純電動汽車的發展現狀面臨問題與核心技術知識

純電動汽車的發展現狀面臨問題與核心技術

目前人們所說的電動汽車多是指純電動汽車，即是一種采用單一蓄電池作為儲能動力源的汽車。它利用蓄電池作為儲能動力源，通過電池向電機提供電能，驅動電動機運轉，從而推動汽車前進。從外形上看，電動汽車與常見到的汽車并沒有什么區別，區別主要在于動力源及其驅動系統。即純電動汽車的電動機相當于傳統汽車的發動機，蓄電池相當于原來的油箱。

電動汽車是針對內燃機車輛提出來的概念。謂之“電動”，是因為它的能源是蓄電池而不是汽油（或柴油）等石油產品。純電動汽車是指以車載電源為動力，用電 機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各項要求的車輛。一般采用高效率充電電池，或燃料電池為動力源。電動汽車無需再用內燃機，因此，電動汽車的電動機相當于傳統汽車的發動機，蓄電池相當于原來的油箱，由于電能是二次能源，可以來源于風能、水能、熱能、太陽能等多種方式。

純電動汽車-結構

電動汽車由底盤、車身、蓄電池組、電動機、控制器和輔助設施蓄電池六部分組成。由于電動機具有良好的牽引特性，因此蓄電池汽車的傳動系統不需要離合器和變速器。車速控制由控制器通過調速系統改變電動機的轉速即可實現。

純電動汽車-原理

純電動汽車，顧名思義，是由蓄電池的能量使電機驅動車輪前進；燃料電池區別于純電動汽車，由常見的氫燃料電池不斷的產生電能，并儲存在蓄電池中，依然由電機驅動車輪。混合動力汽車是為解決純電動汽車續駛里程短而提出的一種折中方案。它既有發動機，又有電機，可單獨由電機驅動或發動機參與電機驅動。系統的復雜性增加，但是改善了發動機的工作狀況而具有很高的燃油利用率，通常也把它歸入電動汽車。

純電動汽車-分類

就開發的電動汽車來講，可分三類：純電動汽車（Pure EV）、混合動力電動汽車（Hybrid Electric Vehicle：HEV）和燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle：FCV）。

純電動汽車-優點

電動汽車的優點是：它本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量 換算為發電廠的排放，除硫和微粒外，其它污染物也顯著減少，由于電廠大多建于遠離人口密集的城市，對人類傷害較少，而且電廠是固定不動的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關技術。由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力等，解除人們對石油資源見枯竭的擔心。電動汽車還可以充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電，使發電設備夜都能充分利用，大大提高其經濟效益。

有些研究表明，同樣的原油經過粗煉，送至電廠發電，經充入電池，再由電池驅動汽車，其能量利用效率比經過精煉變為汽油，再經汽油機驅動汽車高，因此有利于節約能源和減少二氧化碳的排量，正是這些優點，使電動汽車的研究和應用成為汽車工業的一個"熱點"。

純電動汽車-應用

純電動汽車是完全由二次電池( 如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池等) 提供動力的汽車。目前純電動轎車和純電動客車均已通過國家質檢中心的型式認證試驗, 各項指標均滿足有關國家標準和企業標準的規定。天津清源電動車輛有限公司、深圳雷天公司等單位研發的純電動轎車, 其整車的動力性、經濟性、續駛里程、噪聲等指標已達到甚至超過國外同級別車型, 初步形成了關鍵技術的研發能力。目前, 進行純電動汽車示范運行的城市有若干個, 但是規模都比較小。2005 1 , 天津市的22 輛轎車和1 輛公共汽車的示范運行通過了國家驗收。同12 , 武漢市進行的95 輛純電動小型公共汽車( 另有20 輛混合動力公共汽車和3 輛混合動力轎車) 的3 示范運行也通過了國家驗收。因為純電動汽車受到續駛能力的約束, 純電動汽車試驗主要集中在小型公共汽車上。根據“中國電動汽車網”報道, 2006 1 , 湖南省株洲市有50 臺小型電動汽車進行社區內運行, 該市有若干輛電動公共汽車也在運行中。同4 , 浙江省杭州市啟動了電動汽車示范項目, 6 輛轎車和5 輛公共汽車在市內進行示范運行。

純電動汽車-面臨的問題

動汽車的困難是目前蓄電池單位重量儲存的能量太少，還因電動車的電池較貴，又沒形成經濟規模，故購買價格較貴，至于使用成本，有些試用結果比汽車貴，有些結果僅為汽車的1／3，這主要取決于電池的壽命及當地的油、電價格。

