全方位解析电动汽车

 　　一、概述

　　本节所讲述的电动汽车是指以蓄电池或燃料电池为动力、在市区街道或城间公路上行驶的用电动机驱动的汽车，不包括无轨电车及在车站、码头或厂区内使用的电动叉车和普通的电瓶车。

　　世界上第一辆电动汽车，是1873年由英国人R·戴彼特逊用手工制作的。此后，电动汽车发展很快，自19世纪末到20世纪初，电动汽车几乎成为汽车的主流。以美国为例，在此期间的汽车保有量中，蒸汽机汽车占40％，电动汽车占38％，内燃机汽车只占22％。1915年，美国电动汽车的年产量达5000辆。但是，随着汽油机汽车的发展及普及，电动汽车便逐渐衰落了。其原因是电动汽车充电时间长，续驶里程短，这就限制了它的应用。然而，在环境污染日趋严重和石油资源面临危机的20世纪末，世界各国又兴起了研究、开发和使用电动汽车的热潮。很多国家为了鼓励生产和使用电动汽车，实行多项优惠政策：或拨出巨款对生产电动汽车的厂家和购买电动汽车的客户给予资助或补贴；或免收电动汽车用户的牌照税、养路费以及夜间充电只收一半的电费等。1990年，美国加里福尼亚州议会通过一项强制推广电动汽车的法规。这项法规要求：在1998年的汽车总销售量中，必须有2％的零排放污染汽车；到2000年，零排放污染汽车应占汽车总销售量的3％；2001年达5％；而2003年增至10％。目前，只有电动汽车能做到零排放污染。

　　近年来，电动汽车有了较大的发展。随着科学技术，尤其是高新技术的发展，电动汽车技术也有了长足的进步。

　　电动汽车的优点是：

　　1)在行驶中无废气排出，不污染环境，所以电动汽车可称为"零排放污染汽车"。

　　2)能源有效利用率高。按10种行驶方式对电动汽车与汽油机汽车能源利用总效率的比较。

　　3)振动及噪声小，车厢内外十分安静。

　　4)结构简单，维修使用方便。

　　电动汽车目前尚存在下列缺点：

　　1)一次充电所能行驶的里程短。装载与汽油质量相同的铅酸蓄电池的电动汽车，其续驶里程仅为汽油机汽车的1/70。

　　2)成本高。蓄电池及电机控制器价格昂贵是电动汽车成本高的主要原因。另外，蓄电池寿命短，折旧费高。

　　3)充电时间长，一般需要6～10h。

　　二、电动汽车的组成

　　电动汽车由电力驱动系统、电源系统和辅助系统等三部分组成。

　　电力驱动系统包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和车轮，其功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，并能够在汽车减速制动时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。后一种功能称作再生制动。

　　电源系统包括电源、能量管理系统和充电机，其功用主要是向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。

　　辅助系统包括辅助动力源、动力转向系统、导航系统、空调器、照明及除霜装置、刮水器和收音机等等，借助这些辅助设备来提高汽车的操纵性和乘员的舒适性。

　　典型的电动汽车组成。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或控制信号的传输方向。

　　各个系统在电动汽车上的布置各式各样，这是因为在电动汽车上能量是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传输的，因此，电动汽车各个系统或各个部件的布置有很大的灵活性。例如一辆电动机前置，前轮驱动的电动汽车。充电机经汽车前端的充电接口向置于汽车尾部的蓄电池充电。在汽车行驶时，蓄电池经控制器向电动机供电。来自加速踏板的信号输入控制器并通过控制器调节电动机输出的转矩或转速。电动机输出的转矩经汽车传动系统驱动车轮。

　　三、电力驱动系统

　　电动汽车的电力驱动方式基本上可分为电动机中央驱动和电动轮驱动两种。由电动机、固定速比减速器和差速器等构成的电动机中央驱动系统。在这种驱动系统中，由于没有离合器和变速器，因此可以减少机械传动装置的体积和质量。

