【正文】 電動車的性能足以滿足人們的要求。富有的家庭能夠乘坐配有專職司機和跟班的豪華型維多利亞式電動轎車出入劇院、時裝商店以及其他社交場所。1899年，金納茨的“永不滿足號”(The Never Satisfied)電動車曾在美國創(chuàng)下了110km/h的當(dāng)時最高時速記錄。這輛重1147kg的電動車，采用了雙前輪電機驅(qū)動、電動方向盤以及四輪剎車。1897年英國倫敦的一輛電動出租車，驅(qū)動電機采用的是雙繞組的直流電機，用變換繞組連接進行變速，而不是當(dāng)時常用的調(diào)節(jié)電壓調(diào)速。電動車正是在這樣的形勢下發(fā)展起來的。這已是世界上第一輛電動車誕生半個多世紀之后的事了。這些發(fā)明為燃油汽車日后的迅速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，成為人類汽車史上的偉大創(chuàng)舉。這輛近160kg的電動三輪車時速達到12km/h，在當(dāng)時已是一個了不起的成就了。而1910年由愛迪生發(fā)明的鎳鐵蓄電池一度成為電動車的主要能源。早在約 電動車發(fā)展史話19世紀末，美國新興的工業(yè)城市迫切需要發(fā)展新型的城市交通工具，以替代既臟又吵的火車和馬車。為了解決行駛里程短的硬傷，混合動力電動車應(yīng)運而生。補給速度不夠理想。電動汽車的使用成本只是燃油汽車的20%左右[6]。傳統(tǒng)燃油汽車的傳能方式為剛性的物理齒輪傳動裝置，而電動車的傳能方式為電導(dǎo)線，這就使電動車的布局結(jié)構(gòu)能夠更加自由化，結(jié)構(gòu)簡單，維修容易，使用壽命長，并可直接利用電子技術(shù)進行傳動、顯示和控制，風(fēng)阻系數(shù)大大減少，還易于實現(xiàn)自動控制，安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機汽車。而對電動車，遇到剎車減速或下坡行駛時，可以通過電子控制器將車輛的行車動能“再生”地轉(zhuǎn)化為電能并貯存于蓄電池之中。有人錯誤地認為電動車只是將空氣污染從市區(qū)搬到了發(fā)電廠，實際上，電力的來源可以是多樣化的，不僅可用石油、煤炭、核能,還可利用自然界的可再生能量：像水能、太陽能、潮汐能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物能等，都可以高效地轉(zhuǎn)化為電能。F3DM雙模電動車搭載了全球最先進的DM雙模系統(tǒng)。對這樣的機電一體化電氣設(shè)備來說，除了要考慮它的機械安全性之外，電氣安全性也是非常重要的安全指標[3]。第二章 電動車概述 什么是電動車電動車是以電力作為能源、由電動機驅(qū)動的機動車輛。1990年，美國提出世界上第一個限制汽車廢氣排放的法案。 大量使用汽車對環(huán)境造成了嚴重的污染，因此近幾十年來，世界各國政府、學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界一直努力致力于研究開發(fā)和推廣使用各種低排放或零排放汽車，以解決空氣污染問題。曲軸箱散發(fā)的排放物，是發(fā)動機在壓縮和燃燒過程中，一些未燃燒的燃油從燃油室漏向曲軸箱再排放到大氣的。據(jù)統(tǒng)計，在美國地區(qū)，43%的非甲烷有機物、57%的氧化氮、82%的一氧化碳都是汽車廢氣排放產(chǎn)生的，而全世界20%的一氧化碳排放量來源于汽車廢氣。目前，不少發(fā)展中國家的空氣污染還在進一步惡化。2009年在丹麥舉辦的哥本哈根氣候峰會再次呼吁各國一起為減緩全球氣候變暖作出努力，我國也在會議上承諾2020年減排目標 碳排放下降40~45%。人類面臨的最大的環(huán)境問題歸納起來有三個方面：大氣污染、水資源污染以及生態(tài)環(huán)境遭受破環(huán)。而電動自行車由于成本低，得以迅猛發(fā)展。控制汽車廢氣污染及石油的替代能源已成為亟待解決的課題。因此近幾十年來，世界各國政一直努力致力于研究開發(fā)和推廣使用各種低排放或零排放汽車，以解決空氣污染問題。研究低成本高效電池和社會充電系統(tǒng)是今后我國電動汽車的發(fā)展趨勢。1997年在日本京都舉行的全球氣候變化高峰會議中，與會的各國政府代表一致認為，全球氣候變暖已成為一個嚴重的環(huán)境問題。