電動汽車所用牽引電機的性能簡介及選擇

牟宏均 唐惠龍

[摘要]簡要介紹電動汽車常用電池的種類、特點和選擇。

[關鍵詞]電動汽車電池種類特點

中圖分類號：TM3文獻標識碼：A文章編號：1871—7597(2009)1020020--01

隨著全球能源危機的不斷加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的不斷加劇，各國政府及企業普遍認識到節能和減排是未來汽車發展的主攻方向，發展電動汽車將是解決這兩個技術難題的最佳途徑。大力開發電動汽車將成為必然趨勢，而城市車輛和轎車是優先向電動化發展的汽車種類。自1996年來，已有3種類型的電動汽車問世，即純電動汽車(PEV)、混合動力汽車(ItEV)以及燃料電池電動汽車(FCEV)和派生出的一種外接充電式混合動力汽車(Plug-in)。

電動汽車雖然種類不一，所用的電池種類也有很多種類型。電動汽車在不同時期采用了不同的電池作為電源。最早采用的是鉛酸蓄電池，隨著新材料、新工藝和新技術的不斷出現，用來驅動電動汽車的電池的也為斷出現新的形式，鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池、燃料電池等，這些新的電池由于具有很多優點，因此在電動汽車上也越來越多的得到應用。

一、電動汽車對電池的要求

蓄電池是電動汽車的動力源，蓄電池的選擇將直接關系到電動汽車的整車性能。電動汽車用蓄電池的主要性能指標是比能量、比功率和使用壽命等，因而在電動汽車的開發設計時選用高性能的電池也是首先必須考慮的。用來做電動汽車電源的電池必須滿足比能高、比功率大、充電時間短、續行里程長、使用壽命長，使用成本低等。

二、鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池廣泛用作內燃楊汽車的起動動力源，它也是成熟的電動汽車蓄電池。它的可靠性好、原材料易得，價格便宜，比也基本能滿足電動汽車的動力要求。但它也有兩大缺點：一是比能量低，另一個是使用壽命短，電動汽車用的牽引鉛酸蓄電池體積也比較大。根據國家蓄電池標準牽引用的蓄電池是按5小時放電率設計的，使用過程中放電電流很大，特別是電動汽車起動時電流是額定電流的2倍以上，國產的鉛酸蓄電池一般壽命的可充放電800次左右。充電時間比較長，不允許大電流放電，壽命也比較短。因此用鉛酸蓄電池作為動力電池的電動車輛主要用在車速要求不高、續行里程不長的場合下，如電動牽引車、電動叉車、電動高爾夫車等。

三、鐮鲖蓄電池

它的比能量可達55Wh／Kg，比功率超過190W／Kg。也可快速充電，使用壽命是鉛酸蓄電池的兩倍多。充放電次數可達2000多次，但其價格是鉛酸蓄電池的4～5倍。它的初期購置成本雖高，但由于其在比能量和使用壽命方面的優勢，因此其實際使用成本并不比鉛酸蓄電池主高多少。但鎳、鎘均為重金屬，容易造成環境污染。

四、鐮氫電池

它和鎳鎘電池一樣也屬于堿性電池其特性和鎳鎘電池相似。不過鎳氫電池不含銅、鉛，不存在重金屬污染問題。其主要優點是相對壽命較長，但是由于鎳金屬占其成本的60％，導致鎳氫電池的價格居高不下，因此在實際中目前應用還不是很多。

五、燃料電池

燃料電池就是利用氫和氧在化學反應過程中來發電的原理研制生產的。它的能量轉換率高，燃料電池的化學能轉換效率理論上可達100％，實際效率現已達到60％80％。

燃料電池的主要優點是：其排放生成物是水及水蒸汽，為零污染：轉換效率高；無機械振動、低噪聲、低輻射；氫原料資源豐富，且氫是化學元素中質量最輕、導熱性和燃燒性最好的元素：氫的熱值很高，1Kg氫和3.8L的汽油的熱值相當。

