电动汽车原理与构造 第3版 课后题答案及思路汇 何洪文 第1-9章

一、填空题能源、环境、安全纯电动汽车、混合动力汽车、插电式混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车可消耗的燃料；可再充电能/能量储存装置串联式、并联式和混联式；微混合、轻混合、中混合、完全混合动力系统燃料电池发动机、燃料箱（氢瓶）、电机、动力电池组二、选择题CBA、BBA三、判断题1.√2.√3.×4.√5.×四、简答题1、中国的电动汽车技术开发“三纵三横”布局是一个全面覆盖、相互支撑、协调发展的技术体系。具体来说：“三纵”指的是三种不同类型的电动汽车：1）纯电动汽车（BatteryElectricVehicles,BEV）2）插电式混合动力汽车（Plug-inHybridElectricVehicles,PHEV），包括增程式电动汽车3）燃料电池汽车（FuelCellElectricVehicles,FCEV）“三横”则涵盖了三个关键的共性技术领域：1）动力电池与管理系统2）驱动电机与电力电子2）网联化与智能化技术2、纯电动汽车优点：1）零排放、噪声小、结构简单、维护较少2）最高的能量利用效率，而且电力价格便宜，车辆使用成本低3）利用夜间用电低谷充电，因此还具有调节电网系统峰谷负荷、提高电网效能的作用3、相比于混合动力电动汽车，插电式混合动力电动汽车的不同点有：1）电池容量：PHEV的电池容量通常比HEV大，这使得它们能够以纯电动模式行驶更长的距离。2）充电方式：PHEV可以通过外部电源充电，而HEV不能。PHEV通常配备有充电接口，可以通过家用电源或公共充电桩进行充电。3）电动驱动优先：PHEV设计上更倾向于使用电力驱动，内燃机通常只在电池电量低或需要更大动力时介入。4）油耗和排放：由于PHEV更多依赖电力驱动，因此在纯电动模式下可以实现零油耗和零排放。即使在混合动力模式下，由于电池容量较大，其油耗和排放也通常低于传统HEV。4、纯电动汽车系统组成包括：1）动力电池：提供电能的核心部件，通常采用锂离子电池。电池管理系统（BMS）负责监控和管理电池的状态，确保其安全和高效运行。2）电动机：将电能转化为机械能，驱动汽车前进。常见的电动机类型包括永磁同步电机和交流异步电机。3）电控系统：包括电动机控制单元（MCU）、电池管理系统（BMS）和车辆控制单元（VCU），负责协调和控制电动机、电池及其他辅助系统的工作。4）充电系统：包括车载充电器、充电接口和充电桩，用于将外部电源的电能传输到动力电池中。5）传动系统：将电动机的动力传递到车轮，包括减速器和差速器等部件。6）辅助系统：如空调系统、制动系统、转向系统和信息娱乐系统等，确保车辆的舒适性和安全性。7）车身与底盘：提供结构支撑和保护，承载所有系统和乘客。5、电动汽车的电气控制系统主要由以下几个部分组成：1）整车控制器（VCU）。作为电动汽车的中央控制单元，VCU负责协调和管理整车的运行状态。它采集电机、电池状态，加速踏板信号、制动踏板信号、执行器及传感器信号，并根据驾驶员的意图综合分析，监控下层各部件控制器的动作。VCU的主要功能包括整车能量管理、故障诊断与处理、车辆状态监控等。2）电池管理系统（BMS）。BMS负责监测和管理电池的状态，包括电量、电压、电流和温度等参数。它的主要功能是保护电池，防止过充电和过放电，均衡电池单元的电压，延长电池寿命，并进行热管理。3）驱动电机控制器（MCU）。MCU控制电动机的运行，包括启动、停止、速度调节和转矩控制。它接收来自VCU的指令，调整电动机的输出以满足车辆的行驶需求，并在能量回收过程中将电动机产生的电能回馈给电池。4）车载充电机（OBC）。OBC负责将外部电源（如家用电源或公共充电桩）的交流电转换为直流电，并为动力电池充电。它根据BMS提供的数据，动态调节充电电流和电压，确保电池安全高效地充电。5）直流/直流转换器（DC/DCConverter）。DC/DC转换器将动力电池的高压直流电转换为低压直流电，供给车辆的低压系统（如灯光、仪表、娱乐系统等）使用，并为辅助蓄电池充电。6）高压配电盒（PDU）。PDU负责高压电能的分配和管理。它通过高压继电器和熔断器将动力电池的电能分配到各个高压部件（如电动机、OBC、DC/DC转换器等），并确保高压系统的安全运行。7）辅助系统，包括空调系统、制动系统、转向系统和信息娱乐系统等，这些系统与传统汽车类似，但通常经过优化以提高能源效率和驾驶体验。五、思考题1、我认为传统燃油汽车未来会逐渐被新能源汽车替代。原因如下：1）环境压力方面：传统燃油汽车排放大量温室气体，为实现全球气候目标，减少碳排放是各国的共识，传统燃油汽车的替代势在必行；2）资源限制方面：化石能源（如石油）的有限性和逐步枯竭使得传统燃油汽车的能源供应变得不可持续，推动了新能源替代的急迫性；3）政策驱动方面：多个国家和地区已经制定了淘汰传统燃油汽车的政策，加速向新能源汽车的过渡；4）技术进步方面：随着电池技术和充电设施的不断发展，新能源汽车的性能和成本优势也逐步显现，替代燃油汽车的进程正在加快。2、大力发展新能源汽车对我国的经济社会发展有以下几方面的积极影响：1）助力“双碳”目标。新能源汽车的推广有助于减少交通运输领域的碳排放，是实现我国碳达峰、碳中和目标的重要举措。2）保障能源安全。新能源汽车依赖电能或其他新能源，减少了对石油等化石能源的依赖，有助于提高国家的能源安全。3）推动产业升级。新能源汽车的生产涉及新技术、新材料和智能制造等高科技领域，能够促进我国制造业的转型升级，提升全球竞争力。4）促进经济增长。新能源汽车产业链广泛，涵盖汽车制造、电池技术、充电基础设施、智能化技术等多个领域，可以带动相关产业的发展，创造就业机会，助推经济增长。5）改善城市环境。新能源汽车的推广有助于减少空气污染、缓解交通噪音和减少城市热岛效应，提升居民的生活质量和公共健康水平。3、我认为新能源汽车技术创新与发展前景广阔，未来可能出现以下趋势：1）电池技术突破。电池技术的不断创新是新能源汽车发展的核心。固态电池、超快充电技术和更高能量密度的电池可能成为未来的突破口，大幅提升新能源汽车的续航里程和充电效率。2）氢燃料电池的发展。氢燃料电池车是新能源汽车的另一发展方向，具有续航长、补能快等优点，尤其适合重型卡车和长途运输。3）智能化与网联化。新能源汽车与智能网联技术的结合将实现自动驾驶、车路协同和智能调度，提升交通效率和安全性，进一步推动新能源汽车的广泛应用。4）可再生能源协同。未来的新能源汽车充电可能与太阳能、风能等可再生能源更紧密结合，减少对电网的负担，实现绿色能源的闭环。5）政策和市场驱动。全球多国的支持性政策将进一步促进新能源汽车产业的成熟，加速技术进步和市场扩展一、填空题1.现代线控技术2.发电机；电机；电池、超级电容、高速飞轮3.DC/DC变换器、辅助蓄电池；若干低压电器设备4.充电、放电5.电压、输出电流；温度；当前容量、健康状态；实时功率二、选择题1.B2.D3.CD4.B5.C三、判断题1.√2.√3.×四、简答题1.依靠四轮毂电机驱动系统，可以实现以下功能：1）车轮可以实现±180°的旋转、横向行驶、任意旋转行驶。2）因为可以进行各车轮任意转矩控制，所以使得防滑控制、制动控制等多种性能得以发挥。3）轮毂电机的大型化较难，但是总功率依靠四台电机分担，可使每台电机的容量变得小一些。此外，因为没有动力传动装置，所以可以提高效率。4）低速大转矩电机体积大又昂贵，因此近年来出现了减速器内置的轮毂电机。2.动力电池组的设计及整车集成技术涵盖以下内容：1）电池选型电池材料与结构形式的设计，兼顾电池输出功率、电池容量、电池寿命与安全性。2）结构结构设计和优化，以满足图纸化制造的需求。3）热管理提高热管理效率的设计。4）电气构成传感器的选择，安全系统的设计，高、低压电气元器件的选择和设计。5）控制系统SOC算法的开发，电池管理系统的设计和开发，整车控制策略的开发和优化。6）制造材料的选择和成本的降低。7）集成技术整车集成，冷却开发，车辆性能和动力经济性的优化调节。3.