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新能源汽车技术（第二版）（第二版）（第二版）（第二版）赵振宁柴茂荣主编李春明主审高等职业教育高等职业教育“十三五十三五”规划教材规划教材课件制作课件制作：杨丽慧：杨丽慧新能源汽车技术（第二版）高等职业教育“十三五”规划教材课件新能源汽车发展史新能源汽车现状储能装置电力电子变换电动汽车电动机第一章第二章第三章第四章第五章电动汽车变频器第六章新能源汽车发展史新能源汽车现状储能装置电力电子变换电动汽车电电动汽车传动系统典型纯电动汽车典型混合动力汽车氢燃料电池汽车其他新能源汽车第七章第八章第九章第十章第十一章蓄电池管理系统第十二章电动汽车传动系统典型纯电动汽车典型混合动力汽车氢燃料电池汽车直流直流转换器电动助力转向系统电动汽车制动系统电动汽车仪表电动汽车空调系统第十三章第十四章第十五章第十六章第十七章电动汽车充电第十八章电动汽车高压安全技术第十九章直流直流转换器电动助力转向系统电动汽车制动系统电动汽车仪表 第一章活塞连杆组故障诊断与修复新能源汽车发展史 第一章 活塞连杆组故障诊断与修复 新能源汽车发展史第一节第一节活塞连杆组故障诊断与修复纯电动汽车历史纯电动汽车历史 第一节 活塞连杆组故障诊断与1886年，卡尔奔驰发明了以内燃机为动力的汽车，不过电动车却比以内燃机为动力的汽车有更长的历史。电动车的历史可追溯到1834年，托马斯达文波特（ThomasDavenport）制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池驱动，只能行驶一小段距离。第一辆以可充电池为动力的电动车于1881年在法国巴黎出现，它是法国工程师法国人古斯塔夫土维装配的以铅酸电池为动力的三轮车（图1-1）。图1-1 1881年的三轮电动车 1886年，卡尔奔驰发明了以内燃机为动力的与19世纪末的以内燃机为动力的汽车相比，电动车除了车速略低，在其他方面的优点很多，比如起动方便，而且电动机工作时没有噪声、振动和难闻的汽油味。而且，直流电动机低转速时大转矩输出特性使它用作汽车动力时不需要复杂的传动系统且操作简便，因而电动车成了机动交通工具的一个主要发展方向。19世纪末到20世纪初，是电动车的黄金时期，法国和英国都出现了电动车制造公司，图1-2所示为1882年维尔纳冯西门子制造的无轨电车。1899年4月29日，比利时人卡米尔杰那茨（CamilleJenatzy）驾驶着一辆名为“快乐”（LaJamaisContente）的炮弹外形电动车以105.88km/h的速度刷新了由汽油发动机保持的世界汽车最高车速的速度记录（图1-3），这是汽车速度第一次突破100km/h大关，快乐电动车保持着这个汽车速度记录进入到了20世纪。与19世纪末的以内燃机为动力的汽车相比，电动图1-2 1882年西门子制造的无轨电车图1-3 1899年“快乐”电动车 图1-2 1882年西门子制造的无轨电车图1-与此同时，大洋彼岸的美国在汽车的普及上比欧洲稍晚，但他们有自己的优势，美国在电力技术发展和普及上领先于欧洲。发明了电灯、留声机的美国著名的科学家托马斯爱迪生是电动车的坚定支持者（图1-4），1911年纽约时报曾经这样评论电动车：“它经济，不排放废气，是理想的交通工具。”舆论和名人的效应对于电动车在美国的推广与普及无疑起到了推波助澜的作用，像美国安东尼电气集团、贝克、底特律电气、哥伦比亚和瑞克这样的电动车制造公司应运而生。当时的美国不仅拥有数量众多的电动轿车和电动货车，BaileyElectric公司在1907年甚至开发了最早的电动跑车。1897年纽约出现了第一辆电动出租车。与此同时，和电动车一起相关的配套服务设施也应运而生，美国汉福德电灯公司为电动车提供可以更换的电池。