純電動汽車-現狀

1、發達國家與主要汽車集團的電動汽車現狀

國外著名汽車公司都十分重視研究開發電動汽車, 世界發達國家不惜投入巨資進行研究開發, 并制定了一些相關的政策、法規來推動電動汽車的發展。

美國目前正在大力研制和推廣使用燃料電池電動汽車和純電動汽車, 政府能源部與通用、福特和戴- 克三大汽車制造商聯合開發燃料電池電動汽車。現在, 美國已有7 個州加入了零排放計劃, 到規定限后這些地區銷售的汽車必須為零排放, 即只能為純電動汽車和燃料電池電動汽車。

以美國藍鳥客車公司、英國的FRZAERNASH公司、本豐田、本本田為代表的電動客車和轎車已經上市, 英國已有數萬輛電動汽車在使用;

法國是世界上推廣應用純電動汽車最成功的國家之一, 成立了電動汽車推廣應用國家部際協調委員會,巴黎和拉羅舍爾已經建立了比較完善的純電動汽車充電站網基礎設施, 制定了優惠的支持和激勵使用電動汽車的政策, 且已經初步形成了純電動汽車運行體系。

在近的國際性大型運動會上, 電動汽車也成為各國展示其科技實力和環保意識的工具之一。亞特蘭大奧運會使用了美國藍鳥客車公司生產的純電動客車作為公務和電視轉播車, 悉尼奧運會購買了英國FRAZER- NASH 公司的近400 輛電動客車作為運動員接送車輛。混合動力電動汽車領域,

本豐田公司開發的Prius 和本田公司開發的Insight2 種混合動力電動汽車已開始批量投放市場。豐田公司的Prius 銷售已在2006 累計突破150 萬輛, 并于2005 底在我國長春一汽進行了組裝生產和銷售。產公司也于2003 推出Tino 混合動力汽車, 在本國內市場上銷售了100 多輛。

歐洲各大汽車廠商爭先恐后地推出了本公司研制的混合動力電動汽車, 甚至德國的博世(BOSCH) 等著名的零部件公司也積極與大汽車公司聯手開發混合動力電動汽車技術。美國已有近20 個城市試驗使用混合動力電動公交車,瑞典、法國、德國、意大利、比利時等國計劃在9 個歐洲城市開通混合動力電動公共汽車線路。燃料電池電動汽車斬露頭角, 國外企業界紛紛組成強大的跨國聯盟, 以期達到優勢互補的目的。如本豐田與美國通用公司, 本東芝公司與美國國際燃料電池公司, 德國BMW公司與西門子公司, 雷諾汽車公司與意大利De Nora 公司分別組成聯盟開發燃料電池電動汽車; 本也已投資數億美元開發燃料電池電動汽車。其中, 以加拿大的巴拉德、美國的福特、德國的戴姆勒- 克萊斯勒聯(XCELLSIS)最具代表性, 該聯盟投資10億加元開發生產電動汽車用燃料電池動力系統。在燃料電池電動汽車的研發熱潮中, 幾乎所有的國外大型企業集團全部介入, 投入的總額超過百億美元。但是, 由于燃料電池的成本和壽命問題, 使得這一項目目前進展緩慢。在燃料電池電動汽車的示范運行方面, 世界各國也都不約而同地把注意力集中在大客車上, 如歐盟的CUTE 示范項目、UNDP/GEF 燃料電池商業化示范項目、美國加州的CAHFC 示范項目和本的JHFC計劃等。與此同時, 部分國家政府為促進電動汽車的發展, 通過財稅手段調整汽車發展結構。像美、等國政府對于電動車產品給予10%的鼓勵性補貼, 荷蘭政府的補貼更是高達30%。并對傳統汽車開征燃料稅, 如歐洲部分國家燃料稅高達200~300%,最低的美國也有34%。

2、中國電動汽車現狀

中國電動汽車雖然沒有歐美等國家起步早, 但國家從維護能源安全, 改善大氣環境, 提高汽車工業競爭力, 實現我國汽車工業的跨越式發展的戰略高度考慮, 從“八五”開始到現在, 電動汽車研究一直是國家計劃項目, 并在2001 設立了“電動汽車重大科技專項”。通過組織企業、高等院校和科研機構, 集中各方面力量進行聯合攻關, 現正處于研發勢頭強勁階段, 部分技術已經趕上甚至超過世界先進水平。“電動汽車重大科技專項”實施以來, 已成功開發出燃料電池汽車樣車, 累計運行數千公里; 混合動力客車已在武漢等地公交線路上試驗運行超過百萬公里; 純電動汽車已通過國家有關認證試驗。

