浅谈纯电动车技术及发展(黄光宇)

1、浅谈纯电动车技术及发展黄光宇摘要：汽车是我国第二大碳排放源和第二大原油消费领域，节能减排刻不 容缓。我国二氧化碳总排放量全球领先，公路运输仅次于煤炭燃烧成为我国第二 大二氧化碳排放源，占全国主要城市二氧化碳排放量的 16.50%。因此我国提出： 20年实现单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005年下降40%45%,汽车作为 第二大二氧化碳排放源，减排刻不容缓，必将成为未来10年节能减排重点。电动车是以电力作为能源、由电动机驱动的车辆。他是仅以自身携带的电 源为驱动能源的公路运输工具。 纯电动车是典型的零排放车。它不燃烧燃料，没 有燃烧产生的废气，也没有冷却剂、机油等污染物。在空气污染日益严重、

2、而传 统燃油汽车废气排放问题无法彻底解决的情况下，电动车日益受到人们的重视。 本文基于上述原因，对纯电动车的结构、性能进行了初步探讨并对纯电动车的发 展提出了个人观点。关键词：排污 纯电动车 电机 电池纯电动车由底盘、车身、蓄电池组、电动机、控制器和辅助设施等六部分 组成。由于电动机具有良好的牵引特性，因此蓄电池汽车的传动系统不需要离合 器和变速器。车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现。基于环保的思想，利用电动机的可逆工作特性，还可以实现制动能量回收，即在电动 车制动时，驱动电机的工作状况由电动机状态转为发电机状态 ，并将这些能量送 回电池，储存起来。见下列图一、电动车的电机驱

3、动系统电机驱动系统是电动车中最关键的系统, 电动车运行性能主要决定于电机驱动系统的类型和性能。 电动汽车驱动系统由电力驱动系统、 电源系统和辅助系统等三部分组成。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

4、助设备来提高汽车的操纵性和乘员的舒适性。一电动车与其它电力驱动系统相比较, 有其自身的特点。它对驱动系统有其相应的特殊要求:1、能够频繁地起动、停车、加减速, 对转矩控制的动态性能要求高。2、 电动车驱动的速度、 转矩变化范围大, 既要工作在恒转矩区 , 又要运行在恒功率区 , 同时还要求保持较高的运行效率。3、能在恶劣工作环境下可靠地工作。在确定了电动车的目标性能后, 对与之相匹配的电机驱动系统的性能可提出如下要求: 电机的转矩、速度特性能满足电动车对驱动性能的要求。 能实现对输出功率和转矩的迅速、平滑的控制。 系统整体效率高 , 功率密度大。 能够在恶劣的工作环境下可靠地工作。 成本低 ,

5、 易维修。二 、电动车驱动系统的组合形式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界面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。 目前电动车驱动系统的组合形式主要有机械驱动系统、机电集成化驱动系统 （它又分为 平行轴式机电集成化驱动系统和同轴式机电集成化驱动系统两类

6、卜机电一体化 驱动系统和轮毂电机驱动四种。见表1电机驱动系统的发展方向是机电一体化驱动和轮毂电机驱动。 它们使电动车 摆脱了机械传动系统的约束，使电气化集成控制成为可能，从而有可能充分实现 电动车的优势。表1 电动车骅动杂统含H.价格上弋吐 .点:动系统机电.华J皮化+JLiU 体但s工抠动一系统I I "打电对L乌拉动系统1U彳汇内燃和Lg区地系统口 C2）传动系流中选川哦保印了 内燃机汽车的 变观弼乂 f心幼4iL丘；*齐利1 士知醇J七五打部门口，奴沛1 Mi 4仑理辿然品23宓用 齐有由L*应* M门勺 内轮、奔迪琳,平利I书否用H牛来1专用动力.甘 咨空川口（I J左右车寺

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9、均匀地改变电动机的端电压来控制通过电动机的电流，实现电动机的无级调速。随着电力电子技术的发展，其他电力晶体管斩波调速装置也逐渐投入使用 , 并有取代晶闸管斩波器的趋势。交流电机一般采用直流斩波器加逆变器和 PWM （ 脉冲宽度调制）逆变器两种方式。 最近出现了谐振直流环节变换器和高频谐振交流环节变换器。 对于交流电机来说 , 由于电动车的电源（蓄电池 ） 电压低 , 采用直流斩波器加逆变器方式, 传输能量环节过多 , 会降低整个系统的效率。 而采用 PWM 电压型逆变器, 则线路简单、环节少、效率高。 PWM 逆变器又分电压控制 PWM 和电流控制 PWM 。四 、电动车驱动方案现在使用较多的

10、电动车用驱动电机中 , 交流异步电机采用的控制方案有矢量控制和直接转矩控制两种 ; 永磁同步电机驱动因为控制系统比较复杂, 为到达最正确控制效果, 常常将两种或几种控制方案结合运用 , 如采用最大转矩控制和弱磁控制原理以实现电机的效率最正确化和宽范围的调速方案, 集转矩控制和PWM 控制于一身的控制方案等。近来在电动车驱动系统中又出现了效率最优控制、无速度传感器交流调速控制系统和高频交流脉冲密度调制技术等几种新技术。 随着交流电机在电动车驱动系统中的应用 , 常规线性控制方法已不能再满足性能的控制要求。 现在各种现代控制技术开始应用在电动车电机驱动控制系统中 , 如模糊控制、自适应控制、神经网

