电动汽车技术发展研究大学毕业论文.docx
《电动汽车技术发展研究大学毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电动汽车技术发展研究大学毕业论文.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电动汽车技术发展研究大学毕业论文
黑龙江大学
毕业论文
题目：
电动汽车技术发展研究
专业：
班级：
学生姓名：
指导教师：
电动汽车技术发展研究
摘要
关键词：
电动汽车；电池；新能源；技术发展
Abstract
Thispapermainlyintroduceselectronicthehistoricalbackground,developmentandnewtechnologicalresearch,thecarwiththegrowthoutlookandthecarwiththetrends,newbatterytechnologyelectricthemanagementsystem,etc.onthetechnologyresearchandanalysis,tosolvetheproblem,inthefuturecardevelopmentoftheelectriccarstothedevelopmentofthedirectionandthetrend.
Keyword:
Electriccarbattery,newenergyandtechnologydevelopment
电动汽车技术发展研究
第1章绪论
电动汽车诞生于1873年，比内燃机汽车还早13年。
但是受电池和驱动控制系统的局限，其发展远远落后于内燃机汽车。
上个世纪70年代，石油危机使主要工业国家认识到发展电动汽车的重要性，由于石油资源的缺乏和环保意识的提高，全球汽车工业可持续发展面临能源和环境问题的巨大挑战，人类越来越需要可节省能源和低排放甚至是零排放的绿色环保汽车。
以美、日为代表的国家开始了电动汽车的第二次开发热潮，并在许多关键技术的基础研究上取得成果。
到了上个世纪90年代，出于环境保护和节约资源的双重考虑，世界范围内又掀起第三次电动汽车研究和开发热潮。
电动汽车也由原来单一的全由电池供电的纯电动汽车BEV（BattervElectricVehicle）发展成为现在的三大类：
纯电动汽车EV（ElectricVehicle）、混合动力电动汽车HEV（HybridElectricVehicle）和燃料电池电动汽车FCEV（FuelCellElectricVehicle）。
从当前的技术发展趋势来看，纯电动汽车由于受到电池性能的制约，续驶里程较短，难以推广应用。
燃料电池汽车的基础设施投入巨大，车辆成本极高，更不易在短期内实现产业化。
而混合动力汽车具有节约能源、排放污染低、续驶里程长、不改变基础设施等突出优点，是目前实现产业化的最佳产品。
近二十多年来，各国政府争相发展以纯电动汽车为代表的新能源汽车。
在各国政府的推动下，电动汽车研发与市场应用取得了突破性进展，纯电动汽车的商业化生产也在逐步推进。
西方工业发达国家政府把电动汽车的研究开发看作解决环境问题和能源问题的一种有效手段，在经济上给予大力支持。
美国政府至今已出资数百亿美元支持汽车厂商和相关厂商进行电动汽车技术的开发研究。
美国三大汽车公司1991年联合成立了美国先进电池联合体，投入了4.5亿美元，其中政府拨款2.25亿美元，共同开发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃科电池等各种高性能蓄电池。
日、法、德等国各大公司也投入巨资研究开发高性能电池。
在电动汽车整车研究开发方面，至90年代末期，国外大汽车公司已开发生产了100多种型号的纯电动汽车、燃料电动汽车和混合动力汽车。
其中，已有10多种纯电动汽车车型投入商业化生产；近年来，燃料电池电动汽车成为新的开发热点，美国计划到
