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電動(dòng)汽車基礎(chǔ)知識(shí)

2022-02-27 11:12:12·  來(lái)源：驅(qū)動(dòng)視界  
　
1 電動(dòng)汽車的概念電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。 ▲大眾MEB平臺(tái)電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)是：它本身
1 電動(dòng)汽車的概念
電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。


▲大眾MEB平臺(tái)電動(dòng)汽車
電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)是：它本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其它污染物也顯著減少。
由于電廠大多建于遠(yuǎn)離人口密集的城市，對(duì)人類傷害較少，而且電廠是固定不動(dòng)的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關(guān)技術(shù)。
由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力、風(fēng)力等，解除人們對(duì)石油資源日漸枯竭的擔(dān)心。
電動(dòng)汽車還可以充分利用晚間用電低谷時(shí)富余的電力充電，使發(fā)電設(shè)備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟(jì)效益。


▲electric vehicle charging
有關(guān)研究表明，同樣的原油經(jīng)過(guò)粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅(qū)動(dòng)汽車，其能量利用效率比經(jīng)過(guò)精煉變?yōu)槠停俳?jīng)汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車高，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量，正是這些優(yōu)點(diǎn)，使電動(dòng)汽車的研究和應(yīng)用成為汽車工業(yè)的一個(gè)“熱點(diǎn)”。
2 電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)
電動(dòng)汽車的組成包括：電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)等機(jī)械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工作裝置等。


電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電源和電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制裝置等組成。電動(dòng)汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同。
2.1 動(dòng)力電池
動(dòng)力電池為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供電能，電動(dòng)機(jī)將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪和工作裝置。


▲Electric vehicle battery
以前，電動(dòng)汽車上應(yīng)用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，但隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，鉛酸蓄電池由于比能量較低，充電速度較慢，壽命較短，逐漸被其他蓄電池所取代。
除主流的鋰電池以外，正在發(fā)展的電源主要有鈉硫電池、鎳鉻電池、燃料電池、飛輪電池等，這些新型電源的應(yīng)用，為電動(dòng)汽車的發(fā)展開(kāi)辟了廣闊的前景。
2.2 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)
驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的作用是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪的工作裝置。
歷史上電動(dòng)汽車廣泛采用直流串激電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)與汽車的行駛特性非常相符。但直流電動(dòng)機(jī)由于存在換向火花，比功率較小、效率較低，維護(hù)保養(yǎng)工作量大。



▲Electric vehicle motor
當(dāng)前，純電動(dòng)汽車所使用的電機(jī)可分為永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)兩大類，自主品牌電動(dòng)汽車基本上使用的是永磁同步電機(jī)，而特斯拉和蔚來(lái)則在使用永磁同步電機(jī)的同時(shí)，還使用了交流異步電機(jī)。
永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子使用的是永磁體，由定子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)推動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)圍繞軸心線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)是同步的。和交流異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
2.3 電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制裝置
電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制裝置是為電動(dòng)汽車的變速和方向變換等設(shè)置的，其作用是控制電動(dòng)機(jī)的電壓或電流，完成電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向的控制。
早期的電動(dòng)汽車上，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速采用串接電阻或改變電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)線圈的匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因其調(diào)速是有級(jí)的，且會(huì)產(chǎn)生附加的能量消耗或使用電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)在已很少采用。



▲Prius Inverter
后來(lái)電動(dòng)汽車上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波調(diào)速，通過(guò)均勻地改變電動(dòng)機(jī)的端電壓，控制電動(dòng)機(jī)的電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。
在電子電力技術(shù)的不斷發(fā)展中，它也逐漸被其他電力晶體管（如GTO、MOSFET、BTR及IGBT等）斬波調(diào)速裝置所取代。
在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的旋向變換控制中，直流電動(dòng)機(jī)依靠接觸器改變電樞或磁場(chǎng)的電流方向，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的旋向變換，這使得控制電路復(fù)雜、可靠性降低。
當(dāng)采用交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的改變只需變換磁場(chǎng)三相電流的相序即可，可使控制電路簡(jiǎn)化。


此外，采用交流電動(dòng)機(jī)及其變頻調(diào)速控制技術(shù)，使電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收控制更加方便，控制電路更加簡(jiǎn)單。
2.4 傳動(dòng)裝置
電動(dòng)汽車傳動(dòng)裝置的作用是將電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳給汽車的驅(qū)動(dòng)軸，當(dāng)采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)裝置的多數(shù)部件常?？梢允÷?。



