汽车检测与维修专业毕业论文--我国电动汽车的现状及发展趋势

汽车检测与维修专业毕业论文我国电动汽车的现状及发展趋势摘要随着汽车拥有量逐年增加汽车废气排放及对石油资源的过度消耗所引发的环境能源问题日益严重控制汽车废气污染及石油的替代能源已成为亟待解决的课题因此近几十年来世界各国政一直努力致力于研究开发和推广使用各种低排放或零排放汽车以解决空气污染问题电动车是以电力作为能源由电动机驱动的机动车辆电动车是典型的零排放车是目前最具开发潜力的绿色交通工具我国电动车的现状研究低成本高效电池和社会充电系统是今后我国电动汽车的发展趋势关键词环境保护节能减排低碳经济电动车蓄电池现状趋势ABSTRACTWITHCAROWNERSHIPISINCREASINGYEARBYYEARVEHICLEEMISSIONSANDEXCESSIVECONSUMPTIONOFPETROLEUMRESOURCESCAUSEDBYTHEENVIRONMENTENERGYISSUESBECOMEINCREASINGLYSERIOUSCONTROLOFVEHICLEEMISSIONPOLLUTIONANDOILALTERNATIVEENERGYHASBECOMEANURGENTISSUETHEREFOREINRECENTDECADESTHEPOLITICALWORLDHASBEENWORKINGHARDTORESEARCHANDDEVELOPMENTANDPROMOTETHEUSEOFAVARIETYOFLOWEMISSIONORZEROEMISSIONVEHICLESINORDERTOSOLVETHEAIRPOLLUTIONPROBLEMELECTRICCARSAREELECTRICITYASANENERGYSOURCETHEMOTORDRIVENVEHICLESELECTRICVEHICLESISATYPICALZEROEMISSIONVEHICLESISTHEMOSTPOTENTIALFORDEVELOPMENTOFGREENTRANSPORTTHESTATUSOFELECTRICVEHICLESINCHINAISBECAUSETHEBATTERYLIMITATIONSANDTHECOSTTOOHIGHTOALLOWPRODUCTIONANDELECTRICVEHICLESCANNOTBEAPPLIEDTHEELECTRICBIKEBECAUSEOFLOWCOSTRAPIDDEVELOPMENTPOSSIBLEOFLOWCOSTHIGHEFFICIENCYBATTERYCHARGINGSYSTEMANDSOCIETYINTHEFUTUREDEVELOPMENTTRENDOFCHINASELECTRICCARKEYWORDSENVIRONMENTALPROTECTIONENERGYCONSERVATIONLOWCARBONECONOMYELECTRICCARSSTORAGEBATTERYSITUATIONTENDENCY目录摘要IABSTRACT1第一章引言111大气污染与汽车排放112时代呼唤零排放2第二章电动车概述321什么是电动车322电动车的种类323电动车的特点524电动车发展史话625电动车发展战略9第三章电动车的组成结构1631电动车基本结构1632电动车参数20COM重量和体积参数20COM力参数2033电动车的性能评价21第四章电动车心脏的能源系统2341电动车的能源特点2342电动车蓄电池23COM蓄电池的容量23COM比能量24COM比功率25COM循环寿命25COM应用于电动车的主要蓄电池2543其他新兴的电动车能源系统27COM燃料电池27COM超大电容器辅助能源系统28COM超高速飞轮储能技术29第五章电动车的现状3051电动自行车现状分析30COM拥有量现状分析31COM价格现状分析31COM电池回收现状分析31COM电动自行车产品款式分析31COM政府对电动自行车上路态度32COM电动车的质量现状3252电动汽车现状分析33第六章电动车的发展趋势4161电动自行车的发展趋势41COM电动自行车产销售发展趋势分析41COM电动自行车消费对象发展趋向41COM电动自行车市场竞争发展趋势4262电动汽车发展趋势42结论44参考文献45致谢47引言与汽车排放随着工业化和城市化的推进汽车废气排放及对石油资源的过度消耗所引发的环境能源问题也日益严重已经引起了世界各国的普遍重视人类面临的最大的环境问题归纳起来有三个方面大气污染水资源污染以及生态环境遭受破环1997年在日本京都举行的全球气候变化高峰会议中与会的各国政府代表一致认为全球气候变暖已成为一个严重的环境问题但由于经济的高速发展和一些国家的违背承诺京都议定书在十几年并没有取得很大成效环境问题依然严峻温室气体的大量排放导致全球气温上升恒河20年后或干枯图瓦卢50年后沉入海底马尔代夫沉没进入百年倒计时这并不是预言家有意制造的耸人听闻的无聊预测而是科学家在考虑温室气体排放后给地球开出的诊断书气候变化已经使拯救地球的行动刻不容缓2009年在丹麦举办的哥本哈根气候峰会再次呼吁各国一起为减缓全球气候变暖作出努力我国也在会议上承诺2020年减排目标碳排放下降4045由于大量使用石油燃料使得大气中的二氧化硫和二氧化碳急剧增加造成了酸雨的蔓延及温室效应大气中的二氧化硫几乎以每年20的速率增加酸雨导致农作物减产大片