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第一章概述

第一节汽车面临的挑战及计策

汽车自产生起已有100多年的历史，其进展速度不断的加快，与人们说的联系越来越紧密。

汽车已不再是一个简单的代步的运输工具，已成为许多人的生活必需品和文化生活的一部分，甚至成为一些人的流淌办公室。

汽车的普及程度和技术水平已成为一个国家或地区现代话程度的标志。

汽车已成为当今人类社会不可缺少的交通工具，它对人类的进步产生了不可替代的庞大推动作用。

但同时也面临这来自环境爱护、能源短缺、道路交通事故等方面越来越严肃的挑战，并带来了一系列的负面效应。

汽车在其生命的全周期内对公共环境和公众健康甚至生命产生了一系列的危害，此即汽车的环境危害。

汽车的环境危害包括汽车杂生产过程中、使用中和报废后的环境大气污染〔包括温室气体、臭氧层破坏和空气污染〕、水质污染、废弃物、环境噪声、电波对人体的危害及对用电器的干扰等。

汽车的环境大气污染包括两层含义：

其一是汽车排放的二氧化碳、硫化物、氮氧化物等使温室效应加剧、臭氧层破坏和形成酸雨等大气环境问题；

其二是汽车尾气排放的各种化合物和臭味气体等造成的局部空气污染〔专门是都市空气污染〕，进而对人类和动植物产生危害，严峻威逼着人类的躯体健康。

随着人民生活水平的提高，人类对生存环境的要求也越来越高，降低汽车的有害排放物的呼声与日俱增，在美国差不多出台了部分汽车零排量的法规，在我国也正在筹划实施用于北京2020年的〝零排放〞车队。

因此，就目前的情形来看，环境公害是汽车行业面临的最大挑战。

汽车面临的挑战之二确实是能源供应问题。

从人类对可连续进展的观点的动身，人类应设法减少对有限的石油资源的消耗，同时应积极研究石油枯竭后汽车的能源问题。

目前时刻范畴内使用的要紧能源有石油、煤、天然气、核能〔原子能〕、水能、风能以及可再生资源等。

尽管每年都有新的油田、气田的发觉，然而这些资源差不多上有限的，总有一天会消耗殆尽。

我国面临的形式也十分严肃，国内的石油储藏量和开采量相当有限，随着汽车保有量的增加，石油需求越来越多，目前已不能自给，不足部分要紧通过进口来满足，而且每年成递增趋势。

由于电动汽车具有突出的环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。

电动汽车使用的能源是能够用与发电的一切能源。

因此使用电动汽车能够摆脱汽车对化石燃料的依靠，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给有保证。

电动汽车在解决道路交通事故方面和传统汽车相比也具有一定优势。

因此，开发电动汽车是迎接汽车面临挑战的重要计策之一。

第二节我国电动汽车进展情形

一、我国电动汽车的进展概况

　与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也正在如火如荼的进行着。

"

十五"

期间，国家从爱护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现我国汽车工业的跨过式进展的战略高度考虑，设立"

电动汽车重大科技专项"

，通过组织企业、高等院校和科研机构，集中国家、地点、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关。

为此，从2001年10月起，国家共计拨款

8.8亿元作为这一重大科技专项的经费。

　我国电动汽车重大科技专项实施4年来，通过200多家企业、高校和科研院所的2000多名技术骨干的努力，目前已取得重要进展：

燃料电池汽车差不多成功开发出性能样车，燃料电池轿车累计运行4000km，燃料电池客车累计运行8000km；

混合动力客车已在武汉等地公交线路上试验运行超过14万km；

纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家有关认证试验。

二、我国电动汽车的进展模式

燃料电池汽车：

均采纳电-电混合驱动方案，在整车操控性能、行驶性能、安全性能、燃料利用率等方面均已得到较大提高。

2004年5月在北京召开的世界氢能大会上，我国自主研发的燃料电池轿车和客车样车与世界领先的奔腾公司样车同堂展现，引起了世界的惊赞。

在10月举行的必比登世界清洁汽车挑战赛上，我国自主研发的燃料电池轿车在7个单项奖中获得5个A（在高速蛇行障碍赛、噪音、排放、能耗、温室气体减排5个单项指标方面的最高等级）的好成绩，燃料电池都市客车也以较高的技术性能和可靠性在挑战赛中取得了良好的成绩。

