电动汽车所涉及到的动力及安全方面的论述

电动汽车所涉及到的动力及安全方面的论述 摘 要 本文通过对国内外电动汽车关键技术的发展现状分析 包括电动汽车的电池 电 机 车身及安全等方面展望了电动汽车的发展趋势 关键词 电动汽车 电池 电机 车身及安全 随着时代的发展 汽车成为了人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具 改变了人们 的生活方式 提高了人们的生活质量 但是汽车要消耗大量的石油资源 排放大量的废气 制造噪音 造成严重污染环境 因此也带来了无法回避的负面影响 据统计数据显示 我国 在2010 年从海外购买了创纪录的2 393亿吨原油 比2009年增加了17 5 给国家造成了沉重 的经济负担 更严重的是目前世界上空气污染最严重的10个城市中我国就占了7个 国家环保 中心预测 到2010 年汽车尾气的排放量将占空气污染源的64 1 迫于能源危机和环境保护的双重压力 世界各国对电动汽车 EV 的研究开发不断升温 日本丰田公司率先开发出混合动力汽车Prius 揭开了电动汽车的时代序幕 至1997 年第一 代Prius 开始销售以来 累计销量已突破100 万辆 1 电动汽车用电池 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 未来电动汽 车用的电池应具备以下特点 1 高比能量 它关系到一次充电可行驶的距 离 2 大功率 它涉及到电动车的加速特性和爬 坡能力 3 长循环寿命 它涉及到流动成本 4 高充放电效率 它涉及到省能源及成本 5 原材料来源丰富 低成本 它涉及到基本 建设费用等 6 安全 它关系到在使用过程中是否可靠 方便 7 易保养 关系到可靠性和方便性 8 与环境友好 涉及到资源能否再生及环境 保护等问题 2 1 1 锂离子蓄电池 锂离子蓄电池是当今各国能量存储技术 研究的热点 已经应用于纯电动汽车和混合 动力汽车中 近年来 在各国政府的支持与 推动下 锂离子电池技术迅速发展 其产业 化也正在向前推进 目前 作为纯电动汽车 独立驱动电源 锂离子电池的比能量还需要 进一步提高 而作为混合动力汽车的辅助电 源 锂离子电池在性能 寿命 安全性等方 面基本符合要求 图1 日产叠层式锂离子电池 1 2 MH Ni蓄电池 MH Ni 蓄电池的使用温度范围为 20 60 实际比能量已达70Wh kg 由 于其具有较高的比容量和比功率 安全性好 无记忆效应 具有良好的耐过充放电特性 循环寿命长 无环境污染 因此也是电动汽 车电池的发展方向之一 1 3 燃料电池 燃料电池 fuel cell 是一种化学电池 它是将物质发生化学反应时释出的能量直接 转变为电能的一类电池 燃料电池的概念是 1839年G R Grove提出的 至今已有大约170 年的历史 1 4 超级电池 超级电池特点可总结为 1 是一种利 用超级电容器为负极 具有组合型电极的新 型设计电源 大幅度改善了常规铅酸蓄电池 充放电性能 2 开发出抑制超级电容器电 极产生氢气的添加剂 提高负极充电效率 3 显著延长了电池循环寿命 因此超级电 池适用于混合动力车等下一代环保机动车 超级电池由蓄电池与超级电容器复合在同一 个电池内 不再另外并联超级电容器 这是 一种最佳的组合形式 超级电池作为一个崭新的复合能源体系 出现在铅酸蓄电池领域 将彻底改写古老传 统铅酸蓄电池的历史 使其在微 小型纯电 动车和增程式电动车上仍然有用武之地 1 5 锌空气电池 锌空气电池是金属空气电池的一种 