◆文/山東 劉春暉 張學(xué)忠 魏東坡

(接上期)

2.蓄電池類型

(1)鉛酸蓄電池

如圖11所示，鉛酸蓄電池是一種較早的蓄電池系統(tǒng)(始于1850年)，目前仍然有數(shù)以百萬(wàn)的車輛使用這種蓄電池提供電能。鉛酸蓄電池在車輛中被作為啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的啟動(dòng)電池使用。此外，也可以在發(fā)動(dòng)機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的有限時(shí)間內(nèi)為用電器提供電流。

圖11 鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)

如圖12所示，在充電狀態(tài)下，鉛酸蓄電池的正極被氧化為二氧化鉛(PbO2)，而負(fù)極則被還原為絨狀鉛(Pb)。使用經(jīng)過(guò)稀釋的硫酸(H2SO4)作為電解液。蓄電池放電時(shí)，將會(huì)在兩個(gè)電極處生成硫酸鉛(PbSO4)?？梢酝ㄟ^(guò)化學(xué)公式對(duì)放電時(shí)的整個(gè)反應(yīng)進(jìn)行描述：Pb + PbO2+ 2H2SO4→ PbSO4+ 2H2O + 電能。

電解槽主要由正負(fù)極、隔板和組裝所需部件構(gòu)成，每個(gè)電解槽都輸出2V電壓，6個(gè)電解槽串聯(lián)在一起可以提供12V的蓄電池電壓，鉛酸蓄電池的能量密度約為30Wh/kg。

(2)鎳鎘蓄電池

鎳鎘蓄電池(NiCd)經(jīng)過(guò)100年的發(fā)展直至今日仍然還在使用。它與鉛酸蓄電池的主要區(qū)別是在充電和放電期間電解液保持不變。已充電情況下鎳鎘電池槽的正極板為鎘負(fù)極板則為氫氧化鎳。使用氫氧化鉀作為電解液。這種組合方式可提供1.2V的電壓。其能量密度與鉛酸蓄電池基本相同。

圖12 鉛酸蓄電池中的化學(xué)反應(yīng)

通過(guò)使用新型蓄電池系統(tǒng)替代NiCd蓄電池的主要原因是其使用了會(huì)污染環(huán)境的重金屬鎘和所謂的記憶效應(yīng)。對(duì)鎳鎘蓄電池進(jìn)行經(jīng)常性的部分放電時(shí)會(huì)出現(xiàn)容量損失，這種情況被稱為記憶效應(yīng)。蓄電池似乎會(huì)對(duì)以前放電過(guò)程時(shí)的能量需求產(chǎn)生“記憶”。此時(shí)蓄電池僅能提供較小的能量而不是原來(lái)正常的能量，且電壓也會(huì)隨之下降。

(3)鎳氫混合動(dòng)力蓄電池

如圖13所示，鎳氫混合動(dòng)力蓄電池(NiMH蓄電池)通常被視為NiCd蓄電池的下一代產(chǎn)品。NiMH電池槽可以提供1.2V的電壓，NiMH蓄電池的能量密度約為80Wh/kg，幾乎是NiCd蓄電池能量密度的兩倍。在NiMH蓄電池中幾乎不會(huì)出現(xiàn)前面所說(shuō)的記憶效應(yīng)。這種蓄電池可以在短時(shí)間內(nèi)以幾乎恒定的電壓釋放存儲(chǔ)的電能。NiMH蓄電池對(duì)過(guò)渡充放電、過(guò)熱和電極錯(cuò)誤的反應(yīng)較為敏感，此外對(duì)溫度也比較敏感，當(dāng)達(dá)到冰點(diǎn)附近的溫度時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的容量損失。

陽(yáng)極由能夠可逆存儲(chǔ)氫的金屬合金制成，氫以晶格形式存儲(chǔ)在該合金內(nèi)，這樣就形成了一個(gè)氫金屬電池。由氫氧化鎳制成的陰極位于含有20%的電解液中。放電時(shí)氫被氧化，同時(shí)在兩個(gè)電極處產(chǎn)生1.32V的電壓。為了在放電結(jié)束時(shí)防止替代氫而氧化金屬，負(fù)電極的尺寸比正電極大得多。