2010年市场上燃料电池汽车占市场4%份额，达到60万辆，日本政府发布燃料电池汽车发展计划--2010年5万辆，2020年500万辆；在纯电动汽车和燃料电池汽车因技术和成本问题尚未进入批量生产情况下，为了尽快降低燃油汽车的排放，美日等国正在广泛研制混合动力汽车，目前已经开始小批量商业化生产。
从世界范围来看，我国电动汽车的研制与国外发达国家几乎站在同一起跑线上。
"九五"期间，科技部将电动汽车项目列入国家重大科技产业工程项目，投入近1亿元。
国内汽车公司、大学和研究机构即开始研制电动汽车，并逐步掌握了整车集成、控制系统集成等关键技术。
至2001年初，已推出纯电动轿车、混合动力轿车、混合动力客车、燃料电池电动客车。
"十五"期间，国家863计划设立电动汽车专项，国家和地方政府直接划拨以及国有企业投入的资金总额约30亿元。
目前，已经有上百家企业、高校和研究所列入项目研发单位行列，如三大汽车集团、长安汽车公司、奇瑞汽车公司，以及电机、电池企业。
至2002年，随着电动汽车重大专项的实施，已形成了多家产学研结合、金融机构介入的专业研发生产电动汽车的新型股份制企业，包括东风电动车辆股份公司、天津清源电动车辆有限公司、上海燃料电池汽车动力系统有限公司、北京时光科技有限公司、奇瑞电动汽车股份有限公司、大连新源动力股份有限公司、北京清华新能源汽车工程中心等。
目前，整车方面已初步形成产品开发的系统配套、管理机制和团队组合，纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车样车均已实现，关键零部件、燃料电池发动机已形成系统，高功率镍氢电池、锂离子电池性能有了较大提高，多能源控制系统初步形成。
第2章电动汽车的发展状况
2.1纯电动汽车
虽然内燃机汽车不断采用新技术扩大空燃比，提高排气净化技术，但仍然存在石油燃料的消耗和对大气的“低污染”等问题。
因此，电动汽车作为一种“零污染”的汽车应运而生。
“零污染”电动汽车又称纯电池车，全由电池供电，采用电动机驱动。
纯电动汽车（BEV）由蓄电池供电，电机驱动行驶，可实现零排放，动力性、经济性、安全性和可靠性等达到或接近普通内燃汽车，续驶里程能满足一般运行要求，同时具有低噪声、易维修、可利用低谷电以节能等优点，是未来理想的交通运输工具。
[1]纯电动汽车技术基本成熟，但在动力性能、续驶里程、制造成本和可靠性等方面还无法与内燃机汽车相比。
作为动力源的各类型蓄电池（主要镍镉型、铅酸型、镍锌型、锂型、钠镍型、钠硫型、镍氢型等）不同程度地存在着成本高、寿命短、比能量低、比功率小、体积和重量大、充电时间长等问题。
目前，还没有一种电池全面适合电动汽车，这使得蓄电池成为电动汽车发展和普及的瓶颈。
此外，必须解决的关键技术及配套装置还有电机及其控制系统、充电站等。
国家科委、计委在"八五"、"九五"期间组织了纯电动汽车的攻关，现在又将纯电动汽车列入"十五"国家863计划电动汽车重大专项。
国内大型汽车企业、高等院校、研究单位对纯电动汽车的研究也热情高涨，通过多轮试制，力争在"十五"结束时实现电动汽车的产业化。
"十五"863专项中，承担电动大客车项目的有北方车辆厂和北京理工大学，将在尼奥普兰底盘上改装电机驱动大型客车；承担纯电动轿车研发的是上汽奇瑞和上海交通大学；另一团队是天津汽车和中国汽车工业研究中心。
"十五"目标是：
解决关键技术，完成可实用的电动汽车的开发，并实现产业化。
主要研究内容：
电动汽车的总体设计；先进的电池技术；电动机及控制驱动系统；整车监控与管理系统、使用环境与配套技术等[2]。
目前在纯电动汽车的电池和电机研制方面，我国与世界先进水平差距较小，有些甚至处于领先地位。
如深圳雷天绿色电动源（深圳）有限公司开发的锂离子电池续驶能力达到
