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电动汽车的马达以及其他装置
电动汽车可以使用交流马达或直流马达:
如果马达是直流马达,则可以在96和192伏之间的任何电压下运行。电动汽车中使用的许多直流马达来自于电动叉车行业。 如果马达是交流马达,则可能是在240伏交流电(由300伏的电池组提供)下运行的三相交流马达。
安装直流马达将更加简单且花费更低。典型的马达功率介于20,000瓦到30,000瓦之间。典型的控制器的功率介于40,000瓦到60,000瓦之间(例如,96伏的控制器最大可以传送400或600安的电流)。直流马达具有在短时间内过度使用的良好特性(最大系数为10:1)。也就是说,功率为20,000瓦的马达将可以在短时间内接收100,000瓦的功率,并传送其额定功率5倍的功率。这对于突然加速很有用。唯一的限制是马达内的热量聚积。过度使用马达会导致马达不断升温,导致烧毁。
交流电安装允许使用几乎所有工业三相交流马达,从而使您可以更容易地查找具有特定尺寸、形状或额定功率的马达。交流马达和控制器通常具有再生功能。在制动过程中,马达会变成一个发电机并将电力传送回蓄电池。
就当今而言,蓄电池是所有电动汽车中的一个薄弱环节。对于当前铅酸蓄电池技术,至少存在六个明显的问题:
重量大(一个典型的铅酸蓄电池组的重量不低于454千克)。 体积大(我们在此查看的电动汽车具有50个铅酸蓄电池,每个铅酸蓄电池的尺寸约为15cm x 20cm x 15cm)。 容量有限(典型的铅酸蓄电池组可以容纳12到15千瓦时的电量,仅可以供电动汽车行驶75公里左右)。 充电速度慢(要将典型的铅酸蓄电池组充满,需要的充电时间介于4到10小时之间,具体取决于蓄电池技术和充电器)。 使用寿命短(三到四年,大约200个完全充电/放电周期)。 价格贵(样车中展示的铅酸蓄电池组的价格约为2,000美元)。
您可以将铅酸蓄电池更换为NiMH蓄电池。这样,电动汽车的行驶范围将增加一倍,且NiMH蓄电池的寿命为10年(数千次充电/放电周期),但是现今NiMH蓄电池的成本是铅酸蓄电池的10到15倍。换句话说,NiMH蓄电池组现今的成本将为20,000到30,000美元而不是2,000美元。当先进的蓄电池成为主流时,其价格将下跌,因此在几年之后,NiMH 蓄电池组和锂离子蓄电池组的价格将可以与铅酸蓄电池组的价格竞争。 由此可见,电动汽车到时会有一个美好的未来。
当您审视与蓄电池相关的问题时,会对汽油产生一个不同的观点。9升的汽油的燃油里程与铅酸蓄电池充电一次后驱动电动汽车行使的里程相当,但是,这些汽油只有大约7千克,成本只有3.00美元而且只用30秒就可以加注到油箱内,而铅酸蓄电池重达454千克,成本高达2,000美元且充电需要花费四个小时。
有关蓄电池技术的问题说明了为什么如今燃料电池如此让人兴奋。与蓄电池相比,燃料电池体积更小,重量更轻且可以即时充电。当由纯氢提供动力时,燃料电池不会产生任何与汽油相关的环境问题。将来的汽车很有可能是通过燃料电池获取电力的电动汽车。不过,在便宜、可靠的燃料电池可以驱动电动汽车之前,仍有许多课题需要研究和开发。
几乎任何电动汽车上都还带有另一个车载蓄电池。此蓄电池是每辆汽车都具有的常规12伏铅酸蓄电池。这个12伏铅酸蓄电池用于为各种附件提供电力,如前车灯、收音机、风扇、计算机安全气囊雨刷电动车窗以及车内的各种仪表。由于所有这些设备都可以直接使用且标准电压都是12伏,因此从经济的角度来看,电动汽车使用这些设备很合理。
因此,电动汽车可以使用常规的12伏铅酸蓄电池为所有这些附件供电。要对铅酸蓄电池进行充电,电动汽车需要一个直流到直流的转换器。此转换器从主蓄电池组获取直流电(例如,300伏的直流电)并将其转换为12伏以便对附件蓄电池进行充电。当电动汽车开动时,附件从直流到直流的转换器获取电力。当汽车停止时,附件将从12伏的蓄电池获取电力,与在任何汽油动力车中一样。
一般情况下,直流到直流的转换器是位于发动机罩下的一个单独的盒子,但有时这个盒子会内置在控制器内。
任何使用蓄电池的电动汽车都需要一个充电系统以便对蓄电池进行充电。充电系统有两个用途:
以蓄电池允许的最大速度将电量蓄入到蓄电池中 在充电过程中监控蓄电池并避免损坏蓄电池
