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电动汽车的工作原理因此,如何扩展范围

最初发表于EV Obsession。

拥有电动车已有18个月多的时间,我感到能够分享我的知识,这可能对那些初次考虑电动车的人或刚刚踏上电动车道路的人有所帮助。

在格洛斯特服务充电–照片作者Andy Miles,CleanTechnica

讨论最广泛的话题之一是范围焦虑,我可以坦白地说,在短时间驾驶电动汽车后,范围焦虑很快就被范围意识所取代。范围焦虑是人们一直担心汽车会在耗尽电池电量之前到达最终目的地还是下一个充电站的方法。这仅仅是由于经验不足。另一方面,范围意识是您可以精确知道您的汽车在充满电的任何百分比下能行驶多远的地方,因此,尽管您非常了解范围问题,但您始终对到达计划的目的地充满信心。

在出发之前和之后的距离大于我的汽车的可行驶范围的任何旅程之前,我会仔细检查路线,检查路线上快速充电器的可用性,并在两次充电之间的精确阶段计划行程站。我唯一真正感到焦虑的时刻是到达计划的充电站,仅剩10%的电池,然后想一想如果充电器失灵或以任何其他方式,我所有最好的计划将变成一片废墟不可用。到目前为止,我很高兴地说,尽管我在充电器方面遇到了一些问题,但我始终能够对它们进行梳理或寻找替代方案,而且在99%的时间内,我在使用充电器方面都没有遇到任何麻烦所有。

什么影响练习场?

现在我们正在讨论范围,接下来自然要讨论的话题是如何使电动汽车获得最佳范围,以及可能对范围产生不利影响的因素。人们需要意识到但无法真正控制的一个问题是温度。电池通过化学过程进行存储,并且产量,电和化学反应在更高的温度下更有效地工作。这是因为温度是分子激发的量度,并且移动很多的分子(就像参加聚会的人一样)比彼此静止不动时,彼此之间的相互作用更频繁。

在我居住的英国,温度并没有极端的极端,因此季节的影响很小,但是在温度降至-20°C的地方,电池受到的影响严重。另一方面,电动机在寒冷的情况下更有效地工作,无论如何,电动汽车的确具有调节电池和电动机温度的系统,但即使如此,预计在极低温下范围也会受到影响,并且在温暖的时候改善。

影响范围的另一项是滚动阻力。当车轮滚动时,车辆的重量会压缩轮胎与路面接触的部分中的橡胶。这会导致轮胎橡胶不断弯曲,因为轮胎圆周的每个部分在与道路接触时都会被压缩,然后在仅与空气接触时会释放出来。这种恒定的挠曲会在轮胎中产生热量,因此,向前行驶的汽车的一定量的能量会转化为这种热量,并且还会失去对轮胎橡胶挠曲运动的机械阻力。您的电动汽车应配备低滚动阻力轮胎,该轮胎的弯曲性小于普通轮胎,并充气至更高的压力。通过确保轮胎压力始终保持应有的水平,您可以将范围扩大一些。

另一个重要的项目是加速和减速。当车辆开始行驶时,它会获得所谓的动能。随着速度的增加,动能也随之增加。然后,在加速时,来自电池的能量被用于增加动能。动能的公式为½MV²,其中M为质量,V为速度,因此动能按速度的平方增加。因此,在60 mph时,您的动能是30 mph时的4倍,而不仅仅是两倍。这就是为什么从60 mph到30 mph减速比从30 mph到0 mph制动要多得多的原因。同样,加速到60 mph时所消耗的能量要比加速到30 mph时多两倍。

我们可以想到的是,在加速的车辆中,动能不断增加,就像罐子里装满水一样,无论罐子是快装还是慢装,都需要等量的水才能装满。就像那只水罐一样,无论快还是慢,要花相同的能量才能加速到给定的速度。如果是这样,为什么我们要告诉我们,较慢的加速度对射程更有利?这全都归结为系统的效率低下和损失,在快速加速期间比低速加速期间更大。如果没有这些损失,则在3秒钟内加速到60 mph所需的能量与在3个小时内消耗的能量完全相同。但是,仅在3秒钟内提供这么多的能量,就需要功率更大的电动机或引擎。

