電動汽車對充電機充電技術(shù)的要求解析
2017-7-28 10:55:05??????點擊：
1 引 言
世界汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，推動了世界經(jīng)濟交通能源工業(yè)等各方面的發(fā)展，卻也帶來了很大弊端；燃油造成的大氣污染日益嚴重。加之目前世界石油資源日益枯竭。因此，百余年來作為人類最主要交通工具之一的汽車的動力系統(tǒng)以燃油為根本的地位開始發(fā)生動搖，而電動汽車這一無污染且能源又可多樣化配置的動力方案已引起世人的普遍關(guān)注。
電動汽車的誕生距今已有120年的歷史，但長期以來，一直無法解決充電機充電蓄電池高功率容量及充電機充電等方面的問題，只好讓燃油汽車壟斷市場。進入本世紀80年代末，節(jié)能與環(huán)保問題已成為世界各國所關(guān)注的主要社會發(fā)展問題，進而電動汽車的研究又成為許多發(fā)達國家及各大汽車公司的重要發(fā)展項目。由于近年來高新技術(shù)的飛躍發(fā)展，新型高能充電機充電蓄電池不斷開發(fā)利用，以及充電機充電燃料電池的應(yīng)用成功，使電動汽車進入了一個新的發(fā)展時期，開始步入實用化階段?？梢灶A(yù)計，21世紀將是電動汽車風靡全球的新時代。
2 電動汽車的發(fā)展過程
電動汽車和內(nèi)燃機汽車同樣歷史悠久，早在世界第一輛燃油汽車誕生于1886年之前，1881年在法國巴黎街上就出現(xiàn)了世界上第一臺電動汽車，它是法國工程師Gusave Trouve裝配的以充電機充電蓄電池為動力的三輪車。此后電動汽車曾盛行一時，1904年，紐約、波士頓和芝加哥等大城市，有1/3的車輛是電動的，其中不僅有轎車，也有載貨車。1915年，美國電動汽車的產(chǎn)量達5000輛。但由于電動汽車的充電機充電蓄電池太重，充電機充電時間長，每一次充電機充電后的行車路程太短，同時汽油機技術(shù)發(fā)展趨于完善，其輕便、快速、舒適，一次加油能持續(xù)行駛400-500公里，燃料費低廉且價格便宜，由于這些原因，使電動車輛逐漸沒落了。然而在20世紀末，隨著排放法規(guī)的日趨嚴格，電動汽車的優(yōu)點便顯現(xiàn)出來，同時科學的進步也使電動車輛的實用化成為可能?，F(xiàn)代電動汽車絕不是百年前陣舊技術(shù)的重復(fù)，它是汽車、電力拖動、電子、智能控制、化學能源、計算機、新能源、新材料工程技術(shù)最新成果的集成產(chǎn)物。
3 電動汽車的技術(shù)現(xiàn)狀
電動汽車與燃油汽車在外形上沒有什么區(qū)別，它們之間的主要區(qū)別見下表一，其余部分基本相同。
表一 電動汽車與燃油汽車的差別
|
名稱 |
燃油汽車 |
電動汽車 |
|
能源系 |
汽油(柴油) |
蓄電池 |
|
動力系 |
發(fā)動機(內(nèi)燃機) |
電動機 |
|
速度控制系 |
變速器、離合器 |
調(diào)速控制器 |
|
傳動系 |
變速器、離合器、傳動軸、驅(qū)動橋 |
傳動軸、驅(qū)動橋(固定減速器) |
3.1.1 直流電機驅(qū)動系統(tǒng)
直流電機驅(qū)動系統(tǒng)120世紀90年代前的電動汽車幾乎全是直流電動機驅(qū)動的，該系統(tǒng)中的電機為有刷直流電機。這種驅(qū)動系統(tǒng)具有起步快、加速牽引力大、成本低、易于平滑調(diào)速、控制器簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點，但是直流電機本身效率低，體積大、重量大，換向器電刷限制了它的轉(zhuǎn)速提高，其最高轉(zhuǎn)速在6000-8000r/min之間。
3.1.2 感應(yīng)電機交流驅(qū)動系統(tǒng)
該系統(tǒng)是90年代發(fā)展起來的新技術(shù)，目前尚處于發(fā)展完善階段。其電機采用轉(zhuǎn)子鼠籠結(jié)構(gòu)的三相交流感應(yīng)電動機；電機控制采用矢量控制的變頻調(diào)速方式。其與直流電機驅(qū)動系統(tǒng)相比，具有效率高、體積小、重量輕、免維護、壽命長等優(yōu)點，能很好滿足汽車實際行駛的需求。目前只是交流電機控制器械成本較高。
3.1.3 永磁同步電機交流驅(qū)動系統(tǒng)
