《燃料电池增程式电动汽车动力系统开发》宋柯|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《燃料电池增程式电动汽车动力系统开发》

【作　者】宋柯

【页 数】 218

【出版社】 上海：同济大学出版社 , 2021.02

【ISBN号】978-7-5608-9070-8

【价 格】78.00

【分 类】燃料电池-汽车-电力系统-系统开发

【参考文献】 宋柯. 燃料电池增程式电动汽车动力系统开发. 上海：同济大学出版社, 2021.02.

图书封面：

图书目录：

《燃料电池增程式电动汽车动力系统开发》内容提要：

本书主要分为6章：第1章分析了增程式电动汽车的动力系统拓扑结构组成，按照安装方式及发电方式的不同对现有增程器进行了分类，并介绍了不同类型增程器的特点。第2章介绍了增程式电动汽车动力系统参数匹配设计流程及方法。第3章通过分析用于能量管理控制策略设计的电动汽车动力系统建模的共性需求，对几种常见图形化建模方法进行了比较与分析；并详细介绍了键合图理论在复杂多物理领域系统建模仿真方面应用的优势，构建了所研究燃料电池增程式电动汽车动力系统关键部件模型以及动力系统整体模型。第4章详细介绍了多种面向应用的燃料电池增程式电动汽车能量管理控制策略。第5章则介绍了基于键合图模型的控制器硬件在环仿真测试平台搭建过程。第6章对前面章进行总结与提炼，提出了一套完整的增程式电动汽车动力系统开发流程及方法。本书可供广大汽车类技术人员、研究人员、大专院校学生等阅读参考。

《燃料电池增程式电动汽车动力系统开发》内容试读

■第1章绪论■

第1章绪论

增程式电动汽车结合了纯电动汽车与混合动力汽车的优点，能够有效提高纯电动汽车一次充电续驶里程，同时也降低了车辆对化石燃料的依赖度。本章将在介绍增程式电动汽车动力系统拓扑结构及其分类的基础上，全面介绍国内外增程式电动汽车的研发现状。

1.1增程式电动汽车研发背景

环境污染和能源危机是21世纪人类所面临的两大日益严峻的社会问题。地面机动车辆在二氧化碳排放、石油消耗以及有害颗粒物排放等方面都占有较大的份额。为了缓解这两大社会问题，针对以汽车为主的地面交通工具的革新主要从新型车辆类型、替代燃料技术和先进动力系统结构形式三方面开展工作，如图1-1所示。其中，新型车辆类型是针对不同国际市场个人消费者用车习惯的不同应运而生的适合于当地使用的车辆，例如城市化进程中的中国大城市，汽车拥堵问题严重，灵活便捷的电动自行车数量飞速增长，这样的市场势必为不同于欧美传统汽车市场的车辆产品提供了发展的空间。替代燃料技术领域的发展重点是在现有汽柴油燃料的基础上增加天然气、液化石油气、煤基燃料、生物燃料、电能以及氢燃料的使用比重。在先进动力系统结构形式方面，未来汽车动力系统发展的方向是从目前依赖于汽柴油的内燃机驱动转变为利用电能和电机驱动的结构形式，电驱动化为未来汽车驱动的多样化提供了可能。

燃料

氢气1

电能

车辆类型

生物燃气

化石气体

化石燃料

为燃机

心混合动力汽车

、插电式混合动力汽车

增程式电动汽车纯电动汽车

燃料电池汽车

动力系统技术

图1-1地面交通工具相关技术发展路线

1

■燃料电池增程式电动汽车动力系统开发■

按照动力系统结构形式的不同，目前的电动汽车可以分为三大类。

l.纯电动汽车(Battery Electric Vehicle,BEV)