电子产品和电池管理系统设计包括以下内容：1）概念的界定和规范发展。2）电子电路板的设计与开发。3）SOC/SOH算法。4）电池控制功能。5）故障模式影响分析和危险性分析。6）诊断和预测，包括模拟故障响应评估的硬件在环仿真。4．纯电动汽车存在的关键技术有电池、驱动电机、电机控制、车身和底盘设计及能量管理技术等。1）电池技术：电池是纯电动汽车的核心部件，主要影响车辆的续航里程、充电时间和安全性。当前主流的电池技术是锂离子电池，但也有一些新型电池技术如固态电池和锂硫电池在研发中，旨在提高能量密度、减少充电时间、延长电池寿命并提升安全性能。2）驱动电机技术：电动汽车的动力来自电动机，主要包括电机、逆变器和电控系统。这些技术决定了汽车的加速性能、能耗水平和操控体验。3）电机控制技术：电机控制是驱动电机系统的核心部分，主要通过矢量控制或直接转矩控制来调节电机的转矩和转速。矢量控制提供了平滑的扭矩输出，适用于对驾驶体验要求较高的场合；直接转矩控制具有快速动态响应的特点，适用于对高动态性能有要求的电动汽车。4）车身和底盘设计技术：纯电动汽车的车身和底盘设计技术对整车的安全性、操控性、能效以及驾驶体验起着至关重要的作用，主要考虑车身轻量化设计、电池的布置和保护以及底盘的集成化设计等等。5）能量管理技术：电动汽车的电池管理系统(BMS)是确保电池安全、效率和寿命的关键。BMS负责监控电池的电压、电流、温度等参数，并在电池出现异常时进行保护。此外，车辆的整体电控系统负责协调电驱动系统与电池系统之间的工作，以优化性能。能量回收系统是电动汽车特有的技术，它通过回收制动和减速过程中产生的能量，将动能转换为电能并储存在电池中，从而提高车辆的整体能效和续航里程。热管理系统对电动汽车的整体能效影响较大，特别是在温度极端的环境下。热管理系统涉及电池、驱动电机、电子控制器以及车厢空调系统，目标是实现全车热能的综合管理。5.未来纯电动汽车的发展趋势如下：1）电池技术：电池是电动汽车的核心，未来电池技术的发展将重点放在以下固态电池、硅基负极材料、快速充电技术以及智能化电池管理系统等方面。2）驱动电机和控制系统：电动汽车的驱动系统正在向着高效、轻量化和智能化发展，轮毂电机技术更加成熟高效，将电机、控制器和传动系统整合为一体的电驱动系统不仅可以降低体积和重量，还能够提升整车的能效和动力性能。通过先进的电子控制单元（ECU）和软件优化，未来电动汽车将能根据道路状况、驾驶习惯等因素智能调整动力输出，提高驾驶体验和能效。3）轻量化材料与结构设计：轻量化对于电动汽车提升续航里程和性能至关重要，未来的发展方向包括新型轻量化材料如碳纤维复合材料、铝合金和高强度钢将更多应用于车身和底盘结构，减轻整车重量，提升能效以及未来汽车的模块化和平台化设计将有助于降低开发成本，并通过轻量化材料和先进制造工艺减少整车重量等方面。4）自动驾驶与智能网联技术：电动汽车的发展与自动驾驶和智能网联技术紧密相连，未来电动汽车与自动驾驶技术的结合将更为紧密。未来L4及以上级别的自动驾驶技术有望逐步实现，车辆能够自主完成复杂的驾驶任务，提升安全性和交通效率。车与车、车与基础设施之间的通信将进一步推动智能交通的发展。电动车辆可以通过车联网获取实时路况信息，优化行车路线，提升能源效率。五、思考题1.动力电池应用技术随着电动汽车技术的发展，逐步从简单的电池单体串并联实现高压、大容量电池组发展到模块化封装、集成化应用阶段。早期，电动汽车最早使用的是铅酸电池，这种电池以低成本、易维护著称。由于电池能量密度较低、体积较大、重量较重，续航能力有限，只适用于短途交通工具。镍氢电池在20世纪70年代逐渐取代铅酸电池，能量密度较铅酸电池有所提高，使用寿命也更长，充放电效率更好。21世纪初至今，锂离子电池的引入标志着电动汽车电池技术的重大突破。锂离子电池具有高能量密度、重量轻、寿命长、自放电率低等优点，成为当代电动汽车的主流电池技术。通过提高镍的含量，三元锂电池（镍钴锰或镍钴铝）实现了更高的能量密度，大大提升了电动汽车的续航能力。高镍三元锂电池目前广泛应用于高端电动汽车，磷酸铁锂电池因其稳定性高、寿命长、成本低被大量应用，尤其在中低端电动汽车中。磷酸铁锂电池的安全性好，适合长寿命和高安全性需求的场景。2.在不同温度条件下，纯电动汽车的续航能力会受到显著影响，尤其是在极端寒冷或高温的环境中。为解决续航焦虑，各种技术正在被开发和应用，以提升电动汽车在不同温度下的性能表现。可以通过以下关键技术解决续航焦虑：1）先进的电池热管理系统：通过液冷和液热热管理系统，电池组可以在极端高温或低温下保持稳定的工作温度。液冷系统通过冷却液流经电池单元进行散热，在高温环境下能够有效降低电池温度，防止过热；而在寒冷环境中，液热管理系统通过加热装置维持电池的温度，提升低温下的放电性能。热泵系统是一种高效的温控技术，能够在寒冷环境中将车外的热量传导至车内，为电池和驾驶舱供暖，同时消耗较少的能量。相比传统的电阻加热，热泵技术能在冬季显著降低电池供暖耗能，从而延长续航里程。2）电池材料优化：新型电池材料可以帮助提升电池在低温下的性能。例如，磷酸铁锂电池因其化学特性在低温下的表现优于高镍三元锂电池。此外，开发特殊的电解液和隔膜材料可以减少低温下的离子阻力，提升低温条件下的电池充放电效率。固态电池有望在极端温度下表现更优异，因为其固体电解质在低温环境中不会像液态电解质那样冻结，能显著改善电池在寒冷条件下的续航表现。3）智能能量管理系统：智能能量管理系统可以根据驾驶状况、路况和温度等环境因素，动态调整车辆的能耗。例如，在寒冷环境下，系统可以优化电池供电给车内空调、座椅加热等设备的能耗，从而减少不必要的能源浪费，提升整体续航能力。现代电动车通常提供多种驾驶模式，如节能模式、标准模式、运动模式等。节能模式下，电动汽车的动力输出和空调使用会被调节到最低，以尽可能延长续航里程。3.大模型在纯电动汽车智能化领域的应用正在快速拓展，特别是随着深度学习、自然语言处理和多模态技术的发展。大模型可以帮助提升电动汽车的驾驶体验、能源管理、智能交互等方面。以下是一些关键应用场景：1）自动驾驶与辅助驾驶系统：大模型可以通过处理车载摄像头、雷达、激光雷达等多传感器数据，实现对周围环境的复杂感知，包括行人、障碍物、车道标志、交通信号灯等。大模型具备强大的图像识别和数据处理能力，可以做出更加精确的行车决策，提高自动驾驶系统的安全性和可靠性。通过大模型的学习能力，自动驾驶系统可以在不断获取新的道路数据、交通行为模式和天气情况后，自适应优化算法，提高系统在不同场景下的应对能力，从而实现从低级别自动驾驶到高级别自动驾驶的升级。在L2至L3级别的辅助驾驶系统中，大模型可以帮助车辆实现复杂场景下的人机协作，例如主动巡航控制、自适应变道、智能停车等操作，使驾驶体验更加智能、便捷。2）智能语音交互与车载助手：大模型结合自然语言处理技术，可以支持车内多模态交互系统。驾驶者可以通过语音指令、手势或触摸屏与车辆进行互动，实现导航、娱乐、气候控制、车辆状态查询等功能。大模型可以理解复杂的语音指令和对话逻辑，提供更加自然的语音交互体验。大模型可以根据驾驶者的语音、面部表情、驾驶行为等数据，识别其情感状态，并提供个性化的建议或服务。例如，在驾驶者情绪紧张时，车载系统可以主动建议休息或调整座舱氛围；在长途驾驶时，大模型可以推荐合适的休息站点或附近的餐饮选择。通过大模型，车辆的导航系统可以更好地理解复杂的语义指令，如“帮我找一家附近的好餐馆”或“带我去最近的充电站”。大模型可以通过语义分析和地理信息整合，提供智能化的导航建议，帮助驾驶者节约时间并提升驾驶效率。3）能源管理与续航优化：大模型可以结合车辆历史数据、当前路况、驾驶行为和气候条件等多维数据，智能预测电池的能量消耗和续航里程。通过优化电池充放电策略，大模型可以在复杂路况和温度条件下优化电池性能，延长续航能力。大模型可以通过学习驾驶者的行为模式，预测车辆的能耗需求，并根据实时的驾驶条件（如上坡、下坡、拥堵等）动态调整车辆的能耗分配策略，最大限度地提高能源利用效率。大模型可以帮助电动汽车优化充电计划，基于车辆的实时位置、剩余电量和充电桩分布，建议最佳的充电路线和时间，避免电量不足带来的续航焦虑。