混合动力汽车技术基础知识(二)

2019-06-19山东刘春晖张学忠魏东坡

汽车维修与保养 2019年3期

关键词：直流电机导体锂离子

◆文/山东刘春晖张学忠魏东坡

(接上期)

2.蓄电池类型

(1)铅酸蓄电池

如图11所示，铅酸蓄电池是一种较早的蓄电池系统(始于1850年)，目前仍然有数以百万的车辆使用这种蓄电池提供电能。铅酸蓄电池在车辆中被作为启动内燃机的启动电池使用。此外，也可以在发动机处于静止状态时的有限时间内为用电器提供电流。

图11 铅酸蓄电池的结构

如图12所示，在充电状态下，铅酸蓄电池的正极被氧化为二氧化铅(PbO2)，而负极则被还原为绒状铅(Pb)。使用经过稀释的硫酸(H2SO4)作为电解液。蓄电池放电时，将会在两个电极处生成硫酸铅(PbSO4)。可以通过化学公式对放电时的整个反应进行描述：Pb + PbO2+ 2H2SO4→ PbSO4+ 2H2O + 电能。

电解槽主要由正负极、隔板和组装所需部件构成，每个电解槽都输出2V电压，6个电解槽串联在一起可以提供12V的蓄电池电压，铅酸蓄电池的能量密度约为30Wh/kg。

(2)镍镉蓄电池

镍镉蓄电池(NiCd)经过100年的发展直至今日仍然还在使用。它与铅酸蓄电池的主要区别是在充电和放电期间电解液保持不变。已充电情况下镍镉电池槽的正极板为镉负极板则为氢氧化镍。使用氢氧化钾作为电解液。这种组合方式可提供1.2V的电压。其能量密度与铅酸蓄电池基本相同。

图12 铅酸蓄电池中的化学反应

通过使用新型蓄电池系统替代NiCd蓄电池的主要原因是其使用了会污染环境的重金属镉和所谓的记忆效应。对镍镉蓄电池进行经常性的部分放电时会出现容量损失，这种情况被称为记忆效应。蓄电池似乎会对以前放电过程时的能量需求产生“记忆”。此时蓄电池仅能提供较小的能量而不是原来正常的能量，且电压也会随之下降。

(3)镍氢混合动力蓄电池

如图13所示，镍氢混合动力蓄电池(NiMH蓄电池)通常被视为NiCd蓄电池的下一代产品。NiMH电池槽可以提供1.2V的电压，NiMH蓄电池的能量密度约为80Wh/kg，几乎是NiCd蓄电池能量密度的两倍。在NiMH蓄电池中几乎不会出现前面所说的记忆效应。这种蓄电池可以在短时间内以几乎恒定的电压释放存储的电能。NiMH蓄电池对过渡充放电、过热和电极错误的反应较为敏感，此外对温度也比较敏感，当达到冰点附近的温度时会出现明显的容量损失。

阳极由能够可逆存储氢的金属合金制成，氢以晶格形式存储在该合金内，这样就形成了一个氢金属电池。由氢氧化镍制成的阴极位于含有20%的电解液中。放电时氢被氧化，同时在两个电极处产生1.32V的电压。为了在放电结束时防止替代氢而氧化金属，负电极的尺寸比正电极大得多。

(4)锂离子蓄电池

对使用锂金属阳极和非水电解质溶液锂离子蓄电池的研究开始于20世纪60年代。首先在航天和军事领域内使用了不可再次充电的锂电池。由于其自放电较小，所以时至今日还被用于心脏起搏器、手表和照相机。随着并非完全由金属锂构成的锂离子电池槽的面市使可充电锂电池真正实现了商业化。当今能量需求较高的便携设备(移动电话、数码相机、笔记本电脑等)基本都采用了锂离子电池为其提供能量。因为其能量密度较高，所以对电动和混合动力车辆领域尤为有益。此外它在放电时可提供恒定的电压且没有记忆效应。

如图14所示，常见锂离子电池的正极由多层锂金属氧化物制成(例如LiCoO2或LiNiO2)。负极则由多层石墨制成。两个电极都位于无水电解液中。隔板安装在两个电极之间。通过推移锂离子在锂离子电池上可以产生一个源电压，在电池充电过程中带有正电荷的锂离子通过电解液由正极移动至负极的石墨层。锂离子与石墨(碳)进行化合，同时不破坏石墨的分子结构。放电时锂离子重新返回至金属氧化物中，电子可以通过外部电路流至正极。锂离子和石墨层反应后在负极上可以产生一个保护层，该保护层可以让较小的锂离子通过，而电解液中的分子则无法通过。

