引言

       汽車的能源消費(fèi)占世界能源總消費(fèi)的近四分之一。隨著發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)水平的提高,汽車的保有數(shù)量在急劇增加,由此而引起的能源與環(huán)境問題就顯得更加嚴(yán)重。

    當(dāng)今世界面臨能源與環(huán)境的雙重危機(jī)之機(jī),要求汽車工業(yè)提高汽車的能源使用效率，減少污染物質(zhì)的排出量。但是,僅通過改善現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車的性能來解決這一問題是很困難的。開發(fā)電動(dòng)汽車(Electric Vehicle,簡稱EV)是解決這一問題的有效途徑之一。

       現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)效率約為38%、2400轉(zhuǎn)時(shí)約為25%、2000轉(zhuǎn)時(shí)約為18%、1500轉(zhuǎn)時(shí)低于15%，因汽車在市內(nèi)行駛中有頻繁的停車、低速行駛、待信號(hào)燈等，其最終效率不超過12%。而電動(dòng)汽車無機(jī)器空轉(zhuǎn)損失，電池的80%以上的能量可由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為汽車的動(dòng)力，即使考慮原油的發(fā)電效率、送配電效率、充放電效率等，其最終可得到19%以上的能量效率。電廠發(fā)電不需要用汽油，其經(jīng)濟(jì)效率極大于內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)效率。另外，電動(dòng)汽車在制動(dòng)時(shí)有回收能量的特點(diǎn)。這個(gè)比較在計(jì)算時(shí)僅以汽車行駛能量為對(duì)象，實(shí)際上電能有多種來源方式，還需考慮制造所用能量等，這一結(jié)果與其它文獻(xiàn)的結(jié)果基本相附。

       電動(dòng)汽車成本主要就在電池、充電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器和電源轉(zhuǎn)換設(shè)備等產(chǎn)品組成，約占到整車造價(jià)成本50—60%。電池品種不同和儲(chǔ)電量不同，其總體造價(jià)差異很大，另外電動(dòng)汽車之儲(chǔ)電量加大多少，使成本成倍增長，如鋰電池裝備轎車，續(xù)行里程300km，電池成本約4萬元以上，500km以上續(xù)行里程，電池成本為8萬元以上，這使研發(fā)思路放在是白天行駛晚上充電上，為了使續(xù)行里程不亞于燃油汽車，就構(gòu)成了電池成本的居高不下。

       根據(jù)動(dòng)力源的不同，電動(dòng)汽車通常分為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車三大類（其實(shí)燃料電池汽車是純電動(dòng)汽車的一種，由于燃料電池的特殊性，將其單獨(dú)立為類）。其中，純電動(dòng)汽車由于現(xiàn)有動(dòng)力電池技術(shù)原因，續(xù)駛里程短，成本高，現(xiàn)有的電動(dòng)汽車價(jià)格是常規(guī)汽車的約3倍，使其普及困難，適用范圍受到較大限制；燃料電池汽車也由于燃料電池技術(shù)尚未發(fā)展成熟、成本高，大批量投入市場也需很長一段時(shí)間。

       新型鋰電池能量密度大于250 Wh/Kg(瓦時(shí)/公斤)，能量效率高達(dá)95%；這鋰電池成本低、易大規(guī)模生產(chǎn)、安全環(huán)保；制造成本也只有目前市面上電動(dòng)汽車鋰電池的一半價(jià)格。

       下面主要討論：500km以上續(xù)行里程，電容量在60KW/H，20萬以內(nèi)的經(jīng)濟(jì)型電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)。

經(jīng)濟(jì)型電動(dòng)汽車

成本挑戰(zhàn)

電機(jī)系統(tǒng)成本是電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車市場化的重要障礙之一

EV/HEV 動(dòng)力系統(tǒng)成本構(gòu)成；

– 電池或燃料電池

– 電力電子；

– 電機(jī)；

– 減速器/變速箱。

1 電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)性能要求

    電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常要求能夠頻繁啟動(dòng)/停車、加速/減速, 低速和爬坡時(shí)要求高轉(zhuǎn)矩, 高速行駛時(shí)要求低轉(zhuǎn)矩, 并要求變速范圍大。其主要參數(shù)包括: 電動(dòng)機(jī)類型、額定電壓、機(jī)械特性、效率、尺寸參數(shù)、可靠性和成本等。另外為電動(dòng)機(jī)所配置的電子控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)影響驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的性能。

