电动巡逻车 http://www.chinachijie.com/ wenku1 第二讲 电动汽车的构造与原理 2011年10月11日

1 蓄电池电动汽车（EV） EV是一种最好的零污染或超低污染的车辆，它没有噪声和振动，操作性能好等，远远地优先于燃油汽车，是当前开发和研制取代燃油汽车的首选车型。EV动力源采用蓄电池--电动机系统。 1.1 EV的基本组成部分： (1) 车载电源 (2) 电池的管理系统 (3) 驱动电动机和驱动系统 (4) 控制技术 (5) 车身及底盘 (6) 安全保护系统

1.2 EV的控制策略和控制系统

电动汽车对动力蓄电池的基本要求 比能量高； 充电技术成熟、时间短； 连续放电率高、自放电率低； 适应车辆运行环境； 安全可靠； 长寿命、免维护。

EV发展的瓶颈在于电池。近年来由于电池技术的制约使得EV发展速度有所缓慢。在车载电源得到解决后，电动汽车必会迅速地发展。 1.3蓄电池电动汽车的发展 EV发展的瓶颈在于电池。近年来由于电池技术的制约使得EV发展速度有所缓慢。在车载电源得到解决后，电动汽车必会迅速地发展。 目前EV趋于小型化、个性化和家庭化发展，主要为家庭辅助用车或休闲用车。 1.4 几种典型EV 世界各国有各种微型和小型EV在使用。

韩国现代公司推出的蓄电池电动跑车

法国文图瑞（Venturi）公司推出，集各种高端性能于一身，当今世界上最昂贵的一款电动车。

i-unit是部变形車，分為低速與高速兩種模式，以锂电池为动力。 當低速行駛時，前、後輪靠攏，間距收縮到最短，讓車身挺直，乘坐在車上，人與車幾乎成為一體，可以在狹小空間內，靈活地執行進、退、迴轉等動作。

太阳能汽车

2 燃料电池电动汽车（FCEV） 采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车即Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)。其动力源是用燃料电池发动机-电动机系统。燃料电池驱动系统是FCEV的核心部分，不同燃料作为动力源，发电机系统组成是有差别的。目前，多以压缩氢气或液化氢气及作为基本燃料。 2.1介绍几种典型的燃料电池电动车 下面分别介绍以氢为燃料和以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统。并介绍通用的一款用氢气作为燃料的燃料电池电动汽车。

以氢为燃料的燃料电池发动机系统 11电源开关 13逆变器 12 DC/DC转换器 驱动电机 热交换器 氢气压力调节器 燃料电池组 氢气储存罐 空气加湿、去离子过滤器 氢气压力调节器 燃料电池组 氢气储存罐 空气压缩机 氢气循环泵 水泵 水箱 5冷凝器、汽水分离器 以氢为燃料的燃料电池发动机系统

甲醇储存罐 H净化器 氢气净化泵 重整器带燃烧气 以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统

通用Hy-wire 氢动三号由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。氢储存罐分为两种，一种罐内储存的是温度为-253°C的液态氢，另一种罐内储存的是承受最高压力可达700Pa的高压氢气。一次充气行驶里程分别可达400公里和270公里。

通用Hy-wire氢动三号的电池组

2.2 FCEV的发展现状 燃料电池技术被认为是21 世纪首选的洁净、高效的发电技术，其具有能量转化效率高、不污染环境、使用寿命长等不可比拟的优势。但是由于目前燃料电池研究还没有取得重大突破，必须解决寿命、成本、稳定性、耐久性、环境适应性等诸多问题，其中最为关键的是寿命和成本问题。现在国际上每辆氢源燃料电池汽车的成本，一般在100万美元到200万美元之间，造价的确非常昂贵。燃料电池电动汽车的发展受到了限制。