DetroitElectric公司不仅制造电动车，还建立了电池充电站方便用户，现代电动车需要的那些配套设施在90多年前就已经建立过了。与此同时，大洋彼岸的美国在汽车的普及上比欧洲图1-4 1913年爱迪生和一辆电动车的合影 图1-4 1913年爱迪生和一辆电动车的合影不过，电动车的黄金时代并没有持续太久，20世纪20年代后，内燃机技术达到了一个新水平，装备内燃机的汽车速度更快，加一次油可持续巡航里程是电动车的3倍左右，且使用成本低。相比之下，电动车的发展进入到了瓶颈时期，在降低制造成本和改善使用便利性方面没有明显的进步。这种背景下，电动车很快失去了存在的意义在1940年左右电动车基本上就从欧美汽车市场中消失了。1973年爆发的中东石油危机令全世界陷入石油短缺的境地中，人们又开始关注其他动力的汽车，电动车再一次进入人们的视线中。20世纪八九十年代，日本和美国的汽车厂家生产了一系列电动车，比如ChryslerTEVan和丰田RAV4EV，名气最大的是1996年通用汽车公司投产的EV1电动轿车（图1-5），不过，它们最终都是昙花一现。不过，电动车的黄金时代并没有持续太久，20世图1-5 1996年的GM EV1 图1-5 1996年的GM EV1经过几十年的发展，虽然屡次出现机会，但是直到21世纪初期电动车没有再现19世纪末期至20世纪初期的辉煌。根源在于它不仅生产成本相对较高，充电麻烦、维护成本高以及电池能量密度低造成的续航里程短和充电便利性差是个严重的问题，这些弱点严重阻碍了电动车的普及。经过几十年的发展，虽然屡次出现机会，但是直到第二节第二节活塞连杆组故障诊断与修复混合动力汽车发展历史混合动力汽车发展历史 第二节 活塞连杆组故障诊断与今天的混合动力汽车，被视作由传统内燃机汽车发展到未来纯电动汽车的中间形态，但在汽车发展史上，第一辆混合动力汽车却是出现在纯电动汽车诞生的近20年后。令人惊讶的是，他所采用的工作原理，直到今天仍被用于最新型的混合动力车甚至是概念车上。混合动力车的历史要追溯到1900年，世界第一辆混合动力车“罗尼尔保时捷”在1900年诞生。它的设计来自25岁的费迪南德保时捷，这个年轻人未来将作为第一代大众甲壳虫的设计师、保时捷品牌的开创者而扬名天下，但1900年时，他只是位于维也纳的雅各布罗尼尔公司的一位重要雇员，这是他的第一份工作。这家公司原本是一家豪华马车制造商，从19世纪末开始生产电动汽车。今天的混合动力汽车，被视作由传统内燃机汽车发在“罗尼尔保时捷”上，费迪南德采用了串联式混合动力，由汽油发动机为发电机提供能量，安装在前轮内的两个轮毂电动机提供驱动力（图1-6），最大功率为7.4610.44kW。今天的雪佛兰Volt就采用了这种汽油机驱动发电机的形式，而轮毂式电机驱动则被近来很多纯电动概念车所使用。“罗尼尔保时捷”有双座和四座两种车身形式，也有以蓄电池为能量源的纯电动型号，在此基础上费迪南德还开发出装备4个轮毂电机的四驱车型。图1-6 保时捷博物馆复原的罗尼尔保时捷 在“罗尼尔保时捷”上，费迪南德采用了串联式这辆充满灵感的轿车在1900年的巴黎世界博览会上大出风头，受到媒体广泛关注，但并未对他的市场推广有什么帮助。“罗尼尔保时捷”售价高达15000奥匈帝国克朗，而同期最贵的5.97kW(8hp)奔驰Velo售价才5200德国马克，前者是后者的2.6倍。作为市内交通工具，纯电动车曾在19世纪末到20世纪10年代风行一时，直到20世纪20年代欧美城际公路网逐渐形成，电动车“腿短”的缺点越来越明显（这也是同期蒸汽车被淘汰的原因之一）后才渐渐淡出人们的视野。在混合动力技术的奠基者中，还应该记住的一个名字是亨利皮珀，一位德国工程师和发明家。他在1902年左右发明了并联式混合动力，甚至开发出了配套的早期动力管理系统。亨利皮珀将这一成果授权一家比利时汽车公司Auto-Mixed生产，在19061912年推出一系列车型，如2.61kW的Voiturette。