電動汽車的基本概述及重要組成

發佈日期: 2012 年 09 月 18 日 0:00 | 作者: | 分類: 綠能知識

世界上第一輛電動汽車,是1873年由英國人R•戴彼特遜用手工製作的。此後,電動汽車發展很快,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%,內燃機汽車只占22%。1915年,美國電動汽車的年產量達5000輛。但是,隨著汽油機汽車的發展及普及,電動汽車便逐漸衰落了。其原因是電動汽車充電時間長,續駛里程短,這就限制了它的應用。然而,在環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、開發和使用電動汽車的熱潮。很多國家為了鼓勵生產和使用電動汽車,實行多項優惠政策:或撥出钜款對生產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。這項法規要求: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。

電動汽車的優點是:

1)在行駛中無廢氣排出,不污染環境,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)振動及雜訊小,車廂內外十分安靜。

4)結構簡單,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。裝載與汽油品質相同的鉛酸蓄電池的電動汽車,其續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

電動汽車由電力驅動系統、電源系統和輔助系統等三部分組成。

電力驅動系統包括電子控制器、功率轉換器、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化為車輪的動能,並能夠在汽車減速制動時,將車輪的動能轉化為電能充入蓄電池。後一種功能稱作再生制動。

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

輔助系統包括輔助動力源、動力轉向系統、導航系統、空調器、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。

各個系統在電動汽車上的佈置各式各樣,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軸器和轉軸傳輸的,因此,電動汽車各個系統或各個部件的佈置有很大的靈活性。例如一輛電動機前置,前輪驅動的電動汽車。充電機經汽車前端的充電介面向置於汽車尾部的蓄電池充電。在汽車行駛時,蓄電池經控制器向電動機供電。來自加速踏板的信號輸入控制器並通過控制器調節電動機輸出的轉矩或轉速。電動機輸出的轉矩經汽車傳動系統驅動車輪。

三、電力驅動系統

電動汽車的電力驅動方式基本上可分為電動機中央驅動和電動輪驅動兩種。由電動機、固定速比減速器和差速器等構成的電動機中央驅動系統。在這種驅動系統中,由於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品質。

另一種電動機中央驅動系統的佈置形式,它與前輪驅動、橫向前置發動機的燃油汽車的佈置形式相似,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動車輪,這種佈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裡面,沒有傳動軸和差速器,從而簡化了傳動系統。但是,電動輪驅動方式需要兩個或四個電動機,其控制電路也比較複雜,這種驅動方式在重型電動汽車上有較廣泛的應用。

電動汽車的驅動電動機在20世紀90年代以前主要採用直流電動機。它具有起動加速時驅動力大、調速控制簡單、技術成熟等優點。但是直流電動機的電樞電流由電刷和換向器引入,換向時產生電火花,換向器容易燒蝕,電刷容易磨損,需經常更換,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速。

目前,無換向器真流無刷電動機已經面世,它由電動機本體、轉子轉角感測器和電子開關控制電路組成。其中電子開關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構簡單、運行可靠、維護方便等諸多優點,又具備運行效率高、無勵磁損耗、運行成本低和調速性能好等特點。因此,它在電動汽車上的應用與日俱增。例如,寶馬公司生產的BMW EI電動汽車和東京電力公司開發的IZA電動汽車,均採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採用變頻調速時,可以取消機械變速器,實現無級變速,使傳動效率大為提高。另外,感應電動機很容易實現正反轉,再生制動能量的回收也更加簡單。當採用鼠籠型轉子時,感應電動機還具有結構簡單、堅固耐用、價格便宜、工作可靠、效率高和免維護等優點。

另一種用於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,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。 

開關磁阻電動機被公認是一種極有發展前途的電動汽車驅動電動機。它的定子和轉子均由普通矽鋼片疊壓而成,轉子上既無繞組,也無永磁體,只在定子上繞有集中繞組。開關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點:①結構簡單、堅固耐用、成本低,可在極高的轉速下工作,能適應高溫和強振動的工作環境;②起動轉矩大,低速性能好;③調速範圍廣,控制靈活,易於實現各種特殊要求的轉矩-轉速特性;④在寬廣的轉速和功率範圍內都有很高的效率。

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

四、電源系統 

電源是制約電動汽車發展的因素。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駛里程的要求。另外,還應具有與汽車使用壽命相當的迴圈壽命、效率高、成本低和免維護等特點。

目前用於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,通過外界充電實現儲能;燃料電池是能量生成裝置,通過化學反應產生電能。蓄電池技術成熟,價格合理,而燃料電池則被認為是最有發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--單位電池品質所能存儲的電量(W•h/kg),是評價電動汽車整車品質和續駛里程的指標;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--單位電池品質所能輸出的功率(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迴圈壽命--蓄電池充、放電一次稱為一個迴圈,迴圈壽命表示更換電池前所能完成的迴圈數。迴圈壽命短,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於電動汽車上,其主要原因是技術成熟,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,抗電流衝擊能力強,工作溫度範圍寬(-40℃~85℃),在較大的放電電流範圍內電壓變化較小等,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,但由於無鎘,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,其負電極為經吸氫處理後的儲氫合金,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,因此在結構設計上必須保證堅固和安全。Na-S電池以熔融態鈉為負電極,熔融態硫為正電極,陶瓷β-Al2O3作電解質,並作為離子傳導媒介和熔融態電極的隔離物,以避免電池自放電。

鋰離子(Li-Ion)電池自20世紀90年代初問世以來發展很快。雖然目前鋰離子電池仍處於開發階段,但在Nissan FEV、Nissan Prairic Joy和Altra等電動汽車上都採用鋰離子電池。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,就能連續穩定地發電。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大功率供電等優點。另外,燃料電池電動汽車可達到與燃油汽車相同的續駛里程。(如下左圖)

根據電解質的不同,燃料電池可分為鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池、溶融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池五類。適於電動汽車用的有鹼性燃料電池和質子交換膜燃料電池。在燃料電池中,燃料作負電極的工作物質,在負電極發生氧化反應;氧氣(空氣)作正電極的工作物質,在正電極發生還原反應。在鹼性燃料電池中,氫氣和氧氣(空氣)分別吸附在用活性炭製成的電極上,並將兩個電極置於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。質子交換膜燃料電池使用固體隔膜作電解質,隔膜夾在正、負電極之間,並以鉑作電極反應的催化劑。

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