新能源汽车发展现状与关键技术

新能源汽车发展现状与关键技术内容摘要：

爬坡时，就由电池向电动机提 供 不足部分的电能 并联式动力：并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向 汽车传动系 提供 扭矩 ，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。 当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向 传动机构 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。 电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。 由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 发动机通过机械传动装置与驱动桥连接，电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。 图 33 并联式汽车工作原理图 如图 33所示， 并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。 电动机起 “调峰 ”作用，即：当 汽车运行工况所需的功率超过了发动机的功率时，电动机从电池获得能量产生电磁力矩，并向驱动桥提供额外的驱动功率。 有的并联式混合动力电动汽车也有发电机，但其主要作用是向电池充电，以保持电池的荷电状态（ SOC），即：当电池放电较多，其 SOC值较低时，控制器可控制发动机驱动发电机并向电池充电，使电池的 SOC 恢复到设定值，保证混合驱动方式下的续驶里程。 混联式动力：混联式装置包含了串联式和并联式的特点。 动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。 以发动机为主的形式中，发动机作 为主 动力源 ，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。 该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。 丰田 的 Prius 属于以电机为主的形式 ，工作原理如图 34。 图 34 混联式汽车工作原理图 发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。 发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或电池，电动机产生的第三章 新能源汽车的工作原理 11 驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。 燃料电池汽车 燃料电池汽车的构成 燃料电动汽车与传统汽车不同之处在于动力系统。 燃料电 池电动汽车的动力系统主要由动力控制单元、电动机、电池组、燃料箱、储能装置及燃料加入口等组成 ，如图 35。 图 35 燃料电池汽车组成 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的高效率发电装置。 燃料可以是氢气、甲醇、石油气、甲烷及其他能分解出氢的烃类化合物。 目前大多是燃料电池汽车使用压缩氢气或液化氢气作为燃料。 燃料电池汽车的工作原理 燃料电池电动汽车动力系统的工作原理是 由燃料电池组出发的电流经 过DC/DC 逆变器后进入电动机 然后 驱动汽车行驶 ， 或 者 经 过 DC/DC 转换器向 蓄电池充电，当汽车行驶时需要的动力超过电池的发电能力时，蓄电池也参与工作，其电流经过 DC/DC 转换器进入电动机驱动汽车行驶 ，其工作原理如图 36所示。 图 36 燃料电池汽车工作原理 1燃料箱； 2氢； 3空气； 4空气压缩机； 5控制器； 6电流； 7燃料电池； 8冷却剂； 9水泵； 10蓄电池； 11电流； 12DC/DC 转换器； 13DC/DC 逆流器； 14电动机或发电机； 15齿轮； 16轮胎； 17水箱 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 电动汽车 电动汽车驱动系统的构成 电动机驱动系统的组成各式各样，一般 由电气和机械两大部分组成。 电气部分主要由电动机、功率转换器和电子控制器三个子系统组成 ，如图 37 所示。 电动机与车轮通过机械传动装置连在一起，也可以直接装在车轮上，用电动机直接驱动。 机械部分主要包括机械传动装置和车轮等。 图 37 电气部分构成 电动汽车驱动系统的分类 根据电动汽车驱动轮的布置方式有前轮驱动、后轮驱动和全轮驱动等方式。 根据电动汽车驱动系统组成的特点，其基本布置方式可以分为机械驱动系统、半机械驱动系统和纯电气驱动系统等。 根据电动汽车驱动用电动机的数量可以区分为单电动机和多电动机驱动系统。 电动汽车直流电动机工作原理 直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子组成。 定子由主磁极、换向极、电刷装置和机座组成。 主磁极铁芯上套有线圈，通入直流励磁电流便会产生磁场，即主磁场。 换向极也由铁芯及套在上面的线圈组成，其作用是产生附加磁场。 以减弱换向片与电刷之间的火花，避免烧蚀。 机座除作电动机的机械支架外，还作为各磁极间磁的通路。 转子由转子铁芯、转子绕组、换向器、轴和风扇组成。 转子铁芯用来安装转子绕组，并作为电动机磁路的一部分。 转子绕组的主要作用是产生感应电动势并通过电流，以产生 电磁转矩。 换向器由换向片组成，换向片按一定规律与转子绕组的绕组元件连接。 