【文章內(nèi)容簡介】 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)生化學反應(yīng)的物質(zhì)都被同時放進電池中，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，燃料不斷的從外界儲存裝置中被輸入到反應(yīng)器中（電池內(nèi)部），當然，這個過程也不再是可逆的，與其他電池的充電過程相比，把燃料充入儲存裝置中，就相當于給電池充電的過程。燃料電池的優(yōu)點：l 節(jié)能，轉(zhuǎn)換效率高；l 達到零污染排放；l 車輛性能與內(nèi)燃機汽車相當；l 結(jié)構(gòu)簡單運行平穩(wěn)。燃料電池缺點：l 燃料種類單一，燃料運輸保管要求高；l 密封質(zhì)量要求高；l 比功率沒有其他電池高；l 造價較高；l 需要配備輔助電池系統(tǒng)。燃料電池的正負極反應(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：負極：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：負極： 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90年代的時候被提出。它與其他化學電池不同，電能不是以化學能轉(zhuǎn)化而來，而是使用物理方法實現(xiàn)儲能。根據(jù)所學的物理知識，飛輪旋轉(zhuǎn)時具一定的有角速度，在某一特定的角速度下旋轉(zhuǎn)，該時刻飛輪是具有相應(yīng)的動能。飛輪電池的充放電過程就是動能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化。飛輪電池結(jié)構(gòu)里有一個電動機，在充電的時候，在外電源的驅(qū)動下，這個電動機以把電能轉(zhuǎn)化為飛輪的動能，電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)。在放電時，這個電動機則又成為一個發(fā)電機，在飛輪動能的驅(qū)動下，發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換。 目前，飛輪儲能系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、電機/發(fā)電機、輸入/輸出電路和真空室四部分組成[]。 圖38 飛輪儲能原理圖l 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)飛輪的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中有兩個部分，即構(gòu)成飛輪的本體，還有對飛輪本體進行支撐的支撐部分。由于對飛輪的強度要求很高，根據(jù)最大強度比的原則，一般設(shè)計選用超強玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成。美國馬里蘭大學已經(jīng)研究成功一種新的飛輪，該飛輪儲能可達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大學機械工程系研制，用于電動車，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；即磁懸浮方式和機械支撐兩種方式。對于磁懸浮技術(shù)，又可以通過很多手段達到懸浮的目的，利用超導材料可以制成磁懸浮系統(tǒng)，電磁技術(shù)同樣可以達到效果，兩種磁極相反放置，制成永磁懸浮裝置也同樣適用。當然也可以采用上述兩種或多種方式支承飛輪。l 電動機/發(fā)電機為了降低系統(tǒng)功耗，減少損失，目前許多單位和研究機構(gòu)都一般采用永磁同步電動/發(fā)電、（雙過程）逆變式互逆式雙向電機。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實現(xiàn)電動機和發(fā)電機之間的互換，完成機械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。l 真空室真空室的主要作用：制造出一個真空環(huán)境，減少風阻損失；屏蔽事故。真空度影響系統(tǒng)效率，是一個關(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)子動力學技術(shù)；l 高速電機/發(fā)動機及能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。飛輪的儲能過程分為三個階段，即使:飛輪充電階段，外部電源通過輸入電路給電機供電，實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機械能。能量保存階段，飛輪空閑運轉(zhuǎn)，由于在真空中運轉(zhuǎn)，使能量損害減低到最小。飛輪放電階段，飛輪運轉(zhuǎn)的動能帶動發(fā)電機工作，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發(fā)電機/電動機，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，使飛輪儲的能密度大大的提高。 