锂离子蓄电池的自放电较小，且因为锂离子的移动力较高所以其效率可达96%。该效率的大小取决于温度，在低温下将会大幅下降。

图14 锂离子电池槽的结构

一个普通锂离子电池槽可以提供的额定电压为3.6V。锂离子电池槽的电压是镍氢混合动力蓄电池的三倍。过渡放电至2.4V会导致电池出现不可逆损坏和容量损失，因此不允许过度放电。相相应的功率密度为300～1 500W/kg，能量密度几乎是镍镉蓄电池的两倍。应避免锂离子蓄电池40%容量以下的放电，因为在电极中的不可逆化学反应会造成较大的容量损失。此外，电池槽电压越高蓄电池老化也就越快。因此还要避免对锂离子蓄电池进行100%的充电。最佳充电范围应在50%～80%之间。

使用锂离子蓄电池时应注意它的一些特点。蓄电池的机械损伤可能会导致电池槽短路。高强度电流会导致壳体融化和起火。锂离子蓄电池的外壳虽然是密封的，但请不要将它放入水中。因为锂离子电池槽将会和水发生剧烈反应，特别是在满充电情况下。因此不能用水而应该用例如沙土扑灭燃烧的电池。

因受加工条件限制锂离子电池槽的参数各不相同例如容量，而蓄电池是由多个电池槽共同组成的，所以必须对电池槽进行单独监控，这便是蓄电池管理系统的任务。必要时该系统可以保证各电池槽不会过渡充电或过渡放电并保持各电池槽之间的电荷平衡。

3.双层电容器

1856年，德国物理学家Hermann von Helmholtz发现了双层电容器的工作原理。他描述了双层电荷载体的结构，即从外部施加电压时电荷载体附在位于电解液中的两个电极上。根据不同的制造商双层电容器又称为黄金电容、超级电容、Boost电容。

如图15所示，双层电容器是一种功率密度高达10kW/kg的电能静电蓄能器。双层电容器的优点是效率较大、自放电小和使用寿命较长。此外，它不会出现记忆效应。因为双层电容器的能量密度较小所以不适合作为独立的能量蓄能器用于车辆驱动，但是与化学蓄能器组合使用时可以显著降低重量并延长化学蓄能器的使用寿命。

图15 双层电容器的结构

双层电容器由两个通过电解液湿润处理的电极制成。当在电极上施加电压时电解液中极性相反的离子会在电极处聚集。它们和不可移动的电荷载体共同构成了一个层厚度仅比分子略小的区域。此处没有真正的电介质。在电极和电解液边缘上形成的两个电荷载体层可以起到电介质的作用。这两个电荷载体层也被称为双电层并根据它为双层电容器命名。

四、电动机

1.重要概念和物理学定律

(1)磁铁

永久磁铁或永久磁体通常是由一种铁钴或铁镍合金制成。制造时将其进行磁化并始终(持续)保持这种磁化状态(图16)。在小型电动机中产生励磁磁场时使用永久磁铁。

图16 磁极的状态

(2)电磁铁

如图17所示，有电流流过的线圈可以产生一个与棒状磁铁非常相似的磁场。因此可以作为电磁铁使用。与永久磁铁不同，其磁效应可以通过电流是否流过线圈来关闭和开启。带有电动激励装置的直流电机如串联或并联电机可以作为电磁铁在定子内产生磁场，也可以在继电器中的线圈上使用电磁铁。

图17 电磁铁的磁场

如图18所示，可以利用永久磁铁或电磁铁产生一个磁场，通过由北磁极至南磁极的磁铁磁力线对磁场进行描述，磁场越强磁力线的密度也就越大。

图18 磁力线

(3)电磁感应定律

1831年迈克尔·法拉第发现了电磁感应，这种电磁感应是电物理学的一种基础现象。在电磁感应定律中对磁场和电压之间的关系进行了说明，特别是对了解电机起到了重要作用。

电磁感应定律指出，通过圈数为N的线圈和随时间变化的磁场中的磁通量Φ可以推导出电压Uind。

Uind = N·Φ/dt

通过移动线圈也可以在不随时间变化的磁场中产生电压。电磁感应效应主要用于电动机如发电机、电机和变压器。可以利用楞次定律确定电磁感应电压的方向：通过电磁感应产生的电流流动时，其磁场反作用于磁场变化。