由于大量使用石油燃料，使得大氣中的二氧化硫和二氧化碳急劇增加，造成了酸雨的蔓延及溫室效應(yīng)。我國作為最大的發(fā)展中國家，目前也已成為全球酸雨最為嚴重的國家之一。由此可見，傳統(tǒng)汽車廢氣已成為城市大氣污染的一個主要原因。其主要成分是碳氫化合物，約占汽車碳氫化合物總排放量的15%以上。20世紀60年代末，自美國政府率先頒布了較為嚴格的汽車排放標準以來，汽車制造業(yè)一直努力減少汽車廢氣的排放。法案規(guī)定，到1998年，所有汽車商在加利福尼亞州出售的汽車中，零排放車至少要占售出總數(shù)的2%，到2003年，零排放車至少要占總數(shù)10%。在外形上，電動車與傳統(tǒng)的汽車并無顯著區(qū)別，它們的主要區(qū)別在于動力和驅(qū)動系統(tǒng)。 電動車的種類電動車分類電動車按類型分可分為：電動自行車（如圖11），電動摩托車（如圖12），電動三輪車（如圖13），電動汽車。該系統(tǒng)是一種將控制發(fā)電機和電動機兩種混合力量相結(jié)合的技術(shù)，用戶通過按鍵，就可以使車輛在純電動(EV)和混合動力(HEV)這兩種模式之間自由切換。即使電動汽車利用石油資源，通過“電能——電動機——車輪”的能量轉(zhuǎn)換和利用效率，也要比通過“石油——內(nèi)燃機——變速器——車輪”的能量轉(zhuǎn)換和利用率要高1倍左右。電動車的起動速度相當(dāng)快，在遇到紅燈停車時，還可以不必讓電機空轉(zhuǎn)，大大提高能源的使用效率；重新起動，也不會產(chǎn)生大量的廢氣，可以減少空氣污染。真正使電動車量產(chǎn)的動力在其經(jīng)濟性上。但由于電動車的真正發(fā)展時間還是很短，技術(shù)不成熟，一些性能仍不及傳統(tǒng)燃油汽車。另外電動車的電池組成本高出傳統(tǒng)燃油汽車的油箱太多，這致使目前電動車的售價很高，幾乎是傳統(tǒng)燃油汽車價格的一倍。這類電動車采用電驅(qū)動的電動機和燃油驅(qū)動的發(fā)動機混合動力。那時，美國人擁有2500萬匹馬，而主要的個人交通工具是馬車和機械奇跡——自行車。亨利發(fā)明了直流電動機后不久的1831年，誕生了世界上第一部電動車。法國人特魯夫于1881年第一次將直流電機和可充電的電池用于私人車輛，在同年巴黎舉辦的國際電器展覽會上，特魯夫展出了一輛能實際操作使用的電動三輪車。1885年，在德文博特的電動車問世半個世紀后，德國人卡爾1888年金鮑爾的電動轎車在美國波士頓投入了運營。1895年到1915年是早期電動車黃金時代。在這個時期，電動車占領(lǐng)了美國私人機動車的主要市場。該車載有約600kg的鉛酸電池，自重約1300kg，行駛里程為80km。最高時速24km/h，一次充電行駛里程80km。 到世紀之交時，電動車、內(nèi)燃機車以及蒸汽機車已取代了昔日的馬車和自行車成為當(dāng)時的主要交通工具。當(dāng)時，一輛電動轎車大約需要5000~6000美金，相當(dāng)于今日一輛豪華勞斯萊斯的價格。隨著城市道路的改善，特別是1916年美國從芝加哥通往南部各州的州際公路的開通，大大刺激了人們對機動車時速和行駛里程的要求，電動車漸漸難以滿足這一要求了。電起動器的成功應(yīng)用大大促進了汽車的普及，使得婦女也能夠輕易地駕駛汽車。然而，燃油汽車的發(fā)展也帶來了一系列的問題。1967年，美國成立了電動車協(xié)會，從此，美國的政府部門、企業(yè)和研究機構(gòu)能夠在該協(xié)會的協(xié)調(diào)指導(dǎo)下進行電動車的研究開發(fā)工作?？巳R斯勒與通用汽車合作開發(fā)了ETV1型電動車。汽車的燃油效率在政府的督促之下也大大改善了，因而電動車研發(fā)的動力大大減少，其步伐顯著放慢了[8]。90年代，在能源和環(huán)境的雙重壓力下，電動車的研究開發(fā)再次進入一個活躍期。但進入2000年以來，它還是獲得了迅速的發(fā)展。鋰離子電池安放在車身中部，而電動機安放在車尾，這使得電動版車型具有后驅(qū)車的特質(zhì)，是真正適合在城市中穿梭的零排放理想座駕。由此可見，盡管人們對電動車的性能有些擔(dān)心，但是實際上這種擔(dān)心并不完全是行駛里程不足的問題，而主要是一個信心問題，今日的電動車在滿足人們?nèi)粘＝煌ㄟ\輸?shù)男枨蠓矫媸峭耆梢詣偃蔚腫9]。