電動車及其關鍵技術的進展和應用

www.guilinhy.com 來源：電動車商情網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2006-2-17

現代電動自行車是融合電力電子、機械、控制、材料以及化工等領域各種新技術的綜合產品。我國電動自行車發展的總體目標是生產出在性能和價格上都能媲美于燃油助動車的適合于城市交通的綠色輕便代步工具。實現這一目標的關鍵在于開發高性能、低成本、安全可靠的動力蓄電池。盡管目前電池儲能技術還沒有得到相應的發展。但新型蓄電池如氫鎳電池、鋰電池、鋅—空氣電池和燃料電池的問世和快速充電技術的發明，為電動自行車最終取代燃油助動車提供了樂觀的保證。電氣傳動系統 1、電動自行車對電氣傳動系統的要求電氣傳動系統是電動自行車的驅動和控制中心，其系統結構如圖1所示。對其要求是：結構簡單，外形尺寸小，重量輕，效率高，免維護或少維護。電動自行車的電機應具有高功率密度和圖2所示的矩—轉速特性：基速以下大轉矩，適應車輛負荷爬坡、頻繁起制動等要求；基速以上小轉矩、恒功率，保證車輛在平坦路面上快速騎行。同時，電機在整個轉矩—轉速運行范圍內應保持高效率，以謀求電池一次充電后的續駛里程盡可能長。2、無刷直流電機的控制規律無刷直流電機具有很高的能量密度，其體積僅為相同功率普通直流電機的50％，且重量輕、效率高。用于電動自行車的永磁無刷直流電機有兩類：內轉子和外轉子，其中外轉子電機更適合構成電動輪毅，在電動自行車中有較多應用。電動自行車主要在市區騎行，車速不高，并且起、停頻繁，因此電機普遍采用多極三相結構。控制器為雙向DC／AC變流器，車輛前進(Forward)時，變流器控制電機工作在電動工況；車輛制動時，變流器控制電機工作在發電工況，實現再生制動，將機械能轉換成電能反饋回蓄電池。圖3是由變流器、轉子位置檢測器和永磁同步電機構成的永磁無刷直流電機原理圖。其中變流器為電樞繞組提供雙向電流通路，Ui的大小和極性決定了驅動轉矩的數值和方向，即車輛是前進(Forward)還是制動。電流負反饋保證電磁轉矩跟隨給定指令Ui變化，可有效地提高車輛的運動可控性。限于目前電池的儲能水平，在電動自行車上采用再生制動技術是增加一次充電續駛里程的有效方法。該技術目前還處于研究開發階段。 3、減速系統的作用對于相同功率的電機，額定轉速越高，其額定轉矩和對應的電樞電流就越小，減小電樞電流可降低電機的銅耗和渦流損耗，提高電機效率。采用配有減速裝置的電氣傳動系統，可改善電動自行車的低速動力性能，保證電機始終工作在高速(High Speed)、高效狀態，蓄電池處于小電流放電的最佳工況，帶有減速系統的電機是將機械減速裝置和電機合成一體化的含油電機輪毅。直接車輪驅動的電動自行車采用低速大轉矩電機，車輛低速前行時，電機電樞電流增大，效率降低；蓄電池放電電流大，直接影響蓄電池的使用壽命。但直接車輪驅動方式結構簡單，價格便宜，在電動自行車上被廣泛采用。　蓄電池及其應用技術 1、蓄電池蓄電池及其應用水平始終是制約包括電動自行車在內的電動車輛進步的瓶頸。世界(Mondi)各主要工業國家紛紛投入巨大的人力、物力、財力開發高能量、低價格的蓄電池，日前已達到實用程度的新型蓄電池性能比較見表一。鉛酸蓄電池不適合大功率連續放電，成組一致性差，深度循環會降低能量轉換率和縮短使用壽命，但它的價格優勢是無可辯駁的。并且改進后的免維護全密封閥控式鉛酸蓄電池，其比能量、比功率、快速充電性能等指標均較傳統的鉛酸蓄電池有大幅度提高，因此鉛酸蓄電池仍是我國電動自行車目前的首選動力源。電動車對蓄電池的主要要求是；高能量密度，使電動車有較長的一次充電續駛里程；高功率密度，賦予電動車良好的起動、加速、爬坡性能；長壽命，可有效降低表格：特性鉛酸型電池鎘鎳電池氫鎳電池鋰離子電池比能量/Wh.kg-1 35 55 60 120 能量密度/Wh.L-1 65 85 140 250 單元電壓/V 2.0 1.2 1.2 3.7 放電曲線平坦平坦平坦平坦循環壽命/次 150~140 500~1000 500~1000 600~1000 月自放電率/% 6 15 25 5 制造成本/（美元/kWh） 75-150 100-200 230-500 120-200 記憶效應有有無無環境保護有污染有污染無污染無污染安全性安全安全安全潛在問題研制生產情況生產中生產中生產中實驗中車輛的運行成本。