通过与充电桩的联网系统对接，车辆还可以实现预约充电，并在高峰时段选择低电价充电。4）车联网与车路协同：大模型可以支持车联网与智能交通系统的协同，通过云端计算与边缘计算的结合，分析和预测道路交通状况。车辆可以通过大模型获取实时交通信息，如拥堵路段、交通事故、天气变化等，从而实时调整行驶路线，提升行车效率和安全性。大模型在车路协同中发挥关键作用，支持车辆与基础设施（如红绿灯、道路标志）以及其他车辆的实时通信。通过大模型对大数据的实时处理，车辆可以获得交通信号灯变化信息、前方障碍物提醒、紧急刹车提示等，确保行车安全。填空题车载能量源、动力装置、传动系和其他辅助系统串联汽车动力或传动系环节功率分流式和开关式发动机、动力耦合装置、辅助功率单元以及整车综合控制器选择题A2.B3.D4.D判断题×2.√3.√4.×5.√简答题串联混合动力汽车具有如下特点：１）车载能量源环节的混合。２）单一的动力装置。３）车载能量源由两个以上的能量源联合组成。与非插电式混合动力汽车相比，PHEV的电池容量更大，可以支持行驶的纯电里程更长，可以根据客户需求进行匹配，比如50km、100km、150km甚至更长续驶里程的版本。如果短途行驶较多，有较好的充电条件，则PHEV可以不用加油，可当作纯电动汽车使用，具有纯电动汽车的优点。动力耦合装置是混合动力电动汽车实施两条或多条独立动力传动系，联合输出动力的所有部件的统称。在串联混合动力电动汽车上，为电电耦合装置；在并联混合动力电动汽车上，为机电耦合装置。关键技术包括以下几点：发动机技术：在混合动力电动汽车上，发动机作为唯一的一个耗油部件，其性能和控制特性的好坏直接决定了整车的燃油经济性。混合动力电动汽车的发动机的工作过程和控制特性与常规汽车发动机存在明显的区别，这也为混合动力电动汽车中发动机的优化奠定了基础。动力耦合装置：动力耦合装置是混合动力电动汽车实施两条或多条独立动力传动系，联合输出动力的所有部件的统称。它使车辆能够实现多种驱动模式，直接影响能量利用的效率、燃油经济性和驾驶性能。辅助功率单元：辅助功率单元是串联混合动力电动汽车的一种车载能量源，通常选用发动机发电机组。辅助功率单元能够优化发动机工作特性。动力电池技术：混合动力汽车动力电池按电池实用性能分类可分为功率型电池和能量型电池。根据混合动力汽车的类型不同，通常要选择不同类型的电池以满足动力性需求。能量管理策略：能量管理策略决定了车辆在不同行驶条件下如何合理分配发动机与动力电池的能量，直接影响到车辆的经济性、动力性和排放性能。通过建立好的能量管理优化策略，可以提高混合动力电动汽车的整体性能。思考题混合动力电动汽车能量管理系统的优化方法主要有：基于规则的方法、基于优化的方法和基于学习的方法。基于规则的方法：基于规则的方法通常基于启发化、经验化的数学模型，通过确定规则的能量分配比率，使发动机工作在高效区间，并通过再生制动系统实现制动能量回收。基于规则的方法可以分为确定性规则和模糊优化规则。其中确定性规则主要包括恒温器策略、功率跟随策略和逻辑门限值策略等方法。优点：基于规则的控制策略是在混合动力汽车中常见和应用广泛的方法，其结构简单，具有较好的鲁棒性，计算效率很高，具有实时控制的功能，并且其控制成本较低，因此在汽车产业中占据主导地位缺点：该方法的扭矩分配和工作点调节高度依赖于工程师的经验来制定，因此其不能保证在全部行驶工况下均能实现较高的能量优化率，并且不同的工程经验对能量管理效果可能较大影响。基于优化的方法：基于优化的方法通常以具有控制系统模型、控制目标、约束条件等基本元素的最优化控制方法为基础，采用优化算法求解可行域内的最优或次优决策解。基于优化的方法可以分为全局优化和实时优化策略，其中，常见的全局优化策略包括动态规划和遗传算法等，实时优化策略主要包括庞特里亚金最小值原理、等效消耗最小策略和模型预测控制的实时能量管理策略。优点：大大减少能量管理策略对工程经验的依赖程度，并且通过优化方法可以实现行驶工况全局的总能耗达到最小或行驶工况的瞬时能耗最小以达到最好的燃油经济性。缺点：对于全局优化算法而言，虽然可以计算得到全局最优的能量管理方法，但是由于需要全局的驾驶循环或驾驶员作为输入，计算难度较大，不适合在实时驾驶场景中运用；对于实时优化而言，仍容易受限于未来工况部分可观测或可预测这一前提，这使得算法复杂度高、实时计算负荷大，对车载控制器提出了严格的要求。基于学习的方法：基于学习的方法通常采用人工智能技术进行功率的智能分配。混合动力汽车被视为一个智能体，通过试错与探索机制从数据中学习最优策略。基于学习方法主要包括：强化学习策略、深度学习策略和模仿学习策略。优点：具有较强的实时性，计算效率很高，能够学习到燃油经济性很好的能量管理策略，并且对车辆的不同行驶工况数据具有较好的适应能力。缺点：需要大量训练样本，并且随着求解问题的复杂程度提高以及驾驶场景的逐渐丰富，基于学习的方法的训练时间和所需求的训练样本也会大大增加，因此相比于其他方法，训练成本较高。集成方式主要有氢发动机、氢燃料电池和动力电池混合动力系统、太阳能电池等。氢发动机：利用氢气作为燃料的内燃机。技术挑战主要包括氢燃烧控制技术和控制氢损伤技术等。氢燃烧控制技术旨在解决氢燃料在发动机燃烧过程中所面临的挑战，确保燃烧过程稳定、高效、安全，并降低对环境的不利影响。氢燃料控制系统分为液氢控制部分和氢气控制部分。液氢控制部分负责控制液氢从机载罐到换热器的压力、温度和流量，包括液氢泵、换热器和稳压阀。液氢通过液氢泵增压送入换热器，在其中汽化增压，需要设置稳压阀控制压力。在发动机起动阶段，可采用氢气供应方式或者电加热器预热液氢。氢气控制部分位于换热器与燃烧室之间，包括减压阀、安全阀、调节阀、过滤器、温度和压力传感器，用于精确控制氢气管路压力和温度，以补偿氢气的压缩性对流量的影响。氢燃料控制系统除了需要控制氢的温度、压力和流量，还需要控制燃烧室的火焰状态。如果燃烧室在发动机运转过程中发生熄火，氢燃料控制系统要马上切断液氢的供应，防止氢气传播至高温部件引发自燃、回火甚至爆燃。氢损伤是指由氢与材料相互作用引起的材料性能受损的现象，诸如氢致裂纹、氢鼓包、白点、高温氢腐蚀、氢致滞后开裂、氢致塑性下降、氢致马氏体相变脆化和形成氢化物等。应对氢损伤的有效技术有：选择稳定性好的奥氏体合金作为主要材料，考虑其化学成分、冶金质量对耐氢损伤能力的影响；采用特殊表面处理提高氢抗渗性和抗腐蚀性；建立氢环境下的材料性能评估方法；对结构进行设计和优化以降低氢渗透风险；建立监测与预警系统，及时发现氢损伤迹象。氢燃料电池和动力电池混合动力系统：氢燃料电池通过氢气与氧气反应产生电能，将氢燃料电池与电池电动系统结合组成电电混合动力系统。技术挑战主要在于燃料电池高性能零部件技术。燃料电池高性能零部件技术是指通过研发和优化燃料电池系统中的关键零部件，提升整体性能、效率和耐久性。燃料电池的关键零部件存在着广泛的研究空间，技术亟待突破。质子交换膜是氢燃料电池中的关键组件，对其性能要求非常高。目前，世界范围内的质子交换膜大多采用全氟化聚合物制成，如Nafion膜。这类材料能够提供优良的质子导电性、化学稳定性和机械强度，满足氢燃料电池的使用需求。然而，这些膜的高成本是氢燃料电池整体成本的重要组成部分，因此国内外的研究者们正积极探索降低质子交换膜制作成本的技术。双极板功能较多，可以将氢燃料电池中的燃料与氧化剂分开，同时还可以阻止气体的通过，还具备传导电流的功能。氢燃料电池在工作时会释放热量，而双极板还具备导热功能，可以保持电池内部温度的恒定。双极板的原材料价格较为便宜，目前的研究主要集中在控制其导电性、厚度等方面，主要目的是减轻氢燃料电池的整体重量，同时确保其导电性，避免因为双极板太厚而影响电池功能。催化剂的存在可以加速氢燃料电池内部的化学反应，使得氢离子的生成速度加快，其转移速度也会随之增加，从而保障电池的电量供应。到目前为止，氢燃料电池中，如果是质子交换膜类型的，其催化剂均主要是铂或者铂碳颗粒。由于铂是贵金属，其原料的成本也较高，铂催化剂的成本及质子交换膜的成本，共同造成了当前氢燃料电池制造成本居高不下的原因。