(4)鋰離子蓄電池

對(duì)使用鋰金屬陽(yáng)極和非水電解質(zhì)溶液鋰離子蓄電池的研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代。首先在航天和軍事領(lǐng)域內(nèi)使用了不可再次充電的鋰電池。由于其自放電較小，所以時(shí)至今日還被用于心臟起搏器、手表和照相機(jī)。隨著并非完全由金屬鋰構(gòu)成的鋰離子電池槽的面市使可充電鋰電池真正實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。當(dāng)今能量需求較高的便攜設(shè)備(移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等)基本都采用了鋰離子電池為其提供能量。因?yàn)槠淠芰棵芏容^高，所以對(duì)電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛領(lǐng)域尤為有益。此外它在放電時(shí)可提供恒定的電壓且沒(méi)有記憶效應(yīng)。

如圖14所示，常見(jiàn)鋰離子電池的正極由多層鋰金屬氧化物制成(例如LiCoO2或LiNiO2)。負(fù)極則由多層石墨制成。兩個(gè)電極都位于無(wú)水電解液中。隔板安裝在兩個(gè)電極之間。通過(guò)推移鋰離子在鋰離子電池上可以產(chǎn)生一個(gè)源電壓，在電池充電過(guò)程中帶有正電荷的鋰離子通過(guò)電解液由正極移動(dòng)至負(fù)極的石墨層。鋰離子與石墨(碳)進(jìn)行化合，同時(shí)不破壞石墨的分子結(jié)構(gòu)。放電時(shí)鋰離子重新返回至金屬氧化物中，電子可以通過(guò)外部電路流至正極。鋰離子和石墨層反應(yīng)后在負(fù)極上可以產(chǎn)生一個(gè)保護(hù)層，該保護(hù)層可以讓較小的鋰離子通過(guò)，而電解液中的分子則無(wú)法通過(guò)。

鋰離子蓄電池的自放電較小，且因?yàn)殇囯x子的移動(dòng)力較高所以其效率可達(dá)96%。該效率的大小取決于溫度，在低溫下將會(huì)大幅下降。

圖14 鋰離子電池槽的結(jié)構(gòu)

一個(gè)普通鋰離子電池槽可以提供的額定電壓為3.6V。鋰離子電池槽的電壓是鎳氫混合動(dòng)力蓄電池的三倍。過(guò)渡放電至2.4V會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)不可逆損壞和容量損失，因此不允許過(guò)度放電。相相應(yīng)的功率密度為300～1 500W/kg，能量密度幾乎是鎳鎘蓄電池的兩倍。應(yīng)避免鋰離子蓄電池40%容量以下的放電，因?yàn)樵陔姌O中的不可逆化學(xué)反應(yīng)會(huì)造成較大的容量損失。此外，電池槽電壓越高蓄電池老化也就越快。因此還要避免對(duì)鋰離子蓄電池進(jìn)行100%的充電。最佳充電范圍應(yīng)在50%～80%之間。

使用鋰離子蓄電池時(shí)應(yīng)注意它的一些特點(diǎn)。蓄電池的機(jī)械損傷可能會(huì)導(dǎo)致電池槽短路。高強(qiáng)度電流會(huì)導(dǎo)致殼體融化和起火。鋰離子蓄電池的外殼雖然是密封的，但請(qǐng)不要將它放入水中。因?yàn)殇囯x子電池槽將會(huì)和水發(fā)生劇烈反應(yīng)，特別是在滿充電情況下。因此不能用水而應(yīng)該用例如沙土撲滅燃燒的電池。

因受加工條件限制鋰離子電池槽的參數(shù)各不相同例如容量，而蓄電池是由多個(gè)電池槽共同組成的，所以必須對(duì)電池槽進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)控，這便是蓄電池管理系統(tǒng)的任務(wù)。必要時(shí)該系統(tǒng)可以保證各電池槽不會(huì)過(guò)渡充電或過(guò)渡放電并保持各電池槽之間的電荷平衡。