純電動汽車-發展

電池是電動汽車發展的首要關鍵，汽車動力電池難在 “低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”等三個要求上。要想在較大范圍內應用電動汽車，要依靠先進的蓄電池經過10多的篩選，現在普遍看好的氫鎳電池，鐵電池，鋰離子和鋰聚合物電池。氫鎳電池單位重量儲存能量比鉛酸電池多一倍，其它性能也都優于鉛酸電池。但目前價格為鉛酸電池的4-5倍，正在大力攻關讓它降下來。鐵電池采用的是資源豐富、價格低廉的鐵元素材料，成本得到大幅度降低，也有廠家采用。鋰是最輕、化學特性十分活潑的金屬，鋰離子電池單位重量儲能為鉛酸電池的3倍，鋰聚合物電池為4倍，而且鋰資源較豐富，價格也不很貴，是很有希望的電池。中國在鎳氫電池和鋰離子電池的產業化開發方面均取得了快速的發展。電動汽車其他有關的技術，近都有巨大的進步，如：交流感應電機及其控制，稀土永磁無刷電機及其控制，電池和整車能量管理系統，智能及快速充電技術，低阻力輪胎，輕量和低風阻車身，制動能量回收等等，這些技術的進步使電動汽車見完善和走向實用化。我國大城市的大氣污染已不能忽視，汽車排放是主要污染源之一，中國已有10個城市被列入全球大氣污染最嚴重的20個城市之中。中國現今人均汽車是每1000人平均10輛汽車，但石油資源不足，每已進口幾千萬噸石油，隨著經濟的發展，假如中國人均汽車持有量達到現在全球水平---每1000人有110輛汽車，中國汽車持有量將成10倍地增加，石油進口就成為大問題。因此在中國研究發展電動汽車不是一個臨時的短期措施，而是意義重大的、長遠的戰略考慮。

經歷了長期發展，純電動汽車技術逐步成熟，并在美、、歐等國家得到商業化的推廣應用。目前世界上有近4萬輛純電動汽車在運行，其中法國8000輛，美國7000輛，在本7400輛。主要用在公共運輸系統。

純電動汽車-核心技術

發展電動汽車必須解決好4個方面的關鍵技術：電池技術、電機驅動及其控制技術、電動汽車整車技術以及能量管理技術。

1、電池技術

電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發展的關鍵因素。電動汽車用電池的主要性能指標是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循環壽命(L)和成本(C)等。要使電動汽車能與燃油汽車相競爭，關鍵就是要開發出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。

到目前為止，電動汽車用電池經過了3代的發展，已取得了突破性的進展。第1代是鉛酸電池，目前主要是閥控鉛酸電池(VRLA)，由于其比能量較高、價格低和能高倍率放電，因此是目前惟一能大批量生產的電動汽車用電池。第2代是堿性電池，主要有鎳鎘(NJ-Cd)、鎳氫(Ni-MH)、鈉硫(Na/S)、鋰離子(Li-ion)和鋅空氣(Zn/Air)等多種電池，其比能量和比功率都比鉛酸電池高，因此大大提高了電動汽車的動力性能和續駛里程，但其價格卻比鉛酸電池高。第3代是以燃料電池為主的電池。燃料電池直接將燃料的化學能轉變為電能，能量轉變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應過程，能量轉化過程可以連續進行，因此是理想的汽車用電池，但目前還處于研制階段，一些關鍵技術還有待突破問。

2、 電力驅動及其控制技術

電動機與驅動系統是電動汽車的關鍵部件，要使電動汽車有良好的使用性能，驅動電機應具有調速范圍寬、轉速高、啟動轉矩大、體積小、質量小、效率高且有動態制動強和能量回饋等特性。目前，電動汽車用電動機主要有直流電動機(DCM)、感應電動機(IM)、永磁無刷電動機(PMBLM)和開關磁阻電動機(SRM)4類。

近幾來，由感應電動機驅動的電動汽車幾乎都采用矢量控制和直接轉矩控制。由于直接轉矩的控制手段直接、結構簡單、控制性能優良和動態響應迅速，因此非常適合電動汽車的控制。美國以及歐洲研制的電動汽車多采用這種電動機。永磁無刷電動機可以分為由方波驅動的無刷直流電動機系統(BLDCM)和由正弦波驅動的無刷直流電動機系統(PMSM)，它們都具有較高的功率密度，其控制方式與感應電動機基本相同，因此在電動汽車上得到了廣泛的應用。PMSM類電機具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性低、響應快，非常適應于電動汽車的驅動系統，有極好的應用前景。目前，由本研制的電動汽車主要采用這種電動機。

