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目前电动汽车的设计方法
1.1介绍
由于对汽车买主有吸引力的经济案例支持，电力推进的环境论据在可能时变得更加引人注目。这里是目前的技术对电动和混合动力驱动系统进行审查的方式表明了技术上的必要性经济性。在对不同车辆进行驱动系统类别比较的分析研究之后，“清洁设计”集成车辆电力驱动系统的审查小中型轿车和结论部分包含了优化电机，驱动的程序和电池组解决方案形式的电池。
导言中出现了关于电力驱动基本原理的部分，建立了基本术语。在第四章后半部分所载的案例研究章节（5和6）的前言中，讨论了电动汽车的整个宏观经济学，其中涉及燃料基础设施的更广泛的方面，正如对电动汽车的竞争性电力驱动和能量存储系统的全面分析一样。
1.2电动汽车的情况
1.2.1环境要求
目前世界汽车数量达7亿，其中超过6亿属于G7经济体。这个数字在未来十年将增加到约10亿。预计这种增长的大部分将发生在人均第二世界国家收入已达到已知开始购车的水平。这有两个严重的问题影响（图1.1）：碳氢燃料使用量大幅增加，污染增加到全球不可持续发展的水平。很多人都听说过所谓的温室效应。如果二氧化碳的温室气体排放量为1，则甲烷为25，而氟氯化碳为30 000-50 000。很显然，人类必须尽快减少碳氢化合物和氟氯化碳的释放量；CO2是另一回事。如果大气中CO2的数量从20％增加到40％，那么温度会增加5℃和海平面会上升1米。但是，额外的植物活动将消除非洲，中东和亚洲数百万人的饥荒。在科学界，二氧化碳的“陪审团”仍是个问题。
图1.1 正如世界银行所看到的,与能源使用有关的预期寿命
问题排放是一氧化碳，二氧化硫，氧化亚氮和铅的排放，更不用说柴油机尾气中的固体颗粒了。在所有这些，人正在与自然竞争。问题在于现在人类的排放量已经达到历史记录显示的水平在自然界有着戏剧性的后果。例如，1815年，一座火山排放2亿吨二氧化硫进入大气。1861年，天空中出现了一团硫酸整个夏天阻止了北半球的太阳，气温下降到7℃，没有农作物。每个运行在煤炭上的2000兆瓦电站每年都会排放15万吨二氧化硫。在北半球酸雨破坏我们的森林和建筑物。南半球这种规模的污染是不可持续的。氧化亚氮在1500℃或以上燃烧时会排放氧化物。在城市这种气体达到高浓度，并被阳光转换成光合作用烟雾，这正在成为一种全世界主要的健康危害。由于大多数车辆每十年更换一次，汽车运输技术的改变可能产生最快的影响。
1.2.2作为主要运输工具的电动汽车
消费者用他们的钱包投票！电动汽车只有基于主要运输角色使用实现内燃机性能的技术，才能成为一个健康的市场。这意味着电池以外的能源（图1.2）。实际上我们有一个选择的内燃机，燃气轮机和燃料电池，但我们如何在保持性能的同时降低成本污染？秘诀在于不要浪费当前从散热器或管道排出的72％的能量。目前，内燃机的燃油/空气比为14：1。这个可以提高到34：1，但发动机不能再快速加速。幸运的是，这可以通过其他手段克服。对于超过100 kW的大型发动机，在商用车辆中燃气轮机是一种高效的解决方案。然而，它的性能不如内置发动机的低功率，和燃料电池电气提供最好的承诺。燃料电池是未来的技术。有许多种类，但只有一种与车辆直接相关的类型，这就是质子交换膜（PEM）细胞。使用卡诺循环，其转换效率限制为83％。科学家现在可以达到58％，并在十年内预测到70％。燃料电池有很多优秀的品质。小型机组的效率很高，特别是在轻载时。新的施工技术一直在降低成本，1992年已经可以使用氢气/空气达到200英镑/千瓦混合物。真正的问题是提供燃料。
1.2.3燃料基础设施
当前的发动机通过燃烧诸如丙烷，甲烷，汽油，柴油等碳氢化合物来获得它们的能量。 然而，氢气是未来的燃料。什么能量量推动土星5号火箭？巧合，还是必然？液态氢具有每磅55000BTU的能量密度，而汽油为每磅19000BTU，丙烷为每磅17000BTU。问题是如何从烃燃料中有效地获得大量的氢气。 直接包含在这些燃料中的氢气的百分比在能量方面很小。 例如，甲烷（CH4）的碳含量为17.5％，氢含量为25％。然而，现在有一个解决方案来解决这个问题，由氢能公司开发的重整工艺称为热催化重整。简而言之，这是化学品处理：
3Fe 4H2O = Fe3O4 4H2和Fe3O4 2C = 3Fe 2CO2