3.雙層電容器

1856年，德國(guó)物理學(xué)家Hermann von Helmholtz發(fā)現(xiàn)了雙層電容器的工作原理。他描述了雙層電荷載體的結(jié)構(gòu)，即從外部施加電壓時(shí)電荷載體附在位于電解液中的兩個(gè)電極上。根據(jù)不同的制造商雙層電容器又稱為黃金電容、超級(jí)電容、Boost電容。

如圖15所示，雙層電容器是一種功率密度高達(dá)10kW/kg的電能靜電蓄能器。雙層電容器的優(yōu)點(diǎn)是效率較大、自放電小和使用壽命較長(zhǎng)。此外，它不會(huì)出現(xiàn)記憶效應(yīng)。因?yàn)殡p層電容器的能量密度較小所以不適合作為獨(dú)立的能量蓄能器用于車輛驅(qū)動(dòng)，但是與化學(xué)蓄能器組合使用時(shí)可以顯著降低重量并延長(zhǎng)化學(xué)蓄能器的使用壽命。

圖15 雙層電容器的結(jié)構(gòu)

雙層電容器由兩個(gè)通過(guò)電解液濕潤(rùn)處理的電極制成。當(dāng)在電極上施加電壓時(shí)電解液中極性相反的離子會(huì)在電極處聚集。它們和不可移動(dòng)的電荷載體共同構(gòu)成了一個(gè)層厚度僅比分子略小的區(qū)域。此處沒(méi)有真正的電介質(zhì)。在電極和電解液邊緣上形成的兩個(gè)電荷載體層可以起到電介質(zhì)的作用。這兩個(gè)電荷載體層也被稱為雙電層并根據(jù)它為雙層電容器命名。

四、電動(dòng)機(jī)

1.重要概念和物理學(xué)定律

(1)磁鐵

永久磁鐵或永久磁體通常是由一種鐵鈷或鐵鎳合金制成。制造時(shí)將其進(jìn)行磁化并始終(持續(xù))保持這種磁化狀態(tài)(圖16)。在小型電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)時(shí)使用永久磁鐵。

圖16 磁極的狀態(tài)

(2)電磁鐵

如圖17所示，有電流流過(guò)的線圈可以產(chǎn)生一個(gè)與棒狀磁鐵非常相似的磁場(chǎng)。因此可以作為電磁鐵使用。與永久磁鐵不同，其磁效應(yīng)可以通過(guò)電流是否流過(guò)線圈來(lái)關(guān)閉和開(kāi)啟。帶有電動(dòng)激勵(lì)裝置的直流電機(jī)如串聯(lián)或并聯(lián)電機(jī)可以作為電磁鐵在定子內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也可以在繼電器中的線圈上使用電磁鐵。

圖17 電磁鐵的磁場(chǎng)

如圖18所示，可以利用永久磁鐵或電磁鐵產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，通過(guò)由北磁極至南磁極的磁鐵磁力線對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行描述，磁場(chǎng)越強(qiáng)磁力線的密度也就越大。

圖18 磁力線

(3)電磁感應(yīng)定律

1831年邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)，這種電磁感應(yīng)是電物理學(xué)的一種基礎(chǔ)現(xiàn)象。在電磁感應(yīng)定律中對(duì)磁場(chǎng)和電壓之間的關(guān)系進(jìn)行了說(shuō)明，特別是對(duì)了解電機(jī)起到了重要作用。

電磁感應(yīng)定律指出，通過(guò)圈數(shù)為N的線圈和隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中的磁通量Φ可以推導(dǎo)出電壓Uind。

Uind = N·Φ/dt

通過(guò)移動(dòng)線圈也可以在不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中產(chǎn)生電壓。電磁感應(yīng)效應(yīng)主要用于電動(dòng)機(jī)如發(fā)電機(jī)、電機(jī)和變壓器。可以利用楞次定律確定電磁感應(yīng)電壓的方向：通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流流動(dòng)時(shí)，其磁場(chǎng)反作用于磁場(chǎng)變化。

通過(guò)線圈可以改變電流強(qiáng)度，而由線圈本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，線圈內(nèi)的自感應(yīng)電壓則會(huì)出現(xiàn)與電流強(qiáng)度變化相反的變化。這種情況通常被稱為自感應(yīng)。磁場(chǎng)變換越快越強(qiáng)，所產(chǎn)生的電壓也就越高。