森林死亡目前不少发展中国家的空气污染还在进一步恶化我国作为最大的发展中国家目前也已成为全球酸雨最为严重的国家之一保护人类赖以生存的自然环境珍惜地球上有限的石油资源是摆在人们面前迫切需要解决的两个重大课题传统燃油汽车在这两个问题上与人们的愿望正好背道而驰研究显示造成大气污染的气体主要由非甲烷有机物氧化氮一氧化碳组成据统计在美国地区43的非甲烷有机物57的氧化氮82的一氧化碳都是汽车废气排放产生的而全世界20的一氧化碳排放量来源于汽车废气由此可见传统汽车废气已成为城市大气污染的一个主要原因而且汽车废气排放出的氮氧化物与碳氢化合物在紫外线的作用下易形成高毒性的光化学烟雾污染我们赖以生存的自然环境直接危害人体健康城市空气污染情况日趋严重控制汽车废气污染已成为环保部门的严峻课题1时代呼唤零排放大多数人认为汽车废气仅是从排气管跑出来因此在加一个净化器就更可以解决废气污染问题岂不知汽车的废气除了从排气管排出还可以从发动机的曲轴箱化油器和燃油箱等处散发出来可谓是气不打一处来曲轴箱散发的排放物是发动机在压缩和燃烧过程中一些未燃烧的燃油从燃油室漏向曲轴箱再排放到大气的其主要成分是碳氢化合物约占汽车碳氢化合物总排放量的15以上另外化油器和燃油箱的燃料也会蒸发排放碳氢化合物排放量约占汽车碳氢化合物总排放量的25这些污染物不但污染城市空气还会直接窜入车厢危害驾乘人员的健康大量使用汽车对环境造成了严重的污染因此近几十年来世界各国政府学术界以及工业界一直努力致力于研究开发和推广使用各种低排放或零排放汽车以解决空气污染问题20世纪60年代末自美国政府率先颁布了较为严格的汽车排放标准以来汽车制造业一直努力减少汽车废气的排放与60年代相比今天燃油汽车的非甲烷有机物和一氧化碳的排放以减少了96氧化氮的排放也减少了76尽管有了如此大的进步可由于汽车总量与行驶里程的不但增加汽车仍然是大气的主要污染源1990年美国提出世界上第一个限制汽车废气排放的法案法案规定到1998年所有汽车商在加利福尼亚州出售的汽车中零排放车至少要占售出总数的2到2003年零排放车至少要占总数101991年10月美国东部的9个州以及华盛顿特区也制定了类似法案在美国影响下世界上的各个主要汽车生产和使用国纷纷制定了类似的政策或法规并投入巨资开发研究新型零排放汽车电动车2电动车概述什么是电动车电动车是以电力作为能源由电动机驱动的机动车辆在外形上电动车与传统的汽车并无显著区别它们的主要区别在于动力和驱动系统与电动车不同的是传统的燃油汽车是以液态的汽油或柴油为燃料以燃油发动机为驱动系统如果我们将燃油汽车看成是一台机械动力设备电动车则是典型的机电一体化的电气设备对这样的机电一体化电气设备来说除了要考虑它的机械安全性之外电气安全性也是非常重要的安全指标3电动车的种类电动车分类电动车按类型分可分为电动自行车如图11电动摩托车如图12电动三轮车如图13电动汽车电动汽车又分为以下几类纯电动汽车如图14的奔驰SMARTFORTWO如果一辆电动车同时采用电动机电驱动和发动机燃油驱动作为动力驱动系统就构成了所谓的混合型电动车图25就是本田思域HYBRID4我国产的比亚迪F3DM如图26作为世界首款即将量产的双模电动车在中国乃至世界的新能源汽车领域具有里程碑的意义F3DM双模电动车搭载了全球最先进的DM双模系统该系统是一种将控制发电机和电动机两种混合力量相结合的技术用户通过按键就可以使车辆在纯电动EV和混合动力HEV这两种模式之间自由切换这种技术的好处显而易见纯电动模式下即实现了零排放混合动力的排放标准也远远优越于欧标准图21电动自行车图21电动摩托车图23电动三轮车图24纯电动车图25混合型电动车图26比亚迪F3DM电动车的特点由上述电动车的定义可知电动车是典型的零排放车本身不产生任何废气也无冷却剂机油等污染物有人错误地认为电动车只是将空气污染从市区搬到了发电厂实际上电力的来源可以是多样化的不仅可用石油煤炭核能还可利用自然界的可再生能量像水能太阳能潮汐能风能地热能生物能等都可以高效地转化为电能即使电动汽车利用石油资源通过电能电动机车轮的能量转换和利用效率也要比通过石油内燃机变速器车轮的能量转换和利用率要高1倍左右将发电厂的污染都考虑在内电动车也比燃油汽车造成的空气污染少得多全球低碳经济下电动车有很大优势5在都市行车时为了等候交通灯必须不断地停车和起动这既造成了大量的能源浪费又增加了业已十分严重的空气污染而对电动车遇到刹车减速或下坡行驶时可以通过电子控制器将车辆的行车动能再生地转化为电能并贮存于蓄电池之中电动车的起动速度相当快在遇到红灯停车时还可以不必让电机空转大大提高能源的使用效率重新起动也不会产生大量的废气可以减少空气污染与燃油汽车相比由于电动机的运行噪音通常比燃油发动机小得多电动车的运行基本上是宁静的而在大都市汽车噪音已经成文一种严重的污染而危害到人们的身心健康传统燃油汽车的传能方式为刚性的物理齿轮传动装置而电动车的传能方式为电导线这就使电动车的布局结构能够更加自由化结构简单维修容易使用寿命长并可直接利用电子技术进行传动显示和控制风阻系数大大减少还易于实现自动控制安全性也优于内燃机汽车真正使电动车量产的动力在其经济性上目前电动车的百公里耗电12度左右以目前的电价花费10元左右传统16排量燃油汽车的百公里油耗7升左右目前的油价大约花费50元左右电动汽车的使用成本只是燃油汽车的20左右6但由于电动车的真正发展时间还是很短技术