电动汽车技术.docx

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电动汽车技术

武汉工程大学邮电与信息工程学院

毕业设计（论文）说明书

论文题目电动汽车技术

摘要

我国在研发电动汽车方面，投入了大量人力、物力和财力，并取得一系列科研成果。

但迄今为止，这些研究成果真正转为产业化的项目并不多。

随着全球能源危机不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染，全球气温上升的危害加剧。

各国政府及汽车生产企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这两个技术难点的最佳途径。

随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，为了解决这些不断出现问题,发展电动汽车将是最佳的途径。

关键词：

电动汽车；发展趋势

Abstract

Inthedevelopmentofelectricvehicles,Chinahasinvestedalotofmanpower,materialandfinancialresources,andmade​​aseriesofscientificresearch.Sofar,thesefindingsreallyintotheprojectofindustrialization.Withthedeepeningglobalenergycrisis,oilresourcesaredepletingandairpollution,thehazardsofglobalwarmingintensify.Generalawarenessofgovernmentsandcarmanufacturerstoenergyconservationandemissionreductionisthemaindirectionoffutureautomotivetechnologydevelopment,developmentofelectricvehicleswillsolvethesetwothebestwaytotechnicaldifficulties.Withthedeepeningoftheglobalenergycrisis,oilresourcesaredepletingandairpollution,thedangersofglobalwarmingintensifies,inordertosolvetheseemergingproblems,thedevelopmentofelectricvehiclesisthebestway.

第一章绪论

1.1本课题的研究意义：

我国在研发电动汽车方面，投入了大量人力、物力和财力，并取得一系列科研成果。

但迄今为止，这些研究成果真正转为产业化的项目并不多。

随着全球能源危机不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染，全球气温上升的危害加剧。

各国政府及汽车生产企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这两个技术难点的最佳途径。

随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，为了解决这些不断出现问题,发展电动汽车将是最佳的途径。

纯电动汽车以电动机代替燃油机，噪音低、无污染，电动机、油料及传动系统少占的空间和重量可用以补偿电池的需求；燃料电池汽车具有传统内燃机车所不具备的高效节能环保特性，所以有广阔的发展前景；混合动力汽车的起动控制参数的优化匹配，降低了起动污染物的排放，提高了燃油的经济性。

这些好的优点确定了电动汽车在未来发展中的重要位置。

1.2本课题的基本内容简介：

上世纪70年代，全球三次石油危机爆发后，各跨国汽车公司开始研发各种类型的电动汽车。

论文从技术和经济两个角度出发，对纯电动汽车、混合动力车、燃料电池汽车以及动力电池、电机等关键技术，进行研究和论述，展望电动汽车的未来发展前景。

在目前国内l价格的基础上，可粗略计算出各种提供电能技术的价格比。

即电网供电∶柴油机供电∶铅酸电池供电∶镍氢电池供电∶锂离子电池供电∶燃料电池供电=1∶6∶6∶19.2∶20.4∶80。

这从一个侧面反映了各种供电方式距离电动汽车市场的远近。

当然，随着石油价格的上升、电池技术的进步，这些比例关系将发生很大的变化；由于铅酸电池的供电成本大体和柴油机供电相等，因此它仍然是低端电动车市场的主要动力电池。

磷酸锂离子电池技术进步较快，它最有可能成为铅酸电池的竞争对手，率先成为高端电动车市场的主要动力电池；由于混合动力汽车仅需装用纯电动汽车1/10的动力电池容量，整车有较为接近市场的性/价比，因此它仍将是近期实现产业化的主要电动汽车种类。

考虑到我国国情，目前仍应大力推广使用混合动力大客车，进一步降低制造成本，减少油耗和排放；在锂离子电池性/价比进一步提升后，外接充电式混合动力汽车有望成为理想的上班族乘用车，它可大幅度减少油耗和降低排放，但是由于较高的价格，它可能首先在发达国家得到推广应用；燃料电池虽然是理想的清洁能源，但是目前它的性/价比太低，要达到可以进入市场的性/价比，可说是任重而道远，必须从基础材料和基本理论上有重大突破，才可能进入汽车市场；电动轮已成为国外电力驱动技术的重要发展趋势，并已在军用越野车上得到实际应用，证实它在技术/经济上的重要优势，我国虽也有不少单位研发，但始终未进入“863”计划，技术进步缓慢，因此有必要奋起直追，尽快掌握这一先进的电驱动技术。

