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电动汽车的结构原理及其原理电动汽车的结构原理及其原理 【摘要】 伴随着汽车工业的高速发展，汽车带来的环境污染，能源短缺，资源枯 竭和安全等方面的问题越来越突出。为了经济的可持续发展，保护人类的居 住的环境和缓解能源供给。电动汽车应运而生，电动汽车具有良好的环保性 能和有多种能源为动力的显著特点，既可以保护环境，又可以缓解能源的短 缺并能调整能源的结构，保障能源的安全。本文主要简绍了电动汽车的发展 和优缺点，结构与管理，能量存储与管理，电机的形式与驱动，典型电动汽 车的分析和电动汽车所面临的问题。 目目 录录 1 1 发展电动汽车的意义及其电动汽车的优缺点发展电动汽车的意义及其电动汽车的优缺点3 1.1 发展电动汽车的意义3 1.1.1 电动汽车的历史及现状.3 1.1.2 电动汽车的优势.3 1. 2 电动汽车的主要问题10 2 2 电动汽车的主要结构形式及其工作原理电动汽车的主要结构形式及其工作原理4 2.1 电动汽车的主要结构形式4 2.2 电动汽车的工作原理 3 电动汽车的能量存储装置与能量管理系统电动汽车的能量存储装置与能量管理系统 3. 1 电动汽车的蓄电池与储能装置 3.1.1 电池的分类 3.1.2 普通铅酸蓄电池 3.1.3 动力锂离子电池 3. 2 能量管理与供给系统 3.2.1 电动汽车的能源管理系统 3.2.2 蓄电池的充电原理与充电器 4 电动汽车的电机及驱动系统电动汽车的电机及驱动系统 4. 1 电动机的分类及原理 4.1.1 直流电动机 4.1.2 三相异步电动机 4.2.3 永磁电动机 4.2.4 开关磁阻电动机 5 电动汽车性能参数分析电动汽车性能参数分析 6 电动汽车所面临的主要问题及其未来发展电动汽车所面临的主要问题及其未来发展 结 束 语5 谢 辞6 文 献7 1 1 发展电动汽车的意义及其电动汽车的优缺点 汽车自诞生不过 100 年的时间，其发展速度极快，且与人们生活的联系 越来越紧密。汽车不再是一个简单的代步和运输工具，已成为许多人的生活 必须品和文化生活的一部风，甚至成为了一些人的流动办公室。汽车的普及 程度和技术已成为一个国家或地区现代化的标志。(内容用小四号宋体，论 文字间距设置为：标准。行间距设置为：固定值 20 磅) 1.11.1 发展电动汽车的意义发展电动汽车的意义（小三号粗黑体，左对齐，单倍行距） 汽车已是当今社会中不可缺少的一部分。可是其带来的问题也是尤为 严重的。最为严重的是环境和能源的问题。 发展电动汽车的意义在于解决 现如今的能源与环境问题。电动汽车一直是伴随着争议的发展的，尽管目前电动汽 车配套体系不完善，但发展电动汽车对中国是很有意义的，技术的不断攻克与国家的政 策扶持为电动汽车的地址在不断的铺路，预示着其在未来将有不凡的意义。 电动汽车对中国的意义 现阶段的中国已经面临着石油短缺的严峻挑战，急需研究开发新能源来应对能源安 全。电动汽车战略已经成为我国新兴战略产业发展的决策。 随着清洁能源的发展，煤电比例逐年减少，可以有效解决电动汽车间接碳排放的问 题。当前，我国煤电约占发电总量 80%。据研究，当煤电比例占 87%时，电动汽车和 传统汽油车的碳排放已经达到平衡点；当煤电比例降至 65%时，和传统汽车相比，电动 车会实现 30%的碳减排。 发展电动汽车的合理路径 以小型车为突破口是发展电动汽车的合理路径，因为它是技术可支撑、政府贴得起、 百姓买得起、市场需求大的现实选择。 政府的引导和支持是关键 推进小型电动汽车产业化，政府须采用财税政策加以扶持和引导。政府的引导和支 持是小型电动汽车产业化成败的关键，应在以下几方面着力。 第一，明确发展重点，坚持标准和基础设施先行。政府要抓紧电动汽车发展规划， 把发展小型电动车放在优先位置，作为汽车产业转型的重点予以支持；要采取有力措施， 合理布局和分工，加快产业链形成，扭转当前电动车发展的无序状态，防止出现一哄而 上，一哄而下的局面；防止以发展电动汽车之名进行传统汽车生产的重复建设；要抓紧 具有电动汽车特色的电动车标准和充电设施标准的制定，加快充电基础设施建设，为小 型电动车进入市场创造条件。 第二，推行绿色补贴和税费制度，大力推动小型电动汽车发展。我国普遍存在“住 大房、乘大车、吃大餐”的消费观念，有悖于建立节约型社会的目标。许多发达国家并非 如此，小型车在欧洲和日本非常普遍，日本 1 升排量以下的微型车占轿车保有量的 40% 以上，2008 年新车销量排行前十强中的六款为微型车。我国应借鉴日本的小四轮车法， 出台支持小型电动车发展的政策，增加对小型电动汽车补贴和免税优惠，并通过提高大、 中型燃油车相关税费，平衡税收。各级政府应将小型电动汽车列入政府采购清单，带头 使用，发挥表率和导向作用。 第三，加强科技投入，力求重大技术突破。战略性新兴产业的关键技术很难通过引 进获得，须大力推动自主创新。“十一五”期间我国在新能源汽车的研发投入还不到发达 国家政府或大公司一年的投入。我国应大幅度增加投入，加强动力电池的基础科学和竞 争前技术的研发，寻求原始创新的突破。引导建立产学研联盟，分工协作，统一部署， 加快电动汽车产业链中薄弱环节的研发。采取实际措施，加快电动汽车和充电设施的标 准研究，坚持标准优先，防止浪费，保障安全。 环保是世人不断追求的境界，电动汽车将为环保，低碳领域带来了一股新鲜空气， 我们无法肯定的说电动汽车将成为环保主力军，但我们期待其为我们带来不一样的精彩。 (内容用小四号宋体，论文字间距设置为：标准。行间距设置为：固定值 20 磅) 1.1.11.1.1 电动汽车的历史及现状电动汽车的历史及现状（四号粗黑体，左对齐，单倍行距） 说了这么多我们先不谈电动汽车的历史。到底什么是电动汽车？电 动汽车是针对内燃机车辆提出来的概念。谓之“电动”，是因为它的能源是蓄电池而不是 汽油（或柴油）等石油产品。纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电 机驱动车轮行 驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。一般采用高效率充电电池，或燃料电池 为动力源。电动汽车无需再用内燃机，因此，电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动 机，蓄电池相当于原来的油箱，由于电能是二次能源，可以来源于风能、水能、热能、 太阳能等多种方式。 现在的电动汽车有三种形式： 纯电动汽车（pure ev） 、混合动力电动 汽车（hybrid electric vehicle：hev）和燃料电池汽车（fuel cell vehicle：fcv） 。 电动汽车的历史要比内燃发动机汽车历史遥远，1885 年，世界上第一 辆汽油机汽车由德国人卡尔本茨研制成功，并与 1886 年 1 月 26 日获得专利， 后人为了纪念这位汽车之父，将 1886 年 1 月 26 日定为世界第一辆汽车诞生 日。而电动汽车的历史同样可以追溯到 19 世纪，并且早于内燃机汽车的发明 时间，最早开发电动汽车的人是法国和英国人。1881 年法国工程师古斯塔夫 特鲁夫发明了第一辆电动汽车铅酸蓄电池动力三轮车，可惜没有留下 照片。接下来由英国人阿顿和培里与 1882 年发明的电动三轮汽车。电动汽车 在欧洲发明之后，很快传到了美国，并在美国得到了快速的发展。1890 年美 国第一辆蓄电池汽车在美国衣阿华州诞生，时速 23km/h。在此之后的十多年 里，电动汽车在美国飞速发展，到 1912 年保有量已达到 33384 辆。虽然电动 汽车的动力和续驶里程很差，但对于当时美国的道路和市区，对于当时续驶 里程 30 英里并不认为是一个严重的缺陷。英法两国就不一样了，由于欧洲历 史悠久，文化古老，在主要城市之间当时已有公路相连，无论什么天气，车 辆都能行驶。因此，在英国和法国，汽油动力车成为主要对象。 到 20 世纪初，美国以蓄电池为动力的电动汽车占汽车保有量的 38%，其比例仅此与占汽车保有量 40%的蒸汽机汽车。到了 1915 年，美国电 动汽车的年产量达 5000 辆。后来由于起动机的发明促进了汽油机的发展和美 国州际公路的发展，使电动汽车不能适应长距离行驶的缺点更为突出，因而 电动汽车走向衰落，在 1935 年到 1960 年的 25 年里，电动汽车几乎处于停产 状态，并逐步退出使用。 20 世纪 60 年代，随着汽车保有量的增加，汽车的排气污染使美国等 发达国家相继出现光化学烟雾等空气污染事故，使人们的健康与生命安全受 到了严重的威胁。因而，首先在受到汽车污染的威胁的汽车工业发达国家又 重新开始电动汽车的开发。如日本在 1976 年就成立了电动汽车协会，并开展 了电动汽车的研究和开发工作。但是，由于电动汽车技术一直没有重大突破， 到 20 世纪 80 年代电动汽车的研究，开发和应用仍然处于停滞不前的状态。 1991 年美国三大汽车公司签订协议，合作研究电动汽车用先进电池，成立了 美国先进电池联合体 usabc（united states advanced battery consortiun）,同 年 7 月美国电力研究院 epri(electric power research institute)参加了美国先进 电池联合体，10 月布什总统批准了 2.26 亿美元拨款资助此研究项目。1990 年通用汽车公司在洛杉矶展出“冲击(impact)”牌电动轿车。从此世界性的电 动汽车研发热潮拉开了序幕。直到今天几乎所有的汽车厂家都在致力于电动 汽车的研发。不论纯电动汽车，混合动力电动汽车还是燃料电池电动汽车。 （内容用小四号宋体，论文字间距设置为：标准。行间距设置为：固定值 20 磅） （1） xxxxx（小四号宋体，固定值 20 磅） （2） xxxxx（小四号宋体，固定值 20 磅） 1.1.21.1.2 电动汽车的优势电动汽车的优势（四号粗黑体，左对齐，单倍行距） 电动汽车包括蓄电池车，燃料电池车和混合动力电动汽车三类。由传统 的汽车动力（内燃机等）和电力组成的混合动力电动汽车由于装备了内燃机 等传统的汽车动力，因此，此类混合动力车仅在以电力运行时具备蓄电池汽 车和燃料电池的一些优势。 1.良好的环境保护效果 燃料电池电动汽车通常以富氢气体为燃料，这样燃烧产物 co2 的排放量 大大减少，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。由于其没有大量的含硫 含氮，所以在排放过程，几乎不排放氮，硫氧化物，减轻了对大气的污染。 蓄电池车以电力为动力，混合以电为动力，混合动力电动汽车在城市运行时 也可以仅使用储存的电力。因此可以说，电动汽车是零排放汽车。 2噪声低 燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少，无内燃机的燃烧噪声和进 气门，排气门，活塞与曲轴等运动部件的机械噪声。燃料电池系统中最大 的噪声源是空气压缩机（仅采用压力供气的燃料电池）。在没有采取隔声措 施的燃料电池概念车中，空气压缩机在汽车运行中产生的噪声也相当大。 总的来看燃料电池的噪声明显低于内燃机汽车。实验表明， 4.5mw 和 11mw 的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于 55db 的水平。蓄电 池汽车和混合动力电动汽车仅使用储存的电力在城市运行时也具备类似特 点。因此可以说，电动汽车工作是产生的噪声低，较传统汽车安静。 3.热效率高 燃料电池按电化学原理等直接将化学能转为电能。它不通过热力过程， 因此不受卡诺循环的限制。在理论上它的热电转化效率可达 85%90%。但 实际上，电池在工作时由于各种限制，目前各类电池实际的能量转化效率 均在 40%60%的范围内。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达 80%以 上。