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电动汽车分类及优势,揭秘充电技术与基础设施建设

时间:2023-08-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:图2-1 电动汽车的分类图2-2 纯电动汽车的基本结构与燃油汽车相比,纯电动汽车具有下述优点:①零排放、零污染、噪声小。串联式混合动力电动汽车实现了车载能量源的多样化,可充分发挥各种能量源的优势,并通过适当的控制实现它们的最佳组合,满足汽车行驶的各种工况要求。PHEV是在传统混合动力汽车基础上派生而来的,并兼有传统混合动力汽车与纯电动汽车的基本功能特征。

电动汽车分类及优势,揭秘充电技术与基础设施建设

按照电动汽车的驱动原理和技术现状,一般将其划分为纯电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)、插电式混合动力电动汽车(PHEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)4种类型,如图2-1所示。

1.纯电动汽车

纯电动汽车是指利用动力电池作为储能动力源,通过动力电池向驱动电机提供电能,驱动电动机运转,从而推动电动汽车前进的一种新能源汽车,其基本结构如图2-2所示。

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图2-1 电动汽车的分类

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图2-2 纯电动汽车的基本结构

与燃油汽车相比,纯电动汽车具有下述优点:

①零排放、零污染、噪声小。

②结构简单,使用维修方便。

③能量转换效率高,可回收制动和下坡时的能量,提高能量的利用效率。

④可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电,起到平抑电网峰谷差的作用。

纯电动汽车作为机械电子、能源、计算机和信息技术等多种高新技术的集成,是典型的高新技术产品,其最终目标是实现智能化、数字化和轻量化。目前,研制和开发的关键技术主要有动力电池、驱动电机及其控制、车身和底盘设计及能量管理技术等。一般来讲,纯电动汽车可以分为机械子系统、电力电子子系统和信息子系统。

机械子系统由底盘、车身、驱动装置和变速器等组成,评价因素主要包括道路特性、防撞性、汽车内部空间、装配性以及价格等。

电力电子子系统由动力网、驱动电机及其控制器和能源系统组成,评价因素主要有安全性、可靠性、效率、重量以及价格等。

信息子系统用于处理驾驶人的意图,并监控汽车的运行以及电源、驱动电机及其控制器和充电器的状态,评价因素包括通信网络、数据处理算法以及和通信相关的故障诊断和充电控制等。

2.混合动力电动汽车

混合动力汽车是指汽车动力传动系统由两个或多个能同时运转的单个动力传动系统联合组成的汽车,汽车的行驶功率依据实际的汽车行驶状态由单个动力传动系统单独或者多个动力传动系统共同提供。如果其中一个动力传动系统为纯电动汽车动力传动系统,则该混合动力汽车为混合动力电动汽车。混合动力电动汽车按照推进系统能量流和功率流的配置结构关系或动力传输路线可以分为串联式混合动力、并联式混合动力和混联式混合动力电动汽车。

(1)串联式混合动力电动汽车

内燃机直接带动发电机发电,产生的电能通过控制单元传到动力电池,再由动力电池传输给驱动电机转化为机械能,最后通过变速机构来驱动汽车。动力电池在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节,从而保证车辆正常工作。其基本结构如图2-3所示。

串联式混合动力电动汽车具有下述特点:

①车载能量源环节的混合。

②单一的动力传动装置。

③车载能量源由两个或两个以上的能量源组成。

串联式混合动力电动汽车实现了车载能量源的多样化,可充分发挥各种能量源的优势,并通过适当的控制实现它们的最佳组合,满足汽车行驶的各种工况要求。

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图2-3 串联式混合动力电动汽车的基本结构

(2)并联式混合动力电动汽车

采用发动机和驱动电机两套独立的驱动系统驱动车轮。发动机和驱动电机通常通过不同的离合器来驱动车轮,可以采用发动机单独驱动、驱动电机单独驱动或者发动机和驱动电机混合驱动3种工作模式。当发动机提供的功率大于车辆所需驱动功率或者当车辆制动时,驱动电机工作于发电机状态,给动力电池充电。与串联式相比,它需要两个驱动装置,即发动机和驱动电机,在相同的驱动性能要求下,驱动电机系统与发动机可以同时提供动力,因此,并联式比串联式所需发动机和驱动电机的单机功率要小。并联式混合动力电动汽车的基本结构如图2-4所示。

并联式混合动力电动汽车具有下述特点:

①机械动能的混合。(www.xing528.com)

