电动汽车及混合动力汽车技术

1、2 第一节第一节 电动汽车的结构原理电动汽车的结构原理 第二节第二节 电动汽车的控制技术电动汽车的控制技术 第三节第三节 混合动力汽车混合动力汽车 第四节第四节 燃料电池汽车技术燃料电池汽车技术首页返回章返回节3第一节电动汽车的结构原理第一节电动汽车的结构原理 一、电动汽车及其发展一、电动汽车及其发展 二、电动汽车的结构原理二、电动汽车的结构原理 三、电动汽车的总体布置三、电动汽车的总体布置首页返回章返回节4 一、电动汽车及其发展一、电动汽车及其发展 电动汽车（电动汽车（Electric VehicleElectric Vehicle）是以电池）是以电池为动力的汽车。为动力的汽车。 德国德国1

2、9721972年开始研制。年开始研制。 日本日本19761976年成立年成立“日本电动汽车协会日本电动汽车协会”，19781978年制定了年制定了“电动汽车试用制度电动汽车试用制度”，每，每年给试用者试用费。年给试用者试用费。 通用公司通用公司20002000年推出的混合动力汽车百公年推出的混合动力汽车百公里油耗只有里油耗只有2.94L2.94L。 我国首辆电动轿车我国首辆电动轿车20012001年年6 6月在东风汽车公月在东风汽车公司问世。司问世。首页返回章返回节5 二、电动汽车的结构原理二、电动汽车的结构原理 电动汽车由车载电源（电池和充电器等）、电动汽车由车载电源（电池和充电器等）、驱动

3、电机及控制器、车体（底盘和车身等）驱动电机及控制器、车体（底盘和车身等）三部分组成。三部分组成。 由蓄电池输出电能（电流）通过控制器驱由蓄电池输出电能（电流）通过控制器驱动电机运转，电机输出的转矩经传动系统动电机运转，电机输出的转矩经传动系统带动车轮旋转。带动车轮旋转。首页返回章返回节6 电动汽车的基本骨架应具备以下几点：电动汽车的基本骨架应具备以下几点： 1 1）为了确保行驶安全性，提高维护保养性，）为了确保行驶安全性，提高维护保养性，采用低重心和免维护一体型蓄电池，并将采用低重心和免维护一体型蓄电池，并将其放在车身后部的车厢地板下。其放在车身后部的车厢地板下。 2 2）为减轻车架质量，提高

4、刚度，将大断面）为减轻车架质量，提高刚度，将大断面主车架设计成纵直车架。主车架设计成纵直车架。 3 3）为了确保车厢内部具有最大限度的乘员）为了确保车厢内部具有最大限度的乘员空间，最大限度地紧缩机械空间而采取将空间，最大限度地紧缩机械空间而采取将乘员空间与驱动系统动力源等完全分开的乘员空间与驱动系统动力源等完全分开的处置，将电动机、高压电气系统集中配置处置，将电动机、高压电气系统集中配置在车身前部。在车身前部。首页返回章返回节7 1.1.电动机电动机 直流电机和交流电机两大类。直流电机和交流电机两大类。 直流电机不需离合器、变速器，起步加速直流电机不需离合器、变速器，起步加速牵引力大，控制系统

5、较简单，成本低，但牵引力大，控制系统较简单，成本低，但需电刷和换向器，体积大、重量大。需电刷和换向器，体积大、重量大。 交流电机（包括异步、同步、开关磁阻）交流电机（包括异步、同步、开关磁阻）体积小、质量轻、效率高、免维护、调速体积小、质量轻、效率高、免维护、调速范围宽。范围宽。首页返回章返回节8 2.2.控制系统控制系统 控制车辆各类工况下的行驶速度、加速度控制车辆各类工况下的行驶速度、加速度和能源转换情况。和能源转换情况。 包括电动机驱动器、控制器及各种传感器，包括电动机驱动器、控制器及各种传感器，其中最关键的是电动机逆变器。其中最关键的是电动机逆变器。首页返回章返回节9 3.3.管理、监

6、控系统管理、监控系统 管理系统包括能源、安全管理系统。管理系统包括能源、安全管理系统。 能源管理系统包括车载充电器、行车时能能源管理系统包括车载充电器、行车时能源分配、能源再生。源分配、能源再生。 安全管理系统包括各类信号检测及防误装安全管理系统包括各类信号检测及防误装置等。置等。首页返回章返回节10 监控系统包括：监控系统包括： 1 1）驾驶员信息中心（）驾驶员信息中心（DICDIC） 汽车的各种参数显示，电池电量指示，放汽车的各种参数显示，电池电量指示，放电情况监视及报警，车速、自动防抱、制电情况监视及报警，车速、自动防抱、制动能量自动回收和电差速等。动能量自动回收和电差速等。 2 2）车

