陆地交通中的内燃机车电能需求

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：2.2.1.1 内燃机车即使是在汽油或柴油内燃机车中，电能也是车辆正常工作必不可少的能源。

即使是在汽油或柴油内燃机车中，电能也是车辆正常工作必不可少的能源。其最重要的作用是汽车发动机的点火和起动系统，除此之外，还有一些功能是机械能无法实现的，比如照明和刮水器的驱动等。

由于电动系统相对于机械或液压系统更加灵活，汽车的某些特定功能，比如风扇驱动、转向助力以及泵助力制动等，已经自然而然地向电气化转变了，这也使得汽车的内部结构更为优化，效率更高。目前，所有的车载空调系统均使用电能：包括风机和空气阀门的控制等。点火控制和喷油控制系统是电动的，而且正在向电控（代替凸轮轴）气阀（1～2kW）发展，这种带有电子辅助设施的透平压缩机能够改进燃烧效率，并降低污染物的排放。这样，通常由机械能完成的很多功能将会转由电能完成。汽车最终的趋势是向“电线联系与驱动”发展，与机械的关系将降至非常有限的程度。每年新上市汽车的用电增长幅度是120W。

此外，一些方便驾驶和提高驾驶舒适度的汽车辅助套件正源源不断地出现在汽车上，如车载收音机、具有控制校正作用的信息控制系统（车载计算机ECU），各种传感器、车载电话、GPS（全球定位系统），而这些都需要用电。

汽车内的电气结构主要是由起动系统和前照灯等大用电负荷决定的，当然也要考虑到一些低功率电路，以及用于控制的弱电信号电路。由于各种有线通信线、多路复用线、VAN总线（车辆局域网）、CAN总线（控制器区域网络）和电源线往往会放置在一起，这样一方面会带来散热问题，另一方面会引起EMC（电磁兼容）问题。干扰和失效会给诸如ABS（防抱死制动系统）、ESP（电子稳定程序）、ASR（加速防滑控制系统）或者调速系统等关键功能带来致命影响，必须避免。

2.2.1.1.1车用电的来源

汽车中的电来源于内燃发动机带动的交流发电机，在技术上正由直流换向器式发电机向带有三相二极管整流桥的爪极式发电机过渡，使得发电机可以运行至更高的转速区间，并且在汽车低速行驶或者减速的过程中仍可以得到所需的电能。但是，这些发电机的效率不是很高，一般在50%左右。汽车用电需求逐年增加的趋势，推动了发电机设计和制造朝着更高功率密度和效率的方向发展。目前，最大的车用发电机可达2.5kW，效率为85%。

2.2.1.1.2车用电的电压等级

很久以前，汽车的用电功率很小，一直使用6V的供电网络，由三个铅酸蓄电池串联供电。很快地，供电电压等级提升到了12V，大型汽车甚至需要两个单独的蓄电池组来供电。用电功率的增加导致人们对42V的供电网络产生了兴趣，对于车上各种驱动器而言，最直接的好处就是所用的铜变少了。但在工业化应用之前还有一些问题需要解决。

为了适应42V的供电网络，所有车用控制器的设计和性能都要修改，并经过充分的测试之后，才能建立新的生产线。目前，虽然一些氙气车前照灯需要远高于12V的电压，但是我们仍然无法用42V电压直接控制照明电路。至今还没有采用42V电压等级进行供电的汽车。对于混合动力汽车，情况有些特殊，它需要更高等级的直流母线电压，一些混合动力试验车型中兼用12V和42V供电网络。

传统汽车都使用铅酸蓄电池，为了满足汽车起动所需的峰值功率，以及运行所有辅助功能设备所需的平均功率，铅酸蓄电池在相应的技术特性上取得了很大的进步。由于这些辅助功能，特别是与舒适度有关的功能，一般并不同时使用，因此在进行能量设计时，会在兼顾汽车发电功率的同时，适当减少蓄电池的配置容量。

蓄电池的容量用安时（A·h）^[2]表示，电池厂商一般以蓄电池恒流放电的时间和电流的乘积来描述其容量，放电电流采用额定电流。一些关键技术的进步可以促使蓄电池能量密度和功率密度的提高，例如蜂窝状阳极；气体合成（由玻璃微纤维制成的隔膜被电解质浸湿，对阳极的维护很有好处），电池外壳具备防水特性且带有防爆阀门[AGM电池（玻璃纤维棉蓄电池）]；采用硅凝胶固定电解质。

