電動汽車傳動系統原理分析本科生畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 電極周圍的 SO42－ 結合成 PbSO4 附在電極上，釋放出的 O2－ 與溶液中的結合成 H2O。 電極式為： PbO2+ 2e+4 H＋ +SO42－ == PbSO4+ 2H2O 11 放電時總反應式： Pb+PbO2+2H2SO4== 2PbSO4+ 2H2O ? 充電時： 陰極：電極上的 PbSO4 中＋ 2 價的鉛得到電源送來的 2 個電子變為 Pb 后釋放出 SO42－ 。 電極式為： PbSO4+ 2 e=Pb +SO42－ 陽極：電極上的 PbSO4 中＋ 2 價的鉛被電源奪去 2 個電子變為＋ 4 價的鉛，＋ 4 價的鉛強行去奪 H2O 中的 O2－ ，使自己變為 PbO2，同時又使 H2O 中的 H＋釋放出來。 電極式為： PbSO4+ 2e+2H2O＝ PbO2+4H＋ 故充電時總反應式為： 2PbSO4+2H2O＝ PbO2+Pb+2H2SO4 鎳氫電池 鎳氫電池是一種堿性電池，鎳氫電池中不含有鎳鎘電池中的重金屬鉻，所以在使用和報廢的環節中，不會污染環境，是一種“綠色電池”。 鎳氫電池主要由正極、負極、極板、隔板、電 解液等組成 [6]，結構如圖 33所示。 圖 33 鎳氫電池結構圖 氫氧化鎳是鎳氫電池的正極活性物質，負極的活性物質是鎳氫合金，鎳氫電池也有與電解液類似的電解質，其電解質為氫氧化鉀。隔膜也是必不可少的 部分。與其他蓄電池類似，這種電池的充電和放電過程也是可逆的，在可逆反應過程中，需要一種催化劑，金屬鉑是針對這個反映十分有效的催化劑。 鎳氫電池具有諸多優點，與鉛酸蓄電池相比，鎳氫電池除具有比質量輕、體積小、能量高、循環壽命長的特點以外，還有以下優點： ? 比功率高，可達到 1350W/kg； ? 循環使用次數多； 12 ? 無污染，為 21世紀“綠色環保電池”； ? 過充電過放電對電池影響相對較小； ? 無記憶效應； ? 使用環境溫度溫度范圍 30o C55o C； ? 安全可靠。 但是，鎳氫電池同樣具有缺點； ? 成本高，價格為相同容量鉛酸電池的 5— 8 倍； ? 單體電池電壓低，為 ； ? 自放電損耗大； ? 電池組熱管理任務重。 鎳氫電池的工作原理 鎳氫電池內部進行化學反應，通過化學反應，產生能量，這種電池可以把能量直接轉化為電能。 圖 34 鎳氫電池反應原理圖 ? 充電時： 正極的化學反應為： OHN iO O HOHeOHNi 22)( ???? ? 負極的化學反應為： ???? ? 2222 HMeMH ? 放電時： 正極的化學反應為： ????? OHeOHNiOHN iO O H 22 )( 13 負極的化學反應為： ???? eMHHM 222 2 下表為幾家公司已經生產的鎳氫電池的性能對比： 表 日本 Panasonic 公司鎳氫電池性能 項目 EV95 EV28 容量 /A h 95 28 額定電壓 /V 12 12 質量 /kg 能量密度 /（ W h/kg) 63 53 44 功率密度（ W/kg） 200（ 80%DOD） 300 (80%DOD) 500(50%DOD) 表 法國 Saft 公司鎳氫電池性能 電池型號 額定容量 /A h 96 169 能量密度 /（ W h/kg) 66 70 功率密度（ W/kg） 150 162 表 美 國 COBASYS 公司 1000系列鎳氫電池模塊性能 指標 數值 指標 數值 額定電壓 12V 模塊體積 額定容量 9A h 體積能量密度 52W h/L 額定功率 質量功率密度 1125w/kg 額定能量（ 1C 放電） 125W h 體積功率密度 2100W/L 模塊質量 鋰離子電池 鋰離子電池是由之前的電池改進而來。它解決了二次鋰電池的充放電壽命短和安全性差的兩個技術難題。 1990 年日本索尼公司成功推出了新一代電池，這種電池的性能高，儲能大，鋰離子電池 也是目前世界上使用最為廣泛的充電電池。 