现代电动汽车发展及技术

现代电动汽车发展及技术现代电动汽车发展及技术 摘要 纯电动汽车 它是完全由可充电电池提供动力源的汽车 虽然它已有 134 年的悠久历史 但一直仅限于某些特定范围内的应用 市场较小 电动汽 车的技术核心主要有电池技术 电力驱动及其控制系统 电动汽车整车技术 能量管理计术等 现代电动汽车发展速度越来越快 通过对电动汽车各主要技 术国家的发展对比 了解发展状况及其关键技术 关键词 发展现状 电动汽车 电动汽车核心技术 传动比 Abstract Electric vehicles it is provided by a rechargeable battery power source car Although it has 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 modern 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 ratio 1 1 背景及发展背景及发展 1 11 1 背景环境背景环境 在全球能源和环境问题的严峻形势下 汽车工业正面临巨大挑战 节能与 减排的技术变革迫在眉睫 目前 节能与新能源汽车已经成为国家科技发展的 战略重点 其中 电动汽车作为主要技术方案之一倍受瞩目 目前人们所说的电动汽车多是指纯电动汽车 即是一种采用单一蓄电池作 为储能动力源的汽车 它利用蓄电池作为储能动力源 通过电池向电机提供电 能 驱动电动机运转 用电机驱动车轮行驶 符合道路交通 安全法规各项要 求的车辆 由于对环境影响相对传统汽车较小 其前景被广泛看好 但当前技 术尚不成熟 从外形上看 电动汽车与日常见到的汽车并没有什么区别 区别 主要在于动力源及其驱动系统 即纯电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动 机 蓄电池相当于原来的油箱 1 21 2 国内外现状及前景国内外现状及前景 知名战略咨询机构贝恩公司发布的调研报告称 未来几年 全球电动汽车 有望达到 150 万辆 其中中国将以 20 万辆的份额占据全球最大的潜在市场 该 报告还将购买电动汽车的消费者大致分为四类 分别为 乐于接受新技术的 高端消费者 注重环保的 绿色先行者 预算有限的 价格敏感者 和尽 量规避风险的 观望跟风者 大有谁掌握了 电动车 市场谁就掌握了未来 世界经济引擎的意味 据媒体报道 中日韩三国都正在为其未来的经济支柱 电动车产业暗自 较劲 其中日本占据电池和核心控制系统上的优势 拥有最大汽车市场的中国 则占据市场优势 而韩国的优势在核心配件 电池上 有专家戏称 如果将 占技术优势的日本比之于魏 占市场优势的中国比之于吴 那韩国自然当比西 蜀 从整体上看 韩国电动车产业在三足鼎立中略显羸弱 1 2 11 2 1 技术强国技术强国 日本日本 最近 日本经济产业省公布了 新一代汽车战略 日本政府将电动汽车和 混合动力汽车等定义为 新一代汽车 并将该战略纳入日本的国家新一轮经济 发展规划 日本政府为汽车业设定的总体战略目标是 使日本发展成为新一代 汽车的研发中心 2009 年底 日本三菱汽车就开始生产世界首个批量生产的高速电动车 i MiEV 该车充一次电可以行驶 130 公里 最高时速为 130 公里 最近 美 日 欧投放市场的日产 Leaf 充一次电可以最高行驶 200 公里 时速可以达到 145 公 里 这是将电动车提升到了同汽油车一样的水平 日产计划扩大电动车的普及 率 到 2015 年每年生产 25 万台 丰田 本田也将在明年下半年进入电动车市 场 他们是在使用混合动力技术的插电式电动车领域走在前列的企业 1 2 21 2 2 市场大国市场大国 中国中国 无疑 中国最大的武器就是广阔的市场 美国市场调查企业 JD Power 认为 10 年后中国市场将消化全世界电动 10 左右的产量 中国本土企业比亚迪 BYD 将引领中国电动车市场 比亚迪进军美国主打的品牌就是新能源车 吉利汽车自收购沃尔沃之后 针对可以期待的电动汽车市场 目前正在寻 求与富士康联手展开新能源以及汽车电子方面的合作 在中国 发达国家汽车企业的竞争也非常激烈 通用 GM 即将把 Chevrolet Vol 投入市场 计划在明年上半年在中国上海进行生产 日产也在 研讨在中国建设电动车生产设施的方案 中国政府计划通过像这样同国际企业 合作来引进先进技术 一口气赶上韩国和日本 有人说中国的比亚迪等已经在 电池等部分领域拥有了同韩国不相上下的技术能力 或者说是已经超过了韩国 十二五 期间纯电驱动汽车销量达到同类车型总销量 1 左右的目标 规 划指出 电器化程度比较高的 纯电驱动 电动汽车是中国新能源汽车技术的 发展方向和重中之重 到 2015 年 在整车 关键零部件 公共平台等 29 个技 术创新方向上实现关键技术突破 全面掌握核心技术 预期申请电动汽车核心 技术专利达 3000 项以上 在 30 个以上城市进行规模化示范推广 在 5 