7、辆电子装置中心（）车辆电子装置中心（VECVEC） 对动力对动力- -驱动系统监控，平稳调速，换挡提驱动系统监控，平稳调速，换挡提示，车灯监视，悬架控制，汽车电话等。示，车灯监视，悬架控制，汽车电话等。首页返回章返回节11 三、电动汽车的总体布置三、电动汽车的总体布置 1.传统的驱动模式传统的驱动模式 1）电机替代发动机。）电机替代发动机。 2）离合器、变速器、传动轴和驱动桥等。）离合器、变速器、传动轴和驱动桥等。 3）电机前置、驱动桥前置；电机前置、驱）电机前置、驱动桥前置；电机前置、驱动桥后置等。动桥后置等。 4）结构复杂，效率低，不能充分发挥电机）结构复杂，效率低，不能充分发挥电机的性能

8、。的性能。首页返回章返回节12 2.2.电动机电动机- -驱动桥组合式驱动系统驱动桥组合式驱动系统 1 1）在电机端盖处装置变速齿轮、差速器等）在电机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，形成电机驱动总成，形成电机- -驱动桥组合式驱动系驱动桥组合式驱动系统。统。 2 2）电机前置、驱动桥前置；电机后置、驱电机前置、驱动桥前置；电机后置、驱动桥后置等。动桥后置等。 3）传动机构紧凑，传动效率较高，安装方）传动机构紧凑，传动效率较高，安装方便。便。首页返回章返回节13 3.3.电动机电动机- -驱动桥整体式驱动系统驱动桥整体式驱动系统 1 1）在电机端盖处装置变速齿轮、差速器等）在电机端盖处装置

9、变速齿轮、差速器等驱动总成，电动机有一个空心轴，有一个驱动总成，电动机有一个空心轴，有一个驱动桥的半轴从电动机空心轴中通过。驱动桥的半轴从电动机空心轴中通过。 2 2）电机前置、驱动桥前置；电机后置、驱）电机前置、驱动桥前置；电机后置、驱动桥后置等。动桥后置等。 3 3）传动机构紧凑，传动效率较高，可作为）传动机构紧凑，传动效率较高，可作为驱动桥布置在车架下面。驱动桥布置在车架下面。首页返回章返回节14 4.4.轮毂电动机分散驱动系统轮毂电动机分散驱动系统 1 1）电动机装在轮毂中，有）电动机装在轮毂中，有4 42 2和和4 44 4两种两种布置方式，各个车轮之间的同步转动或差布置方式，各个车

10、轮之间的同步转动或差速转动由中央控制器的计算机系统控制。速转动由中央控制器的计算机系统控制。 2 2）4 42 2布置方式有双前轮驱动模式和双后布置方式有双前轮驱动模式和双后轮驱动模式。轮驱动模式。 3 3）能腾出大量有效空间，便于总体布置。）能腾出大量有效空间，便于总体布置。首页返回章返回节15第二节第二节 电动汽车的控制技术电动汽车的控制技术 一、电动汽车驱动系统的基本构成一、电动汽车驱动系统的基本构成 二、电动汽车驱动控制技术二、电动汽车驱动控制技术 三、电动汽车的能量管理与再生控制技术三、电动汽车的能量管理与再生控制技术16 一、电动汽车驱动系统的基本构成一、电动汽车驱动系统的基本构成

11、 1.驱动系统的构成驱动系统的构成 电动汽车驱动系统由牵引电机、控制系统电动汽车驱动系统由牵引电机、控制系统（包括电机驱动器、控制器和各种传感（包括电机驱动器、控制器和各种传感器），机械减速及传动装置、车轮等构成。器），机械减速及传动装置、车轮等构成。首页返回章返回节17 2.2.驱动系统的类型驱动系统的类型 按驱动电机类型分类按驱动电机类型分类 1 1）直流驱动系统）直流驱动系统 直流电机控制系统较简单，效率较高、成直流电机控制系统较简单，效率较高、成本低、技术成熟，但需电刷和换向器，体本低、技术成熟，但需电刷和换向器，体积大、重量大。积大、重量大。首页返回章返回节18 2 2）交流驱动系统

12、）交流驱动系统 3 3）永磁同步电动机交流驱动系统）永磁同步电动机交流驱动系统 4 4）开关磁阻电动机驱动系统）开关磁阻电动机驱动系统 欧美多用交流感应电动机，日本多用直流欧美多用交流感应电动机，日本多用直流电动机。电动机。 交流感应电动机更有前途。交流感应电动机更有前途。首页返回章返回节19 二、电动汽车驱动控制技术二、电动汽车驱动控制技术 希望能利用调整电动机磁通来保证电动机希望能利用调整电动机磁通来保证电动机完成特定的运行，但需考虑电动机的工作完成特定的运行，但需考虑电动机的工作效率。效率。首页返回章返回节20 1.自控式同步电动机变频调速系统自控式同步电动机变频调速系统 能从根本上消除

13、同步电动机转子振荡和失能从根本上消除同步电动机转子振荡和失步的隐患。因为给同步电动机定子供电的步的隐患。因为给同步电动机定子供电的变频装置的输出频率受转子位置检测器的变频装置的输出频率受转子位置检测器的控制，即定子旋转磁场的转速和转子旋转控制，即定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相等，始终保持同步，不会由于负的转速相等，始终保持同步，不会由于负载冲击造成失步现象。载冲击造成失步现象。首页返回章返回节21 2.2.直接转矩控制技术直接转矩控制技术 用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩。采用系下计算与控制交流电动机的转矩。采用定子磁