    1) 高電壓。在允許范圍內(nèi)盡量采用高電壓, 可減小電動(dòng)機(jī)的尺寸和導(dǎo)線等裝備的尺寸, 特別是可降低逆變器的尺寸。

    2) 高轉(zhuǎn)速。高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)體積小、質(zhì)量輕, 有利于降低電動(dòng)汽車的整車整備質(zhì)量。

    3) 質(zhì)量輕。電動(dòng)機(jī)采用鋁合金外殼, 以降低電動(dòng)機(jī)質(zhì)量、各種控制器裝備的質(zhì)量和冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量等也要求盡可能輕。

    4) 較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能。這樣使電動(dòng)汽車有良好的啟動(dòng)性能和加速性能。電動(dòng)機(jī)有自動(dòng)調(diào)速功能, 因此可以減輕駕駛員的操縱強(qiáng)度, 提高駕駛的舒適性, 并且能達(dá)到與內(nèi)燃機(jī)汽車加速踏板同樣的控制響應(yīng)。

    5) 效率高、損耗少, 并具有制動(dòng)能量回收功能。電動(dòng)汽車應(yīng)具有最優(yōu)化的能量利用, 以在車載總能量不變的情況下最大限度的增加續(xù)駛里程, 再生制動(dòng)回收的能量一般可達(dá)到總能量的10%～20%, 這是在內(nèi)燃機(jī)汽車上不能實(shí)現(xiàn)的。

    6) 必須有高壓保護(hù)設(shè)備。

    7) 可靠性好、耐溫耐潮性能強(qiáng)及運(yùn)行時(shí)噪聲低。

    8) 結(jié)構(gòu)簡單、維修方便及價(jià)格便宜。

2 純電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)初步確定原則：

    設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車時(shí), 一般先根據(jù)汽車預(yù)期的最高車速來初步選擇內(nèi)燃機(jī)的功率。作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力源———電機(jī), 其速度- 扭矩特性與內(nèi)燃機(jī)的截然不同, 同時(shí)電機(jī)又有過載和“堵轉(zhuǎn)”特性, 所以合理選擇電機(jī)的功率和傳動(dòng)比, 將對(duì)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性及整車?yán)m(xù)駛里程產(chǎn)生重大影響。下面是確定電機(jī)重要基本參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

    2.1 以連續(xù)行駛最高車速確定電機(jī)額定功率

= · m·g·f+  (1)

式中:———電機(jī)額定功率, kW;

———傳動(dòng)系效率;

m———最大車重, kg;

f———滾動(dòng)摩擦系數(shù);

———風(fēng)阻系數(shù);

A———車輛迎風(fēng)面積, ;

———最高車速, km/h。

    2.2 以常規(guī)車速確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

=                          (2)

式中: ———電機(jī)額定轉(zhuǎn)速, r /min;

———傳動(dòng)比;

———主減速比;

———常規(guī)車速, km/h;

r———滾動(dòng)車輪半徑, m。

    2.3 以額定功率/轉(zhuǎn)速確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩

=                        (3)

式中:———額定轉(zhuǎn)矩, N·m。

    2.4 以最大爬坡度確定其短時(shí)工作線低速轉(zhuǎn)矩假定以勻速爬坡, 車輛所受阻力項(xiàng)中沒有加速阻力, 則所需電機(jī)驅(qū)動(dòng)力為:

=++                               (4)

式中:———電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)力, 此時(shí)也即為車輛所受的阻力;

———電動(dòng)汽車行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力,

=m·g·f·cosα( α為坡道角度值) ;

f———滾動(dòng)阻力系數(shù)

滾動(dòng)阻力系數(shù)

這是在車速為50千米每小時(shí)的速度跑的路面類型 滾動(dòng)阻力系數(shù)

良好的瀝青或混凝土路面 0.010——0.018

一般的瀝青或混凝土路面 0.018——0.020

碎石路面 0.020——0.025

良好的卵石路面 0.025——0.030

坑洼的卵石路面 0.035——0.050

壓緊土路：干燥的 0.025——0.035

          雨后的 0.050——0.150

泥濘土路（雨季或解凍期） 0.100——0.250

干沙 0.100——0.300

濕沙 0.060——0.150

結(jié)冰路面 0.015——0.030

壓緊的雪道 0.030——0.050

這里取f=0.02

Fw———電動(dòng)汽車行駛時(shí)的空氣阻力,

Fw= 

;

