現(xiàn)代電動(dòng)汽車發(fā)展及技術(shù)

1、現(xiàn)代電動(dòng)汽車發(fā)展及技術(shù)【摘要】純電動(dòng)汽車，它是完全由可充電電池提供動(dòng)力源的汽車。雖然它已有134年的悠久歷史，但一直僅限于某些特定范圍內(nèi)的應(yīng)用，市場(chǎng)較小。電動(dòng)汽車的技術(shù)核心主要有電池技術(shù)，電力驅(qū)動(dòng)及其控制系統(tǒng)，電動(dòng)汽車整車技術(shù)，能量管理計(jì)術(shù)等。現(xiàn)代電動(dòng)汽車發(fā)展速度越來越快，通過對(duì)電動(dòng)汽車各主要技術(shù)國家的發(fā)展對(duì)比，了解發(fā)展?fàn)顩r及其關(guān)鍵技術(shù)。【關(guān)鍵詞】發(fā)展現(xiàn)狀；電動(dòng)汽車；電動(dòng)汽車核心技術(shù)；傳動(dòng)比Abstract: Electric vehicles, it is provided by a rechargeable battery power source car. Although it has

2、 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 development of moder

3、n 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 背景及發(fā)展1.1 背景環(huán)境在全球能源和環(huán)境問題的嚴(yán)峻形勢(shì)下, 汽車工業(yè)正面臨巨大挑戰(zhàn), 節(jié)能與減排的技術(shù)變革迫在眉睫。目前,

4、 節(jié)能與新能源汽車已經(jīng)成為國家科技發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn), 其中, 電動(dòng)汽車作為主要技術(shù)方案之一倍受矚目。目前人們所說的電動(dòng)汽車多是指純電動(dòng)汽車，即是一種采用單一蓄電池作為儲(chǔ)能動(dòng)力源的汽車。它利用蓄電池作為儲(chǔ)能動(dòng)力源，通過電池向電機(jī)提供電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。由于對(duì)環(huán)境影響相對(duì)傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好，但當(dāng)前技術(shù)尚不成熟。從外形上看，電動(dòng)汽車與日常見到的汽車并沒有什么區(qū)別，區(qū)別主要在于動(dòng)力源及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。即純電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，蓄電池相當(dāng)于原來的油箱。1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及前景知名戰(zhàn)略咨詢機(jī)構(gòu)貝恩公司發(fā)布的調(diào)研報(bào)告稱：未來

5、幾年，全球電動(dòng)汽車有望達(dá)到150萬輛，其中中國將以20萬輛的份額占據(jù)全球最大的潛在市場(chǎng)。該報(bào)告還將購買電動(dòng)汽車的消費(fèi)者大致分為四類，分別為：樂于接受新技術(shù)的“高端消費(fèi)者”、注重環(huán)保的“綠色先行者”、預(yù)算有限的“價(jià)格敏感者”和盡量規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的“觀望跟風(fēng)者”。 大有誰掌握了“電動(dòng)車”市場(chǎng)誰就掌握了未來世界經(jīng)濟(jì)引擎的意味。據(jù)媒體報(bào)道：中日韓三國都正在為其未來的經(jīng)濟(jì)支柱電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)暗自較勁。其中日本占據(jù)電池和核心控制系統(tǒng)上的優(yōu)勢(shì)，擁有最大汽車市場(chǎng)的中國則占據(jù)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，而韓國的優(yōu)勢(shì)在核心配件電池上。有專家戲稱，如果將占技術(shù)優(yōu)勢(shì)的日本比之于魏，占市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)的中國比之于吳，那韓國自然當(dāng)比西蜀，從整體上看，韓國電動(dòng)