它 利用金属锌作阳极 空气中的氧气作阴极 氢氧化钾作为电解液 在锌氧化过程中产生 电能 锌空气电池容量大 比能量高 工作 电压平稳 同时环保无污染 原材料易得 价格低廉 一直以来受到人们的高度关注 美国 墨西哥 新加坡及一些欧洲国家都已 在邮政车 公共汽车上进行试用 1 6 电动汽车电池小结 当前电动汽车正处于发展高潮 对于电 动汽车技术的全面发展 重中之重就在于能 量存储技术的提高 动力电池将向着高比能 量 高可靠性 低成本 安全环保方向发展 近阶段 铅酸电池虽然年代久远 但其技术 成熟 成本低 在今后的一定时期内依然具 有竞争能力 仍将拥有一定市场 燃料电池 代表着未来动力电池的发展方向 但其成本 太高 短时间内无法得到大规模商业化 MH Ni蓄电池依然具有优势 锌空气电池有 待开发 锂离子电池具有很多优点 是我们 今后要大力发展的动力电池 3 8 2 电动汽车用电机 电动汽车对驱动电机系统有以下五个方 面的基本要求 1 基速以下输出转矩 以适应车辆的启动 加速 负荷爬坡和频繁起停等复杂工矿 即恒转矩运行 2 基速以上为恒功率运行 以适应最高车 速和超车等要求 3 全速运行范围内的效率最优化 一提高 车辆的续驶里程 4 结构坚固 体积小 重量轻 良好的环 境适应性和高可靠性 5 低成本及大批量生产能力 2 1 直流电机驱动系统 20 世纪90 年代前开发的电动汽车通常 采用直流电机驱动系统 直流电机驱动系统 具有控制器简单 成本低 易于平滑调速 控制相对成熟等优点 但由于直流电机在运 行过程中需要电刷和机械换向器换向 使电 机的效率和转速降低 电动汽车的驱动直流 电机运行时可以运行在电动机状态 也可以 运行在发电机状态 当电动汽车在起动 加 速和恒速运行时 电动机处于电动状态 实 现电能到机械能的变换 以此驱动车辆前进 当电动汽车减速 制动时 控制直流电机处 在发电制动状态 即处于再生制动状态 给 蓄电池充电 电动汽车直流电机驱动系统中 的直流电机通常采用串励电机和他励电机 图2 直流电机及控制器 2 2 永磁无刷电机驱动系统 永磁电动机用途日益广泛 它包括反电 动势为方波的无刷直流电动机和反电动势为 正弦波的永磁同步电动机2种电机 无刷直 流电动机 BLDCM 具有功率密度大 效率高 位置检测方便 控制简单等优点 缺点是换 相电流难以达到理想状况而存在一定的转矩 脉动和噪声 振动 但对应用于有减速装置 和车速要求不高的汽车驱动系统不成问题 所以 无刷直流电动机系统在电动汽车驱动 系统中得到了广泛重视并且得到普遍应用 永磁同步电机在电动汽车特别是高档电 动汽车驱动方面具有很高的应用价值 已经 受到国内外电动汽车界的高度重视 并已在 日本得到了普遍应用 永磁同步电机驱动系 统是最具竞争力的电动汽车驱动系统 图3 所示永磁电机及控制器的实体图 图 3 永磁电机及控制器 2 3 交流感应电机驱动系统 目前 实际应用于电动汽车驱动系统的 电机大部分为感应电机 尤其是在美国和欧 洲国家 感应电机根据转子结构的不同有2 种类型 笼型转子和绕线型转子 笼型感应 电机的效率和功率密度较高 结构简单 运 行可靠 易维护 可靠性大 价格低廉 控 制技术也较成熟 最高转速可达10 000 12 000r min 应用于电动汽车驱动的感应电动机为了 满足电动汽车的性能要求 在设计方面应具 有以下特点 一是尽量减小定转子之间的气 隙 提高功率因数 并同时减小漏抗 提高 电机的转矩 二是要更加注重电机的电磁优 化设计 使转矩 功率和效率达到3 个指标 都较优化的目标 