纯电动轿车的能源供给模式研究

密级：学号：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。学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书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。本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密 。（请在以上相应方框内打“” ）学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日江西科技学院本科生毕业论文（设计） I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；能源供给模式江西科技学院本科生毕业论文（设计） IIABSTRACTWith the rapid development of automobile industry, car pollution to the environment, energy shortages, such as resource depletion and security problems become more and more outstanding. In order to the sustainable development of economy, protect the human living environment and reduce energy supply. Electric cars arises at the historic moment, the electric car has a good environmental performance and has many significant characteristics of energy for power, can protect the environment, and can relieve the shortage of energy and can adjust the energy structure, energy security. This paper mainly introduces the features of electric cars, structure, energy storage, the form of the motor.Pure electric cars are becoming the main development direction of new energy vehicles in China. For the period of pure electric car industry is still in the market, this article mainly on pure electric vehicle development history, pure electric vehicle energy management and supply mode research, hope that through this topic research, can give a pure electric car energy supply and model research groups or individuals to help, also hope that through this topic research, myself to learn more about the energy supply of pure electric cars.Key words: pure electric vehicle: energy supply mode: automobile environmental pollution:江西科技学院本科生毕业论文（设计） III目 录第 1 章 引 言 .11.1 纯电动轿车概述 .11.2 纯电动轿车发展历史 .1第 2 章 纯电动轿车能源供给关键技术研究 .32.1 电池技术 .32.1.1 蓄电池 .32.1.2 燃料电池 .32.1.3 现代纯电动汽车电池技术分析 .42.2 能量管理技术 .62.2.1 能量存储系统 .72.2.2 能量管理系统 .7第 3 章 纯电动轿车能源供给模式研究 .83.1 充电设备 .83.1.1 常规充电 .83.1.2 电动汽车充电站 .83.1.3 折叠快速充电 .83.1.4 折叠机械充电 .82.1.5 折叠便携式充电 .93.2 充电方法 .93.2.1 恒流充电法 .93.2.2 阶段充电法 .93.2.3 恒压充电法 .103.2.4 快速充电法 .10第 4 章 总 结 .12参考文献 .13江西科技学院本科生毕业论文（设计） 1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(Karl Benz)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江西科技学院本科生毕业论文（设计） 2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：49kW17008750rpm，扭矩：275Nm01700rpm，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 060 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：68h(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：50kW3,1004,600 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。 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 3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，江西科技学院本科生毕业论文（设计） 4这个反应是电解水的逆过程。电极应为： 负极：H2 +2OH-2H2O +2e-正极：1/2O2 H2O 2e-2OH-电池反应：H2 1/2O2=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=2H 2e-（1）空气极：2H 1/2O2 2e-=H2O（2）全体：H2 1/2O2=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江西科技学院本科生毕业论文（设计） 5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 MODEL S 车型为例，85kWh 的 MODEL S 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