———電動(dòng)汽車行駛時(shí)的坡道阻力,

=m·g·sinα。

再根據(jù)車輛驅(qū)動(dòng)力與電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)矩關(guān)系式便可得出所需轉(zhuǎn)矩:

M=                           (5)

    電動(dòng)機(jī)性能必須分為連續(xù)工作性能和短時(shí)工作性能, 其連續(xù)工作特性曲線由電機(jī)的額定值來確定, 短時(shí)工作特性曲線是電機(jī)過載一定倍數(shù)之后的轉(zhuǎn)矩功率特性曲線。由公式( 1) ～( 5) 計(jì)算后所得的參數(shù)便可滿足以下基本原則:

    1) 用電機(jī)的額定工況計(jì)算電動(dòng)汽車的最高車速;

    2) 用電機(jī)的短時(shí)工作性能曲線計(jì)算車輛的最大爬坡度;

    3) 電動(dòng)汽車的常規(guī)車速應(yīng)落在電機(jī)的基頻上;

    4) 電動(dòng)汽車最高車速功率平衡點(diǎn)應(yīng)落在電機(jī)連

續(xù)工作性能曲線的等功率段上。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

    下面是要開發(fā)的一輛純電動(dòng)汽車的基本參數(shù)和目標(biāo)性能要求( 見表1～表4) ,以上面所述計(jì)算原則為基礎(chǔ), 可初步繪出所需電機(jī)的特性曲線, 并以此為參考選擇電機(jī)。

表1 整車基本參數(shù)

表2 目標(biāo)性能參數(shù)

表3 計(jì)算結(jié)果( 假設(shè)以2 檔速比1.333 為固定速比)

表4 由上面計(jì)算數(shù)據(jù)可初步確定電機(jī)基本參數(shù)

滿足要求的電機(jī)特性曲線如下圖表1 所示。

圖表1 電機(jī)扭矩特性示意

說明:以圖表1 為參考選擇電動(dòng)機(jī)。圖2 中要著重控制電機(jī)的連續(xù)工作特性曲線, 對(duì)短時(shí)工作曲線要控制電機(jī)在1061 r /min 轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩T 要達(dá)到200N·m。

4 討論

    電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車的核心組成部分,所以對(duì)電動(dòng)機(jī)的選型就顯得非常重要。由于電機(jī)的低速恒扭矩和高速恒功率的特性, 以及一般電機(jī)在基速、低轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)效率和功率因數(shù)比較高, 故常把車輛的常規(guī)車速放在基速上, 把最高車速放在等功率線上。可根據(jù)本文所介紹方法計(jì)算出電機(jī)的性能參數(shù), 繪出車用電機(jī)所應(yīng)具有的特性曲線圖, 可用于生產(chǎn)電機(jī)或初步快速選定電機(jī), 然后根據(jù)所選電機(jī)實(shí)際性能, 確定出車輛實(shí)際的最高車速、最大爬坡度及加速性能等。這里的計(jì)算實(shí)例采用了固定速比的傳動(dòng)系統(tǒng),這是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的一種簡化形式, 在實(shí)際應(yīng)用中要綜合考慮變速箱所能承受的最大扭矩以及所允許的最大轉(zhuǎn)速等; 另外, 雖然通常來說高轉(zhuǎn)速電機(jī)效率較高, 綜合性能也較好, 但高轉(zhuǎn)速會(huì)帶來電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度, 因此這對(duì)矛盾也是需要統(tǒng)籌考慮的。

    從以上表3可知，電動(dòng)車在車速相對(duì)較低速的時(shí)候能耗少，這是與內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力車本質(zhì)區(qū)別?，F(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)效率約為38%，汽油的發(fā)熱量是8320kcal/l,若把它換算成能量密度大約是13073Wh/kg(汽油的密度約為0.74g/cm3)，,因汽車在市內(nèi)行駛中有頻繁的停車、低速行駛、待信號(hào)燈等，其最終效率不過12%。以此12%來計(jì)算，它的能量密度是1569Wh/kg，與最佳的鋰(Li)電池比較、汽油的貯能密度大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此適合在城市運(yùn)行；60公里時(shí)速下，百公里僅消耗12.17度電。

    這里以坐滿5人（以每人75公斤計(jì)算），最大總質(zhì)量1375公斤計(jì)算。如果僅駕駛員一人，則消耗10.37度電、二人消耗10.82度、三人消耗11.27度、四人消耗11.73度。

