新能源汽车概论课件-教材配套.pptx

目录 1 新能源汽车的发展现状2 混合动力汽车基础知识3 混合动力汽车技术4 动力电池技术5 电动汽车技术6 其他能源汽车 新能源汽车概论 第一部分 新能源汽车的发展现状 新能源概念 新能源又称非常规能源 是指刚开始开发利用或正在积极研究 有待推广的能源 如太阳能 地热能 风能 海洋能 生物质能和核聚变能等 联合国开发计划部署 UNDP 将新能源分为大中型水电 新可再生能源和穿透生物质能三大类 常规能源一般指技术上比较成熟且被大规模利用的能源 因此大中型水电站被看作常规能源 而核能 太阳能 现代生物质能 海洋能等新能源备受关注 常见新能源的类型 太阳能太阳能可分为可太阳能光伏和太阳热能 光伏板组件是一种在阳光下就会产生直流电的发电装置 太阳能利用形式 主要有三种 光热转换 光电转换以及光化学转换 目前利用太阳能的主要方法有 太阳能电池 太阳能热水器 海洋能 海洋能是指蕴藏在海水中的各种可再生能源 例如 波浪能 潮汐能 海流能等 这是一项具有战略意义的新能源 风能 风能蕴藏量大 是水能的10倍 并且分布广泛 对交通不便 偏远山区或岛屿的利用价值更有优势 风能常见利用形式就是风力发电 核能 核能的是通过转化其质量从原子核中释放的能量 但核能利用存在反应堆的安全问题和核废料处理等技术问题 氢能 氢气无色无味无毒 且热值高 燃烧产物只有水 因此无污染 氢气来源广泛 可以电解水获取 目前氢能却不能广泛应用的原因是制取成本高 生产 存储难度大 高压存储危险性大等 新能源汽车认知 新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源 或使用常规的车用燃料 采用新型车载动力装置 综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术 形成的技术原理先进 具有新技术 新结构的汽车 新能源汽车的发展现状 2015年传统汽车增长放缓 新能源汽车却保持高速增长 据中国汽车工业协会统计 2015年新能源汽车生产340471辆 销售331092辆 同比分别增长3 3倍和3 4倍 统计显示 在新能源汽车产业中 纯电动汽车产销分别完成254633辆和247482辆 插电混合动力汽车产销分别完成85838辆和83610辆 如图1 8所示 2011 2015年中国新能源汽车销量 新能源汽车的主要类型 新能源汽车包括的范围比较广 目前主要是指混合动力汽车 PHEV 纯电动汽车 BEV 包括太阳能汽车 燃料电池电动汽车 FCEV 氢发动机汽车 其他新能源 如高效储能器 二甲醚 汽车等产品 其中混合动力汽车 纯电动汽车 燃料电池汽车统称为电动汽车 电动汽车虽然目前技术尚不成熟 但前景被广泛看好 混合动力汽车 HEV 混合动力是指采用传统燃料 同时配以电动机来改善发动机低速动力输出和燃油消耗的车型 混合动力汽车使内燃机工作在低油耗 少污染的最佳工况下工作 因此最大的优点就是节能低排 混合动力汽车一般比传统燃料汽车燃油消耗降低30 50 但混合动力汽车存在的问题是长时间高速行驶并不省油 混合动力汽车也称复合动力汽车 一般装有两个以上动力源 动力源一般有蓄电池 燃料电池 太阳能电池 内燃机发电机组 混合动力汽车的类型 按照燃料种类的不同 混合动力分为汽油混合动力和柴油混合动力两种 目前国内市场上 混合动力车辆以汽油混合动力为主 而国际市场以柴油混合动力车型为主 按照推进系统能量流和功率流的配置结构关系 混合动力汽车分为串联 并联 串并联三种结构形式 按照两种不同能量的搭配比例不同 混合动力汽车可分为轻度混合动力 中度混合动力 重度混合动力和插电式混合动力汽车四种类型 国产混合动力轿车 1 奔腾 采用一汽技术中心自主研发的纯电动乘用车动力平台 整个平台由电动机 电池 减速器 整车控制器 电动附件和专用显示仪表等组成 该动力系统具有启动电爬行 纯电动 再生制动 电子驻车制动 家用充电 快速充电等功能 2 长安 杰勋 混合动力轿车 3 奇瑞 混合动力轿车 纯电动汽车 BEV 纯电动汽车具有本身零排放 能量利用率高 结构简单 工作噪声小等优点 但就目前来说 市场占有率却不高 其主要原因是续驶里程短 一般一百公里左右 充电时间长 蓄电池使用寿命短 且电池成本高等问题 而且电力基础设施建设也影响了电动汽车产业化的发展 但从长远发展来看 纯电动汽车是推广发展方向 国产纯电动车 1 比亚迪 全球首款纯电动出租车 2 荣威 纯电动轿车 燃料电池汽车 Fuelcellvehicles 燃料电池汽车 Fuelcellvehicles 是电动汽车的一种 燃料电池的电能是通过氢气和氧气的化学作用 直接变成电能 燃料电池化学反应产物主要是电能和水 还有极度少的二氧化碳和氮氧化物 因此燃料电池汽车被称为绿色新型环保汽车 荣威 平台的上海牌燃料电池轿车 超级电容汽车 超级电容汽车的电池一般安装在底盘上 公交车进站后 车顶充电设备自动升起 搭到充电站的电缆上 通过200A 400A的充电电流完成充电 充电时间一般为20 30s 氢燃料汽车 氢燃料汽车的动力系统是在传统内燃机的基础上加以改进后制成的 氢燃料汽车以无污染 零排放的优势被业内普遍认可 但氢燃料汽车也面临着氢的制取和液态氢的存储两大难题 这两大技术问题成为制约氢燃料汽车发展的瓶颈 太阳能汽车 太阳能汽车是利用太阳能电池将太阳能转换为电能 并利用该电能作为能源的汽车 它是电动汽车的一种 太阳能汽车主要由太阳能电池组 自动阳光跟踪系统 驱动系统 控制器和机械系统等组成 其他燃料汽车 生物燃料又称生态燃料 泛指由有机物组成或者制成的燃料 目前我们所说的生物燃料一般是指生物液体燃料 比如燃料乙醇和生物柴油等 巴西是最早利用甘蔗为原料生产燃料乙醇的国家 巴西乙醇汽油标准有两个 