300公里，最高时速可达120公里，单台车电池成本4万元左右；深圳中星汽车制造公司研制的超级纳米碳纤素电池容量是一般铅酸电池的11倍，能量功率之比可达每千克一千瓦时，充电仅需10分钟就可以完成，寿命可达10年以上，价格为锂电池的一半，体积为锂电池的1/3，商业化前景看好。
安徽兆成电动车辆技术有限公司开发的水平极板铅酸蓄电池具有较高的性能指标，已经获得国家专利。
中国科学院北京三环通用电气公司开发出电动汽车专用7.5千瓦电机等。
这些都是中国电动汽车高性能电池和驱动电机技术的重大突破。
2.1.2纯电动汽车的特点
与内燃机相比，它具有以下优点：
（1）不消耗石油资源
（2）不排放废气，清洁无污染，真正实现零排放（3）电动机易于电子控制，几乎可以随意改变稳态特性，可简化甚至省去变速齿轮装置（4）电动机可方便实现四象限运行（再生制动），不需要专门的逆齿轮装置;由于能产生制动转矩，因而大大减少机械制动磨损（5）电动机无曲轴，旋转对称，运行振动小，低噪声，且不存在使材料产生疲劳的高温，寿命长，结构简单，使用维修方便。
基于上述优点，纯电动汽车被公认为是最有发展前途的交通工具[3]。
2.1.3纯电动汽车的缺点
电池技术的发展缓慢，使它在爬坡、加速和一次充电后续驶里程短的不足很难令人们满意。
尽管在改进提高电池性能、研究开发新型电池、采用先进的驱动推进系统、减轻车体重量、降低阻力诸方面都有重大进展，但仍难于满足用户的要求。
如通用公司所推出的EVl、S—10、丰田公司的RAV4EV，福特公司的RCOstar、Ranger，雪铁龙公司的AX106、SAXO改用了镍镉、镍氢电池，以及锂离子电池，虽然所能达到的续驶里程也有200～300km，采用快速充电也只要十来分钟，比早期的电池车优越得多，但它还是不能像内燃机汽车那样，几分钟车内油箱装满后续驶里程达到400～500km以上，并且其价格比同类内燃机汽车贵许多，致使纯电动汽车始终难与燃油汽车竞争。
目前纯电动汽车正在谋求高能电池，例如燃料电池，或高能储能器等作为电动汽车新的车载能源，但还在实验试制阶段，离应用和产业化还有较大距离。
现代电动汽车主要性能指标见表2-1[4]。
表2-1现代电动汽车主要性能指标
制造商
丰田
本田
通用
通用
日产
车型
RAV4EV
EVPLUS
EVl
S—l0
EVN30
尺寸
长mm
3890
4045
4309
4793
44770
宽mm
1695
l750
l766
l725
l765
高mm
l675
l630
l28l
l62l
l680
质量
空车kg
l540
l620
l350
l950
l730
总质量kg
l8l5
l840
2720
2336
2005
乘员人
5
4
2
2
5
性能
续驶里程km
2l5（多工况）
220
l20～208
l02.4～ll5.2
230
最高车速km／h
l25
130
128
125
120
爬坡度tan0
0.28
0.30
0.38
0.28
0.38
转弯半径m
5.5
4.8
4.95
5.5
5.4
电机
功率kW
50
49
102
80
62
转速r／min
3l00～4600
l700～8500
7000～l5000
5600
3720～8500
主电池
容量／电压／AH（HR）V
95／5／l2
95（5）／l2
48／l2
48／l2
94／（30）／8
只数
24
24
26
10
总电压V
288
288
312
288
充电
电压／电流V／A
单相200／30
单相200／30
单相200
200／40
充电时间h
6.5
8
8
5
2.2混合动力电动汽车
目前世界上大多数大汽车公司，都充分利用内燃机汽车的先进技术和电动机的无污染特性，将它们共同组成混合动力电动低污染”的车辆，作为内燃机汽车向电动汽车发展的过渡产品。
HEV近年来的发展速度明显高于Ev。
从技术的角度来看HEV能够快速发展的原因主要有：
（1）不必添置投资巨大的地面充电设施，不必大规模改造现有工装设备，可满足日益严格的环保法规要求。
（2）HEV独有的技术创新是其快速发展的关键。
