现代汽车安全技术-5章电动汽车安全技术.ppt

,,第5章电动汽车的安全技术,主讲朱明高级技师、经济师,工程师高级技能专业教师汽车维修工高级考评员,5．1电动汽车概述,5．1．1电动汽车的发展概述1831年法拉第研制成功世界上第一台旋转直流电机。1834年苏格兰人ThomasDavenport研制成功不可充电蓄电池电动三轮车。1859年法国人GastonPlante发明可充电铅酸蓄电池。，1881年法国工程师GustaveTrouve研制成功世界上第一辆可充电铅酸蓄电池电动三轮机动车也有人认为1873年英国人RobertDavishen研制成功第一辆电动机动车。1882年英国W．E．Ayrton和John．Perry两位教授组装成功世界上第二辆电动机动车。1886年，FrankSprague设计生产了有轨电车。从此，电动汽车变得流行起来，并且在当时车辆运输中起着很重要的作用。美国1900年销售的4200辆汽车中有38％是电动汽车，22％是燃油汽车，40％是蒸汽机汽车。1912早期电动汽车发展到鼎盛，仅美国电动汽车即达3．4万辆。1915年美国电动汽车的产量达5000辆。,电动汽车历史,在20世纪早期，电动汽车在美国的销售量曾大于燃油汽车。通用汽车的第一辆电动汽车可以追溯到1912年。但当时只有少数电动汽车每次充电后可以行驶超过50英里，并且人们要花一天时间给它们充电。,重视电动汽车的研制和开发,各汽车大国十分重视电动汽车的研制和开发，不仅注入巨额资金，而且给予特殊的政策优惠。如美国，购买1辆电动汽车可从联邦政府获得10％不超过4000美元的补贴，从地方政府获得5000美元的补贴。法国2000年投人15亿法郎发展电动汽车10万辆，政府成立部级协调小组，总理和部长带头坐电动汽车上班。规定每生产1辆电动汽车，电力公司要补贴生产厂家1万法郎，行政机关和地方团体每新购1辆电动汽车，由环保和能源控制署补贴8千法郎，私人购买电动汽车可获得政府补贴5000法郎。在公司服务的电动汽车，减免各种地方税收。英国规定电动汽车免缴牌照费和养路费，夜间充电减免2／3电费。,电动汽车与燃油汽车的能源消费比较,,,,,电动汽车优点与缺点,1优点①利用电池里储存的电能行驶,因此行驶过程完全不排出气体。②振动和噪音很小,是一种很安静的车辆。③减速时能回收能量,因而效率高。④由于利用电能,不一定必须依靠石油。,电动汽车优点与缺点,2缺点①行驶距离短且载重量少等,用途受到限制。②当今由于产量少、电池价格高等原因,ＥＶ价格也高。③充电需耗费时间充电时间4～8小时。由此可见ＥＶ虽然与内燃机汽车简称ＩＣＥＶ相比对环境等方面有优越的一面,但是在价格与使用方便等方面仍存在问题。然而考虑到环境以及能源问题,它应被看作能够对社会作出贡献的一种车辆。,5．1．2电动汽车的结构,电动汽车是指纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的总称。1.纯电动汽车指由电动机驱动的汽车。电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他易携带能源储存的装置。2.混合动力电动汽车，能够至少从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车①可消耗的燃料；②可再充电能／能量储存装置，包括串联式混合动力电动汽车、并联式混合动力电动汽车、混联式混合动力电动汽车。3.燃料电池电动汽车，以燃料电池为电源的电动汽车。,,,,,,,,,电动汽车具有的特点,电动汽车与传统汽车一样也是由动力装置、底盘、车身和电器设备等四个部分组成。电动汽车具有以下独特的特点1.电动汽车的能量主要通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传递的；2.电动汽车驱动系统的布置不同如独立的四轮驱动系统和轮毂电机驱动系统会使系统结构区别很大；3.采用不同的电动机、不同类型的储能装置会影响到电动汽车的质量、尺寸和形状。,电动汽车系统,电动汽车系统可分为三个子系统，即电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。