【文章內(nèi)容簡介】 HEV 的分類 根據(jù)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)橋的多少可把 HEV 分為單軸驅(qū)動(dòng)、雙軸驅(qū)動(dòng)或多軸驅(qū)動(dòng)HEV 三種。根據(jù)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)有不同的分類方法，可把混合動(dòng)力電動(dòng)汽車區(qū)分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式。 （ 1） 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 ① 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的示意圖見圖 24。發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其電能通過電動(dòng)機(jī)控制器 直接輸送到電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁力矩驅(qū)動(dòng)汽車。在發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋之間通過電能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，因此更像是電傳動(dòng)汽車。電池通過控制器串接在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間，其功能相當(dāng)于發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的 “水庫 ”，起功率平衡作用，即：當(dāng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率大于電動(dòng)機(jī)所需的功率時(shí)，如汽車減速滑行、低速行駛或短時(shí)停車時(shí)，控制器控制發(fā)電機(jī)向電池充電；而當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率低于電動(dòng)機(jī)所需的功率時(shí)，如汽車起步、加速、高速行駛、爬坡時(shí)，就由電池向電動(dòng)機(jī)提 供 不足部分的電能。 圖 24 串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的示意圖 ② 性能特點(diǎn) 發(fā)動(dòng)機(jī)功率是以汽車某一速度下穩(wěn)定運(yùn)行工況所需的功率而選定的。當(dāng)汽車運(yùn)行工況變化，電動(dòng)機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)功率與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不一致時(shí)，由控制器控制發(fā)電機(jī)向電池充電或使電池向電動(dòng)機(jī)放電，電池充電和放電電流的大小則由控制器根據(jù)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的變化情況進(jìn)行控制。這樣的結(jié)構(gòu)形式和控制方式使串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有如下性能特點(diǎn) : 發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)不受汽車行駛工況的影響，始終在其最佳的工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，因此發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和低排放指標(biāo)； 由于有電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng)功率的 “調(diào)峰 ”，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率只需滿 足汽車在某一速度下穩(wěn)定運(yùn)行工況所需的功率，因此可選擇功率較小的發(fā)動(dòng)機(jī)； 發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋之間無機(jī)械連接，對發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無任何要求，發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇范圍較大； 發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間無機(jī)械連接，整車的結(jié)構(gòu)布置自由度較大； 發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出需全部轉(zhuǎn)化為電能，再變?yōu)轵?qū)動(dòng)汽車的機(jī)械能，需要功率足夠大的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)； 要起到良好的發(fā)電機(jī)輸出功率平衡作用，又要避免電池出現(xiàn)過充電或過放電，需要較大的電池容量； 發(fā)電機(jī)將機(jī)械能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋㈦妱?dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能以及電池充電和放電時(shí)都有能量損失，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能 量的利用率比較低； 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能保持在最佳工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行這一特點(diǎn)的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在低速、加速等運(yùn)行工況。而在汽車高速行駛時(shí)，由于其電傳動(dòng)效率低抵消了發(fā)動(dòng)機(jī)油耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此，串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車更適合于在市內(nèi)的低速運(yùn)行工況。