电动汽车发展状况及关键技术

电动汽车发展状况及关键技术
一、电动汽车的发展背景
能源的短缺和人们对生活质量的更高要求是电动车发展的主要原因。

汽车的能源消费占世界能源总消费的近四分之一。

随着世界经济的发展，汽车的保有数量在急剧增加，由此而引起的能源与环境问题就显得更加严重.
因石油危机的影响，发达国家领先进行节能技术的开发，将产业部门的能源消费停留在GNP(能源消费总量)的一半水平。

但是,以汽车为主的运输部门因其急速发展，能源的消费比其它部门大，占总能源消费的24%。

以传统的石油作为动力能源的汽车因其尾气中的有害物质如CO、HC和NOX等对人类及环境造成的危害，人类必将面临巨大的挑战。

经计算从全世界汽车排出的CO2为64亿标准炭吨。

在当今世界面临能源与环境的双重危机之前，势必要求汽车工业提高汽车的能源使用效率，减少污染物质的排出量。

但是,仅通过改善现有内燃机车的性能来解决这一问题是很困难的。

开发电动汽车（Electric Vehicle),以下简称（EV)是解决这一问题的有效途径之一。

二、电动汽车的特点
1、污染低
电动汽车由电力驱动，在行驶中不排放有害气体，即使电动汽车所消耗的电力由使用石油燃料的火力发电厂提供,但火力发电厂的大气污染物的排放量，也不到同类型汽油车的10％。

2、可使用多种能源
由于电动汽车使用二次电力能源，其不受石油资源的限制，可利用核能、水力、太阳能等,从而可节省日益枯竭的石油资源。

3、效率高电动汽车没有怠速损失，在制动时能回收能量，80%以上的电池能量可由电动机转为汽车的动力，即使考虑原油的发电效率、配送电效率、充放电效率等，其最终效率也比内燃机高。

4、噪声低
发动机性能是影响汽车的噪声、振动大小的重要因素，传统汽车和电动汽车相比,由动力部分引起的噪声和振动，特别是在加速时，电动机的噪声和振动要比发动机低得多。

5、更有利于智能化
由于电动汽车已达到电气化，所以电动汽车系统中更利于采用先进的电子信息技术,提高汽车智能化程度.电动汽车的电动机控制系统，可与各个电子控制系统包括无级变速、防抱死制动系统（ABS)、制动能量回收系统、安全气囊系统、自动空调系统等相协调，在电动汽车上实现计算机智能控制.
6、结构简单，使用维修方便
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。

7、能源效率高，多样化
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。

另一方面,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。

三、电动汽车的发展状况
电动汽车诞生于1873年,比内燃机汽车还早13年.但是受电池和驱动控制系统的局限,其发展远远落后于内燃机汽车。

上个世纪70年代,石油危机使主要工业国家认识到发展电动汽车的重要性，以美、日为代表的国家开始了电动汽车的开发热潮，并在许多关键技术的基础研究上取得成果。

电动汽车也由原来单一的全由电池供电的纯电动汽车BEV （Battery Electric Vehhicle)发展成为现在的三大类：纯电动汽车EV （Electric Vehhicle）、混合动力电动汽车HEV(Hybrid Electric Vehhicle）和燃料电池电动汽车FCEV（Fuel Cell Electric Vehhicle）。

纯电动汽车(BEV）由蓄电池供电，电机驱动行驶,可实现零排放，动力性、经济性、安全性和可靠性等达到或接近普通内燃汽车，续驶里程能满足一般运行要求，同时具有低噪声、易维修、可利用低谷电以节能等优点，是未来理想的交通运输工具。

纯电动汽车技术基本成熟，但在动力性能、续驶里程、制造成本和可靠性等方面还无法与内燃机汽车相比。

作为动力源的各类型蓄电池（主要镍镉型、铅酸型、镍锌型、锂型、钠镍型、钠硫型、镍氢型等）不同程度地存在着成本高、寿命短、比能量低、比功率小、体积和重量大、充电时间长等问题。

