第十二章--汽车电力驱动技术简介

学习要求了解电力驱动车辆的类型和电能来源形式，熟悉电动汽车的类型。了解对车用动力电池的要求，熟悉车用动力电池的主要性能指标和常用车用动力电池的特点。了解汽车电力驱动系统的发展趋势，熟悉汽车常用驱动电动机的特性和调速控制方式。汽车电动驱动最早出现在1873年，由英国人罗伯持·戴维森制造笫一辆电动汽车，电的来源是蓄电池，这辆有实用价值的电动汽车，比内燃机驱动的汽车还早10多年。因此，汽车驱动机器的发展按时间顺序，经历了蒸汽机、电动机、内燃机（汽油机和柴油机）。然而，由于当时的技术水平和社会环境所限，电动汽车没有发展起来，但燃烧汽油的内燃机汽车发展得很快，在全世界的保有量迅速增加，尤其是在发达国家的大城市，汽车增加得更快。这样，汽车尾气排放的有害物质便成为第一大环境污染源。汽车内燃机的尾气排放对人类健康和生活构成了严重威胁，石油的日益枯竭也使人类必须考虑新的能源，于是，具有零排放污染的电动汽车重新被重视起来，各国都制定了相关的鼓励政策，制定了发展电动汽车和混合动力汽车（内燃机与电动机混合动力）的长远规划，电动汽车和混合动力汽车现在已经商业化生产。第一节汽车电力驱动技术概述一、电力驱动车辆概述电力驱动车辆的类型很多，应用范围也很广，电能的来源形式也比较多样化，如图12-1所示。人们可以根据用途和条件生产不同形式的电力驱动车辆。图12-1电力驱动车辆类型和电能来源形式轨道电动车和城市公交无轨电车是由专用馈线保证其车辆的电能使用。专用馈线是一种专用接触电网线，一般架设在轨道或道路上方，也有用金属轨道兼作专用电网线，如地铁。电动车辆在行驶时通过受电器与接触电网线滑动或滚动接触接受电能。电源变换设备将公共电网的电能形式变换为电动车辆所需要的电能形式，如电压变换、三相单相变换、交直流变换等。使用公共电网的优点是电动车辆不必携带能量，缺点是必须有专用馈线，并在馈线下或馈线上行驶。特定电动车是一类在小区域内灵活使用的电动车辆，它不具有汽车的完全形式和功能，它的电能来源于携带的蓄电池。电动汽车是电动车辆的一种，也是汽车的一种,电动汽车必须具有汽车应具有的性能和属性，但在驱动上又具有电动车辆的特征。依内燃机汽车的分类方法，电动汽车一般分为三类。二、纯电动汽车纯电动汽车又称蓄电池电动汽车，也称二次电池电动汽车。纯电动汽车有多种类型。图12-2是一种常规型的纯电动汽车，它用电动机代替内燃机，仍保留内燃机汽车中的变速器和差速器等动力传输装置，仍具有较大的变速和变矩范围。图12-3是一种无变速器和差速器的纯电动汽车，它用两个电动机分别驱动左右两个轮子，解决转弯行驶时不要差速器而实现双轮差速驱动的矛盾。目前还有采用电动车轮驱动的方式，把电动机与车轮组合在一起，进一步简化机电结构。为增大转矩，有的车用电动机的内部安有减速齿轮，使输出轴的转矩增大。驱动器和控制器实现对电动机的电力驱动和控制。作为动力蓄电池组的电压比较高，电动汽车上的其它用电器的电压多为12V或24V，可用DC/DC变换器获得。图12-2纯电动汽车(带变速器和差速器)图12-3纯电动汽车(无变速器和差速器)三、混合电动汽车混合电动汽车是由蓄电池驱动+内燃机驱动的混合动力汽车，一般也称混合动力汽车。混合动力汽车有多种类型。图12-4是一种并联分离型混合动力汽车，当在市区行驶时可用电动机驱动，减少城市污染。当郊外行驶时，可用发动机驱动，同时由发电机向蓄电池充电。两种动力的分别传输是通过两个离合器实现。图12-5是一种并联双轴型混合动力汽车，电动机驱动前轴轮，可在市区行驶；发动机驱动后轴轮，可在郊外行驶时，同时由发电机向蓄电池充电；越野时可由电动机和发动机同时驱动四轮。另有一种串联型混合动力汽车，发动机不直接驱动车轮，只带动发电机，发电机向蓄电池充电的同时带动电动机驱动车轮。这种混合动力汽车总效率较低。图12-4并联分离型混合动力汽车图12-5并联双轴型混合动力汽车四、燃料电池汽车燃料电池汽车是一种使燃料中的化学能转变为电能驱动的电动汽车。这种汽车要携带专用燃料，燃料在燃料电池中产生电能，然后带动电动机驱动车轮。电动汽车是一种集汽车技术、电机技术、电池技术、空气动力学、计算机技术、控制技术、新材料技术以及人体工程多学科的高新技术机电产品。