电力驱动子系统又由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成；主能源子系统由主电源、能量管理系统和充电系统构成；辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。现代电动汽车很多采用三相交流感应电动机，相应的功率转换器采用脉宽调制逆变器，机械变速传动系统一般采用固定速比的减速器与差速器，典型结构如图51。,电动汽车系统典型结构如图51。,,电动汽车系统典型结构如图51。,在图中，双线表示机械连接，粗线表示电气连接；细线表示控制信号连接，线上的箭头表示电功率和控制信号流动的方向。根据从制动踏板和加速踏板输人的信号，电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，从而调节电动机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的能源被电源吸收，此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一起控制充电并监测电源使用情况。辅助动力供给系统主要给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。,HEV动力总成的基本构成及分类,现在国际上通用的混合动力汽车分类是按照驱动布置形式的不同来划分串联式，并联式和混联式三大类。机械功率进行合成的方式的不同扭矩合成式；功率合成式；牵引力合成式按照内燃机占整个系统功率的比例大小变化，HEV分为两种典型的类型电量消耗型和电量保持型,电动汽车六种不同结构形式。,根据不同的电力驱动系统，可将电动汽车分为如图52六种不同结构形式。图52a由发动机前置前轮驱动的燃油车发展而来，结构和性能类似燃油车。图52b由于没有离合器和可选的变速档位，不能提供理想的转矩／转速特性，不适合使用发动机的燃油汽车。图52c与发动机横向前置前轮驱动的燃油汽车布置方法类似，在小型电动汽车上应用最普遍。图52d采用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱动两个车轮，便于实现电子差速，因此不必选用机械差速器。图52e将上述电动机安装在车轮里面，称为轮毂电动机，可进一步缩短电动机到驱动车轮的传递路径。图5-2f表示使用了另外一种轮毂电动机的电动汽车结构。采用低速外转子电动机，彻底去掉机械减速齿轮箱，电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上，车轮转速和电动汽车的车速完全取决于电动汽车的转速控制。轮毂电动机的结构如图53。,电动汽车六种不同结构形式,,图52a由发动机前置前轮驱动,图52b由于没有离合器和可选的变速档位,图52c与发动机横向前置前轮驱,图52d采用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱动两个车轮,图52e将上述电动机安装在车轮里面，称为轮毂电动机,图5-2f表示使用了另外一种轮毂电动机的电动汽车结构,图5-2f另外一种轮毂电动机的电动汽车结构,,电驱动的储能方式,电池电容燃料电池飞轮电池重整置氢,.,2000年通用EV1,,澳大利亚世界太阳能挑战赛,世界太阳能挑战赛是太阳能汽车赛事中历史最久、声望最高的一项，也是最牵动人心的科学冒险活动之一。,42辆造型古怪的汽车从澳大利亚北岸的达尔文出发，沿全长3000公里的斯图亚特高速公路南下，5至6天之内抵达南岸的阿德莱德，其间不耗费一滴汽油。,太阳能,太阳能汽车,太阳能汽车－－TOYOTA,.,太阳能电池板的面积自然是越大越好，而车子的总重量则是越小越好。赛车形状都大同小异扁扁的、矮矮的，结构尽量简单，恨不得除了电池板和轮子之外什么也没有，连发动机也是内置在车轮里的。车手在狭小的驾驶舱里躺着开车，可以想象，这烈日下的3000公里一定是相当不舒服的。荷兰Delft技术大学的Nuna获得了2001年冠军，总计用时32小时39分钟。行驶距离2998公里平均时速更高达91.81公里，最高时速130公里，不可谓不惊人。