混合動力汽車技術(shù)基礎知識(二)

◆文/山東 劉春暉 張學忠 魏東坡

(接上期)

2.蓄電池類型

(1)鉛酸蓄電池

如圖11所示，鉛酸蓄電池是一種較早的蓄電池系統(tǒng)(始于1850年)，目前仍然有數(shù)以百萬的車輛使用這種蓄電池提供電能。鉛酸蓄電池在車輛中被作為啟動內(nèi)燃機的啟動電池使用。此外，也可以在發(fā)動機處于靜止狀態(tài)時的有限時間內(nèi)為用電器提供電流。

圖11 鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)

如圖12所示，在充電狀態(tài)下，鉛酸蓄電池的正極被氧化為二氧化鉛(PbO2)，而負極則被還原為絨狀鉛(Pb)。使用經(jīng)過稀釋的硫酸(H2SO4)作為電解液。蓄電池放電時，將會在兩個電極處生成硫酸鉛(PbSO4)。可以通過化學公式對放電時的整個反應進行描述：Pb + PbO2+ 2H2SO4→ PbSO4+ 2H2O + 電能。

電解槽主要由正負極、隔板和組裝所需部件構(gòu)成，每個電解槽都輸出2V電壓，6個電解槽串聯(lián)在一起可以提供12V的蓄電池電壓，鉛酸蓄電池的能量密度約為30Wh/kg。

(2)鎳鎘蓄電池

鎳鎘蓄電池(NiCd)經(jīng)過100年的發(fā)展直至今日仍然還在使用。它與鉛酸蓄電池的主要區(qū)別是在充電和放電期間電解液保持不變。已充電情況下鎳鎘電池槽的正極板為鎘負極板則為氫氧化鎳。使用氫氧化鉀作為電解液。這種組合方式可提供1.2V的電壓。其能量密度與鉛酸蓄電池基本相同。

圖12 鉛酸蓄電池中的化學反應

通過使用新型蓄電池系統(tǒng)替代NiCd蓄電池的主要原因是其使用了會污染環(huán)境的重金屬鎘和所謂的記憶效應。對鎳鎘蓄電池進行經(jīng)常性的部分放電時會出現(xiàn)容量損失，這種情況被稱為記憶效應。蓄電池似乎會對以前放電過程時的能量需求產(chǎn)生“記憶”。此時蓄電池僅能提供較小的能量而不是原來正常的能量，且電壓也會隨之下降。

(3)鎳氫混合動力蓄電池

如圖13所示，鎳氫混合動力蓄電池(NiMH蓄電池)通常被視為NiCd蓄電池的下一代產(chǎn)品。NiMH電池槽可以提供1.2V的電壓，NiMH蓄電池的能量密度約為80Wh/kg，幾乎是NiCd蓄電池能量密度的兩倍。在NiMH蓄電池中幾乎不會出現(xiàn)前面所說的記憶效應。這種蓄電池可以在短時間內(nèi)以幾乎恒定的電壓釋放存儲的電能。NiMH蓄電池對過渡充放電、過熱和電極錯誤的反應較為敏感，此外對溫度也比較敏感，當達到冰點附近的溫度時會出現(xiàn)明顯的容量損失。

陽極由能夠可逆存儲氫的金屬合金制成，氫以晶格形式存儲在該合金內(nèi)，這樣就形成了一個氫金屬電池。由氫氧化鎳制成的陰極位于含有20%的電解液中。放電時氫被氧化，同時在兩個電極處產(chǎn)生1.32V的電壓。為了在放電結(jié)束時防止替代氫而氧化金屬，負電極的尺寸比正電極大得多。

(4)鋰離子蓄電池

對使用鋰金屬陽極和非水電解質(zhì)溶液鋰離子蓄電池的研究開始于20世紀60年代。首先在航天和軍事領域內(nèi)使用了不可再次充電的鋰電池。由于其自放電較小，所以時至今日還被用于心臟起搏器、手表和照相機。隨著并非完全由金屬鋰構(gòu)成的鋰離子電池槽的面市使可充電鋰電池真正實現(xiàn)了商業(yè)化。當今能量需求較高的便攜設備(移動電話、數(shù)碼相機、筆記本電腦等)基本都采用了鋰離子電池為其提供能量。因為其能量密度較高，所以對電動和混合動力車輛領域尤為有益。此外它在放電時可提供恒定的電壓且沒有記憶效應。