    去年禁掉的電動(dòng)三輪車，車重大約為300公斤鉛蓄電池約182公斤（重26公斤12V100A/H蓄電池7只）儲(chǔ)電能約8KW/H，裝載貨物可行駛60多公里左右。這與表3中的常規(guī)車速項(xiàng)基本相符。

5 電動(dòng)車電機(jī)方案

    5.1永磁磁阻同步電機(jī)先進(jìn)性

    永磁磁阻式同步電機(jī)是一種較新型的同步電機(jī)，該電機(jī)既具有永磁同步電機(jī)高功率密度、高效率、高功率因數(shù)及體積小等特點(diǎn)，又綜合了同步磁阻電機(jī)寬范圍調(diào)速的特點(diǎn)。

    5.2永磁磁阻同步電機(jī)可行性

    額定功率：=28KW，額定電壓：=650V，額定電流：=43.1A ,額定頻率：=300Hz，相數(shù)m=3，額定轉(zhuǎn)速=3000r／min。

    定子外徑D的尺寸取決于電機(jī)的額定容量和額定工作頻率，可參照普通電機(jī)進(jìn)行選擇。由于該電機(jī)設(shè)計(jì)的額定工作頻率為300HZ，是工頻的6倍，所以該電機(jī)的尺寸比同容量的工頻電機(jī)要小很多。28KW的電機(jī)可按4.5KW的工頻電機(jī)尺寸選擇設(shè)計(jì)。如定子外徑D的尺寸偏大，則電機(jī)的鐵心長度將減小；如定子外徑D的尺寸偏小，則電機(jī)的鐵心長度將增大。

    定子外徑D=222mm，定子內(nèi)徑D=157mm，定子采用工字形模塊組合型

                  定子

    轉(zhuǎn)子外徑156.5mm內(nèi)篏24塊50×20×5mm釹鐵硼強(qiáng)磁?，F(xiàn)在市場價(jià)格約10元左右，與普通10千瓦感應(yīng)電機(jī)成本僅增加120元左右。如圖

     轉(zhuǎn)子

    電動(dòng)汽車成本主要就在電池、充電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器和電源轉(zhuǎn)換設(shè)備等產(chǎn)品組成，約占到整車造價(jià)成本50—60%。

分解器(旋轉(zhuǎn)變壓器) 

    分解器是一款在汽車行業(yè)內(nèi)被普遍使用的堅(jiān)固傳感器，不受磁場干擾和污垢影響，而且在角度檢測過程中不受摩擦損耗的影響。它由一個(gè)永久連接于電機(jī)軸(電機(jī)旋轉(zhuǎn)器)的輪子和一個(gè)永久附著于電機(jī)外殼的環(huán)形定子組成。該定子至少包含一個(gè)勵(lì)磁線圈和兩個(gè)傳感器線圈。通過增加極對(duì)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。 

    圖2顯示的就是分解器。勵(lì)磁線圈配備模擬正弦信號(hào)。該模擬信號(hào)通過磁耦合(感應(yīng))傳輸?shù)絻蓚€(gè)傳感器線圈，相互設(shè)置在90度的位置。對(duì)由分解器傳回的模擬正弦和余弦信號(hào)的評(píng)估需要一個(gè)軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)，它用來從模擬數(shù)據(jù)中確定角度位置和速率。

圖2：分解器示意圖和機(jī)械結(jié)構(gòu)。

分解器在性能和和準(zhǔn)確度方面可能并不比其他競爭技術(shù)優(yōu)越，但它們更耐用，在污垢和極端溫度等環(huán)境下能提供更好的保護(hù)。即便在靜止的狀態(tài)下，它也可以隨時(shí)檢測電機(jī)的絕對(duì)位置，而增量式編碼器和霍爾傳感器則不能執(zhí)行該功能。

表5

表貼式永磁電機(jī)曾用于本田EV Plus 純電動(dòng)汽車和Insight 混合動(dòng)力汽車

· 本田第二代系統(tǒng)則采用永磁磁阻電機(jī)（內(nèi)置式永磁電機(jī)IPM），與第一代相比：

· 力矩密度提高15% ；

· 功率密度提高64%

· 效率提高3%

· 最高轉(zhuǎn)速提高25%

匹配電池與電機(jī)電壓：引入高壓DC-DC Converter好處：

– 在不改變電池電壓的前提下提高電機(jī)的控制電壓，從而提高電機(jī)的輸出功率。

– 利用大功率DCDC實(shí)現(xiàn)直流母線電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)效率及可靠性。

