电动汽车

　　引言

　　电动汽车总是出现在各类新闻中。人们对电动汽车的兴趣不减，有以下几个原因：电动汽车产生的污染比汽油动力车要少，因此从环保方面考虑，电动汽车是汽油动力车的一种合适的替代方案（特别是在城市中）。任何有关混合动力车的新闻报导通常也会谈论到电动汽车。由燃料电池提供动力的车是电动汽车，而燃料电池现已在新闻中受到了广泛的关注。在本文中，您将通过厂商生产和自己动手改造两个方面了解电动汽车。您还将了解一个针对初中和高中学生的创新计划，该计划让各个学生团队来制作电动汽车并进行比赛。电动汽车是一种由电动马达而不是汽油发动机提供动力的汽车。消声器、催化转化器、排气管和油箱一起拆下。从外观上看，您可能完全不知道汽车是电动的。

　　大多数情况下，电动汽车都是由汽油动力车改装过来的，因此在这种情况下很难分辨出来。驾驶电动汽车时，通常唯一能够让您认清这辆车的真实面目的方法是：电动汽车开起来几乎是无声的。在发动机罩的下面，汽油车和电动汽车之间存在许多差异：汽油发动机已被电动马达替换。电动马达从控制器获取动力。控制器从一组可充电的蓄电池获取动力。汽油发动机及其油管、排气管、冷却管和进气歧管看起来就像一个管道工程。而电动汽车完全是一个布线工程。为了对电动汽车的一般工作原理有个认识，先让我们看一下典型的电动汽车，以了解其构造。下面显示的是供我们本次讨论的电动汽车：这辆电动汽车是从一辆普通的1994 geo prism汽油动力车改装过来的。以下是将该汽车变成一辆电动汽车所做的改装：将汽油发动机连同将离合器总成拆下。现有手动变速器保留在原位，并固定在二挡。通过一个固定板使用螺栓将新的交流电动马达固定到变速器上。

　　增装一个电动控制器以控制交流马达。在汽车底板上安装蓄电池底座。在蓄电池底座中放入五十个12伏的铅酸蓄电池（分为两组，每组25个铅酸蓄电池，可以产成300伏的直流电）。为以前从发动机获取动力的各个装置增装电动马达来提供动力：水泵、动力转向泵和空调。为动力制动器增装真空泵（在汽车装有发动机的情况下，动力制动器会使用发动机真空）。手动变速器的换挡杆用一个伪装成自动变速器换挡杆的开关替换，以控制前进和倒退。增装了一个小的电热水器以提供热能。增装了充电器，以便能够对蓄电池进行充电。实际上，这辆独特的汽车具有两套充电系统：一套系统连接通常的120或240伏的壁装电源插座，另一套系统连接magna-charge感应充电板。燃油表替换成了电压表。汽车的任何其他设备保持不变。当您进入汽车后，将车钥匙插入点火装置中，并将其旋转到“on”位置，即可发动汽车。将换挡杆推入到“d”（行进）位置，踩下加速踏板即可开动汽车。汽车的表现和普通的汽油车很相似。以下是一些有趣的统计数据：这辆汽车可以行驶80公里。将时速从0提高到96公里/小时大概需要15秒钟。在汽车行驶了80公里之后，需要对汽车充电约12千瓦时。

　　蓄电池的重量大约为500公斤。蓄电池的寿命为三到四年。若要比较汽油车和电动汽车每公里的行驶成本，可以参照下面的示例。美国北卡罗莱纳州现在的电费约为8美分/千瓦时（如果您采用分时段计帐方式并在晚上进行充电的话，则电费约为4美分/千瓦时）。这就意味着，电动汽车每充满一次电需要花费1美元（如果采用分时段计帐方式，则需花费50美分）。因此，电动汽车每公里的行驶成本为1.2美分或0.6美分（如果采用分时段计帐方式）。如果汽油的价格为0.26美元/升，并且汽车使用1升汽油可以行驶10公里，则汽油车每公里的行驶成本为2.6美分。显而易见，电动汽车每公里的“燃油”成本比汽油车的要低得多。

　　而且，对于许多人来说，80公里的行驶范围也不具有局限性，城市或郊区的普通居民每天的行车距离很少超过50或60公里。不过，为了保证绝对公平，我们也应考虑到蓄电池的更换成本。如燃料电池中所述，蓄电池目前是电动汽车的一个薄弱环节。更换这辆电动汽车的蓄电池需要花费约2,000美元。蓄电池将可以供汽车行驶大约32,000公里，即每公里要花费大约6美分。现在，您就知道为什么燃料电池如此让人兴奋了—燃料电池解决了蓄电池问题。有关燃料电池的更多详细信息将在本文后面的内容中讨论。

