【正文】 8 第 3章 蓄電池 作為一種能量的存儲(chǔ)裝置，電池是電動(dòng)汽車的最關(guān)鍵部分，是車輛的動(dòng)力之源，恰恰因?yàn)槠渲匾潭?，電?dòng)汽車的發(fā)展受電池的制約性很強(qiáng)。 圖 31 蓄電池內(nèi)阻模型圖 其中： E0 是單個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì)（ V）； U工作電壓（ V）； I工作電流（ A）； Rint等效內(nèi)阻（ Ω ） 由圖所以可以得到電壓特性方程為： int0 IRUE ?? （ 31） 電池的電動(dòng)勢(shì) E0和電池的內(nèi)阻 Rint同時(shí)受多 個(gè)不同因素的影響，隨著電池的狀態(tài)變化，其數(shù)值也不斷變化，但是在通常情況下，只考慮一些主要因素的影響，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常電池的放電功率為： IIREUIP )( in t0b ??? （ 32） 電池的放電效率為： 9 η =IEUI0=0EU （ 33） 最大輸出功率為： int20max 4REPb ? （ 34） 其中 Pbmax 是個(gè)理論值，在實(shí)際過程中，電池的壽命會(huì)因?yàn)榉烹婋娏鬟^大，電池發(fā)熱過度而減短。鉛酸電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，最大的優(yōu)點(diǎn)就是成本低。通常把二氧化鉛涂在正極板上，負(fù)極板上通常涂有純的金屬鉛，二氧化鉛和鉛作為活性物質(zhì)。 10 圖 32 鉛酸電池結(jié)構(gòu)圖 鉛酸電池的優(yōu)缺點(diǎn)： ? 輸出電壓較高，為 ； ? 成本低，價(jià)格較為便宜； ? 輸出電流范圍廣，尺寸大小按需所變； ? 高倍率放電性好，可用于引擎起動(dòng)； ? 高低溫性好，工作環(huán)境可為 40o C60o C； ? 電能轉(zhuǎn)化效率高達(dá) 60%； ? 方 便識(shí)別電荷狀態(tài)。在放電后，電池中的電能消耗完畢，需要對(duì)電池進(jìn)行充電，這個(gè)過程中實(shí)際就是把外界的電能重新轉(zhuǎn)為為蓄電池內(nèi)部的化學(xué)能的過程。 電極式為： PbSO4+ 2 e=Pb +SO42－ 陽極：電極上的 PbSO4 中＋ 2 價(jià)的鉛被電源奪去 2 個(gè)電子變?yōu)椋?4 價(jià)的鉛，＋ 4 價(jià)的鉛強(qiáng)行去奪 H2O 中的 O2－ ，使自己變?yōu)?PbO2，同時(shí)又使 H2O 中的 H＋釋放出來。隔膜也是必不可少的 部分。 鎳氫電池的工作原理 鎳氫電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，通過化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生能量，這種電池可以把能量直接轉(zhuǎn)化為電能。 h 96 169 能量密度 /（ W h 體積功率密度 2100W/L 模塊質(zhì)量 鋰離子電池 鋰離子電池是由之前的電池改進(jìn)而來。 圖 35 鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖 鋰離子電池又包括錳酸鋰離子電池、磷酸鐵鋰 離子電池和鈷鎳鋰離子電池。 負(fù)極上活性物質(zhì)也是一種混合物，用碳材料與黏合劑制成的混合物是最佳材料，同時(shí)也要再添加上有機(jī)溶劑調(diào)和制成糊狀，并涂覆在銅基上，也呈薄層狀分布。隔板這樣的作用有效的保護(hù)了電池。鋰離子電池工作電壓為 ； ? 高能 (比能量高 )， 鋰離子電池比能量已達(dá)到 150Wh/kg； ? 使用壽命長(zhǎng)，反復(fù)充放電可達(dá) 1000 次以上； ? 無記憶性，充放電自由，不會(huì)對(duì)電池造成損耗； ? 對(duì)環(huán)境無污染，該電池內(nèi)不存在重金屬污染物，是“綠色電池”； 15 ? 可以制造成不同的形狀； ? 工作溫度范圍寬。 當(dāng)電池處于放電狀態(tài)時(shí)，負(fù)極物質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)，鋰離子從負(fù)極脫出，進(jìn)入電解液，電解液作為一種介質(zhì)，經(jīng)過隔膜，把鋰離子再重新嵌入回正極材料晶格中。 h/kg) 75 75 壽命 /年 15 15 產(chǎn)量為 10萬套 /年時(shí)的價(jià)格（美元 /套） 目標(biāo)值的 2到 3倍 500 燃料電池是一種利用可燃?xì)怏w與空氣（氧氣）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成能量，同時(shí)也是直接把生成的這些能量轉(zhuǎn)化為電能，所以燃料電池的效率很高，通常情況下它的能量轉(zhuǎn)化率能達(dá)到百分之七十到百分之八十。 燃料電池的正負(fù)極反應(yīng)（此處主要介紹以氫氣為燃料 的燃料電池）： 17 圖 37 燃料電池反應(yīng)過程圖 ? 以磷酸為電解質(zhì)溶液時(shí)： 負(fù)極： 2H2 – 4e = 4H+ 正極： O2+ 4H+ +4e =2H2O 總反應(yīng)： 2H2 +O2 =2H2O ? 以 KOH 為電解質(zhì)溶液時(shí)： 負(fù)極： 2H2 +4OH – 4e = 2H2O 正極： O2+ 2H2O +4e =4OH 總反應(yīng)： 2H2 +O2 =2H2O 飛輪電池是一種新概念電池，在 20世紀(jì) 90年代的時(shí)候 被提出。