電動汽車技術電動汽車的基本結構與工作原理2.1電動汽車分類2.2純電動汽車2.3混合動力電動汽車2.4燃料電池電動汽車2.5本章小結主要內容2.1電動汽車分類2.2純電動汽車2.3混合動力電動汽車2.4燃料電池電動汽車2.5本章小結主要內容2.1電動汽車分類

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鄭殿宇電動汽車的定義：是指以車載動力電池為能量源，全部或部分由電動機驅動，符合道路交通、安全法規等各項要求的汽車。電動汽車(ElectricVehicle-EV)純電動汽車（BatteryElectricVehicle-BEV）混合動力電動汽車（HybridElectricVehicle-HEV）燃料電池電動汽車(FuelCellElectricVehicle-FCEV）普通插電串聯式混合動力電動汽車（SeriesHybridElectricVehicle-SHEV）并聯式混合動力電動汽車（ParallelHybridElectricVehicle-PHEV）混聯式混合動力電動汽車（Parallel-SeriesHybridElectricVehicle-PSHEV）普通插電普通插電BEVHEVFCEV2.1電動汽車分類2.2純電動汽車2.3混合動力電動汽車2.4燃料電池電動汽車2.5本章小結主要內容2.2純電動汽車

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鄭殿宇一、純電動汽車定義純電動汽車是指以車載電源為動力，用電動機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規等各項要求的汽車。純電動汽車主要系統組成機械子系統電力電子子系統信息子系統底盤和車身驅動結構裝置變速器等動力網電機及控制器能源系統信號控制器汽車監控系統純電動汽車關鍵技術動力電池電動機控制車身底盤設計能量管理系統驅動電動機2.2純電動汽車

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鄭殿宇二、電驅動的結構形式圖2-1純電動汽車驅動系統布置常規形式圖2-2固定速比減速器圖2-3無傳動裝置驅動形式圖2-4雙電機-固定速比變速器一體化驅動系統B：電池I：電機控制器D：差速器G：變速器M：電機FG：固定速比減速器

2.2純電動汽車

鄭殿宇輪轂電機驅動系統舍棄驅動電機和驅動輪之間的機械傳動裝置之后，輪轂電機的外轉子直接連接在驅動輪上。驅動電機轉速控制與車輪轉速控制融為一體，構成了所謂的雙輪轂電機。圖2-5雙輪轂電機驅動系統圖2-6輪轂電機結構圖內轉子型外轉子型圖2-7兩種輪轂電機驅動方式內部示意圖2.2純電動汽車

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鄭殿宇四輪轂電機驅動系統圖2-8四輪轂電機驅動系統優點：1.車輪可以實現±180°的旋轉、橫向行駛、任意旋轉行駛。2.由于可以進行各車輪任意轉矩控制，所以使得防滑控制、制動控制等多種性能得以發揮。3.輪轂電機的大型化較難，但是總功率依靠四臺電機分擔，可使每臺電機的容量變小。輪轂電機及安裝四輪獨立控制的電機和逆變器的驅動系統，這樣可以使結構更加緊湊，同時能夠使車輛達到前所未有的機動性。2.2純電動汽車

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鄭殿宇儲能裝置的結構形式：動力電池系統是純電動汽車能量的唯一來源，也是混合動力汽車、燃料電池汽車的主要能量來源。電動汽車能源裝置布置形式唯一能量源兩種不同的動力電池高比功率（如功率型鋰離子電池、超級電容器）高比能量（如能量型鋰離子電池、鋅空氣電池）（如圖2-1至2-8的結構所示）圖2-9兩種儲能裝置的結構形式目前還可以利用燃料電池、超級電容器和飛輪等共同作為電動汽車的新型儲能裝置，共同提高電動汽車的續駛里程或者整車的動力性能，其結構形式與圖2-9類似。（如圖2-9）2.1電動汽車分類2.2純電動汽車2.3混合動力電動汽車2.4燃料電池電動汽車2.5本章小結主要內容2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇混合動力車輛定義：能量與功率傳送路線具有如下特點的車輛稱為混合動力車輛1推進車輛運動能量，至少來自兩種不同的能量轉換裝置（例如內燃機、燃氣渦輪、斯特林發動機、電機、液壓馬達、燃料電池等）；這些能量轉換裝置至少要從兩種不同的能量儲存裝置（例如燃油箱、蓄電池、飛輪、超級電容、高壓儲氫罐等）吸取能量；從儲能裝置流向車輪的這些通道，至少有一條是可逆的（既可放出能量、也可吸收能量），并至少還有一條是不可逆的；如果可逆的儲能裝置供應的是電能時，則稱為混合動力電動車。234優點缺點1.重量較大3.電氣效率損失大2.存在車輛某些性能降低的可能4.結構復雜，成本高1.車載動力總成可以更有效地工作2.因為車上的另一套儲能裝置可以提供一部分功率，所以車載動力總成可以更輕更小。3.有多種車載動力總成4.再生制動2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇混合動力電動汽車的分類機械傳遞路徑電功率傳遞路徑機械傳遞路徑+電功率傳遞路徑：發動機和傳動系統：能量存儲系統、發電機、驅動電機和傳動系統按存儲、動力傳遞至車輪的能量流的路徑動力系統組件布置串聯、并聯和串并聯電池-電機與發動機的搭配比例微混合系統