目前,还没有一种电池全面适合电动汽车，这使得蓄电池成为电动汽车发展和普及的瓶颈。

此外，必须解决的关键技术及配套装置还有电机及其控制系统、充电站等。

1、国外纯电动汽车技术进展
美、日及欧洲发达国家，纯电动汽车已开始进入实用化阶段。

其中，美国的通用EV—1 两座轿车、通用S-10 两座皮卡、福特Ranga两座皮卡，日本的丰田RA V—4 五座轿车、本田Plus四座轿车、日产Lunnet五座轿车、大发Hi-jet 微型面包，法国研制的标志-雪铁龙P106四座轿车等都投入了商业运行。

在2000年，日本公路上就已运行着1000多辆纯电动汽车,美国商业化运行的纯电动汽车己达到6000辆，欧共同体主要城市基本上都有试运行的电动公交车。

电动汽车的前景取决于电池技术的突破，近年来，镍氢、锂离子被相对看好，国外汽车公司投入大量资金进行研究，铅酸、镍镉等传统电池的改进工作也在进行。

美国纯电动汽车研究开发时间较长，投资力度较大。

早在1991年，美国3大汽车公司签定协议，成立先进电池联合体，合作研究电动汽车用电池。

90年代初期，通用汽车公司投入10亿美元开发EV-1型纯电动轿车,并发展到第二代通用EV-I。

该车采用高容量铅酸电池和镍氢电池,137马力、3相AC感应发动机驱动,电调节最高时速可达80公里/小时，一次充电里程75—130公里，完全充电时间5.5—6小时。

1996年通用公司在底特律新建电动汽车生产线，每天生产10辆,至1999年生产950辆纯电动汽车。

福特公司2002年推出全新的TH！NK都市车。

该车为前轮驱动，采用交流电电控动力系统和单速齿轮减速传动装置，另有一系列充电设备选件，其中110或220伏的插入式充电器为标准配置,220伏的充电器可在6—8小时之内完全充电.1992年克莱斯勒公司、美国电力研究院与南
加州爱迪生公司共同开发50辆电动货车。

日本政府一直很重视电动汽车的发展，很早就制定了电动汽车发展计划.1991年通产省制定了第三届电动汽车普及计划,用于推动电动汽车的普及与应用，日本各汽车制造商均开始了纯电动汽车的开发。

1997年后日本汽车制造商推出了装载镍氢、锂离子电池的第二代纯电动汽车。

90年代末,丰田公司研制出RA V-4 EV型纯电动轿车，其动力装置是一台免维护50kW交流同步电动机,由288V镍氢电池提供电能，充电时间5—6h，最高车速为125km/h，一次充电行驶距离215km.日产公司研制成功Lunnet EV五座纯电动轿车，该车采用锂离子电池，最高车速120 km/h，一次充电行驶230km。

RA V4 L EV 的主要特征：①世界首创将重量轻，使用耐久的大容量镍氢电池装备于上市汽车. ②采用永久磁铁式同步马达和能量回收式制动装置,延长了每次充电的行走距离. ③备有车载式充电机，除充电站以外,还可以用普通电源充电。

法国的标致-雪铁龙与雷诺两大汽车公司一直在积极研制电动汽车，1990年J—5和C—25电动货车投人生产，1995年建成世界第一条电动轿车专用生产线，1995年标致106和雪铁龙AX电动汽车投人生产。

标致106以镍镉电池为动力，经过十余年的发展，已经在欧洲各国，尤其是在政府部门当中，拥有大量的用户。

1990年意大利菲亚特汽车公司开始生产电动汽车，载质量为1330kg，车速为70km/h，行驶里程为100km。

2.国内纯电动汽车开发情况
国家科委、计委在"八五”、"九五”期间组织了纯电动汽车的攻关，现在又将纯电动汽车列入"十五"国家863计划电动汽车重大专项.国内大型汽车企业、高等院校、研究单位对纯电动汽车的研究也热情高涨，通过多轮试制，力争在”十五"结束时实现电动汽车的产业化。

