一、概述

    本節(jié)所講述的電動(dòng)汽車是指以蓄電池或燃料電池為動(dòng)力、在市區(qū)街道或城間公路上行駛的用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車，不包括無軌電車及在車站、碼頭或廠區(qū)內(nèi)使用的電動(dòng)叉車和普通的電瓶車。

 
    世界上第一輛電動(dòng)汽車，是1873年由英國人R·戴彼特遜用手工制作的。此后，電動(dòng)汽車發(fā)展很快，自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，電動(dòng)汽車幾乎成為汽車的主流。以美國為例，在此期間的汽車保有量中，蒸汽機(jī)汽車占40％，電動(dòng)汽車占38％，內(nèi)燃機(jī)汽車只占22％。1915年，美國電動(dòng)汽車的年產(chǎn)量達(dá)5000輛。但是，隨著汽油機(jī)汽車的發(fā)展及普及，電動(dòng)汽車便逐漸衰落了。其原因是電動(dòng)汽車充電時(shí)間長，續(xù)駛里程短，這就限制了它的應(yīng)用。然而，在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重和石油資源面臨危機(jī)的20世紀(jì)末，世界各國又興起了研究、開發(fā)和使用電動(dòng)汽車的熱潮。很多國家為了鼓勵(lì)生產(chǎn)和使用電動(dòng)汽車，實(shí)行多項(xiàng)優(yōu)惠政策：或撥出巨款對(duì)生產(chǎn)電動(dòng)汽車的廠家和購買電動(dòng)汽車的客戶給予資助或補(bǔ)貼；或免收電動(dòng)汽車用戶的牌照稅、養(yǎng)路費(fèi)以及夜間充電只收一半的電費(fèi)等。1990年，美國加里福尼亞州議會(huì)通過一項(xiàng)強(qiáng)制推廣電動(dòng)汽車的法規(guī)。這項(xiàng)法規(guī)要求：在1998年的汽車總銷售量中，必須有2％的零排放污染汽車；到2000年，零排放污染汽車應(yīng)占汽車總銷售量的3％；2001年達(dá)5％；而2003年增至10％。目前，只有電動(dòng)汽車能做到零排放污染。

    近年來，電動(dòng)汽車有了較大的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)，尤其是高新技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車技術(shù)也有了長足的進(jìn)步。

車名 車種 公司名 蓄電池
類型  驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)
類型  功率
(kW)
 最高車速
(km/h)  續(xù)駛里程
(km)  生產(chǎn)年份
EVI 轎車 通用 鉛酸 三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 102 128   1997
ALTRA EV 轎車 尼桑(北美) 鈷基鋰離子 永磁同步電動(dòng)機(jī) 64 120   1997
P2000 轎車 福特 質(zhì)子交換膜 三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 67 128 160 2000
燃料電池
NECAR5 轎車 戴姆勒-克萊斯勒 甲醇燃料   75 150   2000
電池
BMW EI 轎車 寶馬 鈉硫 永磁無刷 32 120 160-230  
直流電動(dòng)機(jī)
Insight
混合動(dòng)力型  轎車 本田 鎳氫 永磁同步電動(dòng)機(jī) 10      
三缸發(fā)動(dòng)機(jī) 50kW?
(5700r/min)
Prius
混合動(dòng)力型 轎車 豐田 鎳氫 永磁同步電動(dòng)機(jī) 33 160   2000
四缸發(fā)動(dòng)機(jī) 52kW?(4500r/min)
Reva EV 轎車 印度 鉛酸 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 13 65 80 2001
YW6-120DD 大客車 中國遠(yuǎn)望   三相異步電動(dòng)機(jī)   90 150 1996
 

