电动汽车所用牵引电机的性能简介及选择

牟宏均 唐惠龙

[摘要]简要介绍电动汽车常用电池的种类、特点和选择。

[关键词]电动汽车电池种类特点

中图分类号：TM3文献标识码：A文章编号：1871—7597(2009)1020020--01

随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的不断加剧，各国政府及企业普遍认识到节能和减排是未来汽车发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这两个技术难题的最佳途径。大力开发电动汽车将成为必然趋势，而城市车辆和轿车是优先向电动化发展的汽车种类。自1996年来，已有3种类型的电动汽车问世，即纯电动汽车(PEV)、混合动力汽车(ItEV)以及燃料电池电动汽车(FCEV)和派生出的一种外接充电式混合动力汽车(Plug-in)。

电动汽车虽然种类不一，所用的电池种类也有很多种类型。电动汽车在不同时期采用了不同的电池作为电源。最早采用的是铅酸蓄电池，随着新材料、新工艺和新技术的不断出现，用来驱动电动汽车的电池的也为断出现新的形式，镍镉电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池等，这些新的电池由于具有很多优点，因此在电动汽车上也越来越多的得到应用。

一、电动汽车对电池的要求

蓄电池是电动汽车的动力源，蓄电池的选择将直接关系到电动汽车的整车性能。电动汽车用蓄电池的主要性能指标是比能量、比功率和使用寿命等，因而在电动汽车的开发设计时选用高性能的电池也是首先必须考虑的。用来做电动汽车电源的电池必须满足比能高、比功率大、充电时间短、续行里程长、使用寿命长，使用成本低等。

二、铅酸蓄电池

铅酸蓄电池广泛用作内燃杨汽车的起动动力源，它也是成熟的电动汽车蓄电池。它的可靠性好、原材料易得，价格便宜，比也基本能满足电动汽车的动力要求。但它也有两大缺点：一是比能量低，另一个是使用寿命短，电动汽车用的牵引铅酸蓄电池体积也比较大。根据国家蓄电池标准牵引用的蓄电池是按5小时放电率设计的，使用过程中放电电流很大，特别是电动汽车起动时电流是额定电流的2倍以上，国产的铅酸蓄电池一般寿命的可充放电800次左右。充电时间比较长，不允许大电流放电，寿命也比较短。因此用铅酸蓄电池作为动力电池的电动车辆主要用在车速要求不高、续行里程不长的场合下，如电动牵引车、电动叉车、电动高尔夫车等。

三、镰鲖蓄电池

它的比能量可达55Wh／Kg，比功率超过190W／Kg。也可快速充电，使用寿命是铅酸蓄电池的两倍多。充放电次数可达2000多次，但其价格是铅酸蓄电池的4～5倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在比能量和使用寿命方面的优势，因此其实际使用成本并不比铅酸蓄电池主高多少。但镍、镉均为重金属，容易造成环境污染。

四、镰氢电池

它和镍镉电池一样也属于碱性电池其特性和镍镉电池相似。不过镍氢电池不含铜、铅，不存在重金属污染问题。其主要优点是相对寿命较长，但是由于镍金属占其成本的60％，导致镍氢电池的价格居高不下，因此在实际中目前应用还不是很多。

五、燃料电池

燃料电池就是利用氢和氧在化学反应过程中来发电的原理研制生产的。它的能量转换率高，燃料电池的化学能转换效率理论上可达100％，实际效率现已达到60％80％。

燃料电池的主要优点是：其排放生成物是水及水蒸汽，为零污染：转换效率高；无机械振动、低噪声、低辐射；氢原料资源丰富，且氢是化学元素中质量最轻、导热性和燃烧性最好的元素：氢的热值很高，1Kg氢和3.8L的汽油的热值相当。

