我国新能源公交车发展探讨二纯电动bev面临的课题与挑战

客车市场672010-2人民公交汽车的节能减排已成为汽车发展的原动力，尤其在倡导大力发展公共交通系统的今天，能源、环境、安全这三大世界级主题更加令人瞩目。一方面汽车尾气排放成为全球环境重要的污染源；另一方面，汽车消耗了大量的石油和天然气资源。继续以内燃机技术发展汽车工业，将给能源安全和环境保护造成巨大的压力。如何提高汽车性能来降低能耗和排放，是当今汽车技术研究的重要内容。电动汽车凭借其节能、环保的优势日渐成为业界关注的焦点。顾名思义，纯电动（BEV：BatteryElectricVehicle）是以电池为存储介质以电能为动力行驶的汽车。取代发动机动力和传动系统的是电力驱动及其控制系统，如电池、电动机、电机调速及差速控制装置及电池管理系统等（图1），其它装置则与传统汽车相同。纯电动汽车最重要的应用市场就是城市公交，因此本期“新能源公交车发展探讨”我们讨论纯电动汽车面临的课题与挑战。与燃油汽车不同，电动汽车不会直接产生二氧化碳等尾气污染，也不易产生噪音和振动。能源消耗来自电网供应的电力，使车辆的运行成本大幅低于传统的内燃机汽车，因而世界各大汽车厂商都在加紧研发并取得了很大进展。鉴于现阶段燃料电池汽车技术障碍还非常大，且纯电动汽车燃料效率和排放性能很好，因此也成为我国汽车产业化发展的方向与重点（图2）。本文就纯电动汽车的优势和面临的课题与挑战提出相应的观点和看法，以期收到抛砖引玉的效果。我国新能源公交车发展探讨（二）：纯电动（BEV）面临的课题与挑战1纯电动汽车的优点1.1能源效率高研究表明，以电力作能源的纯电动汽车和传统柴油发动机汽车的能源利用效率如式（1）和（2）所示：柴油车=99%（采掘）×99%（运输）×95%（炼油）×95%（输送）×18%（行驶）=16%（综合效率）（1）BEV车=99%（采掘）×99%（运输）×36%（发电）×94%（送变电）×89%（充电）×81%（行驶）=24%（综合效率）（2）由此可以看出，同样以石油作能源，柴油汽车的综合能源利用率只有16%，而纯电动汽车的综合能源利用率可达24%，后者比前者提高了50%。1.2环境性能好（1）ＣＯ２排放量可降低75%，有利于抑制全球气候变暖。按一定行驶里程纯电动汽车所消耗的电力测算，用石油发电所产生的ＣＯ２还不足内燃机的1/4，大力推广纯电动汽车的确有助于缓解全球气候变暖。当然，使用电力作能源的纯电动汽车可能存在间接排放ＣＯ２问题，这主要取决于采用哪种能源方式取得电力（图3）。（2）NOX为0，对大气无污染。纯电动汽车不存在发动机尾气排放问题，对减少大气污染，净化空气和改善环境意义重大。（3）行驶噪声很低。由于驱动电机工作时所产生的噪图1纯电动汽车的基本构造加速踏板变速与差速装置电机控制系统驱动电机蓄电池图2我国汽车产业化发展的方向与重点标准12倍1/23倍1/3燃料效率CO2排放与大气相当混合动力汽车传统内燃机汽车燃料电池汽车纯电动汽车污染物排放（HC+NOX）文/本刊记者顾建国客车市场68人民公交2010-2声要比内燃机小得多，加上动力传动系统也与传统汽车不同，故行驶中产生的噪声很低且振动很小。甚至有另类观点认为：纯电动汽车的静音特点，会使行人忽视汽车的到来而容易导致交通事故。1.3有利于能源结构调整到本世纪中叶，全球石油资源将进入枯竭期，推广使用纯电动汽车，可以大大降低汽车对石油的依赖性。因为，纯电动汽车的电力来源可以是多方面的，除了石油发电之外，还有煤炭、水利、风能、太阳能以及核电等多种能源形式。此外，根据人们对汽车的使用习惯和峰谷电价，夜间充电可以解决电力平衡问题。况且核电、风电的功率是不可调的，所以电动汽车在夜间充电，实际上是用掉了核电和风电，而不用增加了煤的消耗。这种提高电力资源利用效率的方法，可视为对汽车用户和电力企业都有利的“一石二鸟”之举。