【正文】 長江職業(yè)學院 畢業(yè)設計（論文） 摘 要 ： 當今世界節(jié)能和環(huán)保日益引起關注，因此電動汽車正在加速發(fā)展，本文綜合論述了純電動汽車的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)、主要構造和原理、存在的問題。并對它們的未來的發(fā)展趨勢作了展望。 關鍵詞： 電動汽車 挑戰(zhàn) 主要構造和原理 存在的問題 發(fā)展趨勢 長江職業(yè)學院 畢業(yè)設計（論文） 1 引言 汽車自誕生起已 有 100 多年的歷史，其發(fā)展速度不斷的加快，與人們的聯(lián)系越來越緊密。汽車已不再是一個簡單的代步的運輸工具，已成為許多人的生活必需品和文化生活的一部分，甚至成為一些人的流動辦公室。汽車的普及程度和技 術水平已成為一個國家或地區(qū)現(xiàn)代 化 程度的標志。 汽車已成為當今人類社會不可缺少的交通工具，它對人類的進步產生了不可替代的巨大推動作用。但同時也面臨 著 來自環(huán)境保護、能源短缺、道路交通事故等方面越來越嚴峻的挑戰(zhàn)，并帶來了一系列的負面效應。汽車在其生命的全周期內對公共環(huán)境和公眾健康甚至生命產生了一系列的危害，此即汽車的環(huán)境危害。汽車的環(huán)境危害包括汽車雜生產過程中、使用中和報廢后的環(huán)境大氣污染（包括溫室氣體、臭氧層破壞和空氣污染）、水質污染、廢棄物、環(huán)境噪聲、電波對人體的危害及對用電器的干擾等。汽車的環(huán)境大氣 污染包括兩層含義：其一是汽車排放的二氧化碳、硫化物、氮氧化物等使溫室效應加劇、臭氧層破壞和形成酸雨等大氣環(huán)境問題；其二是汽車尾氣排放的各種化合物和臭味氣體等造成的局部空氣污染（特別是城市空氣污染），進而對人類和動植物產生危害，嚴重威脅著人類的身體健康。 隨著人民生活水平的提高，人類對生存環(huán)境的要求也越來越高，降低汽車的有害排放物的呼聲與日俱增，在美國已經出臺了部分汽車零排量的法規(guī)，在我國也正在籌劃實施用于北京 2021 年的 “ 零排放 ” 車隊。因此，就目前的情況來看，環(huán)境 公害 是汽車行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。 汽車面臨的挑戰(zhàn)之二就是能源供應問題。從人類對可持續(xù)發(fā)展的觀點的出發(fā)，人類應設法減少對有限的石油資源的消耗，并且應積極研究石油枯竭后汽車的能源問題。目前時間范圍內使用的主要能源有石油、煤、天然氣、核能（原子能）、水能、風能以及可再生資源等。雖然每年都有新的油田、氣田的發(fā)現(xiàn)，但是這些資源都是有限的，總有一天會消耗殆盡。 我國面臨的形式也十分嚴峻， 國內 的石油儲藏量和開采量相當有限，隨著汽車保有量的增加，石油需求越來越多，目前已不 能 自給，不足部分主要通過進口來滿足 ，長江職業(yè)學院 畢業(yè)設計（論文） 而且每年成遞增趨勢。 由于電動 汽車具有突出的環(huán)保方面的優(yōu)勢，使得電動汽車的開發(fā)和研究成為各國開發(fā)綠色汽車的主流。電動汽車使用的能源是可以用與發(fā)電的一切能源。因此使用電動汽車可以擺脫汽車對化石燃料的依賴，改善能源結構，使能源供給多樣化，使能源的供給有保障。電動汽車在解決道路交通事故方面和傳統(tǒng)汽車相比也具有一定優(yōu)勢。因此，開發(fā)電動汽車是迎接汽車面臨挑戰(zhàn)的重要對策之一。 