(4)洛倫茲力

洛倫茲力是磁場(chǎng)在一個(gè)移動(dòng)電荷上施加的力。在導(dǎo)體內(nèi)的電子上施加一個(gè)力F，此時(shí)整個(gè)導(dǎo)體就會(huì)向著某一方向移動(dòng)。如圖19可以通過(guò)“右手定則”或根據(jù)三指定則確定力的方向。通過(guò)圖19得到以下結(jié)果：起因=電流→傳遞=磁場(chǎng)→結(jié)果=電子上的力。

圖19 電子上的洛倫茲力

(5)變壓器

變壓器(圖20)由安裝在一個(gè)共用鐵心上的兩個(gè)線圈構(gòu)成。在兩個(gè)線圈之間沒(méi)有導(dǎo)線連接，也就是說(shuō)它們之間相互分離。在一個(gè)線圈上施加交流電壓時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律也會(huì)在第二個(gè)線圈上產(chǎn)生一個(gè)交流電壓。此時(shí)可以在第二個(gè)線圈的端部測(cè)量到一個(gè)電壓。初級(jí)電壓和兩個(gè)線圈的線圈圈數(shù)決定了感應(yīng)電壓的大小。

當(dāng)初級(jí)和次級(jí)線圈的線圈圈數(shù)相同時(shí)，次級(jí)電壓U2與初級(jí)電壓U1相同。次級(jí)線圈的線圈圈數(shù)是初級(jí)線圈的兩倍時(shí)，次級(jí)電壓也將會(huì)初級(jí)電壓的兩倍。在次級(jí)線圈上連接用電器時(shí)，必須使用電路初級(jí)側(cè)所提供的能量。理想變壓器的初級(jí)側(cè)所提供的能量應(yīng)該與次級(jí)側(cè)使用的能量相等，也就是說(shuō)理想的變壓器不會(huì)產(chǎn)生能量損失。電壓與電流I1和I2成反比，因此理想變壓器初級(jí)和次級(jí)側(cè)的功率應(yīng)該相同。

圖20 變壓器的結(jié)構(gòu)

理想變壓器在實(shí)際中不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槭冀K會(huì)有能量損失。因此任何一種變壓器所提供的電能總會(huì)比其接收的電能稍小一些。損失的電能一部分通過(guò)電阻使線圈變熱，另一部分則轉(zhuǎn)換成了所謂的渦流。為了將渦流降至最低，變壓器使用了由很多薄鐵片組成的鐵心。這些鐵片使用漆層進(jìn)行絕緣，從而使渦流無(wú)法流動(dòng)。

2.電動(dòng)機(jī)

(1)電動(dòng)機(jī)概述

電動(dòng)機(jī)是一種設(shè)備，通過(guò)這種設(shè)備可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，也可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)轉(zhuǎn)換能量的不同，被稱為電機(jī)(將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能)或發(fā)電機(jī)(將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能)。電動(dòng)機(jī)使用了磁極同性相斥異性相吸的原理。通過(guò)電流產(chǎn)生至少一個(gè)磁場(chǎng)。電動(dòng)機(jī)一方面可以根據(jù)電流進(jìn)行分類例如直流、交流或交三相電機(jī)，另一方面也可根據(jù)工作原理分類，如同步或異步電機(jī)。

(2)直流電機(jī)

由于歷史的發(fā)展，已經(jīng)可以通過(guò)原電池提供直流電能，這樣就誕生了第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)械式能量轉(zhuǎn)換器，即直流電機(jī)。首臺(tái)直流電機(jī)制造于1830年。大約自1890年起隨著三相交流電的出現(xiàn)同步電機(jī)逐漸取代了直流電機(jī)的主導(dǎo)地位。直到今天直流電機(jī)仍舊作為一種主流電機(jī)被廣泛使用。在車輛電氣系統(tǒng)中作為車窗玻璃刮水器、車窗升降器、鼓風(fēng)機(jī)和伺服電機(jī)大量使用了最大功率約為100W的直流電機(jī)。