如圖14所示，常見鋰離子電池的正極由多層鋰金屬氧化物制成(例如LiCoO2或LiNiO2)。負極則由多層石墨制成。兩個電極都位于無水電解液中。隔板安裝在兩個電極之間。通過推移鋰離子在鋰離子電池上可以產(chǎn)生一個源電壓，在電池充電過程中帶有正電荷的鋰離子通過電解液由正極移動至負極的石墨層。鋰離子與石墨(碳)進行化合，同時不破壞石墨的分子結(jié)構(gòu)。放電時鋰離子重新返回至金屬氧化物中，電子可以通過外部電路流至正極。鋰離子和石墨層反應后在負極上可以產(chǎn)生一個保護層，該保護層可以讓較小的鋰離子通過，而電解液中的分子則無法通過。

鋰離子蓄電池的自放電較小，且因為鋰離子的移動力較高所以其效率可達96%。該效率的大小取決于溫度，在低溫下將會大幅下降。

圖14 鋰離子電池槽的結(jié)構(gòu)

一個普通鋰離子電池槽可以提供的額定電壓為3.6V。鋰離子電池槽的電壓是鎳氫混合動力蓄電池的三倍。過渡放電至2.4V會導致電池出現(xiàn)不可逆損壞和容量損失，因此不允許過度放電。相相應的功率密度為300～1 500W/kg，能量密度幾乎是鎳鎘蓄電池的兩倍。應避免鋰離子蓄電池40%容量以下的放電，因為在電極中的不可逆化學反應會造成較大的容量損失。此外，電池槽電壓越高蓄電池老化也就越快。因此還要避免對鋰離子蓄電池進行100%的充電。最佳充電范圍應在50%～80%之間。

使用鋰離子蓄電池時應注意它的一些特點。蓄電池的機械損傷可能會導致電池槽短路。高強度電流會導致殼體融化和起火。鋰離子蓄電池的外殼雖然是密封的，但請不要將它放入水中。因為鋰離子電池槽將會和水發(fā)生劇烈反應，特別是在滿充電情況下。因此不能用水而應該用例如沙土撲滅燃燒的電池。

因受加工條件限制鋰離子電池槽的參數(shù)各不相同例如容量，而蓄電池是由多個電池槽共同組成的，所以必須對電池槽進行單獨監(jiān)控，這便是蓄電池管理系統(tǒng)的任務。必要時該系統(tǒng)可以保證各電池槽不會過渡充電或過渡放電并保持各電池槽之間的電荷平衡。

3.雙層電容器

1856年，德國物理學家Hermann von Helmholtz發(fā)現(xiàn)了雙層電容器的工作原理。他描述了雙層電荷載體的結(jié)構(gòu)，即從外部施加電壓時電荷載體附在位于電解液中的兩個電極上。根據(jù)不同的制造商雙層電容器又稱為黃金電容、超級電容、Boost電容。

如圖15所示，雙層電容器是一種功率密度高達10kW/kg的電能靜電蓄能器。雙層電容器的優(yōu)點是效率較大、自放電小和使用壽命較長。此外，它不會出現(xiàn)記憶效應。因為雙層電容器的能量密度較小所以不適合作為獨立的能量蓄能器用于車輛驅(qū)動，但是與化學蓄能器組合使用時可以顯著降低重量并延長化學蓄能器的使用壽命。

圖15 雙層電容器的結(jié)構(gòu)

雙層電容器由兩個通過電解液濕潤處理的電極制成。當在電極上施加電壓時電解液中極性相反的離子會在電極處聚集。它們和不可移動的電荷載體共同構(gòu)成了一個層厚度僅比分子略小的區(qū)域。此處沒有真正的電介質(zhì)。在電極和電解液邊緣上形成的兩個電荷載體層可以起到電介質(zhì)的作用。這兩個電荷載體層也被稱為雙電層并根據(jù)它為雙層電容器命名。

四、電動機

1.重要概念和物理學定律

(1)磁鐵

永久磁鐵或永久磁體通常是由一種鐵鈷或鐵鎳合金制成。制造時將其進行磁化并始終(持續(xù))保持這種磁化狀態(tài)(圖16)。在小型電動機中產(chǎn)生勵磁磁場時使用永久磁鐵。