第4章 電動機電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件是電動機，其性能的好壞直接影響到電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的性能，尤其是影響電動汽車的最高車速、加速性能及爬坡性能動力性。電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)對于電動機有以下要求：l 高電壓。在安全條件達標情況下，盡可能提高電壓，這樣做不僅減小電動機的體積，還可以大大降低功率變化器的制造成本；l 小質(zhì)量。電動機外科盡量采用路合金，以減輕整體質(zhì)量；l 高效率、低能耗。在車輛減速制動過程中可實現(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家有關(guān)標準；l 高可靠性。耐溫和耐潮能力強，運行噪音低，適合大批量生產(chǎn)。下表表示國內(nèi)外大型汽車公司已試生產(chǎn)的汽車驅(qū)動電機情況。 國外一些公司已試產(chǎn)的汽車驅(qū)動電動機 生產(chǎn)企業(yè)車型最高時速電動機形式功率最大轉(zhuǎn)矩通用Prius II160 km/h感應(yīng)電動機1002 KW沃爾沃PL690km/h感應(yīng)電動機130 KW大眾GolfIV90km/h感應(yīng)電動機 KW日產(chǎn)AItra EV120km/h永磁同步電動機62 KW本田Insight130km/h永磁同步電動機10 KW49Nm雪鐵龍SAXO90km/h感應(yīng)電動機20 KW 國外一些公司試生產(chǎn)電動汽車驅(qū)動電動機生產(chǎn)企業(yè)車型最高時速電動機形式功率最大扭矩東風EQ716911Okm/h感應(yīng)電動機18 KW東風EQ611072km/h開關(guān)磁阻電動機27 KW40Nm一汽紅旗110km/h永磁無刷電動機 KW比亞迪EV1120km/h永磁同步電動機30 KW60Nm國防科大4060km/h感應(yīng)電動機下面介紹幾種常用的電動機。作為電動機的只要類型之一，直流電動機使用直流電，通過內(nèi)部裝置，把直流電的電能轉(zhuǎn)化為電動機具有的機械能。它的只要類型有以下幾種：他勵式直流電動機、串勵式直流電動機、并勵式直流電動機和復(fù)勵式直流電動機。直流電動機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，這個間隙叫做氣隙，它的結(jié)構(gòu)如圖41所示。 圖41 直流電動機的結(jié)構(gòu)圖l 定子部分。主磁極、機座、換向極和電刷裝置等是構(gòu)成直流電動機定子的主要部分。主磁極：在電動機中需要有磁場，這個磁場就是由主磁極產(chǎn)生，主磁極只要由主機鐵芯和勵磁繞組構(gòu)成，其中，由扁銅線繞制而成的勵磁繞組是產(chǎn)生勵磁磁動勢的關(guān)鍵部件。機座：機座用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是電動機的結(jié)構(gòu)框架。換向極：換向極的作用是改善直流電動的換向性能，是直流電動機運行時不產(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，作為直流電動機電路的部分之一，在電樞繞組上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，同時也會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生機械能，實現(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。 直流電動機的工作原理 圖42 直流電動機原理圖圖42為直流電動機的一個模型。如果一個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接電源的負極，此時在電樞線圈中將會有電流通過，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，導體中產(chǎn)生的電磁力F的大小為：F=BLIsinθ式中，L線圈導體ab的長度，m B磁感應(yīng)強度，T θB與I在空間的夾角，176。直流電機由于有轉(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極下的導體a b受力方向為從左到右，而位于S極下的導體cd受力方向為從左向右。該電磁力與轉(zhuǎn)子半徑之積即為電磁轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩的方向為逆時針方向。當轉(zhuǎn)矩小于電磁轉(zhuǎn)矩的時候，此時線圈會逆時針進行旋轉(zhuǎn)，圖中（b）是一個關(guān)鍵位置，當電樞轉(zhuǎn)到這個位置時，導體cd會進行位置變換，從原來的S極轉(zhuǎn)到N極下，與此同時，其受力方向也會發(fā)生改變，此時的受力是從右到左，相同，導體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，此時受力為從左到右，與此同時，作用在上面的轉(zhuǎn)矩變化為逆時針方向，由于受到這個逆時針的轉(zhuǎn)矩，線圈也逆時針旋轉(zhuǎn)。這樣的一個過程，雖然有交變的電流流過導體，但通過換向器和電刷的作用，使導體無論在N極和S極下的受力方向始終是一個方向，所以電機所受到的轉(zhuǎn)矩方向也是一個方向，使電動機始終保持一個方向旋轉(zhuǎn)。