電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)是：

1)在行駛中無廢氣排出，不污染環(huán)境，所以電動(dòng)汽車可稱為"零排放污染汽車"。

2)能源有效利用率高。按10種行駛方式對(duì)電動(dòng)汽車與汽油機(jī)汽車能源利用總效率的比較。

3)振動(dòng)及噪聲小，車廂內(nèi)外十分安靜。

4)結(jié)構(gòu)簡單，維修使用方便。

電動(dòng)汽車目前尚存在下列缺點(diǎn)：

1)一次充電所能行駛的里程短。裝載與汽油質(zhì)量相同的鉛酸蓄電池的電動(dòng)汽車，其續(xù)駛里程僅為汽油機(jī)汽車的1/70。

2)成本高。蓄電池及電機(jī)控制器價(jià)格昂貴是電動(dòng)汽車成本高的主要原因。另外，蓄電池壽命短，折舊費(fèi)高。

3)充電時(shí)間長，一般需要6～10h。

二、電動(dòng)汽車的組成

電動(dòng)汽車由電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等三部分組成。

    電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和車輪，其功用是將存儲(chǔ)在蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輪的動(dòng)能，并能夠在汽車減速制動(dòng)時(shí)，將車輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能充入蓄電池。后一種功能稱作再生制動(dòng)。

    電源系統(tǒng)包括電源、能量管理系統(tǒng)和充電機(jī)，其功用主要是向電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電能、監(jiān)測電源使用情況以及控制充電機(jī)向蓄電池充電。

    輔助系統(tǒng)包括輔助動(dòng)力源、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、空調(diào)器、照明及除霜裝置、刮水器和收音機(jī)等等，借助這些輔助設(shè)備來提高汽車的操縱性和乘員的舒適性。

    典型的電動(dòng)汽車組成。圖中雙線表示機(jī)械連接，粗線表示電氣連接，細(xì)線表示控制信號(hào)連接，線上的箭頭表示電功率或控制信號(hào)的傳輸方向。

    各個(gè)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車上的布置各式各樣，這是因?yàn)樵陔妱?dòng)汽車上能量是通過柔性的電線而不是通過剛性聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)軸傳輸?shù)?，因此，電?dòng)汽車各個(gè)系統(tǒng)或各個(gè)部件的布置有很大的靈活性。例如一輛電動(dòng)機(jī)前置，前輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車。充電機(jī)經(jīng)汽車前端的充電接口向置于汽車尾部的蓄電池充電。在汽車行駛時(shí)，蓄電池經(jīng)控制器向電動(dòng)機(jī)供電。來自加速踏板的信號(hào)輸入控制器并通過控制器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪。

三、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

    電動(dòng)汽車的電力驅(qū)動(dòng)方式基本上可分為電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)兩種。由電動(dòng)機(jī)、固定速比減速器和差速器等構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，由于沒有離合器和變速器，因此可以減少機(jī)械傳動(dòng)裝置的體積和質(zhì)量。

    另一種電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置形式，它與前輪驅(qū)動(dòng)、橫向前置發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油汽車的布置形式相似，將電動(dòng)機(jī)、固定速比減速器和差速器集成一體，兩根半軸連接兩個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪，這種布置形式在小型電動(dòng)汽車上應(yīng)用最普遍。

    電動(dòng)機(jī)和固定速比的行星齒輪減速器安裝在車輪里面，沒有傳動(dòng)軸和差速器，從而簡化了傳動(dòng)系統(tǒng)。但是，電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)方式需要兩個(gè)或四個(gè)電動(dòng)機(jī)，其控制電路也比較復(fù)雜，這種驅(qū)動(dòng)方式在重型電動(dòng)汽車上有較廣泛的應(yīng)用。?