,太阳能汽车,氢能驱动汽车,,.,.,.,氢能驱动汽车,氢能社会构想,再生能源制氢,CO2处理,加氢站,燃料电池工厂,天然气制氢,电厂,终端用户,混合动力车ＨＥＶ的特征、现状及开发状况,混合动力车的基本概念混合动力车（英文缩写为ＨＥＶ）是指在同一辆汽车中同时采用了电动马达和燃料发动机的新型汽车。混合动力车以降低油耗和控制尾气排放为主要目标,混合动力车的技术经济特点,（１）混合动力汽车的开发生产,并不要求大规模改变现有汽车工业的产业结构和生产装备;（２）混合动力汽车的普遍使用,并不要求改变现有燃油汽车的能源（石油燃料）的生产供应体系;（３）混合动力汽车的普遍使用,并不要求司机改变已有的驾驶习惯;（４）可以大幅度降低尾气有害排放（减少５０～９０）,减少一半油耗,使用户得到切切实实的经济利益,价格虽比传统汽车高一些,但有政府的政策支持,用户完全可以接受。,混合动力技术对节能的作用,1稳定发动机工作点，改善发动机运转范围发动机只限于高效率、高扭矩转速范围内使用。利于采用“ATKINSON”循环发动机技术,同时确保低油耗和低排放。2停车时及轻负荷行驶时发动机停止运转,在轻负荷工况下只由电机驱动车辆行驶,从而确保低油耗与低排放。3制动过程中将运动的机械能转换为电能,并回收到混合动力车用蓄电池中这种过程称为再生能量制动。,稳定发动机工作点,.,,,,油耗增加方向,HEV动力总成的基本构成及分类,机械功率进行合成的方式的不同扭矩合成式；功率合成式；牵引力合成式现在国际上通用的混合动力汽车分类是按照驱动布置形式的不同来划分串联式，并联式和混联式三大类。按照内燃机占整个系统功率的比例大小变化，HEV分为两种典型的类型电量消耗型和电量保持型,电动汽车六种不同电力驱动系统结构形式。,根据不同的电力驱动系统，可将电动汽车分为如图52六种不同结构形式。图52a由发动机前置前轮驱动的燃油车发展而来，结构和性能类似燃油车。图52b由于没有离合器和可选的变速档位，不能提供理想的转矩／转速特性，不适合使用发动机的燃油汽车。图52c与发动机横向前置前轮驱动的燃油汽车布置方法类似，在小型电动汽车上应用最普遍。图52d采用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱动两个车轮，便于实现电子差速，因此不必选用机械差速器。图52e将上述电动机安装在车轮里面，称为轮毂电动机，可进一步缩短电动机到驱动车轮的传递路径。图5-2f表示使用了另外一种轮毂电动机的电动汽车结构。采用低速外转子电动机，彻底去掉机械减速齿轮箱，电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上，车轮转速和电动汽车的车速完全取决于电动汽车的转速控制。轮毂电动机的结构如图53。,电动汽车六种不同结构形式,,图52a由发动机前置前轮驱动,图52b由于没有离合器和可选的变速档位,图52c与发动机横向前置前轮驱,图52d采用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱动两个车轮,图52e将上述电动机安装在车轮里面，称为轮毂电动机,图5-2f表示使用了另外一种轮毂电动机的电动汽车结构,图5-2f另外一种轮毂电动机的电动汽车结构,,六种典型的电动汽车结构,采用不同类型的储能装置，如不同的蓄电池、燃料电池、超大电容和高速飞轮等，将构成六种典型的电动汽车结构，如图5-4。混合动力电动汽车分类主要有三种串联式、并联式和混联式，2000年延伸出复合式，如串联式是混合动力电动汽车中最简单的一种，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。和燃油车相比，它是发动机辅助型的电动汽车。如果串联混合型电动汽车设计时考虑爬长坡，为提供最大功率的发动机、发电机和电动机三个驱动装置的尺寸就会很大，如果用作短途运行如当通勤车或用于购物，相应的内燃机发电机装置应采用低功率的。,图54储能装置的结构形式,,串联式,并联式,并联式,混联式,混联式,混联式,串联式混合动力方案,发动机----发电机----直流母线----电动机----驱动桥,,变速器,,,,,,并联式混合动力电动汽车,并联式混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮。发动机和电动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、电力单独驱动或者发动机和电动机混合驱动三种工作模式。它是电力辅助型的燃油车，目的是降低排放和燃油消耗。当发动机提供的功率大于驱动电动车所需的功率或再生制动时，发动机工作在发电状态，将多余的能量充人电池。在蓄电池放完电之前，如果要得到相同的性能，并联式混合动力电动汽车比串联式的发动机和电动机的体积要小。即使长途行驶，发动机的功率可以达到最大而电动机的功率只需发出一半即可。,并联式混合动力方案,,,,AT,AMT,CVT等,,,,并联式动力总成的功率平衡图,,混联式混合动力电动汽车,混联式混合动力电动汽车在结构上综合了串联式和并联式的特点，与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线；与并联式相比，它增加丁电能的传输路线。混联式混合动力电动汽车同时具有串联式和并联式的优点，但其结构复杂，成本高。随着控制技术和制造技术的发展，一些现代混合动力电动汽车更倾向于选择这种结构。,混联式HEV结构特点,主电机的输出轴与齿圈相联，发电机与太阳轮相联，发动机则与行星架联接。,PRUIS正是利用了行星排的双自由度特性，通过与发电机来调节发动机的转速和力矩，使发动机可以稳定的工作在高转速，大力矩的高效区,混联式混合动力汽车,,混联式混合动力汽车,,混联式混合动力汽车,主减速器,,,,,,,,,,,,,,混合动力汽车THS系统具体结构,,通用AHS变速器,,复合式混合动力电动汽车,复合式混合动力电动汽车结构更复杂，似乎与混联式混合动力电动汽车相似，1.它们都有起发电机和电动机作用的电动机，2.两者的主要区别在于复合型中的电动机允许功率流双向流动，而混联式中的发电机只允许功率流单向流动。,5．2电动汽车安全要求,电动汽车的安全要求除了作为车辆应具备的一般主动安全技术和被动安全技术，电动汽车区别传统车辆的电的部分的安全要求。GBl83842001从车载储能装置、功能安全和故障保护以及人员触电保护三方面提出了对电动汽车的安全要求。标准适用于车载电路的最大工作电压低于660VAC或1000VEX2的电动乘用车和最大设计总质量不超过3500kg的电动商用车辆。该标准不适用于指导电动汽车的装配、维护和修理。,1车载储能装置安全要求,车载储能装置安全要求规定了电动汽车驱动系统车载储能装置的安全要求，从而确保使用者和车辆周围环境的安全。作为电动汽车的动力源的动力蓄电池组的安全主要包括为了防止爆炸、起火或有毒物质危害要考虑的动力蓄电池组产生气体的通风和动力申池组碰撞情况下的特殊要求两方面。动力蓄电池组产生气体时应考虑以下问题1车辆的任何地方不得有潜在危险气体的聚集。2不允许乘客仓及封闭的货舱内的危险气体超过一定的浓度。,测量期间，氢气的浓度的要求,测量期间，氢气的浓度的记录应满足下列要求1常规充电操作下，氢气的浓度应低于气体体积的1％。2充电期间，突发故障时，氢气的浓度应低于气体体积的2％。突发故障主要是指①车内通风装置失效，应有足够的自然通风，防止危害气体的聚集；②充电器损坏，应使用充电器上的安全装置来终止充电，或提供强制通风；③动力蓄电池连接端子松动；④通风管脱落。动力蓄电池在发生碰撞时的安全要求主要包括乘员保护、第三方的保护和防止短路。,碰撞时，对乘员保护的要求,在发生碰撞时，对乘员保护的要求如下1在正常条件下，动力蓄电池排出的有害物质不能达到产生危险的量。在意外条件事故或其他故障条件下，可能会释放出较多的有害物质，这时应使其降低到最低限度，尤其要注意乘客仓。2如果动力蓄电池或蓄电池包安装在乘客仓的外部，动力蓄电池、蓄电池包或其他部件蓄电池模块、电解液不得穿人乘客仓内。3如果动力蓄电池或蓄电池包安装在乘客舱内，动力蓄电池或蓄电池包的任何移动应确保乘客的安全。4按照国家有关规定进行碰撞试验期间，电解液溢出不能超过5L。5按照国家有关规定进行碰撞试验期间和试验结束后均不能有电解液进入乘客仓。按照国家有关规定进行碰撞试验期间，动力蓄电池、蓄电池包或其他部件蓄电池模块、电解液不能由于碰撞而从车上甩出。