汽车拖拉机学-第十章第二课.ppt

汽车拖拉机学 讲授内容 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 第十章电动汽车技术 主讲人 邓晓亭讲师 18 48 汽车拖拉机学 课件 1 第十章电动汽车技术 第1课混合动力电动汽车第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 本章内容安排 18 48 汽车拖拉机学 课件 2 本节课的主要内容 第十章电动汽车技术 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 一 蓄电池电动汽车驱动系统类型二 动力蓄电池的类型及工作原理三 驱动电机和辅助系统四 燃料电池的工作原理 分类和特点五 燃料电池电动汽车的基本构造 18 48 汽车拖拉机学 课件 3 与内燃机汽车相比 电动汽车最大不同点在于动力源 电力驱动及辅助系统 动力源主要是电源及其控制装置 电力驱动系统主要由电动机 调速控制装置 功率转换器 机械传动装置组成 辅助系统具有温度控制 能量管理和充电 辅助动力供给等功能 第十章电动汽车技术 一 蓄电池电动汽车驱动系统类型 1 蓄电池电动汽车的基本结构 18 48 汽车拖拉机学 课件 4 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 2 蓄电池电动汽车的驱动系统 第十章电动汽车技术 18 48 汽车拖拉机学 课件 5 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 一 蓄电池电动汽车驱动系统类型 蓄电池电动汽车对动力蓄电池的基本要求 1 比能量高比能量是指单位蓄电池重量所能提供的电能 是保证电动汽车能够达到基本合理的行驶里程的重要性能 2h放电率时电池的比能量至少不低于44Wh kg 2 充电技术成熟 时间短电池应对充电技术没有特殊要求 并且能够实现感应充电 在充电时间上能够实现快速充电 电池的正常充电时间应小于6h 电池快速充电达到额定容量50 的时间应为20min以下 3 连续放电率高 自放电率低电池能够适应快速放电的要求 连续1h放电率可以达到额定容量的70 左右 自放电率要低 电池能够长期存放 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 1 电源 18 48 汽车拖拉机学 课件 6 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 4 适应车辆运行环境电池能够在常温条件下正常稳定地工作 不受环境温度的影响 不需要特殊的加热 保温系统 能够适应电动汽车行驶时的振动 5 安全可靠电池应干燥 洁净 电解质不会渗漏 不会引起自燃或燃烧 在发生碰撞等事故时 不会对乘员造成伤害 废电池能够回收处理和再生利用 电池中有害重金属能够集中回收处理 电池组可以采用机械装置进行整体快速更换 线路连接方便 6 长寿命 免维护电池的循环寿命不低于1000次 在使用寿命限定期间内 不需要进行维护和修理 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 1 电源 18 48 汽车拖拉机学 课件 7 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 USABC蓄电池的性能目标 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 18 48 汽车拖拉机学 课件 8 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 蓄电池的基本组成为电池单体 多个电池单体串联组成蓄电池 电池正极和负极都浸在电解液中 放电时 负极发生氧化反应向外电路释放电子 正极发生还原反应 从外电路得到电子 充电时 过程正好相反 负极得到电子发生还原反应 正极失去电子发生氧化反应 可用于电动汽车的蓄电池有铅酸电池 镍基电池 金属空气电池 Na 电池 常温锂电池 飞轮电池 超级电容等 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 2 动力蓄电池的基本性能 18 48 汽车拖拉机学 课件 9 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 特点 技术成熟 价格低廉 良好的大电流输出性能 良好的高低温性能 高能量效率 75 80 以及多种多样的型号和尺寸等优点 单体额定电压2V 比能量35Wh kg 能量密度70Wh L 比功率200W kg 采用金属铅作负电极 二氧化铅作正电极 硫酸作电解液 电化学反应式为 铅酸电池的开路电压仅与硫酸浓度有关 而与电池中的铅 二氧化铅以及硫酸铅的量无关 电池单体电压E0为 式中 为硫酸浓度 kg L 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 1 铅酸电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 10 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 在蓄电池充放电过程中电压不为常数 电池开路电压也受环境温度的影响 以中等放电率放电时截止电压取1 75V 以极高放电率放电时截止电压可取1 0V 充电时 