《汽车新技术》教案

泸州职业技术学院Luzhou Vocational & Technical College 教案

课程名称：汽车新技术模块

讲授班级：2010汽车1、2、3班

主讲教师：曾契

职称：助教

部门：机械工程系

泸州职业技术学院教务处制

20XX年8月

汽车新技术模块课程教案

讲稿01

新课引入

通过对石油危机对汽车的讨论引入新课。

第一章混合动力汽车发展综述

1 引言

全球能源及环境问题日益突出：一方面石油资源作为不可再生能源日益紧缺；另一方面传统的燃油发动机车辆废气排放对空气造成严重污染。为此替代燃油发动机汽车的方案也越来越多，例如氢能源汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车等，但目前最有实用性价值并已有商业化运转模式的只有混合动力汽车。混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle)是指同时装备热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车，如图1所示。

纯电动力源汽车虽然可以真正做到零排放，但其最大的问题是电池寿命短及每次充电后行驶里程少，每次停车充电时间长，需增加路边充电站,基础设备投资很大，电池的损耗费用占很大比例。基于这些原因，纯电动车仅适用于一些特殊场合，目前市场份额较小，而混合动力汽车实质上是一个折中方案，它的出现是为了解决纯电动车存在的技术性问题，在目前燃料电池技术尚未成熟之际，可以说是一个比较好的方案。在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。

2 混合动力汽车传动系统分类

混合动力总成按动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式三种。串联式有本田的CIVIC HYBRID，并联式车型有丰田Coaster Hybrid EV、君越Eco-Hybrid，混联式有丰田PRIUS、LEXUS GS450h 等。

2.1 串联式

串联式混合动力汽车动力流向如图1所示：

图1 串联式简图图2 串联式混合动力汽车传动系统由图1可以看出，串联式混合动力汽车动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成的动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时仅由电池驱动电动机驱动车轮，实现零排放；大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处启动、加速、爬坡工况时，发动机—电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当车辆车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机—发

电机组向电池组充电。串联式混合动力汽车传动系统布局如图2所示。

串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。

2.2 并联式

并联式混合动力汽车动力流向如图3所示：

图3 并联式简图 图4 并联式混合动力汽车传动系统

并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系统提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的

应用。并联式混合动力汽车传动系统布局如图4所示。

2.3 混联式

混联式混合动力汽车动力流向如图5所示：

图5 混联式简图 图6 混联式混合动力汽车传动系统

混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。并联式混合动力汽车传动系统布局如图6所示。

3 典型混合动力汽车原理解析 3.1 丰田Prius 混合动力原理解析

丰田的Prius 属于以电机为主的形式。它的混合动力总成包括两个动力源，发动机与电动机。还有

包含了发电机、内置动力分离装置的混合动力专用变速器、镍氢电池组和动力控制总成。丰田Pruis 混合动力系统有一个特点，就是采用行星齿轮变速结构，变速器内置动力分离装置，行星齿轮机构巧妙地将减速器、发电机和电动机等动力部件偶合在一起，同时行星齿轮又起到无级变速器的功能，结构十分紧凑，形成一个集成化混合动力总成系统如图7所示。

图7 Prius混合动力总成系统图8 低速行驶动力源启动以及中速以下行驶，此时发动机效率低下，因此Prius的发动机关闭，仅由大功率电动机驱动车辆，如图8中箭头A所示。在常规行驶时，发动机做主动力源，由动力分离装置将动力分成两路，一路驱动发电机进行发电，产生的电力驱动电动机运转，如图9中箭头B所示，另一路则直接驱动车轮，如图9中箭头C所示。系统会自动对两条路径的动力进行最佳分配，以达到效率的最大化。

