蓄电池与燃料电池电动汽车

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1、汽车拖拉机学讲授内容讲授内容：第：第2 2课课 蓄电池与蓄电池与燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车 （第十章（第十章 电动汽车技术）电动汽车技术）主主 讲讲 人人：邓晓亭：邓晓亭 讲师讲师*汽车拖拉机学课件1第十章第十章 电动汽车技术电动汽车技术第第1 1课课 混合动力电动汽车混合动力电动汽车第第2 2课课 蓄电池与燃料电池电动蓄电池与燃料电池电动汽车汽车本章内容安排*汽车拖拉机学课件2本节课的主要内容第十章 电动汽车技术第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车一、蓄电池电动汽车驱动系统类型一、蓄电池电动汽车驱动系统类型 二、动力蓄电池的类型及工作原理二、动力蓄电池的类型及工作原理三、驱动电机和辅助系统

2、三、驱动电机和辅助系统四、燃料电池的工作原理、分类和特点四、燃料电池的工作原理、分类和特点五、燃料电池电动汽车的基本构造五、燃料电池电动汽车的基本构造*汽车拖拉机学课件3控制信号连接控制信号连接 电器连接电器连接机械连接机械连接电动汽车工作原理电动汽车工作原理 与内燃机汽车相比，电与内燃机汽车相比，电动汽车最大不同点在于动力源、动汽车最大不同点在于动力源、电力驱动及辅助系统。电力驱动及辅助系统。 动力源主要是电源及其控动力源主要是电源及其控制装置；电力驱动系统主要由制装置；电力驱动系统主要由电动机、调速控制装置、功率电动机、调速控制装置、功率转换器、机械传动装置组成；转换器、机械传动装置组成；

3、辅助系统具有温度控制、能量辅助系统具有温度控制、能量管理和充电、辅助动力供给等管理和充电、辅助动力供给等功能。功能。第十章 电动汽车技术一、蓄电池电动汽车驱动系统类型 1、蓄电池电动汽车的基本结构、蓄电池电动汽车的基本结构*汽车拖拉机学课件4第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车M-M-电动机电动机 C-C-离合器离合器 D-D-差速器差速器 FG-FG-固定速比固定速比减速器减速器 GB-GB-变速器变速器 蓄电池电动汽车的驱动系统形式蓄电池电动汽车的驱动系统形式 2、蓄电池电动汽车的驱动系统、蓄电池电动汽车的驱动系统第十章 电动汽车技术*汽车拖拉机学课件5第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车一、蓄电

4、池电动汽车驱动系统类型 蓄电池电动汽车对动力蓄电池的基本要求：蓄电池电动汽车对动力蓄电池的基本要求：（1）比能量高）比能量高 比能量是指单位蓄电池重量所能提供的电能，是保证电比能量是指单位蓄电池重量所能提供的电能，是保证电动汽车能够达到基本合理的行驶里程的重要性能，动汽车能够达到基本合理的行驶里程的重要性能，2h放电率时电池的比能放电率时电池的比能量至少不低于量至少不低于44Wh/kg。（2）充电技术成熟、时间短）充电技术成熟、时间短 电池应对充电技术没有特殊要求，并且能够电池应对充电技术没有特殊要求，并且能够实现感应充电。在充电时间上能够实现快速充电，电池的正常充电时间应实现感应充电。在充电

5、时间上能够实现快速充电，电池的正常充电时间应小于小于6h，电池快速充电达到额定容量，电池快速充电达到额定容量50的时间应为的时间应为20min以下。以下。（3 3）连续放电率高、自放电率低）连续放电率高、自放电率低 电池能够适应快速放电的要求，连续电池能够适应快速放电的要求，连续1h1h放电率可以达到额定容量的放电率可以达到额定容量的7070左右。自放电率要低，电池能够长期存放。左右。自放电率要低，电池能够长期存放。 第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理1、电源、电源*汽车拖拉机学课件6第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车（4 4）适应车辆运行环境）适应车辆运行环境 电池能够在常温条

6、件下正常稳定地工作，不受环电池能够在常温条件下正常稳定地工作，不受环境温度的影响，不需要特殊的加热、保温系统，能够适应电动汽车行驶时的境温度的影响，不需要特殊的加热、保温系统，能够适应电动汽车行驶时的振动。振动。（5 5）安全可靠）安全可靠 电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏，不会引起自燃或电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏，不会引起自燃或燃烧。在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害。废电池能够回收处理燃烧。在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害。废电池能够回收处理和再生利用，电池中有害重金属能够集中回收处理。电池组可以采用机械和再生利用，电池中有害重金属能够集中回收处理。电池组可以采用机械装置进

7、行整体快速更换，线路连接方便。装置进行整体快速更换，线路连接方便。（6 6）长寿命、免维护）长寿命、免维护 电池的循环寿命不低于电池的循环寿命不低于10001000次，在使用寿命限定期次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护和修理。间内，不需要进行维护和修理。第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理1、电源、电源*汽车拖拉机学课件7第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 USABC蓄电池的性能目标蓄电池的性能目标性能指性能指标标中期中期长长期期比能量（比能量（C/3放放电电率）率）/（Whkg-1）能量密度（能量密度（C/3放放电电率）率）/（WhL1）比功率（比功率（80% DOD/30