充电电流应作适当的控制以维持电池充电电压低于冒气电压 约为2 4V 否则 就会出现过充电反应 电解水生成氢气和氧气 使电解液失去水分 缺点 铅酸电池的比能量和能量密度都比较低 自放电率较高 循环寿命短 酸蚀电极而不便于长期储存等 综合各项指标 铅酸电池是目前电动汽车最具吸引力的能量源选择方案 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 1 铅酸电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 11 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 镍基电池有Ni Cd Ni Zn Ni MH等 Ni MH电池于1992年投放市场 被认为是满足电动汽车使用近期目标的较理想能量源 Ni MH电池使用了氢 氢吸附于金属氢化物中并作为负极活性物质 在镍基电池中具有较高的比能量以及无毒性 无致癌物质等特点 Ni MH电池充放电原理图 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 2 镍基电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 12 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 Ni MH电池单体额定电压1 2V 比能量65Wh kg 能量密度150Wh L 比功率200W kg 电极活性物质为负极的金属氢化物和正极的NiOOH 金属氢化物能够在电池充放电时释放和吸收氢气 碱性氢氧化钾溶液是电解液的主要成分 电化学反应方程式为 优点 高于其他任何镍基电池的比能量和能量密度 优良的环保特性 无镉 平坦的放电曲线和快速充电性能等 缺点 初始成本高 而且还有记忆效应和充电发热等问题 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 2 镍基电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 13 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 金属空气电池采用金属负电极和空气正电极 具有电力充电和机械充电两种可选方案 优点 高比能量和能量密度 Al空气电池高达600Wh kg和400Wh L 低价格 采用了常用金属材料和空气 良好的环保设计 平坦的放电曲线以及与负载和工作温度无关的容量特性 缺点 比功率低 工作温度范围有限 空气中的二氧化碳溶于水生成碳酸中和碱性电解液并释放氢气等 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 3 金属空气电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 14 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 Zn空气电池 电力充电方式的Zn空气电池额定工作电压为1 2V 比能量为180Wh kg 能量密度为160Wh L 比功率为95W kg 负电极为金属锌粒 正电极为空气中的氧气 电解液为氢氧化钾溶液 电池的化学反应方程式为 放电时 锌粒被氧化生成锌酸盐溶于电解液中并形成氧化锌 充电时 反应过程正好相反 但是在充 放电过程中 锌电极的形状会变化 机械充电式的Zn空气电池避免了使用双极空气电极和锌电极在充放电循环中出现的形状改变问题 其具有相对较高的比能量 230Wh kg 和比功率 105W kg 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 3 金属空气电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 15 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 Al空气电池的额定电压为1 4V 电解液可以是盐溶液或氢氧化钾溶液 机械充电式Al空气电池的放电反应方程式为 缺点 比功率极低 很少单独用作电动汽车的能量源 为利用Al空气电池高的比能量和能量密度 在电动汽车上通常与其他类型的充电电池组合作为动力源 用于延长车辆续驶里程 优点 比能量和能量密度均很高 Al空气电池 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 3 金属空气电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 16 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 Na 电池技术包括基于Na S和Na NiCl2化合物的两种设计 Na S电池的工作温度范围300 350 单体电池的额定电压2 0V 比能量170Wh kg 能量密度250Wh L 比功率390W kg 活性物质为熔铸钠负电极和熔铸钠多硫化合物正电极 陶瓷 Al2O3电解液作为离子传导媒介和熔铸电极的隔离物 避免了电池的自放电 该电池的电化学反应方程式为 放电时 Na原子被氧化生成钠离子 钠离子通过电解液的传递与硫结合生成五硫化钠化合物 五硫化钠化合物又逐渐形成多硫化钠化合物 Na2Sx 其中x 5 2 7 充电过程正好相反 Na S电池 