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電動汽車技術(shù)

文檔作者：錢明華文檔來源：湘潭電機(jī)股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年09月20日
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電氣牽引2011年第1期(總第121期)
電動汽車技術(shù)
錢明華
(湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南湘潭，41l101)
摘 要： 由于世界石油資源日趨貧乏和大氣污染日益嚴(yán)重， 因此即大量消耗能源又產(chǎn)生大量有害廢氣的傳統(tǒng)汽
車，自然而然成了全世界人類關(guān)注的焦點(diǎn)。而世界現(xiàn)代生活中已經(jīng)使現(xiàn)代人工作生活中離不開的汽車要受到限制，甚
至取消汽車來解決上述兩大難題是完全不可能的。那么怎么在利用汽車給我們工作、生活帶來便利的同時，又能降低
汽車油耗和凈化汽車排放的尾氣的難題，基于科學(xué)可持發(fā)展的基本理念，人們卻不約而同的把眼光聚焦在電動汽車上
面，毫無疑問叮住電動汽車來解決能源緊張和大氣污染嚴(yán)重兩大關(guān)鍵的確是推住了關(guān)鍵，解決好了這個關(guān)鍵人們在持
續(xù)發(fā)展方面面臨的巨大壓力將大幅度的減緩。本文將從技術(shù)的角度探討電動汽車在電傳動、動力電池及動力結(jié)構(gòu)的組
合和不同工況的運(yùn)行要求的合理性、科學(xué)性。
關(guān)鍵詞：能源，污染，蓄電池，電機(jī)控制，串、并聯(lián)模式
1 能源特性
凡是能用各種形式的能量來做功的物資都屬于
能源的范疇。如從產(chǎn)生能源的來源來分有地球體內(nèi)
所蘊(yùn)含的能量，如熱能和核能。來自天體的能量，如
太陽能以及由光合作用生成的煤碳、油氣等，該類能
源是現(xiàn)行傳統(tǒng)能源的主體俗稱石化能源為不可再生
的能源。還有一種能源由地球和天體相互作用產(chǎn)生
的能量，如潮汐能，這是一種已在關(guān)注之中的新能
源，所占比例還很小。
按能源使用后是否產(chǎn)生有害環(huán)境又可分為污染
型能源和潔凈型能源． 目前人們最關(guān)注的又和經(jīng)濟(jì)
活動密切相關(guān)的石化能源，它是推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主
要動力，但又是不可再生的，用一點(diǎn)就會少一點(diǎn)，并
且又是會產(chǎn)生污染的能源，如酸雨塵埃等。據(jù)有關(guān)資
料報道2臺60kW 的汽輪發(fā)電機(jī)組每年要消耗300
萬噸煤產(chǎn)生60萬噸灰渣，排放1O萬噸SO ，3萬噸
氮化物．3500噸煙塵和1000萬噸CO2，同時給鐵路
運(yùn)輸帶來極在的壓力。
如按能源的做功能加高低來分可以分為高級能
量，低級能量和僵態(tài)能量三類，通常將在理論上完全
轉(zhuǎn)化為功的能量稱為高級能量，如風(fēng)、水、電能等。不
能全部轉(zhuǎn)化為功的能量為低級能量如熱能，其熵值
不為零(熵為物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)的一種量度是物質(zhì)的狀
態(tài)參數(shù))。完全無法轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰糠Q僵態(tài)能量。
通常也把自然界里可直接使用的能源稱為一次
能源如太陽能、石油、煤等，由一次能源轉(zhuǎn)化為便于
人們使用的能源稱為二次能源，如電便是由石油、
煤、天然氣等轉(zhuǎn)化而來的二次能源。
2 動力蓄電池
用電動汽車取代傳統(tǒng)汽車。兩者的外形和功能
基本相同，但在驅(qū)動方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上已經(jīng)發(fā)生了
根本的變化，傳統(tǒng)汽車用柴油機(jī)或汽油機(jī)來驅(qū)動汽
車。用柴油或者汽油作燃料使發(fā)動機(jī)作功而對于純
電動汽車則完全取消了發(fā)動機(jī)和燃料以及齒輪變速
箱等，取而代之的是蓄電池和電動機(jī)作動力使汽車
運(yùn)行，結(jié)構(gòu)上明顯簡化，控制和保養(yǎng)也隨之簡化，但
對于混合動力的電動汽車，則在結(jié)構(gòu)上反之較傳統(tǒng)
汽車更復(fù)雜一些。但由于具有發(fā)動機(jī)和電動機(jī)兩套