第二章电动车论

2.1电动车轮的发展

1.背景

随着汽车保有量的不断增加和能源的日益紧缺，人们对环境保护的意识逐步增强，汽车在带给人类方便、快捷、舒适的现代生活的同时，也引起了日益严重的环境污染和不断发动机在现代汽车动力系统中的统治地位也逐渐被动摇。

目前，电动车作为唯一能达到零排放的机动车越来越受到人们的欢迎，电动车轮技术作为电动车的一个重要的发展方向，以其独特的技术优势越来越受到汽车开发商的关注。

电动车轮作为独立的驱动部件，集电动机传动机构、制动器等于轮毂，是一种独特的驱动单元。

使用电动车轮技术的电动车普遍具有控制灵活、结构紧凑、绿色环保、传动效率高等优点。

2.电动车轮驱动技术的发展

最早的电动车轮结构产生在20世纪50年代初，是由美国人罗伯特发明的，其结构如图1所示，该轮毂装置中融合了电动机、减速机构、制动器。

电动机的输出力矩传递到减速机构的输入轴，经减速后，增大的力矩传递给轮辋，最后驱动车轮旋转，这种结构最早应用在大型矿用自卸车上，是美国通用电气公司于1968年推出的。

到20世纪70年代，我国也开始研制大型矿用电动车轮自卸车，自1977年湖南湘潭电机厂研制成功第一台电动车轮自卸车样车以后，又先后生产了一系列电动车轮自卸车，目前我国的电动车轮自卸车性能日臻完善，某些型号也达到了国际领先水平。

20世纪90年代初期，清华大学轻型电动车科研组首先将电动车轮的思想勇勇于电动自行车的研制，并研制出半轴式鸟笼结构的电动轮毂，因此成为世界上最早将电动车轮传动结构应用于电动自行车的单位。

这种电动轮毂采用了告诉有刷电机、减速齿轮和离合器。

半轴式鸟笼结构，就是将中心轴，即自行车轮轴的中段膨胀成一个“鸟笼”，轴也就分为左、右两段，即左、右半轴式结构，鸟笼中放置盘式电机。

这种“鸟笼式”的特点是把电机很好地保护了起来，除工作力矩外，没有任何外力会作用到电机上，其结构见图2。

整个轮毂的内部结构非常精巧、紧凑，总重35kg，体积为Φ190mm×110mm。

电动车轮电动汽车被认为具有集中电机驱动电动车喝传统电动车无法比拟的优点，是未来燃料电池汽车高端车辆的理想选择，世界上多家汽车公司和研究机构都在进行电动车轮电动车的研究。

自1991年日本人在美国申请专利以后，日本在电动汽车的电动车轮研究方面一直处于领先地位。

2.2电动车轮类型

根据电动车轮的驱动类型，可以将电动车轮分为减速驱动型和直接驱动型。

减速驱动型电动车轮多采用内转子高速电动机，这种电机一般转速高、转矩小，为了满足车轮的实际转速要求，通常需匹配一个相应的减速机构。

减速机构一般安装在电动机与车轮之间，起到减速和增矩的作用，以保证电动车在低速时能获得足够大的转矩。

减速驱动型电动车轮具有比功率较高、质量轻、效率高、噪声小、成本低等优点，但因为电动机转速较高，必须用减速机构降低转速以获得较大的转矩，因此作为非簧载质量的整个电动轮的质量依然比传统的内燃机汽车重。