E22 含乙醇22 和E100 含乙醇93 水7 的乙醇 巴西大量汽油车被改装成乙醇车 巴西TAC汽车公司的乙醇燃料小型越野车Stark4X4 德国的奔驰 宝马 大众和奥迪等汽车生产厂家生产的汽车均允许使用净生物柴油 而无需对发动机加以改装 德国大众2012款Tiguan 柴油版 我国新能源汽车的机遇与挑战 我国新能源乘用车车企2015年新能源汽车的销售排名 长安的CV9混合动力汽车 海马的H12电动车 华普的海域甲醇动力汽车 吉利的海尚油电混合动力汽车 国内新能源汽车发展趋势 突破电池技术瓶颈驱动电机多样化发展纯电动汽车向超微型化发展发展混合动力汽车燃料电池汽车成为竞争焦点开发新一代车用动力系统 新能源汽车的发展规划 第一阶段 2011 2015年动力电池 电机 电控等关键零部件核心技术实现自主化 纯电动汽车和插电式混合动力汽车初步实现产业化 市场保有量超过50万辆 混合动力汽车实现大规模产业化 具有自动起停功能的微混系统成为乘用车的标准配置 中 重度混合动力乘用车保有量达到100万辆 基本掌握先进内燃机 自动变速器 汽车电子 轻量化材料等关键技术 乘用车新车平均油耗达到5 9L 100km 第二阶段 2015年 2020年 我国节能与新能源汽车关键零部件技术达到国际先进水平 纯电动汽车和插电式混合动力汽车实现产业化 市场保有量达到500万辆 充电站网络支撑纯电动汽车实现城际间和区域化运行 燃料电池技术与国际同步发展 混合动力汽车实现大规模普及 中 重度混合动力乘用车年产销量达300万辆 具有自主知识产权的先进内燃机 自动变速器 汽车电子轻量化材料广泛应用 汽车燃油经济性整体水平与国际先进水平接轨 乘用车新车平均油耗达到4 5L 100km 新能源汽车的关键技术 整车共性技术 纯电动汽车混合动力汽车驱动电机系统动力电池系统电动辅助系统 第二部分混合动力汽车基础知识 从广义上讲 混合动力指装备有两种具有不同特点驱动装置的汽车 其中一种是主要动力源 另外一种是辅助驱动装置 目前应用最多的是油电混合动力系统 国内能买到的有不少国外品牌有 丰田普锐斯 雷克萨斯ES级混动版 奔驰S级混动版 凯迪拉克凯雷德混合动力版等 混合动力汽车的发展现状 在能源问题的大环境下 实现汽车动力系统的的新能源化 推动传统汽车产业的战略转型 已经成为全球汽车工业共同面对的挑战 目前世界汽车企业面对混合动力技术一般采用引领 跟进和被动跟进三种策略 国外混合动力汽车的发展 美国 日本 欧洲等发达国家和地区 在混合动力汽车的理论研究和实际生产中都做了大量的工作 丰田是世界公认的混合动力技术的领先者 日本 本田是第一家在美国市场上销售混合动力汽车的厂商 本田的技术特点是以CVT变速器为基础来研发插电式混合动力汽车系统 本田1999年在美国推出Insight混合动力双门汽车 2013款雅阁插电式混合动力汽车 全新的雅阁Coupe概念跑车 这款新型跑车搭载一套 双马达 的插电式混合动力系统 马自达研发成功了Premacy氢转子发动机混合动力车 美国 美国在日本加快发展混合动力汽车技术时期 将生物燃料和燃料电池汽车技术作为中近期和远期的技术线路 从2006年1月份开始 美国政府通过抵税的方式 对购买节能汽车的消费者提供税收优惠政策 通用汽车公司在1998年推出了GMPreceptHEV概念车 通用汽车公司的混合动力皮卡雪佛兰Silverado 克莱斯勒公司在1998研发出道奇 Dodge 无畏ESX2串联式混合动力汽车 福特汽车公司在2001年推出了全球首辆混合动力SUV概念车Escape 福特在2010年纽约车展展出的林肯MKZ2011款油电混合动力汽车 福特汽车公司在2001年推出了全球首辆混合动力SUV概念车Escape 全球首款双模强油电混合动力SUV 欧洲 欧洲对混合动力技术的研究主要集中在商用车领域 例如 瑞典 法国 德国 意大利 比利时等国计划在9个欧洲城市开通混合动力公交车线路 瑞典沃尔沃公司也开发出FL6货车的混合动力汽车 德国大众公司开发出插电式柴油混合动力汽车XL1 通用公司开发了凯迪拉克STS插电式混合动力汽车 国内混合动力汽车的发展状况 我国在新能源汽车的自主研发过程中 坚持了政府支持 以核心技术 系统集成和关键部件为重点的原则 确立了以纯电动汽车 混合电动汽车 燃料电池汽车为 三纵 以电动机驱动系统 整车控制系统 动力蓄电池 燃料电池为 三横 的研发布局 我国混合动力汽车研发成果 1 形成了拥有自主知识产权的动力系统技术平台 建立了混合动力汽车技术开发体系 2 掌握了关键零部件核心技术 研发出系列化产品 关键零部件的产业化全面跟进 3 掌握了电动汽车整车开发关键技术 拥有各类电动汽车的研发实力 一汽集团 一汽集团从1999年开始进行新能源汽车的理论研究和研制工作 并开发了红旗混合动力轿车性能样本 十五 期间 一汽集团承担了国家 863 计划重大专项中 红旗牌串联方式混合动力轿车研究开发 任务 正式开始了新能源汽车的研发工作 奔腾B70混合动力版轿车采用油 电混合方式 动力系统采用双电机方案 上汽集团 在新能源汽车的研发上 上汽明确了以混合动力为重点 燃料电池为方向 同时加快替代产品的研发 混合动力汽车 燃料电池汽车 代用燃料汽车成为上汽集团新能源战略的三大重点 东风集团 从 十五 计划开始 东风公司每年投资上亿元研发电动汽车 再加上国家以及省市政府投资 共达6个多亿 目前东风在纯电动 混合动力 燃料电池等各种电动汽车的研发方面都独立掌握了核心技术 不依赖于任何外力 实现自主知识产权 中国长安 我国第四大汽车生产商长安汽车公司于2007年12月宣布 开始生产中型混合动力汽车 杰勋杰勋混合动力汽车是长安汽车公司开发的一款纯正中国血统的混合动力汽车 从整车到混合动力系统都是有长安公司自主开发并拥有完全自主知识产权 