毕业论文国内电动汽车的现状与发展趋势05783.doc

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1、摘 要：当今世界节能和环保日益引起关注，因此电动汽车正在加速发展，本文综合论述了纯电动汽车的现状、挑战、主要构造和原理、存在的问题。并对它们的未来的发展趋势作了展望。关键词：电动汽车 挑战 主要构造和原理 存在的问题 发展趋势1 引言汽车自诞生起已有100多年的历史，其发展速度不断的加快，与人们的联系越来越紧密。汽车已不再是一个简单的代步的运输工具，已成为许多人的生活必需品和文化生活的一部分，甚至成为一些人的流动办公室。汽车的普及程度和技术水平已成为一个国家或地区现代化程度的标志。 汽车已成为当今人类社会不可缺少的交通工具，它对人类的进步产生了不可替代的巨大推动作用。但同时也面临着来自环境保护

2、、能源短缺、道路交通事故等方面越来越严峻的挑战，并带来了一系列的负面效应。汽车在其生命的全周期内对公共环境和公众健康甚至生命产生了一系列的危害，此即汽车的环境危害。汽车的环境危害包括汽车杂生产过程中、使用中和报废后的环境大气污染（包括温室气体、臭氧层破坏和空气污染）、水质污染、废弃物、环境噪声、电波对人体的危害及对用电器的干扰等。汽车的环境大气污染包括两层含义：其一是汽车排放的二氧化碳、硫化物、氮氧化物等使温室效应加剧、臭氧层破坏和形成酸雨等大气环境问题；其二是汽车尾气排放的各种化合物和臭味气体等造成的局部空气污染（特别是城市空气污染），进而对人类和动植物产生危害，严重威胁着人类的身体健康。

3、随着人民生活水平的提高，人类对生存环境的要求也越来越高，降低汽车的有害排放物的呼声与日俱增，在美国已经出台了部分汽车零排量的法规，在我国也正在筹划实施用于北京2008年的“零排放”车队。因此，就目前的情况来看，环境公害是汽车行业面临的最大挑战。 汽车面临的挑战之二就是能源供应问题。从人类对可持续发展的观点的出发，人类应设法减少对有限的石油资源的消耗，并且应积极研究石油枯竭后汽车的能源问题。目前时间范围内使用的主要能源有石油、煤、天然气、核能（原子能）、水能、风能以及可再生资源等。虽然每年都有新的油田、气田的发现，但是这些资源都是有限的，总有一天会消耗殆尽。 我国面临的形式也十分严峻，国内的石油

4、储藏量和开采量相当有限，随着汽车保有量的增加，石油需求越来越多，目前已不能自给，不足部分主要通过进口来满足，而且每年成递增趋势。 由于电动汽车具有突出的环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。电动汽车使用的能源是可以用与发电的一切能源。因此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给有保障。电动汽车在解决道路交通事故方面和传统汽车相比也具有一定优势。因此，开发电动汽车是迎接汽车面临挑战的重要对策之一。2 我国电动汽车发展情况2.1 我国电动汽车的发展概况与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也正在如火如荼的进行着。十五期

5、间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，设立电动汽车重大科技专项，通过组织企业、高等院校和科研机构，集中国家、地方、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关。为此，从2001年10月起，国家共计拨款8.8亿元作为这一重大科技专项的经费。我国电动汽车重大科技专项实施4年来，经过200多家企业、高校和科研院所的2000多名技术骨干的努力，目前已取得重要进展：燃料电池汽车已经成功开发出性能样车，燃料电池轿车累计运行4000km，燃料电池客车累计运行8000km；混合动力客车已在武汉等地公交线路上试验运行超过14万km；纯 电动轿车

6、和纯电动客车均已通过国家有关认证试验。2.2 我国电动汽车的发展模式燃料电池汽车：均采用电-电混合驱动方案，在整车操控性能、行驶性能、安全性能、燃料利用率等方面均已得到较大提高。2004年5月在北京召开的世界氢能大会上，我国自主研发的燃料电池轿车和客车样车与世界领先的奔驰公司样车同堂展示，引起了世界的惊赞。在10月举行的必比登世界清洁汽车挑战赛上，我国自主研发的燃料电池轿车在7个单项奖中获得5个A(在高速蛇行障碍赛、噪音、排放、能耗、温室气体减排5个单项指标方面的最高等级)的好成绩，燃料电池城市客车也以较高的技术性能和可靠性在挑战赛中取得了良好的成绩。 混合动力汽车：一汽、东风、长安、奇瑞等汽

