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（E-Bike)電動(dòng)車(chē)其關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展和應(yīng)用

發(fā)布日期 : 2018年04月21日00時(shí)00分00秒

現(xiàn)代電動(dòng)自行車(chē)是融合電力電子、機(jī)械、控制、材料以及化工等領(lǐng)域各種新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)發(fā)展的總體目標(biāo)是生產(chǎn)出在性能和價(jià)格上都能媲美于燃油助動(dòng)車(chē)的適合于城市交通的綠色輕便代步工具。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)高性能、低成本、安全可靠的動(dòng)力蓄電池。盡管目前電池儲(chǔ)能技術(shù)還沒(méi)有得到相應(yīng)的發(fā)展。但新型蓄電池如氫鎳電池、鋰電池、鋅―空氣電池和燃料電池的問(wèn)世和快速電池充電器技術(shù)的發(fā)明，為電動(dòng)自行車(chē)最終取代燃油助動(dòng)車(chē)提供了樂(lè)觀的保證。

電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

1、電動(dòng)自行車(chē)對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的要求

電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)自行車(chē)的驅(qū)動(dòng)和控制中心，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)其要求是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形尺寸小，重量輕，效率高，免維護(hù)或少維護(hù)。電動(dòng)自行車(chē)的電機(jī)應(yīng)具有高功率密度和圖2所示的矩―轉(zhuǎn)速特性：基速以下大轉(zhuǎn)矩，適應(yīng)車(chē)輛負(fù)荷爬坡、頻繁起制動(dòng)等要求；基速以上小轉(zhuǎn)矩、恒功率，保證車(chē)輛在平坦路面上快速騎行。同時(shí)，電機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)矩―轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)應(yīng)保持高效率，以謀求電池一次充電后的續(xù)駛里程盡可能長(zhǎng)。2、無(wú)刷直流電機(jī)的控制規(guī)律

無(wú)刷直流電機(jī)具有很高的能量密度，其體積僅為相同功率普通直流電機(jī)的50％，且重量輕、效率高。用于電動(dòng)自行車(chē)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)有兩類(lèi)：內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子，其中外轉(zhuǎn)子電機(jī)更適合構(gòu)成電動(dòng)輪毅，在電動(dòng)自行車(chē)中有較多應(yīng)用。電動(dòng)自行車(chē)主要在市區(qū)騎行，車(chē)速不高，并且起、停頻繁，因此電機(jī)普遍采用多極三相結(jié)構(gòu)。控制器為雙向DC／AC變流器，車(chē)輛前進(jìn)時(shí)，變流器控制電機(jī)工作在電動(dòng)工況；車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，變流器控制電機(jī)工作在發(fā)電工況，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能反饋回蓄電池。圖3是由變流器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和永磁同步電機(jī)構(gòu)成的永磁無(wú)刷直流電機(jī)原理圖。其中變流器為電樞繞組提供雙向電流通路，Ui的大小和極性決定了驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)值和方向，即車(chē)輛是前進(jìn)還是制動(dòng)。電流負(fù)反饋保證電磁轉(zhuǎn)矩跟隨給定指令Ui變化，可有效地提高車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)可控性。限于目前電池的儲(chǔ)能水平，在電動(dòng)自行車(chē)上采用再生制動(dòng)技術(shù)是增加一次充電續(xù)駛里程的有效方法。該技術(shù)目前還處于研究開(kāi)發(fā)階段。

3、減速系統(tǒng)的作用

對(duì)于相同功率的電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速越高，其額定轉(zhuǎn)矩和對(duì)應(yīng)的電樞電流就越小，減小電樞電流可降低電機(jī)的銅耗和渦流損耗，提高電機(jī)效率。采用配有減速裝置的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，可改善電動(dòng)自行車(chē)的低速動(dòng)力性能，保證電機(jī)始終工作在高速、高效狀態(tài)，蓄電池處于小電流放電的最佳工況，帶有減速系統(tǒng)的電機(jī)是將機(jī)械減速裝置和電機(jī)合成一體化的含油電機(jī)輪毅。直接車(chē)輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)自行車(chē)采用低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，車(chē)輛低速前行時(shí)，電機(jī)電樞電流增大，效率降低；蓄電池放電電流大，直接影響蓄電池的使用壽命。但直接車(chē)輪驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，在電動(dòng)自行車(chē)上被廣泛采用。　