如圖21所示，直流電機(jī)可以將(直流電流形式的)電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。它由一個(gè)固定部件—定子和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)支撐部件—轉(zhuǎn)子(電樞)組成。大多數(shù)直流電機(jī)采用內(nèi)部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子是內(nèi)部部件，定子是外部部件。定子由電磁鐵組成，在小型直流電機(jī)內(nèi)由永久磁鐵構(gòu)成。

圖21 直流電機(jī)的工作原理

圖22 兩磁極間的磁場(chǎng)

圖23 某個(gè)載流導(dǎo)體的磁場(chǎng)

如圖22、圖23所示，電機(jī)工作原理以作用力施加在磁場(chǎng)內(nèi)的載流導(dǎo)體上為基礎(chǔ)。載流導(dǎo)體的磁場(chǎng)和永久磁鐵的磁場(chǎng)相互影響。如果永久磁鐵牢固固定且導(dǎo)體以可轉(zhuǎn)動(dòng)方式支撐，則會(huì)在導(dǎo)體上施加一個(gè)作用力。通過(guò)作用力的影響轉(zhuǎn)動(dòng)載流導(dǎo)體。導(dǎo)體上的作用力取決于：導(dǎo)體內(nèi)的電流強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、導(dǎo)體有效長(zhǎng)度(線圈圈數(shù))。

為了提高作用力的影響，使用帶有鐵芯的線圈代替載流導(dǎo)體。在圖24中僅顯示了一個(gè)線圈，以便于更好的進(jìn)行描述。在線圈上施加電壓時(shí)，線圈內(nèi)流動(dòng)的電流產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)(線圈磁場(chǎng))。永久磁鐵兩極間的磁場(chǎng)和線圈磁場(chǎng)形成一個(gè)總磁場(chǎng)。根據(jù)線圈內(nèi)的電流方向產(chǎn)生一個(gè)左旋或右旋力矩。線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至線圈磁場(chǎng)方向與永久磁體兩極間磁場(chǎng)方向相同。隨后線圈停留在所謂的磁極磁場(chǎng)中性區(qū)域內(nèi)。為了能夠繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，必須改變線圈內(nèi)的電流方向。在此通過(guò)與線圈起始端和線圈末端連接的電流換向器(集電環(huán))實(shí)現(xiàn)電流方向的切換。每旋轉(zhuǎn)180°集電環(huán)切換電流方向一次，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖25為在共用鐵芯上的多個(gè)線圈的工作示意。

圖24 載流導(dǎo)體的旋轉(zhuǎn)

圖25 共用鐵芯上的多個(gè)線圈

在技術(shù)應(yīng)用中通過(guò)一個(gè)分段集電環(huán)和滑動(dòng)觸點(diǎn)(碳刷)為電樞輸送電流。集電環(huán)由金屬段組成，金屬段與細(xì)條狀絕緣材料(塑料、空氣)一起構(gòu)成間斷的圓柱或圓形面。用于輸送電流的兩個(gè)碳刷通過(guò)彈簧壓緊在集電環(huán)上。

轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一次通過(guò)電樞繞組的電流方向就會(huì)改變一次，同時(shí)那些通過(guò)電流流動(dòng)而產(chǎn)生力矩的導(dǎo)體進(jìn)入定子磁場(chǎng)內(nèi)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于電壓和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。例如車窗玻璃刮水器和起動(dòng)機(jī)(圖26)就屬于車輛中直流電機(jī)的典型使用情況。

圖26 啟動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

直到現(xiàn)在直流電機(jī)中的主磁場(chǎng)仍可通過(guò)永久磁鐵產(chǎn)生。但是在直流電機(jī)中也可以通過(guò)電磁鐵產(chǎn)生主磁場(chǎng)(圖27)。勵(lì)磁線圈電源不受電樞電路電源影響的電機(jī)被稱為外部激勵(lì)電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)榭梢苑謩e對(duì)電樞電壓和激勵(lì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖27 外部激勵(lì)直流電機(jī)

當(dāng)勵(lì)磁線圈和電樞電路相互連接時(shí)被稱為自激勵(lì)電動(dòng)機(jī)。根據(jù)勵(lì)磁線圈和電樞電路的連接方式可以分為串聯(lián)式和并聯(lián)式電機(jī)。