第二節(jié) 電動汽車

一、概述

本節(jié)所講述的電動汽車是指以蓄電池或燃料電池為動力、在市區(qū)街道或城間公路上行駛的用電動機驅(qū)動的汽車，不包括無軌電車及在車站、碼頭或廠區(qū)內(nèi)使用的電動叉車和普通的電瓶車。

世界上第一輛電動汽車，是1873年由英國人R?戴彼特遜用手工制作的。此后，電動汽車發(fā)展很快，自19世紀末到20世紀初，電動汽車幾乎成為汽車的主流。以美國為例，在此期間的汽車保有量中，蒸汽機汽車占40％，電動汽車占38％，內(nèi)燃機汽車只占22％。1915年，美國電動汽車的年產(chǎn)量達5000輛。但是，隨著汽油機汽車的發(fā)展及普及，電動汽車便逐漸衰落了。其原因是電動汽車充電時間長，續(xù)駛里程短，這就限制了它的應(yīng)用。然而，在環(huán)境污染日趨嚴重和石油資源面臨危機的20世紀末，世界各國又興起了研究、開發(fā)和使用電動汽車的熱潮。很多國家為了鼓勵生產(chǎn)和使用電動汽車，實行多項優(yōu)惠政策：或撥出巨款對生產(chǎn)電動汽車的廠家和購買電動汽車的客戶給予資助或補貼；或免收電動汽車用戶的牌照稅、養(yǎng)路費以及夜間充電只收一半的電費等。1990年，美國加里福尼亞州議會通過一項強制推廣電動汽車的法規(guī)。這項法規(guī)要求：在1998年的汽車總銷售量中，必須有2％的零排放污染汽車；到2000年，零排放污染汽車應(yīng)占汽車總銷售量的3％；2001年達5％；而2003年增至10％。目前，只有電動汽車能做到零排放污染。

近年來，電動汽車有了較大的發(fā)展。隨著科學技術(shù)，尤其是高新技術(shù)的發(fā)展，電動汽車技術(shù)也有了長足的進步。

電動汽車的優(yōu)點是：

1)在行駛中無廢氣排出，不污染環(huán)境，所以電動汽車可稱為"零排放污染汽車"。

2)能源有效利用率高。按10種行駛方式對電動汽車與汽油機汽車能源利用總效率的比較。

3)振動及噪聲小，車廂內(nèi)外十分安靜。

4)結(jié)構(gòu)簡單，維修使用方便。

電動汽車目前尚存在下列缺點：

1)一次充電所能行駛的里程短。裝載與汽油質(zhì)量相同的鉛酸蓄電池的電動汽車，其續(xù)駛里程僅為汽油機汽車的1/70。

2)成本高。蓄電池及電機控制器價格昂貴是電動汽車成本高的主要原因。另外，蓄電池壽命短，折舊費高。

3)充電時間長，一般需要6～10h。

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二、電動汽車的組成

電動汽車由電力驅(qū)動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等三部分組成。

電力驅(qū)動系統(tǒng)包括電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動機、機械傳動裝置和車輪，其功用是將存儲在蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輪的動能，并能夠在汽車減速制動時，將車輪的動能轉(zhuǎn)化為電能充入蓄電池。后一種功能稱作再生制動。

電源系統(tǒng)包括電源、能量管理系統(tǒng)和充電機，其功用主要是向電動機提供驅(qū)動電能、監(jiān)測電源使用情況以及控制充電機向蓄電池充電。

輔助系統(tǒng)包括輔助動力源、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、空調(diào)器、照明及除霜裝置、刮水器和收音機等等，借助這些輔助設(shè)備來提高汽車的操縱性和乘員的舒適性。

典型的電動汽車組成。圖中雙線表示機械連接，粗線表示電氣連接，細線表示控制信號連接，線上的箭頭表示電功率或控制信號的傳輸方向。

各個系統(tǒng)在電動汽車上的布置各式各樣，這是因為在電動汽車上能量是通過柔性的電線而不是通過剛性聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)軸傳輸?shù)?，因此，電動汽車各個系統(tǒng)或各個部件的布置有很大的靈活性。例如一輛電動機前置，前輪驅(qū)動的電動汽車。充電機經(jīng)汽車前端的充電接口向置于汽車尾部的蓄電池充電。在汽車行駛時，蓄電池經(jīng)控制器向電動機供電。來自加速踏板的信號輸入控制器并通過控制器調(diào)節(jié)電動機輸出的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速。電動機輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)汽車傳動系統(tǒng)驅(qū)動車輪。

