【正文】 電動(dòng)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(jī)和跟班的豪華型維多利亞式電動(dòng)轎車出入劇院、時(shí)裝商店以及其他社交場(chǎng)所。1899年，金納茨的“永不滿足號(hào)”(The Never Satisfied)電動(dòng)車曾在美國(guó)創(chuàng)下了110km/h的當(dāng)時(shí)最高時(shí)速記錄。這輛重1147kg的電動(dòng)車，采用了雙前輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)方向盤以及四輪剎車。1897年英國(guó)倫敦的一輛電動(dòng)出租車，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是雙繞組的直流電機(jī)，用變換繞組連接進(jìn)行變速，而不是當(dāng)時(shí)常用的調(diào)節(jié)電壓調(diào)速。電動(dòng)車正是在這樣的形勢(shì)下發(fā)展起來的。這已是世界上第一輛電動(dòng)車誕生半個(gè)多世紀(jì)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(dòng)三輪車時(shí)速達(dá)到12km/h，在當(dāng)時(shí)已是一個(gè)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(dòng)車的主要能源。早在約 電動(dòng)車發(fā)展史話19世紀(jì)末，美國(guó)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(dòng)力電動(dòng)車應(yīng)運(yùn)而生。補(bǔ)給速度不夠理想。電動(dòng)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(dòng)裝置，而電動(dòng)車的傳能方式為電導(dǎo)線，這就使電動(dòng)車的布局結(jié)構(gòu)能夠更加自由化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修容易，使用壽命長(zhǎng)，并可直接利用電子技術(shù)進(jìn)行傳動(dòng)、顯示和控制，風(fēng)阻系數(shù)大大減少，還易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)汽車。而對(duì)電動(dòng)車，遇到剎車減速或下坡行駛時(shí)，可以通過電子控制器將車輛的行車動(dòng)能“再生”地轉(zhuǎn)化為電能并貯存于蓄電池之中。有人錯(cuò)誤地認(rèn)為電動(dòng)車只是將空氣污染從市區(qū)搬到了發(fā)電廠，實(shí)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)崮堋⑸锬艿?，都可以高效地轉(zhuǎn)化為電能。F3DM雙模電動(dòng)車搭載了全球最先進(jìn)的DM雙模系統(tǒng)。對(duì)這樣的機(jī)電一體化電氣設(shè)備來說，除了要考慮它的機(jī)械安全性之外，電氣安全性也是非常重要的安全指標(biāo)[3]。第二章 電動(dòng)車概述 什么是電動(dòng)車電動(dòng)車是以電力作為能源、由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)動(dòng)車輛。1990年，美國(guó)提出世界上第一個(gè)限制汽車廢氣排放的法案。 大量使用汽車對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，因此近幾十年來，世界各國(guó)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(dòng)機(jī)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(jì)，在美國(guó)地區(qū)，43%的非甲烷有機(jī)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(guó)家的空氣污染還在進(jìn)一步惡化。2009年在丹麥舉辦的哥本哈根氣候峰會(huì)再次呼吁各國(guó)一起為減緩全球氣候變暖作出努力，我國(guó)也在會(huì)議上承諾2020年減排目標(biāo) 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(gè)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(dòng)自行車由于成本低，得以迅猛發(fā)展?？刂破噺U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(guó)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(huì)充電系統(tǒng)是今后我國(guó)電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)。1997年在日本京都舉行的全球氣候變化高峰會(huì)議中，與會(huì)的各國(guó)政府代表一致認(rèn)為，全球氣候變暖已成為一個(gè)嚴(yán)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(guó)作為最大的發(fā)展中國(guó)家，目前也已成為全球酸雨最為嚴(yán)重的國(guó)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(gè)主要原因。其主要成分是碳?xì)浠衔?，約占汽車碳?xì)浠衔锟偱欧帕康?5%以上。20世紀(jì)60年代末，自美國(guó)政府率先頒布了較為嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(dòng)力和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 電動(dòng)車的種類電動(dòng)車分類電動(dòng)車按類型分可分為：電動(dòng)自行車（如圖11），電動(dòng)摩托車（如圖12），電動(dòng)三輪車（如圖13），電動(dòng)汽車。該系統(tǒng)是一種將控制發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)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(dòng)(EV)和混合動(dòng)力(HEV)這兩種模式之間自由切換。即使電動(dòng)汽車?yán)檬唾Y源，通過“電能——電動(dòng)機(jī)——車輪”的能量轉(zhuǎn)換和利用效率，也要比通過“石油——內(nèi)燃機(jī)——變速器——車輪”的能量轉(zhuǎn)換和利用率要高1倍左右。電動(dòng)車的起動(dòng)速度相當(dāng)快，在遇到紅燈停車時(shí)，還可以不必讓電機(jī)空轉(zhuǎn)，大大提高能源的使用效率；重新起動(dòng)，也不會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣，可以減少空氣污染。真正使電動(dòng)車量產(chǎn)的動(dòng)力在其經(jīng)濟(jì)性上。