6、車產(chǎn)業(yè)在三足鼎立中略顯羸弱。1.2.1 技術(shù)強(qiáng)國日本最近，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省公布了“新一代汽車戰(zhàn)略”，日本政府將電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車等定義為“新一代汽車”，并將該戰(zhàn)略納入日本的國家新一輪經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，日本政府為汽車業(yè)設(shè)定的總體戰(zhàn)略目標(biāo)是“使日本發(fā)展成為新一代汽車的研發(fā)中心”。2009年底，日本三菱汽車就開始生產(chǎn)世界首個(gè)批量生產(chǎn)的高速電動(dòng)車“i-MiEV”。該車充一次電可以行駛130公里，最高時(shí)速為130公里。最近，美、日、歐投放市場(chǎng)的日產(chǎn)Leaf充一次電可以最高行駛200公里，時(shí)速可以達(dá)到145公里。這是將電動(dòng)車提升到了同汽油車一樣的水平。日產(chǎn)計(jì)劃擴(kuò)大電動(dòng)車的普及率，到2015年每年生產(chǎn)25萬臺(tái)

7、。豐田、本田也將在明年下半年進(jìn)入電動(dòng)車市場(chǎng)。他們是在使用混合動(dòng)力技術(shù)的插電式電動(dòng)車領(lǐng)域走在前列的企業(yè)。1.2.2 市場(chǎng)大國中國無疑，中國最大的武器就是廣闊的市場(chǎng)。美國市場(chǎng)調(diào)查企業(yè)JD Power認(rèn)為，10年后中國市場(chǎng)將消化全世界電動(dòng)10%左右的產(chǎn)量。中國本土企業(yè)比亞迪（BYD）將引領(lǐng)中國電動(dòng)車市場(chǎng)。比亞迪進(jìn)軍美國主打的品牌就是新能源車。吉利汽車自收購沃爾沃之后，針對(duì)可以期待的電動(dòng)汽車市場(chǎng)，目前正在尋求與富士康聯(lián)手展開新能源以及汽車電子方面的合作。在中國，發(fā)達(dá)國家汽車企業(yè)的競爭也非常激烈。通用（GM）即將把Chevrolet Vol投入市場(chǎng)，計(jì)劃在明年上半年在中國上海進(jìn)行生產(chǎn)。日產(chǎn)也在研討在中國

8、建設(shè)電動(dòng)車生產(chǎn)設(shè)施的方案。中國政府計(jì)劃通過像這樣同國際企業(yè)合作來引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，一口氣趕上韓國和日本。有人說中國的比亞迪等已經(jīng)在電池等部分領(lǐng)域擁有了同韓國不相上下的技術(shù)能力，或者說是已經(jīng)超過了韓國?！笆濉逼陂g純電驅(qū)動(dòng)汽車銷量達(dá)到同類車型總銷量1%左右的目標(biāo)。規(guī)劃指出，電器化程度比較高的“純電驅(qū)動(dòng)”電動(dòng)汽車是中國新能源汽車技術(shù)的發(fā)展方向和重中之重。到2015年，在整車、關(guān)鍵零部件、公共平臺(tái)等29個(gè)技術(shù)創(chuàng)新方向上實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，全面掌握核心技術(shù)，預(yù)期申請(qǐng)電動(dòng)汽車核心技術(shù)專利達(dá)3000項(xiàng)以上，在30個(gè)以上城市進(jìn)行規(guī)?；痉锻茝V，在5個(gè)以上城市進(jìn)行新型商業(yè)化模式試點(diǎn)應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、

9、尤其是純電驅(qū)動(dòng)汽車銷量達(dá)到同類車型總銷量1%左右的重要門檻提供科技支撐。據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)，2015年我國轎車年銷量約為1200萬輛，純電動(dòng)汽車銷量占比1%，即為12萬輛。1.2.3 困境中的韓國Eugene證券分析師樸尚源表示：如果把日本的電動(dòng)車技術(shù)設(shè)定為100，除電池之外韓國的技術(shù)就是80以下。韓國的優(yōu)勢(shì)是電池技術(shù)和銷路。電池是占電動(dòng)車價(jià)格30%以上的核心部件。LG化學(xué)不僅僅同現(xiàn)代汽車，而且還同CT&美國的通用、福特、Eaton以及歐洲的雷諾、沃爾沃和中國的長安汽車簽訂了長期供貨合同。預(yù)計(jì)此公司僅憑汽車充電電池在明年就可以實(shí)現(xiàn)3 000億韓元的銷售額，在2015年實(shí)現(xiàn)3萬億韓元的銷售額。