汽油机和蓄电池汽车的热效率相当，蓄电池汽车的效率最低在电动汽 车里，其主要原因之一是有化学能到电能转换过程的效率较低。 可见出蓄 电池外，电动汽车具有较高的热效率，因而运行成本也较低。 4.可回收利用的能量多 对电动汽车而言，很容易利用电动机反转时发电的功能回收制动或下坡 时的能量，从而使汽车的续驶里程增加，经济性提高。近几年开发的电动 汽车都具有下坡，制动或减速时的能量回收系统，具有能量回收系统的电 动汽车的续驶里程增加 10%15%。 6.可以改善能源结构，解决汽车的替代能源问题 装备蓄电池的电动汽车所消耗的电能可以由普通电网得到，故所有获 取电能的方法都可以用作电动汽车的能源获取途径，如水利发电，潮汐发 电，燃煤发电，风能发电等。燃料电池可以以氢，甲醇等非化石燃料为能 源，因此电动汽车改变了传统汽车单纯依赖石油燃料的不足，既可以改变 能源的结构，弥补化石燃料的不足，又可以作为石油枯竭的交通工具，因 此可以说开发电动汽车具有重要的能源战略意义。 1 1. .2 2 电电动动汽汽车车的的主主要要问问题题 1.续驶里程短，载质量小 能量密度(指单位体积的动力电池所能输出的能量 )低除内燃机混 合动力车外的电动汽车存在的最大的问题。目前实际使用的电池有铅酸电 池，镍-镉电池，镍-氢电池，锂离子电池等，常见的蓄电池比能量（指单 位质量的动力电池组所能输出的能量）的范围为 35110w h/kg,而汽油的 低热值为 44mj/kg，可见汽油的能量密度约为蓄电池的 110340 倍，即使 把电动机的工作效率高于发动机这一因素考虑在内，两者之差也相当悬殊。 镍-氢电池，锂离子电池等电动机的 一次充电行驶里程目前虽然已超过 200km，最高车速已超过 130km/h，但这仍然难以和内燃机相比。燃料电池 车由于采取了 35mpa 的高压存储技术等各种措施，其续驶里程已超过 300km，但仍然无法与内燃机汽车相比，内燃机混合动力车虽没有续驶里程 短的问题，但由于其结构复杂，在载重量上仍然难以与传统内燃机汽车相 比，加之其在制造成本和可靠性等方面的不足，目前仍然难以与传统的内 燃机汽车相媲美。 2制造成高 目前纯电动汽车的价格一般为同级燃油车的 25 倍。当然生产规 模扩大后，会有一定幅度的降低，但仍然难以达到内燃机汽车的水平。内 燃机混合动力汽车价格明显高于同级别的汽油车。燃料电池汽车的价格非 常贵，达到同级别的燃油汽车的数倍，甚至上百倍，还处于消费者无法接 受的地步。 3.必须重新建设基础设施和解决氢的来源问题 除内燃机混合动力车外的电动汽车存在重新建设基础设施的问题。 为了克服蓄电池充电时间长的问题，需要在停车场或车库建设类似 燃油汽 车加油站的快速充电站。氢燃料电池汽车则需要解决氢来源问题和建设加 氢站的问题。 2 2 电动汽车的主要结构形式及其工作原理电动汽车的主要结构形式及其工作原理 2.12.1 电动汽车的主要结构形式电动汽车的主要结构形式 电动汽车由电力驱动系统、电源系统和辅助系统等三部分组成。 图 1 电动汽车的基本结构 双线表示机械连接，粗实线表示电气连接，细线表示控制信号连接。 下面是根据电力驱动系统的不同，电动汽车的结构分为以下六种不同的形式： 图 2 电驱动的结构形式 c离合器 d差速器 fc固定器 cb变速器 m电动机 电力驱动系统包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和 车轮，其功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，并能够 在汽车减速制动时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。后一种功能称作 再生制动。 电源系统包括电源、能量管理系统和充电机，其功用主要是向电动机提 供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。 辅助系统包括辅助动力源、动力转向系统、导航系统、空调器、照明及 除霜装置、刮水器和收音机等等，借助这些辅助设备来提高汽车的操纵性和 乘员的舒适性。 各个系统在电动汽车上的布置各式各样，这是因为在电动汽车上能量是 通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传输的，因此，电动汽车各个 系统或各个部件的布置有很大的灵活性。例如一辆电动机前置，前轮驱动的 电动汽车。充电机经汽车前端的充电接口向置于汽车尾部的蓄电池充电。在 汽车行驶时，蓄电池经控制器向电动机供电。来自加速踏板的信号输入控制 器并通过控制器调节电动机输出的转矩或转速。电动机输出的转矩经汽车传 动系统驱动车轮。 差速器是传统车辆的标准组件，电动汽车也采用这项技术。汽车转弯时， 外侧车轮的转弯半径比内侧车轮大，必须利用差速器来调整两侧车轮的转速， 否则，车轮会产生滑移从而引起轮胎磨损加剧、转向困难、道路附着性能变 差等。对于传统的燃油汽车，无论是前轮驱动还是后轮驱动，机械式差速器 都是必备的。图 3 所示为典型的机械差速器的结构，差速器的行星齿轮绕各 自的轴旋转，从而使两个半轴齿轮能以不同的转速旋转。对于电动汽车，如 果采用双电动机或者四个电动机驱动或者四个电动机驱动，由于每个电动机 的转速可以有效地独立调节控制，实现电子差速，在这种情况下，电动汽车 可以不用机械差速器。图 4 所示的是带电子差速器的双电动机驱动的结构。 电子差速器比机械差速器体积小、质量轻。人们对是否选用机械差速成器不 像对是否选择可变速比或固定速比变速器的意见一致，如果电动汽车采用单 电动机驱动就必须装机械差速器，而多电动机系统就采用电子差速。电子差 速器的优点是体积小、质量轻，在汽车转弯时可以实现精确的电子控制，提 高电动汽车的性能；其缺点是由于增加了电动机和功率转换器，增加了初始 成本，而且在不同条件下对两个电动机进行精确控制的可靠性需要进一步的 发展。近年来，由于电子控制器具有的容错能力 其可靠性得到很大的改善。 如由三个微处理器组成的电子控制器 ，其中两个分别控制左右两个电动机， 另一个用于控制与协调，通过监测器来监视彼此的工作情况以改善其可靠性。 