第十四章 电动汽车概述

飞轮电池的基本结构如图14-7所示，主要部件有飞轮、轴承、电机、电力电子转换器和真 空容器。发电机和电动机通常使用一台电机来实现，通过轴承与飞轮连接在一起。
飞轮电池的工作原理为：对飞轮电池充电时，电机作为电动机运行，由工频电网提供的电 能经电力电子转换器驱动电机加速，电机带动飞轮加速储能，能量以机械形式储存在高速旋转 的飞轮中，如图14-8所示。
2.3 电动汽车驱动电动机的种类
2.交流电动机
交流电动机可分为同步电动机和异步 电动机两大类。异步电动机又称感应电动 机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电 流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能 转换为机械能的一种交流电动机。异步交 流电动机是各类电动机中应用最广、需求 量最大的一种。
2.3 电动汽车驱动电动机的种类
1.3 电动汽车常用动力电池
1.蓄电池
3）镍-氢电池 镍-氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型绿 色电池，具有高能量、长寿命、无污染等特点，因而成 为世界各国竞相发展的高科技产品之一。镍-氢电池是电 动汽车动力电池领域的主流。虽然镍-氢电池在技术上取 得了很大突破，但仍有不少因素制约其实际应用，包括 高温性能、储存性能、循环寿命、电池组管理系统和热 管理等。
1.3 电动汽车常用动力电池
1.蓄电池
2）镍-镉电池 镍-镉电池是一种碱性蓄电池，也是混合动力汽车首 选电池之一。 镍-镉电池的比能量可达到55 W h/kg，比功率可超 过225 W/kg，极板强度高，工作电压稳定，能够带电充 电，并可以快速充电。镍-镉电池过充电和过放电性能好 ，有高倍率的放电特性，瞬时脉冲放电率很大，深度放电 性能也好；循环使用寿命长，可达到2 000次或7年以上 ，是铅酸蓄电池的2倍；采用全封闭外壳，可以在真空环 境中正常工作；低温性能较好，能够长时间存放。使用时 要注意做好回收工作，以免重金属镉造成环境污染。
1.3 电动汽车常用动力电池
1.蓄电池
4）锂离子电池 锂离子电池是1990年由日本索尼公司首 先推向市场的新型高能蓄电池，是目前世界最 新一代的充电电池。锂离子电池目前有液态锂 离子电池和聚合物锂离子电池两种类型。 锂离子电池有许多显著特点，如工作电压 高、比能量高、循环寿命长、自放电率低、无 记忆性、可实现快速充电、对环境无污染、能 制造成任意形状等。锂离子电池也有一些不足 ，如成本高、单体电池需要保护线路控制、成 组电池需要配套管理系统等。
1.3 电动汽车常用动力电池
2.燃料电池
燃料电池是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时释放出的能量变换为电能，工作 时需要连续地向其供给活体物质（起反应的物质）——燃料和氧化剂。由于它是燃料通过化学 反应释放出能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。
由于汽车是移动式交通工具，因此要求车用燃料电池具有较高的能量密度以及作为车辆所 必需的快速启动和动力响应的能力，同时，需要具有成本低、安全性好、寿命长等特点。
2.3 电动汽车驱动电动机的种类
图14-10 现代电动汽车所采用的各种电动机
2.3 电动汽车驱动电动机的种类
1.直流电动机
直流电动机是将直流电能转换为机械能 的电动机，是电动机的主要类型之一，具有结 构简单、技术成熟、控制容易等特点，在早期 的电动汽车中得到了广泛应用。
直流电动机可分为绕组励磁式直流电动 机和永磁式直流电动机。在电动汽车中，小功 率电动机一般采用永磁式直流电动机，大功率 电动机一般采用绕组励磁式直流电动机。
燃料电池能量密度极高，接近于汽油和柴油的能量密度，几乎是零污染，号称“终极电池 ”，代表着电动汽车未来的发展方向，也是各国重点研发的领域之一。但是，燃料电池成本太 高，目前离产业化还有较长的路要走。
1.3 电动汽车常用动力电池
3.超级电容
超级电容器简称超级电容，又称为双电层电容器 ，是20世纪七八十年代发展起来的一种具有超级储电 能力、可提供强大脉冲功率的物理二次电源，它是介 于蓄电池和普通电容器之间的一种新型储能装置。
超级电容是一种电化学元件，主要利用电极/电解 质界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面快 速的氧化还原反应所产生的法拉第准电容来实现电荷 和能量的储存。
超级电容的主要组成部件有电极、电解质、集电 极、隔膜等，如图14-6所示。
图14-6 双电层超级电容
1.3 电动汽车常用动力电池
3.超级电容
图14-1 化学电池的组成
1.1 动力电池的分类
1.化学电池
按工作性质不同，化学电池可分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池，如表14-1所示。
表14-1 化学电池分类
1.1 动力电池的分类
2.物理电池
物理电池是利用光、热、物理吸附 等物理能量发电的电池，利用物理能量 制成，其特点是能够在常温常压条件下 进行能量转换，如太阳能电池、超级电 容、飞轮电池等。
1.2 动力电池的性能指标 动力电池应满足要求
1
持续稳定的大电流放电，能够保证汽车保 持一定的行驶速度。
2