鋰離子電池的結構 14 與其他電池類似，正極、負極、電解液、隔板等是鋰離子電池的主要構成。 圖 35 鋰離子電池結構圖 鋰離子電池又包括錳酸鋰離子電池、磷酸鐵鋰 離子電池和鈷鎳鋰離子電池。這三種鋰離子電池的正極物質是不同的。錳酸鋰離子電池的正極物質，是以錳酸鋰為主要原料；磷酸鐵鋰作為磷酸鐵鋰離子電池中正極原料，在鈷鎳鋰離子電池中正極以鈷鎳鋰為主要原料。通常在正極活性物質中，加入一些其他混合物以達到相關作用，導電劑和樹脂黏合劑是兩種典型的物質，并涂覆在由鋁制的基體上。 負極上活性物質也是一種混合物，用碳材料與黏合劑制成的混合物是最佳材料，同時也要再添加上有機溶劑調和制成糊狀，并涂覆在銅基上，也呈薄層狀分布。 隔板一般使用聚乙烯活聚丙烯材料制成，其表面是一種微觀上有很多 孔的薄膜。它功能是關閉或阻斷所謂的“通道”。簡單的說，如果電池在使用過程中溫度過高，會對電池壽命和安全有影響，這時，阻塞阻斷作為離子通道的細孔，蓄電池就不能進行正常的充放電反應，起到安全作用。隔板這樣的作用有效的保護了電池。 電解液與其他電池相似，也是一種混合的有機溶液。電解液一般混合不同性質的幾種溶劑使用，因為使用單一溶劑很難滿足上述嚴酷條件。 鋰離子電池的優點 [7]： ? 工作電壓高。鋰離子電池工作電壓為 ； ? 高能 (比能量高 )， 鋰離子電池比能量已達到 150Wh/kg； ? 使用壽命長，反復充放電可達 1000 次以上； ? 無記憶性，充放電自由，不會對電池造成損耗； ? 對環境無污染，該電池內不存在重金屬污染物，是“綠色電池”； 15 ? 可以制造成不同的形狀； ? 工作溫度范圍寬。 鋰離子也存在一些不足： ? 成本高； ? 必須有電池管理系統，以防止過充對電池造成損害。 鋰離子電池的工作原理 圖 36 鋰離子電池充放電原理圖 鋰離子電池的充放電過程實際就是鋰離子不斷往返正負極之間的一個過程。 當電池處于充電狀態時，正極物質通過化學反應，變成鋰離子，鋰離子在電解液中再通過隔膜，到達電池負極板，嵌入到負極中，完成充電過程。 當電池處于放電狀態時，負極物質通過化學反應，鋰離子從負極脫出，進入電解液，電解液作為一種介質，經過隔膜，把鋰離子再重新嵌入回正極材料晶格中。 正極電化學反為 ??? ??? xexL iC o QLiL iC o O x 212 負極電化學反為 66 CLixexLiC x??? ?? 表 日本幾家公司研制的鋰離子電池的技術指標 項目 日立 湯淺 松下 額定容量 /A h 15 10 7 質量功率密度 /（ w/kg） 2100 2340 2600 質量能量密度 /（ W h/kg) 69 80 78 16 表 Saft 公司 20xx年高能量型鋰離子電池性能 性能 當錢鋰離子電池 系統目標 質量功率密度（ W/kg） 900 625 體積功率密度 /（ W/L） 1450 780 質量能量密度 /（ W h/kg) 75 75 壽命 /年 15 15 產量為 10萬套 /年時的價格（美元 /套） 目標值的 2到 3倍 500 燃料電池是一種利用可燃氣體與空氣（氧氣）進行化學反應，生成能量，同時也是直接把生成的這些能量轉化為電能，所以燃料電池的效率很高，通常情況下它的能量轉化率能達到百分之七十到百分之八十。 燃料電池與上述電池不同，在上述幾種電池中，作為發生化學反應的物質都被同時放進電池 中，而燃料電池的反應物質不是直接被裝入電池中，而是隨著反應的過程推進，燃料不斷的從外界儲存裝置中被輸入到反應器中（電池內部），當然，這個過程也不再是可逆的，與其他電池的充電過程相比，把燃料充入儲存裝置中，就相當于給電池充電的過程。 燃料電池的優點： ? 節能，轉換效率高； ? 達到零污染排放； ? 車輛性能與內燃機汽車相當； ? 結構簡單運行平穩。 燃料電池缺點： ? 燃料種類單一，燃料運輸保管要求高； ? 密封質量要求高； ? 比功率沒有其他電池高； ? 