不成熟一些性能仍不及传统燃油汽车目前限制电动车发展的主要因素电池储存能力较差导致电动车的行驶里程很短一次的行驶里程只有200公里左右而传统燃油汽车一次加油便可行驶500公里以上燃油汽车加油只需5分钟电动车最快也需要半个小时充电到80补给速度不够理想另外电动车的电池组成本高出传统燃油汽车的油箱太多这致使目前电动车的售价很高几乎是传统燃油汽车价格的一倍然而从长远考虑由于使用成本低廉消费者可以在后期省下的昂贵燃油费中得到补偿国家也会在近几年出台购电动车的补助政策这些政策会促使消费者倾向于购买电动车为了解决行驶里程短的硬伤混合动力电动车应运而生这类电动车采用电驱动的电动机和燃油驱动的发动机混合动力解决了纯电动车的行驶里程短的弊端又提供了足够的时间进行充电在尾气排放方面又大大优于传统燃油汽车是目前主流的电动车类型电动车发展史话19世纪末美国新兴的工业城市迫切需要发展新型的城市交通工具以替代既脏又吵的火车和马车那时美国人拥有2500万匹马而主要的个人交通工具是马车和机械奇迹自行车当时1000万辆既方便又安全的自行车把美国人从每天喂养马匹中解放了出来自行车的大量使用促进了市区道路的发展同时也为后来汽车工业不可缺少的冶金铸造轴承制造车轮工艺以及变速机构的发展奠定了基础早在约亨利发明了直流电动机后不久的1831年诞生了世界上第一部电动车而第一部真正具有实际意义的电动车是由苏格兰人德文博特于1834年发明的当时这部电动车采用的能源是不可充电的简单玻璃封装蓄电池1859年法国人普兰特发明了世界第一只可充电的铅蓄电池为后来电动车的发展奠定了基础而1910年由爱迪生发明的镍铁蓄电池一度成为电动车的主要能源法国人特鲁夫于1881年第一次将直流电机和可充电的电池用于私人车辆在同年巴黎举办的国际电器展览会上特鲁夫展出了一辆能实际操作使用的电动三轮车特鲁夫的电动三轮车有两个小的转向轮和一个大的驱动轮连接两个转向轮的轴下面装有两个拳头大小的电动机这两个电机用两根链条与大驱动轮连接车座后面的轴上装有6个木盒里面是6节可充电电池用来驱动两个电机这辆近160KG的电动三轮车时速达到12KMH在当时已是一个了不起的成就了1885年在德文博特的电动车问世半个世纪后德国人卡尔奔驰发明了燃油驱动的三轮车他用火花点火来点燃压缩汽油气体和空气制成了世界上第一部内燃机型的汽车一年之后另一德国人德姆勒制造了第一部燃油轿车这些发明为燃油汽车日后的迅速发展奠定了基础成为人类汽车史上的伟大创举1888年金鲍尔的电动轿车在美国波士顿投入了运营而1893年在芝加哥的世界博览会上电动车第一次取代了马车被用做礼宾车1893年美国人杜耶兄弟俩首先将燃油汽车投入商业化生产他们生产的汽车于1895年在美国芝加哥举办的汽车拉力赛中一举击败了奔驰汽车而成为当时的明星汽车这已是世界上第一辆电动车诞生半个多世纪之后的事了1895年到1915年是早期电动车黄金时代当时美国经济正处于扩张时期呈现一派繁荣昌盛的气象随着国家经济的飞速发展美国急需寻找新型工业以刺激经济进一步发展电动车正是在这样的形势下发展起来的在这个时期电动车占领了美国私人机动车的主要市场这个时期的电动车代表了当时车辆制造技术的精华高雅的四轮轿车双轮轻便车运货车都可以随时起动加速时完全没有噪音在欧美各大城市可以以40KMH的速度行驶成为当时都市中的一道亮丽的风景线1897年英国伦敦的一辆电动出租车驱动电机采用的是双绕组的直流电机用变换绕组连接进行变速而不是当时常用的调节电压调速该车载有约600KG的铅酸电池自重约1300KG行驶里程为80KM法国巴黎人克瑞基尔曾为电动车的技术发展做出过重要贡献在1897年巴黎举办的汽车赛中克瑞基尔的电动车荣获一等奖这辆重1147KG的电动车采用了双前轮电机驱动电动方向盘以及四轮刹车最高时速24KMH一次充电行驶里程80KM克瑞基尔不愧为勇于创新且才华横溢的人早在1902年他就实验了酒精和电的混合型电动车1904年他将电与汽油的混合型电动车推向了市场但未能成功在1909年克瑞基尔的公司破产之前他还申请了涡轮机和电机混合型电动车的专利这在当时是非常先进的技术1899年金纳茨的永不满足号THENEVERSATISFIED电动车曾在美国创下了110KMH的当时最高时速记录到世纪之交时电动车内燃机车以及蒸汽机车已取代了昔日的马车和自行车成为当时的主要交通工具在1900年美国售出的4200辆机动车中38是电动车22是内燃机车还有40是蒸汽机车到20世纪初时电动的四轮轿车已成为纽约贵族们的宠儿富有的家庭能够乘坐配有专职司机和跟班的豪华型维多利亚式电动轿车出入剧院时装商店以及其他社交场所当时一辆电动轿车大约需要50006000美金相当于今日一辆豪华劳斯莱斯的价格1912年是电动车的全盛时期全美国注册的电动车达34万辆之多其中包括轿车卡车等等早期电动车的时速通常在30KMH40KMH由于那时的道路状况较差城市拥挤并不允许车辆有太高的时速因此那时电动车的性能足以满足人们的要求随着城市道路的改善特别是1916年美国从芝加哥通往南部各州的州际公路的开通大大刺激了人们对机动车时速和行驶里程的要求电动车渐渐难以满足这一要求了电动车日渐衰落的原因是多方面的美国人凯特林在L911年发明的燃油汽车电起动器是对电动车的重大打击之一凯特林的发明淘汰了使用长达25年之久的汽车手摇起动曲柄这在汽车发展史上是一项重大的革命电起动器的成功应用大大促进了汽车的普及使得