C-D段）：

化学反应深入到极板的内层；沉附在极板表面的PbSQ逐使孔隙变

小，电解液渗诱困难，密度迅速下降。

端电压迅速下降！

继续放电-过度放电

铅酸电池的充电过程：

电池放电后，其正、负极板上有少量PbSO4呈离子状态，当接通充电电源后，在电场力的作用下形成充电电流，充电！

-正负极板化学反应……；正、负极板的PbSQ逐渐溶解电离，转化为正极板上PbO2的和负极板上的Pb。

电解液中H2O逐渐减少，H2SO4逐渐增多，其密度增大。

充电开始期（A-B段）：

极板孔隙内因化学反应而生成H2SO4,电解液密度上升，产生浓差极化。

端电压迅速上升!

充电相对稳定期（B-C段）：

极板孔隙内H2SO4生成速率与向孔隙外扩散速率相当，动态电动势相对稳定，端电压缓慢上升!

充电终了期（C-D段）：

充电达90%时，电解液开始冒气泡，继续充电，极板表面产生电化极化，端电压又迅速上升！

再继续充电—过充电！

铅酸电池的性能特点：

优点：

（1）价格低廉；

（2）单格电池的电压较高（2V）;（3）适用性宽，可逆性好；（4）电能效率高，可达60%;（5）易于浮充使用，没有记忆效应；（6）对温度适应性较强，（-40C~60°C）；（7）工作中其SOC较易识别；（8）可实现免维护。

缺点：

（1）比能量、能量密度较低；

（2）寿命短，使用成本高；（3）充电时间较长；（4）非密封式铅酸蓄电池，会析出酸雾，污染环境；（5）铅毒。

锂离子电池

结构：

正极：

嵌锂金属氧化物。

钻酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）、锰酸锂

（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePQ）等

负极：

碳素材料。

石墨、焦炭、硬炭等（正在探索的负极材料有氮化物、锡基氧化物、锡合

金，以及纳米负极材料等

电解液：

非水性的有机溶液或聚合物。

碳酸丙稀酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、二甲基碳酸酯（DMC）、二乙基碳酸酯（DEC）、甲基乙基碳酸酯（MEC）等组成的一元、二元或者三元的混合物

隔膜：

一种特殊的复合膜。

聚乙烯（PE）、聚丙稀（PP）等组成的单层或者多层的微多孔薄膜

工作原理：

疋极=qq+£；+◎-EQQ工

放电时：

镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子，被氧化成Li+，进入电解液，电解液内的Li+向正极移动，正极材料被还原，电解液中的锂离子进入正极

充电时：

正极被氧化，所含的Li离子脱出，电解液中的Li离子向负极移动，并在负极表面得到电子，形成锂碳（嵌锂）化合物

其充放电过程实际上是Li离子在正负电极之间来回地嵌入和脱出的过程。

“摇椅式电池”

