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1、电动汽车动力传动系的结构与工作原理摘 要：能源危机已经逐渐成为世界面临的最重大问题之一。电动汽车的发展应运而生。电动汽车的动力传动系统又是其核心技术，本文主要对电动汽车中的蓄电池，电动机以及控制器的结构和工作原理进行了阐述。关 键 词:电动汽车 蓄电池 电动机 控制器The Works And Structure Of Power Transmission For Electric VehicleLIU Xue Lai( School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jia
2、ngsu, China)Abstract: Energy crisis has become one of the most important issues which all the people have to face. Due to this problem, the development of electric vehicle comes into being. Power transmission is the core technology for electric vehicle. The article mainly makes a set about the works
3、 and structure of electric vehicles storage battery, electric motor and motor controller. Keyword: Electric Vehicle Storage Battery Electric Motor Motor Controller 前言能源短缺、环境污染、气候变暖是全球汽车产业面临的共同挑战，各国政府及其产业界积极应对，纷纷提出各自发展战略，新能源汽车已经成为21世纪汽车工业的发展热点。我国是一个能源短缺的国家，尤为重视新能源汽车的研发。其中，纯电动汽车是新能源汽车的重中之重。纯电动汽车是以电池为储
4、能单元，以电动机为驱动系统的车辆。通常地，容量型驱动力电池即可满足实用要求。纯电动汽车的特点是结构相对简单，生产工艺相对成熟，缺点是充电速度慢，续驶里程短。因此适合与行驶路线相对固定，有条件进行较长时间充电的车辆。1. 概述1.1 动力传动系统动力传动系统是电动汽车最主要的系统，电动汽车运行性能的好坏主要是由其动力传动系统的性能决定的。电动汽车动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、变速器、主减速器、等组成。电机控制器接受从加速踏板（相当于内燃机汽车的油门）、刹车踏板和PRND（停车、倒车、空档、前进）控制按键的输出信号，控制电动机的旋转，通过减速器、传动轴、差速器、半轴等机械传动装置驱动车轮旋
5、转。车辆减速时，电机对车辆前进起制动作用，这时电机处于发电机制动的运动状态，给蓄电池充电，也就是所谓的再生制动。电动汽车的再生制动功能是非常重要的，根据对电动汽车的实际运行测试结果表明，再生制动给作为储能动力源的蓄电池补充的能量，能是电动汽车一次充电之后行驶里程增加。动力传动系统的构成框图如1.1所示。在有的情况下，把电机、减速器与传动装置、车轮做成一体，称之为电动轮，这时的差速器是靠电器方法实现的。带电动轮的电动汽车的动力传动系统的构成框图如图1.2所示。1.2 电动汽车动力传动系统布置方案目前，电动汽车动力传动系统具有一下几种布置方案：第一种和传统内燃机传动系统布置方案一样，仍带有变速器，
6、主要是为了提高电动汽车的起动扭矩及增加低速时电动汽车的后备功率，如图1.3a中所示。装有这种传动系统的电动车主要是由内燃机汽车改装而成。第二种布置如图1.3b中所示，这种传动系统的最大特点是取消了离合器和变速器，因此对电动机的要求较高，不仅要求有较高的起动转矩，而且要求较大的后备功率，以保证电动汽车的起车、爬坡、加速超车等动力性能。第三种和第四种的布置比较接近，都是直接将电动机驱动轮和驱动轴上，如图1.3c和1.3d所示。这两种传动系统都是直接由电机实现变速、差速，它不仅要求电动机性能好，有较高的起动转矩，较大的后备功率，而且对控制系统的要求很高。控制系统不仅要有较高的控制精度，而且具备良好的
7、可靠性，从而保证电动汽车安全、平稳的行驶。由于电动汽车传动系统中的变速器、差速器、传动轴等与传统内燃机传动系差别不大，本文不再赘述其结构及其工作原理。2. 蓄电池电池是电动汽车的动力源，是能量的存储装置，也是目前制约电动汽车发展的关键因素。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键是开发出比能量高，比功率大、使用寿命长、成本低的电池。2.1铅酸蓄电池2.1.1铅酸蓄电池的分类和结构 铅酸蓄电池的基本结构如图2.1。铅酸蓄电池是由正负极板、隔板、电解液、溢气阀、外壳等部分组成。极板是铅酸蓄电池的核心部件，正极板上的活性物质是二氧化铅，负极板上的活性物质为海面状纯铅。隔板是隔离正、负极板，防止短路；作为
8、电解液的载体，能够吸收大量的电解液，起到促进离子良好扩散的作用；它还是正极板产生的氧气到达负极板的“通道”，以顺利建立氧循环，减少水的损失。电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定比例配制而成，主要作用是参与电化学反应，是铅酸蓄电池的活性物质之一。电池槽中装入一定密度的电解液后，由于电化学反映，正、负极板间会产生约为2.1V的电动势。溢气阀位于电池顶部，起到安全。密封、防暴等作用。2.1.2铅酸蓄电池的特点铅酸蓄电池主要有一下有点：1. 电压较高，为2.0V；2. 价格低廉；3. 可制成小至1Ah大至几千安时的各种尺寸和结构的蓄电池；4. 高倍率放电性能良好，可用于引擎起动；5. 高低温性能良好，可在-4