三是要采用质量轻 强度 高的材料 减小其质量和体积 以满足整车 布局的要求 感应电动机具有高度非线性 强耦合性特性 其控制技术难度大 低速性 能不好 传动需要减速机构 容易发热 目 前感应电机的电机本体方面的研究涉及电机 绕组的换接和变极等技术 图4所示感应电 机及控制器的实体 图 4 交流电机及控制器 2 4 开关磁阻电机驱动系统 开关磁阻电动机是一种新型的电动机 其结构比任何一种电动机都要简单 在开关 磁阻电动机的转子上不存在转子导体和永久 磁铁等 开关磁阻电动机的定子和转子均采 用凸极结构 定子和转子都是由硅钢片叠片 组成 定子槽内安装有结构比较简单的集中 式定子励磁绕组 定子端接逆变器通入电流 进行励磁 转子的旋转是通过磁吸引力来驱 动 转速可达15 000r min 图6 所示开关 磁阻电动机的驱动特性 开关磁阻电机及控 制器实体见图5 图5 开关磁阻电机及控制器 2 5 发展趋势 我国车用驱动电机系统有3个技术发展 方向 永磁化 数字化和集成化 永磁化是 指永磁电机具有功率密度和转矩密度高 效 率高 便于维护的优点 采用矢量控制的驱 动控制系统 可使永磁电动机具有宽广的调 速范围 数字化不仅包括驱动控制的数字化 驱动到数控系统 接口的数字化 而且还应该包括测量单元数 字化 用软件最大程度上地代替硬件 除完 成要求的控制功能外 还可以具有保护 故 障监控 自诊断等其他功能 电动汽车应用 一个很大的特征是电机系统的集成化 主要 体现在2 个方面的集成化 1 电机方面 电机与发动机总成 电机与 变速箱总成 电机驱动技术向着集成化的方 向发展有利于减小整个系统的质量和体积 并可以有效的降低系统的制造成本 2 控制器方面 电力电子总成 功率器件 驱动 控制 传感器 电源等 这种集成 方法可以较好地解决不同工艺的电路之间的 组合和高电压隔离等问题 具有较高的集成 度 也可以比较有效地减小体积和质量 国 外的大陆公司 博世等公司已有小批量生产 能力 国内厂商刚起步 还存在分布参数 电磁兼容 传热等具有较高难度的技术问题 并且尚不能有效地降低成本 达到较高的可 靠性 9 11 3 轻型材料在电动汽车车身上的 应用 3 1 高强度钢板 在当今汽车制造业中 车身材料的使用 仍以钢材为主 钢材是目前乃至今后一段时 间汽车制造中最适合的材料 高强度钢板是 在低碳钢板的基础上采用强化方法得到的抗 拉强度在350Mpa以上的钢板 利用其高强度 特性 可以在减薄的情况下 在保持汽车车 身的力学性能要求的同时减轻车身质量 而 且 可以有效地提高汽车车身的抗冲击性能 防止汽车在行驶过程中由于路面的砂石碰撞 而产生凹陷 改善汽车的安全性能 提高汽 车的使用寿命 3 2 铝合金 铝材的吸能性好 在碰撞中的安全性有 明显的优势 而且由于车身质量减轻 在碰 撞时产生的动能减小 从20世纪80年代末 世界上欧 美 日等很多汽车生产厂家与铝 业公司合作加强对铝制汽车车身的研究 福 特公司的Synergy2010混合动力概念车采用 了高强度的铝合金车身等轻质材料 使质量 减轻了1 3 油耗已经达到2 94L 100km 克莱斯勒公司的未来型道奇Intrepid ESX概 念车采用的全铝合金车身质量比钢板车身轻 272kg 大大减轻了汽车的质量 3 3 镁合金 镁是比铝更轻的金属材料 镁合金具有 质量轻 比强度较高 易加工等优点 但其 成本仍然偏高于铝合金 尽管如此 镁合金 的应用前景仍然看好 镁合金的开发与应用 已经成为汽车车身材料发展的一个重要方向 3 4 金属泡沫材料 