3 混合电动汽车（HEV） 从世界范围内电动汽车的发展过程看，电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车开始的。但由于纯电动汽车是从单独依靠蓄电池供电的，而目前动力电池的性能和价格还没有取得重大突破，因此，纯电动汽车的发展没有达到预期的目的。目前燃料电池研究还没有取得重大突破，燃料电池电动汽车的发展也受到了限制。 在此情况下，混合动力汽车成为电动汽车开发过程中最有可能市场化的一种新车型，它将现有内燃机与一定容量的储能器件通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。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车型，从而引起各大汽车公司的关注。

3.1 HEV的工作过程 HEV采用发动机-发电机和电动驱动系统。发动机的动力保证HEV正常行驶时所需要的基本动力。然后采用控制发动机转速范围、降低发动机的最高转速、保持发动机的稳定均衡地运转和“开—关”的控制方式，使发动机避开启动、怠速和转速突然变化时，燃料燃烧不完全而引起的燃料经济性降低和增加有害气体的排放。HEV以电动机驱动作为辅助动力。一般在HEV发动机启动、车辆启动、加速和爬坡时起作用。还起发电机的作用，使发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。

3.2 HEV的主要技术组成 (1)发动机 采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。 (2)电动机 采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。 (3)电池 采用不同的蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器等。

3.3按发动机和电动机的不同形式的组合可分为： (1)串联式混合动力电动汽车（SHEV） (2)并联式混合动力电动汽车（PHEV） (a) 发动机轴动力组合式 (b) 动力组合器组合式 (c) 驱动轮动力组合式 (3)混联式混合动力电动汽车（PSHEV） (a) 动力组合器动力组合式 (b) 驱动轮动力组合式 日本、美国开展了混合动力电动汽车的研究。混合动力电动轿车多采用并联和混联的结构型式不同，混合动力电动公共汽车的结构型式以串联为主。

3.4 柴油混合动力车 标致雪铁龙集团推出基于“柴油-电力”混合动力的两款展示车——标致307和雪铁龙C4。这种混合动力车平均百公里能耗为3.4升柴油，二氧化碳的排放量为每公里90克。在高速行驶模式下为80g/km，与307及C4的柴油发动机车型相比，分别减少了28％和45％。柴油混合动力车的燃效为29.4km/L，比汽油混合动力车提高25％，每100km可节省1L左右的燃料。 混合动力系统由最大输出功率为66kW的1.6L柴油发动机、柴油颗粒过滤器（DPF）、起动器兼交流发电机、“Stop ＆ Start”系统、DC无刷马达、逆变器及镍氢充电电池构成。该系统配套使用6速手自一体变速箱。

混合动力系统采用以发动机为主动力、利用马达进行辅助的并联驱动方式。当车速降到60km/h以下时，Stop ＆ Start系统就会停止发动机工作。马达可通过减速时回收能量来向电池蓄电，当车速在50km/h以下时仅凭马达行驶。在加速及电池没电时，便会自动切换至发动机驱动。为了停止发动机工作后仍可凭借马达行驶，在发动机与马达之间采用了干式离合器。 马达在连续使用时的额定功率为16kW，可产生80N·m的扭矩。在超车等情况下进行暂时辅助时，最大输出功率为23kW，最大扭矩为130N·m。马达与逆变器连接，以210～380V的电压驱动。在车辆后部通常用于配备备用轮的位置上配备了由240个电池单元构成的镍氢充电电池。充电电池的容量为6.5Ah，普通电压为288V。仅凭马达可持续行驶5km。

配备柴油混合动力系统的展示车,左为“标致307混合动力HDi，右为“雪铁龙C4混合动力HDi。

雪铁龙C4柴油混合动力系统的构成示意图

柴油混合动力系统 1-1.6升Hdi柴油发动机(最大输出功率为66kW) 2-柴油机微粒过滤器(DPF) 3-”停车-启动”系统 4-电动机(额定功率为16kW) 5- 6速手自一体变速箱 6-逆变器 7-低压电池 8-动力传输管理单元 9-高压电缆 10-高压镍氢充电电池(288V)

