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引言 汽车的能源消费占世界能源总消费的近四分之一。随着发展中国家经济水平的提高,汽车的保有数量在急剧增加,由此而引起的能源与环境问题就显得更加严重。 当今世界面临能源与环境的双重危机之机,要求汽车工业提高汽车的能源使用效率，减少污染物质的排出量。但是,仅通过改善现有内燃机车的性能来解决这一问题是很困难的。开发电动汽车(Electric Vehicle,简称EV)是解决这一问题的有效途径之一。 现在的内燃机运行在经济转速时效率约为38%、2400转时约为25%、2000转时约为18%、1500转时低于15%，因汽车在市内行驶中有频繁的停车、低速行驶、待信号灯等，其最终效率不超过12%。而电动汽车无机器空转损失，电池的80%以上的能量可由电动机转为汽车的动力，即使考虑原油的发电效率、送配电效率、充放电效率等，其最终可得到19%以上的能量效率。电厂发电不需要用汽油，其经济效率极大于内燃机的经济效率。另外，电动汽车在制动时有回收能量的特点。这个比较在计算时仅以汽车行驶能量为对象，实际上电能有多种来源方式，还需考虑制造所用能量等，这一结果与其它文献的结果基本相附。 电动汽车成本主要就在电池、充电机、驱动电机、控制器和电源转换设备等产品组成，约占到整车造价成本50—60%。电池品种不同和储电量不同，其总体造价差异很大，另外电动汽车之储电量加大多少，使成本成倍增长，如锂电池装备轿车，续行里程300km，电池成本约4万元以上，500km以上续行里程，电池成本为8万元以上，这使研发思路放在是白天行驶晚上充电上，为了使续行里程不亚于燃油汽车，就构成了电池成本的居高不下。 根据动力源的不同，电动汽车通常分为混合动力电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车三大类（其实燃料电池汽车是纯电动汽车的一种，由于燃料电池的特殊性，将其单独立为类）。其中，纯电动汽车由于现有动力电池技术原因，续驶里程短，成本高，现有的电动汽车价格是常规汽车的约3倍，使其普及困难，适用范围受到较大限制；燃料电池汽车也由于燃料电池技术尚未发展成熟、成本高，大批量投入市场也需很长一段时间。 新型锂电池能量密度大于250 Wh/Kg(瓦时/公斤)，能量效率高达95%；这锂电池成本低、易大规模生产、安全环保；制造成本也只有目前市面上电动汽车锂电池的一半价格。 下面主要讨论：500km以上续行里程，电容量在60KW/H，20万以内的经济型电动汽车实现的主要技术。
经济型电动汽车
成本挑战 电机系统成本是电动汽车/混合动力汽车市场化的重要障碍之一 EV/HEV
动力系统成本构成； – 电池或燃料电池 – 电力电子； – 电机； – 减速器/变速箱。 1
电动汽车用电动机性能要求 电动车用驱动电机通常要求能够频繁启动/停车、加速/减速, 低速和爬坡时要求高转矩, 高速行驶时要求低转矩, 并要求变速范围大。其主要参数包括: 电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、可靠性和成本等。另外为电动机所配置的电子控制系统和驱动系统也会影响驱动电动机的性能。 1) 高电压。在允许范围内尽量采用高电压, 可减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸, 特别是可降低逆变器的尺寸。 2) 高转速。高转速电动机体积小、质量轻, 有利于降低电动汽车的整车整备质量。 3) 质量轻。电动机采用铝合金外壳, 以降低电动机质量、各种控制器装备的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能轻。 4) 较大的起动转矩和较大范围的调速性能。这样使电动汽车有良好的启动性能和加速性能。电动机有自动调速功能, 因此可以减轻驾驶员的操纵强度, 提高驾驶的舒适性, 并且能达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。 5) 效率高、损耗少, 并具有制动能量回收功能。电动汽车应具有最优化的能量利用, 以在车载总能量不变的情况下最大限度的增加续驶里程, 再生制动回收的能量一般可达到总能量的10%～20%, 这是在内燃机汽车上不能实现的。 6) 必须有高压保护设备。 7) 可靠性好、耐温耐潮性能强及运行时噪声低。 8) 结构简单、维修方便及价格便宜。 2
