纯电动轿车能源供给模式研究.docx

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纯电动轿车能源供给模式研究

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自考本科生毕业（设计）论文

纯电动轿车的能源供给模式研究

学士学位论文原创性申明

本人郑重申明：

所呈交的设计（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本设计（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。

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年月日

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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摘要

伴随着汽车工业的高速发展，汽车带来的环境污染，能源短缺，资源枯竭和安全等方面的问题越来越突出。

为了经济的可持续发展，保护人类的居住的环境和缓解能源供给。

电动汽车应运而生，电动汽车具有良好的环保性能和有多种能源为动力的显著特点，既可以保护环境，又可以缓解能源的短缺并能调整能源的结构，保障能源的安全。

本文主要介绍了电动汽车的特点，结构，能量存储，电机的形式。

纯电动轿车正在成为我国新能源汽车发展的主要方向。

针对尚处于市场导入期的纯电动汽车业,本文主要讲解纯电动汽车发展历史、纯电动汽车能量管理和供给模式研究，希望通过本课题的研究，可以给纯电动轿车能量供给和模式研究的团体或者个人给予帮助。

关键词：

纯电动汽车；关键技术；能源供给模式

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofautomobileindustry,carpollutiontotheenvironment,energyshortages,suchasresourcedepletionandsecurityproblemsbecomemoreandmoreoutstanding.Inordertothesustainabledevelopmentofeconomy,protectthehumanlivingenvironmentandreduceenergysupply.Electriccarsarisesatthehistoricmoment,theelectriccarhasagoodenvironmentalperformanceandhasmanysignificantcharacteristicsofenergyforpower,canprotecttheenvironment,andcanrelievetheshortageofenergyandcanadjusttheenergystructure,energysecurity.Thispapermainlyintroducesthefeaturesofelectriccars,structure,energystorage,theformofthemotor.

PureelectriccarsarebecomingthemaindevelopmentdirectionofnewenergyvehiclesinChina.Fortheperiodofpureelectriccarindustryisstillinthemarket,thisarticlemainlyonpureelectricvehicledevelopmenthistory,pureelectricvehicleenergymanagementandsupplymoderesearch,hopethatthroughthistopicresearch,cangiveapureelectriccarenergysupplyandmodelresearchgroupsorindividualstohelp,alsohopethatthroughthistopicresearch,myselftolearnmoreabouttheenergysupplyofpureelectriccars.

Keywords:

pureelectricvehicle:

energysupplymode:

automobileenvironmentalpollution:

第1章引言

1.1纯电动轿车概述

纯电动轿车是纯电动汽车的一种，（Blade Electric Vehicles ,简称BEV），它是完全由可充电电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力源的汽车。

纯电动汽车虽然它已有134年的悠久历史，但一直仅限于某些特定范围内应用，市场较小。

主要原因是由于各种类别的蓄电池，普遍存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等。

1.2纯电动轿车发展历史

早在19世纪后半叶的1873年，英国人罗伯特·戴维森制作了世界上最初的可供实用的电动汽车。

这比德国人戴姆勒和本茨（KarlBenz）发明汽油发动机汽车早了10年以上。

戴维森发明的电动汽车是一辆载货车，长4800mm，宽1800mm，使用铁、锌、汞合金与硫酸进行反应的一次电池。

其后，从1880年开始，应用了可以充放电的二次电池。

从一次电池发展到二次电池，这对于当时电动汽车来讲是一次重大的技术变革，由此电动汽车需求量有了很大提高。

在19世纪下半叶成为交通运输的重要产品，写下了电动汽车在人类交通史上的辉煌一页。

1890年法国和英伦敦的街道上行驶着电动大客车，当时的车用内燃机技术还相当落后，行驶里程短，故障多，维修困难，而电动汽车却维修方便。

在欧美，电动汽车最盛期是在19世纪末。

1899年法国人考门·吉纳驾驶一辆44kW双电动机为动力的后轮驱动电动汽车，创造了时速106km的记录。

1900年美国制造的汽车中，电动汽车为15755辆，蒸汽机汽车1684辆，而汽油机汽车只有936辆。

进入20世纪以后，由于内燃机技术的不断进步，1908年美国福特汽车公司T型车问世，以流水线生产方式大规模批量制造汽车使汽油机汽车开始普及，致使在市场竞争中蒸汽机汽车与电动汽车由于存在着技术及经济性能上的不足，使前者被无情的岁月淘汰，后者则呈萎缩状态。