减速机构多为行星齿轮减速装置，其结构紧凑、减速比较大，也有采用外啮合圆柱齿轮减速装置的，但轴向尺寸过大，径向质量分布不均。

为了减少电动车轮的非簧载质量，出现了直接驱动型电动车轮，这种电动车轮去掉了减速驱动型电动车轮中的减速机构，大大减少了非簧载质量，也简化了整个电动车轮的结构。

这种电动车轮多采用外转子电动机，直接将外转子安装在车轮的轮辋上驱动车轮转动。

然而电动车在起步时一般需要较大的转矩，也就是说安装在直接驱动型电动轮中的电动机，必须具有较好的转矩特性，能在低速时提供大转矩。

另外，还必须具有很宽的转矩和转速调节范围。

直接驱动型电动车轮中采用的外转子电动机结构简单，轴向尺寸小，能够在很宽的速度范围内控制转矩，且响应速度快，又因为没有减速机构，所以效率较高。

如果要获得较大的转矩，必须增大电动机的体积和质量，但成本较高，在加速时效率却很低，且噪声很大。

电动车轮驱动的优势

电动车采用电动驱动技术后能量源与驱动电机之间的功率传递采用软电缆，摆脱了传统机械传动的设计约束，给整车带来了很多优点：

（1）采用电动车轮技术，在同样功率需求的情况下，可以将单个电动机功率分配给多个电动机。

相应地，对电气和机械传动零部件的要求都可以降低，便于设计与生产。

在大型矿用载重汽车上，机械传动很难传递的大转矩，就是利用电动车轮结构实现传递的。

（2）取消了离合器、变速器、传动轴、差速器等部件，使传动系统得到简化，有利于汽车实现轻量化目标；由于减少了精密机械部件的加工费用，使整车生产成本也有望降低；由电动机直接驱动车轮甚至两者集成为一体，便于实现机电一体化。

（3）由于去掉了机械传动部分，相对于保留机械传动系的电动车，其传动效率得到提高。

（4）提高汽车的通过性能。

这主要来自于两方面，一方面，简化的传动系统可以提高车辆的离地间隙，另一方面，使用全轮驱动和驱动轮单独控制的措施，可以最大限度地利用地面的附着能力。

（5）电动车轮与动力源之间采用软电缆链接，且占用空间少，因此使整车布置设计非常灵活，对于电动客车来说，便于实现低地板化行李箱及乘客位置设计更灵活，并且也有更多的空间来布置电池。

整车质量分布设计自由度大，可以更合理地分配轴向载荷。

电动车轮的关键技术

电动车轮由于自身的结构特点，使得这一技术在电动汽车上有广泛的应用前景，但是，目前电动车轮的关键技术还没有完全突破，主要有以下四个方面的关键技术：

（1）研制调速范围宽，转矩变化范围大，结构紧凑的电动机。

（2）解救电动机的冷却、密封和抗振动技术。

（3）开发效率高、结构紧凑和重量轻的减速装置。

（4）可靠性高、性能好的电子差速器。

2.3电动车轮的发展趋势

   电动车轮在汽车上推广主要受两个方面因素制约，一方面要解决电动车轮的关键技术；另一方面是在关键技术解决之后，电动车轮的成本应大幅度下降，用户能接受因使用电动车轮后而增加的成本。

   轿车采用电动车轮技术还有许多问题需要解决，不会很快推广使用。

轿车的舒适性要求高，行驶速度高，电动车轮引起的非簧载质量增加会引起平顺性下降，需要进一步解决；轿车的速度变化范围宽，采用固定速比的减速装置，对电动车轮的转矩性要求高，技术上还存在一定困难；轿车的车轮直径较小，电动车轮的不止有一定困难，电动车轮的密封、冷却和抗振性还有许多问题需要解决。

   大客车采用电动车轮技术日益增多。

大客车的车轮旋转速度较低。

采用固定速比的减速装置后，电动车轮的性能可以满足车辆行驶性能的要求；大客车特别是低地板大客车采用电动车轮结构后，可以容易实现原来中央驱动结构由主减速器和论辩减速两级减速才能完成的功能，既简化传动系统，又有利于解决电动车轮引起的非簧载质量对平顺性的影响；电动车轮引起的成本增加在大客车的成本中所占比重不大，能够为用户所接受。