关于催化剂的研究，主要将目光放在控制其添加量或者找到更为廉价的替代品方面。气体扩散层作为燃料电池核心组件膜电极的重要组成部分，通常由导电性能较好的多孔材料组成，在结构上具有各向异性的多孔微观形貌，承担电堆中气体传输分配、电子传导、支撑催化层、改善水管理等多种作用，是影响燃料电池电化学性能的关键部件之一。气体扩散层主要采用碳纤维纸和碳纤维布，以及石墨纸等为基材层（GasDiffusionBarrier,GDB），并在其表面上涂覆微孔层（Micro-PorousLayer,MPL）后形成电化学复合材料体系。但是，国产碳纤维与进口高性能碳纤维原材之间还存在一定的差距，很难同时满足电堆对于气体扩散层低电阻率、高渗透性、超薄、机械强度大的要求。空压机往往是氢燃料电池制作过程中的瓶颈所在，许多氢燃料电池的技术就是受到空压机技术的限制。当前，在燃料电池中所使用的空压机包括三种类型，分别为离心式、罗茨式及双螺杆式。离心式空压机的做功方式是通过叶轮的旋转，从而对其内部的气体做功。罗茨式空压机工作时，其转子间的容腔不会发生变化，它是通过外压缩的方式，将该机器内部的空气挤压到外部的小容腔内，该容腔由于空气的进入、挤压，其内部的空气密度、压力会不断升高。双螺杆式空压机该类型的空压机以内压缩的方式运转，在其螺杆之间会形成压缩腔，从而使得两个螺杆之间的容腔逐渐减小，其内部的气体压力就会逐渐升高。三种类型的空压机都有着各自的特点，哪种空压机更适合不同氢燃料电池的需求，需要通过大量的实验进行测试，最终确定一个最合适的空压机类型。太阳能电池：通过车顶太阳能电池板收集太阳能，直接为电动机供电或为电池充电。自太阳能汽车问世以后，各国针对其关键技术进行攻关的汽车实验室屡见不鲜。但是，太阳能汽车距离大规模推广还有很长一段距离，影响它进一步发展的因素主要有:第一，太阳能目前只能作为辅助能源来为车辆提供动力，它为整车提供的能量只能占到总驱动能量的30%左右。太阳能电池的光电转化效率尚未取得突破性进展，现有的转化效率远远不能支持汽车长时间行驶。第二，太阳能汽车受阳光强弱、太阳高度角、气候等因素的影响较大，这对太阳能汽车在现实中的应用造成很大的局限性。虽然通过DC/DC控制器的最大功率点跟踪控制技术能够实现快速、准确跟踪最优工作点，最大程度地利用太阳能，但是就目前来看应用现状仍旧达不到期望要求。1）串联：串联混合动力汽车是混合动力汽车的一种基本结构，其单个动力传动系间的联合是车载能量源环节的联合，即非直接用于驱动汽车的能量的联合，并同时向动力装置供能。串联混合动力汽车的传动系组成如图1所示。图1串联混合动力汽车的传动系组成串联混合动力汽车主要包含7种工作模式：纯电池组驱动、再生制动充电、混合动力驱动、强制补充充电、混合补充充电、纯发动机驱动和停车补充充电。优点：串联混合动力汽车实现了车载能量源的多样化，可充分发挥各种能量源的优势，并通过适当的控制实现它们的最佳组合，满足汽车行驶的各种特殊要求缺点：机械能到电能再到机械能的多重转换过程中存在较大的能量损耗。此外，高速行驶时，内燃机无法直接驱动车轮，电动机单独工作时效率下降，限制了高速情况下的能效表现。2）并联：并联混合动力汽车是混合动力汽车的一种基本结构，其单个动力传动系间的联合是汽车动力或传动系环节的联合，通过对不同动力装置输出的驱动动能的联合或耦合，并经过相应的传动系输出到驱动轮，满足汽车的行驶要求。并联混合动力汽车的传动系组成如图2所示。图2并联混合动力汽车的传动系组成并联混合动力汽车主要包含6种工作模式：纯电动机驱动、再生制动充电、混合动力驱动、强制补充充电、纯发动机驱动和停车补充充电。优点：发动机和电机可以共同驱动汽车，能量损耗小，而且动力性能好。缺点：由于内燃机和电动机需要共同驱动车辆，控制系统复杂，特别是在两者之间进行能量切换时，难以保持平稳和高效的动力分配。3）混联：为优化动力传动系的综合效率，充分发挥汽车的节能、低排放潜力，在实际应用中，混合动力电动汽车动力传动系并非单纯是简单的串联式结构或并联式结构，而是由串联式结构和并联式结构复合组成的串并联综合式结构，即所谓的混联式结构。在实际应用中主要有两种方案：开关式和功率分流式，分别如图3和图4所示。开关式混联混合动力电动汽车引入了离合器，具有10种工作模式：纯电动机驱动、再生制动充电、2种纯发动机驱动、2种混合动力驱动、2种强制补充充电、混合补充充电和停车补充充电模式。功率分流式混合动力电动车引入了行星轮系，具有5种工作模式：纯电动机驱动、再生制动充电、纯发动机驱动、混合动力驱动和强制补充充电模式。优点：通过结合串联和并联的特点，混联系统能够兼顾低速和高速的能效，适应更多的驾驶场景。此外，混联系统可以根据行驶条件选择最佳的能量分配方案，既能在低速时发挥电动机的优势，也能在高速时发挥内燃机的效率优势。缺点：混联结构集成了串联和并联两种架构，因此机械结构、控制系统以及电力管理系统的设计都非常复杂，增加了车辆的制造成本和维护难度。此外，由于需要额外的电力组件和更复杂的传动系统，混联系统通常比其他两种系统更重，这可能会影响车辆的加速性能和能效。图3开关式混联混合动力汽车的传动系组成图4功率分流式混联混合动力汽车的传动系组成一、填空题1.化学能电能2.低温（<100℃）、中温（100～300℃）和高温（500～1000℃）3.氢气喷射器、氢气循环泵、氢气引射器4.纯燃料电池驱动混合驱动5.动力电池超级电容动力电池+超级电容二、选择题1.A2.C3.B4.B5.A三、判断题1.√2.×3.√4.×四、简答题1.质子交换膜燃料电池按照反应压力可分为增压式和常压式两种，增压式燃料电池发电系统采用提高空气供给压力的方法来提高燃料电池的功率密度，而常压式燃料电池发电系统则采用环境压力（常压）空气作为氧化剂。2.燃料电池电动汽车的动力系统形式有燃料电池单独驱动汽车动力系统和燃料电池混合动力汽车动力系统。对于燃料电池单独驱动汽车动力系统，燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能通过高压母线传给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传给传动系，从而驱动汽车。对于燃料电池混合动力汽车动力系统，根据燃料电池所提供的功率占整车总需求功率的比例不同，其可分为能量混合型和功率混合型两类。3.燃料电池电动汽车的车载储氢方式包括高压氢气储存、液态氢储存、金属氢化物储氢、活性炭吸附储氢、碳纳米材料储氢等。4.燃料电池空气供给系统主要由空气滤清器、空气压缩机、中冷器、增湿器、节气门组成。5.燃料电池和辅助电池的双动力源结构的优势如下：1）当前燃料电池的动态性能欠佳，而汽车路面功率需求动态性需求较高，燃料电池不能随时满足汽车的功率需求的，增加辅助电池可以起到快速调节功率的作用。2）燃料电池最佳的负荷率在额定功率30%～70%的范围内，为了实现整车能量效率最佳，增加辅助电池调节燃料电池的功率输出，可使其工作点尽量保持在效率最佳的范围内。3）目前燃料电池的成本还很高，从降低整车价格的方面来考虑，可适当减小燃料电池系统的额定功率，用辅助电池来弥补不足的功率输出，可以在一定程度上降低整车成本。五、思考题1.能源结构转型与碳中和目标：燃料电池汽车是我国推动能源结构转型和实现“双碳”目标的重要一环，通过使用氢能，可以减少对传统化石能源的依赖，减少二氧化碳排放，助力可持续发展。可再生能源的消纳：氢气可以通过电解水制备，电力可以来自于可再生能源（如风电、光伏等），燃料电池汽车的发展有助于提高对可再生能源的消纳能力，促进能源多元化和能源安全。交通运输行业的低碳化：燃料电池汽车在长途运输和重载运输中具有优势，与电动汽车相比，氢燃料电池汽车可以提供更长的续航里程和更短的加氢时间，因此更适合商用车辆和重型卡车的推广。产业竞争力提升：发展氢能和燃料电池汽车是新一轮全球技术竞争的前沿领域。中国通过大力发展这一领域，可以提升在全球清洁能源汽车产业链中的话语权，抢占技术制高点。2.