10、三星SDI和德國博世的合資公司SB limotive的戰(zhàn)略是集中給BMW、奔馳、大眾汽車等歐洲企業(yè)供貨，以此超過LG化學(xué)。SK能源也在獲得了現(xiàn)代·起亞的電動(dòng)車合同之后將目光放到了海外企業(yè)身上。另外一方面，韓國的弱點(diǎn)是政府沒能解決電動(dòng)車補(bǔ)助金的問題。只是說從明年開始公共機(jī)構(gòu)在購買電動(dòng)車時(shí)會(huì)得到同同等汽油車差價(jià)的50%的補(bǔ)助，最高補(bǔ)助金額為2 000萬韓元。因此完成了電動(dòng)車開發(fā)的雷諾三星推遲了生產(chǎn)。雷諾三星相關(guān)人士表示：要想使電動(dòng)車得到普及，補(bǔ)助金是必須的。如果沒有補(bǔ)助金，量產(chǎn)電動(dòng)車的價(jià)格每臺(tái)將超過4 000萬韓元，毫無競爭力可言。1.3 電動(dòng)車市場(chǎng)的明日之戰(zhàn)在整個(gè)電動(dòng)車開發(fā)的蛋糕上，分

11、羹搶食的絕非僅僅上述三國。美國、歐洲等老牌“帝國主義”國家以及“印度”“巴西”等新興經(jīng)濟(jì)體也將以更加積極的姿態(tài)來參與競爭。無疑，日本是其中的佼佼者，他依靠原有汽車技術(shù)強(qiáng)國的地位，依靠政府、企業(yè)的重視，將在未來的競爭中占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。2 電動(dòng)汽車特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)2.1 無污染、噪聲小電動(dòng)汽車無內(nèi)燃機(jī)汽車工作時(shí)產(chǎn)生的廢氣，不產(chǎn)生排氣污染，對(duì)環(huán)境保護(hù)和空氣的潔凈是十分有益的，幾乎是“零污染”。眾所周知，內(nèi)燃機(jī)汽車廢氣中的CO、HC及NOX、微粒、臭氣等污染物形成酸雨酸霧及光化學(xué)煙霧。電動(dòng)汽車無內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的噪聲，電動(dòng)機(jī)的噪聲也較內(nèi)燃機(jī)小。噪聲對(duì)人的聽覺、神經(jīng)、心血管、消化、內(nèi)分泌、免疫系統(tǒng)也是有危害的。2.2

12、 結(jié)構(gòu)簡單、維修方便電動(dòng)汽車較內(nèi)燃機(jī)汽車結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)、傳動(dòng)部件少，維修保養(yǎng)工作量小。當(dāng)采用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，電機(jī)無需保養(yǎng)維護(hù)，更重要的是電動(dòng)汽車易操縱。2.3 能量轉(zhuǎn)換效率高電動(dòng)汽車的研究表明，其能源效率已超過汽油機(jī)汽車。特別是在城市運(yùn)行，汽車走走停停，行駛速度不高，電動(dòng)汽車更加適宜。電動(dòng)汽車停止時(shí)不消耗電量，在制動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)減速時(shí)能量的再利用。有些研究表明，同樣的原油經(jīng)過粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅(qū)動(dòng)汽車，其能量利用效率比經(jīng)過精煉變?yōu)槠?，再?jīng)汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車高，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量。2.4 平抑電網(wǎng)的峰谷差可在夜間利用電網(wǎng)的廉