7、车公司对此都投入了较大的人力、物力。各车型均已完成功能样车开发。2003年11月8日，湖北省启动武汉电动汽车试验示范运行工作，先后投yk6辆由东风电动车辆股份有限公司研制的混合动力客车，已累计运行14万km，载客15万人次；混合动力轿车按ECE城市工况与基本车型进行的对比试验显示，其燃料经济性提高40%左右，达到了节油的目的。长安汽车公司采用同轴ISG轻度混合方案，成功开发了第二轮功能样车和第三轮性能样车，并在国内率先开展了混合动力专用发动机开发。经过国家检测机构测试，动力性能接近参考车的水平，综合油耗降低17%，排放达到欧标准。纯电动汽车：目前纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心的型式

8、认证试验，各项指标均满足有关国家标准和企业标准的规定。天津清源电动车辆有限公司等单位研发的纯电动轿车，其整车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已超过法国雪铁龙公司赠送的纯电动轿车和箱式货车，初步形成了关键技术的研发能力。北京理工大学等单位初步完成了北京理工科凌电动车辆股份有限公司密云电动车辆产业化生产基地的建设，并于2003年12月30日顺利通过北京市公共交通总公司组织的示范运行车组验收。小批量研发生产的4种车型、近40辆公交车即将投入北京市奥运电动示范车队的示范运行。2.3 国外主要国家电动汽车发展情况世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进展和突破。第一，

9、日本：一直以来，出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来世界市场的考虑，日本十分重视电动汽车的研制与开发。从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面，日本居世界领先地位。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。1997年12月，丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS。该轿车于2000年7月开始出口北美，同年9月开始出口欧洲，现在已经在全世界20多个国家上市销售。目前推出的产品已经是多次改进后的第二代产品，其生产工艺更为成熟。根据丰田汽车公司的测

10、试，PRIUS轿车在城市工况下比同等排量的花冠轿车节油44.4%；在市郊节油29.7%，综合节油40.5%。有关统计数据显示，丰田汽车公司已占有全球混合动力汽车市场90%的份额。2004年9月15日，一汽集团与日本丰田汽车公司在北京举行了混合动力汽车合作项目签字仪式，宣布双方在2005年内，共同生产丰田PRIUS混合动力轿车。PRIUS混合动力轿车将在同年进入中国市场。 继PRIUS混合动力轿车之后，丰田汽车公司还推出了ESTIMA混合动力汽车和搭载软混合动力系统的CROWN轿车。丰田汽车公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界的前列。此外，本田汽车公司开发的In

11、sight混合动力电动汽车也已投放市场，供不应求。2002年4月，本田汽车公司在美国市场上投放了Civic混合动力汽车。日产汽车公司近日宣布，将于2006年向美国市场销售Altima牌混合动力汽车，这是其于2002年与丰田汽车公司签署联合生产混合动力汽车协议的第一个产品。 第二，美国：美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的同行逊色不少，三大汽车公司仅仅小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前还未能实现产业化，来自日本的混和动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。美国能源部与三大汽车公司于1993年签订了混合动力电动汽车开发合同，其中通用汽车公司投入1.48亿美元，

12、福特汽车公司投入1.38亿美元，克莱斯勒汽车公司投入8480万美元，进行为期5年的研制开发工作，并于1998年北美国际汽车展上展出了样车。在此基础上，现已推出三款混合动力概念车GM3 电动汽车的构造与原理电动汽车的分类，如图31所示。电动汽车类型纯电动汽车车混合动力汽车燃料电池汽车铅酸蓄电池 钠硫电池 镍锌电池 空气电池锂离子电池内燃机+电池燃料电池蓄电池燃料电池电容+太阳能蓄电池+电容（飞轮）蓄电池 燃料电池 储能器 电容 飞轮 H2燃料电池 甲醇燃料电池重燃料电池 图313.1 纯电动汽车（EV）3.1.1 EV概述 采用电能作为能源的电动车辆，已有100多年的历史，现在已具有多种多样的电