妇女也能够轻易地驾驶汽车电动车不敌燃油汽车的另外一个原因是它在当时无法进入乡村地区因为那时美国的大部分乡村地区还没有电力供应在1924年的全美汽车展中电动车销声匿迹了燃油汽车迎来了一个黄金时代而这个黄金时代一直延续到60年代末在这段时期除了业余爱好者们还在锲而不舍地改装各种电动车改善它们的性能之外大汽车制造商们很少再投资发展电动车了7然而燃油汽车的发展也带来了一系列的问题据统计美国汽车保有量最高的一些大都市中12的新生儿肺活量达不到正常指标60年代末美国政府的高级官员就曾公开指出汽车是公众健康的重大威胁此后于1966年和1967年美国的通用福特和美洲汽车公司分别开发了新型电动车电动车进入了现代发展时期1967年美国成立了电动车协会从此美国的政府部门企业和研究机构能够在该协会的协调指导下进行电动车的研究开发工作70年代的一场石油危机对美国这个车轮上的国家产生了强烈的震撼人们不得不寻找石油以外的能源作为车辆的驱动能源在这样的背景下电动车复活了福特汽车公司开始研究先进的钠硫蓄电池克莱斯勒与通用汽车合作开发了ETV1型电动车除了三大汽车公司之外许多独立的专业电动车开发公司也纷纷成立投入电动车的市场竞争之中在80年代由于石油供应充沛油价逐步回落至70年代初的水平汽车的燃油效率在政府的督促之下也大大改善了因而电动车研发的动力大大减少其步伐显著放慢了8尽管加装了排气净化装置后燃油汽车的废气排放大大减少了但由于汽车保有量和行驶路程的急剧增加汽车造成的空气污染日趋严重在此情况下美国加利福尼亚州州政府试图通过立法来强制增加电动车在该州的销售虽然该法案未能通过议会表决而最终成为法律但对电动车进入市场已产生了巨大的影响90年代在能源和环境的双重压力下电动车的研究开发再次进入一个活跃期新材料新技术的发展为电动车的发展注入了新的活力进入千禧年后电动车更是得到了快速的发展尽管现今的电动车还存在这样或那样的问题特别是目前蓄电池的能量密度远低于汽油导致电动车的行驶里程还达不到燃油汽车的水平限制了电动车在某些长程交通场合的使用但进入2000年以来它还是获得了迅速的发展09年下半年量产的奔驰SMARTFORTWO电动版靠电池电力驱使从静止加速到60公里小时所需的时间为65秒时速可达135公里小时电动车不再有排放尾气的问题它依靠新SMARTFORTWO电动驱动从而完全告别了汽车尾气对环境造成污染的时代其中电动机由锂离子电池提供电能最大储能14千瓦续航里程可达115公里锂离子电池安放在车身中部而电动机安放在车尾这使得电动版车型具有后驱车的特质是真正适合在城市中穿梭的零排放理想座驾据统计美国人每天平均开车行驶65KM而高速公路限速为88KMH以加州为例具有奔驰SMARTFORTWO这样性能的电动车足以满足美国人95的需求而对其他国家人们对机动车性能的要求比美国还要低一些由此可见尽管人们对电动车的性能有些担心但是实际上这种担心并不完全是行驶里程不足的问题而主要是一个信心问题今日的电动车在满足人们日常交通运输的需求方面是完全可以胜任的9电动车发展战略如今环保节能的电动车越来越受到人们关注它的价格问题自然被广泛热议目前电动车的制造成本大约是燃油汽车的一倍左右有的车型甚至达到二倍其中蓄电池的成本占到电动车总成本的一半左右电动车的一次性投资高于燃油车但是随着电动车大批量地生产和蓄电池技术的改进电动车的价格必将大幅降低据美国通用汽车公司的一项统计在美国一般用户驾驶燃油汽车每月汽油费花费5060美元而使用电动车每月耗电费仅为1012美元由此可见电动车的使用成本比燃油汽车低很多由于电动车的结构比燃油汽车简单除了定期更换蓄电池之外主要部件基本上是免维护的电动车比燃油汽车更经久耐用因此电动车的使用成本远远低于燃油汽车不怕不识货就怕货比货从长远来看电动车并不昂贵目前推广电动车的主要障碍是一次充电的行驶里程和初始价格但是我们应该从综合经济效果来分析电动车在其整个寿命期间行驶每公里的总费用电动车的总费用包括购置折旧费维修费和燃油费电费电动车的维修费用根据各国的经验大概为燃油车的2550而电费和燃油价格比则根据各国的能源情况和税收标准不同而不同关键在于初始购置费如果电动车的初始购置费包括车体驱动系统和电池在内势必高于燃油车因为燃油车没有电池只有油箱因此电池可以考虑采用租赁的方式把电池折旧费作为运行费用由于我国的燃油价格高昂因此对推广电动车更加有利电动车的电费加电池的租赁费折旧费低于燃油车的燃油费这样电动车整个寿命期间的行驶费用比燃油车便宜而不包括电池的电动车价格可与燃油车媲美表26是20辆电动和燃油小型巴士每运行5万公里的总费用在不同的电价和柴油价格下的比较表中数字是正值的表示每5万公里电动巴士的费用低于柴油巴士的人民币数10这里要特别指出的是有待成立的新的能源公司可由电池制造商电力公司甚至和石油公司合资组建由这个公司拥有出租充电和维修电池用户只付租赁费而一切服务由该公司负责提供该公司可根据用户需要和电网情况采用快速充电慢速充电更换电池等方法以达到最佳综合经济效果例如可以利用晚上电网低负荷时充电以提高电网的负荷率这样不仅解决电动车用户的财务负担更可以免除他们的后顾之忧电动与柴油小型公共巴士运行总费用比较电价元KWH505560657075800607005700107001570020700257003070006137536258625136251862523625286250703450155065