– 大功率DC/DC可用于匹配控制兩種不同的電源（如電池+燃料電池，電池+超級(jí)電容器等），實(shí)現(xiàn)電-電混合。

低成本控制器

    電機(jī)控制器是通過集成電路的主動(dòng)工作來控制電機(jī)按照設(shè)定的方向，速度，角度，響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行工作。使得電機(jī)應(yīng)用范圍更為廣泛，輸出效率更高，噪音更小等優(yōu)點(diǎn)。主要有無刷直流控制器，感應(yīng)電機(jī)控制器（變頻器），永磁電機(jī)制器等，它們都有一個(gè)共同結(jié)構(gòu)，由IGBT組成的三相全橋功率回路。如下圖。人們最常見的控制器就是變頻器了。50KW國產(chǎn)的就要1萬多了，小功率的才幾百元一個(gè)，其控制電路及軟件基本相同，高功率的控制器成本主要在功率回路，即IGBT器件電路。大功率IGBT內(nèi)部也是由多片小IGBT芯組成的；現(xiàn)在電磁爐用IGBT管子價(jià)格已經(jīng)很低，只有幾元錢一片了。我們可以用多只管子組成一個(gè)模塊，制作低成本控制器。這樣幾十元的模塊，就可以達(dá)到幾百元一塊的效果。因此低成本控制器也就能夠?qū)崿F(xiàn)了。

電動(dòng)車控制器PCU

功率模塊內(nèi)阻在運(yùn)行中產(chǎn)生損耗Ploss

· 這些功率損耗通過一連串的熱阻Rθ最終散到環(huán)境中

· 為保證可靠性，需要保證IGBT芯片的工作溫度不超過其允許的限度（150oC）

· 溫升模型：ΔT= Ploss * Rθ。重要的任務(wù)是減少Ploss和Rθ

· 根據(jù)實(shí)際要求選擇冷卻方式（水冷或風(fēng)冷）

 采用雙面冷卻構(gòu)造實(shí)現(xiàn)小型化

 雙面冷卻構(gòu)造上圖。由于散熱面積增大，因此比單面冷卻更容易冷卻。單位體積的輸出功率比原來提高了60％。在相同的輸出功率情況下，體積則可比原來減小約30％，重量減輕約20％。

    PCU具有逆變器和升降壓轉(zhuǎn)換器的作用。逆變器具有將充電電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成馬達(dá)驅(qū)動(dòng)用交流電壓的功能以機(jī)將馬達(dá)再生的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓的功能。升降壓轉(zhuǎn)換器用來升高和降低充電電池供應(yīng)給馬達(dá)的電壓。

IGBT模塊

電動(dòng)汽車功率模塊冷卻部件

兩檔變速系統(tǒng)，電動(dòng)車的最佳變速。

    電機(jī)尺寸取決于峰值力矩

       采用減速機(jī)可以在不改變功率的前提下大大降低峰值力矩從而降低電機(jī)的體積和成本。

       根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要優(yōu)化配置電機(jī)與變速箱（減速機(jī)）組合。

    低速檔（相當(dāng)于普通汽車的一檔）

       能有效改善山區(qū)道路的多灣道多坡道運(yùn)行性能。

       改善低速制動(dòng)能量回收性能

    采用行星齒輪減速系統(tǒng)，這樣比較簡單零件少，成本低。主減速比1.333×4.35=5.799，這樣與表1中的三檔相近。內(nèi)齒圈56齒，行星輪15齒，太陽輪24齒。由行星輪架輸出；減速比2.333，太陽輪與行星架之間裝油浸式離合器，離合器分減速，減速比為2.333×1.333=3.11，比表1中的一檔略低（表一中1檔為3.585）。離合器合不變速，內(nèi)齒圈裝單向軸承。

表6 計(jì)算結(jié)果( 假設(shè)以低速檔 檔速比2.333，近普通汽車一檔速比3.11)

由表6可知山區(qū)道路工作在連續(xù)工作區(qū)。

新型鋰電池

       電動(dòng)汽車用蓄電池必需滿足:：

1．貯能密度高(一次充電行駛距離長)。

2．功率（能量）輸出密度高(加速性能、爬坡性能好)。

3．壽命長。

4．維修、保養(yǎng)費(fèi)低。

5．安全性高(包括對(duì)環(huán)境的安全性)。

6．價(jià)格低,有再利用性等技術(shù)要求。

1.   

2.   

3.   

4.   

5.   