▲Electric vehicle gearbox（BorgWarner）
因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)可以帶負(fù)載啟動(dòng)，所以電動(dòng)汽車上無(wú)需傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的離合器。因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)的旋向可以通過(guò)電路控制實(shí)現(xiàn)變換，所以電動(dòng)汽車無(wú)需內(nèi)燃機(jī)汽車變速器中的倒檔。當(dāng)采用電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速控制時(shí)，電動(dòng)汽車可以忽略傳統(tǒng)汽車的變速器。在采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)汽車也可以省略傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的差速器。
2.5 行駛裝置
行駛裝置的作用是將電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)車輪變成對(duì)地面的作用力，驅(qū)動(dòng)車輪行走。它同其他汽車的構(gòu)成是相同的，由車輪、輪胎和懸架等組成。
2.6 轉(zhuǎn)向裝置
轉(zhuǎn)向裝置是為實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)彎而設(shè)置的，由轉(zhuǎn)向機(jī)、方向盤、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向輪等組成。



▲electric power steering
作用在方向盤上的控制力，通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一定的角度，實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。
乘用電動(dòng)汽車為前輪轉(zhuǎn)向，工業(yè)中用的電動(dòng)叉車常常采用后輪轉(zhuǎn)向。電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)向裝置有機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓轉(zhuǎn)向和液壓助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等類型。
2.7 制動(dòng)裝置
電動(dòng)汽車的制動(dòng)裝置同其他汽車一樣，是為汽車減速或停車而設(shè)置的，通常由制動(dòng)器及其操縱裝置組成。


在電動(dòng)汽車上，一般還有電磁制動(dòng)裝置，它可以利用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)電運(yùn)行，使減速制動(dòng)時(shí)的能量轉(zhuǎn)換成對(duì)蓄電池充電的電流，從而得到再生利用。
3 電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵
電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的首要關(guān)鍵，汽車動(dòng)力電池難在 “低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”等三個(gè)要求上。



▲比亞迪刀片電池
氫鎳電池單位重量?jī)?chǔ)存能量比鉛酸電池多一倍，其它性能也都優(yōu)于鉛酸電池；鐵電池采用的是資源豐富、價(jià)格低廉的鐵元素材料，成本得到大幅度降低；鋰是最輕、化學(xué)特性十分活潑的金屬，鋰離子電池單位重量?jī)?chǔ)能為鉛酸電池的3倍，鋰聚合物電池為4倍，而且鋰資源較豐富，價(jià)格也不很貴。
我國(guó)在鎳氫電池和鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)方面均取得了快速的發(fā)展。
電動(dòng)汽車其他有關(guān)的技術(shù)，近年都有巨大的進(jìn)步，如：交流感應(yīng)電機(jī)及其控制、稀土永磁無(wú)刷電機(jī)及其控制、電池和整車能量管理系統(tǒng)、智能及快速充電技術(shù)、低阻力輪胎、輕量和低風(fēng)阻車身、制動(dòng)能量回收等等，這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)汽車日見(jiàn)完善和走向?qū)嵱没?



▲New Hyundai EV platform brings 800V charging
我國(guó)大城市的大氣污染已不能忽視，汽車排放是主要污染源之一，我國(guó)已有10個(gè)城市被列入全球大氣污染最嚴(yán)重的20個(gè)城市之中。
我國(guó)現(xiàn)今人均汽車保有量已經(jīng)超過(guò)每百人17輛汽車，但石油資源不足，每年進(jìn)口超過(guò)6億噸石油，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油進(jìn)口就成為大問(wèn)題。因此在我國(guó)研究發(fā)展電動(dòng)汽車不是一個(gè)臨時(shí)的短期措施，而是意義重大的、長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略考慮。
4 電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)
純電動(dòng)汽車相對(duì)燃油汽車而言，主要差別（異）在于四大部件：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、動(dòng)力電池、車載充電器。相對(duì)于加油站而言，它可以用公用超快充電站進(jìn)行充電。