13、價(jià)“谷電”進(jìn)行充電，起到平抑電網(wǎng)的峰谷差的作用。電動(dòng)汽車的應(yīng)用可有效地減少對(duì)石油資源的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面。向蓄電池充電的電力可以由煤炭、天然氣、水力、核能、太陽能、風(fēng)力、潮汐等能源轉(zhuǎn)化。除此之外，如果夜間向蓄電池充電，還可以避開用電高峰，有利于電網(wǎng)均衡負(fù)荷，減少費(fèi)用。3 純電動(dòng)汽車核心技術(shù) 發(fā)展電動(dòng)汽車必須解決好4個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：電池技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)、電動(dòng)汽車整車技術(shù)以及能量管理技術(shù)。 3.1 電池技術(shù)電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉，也是一直制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車用電池的主要性能指標(biāo)是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循環(huán)壽命(L)和成本(C)

14、等。要使電動(dòng)汽車能與燃油汽車相競爭，關(guān)鍵就是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。電池性能決定了純電動(dòng)車的最大行程、充電時(shí)間。電池成本占了整體成本相當(dāng)大的比重，制造電池的排碳量也占了整個(gè)使用周期排碳量相當(dāng)大部份(43%)。所以電池是純電動(dòng)車發(fā)展的最重要的技術(shù)關(guān)鍵。 到目前為止，電動(dòng)汽車用電池經(jīng)過了3代的發(fā)展，已取得了突破性的進(jìn)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(jià)格低和能高倍率放電，因此是目前惟一能大批量生產(chǎn)的電動(dòng)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

15、/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(dòng)汽車的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程，但其價(jià)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(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能量轉(zhuǎn)變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應(yīng)過程，能量轉(zhuǎn)化過程可以連續(xù)進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)還有待突破問。動(dòng)力電池技術(shù)是電動(dòng)汽車的核心技術(shù)之一，動(dòng)力電池性能的好壞與發(fā)展電動(dòng)汽車的前景息息相關(guān)?；仡欕妱?dòng)汽車百年歷史，電動(dòng)汽車在汽車發(fā)展史中前兩次機(jī)遇都沒有得到發(fā)展，總結(jié)起來存在以下幾點(diǎn)原因:1、續(xù)駛里程:大多數(shù)鉛酸電池電動(dòng)汽車一次充電只能行駛100km，鋰離子電

16、池電動(dòng)汽車接近200km，不適合長途行駛，而傳統(tǒng)汽油車輛最大行駛距離可超400km。2、充電時(shí)間:電動(dòng)汽車慢充充電時(shí)間長達(dá)6小時(shí)，即使是采用“快速充電”到動(dòng)力電池80%容量的方式，也需要0.5h，這樣大大降低了汽車即充即用的實(shí)用性能，而汽油車輛一次加油時(shí)間不過幾分鐘。3、電池成本:電池價(jià)格昂貴，目前動(dòng)力鋰電池的價(jià)格約在5元/瓦時(shí)，通過計(jì)算，一輛電動(dòng)轎車，動(dòng)力電池成本約為10萬元，而且動(dòng)力電池的循環(huán)使用壽命在1500次左右，按照充電一次行駛150km，根據(jù)介統(tǒng)計(jì)，北京平均每輛汽車一年行駛是47000公里，這樣計(jì)算得到電池的使用壽命不到5年時(shí)間，若使用不當(dāng)壽命還會(huì)降低，按汽車10年報(bào)廢來算，中途需

17、要更換一次動(dòng)力電池。4、比容量或比能量:目前廣泛使用的鋰離子電池比容量在100Ah/g，這只是計(jì)算單體電池電芯的重量得來，若加上單體外包裝、電極、電池箱體、導(dǎo)線、電池管理系統(tǒng)等，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，其實(shí)際比容量只有20Ah/kg左右。一輛單體電池額定容量為60Ah，總電壓為380V的電動(dòng)轎車，動(dòng)力電池的重量為300kg左右，給整車帶來的額外負(fù)擔(dān)是嚴(yán)重的，而且還占用了相當(dāng)大的車輛空間，導(dǎo)致整車布置困難。3.2 電力驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù) 電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，要使電動(dòng)汽車有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量小、效率高且有動(dòng)態(tài)制動(dòng)強(qiáng)和能量回饋等特性。目前