永磁同步電機交流驅(qū)動系統(tǒng)的電機包括無刷直流電機和三相永磁同步電機。三相永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率最高，體積最小，重量最輕，也無直流電機的換向器和電刷等。但該類驅(qū)動系統(tǒng)永磁材料成本較高，只在小功率的電動汽車中得到了一定的應(yīng)用。
這三類驅(qū)動系統(tǒng)中，永磁同步電機交流驅(qū)動系統(tǒng)是最有希望的高性能電機，是電動汽車的發(fā)展方向。目前，世界上眾多著名的電動汽車中，多數(shù)采用感應(yīng)電機交流驅(qū)動系統(tǒng)。例如豐田E-com電動車、日產(chǎn)Hypenmini電動車。
3.2 電動汽車的能源系統(tǒng)
從目前國外電動汽車發(fā)展水平來看，制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素是動力充電機充電蓄電池不理想。電動汽車充電機充電蓄電池的主要性能指標是比能量、比功率和使用壽命。目前正在使用和開發(fā)的動力充電機充電蓄電池主要有以下幾種:
3.2.1 充電機充電鎳鎘蓄電池
充電機充電鎳鎘蓄電池應(yīng)用廣泛程度僅低于充電機充電蓄電池，其比能量可達55WH/Kg，比功率190W/Kg，可以快速充電機充電，循環(huán)使用壽命長，為充電機充電蓄電池的2倍以上，可達2000多次；但其價格較高且存在重金屬鎘污染問題。由法國產(chǎn)的雪鐵龍貝靈格電動車采用該型充電機充電蓄電池。
3.2.2 充電機充電鎳氫蓄電池
充電機充電鎳氫蓄電池比能量可達75-80WH/Kg，比功率達160-230W/Kg，循環(huán)使用壽命超過600次，隨著充電機充電鎳氫蓄電池技術(shù)的發(fā)展，其比能量可超過80WH/Kg，循環(huán)使用壽命可超過2000次，遠景價格可降至150美元/KwH。豐田E-com電動車采用該型充電機充電蓄電池，該車最高車速可達100公里/小時，行駛里程100公里。
3.2.3 充電機充電鋰電池
充電機充電鋰電池最大優(yōu)點是比能量高，鋰離子充電機充電蓄電池理論值可達570WH/Kg，因此受到各汽車公司的重視。其目前的比能量為100WH/Kg，比功率為200W/Kg，循環(huán)使用壽命為1200次，充電機充電時間2-4小時。日產(chǎn)Hypenmini電動車采用該型充電機充電蓄電池，其最高車速達100公里/小時，行駛里程為130公里。
3.2.4 充電機充電飛輪電池
充電機充電飛輪電池是90年代才提出的新概念充電機充電蓄電池，它突破了化學充電機充電蓄電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。即把電能轉(zhuǎn)化為飛輪的動能，使用時再將動能轉(zhuǎn)化為電能。充電機充電飛輪電池中有一個電機，充電機充電時，該電機以電動機形式運轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動下，電機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給充電機充電飛輪電池“充電機充電”—增加飛輪的轉(zhuǎn)速從而增加其動能；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉(zhuǎn)。在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能到電能的轉(zhuǎn)換。當飛輪輸出電能時，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降。充電機充電飛輪電池中的飛輪是在真空環(huán)境下運轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高(高達200000r/min)，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，充電機充電飛輪電池的比能量可達150WH/Kg ，比功率可達5000—10000W/Kg，使用壽命長達25年。美國飛輪公司已用最新研制的充電機充電飛輪電池將一輛克萊斯勒LHS轎車改裝成電動汽車，它一次充電機充電可行駛600公里，由0到96公里/小時的加速時間為6.5秒。
3.2.4 充電機充電燃料電池