纯电动汽车由二次电池(Rechargeable Battery)提供行驶所需能量，并仅由电动机驱动。纯电动汽车的主要优点包括：

(1)本身不排放污染环境的有害气体。即使按所消耗电量换算为发电厂的排放，由于电厂固定不动，可以对各种有害排放进行集中处理。

(2)电能可以从多种一次能源获得，解除人们对石油资源日渐枯竭的担心：还可以利用晚间用电低谷时富余的电能充电，使发电设备日夜都能够充分利用，大大提高其经济效益。

(3)因为是电机驱动，所以车辆运行过程中噪声小。

(4)如果采用电动轮直接驱动车轮的传动方式，可省略传统电动汽车通常由驱动电机、减速器、差速器和万向传动轴构成的机械传动链，具有传动高效、结构简洁、可利用空间大等突出优点。

尽管纯电动汽车的研究已经取得了很多成果，但是现阶段仍然存在一些阻碍其大规模商业化的不利因素：①鉴于目前的电池技术水平，蓄电池能量密度偏低，导致纯电动汽车一次充电续驶里程短，无法满足用户长距离驾驶需要：②蓄电池价格偏高，致使一辆常规纯电动汽车的性价比远低于同级别的内燃机汽车；③电动汽车用蓄电池快速充电技术也有待进一步提高；④充电等基础设施建设需要巨大的社会成本，同时发达而成熟的传统汽车工业具有发展惯性。

2.混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)

根据国际电工技术委员会给“混合动力汽车”所下定义：混合动力汽车是指在特定工作条件下，可从两种或两种以上储能器、能量源或能量转换器获取驱动能量，且其中至少有一种可以提供电能的车辆。目前被广泛接受的关于“混合动力汽车”的概念是：在一辆汽车中同时采用内燃机和电机作为动力装置，通过先进的控制系统实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的新型汽车。因为混合动力汽车上仍然需要使用内燃机作为动力装置，从而无法完全摆脱对石化能源的依赖，也无法实现完全意义上的废气污染物“零排放”。从清洁角度来说，混合动力汽车优于传统内燃机汽车；从续驶里程角度来说，混合动力汽车优于纯电动汽车，因而作为传统内燃机汽车到纯电动汽车之间的一种过渡形式，受到全球汽车工业的高度重视。混合动力汽车有多种分类方法，按照动力系统结构形式的不同，现有混合动力汽车主要分为：①串联式混合动力汽车；②并联式混合动力汽车；③混联式混合动力汽车；④Plug-in混合动力汽车。

(I)串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electric Vehicle):动力系统中发动机、发电机和电动机以串联形式连接，发动机带动发电机发电，电能通过逆变器给电池充电或直接供给电动机驱动汽车。汽车行驶需求功率较大时，电池可同时给电动机供电以提供更大的功率输出。这是一种以内燃机输出功率为主、蓄电池输出功率为辅的结构形式。串联

·2·

■第1章绪论■

式混合动力汽车中唯一的驱动动力源是电动机。串联式混合动力汽车的优点是结构简单，控制系统设计相对容易；另外，发动机与驱动部分没有直接的机械连接，从而可以稳定工作在高效率区。其缺点是发动机、发电机和电动机等部件需要配备较大的后备功率以满足动力性要求，布置、安装有一定难度。这一问题理论上可以通过轮毂电机驱动形式来加以改善。此外，由于能量需经由石化燃料热能转换为电能再到机械能的多次转换，致使效率降低。但是因为可以使内燃机工作在高效率区，所以串联式混合动力系统的能量工作效率仍然可以高于传统内燃机汽车。

(2)并联式混合动力汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle):与串联方式不同，采用发动机和电动机两套独立的动力系统驱动车辆。两套动力系统通过动力耦合装置连接，其中任意一套系统均可以独立驱动车轮。其结构决定了控制的灵活性。通用的控制思想是：车辆在怠速、低速状态下，发动机工作于低效率区，因此关闭发动机，仅以电动机驱动：当车辆高速行驶时，发动机工作于高效率区，这时电动机关闭，仅以发动机驱动汽车；当车辆需求大功率时（爬坡、加速等），发动机和电动机共同工作。基于这种功率叠加的设计思想，并联方式的内燃机和电动机的功率可以选择相对小些。其缺点是结构较复杂，控制较难。