8、s）/（Wkg-1）功率密度功率密度/（WL-1）使用寿命（年）使用寿命（年）循循环环寿命（寿命（80% DOD）/次次价格（价格（US$kW-1h-1）工作温度工作温度/充充电时间电时间/h快速充快速充电时间电时间（40%80 SOC）/h80（期望达到（期望达到100）135150（期望达到（期望达到200）2505600150-306560.25200300400600101 000100-408536辅辅助目助目标标效率（效率（C/3放放电电，6h充充电电）/%自放自放电电/%维护维护误误用用电电阻阻热损热损耗（高温耗（高温电电池）池）/（W/kW-1h-1）7515（48h）免免维护

9、维护允允许许3.28015（月）（月）免免维护维护允允许许3.2注：注：DOD放放电电深度；深度；SOC+荷荷电电状状态态第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理*汽车拖拉机学课件8第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 蓄电池的基本组成为电池单体，多个电池单体串联组成蓄蓄电池的基本组成为电池单体，多个电池单体串联组成蓄电池。电池正极和负极都浸在电解液中。放电时，负极发生氧化电池。电池正极和负极都浸在电解液中。放电时，负极发生氧化反应向外电路释放电子，正极发生还原反应，从外电路得到电子。反应向外电路释放电子，正极发生还原反应，从外电路得到电子。充电时，过程正好相反，负极得到电子发生还原反应

10、，正极失去充电时，过程正好相反，负极得到电子发生还原反应，正极失去电子发生氧化反应。电子发生氧化反应。 可用于电动汽车的蓄电池有铅酸电池、镍基电池、金属空可用于电动汽车的蓄电池有铅酸电池、镍基电池、金属空气电池、气电池、Na-电池、常温锂电池、飞轮电池、超级电容等。电池、常温锂电池、飞轮电池、超级电容等。第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理2、动力蓄电池的基本性能、动力蓄电池的基本性能*汽车拖拉机学课件9第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 特点：特点：技术成熟、价格低廉、良好的大电流输出性能、良好的高低温性技术成熟、价格低廉、良好的大电流输出性能、良好的高低温性能、高能量效率（能、

11、高能量效率（7580）以及多种多样的型号和尺寸等优点。）以及多种多样的型号和尺寸等优点。 单体额定电压单体额定电压2 V，比能量，比能量 35 Wh/kg，能量密度，能量密度70 Wh/L，比功率，比功率200W/kg。采用金属铅作负电极，二氧化铅作正电极，硫酸作电解液，电化学。采用金属铅作负电极，二氧化铅作正电极，硫酸作电解液，电化学反应式为：反应式为： 铅酸电池的开路电压仅与硫酸浓度有关，而与电池中的铅、二氧化铅以铅酸电池的开路电压仅与硫酸浓度有关，而与电池中的铅、二氧化铅以及硫酸铅的量无关。电池单体电压及硫酸铅的量无关。电池单体电压E0为：为：式中：式中： 为硫酸浓度（为硫酸浓度（kg/

12、L）第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理、动力蓄电池的工作原理 （1）铅酸电池）铅酸电池*汽车拖拉机学课件10第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 在蓄电池充放电过程中电压不为常数，电池开路电压也受环境温度的在蓄电池充放电过程中电压不为常数，电池开路电压也受环境温度的影响。以中等放电率放电时截止电压取影响。以中等放电率放电时截止电压取1.75 V，以极高放电率放电时截止，以极高放电率放电时截止电压可取电压可取 1.0 V。充电时，充电电流应作适当的控制以维持电池充电电压。充电时，充电电流应作适当的控制以维持电池充电电压低于冒气电压（约为低于冒气电压（约为2.4

13、V），否则，就会出现过充电反应，电解水生成氢），否则，就会出现过充电反应，电解水生成氢气和氧气，使电解液失去水分。气和氧气，使电解液失去水分。 缺点：缺点：铅酸电池的比能量和能量密度都比较低、自放电率较高、循环铅酸电池的比能量和能量密度都比较低、自放电率较高、循环寿命短、酸蚀电极而不便于长期储存等。寿命短、酸蚀电极而不便于长期储存等。 综合各项指标，铅酸电池是目前电动汽车最具吸引力的能量源选择方案。综合各项指标，铅酸电池是目前电动汽车最具吸引力的能量源选择方案。 第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理、动力蓄电池的工作原理 （1）铅酸电池）铅酸电池*汽车拖拉

14、机学课件11第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车镍基电池有镍基电池有 Ni-Cd、Ni-Zn、Ni-MH等。等。 Ni-MH电池于电池于1992年投年投放市场，被认为是满足电动放市场，被认为是满足电动汽车使用近期目标的较理想汽车使用近期目标的较理想能量源。能量源。 Ni-MH电池使用了氢，电池使用了氢，氢吸附于金属氢化物中并作氢吸附于金属氢化物中并作为负极活性物质。在镍基电为负极活性物质。在镍基电池中具有较高的比能量以及池中具有较高的比能量以及无毒性、无致癌物质等特点。无毒性、无致癌物质等特点。 Ni-MH电池充放电原理图电池充放电原理图第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄

15、电池的工作原理、动力蓄电池的工作原理 （2）镍基电池）镍基电池*汽车拖拉机学课件12第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 Ni-MH电池单体额定电压电池单体额定电压1.2 V、比能量、比能量65Wh/kg、能量密度、能量密度 150 Wh/L、比功率比功率200 W/kg。电极活性物质为负极的金属氢化物和正极的。电极活性物质为负极的金属氢化物和正极的NiOOH，金，金属氢化物能够在电池充放电时释放和吸收氢气，碱性氢氧化钾溶液是电解液属氢化物能够在电池充放电时释放和吸收氢气，碱性氢氧化钾溶液是电解液的主要成分，电化学反应方程式为：的主要成分，电化学反应方程式为： 优点：优点：高于其他任何镍基电池的比

16、能量和能量密度、优良的环保特高于其他任何镍基电池的比能量和能量密度、优良的环保特性（无镉）、平坦的放电曲线和快速充电性能等。性（无镉）、平坦的放电曲线和快速充电性能等。 缺点：缺点：初始成本高，而且还有记忆效应和充电发热等问题。初始成本高，而且还有记忆效应和充电发热等问题。第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理、动力蓄电池的工作原理 （2）镍基电池）镍基电池*汽车拖拉机学课件13第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 金属空气电池采用金属负电极和空气正电极，具有电力充电和机械充金属空气电池采用金属负电极和空气正电极，具有电力充电和机械充电两种可选方案。电两种可选方

17、案。 优点：优点：高比能量和能量密度（高比能量和能量密度（Al 空气电池高达空气电池高达600Wh/kg和和400 Wh/L）、低价格（采用了常用金属材料和空气）、良好的环保设计、平坦）、低价格（采用了常用金属材料和空气）、良好的环保设计、平坦的放电曲线以及与负载和工作温度无关的容量特性。的放电曲线以及与负载和工作温度无关的容量特性。 缺点：缺点：比功率低、工作温度范围有限、空气中的二氧化碳溶于水生成比功率低、工作温度范围有限、空气中的二氧化碳溶于水生成碳酸中和碱性电解液并释放氢气等。碳酸中和碱性电解液并释放氢气等。 第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理、

18、动力蓄电池的工作原理 （3）金属空气电池）金属空气电池*汽车拖拉机学课件14第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车Zn空气电池空气电池 电力充电方式的电力充电方式的Zn空气电池空气电池额定工作电压为额定工作电压为1.2V、比能量为、比能量为 180Wh/kg、能量密度为能量密度为160Wh/L、比功率为、比功率为 95W/kg。负电极为金属锌粒，正电极为空。负电极为金属锌粒，正电极为空气中的氧气，电解液为氢氧化钾溶液，电池的化学反应方程式为：气中的氧气，电解液为氢氧化钾溶液，电池的化学反应方程式为： 放电时，锌粒被氧化生成锌酸盐溶于电解液中并形成氧化锌，充电时，放电时，锌粒被氧化生成锌酸盐溶于电解液

19、中并形成氧化锌，充电时，反应过程正好相反。但是在充、放电过程中，锌电极的形状会变化。反应过程正好相反。但是在充、放电过程中，锌电极的形状会变化。 机械充电式的机械充电式的Zn空气电池空气电池避免了使用双极空气电极和锌电极在充放电循避免了使用双极空气电极和锌电极在充放电循环中出现的形状改变问题，其具有相对较高的比能量（环中出现的形状改变问题，其具有相对较高的比能量（230 Wh/kg）和比功）和比功率（率（105W/kg）。）。第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理、动力蓄电池的工作原理 （3）金属空气电池）金属空气电池*汽车拖拉机学课件15第2课 蓄电池与燃

20、料电池电动汽车 Al空气电池的额定电压为空气电池的额定电压为1.4V，电解液可以是盐溶液或氢氧化钾溶液，电解液可以是盐溶液或氢氧化钾溶液。机械充电式。机械充电式Al空气电池的放电反应方程式为：空气电池的放电反应方程式为：缺点：缺点：比功率极低，很少单独用作电动汽车的能量源。比功率极低，很少单独用作电动汽车的能量源。 为利用为利用Al空气电池高的比能量和能量密度，在电动汽车上通常与其他空气电池高的比能量和能量密度，在电动汽车上通常与其他类型的充电电池组合作为动力源，用于延长车辆续驶里程。类型的充电电池组合作为动力源，用于延长车辆续驶里程。优点：优点：比能量和能量密度均很高。比能量和能量密度均很高