動力系統(tǒng)．故在操縱上更加適應(yīng)不同工況如啟動、加
速、降速制動時可以合理選擇動力，燃料電池電動汽
性能也很出色它和通常的蓄電池動力不同，它是以
電化學(xué)原理發(fā)電的特殊裝置，電動汽車系統(tǒng)里最關(guān)
20
電動汽車技術(shù)
鍵的裝置是蓄電池，它是電動汽車能否取代傳統(tǒng)汽
車的核心裝置。是一種把化學(xué)能轉(zhuǎn)化電能的轉(zhuǎn)化裝
置
常用術(shù)語
原電池：借助于化學(xué)反應(yīng)得到電能的裝置，也就
是使化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置叫做原電池。
蓄電池：一種儲存電能的裝置，被設(shè)計成充電、
放電反復(fù)循環(huán)的轉(zhuǎn)化過程的轉(zhuǎn)換裝置。
鉛酸蓄電池：使用歷史最長技術(shù)最成熟的酸性
蓄電池，它是用二組柵狀鉛板(常用加入銻的硬鉛合
金)組成，柵格中涂有活性物質(zhì)，浸入盛有硫酸的耐
酸容器中，通過正、負(fù)極板和外電路連接的電能轉(zhuǎn)換
裝置。
活性物質(zhì)：能在電池放電過程中加入化學(xué)反應(yīng)
來產(chǎn)生電能的物質(zhì)，稱為活性物質(zhì)。
蓄電池能量：蓄電池在規(guī)定條件對負(fù)載作動所
能輸出的電能叫做蓄電池的能量．單位為wh或
kwh。可分為理論能量和實際能量。
蓄電池容量：是指在規(guī)定的放電條件下從電池
獲得的電量單位用Ah表示，分理論容量、實際容量
和額定容量。
理論容量C。：理論容量是按電池設(shè)計活性物的
量的多少和工程計算出的容量。
實際容量C：是指在規(guī)定的放電條件下．電池實
際放了的電量，其數(shù)值小于理論容量C。
額定容量C ：是指在工程設(shè)計和電池制造時，規(guī)
定電池在一定的條件下應(yīng)該輸出的最低限定的電
量，其值小于實際容量C。
電池容量是指蓄電池的正極或負(fù)極的容量。因
為蓄電池在工作時通過正極和負(fù)極的電量是相等
的。
為了對不同的電池的性能水平進(jìn)行比較分析。
引入比容量的定義，它分質(zhì)量比容量和體積比容量。
質(zhì)量比容量C ：按定分CI=C／m(Ah·kg-·)
式中m—— 電池質(zhì)量
體積比容量C ：按定義C~=C／V(Ah·L- )
式中V—— 電池體積
激活：是指蓄電池正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)，將
生成電能的最終方式。
自放電：蓄電池的能量未通過負(fù)載回路而是以
其他途徑損耗電能的現(xiàn)象。
蓄電池工作壽命：在一定的放電條件下．電池容
量在降至規(guī)定值時，電池所完成的充、放電循環(huán)的次
21
數(shù)。
終止電壓：蓄電池放電到規(guī)定的停止放電時刻
的電壓。
鋰電池：電池的正、負(fù)極由可以嵌入和脫出的鋰
的化合物或材料構(gòu)成的電池均要稱作鋰電池。
燃料電池：參入電能轉(zhuǎn)移所需的化學(xué)原料貯存
在電池外部的容器內(nèi)，而正、負(fù)極板上無活性物質(zhì)的
一種特殊的電能儲存裝置稱為燃料電池。
3 蓄電池的類型
目前能滿足汽車的牽引又能降低能源，大幅度
減少污染排入的新型能源動力裝置，有三大類電池
系統(tǒng)。第一類為物理電池，常見的如太陽能電池、核
能電池。第二類常見的為生物電池如微生物電池、生
物酶電池等。第三類電池是目前作為汽車用新型動
力電池主流的化學(xué)電池。它是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成
電能來驅(qū)動汽車牽引電機(jī)的靜止能源轉(zhuǎn)化裝置。對
汽車而言，化學(xué)電池的容量體積、重量等方面是最合
適、最方便、最成熟的一類電池。化學(xué)電池按電池所
用電解液、電極所用活性物質(zhì)及功能特性的不同可
分為如下三類：
(1)按化學(xué)電池所用電解液的不同主要有：
a．酸性電解液電池如鉛、酸蓄電池。
b．堿性電解液電池如鎘、鎳蓄電池。
c．有機(jī)電解液電池如鋰電池。
d．無機(jī)電解液電池如鋰電池。
(2)電池正負(fù)極所用的活性材料分主要有如下
幾種
a．鉛電極電池
b．鋅— — 錳電極電池
c．鎘—— 鎳電極電池
d．鋅— — 汞電極電池
e．鎘— — 汞電極電池
fI鋅—— 銀電極電池
g．氫— — 鎳電極電池
h．鋰電極電池
i．金屬氫化物— —鎳電極電池
．鈉— — 硫電池
(3)按功能特性分可分如下主要幾種
a．原電池，如鋅— —錳干電池
b．二次電池，如鎘— —鎳電池
12．激活電池，如鎂— — 銀電池
d．連續(xù)電池，如氫— — 氧燃料電池
電氣牽引2011年第1期(總第121期)
目前使用比較廣泛的動力電池主要是可多次