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三、電力驅(qū)動系統(tǒng)

電動汽車的電力驅(qū)動方式基本上可分為電動機中央驅(qū)動和電動輪驅(qū)動兩種。由電動機、固定速比減速器和差速器等構(gòu)成的電動機中央驅(qū)動系統(tǒng)。在這種驅(qū)動系統(tǒng)中，由于沒有離合器和變速器，因此可以減少機械傳動裝置的體積和質(zhì)量。

另一種電動機中央驅(qū)動系統(tǒng)的布置形式，它與前輪驅(qū)動、橫向前置發(fā)動機的燃油汽車的布置形式相似，將電動機、固定速比減速器和差速器集成一體，兩根半軸連接兩個驅(qū)動車輪，這種布置形式在小型電動汽車上應(yīng)用最普遍。

電動機和固定速比的行星齒輪減速器安裝在車輪里面，沒有傳動軸和差速器，從而簡化了傳動系統(tǒng)。但是，電動輪驅(qū)動方式需要兩個或四個電動機，其控制電路也比較復(fù)雜，這種驅(qū)動方式在重型電動汽車上有較廣泛的應(yīng)用。

電動汽車的驅(qū)動電動機在20世紀90年代以前主要采用直流電動機。它具有起動加速時驅(qū)動力大、調(diào)速控制簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點。但是直流電動機的電樞電流由電刷和換向器引入，換向時產(chǎn)生電火花，換向器容易燒蝕，電刷容易磨損，需經(jīng)常更換，維護工作量大。接觸部分存在摩擦損失，不僅使電機效率降低，還限制了電動機的工作轉(zhuǎn)速。

目前，無換向器真流無刷電動機已經(jīng)面世，它由電動機本體、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角傳感器和電子開關(guān)控制電路組成。其中電子開關(guān)控制電路起到了普通直流電動機中換向器的作用。直流無刷電動機既有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等諸多優(yōu)點，又具備運行效率高、無勵磁損耗、運行成本低和調(diào)速性能好等特點。因此，它在電動汽車上的應(yīng)用與日俱增。例如，寶馬公司生產(chǎn)的BMW EI電動汽車和東京電力公司開發(fā)的IZA電動汽車，均采用永磁直流無刷電動機作為電動輪。

交流感應(yīng)電動機在電動汽車上廣為應(yīng)用，這是因為感應(yīng)電動機采用變頻調(diào)速時，可以取消機械變速器，實現(xiàn)無級變速，使傳動效率大為提高。另外，感應(yīng)電動機很容易實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，再生制動能量的回收也更加簡單。當采用鼠籠型轉(zhuǎn)子時，感應(yīng)電動機還具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、價格便宜、工作可靠、效率高和免維護等優(yōu)點。

另一種用于電動汽車上的交流電動機是交流同步電動機。當以永磁材料替代同步電動機的勵磁繞組時，則這種永磁同步電動機可以取消電刷和滑環(huán)，而且沒有勵磁繞組的銅損，它比感應(yīng)電動機的效率還要高，體積還要小。

開關(guān)磁阻電動機被公認是一種極有發(fā)展前途的電動汽車驅(qū)動電動機。它的定子和轉(zhuǎn)子均由普通硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子上既無繞組，也無永磁體，只在定子上繞有集中繞組。開關(guān)磁阻電動機具有普通直流電動機和交流電動機所不能比擬的優(yōu)點：①結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低，可在極高的轉(zhuǎn)速下工作，能適應(yīng)高溫和強振動的工作環(huán)境；②起動轉(zhuǎn)矩大，低速性能好；③調(diào)速范圍廣，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性；④在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都有很高的效率。

電動汽車用的功率轉(zhuǎn)換器用作不同頻率的DC-DC轉(zhuǎn)換和DC-AC轉(zhuǎn)換。DC-DC轉(zhuǎn)換器又稱直流斬波器，用于直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)。兩象限直流斬波器能把蓄電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為可變的直流電壓，并能將再生制動能量進行反向轉(zhuǎn)換。DC-AC轉(zhuǎn)換器通常稱作逆變器，用于交流電動機驅(qū)動系統(tǒng)，它將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓均可調(diào)的交流電。電動汽車一般只使用電壓輸入式逆變器，因其結(jié)構(gòu)簡單又能進行雙向能量轉(zhuǎn)換。

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四、電源系統(tǒng)