HEV除了采用传统的内燃机汽车的新技术之外，如采用高效发动机、流线车身设计降低风阻，采用轻质车身材料、低滚动阻力轮胎等，还采用了如下两项独特技术：
0）HEV通过部件工况的改善和效率的提高来实现整个系统性能的优化，它是基于系统结构概念上的创新，所以HEV被认为是体现系统最优化思想的杰作；②HEV通过再生制动（在车辆减速或制动时，将其中一部分动能转化为其他形式能量的过程
），减少能量损失。
再生制动给作为储能动力源的蓄电池补充的能量，能使电动汽车一次充电后行驶里程增加10％～25％。
例如：
丰田的Prius可以回收大约30％的能量，否则这部分能量将会因摩擦制动而以热的形式散失掉。
（3）HEV的成本略高于内燃机汽车，但大大低于纯电动汽车。
HEV仍处于小批量阶段，一旦形成经济规模，仍有降低成本的空间。
如果加上政策支持和在使用过程中的省油，必定会被消费者所接受。
正是由于HEV有以上许多优点，以日本、美国为首的汽车发达国家正在争相开发HEV，并努力使其市场化。
[5]目前，丰田公司生产的Prius混合动力电动汽车在全世界的销量已经超过5万辆，截至2002年3月底，丰田HEV全球销量突破10万辆，占全世界HEV的90％。
该公司生产的Insight混合动力电动汽车在全世界的总销量已经超过5000辆，被认为是当今技术水平最高的HEV之一。
美国的通用汽车公司也在1998年底特律北美国际汽车展上推出了EV1型混合动力电动汽车。
2.3燃料电池电动汽车
FCEV是依靠燃料电池作为能源动力的电动车辆。
燃料电池作为一种将化学能转换成电能的发电装置，它不经历热机过程，不受热力循环限制，具有能量转换高（化学能转换效率理论上可达80％，实际已达50％以上，是普通内燃机效率的2～3倍）、污染小、噪声低、运动部件少等优点，它通过外部提供活性物质来发电，不存在容量限制和自放电问题，是一种较为理想的电动汽车动力源。
与内燃机汽车相比，氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少了99％，CO，的生成量减少75％，电池能量转换效率约为内燃机效率的2．5倍。
因此，世界各大汽车公司都在不遗余力地开发燃料电池电动汽车，燃料电池汽车已成为他们的竞争焦点。
2000年5月，美国戴姆勒一克莱斯勒公司的甲醇改质型燃料电池汽车“NECAR5”首次成功横穿北美大陆，行驶距离为5250km，最高速度145km／h；另外，美国联邦快递公司从2003年6月开始在东京都市区投入使用，这些都说明洁净燃料电池汽车的开发将为解决世界能源危机和环保问题提供有效的途径，是未来电动汽车的发展趋势之一。
各国开发燃料电池汽车的情况如表2-2所示[6]。
表2-2世界各大汽车公司开发燃料电池汽车的情况
制造商
汽车型号
年份
燃料储存方式
燃料供给方式
其他混合动力
戴勒姆一克莱斯勒
Necar
1994
压缩氢气
直接
Necar2
l996
压缩氢气
直接
Necar3
1997
甲醇
重整
Necar4
1999
液态氢
直接
蓄电池
概念车
1999
汽油
重整
福特
P2000
1999
压缩氢气
直接
THINKFC5
2000
甲醇
重整
雷诺
Laguna／Estate
1997
液态氢
直接
蓄电池
大众
概念车
1997
甲醇
重整
蓄电池
通用
概念车
1999
汽油
蓄电池
日产
概念车
1999
甲醇
马自达
Demio
1997
金属氢化物
重整
蓄电池
丰田
RAV4
1996
金属氢化物
蓄电池
RAV4
1997
甲醇
重整
本田
FCX—Vl
2000
金属氢化物
FCX—V2
2000
甲醇
第3章车用电池发展现况
现代电动汽车的瓶颈仍然是车用电池技术，电池的能量、成本、质量以及电池的充电设备构建等都制约着电动汽车的发展。
因此，各国除了在电动汽车的驱动、传动机构上大量投入外，在车用电池的研究投入上也集中了大量的人力、物力，尽管如此，目前车用电池仍然不能满足时代发展的需要。
