【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 之八十。燃料電池與上述電池不同，在上述幾種電池中，作為發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)都被同時(shí)放進(jìn)電池中，而燃料電池的反應(yīng)物質(zhì)不是直接被裝入電池中，而是隨著反應(yīng)的過程推進(jìn)，燃料不斷的從外界儲(chǔ)存裝置中被輸入到反應(yīng)器中（電池內(nèi)部），當(dāng)然，這個(gè)過程也不再是可逆的，與其他電池的充電過程相比，把燃料充入儲(chǔ)存裝置中，就相當(dāng)于給電池充電的過程。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)：l 節(jié)能，轉(zhuǎn)換效率高；l 達(dá)到零污染排放；l 車輛性能與內(nèi)燃機(jī)汽車相當(dāng)；l 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)行平穩(wěn)。燃料電池缺點(diǎn)：l 燃料種類單一，燃料運(yùn)輸保管要求高；l 密封質(zhì)量要求高；l 比功率沒有其他電池高；l 造價(jià)較高；l 需要配備輔助電池系統(tǒng)。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）：圖37 燃料電池反應(yīng)過程圖l 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 =2H2Ol 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。它與其他化學(xué)電池不同，電能不是以化學(xué)能轉(zhuǎn)化而來，而是使用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。根據(jù)所學(xué)的物理知識(shí)，飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)具一定的有角速度，在某一特定的角速度下旋轉(zhuǎn)，該時(shí)刻飛輪是具有相應(yīng)的動(dòng)能。飛輪電池的充放電過程就是動(dòng)能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化。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)。在放電時(shí)，這個(gè)電動(dòng)機(jī)則又成為一個(gè)發(fā)電機(jī)，在飛輪動(dòng)能的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。 目前，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、電機(jī)/發(fā)電機(jī)、輸入/輸出電路和真空室四部分組成[]。 圖38 飛輪儲(chǔ)能原理圖l 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)飛輪的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中有兩個(gè)部分，即構(gòu)成飛輪的本體，還有對(duì)飛輪本體進(jìn)行支撐的支撐部分。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。美國(guó)馬里蘭大學(xué)已經(jīng)研究成功一種新的飛輪，該飛輪儲(chǔ)能可達(dá)20KWh，它的結(jié)構(gòu)是多層圓柱的。具體參數(shù)：，，最大轉(zhuǎn)速46345r/min。 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。飛輪的支承方式很多。總的來說有兩種方式；即磁懸浮方式和機(jī)械支撐兩種方式。對(duì)于磁懸浮技術(shù)，又可以通過很多手段達(dá)到懸浮的目的，利用超導(dǎo)材料可以制成磁懸浮系統(tǒng)，電磁技術(shù)同樣可以達(dá)到效果，兩種磁極相反放置，制成永磁懸浮裝置也同樣適用。當(dāng)然也可以采用上述兩種或多種方式支承飛輪。l 電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)為了降低系統(tǒng)功耗，減少損失，目前許多單位和研究機(jī)構(gòu)都一般采用永磁同步電動(dòng)/發(fā)電、（雙過程）逆變式互逆式雙向電機(jī)。l 輸入/輸出電路 輸入/輸出電路是一種控制元件，它可以控制裝置中的電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的互換，完成機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。l 真空室真空室的主要作用：制造出一個(gè)真空環(huán)境，減少風(fēng)阻損失；屏蔽事故。真空度影響系統(tǒng)效率，是一個(gè)關(guān)鍵因素。l 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和制造工藝； l 高速軸承支撐技術(shù)；l 高速轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)技術(shù)；l 高速電機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)及能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。飛輪的儲(chǔ)能過程分為三個(gè)階段，即使:飛輪充電階段，外部電源通過輸入電路給電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。能量保存階段，飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)，由于在真空中運(yùn)轉(zhuǎn)，使能量損害減低到最小。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。目前，在飛輪電池裝置中通常只有一個(gè)發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)，采用這種結(jié)構(gòu)不但可以提高效率，還可以減小飛輪尺寸，減少造價(jià)，使飛輪儲(chǔ)的能密度大大的提高。 