電源是制約電動汽車發(fā)展的因素。作為電動汽車的電源應(yīng)該具有高比能和高比功率等性能，以滿足汽車的動力性和續(xù)駛里程的要求。另外，還應(yīng)具有與汽車使用壽命相當?shù)难h(huán)壽命、效率高、成本低和免維護等特點。

目前用于電動汽車上的電源主要是蓄電池，其次是燃料電池。蓄電池是能量存儲裝置，通過外界充電實現(xiàn)儲能；燃料電池是能量生成裝置，通過化學反應(yīng)產(chǎn)生電能。蓄電池技術(shù)成熟，價格合理，而燃料電池則被認為是最有發(fā)展前途的電動汽車動力源。

蓄電池的主要性能指標有：①比能量--單位電池質(zhì)量所能存儲的電量(W?h/kg)，是評價電動汽車整車質(zhì)量和續(xù)駛里程的指標；②能量密度--單位電池體積所存儲的電量(W?h/L)，它影響蓄電池的尺寸；③比功率--單位電池質(zhì)量所能輸出的功率(W/kg)，是評價電動汽車加速性、爬坡能力及最高車速的指標；④功率密度--單位電池體積所能輸出的功率(W/L)；⑤循環(huán)壽命--蓄電池充、放電一次稱為一個循環(huán)，循環(huán)壽命表示更換電池前所能完成的循環(huán)數(shù)。循環(huán)壽命短，將增加電動汽車的維護費用。

1.蓄電池

鉛酸蓄電池廣泛地應(yīng)用于電動汽車上，其主要原因是技術(shù)成熟，價格便宜，可靠性好，單體額定電壓高(2.0V)。另外，輸出電流大以及良好的高、低溫性能等均適合電動汽車使用。但是鉛酸蓄電池存在比能量低，充電時間長，使用壽命較短等缺點。

鎳隔(Ni-Cb)電池比功率大，比能量高，可快速充電，使用壽命長，抗電流沖擊能力強，工作溫度范圍寬(-40℃～85℃)，在較大的放電電流范圍內(nèi)電壓變化較小等，成為電動汽車很具吸引力的電源。但是生產(chǎn)成本高(約為鉛酸電池的2～4倍)，單體額定電壓只有1.2V，重金屬鎘具有致癌性等，限制了它在電動汽車上的廣泛應(yīng)用。

鎳氫(Ni-MH)電池與Ni-Cd電池有許多相同的特性，但由于無鎘，因此不存在重金屬污染問題，被稱為"綠色電池"。批量生產(chǎn)的成本約為鉛酸電池的四倍。Ni-MH電池單體額定電壓為1.2V，其負電極為經(jīng)吸氫處理后的儲氫合金，正電極為氫氧化鎳，電解液為KOH溶液。

鈉硫(Na-S)電池有很高的比功率和比能量，但其工作溫度高，再加上鈉的活化性和腐蝕性，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上必須保證堅固和安全。Na-S電池以熔融態(tài)鈉為負電極，熔融態(tài)硫為正電極，陶瓷β-Al2O3作電解質(zhì)，并作為離子傳導媒介和熔融態(tài)電極的隔離物，以避免電池自放電。

鋰離子(Li-Ion)電池自20世紀90年代初問世以來發(fā)展很快。雖然目前鋰離子電池仍處于開發(fā)階段，但在Nissan　FEV、Nissan　Prairic　Joy和Altra等電動汽車上都采用鋰離子電池。它具有單體額定電壓高，比能量和能量密度高和使用壽命長等優(yōu)點，缺點是自放電率高。

電動汽車用的各種蓄電池的性能參數(shù)見表，美國先進電池聯(lián)合會(USABC)制定的電動汽車用蓄電池遠期性能指標也列于表中。

2.燃料電池

根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、溶融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池五類。適于電動汽車用的有堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。在燃料電池中，燃料作負電極的工作物質(zhì)，在負電極發(fā)生氧化反應(yīng)；氧氣(空氣)作正電極的工作物質(zhì)，在正電極發(fā)生還原反應(yīng)。在堿性燃料電池中，氫氣和氧氣(空氣)分別吸附在用活性炭制成的電極上，并將兩個電極置于KOH電解液中，若接通外電路，便有電流流過負載。

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直接用甲醇作燃料的燃料電池稱為直接甲醇燃料電池。發(fā)展直接甲醇燃料電池的原因是甲醇來源豐富，生產(chǎn)成本低，而且易于儲存、運輸和銷售，便于電動汽車使用。

3.能量管理系統(tǒng)

