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第3章: 电力驱动
燃气或者电力; 直流电机工作原理; 电动车的发展; 电能存储系统 电动车技术; 混合动力车辆; 混合动力公交; 混合动力驱动，阶段性方案H; 电动卡车; 太阳能车; 电动车产品s; 实用的混合动力系统; 混合动力出租车; 先进混合动力驱动技术; 使用中的电动公交
未来的驱动能源：燃气或电能？
图1, 根据BMW给出的未来可能作为车辆动力能源示意图所描述，.在三个有巨大潜力的竞争者中，氢能动力（可能在混合动力中）(probably in a hybrid drive) 似乎是一种对未来的长期解决方案。同时，天然气和动力电池可以作为短期解决方案。然而每种方案都存在其自身的短板。将其中2中方案结合能对目前的环境问题做出些许短期的补救的方法。
到2005年，据估计全球有大约400万的天然气能源汽车，并且每周都会有2-3个新的加气站投入使用。单以美国为例，目前对CNG车辆的发展表现出一个更加积极的态度。
运输顾问机构Helios International的研究人员认为 将国家天然气网加气站普及到各个家庭的过程将会是一个很好的机会。对于未来接受这种驱动能源是非常有价值的激励，并且能缓解目前在新能源车的车载能量储能不足的短板。.具有10加仑燃料箱的小型车在加满油箱时具有115万的BTUs(约337千瓦时) 作为驱动的能量，可以使车辆在标准道路上行驶320英里。 要达到同样的续驶里程，CNG车辆需要3倍的空间来存储高压液化的CNG。如果使用常规钢压力罐，每台车将会额外增加228磅（约101kg）的质量，而采用全复合材料压力罐，增重质量将会下降到39磅（约18kg）；由于CNG的燃烧效率比化石燃料高出约15%，其能够部分抵消由于质量增加对车辆行驶时的能量消耗。作者预计，到2030年，CNG车辆能够完全替代汽油燃料和柴油燃料车辆。在石油资源枯竭的背景下，通过使用天然气可以延长内燃机的寿命。.然而，这将影响到电动车的普及，会导致目前的环境污染问题更加严重。
非常讽刺的是，早期的电动车被人遗弃是由于内燃机车辆装备了另一种电气化设备，电动启动机。在加利福尼亚航空研究委员会倡议下现代电动车的发展受到很大的激励，但普及仍然需要在电池技术方面的突破。Helios机构对动力电池的发展做了一个非常好的回顾。
有机电解质锂电池是目前研究焦点的关键。这种电池能够减少与其他并联开发中的产生毒性的问题然而，仅对锂离子导电的聚合物电解质必须具有约10微米的厚度，同锂阳极和金属氧化物阴极一样。该作者认为这项技术的商业化还需要20年。根据意大利ENEA研发计划，罗马大学正在研究包含聚合有机电解质的锂电池。. 一种特殊的具有强度和边界特征都有提升的聚合电解质结构已经取得专利。如图2 。近年来铅酸电池的发展将会加速电动车早期的普及。使用涂覆有铅的玻璃纤维元件来形成编织铅酸蓄电池极板网格的电池能量密度达到 19-25 Wh/lb，使用循环次能达到500-900次当前技术只能达到16Wh/lb。而目前最先进的铅酸电池能量密度只有16Wh/lb,使用循环次数只能达到500次。然而，在作者关于CNG车辆方案的讨论中，建议使用车载的化学燃料能源以及适当改造的发动机来发电才使得零排放车辆的性能与传统汽油车相当。燃料电池和燃气轮机技术是目前发展的热点。通用公司进行了关于燃料电池乘用车的理论上的可行性，然而作者预计该技术的商业化同样需要至少20年。
在通用公司的甲醇燃料电池的方案中，通过蒸气的重组或是热解，可以提供作为车载氢能源来替代CNG从而实现CO2的零排放。
CNG车辆的商业化发展
早期NGVs 使用类似于化油器机械式燃料供给装置，加拿大的GFI控制系统公司已经对开发CNG燃料喷射技术系统并对使之现代内燃机结合。 英国British Gas公司在双燃料运作制度下，正在将GFI 的技术应用于优化在欧洲工况循环下运行的车辆。所谓的Compuvalve包含在进气歧管的压力传感器，大气压力传感器，燃料温度及压力传感器。如图3，通过一个燃气调节器将燃气压力降到7个大气压，如图4，使用盘式喷嘴或轴式喷嘴将燃料输送到进气歧管。每个系统应用的MAP图都会进行单独开发