图 3 机械差速器 图 4 带电子差速器的双电动机驱动 2.2 电动汽车的工作原理电动汽车的工作原理 电动汽车的工作原理：蓄电池电流电力调节器电动机 动力传动系统驱动汽车行驶 电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传 递的，因此，电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性；其次，电动汽车驱 动系统的布置不同(如独立的四轮驱动系统和轮毂电机驱动系统等)会使系统 结构区别很大，采用不同类型的电机(如直流电机和交流电机)会影响到电动 汽车的质量、尺寸和形状；不同类型的储能装置(如蓄电池和燃料电池)也会 影响电动汽车的质量、尺寸及形状。另外，不同的补充能源装置具有不同的 硬件和机构，例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电机充电，或者采用替 换蓄电池的方式，将替换下来的蓄电池再进行集中充电。 根据制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的控制指令 来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电机和电源 之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时功率 流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回 收，能量管理系统和充电系统一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动 力源供给电动汽车辅助系统不同等级电压并提供必要的动力，它主要给动力 转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给 电动汽车输入信号外，转向盘也是一个很重要的输入信号，动力转向系统根 据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。 电动汽车（）的研究是在环境保护问题及能源问题日益受到关注的 情况下兴起的。在性能提高并逐步迈向产业化的过程中，提高能量的储 备与利用率是迫切需要解决的两个问题。尽管蓄电池技术有了长足进步，但 由于受安全性、经济性等因素的制约，近期不会有大的突破。因此如何提高 能量利用率是一个非常关键的问题。制动能量回收问题对于提高的 能量利用率具有重要意义。电动汽车采用电制动时，驱动电机运行在发电状 态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，对延长电动汽车的行驶距 离是至关重要的。国外有关研究表明，在存在较频繁的制动与起动的城市工 况运行条件下，有效地回收制动能量，可使电动汽车的行驶距离延长百分之 十到百分之三十。 3 电动汽车的能量存储装置与能量管理系统电动汽车的能量存储装置与能量管理系统 3. 1 电动汽车的蓄电池与储能装置电动汽车的蓄电池与储能装置 3.1.1蓄电池储能蓄电池储能 目前我国还没有专门用于可再生能源发电系统的蓄电池，最常用的 是铅酸蓄电池，其次是碱性蓄电池。铅酸蓄电池最常用的是 agm 阀控电池， 其次是富液式蓄电池，还有胶体阀控蓄电池。蓄电池组由互相连接的蓄电池 组成。先将若干个蓄电池（可达 120 个甚至更多） ，组成一个串联蓄电池组， 然后若干个串联蓄电池组再并联，以满足系统的电压、电量储存等要求。并 联的蓄电池组最多可达 7 组，但一般不超过 4 组。大部分单体蓄电池的电压 分为 2v、6 v 和 12 v。相同电压的蓄电池又有不同的容量，一般以 ah 的形 式表示。2v 的单体蓄电池的容量最大可达 3000ah，而 12v 的单体蓄电池容 量一般最大到 300ah。2v 单体蓄电池的寿命一般比 12 v 单体蓄电池的长， 但单位价格也高。 燃料电池具有组件性好、环保性能好、效率高、部分负荷时性能优异、 功率范围广、响应速度快、燃料多样化、维修性好、使用方便等性能特点， 非常适合作为移动式和分散式电源使用。它在使用氢能产生电能的过程中不 产生任何污染物，而且氢是取之不尽的能源。随着世界矿物资源的逐渐枯竭 和国际社会对自身环境的不断关注，人类迫切需要一种既环保又高效的可再 生能源发电装置，来取代现有的矿物燃料发电设备和石化燃料动力设备。燃 料电池作为氢能直接转化为电能的洁净发电装置，必将成为这种替代能源装 置的最佳选择。它既是继蒸汽机、内燃机之后的第三代动力装置，又是继水 力、火力、核能之后的第四代发电设备。燃料电池不仅可以为现代交通工具 提供理想的动力源，消除对环境的污染，也可以对分散的小型发电装置，为 数以亿计的用电设备和千百万家庭提供电能。因此，燃料电池技术是 21 世纪 对人类生活具有最重大影响的十大技术之一。 燃料电池的基本工作原理很简单，与普通电池相似。它是一种不经过燃 烧而通过化学反应把富氢燃料的化学能直接转变成电能的发电装置。燃料电 池的化学反应是放热反应，所以在产生电能的同时还产生了热能。普通电池 的反应物质一般是难以补充的，反应物质消耗完了，电池也就寿终正寝了； 燃料电池在电化学反应中所消耗掉的物质是不断补充的，从而可源源不断地 产生电能，而无须进行充电。燃料电池所使用的氢可取自天然气、丙烷、甲 醇、汽油、柴油、煤以及可再生能源。氧化剂一般用空气或纯氧气。因此一 个燃料电池系统就相当于一个自动运行的小型发电厂，它高效且无污染地将 贮存在燃料中的化学能转化为电能和热能。 3.1.2飞轮储能飞轮储能 飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机械能储 存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。 