金属泡沫材料是 20 世纪 90 年代末才出 现的新型材料 但应用速度很快 有些新车 型已经采用了这种材料 金属泡沫材料主要 指泡沫铝 由粉末合金制成 因为这种材料 不仅可以减轻零部件的质量 而且还可以提 高其刚度与抗压陷性能 具有减振 降噪 隔热及吸收较高冲击能量的特点 因此受到 汽车业的重视 可以在轻量化及安全性方面 显示优势 12 13 4 电动汽车电安全设计 4 1 在线绝缘检测设计 电动汽车的运行情况非常复杂 在运行 过程中难免会出现部件间的相互碰撞 摩擦 挤压 导致高压电路与车辆底盘之间的绝缘 性能下降 电源正负极引线将通过绝缘层和 底盘构成漏电流回路 当高压电路和底盘之 间发生多点绝缘性能下降时 还会导致漏电 回路的热积累效应 可能造成车辆的电气火 灾 因此 高压电气系统相对车辆底盘的电 气绝缘性能实时检测是电气安全技术的核心 内容 4 2 运行安全性设计 1 故障报警 电动汽车在运行过程中 如 果出现异常情况 需要仪表或指示器以声或 光报警的形式提醒驾驶员 让驾驶员注意车 辆的异常情况 以便及时处理 避免发生安 全事故 2 降功率运行 电动汽车在运行过程中 如出现系统过电流 驱动电机转速高于限值 驱动电机温度高于限值 电机控制器温度高 于限值 SOC 值过低 系统电压低于限值 单体电池电压低于限值 电池温度高于限值 等情况时 控制系统应降功率运行电机 以 确保整车的安全 3 停车 电动汽车在运行过程中 如出现 系统电压低于限值 单体电池电压低于限值 电池温度高于限值 驱动电池温度高于限值 档位开关失效 踏板故障 电机控制器严重 故障 控制器温度高于限值 控制器模块故 障等 严重绝缘故障 辅助系统 助力油 泵 空气压缩机 严重故障 电机严重故障 电机温度高于限值 电机传感器失效 等 严重故障时 控制系统应立即停止车辆 确 保财产和人身安全 4 3 危险工况的安全性设计 由于动力电池的能量密度远远低于燃油 的能量密度 使得电动汽车的质量有较大增 加 碰撞中需要车辆耗散的动能明显增加 产生的事故后果也更为严重 同时由于电动 汽车集成了大量的高压电气设备和线束 所 以纯电动汽车在发生危险工况下的电安全设 计非常重要 4 4 运行实时监控系统 纯电动汽车运行实时监控系统能采集车 辆运行的各种信息 包括电池信息 驱动系 统信息和车辆信息 跟踪记录每辆车的运行 情况 以远程诊断的方式及时发现车辆故障 缩短故障响应时间 减少维修时间 并通过 对车辆运行参数的评估 对故障进行预测 预防和杜绝重大事故的发生 确保电动汽车 的安全性 纯电动汽车运行实时监控系统具 有以下功能 实时监控电池 电机安全运行 状态 采集车辆运行数据 车辆远程监控 GPS 定位 数据存储管理 统计分析等功能 14 16 结束语 迫于能源危机和环境保护的双重压力 世界各国对电动汽车 EV 的研究开发不断升 温 相信通过对以上所述的电动汽车电池 电机 车身和安全设计等方面的进一步研究 和探索 电动汽车会成为主流选择 参考文献 1 陈清泉 孙逢春 祝嘉光 现代电动汽 车技术 M 北京 北京理工大学出版社 2002 1 22 2 梅小安 张乃平 世界电动汽车技术发 展状况及趋势 J 汽车研究与开发 2004 2 23 3 电动汽车电池应用与展望 刘春娜 4 Scrosati B Garche J Lithium batteries status prospects and future J Journal of Power Sources 2010 195 9 2419 2430 5