    一薄片金屬鋰，用特殊的復(fù)合膜緊密包裹，將其置于pH值呈中性的流酸鋰水溶液中，與正極材料尖晶石錳酸鋰組裝，即可制成平均充電電壓為4.2V、放電電壓為4.0V的新型鋰電池。這結(jié)構(gòu)鋰電池能量密度大于250 Wh/Kg(瓦時(shí)/公斤)，能量效率高達(dá)95%。

    這鋰電池成本低、易大規(guī)模生產(chǎn)、安全環(huán)保，采用水溶液作為電解質(zhì)，阻燃性增強(qiáng)；使用過程中不易發(fā)燙發(fā)熱，安全性提高。

    復(fù)合膜用高分子材料和無機(jī)材料制成，電池的能量損耗降到5%以下。

    這鋰電的制造成本也只有目前市面上電動(dòng)汽車鋰電池的一半價(jià)格。

循環(huán)周期

    以電流密度為100毫安/克，根據(jù)庫侖效率幾乎是100%，除第一周期外，這是用于鋰離子電池的類似的質(zhì)量的。這高庫侖效率也表明，水是非常穩(wěn)定的，沒有明顯的副反應(yīng)物產(chǎn)生。 30個(gè)完整的周期后，其放電容量仍保持十分穩(wěn)定，即115毫安/克左右， 30次循環(huán)后沒有明顯的變化發(fā)生和容量衰減。這表明，這種電池的化學(xué)反應(yīng)的循環(huán)性能是非常優(yōu)秀的，與傳統(tǒng)的電池比；見圖5b的信息：這錳酸鋰正極200次循環(huán)后容量沒有明顯的衰減。按后者的條件下，即最后到達(dá)93%的容量，錳酸鋰正極可以保持10000完整的周期，這是優(yōu)于其他充電電池的。Li金屬外包覆的高分子電解質(zhì)，可以緩沖體積變化，在溶解過程中，確保其與涂層良好的接觸。以獲得優(yōu)良的循環(huán)性能。

    在傳統(tǒng)的鋰金屬二次電池，鋰金屬作為負(fù)極材料的使用受到限制，主要是鋰枝晶的安全問題，因?yàn)樗纬稍诜磸?fù)的充放電過程中導(dǎo)致短路。在這里設(shè)計(jì)中，如在圖1中示出，鋰金屬涂敷由凝膠GPE和LISICON膜。GPE能有效抑制鋰枝晶的形成，由于其較高的粘度比的有機(jī)液體電解質(zhì)。即使當(dāng)鋰枝晶形成，它們不能生長通過LISICON膜。其結(jié)果是，確保Li金屬陽極的安全性和循環(huán)性能。

    水電解質(zhì)具有高的熱容量，能吸收大量的熱量。在相同的充電和放電過程中，比常規(guī)的鋰離子電池該系統(tǒng)的溫度要低得多。此外，水或含水電解質(zhì)與Li金屬陽極和正極兩者沒有直接接觸，并且冷卻效果非常有效。無需外加冷卻系統(tǒng)，這是通常所需的大容量電池模塊，無需為在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用。當(dāng)與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，大大提高安全性和可靠性。

凝膠GPE

   凝膠聚合物電解質(zhì)膜GPE是多組分體系，將PMMA溶于-PC電解液中得到一均勻透明的凝膠膜，該凝膠膜室溫離子電導(dǎo)率σ在 ～S/cm之間當(dāng)PMMA含量大于35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，聚合物鏈段與電解質(zhì)之間存在較強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致其電導(dǎo)率的急劇下降。PMMA基GPE與鋰電極界面穩(wěn)定性好，其循環(huán)性能也比PAN體系好，在循環(huán)100次后，其循環(huán)效率仍在90%左右。高電流密度下，鋰電極表面也沒有枝晶產(chǎn)生。

       新型鋰電池用凝膠聚合物電解質(zhì)膜GPE由PVDF（聚（乙烯基氟乙烯））/ PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）/聚偏氟乙烯，溶于由碳酸亞乙酯，碳酸二乙酯和碳酸二甲酯（體積比為1摩爾的/L 溶液為1:1:1）為溶劑電解液中。涂布在鋰電極外，厚度為50微米。

