电动汽车原理与应用技术 第3版 课件 第1、2章 绪论、电动汽车工作原理

第1章电动汽车发展历史和现状1

电动汽车的发展背景

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电动汽车国内外概况

新能源汽车发展现状绪论3电动汽车的发展背景2023年1—8月我国城市空气质量排名数据来源：S全球环境污染污染问题日渐突出化石燃料燃烧会转化为二氧化硫和氮的氧化物石油作为不可再生能源，从长期来看无法持续支撑车用燃料的巨大需求，且存在碳排放等污染问题。燃油车的尾气排放是主要的空气污染源之一，其中包括一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等有害物质。世界上污染最严重的国家和地区（2018-2022年历史数据）能源安全作为国家安全的重要组成部分，关系着经济社会可持续发展。长久以来，中国能源产业都有着“富煤、缺油、少气”的资源禀赋特征。我国作为世界上最大的能源生产国和消费国，受资源储量限制，2021年我国石油和天然气的对外依存度分别为73%和45%，是世界上最大的石油和天然气进口国。4电动汽车的发展背景数据来源：S能源已成为我国可持续发展的重大问题中国加大煤炭开采力度缓解供应紧张石油是我国第二大进口商品占贸易进口总额13%2023年国内的天然气需求有望出现恢复性的增长5电动汽车的发展背景2023年1至8月，新能源汽车产销分别为543.4万辆和537.4万辆，同比增长36.9%和39.2%。新能源汽车是交通领域节能减排有效途径之一；以电动汽车为主的新能源汽车是国家七大战略新兴产业之一，是我国交通领域实现“双碳”目标的引擎，是“中国制造2025”十大重点推动领域之一。习近平总书记强调：发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。数据来源：工业和信息化部网站

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新能源汽车发展现状绪论7电动汽车的发展历史第一阶段：19世纪30年代—20世纪30年代1834年，英国的布兰顿演示了托马斯.戴文波特（ThomasDavenport）发明的蓄电池车，它比世界上第一部内燃机汽车早了半个世纪。1881年，法国巴黎街上出现了世界上第一辆以可充电池为动力的电动汽车。第一辆直流电机驱动的电动车用铅酸电池作动力的电动车8电动汽车的发展历史法国的BGS子弹头型的电动赛车19世纪末的电动出租汽车1897年，英国伦敦的电动出租汽车公司生产了15辆电动出租车。1899年，法国人设计制造出了子弹头型电动汽车，其续驶里程约达290km，并创下了98km/h的速度记录。第一阶段：19世纪30年代—20世纪30年代9电动汽车的发展历史到1912年，美国有34000辆注册电动汽车，底特律电气公司（DetroitElectric）生产的电动汽车，最高时速可达40km/h，续驶里程可达129km。1901~1920年，英国伦敦电动汽车公司生产了后轮轮毂电机式、后轮驱动、斜轮转向和充气轮胎的电动汽车。1913年，福特公司开发了T型内燃机汽车，并在汽车发展史上首次实现了标准化大批量生产，其价格从1909年的850美元降到了1925年的260美元。批量化生产的内燃机汽车彻底结束了电动汽车的生命。到20世纪30年代，电动汽车几乎消失了。10电动汽车的发展历史内燃机汽车大批量应用带来了严重的空气污染；内燃机汽车对石油的过分依赖，导致一系列的政治问题和国家安全问题；电动汽车由于其良好的环保性能和能摆脱对石油的依赖，重新得到社会各界的重视。本阶段电动汽车兴起的原因第二阶段：20世纪60年代—20世纪末11电动汽车的发展历史第二阶段：20世纪60年代—20世纪末12电动汽车的发展历史第三阶段：21世纪初—至今21世纪初到2008年全球金融海啸前，纯电动汽车产业化受挫，但在中国、日本、美国以及欧洲，电动汽车的研发并没有就此止步，以纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车为代表的电动汽车全面研发进入第三轮更大规模的研发探索阶段。围绕电动汽车，政府、能源企业、汽车和电池生产商全面参与，以“能源安全”和“环境保护”为主要目的，探索新的节能环保出行方式和新的车型的基础上，开发符合各方面利益的新一代电动汽车。研究的重点地区是中国、日本和欧洲；技术研发的重点是延长续驶里程、缩短充电时间，解决充电基础设施问题。13电动汽车的发展历史第三阶段：21世纪初—至今2008年北京奥运会期间，北京理工大学孙逢春院士带领北京理工大学的科研团队研发的55辆中国自主创新的纯电动大客车行驶上路。这是世界奥运史上首次大规模使用电动汽车，实现了奥运中心区零排放，兑现了北京奥组委“科技奥运、绿色奥运”的承诺。

