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第六章电动汽车的结构和工作原理 第一节纯电动汽车第二节混合动力电动汽车第三节燃料电池电动汽车 教学目的和要求 掌握电动汽车分类 工作原理 特点 发展趋势 本章重点 混合动力汽车本章难点 燃料电池汽车教学内容要点 第一节纯电动汽车 定义 是由车载可充电蓄电池提供电能 由电动机驱动的汽车 BEV 纯电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机 蓄电池相当于原来的油箱 一 纯电动汽车的分类 1 按照是否有辅助动力源分类 1 用纯蓄电池作为动力源的纯电动汽车 2 装有辅助动力源的纯电动汽车辅助电力源有超级电容器或发电机组 用来改善起动性能和增加续驶里程 2 按照蓄电池的种类不同分类铅酸蓄电池电动汽车锂离子电池电动汽车镍 氢电池电动汽车等3 按动力驱动控制系统的结构型式不同分类直流电动机驱动的电动汽车交流电动机驱动的电动汽车双电动机驱动的电动汽车电动轮电动汽车 二 纯电动汽车的结构与工作原理 组成 电力驱动系统 控制单元 驱动控制器 电动机 机械传动装置和车轮等电源系统 蓄电池电源 能量管理系统和充电控制器辅助系统 辅助动力源 辅助电源和DC DC功率转换器 动力转向系统 驾驶室显示操纵台和辅助装置 照明 各种声光信号装置 车载音箱设备 空调 刮水器 风窗除霜清洗器 电动门窗 电控玻璃升降器 电控后视镜调节器 电动座椅调节器 车身安全防护装置控制器等 等 控制单元根据加速踏板和制动踏板的输入信号 向驱动控制器发出相应的控制指令 对电动机进行启动 加速 减速 制动控制 三 纯电动汽车的布置型式 电动汽车的总体布置较灵活 从电气控制的角度讲 在汽车总体布置时 应使电源到控制器再到电动机之间的大电流回路的导线尽可能短 以减小回路的电压损失 保证汽车的动力性和行驶里程的要求 1 电动机中央驱动特点 汽车的结构与传统布置相近 可以在内燃机汽车的基础上改装 其传动装置和技术较成熟 只需一只驱动电动机 控制电路较简单 2 电动轮驱动将电动机及相应的减速器布置在车轮上 特点 省略传动轴和差速器等装置 简化了传动系统结构 但是需要两只或四只电动机 控制电路较复杂 将电动机与车轮制成一体 必然加大汽车悬架的质量 3 电动机一驱动桥组合式取消了离合器和变速器 但具有减速差速机构 由1台电动机驱动两车轮旋转 优点 继续沿用当前发动机汽车中的动力传动装置 只需要一组电动机和逆变器 这种方式对电动机的要求较高 不仅要求电动机具有较高的起动转矩 而且要求具有较大的后备功率 以保证电动汽车的起动 爬坡 加速超车等动力性 4 双电动机驱动式将电动机装到驱动轴上 直接由电动机实现变速和差速转换 特点 对电动机有较高的要求 要求有大的起动转矩和后备功率 同时不仅要求控制系统有较高的控制精度 而且要具备良好的可靠性 从而保证电动汽车行驶的安全 平稳 四 纯电动汽车的应用 1 我国自主开发的EV 1 天津清源纯电动汽车配置自主开发双离合器两挡自动变速箱和磷酸铁锂动力电池 系统集成度 可靠性 整车性能进一步提高 产品通过了型试认证 已得到美国经销商的认可 2 天津一汽夏利汽车股份有限公司天津一汽以夏利 幸福使者 为基础平台开发的电动轿车 采用150A h的镍 氢蓄电池 用直流电动机驱动 通过总线CAN系统对汽车的各个总成进行控制 最高车速50km h 最大爬坡度15 续驶里程80km 3 株洲时代集团的TEG6120EV 2型电动大客车TEG6120EV 2型电动大客车有38个座位 TEG6120EV 2型电动大客车采用水平铅酸电池为电力电源 