501155016550215502655007555255254475947514475194752447508076002600240074001240017400224000859675467532553251032515325203250901175067501750325082501325018250图26电动与柴油小型公共巴士运行总费用比较电动车结构简单毋需更换机油油泵汽化器以及消声装置等等毋需添加冷却水它的日常维修工作极少在充电方面对一般的电动车用户来说晚上在家将电动车充满电的时间远小于他们的睡眠时间因此尽管目前电动车还不能像燃油汽车加油那样能在几分钟之内充满电但总的来看使川电动车还是很方便的近年来采用各种高新技术的电动车层出不穷给人们带来了一个明确的信息我们已经走到了电动车时代的边缘随着日新月异的技术进步和人们环保意识的不断提高21世纪必将成为电动车全面发展的世纪在美国汽车达到25的普及率共花了50年时间而随着技术进步的加快移动电话达到相同的普及率只用了10年可以预见普及电动车将不再需要50年这么长的时间在今后的5到10年之内电动车的应用将迅速增加我们将能够看到电动车得到极大的普及尽管现代电动车以其相当高的技术性能而媲美于传统的燃油汽车从世界各国的电动车发展现状来看我们还不能说电动车已具备了全面普及的条件普及电动车的关键在于改善其性能和降低成本因此电动车开发工程师科研人员发展商电力部门以及政府机构所面临的主要课题是1降低电动车的价格目前电动车整车价格昂贵的主要原因一方面是由于蓄电池价格昂贵另一方面也因为电动车的产量小其部件大部分都为电动2车专用部件而不是通用部件所以蓄电池的高能化和电动车的标准化是降低电动车成本的关键3提高一次充电后的行驶里程电动车要大量普及必须进一步提高一次充电后的行驶里程4延长蓄电池的使用寿命越是高性能的电池其价格也越昂贵因此必须延长蓄电池的使用寿命以求降低年平均费用5发展包括充电设施在内的基础设施除了工作单位家庭等夜间充电设备之外还必须建立行车途中充电所必需的充电网络为此必须形成一个由国家地方团体电力公司以及生产厂商共同参与的协作机制6电动车是一门涉及多学科的工程问题发展电动车必须有来自不同领域的专家如电气工程师电子工程师机械工程师化学工程师以及汽车工程师聚集一堂共同参与实现系统的整合和优化以改善电动车的性能7由于电动车的电气驱动特性与燃油汽车的引擎驱动有着本质的不同电动车工程中的主要问题是要将汽车工程电气电子工程以及化学工程领域中最新的技术发展结合到电动车的设计中来实现能量的最优化利用电动车开发中要考虑的具体问题列举如下1了解车辆使用的市场和环境2决定电动车的技术条件3决定使用电动车所需的基础设施以及蓄电池的回收设施4决定整个系统的结构5设计底盘和车体6决定能量方式采用发电方式或储存方式纯电动式或混合式7决定驱动系统包括电动机控制器和变速器的类型单电机或多电机驱动有齿轮减速或无齿轮减速及其安装方式等等8根据电动车的行驶要求决定电驱动的技术条件和能源容量9采用智能化的能量管理系统10分析各个子系统之间的相互作用以及对安全和成本的影响11优化电机驱动的效率12通过计算机仿真计算优化整个系统11不久的将来我们的城市将会用上由太阳能风能氢能及核能产生的电能而取之不尽用之不竭的海水也将成为人类的主要能源与此同时人类需要开发更有效更安全的交通工具保护环境保护自然为了解决空气污染以及二氧化碳所产生的温室效应实现21世纪可持续发展战略电动车正面临着前所未有的发展机遇和挑战由于全球政治经济和技术环境的迅速变化国际间的合作及竞争都进一步增强信息和资本的自由流通导致了与以往不同的投资模式在这样的形势下世界各国的主要汽车制造商和研究部门竞相投资研究开发各种不同类型的电动车已取得了巨大的进展中小型厂商也不甘落后跃跃欲试试图在电动车这个新的领域与大公司一争长短亚太区域是全球经济发展最快的地区在发展电动车方面亚太地区的优势在于自然资源丰富劳动力廉价对电动车的性能要求并不苛刻由于原有的汽车工业基础相对薄弱对建立新的电动车工业体系以及新的基础设施来自原有的汽车工业的阻力和约束较小此外我国的电力主要来自于相对清洁的能源因此在发展电动车方面可以说有着得天独厚的条件由于中国具有巨大的潜在的和多元化的市场以及比较完备的工业基础在电动车发展方面中国具备率先取得突破性进展的条件不同国家或不同制造商的电动车发展策略有所不同而且影响发展的各种因素非常复杂尽管在市场经济条件下市场起主导作用但不等于市场决定一切制造商政府和电力部门可以共同培育市场制订开拓市场的策略总括来说电动车发展的总体战略可以是1综合技术优势集中汽车技术电机技术电子技术材料技术等相关技术的优势进行系统综合和优化2综合社会优势集中政府工业电力交通用户的优势进行大协作共同分担风险和享受成果3充分利用本地的市场和资源优势生产出性能和价格合理的电动车并提供有效的基础设施我国的国情有别于西方国家为了加速我国的电动车发展我们应该考虑如下措施1充分利用本地区经济增长迅速资源丰富和劳动力廉价的优势2合理地分配市场自然资源和人力资源3制定技术规范标准以及特别适合中国地区的新型交通体系4发展具有本地特色的创新设计概念5政府采取优惠政策和扶持措施6成立电动车信息中心促进技术和经验交流12推动电动车发展的动力来源于市场而市场要求电动车尽快走出实验室实现商品化电动车能否成功地实现商品化一方面取