飞轮储能器中没有任何化学活性物质 ,也没有任何化学反应发生。旋转 时的飞轮是纯粹的机械运动 ,飞轮在转动时的动能为 : e =1/2j2 式中: j 为飞轮的转动惯量; 为飞轮旋转的角速度 . 飞轮转动时动能与飞轮的转动惯量成正比。而飞轮的转动惯量又正比 于飞轮的直径和飞轮的质量 ,过于庞大、沉重的飞轮在高速旋转时 ,会受到 极大的离心力作用,往往超过飞轮材料的极限强度 ,很不安全。因此,用增 大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是有限的。 飞轮储能装置中有一个内置电机 ,它既是电动机也是发电机。在充电时 ,它 作为电动机给飞轮加速 ;当放电时,它又作为发电机给外设供电 ,此时飞轮 的转速不断下降;而当飞轮空闲运转时 ,整个装置则以最小损耗运行。 飞轮 储能具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能、充放电快捷、充放电次 数无限以及无污染等有点。适用于电网调频和电能质量保障 。 3.1.3双层电容器储能双层电容器储能 超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器, 黄金电容、法拉电容， 通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生 化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电 数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔 电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子， 实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正 极板附近。双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载 电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路 而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电 层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达 10 6 次以 上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介 于电池和电容之间的新型特殊元器件。 现在的能量系统已经上升了一个大的台阶，正如普锐斯，普锐斯插电式 混合动力车采用的技术与雪佛兰 volt 不同。这款车基本上仍是一辆普锐斯， 但配备了比普通混合动力车更高容量的电池，你可以通过普通的家用插座为 电池充电。这款车完全依赖电力驱动最长可以行驶 12 英里（约合 19.3 公里） ， 此后它又会变成一辆普通的普锐斯混合动力车，依靠电动机和汽油引擎驱动 车轮。而雪佛兰 volt 仅利用电动机驱动车辆，在电池电量耗光之后，汽油引 擎仅作为发电机为电动机提供电能。普锐斯插电式混合动力车除了增加一个 用于给电池充电的插口外，它的电池也与普通的普锐斯不同。丰田在这款车 上首次使用了锂电池，很明显，新的电池组具有比普通混合动力车常见的镍 氢电池更高的电量。另外其电压也更高（达到 350 伏，而镍氢电池为 200 伏） ， 因此可提供更强的动力。这款车配备的电动机与以前的普锐斯相同，但由于 电池性能以及电力更强，电动机功率为 67 马力/50 千瓦，而以前为 27 马力， 理论上这台电动机的最大功率应为 78 马力。充电时间方面，丰田称，5 千瓦 时的电池在电压为 100 伏电源插座上充电时间为 3 小时，在 200 伏电源上充 电时间降为 100 分钟。如果周围有足够的电源，尽可能在每次停车时都充上 电，这样每天纯电动模式行驶距离就将超过 12 英里。 3. 2 能量管理与供给系统能量管理与供给系统 3.2.1 电动汽车的能源管理系统电动汽车的能源管理系统 电动汽车，尤其是纯电动汽车中的电池能量管理系统是该车的一种相当 重要的技术措施，可以称为电动汽车电池的“保护神”，它起到了对电池性能 的保护、防止个别电池的早期损坏、有利于电动汽车的运行，并具有各种警 告功能等。由于它参加电池箱内电池模块的监控工作使电动汽车的运行、充 电等功能与电池的有关参数（电流、电压、内阻、容量）紧密相连和协调工 作。它有计算，发出指令、执行指令和提出警告的功能。各种电池模块虽然 有结构和性能上的差异，但它们都具备一些相同或相似的功能。典型的电池 能量管理系统应具备如下功能： 1、 对能量的检测功能；2、对电池工作状态 的监测与控制功能 3、 保证充电功能 4、 dcdc、dcac 转换功能 5、 解决性能一致性的保护功能 6、 对电池模块的冷却和排除充电时产生的氢 气 7、 监测记录控制功能。 3.2.2 蓄电池的充电原理与充电器蓄电池的充电原理与充电器 用电动车充电器根据电路结构可大致分为两种。第一种是以 uc3842 驱动场效应管的单 管开关电源，配合 lm358 双运放来实现三阶段充电方式。220v 交流电经 t0 双向滤波 抑制干扰，d1 整流为脉动直流，再经 c11 滤波形成稳定的 300v 左右的直流电。u1 为 tl3842 脉宽调制集成电路。其 5 脚为电源负极，7 脚为电源正极，6 脚为脉冲输出 直接驱动场效应管 q1(k1358) 3 脚为最大电流限制，调整 r25(2.5 欧姆)的阻值可以 调整充电器的最大电流。2 脚为电压反馈，可以调节充电器的输出电压。4 脚外接振荡 电阻 r1，和振荡电容 c1。t1 为高频脉冲变压器，其作用有三个。第一是把高压脉冲 将压为低压脉冲。第二是起到隔离高压的作用，以防触电。第三是为 uc3842 提供工作 电源。