浅谈电动汽车发展及应用

1、摘 要随着汽车拥有量逐年增加，汽车废气排放及对石油资源的过度消耗所引发的环境、能源问题日益严重。控制汽车废气污染及石油的替代能源已成为亟待解决的课题。因此近几十年来，世界各国政一直努力致力于研究开发和推广使用各种低排放或零排放汽车，以解决空气污染问题。电动车是以电力作为能源、由电动机驱动的机动车辆，电动车是典型的零排放车，是目前最具开发潜力的绿色交通工具。通过对电动汽车的种类、特点，对汽车的组成结构和参数的研究，对电动汽车的性能进行综合评估，电动汽车是新能源汽车，是零污染汽车，所以，对电动汽车心脏的能源系统进行分析研究，通过对性能源电池使用寿命、容量、性能及新兴起的电池的研究分析，更好对电动汽

2、车现状发展及应用做出更好的分析。我国电动车的现状是：由于电池的限制和成本过高，使得电动汽车无法量产和应用。而电动自行车由于成本低，得以迅猛发展。研究低成本高效电池和社会充电系统是今后我国电动汽车的发展趋势及应用。关键词：环境保护，节能减排，低碳经济，电动车，蓄电池，现状，趋势AbstractWith car ownership is increasing year by year, vehicle emissions and excessive consumption of petroleum resources caused by the environment, energy issues

3、 become increasingly serious. Control of vehicle emission pollution and oil alternative energy has become an urgent issue. Therefore, in recent decades, the political world has been working hard to research and development and promote the use of a variety of low-emission or zero emission vehicles, i

4、n order to solve the air pollution problem. Electric cars are electricity as an energy source, the motor-driven vehicles, electric vehicles is a typical zero-emission vehicles, is the most potential for development of green transport.The status of electric vehicles in China is: Because the battery l

5、imitations and the cost too high to allow production and electric vehicles can not be applied. The electric bike because of low cost, rapid development possible.Of low-cost, high efficiency battery charging system and society in the future development trend of China's electric car.Keywords：Envir

6、onmental Protection，Energy Conservation，Low-carbon Economy，Electric Cars，Storage Battery；，Situation ，Tendency 目 录摘 要IAbstract11 引言31.1 大气污染与汽车排放31.2 时代呼唤零排放32 电动汽车概述42.1 什么是电动车42.2 电动汽车的种类和特点42.3 电动汽车发展史话及发展战略63 电动汽车的组成结构103.1 电动汽车基本结构103.2 电动汽车参数133.3 电动汽车的性能评价144电动汽车心脏的能源系统154.1 电动汽车的能源特点154.2 电动汽

7、车蓄电池164.2.1 蓄电池的容量164.2.2 比能量和比功率174.2.3 电动汽车的循环寿命和主要蓄电池174.3 其他新兴的电动汽车能源系统19燃料电池194.3.2 超高速飞轮储能技术205 电动汽车的现状及发展趋势215.1电动汽车现状分析215.2电动汽车发展趋势25结 论27参考文献28致 谢291 引言1.1 大气污染与汽车排放随着工业化和城市化的推进，汽车废气排放及对石油资源的过度消耗所引发的环境、能源问题也日益严重，已经引起了世界各国的普遍重视。人类面临的最大的环境问题归纳起来有三个方面：大气污染、水资源污染以及生态环境遭受破环。保护人类赖以生存的自然环境，珍惜地球上有

8、限的石油资源是摆在人们面前迫切需要解决的两个重大课题，传统燃油汽车在这两个问题上与人们的愿望正好背道而驰。 研究显示，造成大气污染的气体主要由非甲烷有机物、氧化氮、一氧化碳组成。据统计，在美国地区，43%的非甲烷有机物、57%的氧化氮、82%的一氧化碳都是汽车废气排放产生的，而全世界20%的一氧化碳排放量来源于汽车废气。由此可见，传统汽车废气已成为城市大气污染的一个主要原因。而且汽车废气排放出的氮氧化物与碳氢化合物在紫外线的作用下，易形成高毒性的光化学烟雾，污染我们赖以生存的自然环境，直接危害人体健康，城市空气污染情况日趋严重，控制汽车废气污染已成为环保部门的严峻课题1。1.2 时代呼唤零排放

