候玉波
(太原理工大学机械工程学院车辆工程系,太原 030024)
摘要：现在全球的能源危机、环境污染、全球气温上升的危害加剧，节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，燃油汽车必将被其他能源汽车所取代,这是人类发展历史的必然选择。本文对电动汽车的分类及特点做了综合评述，并且对电动汽车的发展前景的主要问题进行了论述，最后展望了一下电动汽车未来的发展趋势。
关键词：环境污染；电动汽车；电池；发展
前言：汽车是现代文明的重要组成部分，是人类智慧的结晶。它在推动社会快速发展的同时，也给人类带来了日益突出的危害。随着汽车工业的高速发展,全球汽车保有量的不断增加,汽车带来的环境污染、能源短缺等问题越来越突出。各国政府及汽车行业普遍认识到节能减排是未来汽车技术发展的主攻方向。电动汽车具有高效、节能、低噪声、零排放等显著特点,在环保和节能方面具有不可比拟的优势。因此发展电动汽车将是解决环境污染、能源短缺
等问题的最佳途径。
1 电动汽车分类及其特点
电动汽车是指全部或部分由电机驱动的汽车。目前，电动汽车一般可分为三类：纯电动汽车（PEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）。但是近几年在传统混合动力汽车的基础上，又派生出一种外接充电式（Plug-In）混合动力汽车，简称（PHEV）。
1.1 纯电动汽车
纯电动汽车是由蓄电池供电，电动机驱动汽车前进。纯电动汽车行驶时的零排放，受到了高度重视，被认为是本世纪城市交通工具的首选。十九世纪以来，世界各地就一直运行着各式各样的纯电动汽车，英国保有的纯电动汽车目前居世界首位。现在，纯电动汽车技术基本成熟，但是由于动力蓄电池的比能量、比功率较小，带来了车辆自重大、充一次电续驶里程短的致命缺憾，而且蓄电池的使用寿命和价格还没有取得突破，因此，纯电动汽车的推广应用受到了一定的限制。
1.2 混合动力电动车
混合动力电动车通常是指既有内燃机又有电动机驱动的车辆。按内燃机与电动机的连接方法又可以分为并联式和串联式。近年来推出的混联式，引起了各大汽车公司的关注。它将现有内燃机、电动机与一定容量的储能器件通过先进的控制系统相结合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以通过发电机吸收内燃机功率不能完全被利用时，多余的部分功率和车辆制动的能量返回储能器件存储。这样可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。
1.3 燃料电池汽车
燃料电池汽车是将燃料电池中的化学能直接转化为电能，效率达到 60%-80%，是普通内燃机热效率的数倍，基于氢源的燃料电池技术的发展，使电动汽车脱离了传统的以电方式补充能量的方式，而采用加入“燃料”的方式补充能源，使电动汽车使用范围不受充电设施的限制。国外企业对革命性的清洁型汽车寄予厚望，纷纷开始开发燃料电池汽车的关键技术。各大汽车公司大都推出了品种繁多的各式各样的车。由于燃料电池不能提供车辆起步、加速所需的瞬时大功率，且无法吸收车辆制动的能量，因此需要与其它蓄能元件一起
组成燃料电动汽车的动力源。
1.4 三种电动汽车的比较
纯电动汽车，能量来源为蓄电池，驱动系统为电机，特点是完全零排放，不依赖石油，在国际能源供求矛盾不断加剧之际，更具现实意义。但目前主要问题是蓄电池的比能和价格，因而其发展关键是低价高效蓄电池技术。
混合动力电动汽车，能量来源为蓄电池及发动机，驱动系统为电机及发动机，特点是行驶里程长，可以不用单独的充电设备，行驶过程中仍有废气排放，但很低。在城里用电机驱动，在城外用内燃机驱动，以减少城市污染。依赖石油，且成本高。混合动力轿车 PRIUS 的发展很大程度得益于政府的扶持。
燃料电池电动汽车，能量来源为燃料电池，驱动系统为电机，特点是行驶里程长，能量效率高，不依赖石油，无废气排放或超低排放，但技术上还未取得突破，且成本高，目前仅燃料电池的价格就要25000 美元。
2 电动汽车的关键技术
电动汽车的关键技术包括车身技术、底盘技术、电池技术、电机技术和控制器技术。车身和底盘技术是汽车的通用技术,而电池技术、电机技术和控制器技术则是电动汽车所特有的技术,这3项技术也是一直制约电动汽车大规模进入市场的关键因素。
2.1 电池技术
电池是电动汽车的动力源泉,也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(Ｅ)、能量密度(Ｅｄ)、比功率(Ｐ)、循环寿命(Ｌ)和成本(Ｃ)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争,关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。到目前为止,电动汽车用电池经过了3代的发展,已经取得了突破性进展。第1代是铅酸电池,目前主要是阀控铅酸电池(ＶＲＬＡ),由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电,因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。第2代是碱性电池,主要有镍镉、镍氢、钠硫、锂离子和锂聚合物等多种电池,其比能量和比功率都比铅酸电池高,因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程,但其价格却比铅酸电池高。第3代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能,能量转变效率高,比能量和比功率都高,并且可以控制反应过程,能量转化过程可以连续进行,因此是理想的汽车用电池,但目前还处于
研制阶段,一些关键技术还有待突破。现在应用于电动汽车的是一种称为质子交换膜的燃料电池(ＰＥＭＦＣ),它以纯氢为燃料,以空气为氧化剂,不经历热机过程,不受热力循环限制,因此能量的转换效率高,是普通内燃机热效率的2～3倍。同时,它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性,使得ＰＥＭＦＣ非常适合用作交通工具的动力源。有关专家预言:21世纪燃料电池电动汽车将可能成为汽车的主体。因此,目前世界各国政府以及各大汽车公司纷纷投入巨资,路虎最贵的车多少钱进行ＰＥＭ-ＦＣ电动汽车的研究与开发。