个以上 城市进行新型商业化模式试点应用 为实现电动汽车规模产业化 尤其是纯电 驱动汽车销量达到同类车型总销量 1 左右的重要门槛提供科技支撑 据中汽协 数据 2015 年我国轿车年销量约为 1200 万辆 纯电动汽车销量占比 1 即为 12 万辆 1 2 31 2 3 困境中的韩国困境中的韩国 Eugene 证券分析师朴尚源表示 如果把日本的电动车技术设定为 100 除 电池之外韩国的技术就是 80 以下 韩国的优势是电池技术和销路 电池是占电 动车价格 30 以上的核心部件 LG 化学不仅仅同现代汽车 而且还同 CT 美国的通用 福特 Eaton 以及 欧洲的雷诺 沃尔沃和中国的长安汽车签订了长期供货合同 预计此公司仅凭 汽车充电电池在明年就可以实现 3 000 亿韩元的销售额 在 2015 年实现 3 万亿 韩元的销售额 三星 SDI 和德国博世的合资公司 SB limotive 的战略是集中给 BMW 奔 驰 大众汽车等欧洲企业供货 以此超过 LG 化学 SK 能源也在获得了现 代 起亚的电动车合同之后将目光放到了海外企业身上 另外一方面 韩国的 弱点是政府没能解决电动车补助金的问题 只是说从明年开始公共机构在购买 电动车时会得到同同等汽油车差价的 50 的补助 最高补助金额为 2 000 万韩 元 因此完成了电动车开发的雷诺三星推迟了生产 雷诺三星相关人士表示 要想使电动车得到普及 补助金是必须的 如果没有补助金 量产电动车的价 格每台将超过 4 000 万韩元 毫无竞争力可言 1 31 3 电动车市场的明日之战电动车市场的明日之战 在整个电动车开发的蛋糕上 分羹抢食的绝非仅仅上述三国 美国 欧洲 等老牌 帝国主义 国家以及 印度 巴西 等新兴经济体也将以更加积极的 姿态来参与竞争 无疑 日本是其中的佼佼者 他依靠原有汽车技术强国的地 位 依靠政府 企业的重视 将在未来的竞争中占据主导优势 2 2 电动汽车特点及优势电动汽车特点及优势 2 12 1 无污染 噪声小无污染 噪声小 电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气 不产生排气污染 对环境保护 和空气的洁净是十分有益的 几乎是 零污染 众所周知 内燃机汽车废气 中的 CO HC 及 NOX 微粒 臭气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾 电动 汽车无内燃机产生的噪声 电动机的噪声也较内燃机小 噪声对人的听觉 神 经 心血管 消化 内分泌 免疫系统也是有危害的 2 2 2 2 结结构构简简单单 维维修修方方便便 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 2 2 3 3 能能量量转转换换效效率率高高 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 有些研究表明 同样的原油经过粗炼 送至电厂发电 经充入电池 再由 电池驱动汽车 其能量利用效率比经过精炼变为汽油 再经汽油机驱动汽车高 因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量 2 2 4 4 平平抑抑电电网网的的峰峰谷谷差差 可在夜间利用电网的廉价 谷电 进行充电 起到平抑电网的峰谷差的 作用 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 3 3 纯电动汽车核心技术纯电动汽车核心技术 发展电动汽车必须解决好 4 个方面的关键技术 电池技术 电机驱动及其控制 技术 电动汽车整车技术以及能量管理技术 3 13 1 电池技术电池技术 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 E 能量密度 Ed 比功率 P 循环 寿命 L 和成本 C 等 要使电动汽车能与燃油汽车相竞争 关键就是要开发出 比能量高 比功率大 使用寿命长的高效电池 电池性能决定了纯电动车的最 大行程 充电时间 电池成本占了整体成本相当大的比重 制造电池的排碳量 也占了整个使用周期排碳量相当大部份 43 所以电池是纯电动车发展的最重 要的技术关键 到目前为止 电动汽车用电池经过了 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 由于其比能量较高 价 格低和能高倍率放电 因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池 第 2 代是碱性电池 主要有镍镉 NJ Cd 镍氢 Ni MH 钠硫 Na S 锂离子 Li ion 和锌空气 Zn Air 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 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 