13、动车辆。电动汽车与普通汽车的主要区别是动力源的改变，EV用蓄电池电动机系统。EV是一种最好的“零污染”或“超低污染”的车辆。它没有噪声和振动，操作性良好，远远地优于内燃机汽车，是当前开发和研制取代内燃机的首选车型。3.1.2 EV的基本组成部分 1） 车载电源的发展 第一代的EV电池都是铅酸蓄电池。由于铅酸电池的比能量和比功率不能满足EV动力性能的需求，后来进一步发展了阀控铅酸电池、铅布电池等，是铅酸电池的比能量有所提高，目前仍然能够作为EV的电源。 第二代的高能电池有锂离子电池、锂聚合物电池、锌空电池和铝空气电池等。第二代的比能量和比功率都比铅酸电池高，大大的提高了EV的动力性和续驶里程。但

14、是二代电池中的活性物质在使用一定期限后，会老化变质以至于赏识充电和放电的功能而报废，从而增加了EV的成本。 第三代电池是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃烧的化学能转变成电能，能量转换率高，比能量和比功率高，并且燃料电池能量装化过程可以连续进行，反应过程能够有效地控制，是较理想的电动汽车电池，一些关键技术正在不断地突破，并且在使用上能够取得了良好的效果。 2）动力电池组的组成和布置形式 纯电动汽车唯一的动力源一般是由多个12V或24V的电池串联形成的动力电池组，动力电池组一般是电压为155V400V的高压直流电源。为了便于向一些低压用电设备供电，动力电池组还有DC/DC转换器。 动力电池组

15、采用并联或者串联的方式进行组合，在EV上占据很大一部分有效的装载空间，在布置上有相当的难度，通常有“集中”布置和“分散”布置两种形式。3.1.2 电池组的管理系统 动力电池组的管理系统包括对动力电池组的充电和放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈的电流、电池的自放电率、电池的温度等进行控制。因为个别蓄电池性能变化后，影响到整个动力电池组的性能，用蓄电池管理系统来对整个动力电池组和对动力电池组中的每个单体电池进行监控，保持各个电池间的一致性，还要建立动力电池组维护系统，来保证EV的正常运行。1） 电池组管理系统组成 EV上动力电池组是它的主要电源，EV全靠动力电池组提供电源。根据电动汽车所采

16、用的电池的类型和动力电池组的组合方法，电池组管理系统主要包括：a热管理系统；b电池管理系统；c电线线路管理系统，如图所示。2） 动力电池组管理系统的功能和作用 动力电池组管理系统要承担动力电池组的全面管理，一方面保证动力电池组的正常运作，显示动力电池组的动态响应并及时报警，使驾驶员随时都能掌握动力电池组的情况。另一方面要对人身和车辆进行安全保护，避免因电池引起的各种事故。电池管理系统 热管理系统 电池管理系统 线路管理系统 电池组组合方式 电池组分组和支架布置 通风管道系统和风扇 温度管理ECU及温度传感器热能的管理和应用 电池组电压测试 电池组电流测试 电池组和单元电池的温度测试SOC计算及

17、显示技术 电池组剩余电量显示 车辆在线可行驶里程显示自动诊断系统和报警系统安全防护系统 动力电池组分组及连接 动力电线束 手动或自动断电器 传感器的类型 传感器的电线束 图3-2 电池组管理系统组成3.1.3 驱动电机和驱动系统 驱动电机是EV的动力装置，这也是EV与内燃机汽车的根本区别之处。现代EV所采用驱动电机主要是交流电动机、永磁电动机、和开关阻尼电动机等。 EV驱动系统由驱动电动机和驱动操纵系统共同组成，随着EV结构形式不同，采用了不同驱动系统。EV的驱动系统由集中驱动系统和轮毂驱动系统两驱动系统。 EV的驱动系统总布置形式有以下几种，其特征如表2-1 所示：1） 传统驱动模式 2）

18、电动机驱动桥组合式驱动系统 3） 电动机驱动桥整体式驱动系统 4） 轮毂电动机分散驱动系统表3-1 EV的驱动系统总体布置形式、结构模型、特征项目 结构模型 特征 传统的驱动模式 1.电动机代替发动机；2.仍然采用内燃机汽车的传动系统，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成；3.有电动机前置、驱动桥前置、（F-F），电动机前置、驱动桥后置（F-R）等各种驱动模式；4.结构复杂，效率低，不能充分发挥电动机的性能电动机驱动桥组合式驱动系统 1.在电动机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，形成电动机驱动桥组合式驱动系统；2.有电动机前置、驱动桥前置、（F-F），电动机前置、驱动桥后置（F-R）、