造價較高； ? 需要配備輔助電池系統。 燃料電池的正負極反應（此處主要介紹以氫氣為燃料 的燃料電池）： 17 圖 37 燃料電池反應過程圖 ? 以磷酸為電解質溶液時： 負極： 2H2 – 4e = 4H+ 正極： O2+ 4H+ +4e =2H2O 總反應： 2H2 +O2 =2H2O ? 以 KOH 為電解質溶液時： 負極： 2H2 +4OH – 4e = 2H2O 正極： O2+ 2H2O +4e =4OH 總反應： 2H2 +O2 =2H2O 飛輪電池是一種新概念電池，在 20世紀 90年代的時候 被提出。它與其他化學電池不同，電能不是以化學能轉化而來，而是使用物理方法實現儲能。根據所學的物理知識，飛輪旋轉時具一定的有角速度，在某一特定的角速度下旋轉，該時刻飛輪是具有相應的動能。飛輪電池的充放電過程就是動能與電能之間的相互轉化。飛輪電池結構里有一個電動機，在充電的時候，在外電源的驅動下，這個電動機以把電能轉化為飛輪的動能，電動機帶動飛輪高速旋轉。在放電時，這個電動機則又成為一個發電機，在飛輪動能的驅動下，發電機發電，實現機械能到電能的轉換。 18 目前，飛輪儲能系統主要由轉子系統 、電機 /發電機、輸入 /輸出電路和真空室四部分組成 [8]。 圖 38 飛輪儲能原理圖 ? 轉子系統 飛輪的轉子系統中有兩個部分，即構成飛輪的本體，還有對飛輪本體進行支撐的支撐部分。 由于對飛輪的強度 要求很高，根據最大強度比的原則，一般設計選用超強玻璃纖維 環氧樹脂復合材料制成。 美國馬里蘭大學已經研究成功一種新的飛輪，該飛輪儲能可達 20KW h，它的結構是多層圓柱的。具體參數：外徑 ，內徑 ，厚度 ，重，最大轉速 46345r/min。 圖 39 飛輪儲能系統結構組成示意圖 一種帶式可變慣性飛輪曾經被伊朗 Shiraz 大學機械工程系研制，用于電動車，其目的是節能與系統穩定。 飛輪的支承方式很多。總的來說有兩種方式；即磁懸浮方式和機械支撐兩種方式。對于磁懸浮技術，又可以通過很多手段達到懸浮的目的，利用超導材料可以制成磁懸浮系統，電磁技術同樣可以達到效果，兩種磁極相反放置，制成永磁懸浮裝置也同樣適用。當然也可以采用上述兩種或多種方式支承飛輪。 ? 電動機 /發電機 19 為了降低系統功耗，減少損 失，目前許多單位和研究機構都一般采用永磁同步電動 /發電、（雙過程）逆變式互逆式雙向電機。 ? 輸入 /輸出電路 輸入 /輸出電路是一種控制元件，它可以控制裝置中的電機實現電動機和發電機之間的互換，完成機械能與電能的相互轉換。 ? 真空室 真空室的主要作用：制造出一個真空環境，減少風阻損失；屏蔽事故。真空度影響系統效率，是一個關鍵因素。 ? 轉子結構和制造工藝； ? 高速軸承支撐技術； ? 高速轉子動力學技術； ? 高速電機 /發動機及能量轉換技術。 飛輪的儲能過程 分為三個階段，即使 :飛輪充電階段，外部電源通過輸入電路給電機供電，實現電能轉化為機械能。能量保存階段，飛輪空閑運轉，由于在真空中運轉，使能量損害減低到最小。飛輪放電階段，飛輪運轉的動能帶動發電機工作，通過輸出電路給外部用電設備供電。目前，在飛輪電池裝置中通常只有一個發電機 /電動機，采用這種結構不但可以提高效率，還可以減小飛輪尺寸，減少造價，使飛輪儲的能密度大大的提高。 20 第 4章 電動機 電動汽車驅動系統的核心部件是電動機，其性能的好壞直接影響到電動汽車驅動系統的性能，尤其是影響電動汽車的最高車速、加速 性能及爬坡性能動力性。 電動汽車驅動系統對于電動機有以下要求： ? 高電壓。在安全條件達標情況下，盡可能提高電壓，這樣做不僅減小電動機的體積，還可以大大降低功率變化器的制造成本； ? 小質量。電動機外科盡量采用路合金，以減輕整體質量； ? 高效率、低能耗。在車輛減速制動過程中可實現能量轉化回收； ? 電氣系統的安全性和控制系統的安全性都必須符合國家有關標準； ? 高可靠性。耐溫和耐潮能力強，運行噪音低，適合大批量生產。 下表表示國內外大型汽車公司