　　电动汽车的核心部分由以下几个部件组成：
　　1、电动马达
　　2、马达的控制器
　　3、蓄电池

　　连接蓄电池与直流马达的是一个简单的直流控制器。如果驾驶员将油门踏板踩到底，则此控制器会将来自蓄电池的全部96伏电压传送到马达。如果驾驶员将脚从油门上移开，则此控制器不会向马达传送电压。对于这二者之间的任何设置，控制器每秒钟会将96伏电压“切掉”几千次以获得介于0和96伏之间的平均电压。控制器从蓄电池获取电力并将其传送给马达。油门踏板与一对电位计（可变电阻器）相连，这些电位计会发出信号以告知控制器其认为可能传送的电力。控制器可以不传送电力（当停止汽车时）、传送全部电力（当驾驶员将油门踏板踩到底时）或介于这二者之间的任何电力级别。

　　当您打开发动机罩时，首先映入眼帘的就是控制器，在这辆汽车中，控制器将从电池组获取300伏的直流电。它会将获取的直流电转换为最多240伏的交流电（三相）以发送给马达。控制器通过使用非常大的晶体管来做到这一点，晶体管可以快速打开或关闭蓄电池电压以生成正弦波。当您踩下油门踏板时，踏板的缆线会连接到这两个电位计：来自电位计的信号将告知控制器向电动汽车的马达传送的电力数。为了安全起见，电动汽车中安装了两个电位计。控制器将读取这两个电位计并确保二者的信号相同。如果二者的信号不同，则控制器不会运行。这样安排是为了预防一个电位计在全满位置失效的情况发生。

　　控制器在直流电电动汽车中的作用很容易理解。让我们假定蓄电池组包含12个电压为12伏的蓄电池，并用串联的方式连接在一起以产生144伏的电压。控制器将接收144伏的直流电，并通过可控方式将其传送给马达。最简单的直流控制器应是通过电线连接油门踏板的大的闭合开关。当您踩下油门踏板时，此开关将打开；而当您松开油门踏板时，此开关将关闭。作为一名驾驶员，为了保持给定的车速，您必须踩下和松开油门以脉冲的方式打开和关闭马达。显然，虽然这种开关方法可行，但是对于驾驶来说是痛苦的，因此控制器将为您调制脉冲。控制器会从电位计读取油门踏板的设置并相应地调整电力。

　　让我们来谈论一下将油门踩下一半的情况。控制器会从电位计读取到此设置，并快速打开和关闭供给马达的电力，以便马达一半时间处于打开状态，另一半时间处于关闭状态。如果您将油门踏板踩下四分之一，则控制器会使电力脉冲输出，以便马达在25%的时间处于打开状态，75%的时间处于关闭状态。大多数控制器脉冲输出电力的频率超过15,000次/秒，目的在于使脉动保持在人类听觉的范围之外。脉冲电流会导致马达外壳按该频率振动，因此当脉冲频率高于15,000次/秒时，控制器和马达对于人的耳朵来说是无声的。交流控制器连接到交流马达。

　　通过使用六组电力晶体管，控制器可以接收300伏的直流电并会生成240伏的交流电（三相）。有关三相电力的讨论，请参见电力网的工作原理。此外，控制器还额外提供了一个用于蓄电池的充电系统，以及一个用于对12伏附件蓄电池进行充电的直流到直流转换器。在交流控制器中，这项工作会更复杂一点，但思路是一样。控制器会生成三段伪正弦波，并通过从蓄电池获取直流电压，然后以脉冲方式打开和关闭此电压来做到这一点。在交流控制器中，还需要每秒将电压的极性反转60次。因此，实际上您需要在交流控制器中使用六组晶体管，而只需在直流控制器中使用一组晶体管。在交流控制器中，对于每一相，您需要一组晶体管来脉冲输出电压，并需要另一组晶体管来反转极性。

　　由于您对三相要重复三次操作，因此共需要六组晶体管。电动汽车中使用的大多数直流控制器来自电力叉车行业。上图所示的hughes交流控制器与gm/saturn ev-1电动汽车中使用的交流控制器类型相同。该控制器最多可以向马达传送50,000瓦电力。马达以及其他装置电动汽车可以使用交流马达或直流马达：如果马达是直流马达，则可以在96和192伏之间的任何电压下运行。电动汽车中使用的许多直流马达来自于电动叉车行业。如果马达是交流马达，则可能是在240伏交流电（由300伏的电池组提供）下运行的三相交流马达。安装直流马达将更加简单且花费更低。典型的马达功率介于20,000瓦到30,000瓦之间。典型的控制器的功率介于40,000瓦到60,000瓦之间（例如，96伏的控制器最大可以传送400或600安的电流）。