第4章 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件是電動(dòng)機(jī)，其性能的好壞直接影響到電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，尤其是影響電動(dòng)汽車的最高車速、加速性能及爬坡性能動(dòng)力性。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)有以下要求：l 高電壓。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；l 小質(zhì)量。電動(dòng)機(jī)外科盡量采用路合金，以減輕整體質(zhì)量；l 高效率、低能耗。在車輛減速制動(dòng)過程中可實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化回收；l 電氣系統(tǒng)的安全性和控制系統(tǒng)的安全性都必須符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；l 高可靠性。耐溫和耐潮能力強(qiáng)，運(yùn)行噪音低，適合大批量生產(chǎn)。下表表示國(guó)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。 國(guó)外一些公司已試產(chǎn)的汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 生產(chǎn)企業(yè)車型最高時(shí)速電動(dòng)機(jī)形式功率最大轉(zhuǎn)矩通用Prius II160 km/h感應(yīng)電動(dòng)機(jī)1002 KW沃爾沃PL690km/h感應(yīng)電動(dòng)機(jī)130 KW大眾GolfIV90km/h感應(yīng)電動(dòng)機(jī) KW日產(chǎn)AItra EV120km/h永磁同步電動(dòng)機(jī)62 KW本田Insight130km/h永磁同步電動(dòng)機(jī)10 KW49Nm雪鐵龍SAXO90km/h感應(yīng)電動(dòng)機(jī)20 KW 國(guó)外一些公司試生產(chǎn)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)車型最高時(shí)速電動(dòng)機(jī)形式功率最大扭矩東風(fēng)EQ716911Okm/h感應(yīng)電動(dòng)機(jī)18 KW東風(fēng)EQ611072km/h開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)27 KW40Nm一汽紅旗110km/h永磁無刷電動(dòng)機(jī) KW比亞迪EV1120km/h永磁同步電動(dòng)機(jī)30 KW60Nm國(guó)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)。作為電動(dòng)機(jī)的只要類型之一，直流電動(dòng)機(jī)使用直流電，通過內(nèi)部裝置，把直流電的電能轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)具有的機(jī)械能。它的只要類型有以下幾種：他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)的主要組成部分是定子和轉(zhuǎn)子，定子和轉(zhuǎn)子之間有一定的間隙，這個(gè)間隙叫做氣隙，它的結(jié)構(gòu)如圖41所示。 圖41 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖l 定子部分。主磁極、機(jī)座、換向極和電刷裝置等是構(gòu)成直流電動(dòng)機(jī)定子的主要部分。主磁極：在電動(dòng)機(jī)中需要有磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)就是由主磁極產(chǎn)生，主磁極只要由主機(jī)鐵芯和勵(lì)磁繞組構(gòu)成，其中，由扁銅線繞制而成的勵(lì)磁繞組是產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的關(guān)鍵部件。機(jī)座：機(jī)座用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。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。它由換向極體心和套裝在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成。電刷裝置：電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、匯流排等組成，用于電樞電路的引入或引出。l 轉(zhuǎn)子部分。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。電樞鐵心:電樞貼心有兩兩個(gè)作用，第一，它作為主磁電路的一部分，具有很重要的功能；第二，它作為一個(gè)支撐元件來支撐電樞繞組。在電樞鐵心的槽內(nèi)嵌入電樞繞組。電樞鐵心通常是用硅鋼片重疊壓放在一起做成。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。換向器:換向器由很多換向片組合成圓筒狀，片間用云母絕緣。用于電樞電流的換向，換向器由冷拉梯形銅排和絕緣材料等構(gòu)成。 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 圖42 直流電動(dòng)機(jī)原理圖圖42為直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)模型。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 θB與I在空間的夾角，176。直流電機(jī)由于有轉(zhuǎn)換器和電刷，保證B與i空間上相互垂直的條件，即 θ=90度。在上圖(a)情況下，位于N極下的導(dǎo)體a b受力方向?yàn)閺淖蟮接遥挥赟極下的導(dǎo)體cd受力方向?yàn)閺淖笙蛴?。該電磁力與轉(zhuǎn)子半徑之積即為電磁轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。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)。這樣的一個(gè)過程，雖然有交變的電流流過導(dǎo)體，但通過換向器和電刷的作用，使導(dǎo)體無論在N極和S極下的受力方向始終是一個(gè)方向，所以電機(jī)所受到的轉(zhuǎn)矩方向也是一個(gè)方向，使電動(dòng)機(jī)始終保持一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。