电动汽车综合概念及研发历史培训教材（PPT 50页）

1、更多资料在资料搜索网( ) 海量资料下载目录一一 电动汽车的综合概念电动汽车的综合概念二二 电动汽车的研发历史电动汽车的研发历史三三 电动汽车的分类及优缺点介绍电动汽车的分类及优缺点介绍四四 电动汽车的产业发展状况电动汽车的产业发展状况五五 混合动力电动汽车混合动力电动汽车(HEV)的研究的研究电动汽车的综合概念电动汽车的综合概念 电动汽车的定义电动汽车的定义 电动汽车是指以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶,符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。 更多资料在资料搜索网( ) 海量资料下载电动汽车的研发历史 一百多年来，电动汽车在汽车发展史中经历了三次重大机遇： 第一次发生在一百余年前。第一次

2、发生在一百余年前。由于当时电池和电机的发展较内燃机成熟，而且石油的运用还没有普及，使电动汽车在早期的汽车领域中占有举足轻重的位置。第一辆电动汽车（3轮）由法国人古斯塔夫土维（GustaveTrouve）在1881年制造出来，此后三四十年间，电动汽车在当时的汽车发展中占据着重要位置。例如，世界上首辆车速超过100公里小时的汽车就是电动汽车。那是在1899年，由比利时工程师卡米乐热纳茨（CamilleJenatzy）设计的名为“从不满意”（LaJamaisContente）的铝制车身汽车，现在保存在法国贡批尼（Compiegne）博物馆中。据统计，到1890年在全世界4200辆汽车中，有38为电动

3、汽车，40为蒸汽车，22为内燃机汽车。到了1911年，就已经有电动出租汽车在巴黎和伦敦的街头上运营，到了1912年在美国更有至少3.4万辆电动汽车运行。 第二次是在第二次是在70年代石油危机的爆发时年代石油危机的爆发时.由于石油的大量开采和内燃机的种种优越性，电动汽车渐渐被人们忽视。直到上世纪70年代石油危机的爆发，给世界各国政界一次不小的打击，开始考虑替代石油的其他能源，包括风能、太阳能、电能等可再生能源。因此从政治经济方面考虑，才又给了电动汽车第二次机遇，又一次被人瞩目。 第三次机遇开始于若干年前第三次机遇开始于若干年前，世界上除了已存在的能源问题之外，环境保护问题也逐渐成为了各个方面所关

4、心重大课题，内燃机汽车的排放污染，给全球的环境以灾难性的影响，因此开发生产零污染交通工具成为各国所追求的目标，电动汽车的无（低）污染优点，使其成为当代汽车发展的主要方向。 电动汽车的分类及优缺点电动汽车的分类及优缺点介绍介绍 电动汽车主要有纯电动汽车、混合动力电动汽车主要有纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车电动汽车和燃料电池电动汽车3 种类型。种类型。1.纯电动汽车纯电动汽车 纯电动汽车是完全由二次电池纯电动汽车是完全由二次电池( 如铅酸电池、镍镉如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池等电池、镍氢电池或锂离子电池等) 提供动力的汽车。提供动力的汽车。l其所具有的优点如下：其所具

5、有的优点如下： 1）无污染、噪声小；）无污染、噪声小； 电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”。众所周知，内燃机汽车废气中的CO、HC及NOX、微粒、臭气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾。电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。噪声对人的听觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫系统也是有危害的。 2）结构简单，使用维修方便；）结构简单，使用维修方便； 电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小。当采用交流感应电动机时，电机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵 3）能量转换效率高；同时可回收制

6、动、下坡时的能量，提高能量的利用效率；）能量转换效率高；同时可回收制动、下坡时的能量，提高能量的利用效率； 电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车。特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，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。有些研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。 4）可在夜间利用电网的廉价）可在夜间利用电网的廉价“谷电谷电”进行充电，起到平抑电网的峰谷差的作进行充电，起到

