电动汽车综述

电动汽车综述【摘要】结合目前电动汽车的发展状况，当前新兴的电动汽车具有节能环保特点，是未来汽车研究热点，也是未来汽车发展的必然选择。本文将从国内外电动汽车的发展、现状进行总结，以及对纯电动汽车，混合动力汽车及燃料电池汽车的综述。【关键词】电动汽车燃料电池混合动力一、引言进入21世纪以来，随着经济的快速发展，汽车的数量也在迅速增长，汽车尾气排放造成的大气污染愈加严重，传统的汽车显然将不在适应社会的发展。开发新的能源，发展新的汽车动力成为目前人类面临的非常艰巨的任务。然而运行平稳、零排放或近似零排放、绿色环保、噪声小、高能量转换效率、结构简单的电动汽车拥有者十分诱人的发展前景。电动汽车的动力源是电池，相对于以燃料为动力的车辆是清洁的，同时噪声污染也小得多。电动汽车还有一个独特的优点，就是它的制动能量能够被回收。电动汽车制动时可以利用反拖电机为蓄电池充电，即大部分动能转化为电能]1[。二、电动汽车的研究背景目前应对气候变化己成为全球事务议程中的重要议题，而温室气体的减排更成为其中的重中之重]2[。作为二氧化碳排放大户的汽车行业，如何减少汽车尾气排放，就成为摆在各国政府面前的首要问题。电动汽车的动力源是电池，相对于以传统化石燃料为动力的车辆是清洁的，同时噪声污染也小得多。电动汽车还有一个独特的优点，就是它的制动能量能够被回收。电动汽车制动时可以利用反拖电机为蓄电池充电，即大部分动能转化为电能]3[。从产业上讲，我国是汽车工业的后发国家，依靠传统技术，我们已经几乎不可能再取得先发优势，但电动汽车产业不同，我们有明显的产业优势。首先，中国拥有全球领先的磷酸铁锂电池技术，电动汽车对电池的热稳定性要求特别高，磷酸铁锂电池技术的成熟，已经让电动汽车成为可能。其次，中国的电池生产规模很大，大概有300个电池厂在生产各种类型的锉离子电池。最后，中国的锂资源占全球总量的30%以上，即便是大规模生产电动汽车，中国仍然可以在锂资源上自给自足]4[。三、电动汽车的类型及原理3.1纯电动汽车3.1.1结构原理图纯电动汽车的结构原理见图3-1。纯电动汽车主要由动力蓄电池、控制系统、和驱动系统组成，其中最为核心的为驱动系统，主要由驱动电机、机械传动装置、功率变换器和控制器等组成。电驱动系统是纯电动汽车的研究开发重点，也是影响纯电动汽车的动力性能和经济性能的主要因素，电驱动系统也直接影响到了汽车的整体性能。不同类型驱动电机直接决定了功率变换和控制器的类型，也能满足对能量控制不同的要求]5[。图3-13.1.2纯电动汽车的优、缺点纯电动汽车有以下优点：①零排放。纯电动汽车使用电能，在行驶中无废气排出，不污染环境。②电动汽车比汽油机驱动汽车的能源利用率要高。③因使用单一的电能源，省去了发动机、变速器、油箱、冷却和排气系统，所以结构较简单。④噪声小。⑤可在用电低峰时进行汽车充电，可以平抑电网的峰谷差，使发电设备得到充分利用。纯电动汽车有以下缺点：①续驶里程较短；②采用蓄电池及电机控制器使成本较高；③充电时间长；④目前没有授权服务站，维护成本较高；⑤蓄电池寿命短，几年就得更换。3.1.3纯电动汽车发展存在的问题（1）技术方面在技术能力方面：国内的汽车制造商虽然纷纷表示涉足新能源汽车研发和生产，但由于具有高科技含量并且能够量产的车型有限，且随着电动汽车竞争的开始加剧，由于研发经费过低，创新动力不足，直接影响我国拥有自主知识产权的电动汽车技术的能力；（2）电池方面：“电源”是新能源汽车发展的“技术瓶颈”，当前有两大主要的问题：一是电池成本较高，电池的能量密度较低，充电后的续驶里程较短等问题；二是未来电动汽车市场会否出现真正意义上的电池回收、租赁及二次制造产业链；三是电池接口不同，就像不同品牌的手机充电口不同一样，“标准”的不确定，会对电动车发展造成很大影响等等。（3）能源方面：纯电动汽车本身投资比燃油汽车贵，其使用电力要建设发电厂，建设输电配电设施，还要建设充电站，还要建设蓄电池厂等，（4）配套设施方面：费者不选择新能源汽车的重要因素还有配套服务的不健全，配套设施少，配套设施建设的滞后和维护保养不方便，充电站在国内如凤毛麟角，难寻其踪。