21、。Al空气电池空气电池第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理、动力蓄电池的工作原理 （3）金属空气电池）金属空气电池*汽车拖拉机学课件16第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 Na-电池技术包括基于电池技术包括基于Na/S和和Na/NiCl2化合物的两种设计化合物的两种设计。 Na/S电池电池的工作温度范围的工作温度范围300350，单体电池的额定电压，单体电池的额定电压2.0V，比，比能量能量 170 Wh/kg，能量密度，能量密度 250Wh/L，比功率，比功率 390W/kg。活性物质为熔。活性物质为熔铸钠负电极和熔铸钠多硫化合物正电极。陶瓷铸钠负电极和熔

22、铸钠多硫化合物正电极。陶瓷-Al2O3电解液作为离子传电解液作为离子传导媒介和熔铸电极的隔离物，避免了电池的自放电。该电池的电化学反导媒介和熔铸电极的隔离物，避免了电池的自放电。该电池的电化学反应方程式为：应方程式为： 放电时，放电时，Na原子被氧化生成钠离子，钠离子通过电解液的传递与硫原子被氧化生成钠离子，钠离子通过电解液的传递与硫结合生成五硫化钠化合物。五硫化钠化合物又逐渐形成多硫化钠化合物结合生成五硫化钠化合物。五硫化钠化合物又逐渐形成多硫化钠化合物（Na2Sx，其中，其中x=52.7），充电过程正好相反。），充电过程正好相反。 Na/S电池电池第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及

23、工作原理3、动力蓄电池的工作原理、动力蓄电池的工作原理 （4）Na-电池电池*汽车拖拉机学课件17第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 在在Na/NiCl2电池中，活性物质为熔铸电池中，活性物质为熔铸Na负电极和固体镍氯化物正电极。负电极和固体镍氯化物正电极。其电解液除了其电解液除了陶瓷陶瓷-Al2O3外，还有一种贮于正电极室中的辅助电解液外，还有一种贮于正电极室中的辅助电解液-钠铝氯钠铝氯化物。相应的电化学反应方程式为：化物。相应的电化学反应方程式为： 放电时，固态镍氯化物转化为镍金属和氯化钠晶体。放电时，固态镍氯化物转化为镍金属和氯化钠晶体。 Na/NiCl2电池工作温度电池工作温度25035

24、0，电池单体的额定电压，电池单体的额定电压2.5V。比能量可。比能量可达到达到86 Wh/kg、能量密度为、能量密度为149 Wh/L、比功率为、比功率为150 W/kg。 优点：优点：比比Na/S电池具有更高的开路电压、更宽的工作温度范围、更高的电池具有更高的开路电压、更宽的工作温度范围、更高的化学反应物安全性、更加可靠的失效模式、更好的耐冻结化学反应物安全性、更加可靠的失效模式、更好的耐冻结解冻能力。解冻能力。缺点：缺点：成本高、比功率低。成本高、比功率低。Na/NiCl2电池电池第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理、动力蓄电池的工作原理 （4）Na-

25、电池电池*汽车拖拉机学课件18第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 放电时，在负电极生成的锂离子通过电解液放电时，在负电极生成的锂离子通过电解液SPE嵌入正极晶状结构中。嵌入正极晶状结构中。 使用金属锂和过渡金属氧化物（使用金属锂和过渡金属氧化物（MyOz）分别作电池的负极和正极。）分别作电池的负极和正极。MyOz为层状结构，通过锂离子的嵌入和脱嵌产生放电和充电，电解液为固态为层状结构，通过锂离子的嵌入和脱嵌产生放电和充电，电解液为固态的薄层电解液（的薄层电解液（SPE），提高了设计的安全性和灵活性。通常的电化学反应），提高了设计的安全性和灵活性。通常的电化学反应方程式如下：方程式如下： 在在Li

26、聚合物电池中，聚合物电池中，Li/SPE/V6O13电池是最具吸引力的一种。其工作额电池是最具吸引力的一种。其工作额定电压定电压3 V、比能量、比能量 155 Wh/kg、能量密度、能量密度220 Wh/L、比功率、比功率 315 W/kg。同时具有自放电率低（同时具有自放电率低（200注：注：NA没有数据；没有数据；ac/3放放电电率；率；b80%DOD；c机械充机械充电电方式；方式；d仅仅供参考供参考第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理4、EV电池性能参数表电池性能参数表*汽车拖拉机学课件23第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车电电池池类类型型EV使用主要的使用主要的优优缺点缺点

27、发发展潜力展潜力VRLA技技术术成熟、成本低廉、可成熟、成本低廉、可实现实现快速充快速充电电、比功率高、比功率高近期目近期目标标比能量低比能量低潜力巨大潜力巨大Ni-Cd技技术术成熟、可成熟、可实现实现快速充快速充电电、比功率高比功率高近期目近期目标标成本高、比能量低成本高、比能量低潜力大潜力大Ni-Zn比能量高、比功率高、成本低比能量高、比功率高、成本低中期目中期目标标循循环环寿命短寿命短潜力大潜力大Ni-MH比能量高、比功率高、可比能量高、比功率高、可实现实现快速充快速充电电近期目近期目标标成本高成本高潜力巨大潜力巨大Zn/Air机械式充机械式充电电、成本低廉、非常、成本低廉、非常高的比能