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新能源汽车发展现状绪论15电动汽车国内外概况美国1993年，克林顿政府发布PNGV计划，联合国内主要的三家汽车制造厂商、大学、实验室等，重点研发电动汽车和插电式混合动力汽车。2001年，小布什政府启动freedomCAR项目，面向所有轿车和轻型卡车，集中研发利用可再生能源制造氢燃料电池的技术。2007年，小布什政府设立ATVMIP项目，以低息贷款的方式，支持美国汽车企业研发生产新一代电动汽车和其他低能耗车辆。2009年，奥巴马政府公布ARRA法案，通过提供联邦补贴或贷款，资助美国汽车企业和科研机构研发下一代电动汽车。2009年，美国能源部联合ECOtality成立EVProject项目，利用政府资金修建充电基础设施，并帮助新能源汽车推广。16电动汽车国内外概况

欧洲欧洲重点关注温室气体减排战略英国和法国最早进行电动汽车研发与应用德国为欧洲电动汽车市场的主力欧盟计划旨在充分调动欧盟各国的科学技术力量，避免各国科研计划重复，有效利用各国的人力和物力资源17电动汽车国内外概况日本日本资源匮乏，石油几乎全部依赖进口。因此，日本政府及日本各大汽车公司对电动汽车的开发十分重视，把发展电动汽车作为“低碳革命”的核心内容日本的丰田、本田两家公司分别实现了电动汽车的产业化，推出的普锐斯和思域两款混合动力汽车得到了日本和北美市场的普遍认可。18电动汽车国内外概况中国我国新能源汽车的发展可以追溯到“十五”期间。此后，国家出台了一系列支持新能源汽车发展的相关政策，形成了比较完整的政策支持体系。19电动汽车国内外概况数据来源：电动汽车全球市场销量分布全球电动汽车销量呈大幅度上升趋势中国电动汽车销量位居世界首位，欧洲（以德国为主）居于次席20电动汽车国内外概况世界各大主要整车企业的新能源汽车发展路线美国：各州发展的电动汽车种类差异较大欧洲：正从纯电动汽车转向混合动力汽车日本：最先发展电动汽车的国家，各种类发展较均衡中国：重点鼓励纯电动汽车和插电式混合动力汽车一起发展