3.2混合动力汽车混合动力电动汽车是指具备两个以上动力源、而其中有一个可以释放电能的汽车。混合动力汽车所使用的内燃机既有柴油机又有汽油机，所以可以使用传统的汽油和柴油作为能源。混合动力车辆具有节能、低排放等特点，引起了全世界的极大关注并成为目前汽车研究与开发的一个重点。3.2.1混合动力汽车分类3.2.1.1串联式混合动力系统串联式混合动力系统的结构见图3-2。其主要由原动机、发电机、控制系统以及驱动系统组成，工作时由发动机带动发电机发电，发电机通过控制器输送给驱动系统。在发动机与传动系之间通过电机实现动力传递。蓄电池是发电机与电机之间的储能装置，其功能是起到功率平衡的作用，即当发电机发出的功率大于电机所需功率时，发电机向电池进行充电；而当发电机发出的功率低于电机所需功率时，蓄电池则向电机提供额外的电能，补充发电机功率的不足，从而满足车辆峰值功率要求。图3-2串联式混合动力汽车的优点：①发动机的工作状态不受车辆行驶工况的影响，始终在最佳的工作区域内稳定运行，具有良好的经济性和低的排放性能；②发动机与电机之间没有机械连接，整车的结构布置自由度大；③电机的功率大，制动能量回收的潜力大，从而提高能量效率。串联式混合动力汽车的缺点：①发电机将发动机的机械能量转变为电能，电机又将电能转化为机械能，还有电池的充电和放电都有能量损失，因此，发动机输出的能量利用率比较低；②电机是唯一驱动汽车行驶的动力装置，因此，电机的功率要足够大。这将使得电机、蓄电池的体积和重量都比较大，从而导致整车的重量较大。综上特点，串联式混合电动汽车更适用于市内低速运行的工况，不适合高速公路行驶工况。3.2.1.2并联式混合动力系统并联式混合动力系统结构图见图3-3。并联式混合动力汽车（PHEV）的发动机和发电机都是动力总成，两大动力总成的功率可以互相叠加输出，也可以单独输出。所以并联式混合动力汽车可以在比较复杂的工况下使用，应用范围较为广泛。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。图3-3并联方式的优点：①发动机的动力可以直接用来驱动车辆，没有能量转换，能量损失小；②一个电机既可作为电动机使用，也可作为发电机使用，且可以采用较小功率的电机，成本低。并联方式的缺点：①发动机和驱动轮间还是机械连接，因此发动机的工作点不可能总处于最佳区域，发动机效率得不到充分发挥；②需要搭载变速器，且适合搭载自动变速器；③混合度较低，不便于向插电式混合动力过渡。综上所述，并联式混合动力汽车最适合在中、高速的工况下行驶。3.2.1.3混联式混合动力系统混联式动力汽车结构见图3-4。混联式驱动系统可以在串联混合模式下工作，也可以在并联式混合动力模式下工作，也即是上述两种模式的综合。其工作原理为：电动机发出的功率一部分通过动力分配装置，经过机械传动系统至驱动桥，另一部分则驱动发电机发电，发出的电能传输给电机或蓄电池，电机的力矩同样也可通过传动系统传送给驱动桥。当汽车在低速行驶时，驱动系统主要以串联式模式工作；而当汽车高速行驶时，则以并联式模式工作为主。图3-4混合式驱动系统的结构和控制方式充分的发挥了串联式和并联式混合动力的优点，使得发动机、发电机、电机等部件进行了更加优化的匹配，在结构上保证了在复杂的工况下使系统的工作处在最佳的状态，更加容易实现排放和耗油的控制。不过混联式动力汽车的结构更加复杂，对动力复合装置的要求也更高。3.3燃料电池汽车燃料电池汽车系统见图3-5。燃料电池电动车是一种用氢气为动力燃料，在常温状态下，通过电化学反应，直接转换成电能驱动汽车行驶的电动车。燃料电池是燃料电池汽车的核心。其与普通电池区别在于：燃料电池是将燃料的化学能转变为电能的装置，只需连续不断的向电池提供燃料，电池便能进行工作。图3-5燃料电池汽车按不同的动力系统分为三大类：FC单独驱动、FC+B_DC/DC(功率混合型)、FC_DC/DC+B（能量混合型）。