“雪铁龙C4混合动力HDi”发动机室

Series hybrid propulsion system 混合动力系统布置形式 串联式混合动力系统 Series hybrid propulsion system 发动机带动发电机发电，其电能通过电机控制器直接输送到电动机，由电机产生电磁转矩驱动汽车。在发动机和驱动桥之间通过电能实现动力传递，因此更象是电传动汽车。电池通过控制器串接在发电机和电动机之间、其功能相当于电动机和发动机之间的“水库”，起功率平衡作用，即当发电机的功率大于电动机的功率时（如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况），控制器控制发电机向电池充电，而当发电机的功率小于电动机的功率时（如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况），电池向电动机提供额外的电能。 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。 发动机的功率是以汽车以某一速度稳定行驶时所需的功率选定的。当汽车运行工况变化时，电动机所需的驱动功率与发动机的输出功率不一致时，由控制器控制发电机向电池充电(吸收发电机富余的电能)或使电池向电动机供电(辅助发电机供电），电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。

串联型混合动力汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行的优越性主要表现在低速、加速等工况，而在汽车中高速行驶时，由于其电传动效率低，抵消了发动机油耗低的优点，因此串联型混合动力汽车更适合在市内，低速运行的工况；在繁华的市区，汽车在起步和低速运行时，还可以关闭发动机，只利用电池输出功率，使汽车达到零排放的要求。

Parallel hybrid propulsion system 混合动力系统布置形式 并联式混合动力系统 Parallel hybrid propulsion system 其特点是：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，加速时由电动机提供额外动力。这种结构形式的混合动力汽车较多，如本田Insight就属于这种结构。

并联式混合动力汽车的发动机功率也是以汽车以某一速度稳定行驶时所需的功率选定的，当汽车在低速或变工况行驶时，须通过加速踏板和变速器来调节发动机的功率输出；而在高速行驶时，发动机的输出功率低于汽车行驶时所需的功率时，由控制器控制电动机协助助力驱动。

并联式混合驱动系统适合在中高速稳定工况行驶，而在其他的行驶工况，由于发动机不在最佳的工作区域运行，发动机的油耗和排污指标不如串联。并联式混合动力汽车也可实现零排放控制。在繁华的市区低速运行时，可通过关闭发动机和使离合器分离，也可使汽车以纯电动方式运行。但这样需要功率足够大的电机，所需的电池容量也相对大；在市郊和城间运行时，汽车经常处于中高速平稳运行状态，而且对排放没有苛刻要求，并联式驱动系统可以关闭电机驱动部分，只使用发动机进行驱动。因而，并联式结构适用于市郊和城间工况，在开发市郊和城间交通工具时并联式结构应受到重视。

Series & Parallel hybrid propulsion system 混合动力系统布置形式 混联式混合动力系统 Series & Parallel hybrid propulsion system 这种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。它的动力系统包括发动机、发电机和电动机。根据助力装置不同，它又可分为发动机为主和电机为主两种。在发动机为主形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源，日产公司（Nissan）Tino属于这种情况。在电机为主形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。

混联式驱动系统是串联式和并联式的总和，图1-3是一种典型的混联式混合动力系统（丰田Prius）。发动机的输出功率一部分通过传动系统传输给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发动机发出的电能由控制器控制，输送给电机或电池，电机产生的转矩通过动力复合装置传给驱动桥。混联式驱动系统在汽车低速行驶时，主要以串联方式工作，而在高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了并联式和串联式的优点，使电机、发动机、发电机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在复杂的工况下是系统工作在最优状态，因此更容易实现油耗和排放的控制目标。 与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此对动力复合装置的要求更高。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。丰田公司Prius汽车的驱动系统被公认为是目前最成功的结构之一