2 我國電動汽車發(fā)展情況 我國電動汽車的發(fā)展概況 與世界其他國家一樣，電動汽車研發(fā)工作在我國也正在如火如荼的進行著。 十五期間，國家從維護我國能源安全、改善大 氣環(huán)境、提高汽車工業(yè)競爭力、實現(xiàn)我國汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略高度考慮，設立 電動汽車重大科技專項 ，通過組織企業(yè)、高等院校和科研機構，集中國家、地方、企業(yè)、高校、科研院所等方面的力量進行聯(lián)合攻關。為此，從 2021 年 10 月起，國家共計撥款 億元作為這一重大科技專項的經費。 我國電動汽車重大科技專項實施 4 年來，經過 200 多家企業(yè)、高校和科研院所的 2021 多名技術骨干的努力，目前已取得重要進展：燃料電池汽車已經成功開發(fā)出性能樣車，燃料電池轎車累計運行 4000km，燃料電池客車累計運行 8000km；混合 動力客車已在武漢等地公交線路上試驗運行超過 14 萬 km； 純 電動轎車和純電動客車均已通過國家有關認證試驗。 我國電動汽車的發(fā)展模式 燃料電池汽車 ： 均采用電 電混合驅動方案，在整車操控性能、行駛性能、安全性能、燃料利用率等方面均已得到較大提高。 2021 年 5月在北京召開的世界氫能大會上，我國自主研發(fā)的燃料電池轎車和客車樣車與世界領先的奔馳公司樣車同堂展示，引起了世界的驚贊。在 10 月舉行的必比登世界清潔汽車挑戰(zhàn)賽上，我國自主研發(fā)的燃料電池轎車在 7 個單項獎中獲得 5 個 A(在高速蛇行障礙賽、噪音、排放 、能耗、溫室氣體減排 5 個單項指標方面的最高等級 )的好成績，燃料電池城市客車也以較高的技術性能和可靠性在挑戰(zhàn)賽中取得了良好的成績。 長江職業(yè)學院 畢業(yè)設計（論文） 混合動力汽車 ： 一汽、東風、長安、奇瑞等汽車公司對此都投入了較大的人力、物力。各車型均已完成功能樣車開發(fā)。 2021 年 11 月 8 日，湖北省啟動武漢電動汽車試驗示范運行工作，先后投 yk6 輛由東風電動車輛股份有限公司研制的混合動力客車，已累計運行 14萬 km，載客 15 萬人次；混合動力轎車按 ECE 城市工況與基本車型進行的對比試驗顯示，其燃料經濟性提高 40%左右，達到了節(jié)油的目的。長安汽 車公司采用同軸 ISG 輕度混合方案，成功開發(fā)了第二輪功能樣車和第三輪性能樣車，并在國內率先開展了混合動力專用發(fā)動機開發(fā)。 經過國家檢測機構測試，動力性能接近參考車的水平，綜合油耗降低 17%，排放達到歐 Ⅲ 標準。 純電動汽車 ： 目前純電動轎車和純電動客車均已通過國家質檢中心的型式認證試驗，各項指標均滿足有關國家標準和企業(yè)標準的規(guī)定。天津清源電動車輛有限公司等單位研發(fā)的純電動轎車，其整車的動力性、經濟性、續(xù)駛里程、噪聲等指標已超過法國雪鐵龍公司贈送的純電動轎車和箱式貨車，初步形成了關鍵技術的研發(fā)能力。北京理工大 學等單位初步完成了北京理工科凌電動車輛股份有限公司密云電動車輛產業(yè)化生產基地的建設，并于 2021 年 12月 30 日順利通過北京市公共交通總公司組織的示范運行車組驗收。小批量研發(fā)生產的 4種車型、近 40輛公交車即將投入北京市奧運電動示范車隊的示范運行。 國 外主要國家電動汽車發(fā)展情況 世界 各國著名的汽車廠商都在加緊研制各類電動汽車，并且取得了一定程度的進展和突破。 