其镍氢动力电池等动力零部件水平更是处于国内领先水平 杰勋混合动力汽车 奇瑞汽车 从2003年开始到2008年 奇瑞主要进行混合与中度混合动力轿车以及节能环保系统的开发 并实现产业化 从2004年开始 奇瑞主要进行强混合动力轿车的开发 并实现产业化 奇瑞混合动力轿车油耗目标达到100公里3升 排放达到欧美法规 比亚迪汽车 比亚迪遵循 自主研发 自主生产 自主品牌 的发展路线 和 掌握核心技术 产业垂直整合 的发展战略 以双模电动车作为过渡 电动车作为终极目标 发展比亚迪新能源汽车 比亚迪F6DM双模电动汽车 比亚迪F6DM双模电动汽车 使用的动力电池是名为 ET POWER 的铁动力电池 其特点是价格低廉 安全性能稳定 该车充电一次行驶430公里 最大功率200KW 最高时速160公里 百公里耗电15度 该车在比亚迪电动汽车充电站快速充电10分钟可达50 的电量 在家使用普通插座慢速充电 充满电也只需9个小时 比亚迪在新能源汽车领域的优势 已经是人所共知的事实 比亚迪秦混动车各方面的表现令人刮目相看 而2015年其以近6 2万辆的总销量 成为全球新能源车市场当之无愧的冠军 也让人欣喜 2015款比亚迪秦 2016年3月上月底 比亚迪在北京新发布了两款纯电动车型比亚迪秦EV300 如图2 32所示 和e5 这两款新车 最大的亮点在于300公里的超级续航里程 远超特斯拉model3 还有车外220V交流放电功能 VTOL pm2 5绿净系统 智能云系统等诸多功能 所有这些 更让人对比亚迪秦EV300充满了期待 2016年3月底上市的比亚迪秦EV300 混合动力汽车的种类及特点 1 按照动力系统结构形式 混合动力汽车零部件的种类 数量和连接关系 划分 可分为串联式混合动力汽车 SHEV 并联式混合动力汽车 PHEV 混联式混合动力汽车 PSHEV 三种 2 按照电机相对于燃油发动机的功率比大小分为重度混合型 中度混合型 轻度混合型以及微混合型混合动力汽车 微混合动力系统 简称BSG系统 这种混合动力系统是在传统内燃机的起动电机 一般为12V 上加装皮带驱动的启动电机 该电机用来控制发动机的启动和停止 取消了发动机的怠速 从而降低了油耗和排放 微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车 因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力 在微混合动力系统里 电机的电压通常有两种 12V和42V 其中42V主要用于柴油混合动力系统 代表的车型是PSA的混合动力混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz 丰田的混合动力版Vitz 轻混合动力系统 简称ISG系统 该混合动力系统采用了集成启动电机 与微混合动力系统相比 轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止 还能够实现 1 在减速和制动工况下 对部分能量进行吸收 2 在行驶过程中 发动机等速运转 发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节 轻混合动力系统的混合度一般在20 以下 代表车型是通用的混合动力皮卡车 中混合动力系统 该混合动力系统同样采用了ISG系统 与轻度混合动力系统不同 中混合动力系统采用的是高压电机 另外 中混合动力系统还增加了一个功能 在汽车处于加速或者大负荷工况时 电动机能够辅助驱动车轮 从而补充发动机本身动力输出的不足 从而更好的提高整车的性能 这种系统的混合程度较高 可以达到30 左右 目前技术已经成熟 应用广泛 重度混合动力系统 重度混合型混合动力汽车 是指以发动机或电机为动力源 且电机可以独立驱动车辆行驶的混合动力汽车 一般情况下 电机的峰值功率占发动机额定功率的40 以上 与中混合动力系统相比 完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50 技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向 丰田Prius 未来Estima属于完全混合动力系统 3 按能否外接电源进行充电按能否外接电源进行充电 分为插电式混合动力 Plug inHybridElectricVehicle 和非插电式混合动力 不可外接充电型混合动力汽车是指被设计成在正常使用情况下从车载燃料中获取全部能量的混合动力汽车 插电式混合动力汽车又称外接充电式混合动力汽车 PHEV 是最新一代混合动力汽车 备受各国政府及汽车厂商关注 并有望在几年后广泛使用 如图所示 插电式混合动力的特征是可由电能单独驱动 并配备一个大容量的可外部充电的蓄电池组 显著的特性是可通过外部电源进行充电 充电后可续航一定的里程 插电式混合动力汽车从结构上可以分为 串联式 并联式和混联式三种类型 串联插电式混合动力汽车也叫增程插电式混合动力汽车 其结构如图所示 并联插电式混合动力汽车结构图如图所示 混联插电式混合动力汽车结构如图所示 4 按照与发动机混合的可再充电能量储存系统不同可划分为 动力蓄电池式混合动力汽车超级电容器式混合动力汽车机电飞轮式混合动力汽车动力蓄电池与超级电容器组合式混合动力汽车 不同类型的混合动力汽车结构及性能比较 混合动力汽车技术分析 起步 为避免发动机的怠速及低负荷工况 以减小油耗 故发动机不工作 仅电机利用其低速大转矩的特性单独使车辆起步 加速 发动机启动后以最大效率工作驱动车辆 电机提供部分功率辅助车辆加速 匀速 发动机按油耗最小的最优工作曲线工作 当发动机输出功率大于车辆行驶所需功率时 