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 4 Na 电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 17 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 在Na NiCl2电池中 活性物质为熔铸Na负电极和固体镍氯化物正电极 其电解液除了陶瓷 Al2O3外 还有一种贮于正电极室中的辅助电解液 钠铝氯化物 相应的电化学反应方程式为 放电时 固态镍氯化物转化为镍金属和氯化钠晶体 Na NiCl2电池工作温度250 350 电池单体的额定电压2 5V 比能量可达到86Wh kg 能量密度为149Wh L 比功率为150W kg 优点 比Na S电池具有更高的开路电压 更宽的工作温度范围 更高的化学反应物安全性 更加可靠的失效模式 更好的耐冻结 解冻能力 缺点 成本高 比功率低 Na NiCl2电池 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 4 Na 电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 18 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 放电时 在负电极生成的锂离子通过电解液SPE嵌入正极晶状结构中 使用金属锂和过渡金属氧化物 MyOz 分别作电池的负极和正极 MyOz为层状结构 通过锂离子的嵌入和脱嵌产生放电和充电 电解液为固态的薄层电解液 SPE 提高了设计的安全性和灵活性 通常的电化学反应方程式如下 在Li聚合物电池中 Li SPE V6O13电池是最具吸引力的一种 其工作额定电压3V 比能量155Wh kg 能量密度220Wh L 比功率315W kg 同时具有自放电率低 0 5 月 形状和尺寸多变 安全性高等优点 但由于离子导电对温度的敏感性 该电池的低温性能较差 Li聚合物电池 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 5 常温锂电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 19 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 Li Ion电池使用锂碳化合物 LixC 作负电极 锂化过渡金属氧化物 LilxMyOz 作正电极 液体有机溶液或固体聚合物作电解液 电化学反应方程式为 放电时 锂离子由电池负极通过电解液流向正极并被吸收 充电时 反应过程相反 锂离子电池充放电原理 Li Ion电池 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 5 常温锂电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 20 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 飞轮电池突破了化学电池的局限 用物理方法实现储能 当飞轮以一定角速度旋转时 它就具有一定的动能 飞轮电池正是以其动能转换成电能的 飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的 转速极高 高达200000r min 比能量可达150Wh kg 比功率达5000 10000W kg 使用寿命长达25年 可供电动汽车行驶500万公里 飞轮电池中有一电机 充电时该电机以电动机形式运转 在外电源的驱动下 电机带动飞轮高速旋转 即用电给飞轮电池 充电 增加了飞轮的转速从而增大其功能 放电时 电机则以发电机状态运转 在飞轮的带动下对外输出电能 完成机械能到电能的转换 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 6 飞轮电池 18 48 汽车拖拉机学 课件 21 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 超级电容主要作为辅助能量源 动力电池加超级电容被认为是电动汽车能量源的最佳组合 优点 1 超级电容的存在使电动汽车对电池的比能量和比功率要求分离开来 电池设计可以集中于对比能量和循环寿命的要求 而不必过多地考虑比功率问题 2 超级电容具有负载均衡作用 电池的放电电流可以减小 相应电池的可利用能量 使用寿命显著提高 超级电容可以迅速高效地吸收制动再生能量 使得车辆续驶里程得以极大提高 缺点 对电池 超级电容 电动机 逆变器优化及综合控制要求较高 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 3 动力蓄电池的工作原理 7 超级电容 18 48 汽车拖拉机学 课件 22 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 4 EV电池性能参数表 18 48 汽车拖拉机学 课件 23 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 第十章电动汽车技术 二 动力蓄电池的类型及工作原理 4 EV电池性能参数表 18 48 汽车拖拉机学 课件 24 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 电动汽车电力驱动系统工作原理 传感器把测得的数据 