Lisicon膜

1.   原料

天然高嶺土，、、、為分析純?cè)噭?span lang="EN-US">

2.   制備

Lisicon按下面的反應(yīng)式進(jìn)行反應(yīng)：

3.   原料預(yù)處理

反應(yīng)前將在、高嶺土及其他組分（、、）在200下烘干到恒重，保存于干燥容器中，按配比稱出各反應(yīng)物（精確到萬分之一），在機(jī)械球磨機(jī)中通過機(jī)械球磨，機(jī)械球磨條件是：球料質(zhì)量比為—； 轉(zhuǎn)速為200—400rmp/min；時(shí)間為5—10小時(shí)。研磨后將反應(yīng)物裝入鉗鍋，置于高溫爐中在170和700下各加熱4小時(shí)，然后在1000左右加熱20小時(shí)完成反應(yīng)。

4　膜制備方法

    復(fù)合膜的制備:

    干燥氮?dú)庵杏?span lang="EN-US">100 ℃將計(jì)量的聚丙烯腈(PAN , 上海石化生產(chǎn), 相對(duì)分子量: 黏均相對(duì)分子量為(5. 5 ×) 粉末慢慢加入計(jì)量的碳酸乙烯酯(EC) 中, 直至溶解透明。再將計(jì)量的粉末, 加入此體系中, 經(jīng)充分混合成為漿狀物, 后在C22000 型涂布機(jī)(美國AES) 上熱涂布到表面涂有有機(jī)硅脫模劑的離形紙上, 厚度: 30 ～35μm 再覆上AIRMAT TYPE R 并再次涂布厚度: 30 ～35μm 形成總厚度160 ～170μm自支撐膜。

    現(xiàn)在錳酸鋰只需3萬8一噸，二氧化鉛也要3萬多一噸，成本已經(jīng)與鉛蓄電池正極接近，容量是鉛蓄電池近六倍。普通鋰電池要求極面積大，隔膜、銅泊、鋁泊面積也大，因此成本高，新型鋰電池可以做成如鉛蓄電池那樣的厚極板。電池成本可由原來的8萬降到近2萬。60千瓦時(shí)的鋰電池組，約需140公斤（5320元），4公斤金屬鋰（600×4=2400元），也就是原料成本要一萬多。

混合動(dòng)力汽車

現(xiàn)在市場上有銷售電動(dòng)車增程發(fā)電機(jī)，也就是買了電動(dòng)車又私自變成了混合動(dòng)力車。由此看,電池質(zhì)能比與汽油可利用的質(zhì)能比未接近時(shí)，在電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上增加汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是有必要的，改善高速性能。也就是需要以電動(dòng)為主,發(fā)動(dòng)機(jī)為輔的車。那么發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)選多大？以上面表3中115Km/h車速所需的功率為依據(jù)，也就是不小于26千瓦，由此額定功率在30千瓦左右是最佳選擇。發(fā)動(dòng)機(jī)要求盡可能小的體積和重量。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車分類

串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和蓄電池組等部件組成。發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅用于發(fā)電，發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能供給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。發(fā)電機(jī)發(fā)出的部分電能向電池充電，來延長混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的行駛里程。另外電池還可以單獨(dú)向電動(dòng)機(jī)提供電能來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，使混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在零污染狀態(tài)下行駛。

并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車
　　并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電/電動(dòng)機(jī)和蓄電池組等部件組成。并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以單獨(dú)使用發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)做為動(dòng)力源，也可以同時(shí)使用電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源來驅(qū)動(dòng)汽車。

混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車
　　混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、行星齒輪機(jī)構(gòu)和蓄電池組等部件組成。豐田Prius所采用的混合驅(qū)動(dòng)方式，它將發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過一個(gè)行星齒輪裝置連接起來。動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出到與其相連的行星架，行星架將一部分轉(zhuǎn)矩傳送到發(fā)電機(jī)，另一部分傳送到電動(dòng)機(jī)并輸出到驅(qū)動(dòng)軸。此時(shí)車輛并不是串聯(lián)式或者并聯(lián)式，而是介于串聯(lián)和并聯(lián)之間，充分利用兩種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)。

    由于發(fā)動(dòng)機(jī)在電動(dòng)車上的特殊要求，現(xiàn)在摩托車上水冷發(fā)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，單缸250在18千瓦左右，在此基礎(chǔ)上開發(fā)雙缸對(duì)置500發(fā)動(dòng)機(jī)能滿足要求。這只需改變曲軸、曲軸箱及一個(gè)凸輪軸，其它另件都可利用。

    發(fā)電機(jī)采用爪極式電機(jī)，汽車上用的發(fā)電機(jī)就是礪磁爪極式電機(jī)，爪極永磁同步電機(jī)的永久磁鐵形狀簡單，極間漏磁大，磁鐵過載能力強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，普遍用于變流機(jī)和變頻機(jī)，發(fā)電機(jī)的制造容量自數(shù)百瓦到數(shù)千瓦。當(dāng)頻率在1000Hz以內(nèi)時(shí)，制造容量可達(dá)數(shù)十千伏安。