锂离子电池的特点：

优点：

（1）比能量大。

达100~125w.h/kg，是Ni-Cd、Ni-MH电池的

2~1.5倍；

（2）电压高。

其端电压达3.6~3.9V；（3）循环寿命长。

循环寿命可超过1000

次；（4）无污染、安全性能好、无记忆性_；（5）自放电小。

储存1个月的自放电率仅为10%;（6）可实现安全、快速充电；（7）允许温度范围宽。

（-40C~70C）

缺点：

（1）成本高；

（2）内阻较大，最大放电电流限制在2~3C

电动汽车用电动机的使用环境与要求：

使用环境：

（1）电动机工况变化频繁；

（2）电动机工作在振动、冲击环境中；（3）车载电源能量有限；（4）电动机本身也是负载

对电动机的要求：

（1）电动机的短时过载能力强。

满足电动汽车起步、加速和爬坡时的动力需求；

（2）电动机的调节性能好。

有较宽的调速范围和理想的调速特性（低速-恒转矩调速；

高速-恒功率调速）；（3）电动机的效率高、逆向工作性能好；（4）电动机工作可靠性好、结构尺寸小；（5）价格低，运转噪音低。

能源管理系统的功用：

（1）在满足汽车动力性需求的前提下，使蓄电池储存的能量得到最有效

的利用；

（2）使汽车的减速和制动能量能得到最大限度的回收。

主要任务

任务

测试仪

Hi

执行装置

防止过充电

电压、电流、温度测试仪

充电器

防止过放电

电压、电流、温度测试仪

电动机控制

温度控制及平衡

温度测试仪

加热及制冷装置、温度平衡单元

能源系统信息显示

电压、电流、温度、充电状态、剩余容量测试仪

显示器

电池状态测试及显示

电压、电流、温度测试仪

显示器、PC总线、分析软件

制动能量回馈控制

组成

（1）防止蓄电池过充电。

充电期间，连续测量各个蓄电池的电压、温度等参数；ECU据此调

整充电参数，控制充电器，尽量保持各蓄电池状态一致；充电结束时，停止充电

（2）防止蓄电池过放电。

放电期间，管理系统监控蓄电池放电状态；在每个蓄电池深度放电

之前，停止放电过程；放电结束时，显示电动机控制单元最大放电电流，保持蓄电池电压处正常范围

（3）温度控制及平衡。

蓄电池的传动容量对温度十分敏感；管理系统可测量各蓄电池工作温度，并通过加热和制冷控制蓄电池温度

（4）能源系统信息显示。

检测蓄电池剩余容量等；显示相关信息：

可行驶的极限里程数、充电所需时间；管理车上用电系统，合理分配使用，尽可能增加续驶里程

（5）蓄电池状态测试及显示。

根据驱动系统性能、蓄电池温度、使用累计时间等预测和显示剩余容量；提供蓄电池性能参数，存储整个过程中的数据并传给计算机；对获得的蓄电池信息进行分析，提供电池的诊断、故障分析信息

（6）制动能量回馈控制

制动能量回馈控制概念：

车辆在减速或制动时，将其中一部分动能或势能转化为电能并存储在能量储存装置中的过程。

控制系统组成和原理

第三讲燃料电池及燃料电池汽车

燃料电池：

一种化学能直接转化为电能的发电装置。

燃料和空气分别送进燃料电池，就能产生电能。

它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”，而是一个“发电厂”。

PEM电池结构：

1、流场板；2、气体扩散层；3、微孔层/平整层；4、催化层；5、质子交换膜

（PEM）；6、MEA。

1、流场板：

作用：

（1）引导反应气体；

（2）导电；（3）导热；（4）支撑。

材料：

（1）石墨；

（2）不锈钢金属板；（3）复合材料

2、气体扩散层：

作用：

（1）分散反应气体；

（2）导电；（3）导热；（4）支撑。

材料：

（1）碳布；

（2）碳纸

3、微孔层/平整层：

作用：

（1）分散气体；

（2）降低接触电阻；（3）排水

材料：

碳粉+Nafion+PTFE5-10um

4、催化层：

作用：

（1）电化学反应发生；

（2）产生能量

材料：

Pt/C+Nafion+PTFE等

5、质子交换膜（PEM）:

作用：

（1）传递质子；

（2）分隔阴阳极气体

种类：

Nafion膜；复合膜

6、膜电极（MEA）:

燃料电池核心组件MEA

工作原理：

将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的电子被电离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子是不能通过质子交换膜，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流，电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。