多余功率驱动以发电状态工作的电机发电而向蓄电池充电 减速 制动 发动机关闭不工作 电机进行再生制动向蓄电池充电 1 串联混合动力电动汽车的工作模式 1 串联混合动力电动汽车的工作模式 1 串联混合动力电动汽车的工作模式 1 串联混合动力电动汽车的工作模式 2 并联混合动力电动汽车的工作模式 2 并联混合动力电动汽车的工作模式 2 并联混合动力电动汽车的工作模式 2 并联混合动力电动汽车的工作模式 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 混联混合动力电动汽车的工作模式有两种方式 一是发动机主动型混联混合动力电动汽车 车辆运行时主要是发动机驱动车辆 如尼桑Tin 二是电力主动型混联混合动力电动汽车 车辆运行时主要是电动机驱动车辆 如丰田Prius 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 发动机主动型 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 发动机主动型 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 发动机主动型 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 发动机主动型 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 发动机主动型 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 电力主动型 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 电力主动型 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 电力主动型 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 电力主动型 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 电力主动型 3 混联混合动力电动汽车的工作模式 电力主动型 第三部分混合动力汽车技术 混合动力汽车是汽车 电力拖动 化学电源 自动控制等工程技术中最新成果的及集成产物 混合动力汽车的开发和产业化需解决诸多关键技术 混合动力汽车的关键技术由 电池及电池管理系统 电机及电机控制系统 驱动系统控制 动力总成关键零部件技术 测试技术及系统优化等 丰田普锐斯混合动力汽车技术 普锐斯Prius于1997年10月底问世 是世界上最早实现批量生产的混合动力汽车 在人们日益关注环保的今天 普锐斯Prius因革命性地降低了车辆燃耗和尾气排放 其划时代之意义与先进性得到了全世界的高度评价 1997到2001这段时间里 第一代prius在日本已经卖出了37 000辆 现在这辆车的销售在全球已经过10万辆 是世界上第一辆产业化的混合动力汽车 HybridElectricVehicle Prius是第一辆混联型的HEV 它的动力系统叫做ToyotaHybridSystem THS 结合了串连和并联两种方式的特点 ToyotaHybridSystem THS 由发动机 ICE 发电机 Generator 电动机 Motor 行星齿轮 逆变器 Inverter Con verter 和动力蓄电池组组成 其中 发电机和电动机都可以做电动机 也可以做发电机 叫做MG1 MG2 行星齿轮将两个电机 发动机有机的联系起来 丰田普锐斯混合动力系统结构 普锐斯混联式混合动力由HV蓄电池 INZ FXF发动机 1号电动发电机 2号电动发电机 变频器总成 行星齿轮组等组成 普锐斯混合动力系统的元件在车上的布置图 普锐斯混联式混合动力的组成 1 NiMH电池系统 安装在普锐斯油电混合动力系统上的高输出镍氢蓄电池 无需利用外界电源进行充电 也无需定期交换 安装在Prius普锐斯上的电池单元实现了约540W kg的输入输出密度 居世界最高水平 使用车辆加速时的放电 减速时的再生制动器 以及用发动机行驶时产生的剩余能量来进行充电 从而累积充电放电电流 使充电状态保持稳定 不会出现放电过多或多余充电等现象 使用寿命非常长 电池系统的组成 电池系统由电流传感器 保险丝 服务插销 serviceplug 系统主继电器 电池控制模块ECU 电池通风温控系统构成 2 12V蓄电池 12V蓄电池提供给ECU和辅助设备的电源 如音响等 蓄电池安装位置如图所示 3 混合动力传动桥 混合动力传动桥主要由组合齿轮单元 主减速器 差速器 两个电机 MG1 MG2 动力分配行星齿轮 驻车机构等组成 1 高输出功率电动机 Prius普锐斯油电混合动力系统的电动机中采用了交流同步原动机 该装置一直到高旋转带都可高效地产生高扭矩 同时可任意控制转数和产生的扭矩 另外它还拥有小型 轻量 高效等特点 具有优秀的动力性能 可进行顺畅的启动 加速等各种操作 Prius普锐斯油电混合动力系统的电动机MG1 MG2的结构如图所示 MG1的作用 通过调节MG1的转速来实现发动机在某个高效功率点运行 发动机运行在高效率点时 随车速的变化 调节MG1的转速 实现行星齿轮无级变速的功能 作为电动机 起动发动机 把发动机从静止拖动到1000转左右 然后发动机喷油点火 在发动机有轴功输出时 MG1正转 作发电机 对电池充电和对MG2供电 MG1反转时 则作为电动机 消耗电能 若SOC低时 MG2则为发电机 对电池充电和对MG1供电 这种模式一般发生在等速巡航时 MG2的作用 EV模式运行时 作电动机 独立驱动汽车 