Complex hybrid propulsion system 混合动力系统布置形式 复合式混合动力系统 Complex hybrid propulsion system 复合联接式（CHEV）的布置形式的混合动力汽车结构相对复杂，主要出现在双轴驱动的HEV中。在这种联结形式中，HEV前轴和后轴之间没有传动轴连接，它们分别由动力部件驱动，从而实现四轮驱动，如图所示。它的动力系统由一个完整的前述混合动力系统和独立的轮毂电机组成。根据布置位置不同，复合式分为两种。一种是前轴由混动系统驱动，后轴由电机驱动型，丰田公司的Prius THS-C采用的就是这种形式；另一种是前轴由电机驱动，后轴由混动系统驱动，通用公司的Precept HEV采用这种形式。这种四轮驱动的缺点是结构复杂，成本较高；优点是动力性和越野性能好，尤其在制动时，前后轴电机都可同时作为发电机回收制动能量给蓄电池充电

轻度混合系统 这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternator Starter Generator,简称BSG系统）。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放，但是它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。 代表车型:　奇瑞 瑞虎3EV

中度混合系统 该混合动力系统采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高，目前技术已经成熟，应用广泛。 代表车型:　丰田 普锐斯

完全混合系统（深度混合） 该系统采用了高压（272-650v）启动电机，通过车载电池供电，电动机可以在启动或巡航过程中，单独驱动车辆行驶，在加速或者电池能量不足的情况下，再由内燃机单独或者联合电动机驱动车辆。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度更高。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。 代表车型:　凯迪拉克 凯雷德混动

强混合动力系统4大特征 全球三大豪华厂商凯迪拉克、宝马和奔驰联手推进了一项名为“2-MODE”的强混合动力技术，拥有四大特征： 完善的制动回收系统 完善的电动助力系统 完善的节能起停功能 完善的电力驱动系统 2mode Hybrid强混合动力系统适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放，而城市油耗降幅更高达40%。官方给出数据显示，凯雷德hybrid的综合油耗仅为11.1升，这一油耗和一辆1.8排量的轿车无异。

国外混合动力城市客车的代表车型

目前国内主要混合动力客车研发厂家及车型

混 合 动 力 汽 车 关 键 技 术 电机控制技术 蓄电池技术 系统集成控制技术 混合动力系统集成技术 电机控制技术 蓄电池技术 系统集成控制技术

电池的能量存储及电池管理系统 电池的良好的充放电性能及电池的soc估计是混合动力汽车研究的关键。由于电池的作用是储存、输出尽可能多的电能，以提高汽车的续驶里程，因此对混合动力汽车用电池不仅有高的能量密度，而且有高的功率密度。因此电池技术研究的关键是寻找合适的能够存储高能量的电极材料，并且此类材料能够稳定地经受住无数次循环，可以反复使用。另外，电池技术的研究还包括以下几个方面:一是电池设计和制造方面的改进，以降低电池的使用成本、改善电池的性能和提高使用寿命，并进行电池充放电动态特性的研究;二是研究电池内部结构的连接、检测及评价。 电池包是混合动力汽车的主要部件，对电池的状态监控及管理是混合动力汽车的重要研究内容之一。由于soc是整车动力分配的依据，因此对电池的有效管理及精确的SOC估计将为混合动力汽车的动力分配及能量管理奠定必要的基础。另外，电池的成本在整车中占有较大的比重，精确的SOC估计和状态监控可以防止电池的过充电和过放电、延长电池的使用寿命、可相应的降低车辆的使用成本。因而，电池管理系统研究是混合动力汽车的重要研究内容之一。