图9 正常行驶动力源图10 加速行驶动力源当要加速时，电池组会加进来为电动机供电，增强电动机输出功率，如图10中箭头A所示。

当减速或制动时，则由车轮的惯性力驱动电动机。这时电动机变成了发电机，车辆制动能量转换成了电能，如图11中箭头D所示。

图11 减速行驶充电图12 自动充电电池组电量保持在一个恒定水平。当系统发现电池组电量下降会启动发动机驱动发电机发电，向电池组充电，如图12中箭头E所示。

Prius的混合动力技术，在带来燃油经济性的同时还保证了其出众的动力性能。在正常驾驶环境下，由于拥有发动机和电动机的双重动力，普锐斯的加速性能绝对毋庸置疑，其虽然是1.5L排量的小车，

但它的加速能力绝对可以媲美普通2.0L的车辆。

4 展望

当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80％以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40％，在市区还会跌至25％，更为严重的是污染环境。而混合动力汽车则针对不同的道路环境实施不同的供能方案，能大大降低排放污染程度。例如在城市运行时，当交通堵塞或遇到红灯时发动机会关闭，当车队移动时或信号灯转为绿灯时驾驶者只要轻踩加速踏板，电动机就能驱动汽车前进。在市区内当汽车发动机无效率空转或车辆移动缓慢时，使用电动机作动力源不但对环境有利，而且还减少了噪音。因此，越是在交通日益拥挤的大城市使用混合动力汽车，就越能够显示出它的节能、环保、适应能力广的优越性。

从目前的发展来看，计算机技术和自动控制技术，以及各种智能控制系统在混合动力汽车上的逐渐应用，将进一步促进混合动力汽车的发展。与传统型汽车相比，混合动力汽车充分吸取了电力及热力系统中最大的优势，在节能和排放上胜出一筹；与纯电动汽车相比，混合动力汽车的电压和功率等级与电动车类似，但蓄电池容量大大减小，因而其造价成本低于电动汽车。

当前混合动力车辆所面临的技术问题还很多，比如汽车电池较易老化且可靠性与预期有差距，再加上生产成本高于燃油动力车辆，市场占有率较小，尽管从汽车制造技术的长远发展来看，混合动力车辆只是由燃油动力车辆到纯电动车的过渡类型，但其在近几十年内会很有发展前景，这一点是毫无疑问的。课程总结与作业布置

思考混合动力汽车在实际运用中还存在哪些不足

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讲稿02

新课引入

以当今热卖的汽车款型来讨论汽车设计对于汽车的重要性，以此引入新课。

第二章现代轿车设计方法及步骤

每一种产品的设计都有它的工作步骤，轿车作为高级耐用工业品，更不例外。一辆新型轿车从构思、设计、试验、定型到成批生产，耗费巨大的资金和时间。其中车身开发设计是主要部分，约占整车开发费用和时间的70%，按照传统方式约需5-6年，采用电子计算机辅助设计（CAD/CAM），现在从设计到样车仅需2年时间或者更短。

目前各大汽车公司开始广泛采用基于电脑CAD/CAM的虚拟设计技术来缩短开发周期和缩减开发费用。虚拟技术（Virtual Reality）简称为VR，其实就是一种数字化处理过程。首先是利用电脑建立车辆概念的数字化模型，然后利用虚拟产品开发技术进行整车设计方案评估，包括整车空气动力学、主动安全与被动安全性分析以及疲劳分析等，很多以前需要用实车或样车来完成的测试工作，已经可以逐渐在电脑中实现。

2.1确定设计依据

首先要做广泛的市场调查，了解各层次消费者对汽车的需求，分析竞争对手，制定总体方案。根据

总体方案制定车身边界参数和总布置方案。车身边界参数是指整车的的长、宽、高、轮距、轴距、最小转弯半径、车厢长、宽、高、驾驶座椅的可调整范围等。初步确定车身的基本技术数据及车内结构，决定总布置设计方案（如轿车是二厢或三厢）、驱动形式（如前置或后置发动机，前轮或后轮驱动）和配置高低。