续航能力与加氢时间：燃料电池汽车的续航能力远高于锂电池汽车，特别是在长途运输和重载运输领域。加氢过程通常仅需几分钟，而锂电池的充电时间较长，特别是大容量电池的充电。适应重载运输和长途运输：由于氢气的能量密度较高，燃料电池系统适合应用于重型卡车、公交车等需要长距离行驶或高载重的场景。相比之下，锂电池在长距离和高载重情况下表现较为受限。环境适应性：燃料电池在极端温度下（如低温环境）表现相对稳定，而锂离子电池的性能在低温环境下会显著下降，燃料电池汽车能够在更广泛的环境条件下温度工作。3.提升电堆效率：通过改进燃料电池电堆的材料和结构设计，减少反应中的损失，提高质子交换膜的性能，优化催化剂的使用，从而提升电化学反应效率。废热回收：燃料电池在运行中会产生热量，未来可以通过热管理系统将废热回收利用，提高整体能量利用率，例如用于加热车舱或驱动其他设备。系统集成优化：通过将燃料电池与其他能源系统（如锂电池或超级电容器）进行组合，实现能量的智能分配和管理，从而提高整体效率。开发新型材料：通过研究和开发更高效的催化剂（如降低对铂的依赖）和更耐用的膜材料，提升燃料电池的耐久性和反应效率。第5章电动汽车的电机驱动系统一、填空题1、①高电压；②小质量；③较大的启动转矩和较大的调速范围；④高效率、低损耗；⑤电气系统和控制系统的安全性必须符合国家（或国际）有关车辆电气控制安全性能的标准和规定，装备有高压保护设备；⑥高可靠性。2、合理性；发热情况；可靠性和使用寿命；经济性。3、磁场定向控制方法（FOC）；直接转矩控制方法（DTC）。4、开关磁阻电机；功率转换器；控制器；检测器。5、高耐压；低导通电阻；高频二、选择题1、D2、B3、C4、D5、C三、判断题1、×2、√3、×4、√5、×四、简答题1、电机驱动系统具有哪些特点？1）以电磁转矩为控制目标，加速踏板和制动踏板的开度是电磁转矩给定的目标值，要求转矩响应迅速，波动小。2）电动汽车要求驱动电机有较宽的调速范围，电机能在四象限内工作。3）为保证加速时间，要求电机低速时有大的转矩输出和较大的过载倍数（2~4），峰值功率一般为额定功率的1.5倍以上，且峰值转矩和峰值功率的工作时间一般要求在30s以上。4）为保证汽车能达到最高车速，要求电机高速区处有一定的功率输出。5）驱动系统高效，电磁兼容性好，易于维护。6）良好的可靠性、耐温、耐潮湿，可以在恶劣的环境条件下长时期运转，结构简单，适合批量生产。2、结合直流电机驱动，分析如何通过系统控制满足电动汽车的使用要求？（1）直流电机的调速特性要求：车用电机驱动系统须在低速时保证有大的转矩输出，在高速时保证恒功率输出转矩，此外应具有较宽的调速范围。针对直流电机调速系统的要求具体如下：1）当低于额定转速时，电枢电流和励磁电流被设定为其额定值，从而保证电机始终输出额定转矩。2）在额定转速时，电枢电压达到其额定值。3）当电机运行于恒功率区时，采用弱磁控制，且反电动势和电枢电流必须保持不变。（2）直流电机的反转在直流电机的四象限工作控制中，直流电机的正反转可通过控制功率开关VD2和VD3的导通和切断来控制，但这种方法本质上是在调节直流电机转子侧的输入电压。除此以外，有关直流电机的反转控制方法可以归纳如下：1）改变电枢供电电压极性，通过采用供电开关或者接触器切换供电电压极性。2）改变励磁绕组的供电电压极性。（3）电动汽车直流电机控制器当直流电机处于四象限工作状态时，根据加速或者制动需要，可通过调节控制降压调速或者升压反馈功率半导体开关V1、V2来实现直流电机的调速以及反馈发电需要。作为升压和降压电路，功率开关V1、V2的导通时间相比于截止时间的长短决定了单位时间内加载在直流电机转子绕组上电压有效值的大小，也直接决定了直流电机的转矩大小和调速过程。以一种基于PID闭环调控、通过控制PWM信号占空比来实现电机调速的控制过程为例，当电机处于正向电动状态时，关断V2，在V1上施加具有一定占空比的PWM脉冲信号，通过参考电机实际反馈转矩与给定转矩的大小来设定合适的占空比，从而实现直流电机在一定电压驱动下的转速跟随。当电机处于制动回馈时，关断V1，在V2上施加具有一定占空比的PWM脉冲信号，通过调节占空比来实现电机反电动的升压调节，从而对供电电源进行反向充电。在电驱动系统中，电动汽车的加速踏板和制动踏板给定的是转矩信号，电机控制器实现的是转矩闭环控制，通过调节占空比来控制电枢电压，从而实现对电磁转矩的控制。3、基于SPWM技术驱动工作的逆变器具有哪些特征？1）逆变器能够同时实现调频调压，且系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。2）相比于常规六拍阶梯波，SPWM调制出的三相正弦波形所包含的低次谐波较少，在电驱动系统中，可使传动系统的转矩脉冲大大减少。3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构。由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于１，且与输出电压大小无关。4、扁线电机与传统电机相比，具有哪些优势？1）较高的功率体积密度。空间不变的情况下，用扁线替代圆线，可以增大电机的槽满率，产生更强的磁场强度，所以相同功率下通常扁线电机体积更小。2）较低的电磁噪声。扁线的应力、刚性比圆线大，电枢刚度强，多数噪声能够得到抑制；同时，齿槽力矩较低，也能降低电机噪声。3）更好的散热性能。扁线电机线与线之间、绕组和铁心之间接触面大，散热好。4）更便于实现轻量化。传统的圆线电机为了防止铜线损伤，通常端部较长，但是扁线电机由于扁铜线的刚性和硬度较强，端部可以减小，实现轻量化。5）更宽的高效区。虽然扁线电机的最高效率相较圆线电机不一定有大幅度提升，但可以获得更宽的高效工作区域。5、简述交流感应电机矢量控制的基本过程。矢量控制也称磁场定向矢量控制，其基本过程为：依据三相电机气隙中磁场磁势及功率不变的原则，通过正交投影，利用Clarke变换将A-B-C三相坐标系下的数学模型等效至α-β二相静止坐标系，随后采用Park变换将两相静止坐标系等效至ｄ-ｑ两相旋转坐标系中来。在三相静止坐标系至两相旋转坐标系的坐标变换过程中（3s/2r），电机定子电流矢量被分解为固定在转子坐标系上的两个互相垂直的直流分量id和iq。其中id为励磁电流分量，iq为转矩电流分量。通过在控制端对两者大小进行独立调节，分别控制磁通和转矩，从而实现类似直流电机的控制。五、思考题1、请问电动汽车对电机驱动系统的特性要求有哪些？1）高效率的电能转换电动汽车需要将电池储存的直流电转换为电机所需的交流电，逆变器在这一过程中扮演重要角色。因此，电机驱动系统需要具备极高的电能转换效率，以减少电能损耗，提高整车续航里程。高效的逆变器可以减少转换过程中的能量损失，提升整体系统效率。例如，使用碳化硅（SiC）作为半导体材料的逆变器，其效率通常高于传统的硅基（Si）IGBT逆变器，功率转换效率可提升3%至4%，这可以有效延长5%到10%的续驶里程，或在保持相同续航里程的前提下降低电池容量和成本。2）高功率密度电动汽车需要紧凑的驱动系统来优化车内空间，因此电机驱动系统需要具备高功率密度。这意味着在有限的空间内，电机驱动系统需要提供足够的动力输出。碳化硅半导体的高频特性使得逆变器中的线圈和电容可以小型化，从而减少驱动系统的体积。这种小型化不仅可以释放更多的车内空间，还可以降低噪音并减少电机的铁损。3）高耐用性和可靠性电动汽车的电机驱动系统需要长时间稳定运行，尤其是在苛刻的工作条件下，如高温、高压、高频等环境中。第三代半导体材料碳化硅因其高温、高频和抗辐射性能，适合制造更为耐用的功率器件，能够在更高温度下运行，从而减少冷却系统的需求，进而提升系统的可靠性。相比之下，传统硅基IGBT可能在高温下表现不如碳化硅器件稳定。4）高转矩输出和响应速度电动汽车的加速性能直接与电机的转矩输出相关。电机驱动系统需要提供快速的响应和高扭矩输出，以满足驾驶者的操控需求。为此，电机驱动系统中的控制策略要精准、高效，能够快速调节电机的输出。