第一，日本 ： 一直以來，出于對能源危機和環(huán)境保護的關注及占領未來 世界 市場的考慮，日本十分重視電動汽車的研制與開發(fā)。從目前世界范圍內的整 個形勢來看，日本是電動汽車技術發(fā)展速度最快的少數(shù)幾個國家之一，特別是在混合動力汽車的產品發(fā)展方面， 日本居世界領先地位。目前，世界上能夠批量產銷混合動力汽車的企業(yè)，只有日本的豐田和本田兩家汽車公司。 1997 年 12月，豐田汽車公司首先在日本市場上推出了世界上第一款批量生產的混合動力轎車 PRIUS。該轎車于 2021 年 7 月開始出口北美，同年 9 月開始出口歐洲，現(xiàn)在已經在全世界 20多個國家上市銷售。目前推出的產品已經是多次改進后的第二代產品，其生產工藝更為成熟。根據(jù)豐田汽車公司的測試， PRIUS長江職業(yè)學院 畢業(yè)設計（論文） 轎車在城市工況下比同 等排量的花冠轎車節(jié)油 %；在市郊節(jié)油 %，綜合節(jié)油%。有關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，豐田汽車公司已占有全球混合動力汽車市場 90%的份額。2021 年 9月 15 日，一汽集團與日本豐田汽車公司在北京舉行了混合動力汽車合作項目簽字儀式，宣布雙方在 2021 年內，共同生產豐田 PRIUS 混合動力轎車。 PRIUS 混合動力轎車將在同年進入中國市場。 繼 PRIUS 混合動力轎車之后，豐田汽車公司還推出了 ESTIMA 混合動力汽車和搭載軟混合動力系統(tǒng)的 CROWN 轎車。豐田汽車公司在普及混合動力系統(tǒng)的低燃耗、低排放和改進 行駛性能方面已經走在了世界的前列。此外，本田汽車公司開發(fā)的 Insight 混合動力電動汽車也已投放市場，供不應求。 2021 年 4 月，本田汽車公司在美國市場上投放了 Civic 混合動力汽車。日產汽車公司近日宣布，將于 2021 年向美國市場銷售Altima 牌混合動力汽車，這是其于 2021 年與豐田汽車公司簽署聯(lián)合生產混合動力汽車協(xié)議的第一個產品。 第二，美國 ： 美國的汽車公司在電動汽車產業(yè)化方面比來自日本的同行遜色不少，三大汽車公司僅僅小批量生產、銷售過純電動汽車，而混合動力和燃料電池電動汽車目前還未能實現(xiàn)產業(yè)化， 來自日本的混和動力電動汽車在美國市場上占據(jù)了主導地位。 美國能源部與三大汽車公司于 1993 年簽訂了混合動力電動汽車開發(fā)合同，其中通用汽車公司投入 億美元，福特汽車公司投入 億美元，克萊斯勒汽車公司投入 8480 萬美元，進行為期 5年的研制開發(fā)工作，并于 1998 年北美國際汽車展上展出了樣車。在此基礎上，現(xiàn)已推出三款混合動力概念車 GM 3 電動汽車的構造與原理 電動汽車的分類，如圖 3－ 1 所示。 長江職業(yè)學院 畢業(yè)設計（論文） 圖 3－ 1 純電動汽車（ EV） EV 概述 采用電能作為能源的電動車輛，已有 100 多年的歷史，現(xiàn)在已具有多種多樣的電動車輛。電動汽車與普通汽車的主要區(qū)別是動力源的改變， EV 用蓄電池 —— 電動機系統(tǒng)。 EV 是一種最好的 “ 零污染 ” 或 “ 超低污染 ” 的車輛。它沒有噪聲和振動，操作性良好，遠遠地優(yōu)于內燃機汽車，是當前開發(fā)和研制取代內燃機的首選車型。 EV 的基本組成部分 1） 車載電源的發(fā)展 第一代的 EV電池都是鉛酸蓄電池。