充、放電循環(huán)二次電池來作新型汽車的牽引動力，其
主導(dǎo)蓄電池有鉛酸蓄電池，堿性鎘— — 鎳蓄電池、鋰
離子蓄電池、燃料蓄電池，其中鉛酸蓄電池使用時間
最長，技術(shù)最為成熟，可靠性最高，成本最低，但也有
單位重量的容量較小， 自放電損失電能較高使用和
維護(hù)過程有氫氣和硫酸廢水排出。鋰離子電池和燃
料蓄電池是新型高技術(shù)蓄電池的典型代表．主要不
足是技術(shù)尚不夠完善，安全性能尚不充分，特別是價
格太高，故目前要大規(guī)模推廣使用尚有不少障礙，目
前各國各大廠家均投人大量資源投人研究．在解決
了充電時間和充電后行馳里程數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)后．蓄
電池電動汽車全面取代傳統(tǒng)汽車歷史新紀(jì)元就來到
了。下面以使用鉛為電極活性材料的鉛酸蓄電池為
例來說明蓄電池的結(jié)構(gòu)及其工作原理。
4 鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)、原理
1859年一個年方26歲的法國青年普朗泰(G·
plante)發(fā)明了能反復(fù)充、放電循環(huán)運(yùn)用的鉛酸蓄電
池，至今已有150多年的歷史，在其問世初期由于直
流發(fā)電機(jī)尚未問世，故只能用一次電池來給這個新
誕生的二次電池作充電電源，這個成本自然相當(dāng)高
昂．所以這個世界上最早發(fā)明的二次電池，只能作為
一種擺設(shè)而無法進(jìn)入工業(yè)運(yùn)用，l0多年后，實用的
直流發(fā)電機(jī)發(fā)明，鉛酸蓄電池才逐步進(jìn)入實用階段，
并在很多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域得到H益廣泛的應(yīng)用。
(1)鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)
以鉛作正、負(fù)極活性物質(zhì)的鉛酸蓄電池的典型
結(jié)構(gòu)如下面圖(1)所示。
圖(1)中的正極PbO：為二氧化鉛是正極極板上
圖(1) 鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)示意圖
的活性物質(zhì)，極板是由鉛銻合金澆注的柵架和附著
在其上的活性物質(zhì)組成，是鉛酸蓄電極的核心部件，
加入銻元素是為了柵架的澆注性能和機(jī)械強(qiáng)度，銻
的含量通常為5％～7％，若含量過高會提高蓄電池自
放電損耗。
圖(1)中的Pb為純鉛，是負(fù)極極板上涂附負(fù)極
活性物質(zhì)，呈海綿狀、灰藍(lán)色、海綿狀的鉛能增加與
電解液的接觸面積。在每個單體電壓為2V的蓄電池
體內(nèi)有多塊正負(fù)極板。這樣做可以增大蓄電池的容
量。通常為了使正極板兩側(cè)放電均勻，規(guī)定每個單體
蓄電池中負(fù)極板要比正極板多一塊。
圖(1)中的隔膜又稱隔板，它的安裝位置是在
正、負(fù)極板之間，功能是防止正、負(fù)極上的活性物質(zhì)．
二氧化鉛PbO 和鉛Pb直接接觸造成鉛酸蓄電池內(nèi)
部短路無法正常工作。
隔膜是蓄電池中的重要部件又稱“第三極板”。
它是設(shè)計蓄電池需要考慮的最重要問題之一，因為
它是關(guān)系到鉛酸蓄電池外形體積大小。蓄電池的工
作壽命的大問題。因為每個單體為2V電壓的蓄電池
內(nèi)要設(shè)計多片正負(fù)極板．而每對正負(fù)板之間均要加
裝隔膜，故正負(fù)極板之間的片距，隔膜材料本身的薄
厚均直接影響到蓄電池的外形和體積的大小及蓄電
池安裝尺寸的大小，這對容量要求大，而汽車上安裝
位置緊張的要求是十分矛盾的。
常用的隔膜材料有木制材料、塑料、高分子材
料、無機(jī)材料、玻璃絲材料、玻璃棉氈材料等。
對隔膜的要求大體有耐酸的腐蝕，因為作為蓄
電池電解液的流酸H2S0 對于隔膜有腐蝕作用，隔
膜材料應(yīng)具有多孑L性，以利于電解液的滲透，同時隔
膜還應(yīng)有較好的抗氧化性，能保證有效防止活性物
資的脫落。同時隔膜較低的成本和好的環(huán)保性能。
圖(1)中的電解液注入LI對于鉛酸蓄電池來說，
是注入比重為1．280左右的硫酸I-I2SO ，由于電解液
的濃度說明了蓄電池工作過程中的實際容量的大
小，實際工作中常用測定液體的比重來測定電解液
的濃度進(jìn)而判斷蓄電池的容量。由于比重值和實測
時的溫度是有關(guān)系的．所以測的比重值都要換算到
20℃時的標(biāo)準(zhǔn)值。H CO 這種電解液，在溫度大于
20℃時，其比重值比20℃時的H：CO 的比重要低，實
踐測定溫度每高出一度，比重值會減小0．0007，所以