汽车加速和需要辅助功率时 作电动机 汽车中等速度巡航时 发动机输出功率较低 MG1反转 MG2作发电机 对电池充电和对MG1供电 制动时发电 倒车时 反转驱动汽车 2 组合齿轮单元结构 作用 在动力分配行星排中 行星架与发动机相连 太阳轮与MG1相连 齿圈通过过渡齿轮与主减速器相连 发动机输出的动力被分成用于驱动MG1发电的动力 电动力 和用于直接驱动车轮的动力 机械动力 两个部分 组合齿轮单元结构 组合齿轮单元的工作原理 4 动力控制单元 变压器 变压器的作用 变压器将HV蓄电池的直流电流转换成电动机和发电机使用的交流电流 另外也将发电机和电动机发出的交流电流转换成可供HV蓄电池充电的直流电流 可变电压系统 可变电压系统根据需要将电动机和发电机的电源电压进行无级升压 由一般情况下的DC201 6V最大升至DC650V DC DC转换器 DC DC转换器将HV蓄电池和发电机发出的244 8 201 6V直流电流减压至12V 以供车辆的辅助设备 电子部件ECU作为电源使用 MGECU 作用 根据从动力管理控制ECU HVCPU 的信号控制变频器和增压转换器 电子控制系统 电子控制系统是集中控制车辆中各种系统的电子装置 可称为汽车的大脑 为了实现安全 舒适 高效率行驶 油电混合动力系统采用EUC实时监控汽车各系统的运转情况和能量消耗情况 进行精密且高速的综合控制 电子控制系统控制原理 5 汽油发动机 Pruis普锐斯中配备的INZ FXE具有以下特点 高膨胀比循环高悬转化采用VVT i 丰田普锐斯混合动力系统的特点与工作原理 1 工作特点 丰田Prius普锐斯特点是低油耗 低尾气排放量 良好的加速 运行安静的传动系统 TOYOTA油电混合动力系统是综合了电动机和发动机两大动力优点的新一代动力系统 它高水平地满足了现代汽车对低油耗 低尾气排放量的要求 加速良好 运行安静 1 低油耗的工作原理 启动时 充分利用电动机启动时的低速扭矩 1 低油耗的工作原理 低速 中速行驶时 由高效利用能量的电动机驱动行驶 1 低油耗的工作原理 一般行驶时 低油耗的驾驶 使用发动机作为主要动力源 1 低油耗的工作原理 一般行驶时 剩余能量充电 1 低油耗的工作原理 全速行驶时 利用双动力来获得更高一级的加速 1 低油耗的工作原理 减速 能量再生时 将减速时的能量回收到HV蓄电池中 1 低油耗的工作原理 停车时 动力系统全部停止 2 低尾气排放工作原理 降低油耗 控制尾气排放 采用了三元催化剂和VVT i 并改良了空燃比补偿装置 点火时间控制装置 燃料蒸发排放物控制装置及其它各种设备 从而有效地控制了有害气体的产生 并增强了尾气净化性能 油电混合动力系统在以卓越的低油耗来减少燃料消耗 控制尾气排放的同时 利用高效燃烧来抑制其它物质的产生 同时还安装各种尾气净化装置 实现了低尾气净化排放 3 驾驶方便 动力强劲的工作原理 驾驶方便 动力强劲 1 灵活控制电动机和发动机 1 理想的动力系统控制 2 驱动辅助 2 扭矩分配系统控制 3 电动机TRC 4 爬坡动力辅助 5 坡道启动控制 4 超群的静谧性工作原理 EV驱动模式 仅利用电动机来进行低 中速行驶 并且彻底采取了各种吸音 隔音措施 油电混合动力系统使驾驶者在低速至中速段行驶时仅利用电动机的驱动力 利用电力带动的电动机是非常安静的驱动力 其行驶时的静谧性远远超过发动机 Prius的静谧性技术 Prius普锐斯在 EV驾驶模式 功能的基础上 还采用了各种技术来降低发动机噪音以及从发动机 车胎发出的透射声 以保证车内和车外超群的静谧性 其他混合动力汽车车型介绍 别克君越eAssist混合动力车 别克君越eAssist混动车的动力系统由发动机 电池组 电动机和控制器等组成 eAssist混动车的电池及能量管理系统 别克君越eAssist属于弱混系统 电机不但要负责发动机的启动 同时还要完成自动启停 能量回收 加速和起步助力等功能 奥迪Q5hybrid 奥迪Q5Hybrid采用2 0TFSI发动机 为车辆提供了211马力 155千瓦 的动力 电动机也能为车辆提供54马力 40千瓦 的动力 在需要时 它们最大功率可达到245马力 180千瓦 最大扭矩480牛 米 比汽油版2 0T车型提升了不少 油耗方面 7 4L 100km也较汽油版2 0T车型的9 6L 100km节省了很多 奥迪Q5Hybrid混合动力系统的组成 第四部分动力电池技术 动力电池系统是整车的能量源 为整车提供驱动电能 电池系统的体积 形状和技术参数会影响电动汽车的行驶性能 是纯电动汽车最重要的子系统之一 纯电动汽车要求电动电池具有以下性能特点 1 能量密度高 以提高运行效率和续航里程 2 输出功率密度高 以满足驾驶性能要求 3 工作温度范围宽广 以满足夏季高温和冬季低温的运行需要 4 循环寿命长 保证电池的使用年限和行驶总里程 5 无记忆效应 以满足车辆在使用时常处于非完全放电状态下的充电需要 6 自放电率小 满足车辆较长时间的搁置需求 7 安全性好 可靠性高以及可循环利用 动力电池的概况 汽车行业的发展是整个上下游产业链的发展 对于新能源汽车的崛起 动力电池的核心地位越来越突出 动力电池的关键技术 包括材料种类 安全性 电池标准 寿命 价格成本等 动力电池的发展决定着电动汽车的发展进程 国内动力电池发展 中国2020年的基本的发展目标是 高比能量电池达到300瓦时每公斤 寿命1500次 成本8毛钱 在迈向高比能量锂离子电池的过程中 机遇挑战并存 安全问题将变得更加突出 能量比越高 挑战越大 中国必须进一步重视安全性 在安全性 耐久性 动力性三个问题中 最核心的是安全性问题 动力电池的常用类型 目前 电动汽车 混合动力电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池 