   电动车轮技术作为一项新技术，具有结构紧凑、可以改善车辆驱动性能和行驶性能，有利于整车布置等特短，无论是在电动自行车之类的轻型车辆，还是电动汽车或是重型矿用车上，都有着广阔的应用前景。

虽然电动车轮技术中有些关键问题还没有得到完全解决，但采用电动车轮技术哦的电动车与传统车相比，确实存在着许多不可比拟的优势，所以，以电动车轮技术为特征的电动车是未来电动车的发展方向。

第三章电动汽车技术的发展及趋势

3.1电动汽车技术发展的背景

上世纪70年代全球三次石油危机爆发后，各跨国汽车公司先后开始研发各种类型的电动汽车。

我国经过“八五”、“九五”、“十五”三个五年计划，在研发电动汽车的专项上投入了大量的人力、物力和财力，并取得了一系列科研成果，但是,迄今为止，这些科研成果真正能转化为产品，并实现产业化生产的项目并不多。

国外大汽车公司投入远比我国更多的资金和人力，已投入批量生产的电动汽车产品也寥寥无几。

随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这二个技术难点的最佳途径。

现代电动汽车一般可分为三类：

纯电动汽车（PEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）。

但是近几年在传统混合动力汽车的基础上，又派生出一种外接充电式（Plug-In）混合动力汽车，简称PHEV。

本文将电动汽车技术研发的若干问题和趋势，作简要的介绍和评述。

3.2纯电动车与混合动力电动车

1.纯电动汽车（PEV）

纯电动汽车是指完全由动力蓄电池提供电力驱动的电动汽车，虽然它已有134年的悠久历史，但一直仅限于某些特定范围内应用，市场较小。

主要原因是由于各种类别的蓄电池，普遍存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等严重缺点。

目前采用的铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池，它们已达到的实际性能指标和市场平均价格，如表1所示。

根据实际装车时的循环寿命和市场价格，可估算出电动汽车从各种动力电池上每取出1kWh电能所必须付出的费用。

计算时，假设电池最高可充电荷电状态（SOC）为0.9，放电SOC为0.2，即实际可用的电池容量仅占总容量的70%;由电网供电价为0.5元/kWh，电池的平均充放电效率为0.75。

。

从表1的粗略计算中可知，虽然从电网取电仅需0.5元/kWh，但充入电池，再从电池取出，铅酸电池每提供1kWh电能，价格为3.05元左右，其中2.38元为电池折旧费，0.67元为电网供电费，而从镍氢电池中每提供1kWh电能，费用为9.6元，锂离子电池为10.2元，即后二种先进电池供电成本是铅酸电池的三倍多

目前国内市场上用柴油机发电，价格大致为3元/kWh，若用汽油机发电，供电价格估计为4元/kWh，即从铅酸电机提供电能的价格大致和柴油机发电价格相等，仅仅从取得能量的成本来考虑，采用铅酸电池比汽油机驱动有一定价格优势，但是由于它太过笨重，充电时间又长，因此只被广泛用于车速小于50km/h的各种场地车、高尔夫球车、垃圾车、叉车以及电动自行车上。

实践证实铅酸电池在这一低端产品市场上有较强的竞争力和实用性。

镍氢电池的主要优点是相对寿命较长，但是由于镍金属占其成本的60％，导致镍氢电池价格居高不下。

锂离子电池技术发展很快，近10年来，其比能量由100Wh/kg增加到180Wh/kg，比功率可达2000W/kg，循环寿命达1000次以上，工作温度范围达-40～55℃。

美国USABC在2002年制定的锂离子电池技术发展目标如表2所示。

近年由于磷酸铁锂离子电池的研发有重大突破，又大大提高了电池的安全性。

目前已有许多发达国家将锂离子电池作为电动汽车用动力电池的主攻方向。

我国拥有锂资源优势，锂电池产量到2004年已占全球市场的37.1％，预计到2015年以后，锂离子电池的性/价比有望达到可以和铅酸电池竞争的水平，而成为未来电动汽车的主要动力电池。