充電機充電燃料電池是一種將儲存在燃料(氫氣或碳氫化合物)和氧化劑(氧氣或空氣)中的化學能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。與目前的熱力發(fā)動機相比較，充電機充電燃料電池直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能。由于不通過熱機過程，故不受卡諾循環(huán)的限制，因而具有很高的能源轉(zhuǎn)換率，在理論上可達100%，實際效率已60%-80%，是普通內(nèi)燃機的2-3倍。充電機充電燃料電池的燃料和氧化劑由外部源源不斷地供給，與普通充電機充電蓄電池相比，不需要更換或充電機充電，因而能象發(fā)動機一樣源源不斷地向外部供應(yīng)能量。
車用充電機充電燃料電池試驗和試用最多的是質(zhì)子交換膜充電機充電燃料電池和磷酸充電機充電燃料電池。它沒有復(fù)雜的運動機構(gòu)，而且生成物主要是水，因此運行平穩(wěn)且無污染。戴姆勒·克萊斯勒汽車公司成功利用充電機充電燃料電池技術(shù)，制成首輛可駕駛的“零污染環(huán)保汽NECAR4”。該車在充足電后可不停行駛450公里，最高時速可達145公里。美國的通用和福特汽車公司以及日本本田公司等，均表示會在2004年開始向市場推出充電機充電燃料電池車。制造成本高是充電機充電燃料電池商業(yè)化所面臨的主要問題，目前充電機充電燃料電池的制造成本約為30美元/KW，而高性能內(nèi)燃機的制造成本則是5美元/KW，另外，其比功率僅為常規(guī)內(nèi)燃機的1/3。在“99上海國際汽車展”上，福特汽車公司展示了該公司最新研制的充電機充電燃料電池汽車P2000SWUV越野概念車，該車采用甲醇制氫的技術(shù)，實現(xiàn)化學能到電能的轉(zhuǎn)換，意味著福特公司已在充電機充電燃料電池方面取得突破性進展。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和進步，充電機充電燃料電池前景是不可估量的。
另外，還有鈉硫充電機充電蓄電池、鈣硫充電機充電蓄電池、太陽能充電機充電蓄電池等多種充電機充電蓄電池也在研究開發(fā)中。
4 國內(nèi)外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀
4.1 國外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀
據(jù)OECD 10個國家(美國、加拿大、法國、英國、瑞典、荷蘭、瑞士、丹麥、德國、日本)的統(tǒng)計，當今公路上跑的電動車輛大約有4500-5000輛，不包括低速電動車。
現(xiàn)有商品化電動車，充電機充電后可在城市路況下行駛50-80公里，最高時速70- 90km/h；車輛裝備大多是充電機充電蓄電池和直流馬達；車輛改型也比較經(jīng)濟快捷，都是在現(xiàn)有內(nèi)燃車輛的基礎(chǔ)上更換相關(guān)零件。電動汽車現(xiàn)有的使用水平，僅僅能提供城區(qū)用戶的基本要求。
在美國、日本、西歐等發(fā)達國家，電動汽車已開始進入實用化階段。由于高新技術(shù)發(fā)展的推動和政府對汽車排放越來越苛刻的要求，各大汽車公司在電動汽車方面展開了激烈競爭，不斷推出各自的新產(chǎn)品。
4.1.1 日本電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀
日本政府直接參與推動電動車發(fā)展的事業(yè)，并作出具體布置和計劃:1.整頓、更新充電機充電蓄電池充電機充電站；2.研制輕量、長壽充電機充電蓄電池；3.降低電動車生產(chǎn)成本；4.建立電動車協(xié)會；5.制定電動車普及的稅利計劃，準備對購買電動車者予以補助和免除法人稅制等。另外，日本政府還制定了《電動汽車普及應(yīng)用計劃》，其主要內(nèi)容有:到2000年實現(xiàn)電動汽車自然地被人們接受并得到普遍使用；2000年時全國電動汽車產(chǎn)量要達到10萬輛，保有量達到20萬輛；2000年時電動汽車一次充電機充電行駛時程(40km/h等速行駛)達到250km，最高車速達到120km/h，充電機充電蓄電池壽命達4年；價格為同級內(nèi)燃機汽車的1.2倍。近期工作的任務(wù)是:健全電動汽車普及應(yīng)用綜合推進體制，研究開發(fā)小型高性能充電機充電蓄電池。