14、场定向，借助于离散的两点式调节定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生信号，直接对逆变器的开关状态进行产生信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。最佳控制，以获得转矩的高动态性能。 3.3.感应电动机矢量变换控制系统感应电动机矢量变换控制系统首页返回章返回节22 三、电动汽车的能量管理与再生控制技术三、电动汽车的能量管理与再生控制技术 1.能量管理系统能量管理系统 协调各功能部分工作，使有限的能量源最协调各功能部分工作，使有限的能量源最大限度得到利用。大限度得到利用。首页返回章返回节23 2.能量再生控制系统能量再生控制系统 电动机由于自身及其所带负载的惯性作用，电动

15、机由于自身及其所带负载的惯性作用，切断电源后，不可能立即停止运转切断电源后，不可能立即停止运转可可利用的剩余能源。利用的剩余能源。 电动机制动方法：机械制动和电气制动。电动机制动方法：机械制动和电气制动。电气制动又有反接制动、能耗制动和再生电气制动又有反接制动、能耗制动和再生发电制动。发电制动。首页返回章返回节24 在机械制动时，将电机的状态由控制系统在机械制动时，将电机的状态由控制系统改变为发电状态，在机械制动的同时，将改变为发电状态，在机械制动的同时，将能量的一部分转换为电池能量，减少机械能量的一部分转换为电池能量，减少机械制动系统的能量消耗。制动系统的能量消耗。首页返回章返回节25我国电

16、动汽车驱动电机及其控制器我国电动汽车驱动电机及其控制器行业分析行业分析2010年年08月月31日日 中国工业报中国工业报驱动电机及其控制器驱动电机及其控制器 1. 驱动电机类型及其发展驱动电机类型及其发展 驱动电机是电动汽车的关键部件，直接影响整车的动驱动电机是电动汽车的关键部件，直接影响整车的动力性及经济性。驱动电机主要包括直流电机和交流电力性及经济性。驱动电机主要包括直流电机和交流电机。目前电动汽车广泛使用交流电机，主要包括：异机。目前电动汽车广泛使用交流电机，主要包括：异步电机、开关磁阻电机和永磁电机（包括无刷直流电步电机、开关磁阻电机和永磁电机（包括无刷直流电机和永磁同步电机）。机和永

17、磁同步电机）。 26 车用电机的发展趋势如下：车用电机的发展趋势如下： (1)(1)电机本体永磁化：永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高电机本体永磁化：永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。 (2)(2)电机控制数字化：专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机控制数字化：专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机控制器的数字化，提高了电机系统的控制精度，有效减小了电机控制器的数字化

18、，提高了电机系统的控制精度，有效减小了系统体积。系统体积。 (3)(3)电机系统集成化：通过机电集成（电机与发动机集成或电机与电机系统集成化：通过机电集成（电机与发动机集成或电机与变速箱集成）和控制器集成，有利于减小驱动系统的重量和体积，变速箱集成）和控制器集成，有利于减小驱动系统的重量和体积，可有效降低系统制造成本。可有效降低系统制造成本。27 2. 国外发展情况国外发展情况 近年来美、欧开发的电动客车多采用交流异步电机。为了近年来美、欧开发的电动客车多采用交流异步电机。为了降低车重，电机壳体大多采用铸铝材料，电机恒功率范围降低车重，电机壳体大多采用铸铝材料，电机恒功率范围较宽，最高转速可达

19、基速的较宽，最高转速可达基速的2 22.52.5倍。倍。 日本近年来问世的电动汽车大多采用永磁同步电机。产品日本近年来问世的电动汽车大多采用永磁同步电机。产品功率等级覆盖功率等级覆盖3 3123kW123kW，电机恒功率范围很宽，最高转速，电机恒功率范围很宽，最高转速可达基速的可达基速的5 5倍。倍。 28 3. 我国发展现状我国发展现状 (1) (1) 我国已建立了具有自主知识产权异步电机我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台，形成了小批量生产的开驱动系统的开发平台，形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系；产品性能基本满发、制造、试验及服务体系；产品性能基本满足整车需求

20、，大功率异步电机系统已广泛应用足整车需求，大功率异步电机系统已广泛应用于各类电动客车；通过示范运行和小规模市场于各类电动客车；通过示范运行和小规模市场化应用，产品可靠性得到了初步验证。化应用，产品可靠性得到了初步验证。29 (2)(2)开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计和开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计和自主研发能力，通过合理设计电机结构、改进自主研发能力，通过合理设计电机结构、改进控制技术，产品性能基本满足整车需求；部分控制技术，产品性能基本满足整车需求；部分公司已具备年产公司已具备年产20002000套的生产能力，能满足小套的生产能力，能满足小批量配套需求，目前部分产品已配套整车示范批量

21、配套需求，目前部分产品已配套整车示范运行，效果良好。运行，效果良好。30 (3)(3)无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理设计及改进控制技术，有效提高了无刷直流电设计及改进控制技术，有效提高了无刷直流电机产品性能，基本满足电动汽车需求；已初步机产品性能，基本满足电动汽车需求；已初步具有机电一体化设计能力。具有机电一体化设计能力。31 (4)(4)永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力，开发了不同系列产品，可应用发和生产能力，开发了不同系列产品，可应用于各类电动汽车；产品部分技术指标接近国际于各类电动汽车；产品部分

