現(xiàn)代電動汽車電源系統(tǒng)研究

李軍

摘要：隨著近年來綠色環(huán)保發(fā)展理念的不斷深入，電動汽車產(chǎn)業(yè)得到了極大程度的開拓與發(fā)展。通過分析理解電動汽車的簡單工作原理，便可知道電源系統(tǒng)是電動汽車發(fā)展的核心因素。為滿足相比于傳統(tǒng)汽車應(yīng)有的動力性與續(xù)駛里程，以及使用壽命相當(dāng)?shù)幕疽?，電動汽車的電源?yīng)當(dāng)具備高比能和高比功率等性能。對此，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究循環(huán)壽命長、效率高、成本低的電源系統(tǒng)是當(dāng)前電動汽車發(fā)展的重要走向。

關(guān)鍵詞：電動汽車；電源系統(tǒng)

前言：近年來，綜合保護(hù)環(huán)境、未來可持續(xù)等發(fā)展原則，于此理念下誕生的電動汽車受到了廣泛的歡迎與認(rèn)可。電動汽車，簡稱BEV，指的就是以車載電源為運行動力，用電機(jī)驅(qū)動車輪行駛的車輛。

而其與傳統(tǒng)汽車的明顯不同之處即是電源使用的根源不同。電動汽車常用的電源即蓄電池，通過蓄電池持續(xù)為電動機(jī)提供電能從而驅(qū)動動力傳動系統(tǒng)，進(jìn)而達(dá)到驅(qū)動汽車行駛的目的。本文將從分析電動汽車電源變化發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代電動汽車電源發(fā)展來進(jìn)一步研究未來電動汽車電源系統(tǒng)。

一、電動汽車的簡單概述

隨著人類對資源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)可持續(xù)發(fā)展理念的深入理解，近年來作為能在一定程度上降低環(huán)境影響力的電動汽車得到了廣泛的認(rèn)可與使用。

電動汽車BEV，就是將車載電源作為供電源從而驅(qū)動電機(jī)進(jìn)一步使得汽車能夠順利行駛。簡單說來，它的工作原理即從蓄電池提供電能產(chǎn)生電流開始，通過電力調(diào)節(jié)器過渡到電動機(jī)，再經(jīng)過動力傳動系統(tǒng)從而驅(qū)動汽車行駛（Road）。

對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車來說，電動汽車與其根本性上的不同即是電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)成為了電動汽車能夠順利運行的關(guān)鍵部件。而對電動汽車這一大類來說，由于車載電源及動力系統(tǒng)等方面存在的不同，繼而發(fā)展出了純電動汽車BEV、混合動力汽車PHEV和燃料電池汽車FCEV簡單概括歸納的三種電動汽車。

純電動汽車BEV是目前技術(shù)較為成熟的典型電動汽車代表。通過蓄電池充當(dāng)車載電源，在有電力供應(yīng)的地方都能簡單實現(xiàn)超快充電與隨時充電，進(jìn)而電動機(jī)順利工作驅(qū)動汽車行駛。

混合動力汽車PHEV則是通過從燃料在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)工作或是蓄電池類的電能儲存裝置中獲得動力的汽車，通過內(nèi)燃機(jī)運轉(zhuǎn)關(guān)閉與蓄電池供電給電動機(jī)的轉(zhuǎn)換，完美實現(xiàn)油耗低、污染少的最優(yōu)工況。而其又根據(jù)動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的不同繼而分為串聯(lián)式混合動力汽車SHEV、并聯(lián)式混合動力汽車PHEV及混聯(lián)式混合動力汽車CHEV等不同類型。

燃料電池汽車FCEV，顧名思義就是通過利用燃料電池消耗燃料，從而驅(qū)動動力系統(tǒng)運行的汽車。燃料電池的工作原理即是常見的電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，能量轉(zhuǎn)換率在此反應(yīng)中還奇高。因而燃料汽車成為了當(dāng)前發(fā)展下的理想車型，近年來更是得到了極大程度的發(fā)展。

二、電動汽車電源系統(tǒng)的發(fā)展追溯

自電動汽車問世以來，車載電源的選用也結(jié)合著當(dāng)前資源利用情況與人類發(fā)展需求而不斷改進(jìn)，大致可以分為蓄電池等三個階段。

鉛酸蓄電池是車載電源的早期開發(fā)的電源系統(tǒng)，也因為在此方面技術(shù)成熟而得到了廣泛的使用。除了技術(shù)成熟外，鉛酸蓄電池被廣泛應(yīng)用的重要原因還有其價錢便宜、可靠性高、良好的溫度性能等方面。