    電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在20世紀(jì)90年代以前主要采用直流電動(dòng)機(jī)。它具有起動(dòng)加速時(shí)驅(qū)動(dòng)力大、調(diào)速控制簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但是直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流由電刷和換向器引入，換向時(shí)產(chǎn)生電火花，換向器容易燒蝕，電刷容易磨損，需經(jīng)常更換，維護(hù)工作量大。接觸部分存在摩擦損失，不僅使電機(jī)效率降低，還限制了電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速。 

    目前，無換向器真流無刷電動(dòng)機(jī)已經(jīng)面世，它由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角傳感器和電子開關(guān)控制電路組成。其中電子開關(guān)控制電路起到了普通直流電動(dòng)機(jī)中換向器的作用。直流無刷電動(dòng)機(jī)既有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，又具備運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗、運(yùn)行成本低和調(diào)速性能好等特點(diǎn)。因此，它在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用與日俱增。例如，寶馬公司生產(chǎn)的BMW EI電動(dòng)汽車和東京電力公司開發(fā)的IZA電動(dòng)汽車，均采用永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)輪。

    交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車上廣為應(yīng)用，這是因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以取消機(jī)械變速器，實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，使傳動(dòng)效率大為提高。另外，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，再生制動(dòng)能量的回收也更加簡單。當(dāng)采用鼠籠型轉(zhuǎn)子時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、價(jià)格便宜、工作可靠、效率高和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

    另一種用于電動(dòng)汽車上的交流電動(dòng)機(jī)是交流同步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)以永磁材料替代同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組時(shí)，則這種永磁同步電動(dòng)機(jī)可以取消電刷和滑環(huán)，而且沒有勵(lì)磁繞組的銅損，它比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率還要高，體積還要小。? 

    開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)被公認(rèn)是一種極有發(fā)展前途的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。它的定子和轉(zhuǎn)子均由普通硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子上既無繞組，也無永磁體，只在定子上繞有集中繞組。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有普通直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、成本低，可在極高的轉(zhuǎn)速下工作，能適應(yīng)高溫和強(qiáng)振動(dòng)的工作環(huán)境；②起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速性能好；③調(diào)速范圍廣，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性；④在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都有很高的效率。

    電動(dòng)汽車用的功率轉(zhuǎn)換器用作不同頻率的DC-DC轉(zhuǎn)換和DC-AC轉(zhuǎn)換。DC-DC轉(zhuǎn)換器又稱直流斬波器，用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。兩象限直流斬波器能把蓄電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為可變的直流電壓，并能將再生制動(dòng)能量進(jìn)行反向轉(zhuǎn)換。DC-AC轉(zhuǎn)換器通常稱作逆變器，用于交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓均可調(diào)的交流電。電動(dòng)汽車一般只使用電壓輸入式逆變器，因其結(jié)構(gòu)簡單又能進(jìn)行雙向能量轉(zhuǎn)換。

四、電源系統(tǒng)? 

     電源是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的因素。作為電動(dòng)汽車的電源應(yīng)該具有高比能和高比功率等性能，以滿足汽車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程的要求。另外，還應(yīng)具有與汽車使用壽命相當(dāng)?shù)难h(huán)壽命、效率高、成本低和免維護(hù)等特點(diǎn)。

    目前用于電動(dòng)汽車上的電源主要是蓄電池，其次是燃料電池。蓄電池是能量存儲(chǔ)裝置，通過外界充電實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能；燃料電池是能量生成裝置，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。蓄電池技術(shù)成熟，價(jià)格合理，而燃料電池則被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的電動(dòng)汽車動(dòng)力源。

    蓄電池的主要性能指標(biāo)有：①比能量--單位電池質(zhì)量所能存儲(chǔ)的電量(W·h/kg)，是評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車整車質(zhì)量和續(xù)駛里程的指標(biāo)；②能量密度--單位電池體積所存儲(chǔ)的電量(W·h/L)，它影響蓄電池的尺寸；③比功率--單位電池質(zhì)量所能輸出的功率(W/kg)，是評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車加速性、爬坡能力及最高車速的指標(biāo)；④功率密度--單位電池體積所能輸出的功率(W/L)；⑤循環(huán)壽命--蓄電池充、放電一次稱為一個(gè)循環(huán)，循環(huán)壽命表示更換電池前所能完成的循環(huán)數(shù)。循環(huán)壽命短，將增加電動(dòng)汽車的維護(hù)費(fèi)用。? 