飛輪電池結(jié)構(gòu)里有一個(gè)電動(dòng)機(jī)，在充電的時(shí)候，在外電源的驅(qū)動(dòng)下，這個(gè)電動(dòng)機(jī)以把電能轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)。 由于對(duì)飛輪的強(qiáng)度 要求很高，根據(jù)最大強(qiáng)度比的原則，一般設(shè)計(jì)選用超強(qiáng)玻璃纖維 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成。 圖 39 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖 一種帶式可變慣性飛輪曾經(jīng)被伊朗 Shiraz 大學(xué)機(jī)械工程系研制，用于電動(dòng)車，其目的是節(jié)能與系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)然也可以采用上述兩種或多種方式支承飛輪。真空度影響系統(tǒng)效率，是一個(gè)關(guān)鍵因素。飛輪放電階段，飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，通過輸出電路給外部用電設(shè)備供電。在安全條件達(dá)標(biāo)情況下，盡可能提高電壓，這樣做不僅減小電動(dòng)機(jī)的體積，還可以大大降低功率變化器的制造成本； ? 小質(zhì)量。 下表表示國內(nèi)外大型汽車公司已試生產(chǎn)的汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)情況。 m 國防科大 4060km/h 感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 下面介紹幾種常用的電動(dòng)機(jī)。 圖 41 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 ? 定子部分。 換向極：換向極的作用是改善直流電動(dòng)的換向性能，是直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生有害的火花。 轉(zhuǎn)子部分包括有以下部分 :電樞鐵心、電樞繞組和換向器等。 電樞繞組 :把銅線按一定規(guī)律繞制 ，就制成了電樞繞組，作為直流電動(dòng)機(jī)電路的部分之一，在電樞繞組上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。如 果一個(gè)直流電源的兩極分別與電刷 A、B 相連接，正極與電刷 A 相連接，電刷 B接電源的負(fù)極，此時(shí)在電樞線圈中將會(huì)有電流通過，位于 N 極下線圈 ab 邊和位于 S極下線圈 cd邊通以直流電流 i，根據(jù)安培定律，導(dǎo)體中產(chǎn)生的電磁力 F的大小為： F=BLIsinθ 式中， L線圈導(dǎo)體 ab 的長(zhǎng)度， m B磁感應(yīng)強(qiáng)度， T θ B與 I在空間的夾角，176。當(dāng)轉(zhuǎn)矩小于電磁轉(zhuǎn)矩的時(shí)候，此時(shí)線圈會(huì)逆時(shí)針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，圖中（ b）是一個(gè)關(guān)鍵位置，當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到這個(gè)位置時(shí)，導(dǎo)體 cd 會(huì)進(jìn)行位置變換，從原來的 S極轉(zhuǎn)到 N極下，與此同時(shí)，其受力方向也會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)的受力是從右到左，相同，導(dǎo)體 ab 也發(fā)生類似 cd 的變化，其位置轉(zhuǎn)到 S極下，它的受力也發(fā)生相反的變化，此時(shí)受力為從左到右，與此同時(shí)，作用在上面的轉(zhuǎn)矩變化為逆時(shí)針方向，由于受到這個(gè)逆時(shí)針的轉(zhuǎn)矩，線圈也逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 無刷直流電動(dòng)的三部分組成部分是：電動(dòng)機(jī)體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子轉(zhuǎn)向裝置。不同的是，產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)的部件是轉(zhuǎn)子，不是定子。定子各個(gè)繞組需要在準(zhǔn)確的時(shí)間以準(zhǔn)確的順序進(jìn)行通電才能保證電動(dòng)機(jī)的正常工作，電子換向 器可以控制這個(gè)順序和時(shí)間的準(zhǔn)確，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)則隨著轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。把這個(gè)位置信息準(zhǔn)確的提供給功率開關(guān)電路，這個(gè)過程中，會(huì)把轉(zhuǎn)子磁極的位置轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理器，做出相應(yīng)的判斷并且輸出，使定子繞組正確換相。 