在應(yīng)用研究方面，日本東京電力公司和日本研究開發(fā)公司，聯(lián)合研制成功“IZA”豪華型電動車，采用288V充電機充電鎳鎘蓄電池作為驅(qū)動電源，設(shè)有制動能量回收裝置，車身采用碳纖維強化塑料制品制成。該車最高車速可達176km/h，一次充電機充電行駛里程高達544km(40km/h等速行駛)，創(chuàng)下了當今電動車的世界之最。日產(chǎn)公司研制成功薄而輕的充電機充電鎳鎘蓄電池，用一組超薄電極，配以高濃度溶液，散熱性能好、質(zhì)量輕、
充電機充電時間短，6min可充至40%的額定容量，15min完全充滿。該充電機充電蓄電池已在日產(chǎn)公司的未來型電動車(FEV)上使用，該車一次充電機充電后，能以72km/h的速度行駛160km。
在商品化生產(chǎn)上，日本各大汽車公司和電力公司紛紛推出所研制的電動車。五十鈴公司與COPP公司共同開發(fā)的2噸級電動汽車，已在1994年投入使用；豐田公司推出一種電動小客車，可用柴油也可用充電機充電蓄電池作動力，城鄉(xiāng)兼用；馬自達公司的MX-5型電動車在今后幾年內(nèi)投入市場；東京電力公司的一種高性能電動汽車是在車輪上直接安裝驅(qū)動系統(tǒng)，最高車速180km/h，一次充電機充電行駛里程500km以上。
4.1.2 美國電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀
美國和日本在電動車的研制開發(fā)方面均處于世界領(lǐng)先地位。為了抗衡日本在電動汽車方面的競爭，1992年美國政府資助3.5億美元，讓通用、福特、克萊斯勒三大汽車公司組成美國先鋒電子財團(VS-ABC)積極從事電動車的開發(fā)，重點研究的課題是:1.新型充電機充電蓄電池；2.輕質(zhì)材料在電動車上的應(yīng)用；3.低滾動阻力的輪胎；4.制動再生電能系統(tǒng)；5.快速充電機充電裝置。
同時，美國政府為了推動電動車的開發(fā)進程，不斷制定有關(guān)法規(guī)。特別是美國加州已經(jīng)頒布了“零排放”的汽車排放法規(guī)，并規(guī)定了階段性實現(xiàn)的保有量份額。這一法案的實施，迫使各汽車廠家競相推出最新的電動汽車，除了通用公司的“沖擊”牌電動車之外，克萊斯勒公司的道廳EDIC微型電動面包車也同樣令人注目，該車裝用鎳鐵充電機充電蓄電池，備有自動加水系統(tǒng)，220V電壓充電機充電，8h充滿，最高時100km/h。最近，美國一汽車公司與奧沃內(nèi)克充電機充電蓄電池公司聯(lián)合，旨在開發(fā)新一代充電機充電蓄電池:一次充電機充電可行駛480km，從0加速到96km/h只需8s，中期目標是充電機充電蓄電池使用壽命16萬km，充電機充電時間僅為15min，長期目標是使電動車的性能可與燃油汽車媲美，并降低費用。
4.1.3 德國電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀
德國在電動汽車研制方面也不甘落后，奔馳等三大汽車公司曾籌集5000萬馬克，1992年開始在德國北部的呂根島上進行了最新一代電動車的試驗，對先進的高能充電機充電蓄電池和電動機進行選型。
電動車用的鈉硫充電機充電蓄電池一直是德國在充電機充電蓄電池研制方面領(lǐng)先于世界的一項新技術(shù)。這種充電機充電蓄電池與傳統(tǒng)充電機充電蓄電池相比，能量相當，但質(zhì)量只有傳統(tǒng)充電機充電蓄電池的1/4，體積為其1/2，使用壽命則在15萬km以上。德國寶馬(BMW)公司的兩種新型電動汽車E1和E2就使用了這種鈉硫充電機充電蓄電池，它從0加速到50km/h用不到6s的時間，加速到80km/h，只需12.7s，最高時速為125km/h，最大續(xù)駛里程427km，也屬世界領(lǐng)先水平，該車將于1997年投入批量生產(chǎn)。大眾汽車公司的“奇科”牌電動車，則利用一臺雙缸汽油機為其氫化鎳充電機充電蓄電池充電機充電，最高時速130km，續(xù)駛里程500km，100km油耗僅1.5L，是較理想的電動汽車。此外，大眾公司還與美國博施(BUSE)公司合作生產(chǎn)燃油、電動混合驅(qū)動型“奧迪100-D”型電動轎車。
4.1.4 法國電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀
70年代的石油沖擊使法國對電動汽車開發(fā)較早，并進行了不同類型的電動汽車實驗，在技術(shù)上取得了很大進展。