②具有两个或多个动力装置。

③每一个动力装置都有自己独立的车载能量源。

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图2-4 并联式混合动力电动汽车的基本结构

(3)混联式混合动力电动汽车

发动机和电机驱动系统各有一套机械变速机构,两套机构通过齿轮系统或行星轮结构结合在一起,从而综合调节内燃机与电机之间的转速关系,更加灵活地根据工况来调节发动机和电机的功率输出。混联式混合动力电动汽车的基本结构如图2-5所示。

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图2-5 混联式混合动力电动汽车的基本结构

混联式混合动力电动汽车的动力传动系统具有两个电机系统,即发电机和电机驱动系统,同时具备串联式车载能量源耦合以及并联式机械能耦合的优势,驱动模式灵活,能量效率更高。在实际应用中主要有两种方案,即开关式和功率分流式。

开关混联式混合动力电动汽车的基本结构如图2-6所示,离合器用于实现串联结构和并联结构的切换。若离合器分离,则该混合动力传动系统即为简单的串联式结构;若离合器接合且发电机不工作,则该混合动力传动系统即为简单的并联式结构;若离合器接合且发电机处于工作状态,则该混合动力传动系统即为复杂的混联式结构。

功率分流混联式混合动力电动汽车的基本结构如图2-7所示,它巧妙地利用了行星轮结构功率分流以及3个自由度的特点,发动机、发电机以及驱动轴分别与行星轮结构的3个轴相连。在正常工作时,发动机的输出动力自动分流为两部分:一部分直接输出到驱动轴,与电机驱动系统输出的动力构成并联式结构;一部分输出到发电机,发电机发出的电能与动力电池构成串联式结构。

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图2-6 开关混联式混合动力电动汽车的基本结构

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图2-7 功率分流混联式混合动力电动汽车的基本结构

3.插电式混合动力电动汽车

插电式混合动力电动汽车(Plug-in HEV,PHEV),是一种可外接充电的新型混合动力汽车。PHEV是在传统混合动力汽车基础上派生而来的,并兼有传统混合动力汽车与纯电动汽车的基本功能特征。其本身也是一种混合动力电动汽车,区别在于其车载的动力电池组可以利用电力网(包括家用电源插座)进行充电,具有较长的纯电动续驶里程,必要时仍然可以工作在混合动力模式。因此,与混合动力电动汽车相比,它具有较大容量的动力电池组、较大功率的电机驱动系统以及较小排量的发动机。

该类电动汽车具有的特点如下:

①噪声低、排放低。

②插电式混合动力电动汽车介于常规混合动力电动汽车和纯电动汽车之间,出行里程长(如周末郊游)时采用以内燃机为主的混合动力模式,出行里程短(如正常上、下班)时采用纯电动模式。

③可在晚间低谷时使用外部电网对车载动力电池进行充电,不仅可以改善发电厂发电机组效率问题,而且可以大大降低其对石油的依赖。

④由于插电式混合动力电动汽车的行驶特性,动力电池SOC(荷电状态)将在很大的范围内波动,属于深度充电深度放电,因此循环工作寿命受到一定影响,需要动力电池具备深充和深放的能力。

4.燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车是一种利用车载燃料电池装置产生的电力作为行驶动力的汽车。燃料电池电动汽车的动力系统主要是由燃料电池发动机、燃料存储装置(主要用于储氢)、驱动电机和动力电池组等组成的,采用燃料电池发电作为主要能量源,通过电机驱动车辆前进。燃料电池是利用氢气和氧气(或空气)在催化剂的作用下直接经电化学反应产生电能的装置,具有无污染、零排放的优点。燃料电池电动汽车的基本结构如图2-8所示。

燃料电池作为电动汽车的动力来源,其特点主要表现在以下几个方面:

①能量转换效率高。燃料电池的能量转换效率可高达60%~80%,是内燃机能量转换效率的2~3倍。

②不污染环境。燃料电池的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水,它本身工作不产生CO和CO2,无硫、NOx和微粒。如果使用车载的甲醇重整催化器供给氢气,则仅会产生微量的CO和较少的CO2

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图2-8 燃料电池电动汽车的基本结构

但现阶段,燃料电池的诸多关键技术仍处于研发试验阶段。此外,燃料电池的理想燃料——氢气,在制备、供应和储运等方面距离产业化还有大量的技术与经济问题有待解决。同时,稀有金属铂金(Pt)被大量用于燃料电池的催化剂,但按照现有燃料电池对铂金的消耗量,地球上所有储量都用来制造车用燃料电池,也仅能满足几百万辆车的需求。因此如何降低稀有金属用量也是燃料电池电动汽车推广应用的技术和资源瓶颈之一。

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