無刷直流電動機，顧名思義，這種電動機沒有電刷，與傳統(tǒng)直流電動機中的機械換向裝置不同，無刷直流電機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)，同樣可以使電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，有刷直流電動機的缺點同時也被克服改進。這種電動機重量輕，形狀可塑性很強，高效率，高轉(zhuǎn)矩，高精度，數(shù)字式控制，是最理想的電動機之一，在電動汽車上有著光放的應(yīng)用前景。無刷直流電動的三部分組成部分是：電動機體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子轉(zhuǎn)向裝置。l 電動機本體。定子和轉(zhuǎn)子是所有電動機都具有的部分，所以它們也是無刷直流電機的重要組成部分。轉(zhuǎn)子是運動部分，定子是靜止不動的。不同的是，產(chǎn)生激磁磁場的部件是轉(zhuǎn)子，不是定子。在轉(zhuǎn)子中有一個永磁體，通過各種零件的支承，通過導磁體作為介質(zhì)來工作。l 電子換相器。電子換向器就是一個電子電路，位置信號處理電路是關(guān)鍵部分，其次還要有功率開關(guān)電路。定子各個繞組需要在準確的時間以準確的順序進行通電才能保證電動機的正常工作，電子換向器可以控制這個順序和時間的準確，同時會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn)子磁場則隨著轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。l 位置傳感器。位置傳感器，顧名思義是檢測位置的。在無刷直流電動機中，它的作用就是通過傳感器，來感知轉(zhuǎn)子磁極的位置。把這個位置信息準確的提供給功率開關(guān)電路，這個過程中，會把轉(zhuǎn)子磁極的位置轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€電信號，經(jīng)過信號處理器，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 無刷直流電機結(jié)構(gòu)圖1機殼 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銘牌無刷直流電動機的特點如下：l 外特性好。在電動機低速旋轉(zhuǎn)的同時可以輸出很大的轉(zhuǎn)矩，對于不安裝變速器和離合器的電動汽車來說，這種特點非常符合電動汽車的起步和加速要求。l 運行范圍廣。在有刷直流電動機中，由于機械換向器的限制，其速度運行范圍不是特別寬；高速下不能運行，而無刷電動機使用電子換向器，高中低速都可以安全穩(wěn)定運行。l 過載能力強，比Y系列電動機可提高過載能力兩倍以上。l 效率高。由于電動汽車電池能量有限，高效率節(jié)能是很必要的有點。l 再生制動效果好。由于永磁場的存在，當電動機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機的過程中（下坡或制動），發(fā)電效率高，達到再生制動效果好的優(yōu)點。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。但同時無刷直流電動機也有一些缺點，主要體現(xiàn)在機體和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。由于無刷直流電動機和有刷直流電動機結(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。電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器在工作過程中會輸出信號。電子換向線路會接收分析并執(zhí)行這個信號，在執(zhí)行過程中，控制逆變器的功率開關(guān)，進而使電樞繞組一次饋電，然后傳遞給定子，定子上長生磁場，這個磁場是跳躍性的，達到電動機轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)的目的。與此同時，轉(zhuǎn)子位置傳感器隨著電動機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，又會不斷分析輸出信號，來改變電樞繞組的通電和斷電，此時整個過程完成多半，通過之前的一系列的控制，在N或者S極下的導體，通過這個導體的電流方向就不會變化，保持一致，進而使其受力方向保持一個方向，這樣電動機就按照一個方向旋轉(zhuǎn)起來了。下圖為無刷直流電動機的工作原理圖。圖44 無刷直流電動機的工作原理圖所有旋轉(zhuǎn)的電動機從機械結(jié)構(gòu)上看，都是由靜止的定子和可以轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子組成的。前面幾種電動機也介紹過定子轉(zhuǎn)子之間留有氣隙。圖45所示為三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)。 圖45 三相異步電動機典型結(jié)構(gòu)圖1接線盒 2緊固件 3軸承外蓋 4軸承 5擋風板6端蓋 7機座 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，是電動機磁路的一部分。定子鐵心一般由硅鋼片制成，