　　直流马达具有在短时间内过度使用的良好特性（最大系数为10:1）。也就是说，功率为20,000瓦的马达将可以在短时间内接收100,000瓦的功率，并传送其额定功率5倍的功率。这对于突然加速很有用。唯一的限制是马达内的热量聚积。过度使用马达会导致马达不断升温，导致烧毁。交流电安装允许使用几乎所有工业三相交流马达，从而使您可以更容易地查找具有特定尺寸、形状或额定功率的马达。交流马达和控制器通常具有再生功能。在制动过程中，马达会变成一个发电机并将电力传送回蓄电池。就当今而言，蓄电池是所有电动汽车中的一个薄弱环节。

　　对于当前铅酸蓄电池技术，至少存在六个明显的问题：
　　1、重量大（一个典型的铅酸蓄电池组的重量不低于454千克）。
　　2、体积大（我们在此查看的电动汽车具有50个铅酸蓄电池，每个铅酸蓄电池的尺寸约为15cm x20cm x15cm）。
　　3、容量有限（典型的铅酸蓄电池组可以容纳12到15千瓦时的电量，仅可以供电动汽车行驶75公里左右）。
　　4、充电速度慢（要将典型的铅酸蓄电池组充满，需要的充电时间介于4到10小时之间，具体取决于蓄电池技术和充电器）。
　　5、使用寿命短（三到四年，大约200个完全充电/放电周期）。
　　6、价格贵（样车中展示的铅酸蓄电池组的价格约为2,000美元）。

　　您可以将铅酸蓄电池更换为nimh蓄电池。这样，电动汽车的行驶范围将增加一倍，且nimh蓄电池的寿命为10年（数千次充电/放电周期），但是现今nimh蓄电池的成本是铅酸蓄电池的10到15倍。换句话说，nimh蓄电池组现今的成本将为20,000到30,000美元而不是2,000美元。当先进的蓄电池成为主流时，其价格将下跌，因此在几年之后，nimh蓄电池组和锂离子蓄电池组的价格将可以与铅酸蓄电池组的价格竞争。

　　由此可见，电动汽车到时会有一个美好的未来。当您审视与蓄电池相关的问题时，会对汽油产生一个不同的观点。9升的汽油的燃油里程与铅酸蓄电池充电一次后驱动电动汽车行使的里程相当，但是，这些汽油只有大约7千克，成本只有3.00美元而且只用30秒就可以加注到油箱内，而铅酸蓄电池重达454千克，成本高达2,000美元且充电需要花费四个小时。有关蓄电池技术的问题说明了为什么如今燃料电池如此让人兴奋。与蓄电池相比，燃料电池体积更小，重量更轻且可以即时充电。当由纯氢提供动力时，燃料电池不会产生任何与汽油相关的环境问题。将来的汽车很有可能是通过燃料电池获取电力的电动汽车。不过，在便宜、可靠的燃料电池可以驱动电动汽车之前，仍有许多课题需要研究和开发。

　　几乎任何电动汽车上都还带有另一个车载蓄电池。此蓄电池是每辆汽车都具有的常规12伏铅酸蓄电池。这个12伏铅酸蓄电池用于为各种附件提供电力，如前车灯、收音机、风扇、计算机、安全气囊、雨刷、电动车窗以及车内的各种仪表。由于所有这些设备都可以直接使用且标准电压都是12伏，因此从经济的角度来看，电动汽车使用这些设备很合理。因此，电动汽车可以使用常规的12伏铅酸蓄电池为所有这些附件供电。要对铅酸蓄电池进行充电，电动汽车需要一个直流到直流的转换器。此转换器从主蓄电池组获取直流电（例如，300伏的直流电）并将其转换为12伏以便对附件蓄电池进行充电。当电动汽车开动时，附件从直流到直流的转换器获取电力。当汽车停止时，附件将从12伏的蓄电池获取电力，与在任何汽油动力车中一样。一般情况下，直流到直流的转换器是位于发动机罩下的一个单独的盒子，但有时这个盒子会内置在控制器内。任何使用蓄电池的电动汽车都需要一个充电系统以便对蓄电池进行充电。