”十五” 863专项中，承担电动大客车项目的有北方车辆厂和北京理工大学，将在尼奥普兰底盘上改装电机驱动大型客车;承担纯电动轿车研发的是上汽奇瑞和上海交通大学；另一团队是天津汽车和中国汽车工业研究中心。

”十五"目标是：解决关键技术，完成可实用的电动汽车的开发,并实现产业化。

主要研究内容：电动汽车的总体设计;先进的电池技术；电动机及控制驱动系统；整车监控与管理系统、使用环境与配套技术等。

目前在纯电动汽车的电池和电机研制方面，我国与世界先进水平差距较小，有些甚至处于领先地位.如深圳雷天绿色电动源(深圳）有限公司开发的锂离子电池续驶能力达到300公里，最高时速可达120公里，单台车电池成本4万元左右；深圳中星汽车制造公司研制的超级纳米碳纤素电池容量是一般铅酸电池的11倍,能量功率之比可达每千克一千瓦时,充电仅需10分钟就可以完成，寿命可达10年以上,价格为锂电池的一半,体积为锂电池的1/3,商业化前景看好。

安徽兆成电动车辆技术有限公司开发的水平极板铅酸蓄电池具有较高的性能指标，已经获得国家专利。

中国科学院北京三环通用电气公司开发出电动汽车专用7。

5千瓦电机等.这些都是中国电动汽车高性能电池和驱动电机技术的重大突破。

在整车开发方面，天津清源电动车辆有限责任公司和一汽天津夏利股份有限公司牵头，中国汽车技术研究中心、天津大学、天津和平海湾公司和天津蓝天高科公司等十几个单位共同参与合作开发出XL2000纯电动轿车.该车采用天津夏利2000车型和平海湾的镍氢电池、十八所锂离子动力电池技术.首批开发了5辆达国际先进水平的纯电动轿车，并将在两年内实现产业化.天津清源电动车辆有限公司和中科院电动所还共同研制成功全国第一辆纯电动中型客车.该电动客车以二汽东风客车为原车型，单纯以电池为动力源，可载客17人，最大时速可达80公里。

安徽兆成电动车辆技术有限公司开发的QREV低配置纯电动轿车，2003年经过国家电动汽车试验示范区管理中心试验检测，其连续行驶距离、时速、爬坡能力、百公里电耗等主要技术指标均达到了较高水平.该车采用奇瑞7160轿车为整车平台，可承载4人，最高车速为83km/h,0-50km/h加速性17s,续驶里程为225km(市郊公路、全程开空调）,百公里电耗12.7kWh(市郊公路)，最大起步坡道18o，基本上可以满足城市交通及短距离交通的要求。

东风电动车辆股份公司开发出EQ7160EV纯电动轿车、纯电动富康轿车和纯电动客车等电动汽车.其中，EQ7160EV纯电动轿车采用高性能镍氢电池，是在成熟轿车基础上，由意大利一流造型设计师完成造型设计，在英国加工制作，电驱动、各系统管理单元由相关协作单位提供，其它电动汽车专用元件由东风汽车公司选型、采购和进行整车技术集成、总装。

纯电动富康轿车（EQ7140EV)利用CEV-95技术，可实现按用户需求定制。

纯电动客车（EQ6690EV）19座、铅酸电池动力，适用做观光、游览、
宾馆接送车、机关团体班车，也可作为特殊接待用车，并可根据需要改装成电视转播车、各类宣传车、邮政车
四、发展电动汽车的关键技术
发展电动汽车必须解决好3个方面的关键技术：电池技术、驱动电机及其控制器、能量管理技术。