混合动力控制单元 在混合动力汽车上，热力发动机和电机成为混合动力单元。在并联混合动力汽车上，混合动力单元通过传动轴驱动车轮，同时由于电机可以提供驱动转矩，因而混合动力单元可以采用尺寸更小、效率更高的热力发动机；在串联混合动力汽车上，发动机驱动发电机发电以产生电能，发动机与车辆传动系统没有直接的机械连接，因此混合动力单元也可以采用小型高效的发动机，其运行工况可固定于较小的高功率区。 目前混合动力单元研究的主要对象是热力发动机和燃料电池。在燃料的使用方面也发生了很大变化，除了柴油、汽油外，还有天然气、液化气、酒精等代用燃料。要提高混合动力单元的燃料经济性、对混合动力单元必然提出更多要求。对汽油机采用电喷技术、增压技术、可变定时进气系统、多气门技术以及稀薄燃烧技术等是必然的要求。对柴油机采用多气门技术、电控技术、增压技术、可变定时进气技术、可变涡流进气技术、直喷技术等。混合动力汽车的主要目标是降低排放，所以排放是混合动力系统研究的重点。目前对热力发动机的研究主要集中于：燃烧系统的优化，通过观察燃料与空气混合物的点燃和燃烧过程，发现形成氮氧化合物的机理，从而改进燃烧系统；尾气处理技术，主要研究高效的尾气处理技术；三是代用燃料的研究。

电机及其驱动控制 电机驱动系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服阻力运行。电动汽车的驱动电机的运行工况同样是相当复杂的，包括高转矩、低转速和恒功率、高转速等。驱动电机与汽车运行工况的匹配是通过完善的控制系统来实现的电动汽车要求电机驱动控制系统满足如下要求：恒功率输出和高功率密度；在汽车起步和爬坡时具有低速—高转矩的输出特性；具有较大的转速范围足以覆盖恒转矩和恒功率区；快速的转矩响应特征；在转矩/转速特性的较宽范围内具有高的效率；再生制动时的能量回收效率高；能在不同的工作条件下可靠地工作。 目前电动汽车所用的电动机总体上向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。国外已研制出功率密度越过1Kw/Kg,额定点的效率大于90%的小型电动机，电机满足低速大扭矩和高速恒功率的牵引控制要求。其控制器也能实现较高的效率。

控制策略 对于混合动力汽车，动力总成控制技术是整车的控制中心，它集现代电力电子技术、网络总线技术、微处理器技术和现代控制技术为一体。目前国际上普遍采用CAN总线的控制器网络负责控制系统的数据传输，实现系统各控制单元的信息资源共享：主控制器负责驾驶信息的处理和系统转矩管理，电池管理系统负责电池状态信息的监控及管理，电机控制器负责电机状态信息的执行及管理。这种分布式控制管理，与传统的集中控制相比，系统结构清晰、可靠性高、易扩展，因而是一种全新的控制模式。动力总成系统的建模是开发平台的核心，也是控制策略研究的前提。目前国际上普遍采用Matlab/Simulink软件，建立总成系统的动力学模型，其中包括电机、发动机、电池和车辆动力学子模型。目前，这些公布的模型通用性还很有限，并不完全适合各种车辆的仿真研究，某些模型的误差较大，必须予以修正。

控制策略 HEV开发中最关键的环节之一是根据不同的混合动力系统制定和优化控制策略。根据开发目的、使用环境及价格水平的不同，可选择采用串联或并联型式，且其动力混合的轻重程度也不同，因而控制策略也各具特色。国外通过系统建模仿真对此进行了大量的理论匹配研究。混合动力系统的精确运转依赖于优化控制的实现，而控制系统的开发是混合动力汽车的最关键技术。控制系统的功能首先是依据采集到的速度、负荷等数据，计算出对应的转矩，计算出以最高效率为基点分配到电机与发动机的转矩值；即电机与发动机最佳功率分配，然后根据动力系统各单元的状态给出电机和发动机的控制参数，驱动执行器完成控制任务。在执行器设计中，功率分配装置的设计及与变速器的一体化设计是关键的设计工作。因为它要根据控制器的指令，正确地进行发动机的功率向驱动车辆和驱动发电机功率的分解。因此，混合动力系统的开发不仅在于电子技术、计算理论与算法和软件技术，而且在执行部件的设计与制造方面都是难度较大的工作。