此外，功率模块的开关频率越高，控制精度越高，这使得电机能够更平滑地提供加速度，提升驾驶体验。5）热管理能力电动汽车的电机驱动系统在高功率输出时会产生大量热量，特别是在长时间运行或极限工况下。如果热量无法有效管理，会影响系统的效率并缩短使用寿命。碳化硅器件的一个关键优势在于它能在高温条件下保持较高的性能，这使得驱动系统的散热需求降低，从而优化整车的热管理系统，减少冷却系统的体积和能耗。6）降低成本和提升生产可行性尽管碳化硅在技术上具有显著优势，但其成本相对传统硅基材料仍然较高。电动汽车的大规模商业化对电机驱动系统的成本控制提出了挑战，制造商需要在性能和成本之间取得平衡。随着碳化硅材料的产能逐步提升以及制造工艺的优化，预计成本将会逐渐下降。未来，电动汽车的电机驱动系统将会更多地采用碳化硅器件，以达到降低成本和提升效能的目的。7）噪音与振动控制电机驱动系统产生的噪音和振动会影响驾驶体验。传统电动机在工作时可能会产生一定的电磁噪声，但高频特性的碳化硅逆变器可以减少电机中的磁滞损耗和涡流损耗，从而减少电磁噪声和振动。这一优势尤其在高端电动汽车中显得尤为重要。8）系统集成度电动汽车对驱动系统的集成度有较高要求，整车厂商希望驱动系统能够与其他电子元件（如电池管理系统、车载网络等）无缝集成，以减少零部件数量，提升整车的可靠性和可维护性。通过高度集成的电驱动系统，汽车制造商可以减少线束、连接器和控制器的使用，进一步优化车辆结构和性能。9）能量回收能力电动汽车需要具备较强的能量回收能力，以提高整车的能效。能量回收系统能够在车辆制动或减速时，将动能转换为电能储存在电池中，提升车辆的续航能力。电机驱动系统需要支持能量回收功能，并能够高效地管理这一过程。高效的逆变器和电机控制策略对于能量回收过程中的能量转换效率至关重要。10）功能安全与智能化现代电动汽车对电机驱动系统的安全性有着严格的要求，特别是随着智能驾驶和自动驾驶技术的发展，电驱系统需要具备更高的功能安全等级（如ISO26262认证）。系统需要能够监测并及时应对故障，保证车辆在各种工况下的安全可靠。此外，随着电动汽车智能化趋势的推进，电机驱动系统的控制策略需要与智能驾驶系统相结合，实现更精确的电力分配和能效管理。总结：电动汽车对电机驱动系统的特性要求主要集中在高效率、高功率密度、高耐用性、快速响应、良好的热管理、成本控制、噪音振动控制以及系统集成度等方面。碳化硅作为一种新型半导体材料，在满足这些需求方面展现出巨大的潜力，尽管目前其成本较高，但随着技术的进步和规模化生产，碳化硅有望在电动汽车领域广泛应用，进一步提升电动汽车的性能和经济性。2、请查阅资料，试分析未来电驱动系统节能增效的发展方向？SiC在新能源汽车功率模块的优势在哪里？电驱动系统在效率提升方面的关键技术和问题有哪些？未来电驱动系统的发展方向主要集中在提高能效、优化性能和减少能耗与成本。碳化硅材料的独特特性使其在电动汽车的功率模块中相比传统的硅基器件具有多项优势：1）更高的效率：SiCMOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）具有更低的开关损耗，这意味着更少的热量产生，整体效率得到提升。这使得牵引逆变器更加高效，从而延长行驶里程，并减少对冷却系统的需求。2）更高的导热性：SiC能够在比硅更高的温度下工作，从而减少复杂冷却系统的需求，并使系统更加紧凑和轻量化。此外，能够处理更高温度也提升了系统的可靠性。3）更小、更轻的系统：SiC可以在更高的频率下进行开关，允许使用更小的无源元件（如电容器和电感器），从而减小系统的体积和重量。这在电动汽车中尤其重要，因为减轻每一公斤的重量都有助于提高能效。4）更高的电压操作：在800V系统中，SiC器件能够加快充电速度并减少系统能量损耗，这是延长续航里程和保持紧凑设计的关键因素。电驱动系统在效率提升方面的关键技术有：1）功率半导体技术：功率半导体技术是电驱动系统效率提升的核心，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）是当前最具前景的材料。与传统的硅基IGBT相比，SiC和GaN器件具备更低的导通损耗和开关损耗，能够大幅提升电能转换效率。SiC器件的高频、高压特性使其在牵引逆变器中得以广泛应用，能够减少冷却需求、提高功率密度、并降低系统体积(ST)(NavitasSemiconductors)。GaN器件则更适合低压场景，尤其是在车载充电器和DC/DC转换器中，通过提高开关频率来进一步降低能量损耗。2）系统集成与轻量化设计：未来电驱动系统将越来越倾向于集成化和轻量化。通过将电机、逆变器和变速箱等多个功能集成到一个紧凑模块中，不仅可以减少系统体积，还能减少电能损耗。高度集成的电驱动模块不仅能够简化设计，还可以减少线缆损耗，从而提高整体系统的效。轻量化设计可以减轻车辆整体重量，从而降低能耗并提高续航里程。这包括更紧凑的冷却系统设计，以及更轻的材料和结构。3）高效的电机设计：电机是电驱动系统的核心，改进电机设计能够显著提高系统效率。近年来，永磁同步电机（PMSM）由于其高功率密度和高效率而成为主流选择。但为了减少对稀土材料的依赖，无稀土电机（如开关磁阻电机和感应电机）的研究也成为热点。无刷电机技术和优化电磁设计，能够有效减少电机内部损耗，提高运行效率。4）热管理技术：电驱动系统中的功率半导体和电机在高功率密度下会产生大量热量，因此，如何有效管理热量是提升效率的关键。SiC器件由于能够在更高温度下运行，减少了冷却系统的需求，但仍需要高效的散热方案来维持稳定的性能。液冷技术正在逐步取代传统的风冷系统，以应对高功率电驱系统的散热需求。热电材料和相变材料等新型冷却技术有望进一步提高散热效率并降低系统能耗。5）高压电气架构：电驱动系统正在向800V高压架构过渡，这不仅能够减少能量传输过程中的损耗，还可以大幅提高充电效率。高压架构使得整车电气系统的设计更加高效，减少电池与电机之间的电力损耗。800V系统可以缩短充电时间，提高牵引逆变器和其他功率电子设备的工作效率。6）能量回收系统：制动能量回收系统是提升能效的重要途径，未来将通过更智能的控制算法来优化能量回收过程。通过回收车辆在减速或制动时的动能并将其转化为电能，可以显著提高续航里程。双向电能流动技术（如车对电网技术V2G）也是一个重要的发展方向，能够在必要时将车辆的储备电能反馈回电网，进一步提升能源利用率。尽管上述技术在理论上可以显著提升效率，但在实际应用中仍面临一些挑战：1）成本问题：SiC和GaN器件虽然效率更高，但制造成本相对较高，尤其是在大规模应用中，如何降低这些新材料的成本是一个重要挑。2）可靠性和寿命：新型功率半导体材料虽然在高温、高压下表现优异，但其长期稳定性和可靠性仍需进一步验证，特别是在恶劣环境下的应用。3）系统优化和集成挑战：集成化设计在降低系统复杂性和提高效率的同时，也带来了更高的设计和制造难度。系统优化和组件之间的兼容性问题仍然是电驱动系统提升效率的重要瓶颈。3、除了提升效率，新能源车辆电驱动系统还有哪些关键技术？未来主流的发展和研究方向有哪些？除了提升效率，新能源汽车电驱动系统的关键技术涵盖从动力性能到智能化集成的各个领域。以下是一些关键技术和未来主流的发展研究方向：1）集成化与模块化设计未来电驱动系统的一个重要发展方向是高度集成化。集成化不仅有助于减小体积、降低重量，还可以减少系统中的元件数量，从而提高可靠性和降低成本。例如，将电机、逆变器和变速器集成到一个模块中，可以简化车辆布置并提升能效。这种模块化设计不仅降低了安装和维护成本，还能优化空间利用率。2）电驱动系统的智能化控制智能化技术的发展，使得电驱动系统的控制策略日益复杂且精确。未来的电动汽车将依赖高级控制算法，如自适应控制、预测控制和人工智能算法，以优化电机性能并提高能效。例如，基于机器学习的自学习控制系统可以根据不同驾驶条件调整电机输出，优化动力传递并提高续航能力。此外，电驱系统还会更多地与其他车载系统进行协同工作，包括电池管理系统（BMS）、制动系统和能量回收系统，形成一个更加智能的全车控制网。