2.2 电机技术
电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。目前使用较多的有直流有刷、永磁无刷、交流感应和开关磁阻等4种电机。
直流电机结构简单,技术成熟,具有交流电机所不可比拟的优良电磁转矩控制特性,所以直到20世纪80年代中期,仍是国内外电动汽车用电机的主要研发对象。但是,由于直流电机价格高,体积和质量大,因此在电动汽车上的应用受到了限制。
比亚迪仰望首款车型发布 永磁无刷电机可以分为由方波驱动的无刷直流电机系统(ＢＬＤ-ＣＭ)和由正弦波驱动的无刷直流电机系统(ＰＭＳＭ),它们都具有较高的功率密度,其控制方式与感应电机基本相同,其主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点,因此在电动汽车上得到了广泛的应用,是当前电动汽车用电动机的研发热点。这类电机具有较高的能量密度和效率,其体积小、惯性低、响应快,非常适应于电动汽车的驱动系统,有极好的应用前景。但价格较贵,永磁材料一般仅耐热120℃以下。目前,由日本研制的电动汽车主要采用这种电机。
交流感应电机也是较早用于电动汽车驱动的一种电机,它的调速控制技术比较成熟,具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点,但因转速控制范围小、转矩特性不理想,因此不适合频繁启动、频繁加减速的电动汽车。美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电机。
开关磁阻电机(ＳＲＭ)具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行,控制灵活、4象限运行、响应速度快和成本较低等优点。但实际应用发现,ＳＲＭ存在着转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点,所以应用受到了限制。
2.3 控制器技术
电动汽车的变速和方向变换是靠电动机调速控制装置来完成的,其原理是通过控制电动机的电压和电流来实现电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速,通过均匀改变电机的端电压,控制电机的电流,来实现电机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中,它也逐渐被其他电力晶体管(如ＧＴＯ、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＴＲ及ＩＧＢＴ等)斩波调速装置所取代。从技术的发展来看,伴随着新型驱动电机的应用,电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用将成为必然的趋势。在驱动电机的旋向变换控制中,直流电机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向,实现电机的旋向变换,这使得控制电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电机驱动时,电机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可,可使控制电路简化。此外,采用交流电机及其变频调速控制技术,使电动汽的制动能量回收控制更加方便,控制电路更加简单。近几年来,由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。矢量控制又有最大效率控制和无速度传感器矢量控制,前者是使励磁电流随着电动机参数和负载条件的变化,从而使电动机的损耗最小、效率最大;后者是利用电机电压、电流和电机参数来估算出速度,不用速度传感器b70 奔腾,从而达到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。直接转矩控制克服了矢量控制中解耦的问题,把转子磁通定向变换为定子磁通定向,通过控制定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹角,从
而达到控制转矩的目的。由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速,因此非常适合电动汽车的控制。
随着电机及驱动系统的发展,控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术,都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单,响应迅速,抗干扰能力强,参数变化具有鲁棒性,可大大提高整个系统的综合性能。
3 电动汽车的发展方向
燃料电池汽车在成本和整体性能上,特别是行程和补充燃料时间上明显优于其他电池的电动汽车,并且燃料电池所用的燃科(甲醇、汽油、柴油、天然气等)来源广泛,微蓝6又可再生,并可实现无污染、零排放等环保标准。所以燃料电池轿车已成为世界各大汽车公司21世纪初激烈竞争的焦点。日本《东洋经济》报道: “当代技术革命将彻底改变2ｌ世纪汽车业的面貌,这一改变就是在近几年出现的燃料电池车”。
4 结 语
尽管传统的内燃机汽车仍在当今世界占据主导地位,但发展清洁无污染的电动汽车已是大势所趋,也是世界各国的必然选择。目前,在电动汽车的商业化运作上,虽然从产品技术和市场开发等方面取得了一些经验和进步,但仍还面临许多亟待解决的问题。这些存在问题的解决,需要技术人员的努力,更需要政府和社会的大力支持。可以预见,未来的汽车将是由电气、机械和控制技术运行的车辆,电动汽车势必成为21世纪重要的绿交通工具。
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