電動汽車的基本概述及重要組成

　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。

　　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。

　　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雜，這種驅(qū)動方式在重型電動汽車上有較廣泛的應用。?

　　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用與日俱增。例如，寶馬公司生產(chǎn)的BMWEI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。

　　交流感應電動機在電動汽車上廣為應用，這是因為感應電動機采用變頻調(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。

　　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。

2.燃料電池

　　燃料電池是燃料與氧化劑通過電極反應將其化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池不需要充電，只要外部不斷地供給燃料和氧化劑，就能連續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電。電動汽車用燃料電池的燃料為氫和甲醇，氧化劑為空氣。燃料電池具有比能量高、使用壽命長、維護工作量少以及能連續(xù)大功率供電等優(yōu)點。另外，燃料電池電動汽車可達到與燃油汽車相同的續(xù)駛里程。(如下左圖)

　　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；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。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。

　　使用鎳作為正電極的催化劑，鋰鎳氧化物作為負電極的催化劑，可以加速電池的反應過程。質(zhì)子交換膜燃料電池使用固體隔膜作電解質(zhì)，隔膜夾在正、負電極之間，并以鉑作電極反應的催化劑。