正在发展的电源主要有镍氢电池 锂离子电池 飞轮电池及超级电容器等 储能装置 储存能量 向外传送能量和从外部吸收能量的装置称为储能装置 一般情况下 混合动力汽车或电动汽车的储能装置为动力电池 电动汽车使用的动力电池可以分为化学电池 物理电池和生物电池三大类 1 化学电池 将化学能直接转变为电能的装置 主要部分是电解质溶液 浸在溶液中的正 负电极和连接电极的导线 化学电池按工作性质分为原电池 蓄电池 燃料电池和储备电池 1 原电池 原电池是利用两个电极之间金属性的不同 产生电势差 从而使电子的流动 产生电流 如图4 1所示 又称非蓄电池 是电化电池的一种 其电化反应不能逆转 即是只能将化学能转换为电能 简单说就即是不能重新储存电力 与蓄电池相对 如锌 二氧化锰干电池 锂锰电池 锌空气电池 一次锌银电池等 2 蓄电池 蓄电池又称二次电池 是指电池在放电后可通过充电的方法使活性物质复原而继续使用的电池 而这种充放电可以达数十次到上千次循环 如铅酸蓄电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池等 3 燃料电池 电池 FuelCell 是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置 燃料和空气分别送进燃料电池 电就被生产出来 它从外表上看有正负极和电解质等 像一个蓄电池 但实质上它不能 储电 而是一个 发电厂 4 储备电池 储备电池是指电池正负极与电解质在储存期间不直接接触 使用前注入电解液或者使用其它方法使电液与正负极接触 此后电池进入待放电状态 如镁电池 热电池等 化学电池的其他分类方法 化学电池按电解质分为酸性电池 碱性电池 中性电池 有机电解质电池 非水无机电解质电池 固体电解质电池等 化学电池按电池的特性分为高容量电池 密封电池 高功率电池 免维护电池 防爆电池等 化学电池按正负极材料分为锌锰电池系列 镍镉镍氢系列 铅酸系列 锂电池系列等 2 物理电池 物理电池是利用光 热 物理吸附等物理能量发电的电池 如太阳能电池 超级电容器 飞轮电池等 太阳能电池 太阳能电池又称为 太阳能芯片 或 光电池 通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置 3 生物电池 生物电池 bio fuelcells 是指将生物质能直接转化为电能的装置 生物质蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能 是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的 生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应 这些氧化还原反应彼此影响 互相依存 形成网络 进行生物的能量代谢 如微生物电池 酶电池 生物太阳电池等 1 微生物电池 微生物电池由阳极室和阴极室组成 有一个质子交换膜将两极室分开 基本反应类型分为四步 1 在微生物的作用下 燃料发生氧化反应 同时释放出电子 2 介体捕获电子并将其运送至阳极 3 电子经外电路抵达阴极 质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室 4 氧气在阳极接收电子 发生氧化还原反应 阳极反应 C6H12O6 6H2O 6CO2 24H 24e阴极反应 6O2 24H 24e 12H2O 2 酶电池 酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料 反应原理如下 葡萄糖在葡萄糖氧化酶 GOx 和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸 电子由介体运送至阳极 在经外电路到阴极 双氧水得到电子 并在做过的氧化酶的作用下还原成水 阳极反应 葡萄糖 葡萄糖酸 2H 2e 阴极反应 H2O2 2H 2e 2H2O普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的 线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型 动力电池的性能指标 电动势 电池的电动势 又称电池标准电压或理论电压 为电池断路时正负两极间的电位差 额定电压 开路电压 电压 工作电压 终止电压 充电电压 动力电池的性能指标 理论容量 容量 额定容量 实际容量 比功率 电池的输出能量是指在一定的放电条件下 电池所能作出的电功 它等于电池的放电容量和电池平均工作电压的乘积 其单位常用瓦时 Wh 表示 比能量 比能量的物理意义是电池为单位重量或单位体积时所具有的有效电能量 它的比较电池性能优劣的重要指标 动力电池的性能指标 贮存性能 是指电池开路时 在一定的条件下 如温度 湿度 贮存一定时间后自放电的大小 自放电 电池经过干贮存 不带电解液 或湿贮存 带电解液 一定时间后 其容量会自行降低 这个现象称自放电 寿命 电池的真正寿命是指电池实际使用的时间长短 各种类型电池性能比较 各种动力电池性能介绍 1 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池特性 铅酸蓄电池主要由正极极群 负极极群 电解液和容器组成 它的正极是PbO2 负极是金属Pb 正负极板放在硫酸的水溶液 铅酸蓄电池单体工作电压2V 工作电压范围为1 7 2 2V 最佳放电电流为2C 铅酸蓄电池的组成 蓄电池主要由正极板 负极板 隔板 蓄电池槽 蓄电池盖 电解液 引出端子线 限压阀等组成 铅酸电池工作原理 放电过程 PbO2 