但是，隨著電動車大批量地生產(chǎn)和蓄電池技術(shù)的改進，電動車的價格必將大幅降低。不怕不識貨，就怕貨比貨，從長遠來看，電動車并不昂貴！目前推廣電動車的主要障礙是一次充電的行駛里程和初始價格。而電費和燃油價格比則根據(jù)各國的能源情況和稅收標準不同而不同。由于我國的燃油價格高昂，因此對推廣電動車更加有利。表中數(shù)字是正值的表示每5萬公里電動巴士的費用低于柴油巴士的人民幣數(shù)[10]。 電動與柴油小型公共巴士運行總費用比較電價／元／kW近年來，采用各種高新技術(shù)的電動車層出不窮，給人們帶來了一個明確的信息：我們已經(jīng)走到了電動車時代的邊緣。在今后的5到10年之內(nèi)，電動車的應(yīng)用將迅速增加，我們將能夠看到電動車得到極大的普及。所以蓄電池的高能化和電動車的標準化是降低電動車成本的關(guān)鍵。越是高性能的電池，其價格也越昂貴，因此必須延長蓄電池的使用壽命，以求降低年平均費用。(6) 電動車是一門涉及多學(xué)科的工程問題，發(fā)展電動車，必須有來自不同領(lǐng)域的專家，如電氣工程師、電子工程師、機械工程師、化學(xué)工程師以及汽車工程師聚集一堂，共同參與，實現(xiàn)系統(tǒng)的整合和優(yōu)化，以改善電動車的性能。不久的將來，我們的城市將會用上由太陽能、風(fēng)能、氫能及核能產(chǎn)生的電能。由于全球政治、經(jīng)濟和技術(shù)環(huán)境的迅速變化，國際間的合作及競爭都進一步增強，信息和資本的自由流通導(dǎo)致了與以往不同的投資模式。在發(fā)展電動車方面，亞太地區(qū)的優(yōu)勢在于：自然資源豐富，勞動力廉價，對電動車的性能要求并不苛刻。由于中國具有巨大的、潛在的和多元化的市場，以及比較完備的工業(yè)基礎(chǔ)，在電動車發(fā)展方面，中國具備率先取得突破性進展的條件。總括來說，電動車發(fā)展的總體戰(zhàn)略可以是：(1) 綜合技術(shù)優(yōu)勢：集中汽車技術(shù)、電機技術(shù)、電子技術(shù)、材料技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢，進行系統(tǒng)綜合和優(yōu)化。推動電動車發(fā)展的動力來源于市場，而市場要求電動車盡快走出實驗室，實現(xiàn)商品化。市場要求電動車盡快降低成本，實現(xiàn)商品化。實際上即使利用現(xiàn)有的技術(shù)，只要根據(jù)上述工程哲學(xué)，根據(jù)不同的用途情況加以優(yōu)化，不僅從技術(shù)入手，更從綜合經(jīng)濟措施人手，即可以取得綜合技術(shù)經(jīng)濟效益。所有電動車加在一起的市場份額將會超過燃油汽車。低空氣阻力系數(shù)技術(shù)、低滾動阻力輪胎技術(shù)、重量輕的車身和部件技術(shù)將會被純電動車、混合式電動車和燃油汽車共同應(yīng)用，不斷提高它們各自的性能[13]。一般而言，對于小型車輛包括自行車和摩托車，純電動車更具有生命力。在我國，電動車更有著獨特的市場。第三章 電動車的組成結(jié)構(gòu)今天，電力在人們的生活中已得到廣泛應(yīng)用，因此，用電力驅(qū)動車輛被認為是最自然不過的事情了。高性能的電動車通常是根據(jù)現(xiàn)代電動車系統(tǒng)理論專門設(shè)計制造的。圖31 電動車的基本結(jié)構(gòu)圖32 電動車電力驅(qū)動子系統(tǒng)與燃油汽車相比，電動車的特點是結(jié)構(gòu)靈活。不同類型的儲能裝置，例如不同的蓄電池、燃料電池、超大電容器和高速飛輪等也都會影響電動車的重量、體積、尺寸，進而影響電動車的性能。但對于電動車則不同，由于驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速完全可以用電子控制器進行全范圍的控制，因此變速系統(tǒng)的設(shè)計就可以有多種不同的選擇。傳統(tǒng)的帶有腳踏離合器的手動變速方式因為結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，效率較高，而被早期的改裝電動車大量采用，但是這種變速器的缺點是體積和重量都較大。