淺談純電動(dòng)車技術(shù)及發(fā)展(黃光宇)

1、淺談純電動(dòng)車技術(shù)及發(fā)展黃光宇摘要：汽車是我國(guó)第二大碳排放源和第二大原油消費(fèi)領(lǐng)域，節(jié)能減排刻不 容緩。我國(guó)二氧化碳總排放量全球領(lǐng)先，公路運(yùn)輸僅次于煤炭燃燒成為我國(guó)第二 大二氧化碳排放源，占全國(guó)主要城市二氧化碳排放量的 16.50%。因此我國(guó)提出： 20年實(shí)現(xiàn)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比 2005年下降40%45%,汽車作為 第二大二氧化碳排放源，減排刻不容緩，必將成為未來10年節(jié)能減排重點(diǎn)。電動(dòng)車是以電力作為能源、由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛。他是僅以自身攜帶的電 源為驅(qū)動(dòng)能源的公路運(yùn)輸工具。 純電動(dòng)車是典型的零排放車。它不燃燒燃料，沒 有燃燒產(chǎn)生的廢氣，也沒有冷卻劑、機(jī)油等污染物。在空氣污染日益嚴(yán)重、

2、而傳 統(tǒng)燃油汽車廢氣排放問題無法徹底解決的情況下，電動(dòng)車日益受到人們的重視。 本文基于上述原因，對(duì)純電動(dòng)車的結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行了初步探討并對(duì)純電動(dòng)車的發(fā) 展提出了個(gè)人觀點(diǎn)。關(guān)鍵詞：排污 純電動(dòng)車 電機(jī) 電池純電動(dòng)車由底盤、車身、蓄電池組、電動(dòng)機(jī)、控制器和輔助設(shè)施等六部分 組成。由于電動(dòng)機(jī)具有良好的牽引特性，因此蓄電池汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)不需要離合 器和變速器。車速控制由控制器通過調(diào)速系統(tǒng)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)?；诃h(huán)保的思想，利用電動(dòng)機(jī)的可逆工作特性，還可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，即在電動(dòng) 車制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀況由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)狀態(tài) ，并將這些能量送 回電池，儲(chǔ)存起來。見下列圖一、電動(dòng)車的電機(jī)驅(qū)

3、動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)車中最關(guān)鍵的系統(tǒng), 電動(dòng)車運(yùn)行性能主要決定于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型和性能。 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電力驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)包括電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和車輪，其功用是將存儲(chǔ)在蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輪的動(dòng)能，并能夠在汽車減速制動(dòng)時(shí)， 將車輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能充入蓄電池。 后一種功能稱作再生制動(dòng)。 電源系統(tǒng)包括電源、 能量管理系統(tǒng)和充電機(jī)， 其功用主要是向電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電能、 監(jiān)測(cè)電源使用情況以及控制充電機(jī)向蓄電池充電。 輔助系統(tǒng)包括輔助動(dòng)力源、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、空調(diào)器、照明及除霜裝置、刮水器和收音機(jī)等等，借助這些輔

4、助設(shè)備來提高汽車的操縱性和乘員的舒適性。一電動(dòng)車與其它電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比較, 有其自身的特點(diǎn)。它對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有其相應(yīng)的特殊要求:1、能夠頻繁地起動(dòng)、停車、加減速, 對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能要求高。2、 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)的速度、 轉(zhuǎn)矩變化范圍大, 既要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū) , 又要運(yùn)行在恒功率區(qū) , 同時(shí)還要求保持較高的運(yùn)行效率。3、能在惡劣工作環(huán)境下可靠地工作。在確定了電動(dòng)車的目標(biāo)性能后, 對(duì)與之相匹配的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能可提出如下要求: 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度特性能滿足電動(dòng)車對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的要求。 能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率和轉(zhuǎn)矩的迅速、平滑的控制。 系統(tǒng)整體效率高 , 功率密度大。 能夠在惡劣的工作環(huán)境下可靠地工作。 成本低 ,

5、 易維修。二 、電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組合形式各個(gè)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車上的布置各式各樣，這是因?yàn)樵陔妱?dòng)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)模?因此， 電動(dòng)汽車各個(gè)系統(tǒng)或各個(gè)部件的布置有很大的靈活性。例如一輛電動(dòng)機(jī)前置，前輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，充電機(jī)經(jīng)汽車前端的充電界面向置于汽車尾部的蓄電池充電。 在汽車行駛時(shí)， 蓄電池經(jīng)控制器向電動(dòng)機(jī)供電。 來自加速踏板的信號(hào)輸入控制器并通過控制器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速。 電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪。 目前電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組合形式主要有機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)電集成化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （它又分為 平行軸式機(jī)電集成化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和同軸式機(jī)電集成化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩類