由于鉛酸電池的比能量和比功率不能滿足 EV動力性能的需求，后來進一步發(fā)展了閥控鉛 酸電池、鉛布電池等，是鉛酸電池的比能量有所提高，目前仍然能夠作為 EV 的電源。 第二代的高能電池有鋰離子電池、鋰聚合物電池、鋅空電池和鋁空氣電池等。第二代的比能量和比功率都比鉛酸電池高，大大的提高了 EV 的動力性和續(xù)駛里程。但是二代電池中的活性物質在使用一定期限后，會老化變質以至于賞識充電和放電的功能而報廢，從而增加了 EV的成本。 第三代電池是以燃料電池為主的電池。燃料電池直接將燃燒的化學能轉變成電能，能量轉換率高，比能量和比功率高，并且燃料電池能量裝化過程可以連續(xù)進行，電動汽車類型 純電動汽車車 混合動力汽車 燃料電池汽車 鉛酸蓄電池 鈉硫電池 鎳鋅電池 空氣電池 鋰離子電池 內燃機 +電池 燃料電池蓄電池 燃料電池電容 +太陽能 蓄電池 +電容（飛輪） 蓄電池 燃料電池 儲能器 電容 飛輪 H2燃料電池 甲醇燃料電池 重燃料電池 長江職業(yè)學院 畢業(yè)設計（論文） 反應過程能夠有效地控制，是較 理想的電動汽車電池，一些關鍵技術正在不斷地突破，并且在使用上能夠取得了良好的效果。 2）動力電池組的組成和布置形式 純電動汽車唯一的動力源一般是由多個 12V 或 24V 的電池串聯(lián)形成的動力電池組，動力電池組一般是電壓為 155V— 400V 的高壓直流電源。為了便于向一些低壓用電設備供電，動力電池組還有 DC/DC 轉換器。 動力電池組采用并聯(lián)或者串聯(lián)的方式進行組合，在 EV 上占據(jù)很大一部分有效的裝載空間，在布置上有相當?shù)碾y度，通常有 “ 集中 ” 布置和 “ 分散 ” 布置兩種形式。 電池組的管理系統(tǒng) 動力電池組的管理系統(tǒng)包括對動力電池組的充電和放電時的電流、電壓、放電深度、再生制動反饋的電流、電池的自放電率、電池的溫度等進行控制。因為個別蓄電池性能變化后，影響到整個動力電池組的性能，用蓄電池管理系統(tǒng)來對整個動力電池組和對動力電池組中的每個單體電池進行監(jiān)控，保持各個電池間的一致性，還要建立動力電池組維護系統(tǒng)，來保證 EV的正常運行。 1） 電池組管理系統(tǒng)組成 EV 上動力電池組是它的主要電源， EV 全靠動力電池組提供電源。根據(jù)電動汽車所采用的電池的類型和動力電池組的組合方法，電池組管理系統(tǒng)主要包括： a 熱管理系統(tǒng)； b 電池管理系統(tǒng)； c電線線路管理系統(tǒng) ，如圖所示 。 2） 動力電池組管理系統(tǒng)的功能和作用 動力電池組管理系統(tǒng)要承擔動力電池組的全面管理，一方面保證動力電池組的正常運作，顯示動力電池組的動態(tài)響應并及時報警，使駕駛員隨時都能掌握動力電池組的情況。另一方面要對人身和車輛進行安全保護，避免因電池引起的各種事故。 長江職業(yè)學院 畢業(yè)設計（論文） 圖 32 電池組管理系統(tǒng)組成 驅動電機和驅動系統(tǒng) 驅動電機是 EV 的動力裝置，這也是 EV 與內燃機汽 車的根本區(qū)別之處?，F(xiàn)代 EV所采用驅動電機主要是交流電動機、永磁電動機、和開關阻尼電動機等。 EV 驅動系統(tǒng)由驅動電動機和驅動操縱系統(tǒng)共同組成，隨著 EV結構形式不同，采用了不同驅動系統(tǒng)。 EV 的驅動系統(tǒng)由集中驅動系統(tǒng)和輪轂驅動系統(tǒng)兩 驅動 系統(tǒng)。 EV的驅動系統(tǒng)總布置形式有以下幾 種，其特征如表 21 所示：