混合动力汽车：

一汽、东风、长安、奇瑞等汽车公司对此都投入了较大的人力、物力。

各车型均已完成功能样车开发。

2003年11月8日，湖北省启动武汉电动汽车试验示范运行工作，先后投yk6辆由东风电动车辆股份研制的混合动力客车，已累计运行14万km，载客15万人次；

混合动力轿车按ECE都市工况与差不多车型进行的对比试验显示，其燃料经济性提高40%左右，达到了节油的目的。

长安汽车公司采纳同轴ISG轻度混合方案，成功开发了第二轮功能样车和第三轮性能样车，并在国内领先开展了混合动力专用发动机开发。

通过国家检测机构测试，动力性能接近参考车的水平，综合油耗降低17%，排放达到欧Ⅲ标准。

纯电动汽车：

目前纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心的型式认证试验，各项指标均满足有关国家标准和企业标准的规定。

天津清源电动车辆等单位研发的纯电动轿车，其整车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已超过法国雪铁龙公司赠送的纯电动轿车和箱式货车，初步形成了关键技术的研发能力。

北京理工大学等单位初步完成了北京理工科凌电动车辆股份密云电动车辆产业化生产基地的建设，并于2003年12月30日顺利通过北京市公共交通总公司组织的示范运行车组验收。

小批量研发生产的4种车型、近40辆公交车立即投入北京市奥运电动示范车队的示范运行。

第三节国外要紧国家电动汽车进展情形

世界各国闻名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，同时取得了一定程度的进展和突破。

第一，日本：

一直以来，出于对能源危机和环境爱护的关注及占据以后世界市场的考虑，日本十分重视电动汽车的研制与开发。

从目前世界范畴内的整个形势来看，日本是电动汽车技术进展速度最快的少数几个国家之一，专门是在混合动力汽车的产品进展方面，

日本居世界领先地位。

目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。

1997年12月，丰田汽车公司第一在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS。

该轿车于2000年7月开始出口北美，同年9月开始出口欧洲，现在差不多在全世界20多个国家上市销售。

目前推出的产品差不多是多次改进后的第二代产品，其生产工艺更为成熟。

依照丰田汽车公司的测试，PRIUS轿车在都市工况下比同等排量的花冠轿车节油44.4%；

在市郊节油29.7%，综合节油40.5%。

有关统计数据显示，丰田汽车公司已占有全球混合动力汽车市场90%的份额。

2004年9月15日，一汽集团与日本丰田汽车公司在北京举行了混合动力汽车合作项目签字仪式，宣布双方在2005年内，共同生产丰田PRIUS混合动力轿车。

PRIUS混合动力轿车将在同年进入中国市场。

继PRIUS混合动力轿车之后，丰田汽车公司还推出了ESTIMA混合动力汽车和搭载软混合动力系统的CROWN轿车。

丰田汽车公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面差不多走在了世界的前列。

此外，本田汽车公司开发的Insight混合动力电动汽车也已投放市场，供不应求。

2002年4月，本田汽车公司在美国市场上投放了Civic混合动力汽车。

日产汽车公司近日宣布，将于2006年向美国市场销售Altima牌混合动力汽车，这是其于2002年与丰田汽车公司签署联合生产混合动力汽车协议的第一个产品。

　第二，美国：

美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的同行逊色许多，三大汽车公司仅仅小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前还未能实现产业化，来自日本的混和动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。

美国能源部与三大汽车公司于1993年签订了混合动力电动汽车开发合同，其中通用汽车公司投入1.48亿美元，福特汽车公司投入1.38亿美元，克莱斯勒汽车公司投入8480万美元，进行为期5年的研制开发工作，并于1998年北美国际汽车展上展出了样车。

在此基础上，现已推出三款混合动力概念车GM

第二章电动汽车的构造与原理

电动汽车的分类，如图2－1所示。

图2－1

第一节纯电动汽车〔EV〕

一、EV概述

采纳电能作为能源的电动车辆，已有100多年的历史，现在已具有多种多样的电动车辆。

电动汽车与一般汽车的要紧区别是动力源的改变，EV用蓄电池——电动机系统。

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，操作性良好，远远地优于内燃机汽车，是当前开发和研制取代内燃机的首选车型。