7、平抑电网的峰谷差的作用。用。 电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用 2.混合动力汽车混合动力汽车混合动力是指那些采用传统燃料的，同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。按照燃料种类的不同，主要又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。目前国内市场上，混合动力车辆的主流都是汽油混合动力，而国际市场上柴油混合动力车型发展也很快。 优点：优点： 1、采用混合动力后可按平均需用的功率来确

8、定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。 2、因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。 3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。 4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。 5、可以利用现有的加油站加油，不必再投资。 6、可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。 缺点：缺点：长距离高速行驶基本不能省油。 3.

9、燃料电池汽车燃料电池汽车燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高23倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。 与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点： 1、零排放或近似零排放。 2、减少了机油泄露带来的水污染。 3、降低了温室气体的排放。 4、提高了燃油经济性。 5、提高了发动机燃烧效率。 6、运行平稳、无噪声

10、。 下表为三种类型电动车的特征对比电动汽车产业发展状况电动汽车产业发展状况 发达国家与主要汽车集团的电动汽车现状发达国家与主要汽车集团的电动汽车现状 国外著名汽车公司都十分重视研究开发电动汽车, 世界发达国家不惜投入巨资进行研究开发, 并制定了一些相关的政策、法规来推动电动汽车的发展。美国目前正在大力研制和推广使用燃料电池电动汽车和纯电动汽车, 政府能源部与通用、福特和戴- 克三大汽车制造商联合开发燃料电池电动汽车。现在, 美国已有7 个州加入了零排放计划, 到规定年限后这些地区销售的汽车必须为零排放, 即只能为纯电动汽车和燃料电池电动汽车。以美国蓝鸟客车公司、英国的FRZAERNASH公司、

11、日本丰田、日本本田为代表的电动客车和轿车已经上市, 英国已有数万辆电动汽车在使用。 法国是世界上推广应用纯电动汽车最成功的国家之一, 成立了电动汽车推广应用国家部际协调委员会,巴黎和拉罗舍尔已经建立了比较完善的纯电动汽车充电站网基础设施, 制定了优惠的支持和激励使用电动汽车的政策, 且已经初步形成了纯电动汽车运行体系。 欧洲各大汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的混合动力电动汽车, 甚至德国的博世(BOSCH) 等著名的零部件公司也积极与大汽车公司联手开发混合动力电动汽车技术。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电动公共汽车线路。 燃料电池电动汽车在国外斩露头角

12、，国外企业界纷纷组成强大的跨国联盟, 以期达到优势互补的目的。如日本丰田与美国通用公司, 日本东芝公司与美国国际燃料电池公司, 德国BMW公司与西门子公司, 雷诺汽车公司与意大利De Nora 公司分别组成联盟开发燃料电池电动汽车; 本田也已投资数亿美元开发燃料电池电动汽车。其中, 以加拿大的巴拉德、美国的福特、德国的戴姆勒- 克莱斯勒联盟(XCELLSIS)最具代表性, 该联盟投资10亿加元开发生产电动汽车用燃料电池动力系统。 但是, 由于燃料电池的成本和寿命问题, 使得这一项目目前进展缓慢。在燃料电池电动汽车的示范运行方面, 世界各国也都不约而同地把注意力集中在大客车上, 如欧盟的CUTE

13、 示范项目、UNDP/GEF 燃料电池商业化示范项目、美国加州的CAHFC 示范项目和日本的JHFC计划等。与此同时, 部分国家政府为促进电动汽车的发展, 通过财税手段调整汽车发展结构。像美、日等国政府对于电动车产品给予10%的鼓励性补贴, 荷兰政府的补贴更是高达30%。并对传统汽车开征燃料税, 如欧洲部分国家燃料税高达200300%,最低的美国也有34%。我国电动汽车现状我国电动汽车现状 我国电动汽车虽然没有欧美等国家起步早, 但国家从维护能源安全, 改善大气环境, 提高汽车工业竞争力, 实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑, 从“八五”开始到现在, 电动汽车研究一直是国家计划项目,