28、量高的比能量中期目中期目标标比功率低、不能接受再生能量比功率低、不能接受再生能量潜力巨大潜力巨大电电池池类类型型EV使用主要的使用主要的优优缺点缺点发发展潜力展潜力Al/Air机械式充机械式充电电、成本低、非、成本低、非常高的比常高的比中期目中期目标标非常低的比功率、不能接非常低的比功率、不能接受再生能量受再生能量潜力低潜力低Na/S比能量高、比功率高比能量高、比功率高中期目中期目标标成本高、安全成本高、安全问题问题、需要、需要热热量管理量管理潜力一般潜力一般Na/NiCl2比能量高比能量高中期目中期目标标成本高、需要成本高、需要热热管理系管理系统统潜力大潜力大Li聚合物聚合物非常高的比能量、

29、高的比非常高的比能量、高的比功率功率中期目中期目标标低温性能差低温性能差潜力大潜力大Li-Ion非常高的比能量、非常高非常高的比能量、非常高的比功率的比功率中期目中期目标标成本高成本高潜力巨大潜力巨大第十章 电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理4、EV电池性能参数表电池性能参数表*汽车拖拉机学课件24第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车电动汽车电力驱动系统工作原理电动汽车电力驱动系统工作原理 传感器把测得的数据，传感器把测得的数据，如电流、电压、温度、速度、如电流、电压、温度、速度、转矩以及电磁通等，转变为转矩以及电磁通等，转变为电信号后输送到处理器。处电信号后输送到处理器。处理器信号经过中

30、间电路放大，理器信号经过中间电路放大，驱动功率转换器的半导体元驱动功率转换器的半导体元件，功率转换器动作调节能件，功率转换器动作调节能量流。在驱动和能量再生过量流。在驱动和能量再生过程中，能量源与电动机之间程中，能量源与电动机之间的能源流向是通过功率转换的能源流向是通过功率转换器进行调节的。器进行调节的。 第十章 电动汽车技术三、驱动电机及辅助系统1、电力驱动系统、电力驱动系统*汽车拖拉机学课件25第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 1）需要有）需要有45倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡时的要求；倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡时的要求； 蓄电池电动汽车对驱动电机在负载、技术性能和工作环

31、境等方面有蓄电池电动汽车对驱动电机在负载、技术性能和工作环境等方面有如下要求：如下要求： 2）最高转速要达到在公路上巡航时基速的）最高转速要达到在公路上巡航时基速的45倍；倍； 3）电动机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计；）电动机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计； 4）要求有高的功率密度和好的效率图，从而能够降低车重，延长续）要求有高的功率密度和好的效率图，从而能够降低车重，延长续驶里程；驶里程； 5）为使多电动机协调运行，要求电动汽车驱动电动机可控性高、稳）为使多电动机协调运行，要求电动汽车驱动电动机可控性高、稳态精度高、动态性能好；态精度高、动态性能好； 6）安装于机动车上，处于空

32、间小、温差变化大、振动剧烈的恶劣环境中。）安装于机动车上，处于空间小、温差变化大、振动剧烈的恶劣环境中。第十章 电动汽车技术三、驱动电机及辅助系统2、驱动电动机、驱动电动机*汽车拖拉机学课件26第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车优点：优点：异步电机具有结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转异步电机具有结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，极限转速高等特点。矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，极限转速高等特点。缺点：缺点：异步电机的最大缺点是驱动电路复杂，成本高，相对永磁电机而异步电机的最大缺点是驱动电路复杂，成本高，相对永磁电机而言，异步电机效率和功率

33、密度偏低。言，异步电机效率和功率密度偏低。 异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动明显的优势，因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品（尤其在美国）。汽车驱动系统的主流产品（尤其在美国）。第十章 电动汽车技术2、驱动电动机、驱动电动机 （1）异步电动机驱动系统）异步电动机驱动系统三、驱动电机及辅助系统*汽车拖拉机学课件27第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，无刷永磁同

34、步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围。其低速时常采用矢量具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围。其低速时常采用矢量控制，高速时用弱磁控制。发展前景十分广阔，目前已在国内外多种电控制，高速时用弱磁控制。发展前景十分广阔，目前已在国内外多种电动车辆中获得应用。动车辆中获得应用。 混合式永磁磁阻电机：混合式永磁磁阻电机：即内置式永磁同步电机。该电机在永磁转矩即内置式永磁同步电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，有助于提高电机的过载能力和功率密度，而的基础上迭加了磁阻转矩，有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速，扩大恒功

35、率范围运行。结构灵活，设计自由度大，适且易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。结构灵活，设计自由度大，适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。第十章 电动汽车技术2、驱动电动机、驱动电动机 （2）无刷永磁同步电机驱动系统）无刷永磁同步电机驱动系统三、驱动电机及辅助系统*汽车拖拉机学课件28第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 无位置传感器永磁同步电机驱动系统无位置传感器永磁同步电机驱动系统也是当前永磁同步电机驱动系也是当前永磁同步电机驱动系统研究的一个热点，将成为永磁同步电机驱动系统的发展趋势之一，具统研究的一个热点，将成为永磁同步电机驱动系统的发展趋