2H2SO4 Pb PbSO4 4H2O PbSO4 放电 正极电解液负极正极电解液负极 充电过程 充电过程是放电过程的逆反应 充电的生成物就是放电的反应物 铅酸蓄电池在充电后期和过充电时 会发生电解水的副反应 在电极上产生一定量的气体 正极 2H2O O2 4H 4e负极 2H 2e H2 工作过程如图所示 铅酸蓄电池的优点 1 价格低廉 原材料容易得到而且价格便宜 技术成熟 生产方便 产品一致性好 2 比功率高 铅酸蓄电池电势高 大电流放电性能优良 可以满足车辆启动和加速的功率要求 3 浮充寿命长 其在25 C下浮充状态使用可达20年 4 使用安全 铅酸蓄电池易于识别电池荷电状态 可在较宽的温度内使用 而且电性能稳定可靠 5 再生率高 铅酸蓄电池的缺点 1 比能量低 2 循环寿命短 循环充电次数不足300次 3 自放电 过充电时有大量气体产生 4 供电不稳定 供电强弱随温度而变化 冬天只能释放一半的电量5 使用寿命短 因具有记忆效应 在电池存有残余电量时进行充电 6 污染严重 2 镍镉 镍氢电池 镍镉电池虽然具有大电流放电能力强 比能量高 维护简单等特性 但存在记忆效应严重 使用寿命较短以及过度充电易发生爆炸等致命的缺点 此外 镉是有毒的物质 一旦泄漏会污染生态环境 镍镉蓄电池的组成 镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物 负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉 电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液 镍镉蓄电池工作原理 放电过程 负极反应 负极上的镉失去两个电子后变成二价镉离子Cd2 然后立即与溶液中的两个氢氧根离子OH 结合生成氢氧化镉Cd OH 2 沉积到负极板上 正极反应 正极板上的活性物质是氢氧化镍 NiOOH 晶体 镍为正三价离子 Ni3 晶格中每两个镍离子可从外电路获得负极转移出的两个电子 生成两个二价离子2Ni2 与此同时 溶液中每两个水分子电离出的两个氢离子进入正极板 与晶格上的两个氧负离子结合 生成两个氢氧根离子 然后与晶格上原有的两个氢氧根离子一起 与两个二价镍离子生成两个氢氧化亚镍晶体 镍镉蓄电池工作原理 充电过程 负极反应 充电时负极板上的氢氧化镉 先电离成镉离子和氢氧根离子 然后镉离子从外电路获得电子 生成镉原子附着在极板上 而氢氧根离子进入溶液参与正极反应 正极反应 在外电源的作用下 正极板上的氢氧化亚镍晶格中 两个二价镍离子各失去一个电子生成三价镍离子 同时 晶格中两个氢氧根离子各释放出一个氢离子 将氧负离子留在晶格上 释出的氢离子与溶液中的氢氧根离子结合 生成水分子 然后 两个三价镍离子与两个氧负离子和剩下的二个氢氧根离子结合 生成两个氢氧化镍晶体 镍镉电池的优点 1 其内部抵抗力小 既内阻很小 可提供大电流 而且放电时电压变化很小 是一种非常理想的直流供电电池 2 与其它类型的电池比较 镍镉电池可耐过充电或放过电 镍镉电池在长时间放置的情况下 特性也不会劣化 充分充电后可完全恢复原来的特性 3 由于单元电池采用金属容器 坚固耐用 采用完全密封的方式 不会出现电解液泄漏现象 故无须补充电解液 4 镍镉电池可重复500次以上的充放电 非常的经济 镍镉电池的缺点 1 镍镉电池有记忆效应 记忆效应使得电池的性能不能得到充分发挥 2 使用寿命较短以及易发生爆炸等致命的缺点 3 镉是有毒的物质 一旦泄漏会污染生态环境 镍氢电池 镍氢电池是二十世纪九十年代发展起来的一种新型绿色电池 具有高能量 长寿命 无污染等特点 因而成为世界各国竞相发展的高科技产品之一 镍氢 Ni MH 电池与Ni Cd电池有许多相同的特性 但由于无镉 因此不存在重金属污染问题 被称为 绿色电池 批量生产的成本约为铅酸电池的四倍 镍氢电池 Ni MH 的材料构成 Ni MH电池工作原理 充电时正极反应 Ni OH 2 OH NiOOH H2O e 负极反应 M H2O e MH OH 总反应 M Ni OH 2 MH NiOOH Ni MH电池工作原理 放电时正极 NiOOH H2O e Ni OH 2 OH 负极 MH OH M H2O e 总反应 MH NiOOH M Ni OH 2以上式中M为储氢合金 MH为吸附了氢原子的储氢合金 最常用储氢合金为LaNi5 3 锂离子电池 锂离子电池是一种充电电池 它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作 在充放电过程中 Li 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌 充电池时 Li 从正极脱嵌 经过电解质嵌入负极 负极处于富锂状态 放电时则相反 一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池 是现代高性能电池的代表 锂离子电池的结构组成 锂离子电池内部主要由正极 负极 电解质及隔膜组成 正负极及电解质材料的不同和工艺的差异使电池具有不同的性能 目前市场上的锂离子电池正极材料主要是钴酸锂 锰酸锂 镍酸锂以及三元材料镍钴酸锂 磷酸铁锂材料是目前最新研制的锂离子电池正极材料 锂离子电池负极主要是碳材料 新的负极材料有锡基 硅基 合金基材料 钛酸锂 等 锂离子电池工作原理 当对电池进行充电时 电池的正极上有锂离子生成 生成的锂离子经过电解液运动到负极 当对电池进行放电时 即我们使用电池的过程 嵌在负极碳层中的锂离子脱出 又运动回正极 锂离子电池具有优越的性能 1 单体电池工作电压高达3 7V 是镍电池的3倍 铅酸电池的2倍 2 质量比能量高达150Wh