1、现代电动汽车发展及技术资料现代电动汽车发展及技术【摘要】纯电动汽车，它是完全由可充电电池提供动力源的汽车。虽然它已有134年的悠久历史，但一直仅限于某些特定范围内的应用，市场较小。电动汽车的技术核心主要有电池技术，电力驱动及其控制系统，电动汽车整车技术，能量管理计术等。现代电动汽车发展速度越来越快，通过对电动汽车各主要技术国家的发展对比，了解发展状况及其关键技术。【关键词】发展现状；电动汽车；电动汽车核心技术；传动比Abstract: Electric vehicles, it is provided by a rechargeable battery power source car. Al
2、though it has been 134 years of history, but it has been only within a certain range, the market is small. The core technology of electric vehicles battery technology, electric drive and control system, electric vehicle technology, energy management technology. The increasingly rapid pace of develop
3、ment of modern electric vehicles, by comparison of the major countries of the electric car development to understand the development status and key technologies. Key words: development status；electric vehicles；electric vehicle technology；drive ratio1 背景及发展1.1 背景环境在全球能源和环境问题的严峻形势下, 汽车工业正面临巨大挑战, 节能与减排
4、的技术变革迫在眉睫。目前, 节能与新能源汽车已经成为国家科技发展的战略重点, 其中, 电动汽车作为主要技术方案之一倍受瞩目。目前人们所说的电动汽车多是指纯电动汽车，即是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车。它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电机提供电能，驱动电动机运转，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。从外形上看，电动汽车与日常见到的汽车并没有什么区别，区别主要在于动力源及其驱动系统。即纯电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱。1.2 国内外现状及前景知名战略咨询机构贝恩
5、公司发布的调研报告称：未来几年，全球电动汽车有望达到150万辆，其中中国将以20万辆的份额占据全球最大的潜在市场。该报告还将购买电动汽车的消费者大致分为四类，分别为：乐于接受新技术的“高端消费者”、注重环保的“绿色先行者”、预算有限的“价格敏感者”和尽量规避风险的“观望跟风者”。 大有谁掌握了“电动车”市场谁就掌握了未来世界经济引擎的意味。据媒体报道：中日韩三国都正在为其未来的经济支柱电动车产业暗自较劲。其中日本占据电池和核心控制系统上的优势，拥有最大汽车市场的中国则占据市场优势，而韩国的优势在核心配件电池上。有专家戏称，如果将占技术优势的日本比之于魏，占市场优势的中国比之于吴，那韩国自然当比
6、西蜀，从整体上看，韩国电动车产业在三足鼎立中略显羸弱。1.2.1 技术强国日本最近，日本经济产业省公布了“新一代汽车战略”，日本政府将电动汽车和混合动力汽车等定义为“新一代汽车”，并将该战略纳入日本的国家新一轮经济发展规划，日本政府为汽车业设定的总体战略目标是“使日本发展成为新一代汽车的研发中心”。2009年底，日本三菱汽车就开始生产世界首个批量生产的高速电动车“i-MiEV”。该车充一次电可以行驶130公里，最高时速为130公里。最近，美、日、欧投放市场的日产Leaf充一次电可以最高行驶200公里，时速可以达到145公里。这是将电动车提升到了同汽油车一样的水平。日产计划扩大电动车的普及率，到
7、2015年每年生产25万台。丰田、本田也将在明年下半年进入电动车市场。他们是在使用混合动力技术的插电式电动车领域走在前列的企业。1.2.2 市场大国中国无疑，中国最大的武器就是广阔的市场。美国市场调查企业JD Power认为，10年后中国市场将消化全世界电动10%左右的产量。中国本土企业比亚迪（BYD）将引领中国电动车市场。比亚迪进军美国主打的品牌就是新能源车。吉利汽车自收购沃尔沃之后，针对可以期待的电动汽车市场，目前正在寻求与富士康联手展开新能源以及汽车电子方面的合作。在中国，发达国家汽车企业的竞争也非常激烈。通用（GM）即将把Chevrolet Vol投入市场，计划在明年上半年在中国上海进
8、行生产。日产也在研讨在中国建设电动车生产设施的方案。中国政府计划通过像这样同国际企业合作来引进先进技术，一口气赶上韩国和日本。有人说中国的比亚迪等已经在电池等部分领域拥有了同韩国不相上下的技术能力，或者说是已经超过了韩国。“十二五”期间纯电驱动汽车销量达到同类车型总销量1%左右的目标。规划指出，电器化程度比较高的“纯电驱动”电动汽车是中国新能源汽车技术的发展方向和重中之重。到2015年，在整车、关键零部件、公共平台等29个技术创新方向上实现关键技术突破，全面掌握核心技术，预期申请电动汽车核心技术专利达3000项以上，在30个以上城市进行规模化示范推广，在5个以上城市进行新型商业化模式试点应用，