示出了国内外各种纯电动车辆数量/性能和价格/性能曲线，以电动自行车为代表的低性能车辆，由于其成本低廉，仅我国在2006年已达到年产2000万辆，美国通用汽车公司生产的冲击1号电动跑车，虽然已达到了很高的动力性，但是由于售价高昂，仅生产了区区50辆，由于没有市场而不得不停产。

性能较低的场地车，在我国年产达7000～8000辆左右；天津清源电动车公司生产的微型电动车，最高车速仅50km/h，年产也可以达千辆以上，这可能是目前市场所能接受的纯电动车辆性能的上限。

上述所有电动车辆均采用铅酸电池为动力。

随着高性能锂离子电池的性/价比不断提升，未来5～10年内，市场上可能会出现最高车速≥100km/h，续驶里程≥250km的高性能纯电动汽车。

2.混合动力电动汽车（HEV）

由于完全由动力蓄电池驱动的纯电动汽车，其性能/价格比长期以来都远远低于传统的内燃机汽车，难于与传统汽车相竞争，上个世纪90年代以来各大汽车公司都着手开发混合动力汽车。

日本丰田公司在1997年率先向市场推出“先驱者”（Prius）混合动力汽车，并在日本、美国和欧洲各国市场上均获得较大成功，累计产销量已超过60万辆。

随后日本本田、美国福特、通用和欧洲一些大公司，也纷纷向市场推出各种类型的混合动力汽车。

3.研制全混合电动汽车的必要性

混合动力电动汽车是指具备两个以上动力源、而其中有一个可以释放电能的汽车。

混合动力汽车按混合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式三种；按混合度（电机功率与内燃机功率之比）的不同，又可分为微混合、轻度混合和全混合三种。

其中外挂式皮带驱动起动/发电（BSG）式是微混合动力汽车的典型结构，其电机功率一般仅2～3kW，依赖发动机的停车断油功能，可节燃油5～7％;在发动机曲轴后端加装一个电动/发电型盘式电机（ISG）是轻度混合动力汽车的典型结构；具有纯电力驱动功能的可作为全混合或混联式混合动力汽车的典型。

丰田公司的Prius轿车即属于这类全混合汽车。

目前我国若干汽车企业研制的混合动力汽车，大多采用ISG轻度混合或BSG微混合方案，主要是考虑这二种方案的技术难度较小，生产成本也较低。

但是根据研究表明，混合动力汽车的节油率几乎与汽车功率的混合度和汽车的生产成正比上升。

因此，从长远来看，研制全混合电动汽车是一种必然趋势。

3.3研发及市场情况

1.下面分别介绍混合动力乘用车和混合动力公交车的研发及市场情况。

以节油率最佳的丰田Prius汽车为例，在我国实测它与丰田花冠油耗在不同工况下的对比数据如表3所示。

各种工况下的平均节油率为39.6％，平均百公里可节油3.07L。

以97号汽油价格为5元/L计算，每百公里可节省油费15.35元，行驶20万km也仅省油费3.07万元，显然还不足以抵消购置混合动力汽车所增加的费用。

据中国汽车工业协会统计，2006年一汽丰田普锐斯（Prius）销量仅为2152辆，占全国乘用车总销量的0.04％。

考虑到我国用户对汽车售价的敏感性，这一销售业绩并不令人惊奇，可以认为在近期，如果没有政府的大力支持，混合动力乘用车在我国不会有很大的市场。

2.城市公交车的使用特点

在我国，城市公交车与私人乘用车的情况有很大的不同，具体归纳为以下三点:

（1）据统计我国城镇居民日常出门有70％是首选乘坐公交车，我国大部分城市政府都奉行公交车优先的交通政策，我国公交车的年产量和保有量都居世界第一；

（2）我国城市公交车大多由市政府补助公交企业采购，公交车是否符合节油减排要求，将是政府需要考虑的一个重要采购原则；

（3）从技术角度来分析，在城市工况下，公交车频繁起步、加速、制动和停车，要额外消耗许多燃油。

表4列出了在国外四种典型城市工况下，汽车制动消耗能量（油耗）所占比例，其算数平均值达47.1％。

即有近一半的燃油是被汽车频繁制动所消耗的，这就为混合动力公交车的节油减排留下了相当大的空间。

正是考虑到以上几个特点，我国至少有7～8家汽车企业将研发、生产混合动力公交车作为研发工作的重点。

经过近几年的开发，虽然已取得了一系列重大成果，但公交车的节油率并未达到预计的要求，一辆总重15.5t，长11m的混合动力公交车，实际油耗大多为33～35L，平均34L/100km，若传统11m公交车的平均油耗为40L/100km，则节油率仅15％。

3.节油率难以进一步提高的原因

分析节油率难以进一步提高的原因主要有二个：

（1）汽车的制动过程十分短暂，一半不超过10s，在短短的几秒内，电机要求发出很大的电流，才能有效回收制动能量，但是电池的充电倍率只有放电倍率的一半，因此电池不能接受大电流充电。

理论上汽车有50～60％的制动能量可回收，实际回收的制动能量<20％，最简单的改进办法是加大动力电池容量，例如至少加大容量一倍，回收的制动能量可由20％增加到40％。

但这将大大增加整车成本和汽车自重，经济上可能是得不偿失。

（2）混合动力公交车若采用停车断油，甚至滑行时即断油，可节油10％左右（4L/100km），实际上国产柴油机没有专门为混合动力汽车设计，一般不允许频繁的停车断油，否则供油系和废气增压器都可能损坏，严重影响柴油机寿命。

其次，停车断油就必须装有电动转向油泵、电动空压机和电动空调系统，这又会大大增加整车成本和重量，二相权衡，不一定合算，所以近期大多未实现停车断油功能。

因此，目前HEV的开发重点集中在节油降耗的工作上，针对以上问题，科研工作者提出了不同的解决方案，如利用超级电容器的功率密度达铅酸电池的10倍，具有快速吸收大电流充电的优异特性，在混合动力汽车制动时可以快速吸收能量，大大提高制动能量的回收率，此外它还具有循环寿命长、充放电效率高、耐低温特好以及免维护等优点。

这种方案由于受到超级电容价格昂贵的影响，限制了它在混合动力汽车上的广泛应用。

在进一步降低成本，提高能量密度后，超级电容器最有可能首先在混合动力公交车上得到应用。

3.4混合力电动车与燃料电池电动车

1.外接充电式混合动力汽车

外接充电式混合动力汽车是最新的一代混合动力汽车类型，近年来受到各国政府、汽车企业和研究机构的普遍关注，国内外专家认为，PHEV有望在几年后得到广泛的推广使用。

据统计，法国城镇居民80％以上日均驾车里程少于50km，在美国，汽车驾驶者也有60％以上日均行驶里程少于50km，80％以上日均行驶里程少于90km。

PHEV特别适合于一周有5天仅驾车用于上下班，行驶里程50～90km之间的工薪族使用。

PHEV是在混合动力汽车上增加了纯电动行驶工况，并且加大了动力电池容量，使PHEV采用纯电动工况可行驶50～90km，超过这一里程，即必须起动内燃机，采用混合驱动模式。

所以PHEV的电池容量一般达5～10kW•h，约是纯电动汽车电池容量的30～50％，是一般混合动力汽车电池容量的3～5倍，可以说它是介于混合动力汽车与纯电动汽车之间的一种过渡性产品。

与传统的内燃机汽车和一般混合动力汽车（HEV）对比（见表5），PHEV由于更多的依赖动力电池驱动汽车，因此它的燃油经济性进一步提高，二氧化碳和氮氧化物排放更少。

由于动力电池容量的加大，每辆车的售价至少比一般HEV高2000美元。

示出了四种不同类型乘用车，它们的蓄电池容量与汽车价格、燃油消耗及尾气排放的对比关系。

可见随着蓄电池容量的加大，汽车价格将上升，但是燃油消耗和尾气排放则下降。

因此可以认为，电动汽车是以使用和损耗蓄电池为代价来换