充电电流当铅酸蓄电池的充电状态处于较低水平时,几乎所有的充电电流都会被化学反应吸收。一旦充电状态达到某个程度(约80%的蓄电池容量),越来越多的能量会用于加热和电解水。 产生的电解液冒泡现象被通俗地称作“沸腾”。 为了让充电系统将沸腾现象减少到最低程度,在最后的 20%的充电过程中必须切断充电电流。
最先进的充电系统可以监控蓄电池的电压、当前电流和蓄电池的温度以便将充电时间降到最少。充电器将尽可能多地发送电流,而不会过多地升高蓄电池的温度。不太先进的充电器只能监控电压或电流量,以一般蓄电池的普遍特性作为标准来控制充电时间和温度。类似于这类充电器的充电器最初使用最大电流充电,在充电量达到蓄电池容量的80%之后,会将电流减小到某个预置级别来充满最后的20%的容量,以避免蓄电池出现过热。
Jon Mauney的电动汽车实际上具有两套不同的充电系统。一套系统通过普通的电源插座来接收120伏或240伏的电量。另一套系统是在GM/Saturn EV-1汽车中普遍使用的Magna-Charge感应充电系统。让我们来分别了解一下这两套系统。
普通的家用充电系统的优点是使用方便,只要能够找到插座,就可以进行充电。但是其缺点在于充电时间。
普通的家用120伏插座通常带有一个15安的断路开关,这表示汽车每小时可以吸收的最大电量约为1,500瓦(即1.5千瓦时)。由于Jon的汽车中的蓄电池组通常需要12到15千瓦时才能充满,因此使用此技术为汽车充电10到12个小时才能给车辆充满电。
通过使用240伏电路(如电吹风使用的插座),汽车可以接收240伏的电压(电流为30安)或每小时接收6.6千瓦时的电量。这种安排可以显著加快充电速度,四到五个小时之后即可为蓄电池组充满电。
在Jon的汽车中,加油管口已拆下并替换为充电插头。只需将连有耐用的延长线的插头插入墙上插座,即可开始充电。
打开加油口盖,即可看见充电插头。
插头的特写镜头
Jon Mauney 供图
在任何地方都可通过连接充电插头进行充电。
在这辆汽车中,充电器内置在控制器中。在大多数自造汽车中,充电器可以是发动机罩下方的一个单独的盒子,甚至可以是一个与汽车分离的单独装置。
Magna-Charge系统由两部分组成:
安装在房屋墙上的充电站
Jon Mauney 供图
汽车行李箱中的充电系统
充电站通过房屋的电路板与240伏、40安的电路直连。
充电系统通过使用此感应板向汽车传送电力:
Jon Mauney 供图
此感应板可以插入到隐藏在汽车牌照后的插槽中。
Jon Mauney 供图
感应板相当于半个变压器。变压器的另一半安放在汽车内位于牌照后的插槽附近的位置。当您插入感应板时,它会与插槽形成一个完整的变压器,并将电力传送给汽车。
感应系统的一个优点在于没有任何暴露的电触点。您可以触摸感应板或将感应板放入水坑中都不会有任何危险。感应系统的另外一个优点是可以非常迅速地将大量电流传送到汽车,因为充电站直连到专用的240伏电路。
还有一种由福特汽车和其他汽车厂商采用的、具有竞争力的大功率充电插头,通常称作“Avcon插头”。该插头使用双面铜制触点来代替感应板,并采用一种精巧的机械互连方式,使这些触点在插头与汽车上的插座连接之前一直处于保护状态。该插头同时还提供了GFCI保护,可以确保在任何天气下的使用安全。Jon Mauney指出:
充电过程的一个重要特点是“均衡”。电动汽车具有一组蓄电池(约为10到25个模组,每个模组包含三到六个电池)。这些蓄电池高度匹配,但不完全相同。因此,它们在容量和内部电阻上存在轻微的差异。组中的所有蓄电池必须释放出相同的电流(电流法则),而性能较弱的蓄电池必须“更加努力工作”以产生此电流,因此这些蓄电池在行车结束时的充电状态会稍微低一些。因此,性能较弱的蓄电池需要充更多的电,才能回到满电状态。
由于蓄电池是串联的,因此它们获取的充电量是相同的,这样会导致性能较弱的蓄电池比以前更弱(相对而言)。随着时间的过去,这会导致蓄电池组中一个蓄电池比其他蓄电池先损坏。根据最薄弱环节效应,这意味着这个蓄电池将决定了汽车的行驶里程,并降低了汽车的可用性。
针对这个问题的常见解决方法是“均衡充电”。您可以对蓄电池稍微过度充电以确保将性能最弱的电池充满电。其中的诀窍在于,通过过度充电保持蓄电池的电量均衡,而又不损坏性能最强的蓄电池。还有一些更加复杂的解决方法,包括扫描蓄电池、测量单个蓄电池的电压以及向性能最弱的模组发送额外的充电电流。
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