但在亨利皮珀去世后Auto-Mixed被另一家公司收购。这辆充满灵感的轿车在1900年的巴黎世界博览在1915年，大西洋另一边的北美大陆上也出现了一家颇具超前性的汽车制造商：欧文麦哥尼茨。这家公司专门生产混合动力车型，采用串联式混合动力。在1915年纽约车展上其生产的6缸混合动力车型首次与公众见面（图1-7），由于主顾中包括一些世界闻名的男高音歌唱家，如爱尔兰的约翰麦考马克和意大利的恩里克卡鲁索，这个品牌很快就变得广为人知，可以说是早期“明星营销”的成功典范之一。欧文麦哥尼茨一直生产到1921年，他们的最后一款产品是Model60Touring（图1-8）。图1-8 1921年的Model 60 Touring图1-7 1916年的欧文麦哥尼茨混合动力车 在1915年，大西洋另一边的北美大陆上也出现在同一时期，另一家电动车制造商，芝加哥的伍兹汽车公司也生产混合动力车型。1916年伍兹公司宣称他们的混合动力车最高时速可以达到56km/h，百公里油耗4.9L。但与烧汽油的对手相比，混合动力车始终存在价格昂贵和动力偏弱的问题，很快被淹没在汽油机汽车的汪洋大海中。以1913年美国市场为例，电动车加混合动力车共销售了6000辆，而采用汽油发动机的福特T型汽车销售了182809辆。从20世纪20年代开始，混合动力汽车进入了一个近40年的静默期。在同一时期，另一家电动车制造商，芝加哥的伍兹1966年美国国会通过的一项议案，拂去了电动和混合动力车身上的尘埃。为了减轻日益严重的空气污染，这项议案提倡使用电动汽车。1969年，通用汽车公司推出了他们的应对之策512系列混合动力试验车。GM512甚至比微型车还小（图1-9），更像个玩具，只能乘坐2人，后置后驱布局。他采用了一套并联式混合动力系统，速度在16km/h以内由电动机驱动，1621km/h为电动机和两缸汽油发动机共同工作，21km/h以上为汽油机单独提供动力，最高时速为64km/h。这种玩具般小车在当时的交通环境里基本没有实际意义，因此，有批评者认为通用汽车公司并不愿意亲手终结盈利颇丰的传统汽车产业，只是用512系列混合动力车来缓解对降低空气污染的舆论压力。1966年美国国会通过的一项议案，拂去了电动图1-9 1969年通用的微型混合动力试验车512 图1-9 1969年通用的微型混合动力试验但1973年，影响全球范围的第一次石油危机再次将电动和混合动力汽车推到聚光灯下，比起作用缓慢的空气污染，钱包变薄问题更迫在眉睫。到1979年，通用汽车在电动汽车项目上花了2000万美元，并乐观地估计到20世纪80年代中期就可以投入量产，直接跳过混合动力的过渡阶段。丰田在1977年也推出了一款混合动力概念车（图1-10）Sports800Hybrid，采用燃气轮机电动机的并联形式。图1-10 1977年丰田混合动力试验车 但1973年，影响全球范围的第一次石油危机再进入20世纪80年代后，各大汽车制造商都在进行新能源领域的尝试，奥迪在1989年展出了在奥迪100AventQuattro基础上研发的duo试验车（图1-11），由9.4kW(12.6hp)的电动机驱动后轮，能量来自可充电的镍镉电池，10.14kW(13.6hp)的2.3L5缸汽油机驱动前轮。奥迪duo的尝试一直持续到1997年，基于A4Avent的第三代duo正式量产（图1-12），使奥迪成为第一家生产现代混合动力车的欧洲厂商，但这款车型并未得到市场认可而最终停产。1991年日产也发布了他们的电动概念车FEV（FutureElectricVehicle）（图1-13），并在1995年发布了第二代FEV（图1-14）。