燃料电池的目前存在的问题是：质子交换膜的机械强度还不是很高：耐高温性较差(>110℃)；铂催化剂由于空气中的粉尘、一氧化碳、硫化物等极易污染中毒失效。

六、锂电池

它的最大优点是比能量高，种类也比较多，常见的有锂离子电子、高温锂熔盐电池、锂聚合物电池和锂聚合物团体电解质电池等。它的比能量理论值为570w.h／Kg，目前达到的比能量为100w.h／Kg，比功率是200W／Kg。循环使用寿命为1200次，充电时间2～4小时。工作温度范围达一40～55℃。锂离子电池作为电动汽车用动力电池是电动汽车的主攻方向。我国拥有锂资源优势，现在锂电池产量在动力电池领域占有很大的比重，随着国家新能源政策的实施和投资力度的不断加强，锂离子电池的性／价比有望达到可以和铅酸电池竞争的水平，而成为未来电动汽车的主要动力电池。

七、超级电容器

它也是高能量密度的储能元件，或者称为电蓄能器。它能存贮大量的电荷，并且能迅速地充放电。利用它可以把蓄电池的冲击负载降低到适宜的水平，这样蓄电池只需设计达到平均能量密度和平均循环寿命，而无需达到最大峰值能量密度和循环寿命。超容量电容器也可以用来存储制动时产生的再生能量。

八、飞轮电池

飞轮以一定的角速度旋转时就具有一定的动能，飞轮电池正是将其动能转换成电能的。它有一个电机，充电时为电机，电机带动飞轮加速(储能)，放电时为发电机对外输出电能。飞轮电池的比能量可达150w,h／Kg，比功率达5000～10000W／Kg。使用寿命长达25年、可供电动汽车行驶500万公里。

九、电动汽车所用动力电池的进捧

在电动汽车的设计过程中，“三电”(电池、电机、电控)的设计和选用是电动汽车设计的核心，而电池是重中之重。电动汽车动力的好坏将直接影响到电动汽车的性能。在设计的过程中，选用电池的原则是，在满足整车性能要求的条件下，尽可能的选用性价比高、比能量高、比功率大，充电时间短，寿命长、使用成本低的电池作为电动汽车的首选。当然·首先必须考虑的是整车的自重、最高时速和一次充电后续行里程，蓄电池容量越大、个数越多，电池电压就越高，重量也越大，此时所选用电机的电压也比较高，那电机工作过程中的电流就比较小，车辆的行驶里程就越长。反之，选用容量较小、个数较少的电池，车辆的自重就会降低，但电池的电压也较低，在电机功率不变、车辆行驶速度不变的情况下，电机工作时的电流就相应的比较大，一次充电后车辆的行驶里程就要减少。所以电动汽车在设计过程中电池的选用要综合考虑。既要考虑车辆的自重、最高时速又要必须考虑电池的个数和电机的工作电流。

当然尽可能选用电池的容量大些个数多些，那么电机的工作电压就高，电动汽车行驶时电机的工作电流就比较小，在最高时速不变的情况下，电动汽车的行驶里程就比较长。

在设计过程中电池质量的确定将会对整车的质量影响很大，电池的质量可根据以下方法来确定：设电动汽车一次充电后能以速度V(Km／h)行驶s(km)，则根据粗估的行驶阻力可计算出电机所做的功，从而确定电池应储的能量w，由电动汽车所选电池的比能及比功率和电池的储能即可确定电池的质量，质量m(Kg)=储能(w)／比能。用电池的质量乘以比功率即可得电池的输出功率。

以铅酸蓄电池为例：设车辆的续行里程为300公里，晟高时速为70公里，牵引电机为QY57型交流变频异步电动机，电机电压为230V，电机额定电流为192A，则电池的容量为：

Iv*S／V=192*300／70=822，9^，h

而电池电压为等级为312v。若使用锂离子电池，锂电池组对于所有的汽车而言大致相同。构件是一个由100至200个2.5V～3.9V、4Ahr～40Ahr串接电池构成的电池组。这种直流电源可驱动一部30kW～70kW电动机。电池组的总电压很高，所以对于一个给定的功率级，平均电流很低。较低的电流所需的电缆较细，重量较轻，成本较低。在峰值条件下，该电池组应提供200A电流，并可迅速地完成再充电。换句话说，电池必需具备优良的功率密度和上佳的能量密度。大型系统(例如：公共汽车和牵引拖车)采用多达4个640V并联电池组。