要根據(jù)測定現(xiàn)場的實際溫度對實測結(jié)果進(jìn)行修正以
正確判定在線蓄電池的實際容量判定電動汽車的作
功能力是有非常大的實有價值的。電解液注人口所
用的螺旋帽蓋，雖然只是一個小配件，但是也要求有
防酸、防腐耐熱的較高要求，同時要滿足較高的絕緣
性能和機(jī)械強(qiáng)度。它的作用是防止有機(jī)械雜物雨水
和灰塵進(jìn)人蓄電池內(nèi)部，防止蓄電池內(nèi)的電解液外
22
電動汽車技術(shù)
泄、濺露和排氣。
圖(1)所示蓄電池的外殼均為防酸蝕材料構(gòu)成，
不僅要有一定的防腐性能還要有良好的絕緣性能，
以降低自放電損耗，還須有良好的機(jī)械強(qiáng)度承受一
般重物，工具跌落所引起的沖擊，還應(yīng)能承受，傳遞
正常的工作應(yīng)力的扭矩。
同時，由于作為電動汽車的牽引動力的蓄電池
容量較大，所需工作電壓較高，而現(xiàn)有鉛酸蓄電池的
單體電壓只有2V (鋰離子電池的電極電位較高，故
其電池電壓可達(dá)3．8V)，故實際工作常須將多個單體
電池串起來形成電池池組共同工作。這就需要將聯(lián)
接導(dǎo)體將各個單體電池進(jìn)行所需的電氣連接，所以
在實際運(yùn)行中連接導(dǎo)體和連結(jié)工藝是鉛酸蓄電池可
靠安全的工作不可或缺的條件，實踐中常用電纜兩
端連有焊接端子的連接導(dǎo)體。之所以對單體電池之
間采用焊接連接而不用螺紋連接是前者的電氣連接
方式對于動態(tài)動行中蓄電池工作可靠性更高，并且
不會產(chǎn)生因螺紋松動產(chǎn)生的電路連結(jié)部位產(chǎn)生電
弧，造成溫升和短路等嚴(yán)重事故。
(2)鉛酸蓄電池的工作原理
鉛酸蓄電池工作原理如下面圖(2)所示。
避虧 三
： ；o 。 ：
+一電源h —
P
b
_
一 P SO t 2H20 PbsO0—
2Pb$O‘+2H2O
· 一PbO2 +Pb+2I-I2 SO4
己
圖(2) 酸性蓄電池的工作原理
PbO2一二氧化鉛；Pb～ 鉛；H2S0廠硫酸；H2O一水；
PbS0廣硫酸鉛。1一二氧化鉛(正極)；2一鉛(負(fù)極)；
3一硫酸溶液(電解液)；4一玻璃容器；5一電阻(負(fù)荷)
圖(2)甲中的工況為鉛酸蓄電池的放電工況即
蓄電池對負(fù)載5輸出功率的過程，正、負(fù)電極間2V
的端電壓由正極二氧化鉛PbO 產(chǎn)生電流如圖甲圖
中箭頭所示流徑負(fù)載5負(fù)極板2海綿裝純鉛極板
Pb形成閉合電路，在電路導(dǎo)通的過程中．蓄電池產(chǎn)
生的化學(xué)變化如下：
Pb02+H2SO4+Pb— PbSO4+H2O+PbSO4
23
上述過程叫做蓄電池的放電。由上式知在放電
過程中PbO：和Pb及H2SO4反應(yīng)生成PbSO4和H 0
所以H：SO 的濃度降低即比重減小，這是一個重要
參數(shù)指標(biāo)，由這個參數(shù)指標(biāo)可以判斷蓄電池是否要
停止放電而進(jìn)入蓄電池的充電工況。
圖(2)中的乙圖即為蓄電池的充電原理及過程。
由圖(2)中的乙圖中充電發(fā)電機(jī)的正極和鉛酸
蓄電池的正極相連，電流從發(fā)電機(jī)正極向蓄電池正
極、負(fù)極發(fā)電充電機(jī)的負(fù)端形成閉合回路和圖甲比
較可見電流已改變了流通方向，這時鉛酸蓄電池處
于充電工況，所以乙圖所示的發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也和
甲圖的化學(xué)變化過程相反，即：
2PbSO4+H20一Pb02+2H2SO4+Pb
充電過程完成后，正、負(fù)極板仍為二氧化鉛PbO
和純蘭色海綿狀純鉛Ph，硫酸H SO 濃度增大，滿足
了蓄電池重新向負(fù)載提供功率的放電狀態(tài)。
由蓄電池放電后，正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)二氧
化鉛PbO 和純鉛Pb都轉(zhuǎn)化為硫酸鉛PbS04稱為
“雙硫酸鹽化”理論。
(3)鉛酸蓄電池電動勢計算
由于依據(jù)電池反應(yīng)推導(dǎo)的鉛酸蓄電池電動勢計
算公式非常復(fù)雜，為此本文按照由正、負(fù)蓄電池的電
極電位來計算導(dǎo)出蓄電池電動勢。即
E=‘p ‘P一
式中E為蓄電池的電動勢
‘p 為蓄電池正極板電位(即PbO：的電極電位)
‘p一為蓄電池反極板電位(即Pb的電極電位)
(1)標(biāo)準(zhǔn)氫電極
按能斯特(W·Nernst)理論：金屬和與其相接觸
的鹽溶液之間將產(chǎn)生電位差，當(dāng)兩金屬產(chǎn)生不同的
電位時，用導(dǎo)線連接這兩個金屬極時并形成閉合回
路時便會有電流產(chǎn)生，然而直到現(xiàn)在我們還沒有辦
法直接測出單個金屬電極與鹽溶液間的電位差。故