表1燃料电池汽车不同驱动系统构型的分析和比较动力系统构型FC单独驱动FC+B_DC/DC(功率混合型)FC_DC/DC+B（能量混合型）结构特点结构最简单无蓄电池，无法实现制动能量回馈结构较复杂蓄电池的重量、体积较小结构较复杂蓄电池的重量、体积较大燃料经济性最差较优最优燃料电池寿命与安全性当汽车功率要求较大时，燃料电池容易发生过载，燃料电池要完全满足动态响应要求，曼度很大，燃料电池系统寿命短当汽车功率需求较大时，燃料电池发生过载的概率较小燃料电池系统寿命较长当汽车功率需求较大时，燃料电池可控制在较高的功率点恒功率输出，不发生过载燃料电池寿命长整车动力性能够满足整车动力性设计需求能够满足整车动力性设计需求能够满足整车动力性设计需求3.3.1燃料电池汽车的优点①零排放或近似零排放，绿色环保。燃料电池电动汽车在本质上是一种零排放汽车，燃料电池没有燃烧过程，若以纯氢作燃料，通过电化学的方法，将氢和氧结合，生成物是清洁的水；采用其他富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料，生成物除水之外还可能有少量的C02，但其排放量比内燃机要少得多，且没有其他污染排放（如氧化氮、氧化硫、碳氢化物或微粒）问题，接近零排放。与传统汽车相比既减少了机油泄漏带来的水污染，又降低了温室气体的排放。②能量转换效率高，节约能源。燃料电池没有活塞或涡轮等机械部件及中间环节，不经历热机过程，不受热力循环（卡诺循环）限制，故能量转换效率高，燃料电池的化学能转换效率在理论上可达100%，实际效率已达60%～80%，是普通内燃机热效率的2～3倍(汽油机和柴油机汽车整车效率分别为16%-18%和22%～24%)。因此，从节约能源的角度来看，燃料电池汽车明显优于使用内燃机的普通汽车。③燃料多样化，优化了能源消耗结构。燃料电池所使用的氢燃料来源广泛，自然界中，氢能大量存储在水中，可采用水分解制氢，也可以从可再生能源获得，可取自天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料来源的多样化有利于能源供应安全和利用现有的交通基础设施（如加油站等）。燃料电池不依赖石油燃料，各种可再生能源可以转化为氢能加以有效利用，减少了对石油资源的依赖，优化了交通能源的构成。④续驶里程长，性能优于其他电池的电动汽车。采用燃料电池发电系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。燃料电池汽车可以车载发电，只要带上足够的燃料，它可以把我们送到任何想去的地方。燃料电池电动汽车在成本和整体性能上（特别是行程和补充燃料时间上）明显优于其他电池的电动汽车。⑤过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范周内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200%或更大，更适合于汽车的加速、爬坡等工况．燃料电池的短时过载能力可达200%的额定功率。⑥运行平稳、低噪声。燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运动部件，因此与内燃机汽车相比，摆脱了马达的轰鸣，运行过程中噪声和振动都较小。3.3.2燃料电池汽车缺点汽车业界普遍认同的一个观点是，燃料电池技术是内燃机技术最好的替代物，代表了汽车未来的发展方向。但如果将发展燃料电池汽车的几个制约因素考虑进来，则会发现燃料电池汽车目前和今后一段时间尚不具备商业化的条件。①燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高。制约燃料电池汽车推广应用的最大因素之一是燃料电池的生产成本一直居高不下。如何降低燃料电池的生产成本成为燃料电池汽车实用化的关键。据美国能源部测算，目前燃料电池的生产成本已降为500美元／kN。专家估计，只有当燃料电池的生产成本降至50美元／kW的水平才