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新能源汽车发展现状绪论纯电动汽车发展现状混合动力电动汽车发展现状插电式混合动力电动汽车发展现状燃料电池电动汽车发展现状电动汽车的发展现状23纯电动汽车发展现状我国纯电动汽车已经形成完整产业链上游：锂电池及电机原材料中游：电机、电控、电池等下游：整车、充电桩和运营24纯电动汽车发展现状高新技术应用于纯电动汽车动力系统集成优化技术不断进展，节能效果不断提高动力电池技术得到飞速发展，高性能的锂离子电池逐步取代传统的铅酸电池、镍氢电池。在比能量、比功率、安全性、可靠性、循环寿命和成本方面取得了很大进步。高效的一体化电力驱动系统取代了传统的电机25纯电动汽车发展现状高新技术应用于纯电动汽车电动辅助系统的广泛应用提高了整车能量利用率和性能网络系统的应用促进了电动汽车的模块化和智能化轻量化技术和电气、结构安全性技术在电动汽车上得到了系统的应用在概念车型上，轮毂电机和线控技术等前沿技术得到了初步的应用26纯电动汽车发展现状充电问题易解决活动范围有限充电场所固定有相应停车点利于产业化生产批量采购数量大利于推广使用营运企业少，补贴措施灵活纯电动公交车成为城市节能减排和平衡电网负荷的有效手段，纯电动公交车的示范推广应用进程加快纯电动公交车相较于普通乘用车，具有以下优势：高新技术应用于纯电动汽车纯电动汽车发展现状混合动力电动汽车发展现状插电式混合动力电动汽车发展现状燃料电池电动汽车发展现状电动汽车的发展现状28混合动力电动汽车发展现状混合动力电动汽车发展现状混合动力电动汽车（HEV）是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新车型。国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁能源车型。29混合动力电动汽车发展现状混合动力电动汽车发展现状混合动力技术上，由单一发动机驱动向纯电动驱动转移混合度上，逐渐提高混合度以实现传统能源向电气化转化机电耦合方式上，由单电机并联方案向双电机串并联/混联方案发展，实现向纯电动方案过渡动力系统结构方面，向更高的集成度发展，从而实现电动化转型30混合动力电动汽车发展现状混合动力电动汽车发展现状我国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。在动力电池和电机技术性能方面，我国已取得较大进展，部分满足混合动力整车要求。31混合动力电动汽车发展现状混合动力电动汽车发展现状动力分配装置和能量管理系统的研究有待继续。混合动力系统结构复杂，制造成本高，维修比较困难，售价相对较高。纯电动汽车发展现状混合动力电动汽车发展现状插电式混合动力电动汽车发展现状燃料电池电动汽车发展现状电动汽车的发展现状33插电式混合动力电动汽车发展现状插电式混合动力电动汽车发展现状插电式混合动力电动汽车（PHEV）具有较长的纯电续驶里程，同时还可以以混合动力模式工作，具有良好的燃油经济性，所以近年来插电式混合动力汽车技术得到普遍关注。我国在插电式混合动力乘用车技术已经取得显著进展，部分产品性能指标已与国外不相上下。34插电式混合动力电动汽车发展现状插电式混合动力电动汽车发展现状我国已自主掌握插电式混合动力多能源动力系统整车控制、高功率电机系统、混合动力自动变速器、增程式辅助功率发电单元等关键技术我国的双电机串并联、功率分流式等不同技术路线均有不俗的市场表现35插电式混合动力电动汽车发展现状插电式混合动力电动汽车发展现状但同时插电式混合动力的发展也存在一些问题，如集成了电动车、燃油车两套完整的动力系统，成本高、结构复杂、车身质量较大。36插电式混合动力电动汽车发展现状插电式混合动力电动汽车发展现状增程式混合动力汽车电池容量大，但发动机和发电机不直接驱动，造成部分浪费，在高速路况下油耗偏高。纯电动汽车发展现状混合动力电动汽车发展现状插电式混合动力电动汽车发展现状燃料电池电动汽车发展现状电动汽车的发展现状38燃料电池电动汽车的发展现状燃料电池电动汽车发展现状燃料电池电动汽车相比传统燃油车，车辆排放的是氢和氧的结合物—水，所以它相当于零排放，同时氢燃料电池车型加氢的时间非常短。2019年，中国首批采用日本丰田燃料电池技术的氢能源公交车抵达常熟投入运营。该车为苏州金龙生产的海格第五代氢能源公交，也是国内首批采用丰田电堆和重塑系统的氢燃料电池客车。39燃料电池电动汽车的发展现状燃料电池电动汽车发展现状上汽大通大家MIFA氢是全国首款70MPa乘用化产品，也是全球首款氢能MPV(多用途汽车)，于2022年大量投入到商业化的示范运行之中，已实现全国规模领先的氢能源乘用车市场化运营。2017年，上汽大通MAXUS针对商用车领域推出了中国首款商业化运营燃料电池宽体轻客FCV80，并实现了全国首个氢能源规模化运营。40燃料电池电动汽车的发展现状燃料电池电动汽车发展现状近年来，我国高度重视氢能源产业发展，将氢能纳入国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要。截至2021年底，全国“3+2”燃料电池汽车示范城市群格局已经形成，产业政策逐渐落地实施。首批示范城市群京津冀城市群、上海城市群、广东城市群在燃料电池关键技术和车辆推广应用方面具有明显优势。谢谢！41第2章电动汽车的基本结构与工作原理42