如电流 电压 温度 速度 转矩以及电磁通等 转变为电信号后输送到处理器 处理器信号经过中间电路放大 驱动功率转换器的半导体元件 功率转换器动作调节能量流 在驱动和能量再生过程中 能量源与电动机之间的能源流向是通过功率转换器进行调节的 第十章电动汽车技术 三 驱动电机及辅助系统 1 电力驱动系统 18 48 汽车拖拉机学 课件 25 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 1 需要有4 5倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡时的要求 蓄电池电动汽车对驱动电机在负载 技术性能和工作环境等方面有如下要求 2 最高转速要达到在公路上巡航时基速的4 5倍 3 电动机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计 4 要求有高的功率密度和好的效率图 从而能够降低车重 延长续驶里程 5 为使多电动机协调运行 要求电动汽车驱动电动机可控性高 稳态精度高 动态性能好 6 安装于机动车上 处于空间小 温差变化大 振动剧烈的恶劣环境中 第十章电动汽车技术 三 驱动电机及辅助系统 2 驱动电动机 18 48 汽车拖拉机学 课件 26 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 优点 异步电机具有结构简单 坚固耐用 成本低廉 运行可靠 低转矩脉动 低噪声 不需要位置传感器 极限转速高等特点 缺点 异步电机的最大缺点是驱动电路复杂 成本高 相对永磁电机而言 异步电机效率和功率密度偏低 异步电机矢量控制调速技术比较成熟 使得异步电机驱动系统具有明显的优势 因此被较早应用于电动汽车的驱动系统 目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品 尤其在美国 第十章电动汽车技术 2 驱动电动机 1 异步电动机驱动系统 三 驱动电机及辅助系统 18 48 汽车拖拉机学 课件 27 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构 具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围 其低速时常采用矢量控制 高速时用弱磁控制 发展前景十分广阔 目前已在国内外多种电动车辆中获得应用 混合式永磁磁阻电机 即内置式永磁同步电机 该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩 有助于提高电机的过载能力和功率密度 而且易于弱磁调速 扩大恒功率范围运行 结构灵活 设计自由度大 适合用作电动汽车高效 高密度 宽调速牵引驱动 第十章电动汽车技术 2 驱动电动机 2 无刷永磁同步电机驱动系统 三 驱动电机及辅助系统 18 48 汽车拖拉机学 课件 28 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 无位置传感器永磁同步电机驱动系统也是当前永磁同步电机驱动系统研究的一个热点 将成为永磁同步电机驱动系统的发展趋势之一 具有潜在的竞争优势 永磁转矩电机 即表面凸出式永磁同步电机 相对内置式永磁同步电机而言 其弱磁调速范围小 功率密度低 该结构电机动态响应快 并可望得到低转矩脉动 适合用作汽车的电子伺服驱动 如汽车电动助力转向的伺服电机 第十章电动汽车技术 2 驱动电动机 2 无刷永磁同步电机驱动系统 三 驱动电机及辅助系统 18 48 汽车拖拉机学 课件 29 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 优点 1 电机结构紧凑牢固 适合于高速运行 2 驱动电路简单 成本低 性能可靠 在宽广的转速范围内效率都比较高 容易实现四象限控制 3 适合于电动车辆的各种工况下运行 是电动车辆中极具有潜力的机种 缺点 1 转矩脉动大 噪声大 功率密度和效率偏低 2 要使用位置传感器 增加了结构复杂性 降低了可靠性 因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一 第十章电动汽车技术 2 驱动电动机 3 开关磁阻电机 SRD 三 驱动电机及辅助系统 18 48 汽车拖拉机学 课件 30 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 能量管理系统采集从电动汽车各子系统通过传感器得到的运行数据 完成优化系统能量分配 电池充电方案的选择 蓄电池荷电状态 SOC 的显示 剩余行驶里程的预测 电池动作的监控 车内温度及车灯亮度调节 再生制动控制等 第十章电动汽车技术 4 辅助系统 1 能量管理 EMS 三 驱动电机及辅助系统 18 48 汽车拖拉机学 课件 31 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 第十章电动汽车技术 4 辅助系统 1 能量管理 EMS 三 驱动电机及辅助系统 18 48 汽车拖拉机学 课件 32 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 再生制动是电动汽车的重要特征之一 在减速制动刹车或者下坡时将车辆的部分动能转化为电能 转化的电能储存在储存装置中 如各种蓄电池 超级电容或超高速飞轮 最终增加电动汽车的行驶里程 如果储能器已经被完全充满 再生制动就不能实现 