电池管理系统对电池组的SOC进行监控计算 驱动电动机为三相交流异步电动机 采用直接转矩 矢量控制技术进行控制 使电动机控制在最佳工况下运转 整车采用ECU控制器和总线系统CAN对整车进行全网络化控制 2 国外汽车公司开发的EV 1 美国通用汽车公司EV 1电动轿车EV 1型电动轿车使用85 的电池组电量时 EPA城市循环行驶里程112km 高速公路行驶可达144km 2 日本丰田汽车公司的RAV4 EV在市内道路行驶条件下 其最高车速可达125km h 一次充电后的续驶里程为215km RAV4 EV采用免维修密封型Ni MH动力电池组 总电压288V 动力电池组采用强制性空气冷却 动力电池组装在底盘中部和座椅的地板下面 可以保证车厢有宽大的乘坐空间 驱动电动机为永磁电动机 效率高 体积小 最大输出功率为45kW 汽车制动时 电动机转换为发电机回收制动能量 五 纯电动汽车的特点和发展方向 1 特点优点 纯电动汽车具有无污染 噪声低 结构简单 使用维修方便 能源效率高 电动汽车停车时不消耗电量 在制动过程中 电动机可自动转化为发电机 实现制动减速时能量的再利用 多样化等 缺点 动力电源使用成本高 续驶里程短 2 发展方向纯电动汽车发展的关键在于电池 攻关重点集中在提高电池性能 降低成本 纯电动汽车的发展重点趋向小型乘用车 大型公交车 市政 邮政等特殊用途车辆 纯电动汽车大规模进入市场为时尚早 在车载电源得到解决后 电动汽车必然会迅速地发展 我国纯电动汽车基本掌握整车动力系统匹配与集成设计 整车控制技术 样车的动力性和能耗水平与国外相当 在小型纯电动汽车和大型公交车方面实现了小规模生产和示范运行 存在一些主要问题 整车产品在续驶里程 可靠性和工程化上 电池的比能量 安全性 可靠性 使用寿命等方面在满足整车要求上 机 电池所需部分部件 材料要国产化 同时在控制器基础硬件 芯片 高速CAN网关和信号处理放大部件 电动附件还没有成熟的产品可用 成本高 也依赖进口 第二节混合动力电动汽车 定义 混合动力汽车是能够从至少两类车载储能装置 传统的汽 柴油机和电池与电动机 中获得动力的汽车 HybridElectricVehicle HEV 一 混合动力电动汽车的分类 1 混合动力汽车动力系统结构类型分类 1 串联式混合动力汽车车辆行驶系统的驱动力只来源于电动机的混合动力汽车 2 并联式混合动力汽车车辆行驶系统的驱动力由电动机及发动机同时或单独供给的混合动力汽车 3 混联式混合动力汽车具备串联式和并联式两种混合动力系统结构的混合动力汽车 2 混合动力汽车混合程度分类 1 微度混合动力汽车 MicroHEV 以发动机为主要动力源 电动机的峰值功率和发动机的额定功率比 5 只具备停车停机功能的混合动力汽车 2 轻度混合动力汽车 MildHEV 以发动机为主要动力源 电动机作为辅助动力 电动机的峰值功率和发动机的额定功率比为5 15 电动机可向车辆行驶系统提供辅助驱动力矩 但不能单独驱动车辆行驶的混合动力汽车 3 中度混合动力汽车 MediumHEV 以发动机和 或电动机为动力源 电动机的峰值功率和发动机的额定功率比为15 40 低速时可电机独立驱动的混合动力汽车 4 重度 全混合动力汽车 FullHEV 以发动机和 或电动机为动力源 电动机的峰值功率和发动机的额定功率比大于40 电动机可以独立驱动车辆行驶的混合动力汽车 二 混合动力电动汽车的结构与工作原理 1 串联式混合动力电动汽车SeriesHybridElectricVehicle SHEV 发动机仅仅用于发电 蓄电池也可以单独向电动机提供电能来驱动混合动力电动汽车在零污染状态下行驶 能量转换效率比传统汽车低 应用 适用于环保要求较高 车速低的城市大型客车使用 2 