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电动汽车

历史的选择—电动汽车

【中文摘要】面对日益严重的环境问题，全球掀起了一阵保护环境的浪潮，汽车问题遏待解决，而发展电动汽车成为了“历史的选择”，本文从电动汽车的两个核心问题：

电池与电动机及其控制系统出发，分析了电动汽车在发展的过程中需要解决的问题。

【关键词】电动汽车电池电动机及其控制系统前景

【正文】

要问中山大学哪门学科的师资力量最强，当然就是我们的前沿讲座，这个历时不到一个学期，但是几乎集结了我们工院所有的最有威望，最有知识的教授的一门课，虽然一周只上一次课，每次只上三个课，也就是不到三个小时，几乎每个教授都把自己毕生的成就以及经验教授给我们，为我们揭开“前沿技术”的神秘面纱，无疑是精华中的萃取，而对我们学生来说更无疑是一场科学盛宴。

让我记忆犹深的一堂课就是余老师给我们上的关于电动汽车的那堂讲座。

自1866年第一辆车横空出世以来，整个世界的面貌就从此发生改变，汽车使人们的生活变得越来越方便，但是，随之而来的却是能源与环境危机，2010年中，中国成为世界上第一大能源消费国，一次能源消费量达到24.32亿吨标准油，

（1），中国作为世界上第二大原油进口国，对外的依存度达55%，如此高的依存度无疑给中国的经济发展画上了问号，成为影响国家安全与经济发展的重大问题。

抛开国家不说，就我们每个人自身而言，对我们有直接影响的莫过于环境，比较严重的环境问题如：

PM2.5碳排放热污染噪声污染等都与汽车有关。

中国的机动车污染日益严重，机动车尾气已成为中国空气污染主要来源之一

（2），我们每天都暴露在空气里，空气质量问题与我们的健康问题画上了等号，很多疾病就是因为空气问题引起的,面对如此严峻的形式，大力发展节能，环保的新能源汽车就自然而然地成为汽车工业可持续发展地一个重要手段，电动汽车以其完全环保的优点，势必在未来的汽车市场中，成为主流，中国的有关部门也因此更注重电动汽车的研发与推广，国家的支持使得电动汽车如雨后春竹般，蓬勃发展。

虽然自它产生以来，不断地被改进，比起1873年，英国的戴维森研制出的那台电动汽车（3），当今的电动汽车技术已经大大提高了，不仅养车便宜，而且耗能低，最重要的还是无废气排放绿色环保（4），而如何安全，高效地使用，成为我们今天研究的目标。

按现在技术状态与车辆驱动原理不同，一般将电动汽车划分为三类：

纯电动汽车，混合动力汽车，和燃料汽车。

（5）简单介绍一下各种电动汽车。

纯电动汽车的动力系统主要由动力蓄电池，驱动力电机及其控制系统构成，使用时，电动汽车可以从自身的电网取电（或更换蓄电池）获得电力，并通过动力蓄电池的驱动电机提供电能，以驱使汽车行驶。

（6）混合动力汽车，顾名思义，就是混合了传统汽车和电动汽车的优势，在传统内燃机汽车基础上，增加了一套由驱动电机和动力蓄电池组成的辅助动力系统，由其进行功率的平衡，耦合以及能量的再生与储存，从而降低油耗与污染物排放。

（7）燃料电池汽车就并不是以燃料电池作为“能源装备”，而是以氢气为燃料，通过化学反应来产生电流，依靠电池来驱动（8）。

燃料电池汽车有显著的优点，电车的行驶里程仅与燃料的多少有关，因而燃料电池“肚子小”的缺点不会影响电车的续驶里程（9）。

（纯电动汽车的）（10）

（插电式混合动力汽车）（11）

（本田汽车燃料电池电动汽车动力系统）（12）

介绍了这三种车，我们可以看出，这三种车上最大的共同处就是，三者都有电机和电池，因此，我们可以大胆地假设，是不是电动汽车和它们有着某种关系呢？

答案是肯定的，电动汽车要发展并取代内燃机驱动汽车，首先要考虑的就是它的电机及电池问题。

电池作为电动汽车的“心脏”，肩负着提高电动汽车行驶效率的重任，而现有的蓄电池有着很多缺点。

蓄电池的能量密度比较低，而且充电时间相对较长，由于无论是哪一种蓄电池，充电所受的最大电流都是有限制的，因此，将放电完的蓄电池重新充电是需要一定的时间的，但是，一辆烧油的车，没有油了，它可以在几分钟之内，将油充满，而一辆电动汽车如果没有点了往往需要几个小时来充电，所以，蓄电池的弱点变得很明显，此外，铅蓄电池的价格很高，使用寿命相对较短，（13）也许买一辆车是十几万，但是买一个电池就要花几万甚至更多，而且，一辆车可以用十年，但是一个电池只可以用两三年，虽然油比电贵，但是算下来，似乎人们还是更愿意花钱“烧油”，所以电池对于电动汽车的发展有很大的影响。

