电动汽车原理

电动汽车原理 电动汽车总是出现在各类新闻中。人们对电动汽车的兴趣不减，有以下几个原因: 电动汽车产生的污染比汽油动力车要少，因此从环保方面考虑，电动汽车是汽油动 力车的一种合适的替代(特别是在城市中)。 任何有关混合动力车的新闻报导通常也会谈论到电动汽车。 由燃料电池提供动力的车是电动汽车，而燃料电池现已在新闻中受到了广泛的关注。 典型电动汽车的功率为50千瓦的控制器 在本文中，您将通过厂商生产和自己动手改造两个方面了解电动汽车。您还将了解一个针对初中和高中学生的创新计划，该计划让各个学生团队来制作电动汽车并进行比赛。 电动汽车是一种由电动马达而不是汽油发动机提供动力的汽车。消声器、催化转化器、排气管和油箱一起拆下。 从外观上看，您可能完全不知道汽车是电动的。大多数情况下，电动汽车都是由汽油动力车改装过来的，因此在这种情况下很难分辨出来。驾驶电动汽车时，通常唯一能够让您认清这辆车的真实面目的方法是:电动汽车开起来几乎是无声的。 在发动机罩的下面，汽油车和电动汽车之间存在许多差异: 汽油发动机已被电动马达替换。 电动马达从控制器获取动力。 控制器从一组可充电的蓄电池获取动力。 汽油发动机及其油管、排气管、冷却管和进气歧管看起来就像一个管道。 而电动汽车完全是一个布线工程。 为了对电动汽车的一般工作原理有个认识，先让我们看一下典型的电动汽车，以了解其构造。下面显示的是供我们本次讨论的电动汽车: 这是一辆典型的电动汽车，车身贴了一些特别漂亮的贴纸(请参见电动汽车挑战赛，了解这 一针对中学生的比赛)。 这辆电动汽车是从一辆普通的1994 Geo Prism汽油动力车改装过来的。以下是将该汽车变成一辆电动汽车所做的改装: 将汽油发动机连同 将离合器总成拆下。现有手动变速器保留在原位，并固定在二挡。 通过一个固定板使用螺栓将新的交流电动马达固定到变速器上。 增装一个电动控制器以控制交流马达。 50千瓦的控制器可以输入300伏的直流电并输出240伏的交流电(三相)。标有“U.S. Electricar”的盒子即为控制器。 在汽车底板上安装蓄电池底座。 在蓄电池底座中放入五十个12伏的铅酸蓄电池(分为两组，每组25个铅酸蓄电池，可以产成300伏的直流电)。 为以前从发动机获取动力的各个装置增装电动马达来提供动力:水泵、动力转向泵和空调。 为动力制动器增装真空泵(在汽车装有发动机的情况下，动力制动器会使用发动机真空)。 真空泵位于中间居左的位置。 手动变速器的换挡杆用一个伪装成自动变速器换挡杆的开关替换，以控制前进和倒退。 自动变速器换挡杆用于选择前进和倒退。它包含一个小开关，用于向 控制器发送信号。 增装了一个小的电热水器以提供热能。 热水器 增装了充电器，以便能够对蓄电池进行充电。实际上，这辆独特的汽车具有两套充电系统:一套系统连接通常的120或240伏的壁装电源插座，另一套系统连接Magna-Charge感应充电板。 120/240伏的充电系统 Magna-Charge感应板充电系统 燃油替换成了电压表。 电动汽车中的“燃油表”既是一个简单的电压表，又是一个比较复杂 的计算机，用于跟踪进出蓄电池组的电流。 汽车的任何其他设备保持不变。当您进入汽车后，将车钥匙插入点火装置中，并将其旋转到“on”位置，即可发动汽车。将换挡杆推入到“D”(行进)位置，踩下加速踏板即可开动汽车。汽车的表现和普通的汽油车很相似。以下是一些有趣的统计数据: 这辆汽车可以行驶80公里。 将时速从0提高到96公里/小时大概需要15秒钟。 在汽车行驶了80公里之后，需要对汽车充电约12千瓦时。 蓄电池的重量大约为500公斤。 蓄电池的寿命为三到四年。 若要比较汽油车和电动汽车每公里的行驶成本，可以参照下面的示例。美国北卡罗莱纳州现在的电费约为8美分/千瓦时(如果您采用分时段计帐方式并在晚上进行充电的话，则电费约为4美分/千瓦时)。这就意味着，电动汽车每充满一次电需要花费1美元(如果采用分时段计帐方式，则需花费50美分)。因此，电动汽车每公里的行驶成本为1.2美分或0.6美分(如果采用分时段计帐方式)。如果汽油的价格为0.26美元/升，并且汽车使用1升汽油可以行驶10公里，则汽油车每公里的行驶成本为2.6美分。 显而易见，电动汽车每公里的“燃油”成本比汽油车的要低得多。而且，对于许多人来说，80公里的行驶范围也不具有局限性，城市或郊区的普通居民每天的行车距离很少超过50或60公里。 不过，为了保证绝对公平，我们也应考虑到蓄电池的更换成本。