24 ? 運(yùn)行范圍廣。由于電動(dòng)汽車電池能量有限，高效率節(jié)能是很必要的有點(diǎn)?？捎行p輕重量、節(jié)省空間。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器在工作過程中會(huì)輸出信號(hào)。 圖 44 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖 所有旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看， 都是由靜止的定子和可以轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子組成的。 定子繞組、定子鐵心、和機(jī)座三部分組成定子部分。 定子繞組。同時(shí)還可以起防護(hù)和散熱的作用。轉(zhuǎn)子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分。轉(zhuǎn)軸用于固定和支撐轉(zhuǎn)子鐵心，并輸出機(jī)械功率。中小異步電動(dòng)機(jī)的氣隙一般為 ；功率越大，轉(zhuǎn)速越高，氣隙尺寸越大。作為閉合繞組的轉(zhuǎn)子繞組，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下，就產(chǎn)生了感應(yīng)電流。當(dāng)此轉(zhuǎn)矩足夠大的時(shí)候，轉(zhuǎn)子也會(huì)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向一致，即轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子速度 n 與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度 n1不同，他們之間的差為 △ n， △ n與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速 n1的比值稱為轉(zhuǎn)速差率 s： S=n1n/n1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是最新一代無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，它集成了很多現(xiàn)代高科技，它是無刷直流調(diào)速系統(tǒng)后而來，比變頻調(diào)速更加先進(jìn)的電動(dòng)機(jī)。 SRD 系統(tǒng) 也存在一定的缺點(diǎn) ： ? 有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) ； ? 因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速很高，振動(dòng)比一般電動(dòng)機(jī)大，所以工作過程中噪音略高； ? 這種電動(dòng)機(jī)的 出線頭較多， 三相的開關(guān)勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)至少有四個(gè)出線頭 ， 比較復(fù)雜，要求對(duì)其有深入了解 。位置檢測(cè)器傳遞位置信號(hào)，電流檢測(cè)器傳遞電流信號(hào)，控制器 28 根據(jù)這些信號(hào)判斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置，至于電動(dòng)機(jī)的速度和電流等信息也被接收、分析，最終通過分析處理，得到 最終指令，開始向功率變換器發(fā)出一個(gè)執(zhí)行命令，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)，起到最終的控制作用； ? 位置檢測(cè)器；位置檢測(cè)器根據(jù)傳遞來的信號(hào)分析判斷轉(zhuǎn)子的位置，并且能夠得出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 是一種由 雙凸極 制成的 可變磁阻電動(dòng)機(jī)， 定子的凸極就是由最普通的與前 面所述其他幾種電動(dòng)機(jī)一樣的硅鋼片壓制而成，轉(zhuǎn)子使用相同的材料制成 。 這兩種是比較典型 的應(yīng)用結(jié)構(gòu)。圖中， 有 定子 DD’ ，當(dāng)這個(gè)定子 極勵(lì)磁時(shí)， 1139。 在圖中找到定子和轉(zhuǎn)子所在的位置，如果把現(xiàn)在的這些位置標(biāo)記為起始位置，那么按照 D→A→B→C 的次序給這些 相繞組通電，轉(zhuǎn)子 就會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作，會(huì)與 勵(lì)磁順序 相反， 以逆時(shí)針方向 進(jìn)行 連續(xù)旋轉(zhuǎn)； 相反的是 ，若 按照 B→A→D→C 的次序進(jìn)行各 相通電，則 轉(zhuǎn)子 即會(huì)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 48 四相 8/6級(jí) SR 電動(dòng)機(jī)典型結(jié)構(gòu) (只畫出一相 ) 由此可見，我們只要通過控制加到 SR 電動(dòng)機(jī)繞組中電流的一些參數(shù)值，比如脈沖的幅值，以及脈沖的寬度和與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，這些位置對(duì)應(yīng)叫做導(dǎo)通角、關(guān)斷角，通過改變這些參數(shù)，就可控制 SR 電動(dòng)機(jī)的輸出，可以控制它的輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速等特性，上述就是 SR 電動(dòng)機(jī)的工作基本原理過程。 