1、电池技术
电源是制约电动汽车发展的关键之处。

对车载电源的基本要求是比能量高,使用寿命长,成本低.目前正在使用和开发的动力电池主要有以下几种：
镍镉电池应用广泛程度仅低于铅酸蓄电池，可以快速充电，循环使用寿命长,为铅酸蓄电池的2倍以上，可达2000多次；但其价格较高且存在重金属镉污染问题。

其应用有一定的极限性。

镍氢电池镍氢蓄电池比能量可达75～80Wh/kg,比功率达160～230W/kg，循环使用寿命超过600次，随着镍氢蓄电池技术的发展，其比能量可超过80Wh/kg，循环使用寿命可超过2000次，远景价格可降至150美元 kWh。

丰田E-com电动车采用该型蓄电池,该车最高车速可达100km/h，行驶里程100km。

目前在纯电动车和混合电动车上都有了较多的应用。

锂电池其最大优点是比能量高，锂离子电池理论值可达570 Wh/kg,因此受到各汽车公司的重视.其目前的比能量为100 Wh/kg,比功率为200W/kg，循环使用寿命为1200次，充电时间2～4小时.但目前其制造成本太高，这是其推广的最大障碍。

燃料电池燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，通过电极反应直接转化为电能的发电装置.现在应用于电动汽车的是一种称为质子交换膜的燃料电池，它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程,不受热力循环限制，因此能量的转换效率高，是普通内燃机热效率的2-3倍。

同时，它还具有噪声低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性，使得燃料电池非常适合用作交通工具的动力。

有关专家预言：21世纪燃料电池电动汽车将可能成为汽车的主体。

2、驱动电机及其控制器
对电动汽车驱动电机及控制器的最基本要求是启动转矩大，具有较宽的恒功率范围，以适应电动汽车频繁启动和功率变化大的使用要求。

此外，要求电机的结构尺寸小，重量轻，以便于安装，无驱动噪声.
由于电子技术的飞速进步，滑差控制、矢量控制、直接转矩控制等交流电机的调控技术日趋成熟，交流电机驱动系统在电动汽车中已成为主流。

近年来，开关磁阻电机驱动系统开始在电动汽车中应用。

开关磁阻式电机具有效率高、动态响应好、高启动转矩和低启动功率等特点，但在降低噪声和转矩波动、电机模型和控制技术等方面还需进一步探索.
3、电动汽车能量管理系统
一个能对电池进行必要的管理和控制的能量管理系统是电动汽车的智能核心，它包括对电池组容量状态的监测、终止充放电控制、电池均衡充电控制、减速与制动能量回收控制等。

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。

由于准确可靠的蓄电池模型的建立、电池荷电状态(SOC）参数的监测等还有待进一步的提高，因此电动汽车能量管理系统的研究还有许多工作要做.
五、电动汽车发展前景及其基础设施建设
无论从环保角度还是从能源角度来看，未来的电动汽车都需要有一个大的发展，可能成为未来新的经济增长点。

为了配合电动汽车的普及,电动汽车的基础设施建设应与电动车技术的发展同步,应在目前较完善的加油系统的基础上开始充电站的建设。

电动汽车基础设施建设是一项巨大的工程，是一项长期投资，需要持之以恒地长期开发，也需要政府、社会组织、厂商等各方面的通力合作。

随着机电技术、计算机技术、电化学技术及材料技术的迅速发展，电动汽车在研制、开发、商品化方面将会取得巨大的突破，电动汽车将是21世纪的重要交通工具。

但是,迄今为止,我国EV的整体水准还不高，其问题也是在电池、高
效轻量电机及先进能量管理系统等关键技术方面未有较大的突破,与世界先进水平相比还落后。

将来我国的汽车工业能在世界生存下去，就必需在开发高效率燃油汽车、低污染、无公害新技术的同时，应进一步加大新能源汽车的开发的力度。