纯电动汽车用电动机性能参数初步确定原则： 设计内燃机为动力的汽车时, 一般先根据汽车预期的最高车速来初步选择内燃机的功率。作为纯电动汽车的动力源———电机,
其速度- 扭矩特性与内燃机的截然不同, 同时电机又有过载和“堵转”特性, 所以合理选择电机的功率和传动比, 将对纯电动汽车的动力性及整车续驶里程产生重大影响。下面是确定电机重要基本参数的数学模型。 2.1 以连续行驶最高车速确定电机额定功率
式中:
m———最大车重, kg; f———滚动摩擦系数;
A———车辆迎风面积,
2.2 以常规车速确定电机额定转速
式中:
r———滚动车轮半径,
m。
2.3 以额定功率/转速确定电机额定转矩
式中:
2.4 以最大爬坡度确定其短时工作线低速转矩假定以匀速爬坡, 车辆所受阻力项中没有加速阻力, 则所需电机驱动力为:
式中:
f———滚动阻力系数 滚动阻力系数 这是在车速为50千米每小时的速度跑的路面类型 滚动阻力系数 良好的沥青或混凝土路面 0.010——0.018 一般的沥青或混凝土路面 0.018——0.020 碎石路面 0.020——0.025 良好的卵石路面 0.025——0.030 坑洼的卵石路面 0.035——0.050 压紧土路：干燥的 0.025——0.035
雨后的 0.050——0.150 泥泞土路（雨季或解冻期） 0.100——0.250 干沙 0.100——0.300 湿沙 0.060——0.150 结冰路面 0.015——0.030 压紧的雪道 0.030——0.050 这里取f=0.02 Fw———电动汽车行驶时的空气阻力, Fw= ;
再根据车辆驱动力与电机输出轴转矩关系式便可得出所需转矩: M= (5)
电动机性能必须分为连续工作性能和短时工作性能, 其连续工作特性曲线由电机的额定值来确定, 短时工作特性曲线是电机过载一定倍数之后的转矩功率特性曲线。由公式( 1) ～( 5) 计算后所得的参数便可满足以下基本原则: 1) 用电机的额定工况计算电动汽车的最高车速; 2) 用电机的短时工作性能曲线计算车辆的最大爬坡度; 3) 电动汽车的常规车速应落在电机的基频上; 4) 电动汽车最高车速功率平衡点应落在电机连 续工作性能曲线的等功率段上。
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设计计算 下面是要开发的一辆纯电动汽车的基本参数和目标性能要求( 见表1～表4) ,以上面所述计算原则为基础, 可初步绘出所需电机的特性曲线, 并以此为参考选择电机。
表1
整车基本参数
表2
目标性能参数
表3
计算结果( 假设以2 档速比1.333 为固定速比)
表4
由上面计算数据可初步确定电机基本参数
满足要求的电机特性曲线如下图表1 所示。
图表1 电机扭矩特性示意
说明:以图表1 为参考选择电动机。图2 中要着重控制电机的连续工作特性曲线, 对短时工作曲线要控制电机在1061 r /min 转速时扭矩T 要达到200N·m。
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讨论 电机驱动系统是纯电动汽车的核心组成部分,所以对电动机的选型就显得非常重要。由于电机的低速恒扭矩和高速恒功率的特性, 以及一般电机在基速、低转矩范围内效率和功率因数比较高, 故常把车辆的常规车速放在基速上, 把最高车速放在等功率线上。可根据本文所介绍方法计算出电机的性能参数, 绘出车用电机所应具有的特性曲线图, 可用于生产电机或初步快速选定电机, 然后根据所选电机实际性能, 确定出车辆实际的最高车速、最大爬坡度及加速性能等。这里的计算实例采用了固定速比的传动系统,这是对传动系统的一种简化形式, 在实际应用中要综合考虑变速箱所能承受的最大扭矩以及所允许的最大转速等; 另外, 虽然通常来说高转速电机效率较高, 综合性能也较好, 但高转速会带来电机控制系统实现的难度, 因此这对矛盾也是需要统筹考虑的。