(3)混联式混合动力汽车(Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle):与串联式相比，多了发动机与传动系统的机械连接：与并联式相比，增加了发电机，发动机可以通过发电机发电。混联式一般采用行星齿轮机构作为动力复合装置，日本的丰田Pus混合动力汽车就是采用了这种混联式结构。混联式的发动机和电动机可以选择较小的功率，发动机也比较容易控制在高效率区稳定工作，控制策略比较灵活。但缺点是结构复杂，成本较高，同时控制系统也相应更加复杂。

(4)插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV):是能够从电网获

取并存储电能，用于驱动车辆的混合动力汽车。关于PHEV的研究近几年逐渐升温。

PHEV结构上与传统混合动力汽车的最大区别在于增加了一套连接电网的充电装置。通

过这套充电装置，PHEV可以更多地利用电能源，进一步减少对石化能源的依赖。这一改

变对于减少运输部门石油消耗、减少有害气体和二氧化碳排放以及提高电力系统的电能

使用效率都具有积极的意义。从结构形式来说，PHEV可以基于以上三种传统混合动力

形式。

3.燃料电池汽车(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV)

燃料电池汽车采用燃料电池作为主要能量源。燃料电池利用氢气和氧气（空气）在催化剂作用下发生催化反应产生电能，具有无污染、只生成水作为排放物等优点。其主要意义在于可以完全取消对石化能源的依赖，改变现有的依赖于内燃机的汽车驱动模式。燃料电池汽车是一种全新的汽车动力系统形式，具有深远的技术意义和社会意义。但是现阶段燃料电池的很多技术还处于研发试验阶段，并且成本很高。此外，燃料电池所需要的氢气，在大规模制备、供应、储存等方面距离产业化还有许多技术问题需要解决。

3

■燃料电池增程式电动汽车动力系统开发■

经过多年的研究、开发及探深索，包括商业实践，全球汽车工业对汽车电驱动化这一发展趋势达成了共识，即以纯电动汽车和燃料电池汽车为代表的纯电驱动形式将是未来汽车发展的最终方向。但是目前纯电动汽车的技术瓶颈之一在于电池一次充电续驶里程不足，通常不超过150k。尽管欧美国家（例如德国）大部分汽车用户每日行驶里程低于50km,但是对于偶尔的长距离驾驶，目前的纯电动汽车无法满足需要。导致纯电动汽车

一次充电续驶里程短的根本原因在于目前常用的化学电池能量密度与汽油、柴油之间存在巨大的差距。图1-2为几种常见储能技术的能量密度与功率密度关系，图1-3为几种常见蓄电池的能量密度与功率密度关系。虽然混合动力汽车和燃料电池汽车可以提供较长的续驶里程，但是混合动力汽车依然使用石油燃料，排放有害气体，而燃料电池系统价格高昂，并且缺乏加氢站等基础设施，短期内难以实现大规模产业化。

1000

10h

0.1h

感科电池

ZEBRA电池

100

拿池

36s

碱性电池望铬电池

豫氢电池

船酸电池

10

3.6s

双电层电容

超级电落

360ms

0.1

36ms

电解质电容

0.01

10

100

1000

10000

功率密度(Wkg)】

图1-2常见储能技术的能量密度与功率密度关系

2h

5h

10h-'

180

160

140

GALA冀离子电池（高能量型

120

EV

GAIA细离千电池（高功粼型

20h

100

30

60

氢电池（高功率型）

HEV

40

20

超级电容

+ca.5000

0

0200400600800100012001400160018002000

比功率(Wkg)

图13常见蓄电池的能量密度与功率密度关系

■第1章绪论■

正是基于纯电驱动电动汽车关键技术发展现状以及驾驶员日常驾驶习惯，欧美发达国家率先提出了增程式电动汽车(Extended-Range Electric Vehicle,E-REV)的概念。增程式电动汽车是基于蓄电池纯电动汽车发展起来的，其上增加发电装置，即所谓的增程器(Range Extender,RE)。当车辆电力不足时，增程器提供额外的电能满足车辆继续行驶的需要。因为增程式电动汽车的基础是蓄电池纯电动汽车，因而能够仅依靠车载蓄电池行驶，即存在真正意义上的纯电动续驶里程。这种新型电动汽车在日常短距离行驶过程中能够完全利用蓄电池驱动车辆运行，一方面降低温室气体及污染物排放，另一方面充分利用来自电网的电能，减少汽柴油使用量；当驾驶员需要完成中长距离行驶时，增程器可提供相应的电能，从而免去了驾驶员对车载蓄电池电能不足的顾虑。