22、技术指标接近国际先进水平，但总体水平与国外仍有一定差距；先进水平，但总体水平与国外仍有一定差距；基本具备永磁同步电机集成化设计能力；多数基本具备永磁同步电机集成化设计能力；多数公司仍处于小规模试制生产，少数公司已投资公司仍处于小规模试制生产，少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线。建立车用驱动电机系统专用生产线。32 (5) (5) 永磁电机的主要材料有钕铁硼磁钢、硅钢等。部永磁电机的主要材料有钕铁硼磁钢、硅钢等。部分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁技术。国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温度可达技术。国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温

23、度可达280280，但技术水平仍与德国和日本有较大差距。硅钢，但技术水平仍与德国和日本有较大差距。硅钢是制造电机铁芯的重要磁性材料，其成本占电机本体是制造电机铁芯的重要磁性材料，其成本占电机本体的的20%20%左右，其厚度对铁耗有较大影响，日本已生产出左右，其厚度对铁耗有较大影响，日本已生产出0.27mm0.27mm硅钢片用于车用电机，我国仅开发出硅钢片用于车用电机，我国仅开发出0.35mm0.35mm硅硅钢片。钢片。33 (6)(6)电机控制器关键部件电机控制器关键部件位置转速传感位置转速传感器多为旋转变压器，目前基本采用进口产品，器多为旋转变压器，目前基本采用进口产品，我国部分公司已具备旋

24、转变压器的研发生产能我国部分公司已具备旋转变压器的研发生产能力，但产品精度、可靠性与国外仍有差距。力，但产品精度、可靠性与国外仍有差距。IGBTIGBT（Insulated Gate Bipolar Insulated Gate Bipolar TransistorTransistor绝缘栅双极型功率管）基本依绝缘栅双极型功率管）基本依赖进口，价格昂贵，国产车用赖进口，价格昂贵，国产车用IGBTIGBT尚处于研究尚处于研究阶段。阶段。34 4. 4. 我国驱动电机及其控制器存在的主要问题我国驱动电机及其控制器存在的主要问题 (1)(1)电机原材料、控制器核心部件研发能力较弱，依赖电机原材料、控

25、制器核心部件研发能力较弱，依赖进口，如硅钢片、电机高速轴承、位置转速传感器、进口，如硅钢片、电机高速轴承、位置转速传感器、IGBTIGBT模块等。进口产品成本高，影响电机系统产业化。模块等。进口产品成本高，影响电机系统产业化。 (2)(2)我国车用电机的机电集成水平与国外差距较大。控我国车用电机的机电集成水平与国外差距较大。控制器集成度较低，体积、重量相对偏大。制器集成度较低，体积、重量相对偏大。35 (3)(3)我国车用电机系统尚处于起步阶段，制造工艺水平我国车用电机系统尚处于起步阶段，制造工艺水平落后，缺乏自动化生产线，造成产品可靠性、一致性落后，缺乏自动化生产线，造成产品可靠性、一致性差

26、。产业化规模较小，成本较高。差。产业化规模较小，成本较高。 (4)(4)现阶段国家出台的电动汽车驱动电机系统标准较少，现阶段国家出台的电动汽车驱动电机系统标准较少，且不完善。如：不同类型电机系统采用同一检测标准，且不完善。如：不同类型电机系统采用同一检测标准，缺乏可靠性、耐久性评价方法等。缺乏可靠性、耐久性评价方法等。36整车控制器1. 1. 国外发展情况国外发展情况 整车控制器的开发包括软、硬件设计。核心软件整车控制器的开发包括软、硬件设计。核心软件一般由整车厂研发，硬件和底层驱动软件可选择一般由整车厂研发，硬件和底层驱动软件可选择由汽车零部件厂商提供。由汽车零部件厂商提供。 (1)(1)国

27、外整车控制器技术趋于成熟国外整车控制器技术趋于成熟, ,国外大部分国外大部分汽车企业在电动汽车领域积累充足，控制策略汽车企业在电动汽车领域积累充足，控制策略成熟度高，整车节油效果良好，控制器产品通成熟度高，整车节油效果良好，控制器产品通过市场检验证实了其可靠性。过市场检验证实了其可靠性。37 (2)(2)汽车电子零部件企业积极开展整车控制器汽车电子零部件企业积极开展整车控制器研发和生产制造。各汽车电子零部件巨头，如研发和生产制造。各汽车电子零部件巨头，如德尔福、大陆、博世集团都纷纷进行整车控制德尔福、大陆、博世集团都纷纷进行整车控制器研发和生产。部分汽车设计公司也为整车厂器研发和生产。部分汽车