2.2 开发设计

开发设计的内容分为基型开发和批量开发两个阶段。通过基型开发确定新车方案及车身边界，目的是试图找出车身外型、总布置设计方案及空气动力学三者之间的最佳关系方案。

图1 汽车设计草图

为简便获得最佳关系方案，采取途径是先绘制相关草图，例如外形草图、内饰草图，在大量草图的基础上经筛选后再绘制出效果图，如图1所示，再根据效果图制作许多一定比例尺寸的外模型和内模型，例如有1:1(内模型)、1:2.5、1:4、1:5等等，其中1:2.5外模型要经风洞试验，择优选择其中一些模型再列出各个模型的设计方案，再试验，比较，再择优选择。

有些厂家开发某种轿车的模型是采用装配式，即发动机舱盖、车身侧面部件可以分段更换，有多种组合，通过风洞试验选出最佳组合方案，可以减少小模型的数量及工作量。为了降低开发费用，初期开发阶段一般采用小比例模型，经过多次筛选定案，才制作1:1外模型，如图2所示。

风洞试验是模拟汽车道路行驶的试验，主要解决轿车行驶时的气流、通风、散热特性。通常需要在汽车或模型表面布置密密麻麻的压力传感器。为了布置这些传感器，技术人员得在汽车上钻上千个小孔固定传感器。

目前世界上各大汽车公司的风洞试验大致分为两大类，一类可测试气流特性，另一类可测试气流及散热特性。第一类风洞中，样车或模型置于可旋转的园台上，四轮置放在4个特殊而精密的大天平上，可测量气动力特性，例如阻力、升力、侧向力等分量，车身表面各点气流压力及周围的气流场。

第二类风洞中，有模拟自然条件的强光及温湿度控制，可进行样车及模型在各种速度变化下的温度测试。在现代风洞试验中，为了准确快捷，有的公司采用了新技术，例如福特汽车公司采用了一种“压力感应油漆”（PSP）涂抹在被测试车型上，当汽车涂上这种压力感应油漆后，工程师便可以在15分钟内对汽车的空气动力学性能进行一次全面的测试。

1:1外模型和内模型经过风洞试验，进行工程分析，再进行1:1外模型表面确认，经过几轮全尺寸模型的修改、试验，确定一个模型，进行车身总布置设计及工程分析，作为设计图纸及工装的原始依据，此时进入了批量开发阶段。工程分析包括采用有限元分析、模态分析、模拟台架试验分析、模拟碰撞安全分析等。

其中有限元分析是近30年随电子计算机发展起来的一种有效工程计算法，它包含离散化、单元分析、整体分析等三步骤计算，无论是车身、梁架、壳体及各种零件的变形和强度都可以通过有限元分析，从而获得用传统计算方法难以得到的理想结果。经过工程分析及风洞试验，进入样车设计和试制阶段，包括样车的风洞试验、道路试验。

然后进行零件图设计，在计算机系统上建立某一零部件的数字模型。最后进行生产线工装及设备制造，小批试制直至批量生产。

以上是轿车设计的基本概况。但汽车设计也有简繁之分，汽车制造企业一般按照技术的复杂程度分为三类。第一类是技术复杂程度最高的全新平台式开发，从发动机到底盘，从车身到电气都要全新开发，花费的时间与费用巨大。

第二种以开发新车身为主，造型、结构及尺寸都会有变化，同时在发动机、底盘、电气方面做继承式改进。第三种是局部改型。即平台基本不动，只改变车身的前后部造型和内外饰件，或增加一些舒适性功