ISG技術(shù)

    傳統(tǒng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，同時(shí)安裝起動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。為了滿足車用電器的電能需求，還需在汽車上安裝發(fā)電機(jī)，通過皮帶傳動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)主軸相連，產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)于蓄電池中。

    傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)成本低易批量生產(chǎn)，通過起動(dòng)控制電子裝制可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命并能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的起停功能。但缺點(diǎn)是顯而易見的，發(fā)電機(jī)功率小，功能單一，只能實(shí)現(xiàn)起?？刂啤鲃?dòng)需要皮帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)裝置，發(fā)電機(jī)功率受限制，沒有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)功能。起動(dòng)系統(tǒng)易磨損。為了發(fā)動(dòng)機(jī)降低油耗，提高能量效率，并使發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化和簡單化，現(xiàn)代汽車上越來越多地采用各種電子控制輔助裝置（例如燃油泵，準(zhǔn)確水泵，動(dòng)力轉(zhuǎn)向，助力制動(dòng)，閥門控制裝置）。同時(shí)為了提高機(jī)動(dòng)車的舒適性和安全性，汽車電器需求功率不斷增大，傳統(tǒng)汽車的14V電源系統(tǒng)已經(jīng)逐漸不能滿足需要，現(xiàn)代汽車的電源系統(tǒng)正在向42V到14V電源系統(tǒng)過渡，最終將發(fā)展到42V系統(tǒng)。增加蓄電池的容量，在42V到14V電源或42V電源系統(tǒng)中可采用更大功率電動(dòng)機(jī)（10KW以上），取代飛輪以及原有的起動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)。這就是集成一體化啟動(dòng)發(fā)電機(jī)技術(shù)。

爪極永磁同步電機(jī)中的爪極式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)為：

①永久磁鐵形狀簡單，易加工，磁化狀態(tài)均勻，磁性好，利用程度高。

②橫向電樞反應(yīng)在爪極中閉合，磁鐵幾乎不受影響，氣隙磁場穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生不可逆畸變。

③爪極之間的漏磁較大，縱軸電樞反應(yīng)對(duì)電機(jī)的去磁作用較小，磁鐵具有較強(qiáng)的過載能力。

④爪極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有良好的阻尼作用，瞬態(tài)短路電流對(duì)磁鐵的作用近似于穩(wěn)態(tài)短路屯泫的作用，可以采用穩(wěn)態(tài)短路電流穩(wěn)定。

⑤機(jī)械強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)牢固，磁鐵外徑較小，表面線速度不高。

⑥圓環(huán)形磁鐵的充磁和利用程度與極靴無關(guān)，適合于極數(shù)較多或頻率較高的中頻發(fā)電機(jī)。

然而，爪極式轉(zhuǎn)子也存在一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

①爪極法蘭盤結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造困難、費(fèi)時(shí)。

②當(dāng)發(fā)電機(jī)速度較高或容量較大時(shí)，爪極昀離心力很大，爪子可能向外彎曲，甚至根部發(fā)生斷裂。

③爪極和法蘭盤所占的整個(gè)轉(zhuǎn)子體積的比例較大，在容量相同的條件下，電機(jī)重量增加百分之20～25，不宜作為工頻發(fā)電機(jī)。

④由于爪極部分有軸向磁通，爪極截面積又不宜過大，因此爪極部分的磁勢降較大。

⑤爪極必須采取整體結(jié)構(gòu)，不能用疊片，爪極中渦流及磁滯損耗較大，導(dǎo)致效率下降。

    這混合動(dòng)力汽車主要以純電動(dòng)運(yùn)行為主（離合器分），在65公里時(shí)速以上剩余80%電能以下時(shí)，以串行混合動(dòng)力模式運(yùn)行（離合器分），高速上，100公里時(shí)速以發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力為主（離合器合），超車加速時(shí)由電機(jī)輔助加速。

    這里在技術(shù)上討論經(jīng)濟(jì)型電動(dòng)車的實(shí)現(xiàn)，性能期望達(dá)到普桑這類車的效果。后部分說的混合動(dòng)力，是期望改善電動(dòng)車在高速上行使里程短的缺點(diǎn)，并達(dá)到最經(jīng)濟(jì)效果，每百公里耗油約4升。