但由于電動(dòng)車的真正發(fā)展時(shí)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(dòng)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(dòng)車的售價(jià)很高，幾乎是傳統(tǒng)燃油汽車價(jià)格的一倍。這類電動(dòng)車采用電驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)和燃油驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力。那時(shí)，美國(guó)人擁有2500萬匹馬，而主要的個(gè)人交通工具是馬車和機(jī)械奇跡——自行車。亨利發(fā)明了直流電動(dòng)機(jī)后不久的1831年，誕生了世界上第一部電動(dòng)車。法國(guó)人特魯夫于1881年第一次將直流電機(jī)和可充電的電池用于私人車輛，在同年巴黎舉辦的國(guó)際電器展覽會(huì)上，特魯夫展出了一輛能實(shí)際操作使用的電動(dòng)三輪車。1885年，在德文博特的電動(dòng)車問世半個(gè)世紀(jì)后，德國(guó)人卡爾1888年金鮑爾的電動(dòng)轎車在美國(guó)波士頓投入了運(yùn)營(yíng)。1895年到1915年是早期電動(dòng)車黃金時(shí)代。在這個(gè)時(shí)期，電動(dòng)車占領(lǐng)了美國(guó)私人機(jī)動(dòng)車的主要市場(chǎng)。該車載有約600kg的鉛酸電池，自重約1300kg，行駛里程為80km。最高時(shí)速24km/h，一次充電行駛里程80km。 到世紀(jì)之交時(shí)，電動(dòng)車、內(nèi)燃機(jī)車以及蒸汽機(jī)車已取代了昔日的馬車和自行車成為當(dāng)時(shí)的主要交通工具。當(dāng)時(shí)，一輛電動(dòng)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(jià)格。隨著城市道路的改善，特別是1916年美國(guó)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(duì)機(jī)動(dòng)車時(shí)速和行駛里程的要求，電動(dòng)車漸漸難以滿足這一要求了。電起動(dòng)器的成功應(yīng)用大大促進(jìn)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(guó)成立了電動(dòng)車協(xié)會(huì)，從此，美國(guó)的政府部門、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)能夠在該協(xié)會(huì)的協(xié)調(diào)指導(dǎo)下進(jìn)行電動(dòng)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(dòng)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(dòng)車研發(fā)的動(dòng)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(dòng)車的研究開發(fā)再次進(jìn)入一個(gè)活躍期。但進(jìn)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(dòng)機(jī)安放在車尾，這使得電動(dòng)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(duì)電動(dòng)車的性能有些擔(dān)心，但是實(shí)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(gè)信心問題，今日的電動(dòng)車在滿足人們?nèi)粘＝煌ㄟ\(yùn)輸?shù)男枨蠓矫媸峭耆梢詣偃蔚腫9]。但是，隨著電動(dòng)車大批量地生產(chǎn)和蓄電池技術(shù)的改進(jìn)，電動(dòng)車的價(jià)格必將大幅降低。不怕不識(shí)貨，就怕貨比貨，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，電動(dòng)車并不昂貴！目前推廣電動(dòng)車的主要障礙是一次充電的行駛里程和初始價(jià)格。而電費(fèi)和燃油價(jià)格比則根據(jù)各國(guó)的能源情況和稅收標(biāo)準(zhǔn)不同而不同。由于我國(guó)的燃油價(jià)格高昂，因此對(duì)推廣電動(dòng)車更加有利。表中數(shù)字是正值的表示每5萬公里電動(dòng)巴士的費(fèi)用低于柴油巴士的人民幣數(shù)[10]。 電動(dòng)與柴油小型公共巴士運(yùn)行總費(fèi)用比較電價(jià)／元／kW近年來，采用各種高新技術(shù)的電動(dòng)車層出不窮，給人們帶來了一個(gè)明確的信息：我們已經(jīng)走到了電動(dòng)車時(shí)代的邊緣。在今后的5到10年之內(nèi)，電動(dòng)車的應(yīng)用將迅速增加，我們將能夠看到電動(dòng)車得到極大的普及。所以蓄電池的高能化和電動(dòng)車的標(biāo)準(zhǔn)化是降低電動(dòng)車成本的關(guān)鍵。越是高性能的電池，其價(jià)格也越昂貴，因此必須延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，以求降低年平均費(fèi)用。(6) 電動(dòng)車是一門涉及多學(xué)科的工程問題，發(fā)展電動(dòng)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(jī)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整合和優(yōu)化，以改善電動(dòng)車的性能。不久的將來，我們的城市將會(huì)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(jì)和技術(shù)環(huán)境的迅速變化，國(guó)際間的合作及競(jìng)爭(zhēng)都進(jìn)一步增強(qiáng)，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(dòng)車方面，亞太地區(qū)的優(yōu)勢(shì)在于：自然資源豐富，勞動(dòng)力廉價(jià)，對(duì)電動(dòng)車的性能要求并不苛刻。由于中國(guó)具有巨大的、潛在的和多元化的市場(chǎng)，以及比較完備的工業(yè)基礎(chǔ)，在電動(dòng)車發(fā)展方面，中國(guó)具備率先取得突破性進(jìn)展的條件?？偫▉碚f，電動(dòng)車發(fā)展的總體戰(zhàn)略可以是：(1) 綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)：集中汽車技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、材料技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行系統(tǒng)綜合和優(yōu)化。推動(dòng)電動(dòng)車發(fā)展的動(dòng)力來源于市場(chǎng)，而市場(chǎng)要求電動(dòng)車盡快走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)商品化。市場(chǎng)要求電動(dòng)車盡快降低成本，實(shí)現(xiàn)商品化。