9、为实现电动汽车规模产业化、尤其是纯电驱动汽车销量达到同类车型总销量1%左右的重要门槛提供科技支撑。据中汽协数据，2015年我国轿车年销量约为1200万辆，纯电动汽车销量占比1%，即为12万辆。1.2.3 困境中的韩国Eugene证券分析师朴尚源表示：如果把日本的电动车技术设定为100，除电池之外韩国的技术就是80以下。韩国的优势是电池技术和销路。电池是占电动车价格30%以上的核心部件。LG化学不仅仅同现代汽车，而且还同CT&美国的通用、福特、Eaton以及欧洲的雷诺、沃尔沃和中国的长安汽车签订了长期供货合同。预计此公司仅凭汽车充电电池在明年就可以实现3 000亿韩元的销售额，在2015年实现3
10、万亿韩元的销售额。三星SDI和德国博世的合资公司SB limotive的战略是集中给BMW、奔驰、大众汽车等欧洲企业供货，以此超过LG化学。SK能源也在获得了现代起亚的电动车合同之后将目光放到了海外企业身上。另外一方面，韩国的弱点是政府没能解决电动车补助金的问题。只是说从明年开始公共机构在购买电动车时会得到同同等汽油车差价的50%的补助，最高补助金额为2 000万韩元。因此完成了电动车开发的雷诺三星推迟了生产。雷诺三星相关人士表示：要想使电动车得到普及，补助金是必须的。如果没有补助金，量产电动车的价格每台将超过4 000万韩元，毫无竞争力可言。1.3 电动车市场的明日之战在整个电动车开发的蛋糕
11、上，分羹抢食的绝非仅仅上述三国。美国、欧洲等老牌“帝国主义”国家以及“印度”“巴西”等新兴经济体也将以更加积极的姿态来参与竞争。无疑，日本是其中的佼佼者，他依靠原有汽车技术强国的地位，依靠政府、企业的重视，将在未来的竞争中占据主导优势。2 电动汽车特点及优势2.1 无污染、噪声小电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”。众所周知，内燃机汽车废气中的CO、HC及NOX、微粒、臭气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾。电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。噪声对人的听觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫系统也是有危害的。
12、2.2 结构简单、维修方便电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小。当采用交流感应电动机时，电机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵。2.3 能量转换效率高电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车。特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。有些研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。2.4 平抑电网的峰谷差可在夜间利用电
13、网的廉价“谷电”进行充电，起到平抑电网的峰谷差的作用。电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。3 纯电动汽车核心技术 发展电动汽车必须解决好4个方面的关键技术：电池技术、电机驱动及其控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术。 3.1 电池技术电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本
14、(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。电池性能决定了纯电动车的最大行程、充电时间。电池成本占了整体成本相当大的比重，制造电池的排碳量也占了整个使用周期排碳量相当大部份(43%)。所以电池是纯电动车发展的最重要的技术关键。 到目前为止，电动汽车用电池经过了3代的发展，已取得了突破性的进展。第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池(VRLA)，由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。第2代是碱性电池，主要有镍镉(NJ-Cd)、镍氢(Ni-MH)、钠硫(Na/S)、锂离子(Li-ion)和锌空气
15、(Zn/Air)等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。第3代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，但目前还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破问。动力电池技术是电动汽车的核心技术之一，动力电池性能的好坏与发展电动汽车的前景息息相关。回顾电动汽车百年历史，电动汽车在汽车发展史中前两次机遇都没有得到发展，总结起来存在以下几点原因:1、续驶里程:大多数铅酸电池电动汽车一次充电只能行驶100km，锂
16、离子电池电动汽车接近200km，不适合长途行驶，而传统汽油车辆最大行驶距离可超400km。2、充电时间:电动汽车慢充充电时间长达6小时，即使是采用“快速充电”到动力电池80%容量的方式，也需要0.5h，这样大大降低了汽车即充即用的实用性能，而汽油车辆一次加油时间不过几分钟。3、电池成本:电池价格昂贵，目前动力锂电池的价格约在5元/瓦时，通过计算，一辆电动轿车，动力电池成本约为10万元，而且动力电池的循环使用寿命在1500次左右，按照充电一次行驶150km，根据介统计，北京平均每辆汽车一年行驶是47000公里，这样计算得到电池的使用寿命不到5年时间，若使用不当寿命还会降低，按汽车10年报废来算，
