（汽车行业）电动汽车原理
电动汽车总是出当下各类新闻中。人们对电动汽车的兴趣不减，有以下几个原因：
电动汽车产生的污染比汽油动力车要少，因此从环保方面考虑，电动汽车是汽油动力车的壹
种合适的替代方案（特别是在城市中）。
任何有关混合动力车的新闻报导通常也会谈论到电动汽车。
由燃料电池提供动力的车是电动汽车，而燃料电池现已在新闻中受到了广泛的关注。
典型电动汽车的功率为 50 千瓦的控制器
在本文中，您将通过厂商生产和自己动手改造俩个方面了解电动汽车。您仍将了解壹个针对
初中和高中学生的创新计划，该计划让各个学生团队来制作电动汽车且进行比赛。
电动汽车是壹种由电动马达而不是汽油发动机提供动力的汽车。消声器、催化转化器、排气
管和油箱壹起拆下。
从外观上见，您可能完全不知道汽车是电动的。大多数情况下，电动汽车都是由汽油动力车
改装过来的，因此在这种情况下很难分辨出来。驾驶电动汽车时，通常唯壹能够让您认清这
辆车的真实面目的方法是：电动汽车开起来几乎是无声的。
在发动机罩的下面，汽油车和电动汽车之间存在许多差异：
汽油发动机已被电动马达替换。
电动马达从控制器获取动力。
控制器从壹组可充电的蓄电池获取动力。
汽油发动机及其油管、排气管、冷却管和进气歧管见起来就像壹个管道工程。而电动汽车完
全是壹个布线工程。
为了对电动汽车的壹般工作原理有个认识，先让我们见壹下典型的电动汽车，以了解其构造。
下面显示的是供我们本次讨论的电动汽车：
这是壹辆典型的电动汽车，车身贴了壹些特别漂亮的贴纸（请参
见电动汽车挑战赛，了解这壹针对中学生的比赛）。
这辆电动汽车是从壹辆普通的 1994GeoPrism 汽油动力车改装过来的。以下是将该汽车变
成壹辆电动汽车所做的改装：
将汽油发动机连同
将离合器总成拆下。现有手动变速器保留在原位，且固定在二挡。
通过壹个固定板使用螺栓将新的交流电动马达固定到变速器上。
增装壹个电动控制器以控制交流马达。
50 千瓦的控制器能够输入 300 伏的直流电且输出 240 伏的交流
电（三相）。标有“”的盒子即为控制器。
在汽车底板上安装蓄电池底座。
在蓄电池底座中放入五十个 12 伏的铅酸蓄电池（分为俩组，每组 25 个铅酸蓄电池，能够
产成 300 伏的直流电）。
为以前从发动机获取动力的各个装置增装电动马达来提供动力：水泵、动力转向泵和空调。
为动力制动器增装真空泵（在汽车装有发动机的情况下，动力制动器会使用发动机真空）。
真空泵位于中间居左的位置。
手动变速器的换挡杆用壹个伪装成自动变速器换挡杆的开关替换，以控制前进和倒退。
自动变速器换挡杆用于选择前进和倒退。它包含壹个小开关，用
于向控制器发送信号。
增装了壹个小的电热水器以提供热能。
热水器
增装了充电器，以便能够对蓄电池进行充电。实际上，这辆独特的汽车具有俩套充电系统：
壹套系统连接通常的 120 或 240 伏的壁装电源插座，另壹套系统连接 Magna-Charge 感
应充电板。
120/240 伏的充电系统
Magna-Charge 感应板充电系统
燃油表替换成了电压表。
电动汽车中的“燃油表”既是壹个简单的电压表，又是壹个比较复
杂的计算机，用于跟踪进出蓄电池组的电流。
汽车的任何其他设备保持不变。当您进入汽车后，将车钥匙插入点火装置中，且将其旋转到
“on”位置，即可发动汽车。将换挡杆推入到“D”（行进）位置，踩下加速踏板即可开动汽车。
汽车的表现和普通的汽油车很相似。以下是壹些有趣的统计数据：
这辆汽车能够行驶 80 公里。
将时速从 0 提高到 96 公里/小时大概需要 15 秒钟。
在汽车行驶了 80 公里之后，需要对汽车充电约 12 千瓦时。
蓄电池的重量大约为 500 公斤。
蓄电池的寿命为三到四年。
若要比较汽油车和电动汽车每公里的行驶成本，能够参照下面的示例。美国北卡罗莱纳州当
下的电费约为 8 美分/千瓦时（如果您采用分时段计帐方式且在晚上进行充电的话，则电费
约为 4 美分/千瓦时）。这就意味着，电动汽车每充满壹次电需要花费 1 美元（如果采用分时
段计帐方式，则需花费 50 美分）。因此，电动汽车每公里的行驶成本为 美分或 美分（如
果采用分时段计帐方式）。如果汽油的价格为 美元/升，且且汽车使用 1 升汽油能够行
驶 10 公里，则汽油车每公里的行驶成本为 美分。
显而易见，电动汽车每公里的“燃油”成本比汽油车的要低得多。而且，对于许多人来说，80
公里的行驶范围也不具有局限性，城市或郊区的普通居民每天的行车距离很少超过 50 或 60
公里。
不过，为了保证绝对公平，我们也应考虑到蓄电池的更换成本。如燃料电池中所述，蓄电池