圖16 磁極的狀態(tài)

(2)電磁鐵

如圖17所示，有電流流過的線圈可以產(chǎn)生一個與棒狀磁鐵非常相似的磁場。因此可以作為電磁鐵使用。與永久磁鐵不同，其磁效應可以通過電流是否流過線圈來關閉和開啟。帶有電動激勵裝置的直流電機如串聯(lián)或并聯(lián)電機可以作為電磁鐵在定子內(nèi)產(chǎn)生磁場，也可以在繼電器中的線圈上使用電磁鐵。

圖17 電磁鐵的磁場

如圖18所示，可以利用永久磁鐵或電磁鐵產(chǎn)生一個磁場，通過由北磁極至南磁極的磁鐵磁力線對磁場進行描述，磁場越強磁力線的密度也就越大。

圖18 磁力線

(3)電磁感應定律

1831年邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應，這種電磁感應是電物理學的一種基礎現(xiàn)象。在電磁感應定律中對磁場和電壓之間的關系進行了說明，特別是對了解電機起到了重要作用。

電磁感應定律指出，通過圈數(shù)為N的線圈和隨時間變化的磁場中的磁通量Φ可以推導出電壓Uind。

Uind = N·Φ/dt

通過移動線圈也可以在不隨時間變化的磁場中產(chǎn)生電壓。電磁感應效應主要用于電動機如發(fā)電機、電機和變壓器。可以利用楞次定律確定電磁感應電壓的方向：通過電磁感應產(chǎn)生的電流流動時，其磁場反作用于磁場變化。

通過線圈可以改變電流強度，而由線圈本身產(chǎn)生的磁場也會發(fā)生變化，線圈內(nèi)的自感應電壓則會出現(xiàn)與電流強度變化相反的變化。這種情況通常被稱為自感應。磁場變換越快越強，所產(chǎn)生的電壓也就越高。

(4)洛倫茲力

洛倫茲力是磁場在一個移動電荷上施加的力。在導體內(nèi)的電子上施加一個力F，此時整個導體就會向著某一方向移動。如圖19可以通過“右手定則”或根據(jù)三指定則確定力的方向。通過圖19得到以下結(jié)果：起因=電流→傳遞=磁場→結(jié)果=電子上的力。

圖19 電子上的洛倫茲力

(5)變壓器

變壓器(圖20)由安裝在一個共用鐵心上的兩個線圈構(gòu)成。在兩個線圈之間沒有導線連接，也就是說它們之間相互分離。在一個線圈上施加交流電壓時，根據(jù)電磁感應定律也會在第二個線圈上產(chǎn)生一個交流電壓。此時可以在第二個線圈的端部測量到一個電壓。初級電壓和兩個線圈的線圈圈數(shù)決定了感應電壓的大小。

當初級和次級線圈的線圈圈數(shù)相同時，次級電壓U2與初級電壓U1相同。次級線圈的線圈圈數(shù)是初級線圈的兩倍時，次級電壓也將會初級電壓的兩倍。在次級線圈上連接用電器時，必須使用電路初級側(cè)所提供的能量。理想變壓器的初級側(cè)所提供的能量應該與次級側(cè)使用的能量相等，也就是說理想的變壓器不會產(chǎn)生能量損失。電壓與電流I1和I2成反比，因此理想變壓器初級和次級側(cè)的功率應該相同。

圖20 變壓器的結(jié)構(gòu)

理想變壓器在實際中不可能實現(xiàn)，因為始終會有能量損失。因此任何一種變壓器所提供的電能總會比其接收的電能稍小一些。損失的電能一部分通過電阻使線圈變熱，另一部分則轉(zhuǎn)換成了所謂的渦流。為了將渦流降至最低，變壓器使用了由很多薄鐵片組成的鐵心。這些鐵片使用漆層進行絕緣，從而使渦流無法流動。

2.電動機

(1)電動機概述

電動機是一種設備，通過這種設備可以將電能轉(zhuǎn)換為機械能，也可以將機械能轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)轉(zhuǎn)換能量的不同，被稱為電機(將電能轉(zhuǎn)換為機械能)或發(fā)電機(將機械能轉(zhuǎn)換為電能)。電動機使用了磁極同性相斥異性相吸的原理。通過電流產(chǎn)生至少一個磁場。電動機一方面可以根據(jù)電流進行分類例如直流、交流或交三相電機，另一方面也可根據(jù)工作原理分類，如同步或異步電機。