从以上表3可知，电动车在车速相对较低速的时候能耗少，这是与内燃机动力车本质区别。现在的内燃机效率约为38%，汽油的发热量是8320kcal/l,若把它换算成能量密度大约是13073Wh/kg(汽油的密度约为 这里以坐满5人（以每人75公斤计算），最大总质量1375公斤计算。如果仅驾驶员一人，则消耗10.37度电、二人消耗10.82度、三人消耗11.27度、四人消耗11.73度。 去年禁掉的电动三轮车，车重大约为300公斤铅蓄电池约182公斤（重26公斤12V100A/H蓄电池7只）储电能约8KW/H，装载货物可行驶60多公里左右。这与表3中的常规车速项基本相符。
5 电动车电机方案 5.1永磁磁阻同步电机先进性 永磁磁阻式同步电机是一种较新型的同步电机，该电机既具有永磁同步电机高功率密度、高效率、高功率因数及体积小等特点，又综合了同步磁阻电机宽范围调速的特点。 5.2永磁磁阻同步电机可行性 额定功率： 定子外径D的尺寸取决于电机的额定容量和额定工作频率，可参照普通电机进行选择。由于该电机设计的额定工作频率为300HZ，是工频的6倍，所以该电机的尺寸比同容量的工频电机要小很多。28KW的电机可按4.5KW的工频电机尺寸选择设计。如定子外径D的尺寸偏大，则电机的铁心长度将减小；如定子外径D的尺寸偏小，则电机的铁心长度将增大。 定子外径D=222mm，定子内径D=157mm，定子采用工字形模块组合型
定子 转子外径156.5mm内篏24块50×20×5mm钕铁硼强磁。现在市场价格约10元左右，与普通10千瓦感应电机成本仅增加120元左右。如图
转子
电动汽车成本主要就在电池、充电机、驱动电机、控制器和电源转换设备等产品组成，约占到整车造价成本50—60%。
分解器(旋转变压器) 分解器是一款在汽车行业内被普遍使用的坚固传感器，不受磁场干扰和污垢影响，而且在角度检测过程中不受摩擦损耗的影响。它由一个永久连接于电机轴(电机旋转器)的轮子和一个永久附着于电机外壳的环形定子组成。该定子至少包含一个励磁线圈和两个传感器线圈。通过增加极对数可以实现更高的分辨率。 图2显示的就是分解器。励磁线圈配备模拟正弦信号。该模拟信号通过磁耦合(感应)传输到两个传感器线圈，相互设置在90度的位置。对由分解器传回的模拟正弦和余弦信号的评估需要一个轴角数字转换器(RDC)，它用来从模拟数据中确定角度位置和速率。
图2：分解器示意图和机械结构。 分解器在性能和和准确度方面可能并不比其他竞争技术优越，但它们更耐用，在污垢和极端温度等环境下能提供更好的保护。即便在静止的状态下，它也可以随时检测电机的绝对位置，而增量式编码器和霍尔传感器则不能执行该功能。
表5
表贴式永磁电机曾用于本田EV Plus 纯电动汽车和Insight 混合动力汽车 · 本田第二代系统则采用永磁磁阻电机（内置式永磁电机IPM），与第一代相比： · 力矩密度提高15% ； · 功率密度提高64% · 效率提高3% · 最高转速提高25%
匹配电池与电机电压：引入高压DC-DC Converter好处：
– 在不改变电池电压的前提下提高电机的控制电压，从而提高电机的输出功率。 – 利用大功率DCDC实现直流母线电压动态调节，提高系统效率及可靠性。 – 大功率DC/DC可用于匹配控制两种不同的电源（如电池+燃料电池，电池+超级电容器等），实现电-电混合。
低成本控制器 电机控制器是通过集成电路的主动工作来控制电机按照设定的方向，速度，角度，响应时间进行工作。使得电机应用范围更为广泛，输出效率更高，噪音更小等优点。主要有无刷直流控制器，感应电机控制器（变频器），永磁电机制器等，它们都有一个共同结构，由IGBT组成的三相全桥功率回路。如下图。人们最常见的控制器就是变频器了。50KW国产的就要1万多了，小功率的才几百元一个，其控制电路及软件基本相同，高功率的控制器成本主要在功率回路，即IGBT器件电路。大功率IGBT内部也是由多片小IGBT芯组成的；现在电磁炉用IGBT管子价格已经很低，只有几元钱一片了。我们可以用多只管子组成一个模块，制作低成本控制器。这样几十元的模块，就可以达到几百元一块的效果。因此低成本控制器也就能够实现了。