纯电动汽车

混合动力电动汽车

插电式混合动力电动汽车

燃料电池电动汽车目录44纯电动汽车纯电动汽车是指利用动力电池作为储能动力源，通过动力电池向驱动电机提供电能，驱动电机运转，从而驱动电动汽车的一种新能源汽车。纯电动汽车基本结构示意图纯电动汽车示意图45纯电动汽车相对于燃油汽车，纯电动汽车所具有的优点如下：零排放、零污染、噪声小。结构简单、使用维修方便。能量转换效率高，同时可回收制动时和下坡时的能量，提高能量利用效率。可在夜间利用电网廉价“谷电”进行充电，起到平抑电网的峰谷差的作用。制动能量回收零排放，绿色环保46纯电动汽车纯电动汽车集成了机械、电子、能源、计算机、信息等多种高新技术，是典型的高新技术产品，其最终目标是实现车辆的智能化、数字化和轻量化。纯电动汽车关键技术主要有：动力电池驱动电机电机控制车身和底盘设计能量管理技术47纯电动汽车机械子系统由底盘和车身、驱动装置、变速器等组成，与之相关的特性包括道路特性、被动安全性、汽车内部空间、装配时间、适用性以及价格等。从电气工程的角度来分，纯电动汽车可以分为机械子系统、电力电子子系统和信息子系统。电力电子子系统由动力网、电机及其控制器和能源系统组成，与之相关的特性有安全、规则、标准、效率、可靠性、重量以及价格等。信息子系统用于处理驾驶员的意图，并监控汽车的运行以及电源、电机、控制器和充电器的状态，与之相关的有通信网络、数据处理的算法以及和通信相关的故障诊断和充电控制等。纯电动汽车的构型与结构纯电动汽车的工作原理纯电动汽车的行驶性能电动汽车的发展现状49燃油汽车与电动汽车的主要区别在于它们的驱动系统不同，传统的燃油汽车以内燃机驱动，而电动汽车由电机驱动。纯电动汽车纯电动汽车的构型与结构与燃油汽车相比，电动汽车的结构特点是灵活，这种灵活性源于电动汽车具有以下三个独特的特点：501.能量传递方式不同。电动汽车的能量主要是通过柔性电缆电线而不是通过刚性联轴器和转轴传递的，因此，电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性。纯电动汽车纯电动汽车的构型与结构传统燃油汽车能量传递方式电动汽车能量传递方式51纯电动汽车2.驱动系统布置不同。例如独立的四轮驱动和轮毂电机驱动等系统与传统燃油车的驱动系统结构区别很大，采用不同类型的驱动电机也会影响到电动汽车的重量、尺寸和形状。纯电动汽车的构型与结构轮边电机驱动轮毂电机驱动52纯电动汽车3.储能装置不同。不同的补充能源装置需要不同的硬件和机构，例如动力电池可通过感应式和接触式的充电机充电，或者采用替换动力电池的方式，将替换下来的动力电池进行集中充电。纯电动汽车的构型与结构充电机充电方式替换动力电池的方式53纯电动汽车电动汽车可分为三个子系统：1.电驱动子系统，由电子控制器、功率转换器、电机、机械传动装置和驱动车轮组成。2.能源子系统，由主电源、能量管理系统和充电系统构成。3.辅助控制子系统，有动力转向、温度控制和辅助动力源等功能。纯电动汽车的构型与结构纯电动汽车的构型与结构纯电动汽车的工作原理纯电动汽车的行驶性能电动汽车的发展现状55纯电动汽车纯电动汽车传动系统布置的常规形式：依托于传统内燃机汽车，采用驱动电机替代原有的内燃机，由驱动电机、离合器、变速器和差速器组成。纯电动汽车的工作原理56纯电动汽车采用固定速比减速器的驱动系统：由于驱动电机能在较长的速度范围内提供相对恒定的功率，因此多级变速器可以被一个固定速比减速器所代替，并且离合器也可以省去，即无变速器的传动形式。纯电动汽车的工作原理57纯电动汽车整合式布置形式：驱动电机、固定速比减速器和差速器被进一步整合为一体，布置在驱动轴上，整个驱动传动系统被大大简化和集成，并且从再生制动的角度出发，容易实现电能从车轮再到电机的回收。纯电动汽车的工作原理58纯电动汽车无机械差速器的分布式驱动形式：在整合式布置形式的基础上，差速器被两个独立的驱动电机所代替，每个驱动电机单独完成一侧车轮的驱动任务。在车辆进行曲线行驶时，两侧的电机就会分别工作在不同的速度下。纯电动汽车的工作原理59纯电动汽车轮边电机驱动型式：为了进一步简化驱动系统，牵引电机与车轮之间取消了传统的传动轴，由轮边电机直接驱动车轮前进。同时用一个单排的行星齿轮来减小转速和增强转矩，以满足不同工况的功率要求。纯电动汽车的工作原理60纯电动汽车轮毂电机驱动型式：完全舍弃驱动电机和驱动轮之间的机械传动装置，轮毂电机的外转子直接接在驱动轮上，电机与车轮的转速控制融为一体，使车速控制变得简单，但需要驱动电机提供更高的转矩来起动和加速车辆。纯电动汽车的工作原理纯电动汽车的构型与结构纯电动汽车的工作原理纯电动汽车的行驶性能电动汽车的发展现状纯电动汽车的行驶性能62电动汽车驱动力和行驶阻力驱动力