“

啟-停混合（Start-Stop）”輕混合系統

輕混合系統節油可達10%-15%全混合系統

不同試驗工況的節油達30%-50%可外接電源充電混合動力系統（PHEV）2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇串聯混合動力電動汽車結構及工作原理定義：車輛提供驅動力的通路只有電機一條，沒有分支，故稱作串聯混合動力。圖2-10串聯混合動力系統構型發動機/發電機構成的發電單元又稱輔助動力單元（AuxliaryPowerUnit，APU）發動機：汽油機、柴油機、燃氣發動機等發電機：永磁同步發電機、電勵磁同步發電機等工作方式純電動驅動發動機/電機聯合驅動制動能量回收停車充電等工作模式2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇純電動驅動模式當車輛低速行駛、倒車或蠕行時，電機需求功率很小；當電池荷電狀態（SOC）很高時，系統進入純電動模式如圖2-11所示。發動機停機，電機所需的能量完全由電池提供。當APU輸出功率小于電機需求功率時，不足的電能由電池提供，電池放電；反之，當APU輸出功率大于電機需求功率時，多余的電能儲存于電池中。聯合工作模式2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇制動能量回收模式當車輛進行制動時，電機可工作在發電模式，由車輪向電機提供制動轉矩，將車輛的動能轉換為電能，存儲于電池中停車充電模式當車輛處于停止狀態，特別是由于交通原因導致的臨時停車時，如果電池SOC過低，APU系統輸出電能為電池充電，2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇串聯式混合動力電動車優點1.發動機具有良好的經濟性和低的排放性能2.發動機與電機之間無機械連接，整車的結構布置自由度較大3.由于電機的功率大，制動能量回收的潛力大，從而提高能量效率缺點1.電能與機械能轉化，還有電池的充電和放電都有能量損失2.電機是唯一驅動汽車行駛的動力裝置，因此，電機的功率要足夠大。電機和蓄電池的體積和重量都比較大，使得整車重量較大根據以上特點，串聯混合動力電動車更適合用于市內低速運行的工況，而不適合高速公路行駛工況。2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇并聯混合動力電動汽車結構及工作原理結構：根據混合點的位置不同，并聯構型又可細分為離合器前混合型（構型1）、離合器后混合型（構型2）、變速箱后混合（構型3）、雙離合器型（構型4）和道路混合型（TTR，ThroughtheRoad）（構型5）。并聯構型系統中車輛驅動力通常主要由發動機提供，電機起到輔助作用。工作模式發動機快速啟動/停止模式純電動模式聯合工作模式制動能量回收模式2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇發動機快速啟動/停止模式通過混合動力電機可以將發動機在短時間內（<1s）快速啟動，從而實現發動機的快速啟動/停止。在車輛由于交通等原因臨時停車時，發動機迅速停止，取消了原有的怠速狀態，節省了怠速狀態中的燃油消耗和有害氣體排放。當檢測到司機發出的車輛起步意圖后，發動機被迅速啟動，驅動車輛前進。純電動模式當汽車起步蠕行、低速行駛或倒車時，發動機前的離合器分離，發動機不工作，電機為車輛提供驅動力，電池放電。此模式使得發動機在小負荷時可以完全停止旋轉，減少了燃油消耗。2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇聯合工作模式汽車正常行駛時系統的主要工作模式，各個離合器均處于結合狀態。發動機和電機聯合工作。當車輛起步加速或上坡時，車輛需求功率較大，電機處于電動模式輸出扭矩，對系統進行功率補償，蓄電池放電。當汽車處于中低速巡航或電池SOC很低時，電機處于發電模式將發動機輸出的一部分扭矩轉變為電能為電池充電。2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇制動能量回收模式當車輛減速制動時，電機工作在發電模式，將車輛機械能進行回收，轉變為電能為電池充電。發動機和混合點間有離合器的構型可以通過分離該離合器使發動機停轉，減小由于倒拖發動機造成的摩擦損失，以便回收更多的能量。對于發動機和混合點間沒有離合器的系統構型，發動機停止噴油，工作在斷油狀態，減小燃油消耗。2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇發動機的運行工況會受車輛行駛工況的影響，車輛在行駛工況頻繁變化的情況下運行時，發動機有可能不在其最佳工作區域內運行并聯式混合動力電動汽車具有如下特點：發動機通過機械傳動機構直接驅動汽車，無機械能-電能轉換損失，因此發動機輸出能量的利用率相對較高當電機僅起功率“調峰”作用時，電機、發動機的功率可適當減小，電池的容量也可減小在繁華的市區低速行駛時，并聯式混合動力電動汽車也可通過關閉發動機，以純電動方式運行實現零排放行駛，但這就需要有功率足夠大的電機，所需電池容量也相應要大發動機與電機并聯驅動時，還需要動力復合裝置，因此，并聯驅動系統的傳動機構較為復雜123452.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇混聯混合動力電動汽車結構及工作原理特征：（1）至少包含兩個電機；