在工程實踐中常指定其中的一個電極電位為零稱為
標(biāo)準(zhǔn)電極，將這個標(biāo)準(zhǔn)電極和另一個要測量的電極
組成一個電池，接人電位差測量計測出它們之間的
電位差，也就測出了另一電位的電位。為了統(tǒng)一標(biāo)
準(zhǔn)，國際上通常用標(biāo)準(zhǔn)氫電極作為標(biāo)準(zhǔn)電極。其外形
結(jié)構(gòu)見如下圖(3)所示。
a．標(biāo)準(zhǔn)氫電極原理
圖中的鉑片Pt上鍍成海綿狀，將其放到氫離子
的濃度為lmol·dm 的濃酸溶液中， 在溫度為
298．15k條件下通人100KPa的純H 氣流使之被Pt
電氣牽引2011年第1期(總第121期)
I-I2···一
圖(3) 標(biāo)準(zhǔn)氫電極外形簡圖
吸收，被吸收的H 又使氫離子H+進(jìn)入溶液，使這個
電極如H：構(gòu)成的一樣，電極反應(yīng)為：
2H (1mol·dm )+2e— H2(100KPa)
該式反應(yīng)物為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。故規(guī)定在298．15K下
的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢為O即：
‘p舞8 k(HYH2)=OV
b．標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的測量
為此將標(biāo)準(zhǔn)氫電極和待測電極電勢一起組成原
電池．則此原電池的電動勢即為欲測電極的電極電
位。并作如下規(guī)定：當(dāng)此原電池的欲測電極發(fā)生的反
應(yīng)是還原反應(yīng)時(即得到電子)規(guī)定待測電極為正
極，標(biāo)準(zhǔn)氫電極要為負(fù)極，此時，欲測電極電勢為正
值。若欲測電極上為氧化反應(yīng)時(即失去電子)，則欲
測電極作負(fù)極。標(biāo)準(zhǔn)氫電極為正極。此時電極電勢為
負(fù)值。
C．鉛酸蓄電池的電動勢按b中規(guī)定測得鉛酸蓄
電池中負(fù)極鉛電極Pb的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為一0．358V，
正電極二氧化鉛PbO 的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為+1．69V，所
以鉛酸蓄電池的電動勢E為
E=‘P 一‘P—=1．39V-(-0．358v)=2．048V
d．部分常用電極的標(biāo)準(zhǔn)
將常用蓄電池的電極材料按上文所規(guī)定方法測
出的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢按大小排列計人下面表1所示以
作參考。
表1 標(biāo)準(zhǔn)電極電勢表(298．15K。水溶液中)
電對 率電池反瘟 i 變化趨勢
L； ，Lj + e一 i(I) 一3．O4
Na ／Na Na++e一- -N-(·) —2，7l
AIS+／Al Ap++3e一~---*AI(s) — 1．662 l
Z^ ／Zn Z ++2e—w-~Zn(s) 一O．762 麓 述
化 蘸
FeZ+／Fe Fel +Ze～i ·Fe(B) —0．447 套 杰
盤孽 的
Pb2 ／Pb P +2e一 -《 (s) —0．126 氯 連
}{十／H2 2H++2e一_ _-Hz O 化 屎
性 性
Cu¨。ICu C ++2e一 _—Cu(摹) +0．342 增 增
殂 量
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5 電動汽車的動力及現(xiàn)狀前景
電動汽車是相對傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)作動力來說的，很
明顯兩者都是汽車，故在其功能結(jié)構(gòu)上都會有很大
的共性，同時明確無誤點(diǎn)明了二者的根本區(qū)別是雙
方動力上的根本區(qū)別。
電動汽車所具備的牽引力有部分或全部是由電
能來提供的，按照現(xiàn)有電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀以純電
動汽車和混合動力汽車為兩大主流車型，而燃料電
池汽車所占分則不及前二者倒是現(xiàn)在另一類新能源
汽車天然氣汽車有較大的發(fā)展，對凈化環(huán)境來說也
是一個有效途徑。
按現(xiàn)在汽車行業(yè)比較流行的新能源汽車分類方
法可分為純電動汽車(即蓄電池電動汽車)Battery
Powered Electric Vehicle，簡稱EV汽車，混合動力電