减速,也是一个重要因素。减速时,电动汽车利用电动机的旋转来发电,以反馈到电池中。这称为再生制动。感觉就像在踩刹车,因为在电动机作为发电机的过程中,电动机的旋转存在磁阻。在再生制动中,动能被转化为电能。在正常制动中,动能在盘片和制动片中被纯粹转换成热量,并且被完全浪费掉了。当您跟随ICE汽车行驶时,每当其刹车灯亮起时,这意味着它们在制动系统中以废热的形式消耗掉了所有用来加速行驶的燃料。作为电动汽车驾驶员,每次使用制动器时,您所做的都是完全相同的事情,因此应避免使用制动器。我发现,除了突发事件或必须在路口,交通队列和交通信号灯处停下来之外,我所有的速度控制都是通过再生制动来完成的。这样,我可以取回一些我在加速中使用的电池电量,但要注意,这还不是全部—再生制动仅能达到60%的效率,这意味着您只能取回大约60%的电能当您使用再生制动减速时可以加快速度。

再生制动只能有效地吸收60%的加速能量,这一事实应使任何人都清楚,由于停车和启动(再生制动)而导致城市驾驶行驶范围更大的想法是一个神话。实际上,情况是这样的,在城市驾驶中,每次加速都会从电池中获取更多的能量,而采用再生制动的每次减速最多只能减少60%的加速消耗。与在平直的道路上以相同的平均速度,以恒定的速度行驶相比,城市驾驶的行驶范围较小。使城市驾驶的收率更好的唯一原因是,在克服空气阻力时会花费更少的电池电量,因为在城市驾驶的低速行驶中,空气阻力很小。

这很好地导致了影响范围的下一个重要因素,即空气阻力。太空中的车辆在通电的情况下将继续加速,但独特的是,如果发动机脱离接合,尽管不再加速,但将无限期地以相同的速度继续行驶。这是因为由发动机提供的能量已转换为航天器的动能,并且由于该能量没有以任何方式降低,因此速度也没有降低。在公路车辆中,应用相同的原理,但是动能通过移动空气和已经讨论过的滚动阻力而消散,因此,如果发动机断开,速度会降低,并且车辆需要恒定的能量输入保持运动。

随着速度增加,空气阻力也会增加。大多数人将空气阻力称为“风阻力”,但风本身就是空气在运动,而我们所谈论的是汽车在不一定通过空气的空气中运动-我们所谈论的是空气在汽车上方流动的阻力。如果在汽车方向吹风,这将增加汽车相对于空气的速度,因此非常相关。当任何东西在空气中移动时,该物体前面的空气都必须移开,但是物体移动得越快,空气移开的难度就越大,因此,压力会累积在物体前方,该压力会施加约束力。例如,一架飞机依靠机翼下方的压力积累将那架重型飞机从地面上抬起。要起飞,飞机必须沿着跑道加速,直到达到临界压力为止,此时气压足以将其举起。在轻型飞机上,该速度可能仅为60 mph,对于一架客机,则可能为120 mph。您的电动汽车的设计当然不是举升,而是在气流尽可能容易地环绕其行驶时牢牢地固定在道路上。这就是为什么特斯拉Model S具有极好的空气动力学形状,以将气流阻力降低到最小的原因。

因此,电动汽车的一个明显缺点是,在长途旅行中,为了节省行驶里程,需要限制速度。如果您以80英里/小时的恒定速度在高速公路(高速公路/高速公路)上行驶,电池容量很快就会用完,您将无法达到希望的行驶里程。因此,通常必须选择60至65 mph的较为安静的速度。但是,由于在高速公路上行驶可以保持恒定速度,而没有与加速和减速相关的能量损失,因此高速公路行驶确实提供了最佳范围。

您也可以使用一个小技巧。大型车辆(例如卡车(半卡车)和公共汽车)的横截面积为几个谷仓门,以60至65 mph的速度沿高速公路向下行驶。在这些速度下,他们用于克服空气阻力的燃料量占他们使用的总燃料的百分比很高。对于他们来说,这是个坏消息,但对您来说却是个好消息……如果您决定将其中一辆加入其中。如果这样做,不仅可以保护您免受任何逆风的侵害,而且车辆后面会产生一点真空,这实际上会把您吸引到路上。您离车辆越近,效果越好,但太靠近前方车辆行驶非常危险,至少在英国,这是一种交通违规行为,称为“尾随”。但是,即使在安全距离下,在这些大型车辆之一中行驶时,空气阻力仍会大大降低。我发现在大货车或公共汽车后面行驶时,我的行驶距离可以增加多达20%,每当上高速公路时,我首先要寻找的是货车或公共汽车。高速公路上的巴士往往以每小时65英里的恒定速度行驶,这比我通常期望的行驶速度快得多,因此,我既获得了良好的续航里程,又获得了良好的速度所带来的额外好处。