由于1970年OPEC石油组织对西方国家的石油禁运政策，引起石油短缺，价格上涨，导致国外第二轮电动汽车研发高潮的到来。

Vanguard-公司批量生产的两人座的纯电动乘用车是当时的一个代表990年美国加州政府出台零排放车辆强制法规（Zero Emission Vehicle Mandate），规定1998年上市的零排放车辆必须占新车比例的2%，2003年上市的零排放车辆必须占新车比例的10%。

从而引发了世界各大汽车制造商开始了第三轮的纯电动乘用车研发和量产。

到2003年，由于零排放车辆强制法规实施困难，加州政府改变了政策，最终导致各大汽车制造商停止了纯电动乘用车生产。

以下介绍当时的几款非常流行的纯电动乘用车，它们的产量都超过1000辆。

1996年4月，本田公布Honda EV Plus纯电动乘用车，并开始进行道路试验。

1997年9月，本田开始在日本主要城市的本田销售公司出租装备数据记录器的Honda EV Plus，租期为36个月。

Honda EV Plus专门针对电动汽车开发了全新车身，能满足美国和日本的安全法规。

前轮驱动、4人座，三车门设计。

尺寸（长*宽*高）：

4,045*1,750*1,630 mm，轴距：

2530mm，装备质量1620kg。

配备电动助力转向，双安全气囊，真空助力制动，再生制动，ABS系统，热泵空调，投影型HID头灯，低阻轮胎：

195/65R14，气压：

303帕斯卡，直流无刷驱动电机的额定电压：

288V功率：

49kW@1700~8750rpm，扭矩：

275Nm@0~1700rpm，最高效率96%。

单级变速器。

动力电池由24组12V封装镍氢电池组成，总电压288V。

 Honda EV Plus的0~60 mile/h加速时间:

17.7s。

最高速度被电子限速器限制在130 km/h。

续驶里程：

200 km，车载接触式充电机输入电压：

交流 110/220V，输出功率：

1.1kW/4.2kW，充电时间：

6~8h（从20%充电到100%）。

Honda EV Plus只对外出租，租期要求三年，平均租金为489美元/月，它包括轮胎在内的维护费和交通事故保险。

同时要求车主有车库，必须购买充电设备。

另外交1500美元押金。

Honda EV Plus的计划销售价格是6万美元。

本田为用户安装使用时间表（Time of Use，简称TOU），租金5美元/月。

它可以在非高峰时间段给用户4美分/度电的优惠电费，大约是居民日常电费的1/3。

1995年，丰田试制20辆Toyota RAV-EV SUV原型车在日本和美国进行了两年300，000英里的试验。

1997年，Toyota RAV-EV SUV在加州、纽约和马塞诸萨州销售，因为这些地区实行强制法规要求丰田必须有2%的销售汽车是零排放汽车。

出租价格36个月16,000美元，或者477美元/月。

当时在整个纽约州只有一个公共充电站。

在加州所有大城市都有维修站，对动力系统有5年的保质期，但是更换电池费用超过一辆普通汽车的价格。

Toyota RAV-EV SUV的平均销量是300辆/年。

2003年春天，丰田停产Toyota RAV-EV SUV。

1998年丰田推出了新版本的Toyota RAV-EV SUV，它比汽油机版本的Toyota RAV，SUV重230kg。

该车动力电池由铅酸电池和镍氢电池混合组成。

Toyota，RAV-EV，SUV装备质量：

1560kg，永磁驱动电机：

50kW@3,100~4,600 rpm，免维护，与单级变速器集成，具备做功和发电功能。

23组镍氢动力电池电压288V，质量410 kg，布置在地板下面。

续驶里程：

200km，最高速度 125km/h，车载充电机：

电压220V，电流30A，完全充电需要6.5 h。

第2章纯电动轿车能源供给关键技术研究

2.1电池技术

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。

车用电池的主要性能指标包括比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。

要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。

2.1.1蓄电池

蓄电池蓄电池是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电，通常是指铅酸蓄电池，它是电池中的一种，属于二次电池。

它的工作原理：

充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出，比如生活中常用的手机电池等。

它用填满海绵状铅的铅基板栅（又称格子体）作负极，填满二氧化铅的铅基板栅作正极，并用密度1.26--1.33g/ml的稀硫酸作电解质。

电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，生成硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，生成硫酸铅。

电池在用直流电充电时，两极分别生成单质铅和二氧化铅。

移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。

铅蓄电池是能反复充电、放电，它的单体电压是2V，电池是由一个或多个单体构成的电池组，简称蓄电池，最常见的是6V、12V蓄电池，其它还有2V、4V、8V、24V蓄电池。

如汽车上用的蓄电池（俗称电瓶）是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。

2.1.2燃料电池

燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。

燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。

其单体电池是由正负两个电极（负极即燃料电极和正极即氧化剂电极）以及电解质组成。

不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。

而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。

因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。

电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。

原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。

这里我们以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池氢-氧燃料电池反应原理，这个反应是电解水的逆过程。

电极应为：

负极：

H2+2OH-→2H2O+2e-

正极：

1/2O2H2O2e-→2OH-

电池反应：

H21/2O2==H2O

另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。

在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。

PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H）相关，发生的反应为：

燃料极：

H2=2H2e-

（1）

空气极：

2H1/2O22e-=H2O

（2）

全体：

H21/2O2=H2O（3）

在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H和e-，H移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。

e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。

一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。

并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。

但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。

引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。

因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。

组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。

堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。

2.1.3现代纯电动汽车电池技术分析

随着汽车工业的快速发展，化石能源在不断减少的同时汽车尾气给环境带来的污染也越来越严重。

全球各大汽车企业不断推出自己的新能源动力车，比如天然气，氢能源，燃料电池等。

在目前的燃料电池技术中，有很多种新的电池技术，下面列举几个技术比较成熟的特例进行分析。

特斯拉18650钴酸锂电池技术

众所周知，特斯拉电动车的电池采用了松下提供的NCA系列（镍钴铝体系）18650钴酸锂电池，单颗电池容量为3100毫安时。

这种电池我们并不陌生，像笔记本电脑等电子数码设备使用的都是这种类型的电池，相比于其它电动车使用的电池类型，18650电池的技术更为成熟，比能量（参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小）方面它几乎是磷酸铁锂电池的两倍，也就是说，在同等体积的情况下，18650电池组成的电池单元可以储存更多的电能。

这也是特斯拉使用这种电池的其中一个原因。

尽管如此，把这种电池运用在电动车上还是有一定难度，比如，要想满足一辆电动车的使用需求就需要使用很多个18650锂电池，这就出现了一个要解决的问题，如何把它们组合在一起。

以特斯拉的MODELS车型为例，85kWh的MODELS的电池单元一共运用了8142个18650锂电池，工程师将这几千节电池组合在一起（如下图）的方式虽然被行业认为是件不可思议的事，但对于TESLA的工程师来说，相比接下来要解决的问题，那不过是一个稍稍复杂些的算数题。

比亚迪铁电池技术

作为全球最大动力电池生产基地，比亚迪深圳坑梓电池项目预计将于今年建成，将形成年产铁电池8GWh（千兆瓦时），可为约25000辆大巴或超60万台混合动力轿车提供电池。

