电动汽车关键技术发展综述77

随着世界汽车产业的发展，日益增大的石油能源的消耗，将加快从能源短缺到能源枯竭的步伐。汽车排放造成的大气污染和地球的温室效应，成为世界全人类的公害。人类社会和汽车产业的可持续发展，受到极大的威胁，发展汽车新能源、开发汽车新动力，成为世界汽车产业面临十分紧迫的任务。当代融合多种高新技术而兴起的纯电动汽车、混合电动汽车、燃料电池汽车，尤其是立足于氢能基础上的燃料电池汽车正在引发世界汽车工业的一场革命，展现了汽车工业新能源、新动力发展的光明前景。本文就从电池技术、电力驱动及其控制技术、整车技术及能源管理技术方面作简要分析。一、电池技术1.电池技术存在的问题电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。要使电动汽车具有竞争力，就要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。目前面临最关键的电池技术问题是：（1）极低的电池能量密度。汽油的能量密度是1.2万W·h/kg，而目前通常使用的铅酸电池能量密度不足40W·h/kg。近年来，其他类型电池，如空气电池等的开发虽有进展，但是在价格、性能、工艺性等方面欠成熟，近期无法实现量产。（2）过重的电池组。尽管在车身设计方面采取了诸如玻璃钢车身等技术以尽可能减轻整车质量，但是，电池过重的自身质量仍会使一部电动汽车的总质量较同样大小的内燃机汽车重。（3）有限的续驶里程与汽车动力性能。因为电池的能量密度较低，电池组的质量过大，因此，即使电动汽车动力系统的效率很高，使用铅酸电池的电动汽车一次充电的续驶里程也只有100km左右。因为电池性能差，电动汽车的动力性能无法达到当前内燃机汽车的水平。（4）电池组昂贵的价格及有限的循环寿命。一辆载容量20人的轻型电动客车电池组的价格高达2万元人民币，以现有电池的循环寿命（假定为500次充放电循环）计算，电动汽车行驶4万km就需更换电池。高昂的运行成本难以让市场接受。（5）汽车附件的使用受到限制。因为电动汽车所能携带的电能有限，所以在车上对电能的使用必须注意节省，车内空调和暖风的选用必须充分考虑其对电动汽车续驶里程的影响。除此之外，动力转向、真空助力器、主动（半主动）悬架以及其他一些车载电器的使用也受到限制。因此，乘员的舒适性受到影响。2.电池技术的发展及应用到目前为止，电动汽车车用动力蓄电池经过3代的发展，已取得了突破性的进展。第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池（VRLA），因为其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前唯一能大批量生产的电动汽车用电池。第2代是碱性电池，主要有镍锅、镍氢、钠硫、铿离子和锌空气等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。只要能采用廉价材料，电动汽车用锉离子电池将获得长足的发展，目前关键是要降低批量化生产的成本，提高电池的可靠性、一致性及寿命。第3代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且、可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池。表1为各种车用电池的性能比较。从目前车用电池的发展来看，镍氢电池可能是电动汽车动力能源的首选电池，它已经规模化生产，性能稳定，其质量比、体积比功率、电池寿命和重复充放电次数方面均已达到USABC（美国先进电池联合会）性能指标。从产品规模化、生产程度和发展前景看，有可能成为电动汽车车用电池的潜在竞争者，其容量大、体积质量小的优点正符合现代电动汽车的要求。另外，燃料电池的应用前景乐观。随着电化学技术的进一步发展，燃料电池可能成为电动汽车的主要能源之一。其他尚在实验阶段的电池如飞轮电池、太阳能电池，有着寿命长、环保等优点，在未来的车用电池中也必将占有一席之地。二、电力驱动及其控制技术1.电动车用电动机性能分析目前，电动汽车用电动机主要有直流电动机（DCM）、感应电动机（IM）、永磁无刷电动机（PM-BLM）和开关磁阻电动机（SRM）4类，其性能对比见表2。电动车辆的驱动电机属于特种电机，是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速，足够大的启动扭矩，体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。目前电动汽车所采用的电动机中，直流电动机基本上已被交流电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。电动汽车所用的电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。当今世界已研制出功率密度超过1kW/kg，额定点的效率大于90%的小型电动机，电机满足低速衡（大）扭矩和高速衡功率的牵引控制要求。2.控制系统随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单、响应迅速、抗干扰能力强，参数变化具有鲁棒性，可大大提高整个系统的综合性能。电动汽车再生制动控制系统可以节约能源、提高续驶里程，具有显着的经济价值和社会效益。再生制动还可以减少刹车片的磨损，降低车辆故障率及使用成本。图1所示为XJTUEV1电动汽车再生制动控制系统的结构图。该系统由超级电容或飞轮及其控制器组成，利用超级电容或飞轮吸收再生制动能量，具有非常突出的优点。当车辆制动时，电机工作于发电机工况，将一部分动能或重力势能转化为电能储存在超级电容或飞轮中，因为超级电容或飞轮的功率密度大，可以更快速、高效地吸收电机回馈能量。在车辆起动和加速时，利用双向DC/DC将存储的能量释放出来，协助电池向电机供电，不但增加了电动汽车一次充电的行驶里程，而且避免了蓄电池的大电流放电，达到了节约能源、降低刹车片磨损和提高蓄电池寿命的目的。三、电动汽车整车技术电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外，车体本身也包含很多高新技术。采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽车自身质量减轻30％～50%；实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减少50%；汽车车身特别是汽车底部流线型化，可使汽车的空气阻力减少50%。4能量管理技术蓄电池是电动汽车的储能动力源。电动汽车要获得非常好的动力特性，必须具有比能量高、使用寿命长、比功率大的蓄电池作为动力源。因此必须对蓄电池进行系统管理。能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、适当的能量源（即电池）外，还应该有一套维持电动车所有蓄电池组件的工作，并使其处于最佳状态；采集车辆的各个子系统的运行数据，进行监控和诊断；控制充电方式和提供剩余能量显示等职责的能量管理系统。能量管理系统研究与开发不仅要建立包括蓄电池在内的电动车的数学模型而且要开发以微处理器为核心的电子控制单元。