因此,揭穿了城市驾驶能够提供最佳行驶距离的神话之后,我遇到的另一个神话般的想法是,您可以通过滑行来增加行驶距离。人们所说的“滑行”是指将车辆置于空档,然后简单地滚下山坡。在电动汽车中,尽管有一个选择器,其外观与自动变速箱相似,但在电动汽车中却没有任何类型的变速箱或离合器。电机永久连接到驱动轮,唯一的齿轮是永久减速齿轮,以在驱动轮上提供所需的扭矩水平。在ICE汽车中,必须启动发动机,因此不能将其永久连接到驱动轮。空档位置实际上使发动机与驱动轴断开连接,而“反向”位置实际上是使用齿轮使驱动轴沿相反方向旋转,而发动机当然总是沿相同方向旋转。在电动汽车中,“反向”位置操作电子开关以反转电动机的极性,以使其向后旋转。根据我自己的经验,我发现电动汽车的一个令人震惊的功能是,它们在反向行驶时的加速与在行驶中的加速一样快,不过,幸运的是,最高速度通常是软件限制在反向时速约30 mph的。

在电动汽车中,将选择器置于空档状态并不会断开电动机的连接,而是将电动机与控制系统隔离开来的电气设备,从而使电动机可以自由旋转,既不驱动也不进行再生制动。因此,将电动汽车置于空挡和惯性滑行不会使车辆更自由地滚动,因为动力传动系统的机械损耗仍然保持不变。如果您下坡的速度比惯性滑行的速度快,那么您正在消耗电池的电流。如果以与惯性滑行完全相同的速度行驶,那么即使选择器在驱动器中,也不会使用任何电流。而且,如果您的行驶速度比惯性滑行慢,那么再生制动将发挥作用,并且在下坡时将为电池充电。在这种情况下,将汽车置于空档没有任何优势,您甚至可能会错过一些急需的充电。如果您在滑行时实际使用制动器来控制速度,那么您会将动能转化为浪费的热量,而不是将其转化为电能给电池充电,因此实际上效率较低。

唯一的选择“空档”而不是“驱动”的方法是在手刹停下时停止,因为即使脚踩在加速踏板上,通常也会向电动机馈入低电流。这样就可以不动地从电池中取电,从而减小了射程。这不适用于制动踏板,因为当踩下制动器时,电动机管理系统会切断流向电动机的所有电流。

另一个问题是,如果您使用油门踏板而不是踩刹车来防止车辆在坡道上停下来时回滚,那么您是在不移动的情况下从电池中获取能量,因此减小了行驶距离,并且您可能还会当您在电机不移动时使电流流过单个电机绕组时会损坏电机。在ICE汽车中,使用电机将汽车停在山坡上可能会烧坏离合器,但在EV中,可能会烧毁电机。

影响范围的最后一件事是气候控制系统的使用。电动汽车倾向于将普通汽车的“即插即用”系统用于其所有设备(例如指示器,雨刮器和照明灯),但是加热器(在其他任何汽车上都使用来自冷却系统的热水)和空调将通过发动机传动带运行,并需要定制的设备,这会消耗电池的电能。对于本地跑步,您可以随心所欲地保持凉爽或温暖,但是不用担心,但如果在高速公路上行驶,希望能在一定范围内使用该充电器,则可能需要在舒适性与节能之间进行权衡。最好的电动汽车使用热泵进行加热,其工作方式与冰箱相反,其作用是制冷外界空气并将热量散发到汽车内部。较小的型号实际上使用的是风扇加热器,它会消耗电池并消耗约3 kW的电流。购买前请检查一下,因为热泵使用的电流与空调使用的电流大致相同,而电流远小于风扇加热器的电流,因此在冬季保暖要少得多。在大多数情况下,我只能使用加热的座椅,该座椅仅消耗约12瓦的功率,并且对范围没有任何明显的影响。

现在进入有趣的部分-当地旅行。在汽车范围内的任何行程中(对于大多数EV驾驶员而言,行程约为95%),您都可以将有关保持里程的所有好的建议放到窗外,并以安静舒适的方式“放下头发”毫无疑问,这款电动车以平稳但快速的加速和极低的重心驱动电动车,可实现出色的抓地力。尽情享受开阔道路上的所有自由,而无需改变齿轮的所有辛苦工作,并播放自己喜欢的音乐,而不会产生不必要的内燃机噪音和气味。如果您以前从未驾驶过电动汽车,则应该尝试一下-您可能会喜欢。

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