二、EV的差不多组成部分

1、车载电源

〔1〕、车载电源的进展

第一代的EV电池差不多上铅酸蓄电池。

由于铅酸电池的比能量和比功率不能满足EV动力性能的需求，后来进一步进展了阀控铅酸电池、铅布电池等，是铅酸电池的比能量有所提高，目前仍旧能够作为EV的电源。

第二代的高能电池有锂离子电池、锂聚合物电池、锌空电池和铝空气电池等。

第二代的比能量和比功率都比铅酸电池高，大大的提高了EV的动力性和续驶里程。

然而二代电池中的活性物质在使用一定期限后，会老化变质以至于赏识充电和放电的功能而报废，从而增加了EV的成本。

第三代电池是以燃料电池为主的电池。

燃料电池直截了当将燃烧的化学能转变成电能，能量转换率高，比能量和比功率高，同时燃料电池能量装化过程能够连续进行，反应过程能够有效地操纵，是较理想的电动汽车电池，一些关键技术正在不断地突破，同时在使用上能够取得了良好的成效。

〔2〕、动力电池组的组成和布置形式

纯电动汽车唯独的动力源一样是由多个12V或24V的电池串联形成的动力电池组，动力电池组一样是电压为155V—400V的高压直流电源。

为了便于向一些低压用电设备供电，动力电池组还有DC/DC转换器。

动力电池组采纳并联或者串联的方式进行组合，在EV上占据专门大一部分有效的装载空间，在布置上有相当的难度，通常有〝集中〞布置和〝分散〞布置两种形式。

2、电池组的治理系统

动力电池组的治理系统包括对动力电池组的充电和放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈的电流、电池的自放电率、电池的温度等进行操纵。

因为个别蓄电池性能变化后，阻碍到整个动力电池组的性能，用蓄电池治理系统来对整个动力电池组和对动力电池组中的每个单体电池进行监控，保持各个电池间的一致性，还要建立动力电池组爱护系统，来保证EV的正常运行。