▲Tesla Model S 48A On-board Charger
純電動(dòng)汽車品質(zhì)差異取決于這四大部件，其價(jià)值高低也取決于這四大部件的品質(zhì)，純電動(dòng)汽車的用途也與四大部件的選用配置直接相關(guān)。
純電動(dòng)汽車時(shí)速快慢和啟動(dòng)速度取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率和性能，其續(xù)行里程之長(zhǎng)短取決于車載動(dòng)力電池容量之大小，車載動(dòng)力電池之重量取決于選用何種動(dòng)力電池，它們體積、比重、比功率、比能量、循環(huán)壽命都各異。這取決于制造商對(duì)整車檔次的定位和用途以及市場(chǎng)界定。
符合國(guó)際和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的純電動(dòng)汽車必定遵守以下幾項(xiàng)：
4.1 電動(dòng)車輛研發(fā)制造運(yùn)營(yíng)必須符合國(guó)家各項(xiàng)相關(guān)法規(guī)。整車、零部件性能必須滿足國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和各項(xiàng)具體要求。
4.2 電動(dòng)車輛是以電為能源，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛的，不再產(chǎn)生新的污染，不再產(chǎn)生易燃、易爆之隱患。
4.3 電動(dòng)車輛儲(chǔ)能用的電池必須是無(wú)污染、環(huán)保型的。且具有耐久的壽命，具備超快充電的功能。車輛根據(jù)用途確定一次充電之續(xù)行里程，以此裝置夠用電量的電池組，充分利用超充以延長(zhǎng)續(xù)行里程。
4.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)有高效率的能量轉(zhuǎn)換。剎車、減速之能量的直接利用和回收，力求車輛之綜合能源利用的高效率。
4.5 根據(jù)車輛用途和行駛場(chǎng)合設(shè)定最高車速，且不得超過(guò)交通法規(guī)的限定值，以合理選擇電動(dòng)機(jī)的功率和配置電池組容量。
4.6 車輛駕駛操作控制簡(jiǎn)單有效、工作可靠，確保行車安全。
4.7 機(jī)械、電氣裝置耐用少維修。車輛運(yùn)營(yíng)之費(fèi)用低廉。
4.8 以目標(biāo)市場(chǎng)需求為依據(jù)，提供實(shí)用、合適車型滿足之，力求做到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、功能諸方面的綜合統(tǒng)一。
5 電動(dòng)汽車簡(jiǎn)史逸聞
早在19世紀(jì)后半葉的1873年，英國(guó)人羅伯特·戴維森（Robert Davidsson）制作了世界上最初的可供實(shí)用的電動(dòng)汽車。這比德國(guó)人戴姆勒（Gottlieb Daimler）和本茨（Karl Benz）發(fā)明汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車早了10年以上。


戴維森發(fā)明的電動(dòng)汽車是一輛載貨車，長(zhǎng)4800mm，寬1800mm，使用鐵、鋅、汞合金與硫酸進(jìn)行反應(yīng)的一次電池。其后，從1880年開(kāi)始，應(yīng)用了可以充放電的二次電池。從一次電子表池發(fā)展到二次電池，這對(duì)于當(dāng)時(shí)電動(dòng)汽車來(lái)講是一次重大的技術(shù)變革，由此電動(dòng)汽車需求量有了很大提高。
在19世紀(jì)下半葉成為交通運(yùn)輸?shù)闹匾a(chǎn)品，寫下了電動(dòng)汽車在人類交通史上的輝煌一頁(yè)。1890年法國(guó)和英倫敦的街道上行駛著電動(dòng)大客車，當(dāng)時(shí)的車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)還相當(dāng)落后，行駛里程短，故障多，維修困難，而電動(dòng)汽車卻維修方便。
在歐美，電動(dòng)汽車最盛期是在19世紀(jì)末。1899年法國(guó)人考門·吉納駕駛一輛44kW雙電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的后輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，創(chuàng)造了時(shí)速106km的記錄。


1900年美國(guó)制造的汽車中，電動(dòng)汽車為15755輛，蒸汽機(jī)汽車1684輛，而汽油機(jī)汽車只有936輛。進(jìn)入20世紀(jì)以后，由于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，1908年美國(guó)福特汽車公司T型車問(wèn)世，以流水線生產(chǎn)方式大規(guī)模批量制造汽車使汽油機(jī)汽車開(kāi)始普及，致使在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中蒸汽機(jī)汽車與電動(dòng)汽車由于存在著技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性能上的不足，使前者被無(wú)情的歲月淘汰，后者則呈萎縮狀態(tài)。
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