目前已在电动汽车上使用的电池主要是蓄电池、燃料电池和太阳能电池。
蓄电池的种类较多，有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、钠硫电池、锌空电池、铝空电池、锂离子电池等等。
主要车用电池参数如表3-3所示[7]。
表3-3主要车用电池参数
电池类型
比能量
此功率
能量密度
功率密度
循环寿命
（Wh／kg
（W／kg
（Wh／L）
（W／L）
（次）
铅酸（VRLA）
35
130
90
500
400～600
镍镉（Ni-Cd）
55
170
94
278
5OO以上
镍氢（Ni—MH）
80
225
143
470
10OO以上
锌空Zn／Air
230
105
钠硫（Na／S）
100
150
77
129
350
锂聚合物（Li-PO）
155
315
184
321
锂离子（Li—ion）
100
300
215
778
1200
超级电容器（U1tra—capactor）
5
1000
飞轮电池（Flywhee1
14
800
25年
燃料电池（Fuelcel1）
500
60
3.1主要车用电池简介
（1）铅酸蓄电池已有100多年的历史，被广泛用作内燃机汽车的起动动力源。
它可靠性好，原材料易得，价格便宜，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。
目前约有
80％～90％的采用率。
但它的比能量低，所占的质量和体积太大，无法存车辆上大量使用。
（2）镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达55Wh／kg，比功率超过170W／kg，可快速充电，循环寿命较长，是铅酸蓄电池的2倍多，但价格是铅酸蓄电池的4～5倍。
由于在能量和使用寿命方面的优势，其长期的实际使用成本并不高，但是存在使用中镉污染的问题。
（3）镍氢电池的特性和镍镉电池相似，但镍氢电池不含镉、铜，不存在重金属污染问题，被称为绿色能源，目前在世界范围内正被广泛生产和使用。
镍氢电池比能量80W／kg，比功率160～230Wh／kg，可快速充电，循环寿命1000次以上。
其显著特点除了重量轻、比能量高、使用寿命长外还具有放电电压平稳、输出功率高，可以深充放电，无记忆效应等特点。
（4）钠硫电池也是一种可充电的高温电池（350~C左右），因其比能量高、可高功率输出、负载特性好等突出优点，已被USABC（先进电池联合体）列为中期发展的电动汽车蓄电池。
钠硫电池主要存在高温腐蚀严重、电池寿命较短、性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。
（5）锌空电池的主要原料是锌粉，加上液体氢氧化钾，在与空气接触过程中产生化学反应而产生电能。
它能在不同温度下工作，生产成本低廉，基本同于现在普遍使用的铅酸电池，但容量却是铅酸电池的5倍。
但目前尚存在寿命短、比功率小，不能输出大电流及难以充电等缺点。
（6）锂电池有锂离子电池和聚合物锂电池等，其具有比能量大、电压高、使用寿命长和无记忆效应等特点，锂电池的能量密度（体积能和质量能）几乎是镍镉电池的1，5～3倍，也就是说在同样大小能量的情况下，锂电池的体积和质量可减s|~l／2左右。
因此，它被很多汽车企业列为电动汽车蓄电池长期开发的目标。
（7）飞轮电池是上个世纪90年代初，由美国开始发展的一种全新概念的蓄电池，其能量以高速旋转的飞轮储存。
它实际上是一种特殊性能极高的电机，其电枢转子起“飞轮”作用充电时，该电机以电动机形式运转，在外电源驱动下，电机带动飞轮高速旋转。
放电时，电机则以发电机状态运转，对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换，当飞轮输出电能时，飞轮转速下降。
它对材料的要求极高：