由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水

（蒸气）带走，就可以不断地提供电能。

（写出反应方程式）

燃料电池系统组成：

空气系统、氢气系统、加湿系统、冷却水系统、控制系统。

（1）空压机

（2）加湿：

喷水加湿、鼓泡加湿、焓轮加湿、膜加湿、尾气循环加湿

（3）在PEMFC内部，水的迁移方式主要有两种：

电渗和扩散。

电渗迁移，即在电渗力的作用下水被水化的质子携带，由阳极向阴极运动，电流密度越大，越过质子交换膜的质子越多，则从阳极迁移至阴极的水也越多。

扩散迁移，是水在浓度梯度下扩散，扩散速度正比于浓度梯度。

水由阴极扩散到阳极外，还要在多孔气体扩散电极和流道中传递。

燃料电池汽车问题：

燃料电池汽车可靠性、耐久性、氢气制备、储存、运输、加注

第四讲混合动力电动汽车

混合动力电动汽车：

广义定义：

在特定条件下，有两种或两种以上的储能器、能源或能量转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆

狭义定义：

既有内燃机又有电动机驱动的车辆。

即常说的油-电混合动力汽车。

特点：

（1）与纯电动汽车相比，其续驶里程延长了2~4倍；

（2）可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作；（3）因为有了电池，可以

十分方便地回收制动、下坡、怠速时的能量；（4）在繁华市区，可以纯电动方式工作，实现零排放；（5）可以利用现有的加油站加油，不必再投资；（6）可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本；（7）结构和控制过程复杂；（8）在混合动力模式下仍存在废气排放问题；（9）价格较高

分类：

a、按内燃机与电动机的功率及混合程度分（主要针对并联式混合动力汽车）：

★笑于"混合度EDOH"fDegreeofHybridizationJ:

发动机工作在高效率、低油耗区；起步、低速时，纯电机驱动；加速、高负荷时，发动机+蓄电池耦合提供动力；发动机多余能量及制动、下坡能量回收。

2、轻度混合动力电动汽车（MildHybrids）:

0.1

机为辅助动力源；可实现制动能量回收

3、深度混合动力电动汽车（StrongHybrids）:

DOH>0.5；各实现发动机、电动机各自动

力的耦合和分离（动力模式转换）；可实现制动能量回收

工作原理

节油约30%、排放降低50~80%；续驶里程和动力性与内燃机汽车相当；控制复杂；质量

大、成本高。

b、按内燃机与电动机的能量流动及两者在结构上的连接关系分:

1、串联式混合动力电动汽车（SHEV）；

2、并联式混合动力电动汽车（PHEV）;

3、混联式混合动力电动汽车（SPHEV）

内燃机

电动机

发电机

II

串联丸混令动力电动汽车的组成

九小

动林创性蓬接

结均俎成口

VIMSH电功逢斥妙力第出充电ilH

■

■电庖血

＞两条月区动线.路三：

＞属于发动机滞珈型屯动汽车

＞父动机+发赵机不与祀

发动竝+哀妪机•整洗耳.養也汕俎•丰引0动拉.机臓传动裝畫等［注奏各裝養遂接方丸？

丿

a多种工作蟆兀r?

）

2.串联式混合动力电动汽车的工作撲式

A单一电.动』区动摸式.：

发动机媳火.,仗由蓄电池组供电^■!

区动

＞单一发动机驱动撲式：

驱动功率仪诲于峑动机+发电机组,蓄电池组不工作r裁电或芜电丿

＞混仝驱动模式.：

驼动功率由发动机+发赵机组和葦电池组联合提供

＞发动机驱动和蓄电池充电棋式,：

＞再生和动榜式：

发动机+发电机组关闭,

l«a

电❺t检

◎力•出

克电过H

（TMan

李引电动机处发电机状态■消耗车轲动能产

生屯坊平P句蓄屯池充屯

A蓄屯池停车充屯棋式：

车轲停驶，发动机

+发电机工作，且仗甸蓄电池充电

A蓄电池混令充电•棋式：

发动机+发电机和处发电状态的李引电动机联仝向蓄电池充电

同

妲歩■4

•蒯动■

何遶.择工作棋瓦？

串朕丸混令动力电动汽车的运行工况分析

＞趁动/正常行月更/加速工阮：

/工作撲丸：

混令驱动棋丸

/能受浇动：

A低负荷工况：

/工作棋式：

发动机驱动和蓄电池龙电棋式|

/能量浇动：

燃油箱＞发动机

发电机

舊电池;^功半转擁圧=：

电动机壬机械传动裝査

—液浣连摟II机械.连接＜'电力连摟

＞减速/制动工况：

/工作棋式：

再生制动模式

/能董沆动：

燃油箔

>5*%W^9

1

邑机

養电wfc功平

转换妾丄亀功机»=机械传动裝査

液沆连揍机枝连接（=1屯力连按

＞停车充电工况:

/工作摸式：

菴电池停车充电模式/能量流动:

感油箱一＞发功机

占由.-tn.

■

■

7

电动机

机械传功裳査

液沆连按机械建樓1—1电力連按

4.

丰联丸混®彩力也动汽车的持击

一稳•走工況彳亍欢所需旳率f发动机场彥用：

三菱AerostarNonstopHEV.西

丰可冬可能小钵兰VoltW弟淸诲円三\/城亩孝车

1.幷朕无混令动力电动汽车的纽.成

结构俎成：

・合ts

f■

Q力介

电动（A

三

MtlS

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电

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结构持点：

A禺于也力貓珈型燃油汽车A发动机与机被传动裝蓋存

发动机.赵动机C合丿•赵动机挂刹麥.着赵

池组

动力合成冬.机碱传动裝査等（

注盘冬裝

3L疼按步丸・与SHEXZ的歳尢込别？

丿

程机碱连接

＞丙条施动线路三条充赵

＞多种工作祺丸

不同运生工况（4：

歩、匀、—

、制动、厶卷著丿应鼻

2.幷联式混合动力电动汽车的工作撲式

A单一亀动驱动摸式：

发动机J息火，需合羿分寓，仗由蓄电池组供电、月区动r墓坝不用jA单一发动如駆动撲式：

驱动功率仗源于岌动机,著电池组不工作C就电或.龙电丿

A混合駆动撲式：

驱动功眸由发动机和蕾电池组■联合捏供

＞发动机驱动和蓄电池龙电撲式：

A再生剥动模式：

发动机关闭，电动机处发电机状态,谄耗车轲动能产生虬功车，向蓄

电池殂充电

A停车龙电摸式：

车轲停硬，发动机通.过动力合成爰帑动电机发电，向蓄电池充电。

此对麦送爰应置“空捞”

何选择工作棋式？

幷朕式混合动力包动汽车的运行工况介析

A起动/加速/高负荷工况：

/工作摸式：

混仝驱动棋式

"能量流动：

液沆连挟

>正常行硬工况:

/工作棋式：

单一发动机駆动撲式C传统内燃机汽车丿

/能量流动：

液沆连按ti机城连揍

A减速/制动工况：

/工作模式：

再生制动模式

/能量流动：

A低负荷工况:

/工作模式：

发动机駆动和萤电池龙电模式

/能量流动：

液流连摟机械连揍«=»电力连揍

>停车充电工况:

/工作棋式：

停车芜电模式

V能董流动：

机械

燃油鎮>发动机

传动

養电电

功平转换屋

C

P

亀动机｛

4.幷联式混合动力电动汽车的特点

A只有发动机和电动机衬个动力恁、成A发动机工况旻车轲行驶工况影响

，较SHEV三个动力总、成的功率•质量A电力条统结构复杂，布置和娃制和体衣小更阖难

A没•有SHEV的械.能—电能—机械.能

转换过程,能量转槟综合效率较SHEV

的倉

>屯池功率可对驱动功率进行“调伞”,发动机的妙牟可以较小，可在蒿奴、低活捺•状态下工作

》因属电力辅助型，电池组彖量可以较小，整车质量较小

A动力性接近内撚机冼车，续驶里程

应用：

arfHinoSeleaaHrrid孝车

本田Insight输车

丰田CrownHEX/输车

东九EQ6X0HEX/客车C并联、轻混丿东凤jEQ7200HE\/输车C