19、驱动桥后置（R-R）等驱动模式；3.传动机构紧凑，传动效率高，安装方便电动机驱动桥整体式驱动系统 1.在电动机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，电动机有一个空心轴，有一个驱动桥的半轴从电动机空心轴中通过；2.有电动机前置、驱动桥前置、（F-F），电动机前置、驱动桥后置（F-R）、驱动桥后置（R-R）等驱动模式；3.传动机构紧凑，传动效率高，可以作为驱动桥布置在车架下面轮毂电动机分散驱动系统 1.电动机装在车轮轮毂中，可以有42和44两种布置方式，各个车轮之间的同步转动或差速转动由中央控制器的计算机系统控制；2.42布置方式有双前轮驱动模式和双后轮驱动模式；3.44布置方式可以实现4轮驱动模

20、式;4.能腾出大量有效空间，便于布置3.2 燃料电池电动汽车3.2.1 燃料电池电动汽车的构成燃料电池电动汽车的外形和内部空间与普通内燃机汽车几乎没什么差别，特别是燃料电池电动轿车与普通内燃机轿车的外形无任何区别。单凭外形是无法区分燃料电池汽车与普通内燃机汽车的。燃料电动汽车与传统汽车不同之处在于动力系统。燃料电池电动汽车的动力系统主要由动力控制单元、电动机、电池组、燃料箱、储能装置及燃料加入口等组成。 燃料电池电动汽车的动力系统组成是很复杂的，主要组成为燃料系统、空气供给系统、控制器、燃料电池组、蓄电池、DC/DC转换器、DC/AC逆变器、电动机或发电机及驱动齿轮等。3.2.2 燃料电池电动

21、汽车的种类虽然燃料电池汽车的历史并不长，但由于燃料电池汽车具有突出的环保、节能优势，各种各样结构的燃料电池汽车不断问世。为了便与区分各种燃料电池汽车的结构特征，对燃料电池汽车进行科学的分类是十分必要的，目前常见的方法有三种。 1） 是根据汽车是否带有储能设备（如蓄电池、飞轮等）分类，据此可把燃料电池汽车分为纯燃料电池汽车和混合（复合）式燃料电池汽车。 2） 根据燃料特点把燃料电池汽车分为直接燃料电池汽车和重整燃料电池汽车。 3） 分句燃料氢的储存方式的不同可以把燃料电池汽车分为压缩氢燃料电池汽车、液氢燃料电池汽车和合金吸附氢燃料电池汽车三种。3.2.3 燃料电池电动汽车动力系统的工作原理 由燃

22、料电池组出发的电流经DC/DC逆变器后进入电动机驱动汽车行驶或经DC/DC转换器向蓄电池充电，当汽车行驶时需要的动力超过电池的发电能力时，蓄电池也参与工作，其电流经过DC/DC转换器进入电动机驱动汽车行驶。如图3-3所示图3-3 燃料电池电动汽车动力系统的工作原理3.2.4 燃料电池电动汽车的驱动形式 驱动电机及其控制系统是燃料电池汽车的心脏，它的主要功能是使电能转变为机械能，并通过传统系统将能量传动到车轮驱动车辆行驶。 其基本构成有两个部分：电机及控制器。电机由控制器控制，是一个将电能转变为机械能的装置。控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于电机运行的另一种形式的电能，所以控制器本质上是一

23、个电能变换控制装置。 目前，燃料电池可以采用的电机驱动系统有直流电机驱动系统、异步电机驱动系统、同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统。 3.3 混合动力汽车（HEV）3.3.1 概述 混合动力汽车指携带有不同动力源的，可根据汽车行驶需要，同时或分别使用不同的动力源而行驶的汽车。目前已研制成功并投入运行的混合动力汽车主要有液压蓄能式混合动力汽车和混合动力电动汽车两类 由燃油发动机与电动机的组合动力作为能源的汽车称为混合动力电动汽车HEV。3.3.2 混合动力电动汽车的种类及主要组成 HEV的组成 HEV一般由发动机、发电机、储能装置、电动机、功率转换器和控制装置等组成。 1） 发动机。采用不同