18、，電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)(DCM)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM)、永磁無刷電動(dòng)機(jī)(PMBLM)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)4類。近幾年來，由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車幾乎都采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。由于直接轉(zhuǎn)矩的控制手段直接、結(jié)構(gòu)簡單、控制性能優(yōu)良和動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，因此非常適合電動(dòng)汽車的控制。美國以及歐洲研制的電動(dòng)汽車多采用這種電動(dòng)機(jī)。永磁無刷電動(dòng)機(jī)可以分為由方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(BLDCM)和由正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(PMSM)，它們都具有較高的功率密度，其控制方式與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，因此在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。PMSM類電機(jī)具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性低、響

19、應(yīng)快，非常適應(yīng)于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有極好的應(yīng)用前景。目前，由日本研制的電動(dòng)汽車主要采用這種電動(dòng)機(jī)。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)具有簡單可靠、可在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、控制靈活、可四象限運(yùn)行、響應(yīng)速度快和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)SRM存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、需要位置檢測(cè)器等缺點(diǎn)，應(yīng)用受到了限制。隨著電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化。變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、專家控制、遺傳算法等非線性智能控制技術(shù)，都將各自或結(jié)合應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。3.3 電動(dòng)汽車整車技術(shù)電動(dòng)汽車是高科技綜合性產(chǎn)品，除電池、電動(dòng)機(jī)外，車體本身也包含很多高新技術(shù)，有些節(jié)能措施

20、比提高電池儲(chǔ)能能力還易于實(shí)現(xiàn)。采用輕質(zhì)材料如鎂、鋁、優(yōu)質(zhì)鋼材及復(fù)合材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可使汽車自身質(zhì)量減輕30%-50%；實(shí)現(xiàn)制動(dòng)、下坡和怠速時(shí)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(dòng)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%。3.4 能量管理技術(shù)蓄電池是電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能動(dòng)力源。電動(dòng)汽車要獲得非常好的動(dòng)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(dòng)力源。而要使電動(dòng)汽車具有良好的工作性能，就必須對(duì)蓄電池進(jìn)行系統(tǒng)管理。能量管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的智能核心。一輛設(shè)計(jì)優(yōu)良的電動(dòng)汽車，除了有良好的機(jī)械性能、電驅(qū)動(dòng)性能、選擇適當(dāng)?shù)哪芰吭?即

21、電池)外，還應(yīng)該有一套協(xié)調(diào)各個(gè)功能部分工作的能量管理系統(tǒng)，它的作用是檢測(cè)單個(gè)電池或電池組的荷電狀態(tài)，并根據(jù)各種傳感信息，包括力、加減速命令、行駛路況、蓄電池工況、環(huán)境溫度等，合理地調(diào)配和使用有限的車載能量；它還能夠根據(jù)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(jī)構(gòu)都在進(jìn)行電動(dòng)汽車車載電池能量管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)。電動(dòng)汽車電池當(dāng)前存有多少電能，還能行駛多少公里，是電動(dòng)汽車行駛中必須知道的重要參數(shù)，也是電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)應(yīng)該完成的重要功能。應(yīng)用電動(dòng)汽車車載能量管理系統(tǒng)，可以更加準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車的電能儲(chǔ)存系統(tǒng)，確定一個(gè)最佳的能量存儲(chǔ)及管理結(jié)構(gòu)，并且可以提高電動(dòng)汽車本身的性能。在電動(dòng)汽車上實(shí)現(xiàn)能量管理的難點(diǎn)，在于如