以上技术还可以使蓄电池的维护次数大为降低，显著提高了蓄电池的可靠性。

汽车的体积限制和机动化运行需求，决定了所装蓄电池的容量为40～70A·h。采用柴油发动机的汽车由于起动功率较大，而需要功率输出能力更强的蓄电池。

2.2.1.2 公共汽车与长途客车

公共汽车和长途客车一般都采用柴油内燃发动机，对于观光巴士而言，由于其体积比较大，因而，除了内燃机提供的能量之外，与舒适度有关的辅助设备也需要很大的能量，如空调器、照明，以及广播设备等。

我们也不能忽视需要用电的安防系统：被动安保的气动制动，需要一个电动机驱动的压缩机和一个涡流制动器。由于车轮的旋转会使直流电流产生一个磁场，与车轮连接的旋转部分因切割磁力线而感应出电流，引起损耗并消耗了汽车的动能。

公共汽车和长途客车的供电电压通常是24V，由两节12V蓄电池串联而成，储能容量可高达300A·h。而车上往往还有一个非24V的供电网络，用于与车内舒适度有关的设备，如音视频设备或安防系统。

2.2.1.3 重型货车与多用途运输车

3.5t以下的商用车可以使用与观光巴士相同电压等级的供电网络。只有特殊用途的重型货车需要单独考虑。比如，冷藏车需要用到车载电源，而且需要的储能能量较大。一辆小型冷藏车所需要的电功率约为1.5kW，因此相应的电源功率至少要2倍以上（3kW）。这意味着，首先，必须安装更大容量的发电机；其次，蓄电池的容量也要增加；其他的应用案例也可以由此推算，我们会在之后关于重型货车的部分提及这些问题。

对重型汽车而言，其安全措施与客车大致相同（如气动制动和电磁减速器）。同时，驾驶员的舒适感也是必须要考虑的因素，比如助力转向系统、汽车运行或停止时座舱内的暖气和空调器系统。因此，至少要为重型汽车安装200A·h的蓄电池。

在欧洲和美国，冷藏货车或长途货车中的储能尤为重要。由于对驾驶员的休息时间要求很严格，货车需要在服务区停留很长时间。而在此期间让发动机持续运转并不是一个经济的方法，因为这种热机在车辆停止时的效率只有9%～11%。

一种应对方案是可以在服务区配备电气插座来为车辆进行必要的设备供电，还可以在辅助轮毂上安装辅助发电机。一个7kW的小型发电机就足以胜任，仅需在停车时才起动发电，能够完全满足冷藏货车的持续制冷需求。

配备辅助电源（APU）是更为普遍的方法，由此带动了大量的关于燃料电池应用的研究工作。燃料电池更高的效率使其正在被考虑用于高级轿车中，可以使百千米油耗降低0.5～1L，尤其是在大量使用空调器的情况下。

高温燃料电池（SOFC^[3]）或许是最合适的选择，其典型工作温度范围为750～850℃。重组器将使用过的碳氢化合物转换成一氧化碳和氢气，作为SOFC的燃料，与空气结合进行燃烧。至今已有许多针对该系统的研究。除了寿命和热循环等燃料电池自身的问题外，重组器也面临着一个棘手的问题，即它所需要的燃料必须是无硫的，但是目前的汽油和柴油无法达标。因此，当汽车的主发动机和辅助电源能够使用相同燃料时，燃料电池的方案才会经济上可行。

对于特殊用途的汽车，例如集装箱式载货汽车或带有可升降后挡板的货车，所需要的功率从1.5kW到30kW不等^{[MAR 07]}。当这些电动设备运行时，其电力是由内燃机和交流发电机提供的。由于蓄电池组的电压为24V，为了能够利用市场上成熟的发动机产品，必须再建一个400V的交流供电网络。

2.2.1.4 两轮机动车

摩托车或者踏板车只有很少的用电需求，尽管电动辅助功能有了很大发展（如辅助起动系统或发动机控制设备），但为其配置的电池容量仍然可以很小。装于两轮机动车上的电池组电压已由6V提高至12V。

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