無刷直流電動(dòng)機(jī)，顧名思義，這種電動(dòng)機(jī)沒有電刷，與傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)中的機(jī)械換向裝置不同，無刷直流電機(jī)中用的是一種電子換向裝置，通過這種電子裝置的調(diào)節(jié)，同樣可以使電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，有刷直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)同時(shí)也被克服改進(jìn)。這種電動(dòng)機(jī)重量輕，形狀可塑性很強(qiáng)，高效率，高轉(zhuǎn)矩，高精度，數(shù)字式控制，是最理想的電動(dòng)機(jī)之一，在電動(dòng)汽車上有著光放的應(yīng)用前景。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。l 電動(dòng)機(jī)本體。定子和轉(zhuǎn)子是所有電動(dòng)機(jī)都具有的部分，所以它們也是無刷直流電機(jī)的重要組成部分。轉(zhuǎn)子是運(yùn)動(dòng)部分，定子是靜止不動(dòng)的。不同的是，產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)的部件是轉(zhuǎn)子，不是定子。在轉(zhuǎn)子中有一個(gè)永磁體，通過各種零件的支承，通過導(dǎo)磁體作為介質(zhì)來工作。l 電子換相器。電子換向器就是一個(gè)電子電路，位置信號(hào)處理電路是關(guān)鍵部分，其次還要有功率開關(guān)電路。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)。l 位置傳感器。位置傳感器，顧名思義是檢測(cè)位置的。在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，它的作用就是通過傳感器，來感知轉(zhuǎn)子磁極的位置。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。位置傳感器的種類很多，有電磁式位置傳感器，還有一種叫做光電式位移傳感器，其他類型不一一舉例。圖43 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖1機(jī)殼 2鐵心 3主磁鋼 4傳感器磁鋼 5傳感器 6端蓋 7轉(zhuǎn)軸 8銘牌無刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)如下：l 外特性好。在電動(dòng)機(jī)低速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)可以輸出很大的轉(zhuǎn)矩，對(duì)于不安裝變速器和離合器的電動(dòng)汽車來說，這種特點(diǎn)非常符合電動(dòng)汽車的起步和加速要求。l 運(yùn)行范圍廣。在有刷直流電動(dòng)機(jī)中，由于機(jī)械換向器的限制，其速度運(yùn)行范圍不是特別寬；高速下不能運(yùn)行，而無刷電動(dòng)機(jī)使用電子換向器，高中低速都可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。l 過載能力強(qiáng)，比Y系列電動(dòng)機(jī)可提高過載能力兩倍以上。l 效率高。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)。l 再生制動(dòng)效果好。由于永磁場(chǎng)的存在，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)的過程中（下坡或制動(dòng)），發(fā)電效率高，達(dá)到再生制動(dòng)效果好的優(yōu)點(diǎn)。l 體積小。可有效減輕重量、節(jié)省空間。l 防止塵性能好，可靠性高。但同時(shí)無刷直流電動(dòng)機(jī)也有一些缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在機(jī)體和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相似，主要差別在電子換向器，所以它的工作原理基本也基本相同。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)。電子換向線路會(huì)接收分析并執(zhí)行這個(gè)信號(hào)，在執(zhí)行過程中，控制逆變器的功率開關(guān)，進(jìn)而使電樞繞組一次饋電，然后傳遞給定子，定子上長(zhǎng)生磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)是跳躍性的，達(dá)到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的目的。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，又會(huì)不斷分析輸出信號(hào)，來改變電樞繞組的通電和斷電，此時(shí)整個(gè)過程完成多半，通過之前的一系列的控制，在N或者S極下的導(dǎo)體，通過這個(gè)導(dǎo)體的電流方向就不會(huì)變化，保持一致，進(jìn)而使其受力方向保持一個(gè)方向，這樣電動(dòng)機(jī)就按照一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)起來了。下圖為無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖。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。前面幾種電動(dòng)機(jī)也介紹過定子轉(zhuǎn)子之間留有氣隙。圖45所示為三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。 圖45 三相異步電動(dòng)機(jī)典型結(jié)構(gòu)圖1接線盒 2緊固件 3軸承外蓋 4軸承 5擋風(fēng)板6端蓋 7機(jī)座 8定子鐵心 9轉(zhuǎn)子 10軸承內(nèi)蓋11軸用擋圈 12軸承外蓋l 定子。定子繞組、定子鐵心、和機(jī)座三部分組成定子部分。定子鐵心。定子鐵心上纏繞定子繞組，是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分。定子鐵心一般由硅鋼片制成，