〔1〕、电池组治理系统组成

EV上动力电池组是它的要紧电源，EV全靠动力电池组提供电源。

依照电动汽车所采纳的电池的类型和动力电池组的组合方法，电池组治理系统要紧包括：

a热治理系统；

b电池治理系统；

c电线线路治理系统，如图2-2所示。

3、动力电池组治理系统的功能和作用

动力电池组治理系统要承担动力电池组的全面治理，一方面保证动力电池组的正常运作，显示动力电池组的动态响应并及时报警，使驾驶员随时都能把握动力电池组的情形。

另一方面要对人身和车辆进行安全爱护，幸免因电池引起的各种事故。

图2-2电池组治理系统组成

三、驱动电机和驱动系统

驱动电机是EV的动力装置，这也是EV与内燃机汽车的全然区别之处。

现代EV所采纳驱动电机要紧是交流电动机、永磁电动机、和开关阻尼电动机等。

EV驱动系统由驱动电动机和驱动操纵系统共同组成，随着EV结构形式不同，采纳了不同驱动系统。

EV的驱动系统由集中驱动系统和轮毂驱动系统两驱动系统。

EV的驱动系统总布置形式有以下几种，其特点如表2-1所示：

〔1〕传统驱动模式

〔2〕电动机—驱动桥组合式驱动系统

〔3〕电动机—驱动桥整体式驱动系统

〔4〕轮毂电动机分散驱动系统

表2-1EV的驱动系统总体布置形式、结构模型、特点

项目

结构模型

特点

传统的驱动模式

1.电动机代替发动机；

2.仍旧采纳内燃机汽车的传动系统，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成；

3.有电动机前置、驱动桥前置、〔F-F〕，电动机前置、驱动桥后置〔F-R〕等各种驱动模式；

4.结构复杂，效率低，不能充分发挥电动机的性能

电动机—驱动桥组合式驱动系统

1.在电动机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，形成电动机—驱动桥组合式驱动系统；

2.有电动机前置、驱动桥前置、〔F-F〕，电动机前置、驱动桥后置〔F-R〕、驱动桥后置〔R-R〕等驱动模式；

3.传动机构紧凑，传动效率高，安装方便

电动机—驱动桥整体式驱动系统

1.在电动机端盖处装置变速齿轮、差速器等驱动总成，电动机有一个空心轴，有一个驱动桥的半轴从电动机空心轴中通过；

3.传动机构紧凑，传动效率高，能够作为驱动桥布置在车架下面

轮毂电动机分散驱动系统

1.电动机装在车轮轮毂中，能够有4×

2和4×

4两种布置方式，各个车轮之间的同步转动或差速转动由中央操纵器的运算机系统操纵；

2.4×

2布置方式有双前轮驱动模式和双后轮驱动模式；

3.4×

4布置方式能够实现4轮驱动模式;

4.能腾出大量有效空间，便于布置

第二节燃料电池电动汽车

一、燃料电池电动汽车的构成

燃料电池电动汽车的外形和内部空间与一般内燃机汽车几乎没什么差别，专门是燃料电池电动轿车与一般内燃机轿车的外形无任何区别。

单凭外形是无法区分燃料电池汽车与一般内燃机汽车的。

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要紧由动力操纵单元、电动机、电池组、燃料箱、储能装置及燃料加入口等组成。

燃料电池电动汽车的动力系统组成是专门复杂的，要紧组成为燃料系统、空气供给系统、操纵器、燃料电池组、蓄电池、DC/DC转换器、DC/AC逆变器、电动机或发电机及驱动齿轮等。

二、燃料电池电动汽车的种类

尽管燃料电池汽车的历史并不长，但由于燃料电池汽车具有突出的环保、节能优势，各种各样结构的燃料电池汽车不断问世。

为了便与区分各种燃料电池汽车的结构特点，对燃料电池汽车进行科学的分类是十分必要的，目前常见的方法有三种。

1、是依照汽车是否带有储能设备〔如蓄电池、飞轮等〕分类，据此可把燃料电池汽车分为纯燃料电池汽车和混合〔复合〕式燃料电池汽车。

2、依照燃料特点把燃料电池汽车分为直截了当燃料电池汽车和重整燃料电池汽车。

3、分句燃料氢的储存方式的不同能够把燃料电池汽车分为压缩氢燃料电池汽车、液氢燃料电池汽车和合金吸附氢燃料电池汽车三种。

三、燃料电池电动汽车动力系统的工作原理

由燃料电池组动身的电流经DC/DC逆变器后进入电动机驱动汽车行驶或经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，其电流通过DC/DC转换器进入电动机驱动汽车行驶。

如图2—3所示

图2-3燃料电池电动汽车动力系统的工作原理

四、燃料电池电动汽车的驱动形式

驱动电机及其操纵系统是燃料电池汽车的心脏，它的要紧功能是使电能转变为机械能，并通过传统系统将能量传动到车轮驱动车辆行驶。

其差不多构成有两个部分：

电机及操纵器。

电机由操纵器操纵，是一个将电能转变为机械能的装置。

操纵器的作用是将动力源的电能转变为适合于电机运行的另一种形式的电能，因此操纵器本质上是一个电能变换操纵装置。

目前，燃料电池能够采纳的电机驱动系统有直流电机驱动系统、异步电机驱动系统、同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统。