法國的標致—雪鐵龍集團公司長期致力于實用電動汽車的開發(fā)。1989年，該集團成為世界上第一個向商業(yè)車隊和城市銷售電動大蓬車的制造商，它的電動垃圾車在巴黎使用了135臺，全國300臺。充電機充電蓄電池幾乎都用充電機充電蓄電池。SAFT公司正著力充電機充電鎳鎘蓄電池的研究。目前，該公司已擬定了一項叫作“綠色”事業(yè)的電動汽車發(fā)展計劃，它的四個實施階段為:1.推廣“標致”牌JI和“雪鐵龍”牌C15E及C25新型電動汽車；2.1995年推廣“標致”牌106型和“雪鐵龍”牌AX電動汽車，這兩種車型既可供車隊使用也可家用，該車已經(jīng)試制成功；3.用10年時間推出另一種全新設(shè)計的新型電動汽車—“希特拉”牌；4.發(fā)展陸路渦輪電動汽車，在電動汽車上裝上渦輪發(fā)動機，將為該車提供長途行駛所需要的動力。
5、對充電機充電技術(shù)的要求
隨著電動汽車的逐步推廣和產(chǎn)業(yè)化以及電動汽車技術(shù)的日益發(fā)展，電動汽車對充電機充電站的技術(shù)要求體現(xiàn)了一致的趨勢，要求充電機充電站盡可能向以下目標靠近。
1、充電機充電快速化
相比發(fā)展前景良好的鎳氫和鋰離子動力充電機充電蓄電池而言，傳統(tǒng)鉛酸類充電機充電蓄電池以其技術(shù)成熟、成本低、充電機充電蓄電池容量大、跟隨負荷輸出特性好和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，但同樣存在著比能量低、一次充電機充電續(xù)駛里程短的問題。因此，在目前動力充電機充電蓄電池不能直接提供更多續(xù)駛里程的情況下，如果能夠?qū)崿F(xiàn)充電機充電蓄電池充電機充電快速化，從某種意義上也就解決了電動汽車續(xù)駛里程短這個致命弱點。
2、充電機充電通用化
在多種類型充電機充電蓄電池、多種電壓等級共存的市場背景下，用于公共場所的充電機充電裝置必須具有適應(yīng)多種類型充電機充電蓄電池系統(tǒng)和適應(yīng)各種電壓等級的能力，即充電機充電系統(tǒng)需要具有充電機充電廣泛性，具備多種類型充電機充電蓄電池的充電機充電控制算法，可與各類電動汽車上的不同充電機充電蓄電池系統(tǒng)實現(xiàn)充電機充電特性匹配，能夠針對不同的充電機充電蓄電池進行充電機充電。因此，在電動汽車商業(yè)化的早期，就應(yīng)該制定相關(guān)政策措施，規(guī)范公共場所用充電機充電裝置與電動汽車的充電機充電接口、充電機充電規(guī)范和接口協(xié)議等。
3、充電機充電智能化
制約電動汽車發(fā)展及普及的最關(guān)鍵問題之一，是儲能充電機充電蓄電池的性能和應(yīng)用水平。優(yōu)化充電機充電蓄電池智能化充電機充電方法的目標是要實現(xiàn)無損充電機充電蓄電池的充電機充電，監(jiān)控充電機充電蓄電池的放電狀態(tài)，避免過放電現(xiàn)象，從而達到延長充電機充電蓄電池的使用壽命和節(jié)能的目的。充電機充電智能化的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下方面：
●優(yōu)化的、智能充電機充電技術(shù)和充電機充電機、充電機充電站;
●充電機充電蓄電池電量的計算、指導(dǎo)和智能化管理;
●充電機充電蓄電池故障的自動診斷和維護技術(shù)等。
4、電能轉(zhuǎn)換高效化
電動汽車的能耗指標與其運行能源費緊密相關(guān)。降低電動汽車的運行能耗，提高其經(jīng)濟性，是推動電動汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素之一。對于充電機充電站，從電能轉(zhuǎn)換效率和建造成本上考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇具有電能轉(zhuǎn)換效率高，建造成本低等諸多優(yōu)點的充電機充電裝置。
5、充電機充電集成化
本著子系統(tǒng)小型化和多功能化的要求，以及充電機充電蓄電池可靠性和穩(wěn)定性要求的提高，充電機充電系統(tǒng)將和電動汽車能量管理系統(tǒng)集成為一個整體，集成傳輸晶體管、電流檢測和反向放電保護等功能，無需外部組件即可實現(xiàn)體積更小、集成化更高的充電機充電解決方案，從而為電動汽車其余部件節(jié)約出布置空間，大大降低系統(tǒng)成本，并可優(yōu)化充電機充電效果，延長充電機充電蓄電池壽命。
- 上一篇：初學直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計容易出的錯誤 2017/7/29
- 下一篇：非隔離式直流穩(wěn)壓電源的共模電流問題探討 2017/7/28