1.2增程式电动汽车动力系统拓扑结构及分类研究

目前国际汽车权威机构对增程式电动汽车还未给出明确定义。David Gelman对增程式电动汽车作如下定义：“增程式电动汽车是一种混合动力汽车，是在纯电动汽车的基础上安装一个小型内燃机发电机组，超出动力蓄电池所提供行驶里程之外的运行状态由该发电机组维持。”通用汽车公司的E.D.Tte等人给出如下定义：“当车载可充电储能系统(Rechargeable Energy Storage System,RESS)能够提供电能时，以纯电动汽车模式运行：

同时带有一个仅当RESS能量不足时启动发电的附加能量装置的车辆。”从以上定义可以

看出，增程式电动汽车的基础是纯电动汽车，增程器是附加的能够发电的辅助能量单元，提供额外续驶里程所需电能。典型的增程式电动汽车动力系统结构如图1-4所示，图中单实线代表电气连接，双实线代表机械连接，虚线部分为增程器单元。

充电机

入入入入

功率转

换器

功率转

驱动电机

换器

动力蓄电池组

机械传动

系统

增程器

入入

图1-4增程式电动汽车动力系统结构示意

·5

■燃料电池增程式电动汽车动力系统开发■

结构形式及性能特点与增程式电动汽车相似的插电式混合动力汽车的基础是传统混合动力汽车。增程式电动汽车因为源自纯电动汽车，其纯电驱动部分的动力性能能够独立满足驾驶工况需要，即存在真正意义上的仅靠驱动电机行驶模式。理论上，增程式电动汽车上的增程器可以从动力系统中剥离，不影响车辆以纯电动汽车形式完成通常工况和

一定续驶里程的驾驶要求。而插电式混合动力汽车上的内燃机系统工作状态与行驶车速密切关联（以油电混合动力为例），不能与整车动力系统剥离。一旦剥离，所剩驱动电机或不能满足工况力矩需要（并联式），或车辆行驶里程将大为缩短（串联式）。

表1-1给出了增程式电动汽车与插电式混合动力汽车的主要异同。

表1-1

增程式电动汽车与插电式混合动力汽车的比较

主要异同

增程式电动汽车

插电式混合动力汽车

以传统混合动力汽车为基础，目的是增大车

以纯电动汽车为基础，传统纯电动汽车续驶

产生历史

载动力电池的容量，从而充分利用夜间便宜

里程短，增程器能够增加行驶里程

电能，同时增加纯电动里程，减少尾气排放

(1)串联式一电电耦合：

动力系统结构

串联式一电电耦合

(2)并联式一力矩耦合：

(3)混联式一电电/力矩耦合

有否外接充电

有

有

有否纯电动续驶里程

有，>60km

有，20~60km

增程器启动时机与车速的

无关

有关

关系

驱动电机额定功率大于增程器额定功率，提

内燃机（油电混合为例）额定功率大于驱动

功率混合度

供主要能量

电机额定功率，提供主要能量

1.2.1增程式电动汽车动力系统组成结构

增程式电动汽车的基础是纯电动汽车，其动力系统中与纯电动汽车相同的部分包括电力驱动子系统、主能源子系统和辅助子系统。不同的是，在传统纯电动汽车动力系统中增加了能够额外发电的装置一增程器单元。以下对各部分作具体的阐述说明。

1.电力驱动子系统

增程式电动汽车的电力驱动子系统与纯电动汽车的该部分结构相同，主要包括整车控制器(Vehicle Management System,VMS)、功率转换器（电机控制器）、驱动电机、机械传动装置和驱动车轮，如图1-5所示。整车控制器接受来自驾驶员的加速踏板和制动踏板信号，结合其他关键部件的工作状态，控制功率转换器内功率开关的通断，实现驱动电机

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···试读结束···