28、设计公司也为整车厂提供整车控制器技术方案，如提供整车控制器技术方案，如AVLAVL、FEVFEV、RICARDORICARDO等，在电动汽车整车控制器领域也有等，在电动汽车整车控制器领域也有不少成功的案例。不少成功的案例。38 (3)(3)控制器日趋标准化。控制器的标准化已引控制器日趋标准化。控制器的标准化已引起相关企业的关注。由全球汽车制造商、部件起相关企业的关注。由全球汽车制造商、部件供应商及电子、半导体和软件系统公司，联合供应商及电子、半导体和软件系统公司，联合建立了汽车开放系统架构联盟，形成了建立了汽车开放系统架构联盟，形成了AUTOSARAUTOSAR（汽车开放系统架构）标准，简化了

29、（汽车开放系统架构）标准，简化了开发流程并使开发流程并使ECUECU软件具有复用性，是控制器软件具有复用性，是控制器开发的一个趋势。开发的一个趋势。39 2. 2. 我国发展现状我国发展现状 “863”863”计划中我国整车控制器主要是以高校为依托进行计划中我国整车控制器主要是以高校为依托进行研究，如清华大学、同济大学、北京理工大学等，目前已研究，如清华大学、同济大学、北京理工大学等，目前已初步掌握了整车控制器的软、硬件开发能力。产品功能较初步掌握了整车控制器的软、硬件开发能力。产品功能较为完备，基本可以满足电动汽车需求，已经应用到样车及为完备，基本可以满足电动汽车需求，已经应用到样车及小批量

30、产品上。部分整车企业与国外公司进行合作，如小批量产品上。部分整车企业与国外公司进行合作，如FEVFEV、RICARDORICARDO。通过联合开发，吸收国外相关技术和经验，。通过联合开发，吸收国外相关技术和经验，增强自主开发能力。目前各厂家基本掌握整车控制器开发增强自主开发能力。目前各厂家基本掌握整车控制器开发技术，但技术积累有限，水平参差不齐。技术，但技术积累有限，水平参差不齐。40 我国控制器硬件水平与国外存在一定差距，产业我国控制器硬件水平与国外存在一定差距，产业化能力相对不足。大部分企业推出量产电动汽车化能力相对不足。大部分企业推出量产电动汽车产品时更倾向于选择国外整车控制器硬件供应商

31、。产品时更倾向于选择国外整车控制器硬件供应商。另外，控制器基础硬件、开发工具等基本依赖进另外，控制器基础硬件、开发工具等基本依赖进口。口。 总体来讲，控制器产品技术水平和产业化能力与总体来讲，控制器产品技术水平和产业化能力与国外仍有较大差距。国外仍有较大差距。41 3. 3. 我国整车控制器存在的主要问题我国整车控制器存在的主要问题 (1)(1)应用软件方面多数停留在功能实现，软件诊断应用软件方面多数停留在功能实现，软件诊断功能、整车安全控制策略、监控功能均有待优化功能、整车安全控制策略、监控功能均有待优化和提高。和提高。 (2)(2)我国电动汽车处于样车研发和示范运行阶段，我国电动汽车处于样

32、车研发和示范运行阶段，基础数据库不完善，影响整车控制器设计水平。基础数据库不完善，影响整车控制器设计水平。42 (3)(3)部分企业能根据部分企业能根据V V型开发流程（一种软件和产型开发流程（一种软件和产品开发工具）引进相关的设备和软件，普遍使用品开发工具）引进相关的设备和软件，普遍使用通用开发工具进行二次开发；现有工具偏重于前通用开发工具进行二次开发；现有工具偏重于前期开发，缺少用于生产制造和售后服务的工具，期开发，缺少用于生产制造和售后服务的工具，不利于产品的产业化发展。不利于产品的产业化发展。43 (4)(4)国内企业能够完成整车控制器硬件结构设计，国内企业能够完成整车控制器硬件结构设

33、计，但由于我国芯片集成力量比较薄弱，制造能力较但由于我国芯片集成力量比较薄弱，制造能力较差，可靠性和稳定性仍有很大的提升空间。差，可靠性和稳定性仍有很大的提升空间。44 (5)(5)目前各整车企业控制器接口和网络通讯协议定目前各整车企业控制器接口和网络通讯协议定义互不相同，造成控制器之间的通用性和复用性义互不相同，造成控制器之间的通用性和复用性差，不利于控制器的产业化和规模化。差，不利于控制器的产业化和规模化。45第三节第三节 混合动力汽车混合动力汽车 一、混合动力汽车的特点一、混合动力汽车的特点 二、混合动力汽车的类型二、混合动力汽车的类型46 一、混合动力汽车的特点一、混合动力汽车的特点

34、同时拥有燃油驱动系统和电驱动系统。同时拥有燃油驱动系统和电驱动系统。 低排放、低噪声、省油，有一定的续驶里低排放、低噪声、省油，有一定的续驶里程。程。首页返回章返回节47 二、混合动力汽车的类型二、混合动力汽车的类型 1.串联式混合动力系统串联式混合动力系统 发动机带动发电机，电能在控制器的调节发动机带动发电机，电能在控制器的调节下带动电动机运转以驱动车轮。下带动电动机运转以驱动车轮。 发动机始终在热效率高而排放较低的单一发动机始终在热效率高而排放较低的单一最佳工况行运转。最佳工况行运转。首页返回章返回节48 发电机发出的功率超过电机（驱动车辆）发电机发出的功率超过电机（驱动车辆）的需要时（减