图2 汽车1:1模型

能，配置新的动力总成（发动机及变速器）等，时间及费用最少。目前在世界上各大汽车企业，采用第

图3 汽车风洞试验

一类设计方式的轿车一般会生产5~6年，但往往每一、两年会进行局部改型，在灯具、饰件、散热

栅架上做些变化，然后冠以某某年款车型推向市场。

课程总结与作业布置

试在现实生活中找找，现代汽车设计应用在现实中有哪些？

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讲稿03

新课引入

以能源危机和汽车的污染的日益严重，来引入电动汽车的发展前景。

第三章电动汽车

3.1 电动汽车的发展趋势

纯蓄电池驱动的超微型汽车,这种汽车降低了汽车的动力性和续驶里程的要求，充电过程比较简单，车速不高．较适合于市内或社区小范围内使用。由于多数采用了镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等高性能电池，车辆性能较有保证，已进人小批量试生严阶段。比如，日本的Hypermini采用了高性能锂离子电池，最高时速为90km，一次充电可行驶115 km．是一款适合未来城市道路行驶的家庭轿车。

目前，在电动汽车的商业化运作上，无论从产品技术还是从市场开发方面．都还面I临许多亟待解决的问题，这就需要政府的大力支持。比如，加快制定相关技术标准，出台对节能、环保汽车的税费减免和补贴措施，在基础设施建设上提供便利条件等。

3.2 电动汽车构造与原理

3.2.1 电动车的种类

电动汽车的分类，如图1

图1 电动汽车的分类

纯电动汽车车是以车载电源为能源的汽车，又称为EV 。目前纯电动汽车主要有蓄电池电动车和燃料电池电动车。

蓄电池电动车是由充电式蓄电池为能源的电动车。目前这种电车普遍使用的电池一般都是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池又有很多种类，常见的有个干呵电式蓄电池、湿荷电式蓄电池、阀控式蓄电池、免维护蓄电池、胶体蓄电池、水平板式蓄电池等。

动力部分广泛使用的是直流串励电动机和直流他励电动机，这种电机启动转矩大，具有"软"的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，控制电流大，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BCDM ）、开关磁阻电动机（

SRM ）和交流异步电动机所取代。

燃料电池电动车目前使用的较少，因为燃料电池由于技术还不成熟其结构复杂，价格昂贵等缺点而限制了其适用范围，不过燃料电池转换效率高、无污染、运行噪声低、续驶里程长、无需充电时间（加氢式）等优点被电动车未来的发展所看好。其动力和控制部分除了电池组部分有所不同外其他都大同小异。

3.3 蓄电池电动车 3.3.1结构 如图2

图2 蓄电池电动车结构图

蓄电池电动车是由动力蓄电池向电动机供电从而驱动汽车行驶，是目前运用最广泛的电动车，其结构主要由动力蓄电池（车载电源）、控制器、接触器、控制电路、附加电路、DC/DC 、DC/AC 、电动机、变速器、附加电器、车身等组成。

蓄电池电动车是由多个动力蓄电池串联组成的电池组为电动车供电，电池组一般是36V~400V 的直流电源，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。动力电池组采用并联或者串联的方式进行组合，在EV （电动汽车）上占据很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。

控制器是电动车大脑，它控制着电池电量的输出、电动机的转速、转向、过载保护、能量反馈等等，目前使用的控制器分为两大类：直流控制器和交流控制器。直流控制器使用比较广泛的是串励电机

控制器和他励电机控制器，在是使用方面也都有各自的优势。交流控制器现在在技术上也有了很大的提高，不如变频调速，不过由于成本高所以在使用范围上收到了很大限制。

电动机是整个电动车的动力输出部分，就像汽车的发动机。现在电动车上使用的电动机以直流电动机为主流，交流电动机目前在电动车上还没有得到广泛应用。直流电机在电动车上应用最广泛的主要有串励电机和他励电机。交流电动机的使用还是以三相交流异步电动机为主。