届时比亚迪铁电池整体产能将达到10GWh/年。

与国内其他新能源车企相比，比亚迪最大的优越感就是能够掌握新能源电池生产的主动权。

而其稳坐国内新能源车销量冠军宝座，也与此密不可分。

2014年，全球电动汽车锂离子电池产能井喷，产量高达7000MWh（兆瓦时），同比增长约54%。

全球十大电池生产商的排名，松下位居榜首，其在锂离子电池市场份额占据了38%。

日产和NEC合资电池公司AESC排第二名，LG化学排第三，而来自中国的比亚迪排第四。

尽管比亚迪去年电池产能与松下相差还很远，但后来居上之势不可小觑，凭借电动客车和插电混动轿车秦的快速增长，比亚迪去年电池产能取得290%的惊人增幅，市场份额也从2013年的3%上升到6%。

　　值得注意的是，工信部今年8月14日公布的第72批节能与新能源汽车目录，却无意中泄露了比亚迪在电池路径上的新行踪。

在此目录中，比亚BYD6460STHEV车型入选，多种信息显示，这款车就是比亚迪将于今年第三季度上市的“宋”。

根据公告技术参数表，该车的电动车储能装置种类为镍钴铝酸锂电池，由惠州比亚迪电池有限公司生产。

这意味着比亚迪可能“变节”，不仅自主研发生产了三元锂电池，并且已到应用阶段。

[7]

国家工业和信息化部新能源汽车技术委员会一名相关人士近日接受《第一财经日报》记者采访时谈到，目前，国内在三元新材料研发以及应用上与国际依然有一段差距，国外在电池材料上发展更快。

比亚迪此前依然坚守磷酸铁锂电池技术，一方面是因为现阶段磷酸铁锂电池技术更稳定，另一方面是比亚迪要充分使用现有的生产体系和产能，但这并不影响比亚迪新能源电池朝多元化路线发展，据他掌握的情况，比亚迪确实已在开发车用电池三元体系。

在这种情况下，国内新能源乘用车主流车型的单车电池容量在20~30kWh,续航里程为80~120km。

不过，该报告也指出，近年来，比亚迪通过生产技术改进和完善，产品性能及质量水平不断提升。

比亚迪从双模电动车F3DM发展到秦，电池体质和重量降低了一半，技术提升非常显著。

面对众多竞争对手围攻，强调技术创新的比亚迪一点不松懈。

比亚迪上述内部人士告诉本报记者，比亚迪在手机等产品中已在使用三元材料，至于在新能源车电池，未来也不排除在现有的生产设备以及原料配方等方面做出调整的可能性。

科技不断在变化，比亚迪新能源车技术在动力、续航里程以及节能等方面加快技术研发的步伐。

比亚迪之所以一直坚持电子等产品代工业务，是因为在一定程度上可以从不同客户处吸取当下最先进的技术。

丰田燃料电池技术

作为在环保技术上始终引领全球化潮流的丰田公司，也当仁不让地将环保汽车技术的展示提升到前所未有的高度。

已于去年量产上市、着眼于实现未来氢能源社会的燃料电池车“MIRAI”（在日语中意为“未来”）和国产的混合动力版卡罗拉、雷凌以全新的姿态震撼登场。

从燃料电池车“未来”的性能来看，其加满氢燃料一次性续航里程可达650公里，车内可乘坐4名人员，采用前驱布局设计，仅需3分钟就可以再次补足氢燃料。

据悉，该车的最高时速约为161公里/小时，0-100公里/小时加速时间大约10秒左右，这个表现基本上和1.8L汽油车型相仿。

燃料电池汽车通过氢和氧化学反应来驱动行驶，相比传统内燃机，它的做功效率不仅有了明显提升，同时不会排放CO2、氮氧化合物等有害气体，被视为终极环保汽车典型代表，如今已有多家国际车企投入到研发当中。