电动汽车由车体、电力驱动与控制、储能电池和能量管理等系统组成，其中电力驱动与控制和储能电池是两个关键技术，它们的技术指标高低，直接要影响电动汽车的性能，如最大行程、最高速度、爬坡能力、起动时间、安全性、可靠性、可维护性以及成本。由于电动汽车上使用有限能源，还要适应上述电动汽车的特殊性能，所以对驱动与控制技术提出了高效率、动能再生利用、高功率密度、高起动力矩、低噪声和低振动、良好的调速性和可控性，以及高可靠性、长寿命、易维护等技术要求。第二节车用动力电池利用物质的化学变化或物理变化将其它能量转化电能的装置，叫做化学电池或物理电池。常用的铅酸电池是化学电池，太阳能电池是物理电池。目前车用动力电池主要是化学电池。从世界电动汽车发展看,到目前为止,电能存储技术仍然是电动汽车商业化发展的瓶颈，因为电动汽车与燃油汽车相比的缺点是:成本高、续驶里程短和充电时间长。这些都与能量或电能存储技术没有突破性进展直接相关。电动汽车所用动力电池的理想条件或研发方向应该具有以下几点：（1）能一次提供足够的能量，保证电动汽车有一定的行驶里程。（2）能快速充电或补充能量，使补充能量的时间很短。（3）重量轻，减少车载负荷。（4）能持续稳定的大电流放电，保证电动汽车的一定行驶速度。（5）能短时大电流放电，保证电动汽车在加速、上坡时有足够的动力。一、车用动力电池的主要性能指标1.电动势电池不对外放电时正极与负极之间的电位差称为其电动势，在汽车行业内常称为开路电压，或简称电压。不同的电池，电压是不同的。对化学蓄电池，电压的大小与电极材料和电解液有关，如铅酸蓄电池的电压是2.1V，而镍镉蓄电池的电动势是1.2V。需要较高的工作电压时，可将电池串联使用。如燃油汽车常用的蓄电池，俗称电瓶，电压是12V,是由6个铅酸蓄电池串联而成,制造时合在一起。2.容量电池的容量是指在一定的放电条件下，可以输出的电量。常用安时容量（A·h）和瓦时容量（W·h）来表示。安时容量（A·h）：用电池输出平均电流I与时间t的乘积来表示电池的容量，单位为安培小时，简称安时，用符号A·h表示，故称安时容量。如一个80Ah的蓄电池，用2A电流对外供电，可以持续4O小时，如用4A的电流对外供电，只能持续20小时。瓦时容量（W·h）：在分析电动汽车的能量利用效率时，也用输出平均功率P与时间t的乘积来表示电池的容量，单位为瓦时，用符号W·h表示，故称瓦时容量（W·h）。W·h容量可用A·h容量乘以放电平均电压获得。3.能量密度（比能量）能量密度又称比能量，常用比质量能量和比体积能量来表示。比质量能量：是指单位质量的电池所能输出的能量，单位为瓦时每千克或千瓦时每千克，用符号W·h/Kg或kW·h/Kg表示。比体积能量：是指单位体积的电池所能输出的能量，单位为瓦时每升或千瓦时每升，用符号W·h/L或kW·h/L表示。汽车动力电池的比能量越大，相对重量就越轻，或体积就越小，汽车充电后续驶里程就越长。4.功率密度（比功率）功率密度又称比功率。是指单位质量或单位体积的电池所能输出的功率，分别称为比质量功率和比体积功率，单位分别常用W/kg、kW/kg或W/L、kW/L表示。汽车动力电池的比功率越大，汽车的加速性能和爬坡性能就越好，最高车速也越高。5.使用循环寿命蓄电池的使用循环寿命是指按一定的条件循环充放电使用的时间。电池的使用循环寿命除了与电池的类型有密切关系外，还与使用条件、使用方法和维护有密切关系。正确使用和维护可保证蓄电池的正常使用寿命。二、常用车用动力电池汽车动力蓄电池的主要性能指标是比能量、比功率和使用循环寿命。目前各国都在加紧研究各类先进的高比能量、高比功率、长循环使用寿命、价格低廉的动力化学电池。化学电池又常分为以下三类。原电池：又称一次电池，一次放电后不宜再充电使用，如常用的锌锰干电池等。蓄电池：又称二次电池，放电后可充电重复使用一定循环次数，如常用的铅酸蓄电池。燃料电池：燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的装置。当前研究开发的汽车动力电池主要是化学蓄电池，包括先进的铅酸电池、镍氢电池、锂电池等。正在开发研究的能量存储装置还有超级电容和飞轮电池,发展远景更好的有燃料电池和太阳能电池。