如燃料电池中所述，蓄电池目前是电动汽车的一个薄弱环节。更换这辆电动汽车的蓄电池需要花费约2,000美元。蓄电池将可以供汽车行驶大约32,000公里，即每公里要花费大约6美分。现在，您就知道为什么燃料电池如此让人兴奋了——燃料电池解决了蓄电池问题。有关燃料电池的更多详细信息将在本文后面的中讨论。 电动汽车的核心部分由以下几个部件组成: 电动马达 马达的控制器 蓄电池 连接蓄电池与直流马达的是一个简单的直流控制器。如果驾驶员将油 门踏板踩到底，则此控制器会将来自蓄电池的全部96伏电压传送到马 达。如果驾驶员将脚从油门上移开，则此控制器不会向马达传送电压。 对于这二者之间的任何设置，控制器每秒钟会将96伏电压“切掉”几 千次以获得介于0和96伏之间的平均电压。 控制器从蓄电池获取电力并将其传送给马达。油门踏板与一对电位计(可变电阻器)相连，这些电位计会发出信号以告知控制器其认为可能传送的电力。控制器可以不传送电力(当停止汽车时)、传送全部电力(当驾驶员将油门踏板踩到底时)或介于这二者之间的任何电力级别。 当您打开发动机罩时，首先映入眼帘的就是控制器，如下图所示: 标有“U.S. Electricar”的盒子就是这辆电动汽车的电压为300伏、 功率为50千瓦的控制器。 在这辆汽车中，控制器将从电池组获取300伏的直流电。它会将获取的直流电转换为最多240伏的交流电(三相)以发送给马达。控制器通过使用非常大的晶体管来做到这一点，晶体管可以快速打开或关闭蓄电池电压以生成正弦波。 当您踩下油门踏板时，踏板的缆线会连接到这两个电位计: 电位计与油门踏板相连并向控制器发送信号。 来自电位计的信号将告知控制器向电动汽车的马达传送的电力数。为了安全起见，电动汽车中安装了两个电位计。控制器将读取这两个电位计并确保二者的信号相同。如果二者的信号不同，则控制器不会运行。这样安排是为了预防一个电位计在全满位置失效的情况发生。 粗的电缆(左侧)用于连接蓄电池组和控制器。中间是一个非常大的 闭合开关。右侧的一束小的电线用于传送由蓄电池之间的电位计提供 的信号，并为用于保持蓄电池处于冷却和通风状态的风扇提供电力。 连接控制器输入和输出端的粗大电线 控制器在直流电电动汽车中的作用很容易理解。让我们假定蓄电池组包含12个电压为12伏的蓄电池，并用串联的方式连接在一起以产生144伏的电压。控制器将接收144伏的直流电，并通过可控方式将其传送给马达。 最简单的直流控制器应是通过电线连接油门踏板的大的闭合开关。当您踩下油门踏板时，此开关将打开;而当您松开油门踏板时，此开关将关闭。作为一名驾驶员，为了保持给定的车速，您必须踩下和松开油门以脉冲的方式打开和关闭马达。 显然，虽然这种开关方法可行，但是对于驾驶来说是痛苦的，因此控制器将为您调制脉冲。控制器会从电位计读取油门踏板的设置并相应地调整电力。让我们来谈论一下将油门踩下一半的情况。控制器会从电位计读取到此设置，并快速打开和关闭供给马达的电力，以便马达一半时间处于打开状态，另一半时间处于关闭状态。如果您将油门踏板踩下四分之一，则控制器会使电力脉冲输出，以便马达在25%的时间处于打开状态，75%的时间处于关闭状态。 大多数控制器脉冲输出电力的频率超过15,000次/秒，目的在于使脉动保持在人类听觉的范围之外。脉冲电流会导致马达外壳按该频率振动，因此当脉冲频率高于15,000次/秒时，控制器和马达对于人的耳朵来说是无声的。 交流控制器连接到交流马达。通过使用六组电力晶体管，控制器可以 接收300伏的直流电并会生成240伏的交流电(三相)。有关三相电 力的讨论，请参见电力网的工作原理。此外，控制器还额外提供了一 个用于蓄电池的充电系统，以及一个用于对12伏附件蓄电池进行充电 的直流到直流转换器。 在交流控制器中，这项工作会更复杂一点，但思路是一样。控制器会生成三段伪正弦波，并通过从蓄电池获取直流电压，然后以脉冲方式打开和关闭此电压来做到这一点。在交流控制器中，还需要每秒将电压的极性反转60次。因此，实际上您需要在交流控制器中使用六组晶体管，而只需在直流控制器中使用一组晶体管。在交流控制器中，对于每一相，您需要一组晶体管来脉冲输出电压，并需要另一组晶体管来反转极性。由于您对三相要重复三次操作，因此共需要六组晶体管。 电动汽车中使用的大多数直流控制器来自电力叉车行业。上图所示的Hughes交流控制器与GM/Saturn EV-1电动汽车中使用的交流控制器类型相同。该控制器最多可以向马达传送50,000瓦电力。