動汽車Hybrid Eleciric Vehicle，簡稱HEV汽車和燃
料電池汽車Fvel Cell Electric Vehicle簡稱FEV或
FCEV汽車三類。第一類蓄電池汽車是很有清潔環(huán)保
的汽車，同時由于動力單一，相對來說車子的結(jié)構(gòu)也
比較簡單．是最容易進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。也方便車輛的
保養(yǎng)維修。目前純電動汽車發(fā)展不快的原有兩個一
個是價格太高．另一個原因使用不方便，造成兩大困
難的原因都是因為蓄電池造成的，價格太高造成電
動汽車價格要高出傳統(tǒng)汽車一倍以上，特別是鋰蓄
電池電動汽車。至于說到不方便使用，主要也是相對
于傳統(tǒng)汽車而言的，一是充一次電能運(yùn)行的里程僅
24
電動汽車技術(shù)
150公里左右，遠(yuǎn)低于加油的汽車。同時充一次電要
6—7小時，遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)汽車只要幾分鐘就能解決問
題那樣方便快捷，還有一個不方便的原因是，蓄電池
汽車的充電站布點(diǎn)剛剛開始，要達(dá)到象加油站那樣
充分合理，還不知道要到何年何月，所以電動汽車發(fā)
展不快，蓄電池是瓶頸是目前世界汽車行業(yè)的通病，
但是電動汽車是汽車領(lǐng)域的發(fā)展方向，這也是不言
而語的，所以在這重重困難面前仍要堅定信心。看到
光明，因為符合可持續(xù)發(fā)展的事物總是有生命力的。
混合動力汽車的電動汽車基本上是由電驅(qū)動和
內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動兩種動力驅(qū)動為主流車型，主要提供兩
種以上的動力單元及其增加協(xié)調(diào)控制，這兩種動力
的相關(guān)機(jī)構(gòu)裝置，所以其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，無論給生產(chǎn)、
使用、維護(hù)、保養(yǎng)各方面都帶來不少困難。
混合動力電動汽車通常由如下主要部件組成：
動力單元，通常是內(nèi)燃機(jī)(汽油機(jī)或柴油機(jī))、電
動機(jī)／發(fā)電機(jī)、變頻器、蓄電池、傳動機(jī)構(gòu)，按照功能
組合混合動力電動汽車可分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種
(還有將串并聯(lián)混合也作一種分法)。
串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)簡圖見如
下的圖(4)、圖(5)所示。
圖(4) 串聯(lián)式混合動力汽車
圖(5) 并聯(lián)式混合動力汽車
混合動力式電動汽車中發(fā)動機(jī)電動機(jī)和蓄電池
的使用和相互組合可以有各自不同的方式，但一般
均按不同工況，不同動力單元在不同速度下運(yùn)行對
環(huán)境的影響及其經(jīng)濟(jì)性合理組織。
25
(1)常用工況下合理組合：
a．啟動階段和低速運(yùn)行工況時
由于發(fā)動機(jī)在低速工況下運(yùn)行冒黑煙及費(fèi)油．
所以這種工況下由電池給電動機(jī)提供動力， 由電動
機(jī)單獨(dú)在此工況下作純電動運(yùn)行。
b．正常運(yùn)行工況階段
正常運(yùn)行時速度較高適用發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，
并帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時即可使電動機(jī)也加入到正
常驅(qū)動車輛運(yùn)行，也可向蓄電池充電，可視車速、負(fù)
載情況作靈活處理。
c．加速及爬坡運(yùn)行時加載階段
發(fā)動機(jī)遇加載時運(yùn)行時會不經(jīng)濟(jì)故應(yīng)及時由蓄
電池向電動機(jī)提供動力．和發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動車輛運(yùn)
行。
d．蓄電池充電工況
通常無論運(yùn)行或停駛時候．時常會出現(xiàn)蓄電池
充電不足的情況，這時便應(yīng)該及時啟動發(fā)動機(jī)帶動
發(fā)電機(jī)通過變頻器向蓄電池充電，使蓄電池恢復(fù)到
設(shè)定值時停機(jī)。
e．降速、下坡、制動工況
如遇須減速或急停情況，應(yīng)急踩制地動踏板．此
時車輛的動能使電動機(jī)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)運(yùn)行．向蓄電