1.铅酸蓄电池铅酸蓄电池已有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟的车用动力蓄电池，目前约有80％－90％的采用率。它可靠性好、原材料易得、价格便宜，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点：一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。2.镍镉蓄电池镍镉蓄电池属于碱性电池，应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达55W·h/kg，比功率超过190W/kg，可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000多次，但价格为铅酸蓄电池的4－5倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在比能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金属镉造成环境污染。3.镍氢蓄电池镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样，也属于碱性电池，其特性和镍镉蓄电池相似，不过镍氢蓄电池不含镉、铜，不存在重金属污染问题。其比能量达75-80W·h/kg，比功率达160-230W/kg，循环使用寿命超过600次。它作为今后几年电动汽车优先考虑的蓄电池。4.锂电池锂电池列为电动汽车蓄电池的长期开发目标，锂电池的种类繁多，常见的有锂离子电池和锂聚合物电池等，锂离子电池比能量的理论值为570W·h/kg，它目前达到的性能指标是：比能量为100W·h/kg，比功率200W/kg，循环使用寿命为1200次，充电时间2－4小时。5.燃料电池燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。燃料不经过燃烧，故能量转换效率高，燃料电池的化学能转换效率在理论上可达100％，实际效率已达60％－80％，是普通内燃机热效率的2－3倍。燃料电池的排放物只是没有污染并可再利用的水。燃料电池的种类很多，下面以氢-氧燃料电池为例简介燃料电池的工作原理。氢-氧燃料电池的组成由正极、负极、电解质、隔膜和附件构成，如图12-6所示。把燃料氢气不断输入到负极作为活性物质，把空气中的氧气不断输入到正极，作为氧化剂，这样两电极上连续发生电化学反应，并产生电动势，如果连接外电路负载，就会有电流产生。氢原子在负极放出电子形成氢离子，电子流经外电路流到通氧气的正极，再与电解液中来自负极的氢离子结合，在正极上与氧生成水不断排出。燃料电池的电极要用贵重金属如铂、钯等作催化剂，成本较高。燃料电池与其它电池相比较，结构不相同，它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外部的储罐内，当它工作时需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂，并同时排出反应生成物。因此，燃料的储存和运输是制约燃料电池发展的一个重要因素。图12-6氢燃料电池工作原理第三节汽车电力驱动系统一、汽车电力驱动系统概述汽车电力驱动系统主要由电动机、驱动器和控制器组成，它们是汽车电力驱动的核心，应适应汽车的总体技术要求。汽车电力驱动和控制技术经过近30年的发展，它的技术发展方向可以归纳如下:(1)由有刷直流电动机驱动向无刷化、交流化方向发展，如开发并应用了开关磁阻电动机和永磁无刷电动机。(2)朝电动机与驱动器、控制器集成的机电一体化方向发展，构成智能化的驱动控制系统。(3)由单个电动机驱动向两个电动机驱动，后轮驱动向前轮驱动发展，进而以四个电动机驱动四轮的方向发展。(4)由带齿轮减速器驱动向直接驱动方向发展，将外转子电动机与车轮一体化设计，实现四轮直接驱动。(5)电动机、驱动器、控制器、电池以及电动汽车工况均由单片机集成控制，实现汽车驱动和控制向电子化方向发展。汽车电力驱动和控制技术发