蓄電池及其應(yīng)用技術(shù)

1、蓄電池

蓄電池及其應(yīng)用水平始終是制約包括電動(dòng)自行車(chē)在內(nèi)的電動(dòng)車(chē)輛進(jìn)步的瓶頸。世界各主要工業(yè)國(guó)家紛紛投入巨大的人力、物力、財(cái)力開(kāi)發(fā)高能量、低價(jià)格的蓄電池，日前已達(dá)到實(shí)用程度的新型蓄電池性能比較見(jiàn)表一。

鉛酸蓄電池不適合大功率連續(xù)放電，成組一致性差，深度循環(huán)會(huì)降低能量轉(zhuǎn)換率和縮短使用壽命，但它的價(jià)格優(yōu)勢(shì)是無(wú)可辯駁的。并且改進(jìn)后的免維護(hù)全密封閥控式鉛酸蓄電池，其比能量、比功率、快速充電性能等指標(biāo)均較傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池有大幅度提高，因此鉛酸蓄電池仍是我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)目前的首選動(dòng)力源。

電動(dòng)車(chē)對(duì)蓄電池的主要要求是；高能量密度，使電動(dòng)車(chē)有較長(zhǎng)的一次充電續(xù)駛里程；高功率密度，賦予電動(dòng)車(chē)良好的起動(dòng)、加速、爬坡性能；長(zhǎng)壽命，可有效降低

表一：

特? 性

鉛酸型電池

?鎘鎳電池

?氫鎳電池

鋰離子電池

比能量/Wh.kg-1

120

能量密度/Wh.L-1

140

250

單元電壓/V?

2.0

1.2

3.7

放電曲線

平坦

循環(huán)壽命/次

150~140

500~1000

?600~1000

月自放電率/%

制造成本/（美元/kWh）

75-150

100-200??

230-500

120-200

記憶效應(yīng)??

?有

無(wú)

環(huán)境保護(hù)

有污染

?無(wú)污染

安全性

安全

潛在問(wèn)題

研制生產(chǎn)情況

生產(chǎn)中

實(shí)驗(yàn)中

車(chē)輛的運(yùn)行成本。目前還沒(méi)有一種蓄電池能夠全面滿(mǎn)足上述要求，但近年來(lái)突飛猛進(jìn)的蓄電池制造技術(shù)向人們推出了各具特色的新型電池，如：比能量80Wh/kg、比功率100W／kg的鈉硫電池，重量輕、功率密度大的鋰電池，可以“再生”方式置換陽(yáng)極電極的鋅―空氣電池，以及能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80％的燃料電池。這些新型電池的出現(xiàn)打破了鉛酸蓄電池一統(tǒng)天下的格局，正如美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合體(usABc)預(yù)言的那樣：鉛酸電池是成熟的，但其性能提高的潛力有限，氫鎳電池是一種較好的中期解決方案，而鋰電池則是未來(lái)的希望。

2、電池應(yīng)用技術(shù)

1967年由美國(guó)科學(xué)家J．A．Mas提出了蓄電池充電器的麥?zhǔn)先?，從而奠定?a href="http://www.hirterbeer.cn/">電池充電器的理論基礎(chǔ)。以此為基礎(chǔ)，人們建立了脈沖去極化充電方式，其核心思想是在電池充電器充電前和充電過(guò)程中適時(shí)地加入放電脈沖，消除電池的極化電壓。實(shí)踐證明：與傳統(tǒng)充電方式相比，采用脈沖去極化充電方式不但可以實(shí)現(xiàn)快充而且電池循環(huán)壽命會(huì)延長(zhǎng)。因此，脈沖去極化充電方式成為快速充電技術(shù)的主流方式。美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)家在20世紀(jì)80年代初就研制出了由微機(jī)控制的，可向電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)提供應(yīng)急充電服務(wù)的公用充電站。雖然目前還沒(méi)有關(guān)于超快速充電的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但公認(rèn)的準(zhǔn)則是在15min內(nèi)向電他補(bǔ)充30％-50％的電量，30min內(nèi)補(bǔ)充80％的電量760min內(nèi)完全充電。例如：加拿大Norvik。