电动车控制器PCU
功率模块内阻在运行中产生损耗Ploss · 这些功率损耗通过一连串的热阻Rθ最终散到环境中 · 为保证可靠性，需要保证IGBT芯片的工作温度不超过其允许的限度（150oC） · 温升模型：ΔT= Ploss * Rθ。重要的任务是减少Ploss和Rθ · 根据实际要求选择冷却方式（水冷或风冷） 采用双面冷却构造实现小型
双面冷却构造上图。由于散热面积增大，因此比单面冷却更容易冷却。单位体积的输出功率比原来提高了60％。在相同的输出功率情况下，体积则可比原来减小约30％，重量减轻约20％。
PCU具有逆变器和升降压转换器的作用。逆变器具有将充电电池的直流电压转换成马达驱动用交流电压的功能以机将马达再生的交流电压转换成直流电压的功能。升降压转换器用来升高和降低充电电池供应给马达的电压。
IGBT模块
电动汽车功率模块冷却部件
两档变速系统，电动车的最佳变速。 电机尺寸取决于峰值力矩 采用减速机可以在不改变功率的前提下大大降低峰值力矩从而降低电机的体积和成本。 根据实际应用需要优化配置电机与变速箱（减速机）组合。 低速档（相当于普通汽车的一档） 能有效改善山区道路的多湾道多坡道运行性能。 改善低速制动能量回收性能 采用行星齿轮减速系统，这样比较简单零件少，成本低。主减速比1.333×4.35=5.799，这样与表1中的三档相近。内齿圈56齿，行星轮15齿，太阳轮24齿。由行星轮架输出；减速比2.333，太阳轮与行星架之间装油浸式离合器，离合器分减速，减速比为2.333×1.333=3.11，比表1中的一档略低（表一中1档为3.585）。离合器合不变速，内齿圈装单向轴承。 表6
计算结果( 假设以低速档 档速比2.333，近普通汽车一档速比3.11)
由表6可知山区道路工作在连续工作区。 新型锂电池 电动汽车用蓄电池必需满足:： 1．贮能密度高(一次充电行驶距离长)。 2．功率（能量）输出密度高(加速性能、爬坡性能好)。 3．寿命长。 4．维修、保养费低。 5．安全性高(包括对环境的安全性)。 6．价格低,有再利用性等技术要求。 1.
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一薄片金属锂，用特殊的复合膜紧密包裹，将其置于pH值呈中性的流酸锂水溶液中，与正极材料尖晶石锰酸锂组装，即可制成平均充电电压为4.2V、放电电压为4.0V的新型锂电池。这结构锂电池能量密度大于250 Wh/Kg(瓦时/公斤)，能量效率高达95%。 这锂电池成本低、易大规模生产、安全环保，采用水溶液作为电解质，阻燃性增强；使用过程中不易发烫发热，安全性提高。 复合膜用高分子材料和无机材料制成，电池的能量损耗降到5%以下。 这锂电的制造成本也只有目前市面上电动汽车锂电池的一半价格。
循环周期 以电流密度为100毫安/克，根据库仑效率几乎是100%，除第一周期外，这是用于锂离子电池的类似的质量的
在传统的锂金属二次电池，锂金属作为负极材料的使用受到限制，主要是锂枝晶的安全问题，因为他形成在反复的充放电过程中导致短路。在这里设计中，如在图1中示出，锂金属涂敷由凝胶GPE和LISICON膜。GPE能有效抑制锂枝晶的形成，由于其较高的粘度比的有机液体电解质。即使当锂枝晶形成，它们不能生长通过LISICON膜。其结果是，确保Li金属阳极的安全性和循环性能。 水电解质具有高的热容量，能吸收大量的热量。在相同的充电和放电过程中，比常规的锂离子电池该系统的温度要低得多。此外，水或含水电解质与Li金属阳极和
凝胶GPE 凝胶聚合物电解质膜GPE是多组分体系，将PMMA溶于 新型锂电池用凝胶聚合物电解质膜GPE由PVDF（聚（乙烯基氟乙烯））/ PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）/聚偏氟乙烯，溶于由碳酸亚乙酯，碳酸二乙酯和碳酸二甲酯（体积比为1摩尔的/L Lisicon膜 1.
原料 天然高岭土 2.
制备 Lisicon按下面的反应式进行反应：
3.
原料预处理 反应前将
4 膜制备方法 复合膜的制备:
干燥氮气中于100 ℃将计量的聚丙烯腈(PAN ,
上海石化生产, 相对分子量: 黏均相对分子量为(5.