第一种方法在130℃下用催化剂进行。氢气储存在氢化物罐中直到需要。通过第二道工序，铁被送回中央设施进行还原。该关于这个循环的要点是，高比例的碳氢化合物热能被转化进入氢气和1公斤的铁提供足够的氢气，作为一辆小型汽车行驶6公里燃料电池。
内燃机和燃气轮机在大多数碳氢化合物和氢气中运行良好。燃料电池需要氢。氢气必须安全使用和储存。这可以通过改革来实现在加油站的需求——废热将被用于发电回输进入国家电网。主要燃料可以是任何碳氢化合物，例如汽油，柴油，甲醇，丙烷或甲烷。唯一的限制是燃料源必须具有低硫含量因为不会毒化催化剂。在英国，有一个名为天然气网格的开端。这可能使能源分配变得至关重要，消除了汽油和柴油路分销的需要。为了满足未来的运输需求，保留“燃料”站分配手段。这给我们带来了车载氢储存的问题。
1.燃油车：每天68英里的行程消耗2.5加仑燃料，需要2个小时。
燃料中的能量= 5.14times;108焦耳
火力= 71.3千瓦
机械功率= 20千瓦平均值
效率= 28％
2.蓄电池电动车作为二次运输。
电站效率40％
电动车效率80％
总体32％
结论：污染从汽车转移到发电站。只有环境 如果汽车的性能被牺牲或者发电站是非热量和范围/ 性能有限。
3.混合动力车作为主要运输工具
碳氢化合物转电
通过精益燃烧汽油发动机45％
电力机械动力90％
总体40.5％
结论：污染减少55％，油耗为汽油车的70％性能/范围作为汽油车。
4.燃料电池电动汽车作为主要运输工具。
烃转氢转化率80％
燃料电池氢电转换60％
电力机械动力90％
总体上43％（10年内可能达到48％）
结论：污染减少90％;油耗是汽油车的66％ 性能/范围是汽油车。
图1. 2与污染有关的燃料的一些粗略比较
铁钛氢化物一直被称为存储介质，但人们需要500公斤储存10升氢气，1992年的成本为3000英镑。该气体储存在标准丙烷罐中充满了这种材料。如果油箱破裂，由于其吸收，气体缓慢释放在氢化物中。在美国，实验也发生在低温存储的情况下可能更便宜，更轻。整体分配方案如图1.3所示。总之，改变混合动力/燃料电池电动汽车的好处是:（一）工程是实际的; （二）消费者可接受的表现; （三）减少燃料消耗; （四）它减少污染，特别是氧化亚氮; （五）减少对进口石油的依赖; （六）它可以迅速实现; （七）可以以合理的成本实现; （八）防止需求增加用于石油; （九）它适合现有的燃料基础设施和（十）它解决了污染问题与预计的污染水平相关，而不是现有的是催化转化器的主要原因无效。
图1.3 氢气分配系统
1.2.4燃料电池电动车
这种车辆类别（图1.4）将使用燃料电池来提供平均的动力功率要求，并利用增压电池为加速提供峰值功率。氢将储存在充满金属氢化物粉末的储罐中，或低温储存。该系统提供足够的余热用于客舱加热。当电池充满电时，燃料电池可以给电池充电车辆未使用。如果车辆有交流变频器，则可以为其供电提供便携式工具，注入房屋或国家电网。燃料电池应该减少与14：1空气：燃料混合物的内燃机相比，排放水平降低了10倍。
图1.4 燃料电池电动车
1.2.5燃料电池的特性
什么是燃料电池？它是一种将燃料气体和氧化剂转化为电能的电化学电池（见第4章）。 PEM电池具有一层石墨电极隔膜夹在中间，加上气密密封。每个电池约6毫米厚，并产生1 V负载和0.7 V负载，电流约为250A。
因此，用于15kW平均功率的燃料电池在250安培下将产生约60-70V DC。大小约为200平方毫米，长约600毫米。电池在80℃的温度下运行，冷却时，可以大约3分钟后立即给出50％的功率和全功率。这些单位表现出很长的寿命。直到最近这个问题在空气中运行而不是氧气时才是密封寿命。新材料已经解决了这个问题。当使用纯氧时，产量增加一倍。燃料电池没有像源气中的一氧化碳等污染物。气体通常以0.66注入大气进入堆栈。现在面临的主要挑战是改进设计以优化设计相对于性能的成本。这需要时间，因为目前部署的工作量很小与投入电池或其他燃料电池类型的努力有关。一个专业有一个非常真实的案例多国努力在短期内对科技和工程师进行这项技术的培训，减少大规模引进的时间。
1.2.6 电池组的作用
电池已经在我们身边至少有150年了，有两个主要问题：它们很重，它们不喜欢反复深度放电。无论如何，深度循环的电池技术性能随着年龄的增长而恶化。所以这个问题必须被问及#39;电池如何做得好？#39;。答案是在深度放电中提供有限的性能，或者可选地提供很多作为混合动力和燃料电池车辆峰值功率供应商的更好性能。