英国British Gas公司将一台装备双进气感应系统2.7L ，v6发动机的Rover Sterling 型号车辆进行双燃料系统改装。下文中也是对这个案例的描述。点火提前角控制规则由British Gas提供的气门正时以及延时的控制策略来确定，通过这样来满足CNG燃烧过程中的较为缓慢的火焰传播速度。这个过程随着温度变化而变化，因为存在不同的碳氧化合物气体，对于CNG燃料，很快就会形成湍流，因此通过点火提前来补偿这段时间，似的火焰传播速度达到最大。在使用汽油对发动机冷启动时，对催化器的次级空气供给在CNG车辆中不能工作。在使用CNG驱动，与汽油相比，最大速度降低不超过5％，加速性能降低10％。
由于汽油和CNG对发动机的要求不相同，装备双燃料系统的发动机在匹配时，一些参数必须作出折衷，对此，CNG专用发动机也在研究中。 福特和Tickford2已经展示了一些动力系统在这方面的成果。通过将压缩比从9.5增加到12.8：1，并且调整涡流比，可以将因为由汽油改用CNG燃料后性能上的损失可以减小一半。
在1997年春季，BMW以双燃料为基础，在其主要的销售线上推出了以CNG为动力的的产品型号供以选择。 旨在城市运行的型号为316g产品 装有压力为20MPaCNG钢制压力罐，其容量为7.6加仑，布置在后座椅位置，虽然取消了后排座椅，但是显着增加了汽车一般的行李携带能力。 续驶里程为200-250公里，欧盟标准燃油消耗为55 kg/100km。与汽油版该型号车相比，最高速度从117mph降低到110mph，80-120 km/h 的加速度从13.1秒降低到16.5秒。 该型号车的旅行版保留了其5个座位，并将储气罐布置在后座后面，使得行李箱空间明显减少。汽油版本和CNG版本的发动机性能曲线在图如图5，燃料系统图，如图6。在更长远的计划中，BMW倾向于液化天然气（LNG），因为这将大大增加车辆的行程。涉及到-160℃的冷藏，需要专门的储罐，图7。 然而在这方面的研究对下一阶段的氢能源动力的研发是非常有意义的。该阶段涉及在-250℃下的液体储存。 BMW公司相信氢能驱动和动力电池驱动不会相互竞争，他们认为前者适合城市使用，后者能应用于更广泛的领域。
电动车驱动电机及控制器的发展现状
在商用电动车方面，PSA标致雪铁龙公司决定在1991年发售基于标致106和雪铁龙AX平台的电动汽车。虽然测试中，异步电机驱动系统可以采用更便宜的驱动电机，但公司选择了直流电机技术与换向器这一独特的开发方向。采用了 Leroy-Somer生产的电机和Sagem的控制器。车辆上的主系统布置如图8所示。 选择的驱动桥具有变速功能，包括了整合的驱动电机以及主减速器齿轮和差速器单元，如图9。其额定功率为11 kW，峰值为200 kW，最大速度为6500 rpm。从0至1600rpm区间的最大扭矩为127Nm。电池电压为120V，行星齿轮的总传动比为7.2:1，总重量为85kg，并采用脉冲式空气冷却系统。整个系统的二维磁通生成图如图10中，并且包含一种用于考虑到成本的电枢绕组的自动化技术。在4：1（1600 - 65500 rpm）的弱磁区，需要稳定系统以及整流来保持临界状态的平衡。
图11示出了电子控制器电路，其中央模块封装在一个尺寸为475times;1250times;194 / 280mm并且箱中，总重量为25kg。双转子斩波器（用于牵引和制动）配有400 A / 600 V的IGBT;使用单个场斩波器时，通过继电器实现斩波器的方向变化。充电器额定功率为3 kW，DC / DC转换器功率为1 kW。.系统还包括了车辆管理单元，电动机控制单元以及，内置了其具有防止短路和温度保护的净化器。图12示出控制系统的总体布局图，图13显示了不同功率和速度下的整车效率，图14显示了不同功率下的效率和电压的关系。
摩托罗拉控制器的开发研究人员指出，直流系列绕线电机控制器只需要少量控制元件。 通常通过PWM()来改变电机的平均电压，以此调节电机速度，同时依靠电机的电感来消除脉冲峰值。 采用AC感应电动机驱动电动车的方案日益普及，导致其控制系统变得比较复杂，需要使用昂贵的电子器件。对于驱动电机的选择，较为合理的要求的包括，较低的成本，坚固可靠的设计结构，同时具有高扭矩能力以及较宽的速度范围，并且能有使用软件来控制数字化电子器件的复杂的工作状态。The software controls conversion of DC to AC and monitoring the amplitude and frequency of the AC signals.由软件控制直流到交流的转换，并监测交流信号的幅度和频率。