在繁華的市區(qū)，汽車在起步和低速時(shí)還可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，可以只利用電池進(jìn)行功率輸出，使汽車達(dá)到零排放。 （ 2） 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 ① 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖 25。發(fā)動(dòng)機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)裝置與 驅(qū)動(dòng)橋連接，電動(dòng)機(jī)通過動(dòng)力復(fù)合裝置也與驅(qū)動(dòng)橋相連，汽車可由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)或各自單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)形式更像是附加了一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的普通內(nèi)燃機(jī)汽車。電動(dòng)機(jī)起 “調(diào)峰 ”作用，即：當(dāng)汽車運(yùn)行工況所需的功率超過了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電池獲得能量產(chǎn)生電磁力矩，并向驅(qū)動(dòng)橋提供額外的驅(qū)動(dòng)功率。有的并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車也有發(fā)電機(jī)，但其主要作用是向電池充電，以保持電池的荷電狀態(tài)（ SOC），即：當(dāng)電池放電較多，其 SOC 值較低時(shí)，控制器可控制發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)并向電池充電，使電池的 SOC 恢復(fù)到設(shè)定值，保證混合驅(qū)動(dòng)方式下的續(xù)駛里程。 ② 性能特點(diǎn) 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)功率也是以汽車某一速度下穩(wěn)定行駛工況所需的功率選定的。當(dāng)汽車在低速或變速工況行駛時(shí)，需通過加速踏板和變速器來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，而在汽車高速行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率低于汽車行駛所需功率時(shí)，由控制器控制電動(dòng)機(jī)協(xié)助驅(qū)動(dòng)。這樣的結(jié)構(gòu)形式和控制方式使并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有如下性能特點(diǎn) ： 圖 25 并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 發(fā)動(dòng)機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)汽車， 無機(jī) 電能量轉(zhuǎn)換損失，因此發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量的利用率相對較高，而且當(dāng)汽車的行駛工況使發(fā)動(dòng)機(jī)在其最佳的工作范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，并聯(lián)式的 HEV 燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)式的高； 有電動(dòng)機(jī)進(jìn)行 “調(diào)峰 ”作用，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也可適當(dāng)減小； 當(dāng)電動(dòng)機(jī)只是作為輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，功率可以比較小； 如果裝備發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的功率也可較?。? 由于有發(fā)電機(jī)補(bǔ)充電能，比較小的電池容量即可滿足使用要求； 并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最適合于汽車在中、高速穩(wěn)定行駛的工況，而在其他行駛工況下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)不在其最佳的工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗和排污指標(biāo)不如 串聯(lián)式。 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車也可實(shí)現(xiàn)零排放控制。在繁華的市區(qū)低速行駛時(shí)，可通過關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器分離使汽車以純電動(dòng)方式運(yùn)行。但這樣就需要功率足夠大的電動(dòng)機(jī)，所需的電池容量也相應(yīng)要大。 （ 3） 混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合，其結(jié)構(gòu)示意圖見 圖 26。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率一部分通過機(jī)械傳動(dòng)輸送給驅(qū)動(dòng)橋，另一部分則驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能由控制器控制，輸送給電動(dòng)機(jī)或電池，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩通過動(dòng)力復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動(dòng)橋。 圖 26 混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)構(gòu)示意圖 混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略是：在汽車低速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當(dāng)汽車高速穩(wěn)定行駛時(shí)，則以并聯(lián)工作方式為主。 