24、的发动机可组成不同的HEV。采用的发动机有四冲程内燃机、二冲程内燃机、转子发动机和斯特林发动机等。一般采用四冲程内燃机比较普遍。 2） 电动机。采用不同的电动机可组成不同的HEV。采用的电动机有直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。 3） 电池。储能装置是HEV的辅助能源，只有在HEV用电动机启动发动机或电动机辅助驱动时使用，HEV可选用不同的蓄电池、燃料电池储能器等。 2.HEV的分类 根据混合动力电动汽车驱动桥的多少可把HEV分为单轴驱动、双轴驱动或多轴驱动HEV三种。根据混合动力电动汽车动力系统的特点有不同的分类方法，可把混合动力电动汽车区分为串联式、并联式、混联式。

25、3.3.3串联式混合动力电动汽车 结构特点 串联式驱动系统的示意图见图3-4。发动机带动发电机发电，其电能通过电动机控制器直接输送到电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通过电能实现动力传递，因此更像是电传动汽车。电池通过控制器串接在发电机和电动机之间，其功能相当于发电机与电动机之间的“水库”，起功率平衡作用，即：当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时，如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车时，控制器控制发电机向电池充电；而当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时，如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡时，就由电池向电动机提供不足部分的电能。 图3-4 串联式驱动系统的示意图 2.

26、性能特点发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率而选定的。当汽车运行工况变化，电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时，由控制器控制发电机向电池充电或使电池向电动机放电，电池充电和放电电流的大小则由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。这样的结构形式和控制方式使串联式混合动力电动汽车具有如下性能特点:发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区域内稳定运行，因此发动机具有良好的经济性和低排放指标；由于有电池进行驱动功率的“调峰”，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机；发动机与驱动桥之间无机械连接，对发动机的转速

27、无任何要求，发动机的选择范围较大；发动机与电动机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大；发动机的输出需全部转化为电能，再变为驱动汽车的机械能，需要功率足够大的发电机和电动机；要起到良好的发电机输出功率平衡作用，又要避免电池出现过充电或过放电，需要较大的电池容量；发电机将机械能量转变为电能、电动机将电能转变为机械能以及电池充电和放电时都有能量损失，因此，发动机输出能量的利用率比较低；串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特点的优越性主要表现在低速、加速等运行工况。而在汽车高速行驶时，由于其电传动效率低抵消了发动机油耗低的优点，因此，串联式混合动力电动汽车更适合于在市内的

28、低速运行工况。在繁华的市区，汽车在起步和低速时还可以关闭发动机，可以只利用电池进行功率输出，使汽车达到零排放。3.3.4 并联式混合动力电动汽车1.结构特点 并联式驱动系统结构示意图见图3-5。发动机通过机械传动装置与驱动桥连接，电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。 并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。电动机起“调峰”作用，即：当汽车运行工况所需的功率超过了发动机的功率时，电动机从电池获得能量产生电磁力矩，并向驱动桥提供额外的驱动功率。有的并联式混合动力电动汽车也有发电机，但其主要作用是向电池充电，以保

29、持电池的荷电状态（SOC），即：当电池放电较多，其SOC值较低时，控制器可控制发动机驱动发电机并向电池充电，使电池的SOC恢复到设定值，保证混合驱动方式下的续驶里程。 2.性能特点并联式混合动力电动汽车的发动机功率也是以汽车某一速度下稳定行驶工况所需的功率选定的。当汽车在低速或变速工况行驶时，需通过加速踏板和变速器来调节发动机的功率输出，而在汽车高速行驶过程中，发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时，由控制器控制电动机协助驱动。这样的结构形式和控制方式使并联式混合动力电动汽车具有如下性能特点 ： 图 3-5 并联式驱动系统结构示意图发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，无机-电能量转换损失，因此

30、发动机输出能量的利用率相对较高，而且当汽车的行驶工况使发动机在其最佳的工作范围内运行时，并联式的HEV燃油经济性比串联式的高；有电动机进行“调峰”作用，发动机的功率也可适当减小；当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率可以比较小；如果装备发电机，发电机的功率也可较小；由于有发电机补充电能，比较小的电池容量即可满足使用要求；并联式驱动系统最适合于汽车在中、高速稳定行驶的工况，而在其他行驶工况下，由于发动机不在其最佳的工作区域内运行，发动机的油耗和排污指标不如串联式。并联式混合动力电动汽车也可实现零排放控制。在繁华的市区低速行驶时，可通过关闭发动机和离合器分离使汽车以纯电动方式运行。但这样就需要功率足