開關磁阻電動機(SRM)具有簡單可靠、可在較寬轉速和轉矩范圍內高效運行、控制靈活、可四象限運行、響應速度快和成本較低等優點。實際應用發現SRM存在轉矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器等缺點，應用受到了限制。

隨著電動機及驅動系統的發展，控制系統趨于智能化和數字化。變結構控制、模糊控制、神經網絡、自適應控制、專家控制、遺傳算法等非線性智能控制技術，都將各自或結合應用于電動汽車的電動機控制系統。

3、 電動汽車整車技術

電動汽車是高科技綜合性產品，除電池、電動機外，車體本身也包含很多高新技術，有些節能措施比提高電池儲能能力還易于實現。采用輕質材料如鎂、鋁、優質鋼材及復合材料，優化結構，可使汽車自身質量減輕30%-50%；實現制動、下坡和怠速時的能量回收；采用高彈滯材料制成的高氣壓子午線輪胎，可使汽車的滾動阻力減少50%；汽車車身特別是汽車底部更加流線型化，可使汽車的空氣阻力減少50%。

4、 能量管理技術

蓄電池是電動汽車的儲能動力源。電動汽車要獲得非常好的動力特性，必須具有比能量高、使用壽命長、比功率大的蓄電池作為動力源。而要使電動汽車具有良好的工作性能，就必須對蓄電池進行系統管理。

能量管理系統是電動汽車的智能核心。一輛設計優良的電動汽車，除了有良好的機械性能、電驅動性能、選擇適當的能量源(即電池)外，還應該有一套協調各個功能部分工作的能量管理系統，它的作用是檢測單個電池或電池組的荷電狀態，并根據各種傳感信息，包括力、加減速命令、行駛路況、蓄電池工況、環境溫度等，合理地調配和使用有限的車載能量；它還能夠根據電池組的使用情況和充放電歷史選擇最佳充電方式，以盡可能延長電池的壽命。

世界各大汽車制造商的研究機構都在進行電動汽車車載電池能量管理系統的研究與開發。電動汽車電池當前存有多少電能，還能行駛多少公里，是電動汽車行駛中必須知道的重要參數，也是電動汽車能量管理系統應該完成的重要功能。應用電動汽車車載能量管理系統，可以更加準確地設計電動汽車的電能儲存系統，確定一個最佳的能量存儲及管理結構，并且可以提高電動汽車本身的性能。

在電動汽車上實現能量管理的難點，在于如何根據所采集的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數據，來建立一個確定每塊電池還剩余多少能量的較精確的數學模型。

純電動汽車-研發歷史

一百多來，電動汽車在汽車發展史中經歷了三次重大機遇：

第一次發生在一百余前。由于當時電池和電機的發展較內燃機成熟，而且石油的運用還沒有普及，使電動汽車在早期的汽車領域中占有舉足輕重的位置。第一輛電動汽車（3輪）由法國人古斯塔夫?土維（Gustave Trouve）在1881制造出來，此后三四十間，電動汽車在當時的汽車發展中占據著重要位置。例如，世界上首輛車速超過100公里／小時的汽車就是電動汽車。那是在1899，由比利時工程師卡米樂?熱納茨（Camille Jenatzy）設計的名為“從不滿意”（La Jamais Contente）的鋁制車身汽車，現在保存在法國貢批尼（Compiegne）博物館中。據統計，到1890在全世界4200輛汽車中，有38％為電動汽車，40％為蒸汽車，22％為內燃機汽車。到了1911，就已經有電動出租汽車在巴黎和倫敦的街頭上運營，到了1912在美國更有至少3.4萬輛電動汽車運行。

第二次是在70代石油危機的爆發時.由于石油的大量開采和內燃機的種種優越性，電動汽車漸漸被人們忽視。直到上世紀70代石油危機的爆發，給世界各國政界一次不小的打擊，開始考慮替代石油的其他能源，包括風能、太陽能、電能等可再生能源。因此從政治經濟方面考慮，才又給了電動汽車第二次機遇，又一次被人矚目。

第三次機遇開始于若干前，世界上除了已存在的能源問題之外，環境保護問題也逐漸成為了各個方面所關心重大課題，內燃機汽車的排放污染，給全球的環境以災難性的影響，因此開發生產零污染交通工具成為各國所追求的目標，電動汽車的無（低）污染優點，使其成為當代汽車發展的主要方向。