通过线圈可以改变电流强度，而由线圈本身产生的磁场也会发生变化，线圈内的自感应电压则会出现与电流强度变化相反的变化。这种情况通常被称为自感应。磁场变换越快越强，所产生的电压也就越高。

(4)洛伦兹力

洛伦兹力是磁场在一个移动电荷上施加的力。在导体内的电子上施加一个力F，此时整个导体就会向着某一方向移动。如图19可以通过“右手定则”或根据三指定则确定力的方向。通过图19得到以下结果：起因=电流→传递=磁场→结果=电子上的力。

图19 电子上的洛伦兹力

(5)变压器

变压器(图20)由安装在一个共用铁心上的两个线圈构成。在两个线圈之间没有导线连接，也就是说它们之间相互分离。在一个线圈上施加交流电压时，根据电磁感应定律也会在第二个线圈上产生一个交流电压。此时可以在第二个线圈的端部测量到一个电压。初级电压和两个线圈的线圈圈数决定了感应电压的大小。

当初级和次级线圈的线圈圈数相同时，次级电压U2与初级电压U1相同。次级线圈的线圈圈数是初级线圈的两倍时，次级电压也将会初级电压的两倍。在次级线圈上连接用电器时，必须使用电路初级侧所提供的能量。理想变压器的初级侧所提供的能量应该与次级侧使用的能量相等，也就是说理想的变压器不会产生能量损失。电压与电流I1和I2成反比，因此理想变压器初级和次级侧的功率应该相同。

图20 变压器的结构

理想变压器在实际中不可能实现，因为始终会有能量损失。因此任何一种变压器所提供的电能总会比其接收的电能稍小一些。损失的电能一部分通过电阻使线圈变热，另一部分则转换成了所谓的涡流。为了将涡流降至最低，变压器使用了由很多薄铁片组成的铁心。这些铁片使用漆层进行绝缘，从而使涡流无法流动。

2.电动机

(1)电动机概述

电动机是一种设备，通过这种设备可以将电能转换为机械能，也可以将机械能转换为电能。根据转换能量的不同，被称为电机(将电能转换为机械能)或发电机(将机械能转换为电能)。电动机使用了磁极同性相斥异性相吸的原理。通过电流产生至少一个磁场。电动机一方面可以根据电流进行分类例如直流、交流或交三相电机，另一方面也可根据工作原理分类，如同步或异步电机。

(2)直流电机

由于历史的发展，已经可以通过原电池提供直流电能，这样就诞生了第一台电动机械式能量转换器，即直流电机。首台直流电机制造于1830年。大约自1890年起随着三相交流电的出现同步电机逐渐取代了直流电机的主导地位。直到今天直流电机仍旧作为一种主流电机被广泛使用。在车辆电气系统中作为车窗玻璃刮水器、车窗升降器、鼓风机和伺服电机大量使用了最大功率约为100W的直流电机。

如图21所示，直流电机可以将(直流电流形式的)电能转化为动能。它由一个固定部件—定子和一个转动支撑部件—转子(电枢)组成。大多数直流电机采用内部转子结构，即转子是内部部件，定子是外部部件。定子由电磁铁组成，在小型直流电机内由永久磁铁构成。

图21 直流电机的工作原理

图22 两磁极间的磁场

图23 某个载流导体的磁场

如图22、图23所示，电机工作原理以作用力施加在磁场内的载流导体上为基础。载流导体的磁场和永久磁铁的磁场相互影响。如果永久磁铁牢固固定且导体以可转动方式支撑，则会在导体上施加一个作用力。通过作用力的影响转动载流导体。导体上的作用力取决于：导体内的电流强度、磁场强度、导体有效长度(线圈圈数)。

为了提高作用力的影响，使用带有铁芯的线圈代替载流导体。在图24中仅显示了一个线圈，以便于更好的进行描述。在线圈上施加电压时，线圈内流动的电流产生一个磁场(线圈磁场)。永久磁铁两极间的磁场和线圈磁场形成一个总磁场。根据线圈内的电流方向产生一个左旋或右旋力矩。线圈继续转动，直至线圈磁场方向与永久磁体两极间磁场方向相同。随后线圈停留在所谓的磁极磁场中性区域内。为了能够继续转动，必须改变线圈内的电流方向。在此通过与线圈起始端和线圈末端连接的电流换向器(集电环)实现电流方向的切换。每旋转180°集电环切换电流方向一次，从而实现连续转动。图25为在共用铁芯上的多个线圈的工作示意。