电动汽车传动系统原理分析本科生毕业论文(编辑修改稿)

电动汽车传动系统原理分析本科生毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

电极周围的 SO42－ 结合成 PbSO4 附在电极上，释放出的 O2－ 与溶液中的结合成 H2O。 电极式为： PbO2+ 2e+4 H＋ +SO42－ == PbSO4+ 2H2O 11 放电时总反应式： Pb+PbO2+2H2SO4== 2PbSO4+ 2H2O  充电时： 阴极：电极上的 PbSO4 中＋ 2 价的铅得到电源送来的 2 个电子变为 Pb 后释放出 SO42－。 电极式为： PbSO4+ 2 e=Pb +SO42－ 阳极：电极上的 PbSO4 中＋ 2 价的铅被电源夺去 2 个电子变为＋ 4 价的铅，＋ 4 价的铅强行去夺 H2O 中的 O2－ ，使自己变为 PbO2，同时又使 H2O 中的 H＋释放出来。 电极式为： PbSO4+ 2e+2H2O＝ PbO2+4H＋ 故充电时总反应式为： 2PbSO4+2H2O＝ PbO2+Pb+2H2SO4 镍氢电池 镍氢电池是一种碱性电池，镍氢电池中不含有镍镉电池中的重金属铬，所以在使用和报废的环节中，不会污染环境，是一种“绿色电池”。 镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电 解液等组成 [6]，结构如图 33所示。 图 33 镍氢电池结构图 氢氧化镍是镍氢电池的正极活性物质，负极的活性物质是镍氢合金，镍氢电池也有与电解液类似的电解质，其电解质为氢氧化钾。 隔膜也是必不可少的 部分。 与其他蓄电池类似，这种电池的充电和放电过程也是可逆的，在可逆反应过程中，需要一种催化剂，金属铂是针对这个反映十分有效的催化剂。 镍氢电池具有诸多优点，与铅酸蓄电池相比，镍氢电池除具有比质量轻、体积小、能量高、循环寿命长的特点以外，还有以下优点：  比功率高，可达到 1350W/kg；  循环使用次数多； 12  无污染，为 21世纪“绿色环保电池”；  过充电过放电对电池影响相对较小；  无记忆效应；  使用环境温度温度范围 30o C55o C；  安全可靠。 但是，镍氢电池同样具有缺点；  成本高，价格为相同容量铅酸电池的 5— 8 倍；  单体电池电压低，为 ；  自放电损耗大；  电池组热管理任务重。 镍氢电池的工作原理 镍氢电池内部进行化学反应，通过化学反应，产生能量，这种电池可以把能量直接转化为电能。 图 34 镍氢电池反应原理图  充电时： 正极的化学反应为： OHN iO O HOHeOHNi 22)(   负极的化学反应为：   2222 HMeMH  放电时： 正极的化学反应为：  OHeOHNiOHN iO O H 22 )( 13 负极的化学反应为：  eMHHM 222 2 下表为几家公司已经生产的镍氢电池的性能对比： 表 日本 Panasonic 公司镍氢电池性能 项目 EV95 EV28 容量 /A h 95 28 额定电压 /V 12 12 质量 /kg 能量密度 /（ W h/kg) 63 53 44 功率密度（ W/kg） 200（ 80%DOD） 300 (80%DOD) 500(50%DOD) 表 法国 Saft 公司镍氢电池性能 电池型号 额定容量 /A h 96 169 能量密度 /（ W h/kg) 66 70 功率密度（ W/kg） 150 162 表 美 国 COBASYS 公司 1000系列镍氢电池模块性能 指标 数值 指标 数值 额定电压 12V 模块体积 额定容量 9A h 体积能量密度 52W h/L 额定功率 质量功率密度 1125w/kg 额定能量（ 1C 放电） 125W h 体积功率密度 2100W/L 模块质量 锂离子电池 锂离子电池是由之前的电池改进而来。 它解决了二次锂电池的充放电寿命短和安全性差的两个技术难题。 