實(shí)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(jì)措施人手，即可以取得綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。所有電動(dòng)車加在一起的市場(chǎng)份額將會(huì)超過燃油汽車。低空氣阻力系數(shù)技術(shù)、低滾動(dòng)阻力輪胎技術(shù)、重量輕的車身和部件技術(shù)將會(huì)被純電動(dòng)車、混合式電動(dòng)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(duì)于小型車輛包括自行車和摩托車，純電動(dòng)車更具有生命力。在我國(guó)，電動(dòng)車更有著獨(dú)特的市場(chǎng)。第三章 電動(dòng)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(dòng)車輛被認(rèn)為是最自然不過的事情了。高性能的電動(dòng)車通常是根據(jù)現(xiàn)代電動(dòng)車系統(tǒng)理論專門設(shè)計(jì)制造的。圖31 電動(dòng)車的基本結(jié)構(gòu)圖32 電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)與燃油汽車相比，電動(dòng)車的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活。不同類型的儲(chǔ)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(huì)影響電動(dòng)車的重量、體積、尺寸，進(jìn)而影響電動(dòng)車的性能。但對(duì)于電動(dòng)車則不同，由于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速完全可以用電子控制器進(jìn)行全范圍的控制，因此變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)變速方式因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，效率較高，而被早期的改裝電動(dòng)車大量采用，但是這種變速器的缺點(diǎn)是體積和重量都較大。與傳統(tǒng)的自動(dòng)變速箱相比，電動(dòng)車的自動(dòng)變速傳動(dòng)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(dòng)作的液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑油以及冷卻劑等等。由于交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低并有理想的轉(zhuǎn)矩特性，使得控制變速橋進(jìn)行平滑的自動(dòng)變速變得更加容易。對(duì)于燃油汽車而言，變速齒輪箱是必不可少的部件，因?yàn)槠嚨霓D(zhuǎn)矩特性完全依賴于多級(jí)變速齒輪的調(diào)節(jié)。通常這類改裝電動(dòng)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(yuǎn)低于汽油，因此改裝電動(dòng)車難以獲得很高的性能?，F(xiàn)代電動(dòng)車大都采用這種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是取消了傳動(dòng)齒輪箱，其代價(jià)是低速電機(jī)的體積、重量和成本通常比較高。而對(duì)于電動(dòng)車，如果采用雙電機(jī)或者四電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有效地獨(dú)立調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)電子差速。如果電動(dòng)車采用的是單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則必須裝有機(jī)械差速器。 電動(dòng)車參數(shù)一般來說，電動(dòng)車和燃油汽車同樣都是機(jī)動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)、寬、高；(2) 前部面積——車體的前部等效面積，將直接影響電動(dòng)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(dòng)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(duì)于傳統(tǒng)的燃油汽車，最高時(shí)速和加速能力是最重要的性能指標(biāo)。對(duì)于電動(dòng)車，一次充電后的最大行駛里程則是最重要的性能指標(biāo)。不同的行駛方式導(dǎo)致了電動(dòng)車的行駛里程有很大的差異，為了合理地評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)車 的性能，人們制定了統(tǒng)一的機(jī)動(dòng)車駕駛模式。第四章 電動(dòng)車心臟的能源系統(tǒng)從前一章中我們關(guān)于電動(dòng)車的主要參數(shù)和特性的分析可見，電動(dòng)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(dòng)車的行駛性能，是電動(dòng)車最重要的子系統(tǒng)。目前，適合電動(dòng)車的能源系統(tǒng)有：蓄電池、燃料電池、電容器儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等。 電動(dòng)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(gè)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(shí)間的長(zhǎng)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(dòng)車車載能源的比能量遠(yuǎn)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(dòng)車的行駛里程仍將不敵傳統(tǒng)汽車，這就是目前電動(dòng)車還不能迅速普及的原因之一[21]。如果一個(gè)蓄電池的比功率較大，則表明在單位時(shí)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(gè)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(duì)于電動(dòng)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(yuǎn)低于電動(dòng)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(fù)兩端開始放電時(shí)，一個(gè)電極上的離子通搏電解液到達(dá)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(shí)現(xiàn)商品化近一個(gè)世紀(jì)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(dòng)車的應(yīng)用，特別設(shè)計(jì)的鉛酸電池采取了一系列的改進(jìn)措施，這包括采用無銻網(wǎng)格板、內(nèi)部氣體再