與傳統(tǒng)的自動變速箱相比，電動車的自動變速傳動橋同樣包括有盤形和帶形離合器、行星齒輪、差速器、執(zhí)行離合動作的液壓系統(tǒng)、潤滑油以及冷卻劑等等。由于交流異步電機的轉(zhuǎn)動慣量低并有理想的轉(zhuǎn)矩特性，使得控制變速橋進行平滑的自動變速變得更加容易。對于燃油汽車而言，變速齒輪箱是必不可少的部件，因為汽車的轉(zhuǎn)矩特性完全依賴于多級變速齒輪的調(diào)節(jié)。通常這類改裝電動車的性能直接取決于蓄電池，由于目前蓄電池的能量密度遠低于汽油，因此改裝電動車難以獲得很高的性能?，F(xiàn)代電動車大都采用這種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是取消了傳動齒輪箱，其代價是低速電機的體積、重量和成本通常比較高。而對于電動車，如果采用雙電機或者四電機驅(qū)動，由于每個電機的轉(zhuǎn)速可以有效地獨立調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)電子差速。如果電動車采用的是單電機驅(qū)動，則必須裝有機械差速器。 電動車參數(shù)一般來說，電動車和燃油汽車同樣都是機動車，就外部性能而言，描述它們的數(shù)學(xué)和物理手段并無大異。電動車的體積參數(shù)與傳統(tǒng)汽車類似，主要是：(1) 車體尺寸——車體的長、寬、高；(2) 前部面積——車體的前部等效面積，將直接影響電動車的空氣阻力系數(shù)；(3) 座位容積——車內(nèi)允許的乘客數(shù)量；(4) 貨物容積——車內(nèi)允許的貨物容積。影響滾動阻力的因素主要有輪胎的形狀、壓力、溫度、胎面厚度、線網(wǎng)層、車速以及所傳遞的轉(zhuǎn)矩等等，其中胎型和壓力又是最主要的因素。對于傳統(tǒng)的燃油汽車，最高時速和加速能力是最重要的性能指標。對于電動車，一次充電后的最大行駛里程則是最重要的性能指標。不同的行駛方式導(dǎo)致了電動車的行駛里程有很大的差異，為了合理地評價機動車 的性能，人們制定了統(tǒng)一的機動車駕駛模式。第四章 電動車心臟的能源系統(tǒng)從前一章中我們關(guān)于電動車的主要參數(shù)和特性的分析可見，電動車能源系統(tǒng)的體積、重量、形狀和技術(shù)參數(shù)，決定了電動車的行駛性能，是電動車最重要的子系統(tǒng)。目前，適合電動車的能源系統(tǒng)有：蓄電池、燃料電池、電容器儲能和飛輪儲能等。 電動車蓄電池 蓄電池的容量蓄電池的容量就是蓄電池的蓄電能力。h)。tdn蓄電池的容量并不是一個固定不變的常數(shù)，除了與極板表面能參與電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)數(shù)量有關(guān)外，還與充電的程度、放電電流的大小、放電時間的長短、電液的比重、溫度的高低、蓄電池的效率以及新舊程度有關(guān)。h/kg)。由于電動車車載能源的比能量遠低于傳統(tǒng)汽車車載能源的比能量，這就決定了在蓄電池技術(shù)還未能取得有效突破的情況下，電動車的行駛里程仍將不敵傳統(tǒng)汽車，這就是目前電動車還不能迅速普及的原因之一[21]。如果一個蓄電池的比功率較大，則表明在單位時間內(nèi)，單位質(zhì)量所放出的能量較多，即該電池能用較大的電流放電。 循環(huán)壽命蓄電池的充放電循環(huán)壽命是衡量二次電池的一個重要參數(shù)。蓄電池的充放電循環(huán)壽命與放電深度、溫度、充放電形式等條件有關(guān)。然而對于電動車，由于蓄電池隔板的自然銹蝕或者充放電過程中的人為損壞，使得蓄電池的壽命遠低于電動車本身的壽命。(1)鉛酸電池：鉛酸電池的額定電壓是2V，比能量為35W當(dāng)用小燈泡聯(lián)接到電池正負兩端開始放電時，一個電極上的離子通搏電解液到達另一極，從而改變了金屬電極和電解液的化學(xué)成分。鉛酸電池已經(jīng)成功地實現(xiàn)商品化近一個世紀了，就全球而言，目前它的銷量占到全部蓄電池銷量的50%左右。為了適合電動車的應(yīng)用，特別設(shè)計的鉛酸電池采取了一系列的改進措施，這包括采用無銻網(wǎng)格板、內(nèi)部氣體再