然而實際上，鉛酸蓄電池的比能量與比功率都比較低。拿城市的一輛普通公交車來說，行駛一百公里會消耗100KWh。照此計算，如果行駛300km，相應(yīng)的就應(yīng)該裝置300KWh的電池組。如果電池組比能量按每一千克40Wh來算的話，電池組的重量都能占到7.5t！這顯然是不可能的。此外，不可避免的阻率也使得鉛酸蓄電池釋放的電能不足進(jìn)而制約電動汽車加速、爬坡等相關(guān)性能。

而后發(fā)展的鎳鎘電池Ni-Cb，盡管其功率強(qiáng)，并且儲存能量高，而其生產(chǎn)成本高，而且重金屬鎘污染環(huán)境且具有致癌性。因而鎳鎘電池在電動汽車的發(fā)展中存在很大的限制。而無鎘的鎳氫電池Ni-MH則因此與鎳鎘電池相反不存在污染問題，保留著其綠色環(huán)保的效用。鈉硫電池（Na-S）有著很高的比功率與比能量，但又由于其存在溫度限制與腐蝕性的影響，存在結(jié)構(gòu)設(shè)計堅固的影響。

近年來廣泛發(fā)展的鋰離子電池（Li-lon）盡管仍處于開發(fā)階段，但由于其超強(qiáng)的比能量與使用壽命等優(yōu)點，使得Nissan FEV、Altra等電動汽車都采用了鋰電池電池。

三、電動汽車電源系統(tǒng)的未來展望

不得不說，聯(lián)系到當(dāng)前資源可循環(huán)可再生、綠色環(huán)?？沙掷m(xù)的發(fā)展理念，鋰離子電池等更具經(jīng)濟(jì)效益與綠色意義的電源系統(tǒng)已逐步替換了早期的鉛酸蓄電池等高消耗車載電源，進(jìn)而登上了電動汽車當(dāng)前電源系統(tǒng)研究發(fā)展的舞臺。

實際上，鋰離子電池不僅比能量和比功率高，其價格也相較于其他蓄電池更低，性能也更安全和穩(wěn)定。就拿前文鉛蓄電池中舉例的城市公交車來說，鋰離子電池的理論比能量為每千克170Wh。照前面配置的300KWh鉛酸蓄電池來說，如果替換成鋰離子電池中的磷酸鐵鋰電池，重量就會驟然減輕至1764Kg！而錳鋰電池的輸出電壓更高于磷酸鋰電池，可見鋰離子的電池前景是極為廣闊待深入研究挖掘的。

此外，目前新興的電動汽車電源還有在20世紀(jì)90年代提出的新概念電池，飛輪電池（FB）。飛輪電池與傳統(tǒng)的化學(xué)電池有著本質(zhì)上的不同，它是一種物理電池，即是通過物理方法機(jī)械能實現(xiàn)儲能。飛輪電池中內(nèi)部的電機(jī)在充電的時候就會以電動機(jī)的形式運轉(zhuǎn)，即當(dāng)有外部能量輸入時電機(jī)能夠帶動飛輪高速運作。簡單說來就是充電使得飛輪轉(zhuǎn)速增加同時增大其儲能，相對應(yīng)的放電就是飛輪帶動對外輸出電能完成能量轉(zhuǎn)換。

實際上由于其仍在開發(fā)階段，成本高技術(shù)要求也高使得應(yīng)用并不廣泛。但飛輪電池所具備的方便快捷無污染，效率高且壽命長等性能使得各國對此投入大量的人力與資金開展研究。而我國例如英利集團(tuán)等科技企業(yè)更在“十二五”期間投入了大容量儲能飛輪研發(fā)，實現(xiàn)大儲能裝置的規(guī)模化生產(chǎn)。

可以說，21世紀(jì)及22世紀(jì)，在地球資源日益緊張、環(huán)境不斷惡化的形勢下，太陽能（包括其派生的風(fēng)能、浪能）可能變?yōu)槲ㄒ辉试S使用的能源。在此情況下，在利用太陽能的基礎(chǔ)上加入飛輪電池儲能的效用，太陽能電廠便可以提供全天候的能源。而在這一目標(biāo)的實現(xiàn)下，人類“綠色能源”的研究探索也能夠終得以成功。

結(jié)論

在當(dāng)前節(jié)約型社會建設(shè)過程中，電動汽車在各方面具備的經(jīng)濟(jì)效益與便利，使得電動汽車勢必成為當(dāng)下出行的新寵。對比早期開發(fā)使用的鉛蓄電池，鋰離子電池更輕便且價格便宜，更在比功率比能量方面具有極大的優(yōu)勢。而當(dāng)下正在努力開發(fā)的飛輪電池，較于傳統(tǒng)化學(xué)電池更為便利。可見，電動汽車電源系統(tǒng)仍存在廣闊的開發(fā)空間待有關(guān)研究人員對此深究探索。

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