Traction的快速充電機(jī)，最大輸出功率150kW，可以同時(shí)給6個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電，15min內(nèi)給電池補(bǔ)充50％的電量，其價(jià)格約10萬(wàn)美元。目前我國(guó)還沒(méi)有實(shí)用化的公用充電站，與電動(dòng)自行車(chē)電池配套使用的電動(dòng)車(chē)充電器以家用夜充型為主，充電時(shí)間8-10h，快速充電器充電時(shí)間2-4h。

電池電量檢測(cè)和電池能量管理系統(tǒng)是繼電池充電器充電技術(shù)之后，電池應(yīng)用中的另兩個(gè)主要問(wèn)題。車(chē)載電池電員檢測(cè)系統(tǒng)既有傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的油量計(jì)作用，又有防止電池過(guò)充、過(guò)放的監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)。用于電動(dòng)車(chē)車(chē)輛的電池能量管理系統(tǒng)的作用有：(1)對(duì)車(chē)載用電系統(tǒng)進(jìn)行管制，達(dá)到電能合理分配使用，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的；(2)監(jiān)控電池的工作狀態(tài)，防止電池過(guò)充、過(guò)放，及時(shí)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞的單元電池，并采取應(yīng)急措施防止故障擴(kuò)大；(3)記錄無(wú)放電數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化充電。

國(guó)內(nèi)外電動(dòng)自行車(chē)

性能比較

電動(dòng)自行車(chē)是全世界電動(dòng)車(chē)輛工業(yè)中發(fā)展最快的。目前，日本的松下、三菱重工、雅馬哈、本田，德國(guó)的奔馳、大眾，美國(guó)的艾科卡等已致力于電動(dòng)自行車(chē)的規(guī)?；a(chǎn)。其產(chǎn)品以助力型(power asistant system，簡(jiǎn)稱(chēng)PAs)為主，pas的特點(diǎn)是把人力與電能在不需要特殊操作的情況下巧妙地結(jié)合起來(lái)：當(dāng)車(chē)速小于20km／h的，助力比為1：1；車(chē)速大于20km／h時(shí)電動(dòng)車(chē)自動(dòng)切斷電源，車(chē)輛依靠人力騎行。顯然助力系統(tǒng)的目的不在于提高速度，而是在保證安全的前提下通過(guò)減小騎行負(fù)荷達(dá)到節(jié)約騎車(chē)人體力的目的。我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)以全電動(dòng)型為主，其主要參數(shù)為最高時(shí)速20km/h、工作電壓24v/36v，一次無(wú)電續(xù)駛里程40-55km，整車(chē)重量35-38kg，電機(jī)功率130-180W，電機(jī)普遍采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)，其控制器選用功率MosFET為主開(kāi)關(guān)管，具有限流、欠壓、電機(jī)過(guò)熱和剎車(chē)斷電等保護(hù)功能。縱觀國(guó)內(nèi)外電動(dòng)自行車(chē)的發(fā)展情況，就電動(dòng)車(chē)自身而言，國(guó)產(chǎn)車(chē)、進(jìn)口車(chē)并無(wú)明顯差距，但國(guó)產(chǎn)電動(dòng)自行車(chē)有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，一般在人民幣3000-4000元/輛，而美國(guó)達(dá)到1800美元/輛，歐洲達(dá)2000美元/輛，日本650-1500美元/輛。

我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有別于其它家電行業(yè)，它一開(kāi)始就在走國(guó)產(chǎn)化的道路。中國(guó)的電動(dòng)自行車(chē)有著光明的市場(chǎng)前景。相信隨著電池儲(chǔ)能技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用水平的提高，電動(dòng)自行車(chē)一定能成為城市綠色代步工具。