人们意识到这个问题后，开始从电池入手，研究开发新型电池，其中，最具发展前景的莫过于锂电池，比起传统的铅蓄电池，锂电池的比能量更高，由于电池本身就装不了多少电，而要支持一辆汽车完成一天的“工作量”，就要使它“物尽其用”，而且它放电时，电压比较平稳，可承受的温度范围较大，寿命一般较长（14），所以锂电池更适合电动汽车。

如图所示，就是锂电池的工作原理：

（15）

从图上可以看出，锂电池实际上就是靠锂离子在两级之间来回的移动，形成的电流，因此，影响电池“工作效率”的当然包括正负极的材料及电解液。

锂电池按其正极材料划分，目前主要分为：

锰酸锂离子电池，磷酸铁锂离子电池，镍钴锂离子电池及镍钴锰锂离子电池（16），据了解，目前已有很多企业在尝试用磷酸铁锂蓄电池作为动力电池。

但是，由于磷酸铁锂蓄电池问世较晚，所以它的原料生产工艺，技术标准，使用方法等方面尚不成熟，仍然存在许多问题，这又大大

影响了铁锂电池的性能，（17），所以，要解决电池的问题，就必须从电池的材料入手，目前，已经研究出了用不同的材料作为正极，电池

有不同的特性。

正如我上面所说，很多的企业已经在研究磷酸铁锂电池，是因为他们已经意识到磷酸铁锂电池的优势，我们可以通过以下的图表看出：

（18）

而采用了磷酸铁锂电池，并不等于解决了问题，因为电池在电机上要想发挥作用，就要让它正常使用，并延长它的寿命，如此就必须对电池进行管理和控制，通俗地说就是要检测它充电和放电的过程中，电池的工作状态（19），测电池的电流，电压及温度。

要采集这几个方面的数据就必须要有一个电池检测系统，如图所示就是一个电池监测系统结构：

（20）

从图中可以看到，采集的数据就是电流信号，电压信号和温度信号等数值，其中，电流和温度信号必须通过传感器将信号转化为电压信号，而图上所示的电压采集卡只能采集一定范围内的电压信号，所以还必须将电压信号进行调整，才能被正确采集（21）。

因此这个过程就需要设计正确的信号采集系统，以便合理，准确的采集所需的数据信号。

如果说电池是电动机的“心脏”，那么电机就是电动汽车的双腿，决定着电动汽车的“速度与激情”。

电机及其控制器的主要功能就是将电能转化为可直接利用的机械能，并通过传动系统，将这部分能量传到车轮，以供车辆行驶（22）。

电机主要分为三种，这三种电机分别是：

直流电机，交流电机，永磁电机。

我们先抛开这三种电机的各自特点，首先讨论一下电机的驱动特性。

电能驱动就是利用电机回收汽车制动的时候，产生的能量，将这一部分能量直接回流到电池再利用。

而传统的汽车在制动过程中，机械能大部分通过制动器的摩擦产生热能消耗掉，这是十分浪费的，我们必须通过一种方法来将这部分能量回收起来。

利用电机的制动发电来回收这部分能量（23），所以电机与这部分能量息息相关。

我们前面介绍了三种电机，其中最具有发展前景的非永磁电机莫属。

永磁同步电机具有高效率，低转矩密度的优点（24），如今越来越受到人们的青睐。

而目前永磁同步电机主要采用矢量控制技术和直接转矩控制技术（25），

（26）

（27）

直接转矩有很多的优点，例如，它的动态响应好，结构简单，易于实现，但是，它受自己的开关表的影响较大，如果它的开关表出现了失效，那么，就会出现脉动不合理，此外，它的开关频率不恒定，这使得连接它的一些功率器件没有办法发挥自己的作用，所以，必须解决这个问题，这是有关电机的一些很大的问题。