纯电动汽车的行驶性能63电动汽车驱动力和行驶阻力驱动力机械传动装置:与驱动电机输出轴有运动学联系的减速齿轮传动箱或者变速器、传动轴以及主减速器等机械装置。纯电动汽车的行驶性能64电动汽车驱动力和行驶阻力驱动力功率损失:齿轮啮合点处的摩擦损失、轴承中的摩擦损失、旋转零件与密封装置之间的摩擦损失以及搅动润滑油的能量损失等。

对于单排行星减速器的效率值一般取0.97~0.98，万向传动轴的效率取0.98纯电动汽车的行驶性能65电动汽车驱动力和行驶阻力驱动力汽车在各种行驶工况下行驶时，所需的转矩和功率是行驶速度的函数，取决于不同车速行驶时所遇到的行驶阻力。假设原动机在不同转速时的功率保持不变，则

在原动机的工作转速范围内，转矩与转速成反比、转矩特性是一条在第一象限内的双曲线。转速低时转矩大，转速高时转矩小。这种特性比较接近汽车的行驶工况。但是各种原动机的转矩特性与这种理想的特性是有区别的。纯电动汽车的行驶性能66电动汽车驱动力和行驶阻力驱动力串激式直流驱动电机的功率与转矩特性加载时间不同时，串激式直流驱动电机的功率与转矩特性纯电动汽车的行驶性能67电动汽车驱动力和行驶阻力驱动力串激式交流驱动电机的功率与转矩特性加载时间不同时，串激式交流驱动电机的功率与转矩特性纯电动汽车的行驶性能68电动汽车驱动力和行驶阻力行驶阻力电动汽车在坡道上上坡加速行驶时，作用于电动汽车上的阻力与驱动力保持平衡，建立如下的汽车行驶方程式：