进入20世纪80年代后，各大汽车制造商都在进图1-11 1989年奥迪第一代混合动力试验车duo 图1-11 1989年奥迪第一代混合动力试图1-12 1997年基于A4 Avent的第三代duo正式量产 图1-12 1997年基于A4 Avent图1-13 日产1991年推出第一代FEV概念车 图1-13 日产1991年推出第一代FEV图1-14 日产1995年推出第二代FEV 图1-14 日产1995年推出第二代FEV1997年第一代丰田普锐斯上市（图1-15），只在日本市场发售，少量被出口到英国、澳大利亚和新西兰。迄今为止全球最畅销的混合动力车就此诞生。在混合动力车的历史中，日本丰田普锐斯是一个重要标志。在经历了近百年风雨之后，混合动力车终于迎来了自己的春天。图1-15 1997年上市的第一代普锐斯 1997年第一代丰田普锐斯上市（图1-15）第三节第三节活塞连杆组故障诊断与修复燃料电池汽车发展史燃料电池汽车发展史 第三节 活塞连杆组故障诊断与1968年，通用汽车公司生产出了世界第一辆可使用的燃料电池电动汽车，该燃料电池电动汽车以厢式货车为基础制造，装载了最大功率为150kW的燃料电池组，燃料为低温冷藏的液氢，汽车的续驶里程为200km。但由于该车的复杂结构，自身部件几乎占去所有车内空间，加上当时人们环境意识的淡薄且能源供需矛盾并不突出，因此，后续的开发工作停止了。到了20世纪90年代，作为解决环境污染和能源供需问题的重要途径之一的燃料电池电动汽车技术受到了空前重视，主要汽车厂商和生产国几乎都投入了大量的人力和物力研发燃料电池电动汽车。1993年加拿大巴拉德(Ballard)公司研制出世界第一辆燃料电池公共汽车。戴姆勒汽车公司是世界上最大的燃料电池电动汽车厂商之一。从1994年开始，戴姆勒汽车公司相继推出了necar1（NewElectricCar1）、necar2、necar3、necar4和necar5燃料电池电动汽车。1968年，通用汽车公司生产出了世界第一辆可2003年，戴姆勒汽车公司启动了世界上范围最广的燃料电池车系列试验，范围涉及燃料电池轿车、客货车以及公共汽车。目前，已经有100多辆燃料电池汽车投入日常运营，从而为戴姆勒汽车公司的工程师们提供了包括整车和部件优化、基础设施建设以及提高氢燃料电池技术市场认可度等方面的宝贵资料。作为汽车动力系统转型的前瞻技术，国外企业界纷纷组成强大的跨国联盟，以期达到优势互补的目的，如日本丰田汽车公司与美国通用汽车公司、日本东芝公司与美国国际燃料电池公司、雷诺汽车公司与意大利DeNora公司分别组成联盟开发燃料电池电动汽车。目前几乎所有的国外大企业集团全部介入，投入的总额将近100亿美元，并正在进行各种示范验证，目前全球投入商业化示范运行的燃料电池汽车数量超过100辆。2003年，戴姆勒汽车公司启动了世界上范围最目前，燃料电池汽车样车开发和示范运行都已证明其技术的可行性，但要达到实用化还面临着很多的挑战，主要为：（1）燃料电池的寿命需要进一步提高。目前燃料电池的使用寿命只有20003000h，而实用化的目标寿命应大于5000h。因此，减缓和消除工况循环下材料与性能的衰减、增加对燃料与空气中杂质的耐受力、提高零度以下储存和起动能力等成为研究热点。（2）燃料电池的成本要大幅度降低。2005年，美国能源部依据现有材料与工艺水平，预测在批量生产条件下燃料电池系统的成本为108美元/kW，到2010年达到的目标成本是35美元/kW。为此需要研究满足寿命与性能要求的廉价替代材料（如超低Pt用量的电极、大于120高温低湿度膜等）与改进关键部件的制备工艺，并逐步建立批量生产线。（3）解决氢源和基础设施问题。结合本地资源情况，选择合适的制氢途径，进行加氢站的建设和示范。同时开展车载储氢材料和储氢方法研究，提高整车续驶里程。目前，燃料电池汽车样车开发和示范运行都已证明 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