36、势之一，具有潜在的竞争优势。有潜在的竞争优势。 永磁转矩电机：永磁转矩电机：即表面凸出式永磁同步电机，相对内置式永磁同步即表面凸出式永磁同步电机，相对内置式永磁同步电机而言，其弱磁调速范围小，功率密度低。该结构电机动态响应快，电机而言，其弱磁调速范围小，功率密度低。该结构电机动态响应快，并可望得到低转矩脉动，适合用作汽车的电子伺服驱动，如汽车电动助并可望得到低转矩脉动，适合用作汽车的电子伺服驱动，如汽车电动助力转向的伺服电机。力转向的伺服电机。第十章 电动汽车技术2、驱动电动机、驱动电动机 （2）无刷永磁同步电机驱动系统）无刷永磁同步电机驱动系统三、驱动电机及辅助系统*汽车拖拉机学课件29第2

37、课 蓄电池与燃料电池电动汽车优点：优点：1）电机结构紧凑牢固，适合于高速运行；）电机结构紧凑牢固，适合于高速运行； 2）驱动电路简单、成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都）驱动电路简单、成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，容易实现四象限控制。比较高，容易实现四象限控制。 3）适合于电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的）适合于电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。机种。缺点：缺点： 1）转矩脉动大，噪声大，功率密度和效率偏低；）转矩脉动大，噪声大，功率密度和效率偏低； 2）要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。因此无）要使用位置传感

38、器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。因此无传感器的传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。也是未来的发展趋势之一。第十章 电动汽车技术2、驱动电动机、驱动电动机 （3）开关磁阻电机（）开关磁阻电机（SRD）三、驱动电机及辅助系统*汽车拖拉机学课件30第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 能量管理系统采集从电动汽车各子系统通过传感器得到的运能量管理系统采集从电动汽车各子系统通过传感器得到的运行数据，完成优化系统能量分配、电池充电方案的选择、蓄电池行数据，完成优化系统能量分配、电池充电方案的选择、蓄电池荷电状态荷电状态 （SOC）的显示、剩余行驶里程的预测、电池动作的监）的显示、剩余行驶里程的预测、电池

39、动作的监控、车内温度及车灯亮度调节、再生制动控制等。控、车内温度及车灯亮度调节、再生制动控制等。第十章 电动汽车技术4、辅助系统、辅助系统 （1）能量管理（）能量管理（EMS）三、驱动电机及辅助系统*汽车拖拉机学课件31第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车第十章 电动汽车技术4、辅助系统、辅助系统 （1）能量管理（）能量管理（EMS）三、驱动电机及辅助系统*汽车拖拉机学课件32第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 再生制动是电动汽车的重要特征之一，在减速制动刹车或者再生制动是电动汽车的重要特征之一，在减速制动刹车或者下坡时将车辆的部分动能转化为电能，转化的电能储存在储存装下坡时将车辆的部分动能转化为电

40、能，转化的电能储存在储存装置中，如各种蓄电池、超级电容或超高速飞轮，最终增加电动汽置中，如各种蓄电池、超级电容或超高速飞轮，最终增加电动汽车的行驶里程。如果储能器已经被完全充满，再生制动就不能实车的行驶里程。如果储能器已经被完全充满，再生制动就不能实现，所需的制动力就只能由常规的制动系统来提供。现，所需的制动力就只能由常规的制动系统来提供。 第十章 电动汽车技术4、辅助系统、辅助系统 （2）制动能量再生）制动能量再生三、驱动电机及辅助系统*汽车拖拉机学课件33第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 驾驶员踩下制动踏板后，驾驶员踩下制动踏板后，电动泵使制动液增压产生所电动泵使制动液增压产生所需的制动力

41、。制动控制与电需的制动力。制动控制与电动机控制协同工作，确定电动机控制协同工作，确定电动汽车上的再生制动力矩和动汽车上的再生制动力矩和前后轮上的液压制动力。再前后轮上的液压制动力。再生制动时，再生制动控制回生制动时，再生制动控制回收制动能量，并且反充到蓄收制动能量，并且反充到蓄电池中。电池中。第十章 电动汽车技术4、辅助系统、辅助系统 （2）制动能量再生）制动能量再生三、驱动电机及辅助系统*汽车拖拉机学课件34第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车燃料电池与蓄电池的区别燃料电池与蓄电池的区别燃料电池的基本原理燃料电池的基本原理 燃料电池装置从本质上说是水电解的一个逆装置，是氢和氧通过电燃料电池装置从

42、本质上说是水电解的一个逆装置，是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。化学反应生成水，并释放出电能。 （1 1）燃料电池是能量转换装置，蓄电池是能量储存装置。）燃料电池是能量转换装置，蓄电池是能量储存装置。 （2 2）燃料电池的放电特性是连续进行的，蓄电池的放电特性是间断）燃料电池的放电特性是连续进行的，蓄电池的放电特性是间断进行的。进行的。第十章 电动汽车技术1、燃料电池、燃料电池四、燃料电池的工作原理、分类和特点*汽车拖拉机学课件35第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 燃料电池通常由三部分燃料电池通常由三部分组成，即阳极、阴极和夹在组成，即阳极、阴极和夹在二者之间的电解质。分别向二者之间