3.3.2 电动车原理

1、蓄电池

有关电池的常见术语

放电：电池向外电路输送电流的过程。

放电容量：电池在规定条件下的放电电量或有效工作时间。

储存寿命：电池在规定条件下储存结束时，电池仍能保持规定的性能和储存期限。

电池极端：电池连接外电路的部件。

电动势：组成电池的两个电极的平衡电位差。

放电率：放电率指放电是的速率，通常用“时率”和“倍率”表示。

充电：将外电路输入蓄电池的电能转换为化学能储存起来的操作过程。

充电率：蓄电池在规定的时间内充到额定容量所需的电流值。

恒压充电：充电时保持充电器端电压不变的一种充电方法。

恒流充电：充电时保持充电电流不变的一种冲电方法。

极化：极化是电池由静止状态即电流为零转入工作状态产生的电池电压、电极电为的变化现象。

上一节我们说过，目前电动车上普遍使用的电池一般还都是铅酸蓄电池，但是这种电池有普通电池还有很大区别。动力铅酸蓄电池既要求有瞬时大电流放电特点，又要求铅酸蓄电池有持续大电流放电的能力。动力铅酸蓄电池有以下几个特点：

（1）单格电压高，汽车用铅酸蓄电池单格额定电压可达 2.0V，开路电压 2.1V，工作电压1.8V-2.0V。

（2）比功率和功率密度大，内阻小，长时间可输出大电流。

（3）性能可靠，冲放电可逆性好。

（4）循环次数多，寿命长。

（5）结构简单，价格低廉。

目前，电动汽车上应用最广泛的电源依然是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。

2、电池组的管理系统

动力电池组的管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、电池的温度等进行控制。因为个别蓄电池性能变化后，影响到整个动力电池组的性能，用蓄电池管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维护系统，来保证电动车的正常运行。

电池组管理系统组成

电动车上动力电池组是它的主要电源，电动车全靠动力电池组提供电源。根据电动汽车所采用的电池的类型和动力电池组的组合方法，电池组管理系统主要包括：热管理系统；电池管理系统；电线线路管理系统。

动力电池组管理系统的功能和作用

动力电池组管理系统要承担动力电池组的全面管理，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，使驾驶员随时都能掌握动力电池组的情况。另一方面要对人身和车辆进行安全保护，避免因电池引起的各种事故。

电动汽车目前之所以没有得到有效的推广主要就是速度、充电时间和续驶里程收到了很大的限制，若想在这方面得到提高电池技术是一个重点。

3.3.3 驱动电机和驱动系统

驱动电机是EV的动力装置，这也是EV与内燃机汽车的根本区别之处。现代EV所采用驱动电机主要是交流电动机、永磁电动机、和开关阻尼电动机等。

电动车驱动系统由驱动电动机和驱动操纵系统共同组成，随着电动车结构形式不同，采用了不同驱动系统。电动车的驱动系统由集中驱动系统和轮毂驱动系统两驱动系统。

电动车的驱动系统总布置形式有以下几种，其特征如表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

动

合

动

3.4 燃料电池电动汽车

3.4.1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普通内燃机汽车几乎没什么差别，特别是燃料电池电动轿车与普通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普通内燃机汽车的。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主要由动力控制单元、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很复杂的，主要组成为燃料系统、空气供给系统、控制器、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。

3.4.2燃料电池电动汽车的种类

虽然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征，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、是根据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、根据燃料特点把燃料电池汽车分为直接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可以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。

3.4.3燃料电池电动汽车动力系统的工作原理

由燃料电池组出发的电流经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，其电流经过DC/DC转换器进入电动机驱动汽车行驶。如图3所示

图3 燃料电池电动汽车动力系统的工作原理

2.3.4燃料电池电动汽车的驱动形式

驱动电机及其控制系统是燃料电池汽车的心脏，它的主要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。

其基本构成有两个部分：电机及控制器。电机由控制器控制，是一个将电能转变为机械能的装置。控制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，所以控制器本质上是一个电能变换控制装置。

目前，燃料电池可以采用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。

课程总结与作业布置

谈谈你认为影响电动汽车迅速普及的主观和客观因素有哪些？

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