池充電，并產(chǎn)生電制動力使車輛減速直至停車。
上述幾種動力單元的組合原則是各種混合式電
動汽車均須遵守的，否則就不能發(fā)揮各動力單元各
自的特長，達(dá)不到節(jié)能減排的基本要求，也違背了選
擇設(shè)計混合動力電動汽車的初衷。
(2)電動汽車制動能量回饋系統(tǒng)的原理
汽車在欲作減速或制動運(yùn)行時．其本身所具有
的動能，在傳統(tǒng)汽車上這部分能量不但無法利用，還
將依靠摩擦制動，以熱量的方式消耗這些動能污染
環(huán)境，熱量還將惡化車輛的制動性能，但這種工況在
電動汽車身上這部分能量卻有了回收的可能，并且
能用電力制動的方式，在無污染的情況下仍保持很
好的制動性能。
電動汽車制動能量回饋原理如圖(6)所示：
圖(6) 制動能量回饋原理
電氣牽引2011年第1期(總第121期)
圖(6)實際正是電動汽車運(yùn)行的主電路原理圖，
主要電力電子器件是2個IGBT管VT1、VT2當(dāng)VT
關(guān)斷，VT2導(dǎo)通，電動機(jī)得電車輛處于電動運(yùn)行狀態(tài)。
當(dāng)VT 、VT2均斷開時， 電動機(jī)M 通過VD 續(xù)
流。當(dāng)電機(jī)M進(jìn)入回饋制動工況時關(guān)斷VT2用PWM
信號控制VT 導(dǎo)通時，電能儲存在電柜漏感中，當(dāng)
PWM信號關(guān)斷VT 時，漏感電動勢和電動機(jī)電樞電
動勢之和大于蓄電池電壓Ud，這時制動能量就通過
VD：回饋到蓄電池中。
為了更清晰地說其工作過程給出下面各個階段
原理示意圖(7)、圖(8)、圖(9)、圖(10)。
圖(7) 電動狀態(tài)T】工作， 關(guān)斷
D
圖(8) 惰行工況，T 、T2均關(guān)斷
D
圖(9) 制動工況，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，T 關(guān)斷、T2導(dǎo)通
D
圖(10) 能量回饋蓄電池充電 后T 關(guān)斷
圖(7)為電動汽車處于電動狀態(tài)T 導(dǎo)通，T2關(guān)
斷電流自A流出通過T 管R、L使電機(jī)M得電運(yùn)
轉(zhuǎn)。
圖(8)為電機(jī)M失電后惰行減速運(yùn)行狀態(tài)，電
機(jī)M通過D2續(xù)流。
圖(9)為電動汽車處于制動運(yùn)行工況，斷電后由
于汽車的動能使電動機(jī)作出發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電路中
關(guān)斷，T2導(dǎo)通。
圖(10)為能量回歸蓄電池即能量回饋狀態(tài)，它
是在經(jīng)過 時間后，T2關(guān)斷后形成回饋狀態(tài)的。
(3)電動汽車使用交流電動機(jī)驅(qū)動的直接轉(zhuǎn)矩
控制
由于電動汽車使用直流電動機(jī)驅(qū)動時常因為直
流電動機(jī)換向裝置的先天不足引起故障過多的原
因，故其雖然有優(yōu)異的調(diào)速動態(tài)特性，但因交流電動
機(jī)極為簡單，堅固工和可靠性高，人們很自然就會有
在電動汽車上采用交流電動機(jī)來驅(qū)動的想法。在上
世紀(jì)80年代中期德國魯爾大學(xué)的教授Depen—brock
首先提出了全新的理念．交流變頻調(diào)速技術(shù)— — 異
步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。
DTC的特點(diǎn)
直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)即Direct Torque Coutrol縮
寫即為DTC，這種控制理論和矢量控制技術(shù)相比較
有如下特點(diǎn)：
a．直接轉(zhuǎn)矩控制在定子坐標(biāo)下建立交流電動機(jī)
的數(shù)學(xué)模型，用轉(zhuǎn)矩直接控制轉(zhuǎn)矩，用磁鏈直接控制
磁鏈，所以不必象矢量控制那樣為了交流電動機(jī)數(shù)
學(xué)模型的解耦簡化多次進(jìn)行坐標(biāo)變換減少了復(fù)雜的
數(shù)學(xué)運(yùn)算，也無須模仿直流電動機(jī)的控制。使控制系
統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡潔明了。
b．直接轉(zhuǎn)矩控制將逆變器和電機(jī)看作一個整體，
采用離散的空間電壓矢量對三相交流感應(yīng)電動機(jī)進(jìn)
行控制，使控制結(jié)構(gòu)變得簡明、直接。
c．直接轉(zhuǎn)矩控制以定子磁鏈作為被控量，而不象