混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和控制方式充分發(fā)揮了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等部件進(jìn)行更多的優(yōu)化匹配，從而在結(jié)構(gòu)上保證了即使在更為復(fù)雜的工況下系統(tǒng)仍能工作在最優(yōu)狀態(tài)，因此，易于實(shí)現(xiàn)排放和油耗的控制目標(biāo)。 與并聯(lián)式相比，混聯(lián)式的動(dòng)力復(fù)合形式更復(fù)雜，因此對動(dòng)力復(fù)合裝置的要求更高。目前的混聯(lián)式結(jié)構(gòu)一般以行星齒輪作為動(dòng)力復(fù)合裝置的基本構(gòu)架。 第三章 電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池及儲(chǔ)能裝置 第一節(jié) 電池的分類及有關(guān)術(shù)語 一、電池的分類 按照電池的原理區(qū)分的話可以分為物理電池、生物電池和化學(xué)電池三大類。生物電池有利用酶、微生物或葉綠素分別做成的酶電微生物電池和生物太陽能電池等，其工作的物理基礎(chǔ)是生物表現(xiàn)出來的帶電現(xiàn)象。物理電池指利用物理原理制成的電池，其特點(diǎn)是能在一定條件下實(shí)現(xiàn)能量的直接轉(zhuǎn)換?；瘜W(xué)電池是一種直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，其學(xué)名為化學(xué)電源。通常所說的電池即指的是這類電池。 圖 31 化學(xué)電池的分類 化學(xué)電池常見的分類方法有三種： 第一種是按電解液種類分類，可把常見的電池分為堿性電池、酸性電池、中性電池及有機(jī)電解液電池四種。 第二種是根據(jù)電池所用正、負(fù)極材料的不同，可把常見的電池分為鋅系電池、鉛系電池、鋰系電池、二氧化錳系電池及空氣（氧氣）系電池。 化學(xué)電池 按電解質(zhì)分類 按正負(fù)極材料分類 按功能分類 堿性電池 酸性電池 中性電池 有機(jī)電解液電池 鋅系列電池 鎳系列電池 鋁系列電池 鋰系列電池 MnO2系列電池 空氣系列電池 一次電池 二次電池 燃料電池 儲(chǔ)備能量電池 第三種是根據(jù)工作的性質(zhì)和儲(chǔ)存方式不同，可把常見的電池分為一次電池、二次電池、燃料電池、儲(chǔ)備電池四類。 如圖 3— 1 所示 二、有關(guān)電池的常見術(shù)語 放電：電池向外電路輸送電流的過程。 放電容量：電池在規(guī)定條件下的放電電量或有效工作時(shí)間。 儲(chǔ)存壽命：電池在規(guī)定條件下儲(chǔ)存結(jié)束時(shí)，電池仍能保持規(guī)定的性能和儲(chǔ)存期限。 電池極端：電池連接外電路的部件。 電動(dòng)勢：組成電池的兩個(gè)電極的平衡電位差。 放電率：放電率指放電是的速率，通常用 “時(shí)率 ”和 “倍率 ”表示。 充電：將外電路輸入蓄電池的電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來的操作過程。 充電率：蓄電池在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)充到額定容量所需的電 流值。 恒壓充電：充電時(shí)保持充電器端電壓不變的一種充電方法。 恒流充電：充電時(shí)保持充電電流不變的一種沖電方法。 極化：極化是電池由靜止?fàn)顟B(tài)即電流為零轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)產(chǎn)生的電池電壓、電極電為的變化現(xiàn)象。 第二節(jié) 鉛酸蓄電池 一、鉛酸蓄電池的分類和特點(diǎn) 電動(dòng)汽車用動(dòng)力鉛酸電池有多種，常見的有 干荷 電式蓄電池、濕荷電式蓄電池、閥控式蓄電池、免維護(hù)蓄電池、膠體蓄電池、水平板式蓄電池等。 動(dòng)力鉛酸蓄電池與一般啟動(dòng)用的蓄電池不同，既要求有瞬時(shí)大電流放電特點(diǎn)，又要 求鉛酸蓄電池有持續(xù)大電流放電的能力。動(dòng)力鉛酸蓄電池有以下幾個(gè)特點(diǎn)。 （ 1）單格電壓高，汽車用鉛酸蓄電池單格額定電壓可達(dá) ，開路電壓 ，工作電壓 。 （ 2）比功率和功率密度大，內(nèi)阻小，長時(shí)間可輸出大電流。 （ 3）性能可靠，沖放電可逆性好。 （ 4）循環(huán)次數(shù)多，壽命長。 （ 5）結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉。 二、鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池充、放電化學(xué)反應(yīng)的原理方程式如下： 正極 ： PbO2 + 2e + HSO4 + 3H+ == PbSO4 + 2H2O 負(fù)極： Pb + HSO4 == PbSO4 + H+ + 2e 總反應(yīng)： PbO2 + 2 H2SO4 + Pb == 2 PbSO4 + 2H2O 從以上的化學(xué)反應(yīng)方程式中可以看出，鉛酸蓄電池在放電時(shí)，正極的活性物質(zhì)二氧化鉛和負(fù)極的活性物質(zhì)金屬鉛都與硫酸電解液反應(yīng)，生成硫酸鉛，在電化學(xué)上把這種反應(yīng)叫做 “雙硫酸鹽化反應(yīng) ”。在蓄電池剛放電結(jié)束時(shí)，正、負(fù)極活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成的硫酸鉛是一種結(jié)構(gòu)疏松、晶體細(xì)密的結(jié)晶物，活性程度非常高。在蓄電池充電過程中，正、負(fù)極疏松細(xì)密的硫酸鉛，在外界充電電流的作用 下會(huì)重新變成二氧化鉛和金屬鉛，蓄電池就又處于充足電的狀態(tài)。正是這種可逆轉(zhuǎn)的電化學(xué)反應(yīng)，使蓄電池實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)存電能和釋放電能的功能。 第三節(jié) 燃料 電池 一、燃料電池的分類和特點(diǎn)： 圖 32 燃料電池的分類 燃料電池按電解質(zhì)劃分已有 6 個(gè)種類得到了發(fā)展，即堿性燃料電池、磷酸鹽型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、固體氧化物型燃料電池、固體聚合物燃料電池又稱為質(zhì)化學(xué)電池的分類 料電池 直接式 間接式 再生式 低溫 （〈 200℃） H2O2 有機(jī)物 —氧 含氧化合