31、够大的电动机，所需的电池容量也相应要大。 3.3.5 混联式混合动力电动汽车 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结构示意图见图3-6。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。图3-6 混联式驱动系统构示意图混联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证

32、了即使在更为复杂的工况下系统仍能工作在最优状态，因此，易于实现排放和油耗的控制目标。与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此对动力复合装置的要求更高。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。4 电动汽车动力蓄电池及储能装置4.1 电池的分类及有关术语4.1.1 电池的分类 常见的电池可区分为大约4000多种，详细地划分的话也可区分为大约38种。但若按照电池的原理区分的话可以分为物理电池、生物电池和化学电池三大类。生物电池有利用酶、微生物或叶绿素分别做成的酶电微生物电池和生物太阳能电池等，其工作的物理基础是生物表现出来的带电现象。物理电池指利用物理原理制成的电池，其特点是

33、能在一定条件下实现能量的直接转换。化学电池是一种直接把化学能转换为电能的装置，其学名为化学电源。通常所说的电池即指的是这类电池。化学电池 按电解质分类 按正负极材料分类 按功能分类 碱性电池 酸性电池 中性电池 有机电解液电池 锌系列电池 镍系列电池 铝系列电池 锂系列电池 MnO2系列电池 空气系列电池 一次电池 二次电池 燃料电池 储备能量电池 图4-1 化学电池的分类化学电池常见的分类方法有三种： 第一种是按电解液种类分类，可把常见的电池分为碱性电池、酸性电池、中性电池及有机电解液电池四种。 第二种是根据电池所用正、负极材料的不同，可把常见的电池分为锌系电池、铅系电池、锂系电池、二氧化锰

34、系电池及空气（氧气）系电池。 第三种是根据工作的性质和储存方式不同，可把常见的电池分为一次电池、二次电池、燃料电池、储备电池四类。如图4-1所示4.1.2 有关电池的常见术语放电：电池向外电路输送电流的过程。放电容量：电池在规定条件下的放电电量或有效工作时间。储存寿命：电池在规定条件下储存结束时，电池仍能保持规定的性能和储存期限。电池极端：电池连接外电路的部件。电动势：组成电池的两个电极的平衡电位差。放电率：放电率指放电是的速率，通常用“时率”和“倍率”表示。充电：将外电路输入蓄电池的电能转换为化学能储存起来的操作过程。充电率：蓄电池在规定的时间内充到额定容量所需的电流值。恒压充电：充电时保持

35、充电器端电压不变的一种充电方法。恒流充电：充电时保持充电电流不变的一种冲电方法。极化：极化是电池由静止状态即电流为零转入工作状态产生的电池电压、电极电为的变化现象。 4.2 铅蓄电池 4.2.1 铅酸蓄电池的分类和特点电动汽车用动力铅酸电池有多种，常见的有个干呵电式蓄电池、湿荷电式蓄电池、阀控式蓄电池、免维护蓄电池、胶体蓄电池、水平板式蓄电池等。 动力铅酸蓄电池与一般启动用的蓄电池不同，既要求有瞬时大电流放电特点，又要求铅酸蓄电池有持续大电流放电的能力。动力铅酸蓄电池有以下几个特点。 1） 单格电压高，汽车用铅酸蓄电池单格额定电压可达2.0V，开路电压2.1V，工作电压1.8V-2.0V。 2

36、） 比功率和功率密度大，内阻小，长时间可输出大电流。 3） 性能可靠，冲放电可逆性好。 4） 循环次数多，寿命长。 5） 结构简单，价格低廉。4.2.2 铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下： 正极： PbO2 + 2e + HSO4- + 3H+ = PbSO4 + 2H2O 负极： Pb + HSO4- = PbSO4 + H+ + 2e总反应： PbO2 + 2 H2SO4 + Pb = 2 PbSO4 + 2H2O 从以上的化学反应方程式中可以看出，铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这

37、种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新变成二氧化铅和金属铅，蓄电池就又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。 4.3燃料电池4.3.1 燃料电池的分类和特点化学电池的分类料电池直接式 间接式 再生式 低温 （200）H2-O2 有机物氧 含氧化合物氢卤素金属氧中温 （200750） H2-O2 CO-O2NH3-O2高温 (750）H2-O2 CO-O2 燃料电池 天然气 石油 甲