35、速、低速行驶或短时间停车的需要时（减速、低速行驶或短时间停车等），多余的电能向蓄电池充电。等），多余的电能向蓄电池充电。 发电机发出的功率低于电机（驱动车辆）发电机发出的功率低于电机（驱动车辆）的需要时（起步、加速、爬坡、高速行驶的需要时（起步、加速、爬坡、高速行驶等），蓄电池向电机提供额外的电能，补等），蓄电池向电机提供额外的电能，补充发电机功率的不足。充发电机功率的不足。首页返回章返回节49燃料燃料原动机原动机发电机发电机控控制制器器电机电机驱动桥驱动桥电池组电池组串联混合动力驱动系统串联混合动力驱动系统首页返回章返回节50 串联式混合动力系统的优点：串联式混合动力系统的优点： 1 1）发

36、动机工作状态不受车辆行驶工况的影）发动机工作状态不受车辆行驶工况的影响，始终在最佳的工作区域内稳定运行，响，始终在最佳的工作区域内稳定运行，因此，发动机具有良好的经济性和低的排因此，发动机具有良好的经济性和低的排放性能。放性能。 2 2）发动机与电机之间无机械连接，整车的）发动机与电机之间无机械连接，整车的结构布置自由度大。结构布置自由度大。 3 3）由于电机的功率大，制动能量回收的潜）由于电机的功率大，制动能量回收的潜力大，从而提高能量效率。力大，从而提高能量效率。首页返回章返回节51 串联式混合动力系统的缺点：串联式混合动力系统的缺点： 1 1）发电机将发动机的机械能转变为电能，）发电机将

37、发动机的机械能转变为电能，电机又将电能转变为机械能，电池的充电电机又将电能转变为机械能，电池的充电和放电都有能量损失，因此，发动机输出和放电都有能量损失，因此，发动机输出的能量利用率较低。的能量利用率较低。 2 2）电机是唯一驱动汽车行驶的动力装置，）电机是唯一驱动汽车行驶的动力装置，因此，其功率要足够大。蓄电池既要满足因此，其功率要足够大。蓄电池既要满足驱动的要求，又要满足吸收能量的要求，驱动的要求，又要满足吸收能量的要求，需要较大的电池容量。所以电机和电池的需要较大的电池容量。所以电机和电池的体积和重量都比较大，使整车的重量较大。体积和重量都比较大，使整车的重量较大。首页返回章返回节52

38、2.2.并联式混合动力系统并联式混合动力系统 发动机和电动机可以分别独立地向汽车的发动机和电动机可以分别独立地向汽车的驱动系统提供动力，也可以一起协调工作，驱动系统提供动力，也可以一起协调工作，共同驱动。共同驱动。 改进了串联系统最大功率不足的缺陷。改进了串联系统最大功率不足的缺陷。首页返回章返回节53蓄电池组蓄电池组发动机发动机电机电机驱动桥驱动桥变速器变速器单轴式并联混合动力系统单轴式并联混合动力系统控制器控制器首页返回章返回节54发动机发动机变速器变速器驱动桥驱动桥双轴式并联混合动力系统双轴式并联混合动力系统齿齿轮轮系系蓄电池组蓄电池组电机电机变速器变速器首页返回章返回节55并联式混合动

39、力电动汽车的特点：并联式混合动力电动汽车的特点： 发动机通过机械传动直接驱动汽车，无机发动机通过机械传动直接驱动汽车，无机- -电能量电能量转换损失，发动机输出能量的利用率相对较高。转换损失，发动机输出能量的利用率相对较高。 当电机仅起功率当电机仅起功率“调峰调峰”作用时，电机、发动机作用时，电机、发动机的功率可适当减小，电池的容量也可减小。的功率可适当减小，电池的容量也可减小。 市区行驶时，可关闭发动机，污染小，但需电池市区行驶时，可关闭发动机，污染小，但需电池的容量大。的容量大。 传动机构较复杂。传动机构较复杂。 发动机的运行工况会受车辆行驶工况的影响，发发动机的运行工况会受车辆行驶工况的

40、影响，发动机有可能不在最佳工作区域内运行，油耗和排动机有可能不在最佳工作区域内运行，油耗和排放不如串联混合动力系统。放不如串联混合动力系统。首页返回章返回节56 3.3.串并联灵活驱动式混合动力系统串并联灵活驱动式混合动力系统 通过一种行星齿轮系统组成的动力分配装通过一种行星齿轮系统组成的动力分配装置，将整个系统耦合在一起，根据行驶工置，将整个系统耦合在一起，根据行驶工况灵活采取串联或并联方式，以达到热效况灵活采取串联或并联方式，以达到热效率最高、排气污染最低的效果。率最高、排气污染最低的效果。 起步或低负荷时由电池电能驱动，匀速行起步或低负荷时由电池电能驱动，匀速行驶时由发动机驱动，加速行驶

41、时发动机和驶时由发动机驱动，加速行驶时发动机和电池共同提供动力。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充电，制动和减速时通过能量回收系统向电池充电。电池充电。首页返回章返回节57发动机发动机功率分流装置功率分流装置发电机发电机控制器控制器电池电池传动系传动系驱动桥驱动桥电机电机混联式混合动力驱动系统混联式混合动力驱动系统首页返回章返回节58电电机机发动机发动机逆变器逆变器蓄电池蓄电池发电机发电机 丰田丰田Prius的的THS混合动力系统混合动力系统12645378Toyota Hybrid System起