高温电池正在进行大量工作。这些不太可能符合成本或重量主要运输应用的限制。最好的高温电池可以提供100瓦时/千克。总体而言，燃料电池已经提供了300瓦时/千克，这可以随着发展而改善。所需要的是具有与普通汽车起动器电池不同的能力的电池，即内阻非常低，使用寿命长，气体复合效果好，常温操作，完全密封，结构紧凑，合理的深放电寿命以及物理性能强大。
满足上述标准的电池是由铅酸电池制造的铅酸电池豪客。这种结构已经取代了镍镉电池
在许多飞机上。特别是铅酸电池比常规设计保留更多的再生充电，并且可以快速充电和放电。 但是，有一个窍门实现这一点。大多数电池由“矩形”电池阵列组成，所以难怪这一点电池的温度随着堆叠中的位置而变化。要快速给电池充电时保持电池温度均匀至关重要。因此有必要液体冷却电池获得最佳性能和长寿命。其他值得注意的是电池效果最好40°C是铅酸的理想选择。电池电解液就是倾倒废热的地方来自马达/发动机/燃料电池。
镍镉电池比铅酸电池性能更好，但成本却是铅的两倍目前和密封版本的存储量限制在10 Ah以下，但较大的设备在使用发展。目前最好的镍镉单元是SAFT STM / STH系列。密封铅酸电池和含水镍镉电池的峰值功率为90和180 W / kg，Wh / kg值分别为35和55。
就安全性而言，长串联电池并不是一个好主意。跟踪的泄漏很高，而且对工作非常危险。因此，电池应采用密封结构，串联电压不超过110V。理想情况下，最大电压应为220 V DC，即接地的 /- 110 V，配置为带有中心抽头的两个独立串，因此连接器上相对于地不会超过110 V（图1.5）。
图1.5 电池连接和接地
市场上有一个低成本的2极220V，300A遥控断路器，作为电池隔离器，具有5kA的短路容量。 但是，接地电池的中心抽头存在问题，因为在电池充电器中可能需要隔离变压器。 因此，在美国提出的许多新计划中，实施了不同的路线，用于无轨电车 - 全绝缘系统。在大多数这些方案中，在300V的典型标称电压下使用大容量电池（15-30kWh）。这将在充电结束时从250V完全放电变为375V。 电气系统完全与地绝缘。充电时，主电源可以是中心接地或单端接地。
在中心抽头地面（典型的美国情况下，110/0/110），车辆电气的潜力与地球平衡。当一端接地（典型的欧洲情况）时，车辆电气的电势将在供电频率上相对于地面上下移动，并且存在通过任何电容到车辆电气系统接地的接地泄漏电流的前景。但是，这很小，通常是因为轮胎与车辆隔离。但是，在充电时，将车辆地面接地是可取的，以防止人们接触车辆并站立在接地表面上的任何震动。
1.2.7 电动车辆规格
从以前的考虑，现在可以开始指定电动汽车性能权衡的任务。 Polaron认为电动车将被分割，如图1.6所示。这并不假装是一个详尽的清单，而是显示要提供的要求的范围和规模。 最有趣的观察结果是，在大众市场上，30-150千瓦，仅使用两种尺寸的驱动器45和75千瓦就可以实现解决方案。为了配合驱动器，每个尺寸都需要两个速度等级的电机，例如需要与原动机兼容的5000 rpm，直接驱动系列混合动力/纯电动机箱需要12 000 rpm。
图1.6 短期电池电动车和混合动力车
1.2.8 混合动力车辆示例
现在建议看一下两种情况（a）45 kW并联混合动力车辆; （b）90 kW系列混合动力汽车，如图1.7所示。45千瓦的并联混合动力汽车通常由一个小型发动机组成，通过电动机直接驱动差速器，从而驱动车轮。最小化重量是这种设计的关键问题，同时具有低滚动阻力和低阻力。在60英里/小时的时候，一个好的设计可以预计8千瓦的功率来继续在平坦的道路上行驶。该车辆将安装发动机，额定功率约为峰值要求的三分之一，即15千瓦加上相关的空调费用。电动机必须使用储存在电池中的能量提供高达45千瓦的功率。这可以通过由变速箱操作的恒转矩电动机或仅用两个齿轮或不带齿轮箱的恒功率电动机来完成。后者正在迅速成为使用前轮驱动的电动车的标准。
图1.7 45千瓦并联混合动力车和90千瓦串联混合动力车
车辆使用电池为超车，爬坡等提供峰值加速功率。在平坦的情况下，0-60英里加速时间约为12秒，对于这类车辆来说是典型的，并且在允
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