但目前还处于研制阶段 一些关键技 术还有待突破问 动力电池技术是电动汽车的核心技术之一 动力电池性能的 好坏与发展电动汽车的前景息息相关 回顾电动汽车百年历史 电动汽车在汽 车发展史中前两次机遇都没有得到发展 总结起来存在以下几点原因 1 续驶里程 大多数铅酸电池电动汽车一次充电只能行驶 100km 锂离子电池 电动汽车接近 200km 不适合长途行驶 而传统汽油车辆最大行驶距离可超 400km 2 充电时间 电动汽车慢充充电时间长达 6 小时 即使是采用 快速充电 到 动力电池 80 容量的方式 也需要 0 5h 这样大大降低了汽车即充即用的实用 性能 而汽油车辆一次加油时间不过几分钟 3 电池成本 电池价格昂贵 目前动力锂电池的价格约在 5 元 瓦时 通过计算 一辆电动轿车 动力电池成本约为 10 万元 而且动力电池的循环使用寿命在 1500 次左右 按照充电一次行驶 150km 根据介统计 北京平均每辆汽车一年 行驶是 47000 公里 这样计算得到电池的使用寿命不到 5 年时间 若使用不当 寿命还会降低 按汽车 10 年报废来算 中途需要更换一次动力电池 4 比容量或比能量 目前广泛使用的锂离子电池比容量在 100Ah g 这只是计 算单体电池电芯的重量得来 若加上单体外包装 电极 电池箱体 导线 电 池管理系统等 根据实际经验 其实际比容量只有 20Ah kg 左右 一辆单体电 池额定容量为 60Ah 总电压为 380V 的电动轿车 动力电池的重量为 300kg 左 右 给整车带来的额外负担是严重的 而且还占用了相当大的车辆空间 导致 整车布置困难 3 23 2 电力驱动及其控制技术电力驱动及其控制技术 电动机与驱动系统是电动汽车的关键部件 要使电动汽车有良好的使用性 能 驱动电机应具有调速范围宽 转速高 启动转矩大 体积小 质量小 效 率高且有动态制动强和能量回馈等特性 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 PMBLM 和开关磁阻电动机 SRM 4 类 近几年来 由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩 控制 由于直接转矩的控制手段直接 结构简单 控制性能优良和动态响应迅 速 因此非常适合电动汽车的控制 美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种 电动机 永磁无刷电动机可以分为由方波驱动的无刷直流电动机系统 BLDCM 和 由正弦波驱动的无刷直流电动机系统 PMSM 它们都具有较高的功率密度 其 控制方式与感应电动机基本相同 因此在电动汽车上得到了广泛的应用 PMSM 类电机具有较高的能量密度和效率 其体积小 惯性低 响应快 非常适应于 电动汽车的驱动系统 有极好的应用前景 目前 由日本研制的电动汽车主要 采用这种电动机 开关磁阻电动机 SRM 具有简单可靠 可在较宽转速和转矩范围内高效运行 控制灵活 可四象限运行 响应速度快和成本较低等优点 实际应用发现 SRM 存在转矩波动大 噪声大 需要位置检测器等缺点 应用受到了限制 随着电 动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 自适应控制 专家控制 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动机控制系统 3 33 3 电动汽车整车技术电动汽车整车技术 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 有些节能措施比提高电池储能能力还易于实现 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更加流线型化 可使 汽车的空气阻力减少 50 3 43 4 能量管理技术能量管理技术 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 而要使电动汽 车具有良好的工作性能 就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 选择适当的能量源 即电池 外 还应该有一套 协调各个功能部分工作的能量管理系统 它的作用是检测单个电池或电池组的 荷电状态 并根据各种传感信息 包括力 加减速命令 行驶路况 蓄电池工 况 环境温度等 合理地调配和使用有限的车载能量 它还能够根据电池组的 使用情况和充放电历史选择最佳充电方式 以尽可能延长电池的寿命 世界各大汽车制造商的研究机构都在进行电动汽车车载电池能量管理系统 的研究与开发 电动汽车电池当前存有多少电能 还能行驶多少公里 是电动 汽车行驶中必须知道的重要参数 也是电动汽车能量管理系统应该完成的重要 功能 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