并联式混合动力电动汽车ParallelHybridElectricVehicle PHEV 两套系统可以同时使用 也可以独立使用 并联式混合动力电动汽车不需要发电机 发动机与车轴直接连接 与串联式混合动力电动汽车比 具有效率高 能量损失小 排放性能差的特点 应用 适合于小型混合动力电动汽车 3 混联式混合动力电动汽车SplitHybridElectricVehicle PSHEV 在市区低低速行驶时 采用串联方式工作 在高速行驶时 采用并联方式工作 混联式混合动力电动汽车能够使发动机 发电机 电动机等部件进行更多的优化匹配 保证了在更复杂的工况下使系统在最优状态下工作 更容易良好的经济性和排放性 4 不同类型的混合动力电动汽车类型的比较 三 混合动力电动汽车的应用 1 日产Altima双电动机混合动力轿车配备了2 5升双顶置凸轮轴四缸L4汽油发动机 平均耗油量为 34mile USgal 2 福特Escape四驱混合动力系统前轮驱动的标配为2 3L 直列四缸发动机 最大功率为133hp 城市工况和高速时每加仑燃油可分别行驶34mile和30mile 四轮驱动的福特Escape同样配备了2 3L 直列四缸发动机 最大功率仍为133hp的混合发动机 它在城市工况和高速时每加仑燃油可分别行驶29mile和27mile 可任选自动或是手动的变速器 3 长安杰勋混合动力汽车 4 Prius混合动力电动汽车 1 Prius混合动力电动汽车基本结构采用发动机前置 4 2前轮驱动的布置形式 采用经过强化后的INZ FXE 1 5L 直列4缸 16气门 Atkinson循环 高膨胀比 的汽油发动机 发动机的尺寸更加紧凑 采用铝合金缸体减轻了发动机的质量 使得INZ FXE汽油发动机的效率比传统发动机的效率高80 在汽车行驶速度低于20km h时 发动机自动关闭 当电量不足时 发动机自行起动 对蓄电池进行充电 供应驱动电动机运行 THS系统是一个单排单行星齿轮机构 其有三个 接口 单行星轮行星齿轮机构 THS 的驱动模式 发动机输出轴与齿轮架相连接 ISG与太阳轮相连接 驱动电动机与内齿圈相连接 实现 1 发动机驱动模式 2 发动机ISG双混合驱动模式 3 发动机 驱动电动机双混合驱动模式 4 发动机 ISG和驱动电动机三混合驱动模式 5 驱动电动机驱动模式 6 驱动电动机与ISG双混合驱动模式 7 发动机带动ISG发电 8 带动发动机起动 9 回收制动反馈能量等 一般控制策略是起步或低负荷行驶时用电池电能驱动 匀速行驶时由发动机提供动力 加速行驶时 发动机与电池共同提供动力 停车或滑行时 发动机带动发电机向电池充电 制动和减速时通过能量回收系统向电池充电 2 普锐斯的维修知识 1 维修注意事项 发动机维修注意事项检查或维护发动机室时应遵守的注意事项 a 电源开关ON位置时 普锐斯的发动机自动ON和OFF 仪表板的READY灯亮 维护发动机室前 应该将HV主系统OFF b 解除检查模式前行驶可能损坏变速驱动桥 c 在检查模式下 主警告灯点亮时 解除检查模式来检查诊断区域 发动机维修注意事项 激活混合动力系统时应遵守的注意事项 a 将电源开关切换为ON 在IG位置 断开蓄电池 如果重新连接时钥匙不在钥匙孔内 则可能输出DTCB2799 b 蓄电池断开又重新连接或者警告灯亮起时 初次按下电源开关可能无法启动该系统 则再次按下电源开关可以启动 发动机维修注意事项 使用智能测试仪 时应遵守的注意事项 a 使用前要仔细阅读使用手册 b 测试汽车时需要两人配合 一人驾驶汽车 另一人操作测试仪 c 智能测试仪 连接在汽车上行驶时 要防止其电缆绞到换档杆 方向盘或踏板上 发动机维修注意事项 初始化应注意的事项 