决于制造商能否提供性能优良经久耐用使用方便及价格低廉的车辆另一方面还取决于电动车是否有足够的市场得以激励制造商不断地改进和开发新型电动车因此成功发展电动车的关键在于开发电动车本身与开发市场并举为此必须建立汽车工业界政府和电力部门三者的良好协作关系共同努力开发电动车完善电动车市场推动电动车发展的动力来源于环境保护和市场需求市场要求电动车尽快降低成本实现商品化但是用户政府和企业对电动车的兴趣和侧重点各有不同寻求它们的共识则将是电动车发展和推广应用的关键如图27所示图27用户政府和企业之间的关系目前电动车存在的问题是初始成本高和行驶里程不理想其中主要原因是电池问题有人说要等新型电池有突破才可以推广电动车实际上即使利用现有的技术只要根据上述工程哲学根据不同的用途情况加以优化不仅从技术入手更从综合经济措施人手即可以取得综合技术经济效益现在电动车已经开始初步进入市场但燃油发动机仍占绝大多数份额在未来的10年里纯电动车混合式电动车和燃料电池电动车市场份额将以稳定的速度增加而燃油汽车的市场份额从现在开始将会逐渐减少预计10年后纯电动车将占据一个明显的市场份额而混合式电动车和燃料电池电动车市场份额将与燃油汽车所占的份额相当所有电动车加在一起的市场份额将会超过燃油汽车在未来的10年内初始能源将从现在的石油天然气煤和核能逐渐发展到使用可再生的能源燃料从现在汽油柴油和压缩天然气逐渐发展到电能再逐渐发展到使用乙醇和氢气日趋成熟的可以应用的技术如先进发动机先进蓄电池先进电机驱动系统燃气轮机超大容量电解电容高速飞轮储存系统和燃料电池将都被用来提高纯电动车和混合式电动车的性能先进的电机驱动技术发展将同时推动纯电动车和混合式电动车的发展低空气阻力系数技术低滚动阻力轮胎技术重量轻的车身和部件技术将会被纯电动车混合式电动车和燃油汽车共同应用不断提高它们各自的性能13未来的发展趋势将是燃料电池电动车和混合式电动车将有长远的市场前景因为这两种电动车具有与目前汽车基本相同的功能但它们的结构复杂成本较高因此要对性能和价格两方面进行平衡纯电动车则适合特定的市场如1社区交通2电价便宜使用方便的地区3零排放管制地区一般而言对于小型车辆包括自行车和摩托车纯电动车更具有生命力其根本原因是在小型车辆中电池的不利因素较少未来10年中纯电动车和混合式电动车在其特定市场范围内的商业化将增长增长的速度主要取决于它们的价格未来20年内燃料电池电动车的商业化也将增长总而言之未来30年内的前景十分令人鼓舞因为越来越多的人将驾驶洁净的交通工具而电源和电力驱动仍是关键技术环境问题仍是发展电动车的推动力在我国电动车更有着独特的市场中国的大城市普遍存在着十分严重的交通问题和空气污染问题这些城市人口稠密道路狭窄因此作为一种小型中速和短途的日常交通工具电动车是十分理想的电动车在中国有很好的发展条件和广阔的应用前景并已在八五和九五期间将电动车列为国家重大项目可以预期电动车的研制和开发将会快取得一批重要成果为电动车在我国的推广应用减少空气污染保护环境发挥重要的推动作用14电动车的组成结构今天电力在人们的生活中已得到广泛应用因此用电力驱动车辆被认为是最自然不过的事情了但是在很多人的眼里电动车既神秘又有很强的吸引力实际上电动车是机械电力磁力和化学定律巧妙结合的产物现代电动车更是集机电化光各学科领域中最新技术于一体是汽车电力拖动电子智能控制电化学计算机新能源新材料等工程技术中最新科技成果的集成产物从广义来看电动车还不仅仅是一部机动车辆而且是涉及交通能源汽车工业电力部门环境保护政治经济等诸多方面的一个全新的领域高性能的电动车通常是根据现代电动车系统理论专门设计制造的为了提高电动车的性能必须对电动车的结构和参数进行系统的分析研究电动车基本结构如图31所示电动车的基本结构系统可分为3个子系统即电力驱动子系统主能源子系统和辅助控制子系统其中电力驱动子系统又由电控系统电机机械传动系统和驱动车轮等部分组成如图3主能源子系统由主电源和能量管理系统构成能量管理系统是实现能源利用监控能量再生协调控制等功能的关键部件而辅助控制子系统主要是为电动车提供控制电源具有辅助电源的控制动力转向充电控制空气调节等功能15图31电动车的基本结构图32电动车电力驱动子系统与燃油汽车相比电动车的特点是结构灵活燃油汽车的能量是通过刚性联轴器和转轴传递的而电动车的能量则基本上是通过柔性的电线传输的因此电动车各部件的放置具有很大的灵活性与传统燃油汽车的发动机不同电动车的电动机具有很大的灵活性不同类型的电动机像直流电动机交流电动机轮式电动机等等都可以作为电动车的驱动电机并直接导致电动车不同的行驶性能不同类型的储能装置例如不同的蓄电池燃料电池超大电容器和高速飞轮等也都会影响电动车的重量体积尺寸进而影响电动车的性能这些不同的选择赋予了电动车的设计者很大的灵活性变速传动系统是电动车驱动子系统的一个重要部件它指的是驱动电机转轴和车轮之间的机械连接部分对于传统汽车来说变速箱是必要的部件设计时主要考虑的是采用什么类型的变速器但对于电动车则不同由于驱动电动机的转矩和转速完全可以用电子控制器进行全范围的控制因此变速系统的设计就可以有多种不同的选择既可用传统的齿轮变速箱变速也可用先进的自动变速传动桥变速还可以用电子驱动器控制电动机直接变速究竟采用哪种方案主要依据电动车的能量和经济性也涉及到电机和控制器的设计采用齿轮变速箱的主要优缺点有1带有多级变速齿轮箱的传动系统可以显著地减小驱动电