43、的电解质。分别向两个电极供给氢气和氧气，两个电极供给氢气和氧气，通过电极金属的催化作用发通过电极金属的催化作用发生电化学反应，此时在两电生电化学反应，此时在两电极的外电路既有电流产生。极的外电路既有电流产生。 燃料电池的基本工作原理燃料电池的基本工作原理 第十章 电动汽车技术2、燃料电池的工作原理、燃料电池的工作原理四、燃料电池的工作原理、分类和特点*汽车拖拉机学课件36第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 在阳极（又称燃料电极）供给的氢气，在金属的催化作用下生成氢在阳极（又称燃料电极）供给的氢气，在金属的催化作用下生成氢离子（离子（H+）和电子（）和电子（e-），电子（），电子（e-）通过电极的

44、外电路到达阴极。阳）通过电极的外电路到达阴极。阳极的反应如下：极的反应如下： 在阴极（又称氧气电极或空气电极）供给的氧气，在金属的催化作在阴极（又称氧气电极或空气电极）供给的氧气，在金属的催化作用下与通过电解质过来的氢离子（用下与通过电解质过来的氢离子（H+）和通过外电路过来的电子（）和通过外电路过来的电子（e-）发生反应：发生反应：燃料电池的总反应式为：燃料电池的总反应式为：第十章 电动汽车技术2、燃料电池的工作原理、燃料电池的工作原理四、燃料电池的工作原理、分类和特点*汽车拖拉机学课件37第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车根据电解质的种类，可将燃料电池分为几下五种：根据电解质的种类，可将燃料

45、电池分为几下五种：碱性燃料电池（碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）磷酸型燃料电池（磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC） 质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）第十章 电动汽车技术3、燃料电池的分类、燃料电池的分类四、燃料电池的工作原理、分类和特点

46、*汽车拖拉机学课件38第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车（1）效率高）效率高 燃料电池的化学反应将化学能直接转化为电能，燃料电池不是热机，燃料电池的化学反应将化学能直接转化为电能，燃料电池不是热机，因此不受卡诺循环的限制，效率很高。理论上能量效率可接近因此不受卡诺循环的限制，效率很高。理论上能量效率可接近100，目，目前热、电总效率已达前热、电总效率已达80%。（2）排气清洁，对环境污染少）排气清洁，对环境污染少 燃料电池没有燃烧过程，用化学方式直接转换化学能，称为燃料电池没有燃烧过程，用化学方式直接转换化学能，称为“冷燃冷燃烧烧”，所以氢，所以氢/氧燃料电池的产物只有水，没有其他废气排出，属于

47、零排氧燃料电池的产物只有水，没有其他废气排出，属于零排放或接近零排放。放或接近零排放。第十章 电动汽车技术4、燃料电池的特点、燃料电池的特点四、燃料电池的工作原理、分类和特点*汽车拖拉机学课件39第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车（3 3）过载能力强）过载能力强 燃料电池的短时过载能力可达燃料电池的短时过载能力可达200200的额定功率或更大，特别适合汽的额定功率或更大，特别适合汽车的短时加速的特性。车的短时加速的特性。（4 4）构造简单，维护保养方便，容易实现模块化）构造简单，维护保养方便，容易实现模块化 燃料电池容易通过模块化组合，串联、并联，提高输出功率。燃料电池容易通过模块化组合，串联、

48、并联，提高输出功率。（5 5）噪声小、振动少，对机械加工要求不高）噪声小、振动少，对机械加工要求不高 燃料电池属于静态能量转换装置，无运动部件，因此在运行过程中燃料电池属于静态能量转换装置，无运动部件，因此在运行过程中没有噪音，振动很小。没有噪音，振动很小。 第十章 电动汽车技术4、燃料电池的特点、燃料电池的特点四、燃料电池的工作原理、分类和特点*汽车拖拉机学课件40第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车（1）价格高）价格高 目前质子交换膜燃料电池的价格虽然已有所降低，但是要达到目前质子交换膜燃料电池的价格虽然已有所降低，但是要达到30-50美元美元/kW的目标还需要一段时间的努力。的目标还需要一段

49、时间的努力。（2）贵金属催化剂）贵金属催化剂 铂的用量虽然已降低，但是距铂的用量虽然已降低，但是距0.1-0.2mg/ 还有段距离。还有段距离。（3）燃料的限制）燃料的限制 目前车用的燃料电池主要是质子交换膜燃料电池，它们只能用纯氢作目前车用的燃料电池主要是质子交换膜燃料电池，它们只能用纯氢作燃料。燃料。 第十章 电动汽车技术4、燃料电池的缺点、燃料电池的缺点四、燃料电池的工作原理、分类和特点*汽车拖拉机学课件41第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 （1）燃料电池的比能量不低于）燃料电池的比能量不低于150200Wh /kg, 比功率不低于比功率不低于300400 W/kg。要求达到或超过美国先