有短暂大电流放电的能力，保证汽车在加 速、上坡时有足够的动力。
3
能一次性提供足够的能源，保持汽车有一 定的行驶里程。
1.2 动力电池的性能指标
电
池
的
性
能
电压
指
容量
标
放电速率
内阻 能量 功率
输出效率 自放电率 使用寿命与循环寿命
电动机驱动系统如图14-9所示，主要由电动机和控制器组成，控制器是电机驱动系统的核 心部分。控制器由电力电子器件（如IGBT功率模块）构成的逆变器、逆变驱动器、电源模块、 中央控制模块、信号检测模块、软启动模块、保护模块、机械结构、散热系统等构成。
2.1 电动汽车电机驱动系统的组成
图14-9 电动机驱动系统的组成
3.永磁电动机
在各类驱动电动机中，永磁电动机具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳 性及低振动噪声等特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车驱动 方面具有很好的应用价值。该电动机得到了国内外电动汽车界的高度重视，是最具竞争力的电 动汽车驱动电动机系统之一。
现有的永磁电动机可分为永磁直流电动机、永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机和永磁 混合式电动机四类。其中，后三类没有传统直流电动机的电刷和换向器，故统称为永磁无刷电 动机。在电动汽车中，永磁同步电动机应用广泛。
（1）由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的双电层 电容。
按储能机 理的不同
分类
（2）采用金属氧化物作为电极，在电极表面和体相发 生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容。
（3）由导电聚合物作为电极飞轮电池
飞轮电池是20世纪90年代才提出的新概念电池，目前已发展得较为成熟，它突破了化学电 池的局限，用物理方式实现储能，其比功率和比能量远大于化学电池，已成为许多科研工作者 的研究重点。
1.3 电动汽车常用动力电池
1.蓄电池
图14-2 铅酸蓄电池的结构
1—电池外壳；2—电池盖；3—负极柱；4—排气栓；5— 穿壁连接；6—汇流条；7—负极板；8—隔板；9—正极板
电动汽车使用的蓄电池主要有铅酸蓄电 池、镍-镉电池、镍-氢电池、锂离子电池等。
1）铅酸蓄电池 以酸性水溶液作为电解质的蓄电池称为 酸蓄电池。由于酸蓄电池电极是以铅及其氧 化物作为材料，故又称为铅酸蓄电池。 铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、 电池盖、电解液、排气栓和电池外壳等组成 ，如图14-2所示。
2.2 电动汽车对电动机的要求
（1）电动机的运行特性要满足电动汽车的要求：在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩， 以满足电动汽车启动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足电动汽车 在平坦的路面能够高速行驶的要求。
（2）具有瞬时功率大、带负载启动性能好、过载能力强、加速性能好、使用寿命长等特点。 （3）在整个运行范围内，具有很高的效率，以提高一次充电的续驶里程。 （4）能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池，使得电动汽车具有最 佳的能量利用率。 （5）可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作。 （6）体积小、质量轻，一般为工业用电动机的1/3～1/2。 （7）结构简单坚固，适合批量生产，便于使用和维护。 （8）价格便宜，从而能够减少电动汽车的整体价格，提高性价比。 （9）运行时噪声低，减少污染。
目录
CONTENTS
1
电动汽车动力用电池
2
电动汽车电机驱动系统
3
纯电动汽车
3.1 纯电动汽车的结构与原理
相比于内燃机汽车，纯电动汽车用电力驱动控制系统取代了发动机，用电子输入装置取代 了节气门，用动力电池组取代了油箱，所以，纯电动汽车主要由电力驱动控制系统、底盘、车 身以及各种辅助装置组成。除了电力驱动控制系统，其他部分的功能及其结构组成基本与传统 汽车类似，不过有些部件根据选择的驱动方式做了相应的改动。
1.1 动力电池的分类
3.生物电池
生物电池是利用生物酶、微生物或叶绿素做成的电池，利用生物化学反应发电，如微生物 电池、酶电池、生物太阳电池等。
迄今已经实用化的车用动力蓄电池有传统的铅酸蓄电池、镍-镉电池、镍-氢电池、锂离子 电池。在物理电池领域中，超级电容已应用于电动汽车中。生物燃料电池在车用动力中应用前 景也十分广阔，以氢为燃料的燃料电池和氧化物燃料电池的研发已进入重要发展阶段。
2.3 电动汽车驱动电动机的种类
4.开关磁阻电动机
开关磁阻电动机驱动系统是高性能机电一体化系统。 开关磁阻电动机作为一种新型调速电动机，有众多优点：调速范围宽、控制灵活，制造和 维护方便，运转效率高，具有较强的再生制动能力，结构简单、成本低、制造工艺简单，损耗 小，适于频繁启动、停止以及正、反转运行等。 开关磁阻电动机的不足之处主要有：结构简单但设计和控制较复杂；由于开关磁阻电动机 磁极端部的严重磁饱和以及磁与沟槽的边缘效应，使得开关磁阻电动机设计和控制要求非常精 细；噪声较大。