5 × 现在锰酸锂只需3万8一吨，二氧化铅也要3万多一吨，成本已经与铅蓄电池正极接近，容量是铅蓄电池近六倍。普通锂电池要求极面积大，隔膜、铜泊、铝泊面积也大，因此成本高，新型锂电池可以做成如铅蓄电池那样的厚极板。电池成本可由原来的8万降到近2万。60千瓦时的锂电池组，约需140公斤（5320元），4公斤金属锂（600×4=2400元），也就是原料成本要一万多。
混合动力汽车
现在市场上有销售电动车增程发电机，也就是买了电动车又私自变成了混合动力车。由此看,电池质能比与汽油可利用的质能比未接近时，在电动汽车的基础上增加汽油发动机是有必要的，改善高速性能。也就是需要以电动为主,发动机为辅的车。那么发动机应选多大？以上面表3中115Km/h车速所需的功率为依据，也就是不小于26千瓦，由此额定功率在30千瓦左右是最佳选择。发动机要求尽可能小的体积和重量。
混合动力电动汽车分类
串联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、驱动电机和蓄电池组等部件组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。
并联式混合动力电动汽车
混联式混合动力电动汽车
由于发动机在电动车上的特殊要求，现在摩托车上水冷发动技术已经十分成熟，单缸250在18千瓦左右，在此基础上开发双缸对置500发动机能满足要求。这只需改变曲轴、曲轴箱及一个凸轮轴，其它另件都可利用。 发电机采用爪极式电机，汽车上用的发电机就是砺磁爪极式电机，爪极永磁同步电机的永久磁铁形状简单，极间漏磁大，磁铁过载能力强，机械强度高，普遍用于变流机和变频机，发电机的制造容量自数百瓦到数千瓦。当频率在1000Hz以内时，制造容量可达数十千伏安。
ISG技术 传统汽车动力传动系统中，同时安装起动电机和发电机。发动机起动时起动机带动发动机飞轮旋转实现发动机起动。为了满足车用电器的电能需求，还需在汽车上安装发电机，通过皮带传动与发动机主轴相连，产生的电能存储于蓄电池中。
传统的发电机成本低易批量生产，通过起动控制电子装制可以提高发动机的寿命并能够实现简单的起停功能。但缺点是显而易见的，发电机功率小，功能单一，只能实现起停控制。传动需要皮带传动或齿轮传动装置，发电机功率受限制，没有电动驱动功能。起动系统易磨损。为了发动机降低油耗，提高能量效率，并使发动机模块化和简单化，现代汽车上越来越多地采用各种电子控制辅助装置（例如燃油泵，准确水泵，动力转向，助力制动，阀门控制装置）。同时为了提高机动车的舒适性和安全性，汽车电器需求功率不断增大，传统汽车的14V电源系统已经逐渐不能满足需要，现代汽车的电源系统正在向42V到14V电源系统过渡，最终将发展到42V系统。增加蓄电池的容量，在42V到14V电源或42V电源系统中可采用更大功率电动机（10KW以上），取代飞轮以及原有的起动电机、发电机。这就是集成一体化启动发电机技术。
爪极永磁同步电机中的爪极式转子的优点为： ①永久磁铁形状简单，易加工，磁化状态均匀，磁性好，利用程度高。 ②横向电枢反应在爪极中闭合，磁铁几乎不受影响，气隙磁场稳定，不会发生不可逆畸变。 ③爪极之间的漏磁较大，纵轴电枢反应对电机的去磁作用较小，磁铁具有较强的过载能力。 ④爪极系统结构有良好的阻尼作用，瞬态短路电流对磁铁的作用近似于稳态短路屯泫的作用，可以采用稳态短路电流稳定。 ⑤机械强度高，结构牢固，磁铁外径较小，表面线速度不高。 ⑥圆环形磁铁的充磁和利用程度与极靴无关，适合于极数较多或频率较高的中频发电机。 然而，爪极式转子也存在一些缺点，主要表现在： ①爪极法兰盘结构比较复杂，制造困难、费时。 ②当发电机速度较高或容量较大时，爪极昀离心力很大，爪子可能向外弯曲，甚至根部发生断裂。 ③爪极和法兰盘所占的整个转子体积的比例较大，在容量相同的条件下，电机重量增加百分之20～25，不宜作为工频发电机。 ④由于爪极部分有轴向磁通，爪极截面积又不宜过大，因此爪极部分的磁势降较大。 ⑤爪极必须采取整体结构，不能用叠片，爪极中涡流及磁滞损耗较大，导致效率下降。
这混合动力汽车主要以纯电动运行为主（离合器分），在65公里时速以上剩余80%电能以下时，以串行混合动力模式运行（离合器分），高速上，100公里时速以发动机动力为主（离合器合），超车加速时由电机辅助加速。
这里在技术上讨论经济型电动车的实现，性能期望达到普桑这类车的效果。后部分说的混合动力，是期望改善电动车在高速上行使里程短的缺点，并达到最经济效果，每百公里耗油约4升。 |
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