50、进电池联合体（。要求达到或超过美国先进电池联合体（USABC）所提出的电）所提出的电池性能和使用寿命的指标。池性能和使用寿命的指标。 （2）可以在）可以在- 20 的条件下起动和工作的条件下起动和工作, 有可靠的安全性和密封性有可靠的安全性和密封性, 不不会发生燃料气体的结冰和燃料气体的泄漏。会发生燃料气体的结冰和燃料气体的泄漏。 （3）各种结构件有足够的强度和可靠性）各种结构件有足够的强度和可靠性, 可以在负荷变化情况下正常可以在负荷变化情况下正常运转。并能够耐受运转。并能够耐受FCEV行驶时的振动和冲击。行驶时的振动和冲击。第十章 电动汽车技术5、燃料电池电动汽车对燃料电池的基本要求、燃料

51、电池电动汽车对燃料电池的基本要求四、燃料电池的工作原理、分类和特点*汽车拖拉机学课件42第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 （4）FCEV除排放达到零污染的要求外除排放达到零污染的要求外, 动力性能要求基本达到或接动力性能要求基本达到或接近内燃机汽车的动力性能的水平近内燃机汽车的动力性能的水平, 性能稳定可靠。性能稳定可靠。 （5）各种辅助技术装备的外形尺寸和辅助技术装备的质量应尽可能地）各种辅助技术装备的外形尺寸和辅助技术装备的质量应尽可能地减小减小, 以符合以符合FCEV的装车要求。的装车要求。 （6）燃料充添方便、迅速）燃料充添方便、迅速, 燃料电池能够方便地进行电极和催化剂的燃料电池能够

52、方便地进行电极和催化剂的更换和修理。更换和修理。 （7）所配置的辅助电源）所配置的辅助电源, 应能满足提供起动电能和储存制动反馈电能应能满足提供起动电能和储存制动反馈电能的要求。的要求。 第十章 电动汽车技术5、燃料电池电动汽车对燃料电池的基本要求、燃料电池电动汽车对燃料电池的基本要求四、燃料电池的工作原理、分类和特点*汽车拖拉机学课件43第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车1-前部前部 2-电马达电马达 3-差速器差速器 4-操作指令操作指令 5-整流器整流器6-控制器控制器 7-DC/DC转换器转换器 8-燃料电池燃料电池 9-贮氢器贮氢器 10-蓄电池蓄电池氢燃料氢燃料FCEV系统系统 第十

53、章 电动汽车技术五、燃料电池电动汽车的基本构造*汽车拖拉机学课件44第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 燃料电池车的动力系统与混合动力车大体相似，主要由控制系统、驱燃料电池车的动力系统与混合动力车大体相似，主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成，其中辅助动力为燃料电池。动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成，其中辅助动力为燃料电池。 在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，燃料电池动力系统不需要工作；辆要求，燃料电池动力系统不需要工作；电池电量低于电池电量低于60时，燃料电池动力系统起动；时

54、，燃料电池动力系统起动； 当车辆能量需求较大时，燃料电池动力系统与蓄电池组同时为驱动系当车辆能量需求较大时，燃料电池动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量；统提供能量； 当车辆能量需求较小时，燃料电池动力系统为驱动系统提供能量的同当车辆能量需求较小时，燃料电池动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。时，还给蓄电池组进行充电。第十章 电动汽车技术五、燃料电池电动汽车的基本构造*汽车拖拉机学课件45第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 1 1、介绍了蓄电池电动汽车的结构、驱动类型、工作原理、介绍了蓄电池电动汽车的结构、驱动类型、工作原理和辅助系统。和辅助系统。 2 2、介绍了动力蓄电

55、池和驱动电机的类型、工作原理及其、介绍了动力蓄电池和驱动电机的类型、工作原理及其优缺点。优缺点。 3 3、介绍了燃料电池的工作原理、分类及其优缺点。、介绍了燃料电池的工作原理、分类及其优缺点。 4 4、介绍了燃料电池电动汽车的工作过程。、介绍了燃料电池电动汽车的工作过程。小 结第十章 电动汽车技术*汽车拖拉机学课件46第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车 1 1、蓄电池电动汽车由哪些部分构成？其驱动形式有哪些？、蓄电池电动汽车由哪些部分构成？其驱动形式有哪些？ 2 2、蓄电池电动汽车的动力蓄电池有哪几种？各有何优缺点？、蓄电池电动汽车的动力蓄电池有哪几种？各有何优缺点？ 3 3、简述蓄电池电动汽车的驱动电机的优缺点。、简述蓄电池电动汽车的驱动电机的优缺点。 4 4、简述燃料电池的工作原理。、简述燃料电池的工作原理。 5 5、燃料电池有哪些类型？、燃料电池有哪些类型？ 6 6、燃料电池电动汽车由哪几部分构成？、燃料电池电动汽车由哪几部分构成？思考题第十章 电动汽车技术*汽车拖拉机学课件47第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车*汽车拖拉机学课件48本节课内容结束第十章 电动汽车技术第2课 蓄电池与燃料电池电动汽车