1990 年日本索尼公司成功推出了新一代电池，这种电池的性能高，储能大，锂离子电池 也是目前世界上使用最为广泛的充电电池。 锂离子电池的结构 14 与其他电池类似，正极、负极、电解液、隔板等是锂离子电池的主要构成。 图 35 锂离子电池结构图 锂离子电池又包括锰酸锂离子电池、磷酸铁锂 离子电池和钴镍锂离子电池。 这三种锂离子电池的正极物质是不同的。 锰酸锂离子电池的正极物质，是以锰酸锂为主要原料；磷酸铁锂作为磷酸铁锂离子电池中正极原料，在钴镍锂离子电池中正极以钴镍锂为主要原料。 通常在正极活性物质中，加入一些其他混合物以达到相关作用，导电剂和树脂黏合剂是两种典型的物质，并涂覆在由铝制的基体上。 负极上活性物质也是一种混合物，用碳材料与黏合剂制成的混合物是最佳材料，同时也要再添加上有机溶剂调和制成糊状，并涂覆在铜基上，也呈薄层状分布。 隔板一般使用聚乙烯活聚丙烯材料制成，其表面是一种微观上有很多 孔的薄膜。 它功能是关闭或阻断所谓的“通道”。 简单的说，如果电池在使用过程中温度过高，会对电池寿命和安全有影响，这时，阻塞阻断作为离子通道的细孔，蓄电池就不能进行正常的充放电反应，起到安全作用。 隔板这样的作用有效的保护了电池。 电解液与其他电池相似，也是一种混合的有机溶液。 电解液一般混合不同性质的几种溶剂使用，因为使用单一溶剂很难满足上述严酷条件。 锂离子电池的优点 [7]：  工作电压高。 锂离子电池工作电压为 ；  高能 (比能量高 )， 锂离子电池比能量已达到 150Wh/kg；  使用寿命长，反复充放电可达 1000 次以上；  无记忆性，充放电自由，不会对电池造成损耗；  对环境无污染，该电池内不存在重金属污染物，是“绿色电池”； 15  可以制造成不同的形状；  工作温度范围宽。 锂离子也存在一些不足：  成本高；  必须有电池管理系统，以防止过充对电池造成损害。 锂离子电池的工作原理 图 36 锂离子电池充放电原理图 锂离子电池的充放电过程实际就是锂离子不断往返正负极之间的一个过程。 当电池处于充电状态时，正极物质通过化学反应，变成锂离子，锂离子在电解液中再通过隔膜，到达电池负极板，嵌入到负极中，完成充电过程。 当电池处于放电状态时，负极物质通过化学反应，锂离子从负极脱出，进入电解液，电解液作为一种介质，经过隔膜，把锂离子再重新嵌入回正极材料晶格中。 正极电化学反为   xexL iC o QLiL iC o O x 212 负极电化学反为 66 CLixexLiC x  表 日本几家公司研制的锂离子电池的技术指标 项目 日立 汤浅 松下 额定容量 /A h 15 10 7 质量功率密度 /（ w/kg） 2100 2340 2600 质量能量密度 /（ W h/kg) 69 80 78 16 表 Saft 公司 20xx年高能量型锂离子电池性能 性能 当钱锂离子电池 系统目标 质量功率密度（ W/kg） 900 625 体积功率密度 /（ W/L） 1450 780 质量能量密度 /（ W h/kg) 75 75 寿命 /年 15 15 产量为 10万套 /年时的价格（美元 /套） 目标值的 2到 3倍 500 燃料电池是一种利用可燃气体与空气（氧气）进行化学反应，生成能量，同时也是直接把生成的这些能量转化为电能，所以燃料电池的效率很高，通常情况下它的能量转化率能达到百分之七十到百分之八十。 燃料电池与上述电池不同，在上述几种电池中，作为发生化学反应的物质都被同时放进电池 中，而燃料电池的反应物质不是直接被装入电池中，而是随着反应的过程推进，燃料不断的从外界储存装置中被输入到反应器中（电池内部），当然，这个过程也不再是可逆的，与其他电池的充电过程相比，把燃料充入储存装置中，就相当于给电池充电的过程。 燃料电池的优点：  节能，转换效率高；  达到零污染排放；  车辆性能与内燃机汽车相当；  结构简单运行平稳。 燃料电池缺点：  燃料种类单一，燃料运输保管要求高；  密封质量要求高；  比功率没有其他电池高；  造价较高；  需要配备辅助电池系统。 