42、步：起步：8-1-2-3-4起动：起动：8-1-7-6-5起动后：起动后：5-6-7-1-8正常行驶：正常行驶：不发电不发电5-6-3-4 发电发电5-6-3-4；5-6-7-1-8 或或5-6-7-1-2 低速行驶：发动机关闭，低速行驶：发动机关闭，8-1-2-3-4加速或爬坡：混合驱动加速或爬坡：混合驱动5-6-3-4；8-1-2-3-4减速行驶：发动机关闭减速行驶：发动机关闭4-3-2-1-8静止：静止：5-6-7-1-8首页返回章返回节59第四节第四节 燃料电池汽车技术燃料电池汽车技术 1.1.概述概述 2.2.燃料电池的种类及特点燃料电池的种类及特点 3.3.车用燃料电池的关键技术车

43、用燃料电池的关键技术 4.4.燃料电池系统的构成及发电原理燃料电池系统的构成及发电原理60 1.1.概述概述 第一个发现燃料电池原理的英国人第一个发现燃料电池原理的英国人William William Grove Grove 爵士是一位律师和业余科学爱好者。爵士是一位律师和业余科学爱好者。 18391839年在一次电解实验中，观察到把电解年在一次电解实验中，观察到把电解器中两个电极连到一起时，有电流反向流器中两个电极连到一起时，有电流反向流过，同时消耗氢气和氧气。过，同时消耗氢气和氧气。首页返回章返回节61 第一个实用的燃料电池是第一个实用的燃料电池是19501950年由化学工年由化学工程师程

44、师Francis BaconFrancis Bacon在剑桥大学研制出来的。在剑桥大学研制出来的。 2020世纪世纪6060年代，美国年代，美国IFCIFC公司为阿波罗登月公司为阿波罗登月飞船制造一套燃料电池装置，以提供电力飞船制造一套燃料电池装置，以提供电力和宇航员的饮用水。和宇航员的饮用水。 该燃料电池可连续提供该燃料电池可连续提供1.5kw1.5kw的电力，工作的电力，工作超过超过10000h10000h，累计完成，累计完成1818次使命没有出过次使命没有出过问题。问题。首页返回章返回节62 1 1）燃料电池汽车的特点）燃料电池汽车的特点 燃料电池汽车（燃料电池汽车（Fuel Cell

45、VehicleFuel Cell Vehicle）以氢）以氢气为燃料，与氧气发生化学反应，产生电气为燃料，与氧气发生化学反应，产生电能启动电动机，进而驱动汽车。能启动电动机，进而驱动汽车。 燃料电池的能量转换率极高，理论上其化燃料电池的能量转换率极高，理论上其化学能转化效率可达学能转化效率可达100%100%，实际效率已达，实际效率已达60%60%80%80%。是普通内燃机热效率的。是普通内燃机热效率的2 23 3倍。倍。 克服了蓄电池续驶里程低的缺点。克服了蓄电池续驶里程低的缺点。首页返回章返回节63 2 2）燃料电池的发展及展望）燃料电池的发展及展望 19971997年戴年戴克公司与巴拉德

46、动力系统公司克公司与巴拉德动力系统公司联合，投资联合，投资3.33.3亿美元进行开发。亿美元进行开发。 随后丰田和通用宣布联合开发燃料电池汽随后丰田和通用宣布联合开发燃料电池汽车。车。首页返回章返回节64 2.2.燃料电池的种类及特点燃料电池的种类及特点燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按化学原理转化为电能的化学能，等温地按化学原理转化为电能的能量转换装置。的能量转换装置。 燃料电池由含氧化剂的阳极、阴极和离子燃料电池由含氧化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成。燃料在阳极氧化，氧导电的电解质构成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳

47、极通过负载流化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电能而驱动负载向阴极构成电回路，产生电能而驱动负载工作。工作。首页返回章返回节65 燃料电池与常规电池不同的是，它工作时燃料电池与常规电池不同的是，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，通过电化学反应生产水并释放电能。剂，通过电化学反应生产水并释放电能。只要保持燃料供应，电池就会不断工作。只要保持燃料供应，电池就会不断工作。首页返回章返回节66 种类：碱性燃料电池，质子交换膜燃料电种类：碱性燃料电池，质子交换膜燃料电池，直接甲醇燃料电池，磷酸燃料电池，池，直接甲醇燃料电池，磷酸燃

48、料电池，熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池等。池等。首页返回章返回节67 燃料电池的主要类型燃料电池的主要类型电池电池类型类型工作工作温度温度燃燃料料氧化氧化剂剂电解电解质质效率效率特点特点技术状态及技术状态及应用应用碱性碱性燃料燃料电池电池（AFC）室室温温200纯纯氢氢纯氧纯氧水氧水氧化钾化钾50 能量转化率高，能量转化率高，高比功率、比高比功率、比能量，不适合能量，不适合地面使用地面使用高度发展，高度发展，航天中已应航天中已应用用质子质子交换交换膜燃膜燃料电料电池池（PEMFC）室室温温200纯纯氢氢氧气、氧气、空气空气阳离阳离子交子交换膜换膜50