所有以交流驱动器得系统都包括PWM逆变器（包括六个电源开关，门驱动电路和功率装置保护电路）和控制单元，通过这些器件确定驱动器的操作方式以及性能。 通过对馈送到逆变器的六个门PWMs（脉宽调制信号）进行正弦调制从而创建交流波形。.PWM单元创建PWM信号，通过微型控制器调整占空比。将正弦波以三角函数为参考进行比较，产生模拟电子设置中设定的PWM信号。 改变正弦参考值，创建电机识别所需的PWM。 更新速率保持恒定，而通常通过改变采样点的数量变化以确定频率。作者表示，目前商业级电源模块，尚未针对汽车的运行工况及环境进行优化。.未来的功率级的驱动器将会整合半智能模块，其包括直接放置在功率器件的衬底上的基本栅极来驱动IC。 插入子模块包括控制电子器件将对针每个应用进行优化，并且直接连接到主控制单元。这些子模块将包括特别设计的PWM发生器，片上A/D转换器和DSP
直流电机的拖动原理
虽然电池电动车辆与内燃机驱动的车辆作为公路车辆的在车辆的早期的普及过程中，几乎同时出现并且在当时的市场中所占份额相当，直到两次世界大战之间，才对这电池动力系统的工作效率进行深入的研究，并将其作为原型车引入工业卡车领域或是特殊用途的载具，比如送牛奶的小车。在20世纪20年代初，梅赛德斯电动车，提出了更复杂的车轮驱动方式，轮毂电机，其将驱动电机整合在车轮中，这样能消除传动系中齿轮传动导致的能量损失。这种驱动方式的特性图如图15所示。磁学中的各种参数基本定义和的关系有助于了解所涉及的效率因素。
虽然在通过我们熟悉的磁力线在可以得到任何点磁力的方向，但是其场强H是当单位磁极置于场中时作用在其的力确定的。磁场材料如软铁放置在磁场中的磁感应强度或磁通密度B，铁内部磁感应强度B大于磁场强度H，并且B =mu;H，其中mu;是材料的磁导率（对非金属材料是一致的）。 当物体的横截面与磁场垂直时，面积用a表示，磁通量是B与a的乘积单位是麦克斯韦。 因为设定在单位场强下每平方厘米有一个力线，则磁感应以每厘米线数来测量，并且通量通常被描述为“线”。法拉第电磁感应定律的定义为磁通量[ ]的变化率，并且楞次定律定义感应确定感应电流的方向，使得的产生电流趋于停止产生它的运动。
线圈的长度为L,匝数为N,通电电流为I,其场强,也可以写成
其中，电路中电流与电阻相的关系，对应于且磁路中的磁通量与磁阻。公式右边的电动势与左边的磁动势相对应。 然而，在电路中，只要电流流动就消耗能量，但在磁路中，仅在产生磁通量时消耗能量而在维持磁通量时并不消耗能量。电阻与电流强度无关，但磁导率与总磁通量是有关系的。
对于磁性材料，如果H从零增加到一个比较大的值，B的对应在图上的变化规律是先是先行增长，随后增长率不断下降。因此当H变得非常大时，B的基本上就不会增大了。这时材料的这个状态被称为达到磁饱和。 当H从比较大的值减小时，新的BH曲线位于原始曲线之上，并且当H再次为零时，B的值要大于零，此时的值为保磁性。类似地，当H在负方向上增加时，当B再次为零时，其值为矫顽力，并且如图16所示，重复该过程，获得熟悉的磁滞回线。
当线圈磁场的在两极之间旋转时，线圈中会产生感应电流作用力，如图17。其电流的大小取决于磁场的强度和线圈旋转的速率。如果线圈装有滑环换向器，电枢转子上线圈中将会得到直流电，反之则得到交流电。大量缠绕在铁芯上的线圈能够减少直流电的电流幅值的波动。通过圆形电磁体若干的向内突出的磁轭的磁极的生产磁场。薄片叠成的电枢芯用于防止因产生感应涡流而导致的能量损失电枢线圈可以是采用叠绕组的，其末端连接到相邻的换向器瓣，当末端部连接到直径上相对的向器瓣，电枢线圈可以是波绕组（串联）。 这样总的感应电动势为
其中绕组绕组K = P，波形绕组K = 2。 Z是电枢中的线圈匝数，N是其旋转速度。当在主磁场中的电枢绕组中有电流时，其自身产生的用电枢磁场与主磁场相互作用，产生电枢反应。在简单的两极电机中，电枢电流将在图中产生横向力线，其产生的磁场将如图所示。 因此，电刷必须向前移动，使得它们处于与所产生的通量垂直的磁中性面中。 AB和CD之间的绕组产生的磁场与磁体磁极所建立的磁场相反，称为去磁匝，而在其上下的称为交叉磁化匝。 通过使用开槽的磁极片和与电枢串联的磁极上的单独的补偿磁场绕组，可以减少电枢反应。也可以使用类似绕组的辅助极实现。 当机器作为驱动电机而不是发电机运行时，电枢转子旋转
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