　　另一种电动机中央驱动系统的布置形式，它与前轮驱动、横向前置发动机的燃油汽车的布置形式相似，将电动机、固定速比减速器和差速器集成一体，两根半轴连接两个驱动车轮，这种布置形式在小型电动汽车上应用最普遍。

　　电动机和固定速比的行星齿轮减速器安装在车轮里面，没有传动轴和差速器，从而简化了传动系统。但是，电动轮驱动方式需要两个或四个电动机，其控制电路也比较复杂，这种驱动方式在重型电动汽车上有较广泛的应用。

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　　电动汽车的驱动电动机在20世纪90年代以前主要采用直流电动机。它具有起动加速时驱动力大、调速控制简单、技术成熟等优点。但是直流电动机的电枢电流由电刷和换向器引入，换向时产生电火花，换向器容易烧蚀，电刷容易磨损，需经常更换，维护工作量大。接触部分存在摩擦损失，不仅使电机效率降低，还限制了电动机的工作转速。

　　目前，无换向器真流无刷电动机已经面世，它由电动机本体、转子转角传感器和电子开关控制电路组成。其中电子开关控制电路起到了普通直流电动机中换向器的作用。直流无刷电动机既有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等诸多优点，又具备运行效率高、无励磁损耗、运行成本低和调速性能好等特点。因此，它在电动汽车上的应用与日俱增。例如，宝马公司生产的BMW EI电动汽车和东京电力公司开发的IZA电动汽车，均采用永磁直流无刷电动机作为电动轮。

　　交流感应电动机在电动汽车上广为应用，这是因为感应电动机采用变频调速时，可以取消机械变速器，实现无级变速，使传动效率大为提高。另外，感应电动机很容易实现正反转，再生制动能量的回收也更加简单。当采用鼠笼型转子时，感应电动机还具有结构简单、坚固耐用、价格便宜、工作可靠、效率高和免维护等优点。

　　另一种用于电动汽车上的交流电动机是交流同步电动机。当以永磁材料替代同步电动机的励磁绕组时，则这种永磁同步电动机可以取消电刷和滑环，而且没有励磁绕组的铜损，它比感应电动机的效率还要高，体积还要小。

　　开关磁阻电动机被公认是一种极有发展前途的电动汽车驱动电动机。它的定子和转子均由普通硅钢片叠压而成，转子上既无绕组，也无永磁体，只在定子上绕有集中绕组。开关磁阻电动机具有普通直流电动机和交流电动机所不能比拟的优点：①结构简单、坚固耐用、成本低，可在极高的转速下工作，能适应高温和强振动的工作环境；②起动转矩大，低速性能好；③调速范围广，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-转速特性；④在宽广的转速和功率范围内都有很高的效率。

　　电动汽车用的功率转换器用作不同频率的DC-DC转换和DC-AC转换。DC-DC转换器又称直流斩波器，用于直流电动机驱动系统。两象限直流斩波器能把蓄电池的直流电压转换为可变的直流电压，并能将再生制动能量进行反向转换。DC-AC转换器通常称作逆变器，用于交流电动机驱动系统，它将蓄电池的直流电转换为频率和电压均可调的交流电。电动汽车一般只使用电压输入式逆变器，因其结构简单又能进行双向能量转换

　　四、电源系统

　　电源是制约电动汽车发展的因素。作为电动汽车的电源应该具有高比能和高比功率等性能，以满足汽车的动力性和续驶里程的要求。另外，还应具有与汽车使用寿命相当的循环寿命、效率高、成本低和免维护等特点。

　　目前用于电动汽车上的电源主要是蓄电池，其次是燃料电池。蓄电池是能量存储装置，通过外界充电实现储能；燃料电池是能量生成装置，通过化学反应产生电能。蓄电池技术成熟，价格合理，而燃料电池则被认为是最有发展前途的电动汽车动力源。

　　蓄电池的主要性能指标有：①比能量--单位电池质量所能存储的电量(W·h/kg)，是评价电动汽车整车质量和续驶里程的指标；②能量密度--单位电池体积所存储的电量(W·h/L)，它影响蓄电池的尺寸；③比功率--单位电池质量所能输出的功率(W/kg)，是评价电动汽车加速性、爬坡能力及最高车速的指标；④功率密度--单位电池体积所能输出的功率(W/L)；⑤循环寿命--蓄电池充、放电一次称为一个循环，循环寿命表示更换电池前所能完成的循环数。循环寿命短，将增加电动汽车的维护费用。