Kg 是镍氢电池的2倍 铅酸电池的4倍 因此重量是相同能量铅酸电池的四分之一 3 体积比能量高达到400Wh L 因此体积是相同能量铅酸电池的二分之一到三分之一 4 循环寿命长 循环次数可达1000 2000次 5 自放电率低 每月不到10 6 无记忆效应 可以随时随地的进行充电 电池深度充放电 对电池的寿命影响不大 锂离子电池的缺陷 1 成本高主要是正极材料LiCoO2的价格高 但按单位瓦时的价格来计算 已经低于镍氢电池 与镍镉电池持平 但高于铅酸蓄电池 2 必须有特殊的保护电路 以防止过充 4 飞轮储能器 飞轮电池是90年代才提出的新概念电池 它突破了化学电池的局限 用物理方法实现储能 众所周知 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 飞轮电池的结构与原理 飞轮电池系统由飞轮 电动机 发电机和输入 输出电子装置共同组成 飞轮储能电池系统包括三个核心部分 一个飞轮 电动机 发电机和电力电子变换装置 电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转 电动机带动飞轮旋转 飞轮储存动能 机械能 当外部负载需要能量时 用飞轮带动发电机旋转 将动能转化为电能 再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率 电压等级的电能 以满足不同的需求 飞轮电池兼顾了化学电池 燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点 由于技术和材料价格的限制 飞轮电池的价格相对较高 在小型场合还无法体现其优势 目前 飞轮电池正在向小型化 低廉化的方向发展 可以预见 伴随着技术和材料学的进步 飞轮电池将在未来的各行各业中发挥重要的作用 5 超级电容器 超级电容器是一种电化学元件 但在其储能的过程并不发生化学反应 这种储能过程是可逆的 也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次 超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板 在极板上加电 正极板吸引电解质中的负离子 负极板吸引正离子 实际上形成两个容性存储层 被分离开的正离子在负极板附近 负离子在正极板附近 超级电容的优缺点 相比铅酸电池 镍镉电池 锂离子电池 超级电容具有节能 超长使用寿命 安全 环保 宽温度范围 无需人工维护等优点 由于超级电容是采用物理的方法来储能 所以其最为重要的一个特点就是功率密度很大 我们可以将其理解为充 放电迅速且可以瞬间吸收或释放极高的能量 这也是目前任何电池都做不到的 常见动力电池特性比较 动力电池的应用 动力电池的使用1 动力电池的检查 动力电池容量的检查 通用的方法是采用断开负载检查的方式 其检查原理是 将充电器的整流器电压缓慢下降 一直降到动力电池组正常工作电压以下 若这时动力电池开始放电而且能坚持所设定的一段时间 面板显示屏上指出动力电池的实际工作曲线 若动力电池不放电 但由于整流器仍继续向负载供电 使系统仍处于正常充电状态 负载设备的工作就会受到影响 说明动力电池失效 应做进一步地检查或更换 2 动力电池的测试 测试动力电池的目的是确定该动力电池是否满足使用要求 这在更换动力电池和判定原有动力电池是否失效时是必要的 对动力电池的基本要求是 满足原来使用动力电池的端电压动力电池应具有在启动放电瞬间输出大电流的特性满足一定容量和内阻 以保证逆变供电的时间 主要测试项目 离线测量动力电池的端电压 在线测量动力电池的端电压 测量启动瞬间输出大电流特性 判别动力电池的内阻和容量 动力电池的安装 注意事项 安装位置的选择 尽可能安装在清洁 阴凉 通风 干燥的地方 避免受到阳光直射 远离加热器或其他辐射热源 安装前的检查 应验证动力电池生产与安装使用之间的时间间隔 若电池搁置时间较长 应先进行充电后再使用 安装过程的要求 动力电池应当正立安装放置 不可倾斜 动力电池组间应有通风措施 不能采用新老结合的组合方式 安装后注意事项 新电池安装完毕要进行一次较长时间的初充电 放电终了再进行正常充电 3 动力电池的充电 对蓄电池的充电是动力电池组的主要管理方面 正确的充电是保证动力电池组正常工作和延长使用寿命的基本保养方法 动力电池组的充电方法有以下几种 恒流充电恒压充电快速充电智能充电均衡充电初充电 4 动力电池的放置 对于不经常使用的动力电池系统 也应该每隔一定周期使动力电池人为放电一次 但不要完全放电 放电的幅度控制在30 50 之间 然后再次充电 要尽量避免使动力电池处于小电流长时间的放电状态 选配电池时不能片面的认为容量越大可靠性越高 应使实际负载量为其额定容量的60 70 为宜 5 动力电池的回收与处理 在各种电池中都含有有害物质 如铅 镉等重金属 各种强腐蚀性的硫酸 盐酸和其他酸类 以及不可溶性的塑料外壳等 在电池失效报废后 若不妥善处理 将会污染环境 因此废电池的回收 处理和再生利用 是电动车运用中的一个重要环节 应有专业部门回收处理 我国的动力电池回收技术和回收体系尚在研究和建设过程中 动力电池的日常维护 在动力电池日常维护工作中 要做到日常管理的周到 细致和规范性 保证设备处于良好的运行状态 从而延长使用年限 保证直流母线上的电压和动力电池处于正常运行范围 保证动力电池运行和人员的安全 动力电池管理系统 动力电池管理系统 BatteryManagementSystem BMS 是用来对蓄电池组进行安全监控及有效管理 提高蓄电池使用效率的装置 对于电动汽车而言 通过该系统对电池组充放电的有效控制 可以达到增加续驶里程 延长使用寿命 降低运行成本的目