纯电动汽车的行驶性能69电动汽车驱动力和行驶阻力

电动汽车在硬路面上行驶，由于橡胶轮胎的弹性迟滞形成的能量损失，相当于汽车车轮在前进方向上遇到的一个阻力消耗了汽车的能量。

滚动阻力系数f数值由试验确定，通常滚动阻力系数与路面的种类，行驶车速和轮胎的材料、构造、气压等因素有关。纯电动汽车的行驶性能10电动汽车驱动力和行驶阻力

汽车在行驶过程中由于空气动力的作用，在汽车行驶方向上作用在汽车上的分力称为空气阻力。空气阻力通常与气流相对速度的动压力成比。

纯电动汽车的行驶性能71电动汽车驱动力和行驶阻力

车身表面上的空气法向压力分布纯电动汽车的行驶性能72电动汽车驱动力和行驶阻力

纯电动汽车的行驶性能73电动汽车驱动力和行驶阻力

道路的坡度角除以角度表示外，道路工程上常以坡度表示，将坡度角的正切值定义为坡度，

纯电动汽车的行驶性能74电动汽车驱动力和行驶阻力

电动汽车的质量换算系数可进一步作理论分析计算，通常由试验确定。对于电动汽车还缺乏实验数据和近似的计算方法，可参考内燃机汽车的质量换算系数的计算方法。加速阻力：

纯电动汽车的行驶性能75电动汽车的驱动力与行驶阻力的平衡电动汽车在行驶过程中，驱动力与行驶阻力始终保持平衡。利用行驶方程式通过解析法或者图解法分析电动汽车的动力性能。

利用上述计算结果，即可画出驱动力图。纯电动汽车的行驶性能76电动汽车的驱动力与行驶阻力的平衡

驱动力-行驶阻力平衡图纯电动汽车的行驶性能77电动汽车的驱动力与行驶阻力的平衡

五种不同主减速比的电动汽车爬坡坡度曲线纯电动汽车的行驶性能78电动汽车的驱动力与行驶阻力的平衡

五种不同主减速比的电动汽车加速曲线纯电动汽车的行驶性能79电动汽车的动力性评价参数电动汽车的动力性也可以用最高车速、加速能力和最大爬坡度来进行描述，但是与燃油汽车不同的是，驱动电机存在不同的工作制，如1min工作制、5min工作制、30min工作制等，即存在瞬时功率、连续功率和小时功率。最高车速：指汽车在无风条件下，在水平、良好的路面上所能达到的平均最高车速。加速能力：汽车原地起步的加速能力和超车加速能力来表示，通常采用电动汽车加速过程中所经过的加速时间和加速距离作为评价汽车的加速性能指标。爬坡能力：指汽车在良好的路面上，以低车速行驶的上坡的最大坡度，坡度值一般用百分比来表示。对于电动汽车而言，不同的用途和使用工况，对于汽车的爬坡能力的要求是不一样的。80纯电动汽车电动汽车上动力电池组充满一次电后的最大行驶里程称为电动汽车的续驶里程。纯电动汽车的行驶性能电动汽车的续驶里程问题思考充电时长低温衰退容量衰减81纯电动汽车纯电动汽车的行驶性能电动汽车的续驶里程的计算

82纯电动汽车

纯电动汽车的行驶性能电动汽车的续驶里程如何更合理地用电？智慧电网智慧交通83纯电动汽车电动汽车续驶里程的影响因素:纯电动汽车的行驶性能电动汽车的续驶里程环境状况:道路状况较差、交通拥挤环境温度:温度由25℃降低到0℃的过程中，电动汽车的阻力增加10%，增加的电动汽车能耗使得续驶里程大为减少。电动汽车的总质量:车身的轻量化。在工况一定时，电动汽车的能耗和质量基本呈线性关系。辅助装置的能量消耗:照明、音响、通风、取暖、空调都需要消耗动力电池的电能。电池的性能:动力电池组的一致性、动力电池的可用放电容量等是影响电动汽车续驶里程的重要因素。84纯电动汽车

实际情况并没有计算式那样简单。由于空气阻力消耗的能量与质量无关，同时动力电池受到放电效率、放电深度、放电电流以及自放电现象的影响，有的动力电池每天自放电率高达1％以上，这些因素都会影响动力电池组的输出总能量。另外，行驶工况的差别等因素都将影响电动汽车的续驶里程，因此，上式只能近似地估算电动汽车的续驶里程。纯电动汽车的行驶性能电动汽车的续驶里程纯电动汽车混合动力电动汽车

插电式混合动力电动汽车

燃料电池电动汽车目录86混合动力电动汽车混合动力汽车：汽车动力传动系由两个或多个能同时运转的单个动力传动系统联合组成的汽车分类：按结构分类串联式混合动力并联式混合动力混联式混合动力按混合度分类微混轻混中混重混按是否插电分类插电式混合动力非插电式混合动力87混合动力电动汽车混合动力汽车的优点：可以结合内燃机较大的续驶里程和电驱动零排放的优点。通过起停功能降低燃油消耗，通