圖 51所示為日本豐田汽車公司的一款控制器的原理圖 。 橫擺角速度信號(hào) 、 縱向加速信號(hào) 、 橫向加速信號(hào)和 4個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速信號(hào)構(gòu)成汽車的運(yùn)動(dòng)傳感器信號(hào) 。裝有圖中所示控制器的汽車為一款四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車， 該車裝有高低速兩種電機(jī)，通過配合差速器使用，來驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)，其中前輪裝有低速永磁同步電機(jī)， 后輪則是高速感應(yīng)電機(jī)。 32 圖 52 日立公司控制器原理圖 如圖 53所示，天津大學(xué)控制器包括模塊和接口更多，比上述兩種控制器略為復(fù)雜。完成上述才能實(shí)現(xiàn)對(duì)整車驅(qū)動(dòng)控制和能量?jī)?yōu)化控制，進(jìn)而提供反饋信息 。微控制器是整個(gè)大控制器的大腦，對(duì)輸送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算及處理 ； ? 模擬量調(diào)理模塊。繼電器也需要被驅(qū)動(dòng) ， 其一端通過光電隔離器與微控制器 33 相連 ， 另一端與多個(gè)繼電器相接 ； ? 高速 CAN總線接口模塊。 與微控制器相連，可為各輸入和輸出模塊提供隔離電源 ， 并對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行監(jiān)控 。通過離合的作用就是就是隨時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與傳動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)系，變速箱根據(jù)不同需求提供不同的傳動(dòng)比，改變輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，差速器滿足汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)要求內(nèi)外車輪不同轉(zhuǎn)速的需求。在這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，利用電動(dòng)機(jī)在大范圍轉(zhuǎn)速變化中具有恒功率的特性，采用固定速比減速器，加之不使用離合器和變速器，大大減小了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的 體質(zhì)，使整車質(zhì)量大大降低。 圖 64 FG固定速比減速器； M電動(dòng)機(jī) 圖 64為一種輪驅(qū)動(dòng)形式，前面兩個(gè)車輪各自裝有電動(dòng)機(jī)，這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)取代了機(jī)械差速器，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)各自車輪，在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過控制系統(tǒng) 36 控制兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，讓電動(dòng)機(jī)以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，起到轉(zhuǎn)彎時(shí)差速器的作用，省掉了機(jī)械差速 器。 圖 66 M電動(dòng)機(jī) 圖 66 為另外一種輪轂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，這種傳動(dòng)方案最為簡(jiǎn)單明了，電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間沒有任何機(jī)械傳動(dòng)裝置，車輪直接由低速的外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，通過控制系統(tǒng)對(duì)電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，直接實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輪轉(zhuǎn)速的控制。因?yàn)檫@種技術(shù)把動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置全部整合到輪轂內(nèi)，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)電動(dòng)車輛的其他機(jī)械部分，這是輪轂電機(jī)技術(shù)的一大特點(diǎn)。在 1910年，保時(shí)捷公司又研發(fā)了軍用陸地列車，與現(xiàn)在的火車相似，該車具有一個(gè)車頭和十輛列掛車，車頭裝備發(fā)動(dòng)機(jī)和