断开蓄电池负极 电缆后 当重新连接端子时 以下系统将被初始化 仅拆下蓄电池不能完成初始化 混合动力控制系统维修注意事项 混合动力系统使用高压电路 不正确的操作可能导致电击 漏电 发生危险 操作高压系统时一定要断开电源 a 确保电源开关关闭 b 从辅助蓄电池上断开负极端子电缆 c 必须戴绝缘手套 DTC 故障诊断码 也会被清除 因此断开电源之前必须检查DTC d 拆下检修塞 为防止其他技师重新连接检修塞 要将拆下来的检修塞放好 拆下检修塞后 不要操作电源开关 否则可能损坏混合动力汽车控制ECU e 放置汽车5min以上 对变频器内的高压电容器进行放电 混合动力控制系统维修注意事项 连接器和线束注意事项 高压电路的连接器和线束均为橙色 HV蓄电池等的高压零件都贴有 高压 警示 小心不要触碰到这些配线 使用绝缘手套的注意事项 a 应对绝缘手套进行检查 确保其无破损 裂纹再进行佩戴 b 不要戴湿手套 混合动力控制系统维修注意事项 进行维修或检查时的注意事项 a 工作前必须断开电源 b 对高压系统进行操作时 用警告牌警示其他人员 c 必须戴绝缘手套检查和维修零件 高压配线 d 为防止掉落从而引起短路 不携带任何金属物体 e 由于扭矩不足或过量可能导致的故障 必须按规定扭矩将高压螺钉端子拧紧 f 拆下任何高压配线后 立刻用绝缘胶带将其绝缘 g 完成对高压系统的操作后和重新安装检修塞前 应再次确认没有遗留任何零件或工具 以及确认高压端子已拧紧和连接器已连接 2 发动机控制系统的故障诊断表 3 混合动力控制系统的故障诊断步骤步骤1 故障汽车进入车间 步骤2 分析客户所叙述的故障 步骤3 首先将智能测试仪 连接到DLC3 数据链路连接器 如果智能测试仪 显示通信故障 则检查DLC3 步骤4 检查并记录DTC和定格数据 如果输出与CAN通信系统有关的故障的DTC 则首先检查并修理CAN通信 步骤5 清除DTC 步骤6 确认故障症状 若未出现故障 进行步骤7 若出现故障 进行步骤8 步骤7 症状模拟 步骤8 检查DTC 步骤9 查DTC表 步骤10 电路检查 步骤11 故障识别 步骤12 调整和 或修理 步骤13 确认故障试验 步骤14 结束 注 步骤3 5 步骤8使用智能测试仪 智能测试仪 结构紧凑坚固 采用手持电脑 触摸屏操作 中文显示 诊断功能支持所有可诊断系统 如安全气囊 发动机 变速器 防盗和ABS等 其内置双通道示波器和万用表 极大地扩展了仪器功能 支持丰田和凌志所有装备CANBUS系统的车型 四 混合动力电动汽车的特点和发展方向 1 特点混合动力电动汽车采取了各种现代最新技术使发动机经常工作在经济工况区 充分发挥电动机的低速大转矩的特点 使发动机避开在起动 加速和爬坡时燃料消耗量增大和废气排放增多的不利工况 因此工作噪声小 是HEV的主要特点 2 发展方向在混合动力技术上由单一发动机驱动向纯电动驱动转移 在混合度上 逐渐提高混合度以实现传统能源向电气化转化 在机电耦合方式上 前期主要存在单电机并联 双电机并联和双电机混联等方案 后期将向插电式方案发展 实现向纯电动方案过渡 在动力系统结构方面 发动机与电机集成 传动系与电机集成将向更高的集成度发展 从而实现向电动化转型 我国混合动力汽车基本掌握了混合动力汽车整车开发技术 形成了具有自主知识产权的多种结构形式和多种混合度的技术方案 基本突破了国外专利限制 动力电池和电机的技术性能取得较大进展 部分满足混合动力整车要求 混合动力汽车成为我国新能源汽车的主要产品类型 部分企业开始较大范围的示范运行 部分产品开始进行产业化推广 存在一些问题 除个别整车企业的产品已上市外 大多数企业尚处于样车阶段 未经过多轮验证研究 未达到系统优化和批量生产要求 