　　1.蓄电池

　　铅酸蓄电池广泛地应用于电动汽车上，其主要原因是技术成熟，价格便宜，可靠性好，单体额定电压高(2.0V)。另外，输出电流大以及良好的高、低温性能等均适合电动汽车使用。但是铅酸蓄电池存在比能量低，充电时间长，使用寿命较短等缺点。

　　镍隔(Ni-Cb)电池比功率大，比能量高，可快速充电，使用寿命长，抗电流冲击能力强，工作温度范围宽(-40℃～85℃)，在较大的放电电流范围内电压变化较小等，成为电动汽车很具吸引力的电源。但是生产成本高(约为铅酸电池的2～4倍)，单体额定电压只有1.2V，重金属镉具有致癌性等，限制了它在电动汽车上的广泛应用。

　　镍氢(Ni-MH)电池与Ni-Cd电池有许多相同的特性，但由于无镉，因此不存在重金属污染问题，被称为"绿色电池"。批量生产的成本约为铅酸电池的四倍。Ni-MH电池单体额定电压为1.2V，其负电极为经吸氢处理后的储氢合金，正电极为氢氧化镍，电解液为KOH溶液。

　　钠硫(Na-S)电池有很高的比功率和比能量，但其工作温度高，再加上钠的活化性和腐蚀性，因此在结构设计上必须保证坚固和安全。Na-S电池以熔融态钠为负电极，熔融态硫为正电极，陶瓷β-Al2O3作电解质，并作为离子传导媒介和熔融态电极的隔离物，以避免电池自放电。

　　锂离子(Li-Ion)电池自20世纪90年代初问世以来发展很快。虽然目前锂离子电池仍处于开发阶段，但在Nissan　FEV、Nissan　Prairic　Joy和Altra等电动汽车上都采用锂离子电池。它具有单体额定电压高，比能量和能量密度高和使用寿命长等优点，缺点是自放电率高。

　　电动汽车用的各种蓄电池的性能参数见表，美国先进电池联合会(USABC)制定的电动汽车用蓄电池远期性能指标也列于表中。

　　2.燃料电池

　　燃料电池是燃料与氧化剂通过电极反应将其化学能直接转化为电能的装置。燃料电池不需要充电，只要外部不断地供给燃料和氧化剂，就能连续稳定地发电。电动汽车用燃料电池的燃料为氢和甲醇，氧化剂为空气。燃料电池具有比能量高、使用寿命长、维护工作量少以及能连续大功率供电等优点。另外，燃料电池电动汽车可达到与燃油汽车相同的续驶里程。(如下图)

　　根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、溶融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池五类。适于电动汽车用的有碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池。在燃料电池中，燃料作负电极的工作物质，在负电极发生氧化反应；氧气(空气)作正电极的工作物质，在正电极发生还原反应。在碱性燃料电池中，氢气和氧气(空气)分别吸附在用活性炭制成的电极上，并将两个电极置于KOH电解液中，若接通外电路，便有电流流过负载。

　　使用镍作为正电极的催化剂，锂镍氧化物作为负电极的催化剂，可以加速电池的反应过程。质子交换膜燃料电池使用固体隔膜作电解质，隔膜夹在正、负电极之间，并以铂作电极反应的催化剂。(如下图)

　　质子交换膜燃料电池用作电动汽车的电源有以下优点：①在所有燃料电池当中，质子定换膜燃料电池的比功率和功率密度都最高，在相同输出功率的情况下，体积最小；②工作温度低，起动时间短；③电池中惟一的液体为水，从而避免了腐蚀作用；④使用固体电解质，因而不会发生电解液蒸发、外溢等问题。质子交换膜燃料电池的缺点是内阻稍大，而且需使用贵金属铂作电极催化剂。