（2）系統能量混合方式同時具備并聯混合和串聯混合特征。電機與傳動系耦合方式構型1（豐田構型）通過1個行星齒輪實現了動力分配和無級變速功能。構型2（雙并聯構型CombinedHybrid）通過雙并聯結構和一個離合器構成能量的混聯通路。構型3（GM/DC/BMW雙模式構型）則利用自動變速器中的兩個行星齒輪組與電機的不同耦合連接，同時實現了類似構型1（3-1模式：輸入分配inputsplit）和構型2（3-2模式：混合分配compoundsplit）的兩種工作模式。2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇純電動模式聯合工作模式當汽車起步蠕行、低速行駛或倒車時，系統中發動機停機，車輛由電機以純電動方式帶動行駛，如圖2-21所示。構型1中的行星齒輪和發電機處于空轉狀態。構型2中的離合器分離。雙模式構型3工作于3-1模式，行星齒輪組處于空轉狀態，離合器分離。在構型1中，發動機一部分動力直接輸出至車輪，另一部分動力通過發電機--電機輸出至車輪。在構型2中，離合器處于結合狀態，發動機主要動力通過機械方式輸出至車輪，兩個電機可以根據發動機工作狀態決定驅動/發電，優化系統效率。對于雙模式構型3，其3-1模式適合于行駛于頻繁行駛/停車的低速低負荷城市工況，工作方式與構型1類似。其3-2模式適合于高速高負荷的高速路工況，工作方式類似于構型2。2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇制動能量回收模式停車充電模式混聯構型具備停車充電功能，構型1中的行星齒輪輸出軸不輸出能量，能量通過發動機--發電機進入電池中。構型2中離合器分離即可實現停車充電。構型3工作于3-1模式，行星齒輪組不向外輸出能量。當車輛制動時，行星齒輪處于空轉狀態，離合器分離，發動機停機。電機將車輛機械能轉換為電能，儲存在電池中2.3混合動力電動汽車

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鄭殿宇插電式混合動力電動汽車結構及工作原理

（Plug-inHEV，簡稱PHEV）混聯式PHEV串聯式PHEV并聯式PHEV：串聯式PHEV與并聯式PHEV綜合工作模式PHEV結構電量消耗（ChargeDepleting,CD）階段電量保持（ChargeSustaining,CS）階段2.1電動汽車分類2.2純電動汽車2.3混合動力電動汽車2.4燃料電池電動汽車2.5本章小結主要內容2.4燃料電池電動汽車

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鄭殿宇燃料電池電動汽車電池的工作原理是將氫氣和氧氣通過電極反應直接轉化成電能，最大的特點是由于反應的過程不涉及燃燒和熱機做功，因此能量轉換效率不受卡諾循環的限制可高達60%~70%，實際使用效率則是普通內燃機的2倍左右。電池類型AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC陽極Pt/NiPt/CNi/AlNi/ZrO2Pt/C陰極Pt/AgPt/CLi/NiOSr/LaMnO3Pt/C燃料純氫天然氣、氫天然氣、煤氣天然氣、煤氣純氫電解質KOHH3PO4Li2/K2CO3

YSZ

聚合物腐蝕性強強強弱無工作溫度（℃）約100約200600~700800~1000約100比功率（W/kg）35~105120~18030~4015~20340~3000啟動時間幾分鐘幾分鐘>10分鐘>10分鐘<5S壽命水平（h）100001500013000700010000應用方向航空航天電站電站電站移動電源、電動汽車、航空航天等幾種典型燃料電池比較2.4燃料電池電動汽車

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鄭殿宇①燃料電池發動機（FCE）：主要由燃料電池堆、進氣系統、排水系統、供氫系統、冷卻系統、電堆控制單元和監控系統組成。此為主要動力源。②動力蓄電池組：輔助動力源。③電流變換器：交直流變換。④動力總成：傳遞動力、換檔。⑤氫氣系統：提供氫氣。⑥動力控制單元：動力控制、故障診斷2.4燃料電池電動汽車

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鄭殿宇質子交換膜燃料電池結構及工作原理示意圖質子交換膜燃料電池（PEMFC）以氫氣為燃料，氫氣在陽極催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子（即質子）并釋放出帶負電的電子；氫離子穿過質子交換膜到達陰極，電子則通過外電路到達陰極，電子在外電路形成電流；在電池另