9、0C-60C条件下工作；6. 电能效率高达60%；7. 易于识别电荷状态。铅酸蓄电池的缺点：1 比能量低；2 使用寿命短，使用成本高；3 充电时间长；4 铅是重金属，存在污染。2.1.3铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池使用时，把化学能转换为电能的过程叫放电。在实用后，借助于直流电在电池内进行化学反映，把电池变为化学能储蓄起来，这种蓄电池过程称作充电。铅酸蓄电池是酸性蓄电池，其化学反应式为：充电时，把铅板分别和直流电源的正、负极相连，进行充放电电解，还原反应式为阳极的氧化反应为充电时总反映为铅酸蓄电池放电时如图2.2所示放电时蓄电池阴极的氧化反应为 阳极的还原反应为 放电时总反映为蓄电池充电的时候
10、，随着电池端电压的升高，水开始被电解，当电池电压达到约2.39V/单体时，水的电解不可被忽略。水电解时阳极和阴极的化学反应式为 阳极给出的电子，阴极得到电子，从而形成了回路电流。端电压越高，水的电解也越激烈，此时冲入的大部分电荷参加水电解，形成活性物质很少。2.2镍氢电池镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型电池。它的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要有储氢合金支撑，是一种碱性蓄电池。2.2.1镍氢电池的结构镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电解液等组成。如图2.3所示。镍氢电池正极是活性物质氢氧化镍，负极是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质，在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单体
11、电池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。镍氢电池的极板有发泡体和烧结体两种，发泡体极板的镍氢电池在出厂前必须进行预充电，且放电电压不能低于0.9V，工作电压也不太稳定，特别是在存放一段时间后，会有近20%的电荷流失，老化现象比较严重，为避免发泡镍氢电池老化所造成的内阻的增高，镍氢电池在出厂钱必须进行预充电。经过改进的烧结体极板的镍氢电池，其烧结体基本本身就是活性物质，不需要进行活性处理，也不需要进行预充电，电压平衡，稳定，遇有低温放电性能好、不易老化和寿命长的优点。图2.3 镍氢电池的基本结构2.2.2镍氢电池的特点镍氢电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用性等许多优点
12、。与铅酸蓄电池相比，镍氢电池除具有比能量高、质量轻、体积小、循环寿命长的特点以外，还有一下特点。1.比功率高，目前能达到1350W/kg；2.循环次数多；3.无污染，为21世纪“绿色环保电池”；4.耐过充过放；5.无记忆效应；6.使用温度范围宽。正常温度范围-30C-55C；7.安全可靠。短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热、耐震动等安全性，可靠性试验无爆炸、燃烧现象。2.2.3镍氢电池的工作原理镍氢电池是将物质的化学反应产生的能量直接转化成电能的一种装置。镍氢电池有镍氢化合物正电极、储氢合金负电极、以及碱性电解液组成。密封一次镍氢电池的性能特点主要取决于本身体系的电极反应。如图2.4
13、所示。图2.4 镍氢电池充放电原理充电时正、负极的化学反应为 放电时正、负极的化学反应为 当镍氢电池以标准电流放电时，平均工作电压为1.2V。当电池以8C率放电时，端电压将至1.1V时，则认为放电完成。电压1.1V称为8C率放电时的放电终止电压（0.6-0.8V）。2.3锂离子电池锂离子电池是1990年有日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，是目前世界最新一代的充电电池。2.3.1锂离子电池的结构锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。结构如图2.5所示1. 正极正极物质在锰酸锂离子电池以锰酸锂为主要原料，在磷酸铁离子电池中以磷酸铁锂为主要原料，在钴镍锂离子电池中以钴镍锂为主要
14、材料。在正极活性物质中再加入导电剂、树脂黏合剂，并涂覆在铝机体上，呈细薄成分布。2. 负极负极活性物质是有碳材料与黏合剂的混合物再加上有机溶剂调和制成糊状，并涂覆在铜基上，呈薄层状分布。3. 隔板隔板的工程是关闭或阻断通道的作用，一般使用聚乙烯活聚丙烯材料的微多孔膜。所谓关闭或阻断功能是电池出现一场温度上升，阻塞或阻断作为离子通道的细孔，使蓄电池停止充放电反应。隔板可以有效防止因外部短路等引起的过大电流而使电池产生异常发热现象。这种现象即使产生一次，电池就不能正常使用。4. 电解液 电解液是以混合溶剂为主体的有机电解液。为了使主要电解质成分的锂盐溶解，必须具有高电容率，并且具有与锂离子相容性好
15、的溶剂，即不阻碍离子移动的低粘度的有机溶液为宜，而且在锂离子蓄电池的工作温度范围内，必须呈液体状态，凝固点低，沸点高。电解液对于活性物质具有化学稳定性，必须良好适应充放电反应过程中发生的剧烈的氧化还原反应。又由于使用单一溶剂很难满足上述严酷条件，因此电解液一般混合不同性质的几种溶剂使用。5. 安全阀为了保证锂离子电池的适应安全性，一般通过对外部电路的控制或者在蓄电池内部设有异常电流切断的安全装置。即使这样，在使用过程中也有可能其他原因引起蓄电池内阻一场上升，这样，安全阀释放气体，以防止蓄电池破裂。安全阀实际上是一次性非修复式的破裂膜，一旦进入工作状态，保护蓄电池使其工作，因此是蓄电池的最后保护手段。图2.5 锂离子电池的基本结构2.3.2锂离子电池的特点 1.工作电压高。锂离子电池工作电压为3.6V。 2.比能量高。锂离子电池比能量已达到150Wh/kg。 3.循环寿命长。目前锂离子电池循环寿命已经达到1000次以上。 4.自放电率低。 5.无记忆性。可以根据要求随时充放电