d4 为高频整流管（16a60v） ，c10 为低压滤波电容，d5 为 12v 稳压二极管， u3(tl431)为精密基准电压源，配合 u2(光耦合器 4n35) 起到自动调节充电器电压的 作用。调整 w2(微调电阻)可以细调充电器的电压。d10 是电源指示灯。d6 为充电指 示灯。 r27 是电流取样电阻（0.1 欧姆，5w）改变 w1 的阻值可以调整充电器转浮充 的拐点电流（200300 ma） 。 通电开始时，c11 上有 300v 左右电压。此电压一路经 t1 加载到 q1。第二路经 r5,c8,c3, 达到 u1 的第 7 脚。强迫 u1 启动。u1 的 6 脚输出方波脉冲，q1 工作， 电流经 r25 到地。同时 t1 副线圈产生感应电压，经 d3,r12 给 u1 提供可靠电源。 t1 输出线圈的电压经 d4,c10 整流滤波得到稳定的电压。此电压一路经 d7（d7 起到 防止电池的电流倒灌给充电器的作用）给电池充电。第二路经 r14,d5,c9, 为 lm358(双运算放大器，1 脚为电源地，8 脚为电源正)及其外围电路提供 12v 工作电 源。d9 为 lm358 提供基准电压，经 r26,r4 分压达到 lm358 的第二脚和第 5 脚。 正常充电时，r27 上端有 0.150.18v 左右电压，此电压经 r17 加到 lm358 第三脚， 从 1 脚送出高电压。此电压一路经 r18,强迫 q2 导通，d6（红灯）点亮，第二路注入 lm358 的 6 脚，7 脚输出低电压，迫使 q3 关断，d10(绿灯)熄灭，充电器进入恒流 充电阶段。当电池电压上升到 44.2v 左右时,充电器进入恒压充电阶段，输出电压维持 在 44.2v 左右，充电器进入恒压充电阶段，电流逐渐减小。当充电电流减小到 200ma300ma 时，r27 上端的电压下降，lm358 的 3 脚电压低于 2 脚，1 脚输出 低电压，q2 关断，d6 熄灭。同时 7 脚输出高电压，此电压一路使 q3 导通，d10 点 亮。另一路经 d8，w1 到达反馈电路，使电压降低。充电器进入涓流充电阶段。12 小时后充电结束。 4 电动汽车的电机及驱动系统电动汽车的电机及驱动系统 4. 1 电动机的分类及原理电动机的分类及原理 电动汽车电动机可分为交流电动机、直流电动机、交/直流两用电动机、 控制电动机(包括步进、测速、伺服、自整角等)、开关磁阻电动机及信号电 动机等多种。适用于电力驱动的电动机可分为直流电动机(将直流电能转换为 机械能的电动机)和交流电动机(将交流电能转换为机械能的电动机)两大类。 目前在电动汽车上已应用的和有应用前景的有直流电动机、交流感应(异步) 电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等。 4.1.1 直流电动机直流电动机 矩形线圈处于图 3283 甲所示位置时，线圈中有 abcd 方向的电 流。依据左手足则，ab 边受力方向向上，cd 边受力方向向下。在这对力作用 下，线圈顺时针方向转动。 线圈平面与磁力线垂直时，如图 3283 乙所示，ab 边受力方向向上， cd 边受力方向向下。这两个力大小相等、方向相反，线圈处于平衡，这个位 置叫平衡位置。 线圈由于惯性顺时针转过平衡位置，如果线圈中电流方向仍是 abcd，则 ab 边仍受方向向上的力，cd 边仍受方向向下的力。这对力 阻碍线圈顺时针转动，甚至使它反转，电动机不能持续转动。 （2）用电机原理说明器讲述换向器的构造和作用。当线圈穿过平衡位置 时，换向器立即改变线圈中电流的方向，从而保证线圈始终向一个方向转动。 换向器的构造是两个半圆形金属环 e、f，中间彼此绝缘，分别和线圈绕 组的两个端头相连，换向器和线圈都固定在同一转动轴上，半环 e、f 分别通 过电刷 b、a 和电源相连，在图 3283 甲位置，电刷 b 和半环 e 接触，电 流从 b 流入，经 e 到线圈中，沿 abcd 方向流到 f，通过电刷 a 流出， 在磁场力作用下，线圈顺时针转动；线圈转到平衡位置时，如图 3283 乙， 电刷 a、b 和半环间的绝缘部分接触，线圈中没有电流。线圈转过平衡位置， 如图 3283 丙，半环 e 和电刷 a 接触，半圆环 f 和电刷 b 接触，线圈中的 电流方向改变为 fdcbae，因此，线圈能按顺时针方向继续转动。 4直流电动机的转动方向 将永磁铁取下，调转方向后再装上，这样，改变了磁力线的方向，再接 通电路，可以看到电动机的转动方向改变。 保持磁力线的方向不变，改变通过电动机的电流方向，可以看到电动机 的转动方向也改变。 5把激磁线圈卡在极靴上的凹口处，代替永磁铁，将激磁线圈通过接线 柱与电枢绕组并联（或串联）构成并激（或电激）式直流电动机模型。 4.1.2 三相异步电动机三相异步电动机 三相异步电动机 主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分， 在定子与转子之间有一定的气隙。 如图 4-1 三相线绕式电动机转子结构示意图4-1 定子由铁心、绕组与机座三部分组成。转子由铁心与绕组组成，转子绕组有鼠笼式 和线绕式。鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜 端环上而组成；线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽 里。鼠笼式与线绕式两种电动机虽然结构不一样，但工作原理是一样的。 1、旋转磁场 如图 4-2 定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。当三相电流不断地 随时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转，如下图所示。旋转磁场的 旋转方向与 旋转磁场 4-2 三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。定子旋转磁场旋 转切割转子绕组，转子绕组产生感应电动势，其方向由“右手螺旋定则 ”确定。