6、卜機(jī)電一體化 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)四種。見表1電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向是機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 它們使電動(dòng)車 擺脫了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的約束，使電氣化集成控制成為可能，從而有可能充分實(shí)現(xiàn) 電動(dòng)車的優(yōu)勢(shì)。表1 電動(dòng)車驊動(dòng)雜統(tǒng)含H.價(jià)格上弋吐 .點(diǎn):動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電.華J皮化+JLiU 體但s工摳動(dòng)一系統(tǒng)I I "打電對(duì)L烏拉動(dòng)系統(tǒng)1U彳匯內(nèi)燃和Lg區(qū)地系統(tǒng)口 C2）傳動(dòng)系流中選川哦保印了 內(nèi)燃機(jī)汽車的 變觀弼乂 f心幼4iL丘；*齊利1 士知醇J七五打部門口，奴沛1 Mi 4侖理辿然品23宓用 齊有由L*應(yīng)* M門勺 內(nèi)輪、奔迪琳,平利I書否用H牛來1專用動(dòng)力.甘 咨空川口（I J左右車寺

7、住山網(wǎng)個(gè)7乂取工。11初超L分兄11郭（坳， 在XX耳關(guān)式:電打LM 用電子日制弟獨(dú)招束ft忤村LC）整車主用電子第中控制，并耳等逐步實(shí)現(xiàn)M錨住身口亡1邊*匕也初.恢 企車輪輪毅” L TT接耳區(qū)動(dòng)車輪.扭向T佐4區(qū)動(dòng)I 動(dòng)效尊" 打件左打, 減少懸士上庶三、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)及其控制器目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動(dòng)車選用的電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)四類見表 2表2電就軍用電札用品盛帷1芯時(shí)的電機(jī)立清包機(jī)田勵(lì)直流電機(jī)它埴背泡電也世艮給用苻單,具我優(yōu)良啊電型輯中拴耨林氣清一？向電用莊司先電溫,無制直款E11之機(jī)iBLDOI）£由交流見功機(jī)LH

8、LACM ）介棟館m品麒護(hù)：體現(xiàn)出口（DffiMMN*；I用牧率高+能量密度尢睡點(diǎn)U）育刷.基產(chǎn)生電火生.引起電 成干憂.錐護(hù)用或HR竹格高.體 租和下置仁控制嘛置孜星雜.伊格皎史世郵 附景Itfil Jl E出動(dòng)It她已處好過F小祠汰她也C*為；I前步食*流端，疝電幼+-的廿國(guó)希上永嵯材料的出凰遺費(fèi) 區(qū)加春里與交配0里電機(jī)爭(zhēng)奪市 甌10開美睡n電動(dòng)機(jī) SJiM II）酹單靠，可黃 密需相率拓控 犒犬活；41 .哎帛低1II）整融穗動(dòng)九1”理出為 府要也式HM.器；閆 某處具有韭 目前底性上典限制口線性特抵 一_ 直流電機(jī)用斬波器作為其功率變換器。目前電動(dòng)汽車上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波。它通過

9、均勻地改變電動(dòng)機(jī)的端電壓來控制通過電動(dòng)機(jī)的電流，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其他電力晶體管斬波調(diào)速裝置也逐漸投入使用 , 并有取代晶閘管斬波器的趨勢(shì)。交流電機(jī)一般采用直流斬波器加逆變器和 PWM （ 脈沖寬度調(diào)制）逆變器兩種方式。 最近出現(xiàn)了諧振直流環(huán)節(jié)變換器和高頻諧振交流環(huán)節(jié)變換器。 對(duì)于交流電機(jī)來說 , 由于電動(dòng)車的電源（蓄電池 ） 電壓低 , 采用直流斬波器加逆變器方式, 傳輸能量環(huán)節(jié)過多 , 會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的效率。 而采用 PWM 電壓型逆變器, 則線路簡(jiǎn)單、環(huán)節(jié)少、效率高。 PWM 逆變器又分電壓控制 PWM 和電流控制 PWM 。四 、電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)方案現(xiàn)在使用較多的

10、電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)中 , 交流異步電機(jī)采用的控制方案有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種 ; 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)比較復(fù)雜, 為到達(dá)最正確控制效果, 常常將兩種或幾種控制方案結(jié)合運(yùn)用 , 如采用最大轉(zhuǎn)矩控制和弱磁控制原理以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的效率最正確化和寬范圍的調(diào)速方案, 集轉(zhuǎn)矩控制和PWM 控制于一身的控制方案等。近來在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中又出現(xiàn)了效率最優(yōu)控制、無速度傳感器交流調(diào)速控制系統(tǒng)和高頻交流脈沖密度調(diào)制技術(shù)等幾種新技術(shù)。 隨著交流電機(jī)在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用 , 常規(guī)線性控制方法已不能再滿足性能的控制要求。 現(xiàn)在各種現(xiàn)代控制技術(shù)開始應(yīng)用在電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中 , 如模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)

11、絡(luò)和專家系統(tǒng)等。通過對(duì)電動(dòng)車用電機(jī)的比較可見 , 交流電機(jī)仍將是未來電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選 , 其控制系統(tǒng)將隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展不斷優(yōu)化 , 交流電機(jī)控制裝置與控制技術(shù)將得到不斷發(fā)展。 隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展, 現(xiàn)在各種現(xiàn)代控制技術(shù)和微處理器已經(jīng)在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)必將向著各學(xué)科交叉、融合的方向發(fā)展, 成為一個(gè)機(jī)電集成的智能化系統(tǒng)。二、純電動(dòng)車的控制系統(tǒng)1、再生制動(dòng)：汽車發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素是它的續(xù)駛里程問題，而再生制動(dòng)可以節(jié)約能源、提高續(xù)駛里程，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。同時(shí)，再生制動(dòng)還可以減少剎車片的磨損，降低車輛故障率及使用成本。當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)