目前，美国飞轮系统公司（AFS）已用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改装成了电动汽车AFS20，一次充电可行驶600km，O-90km／h的加速时间仅为
6.5s，这是蓄电池飞跃发展的新里程碑。
（8）超级电容器有大于l000kW／kg以上的比功率，是提高车辆加速、爬坡和能量回收的重要器件。
它虽然不是电池，但因可辅助提高蓄电池或燃料电池在快速起动时的输出密度，而且在汽车制动回收再生电流时可对短时间大电流急速充电起缓和作用，所以引起世界各国的高度重视。
最近日本和美国都在研究开发高能量密度的电容器。
（9）燃料电池是一种利用外部提供活性物质发电的装置，具有污染小、噪声低、运动部件少、能量转换高的优点。
因此，世界各大汽车公司都把燃料电池汽车作为目前的重点发展。
目前，燃料电池研究开发代表世界先进水平的是加拿大的巴拉德（Ballard）公司。
戴勒姆一克莱斯勒Necar4、福特P2000、本田FCXV1、日产FCV都已成功采用巴拉德公司的700型燃料电池。
900型燃料电池的开发历时6年，也已从实验室研究进入到了样车试验阶段。
（10）太阳能电池利用取之不尽的太阳能资源，是最理想的电动汽车车用电源。
但目前太阳能电池的光电转换率较低，且受天气的限制，作为主电源利用的可能性不大[8]。
3.2电动汽车用电池的发展展望
由于地球上汽油等燃料储备不断减少，发展电池作为替代能源已成为世界各国的一种不可逆转的趋势。
从目前车用电池的发展来看，镍氢电池可能是汽车动力用电池的首选对象，它已经规模化生产，性能稳定，其质量比、体积比功率、质量比功率、电池寿命和重复充放次数等方面（除成本指标偏高外）均已达NUSABC车用电池目标要求；其次，锂电池从技术性能指标、产品规模化生产程度和发展前景看，有可能成为汽车用电池的潜在竞争者，其容量大、体积、质量小的优点正符合现代电动汽车的要求；另外，燃料电池的应用前景乐观，随着电化学技术的进一步发展，燃料电池可能尚在实验阶段的电池，如飞轮电池、太阳能电池，有着寿命长、环保等优点，在未来的车用电池中也必将占有一席之地[9]。
总之，未来电动汽车用的电池应具备以下特点：
（1）高比能量（它关系到一次充电可行驶的距离）；
（2）大功率（它涉及到电动车的加速特性和爬坡能力）；
（3）长循环寿命（它涉及到流动成本）；
（4）高充放效率（它涉及到省能源及成本）；
（5）原材料来源丰富，低成本（它涉及到基本建设费用等）；
（6）安全（它关系到在使用过程中是否可靠，方便）；
（7）易保养（关系到可靠性和方便性）；
（8）与环境友好（涉及到资源能否再生及环境保护等问题）。
第4章发展电动汽车的关键技术
发展电动汽车必须解决好3个方面的关键技术：
电池技术、驱动电机及其控制器、能量管理技术。
4.1电池技术
无论哪种新能源汽车,其研发的焦点主要都集中在动力电池的材料、性能、参数上,而只有电池技术取得进步,新能源汽车才有转变能源需求的可能。
从某种意义上讲,未来汽车厂商之间的竞争,主要是动力电池性能的竞争。
谁掌握了动力电池的领先技术并将其产业化,谁就会在未来汽车市场占得先机。
电源是制约电动汽车发展的关键之处。
对车载电源的基本要求是比能量高,使用寿命长,成本低。
目前正在使用和开发的动力电池主要有以下几种：
镍镉电池应用广泛程度仅低于铅酸蓄电池，可以快速充电，循环使用寿命长，为铅酸蓄电池的2倍以上，可达2000多次；但其价格较高且存在重金属镉污染问题。
其应用有一定的极限性[10]。
镍氢电池镍氢蓄电池比能量可达75～80Wh/kg，比功率达160～230W/kg，循环使用寿命超过600次，随着镍氢蓄电池技术的发展，其比能量可超过80Wh/kg，循环使用寿命可超过2000次，远景价格可降至150美元kWh。
丰田E-com电动车采用该型蓄电池，该车最高车速可达100km/h,行驶里程100km。
镍氢动力电池是目前混合动力汽车所用电
升级会员 