解决了这些问题，我相信，人类在电动汽车的历史上又垮了一大步。

最后，谈了这么久的有关电动汽车的核心问题，我们来看看这个行业的“无限未来”。

正如文章开头所说的，随着世界的能源危机不断的威胁人们的未来，如何解决环境问题与石油危机成为各国的首要议题。

而电动汽车以其零污染的优势受到重视。

再加上现代高新技术的发展，新材料的诞生以及电动机和计算机技术的不断提高，促进了电动汽车自身技术的更新与发展（28）。

因此电动汽车的发展不仅是形式所需，更是历史的选择。

针对电动汽车，各国都有相应的“计划”，例如，美国有PNGV计划，FreedomCRA计划，日本有著名的低公害车普及计划，JHFC示范工程，专项研究研究计划，欧盟也有燃料电池巴士示范计划等，。

中国也不甘示弱，将电动汽车作为未来高科技研究的重点方向，（29）

并在北京奥运，上海世博，深圳大运中，实现了“十城千辆，万辆新放”。

所以，电动汽车是一个充满希望，一个有利于提高人类文明的行业，相信在不久的将来，站在马路上，闻到的不再是汽车尾气，听到的也不再是刺耳的鸣笛声，人类将步入电动汽车时代。

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【参考文献】

（1）魏一鸣，吴刚，梁巧梅，廖华著《世界能源报告2012能源安全研究》（M）2012年第五页

（2）夏义善,<中国能源环境气候外交大视野》（M）2015年第一百七十三页

（3）门保全《电动汽车》（M）2010年第五页

（4）（4）（日）川原英司等（绿色经济译丛）电动汽车时代企业战略革新对汽车高科技材料能源通信产业的影响》第二十三页

（５）王文伟毕荣华《电动汽车技术基础》（M）北京机械工业出版设2010第四页

（６）王文伟毕荣华《电动汽车技术基础》（M）北京机械工业出版设2010第四页

（７）王文伟毕荣华《电动汽车技术基础》（M）北京机械工业出版设2010第四—五页

（８）谭晓军电动汽车动力电池管理系统设计）（M）2011年第一页

（９）陈清泉《现代电动汽车技术》（M）2002年第一百九十五页

（１０）王文伟毕荣华《电动汽车技术基础》（M）北京机械工业出版设2010第四页

（１１）王文伟毕荣华《电动汽车技术基础》（M）北京机械工业出版设2010第五页

（１２）王文伟毕荣华《电动汽车技术基础》（M）北京机械工业出版设2010第六页

（１３）麻友良严运兵《电动汽车概论》（M）2102第十八页

（１４）赵立军佟钦智《电动汽车结构与原理》（M）2012第五十四页

（１５）麻友良严运兵《电动汽车概论》（M）2102第三十一页

（１６）麻友良严运兵《电动汽车概论》（M）2102第三十二页

（１７）于京诺王强陈炜《电动汽车磷酸铁锂动力电池技术的发展》（J）《汽车电器》2011年第十期第十一版

（１８）赵立军佟钦智《电动汽车结构与原理》（M）2012第五十五到五十六页

（１９）于京诺王强陈炜电动汽车磷酸铁锂动力电池技术的发展（J）《汽车电器》2011年第十期第十二版

（２０）武斌，陈峭岩，刘斌，魏克新《电池管理系统监测平台的设计》（J）《电测与仪表》2013年第一期第113版

（２１）武斌，陈峭岩，刘斌，魏克新《电池管理系统监测平台的设计》（J）《电测与仪表》2013年第一期第113版

（２２）陈全世，仇斌，谢起成《燃料电池电动汽车》（M）2005年第三十一页

（２３）卢东斌，欧阳明高，谷靖，李建秋电动汽车永磁同步电机最优制动能量回馈控制（J）<中国电机工程学报>2013年第三期第三十三卷

（２４）卢东斌，欧阳明高，谷靖，李建秋电动汽车永磁同步电机最优制动能量回馈控制（J）<中国电机工程学报>2013年第三期第三十三卷

（２５）李耀华，马建，刘晶郁，余强电动汽车用永磁同步电机驱动系统控制策略比较研究（J）《汽车工程》2013年第五期第三十五卷

（２６）李耀华，马建，刘晶郁，余强电动汽车用永磁同步电机驱动系统控制策略比较研究（J）《汽车工程》2013年第五期第三十五卷

（２７）李耀华，马建，刘晶郁，余强电动汽车用永磁同步电机驱动系统控制策略比较研究（J）《汽车工程》2013年第五期第三十五卷

（２８）门保全《电动汽车》（M）2010年第八页

（２９）门保全《电动汽车》（M）2010年第八页