由 于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向与电动势方向相同，转子绕 组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则 ”判断。 该力对转轴形成转矩 (称电磁转矩)，并可见，它的方向与定子旋转磁场 (即电流相 序)一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转，且一定有 转子转速。有转速差是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。电动 机长期稳定运行时，电磁转矩t 和机械负载转矩 t2 相等，即 t=t2。 2、 转差率 旋转磁场的 同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转 差率。描述转子转速与旋转磁场转速相差的程度。在正常运行范围内，异步电动机 的 电磁力产生原理 4-3 转差率很小，仅在 001-006 之间。如图 4-3 三相交流异步电动机 -机械特性 t-s 的曲线图如下力图左； t-n 的曲线图如下图右，即为电动机的机械特性曲 线。 在机械特性图中，存在两个工作区：稳定运行区和不稳定运行区。在机械特性曲 线的 ab 段，当作用在电动机轴上的负载转矩发生变化时，电动机能适应负载的变 化而自动调节达到稳定运行，故为稳定区。机械特性曲线的bc 段，因电动机工作 在该区段时其电磁转矩不能自动适应负载转矩的变化，故为不稳定区。 4.2.3 永磁电动机永磁电动机 同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场而产生这个磁场的直 流电流，称为发电机的励磁电流。根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电 源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的， 则称为自励发电机。 一、发电机获得励磁电流的几种方式 1、直流发电机供电的励磁方式：这种励磁方式的发电机具有专用的直流发 电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴， 发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。 这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点， 是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁 调节速度较慢，维护工作量大，故在 10mw 以上的机组中很少采用。 2、交流励磁机供电的励磁方式，现代大容量发电机有的采用交流励磁机提 供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后 供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用 静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交 流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励 磁调节速度，交流励磁机通常采用 100200hz 的中频发电机，而交流副 励磁机则采用 400500hz 的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和 三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因 此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工 艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。 3、无励磁机的励磁方式： 在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流 后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并 励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得 励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种 励磁方式具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方 式除没有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。 这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补 整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器 获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。 二、发电机与励磁电流的有关特性 1、电压的调节 自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。无功 负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机 的端电压将随无功电流的增大而降低。但是为了满足用户对电能质量的要求， 发电机的端电压应基本保持不变，实现这一要求的办法是随无功电流的变化 调节发电机的励磁电流。 