(2)直流電機

由于歷史的發(fā)展，已經(jīng)可以通過原電池提供直流電能，這樣就誕生了第一臺電動機械式能量轉(zhuǎn)換器，即直流電機。首臺直流電機制造于1830年。大約自1890年起隨著三相交流電的出現(xiàn)同步電機逐漸取代了直流電機的主導地位。直到今天直流電機仍舊作為一種主流電機被廣泛使用。在車輛電氣系統(tǒng)中作為車窗玻璃刮水器、車窗升降器、鼓風機和伺服電機大量使用了最大功率約為100W的直流電機。

如圖21所示，直流電機可以將(直流電流形式的)電能轉(zhuǎn)化為動能。它由一個固定部件—定子和一個轉(zhuǎn)動支撐部件—轉(zhuǎn)子(電樞)組成。大多數(shù)直流電機采用內(nèi)部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子是內(nèi)部部件，定子是外部部件。定子由電磁鐵組成，在小型直流電機內(nèi)由永久磁鐵構(gòu)成。

圖21 直流電機的工作原理

圖22 兩磁極間的磁場

圖23 某個載流導體的磁場

如圖22、圖23所示，電機工作原理以作用力施加在磁場內(nèi)的載流導體上為基礎。載流導體的磁場和永久磁鐵的磁場相互影響。如果永久磁鐵牢固固定且導體以可轉(zhuǎn)動方式支撐，則會在導體上施加一個作用力。通過作用力的影響轉(zhuǎn)動載流導體。導體上的作用力取決于：導體內(nèi)的電流強度、磁場強度、導體有效長度(線圈圈數(shù))。

為了提高作用力的影響，使用帶有鐵芯的線圈代替載流導體。在圖24中僅顯示了一個線圈，以便于更好的進行描述。在線圈上施加電壓時，線圈內(nèi)流動的電流產(chǎn)生一個磁場(線圈磁場)。永久磁鐵兩極間的磁場和線圈磁場形成一個總磁場。根據(jù)線圈內(nèi)的電流方向產(chǎn)生一個左旋或右旋力矩。線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直至線圈磁場方向與永久磁體兩極間磁場方向相同。隨后線圈停留在所謂的磁極磁場中性區(qū)域內(nèi)。為了能夠繼續(xù)轉(zhuǎn)動，必須改變線圈內(nèi)的電流方向。在此通過與線圈起始端和線圈末端連接的電流換向器(集電環(huán))實現(xiàn)電流方向的切換。每旋轉(zhuǎn)180°集電環(huán)切換電流方向一次，從而實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。圖25為在共用鐵芯上的多個線圈的工作示意。

圖24 載流導體的旋轉(zhuǎn)

圖25 共用鐵芯上的多個線圈

在技術(shù)應用中通過一個分段集電環(huán)和滑動觸點(碳刷)為電樞輸送電流。集電環(huán)由金屬段組成，金屬段與細條狀絕緣材料(塑料、空氣)一起構(gòu)成間斷的圓柱或圓形面。用于輸送電流的兩個碳刷通過彈簧壓緊在集電環(huán)上。

轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一次通過電樞繞組的電流方向就會改變一次，同時那些通過電流流動而產(chǎn)生力矩的導體進入定子磁場內(nèi)。電機的轉(zhuǎn)速取決于電壓和轉(zhuǎn)動方向。例如車窗玻璃刮水器和起動機(圖26)就屬于車輛中直流電機的典型使用情況。

圖26 啟動機的結(jié)構(gòu)

直到現(xiàn)在直流電機中的主磁場仍可通過永久磁鐵產(chǎn)生。但是在直流電機中也可以通過電磁鐵產(chǎn)生主磁場(圖27)。勵磁線圈電源不受電樞電路電源影響的電機被稱為外部激勵電動機。這種電動機的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)非常簡單，因為可以分別對電樞電壓和激勵電壓進行調(diào)節(jié)。

圖27 外部激勵直流電機

當勵磁線圈和電樞電路相互連接時被稱為自激勵電動機。根據(jù)勵磁線圈和電樞電路的連接方式可以分為串聯(lián)式和并聯(lián)式電機。