38、醇 乙醇 汽油 二甲醚生化燃料电池 葡萄糖 碳水化合物 尿素 尿素 热再生 充电再生 光化学电池 辐射化学电池 图4-2 燃料电池的分类燃料电池按电解质划分已有6个种类得到了发展，即碱性燃料电池、磷酸盐型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、固体聚合物燃料电池又称为质子交换膜燃料电池、及生物燃料电池。按工作温度它们又分为高、中、低温型燃料电池。工作温度从室温到373K(100)的为常温燃料电池；工作温度在373K(100)573K(300)之间的为中温燃料电池；工作温度在873K(600)以上的为高温燃料电池，损失。 燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、

39、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：1） 能量转化效率高他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料电能转换效率在45%60%，而火力发电和核电的效率大约在30%40%。2） 有害气体x、x及噪音排放都很低2排放因能量转换效率高而大幅度降低，五机械振动。 3） 燃料适用范围广4） 积木化强规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适 5）

40、负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路目前。4.3.2 燃料电池的工作原理 图4-3 燃料电池的工作原理 具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。最初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，现在正发展为直接使用固体的电解质。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。

41、在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，所以也可称它为一种发电机。 5 电动汽车的电动机及传动系统5.1 概述 5.1.1 电动汽车驱动系统的组成、种类 电动汽车驱动系统的组成电动汽车驱动系统的功用是在驾驶员的控制（加速和制动踏板）下，高效率地储蓄电池（燃料电池或发电机）的能量转换为车轮的动能，或者将车轮上的动能反馈到蓄电池中。电动机驱动系统的组成各式各样，一般由电气和机械两大部分组成。电气部分主要由电动机、功率转换器和电子控制器三个子系统组成。电动机与车轮通过机械传动装置连在一起，也

42、可以直接装在车轮上，用电动机直接驱动。机械部分主要包括机械传动装置和车轮等。电动汽车驱动系统的种类 电动汽车的驱动系统虽然有着多种多样的组合形式，但每个电动汽车的驱动系统都具有自身的结构特点，据此可以把电动汽车的驱动系统分为不同的类型。根据电动汽车驱动轮的布置方式有前轮驱动、后轮驱动和全轮驱动等方式。根据电动汽车驱动系统组成的特点，其基本布置方式可以分为机械驱动系统、半机械驱动系统和纯电气驱动系统等。根据电动汽车驱动用电动机的数量可以区分为单电动机和多电动机驱动系统。5.1.2 电动汽车对驱动电动机性能的基本要求电动汽车由电动机驱动，电动机是电动汽车的关键部分。要使电动汽车具有良好的使用性能，

43、驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速、足够大的启动扭距，还要具有体积小、质量轻、效率高且具有动态制动性强和能量回馈的性能。 电动汽车对电动机的基本要求：电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高的，主要有：1） 电动汽车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为34，加速性能好，使用寿命长的特点。2） 电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。 3） 电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现

44、再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机汽车上是不能实现的。4） 电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程。另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等5.1.3 电动汽车驱动电动机的分类 电动机可分为交流电动机、直流电动机、交/直流点动机、控制电动机、开关、磁阻电动机及信号电动机等多种。适用于电力驱动的电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。目前在电动汽车上已应用的和应用前景的有直流电动机、交流感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动

45、机等。5.2 直流电动机5.2.1 电动机的基本构造 直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子组成。定子由主磁极、换向极、电刷装置和机座组成。主磁极铁芯上套有线圈，通入直流励磁电流便会产生磁场，即主磁场。换向极也由铁芯及套在上面的线圈组成，其作用是产生附加磁场。以减弱换向片与电刷之间的火花，避免烧蚀。机座除作电动机的机械支架外，还作为各磁极间磁的通路。转子由转子铁芯、转子绕组、换向器、轴和风扇组成。转子铁芯用来安装转子绕组，并作为电动机磁路的一部分。转子绕组的主要作用是产生感应电动势并通过电流，以产生电磁转矩。换向器由换向片组成，换向片按一定规律与转子绕组的绕组元件连接。5.2.2 直流电动机的工作原理图5-1 流电动机的工作原理图 直流电动机包括俩个在空间固定的永久磁铁，一个为N极，另一个为S极。在磁极的中间，装有一个可以转动的线圈，它的首末两端分别接到两片圆弧形的换向片（铜片）上，两个换向片之间、换向片与转轴（与线圈一起旋转）之间均相互绝缘，为了把