17、中途需要更换一次动力电池。4、比容量或比能量:目前广泛使用的锂离子电池比容量在100Ah/g，这只是计算单体电池电芯的重量得来，若加上单体外包装、电极、电池箱体、导线、电池管理系统等，根据实际经验，其实际比容量只有20Ah/kg左右。一辆单体电池额定容量为60Ah，总电压为380V的电动轿车，动力电池的重量为300kg左右，给整车带来的额外负担是严重的，而且还占用了相当大的车辆空间，导致整车布置困难。3.2 电力驱动及其控制技术 电动机与驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性
18、。目前，电动汽车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁无刷电动机(PMBLM)和开关磁阻电动机(SRM)4类。近几年来，由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合电动汽车的控制。美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机。永磁无刷电动机可以分为由方波驱动的无刷直流电动机系统(BLDCM)和由正弦波驱动的无刷直流电动机系统(PMSM)，它们都具有较高的功率密度，其控制方式与感应电动机基本相同，因此在电动汽车上得到了广泛的应用。PMSM类电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性
19、低、响应快，非常适应于电动汽车的驱动系统，有极好的应用前景。目前，由日本研制的电动汽车主要采用这种电动机。开关磁阻电动机(SRM)具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快和成本较低等优点。实际应用发现SRM存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，应用受到了限制。随着电动机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电动机控制系统。3.3 电动汽车整车技术电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外，车体本身也包含很多高新技术，有些节
20、能措施比提高电池储能能力还易于实现。采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽车自身质量减轻30%-50%；实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减少50%；汽车车身特别是汽车底部更加流线型化，可使汽车的空气阻力减少50%。3.4 能量管理技术蓄电池是电动汽车的储能动力源。电动汽车要获得非常好的动力特性，必须具有比能量高、使用寿命长、比功率大的蓄电池作为动力源。而要使电动汽车具有良好的工作性能，就必须对蓄电池进行系统管理。能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、选择适当的能量
21、源(即电池)外，还应该有一套协调各个功能部分工作的能量管理系统，它的作用是检测单个电池或电池组的荷电状态，并根据各种传感信息，包括力、加减速命令、行驶路况、蓄电池工况、环境温度等，合理地调配和使用有限的车载能量；它还能够根据电池组的使用情况和充放电历史选择最佳充电方式，以尽可能延长电池的寿命。世界各大汽车制造商的研究机构都在进行电动汽车车载电池能量管理系统的研究与开发。电动汽车电池当前存有多少电能，还能行驶多少公里，是电动汽车行驶中必须知道的重要参数，也是电动汽车能量管理系统应该完成的重要功能。应用电动汽车车载能量管理系统，可以更加准确地设计电动汽车的电能储存系统，确定一个最佳的能量存储及管理
22、结构，并且可以提高电动汽车本身的性能。在电动汽车上实现能量管理的难点，在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。3.5 纯电动汽车动力系统传动比优化设计在对电动汽车的传动比进行设计时, 必须考虑动力性能,然而, 只考虑动力性能是远远不够的, 必须兼顾能耗经济性。车辆的动力性能和能耗指标是相互矛盾的, 为了增加动力性能, 要求车辆具有更大的后备功率, 但后备功率大, 必然降低动力系统的负荷率, 从而使能耗经济性变差, 因此不能片面追求动力性能或能耗经济性, 必须取得车辆动力性能和能耗经济性之间的优化。因此传动比的设计就
23、转化为双目标函数的优化问题, 在寻求两者之间的优化时, 采用的方法不同可能会给优化结果带来很大的差异。图1 整体思路4 总结我国发展电动汽车产业一直高度重视对研发的支持，产生了大量创新成果，缩短了与发达国家的技术差距，但由于在传统燃油汽车部分关键核心技术上的差距并未缩小，电动汽车技术源的自给能力仍较弱，国内电动汽车技术的水平不高，仍受国外制约。电动汽车的关键技术问题主要在充电时间、行驶里程及车辆动力性任然需要突破，这样才能受到市场的认可。 参考文献1 黄康，罗时帅，王富雷。纯电动汽车动力系统传动比优化设计.2 马骊歌，王俊喜。电动汽车是中国汽车行业的发展方向.3 视野。电动汽车市场上的“三国演义”.4 信息报道。我国电动汽车发展形势展望.5 李哲，卢兰光，欧阳明高。纯电动汽车市场化的成本障碍与产业发展对策.6 武汉理工大学。纯电动汽车动力电池特性及应用研究.7 Bratberg J and Frisk K. Battery electric vehicle.8 维基百科.