1.4有利于改善城市环境纯电动汽车的续航里程、成本等问题在短期内难以很好地解决，但对于公交车来说在这方面就没有太大问题。公交车的行驶路段和每天的行驶距离在一定程度上是固定的，电池剩余量的变化在一定程度上也能够预测。通过在站点和公交车终点站等处适当设置充电器，就能够解决电池容量限制的续驶里程问题。所以，纯电动汽车更适合城市交通或有固定行驶路线的车辆，如：公交车、出租车、邮政车和其他服务于市政的车辆。这对改善城市环境十分有利。1.5可降低汽车的使用成本纯电动汽车的使用成本也比传统内燃汽车低。有统计资料表明，纯电动公交车在营运费用方面比主流的柴油燃料汽车低很多，其能耗费用仅为柴油汽车的15%左右（电池消耗未计算在内），加之结构简单，运转、传动部件少，给使用和维修带来许多方便，整个寿命周期内的零部件维修费大幅减少。2纯电动汽车面临的课题2.1蓄电池的成本与性能蓄电池也称动力电池，是决定纯电动汽车基本性能的最关键零部件。对于电动汽车来说，电池的能量密度决定着汽车的续驶里程，其成本在很大程度上也左右着整车的价格。（1）蓄电池的成本。蓄电池是纯电动汽车必须使用的电能存储介质。虽然纯电动汽车不使用燃油，不受油价飞涨的影响。但用来维持汽车运行的动力电池，对纯电动汽车的使用性能、运行成本的影响极大。尽管近些年来电池技术得到了长足的发展，但从目前技术来看，既使是市场呼声比较高的混合动力汽车，电池的成本也占到了整车的1/3以上。而对纯电动汽车其电池成本所占的比重则更大。（2）蓄电池的性能。具有可以反复充放电的大容量、高密度动力电池，是影响电动汽车的关键技术之一。蓄电池性能指标的设定应以不逊色于传统内燃机汽车为前提，以质量（重量）、体积、功率、效率、寿命5大要素为前提，其中包括单位质量下的能量密度、单位体积下的能量密度、单位质量下的功率密度、单位体积下的功率密度、充放电效率和使用年限共6项评价指标。对于大型纯电动公交车而言，电池性能欠佳的直接后果就是加大整车的整备质量、加重成本负担、影响运行的经济性。尤其是电池的使用寿命，更会直接影响汽车的使用成本，这也是目前纯电动汽车产业化的瓶颈之一。为此，日本经济产业省制定计划，与汽车产业、电机产业、大学和研究所共同研发高性能、低价格的动力电池技术，拟定到2015年高性能的电动汽车成本降低到目前普通汽车的水平，到2030年使电池成本降低到成为目前的1/40，而电池性能则提高到目前水平的7倍，届时可大大提高纯电动汽车的运行经济性。2.2电池管理系统电池管理面临的课题是对电池的温度、荷电状态等的监控。电池管理水平直接关系到电池的使用寿命、车辆的运行效率和运行成本，需要在电池的试验、建模、控制策略以及控制系统设计等方面做非常深入的研究、试验和改进，以更好地满足电动汽车的使用要求。纯电动汽车上的动力电池价格昂贵，占整车成本的比例很大，同时也是最精细、最脆弱的部件。而汽车在使用过程中的要求则是，高温和低温工况下充放电性能良好；一定散热条件下实现大功率充放电；电池组中的电池单体容量得到充分利用；确保电池有一定的长寿命，即：当电池经过一段使用之后电池充放电能力下降幅度有限，电池的内阻能够保持一定。电池管理系统担当着对电池的充放电管理和工作性能的监护作用。比如，要实现快速充电又不损害(损伤)电池，ԧႃၹ྇நښ྇དྷ௑ਫ਼̗ၷᄊ$0὆ᄰଌ὇ᾜښ྇நᤂᣥ௑ਫ਼̗ၷᄊ$0὆㑆ଌ὇ᾜԧႃၹ྇நښ྇དྷ௑ਫ਼̗ၷᄊ$0὆ᄰଌ὇ښ྇நᤂᣥ௑ਫ਼̗ၷᄊ$0὆ଌ὇཰ᆃ෴ܹཀྵඡܭՌܹཀྵඡԔߕᑟඵҧڡབྷܺ᮳ҧ图3各种能源发电所产生的CO2排放量客车市场692010-2人民公交就需要一种非常精确的电荷(充电)控制技术。通过电池管理系统有效地监控电池的状态优化，可避免充放电过程中的超过安全临界值，使电池的性能得到充分发挥并延长电池的寿命。为避免充电期间电力线的干扰，好的功率因数校正解决方案是必不可少的。电池动态平衡技术能减少相互差异，有效提高电池使用效率和寿命。