直流电动机包括俩个在空间固定的永久磁铁，一个为 N 极，另一个为 S 极。 第三章 新能源汽车的工作原理 13 在磁极的中间，装有一个可以转动的线圈，它的首末两端分别接到两片圆弧形的换向片（铜片）上，两个换向片之间、换向片与转轴（与线圈一起旋转）之间均相互绝缘，为了把电枢绕组和外电路接通，在换向器上安置了两个固定不动的电刷。 由于电刷和电源固定连接，因此无论线圈怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 由左手定则可知，通电线圈在磁场中受到逆时针方向 的力矩作用。 虽然电流方向是交替变化的，但所受的电磁力的方向不改变，因此线圈可以连续地按逆时针方向旋转。 这就是直流电动机的各种原理。 如图 38所示。 图 38 直流电动机的工作原理图 直流电动机的构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵 ,维护维修也较困难。 近年来，由于变频调速技术的发展，在中小功率的电动机调速领域中，交流电动机正逐步取代直流电动机。 由于直流电动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点，因此，广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围的调速或需灵活控制起动、制动的生产机械。 电动汽车动力蓄电池 化学电池是一种直接把化学能转换为电能的装置，其学名为化学电源 ，电动汽车上通常使用这种电池。 化学电池常见的分类方法有三种： 第一种是按电解液 种类分类，可把常见的电池分为碱性电池、酸性电池、中性电池及有机电解液电池四种。 第二种是根据电池所用正、负极材料的不同，可把常见的电池分为锌系电池、铅系电池、锂系电池、二氧化锰系电池及空气（氧气）系电池。 第三种是根据工作的性质和储存方式不同，可把常见的电池分为一次电池、淮安信息职业技术学院毕业设计论文 14 二次电池、燃料电池、储备电池四类。 如图 39 所示。 图 39 化学电池的分类 铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下： 正极： PbO2+ 2e + HSO4+ 3H+ = PbSO4 + 2H2O 负极： Pb + HSO4 = PbSO4 + H+ + 2e 总反应： PbO2 + 2H2SO4 + Pb = 2PbSO4 + 2H2O 从以上的化学反应方程式中可以看出，铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做 “ 双硫酸盐化反应 ”。 在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。 在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新变成二氧 化铅和金属铅，蓄电池就又处于充足电的状态。 正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。 第三章 新能源汽车的工作原理 15 第四章 新能源汽车发展现状 国外新能源汽车的发展状况 （ 1）日本近期主要走混合动力汽车的技术路线，并率先实现商业化；同时，重视纯电动汽车的发展，将小型车作为近期纯电动汽车市场的突破口。 长期目标是实现纯电动汽车和燃料电池汽车的商业化。 其特点是突出重点，用混合动力带动关键零部件技术的发展；重视产业化，整车与电机电池进行合资研发生产；输出整车产品，充分利用世界市场，抢先商品化。 （ 2）美国电 动汽车近期研发投入重点是插电式混合动力汽车技术，并实现商业化；远期发展重点是氢燃料电池汽车。 其特点是技术实力最强，在综合技术方面仍处于前列，提出了比较切合美国实际的插电式技术路线，有望在近期取得迅速发展。 （ 3） 法国政府补贴用户每辆 5000 法郎，电力公司补贴厂家每辆 1 万法郎。 用户每月花 600 法郎可租用电池并可加入有关电池服务的网络。 中央政府提供每辆 500 法郎的补助经费，供地方政府采购电动汽车对电动汽车生产厂提供一定比例的税赋优惠充电装置安装固定收费 200 法郎 (含税 )，电动汽车可在停车场免费停泊，在街边停车不 受处罚，部分路段仅限电动汽车通行。 （ 4） 2020 年 5 月 18 日德国联邦政府通过了鼓励电动汽车发展的《电动汽车政府方案》。 方案的主要内容是，通过一系列优惠政策，力争在 2020 年让在德国大地上行驶的电动汽车达到 100 万辆。 德国对电动汽车的优惠政策可谓货真价实，首先是加大政府投入。 在研发经费上政府又增加了 10 亿欧元。 这样在 2020年之前，政府奖励的研发经费就由原来的 10 亿欧元增加到 20 亿欧元。 可见力度之大。 （ 5）欧洲主要国家重点着眼于清洁燃油技术，继续巩固现代柴油机技术领域优势。 近期将发展电动汽车作为国家战略 ，加大纯电动、混合动力汽车的研究投入；远期目标是实现燃料电池汽车的商业化。 其特点是重视传统汽车的节能化改造和能源多元化利用；在新能源汽车的发展中，充分利用强大的零部件基础，与世界零部件优势企业联合，形成关键零部件的产业化能力。 国内新能源汽车的发展状况 我国在北京奥运会上展示的技术和示范运行模式在“十城千辆”工程中得到了进一步扩展和应用。 上海世博会形成了千辆级的电动汽车集中应用，这些规模化的示范应用为进一步研发提供了依据，对推动电动汽车发展是非常重要的。 “十城千辆”工程，全称为十城千辆节能与新能源汽 车示范推广应用工程，是由科技部、财政部、国家发展改革委、工业和信息化部于 2020 年元月共同启动的，主要内容是，通过提供财政补贴，计划用 3 年左右的时间。