燃料電池的目前存在的問題是：質子交換膜的機械強度還不是很高：耐高溫性較差(>110℃)；鉑催化劑由于空氣中的粉塵、一氧化碳、硫化物等極易污染中毒失效。

六、鋰電池

它的最大優點是比能量高，種類也比較多，常見的有鋰離子電子、高溫鋰熔鹽電池、鋰聚合物電池和鋰聚合物團體電解質電池等。它的比能量理論值為570w.h／Kg，目前達到的比能量為100w.h／Kg，比功率是200W／Kg。循環使用壽命為1200次，充電時間2～4小時。工作溫度范圍達一40～55℃。鋰離子電池作為電動汽車用動力電池是電動汽車的主攻方向。我國擁有鋰資源優勢，現在鋰電池產量在動力電池領域占有很大的比重，隨著國家新能源政策的實施和投資力度的不斷加強，鋰離子電池的性／價比有望達到可以和鉛酸電池競爭的水平，而成為未來電動汽車的主要動力電池。

七、超級電容器

它也是高能量密度的儲能元件，或者稱為電蓄能器。它能存貯大量的電荷，并且能迅速地充放電。利用它可以把蓄電池的沖擊負載降低到適宜的水平，這樣蓄電池只需設計達到平均能量密度和平均循環壽命，而無需達到最大峰值能量密度和循環壽命。超容量電容器也可以用來存儲制動時產生的再生能量。

八、飛輪電池

飛輪以一定的角速度旋轉時就具有一定的動能，飛輪電池正是將其動能轉換成電能的。它有一個電機，充電時為電機，電機帶動飛輪加速(儲能)，放電時為發電機對外輸出電能。飛輪電池的比能量可達150w,h／Kg，比功率達5000～10000W／Kg。使用壽命長達25年、可供電動汽車行駛500萬公里。

九、電動汽車所用動力電池的進捧

在電動汽車的設計過程中，“三電”(電池、電機、電控)的設計和選用是電動汽車設計的核心，而電池是重中之重。電動汽車動力的好壞將直接影響到電動汽車的性能。在設計的過程中，選用電池的原則是，在滿足整車性能要求的條件下，盡可能的選用性價比高、比能量高、比功率大，充電時間短，壽命長、使用成本低的電池作為電動汽車的首選。當然·首先必須考慮的是整車的自重、最高時速和一次充電后續行里程，蓄電池容量越大、個數越多，電池電壓就越高，重量也越大，此時所選用電機的電壓也比較高，那電機工作過程中的電流就比較小，車輛的行駛里程就越長。反之，選用容量較小、個數較少的電池，車輛的自重就會降低，但電池的電壓也較低，在電機功率不變、車輛行駛速度不變的情況下，電機工作時的電流就相應的比較大，一次充電后車輛的行駛里程就要減少。所以電動汽車在設計過程中電池的選用要綜合考慮。既要考慮車輛的自重、最高時速又要必須考慮電池的個數和電機的工作電流。

當然盡可能選用電池的容量大些個數多些，那么電機的工作電壓就高，電動汽車行駛時電機的工作電流就比較小，在最高時速不變的情況下，電動汽車的行駛里程就比較長。

在設計過程中電池質量的確定將會對整車的質量影響很大，電池的質量可根據以下方法來確定：設電動汽車一次充電后能以速度V(Km／h)行駛s(km)，則根據粗估的行駛阻力可計算出電機所做的功，從而確定電池應儲的能量w，由電動汽車所選電池的比能及比功率和電池的儲能即可確定電池的質量，質量m(Kg)=儲能(w)／比能。用電池的質量乘以比功率即可得電池的輸出功率。

以鉛酸蓄電池為例：設車輛的續行里程為300公里，晟高時速為70公里，牽引電機為QY57型交流變頻異步電動機，電機電壓為230V，電機額定電流為192A，則電池的容量為：

Iv*S／V=192*300／70=822，9^，h

而電池電壓為等級為312v。若使用鋰離子電池，鋰電池組對于所有的汽車而言大致相同。構件是一個由100至200個2.5V～3.9V、4Ahr～40Ahr串接電池構成的電池組。這種直流電源可驅動一部30kW～70kW電動機。電池組的總電壓很高，所以對于一個給定的功率級，平均電流很低。較低的電流所需的電纜較細，重量較輕，成本較低。在峰值條件下，該電池組應提供200A電流，并可迅速地完成再充電。換句話說，電池必需具備優良的功率密度和上佳的能量密度。大型系統(例如：公共汽車和牽引拖車)采用多達4個640V并聯電池組。