1.蓄電池

    鉛酸蓄電池廣泛地應(yīng)用于電動(dòng)汽車上，其主要原因是技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，可靠性好，單體額定電壓高(2.0V)。另外，輸出電流大以及良好的高、低溫性能等均適合電動(dòng)汽車使用。但是鉛酸蓄電池存在比能量低，充電時(shí)間長，使用壽命較短等缺點(diǎn)。

    鎳隔(Ni-Cb)電池比功率大，比能量高，可快速充電，使用壽命長，抗電流沖擊能力強(qiáng)，工作溫度范圍寬(-40℃～85℃)，在較大的放電電流范圍內(nèi)電壓變化較小等，成為電動(dòng)汽車很具吸引力的電源。但是生產(chǎn)成本高(約為鉛酸電池的2～4倍)，單體額定電壓只有1.2V，重金屬鎘具有致癌性等，限制了它在電動(dòng)汽車上的廣泛應(yīng)用。

    鎳氫(Ni-MH)電池與Ni-Cd電池有許多相同的特性，但由于無鎘，因此不存在重金屬污染問題，被稱為"綠色電池"。批量生產(chǎn)的成本約為鉛酸電池的四倍。Ni-MH電池單體額定電壓為1.2V，其負(fù)電極為經(jīng)吸氫處理后的儲(chǔ)氫合金，正電極為氫氧化鎳，電解液為KOH溶液。

    鈉硫(Na-S)電池有很高的比功率和比能量，但其工作溫度高，再加上鈉的活化性和腐蝕性，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上必須保證堅(jiān)固和安全。Na-S電池以熔融態(tài)鈉為負(fù)電極，熔融態(tài)硫?yàn)檎姌O，陶瓷β-Al2O3作電解質(zhì)，并作為離子傳導(dǎo)媒介和熔融態(tài)電極的隔離物，以避免電池自放電。

    鋰離子(Li-Ion)電池自20世紀(jì)90年代初問世以來發(fā)展很快。雖然目前鋰離子電池仍處于開發(fā)階段，但在Nissan　FEV、Nissan　Prairic　Joy和Altra等電動(dòng)汽車上都采用鋰離子電池。它具有單體額定電壓高，比能量和能量密度高和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是自放電率高。 

2.燃料電池

    燃料電池是燃料與氧化劑通過電極反應(yīng)將其化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池不需要充電，只要外部不斷地供給燃料和氧化劑，就能連續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電。電動(dòng)汽車用燃料電池的燃料為氫和甲醇，氧化劑為空氣。燃料電池具有比能量高、使用壽命長、維護(hù)工作量少以及能連續(xù)大功率供電等優(yōu)點(diǎn)。另外，燃料電池電動(dòng)汽車可達(dá)到與燃油汽車相同的續(xù)駛里程。(如下左圖)

    根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、溶融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池五類。適于電動(dòng)汽車用的有堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。在燃料電池中，燃料作負(fù)電極的工作物質(zhì)，在負(fù)電極發(fā)生氧化反應(yīng)；氧氣(空氣)作正電極的工作物質(zhì)，在正電極發(fā)生還原反應(yīng)。在堿性燃料電池中，氫氣和氧氣(空氣)分別吸附在用活性炭制成的電極上，并將兩個(gè)電極置于KOH電解液中，若接通外電路，便有電流流過負(fù)載。

    使用鎳作為正電極的催化劑，鋰鎳氧化物作為負(fù)電極的催化劑，可以加速電池的反應(yīng)過程。質(zhì)子交換膜燃料電池使用固體隔膜作電解質(zhì)，隔膜夾在正、負(fù)電極之間，并以鉑作電極反應(yīng)的催化劑。