14、并在2001 年设立了“电动汽车重大科技专项”。通过组织企业、高等院校和科研机构, 集中各方面力量进行联合攻关, 现正处于研发势头强劲阶段, 部分技术已经赶上甚至超过世界先进水平。“电动汽车重大科技专项”实施以来, 已成功开发出燃料电池汽车样车, 累计运行数千公里; 混合动力客车已在武汉等地公交线路上试验运行超过百万公里; 纯电动汽车已通过国家有关认证试验。混合动力电动汽车混合动力电动汽车 混合动力电动汽车的产生背景混合动力电动汽车的产生背景 我们前面已经提过，在电动汽车方面, 研究工作主要涉及纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车。其中，纯电动汽车是研究最早的技术, 但是电池技术以及成本问

15、题成为其产业化的障碍。燃料电池汽车, 尤其是立足于氢能基础上的燃料电池汽车正在成为电动汽车研发的新热点, 但技术尚不成熟。在这种背景下, 混合动力汽车作为一种过渡技术被世界各国, 尤其是美、日等国加以研究。我国政府及各大汽车生产商也在加大混合动力汽车的研发力度。 混合动力电动汽车的分类 目前国内外研究的HEVHEV有多种结构，按动力系统布置可分为串联式混合动力串联式混合动力汽车汽车(SHEV)(SHEV)、并联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车(PHEV)(PHEV)、混联式混合动力汽车、混联式混合动力汽车(SPHEV)(SPHEV)和和复合式混合动力电动汽车（复合式混合动力电动汽车（CHEV

16、)CHEV)。串联式混合动力汽车串联式混合动力汽车( SHEV)串联式如图串联式如图1，是指汽油或柴油发动机带动发电机组给蓄电池充电，蓄电池再向电动机供电，由电动机单独驱动汽车。当发电机发出的功率小于汽车需求时（如启动、加速、爬坡），电池组向电动机提供电能；当发电机发出的功率大于汽车需求时（如低速、滑行、怠速），则向电池组充电。在这种联结方式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。串联式结构的特点适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可以使原动机在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的

17、输出来达到调整车速的目的，从而使复杂工况下系统的性能有所提高。但是发动机的输出功通过发电机、电池、控制器和电动机，在电能与机械能的转化过程中有效率损失，所以尽管整个驱动系统排放较低，但没有有效地提高效率，很难实现明显降低油耗的目标。该系统主要用于城市大客车。更多资料在资料搜索网( ) 海量资料下载并联式混合动力汽车并联式混合动力汽车( PHEV) 并联式并联式HEV如图2，动力系有两种动力源-发动机和电动机。当汽车加速、爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动系提供动力；一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。并联式并联式HEV能设置成用发动机在高速公路行驶模式，加速时由电动机提

18、供额外动力。这样，就可以将发动机单独驱动、电动机单独驱动、发动机与电动机联合驱动三种方式有机结合，实现驱动方式的最佳组合。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。 混联式混合动力汽车混联式混合动力汽车( PSHEV) 混联式混联式SPHEV如图3所示，其布置形式包含了串联式和并联式的特点，即功率流既可以象串联式流动，又可象并联式流动，技术含量较高。它的动力系统包括发动机、发电机和电动机。在该系统中，发动机、电动机既可独立驱动汽车，也可同时驱动汽车。其动力分配装置将发动机的动力传递给传动轴与发电机，发电机产生的电能一部分用于驱动电动机，剩余部分变为直流