机和控制器的额定容量体积和重量2使用齿轮箱驱动系统能够在电动车的转速转矩要求范围内达到高效和优化地运行3能够在较宽的范围内达到制动能量的再生回馈4手动变速具有技术成熟能量效率高的优点5齿轮箱的使用可能会增加电动车的重量和体积6由于齿轮箱的效率问题例如传统的自动变速箱的效率通常只有7585使用齿轮箱变速会降低驱动系统的总效率16传统的带有脚踏离合器的手动变速方式因为结构简单技术成熟效率较高而被早期的改装电动车大量采用但是这种变速器的缺点是体积和重量都较大传统的自动变速器因为附加损耗很大重量大最大转速受限制等缺点而很少直接使用在电动车中为了提高电动车的传动效率人们开发了电动车专用的电机和变速传动一体化的两速或三速自动传动桥这种传动桥将变速齿轮组与高速异步电动机完全结合为一体并且直接安装在电动车驱动轮的驱动轴上构成重量轻体积小效率高结构紧凑和成本低廉的传动系统与传统的自动变速箱相比电动车的自动变速传动桥同样包括有盘形和带形离合器行星齿轮差速器执行离合动作的液压系统润滑油以及冷却剂等等自动变速传动桥可以用微处理器实现转轴的全电子控制一个由停车倒车空档行驶以及一档构成的五档选择器为驾驶员提供了各种驾驶情况下的不同选择控制器将根据驾驶员所挂的档位自动地决定变速齿轮在哪一级变速档上并将适当的信号送到液压控制系统以执行变速控制由于交流异步电机的转动惯量低并有理想的转矩特性使得控制变速桥进行平滑的自动变速变得更加容易采用不同的动力驱动方式和不同的能源系统可以构成不同结构形式的电动车带有多级变速齿轮箱的电动车早期的许多电动车是由燃油汽车改装而成的这种电动车只是将汽车的引擎和油箱替换成电动机和蓄电池而保留燃油汽车的离合器变速齿轮箱和差速器等机械部件对于燃油汽车而言变速齿轮箱是必不可少的部件因为汽车的转矩特性完全依赖于多级变速齿轮的调节对于一般的轿车通常采用4级或5级变速在变速时通过离合器连接或切断发动机到车轮的功率流对于改装电动车由于离合器变速箱这类机械部件本身业已存在采用多级变速驱动是最简单的方法通常这类改装电动车的性能直接取决于蓄电池由于目前蓄电池的能量密度远低于汽油因此改装电动车难以获得很高的性能2采用固定减速比的电动车采用固定减速比的转矩转速驱动特性随着电动机控制性能的改善电动机驱动具有相当大的控制灵活性和理想的转矩转速特性完全可以满足机动车的驱动性能要求因而用一个固定速比的减速箱取代汽车中的离合器和变速箱已成为可能从而可以大大减轻电动车的自重提高能量传输效率并降低电动车的成本现代电动车大都采用这种结构3采用电动轮驱动的电动车如果将驱动电动机直接安装在车轮中可以使电动车的结构变得更加紧凑进而进一步缩小电动车的体积减轻其重量提高传输效率并降低成本左图显示一种采用永磁电动机的电动轮驱动的电动车结构这种结构采用低速外转子电机彻底取代了笨重的减速齿轮箱使得电动车的车速控制完全取决于电动机的转速控制这种结构的优点是取消了传动齿轮箱其代价是低速电机的体积重量和成本通常比较高采用电动轮驱动的电动车通常采用两轮或四轮驱动4单电机或多电机驱动汽车在转弯时由于内外侧车轮的转弯半径不同必须调整两侧车轮的速度实行差速以使得汽车可以平稳行驶对于传统的燃油汽车无论是前轮驱动或是后轮驱动机械式差速器是必备的部件而对于电动车如果采用双电机或者四电机驱动由于每个电机的转速可以有效地独立调节控制实现电子差速在这种情况下电动车可以不用机械差速器电子差速器的优点是体积小重量轻又可以实行精确的电子控制提高电动车的性能然而目前普及电子差速器的障碍在于它的可靠性以及进一步降低成本如果电动车采用的是单电机驱动则必须装有机械差速器就目前的技术发展来看带机械差速器的单电机驱动系统仍占主导地位是电动车驱动的主流形式而采用电子差速的多电机系统也在进一步的发展之中两者孰优孰劣目前还没有定论5能源系统对电动车结构的影响除了电力驱动系统对电动车结构的影响之外不同的能源系统如各种蓄电池燃料电池高速飞轮及超大电容器等不同的储能手段都能构成不同的电动车结构对电动车的性能产生很大的影响17电动车参数一般来说电动车和燃油汽车同样都是机动车就外部性能而言描述它们的数学和物理手段并无大异因此大多数的电动车参数都可以从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴但是由于电动车的特殊性她的蓄电重量效率再生能量的利用效率等性能参数却是传统的燃油汽车所没有的重量和体积参数电动车的重量是重要的性能参数因为它们直接影响到电动车的行驶里程和行驶性能电动车的重量定义如下1自重不包括载重的电动车重量2毛重包括载重的电动车重量3载重乘客和货物的总重量4惯性重量自重加标准的载重量5最大重量电动车在得以安全行驶条件下的最大毛重6驱动系统重量电动车整个驱动系统的重量7蓄电池重量电动车车载蓄电池的重量电动车的体积参数与传统汽车类似主要是1车体尺寸车体的长宽高2前部面积车体的前部等效面积将直接影响电动车的空气阻力系数3座位容积车内允许的乘客数量4货物容积车内允许的货物容积力参数机动车行驶要克服的阻力称为道路负载道路负载FL主要由空气阻力FD轮胎滚动阻力FR和爬坡阻力FC等三个分量构成如图27所示它的数学表达式为FLFDFRFC图33电动车的道路负载空气阻力FD是由于机动车高速穿过空气障碍而产生的运动阻力轮胎滚动阻力FR是由于轮胎与地面摩擦产生的阻力影响滚动阻力的因素主要有轮胎的形状压