11、络和专家系统等。通过对电动车用电机的比较可见 , 交流电机仍将是未来电动车电机驱动系统的首选 , 其控制系统将随着电力电子技术的发展不断优化 , 交流电机控制装置与控制技术将得到不断发展。 随着现代控制理论的发展, 现在各种现代控制技术和微处理器已经在电动车驱动控制系统中发挥着重要的作用。 电动车驱动控制系统必将向着各学科交叉、融合的方向发展, 成为一个机电集成的智能化系统。二、纯电动车的控制系统1、再生制动：汽车发展的一个关键因素是它的续驶里程问题，而再生制动可以节约能源、提高续驶里程，具有显著的经济价值和社会效益。同时，再生制动还可以减少刹车片的磨损，降低车辆故障率及使用成本。当车辆制动时

12、，电机工作于发电机工况， 将一部分动能或重力势能转化为电能储存在超级电容或飞轮中， 由于超级电容或飞轮的功率密度大， 因此可以更快速、 高效地吸收电机回馈能量。在车辆起动和加速时，利用双向 DC/DC将存储的能量释放出来，协助电 池向电机供电，不但增加了电动汽车一次充电的行驶里程， 而且防止了蓄电池的 大电流放电，到达了节省能源、降低刹车片磨损和提高蓄电池寿命的目的见图3。2、运行状态监控系统的 燃油汽车故障诊断系统功能 有限，但是对于电动汽车， 其驱动与控制系统由电力电 子器件组成，所以可以方便 地获取各种传感器信号。在 电动汽车上建立适时监控和 故障诊断系统，可以为车辆维修服务提供便捷的通

13、道。 3、电动轮技术电动轮亦称轮内电动机。目前大部分重型矿用自卸汽车所采用的电动轮 是直流电动机，而第二代纯电动汽车所采用的是交流传动系统。 其工作原理如下： 交流传动系统中的永磁式三相同步伺服交流电动机紧凑地收藏于车轮内，电动机的转子通过转子托架与车轮轮毂相联， 而轮毂支撑于转向节上，轮胎随同电动机 的转子一同旋转；而电动机的定子则通过定子托板、轮毂、转向节连接于车身上。 该电动机的转子为永久磁铁，当向电动机的定子线圈中通以交流电流时， 定子便 会产生旋转磁场，使永磁式转子连同轮胎一起旋转， 即整个车轮旋转起来。目前 已有三菱公司与东洋公司合作开发了用于蓝瑟Lancer四轮驱动纯电动轿车的

14、电动轮。每个电动轮的最大功率为 50千瓦，最大扭矩为518牛米，最高转速为 1500转/分，一次充电的行驶里程可达250公里，最高车速可到达150公里/小时。三、电动车电池技术发展情况在蓄电池技术领域，具有重量轻、储能大、功率 大、无污染也无二次污染、寿命长、自放电系数小、 温度适应范围宽泛等优点的锂离子电池技术逐渐取代 铅和锲氢电池，成为纯电动汽车中的核心技术之一。1、镍氢电池：镍氢 Ni-MH 电池与 Ni-Cd 电池有许多相同的特性，但由于无镉，因此不存在重金属污染问题，被称为 "绿色电池 " 。批量生产的成本约为铅酸电池的四倍。 Ni-MH 电池单体额定电压为 1.

15、2V， 其负电极为经吸氢处理后的储氢合金，正电极为氢氧化镍，电解液为KOH 溶液。2、钠硫电池：钠硫Na-S电池有很高的比功率和比能量，但其工作温度高，再加上钠的活化性和腐蚀性，因此在结构设计上必须保证坚固和安全。 Na-S 电池以熔融态钠为负电极，熔融态硫为正电极，陶瓷B -A12O3作电解质，并作为离子传导媒介和熔融态电极的隔离物，以防止电池自放电。3、燃料电池：燃料电池是燃料与氧化剂通过电极反应将其化学能直接转化为电能的装置。 燃料电池不需要充电， 只要外部不断地供应燃料和氧化剂， 就能连续稳定地发电。 电动汽车用燃料电池的燃料为氢和甲醇， 氧化剂为空气。 燃料电池具有比能量高、 使用寿

16、命长、 维护工作量少以及能连续大功率供电等优点。 另外，燃料电池电动汽车可到达与燃油汽车相同的续驶里程。4、锂离子电池： 锂离子 Li-Ion 电池自 20世纪 90 年代初问世以来发展很快。虽然目前锂离子电池仍处于开发阶段， 但在日本和美国等电动汽车上都采用锂离子电池。 它具有单体额定电压高， 比能量和能量密度高和使用寿命长等优点， 缺点是自放电率高。四、纯电动车的发展前景电动车产业化不是突然一夜之间的事， 而是一个渐进的过程。 要通过示范运营， 不断扩大规模， 通过规模化的应用促进电池技术进一步提升、 降低电池成本、完善相关技术标准。 电动车的技术瓶颈主要在于电池技术， 目前汽车动力电池的能量密度还比较低， 要提高续航里程就需要装配更多的电