2、无功功率的调节： 发电机与系统并联运行时，可以认为是与无限大容量电源的母线运行，要改 变发电机励磁电流，感应电势和定子电流也跟着变化，此时发电机的无功电 流也跟着变化。当发电机与无限大容量系统并联运行时，为了改变发电机的 无功功率，必须调节发电机的励磁电流。此时改变的发电机励磁电流并不是 通常所说的“调压”，而是只是改变了送入系统的无功功率。 3、无功负荷的分配： 并联运行的发电机根据各自的额定容量，按比例进行无功电流的分配。大容 量发电机应负担较多无功负荷，而容量较小的则负提供较少的无功负荷。为 了实现无功负荷能自动分配，可以通过自动高压调节的励磁装置，改变发电 机励磁电流维持其端电压不变，还可对发电机电压调节特性的倾斜度进行调 整，以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配。 三、自动调节励磁电流的方法 在改变发电机的励磁电流中，一般不直接在其转子回路中进行，因为该回路 中电流很大，不便于进行直接调节，通常采用的方法是改变励磁机的励磁电 流，以达到调节发电机转子电流的目的。常用的方法有改变励磁机励磁回路 的电阻，改变励磁机的附加励磁电流，改变 可控硅的导通角等。这里主要讲改变可控硅导通角的方法，它是根据发电机 电压、电流或功率因数的变化，相应地改变可控硅整流器的导通角，于是发 电机的励磁电流便跟着改变。这套装置一般由晶体管，可控硅电子元件构成， 具有灵敏、快速、无失灵区、输出功率大、体积小和重量轻等优点。在事故 情况下能有效地抑制发电机的过电压和实现快速灭磁。自动调节励磁装置通 常由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一 些辅助单元构成。被测量信号（如电压、电流等），经测量单元变换后与给 定值相比较，然后将比较结果（偏差）经前置放大单元和功率放大单元放大， 并用于控制可控硅的导通角，以达到调节发电机励磁电流的目的。同步单元 的作用是使移相部分输出的触发脉冲与可控硅整流器的交流励磁电源同步， 以保证控硅的正确触发。调差单元的作用是为了使并联运行的发电机能稳定 和合理地分配无功负荷。稳定单元是为了改善电力系统的稳定而引进的单元 。励磁系统稳定单元 用于改善励磁系统的稳定性。限制单元是为了使发电机 不致在过励磁或欠励磁的条件下运行而设置的。必须指出并不是每一种自动 调节励磁装置都具有上述各种单元，一种调节器装置所具有的单元与其担负 的具体任务有关。 四、自动调节励磁的组成部件及辅助设备 自动调节励磁的组成部件有机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变压器； 励磁装置需要提供以下电流，厂用 ac380v、厂用 dc220v 控制电源.厂用 dc220v 合闸电源；需要提供以下空接点，自动开机.自动停机.并网（一常开， 一常闭）增，减；需要提供以下模拟信号，发电机机端电压 100v，发电机 机端电流 5a，母线电压 100v，励磁装置输出以下继电器接点信号；励磁变 过流，失磁，励磁装置异常等。 励磁控制、保护及信号回路由灭磁开关，助磁电路、风机、灭磁开关偷跳、 励磁变过流、调节器故障、发电机工况异常、电量变送器等组成。在同步发 电机发生内部故障时除了必须解列外，还必须灭磁，把转子磁场尽快地减弱 到最小程度，保证转子不过的情况下，使灭磁时间尽可能缩短，是灭磁装置 的主要功能。根据额定励磁电压的大小可分为线性电阻灭磁和非线性电阻灭 磁。 近十多年来，由于新技术，新工艺和新器件的涌现和使用，使得发电机的励 磁方式得到了不断的发展和完善。在自动调节励磁装置方面，也不断研制和 推广使用了许多新型的调节装置。由于采用微机计算机用软件实现的自动调 节励磁装置有显著优点，目前很多国家都在研制和试验用微型机计算机配以 相应的外部设备构成的数字自动调节励磁装置，这种调节装置将能实现自适 应最佳调节。 获得励磁电流的方法称为励磁方式。目前采用的励磁方式分为两大类：一类 是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装 置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现说明如下： 1 直流励磁机励磁 直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励 接法。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴 的直流发电机供给。如图 15.5 所示。 2 静止整流器励磁 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁 机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电 压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过 静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静 止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。(见图 15.6） 3 旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送 到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培， 使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷 和集电环的旋转整流器励磁系统，如图 15.7 所示。主励磁机是旋转电枢式三 相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后， 直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流 副励磁机经静止的晶闸管整流