磁量控制那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈為控制對象。這樣只要
知道電機(jī)定子的電阻就可以將定子磁鏈測量出來，
而定子電阻是很方便就能測量出來的一個電參數(shù)，
使控制性能實現(xiàn)了優(yōu)化。
d．直接轉(zhuǎn)矩控制以轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩而無須象矢量
控制那樣通過電流磁鏈間接地實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制，
使轉(zhuǎn)矩的控制響應(yīng)快，無超調(diào)。
e．在直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩控制和磁鏈控制均采
用bang—bang控制輸出信號直接控制逆變器的開關(guān)
狀態(tài)，進(jìn)而輸出相應(yīng)的電壓空間矢量，控制三相交流
電動機(jī)的運(yùn)行．使系統(tǒng)進(jìn)一步簡化，直接轉(zhuǎn)矩控制的
典型原理結(jié)構(gòu)圖如以下圖(11)所示。
26
電動汽車技術(shù)
圖(11) 直接轉(zhuǎn)矩原理框圖
6 結(jié)語
縱觀前文及電動汽車的發(fā)展現(xiàn)場使用電動汽車
的優(yōu)越性的確無可比擬，但冷靜地細(xì)想一下卻也未
必能過于樂觀，電動汽車的核心技術(shù)蓄電池實在難
以放心，除了充電時間及續(xù)航里程數(shù)外。蓄電池在它
的生命周期中的生產(chǎn)、使用、報廢三個階段中，在使
用階段應(yīng)該說對環(huán)境是不會有太大影響的，但是，在
其前后兩個階段生產(chǎn)和報廢均是污染的重中之重，
特別是散落在千家萬戶各個山野甬的汽車蓄電池報
廢時該如何集中回收處理，這可真是個天大的問題，
管理不好的話，對空氣、土壤、河流、地下水的污染，
說其后患無窮，絕不過分。雖然已有報道說成立了報
廢電瓶集中處理的專業(yè)工廠，但還極少極少遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿
足不了如此興涌的購車熱潮及第一汽車大國天文數(shù)
字的社會保有量，所以對電動汽車的發(fā)展報冷靜、慎
重的態(tài)度更好些。
(上接第4頁)
動的自卸車來說．通過不斷地?fù)Q檔。分階段、不連續(xù)
地去接近這種工況，電傳動礦用自卸車則通過對電
傳動系統(tǒng)的恒功率調(diào)節(jié)來達(dá)到這種工況。自卸車對
電傳動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)還要求：
1．為避免主發(fā)電機(jī)過電壓，應(yīng)對最高電壓加以限
制，并要求限壓線近似為水平線。
2．為避免主發(fā)電機(jī)過電流．應(yīng)對最大電流加以限
制，且要求限流線盡量近似為垂直線。
自卸車一般都有恒功率精度的規(guī)定，并在出廠
前調(diào)定一個恒功功率值。有的自卸車是利用函數(shù)發(fā)
生器來實現(xiàn)系統(tǒng)恒功率調(diào)節(jié)的．有的是采用集成元
件乘法器來實現(xiàn)的，但恒功率整定值一般都略低于
柴油機(jī)的額定輸出功率值，這是考慮到有些因素可
能造成柴油機(jī)功率下降，而且，柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速
和略低于額定功率下運(yùn)轉(zhuǎn)，有利于延長其壽命和減
少單位功率的油耗。
十二、電傳動礦用自卸車的保護(hù)、連鎖及
報警電路
為使電傳動礦用自卸車適應(yīng)礦山、工地的特殊
工礦要求，保證安全、可靠地運(yùn)行，電傳動系統(tǒng)設(shè)置
了很多保護(hù)、連鎖及報警電路，典型電路如下：
1．保護(hù)：接地故障無牽引
超速時自動切除牽引
超速時自動投入電制動
防誤反向
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蓄電池充電過電壓
2．連鎖：主接觸器動作順序
車廂舉升無牽引
緊急制動與電制動
緊急制動與切除牽引
停車制動與切除牽引
3．報警：柴油機(jī)機(jī)油壓力低
水箱水溫過高
冷卻風(fēng)壓過低
電動輪溫升過高
停車制動未緩解
轉(zhuǎn)向壓力低
工作制動壓力低
左、右后制動器制動壓力不相等
太陽齒輪退出
蓄能器壓力低
水箱水位過低
牽引系統(tǒng)故障
液壓油油溫過高
電制動故障
自動潤滑系統(tǒng)故障
蓄電池充電系統(tǒng)故障
燃油油位低
牽引系統(tǒng)溫度過高

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