　　直接用甲醇作燃料的燃料电池称为直接甲醇燃料电池。发展直接甲醇燃料电池的原因是甲醇来源丰富，生产成本低，而且易于储存、运输和销售，便于电动汽车使用。

　　3.能量管理系统

能　　量管理系统由电压、电流和温度等传感器以及控制单元及其输入/输出接口等组成，其功用为：①检测电动汽车电池组中各单体电池的端电压和温度以及各单体电池充、放电电流；②预报电池组剩余的电量和电动汽车还能续驶的里程；③电池需要充电时，及时报警，以防电池过放电而影响其使用寿命；④当电池组充电时，能量管理系统根据检测到的各单体电池的相关数据，确定各单体电池的充电状态，并控制充电机的充电过程，保证各单体电池均衡充电，不使其过充电或欠充电；⑤合理分配电池能量，以达到节能目的，例如，当铅酸电池作为电动汽车的主电源时，在汽车起动和爬坡时，暂时关闭空调器等耗电大的电器，以使电池放电流不致过大。

　　五、辅助系统

　　电动汽车辅助系统中的大部分辅助设备与燃油汽车基本相同，如辅助动力源、空调器、动力转向系统、导航系统、刮水器、收音机以及照明和除霜装置等。

　　电动汽车的辅助动力源主要由辅助电源和DC-DC功率转换器组成，其功用主要是向动力转向系统、空调器及其他辅助设备提供动力。

　　电动汽车的辅助系统与燃油汽车的辅助系统的区别是燃油汽车的辅助电源由发动机驱动的交流发电机充电，而电动汽车的辅助电源则由主电源通过DC-DC功率转换器来充电。

　　六、混合动力汽车

　　混合动力汽车是指装有内燃机与电动机两种动力的汽车。按照内燃机与电动机联接方式的不同，混合动力汽车分为串联型、并联型和串并联型三种。混合动力汽车既能减少汽车对环境的污染，又能延长续驶里程。

　　串联型混合动力汽车最简单，内燃机带动发电机发电，发出的电供给电动机用来驱动车辆行驶。若有剩余，则对蓄电池充电。在需要大功率输出时，发电机和蓄电池同时向电动机供电。显然，串联型混合动力汽车有着与燃油汽车一样的续驶里程。

　　并联型混合动力汽车采用内燃机和电动机两套各自独立的驱动系统。内燃机可以单独驱动车辆，电动机也可以单独驱动车辆，内燃机与电动机还可以联合驱动车辆，当内燃机输出的功率大于驱动车辆所需要的功率或者再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量转化为电能充入蓄电池。显然，并联型混合动力汽车可以减少汽车尾气的排放和燃油消耗。

　　串-并联型混合动力汽车同时具有串联型和并联型的特点，但是结构复杂，成本高。

　　作为混合动力汽车的实例，一种新型并联型混合动力汽车的驱动系统，该系统中采用二自由度行星齿轮机构作为减速器。当汽车满载加速行驶时，内燃机和电动机同时工作，共同提供汽车所需动力；当汽车等速或轻载行驶时，汽车所需动力主要由电动机提供，电动机通过二自由度行星齿轮机构减速，这时内燃机只提供最小转矩和最小功率；汽车在市郊行驶时，仅内燃机工作，电动机不工作，行星齿轮机构的齿圈被锁死，这时行星齿轮机构只有一个自由度。

　　大众汽车公司曾在高尔夫轿车上安装一套柴油机电动机驱动系统。在相当于柴油机飞轮的位置安装一个6KW的紧凑型感应电动机，在柴油机侧和变速器侧各装有自动操纵的离合器。当柴油机侧的离合器处于分离状态时，轿车由电力驱动。当轿车由柴油机驱动时，柴油机侧的离合器接合。此时感应电动机的转子起飞轮作用，而且该电动机还作为起动机和交流发电机使用。

　　由于两种动力装置分别用于各自最适宜的工作条件，因此，这套混合动力驱动系统的燃油经济性非常好，综合排放水平非常低。与一般装有柴油机的高尔夫轿车相比，柴油消耗降低62％，有害排放物减少40％～60％，在夜间为电池充电需要12～16kW·h。

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