,动力蓄电池的过电流断开装置要求,动力蓄电池的过电流断开装置应能在下列情况下断开与蓄电池端子的连接电路①超过车辆制造厂规定的过电流；②与动力蓄电池连接的电路出现短路。动力蓄电池的过电流断开装置应能在包括车载储能装置故障的任何故障情况下工作。正常工作状态下，由于电解液的泄漏，造成了蓄电池模块的连接端子包括与它们相连接的任何可导电的连接件与任何可导电部件之间的附加的泄漏电流的危害，对此，规定的相应的动力蓄电池的爬电距离，见图56。,爬电距离确定,发生蓄电池电解液的泄漏，爬电距离确定如下1两个蓄电池连接端子间的爬电距离为d≥0．25U5式中d被测试验用动力蓄电池的爬电距离mm；U蓄电池两个连接端子间的标称电压V。2带电部件与电盘之间的爬电距离为d≥0．125U5式中d带电部件与电底盘之间的爬电距离mm；U蓄电池两个连接端子间的标称电压V。,2功能安全,在操作安全方面，电动汽车主要规定了驱动系统电源接通程序安全操作、行驶状态安全操作、倒车和停车安全操作四个方面。驱动系统电源接通程序安全操作规定1至少经过两次有意识的不同的连续动作，才能完成从“电源切断”状态到“可行驶”状态。“电源切断”状态是指驱动系统关闭，在这个状态，车辆不可能有主动的行驶。“可行驶”状态是指只有在这种状态下，当使用加速踏板时，车辆才能行驶。2当车辆与外部电路如电网、外部充电器连接时，不能通过其自身的驱动系统使车辆移动。3驱动系统经自动或手动关闭后，只能通过正常的电源程序重新启动。4应使用一个明显的信号装置持久或间歇地显示驱动系统已经处于准备工作状态。,2功能安全,如果功率自动大幅度降低如由于驱动系统或动力源零件的高温，应通过明显的装置显示这一状态。．当动力蓄电池的剩余电量低于一规定值时，应通过一个明显的信号装置所显示的剩余电量下限值应由车辆制造厂规定，但同时应满足以下要求1能够使车辆通过其自身的驱动系统将车辆驶出交通区域。2当动力蓄电池作为辅助电路的直接电源时，其最小的剩余电量应能为照明系统提供满足有关标准所规定所需的电量。,2功能安全,电动汽车如果是通过改变电机旋转方向来实现倒车行驶的，应满足以下要求，以防止当车辆行驶开关转到不期望的倒车位置1前进和倒车两个行驶方向的开关转换，应通过驾驶员两个不同的操作动作来完成。2如果仅通过驾驶员的一个动作来完成，应用一个安全装置使开关只有在静止或低速时才能转换到倒车位置。应限制最高倒车车速，该限制最高倒车速度由汽车制造厂设定。如果倒车行驶不是通过改变电机的旋转方向来实现的，则目前适用内燃机车辆的有关国家规定适用于电动汽车。当驾驶员离开车辆时，如果驱动系统仍处于“可行驶”状态，则应通过一个明显的信号装置提示驾驶员。如果当车辆处于静止状态，动力电机还在旋转．这时切断电源后，车辆不可能行驶。,3人员触电安全,对电动汽车，其工作电压是指在任何正常工作状态下，电气系统可能产生的交流电压均方根值rms或直流电压的最高值不考虑瞬时电压。根据电路的工作电压u，将电路分为两个等级，见表5l。,3人员触电安全,触电防护应包含防止人员与任何带电部件的直接接触和在带电部件的基本绝缘故障的情况下的触电防护。对于A级电压的电路不要求提供任何触电防护。对于B级电压电路的带电部件，都应为人员提供危险接触的防护。触电防护的基本方式为绝缘防护和遮挡／外壳防护。绝缘防护的方式又有四种方式基本绝缘、附加绝缘、双重绝缘和加强绝缘。,3人员触电安全,电动汽车的每一个电路和电底盘及其他电路之间应有一个绝缘电阻。动力系统的绝缘电阻应符合表52的要求。,3人员触电安全,试验前应断开动力电池，并把其他电路与电底盘连接。在电路的不同区段和外露可导电部件之间施加频率为50一60Hz的交流电压，历时lmin的耐压试验，如果电底盘和带电部件之间，有的电子元件不能承受耐压试验，见表53，则可以将它们从试验电路中取下。,3人员触电安全,触电防护的另外一种方式是遮挡／外壳的防护。遮挡／外壳防护时，带电部件应放在外壳内或遮挡后。这些防护应有足够的机械抵抗力。依据外壳／遮挡开口尺寸和带电部件的距离，可确定防护的等级。,3人员触电安全,电动汽车在雨水等工作条件下的触电防护是电动汽车人员保护的一个重要项目。国家标准对电动汽车雨水工作条件规定了三种情况下试验的触电保护要求1.模拟车辆清洗、2.暴雨3.涉水,