该项技术的特点是，可以在电池充电放电或者空闲的任意时间实施电量平衡，非常适合汽车动力应用这样变化多样的环境和迅速模式切换的需求。2.3驱动电机纯电动汽车要求电机驱动系统具有高效、高功率密度；高效率的能量回馈控制和更宽广的速度范围；更稳定的工作性能和更高的可靠性及免维护性。目前，国内的驱动电机（包括各种类型的风冷、水冷形式）系统已涵盖5～180kW功率范围，比功率和系统效率已经达到国际先进水平。但是，驱动电机在全运行范围内的转矩、转速控制精度还需要进一步提高，运行效率需要得到进一步优化。系统的可靠性和及耐久性与汽车的产业化要求还有一定差距。关键材料如：高性能硅钢片、绝缘材料和关键元器件(如：IGBT模块，CPU芯片)仍需依靠进口。此外，进一步缩短研发周期，降低产品的设计制造成本，形成完整的、满足汽车工业标准的供应商体系也是目前的重要课题。2.4电机控制技术在电机控制的设计难度是，高压大功率的电传动（高压驱动大功率电机）不但适用于低电压，还能涵盖高达1200V的全部电压范围，并且能够获得经全面测试的最优化功率级，能够解决众多有关寄生和器件交互作用的设计问题。同时，还要兼顾成本、可靠性、寿命、更复杂的工作环境等问题。电机控制的主要技术难度是，必须达到汽车级别可靠性要求，同时需要兼顾合适的成本。另外，还要考虑大功率驱动系统带来的电磁干扰和噪声的影响。如果使用工业级的器件，虽然在使用初期没有什么大问题，但随着时间的推移注定产生的器件失效，由此会引发工作稳定性和可靠性问题。所以，必须使用汽车级的器件，才能有效地保证系统在汽车在整个寿命周期内可靠运行。2.5充电基础设施发展纯电动公交汽车对充电基础设施建设有特殊要求，即：大功率、高效率和集中使用。由于用电量大通常需要统一规划、集中建设、独立供电，更需要较大的资金投入。所以，政府和电力供应商的支持和介入应与电动汽车的发展同步进行。日本已经投入使用的非接触快速充电系统，尤其适合纯电动公交汽车的使用，很值得我们学习与借鉴（详见本刊2010第1期）。3纯电动汽车发展面临的挑战一种观点认为：当前我国纯电动汽车发展水平处于世界前列，未来纯电动汽车让我们避开了在传统发动机领域的弱势，将是我国与国际先进水平缩小差距的战略车型，使我们与国外汽车巨头几乎可以在同一起跑线上竞争。另一种观点则认为：我国纯电动汽车的发展与国外先进表1汽车动力电池的三阶段开发战略与目标阶段现状（2006年）改良型电池（2010年）先进型电池（2015年）创新型电池（2030年～）用途用于小型BEV用于限定用途的一般BEV和高性能HEV一般BEV、PHEV、燃料电池真正意义的BEV性能111.5倍7倍成本11/21/71/40开发体制民企民企产官学联合大学·研究机构表2改良阶段的电池性能目标阶段现状（2006年）改良（2010年）用途BEV用Li-ionHEV用Li-ion限定用途的一般BEV高性能HEV单体能量密度/质量（Wh/kg）1259012590输出功率密度/质量（W/kg）500230012502500能量密度/体积（Wh/L）250180250180输出功率密度/体积（W/L）1000460025005000电池组能量密度/质量（Wh/kg）1007010070输出功率密度/质量（W/kg）400180010002000能量密度/体积（Wh/L）1208412084输出功率密度/体积（W/L）480220012002400充电效率（%）9595＞95＞95使用寿命（年）～10～10＞10＞10注：表中红色数字表示改良与现状相同。客车市场70人民公交2010-2水平相比差距还很大。即使是汽车工业发达国家，受动力电池技术发展的限制，纯电动汽车大规模进入市场也为时尚早。近期攻关重点仍集中在提高电池性能和降低成本。这里通过例举日本经济产业省2006年8月28日发布的“新一代汽车电池发展的战略目标”，可以比较出我们与电池产能位居世界第一的日本之间存在的差距，从而看到我们所面临的严峻挑战将来自何