目前是电动汽车的壹个薄弱环节。更换这辆电动汽车的蓄电池需要花费约 2,000 美元。蓄电
池将能够供汽车行驶大约 32,000 公里，即每公里要花费大约 6 美分。当下，您就知道为什
么燃料电池如此让人兴奋了——燃料电池解决了蓄电池问题。有关燃料电池的更多详细信息
将在本文后面的内容中讨论。
电动汽车的核心部分由以下几个部件组成：
电动马达
马达的控制器
蓄电池
连接蓄电池和直流马达的是壹个简单的直流控制器。如果驾驶员
将油门踏板踩到底，则此控制器会将来自蓄电池的全部 96 伏电
压传送到马达。如果驾驶员将脚从油门上移开，则此控制器不会
向马达传送电压。对于这二者之间的任何设置，控制器每秒钟会
将 96 伏电压“切掉”几千次以获得介于 0 和 96 伏之间的平均电压。
控制器从蓄电池获取电力且将其传送给马达。油门踏板和壹对电位计（可变电阻器）相连，
这些电位计会发出信号以告知控制器其认为可能传送的电力。控制器能够不传送电力（当停
止汽车时）、传送全部电力（当驾驶员将油门踏板踩到底时）或介于这二者之间的任何电力
级别。
当您打开发动机罩时，首先映入眼帘的就是控制器，如下图所示：
标有“”的盒子就是这辆电动汽车的电压为 300 伏、
功率为 50 千瓦的控制器。
在这辆汽车中，控制器将从电池组获取 300 伏的直流电。它会将获取的直流电转换为最多
240 伏的交流电（三相）以发送给马达。控制器通过使用非常大的晶体管来做到这壹点，晶
体管能够快速打开或关闭蓄电池电压以生成正弦波。
当您踩下油门踏板时，踏板的缆线会连接到这俩个电位计：
电位计和油门踏板相连且向控制器发送信号。
来自电位计的信号将告知控制器向电动汽车的马达传送的电力数。为了安全起见，电动汽车
中安装了俩个电位计。控制器将读取这俩个电位计且确保二者的信号相同。如果二者的信号
不同，则控制器不会运行。这样安排是为了预防壹个电位计在全满位置失效的情况发生。
粗的电缆（左侧）用于连接蓄电池组和控制器。中间是壹个非常
大的闭合开关。右侧的壹束小的电线用于传送由蓄电池之间的电
位计提供的信号，且为用于保持蓄电池处于冷却和通风状态的风
扇提供电力。
连接控制器输入和输出端的粗大电线
控制器在直流电电动汽车中的作用很容易理解。让我们假定蓄电池组包含 12 个电压为 12
伏的蓄电池，且用串联的方式连接在壹起以产生 144 伏的电压。控制器将接收 144 伏的直
流电，且通过可控方式将其传送给马达。
最简单的直流控制器应是通过电线连接油门踏板的大的闭合开关。当您踩下油门踏板时，此
开关将打开；而当您松开油门踏板时，此开关将关闭。作为壹名驾驶员，为了保持给定的车
速，您必须踩下和松开油门以脉冲的方式打开和关闭马达。
显然，虽然这种开关方法可行，可是对于驾驶来说是痛苦的，因此控制器将为您调制脉冲。
控制器会从电位计读取油门踏板的设置且相应地调整电力。让我们来谈论壹下将油门踩下壹
半的情况。控制器会从电位计读取到此设置，且快速打开和关闭供给马达的电力，以便马达
壹半时间处于打开状态，另壹半时间处于关闭状态。如果您将油门踏板踩下四分之壹，则控
制器会使电力脉冲输出，以便马达在 25%的时间处于打开状态，75%的时间处于关闭状态。
大多数控制器脉冲输出电力的频率超过 15,000 次/秒，目的在于使脉动保持在人类听觉的
范围之外。脉冲电流会导致马达外壳按该频率振动，因此当脉冲频率高于 15,000 次/秒时，
控制器和马达对于人的耳朵来说是无声的。
交流控制器连接到交流马达。通过使用六组电力晶体管，控制器
能够接收 300 伏的直流电且会生成 240 伏的交流电（三相）。有
关三相电力的讨论，请参见电力网的工作原理。此外，控制器仍
额外提供了壹个用于蓄电池的充电系统，以及壹个用于对 12 伏
附件蓄电池进行充电的直流到直流转换器。
在交流控制器中，这项工作会更复杂壹点，但思路是壹样。控制器会生成三段伪正弦波，且
通过从蓄电池获取直流电压，然后以脉冲方式打开和关闭此电压来做到这壹点。在交流控制
器中，仍需要每秒将电压的极性反转 60 次。因此，实际上您需要在交流控制器中使用六组
晶体管，而只需在直流控制器中使用壹组晶体管。在交流控制器中，对于每壹相，您需要壹
组晶体管来脉冲输出电压，且需要另壹组晶体管来反转极性。由于您对三相要重复三次操作，
因此共需要六组晶体管。
电动汽车中使用的大多数直流控制器来自电力叉车行业。上图所示的 Hughes 交流控制器和
GM/SaturnEV-1 电动汽车中使用的交流控制器类型相同。该控制器最多能够向马达传送
50,000 瓦电力。