　　充电系统有两个用途：
　　1、以蓄电池允许的最大速度将电量蓄入到蓄电池中
　　2、在充电过程中监控蓄电池并避免损坏蓄电池
 
　　充电电流当铅酸蓄电池的充电状态处于较低水平时，几乎所有的充电电流都会被化学反应吸收。一旦充电状态达到某个程度（约80%的蓄电池容量），越来越多的能量会用于加热和电解水。产生的电解液冒泡现象被通俗地称作“沸腾”。为了让充电系统将沸腾现象减少到最低程度，在最后的20%的充电过程中必须切断充电电流。最先进的充电系统可以监控蓄电池的电压、当前电流和蓄电池的温度以便将充电时间降到最少。充电器将尽可能多地发送电流，而不会过多地升高蓄电池的温度。不太先进的充电器只能监控电压或电流量，以一般蓄电池的普遍特性作为标准来控制充电时间和温度。类似于这类充电器的充电器最初使用最大电流充电，在充电量达到蓄电池容量的80%之后，会将电流减小到某个预置级别来充满最后的20%的容量，以避免蓄电池出现过热。 

　　jon mauney的电动汽车实际上具有两套不同的充电系统。一套系统通过普通的电源插座来接收120伏或240伏的电量。另一套系统是在gm/saturn ev-1汽车中普遍使用的magna-charge感应充电系统。让我们来分别了解一下这两套系统。普通的家用充电系统的优点是使用方便，只要能够找到插座，就可以进行充电。但是其缺点在于充电时间。普通的家用120伏插座通常带有一个15安的断路开关，这表示汽车每小时可以吸收的最大电量约为1,500瓦（即1.5千瓦时）。

　　由于jon的汽车中的蓄电池组通常需要12到15千瓦时才能充满，因此使用此技术为汽车充电10到12个小时才能给车辆充满电。通过使用240伏电路（如电吹风使用的插座），汽车可以接收240伏的电压（电流为30安）或每小时接收6.6千瓦时的电量。这种安排可以显著加快充电速度，四到五个小时之后即可为蓄电池组充满电。在jon的汽车中，加油管口已拆下并替换为充电插头。只需将连有耐用的延长线的插头插入墙上插座，即可开始充电。 jon mauney供图在任何地方都可通过连接充电插头进行充电。在这辆汽车中，充电器内置在控制器中。在大多数自造汽车中，充电器可以是发动机罩下方的一个单独的盒子，甚至可以是一个与汽车分离的单独装置。

　　magna-charge系统由两部分组成：安装在房屋墙上的充电站，充电站通过房屋的电路板与240伏、40安的电路直连。充电系统通过使用此感应板向汽车传送电力： jon mauney供图此感应板可以插入到隐藏在汽车牌照后的插槽中。 jon mauney供图感应板相当于半个变压器。变压器的另一半安放在汽车内位于牌照后的插槽附近的位置。当您插入感应板时，它会与插槽形成一个完整的变压器，并将电力传送给汽车。感应系统的一个优点在于没有任何暴露的电触点。您可以触摸感应板或将感应板放入水坑中都不会有任何危险。感应系统的另外一个优点是可以非常迅速地将大量电流传送到汽车，因为充电站直连到专用的240伏电路。还有一种由福特汽车和其他汽车厂商采用的、具有竞争力的大功率充电插头，通常称作“avcon插头”。

　　该插头使用双面铜制触点来代替感应板，并采用一种精巧的机械互连方式，使这些触点在插头与汽车上的插座连接之前一直处于保护状态。该插头同时还提供了gfci保护，可以确保在任何天气下的使用安全。jon mauney指出：充电过程的一个重要特点是“均衡”。电动汽车具有一组蓄电池（约为10到25个模组，每个模组包含三到六个电池）。这些蓄电池高度匹配，但不完全相同。因此，它们在容量和内部电阻上存在轻微的差异。组中的所有蓄电池必须释放出相同的电流（电流法则），而性能较弱的蓄电池必须“更加努力工作”以产生此电流，因此这些蓄电池在行车结束时的充电状态会稍微低一些。

　　因此，性能较弱的蓄电池需要充更多的电，才能回到满电状态。由于蓄电池是串联的，因此它们获取的充电量是相同的，这样会导致性能较弱的蓄电池比以前更弱（相对而言）。随着时间的过去，这会导致蓄电池组中一个蓄电池比其他蓄电池先损坏。根据最薄弱环节效应，这意味着这个蓄电池将决定了汽车的行驶里程，并降低了汽车的可用性。针对这个问题的常见解决方法是“均衡充电”。

　　您可以对蓄电池稍微过度充电以确保将性能最弱的电池充满电。其中的诀窍在于，通过过度充电保持蓄电池的电量均衡，而又不损坏性能最强的蓄电池。还有一些更加复杂的解决方法，包括扫描蓄电池、测量单个蓄电池的电压以及向性能最弱的模组发送额外的充电电流。自制”电动汽车如今，公路上行驶的大多数电动汽车都是“自造”改装汽车。电动汽车爱好者在自家的后院和车库内将现有的汽油动力车改装成电动汽车。有许多网站都在谈论这种现象，并告诉您如何改装、从何处购买汽车元件等。
 

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