燃料电池的正负极反应（此处主要介绍以氢气为燃料 的燃料电池）： 17 图 37 燃料电池反应过程图  以磷酸为电解质溶液时： 负极： 2H2 – 4e = 4H+ 正极： O2+ 4H+ +4e =2H2O 总反应： 2H2 +O2 =2H2O  以 KOH 为电解质溶液时： 负极： 2H2 +4OH – 4e = 2H2O 正极： O2+ 2H2O +4e =4OH 总反应： 2H2 +O2 =2H2O 飞轮电池是一种新概念电池，在 20世纪 90年代的时候 被提出。 它与其他化学电池不同，电能不是以化学能转化而来，而是使用物理方法实现储能。 根据所学的物理知识，飞轮旋转时具一定的有角速度，在某一特定的角速度下旋转，该时刻飞轮是具有相应的动能。 飞轮电池的充放电过程就是动能与电能之间的相互转化。 飞轮电池结构里有一个电动机，在充电的时候，在外电源的驱动下，这个电动机以把电能转化为飞轮的动能，电动机带动飞轮高速旋转。 在放电时，这个电动机则又成为一个发电机，在飞轮动能的驱动下，发电机发电，实现机械能到电能的转换。 18 目前，飞轮储能系统主要由转子系统 、电机 /发电机、输入 /输出电路和真空室四部分组成 [8]。 图 38 飞轮储能原理图  转子系统 飞轮的转子系统中有两个部分，即构成飞轮的本体，还有对飞轮本体进行支撑的支撑部分。 由于对飞轮的强度 要求很高，根据最大强度比的原则，一般设计选用超强玻璃纤维 环氧树脂复合材料制成。 美国马里兰大学已经研究成功一种新的飞轮，该飞轮储能可达 20KW h，它的结构是多层圆柱的。 具体参数：外径 ，内径 ，厚度 ，重，最大转速 46345r/min。 图 39 飞轮储能系统结构组成示意图 一种带式可变惯性飞轮曾经被伊朗 Shiraz 大学机械工程系研制，用于电动车，其目的是节能与系统稳定。 飞轮的支承方式很多。 总的来说有两种方式；即磁悬浮方式和机械支撑两种方式。 对于磁悬浮技术，又可以通过很多手段达到悬浮的目的，利用超导材料可以制成磁悬浮系统，电磁技术同样可以达到效果，两种磁极相反放置，制成永磁悬浮装置也同样适用。 当然也可以采用上述两种或多种方式支承飞轮。  电动机 /发电机 19 为了降低系统功耗，减少损 失，目前许多单位和研究机构都一般采用永磁同步电动 /发电、（双过程）逆变式互逆式双向电机。  输入 /输出电路 输入 /输出电路是一种控制元件，它可以控制装置中的电机实现电动机和发电机之间的互换，完成机械能与电能的相互转换。  真空室 真空室的主要作用：制造出一个真空环境，减少风阻损失；屏蔽事故。 真空度影响系统效率，是一个关键因素。  转子结构和制造工艺；  高速轴承支撑技术；  高速转子动力学技术；  高速电机 /发动机及能量转换技术。 飞轮的储能过程 分为三个阶段，即使 :飞轮充电阶段，外部电源通过输入电路给电机供电，实现电能转化为机械能。 能量保存阶段，飞轮空闲运转，由于在真空中运转，使能量损害减低到最小。 飞轮放电阶段，飞轮运转的动能带动发电机工作，通过输出电路给外部用电设备供电。 目前，在飞轮电池装置中通常只有一个发电机 /电动机，采用这种结构不但可以提高效率，还可以减小飞轮尺寸，减少造价，使飞轮储的能密度大大的提高。 20 第 4章 电动机 电动汽车驱动系统的核心部件是电动机，其性能的好坏直接影响到电动汽车驱动系统的性能，尤其是影响电动汽车的最高车速、加速 性能及爬坡性能动力性。 电动汽车驱动系统对于电动机有以下要求：  高电压。 在安全条件达标情况下，尽可能提高电压，这样做不仅减小电动机的体积，还可以大大降低功率变化器的制造成本；  小质量。 电动机外科尽量采用路合金，以减轻整体质量；  高效率、低能耗。 在车辆减速制动过程中可实现能量转化回收；  电气系统的安全性和控制系统的安全性都必须符合国家有关标准；  高可靠性。 耐温和耐潮能力强，运行噪音低，适合大批量生产。 下表表示国内外大型汽车公司。