3）电机技术的改进未来电动汽车的电机技术将朝着高效、高功率密度、低噪音方向发展。近年来，永磁同步电机（PMSM）在电动汽车中得到了广泛应用，因其较高的功率密度和效率被视为最优选择。然而，永磁电机中的稀土材料价格昂贵且供应有限，因此无稀土电机技术（如开关磁阻电机和感应电机）也成为一个重要的研究方向。此外，轴向磁通电机也是一个新兴的方向，它具有更高的功率密度和更紧凑的设计，适合于车辆空间有限的应用场景。4）热管理技术随着电动汽车的功率密度和性能不断提升，系统的热管理变得尤为关键。高效的冷却系统能够防止电机和电子器件过热，延长其使用寿命。未来，液冷技术将进一步取代传统的风冷系统，以应对高功率电驱系统的散热需求。此外，热电材料的研究可能带来更智能、更高效的热管理解决方案，甚至能够将废热回收利用，进一步提高能效。5）能量回收技术电动汽车中的制动能量回收系统是提升车辆能效的重要技术之一。未来的电驱动系统将进一步优化能量回收的效率，通过改进控制算法，能够在更多的驾驶情况下高效回收动能并储存在电池中。随着电动汽车与智能电网的结合，车辆不仅能够回收行驶中的能量，还能够与电网交互，实现车对电网（V2G）的双向能量流动。6）电池与驱动系统的协同优化电动汽车的电池与驱动系统的协同优化是未来研究的重要方向。随着固态电池和新型电解质材料的进展，电池的能量密度和安全性将得到提升。这也意味着电驱动系统的设计需要与电池系统紧密配合，以实现更高的能效。例如，800V高压架构的引入将减少电能传输过程中的损耗，优化电池与电驱动系统的匹配。7）双向充电与车载电源管理未来的电动汽车将更加依赖双向充电技术，这不仅允许车辆快速充电，还可以在电网需要时将储存的电能反馈回去。双向充电的广泛应用将促进**车对电网（V2G）**技术的发展，使电动汽车成为智能电网的一部分，帮助稳定电网负荷。此外，车载电源管理系统的智能化将确保在不同场景下能量的最佳分配，如家庭用电、远程供电等。总结：新能源汽车电驱动系统的未来将集中在提高系统集成度、智能化控制、电机和热管理技术的改进，以及电池与驱动系统的协同优化。通过智能化、模块化以及与其他车载系统的深度融合，未来的电动汽车将能够更高效、更可靠地运行，满足全球范围内对可持续交通解决方案的需求。这些技术创新不仅提升了电动汽车的性能和续航能力，还降低了使用成本，使其更具市场竞争力。未来的研究方向还将侧重于提高技术的成熟度和降低成本，推动新能源汽车的大规模普及。一、填空题1、镍镉电池；镍氢电池；铅酸电池；锂离子电池2、电池额定容量3、内短路故障；外短路故障4、液冷系统5、温度管理二、选择题DADBB三、判断题错对对对错四、简答题1、答：①高效率输出：标准放电为2~5C，连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电(10s)可达20C。②高温时性能良好：外部温度为65℃时，内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、完好。③即使电池内部或外部受到伤害，电池也不会燃烧或爆炸，安全性最好④循环寿命极好，经500次循环，其放电容量仍大于95%。⑤过放电到0V也不会损坏。⑥可快速充电。⑦成本低。⑧对环境无污染。2、答：电池系统的安全管理根据特定保护控制策略实现对储能电池本体的有效管控，从而保证整个电池储能单元安全可靠地运行，主要包含以下功能:1)故障诊断：检测电池组中可能出现的故障或异常，如损坏的单体、电池内部短路等。2)保护措施：当检测到异常情况时，BMS采取措施，如切断电流、发出警报，以防止电池进一步损坏。3)报警和通知：在发生故障或异常时，BMS向系统管理员或用户发送警报，提醒其采取必要的措施。电池安全管理系统通过实时在线监测电池SOC、SOH等运行状态，防止电池本体和系统出现安全风险，延长电池的使用寿命，提高电池使用的安全性、稳定性和电池之间的均衡性，达到高效使用电池的目的。3、答：1)电源系统功率状态(SOP)估算。精确的SOP估算直接影响电池的过充电与过放电，对于电池安全至关重要。SOP的应用需要与整车控制相结合，并在整车上动态平滑地变化，确保电源系统安全和整车可靠性。2)绝缘检测。绝缘检测是主动安全管理的重要部分。车辆行驶中部件之间的相互碰撞、摩擦、挤压可能会导致导线绝缘层破损使得整车环路绝缘下降；下雨天易导致电池箱体内出现喷水或溅水，引起电源系统与整车绝缘性能下降。主动安全管理策略加载绝缘检测能够确保电源系统和整车的安全性。3)主动安全管理需要精确信息显示。电动汽车仪表显示内容包括SOC、电压、电流温度以及告警信息等。有效信息的显示，能够提醒驾驶人及时采取措施，主动出击，确保整车资源及人员安全。4)充电安全。充电安全是主动安全策略的重要组成部分。为充电机与电池管理系统建立通信手段，从而能够实时获取电池的安全限值，实现主动保护；为电池管理系统增加充电安全的保护策略，比如电池管理系统主从板生命帧判断、容量不匹配判断等。5)基于电池极限信息的安全管理。电源系统是由电芯串并联组成，由于木桶效应，电池在使用过程中，总是以电池最高单体电压、最高温度等极限信息达到保护而终止使用。极限信息的安全保护策略，能够有效防止系统安全事故的发生。6)动力电池箱体的安装。动力电池箱体尽可能布置在车辆碰撞的非变性吸能区域避免发生挤压变形；电池支架具有足够的强度，保证电池系统不脱离车身更不会侵入客舱；箱体尽量与车身纵梁等固件连接，且单体电池采用独立、稳定的整体框架式结构进行固定；高压线路的配置应尽量与车身非变形结构相连，同时加强高压线的绝缘保护；设计电池避让机构，避免直接撞击电池箱，采用吸能型电池架，降低电池碰撞的剧烈程度。4、答：名称铅酸电池镍氢电池镍镉电池锂离子电池工作电压2.0V1.2V1.2V3.2~3.7V能量密度小于30W·h/kg60~80W·h/kg50W·h/kg100~250W·h/kg循环寿命300次左右500次左右500次左右大于1000次记忆效应无有有无优点可靠性好、技术成熟、价格低可快速充电，高功率放电；能量密度较高，循环寿命长可快速充电，价格便宜，循环寿命较长可快速充电，高功率放电，能量密度高，循环寿命长缺点不可快速充电，能量密度低，体积大，寿命短，对环境污染大具有一定的记忆效应，价格较高，充放电效率差有记忆效应，能量密度低，对环境有污染价格较高，在发生强烈碰撞或是温度过高等情形下，稳定性差行业生命周期成熟期后期成熟期衰退期步入成熟期5、答：飞轮储能的工作过程可分为三个阶段：飞轮充电阶段，外部电源通过输入电路给电机供电，此时电机就作为电动机使用，它的作用是使飞轮加速，储存能量；能量保持阶段，飞轮空闲运转，整个装置就以最小损耗运行；飞轮放电阶段，当负载需要电能时，飞轮给电机施加转矩，此时电机作为发电机使用，通过输出电路给外部设备供电。工作原理图如下：五、思考题1、答：1)实时监测动力电池系统中每个电池单体的温度、电压等参数，当到达预警温度及电压时及时触发警报并启动冷却系统。2)实时监测动力电池系统中的电压、温度不一致性参数，及时采取电池均衡措施；开发相应的诊断算法，及时发现故障电池单体并更换维护。3)开发相应的动力电池热失控预测算法，对有热失控风险的电池及时发出预警信息。2、答：1)基于新能源汽车运行监管大数据，采取主成分分析、相关性分析、显著性分析等方法，筛选与动力电池过充电、热失控等安全事故有重要相关性的表征参数并重点监控2)基于新能源汽车运行大数据，开展不同工况下的动力电池过充电、热失控预警、健康状态估计、故障诊断等算法的数据驱动开发，实现对动力电池健康状态的准确估计，对典型电池故障的快速精确诊断以及对热失控的提前预警并开展有关电池维护，提高动力电池系统的使用安全性。3)基于车辆和电池运行大数据，分析不同驾驶员的驾驶风格和电池充电习惯，针对性设计电池充电策略，优化电池工作条件。3、答：1)针对大容量单体，设置更加严格的温度和电压预警阈值，并及时发出报警信息。2)实现对大容量电池单体的多维度监测，在电压、电流、温度等传统信息基础上增加内部压力、极片应力和应变、气体组分及浓度等新的监测信息，更加全面的监测电池状态。