除了丰田以外，包括日产和本田在内的其它车企都计划在今年投入超过240亿美元的费用来研发燃料电池车技术。

作为可代替汽油的燃料，氢能非常环保，且可以从多种原料里面提取。

丰田一直致力于实现这一理想汽车的开发工作，并努力使其尽早普及，从2002年就已经开始在日本美国限量发售了燃料电池混合动力汽车“丰田FCV”，从而在燃料电池汽车的开发方面确立了坚实的成果和其先驱者的地位。

2.2能量管理技术

能量管理系统是电动汽车的智能核心，它的作用是检测单个电池或电池组的荷电状态，并根据各种传感信息，包括力、加减速命令、行驶路况、蓄电池工况、环境温度等，合理地调配和使用有限的车载能量；它还能够根据电池组的使用情况和充放电历史选择最佳充电方式，以尽可能延长电池的寿命。

电池当前存有多少电能，还能行驶多少公里，是电动汽车行驶中必须知道的重要参数，也是电动汽车能量管理系统应该完成的重要功能。

电动汽车实现能量管理的难点，在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。

2.2.1能量存储系统

现代汽车的瓶颈仍然是车用存储装置，即电池技术、电池能量成本、质量以及电池充电设施建设等，都制约着电动汽车的发展，

目前电动汽车对其储能装置的要求如下：

高效的比能量和能量密度。

高的比功率和功率密度。

长循环寿命自然放电率小，充电效率高。

安全易保养。

原材料丰富，成本低。

对环境无污染，可回收性能好。

现在还没有一种能源能够完全满足上述条件，选用某种蓄电池只能满足上述部分要求，为解决一种能源不能同时提供足够高的能量比，另一个具有高比功率，有蓄电池与之结合的双能源系统也能采用蓄电池和超级电容，蓄电池和超高飞轮结合的系统。

2.2.2能量管理系统

由于电动汽车车载能量有限，其行驶里程远远达不到传统能源汽车要求，能量管理系统采集从各个子系统输入的传感器信号，这些传感器包括车外温度传感器、充放电时电源和电压传感器，电动机电流和电压传感器，速度和加速度传感器，以及车内外和气候传感器等。

第3章纯电动轿车能源供给模式研究

3.1充电设备

3.1.1常规充电

1典型常规充电站的规模

根据目前电动汽车常规充电的数据资料，一般以20~40辆电动汽车来配置一个充电站，这种配置是考虑充分利用晚间谷电进行充电，缺点是充电设备利用率低。

在高峰时也考虑充电，则可以60~80辆电动来配制一个充电站，缺点是充电成本上升，增加高峰负荷。

3.1.2电动汽车充电站

a方案:

建造配电站设计2路10KV电缆进线（配3*70mm电缆），2台500KVA变压器，24路380V出线。

其中二路为快速充电专用出线（配4*120mm电缆、50M长、4回路），二路为机械充电或备用出线，其余为常规充电出线（配4*70mm电缆、50M长、20回路）

b方案:

设计2路10KV电缆线（配3*70mm电缆），设置2台500KVA用户箱变，每台箱变配4路380V出线（配4*240mm电缆、20M长、8回路），每路出线设置一台4回路电缆分支箱向充电柜供电（配4*70mm电缆、50M长、24回路）。

3.1.3折叠快速充电

1典型快速充电站的规模

根据目前电动汽车快速充电的数据资料，一般以同时向8辆电动汽车充电来配置一个充电站。

2充电站电力配套的典型配置

a方案、建造配电站设计2路10KV电缆进线（配3*70mm电缆），2台500KVA变压器，10路380V出线（配4*120mm电缆、50M长、10回路）。

b方案、设计2路10KV电缆线（配3*70mm电缆），设置2台500KVA用户箱变，每台箱变配4路380V出线，供充电站（配4*120mm电缆、50M长、8回路）。

3.1.4折叠机械充电

1机械充电站的规模

小型机械充电站可以结合常规充电站建设同时考虑，可以根据需要选择更大容量的变压器。

大型机械充电站一般以80~100组充电电池同时