49、（60%80%）可室温快速启可室温快速启动，无电解液动，无电解液流失，水易排流失，水易排出，寿命长，出，寿命长，比功率与比能比功率与比能量高量高高度发展，高度发展，适用于分散适用于分散电站、电动电站、电动车、潜艇推车、潜艇推动、各种移动、各种移动电源、家动电源、家庭动力源。庭动力源。已有样车，已有样车，需降低成本需降低成本首页返回章返回节68电池电池类型类型工作工作温度温度燃料燃料氧化氧化剂剂电解质电解质效率效率特点特点技术状态及技术状态及应用应用直接直接燃料燃料电池电池（DMFC）室室温温200CH3OH空气空气 磷酸载磷酸载体离子体离子交换膜交换膜40能量转化率能量转化率高，高比功高，高比

50、功率、比能量，率、比能量，不适合地面不适合地面使用使用适用于手机、适用于手机、笔记本电脑笔记本电脑磷酸磷酸燃料燃料电池电池（PAFC）100200重整气重整气天然气、天然气、氢氢空气空气 磷酸水磷酸水溶液溶液4050建分散电站建分散电站运行可靠度运行可靠度高，启动时高，启动时间长，成本间长，成本高（高（2500欧欧元元/kw），），余热利用价余热利用价值低值低高度发展，高度发展，适用于特殊适用于特殊需求、区域需求、区域性分散电站，性分散电站，目前商业上目前商业上已可得到已可得到200kw的系的系统统首页返回章返回节69电池电池类型类型工作工作温度温度燃料燃料氧化氧化剂剂电解质电解质效率效率特点

51、特点技术状态及技术状态及应用应用熔融熔融碳酸碳酸盐燃盐燃料电料电池池（MCFC）600700净化煤净化煤气、重气、重整气、整气、天然气天然气空气空气 磷酸锂磷酸锂碳酸碳酸55具有建分散具有建分散电站的优势，电站的优势，余热利用价余热利用价值高值高适宜建区域适宜建区域性分散电站，性分散电站，需延长寿命，需延长寿命，可靠性和腐可靠性和腐蚀性有待解蚀性有待解决决固体固体氧化氧化物燃物燃料电料电池池（SOFC）8001000净化煤净化煤气、天气、天然气然气空气空气 氧化锆氧化锆陶瓷陶瓷50全固体结构，全固体结构，无腐蚀和液无腐蚀和液体流失，寿体流失，寿命长。但工命长。但工作温度高作温度高适宜建大、适宜

52、建大、中型电站，中型电站，分散电站，分散电站，原料与成本原料与成本仍需研究仍需研究首页返回章返回节70 3.3.车用燃料电池的关键技术车用燃料电池的关键技术 1 1）质子交换膜（）质子交换膜（PEMPEM） 是质子交换膜燃料电池的核心材料。是质子交换膜燃料电池的核心材料。 当前研究主要包括提高膜的质子交换容量。当前研究主要包括提高膜的质子交换容量。降低膜厚度以减小电阻，降低膜的制作成降低膜厚度以减小电阻，降低膜的制作成本以延长膜的使用寿命等。本以延长膜的使用寿命等。 目前应用最多的全氟磺酸型离子聚合物材目前应用最多的全氟磺酸型离子聚合物材料，如杜邦的料，如杜邦的NafionNafion、日本的

53、、日本的AsahiAsahi等，等， 800800/m/m2 2，价格昂贵。，价格昂贵。首页返回章返回节71 2 2）电极催化剂）电极催化剂 目前主要采用铂（目前主要采用铂（PtPt）为催化剂，对于电）为催化剂，对于电池电压的提高非常重要。池电压的提高非常重要。 价格昂贵，会中毒而失去催化作用。价格昂贵，会中毒而失去催化作用。 研究重点：一是提高研究重点：一是提高PtPt的利用率（目前只的利用率（目前只有有20%20%），减少单位面积电极的使用量，增），减少单位面积电极的使用量，增强抗强抗COCO中毒、抗衰老能力；一是寻找高效中毒、抗衰老能力；一是寻找高效廉价的廉价的PtPt替代品。替代品。首页返回章返回节72 3 3）双极板）双极板 现现PEMFCPEMFC广泛采用无孔石墨板，但制作工艺广泛采用无孔石墨板，但制作工艺和机械加工工艺复杂，成本较高。和机械加工工艺复杂，成本较高。 关键是材料的选择（耐腐蚀性、导电性好，关键是材料的选择（耐腐蚀性、导电性好，接触阻力小，重量轻及价格低廉）、流体接触阻力小，重量轻及价格低廉）、流体流动的流场设计及其加工技术。流动的流场设计及其加工技术。首页返回章返回节73 4 4）燃料电池的组装）燃料电池的组装 单个电堆输出的电压较小，需多个组装。单个电堆输出的电压较小，需多个组装。 选择合适的电路连接方式，使内阻最低且选择合适的电路连接方