3)基于多维监测信息，开发专门针对大容量单体的故障诊断和热失控预测算法，更加精确地实现电池的状态估计、故障诊断和热失控预测。第七章习题答案一、填空题1、电动助力制动，电制动2、电子控制系统，伺服电机3、转向轴助力式，小齿轮助力式，齿条助力式，循环球式4、间歇性工作，很明显的短时间开启和关闭5、舒适型，运动型6、电动冷却系统二、选择题1、A2、A3、D4、D5、A6、A三、判断题1、正确2、错误3、错误4、正确5、正确6、错误四、简答题1、变式无刷电机及控制的优点包括：（1）采用转子位置检测（旋转变压器），实现转子位置的实时检测。（2）采用矢量控制技术算法，实现正弦波控制。（3）绕组电流为正弦波、谐波分量小、转矩脉动低。（4）运行平衡性好、噪声低、响应快、定位精度高。（5）与方波驱动比，转矩脉动小。2、沃尔沃动态转向系统的性能优异体现在如下方面：（1）低速行驶减小驾驶人的操纵转向盘的力，能够实现主动回正。（2）具备不规则路面激励的补偿功能，驾驶人不需要频繁地调整转向盘。（3）车辆高速时通过系统补偿控制，消除侧风干扰，保证转向的稳定性。（4）急转弯或有侧气流时自动调整，驾驶人无须费力转动转向盘，大幅改善安全性和舒适性。3、主要区别如下：（1）传统压缩机采用主机作为动力，独立式全电动压缩机直接通过电机驱动（2）传统压缩机转速受主机转速限制，独立式全电动压缩机单独驱动，转速单独可调（3）传统压缩机受主机限制转速范围较小，独立式全电动压缩机驱动电机调速范围较宽。4、真空发生系统的设计要求如下：（1）考虑到行车时制动的可靠性，根据对电动汽车上所需的真空泵排气量的计算，选择合适排气量的电动真空泵。（2）考虑到真空泵的使用寿命，应采用合适的真空泵控制单元，根据对该真空泵试验分析和实际的汽车操纵需要，使用合适的真空压力延时开关，对真空泵做出实时关闭或开启指令。（3）增加控制单元后，必须配备真空储能罐，以保证汽车操纵的需要。五、思考题1、优势如下：（1）更加节能与环保。EPS由于没有液压装置，属于典型的“按需供能型”（on-demand）系统，即只有转向时系统才工作，而车辆没运行或者直线行驶时不消耗能量，这样将消耗相对较少的能量。因而与液压动力系统相比，在各种行驶状况下均可节能80%~90%。（2）助力效果更好。EPS可以针对车辆行驶的各种工况，通过优化助力特性曲线，使得助力更加精确，助力效果更加理想。另外还可以采用阻尼控制减小由路面不平产生的对转向系统的干扰，保障汽车低速行驶时的转向轻便性，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性能。（3）重量大幅减轻。与HPS相比，EPS的结构更加简单，零件数目也大幅减少，因而使得重量大幅减轻，同时EPS布置更加方便，并且降低了工作时的噪声。（4）安全性更好。与HPS比较，当EPS出现故障时，系统可通过电磁离合器立即切断电机与减速传动机构的动力传送，迅速转入纯机械转向状态。另外由于直接由电机提供助力，因此EPS独立于车辆的驱动系统的工作，只要电动汽车的DC/DC变换器不发生故障，即使在发动机未起动或出现其他故障时也能提供助力。（5）生产和开发周期更短。EPS的前期研发时间较长，但是如果设计完成，就可以通过修改相应的程序，快速实现与特定车型的匹配，因而能大幅减少针对不同车型的研发时间。（6）改善了转向系统的回正特性。在一定的车速下，当驾驶人转动转向盘一个角度后松开，车辆本身具有使车辆回到直线行驶方向的能力，这是车辆固有结构所决定的。EPS系统可以对该回正过程进行控制，利用软件在最大限度内调整设计参数以使车辆获得最佳的回正特性。而在传统的液压控制系统中，汽车设计一旦完成，其回正特性就不能再改变，否则必须改造底盘的机械结构，实现起来难度较大。（7）EPS效率一般较HPS高，适用车辆范围广，尤其适用于电动汽车。根据电动机驱动部位和机械结构的不同，将电动助力转向系统分为转向轴助力式、小齿轮助力式、齿条助力式和循环球式。针对轴荷较大的乘用车，因为齿条助力式转向系统的齿条是由一个独立的齿轮驱动的，可给系统提供较大的助力，主要用于轴荷较大的乘用车，所以齿条助力式转向系统更合适。3、为提升电动助力转向系统的实时响应速度，未来转向系统的发展方向将主要集中在以下几个方面：（1）系统集成化：通过将更多的传感器和执行器集成到转向系统中，可以实现更加精确和快速的响应。例如，集成车辆速度传感器、转矩传感器和角度传感器等，可以实时监测车辆状态，并快速调整转向辅助力。（2）智能化控制：利用先进的控制算法，如模糊逻辑控制、自适应控制和智能算法等，可以提高系统的响应速度和稳定性。通过机器学习和人工智能技术，系统能够学习驾驶员的行为模式并预测转向需求。（3）轻量化设计：减轻转向系统部件的重量可以降低系统的惯性，从而提高响应速度。采用高强度轻质材料，如铝合金、镁合金或碳纤维复合材料，可以减轻重量而不牺牲强度。（4）线控转向系统：线控转向系统通过电子信号传递驾驶员的转向意图，而不是传统的机械连接。这种系统可以消除机械延迟，实现更快的响应，并允许设计更多的控制策略，以改善车辆的操控性和稳定性。六、实践题1、沃尔沃FH16卡车是瑞典沃尔沃公司生产的重型卡车，以其强大的性能和高效率而闻名。这款车型搭载了沃尔沃动态转向系统（VDS），在驾驶舒适性和安全性方面进行了显著提升。沃尔沃FH16卡车配备了强大的D16发动机，提供高达750马力的动力输出，以及3550牛米的扭矩。其底盘设计同样出色，提供了多种驱动配置，包括8x4等，以满足不同运输任务的需求。车辆还配备了先进的悬挂系统，如8气囊空气悬挂，以及轮边减速桥，确保了车辆在承载重型货物时的稳定性和通过性。FH16卡车搭载的VDS系统是一种典型的电液复合转向系统，更是重型卡车领域一项革命性的技术，它极大地提升了重型卡车的驾驶体验和安全性。VDS系统通过电子控制单元（ECU）实时处理来自多个传感器的输入信号，每秒2000次的频率控制电机，以纠正意外转向并提供必要的转向辅助。这种系统能够在高速行驶时提供卓越的稳定性，在低速时则提供全面的控制能力，有效减轻驾驶员的肌肉压力。VDS系统的核心优势在于其能够自动补偿不平坦路面的影响，消除方向盘的振动和抖动，使得在低速行驶时，如倒车或在狭小空间移动，方向盘的阻力可以降低大约75%，这为驾驶员提供了极大的便利和安全性。此外，当驾驶员的握力放松时，方向盘会自动回正，确保车辆保持在正确的方向上。在高速行驶时，即使面对恶劣的路面条件或强烈的侧风，VDS也能稳稳地保持车辆的行驶方向。VDS系统还具备稳定性辅助功能，能够预先防止打滑。系统通过监测卡车的横摆率，一旦发现轻微的打滑倾向，就会激活辅助功能，帮助驾驶员稳定车辆，甚至在驾驶员还未察觉到异常之前就已经开始介入。此外，VDS系统还具备车道保持辅助功能，当系统检测到卡车有偏离车道的迹象时，会通过轻微转向和方向盘振动来提醒驾驶员，并帮助其将车辆引导回正确的车道。为了满足不同驾驶员的需求，VDS系统还允许驾驶员根据个人偏好调整方向盘的阻力。这意味着每位驾驶员都可以根据自己的驾驶习惯和舒适度来调整方向盘的轻重，无论是在城市街道还是在高速公路上，都能够享受到个性化的驾驶体验。2、线控转向系统（Steer-by-Wire,SBW）是汽车转向系统领域的先进技术之一，它通过电子信号传递来实现转向操作，而非传统的机械连接。这种系统能够提高车辆的灵活性和操纵稳定性，但同时也产生了3个特殊问题：路感模拟、执行变传动比、系统的安全性问题。（1）路感模拟问题举例：在传统的机械转向系统中，驾驶员可以通过方向盘感受到道路的反馈力（路感）。然而，在SBW系统中，由于缺乏机械连接，驾驶员无法直接感受到这些路感，这就需要通过模拟的方式重现路感。改进意见：1）算法优化：可以采用更先进的算法来模拟路感，例如基于车辆动力学模型的算法，结合实际的车速、转向角度和路面状况来计算并模拟适当的路感。2）硬件改进：使用高精度的力反馈电机来提供更加细腻和真实的路感模拟。3）人机交互研究：进行更多的人体工程学研究，以确定不同驾驶条件下理想的路感反馈。（