力温度胎面厚度线网层车速以及所传递的转矩等等其中胎型和压力又是最主要的因素爬坡阻力FC爬坡时受到更直接的地心引力坡度越大阻力越大电动车的性能评价林林总总洋洋大观的电动车家族种类繁多性能各异如何建立一个统一的性能标准以评价这些不同厂家生产的不同类型的电动车成为电动车发展的一项基础研究对于传统的燃油汽车最高时速和加速能力是最重要的性能指标由于每次加满油的行驶里程已远远超过了人们的一般需求因而行驶里程对燃油汽车来讲只是次要的件能指标在环保意识不断提高的今天人们已不再简单地追求汽车最高时速和加速性能燃油汽车的废气排放已成为汽车性能的又一重要的考核指标此外汽车的舒适性安全性等等也都会成为汽车推销商的卖点对于电动车一次充电后的最大行驶里程则是最重要的性能指标这是因为一辆15L的燃油汽车加满汽油之后至少可行驶500KM而大部分的现代电动车一次充电后的行驶里程在200KM左右远低于燃油汽车还不能完全满足人们对现代机动车辆的性能要求从而成为制约电动车发展的主要因素因此人们在评价电动车的性能时主要要考虑如下性能指标1车体重KG2载重KG3载客人数或载货体积M34最大重量KG5能量效率和功率效率6连续最大行驶速度KMH7最大爬坡能力8深度放电条件下的充电时间H9最大行驶里程电动车每次充满电后的最大行驶里程KM10加速能力电动车从静止加速到一定的时速S11最高时速电动车所能达到的最高时速KMH值得注意的是一辆电动车如果以40KMH的恒速行驶在高速公路上可行驶200KM而在市区则由于要不断地起动和刹车可能最多行驶120KM不同的行驶方式导致了电动车的行驶里程有很大的差异为了合理地评价机动车的性能人们制定了统一的机动车驾驶模式由于不同国家或地区的驾驶条件差异很大各个国家分别制定有自己的驾驶模式其中主要有美联邦都是驾驶模式欧洲驾驶模式美国机动车工程师协会SAEJ227A驾驶模式日本电动车协会驾驶模式1由于我国的电动车开发起步较晚目前尚未建立自己的电动车驾驶测试标准模式而一直沿袭美国或欧洲的标准因此建立适合我国国情的驾驶测试模式已是中国发展电动车事业的当务之急电动车心脏能源系统从前一章中我们关于电动车的主要参数和特性的分析可见电动车能源系统的体积重量形状和技术参数决定了电动车的行驶性能是电动车最重要的子系统在目前以及可以预见的未来能源系统是电动车实现市场化的瓶颈本章将对电动车的能源系统进行详细的讨论和分析电动车的能源特点为了确保点东侧合理的行驶性能对其能源系统应具有如下要求1高比能量2H放电率时至少44WHKG以确保电动车达到合理的行驶里程2高比功率以确保电动车的加速和爬坡性能3寿命长免维护4制造成本低廉5自放电自衰减小6合理的运行环境要求7充电快效率高设备简单8尺寸小9发生事故时的安全性好10可回收性好11更换简便目前适合电动车的能源系统有蓄电池燃料电池电容器储能和飞轮储能等其中蓄电池电容器和飞轮是所谓储能系统燃料电池则是利用化学反应产生电能的发电系统由于蓄电池的技术比较成熟价格相对低廉就近期而言蓄电池将是电动车的主要能源最近燃料电池及电容器储能技术的发展受到了较多的关注成为电动车长期发展中较有前途的能源形式而飞轮储能技术的实用化则是电动车发展的远期目标19电动车蓄电池蓄电池的容量蓄电池的容量就是蓄电池的蓄电能力通常以充足电后的蓄电池放电至其端电压到达规定的终了电压时电池所放出的总电量来表示当蓄电池以恒定电流放电时它的容量Q等于放电电流ID和放电时间TD的乘积QIDTD式中ID的单位为安ATD的单位为小时HQ的单位为安时AH如果放电电流不是一个固定不变的常数那么蓄电池的容量为不同的放电电流与相应时间的乘积之和QID1TD1ID2TD2IDNTDN蓄电池的容量并不是一个固定不变的常数除了与极板表面能参与电化学反应的活性物质数量有关外还与充电的程度放电电流的大小放电时间的长短电液的比重温度的高低蓄电池的效率以及新旧程度有关在使用过程中放电电流的大小和电解液的温度是影响蓄电池容量的主要因素20能源系统的比能量被定义为单位质量的能量其量纲为WHKG电动车能源与传统汽车能源最根本的差别在于它们的比能量相差很大表41给出了不同能源系统比能量的典型数据由此可见汽油的比能量是铅酸电池的250倍从上一章的电动车系统理论分析可知电动车的行驶里程则完全是由车载总能量决定的由于电动车车载能源的比能量远低于传统汽车车载能源的比能量这就决定了在蓄电池技术还未能取得有效突破的情况下电动车的行驶里程仍将不敌传统汽车这就是目前电动车还不能迅速普及的原因之一21能源比能量WHKG1汽油天然气甲醇氢气煤铅酸电池钠硫电池钢飞轮123009350620028000820035501503001230表41不同能源系统比能量比功率与比能量的定义相类似能源系统的比功率被定义为单位质量的功率其量纲为WKG如果一个蓄电池的比功率较大则表明在单位时间内单位质量所放出的能量较多即该电池能用较大的电流放电而且电动车的加速性能是由其驱动系统的功率特性决定的因此蓄电池的比功率决定了电动车的加速性能与比能量特性不同的是蓄电池的比功率与传统的汽油或柴油相当因此电动车的加速性能一般不低于传统的燃油汽车22循环寿命蓄电池的充放电循环寿命是衡量二次电池的一个重要参数蓄电池经受一次充电和放电称为一次循环在一定的充放电条件下电池容量降至某一规定值之前电池能耐受的充放电次数称为蓄电池的充放电循环寿命充放电循环寿命越长电池的性能越好蓄