19、电给电池充电。该结构的优点是可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转，其缺点是系统复杂，成本高。 复合式混合动力汽车复合式混合动力汽车(CHEV)C H E V结构更加复杂，如图4所示， 一般用于双轴独立系统 ，相当于一套完整的串联系统加上一套完整的并联 系统，工作模式更加多样化， 成本最高，控制系统也最复杂。 HEV的核心技术研究与发展的核心技术研究与发展 汽车的混合动力技术发展与机械、电气、内燃机、能源、计算机、汽车、信息等技术息息相关。HEV作为多种高新技术的集成，是典型的高新技术产品，集智能化、数字化、 轻量化和实用化于一体。其研制和开发的核心技术主 要是电池、电动机、

20、电动机控制、电力电子技术、能量管理技术以及车身和底盘设计等，其中前4项是混合动力汽车的发展瓶颈 。 HEV的成败关键在于电池 ， 电池也是一直制约混合动力汽车发展的关键因素。HEV在匀速行驶时， 由发动机提供能量， 电池组基本上处于不充不放的状态； 汽车行驶需要大功率时( 如加速 、爬坡、高速等) ， 电池组放电，释放能量； 汽车行驶需要小功率时( 如低速、停车等) ，电池组充电，积蓄能量。 a)HEV对电池的特殊要求对电池的特殊要求：与 EV不同，HEV电池连续工作时间短 ， 对电池容量要求不高，而对功率要求较高。 另外 HEV电池 SOC工作范围在5 0 左右，波动一般不超 过 2 0 。

21、这是因为 HEV要求电池留有足够的余量，以保证车辆制动时可以充分吸收能量 ， 并不致使电池过充后降低寿命，甚至破坏电池。HEV和 EV用电池的主要性能指标有质量比能量、体积比能量 、质量比功率、价格和循环寿命等 。 为了确保 HEV合理的行驶性能，对其能源系统有如下要求： 高比能量( 确保 HEV达到合理的行驶里程) ；高比功率( 确保加速和爬坡性能) ；寿命长、免维护、充电快、效率高( 提高车辆的使用效率和接受制动回输功率的能力) ；尺寸小；安全性高。更多资料在资料搜索网( ) 海量资料下载b)HEV电池的管理：电池的管理： 在电池管理方面，目前着力于多个电池串、并联使用，为管理此更新的电池

22、类型，需要采 用嵌入式控制器来监视电池组的工作情况。大型 HEV电 池组可能包含 200个甚至更多的独立电池， 因此对所有电池进行单独监控是不现实的，而嵌入式处理器的可根据电池技术的多重特性、不同电池组之间的电压以及流入或流 出电池组的电流来估计电池的电量状态。当铿电池或镍 氢( N i MH) 电池的电量耗尽到低于闭值时，镍氢电池和铿电池将很快损坏，不过嵌入式处理器可测定电量状态，并在电池组或单个电池的电压低于闭值前关断系统。但也不可对铿电池和镍氢电池进行过充电，以尽量延长电池组的使用寿命。 HEV电机驱动系统电机驱动系统 电机驱动系统是电动汽车的原动机，是心脏，是是 HEV 的关键核心技术

23、之一。电机驱动系统是由电动机和驱动控制器两部分组成。电动机是一种将电能转化为机械能的装置， 为满足整车动力性能的需要， 对电动机的具体要求为： 1 ) 瞬时功率大、 功率密度高、 过载能力强； 2 ) 效率高； 3 ) 运行速度范围要广，高、低速综合效率也要高。电动机在低速区具有恒转矩特性， 在高速区具有恒功率特性， 其转矩和功率控制，特性如图特性如图5所示 ； 4) 结构简单牢固，耐冲击、 颠簸、 运行可靠， 免维护， 低成本等。驱动控制器是将电池的电能转换为适于电动机运行的另外一种电能变换控制装置 。通这种变换和控制使电动机处于上述要求的运行最佳工状态 ，以满足 HEV实际行驶工况的需要。