能量管理系統(tǒng)由電壓、電流和溫度等傳感器以及控制單元及其輸入/輸出接口等組成，其功用為：①檢測電動汽車電池組中各單體電池的端電壓和溫度以及各單體電池充、放電電流；②預(yù)報電池組剩余的電量和電動汽車還能續(xù)駛的里程；③電池需要充電時，及時報警，以防電池過放電而影響其使用壽命；④當電池組充電時，能量管理系統(tǒng)根據(jù)檢測到的各單體電池的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定各單體電池的充電狀態(tài)，并控制充電機的充電過程，保證各單體電池均衡充電，不使其過充電或欠充電；⑤合理分配電池能量，以達到節(jié)能目的，例如，當鉛酸電池作為電動汽車的主電源時，在汽車起動和爬坡時，暫時關(guān)閉空調(diào)器等耗電大的電器，以使電池放電流不致過大。

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電動汽車輔助系統(tǒng)中的大部分輔助設(shè)備與燃油汽車基本相同，如輔助動力源、空調(diào)器、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、刮水器、收音機以及照明和除霜裝置等。

電動汽車的輔助動力源主要由輔助電源和DC-DC功率轉(zhuǎn)換器組成，其功用主要是向動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)器及其他輔助設(shè)備提供動力。

電動汽車的輔助系統(tǒng)與燃油汽車的輔助系統(tǒng)的區(qū)別是燃油汽車的輔助電源由發(fā)動機驅(qū)動的交流發(fā)電機充電，而電動汽車的輔助電源則由主電源通過DC-DC功率轉(zhuǎn)換器來充電。

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混合動力汽車是指裝有內(nèi)燃機與電動機兩種動力的汽車。按照內(nèi)燃機與電動機聯(lián)接方式的不同，混合動力汽車分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串并聯(lián)型三種?；旌蟿恿ζ嚰饶軠p少汽車對環(huán)境的污染，又能延長續(xù)駛里程。

串聯(lián)型混合動力汽車最簡單，內(nèi)燃機帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的電供給電動機用來驅(qū)動車輛行駛。若有剩余，則對蓄電池充電。在需要大功率輸出時，發(fā)電機和蓄電池同時向電動機供電。顯然，串聯(lián)型混合動力汽車有著與燃油汽車一樣的續(xù)駛里程。

并聯(lián)型混合動力汽車采用內(nèi)燃機和電動機兩套各自獨立的驅(qū)動系統(tǒng)。內(nèi)燃機可以單獨驅(qū)動車輛，電動機也可以單獨驅(qū)動車輛，內(nèi)燃機與電動機還可以聯(lián)合驅(qū)動車輛，當內(nèi)燃機輸出的功率大于驅(qū)動車輛所需要的功率或者再生制動時，電動機工作在發(fā)電機狀態(tài)，將多余的能量轉(zhuǎn)化為電能充入蓄電池。顯然，并聯(lián)型混合動力汽車可以減少汽車尾氣的排放和燃油消耗。

串-并聯(lián)型混合動力汽車同時具有串聯(lián)型和并聯(lián)型的特點，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

作為混合動力汽車的實例，一種新型并聯(lián)型混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)中采用二自由度行星齒輪機構(gòu)作為減速器。當汽車滿載加速行駛時，內(nèi)燃機和電動機同時工作，共同提供汽車所需動力；當汽車等速或輕載行駛時，汽車所需動力主要由電動機提供，電動機通過二自由度行星齒輪機構(gòu)減速，這時內(nèi)燃機只提供最小轉(zhuǎn)矩和最小功率；汽車在市郊行駛時，僅內(nèi)燃機工作，電動機不工作，行星齒輪機構(gòu)的齒圈被鎖死，這時行星齒輪機構(gòu)只有一個自由度。

大眾汽車公司曾在高爾夫轎車上安裝一套柴油機電動機驅(qū)動系統(tǒng)。在相當于柴油機飛輪的位置安裝一個6KW的緊湊型感應(yīng)電動機，在柴油機側(cè)和變速器側(cè)各裝有自動操縱的離合器。當柴油機側(cè)的離合器處于分離狀態(tài)時，轎車由電力驅(qū)動。當轎車由柴油機驅(qū)動時，柴油機側(cè)的離合器接合。此時感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子起飛輪作用，而且該電動機還作為起動機和交流發(fā)電機使用。

由于兩種動力裝置分別用于各自最適宜的工作條件，因此，這套混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性非常好，綜合排放水平非常低。與一般裝有柴油機的高爾夫轎車相比，柴油消耗降低62％，有害排放物減少40％～60％，在夜間為電池充電需要12～16kW?h。