所需的制动力就只能由常规的制动系统来提供 第十章电动汽车技术 4 辅助系统 2 制动能量再生 三 驱动电机及辅助系统 18 48 汽车拖拉机学 课件 33 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 驾驶员踩下制动踏板后 电动泵使制动液增压产生所需的制动力 制动控制与电动机控制协同工作 确定电动汽车上的再生制动力矩和前后轮上的液压制动力 再生制动时 再生制动控制回收制动能量 并且反充到蓄电池中 第十章电动汽车技术 4 辅助系统 2 制动能量再生 三 驱动电机及辅助系统 18 48 汽车拖拉机学 课件 34 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 燃料电池与蓄电池的区别 燃料电池的基本原理 燃料电池装置从本质上说是水电解的一个逆装置 是氢和氧通过电化学反应生成水 并释放出电能 1 燃料电池是能量转换装置 蓄电池是能量储存装置 2 燃料电池的放电特性是连续进行的 蓄电池的放电特性是间断进行的 第十章电动汽车技术 1 燃料电池 四 燃料电池的工作原理 分类和特点 18 48 汽车拖拉机学 课件 35 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 燃料电池通常由三部分组成 即阳极 阴极和夹在二者之间的电解质 分别向两个电极供给氢气和氧气 通过电极金属的催化作用发生电化学反应 此时在两电极的外电路既有电流产生 燃料电池的基本工作原理 第十章电动汽车技术 2 燃料电池的工作原理 四 燃料电池的工作原理 分类和特点 18 48 汽车拖拉机学 课件 36 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 在阳极 又称燃料电极 供给的氢气 在金属的催化作用下生成氢离子 H 和电子 e 电子 e 通过电极的外电路到达阴极 阳极的反应如下 在阴极 又称氧气电极或空气电极 供给的氧气 在金属的催化作用下与通过电解质过来的氢离子 H 和通过外电路过来的电子 e 发生反应 燃料电池的总反应式为 第十章电动汽车技术 2 燃料电池的工作原理 四 燃料电池的工作原理 分类和特点 18 48 汽车拖拉机学 课件 37 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 根据电解质的种类 可将燃料电池分为几下五种 碱性燃料电池 AlkalineFuelCell AFC 磷酸型燃料电池 PhosphoricAcidFuelCell PAFC 质子交换膜燃料电池 ProtonExchangeMembraneFuelCell PEMFC 熔融碳酸盐燃料电池 MoltenCarbonateFuelCell MCFC 固体氧化物燃料电池 SolidOxideFuelCell SOFC 第十章电动汽车技术 3 燃料电池的分类 四 燃料电池的工作原理 分类和特点 18 48 汽车拖拉机学 课件 38 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 1 效率高 燃料电池的化学反应将化学能直接转化为电能 燃料电池不是热机 因此不受卡诺循环的限制 效率很高 理论上能量效率可接近100 目前热 电总效率已达80 2 排气清洁 对环境污染少 燃料电池没有燃烧过程 用化学方式直接转换化学能 称为 冷燃烧 所以氢 氧燃料电池的产物只有水 没有其他废气排出 属于零排放或接近零排放 第十章电动汽车技术 4 燃料电池的特点 四 燃料电池的工作原理 分类和特点 18 48 汽车拖拉机学 课件 39 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 3 过载能力强 燃料电池的短时过载能力可达200 的额定功率或更大 特别适合汽车的短时加速的特性 4 构造简单 维护保养方便 容易实现模块化 燃料电池容易通过模块化组合 串联 并联 提高输出功率 5 噪声小 振动少 对机械加工要求不高 燃料电池属于静态能量转换装置 无运动部件 因此在运行过程中没有噪音 振动很小 第十章电动汽车技术 4 燃料电池的特点 四 燃料电池的工作原理 分类和特点 18 48 汽车拖拉机学 课件 40 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 1 价格高 目前质子交换膜燃料电池的价格虽然已有所降低 但是要达到30 50美元 kW的目标还需要一段时间的努力 2 贵金属催化剂 铂的用量虽然已降低 但是距0 1 0 2mg 还有段距离 3 燃料的限制 目前车用的燃料电池主要是质子交换膜燃料电池 它们只能用纯氢作燃料 第十章电动汽车技术 4 燃料电池的缺点 四 燃料电池的工作原理 分类和特点 18 48 汽车拖拉机学 课件 41 第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 1 燃料电池的比能量不低于150 200Wh kg 比功率不低于300 400W kg 要求达到或超过美国先进电池联合体 USABC 所提出的电池性能和使用寿命的指标 2 可以在 20 的条件下起动和工作 有可靠的安全性和密封性 不会发生燃料气体的结冰和燃料气体的泄漏 3 各种结构件有足够的强度和可靠性 可以在负荷变化情况下正常运转 并能够耐受FCEV行驶时的振动和冲击 第十章电动汽车技术 5 燃料电池电动汽车对燃料电池的基本要求 四 燃料电池的工作原理 分类和特点 18 48 汽车拖拉机