燃料电池汽车关键技术

放大字体缩小字体 发布日期:2015-12-18 22:26:02 浏览次数:1119
核心提示:电动汽车的关键能源动力技术包括电池技术、电机技术、控制器技术。电池技术、电机技术和控制器技术是电动汽车所特有的技术,这3项技术也是一直制约电动汽车大规模进入市场的关键因素。电池技术电池是电动汽车的动力
     电动汽车的关键能源动力技术包括电池技术电机技术、控制器技术。电池技术、电机技术和控制器技术是电动汽车所特有的技术,这3项技术也是一直制约电动汽车大规模进入市场的关键因素。
燃料电池1

电池技术

电池是电动汽车的动力源泉,也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E) 、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争,关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。
电动汽车用电池经过了3代的发展,已经取得了突破性进展。
第1代是铅酸电池,目前主要是阀控铅酸电池(VRLA) ,由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电, 因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。
第2代是碱性电池,主要有镍镉、镍氢、钠硫、锂离子和锂聚合物等多种电池,其比能量和比功率都比铅酸电池高,因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程,但其价格却比铅酸电池高。
第3代是以燃料电池为主的电池,燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能,能量转变效率高,比能量和比功率都高,并且可以控制反应过程,能量转化过程可以连续进行,因此是理想的汽车用电池还处于研制阶段,一些关键技术还有待突破。
广泛应用于电动汽车的燃料电池是一种称为质子交换膜的燃料电池(PEMFC) ,它以纯氢为燃料,以空气为氧化剂,不经历热机过程,不受热力循环限制,因此能量的转换效率高,是普通内燃机热效率的2~3倍。同时,它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性,使得PEMFC非常适合用作交通工具的动力源。

电机技术

电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。使用较多的有直流有刷永磁无刷交流感应开关磁阻4种电机。
直流有刷电机结构简单,技术成熟,具有交流电机所不可比拟的优良电磁转矩控制特性,所以直到20世纪80年代中期,仍是国内外电动汽车用电机的主要研发对象。但是,由于直流电机价格高,体积和质量大,因此在电动汽车上的应用受到了限制。
永磁无刷电机可以分为由方波驱动的无刷直流电机系统(BLD— CM)和由正弦波驱动的无刷直流电机系统(PMSM) ,它们都具有较高的功率密度,其控制方式与感应电机基本相同,其主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点,因此在电动汽车上得到了广泛的应用,是当前电动汽车用电动机的研发热点。这类电机具有较高的能量密度和效率,其体积小、惯性低、响应快,非常适应于电动汽车的驱动系统,有极好的应用前景。但价格较贵,永磁材料一般仅耐热12c=0I以下。目前,由日本研制的电动汽车主要采用这种电机。
交流感应电机也是较早用于电动汽车驱动的一种电机,它的调速控制技术比较成熟,具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点,但因转速控制范围小、转矩特性不理想,因此不适合频繁启动、频繁加减速的电动汽车。美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电机。
开关磁阻电机(SRM)具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行,控制灵活、4象限运行、响应速度快和成本较低等优点。但实际应用发现,SRM存在着转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点,所以应用受到了限制。
4种电机各有优缺点,但是对于电动汽车而言,由于电能是由各类电池提供的,价格昂贵而弥足珍贵,所以使用相对效率最高的永磁无刷电机是较为合理的,它已被广泛应用于功率小于100kW 的现代电动汽车上。
在国外已有越来越多的电动汽车采用性能先进的电动轮(又称轮毂电机),它用电机(多为永磁无刷式)直接驱动车轮,因此无传统汽车的变速器、传动轴、驱动桥等复杂的机械传动部件,汽车结构大大简化。但是它要求电机在低转速下有很大的扭矩, 特别是对于军用越野车,要求电机基点转速:最高转速=1:10。近几年,美、英、法、德等国纷纷将电动轮技术应用于军用越野车和轻型坦克上,并取得了重大成果。

控制器技术

控制器技术的变速和方向变换是靠电动机调速控制装置来完成的,其原理是通过控制电动机的电压和电流来实现电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速,通过均匀改变电机的端电压,控制电机的电流,来实现电机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中,它也逐渐被其他电力晶体管(如GTO、MOSFET、BTR及IGBT 等)斩波调速装置所取代。从技术的发展来看,伴随着新型驱动电机的应用,电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用将成为必然的趋势。
在驱动电机的旋向变换控制中,直流电机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向,实现电机的旋向变换,这使得控制电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电机驱动时,电机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可,可使控制电路简化。此外,采用交流电机及其变频调速控制技术,使电动汽车的制动能量回收控制更加方便,控制电路更加简单。
二十一世纪以来,由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。矢量控制又有最大效率控制和无速度传感器矢量控制,前者是使励磁电流随着电动机参数和负载条件的变化,从而使电动机的损耗最小、效率最大;后者是利用电机电压、电流和电机参数来估算出速度,不用速度传感器,从而达到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。直接转矩控制克服了矢量控制中解耦的问题,把转子磁通定向变换为定子磁通定向,通过控制定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹角,从而达到控制转矩的目的。由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速,因此非常适合电动汽车的控制。
随着电机及驱动系统的发展, 控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术,都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单,响应迅速,抗干扰能力强,参数变化具有鲁棒性,可大大提高整个系统的综合性能。
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