24、驱动控制系结构简单，控制精度高，动态响应好，系统可靠性高，成低等。 电机驱动控制系统的好坏关系着电动汽车能否安全可靠地运行。电机驱动系统主要由电机、电力电子变流器、数字控制器和传感器等几个核心部分组成。其中电机的使用具体情况可以参见附表。 从附表可以看出, 目前电动汽车电机驱动系统中, 主要采用感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机;电机驱动控制系统由电力电子逆变器向 IGBT集成模块发展, 传感器向集成智能传感器发展, 在电机的控制方法方面, 传统的控制方法是直流电机的励磁控制法与电枢电压控制法; 开关磁阻电动机的角度位置控制、电流斩波控制以及电压控制; 感应电机主要有V/F 控制、转差频率控

25、制、 矢量控制和直接转矩控制等等。 从上面附表中，我们可以看出目前各大公司采用的比较多的电机为感应电机，下面我们着重介绍一下交流感应电机的驱动控制方法。 交流感应电机驱动系统是上世纪90年代发展起来的 ,有结构简单、制造容易、价格低和坚固耐用等特点 ,特别适用于混合电动车。 其控制可采用磁场定向矢量控制和直接转矩控制。磁场定向矢量控制具有类似直流电机的优良特性;但控制技术复杂 ,控制器成本较高 ,电机参数变化影响较大。直接转矩控制直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小 ,直接控制电机电压以达到电机系统的高性能。其系统结构简单 ,动、静性能优良。直接转矩控制系统（直接转矩控制系统（DTC

26、) 直接转矩控制系统简称直接转矩控制系统简称DTC（Direct Torque Control)系统，系统，是继矢量控制之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。 图6为直接转矩控制系统（DTC)原理框图：图图 6 DTC原理框图n结构特点结构特点n转速双闭环转速双闭环 ASR的输出作为电磁转矩的给定信号 设置转矩控制内环，可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦n转矩和磁链的控制器转矩和磁链的控制器 用滞环控制器代替通常PI调节器n控制特点控制特点 转矩和磁链的控制采用双位式砰

27、-砰控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变化和电流控制，简化了控制器的结构。更多资料在资料搜索网( ) 海量资料下载 选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型时，可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。 由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率器件，因此实际的转矩响应也是有限的。nDTC的控制规律和反馈模型的控制规律和反馈模型 除转矩和磁链砰-砰控制外，DTC的核心问题是： 转矩和定子磁链反馈信号的计算模型 如何根据

28、两个砰-砰控制器的输出信号来选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。1.定子磁链的反馈计算模型定子磁链的反馈计算模型 DTC系统采用的是两相静止坐标（坐标），为了简化数学模型，由三相坐标变换到两相坐标是必要的，中间省去了旋转变换。转换为两相坐标后电压方程： (式中p=d /dt) sssssssspiRupiRu 将上式移项并积分得 得到的式子就是定子磁链模型，其结构框图如图7所示。dtiRudtiRusSssssss图图7 定子磁链模型结构框图定子磁链模型结构框图2.转矩反馈计算模型转矩反馈计算模型 感应电机在静止两相坐标系上的电磁转矩表达式为： rsrsmpeiiiiLnT 又根据感应电机在静

29、止两相坐标系上的数学模型中磁链方程： sssmrsssmriLLiiLLi11 根据前面两式可得出最后表达式：得出的就是DTC系统的模型转矩，其结构如图8所示 sssspeiinT图图8 转矩模型结构框图转矩模型结构框图 在图6所示的DTC系统中，根据定子磁链给定和反馈信号进行砰-砰控制，按控制程序选取电压空间矢量的作用顺序和持续时间。在电压空间矢量按磁链控制的同时，也接受转矩的砰-砰控制。HEV中电力电子技术的应用中电力电子技术的应用 HEV对电力电子技术的要求 ：受各方面运行条件的限制，要求 H E V用电力电子技术机装置应具有成本低、 体积小、比功率大。易于安装的特点。此外， 以下的技术细节必须得到重点考虑： 1 )电力电