12、，電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)工況， 將一部分動(dòng)能或重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容或飛輪中， 由于超級(jí)電容或飛輪的功率密度大， 因此可以更快速、 高效地吸收電機(jī)回饋能量。在車輛起動(dòng)和加速時(shí)，利用雙向 DC/DC將存儲(chǔ)的能量釋放出來，協(xié)助電 池向電機(jī)供電，不但增加了電動(dòng)汽車一次充電的行駛里程， 而且防止了蓄電池的 大電流放電，到達(dá)了節(jié)省能源、降低剎車片磨損和提高蓄電池壽命的目的見圖3。2、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的 燃油汽車故障診斷系統(tǒng)功能 有限，但是對(duì)于電動(dòng)汽車， 其驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)由電力電 子器件組成，所以可以方便 地獲取各種傳感器信號(hào)。在 電動(dòng)汽車上建立適時(shí)監(jiān)控和 故障診斷系統(tǒng)，可以為車輛維修服務(wù)提供便捷的通

13、道。 3、電動(dòng)輪技術(shù)電動(dòng)輪亦稱輪內(nèi)電動(dòng)機(jī)。目前大部分重型礦用自卸汽車所采用的電動(dòng)輪 是直流電動(dòng)機(jī)，而第二代純電動(dòng)汽車所采用的是交流傳動(dòng)系統(tǒng)。 其工作原理如下： 交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的永磁式三相同步伺服交流電動(dòng)機(jī)緊湊地收藏于車輪內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子托架與車輪輪轂相聯(lián)， 而輪轂支撐于轉(zhuǎn)向節(jié)上，輪胎隨同電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)；而電動(dòng)機(jī)的定子則通過定子托板、輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)連接于車身上。 該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，當(dāng)向電動(dòng)機(jī)的定子線圈中通以交流電流時(shí)， 定子便 會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使永磁式轉(zhuǎn)子連同輪胎一起旋轉(zhuǎn)， 即整個(gè)車輪旋轉(zhuǎn)起來。目前 已有三菱公司與東洋公司合作開發(fā)了用于藍(lán)瑟Lancer四輪驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)轎車的

14、電動(dòng)輪。每個(gè)電動(dòng)輪的最大功率為 50千瓦，最大扭矩為518牛米，最高轉(zhuǎn)速為 1500轉(zhuǎn)/分，一次充電的行駛里程可達(dá)250公里，最高車速可到達(dá)150公里/小時(shí)。三、電動(dòng)車電池技術(shù)發(fā)展情況在蓄電池技術(shù)領(lǐng)域，具有重量輕、儲(chǔ)能大、功率 大、無污染也無二次污染、壽命長(zhǎng)、自放電系數(shù)小、 溫度適應(yīng)范圍寬泛等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池技術(shù)逐漸取代 鉛和鍥氫電池，成為純電動(dòng)汽車中的核心技術(shù)之一。1、鎳氫電池：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.

15、2V， 其負(fù)電極為經(jīng)吸氫處理后的儲(chǔ)氫合金，正電極為氫氧化鎳，電解液為KOH 溶液。2、鈉硫電池：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(jì)上必須保證堅(jiān)固和安全。 Na-S 電池以熔融態(tài)鈉為負(fù)電極，熔融態(tài)硫?yàn)檎姌O，陶瓷B -A12O3作電解質(zhì)，并作為離子傳導(dǎo)媒介和熔融態(tài)電極的隔離物，以防止電池自放電。3、燃料電池：燃料電池是燃料與氧化劑通過電極反應(yīng)將其化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。 燃料電池不需要充電， 只要外部不斷地供應(yīng)燃料和氧化劑， 就能連續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電。 電動(dòng)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

16、命長(zhǎng)、 維護(hù)工作量少以及能連續(xù)大功率供電等優(yōu)點(diǎn)。 另外，燃料電池電動(dòng)汽車可到達(dá)與燃油汽車相同的續(xù)駛里程。4、鋰離子電池： 鋰離子 Li-Ion 電池自 20世紀(jì) 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， 但在日本和美國(guó)等電動(dòng)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)， 缺點(diǎn)是自放電率高。四、純電動(dòng)車的發(fā)展前景電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)化不是突然一夜之間的事， 而是一個(gè)漸進(jìn)的過程。 要通過示范運(yùn)營(yíng)， 不斷擴(kuò)大規(guī)模， 通過規(guī)模化的應(yīng)用促進(jìn)電池技術(shù)進(jìn)一步提升、 降低電池成本、完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 電動(dòng)車的技術(shù)瓶頸主要在于電池技術(shù)， 目前汽車動(dòng)力電池的能量密度還比較低， 要提高續(xù)航里程就需要裝配更多的電