零部件产业链未形成 关键原材料和电力电子元器件依赖进口 整车和零部件工程化不足 产品尚处于产业化初期 成本较高 第三节燃料电池电动汽车 一 燃料电池汽车的基本组成及功用定义 采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车 FCEV 组成 燃料电池汽车与普通燃油汽车的区别在于动力系统 其动力系统主要由电驱动系统 燃料电池组 动力控制单元 燃料箱 蓄电池 储能装置 功率转换器以及燃料加入口等组成 功用 燃料电池组要向空调系统和电动油泵转向系统提供电能 燃料电池的电流需要经过专用的大功率动力DC DC转换器 将燃料电池的直流电转换为稳压的直流电流 经过逆变器转换为交流电输送给驱动电动机 装配蓄电池组作为辅助电源的功用 1 用于FCEV快速起动 2 为控制系统 仪表板 车载电子 照明系统 信号系统 电气设备等提供低压电源 3 用于储存FCEV再生制动时反馈的电能 该蓄电池也可以用其他储能装置来代替 比如超级电容 飞轮储能器等 动力控制单元按照驾驶员的指令决定动力系统应提供的动力大小 或者进行回收减速以及制动过程的能量 燃料电池组提供能量给电驱动装置使汽车行驶 或者为了加速和大负荷之用而向蓄电池充电 当汽车行驶所需的动力超过燃料电池的发电能力时 蓄电池也进行工作 其电流经DC DC转换器进入电驱动装置来驱动汽车行驶 二 燃料电池汽车的分类及基本结构 1 按照驱动型式分类纯燃料电池驱动混合驱动2 根据燃料氢的储存方式分类压缩氢燃料电池汽车液氢燃料电池汽车合金 碳纳米管 吸附氢燃料电池汽车3 按照能量来源分类车载纯氢燃料重整 目前的燃料电池汽车主要采用的是混合驱动型式 即在燃料电池的基础上 增加了一组蓄电池或超级电容作为另一个动力源 根据混合式燃料电池汽车中燃料电池和蓄电池的关系 又可进一步把燃料电池汽车的动力系统归纳为并联式和串联式两种 汽车需要的功率主要由燃料电池提供 蓄电池只是在燃料电池起动 汽车爬坡和加速时提供功率 在汽车制动时回收制动能量 燃料电池作为主动力源 蓄电池作为辅助动力源 采用此种混合驱动型式的电动汽车为功率混合型燃料电池汽车 燃料电池 蓄电池 FC B 系统降低了对燃料电池的功率和动态特性的要求 也降低了燃料电池系统的成本 但驱动系统的重量 体积和复杂性增加 从而增加了电池的费用 由于镍 氢电池或锂离子电池的比能量及比功率较高 可以减少蓄电池组的体积和重量 越来越多地被用作燃料电池混合动力汽车的蓄电池 但其价格仍非常昂贵 往往需要配备专门的电池管理系统 在电压总线上再并联一组超级电容 用于提供加速的尖峰电流 减轻蓄电池的负担 延长其使用寿命 2 根据燃料氢的储存方式分类压缩氢燃料电池汽车液氢燃料电池汽车合金 碳纳米管 吸附氢燃料电池汽车 3 按照能量来源分类车载纯氢燃料重整重整燃料电池汽车的燃料主要有汽油 天然气 甲烷 甲醇 液化石油气等 目前在大多数的FCEV上 特别是在燃料电池电动轿车上 仍然是以压缩氢气或液化氢气作为燃料 三 燃料电池汽车的应用 1 国外汽车公司开发的FCEV 1 美国通用汽车公司的HydroGen 3 氢动3号 HCEV 2 日本丰田汽车公司的FCHV 4SUV 3 日本丰田汽车公司的FCHV 5SUV 2 我国自主开发的FCEV 1 北京清能华通科技发展有限公司等单位的燃料电池大客车 2 楚天1号 FCEV其外形尺寸为4350mm 1707mm 1413mm 轴距为2760mm 最高车速达103km h 最大爬坡大于20 四 燃料电池汽车的特点及发展方向 1 优点 1 热效率高热效率高是燃料电池突出的优点 热效率高意味着用燃料电池的汽车比内燃机汽车更加节能 内燃机汽车效率仅为燃料电池汽车的l