第三节混合动力汽车〔HEV〕

一、概述

混合动力汽车指携带有不同动力源的，可依照汽车行驶需要，同时或分别使用不同的动力源而行驶的汽车。

目前已研制成功并投入运行的混合动力汽车要紧有液压蓄能式混合动力汽车和混合动力电动汽车两类

由燃油发动机与电动机的组合动力作为能源的汽车称为混合动力电动汽车HEV。

二、混合动力电动汽车的种类及要紧组成 

1、HEV的组成

HEV一样由发动机、发电机、储能装置、电动机、功率转换器和操纵装置等组成。

〔1〕发动机。

采纳不同的发动机可组成不同的HEV。

采纳的发动机有四冲程内燃机、二冲程内燃机、转子发动机和斯特林发动机等。

一样采纳四冲程内燃机比较普遍。

〔2〕电动机。

采纳不同的电动机可组成不同的HEV。

采纳的电动机有直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。

〔3〕电池。

储能装置是HEV的辅助能源，只有在HEV用电动机启动发动机或电动机辅助驱动时使用，HEV可选用不同的蓄电池、燃料电池储能器等。

2、HEV的分类

依照混合动力电动汽车驱动桥的多少可把HEV分为单轴驱动、双轴驱动或多轴驱动HEV三种。

依照混合动力电动汽车动力系统的特点有不同的分类方法，可把混合动力电动汽车区分为串联式、并联式、混联式。

〔1〕串联式混合动力电动汽车

结构特点

串联式驱动系统的示意图见图2-4。

发动机带动发电机发电，其电能通过电动机操纵器直截了当输送到电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。

在发动机与驱动桥之间通过电能实现动力传递，因此更像是电传动汽车。

电池通过操纵器串接在发电机和电动机之间，其功能相当于发电机与电动机之间的〝水库〞，起功率平稳作用，即：

当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时，如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车时，操纵器操纵发电机向电池充电；

而当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时，如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡时，就由电池向电动机提供不足部分的电能。

图2—4串联式驱动系统的示意图

性能特点

　　发动机功率是以汽车某一速度下稳固运行工况所需的功率而选定的。

当汽车运行工况变化，电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时，由操纵器操纵发电机向电池充电或使电池向电动机放电，电池充电和放电电流的大小那么由操纵器依照电动机驱动功率的变化情形进行操纵。

如此的结构形式和操纵方式使串联式混合动力电动汽车具有如下性能特点:

　　发动机工作状态不受汽车行驶工况的阻碍，始终在其最正确的工作区域内稳固运行，因此发动机具有良好的经济性和低排放指标；

　　由于有电池进行驱动功率的〝调峰〞，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳固运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机；

　　发动机与驱动桥之间无机械连接，对发动机的转速无任何要求，发动机的选择范畴较大；

　　发动机与电动机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大；

　　发动机的输出需全部转化为电能，再变为驱动汽车的机械能，需要功率足够大的发电机和电动机；

　　要起到良好的发电机输出功率平稳作用，又要幸免电池显现过充电或过放电，需要较大的电池容量；

　　发电机将机械能量转变为电能、电动机将电能转变为机械能以及电池充电和放电时都有能量缺失，因此，发动机输出能量的利用率比较低；

　　串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最正确工作区域内稳固运行这一特点的优越性要紧表现在低速、加速等运行工况。

而在汽车高速行驶时，由于其电传动效率低抵消了发动机油耗低的优点，因此，串联式混合动力电动汽车更适合于在市内的低速运行工况。

在繁华的市区，汽车在起步和低速时还能够关闭发动机，能够只利用电池进行功率输出，使汽车达到零排放。

〔2〕并联式混合动力电动汽车

并联式驱动系统结构示意图见图2-5。

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。

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一般内燃机汽车。

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，但其要紧作用是向电池充电，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，操纵器可操纵发动机驱动发电机并向电池充电，使电池的SOC复原到设定值，保证混合驱动方式下的续驶里程。

　　并联式混合动力电动汽车的发动机功率也是以汽车某一速度下稳固行驶工况所需的功率选定的。

当汽车在低速或变速工况行驶时，需通过加速踏板和变速器来调剂发动机的功率输出，而在汽车高速行驶过程中，发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时，由操纵器操纵电动机协助驱动。

如此的结构形式和操纵方式使并联式混合动力电动汽车具有如下性能特点：

图2—5并联式驱动系统结构示意图

发动机通过机械传动机构直截了当驱动汽车，无机-电能量转换缺失，因此发动机输出能量的利用率相对较高，而且当汽车的行驶工况使发动机在其最正确的工作范畴内运行时，并联式的HEV燃油经济性比串联式的高；

　　有电动机进行〝调峰〞作用，发动机的功率也可适当减小；

　　当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率能够比较小；

　　假如装备发电机，发电机的功率也可较小；

　　由于有发电机补充电能，比较小的电池容量即可满足使用要求；

　　并联式驱动系统最适合于汽车在中、高速稳固行驶的工况，而在其他行驶工况下，由于发动机不在其最正确的工作区域内运行，发动机的油耗和排污指标不如串联式。

　　并联式混合动力电动汽车也可实现零排放操纵。

在