目前還沒有一種蓄電池能夠全面滿足上述要求，但近年來突飛猛進的蓄電池制造技術向人們推出了各具特色的新型電池，如：比能量80Wh/kg、比功率100W／kg的鈉硫電池，重量輕、功率密度大的鋰電池，可以“再生”方式置換陽極電極的鋅—空氣電池，以及能量轉換效率高達80％的燃料電池。這些新型電池的出現打破了鉛酸蓄電池一統天下的格局，正如美國先進電池聯合體(usABc)預言的那樣：鉛酸電池是成熟的，但其性能提高的潛力有限，氫鎳電池是一種較好的中期解決方案，而鋰電池則是未來(Futura)的希望。 2、電池應用技術 1967年由美國科學家J．A．Mas提出了蓄電池充電的麥氏三定律，從而奠定了蓄電池充電的理論基礎。以此為基礎，人們建立了脈沖去極化充電方式，其核心思想是在電池充電前和充電過程中適時地加入放電脈沖，消除電池的極化電壓。實踐證明：與傳統充電方式相比，采用脈沖去極化充電方式不但可以實現快充而且電池循環壽命會延長。因此，脈沖去極化充電方式成為快速充電技術的主流方式。美國、英國、加拿大等國家在20世紀80年代初就研制出了由微機控制的，可向電動自行車、電動汽車提供應急充電服務的公用充電站。雖然目前還沒有關于超快速充電的行業標準，但公認的準則是在15min內向電他補充30％-50％的電量，30min內補充80％的電量760min內完全充電。例如：加拿大Norvik。 Traction的快速充電機，最大輸出功率150kW，可以同時給6個電動汽車充電，15min內給電池補充50％的電量，其價格約10萬美元。目前我國還沒有實用化的公用充電站，與電動自行車電池配套使用的充電器以家用夜充型為主，充電時間8-10h，快速充電器充電時間2-4h。電池電量檢測和電池能量管理系統是繼電池充電技術之后，電池應用中的另兩個主要問題。車載電池電員檢測系統既有傳統燃油汽車的油量計作用，又有防止電池過充、過放的監測環節。用于電動車車輛的電池能量管理系統的作用有：(1)對車載用電系統進行管制，達到電能合理分配使用，最終實現節能目的；(2)監控電池的工作狀態，防止電池過充、過放，及時發現嚴重損壞的單元電池，并采取應急措施防止故障擴大；(3)記錄無放電數據，實現優化充電。國內外電動自行車性能比較電動自行車是全世界(Mondi)電動車輛工業中發展最快的。目前，日本的松下、三菱(Mitsubishi)重工、雅馬哈、本田，德國的奔馳(mercedes-benz)、大眾(Volkswagen)，美國的艾科卡等已致力于電動自行車的規模化生產。其產品以助力型(power asistant system，簡稱PAs)為主，pas的特點是把人力與電能在不需要特殊操作的情況下巧妙地結合起來：當車速小于20km／h的，助力比為1：1；車速大于20km／h時電動車自動切斷電源，車輛依靠人力騎行。顯然助力系統的目的不在于提高速(High Speed)度，而是在保證安全的前提下通過減小騎行負荷達到節約騎車人體力的目的。我國電動自行車以全電動型為主，其主要參數為最高時速20km/h、工作電壓24v/36v，一次無電續駛里程40-55km，整車重量35-38kg，電機功率130-180W，電機普遍采用永磁無刷直流電機，其控制器選用功率MosFET為主開關管，具有限流、欠壓、電機過熱和剎車斷電等保護功能。縱觀國內外電動自行車的發展情況，就電動車自身而言，國產車、進口車并無明顯差距，但國產電動自行車有明顯的價格優勢，一般在人民幣3000-4000元/輛，而美國達到1800美元/輛，歐洲達2000美元/輛，日本650-1500美元/輛。我國電動自行車產業的發展有別于其它家電行業，它一開始就在走國產化的道路(Strada)。中國的電動自行車有著光明的市場(Rialto)前景。相信隨著電池儲能技術的改進和應用水平的提高，電動自行車一定能成為城市綠色代步工具。■