9、大量使用汽车对环境造成了严重的污染，因此近几十年来，世界各国政府、学术界以及工业界一直努力致力于研究开发和推广使用各种低排放或零排放汽车，以解决空气污染问题。20世纪60年代末，自美国政府率先颁布了较为严格的汽车排放标准以来，汽车制造业一直努力减少汽车废气的排放。与60年代相比，今天燃油汽车的非甲烷有机物和一氧化碳的排放以减少了96%，氧化氮的排放也减少了76%。1990年，美国提出世界上第一个限制汽车废气排放的法案。法案规定，到1998年，所有汽车商在加利福尼亚州出售的汽车中，零排放车至少要占售出总数的2%，到2003年，零排放车至少要占总数10%。1991年10月，美国东部的9个州以及华盛

10、顿特区也制定了类似法案。在美国影响下，世界上的各个主要汽车生产和使用国纷纷制定了类似的政策或法规，并投入巨资，开发研究新型零排放汽车电动汽车2。2 电动汽车概述2.1 什么是电动车电动车是以电力作为能源、由电动机驱动的机动车辆。在外形上，电动车与传统的汽车并无显著区别，它们的主要区别在于动力和驱动系统。与电动车不同的是，传统的燃油汽车是以液态的汽油或柴油为燃料，以燃油发动机为驱动系统。如果我们将燃油汽车看成是一台机械动力设备，电动车则是典型的机电一体化的电气设备。对这样的机电一体化电气设备来说，除了要考虑它的机械安全性之外，电气安全性也是非常重要的安全指标3。2.2 电动汽车的种类和特点电动汽

11、车又为以下几类：纯电动汽车，如图2-1的奔驰Smart For Two，如果一辆电动车同时采用电动机（电驱动）和发动机（燃油驱动）作为动力驱动系统，就构成了所谓的混合型电动车，图2-2就是本田思域Hybrid。我国产的比亚迪F3DM(如图2-3)，作为世界首款即将量产的双模电动车，在中国乃至世界的新能源汽车领域具有里程碑的意义。F3DM双模电动车搭载了全球最先进的DM双模系统。该系统是一种将控制发电机和电动机两种混合力量相结合的技术，用户通过按键，就可以使车辆在纯电动(EV)和混合动力(HEV)这两种模式之间自由切换。这种技术的好处显而易见，纯电动模式下即实现了零排放，混合动力的排放标准也远远

12、优越于欧IV标准。图2-1纯电动车图2-2 混合型电动车图2-3 比亚迪F3DM由上述电动车的定义可知，电动车是典型的零排放车，本身不产生任何废气，也无冷却剂、机油等污染物。有人错误地认为电动车只是将空气污染从市区搬到了发电厂，实际上，电力的来源可以是多样化的，不仅可用石油、煤炭、核能,还可利用自然界的可再生能量：像水能、太阳能、潮汐能、风能、地热能、生物能等，都可以高效地转化为电能。即使电动汽车利用石油资源，通过“电能电动机车轮”的能量转换和利用效率，也要比通过“石油内燃机变速器车轮”的能量转换和利用率要高1倍左右。将发电厂的污染都考虑在内，电动车也比燃油汽车造成的空气污染少得多，全球低碳经

13、济下，电动车有很大优势。在都市行车时，为了等候交通灯，必须不断地停车和起动，这既造成了大量的能源浪费，又增加了业已十分严重的空气污染。而对电动车，遇到刹车减速或下坡行驶时，可以通过电子控制器将车辆的行车动能“再生”地转化为电能并贮存于蓄电池之中。电动汽车的起动速度相当快，在遇到红灯停车时，还可以不必让电机空转，大大提高能源的使用效率；重新起动，也不会产生大量的废气，可减少空气污染。真正使电动车量产的动力在其经济性上。目前电动车的百公里耗电12度左右，以目前的电价花费10元左右。传统1.6排量燃油汽车的百公里油耗7升左右，目前的油价大约花费50元左右。电动汽车的使用成本只是燃油汽车的20%左右5

14、。另外电动车的电池组成本高出传统燃油汽车的油箱太多，这致使目前电动车的售价很高，几乎是传统燃油汽车价格的一倍。然而从长远考虑，由于使用成本低廉，消费者可以在后期省下的昂贵燃油费中得到补偿。国家也会在近几年出台购电动车的补助政策，这些政策会促使消费者倾向于购买电动车。为了解决行驶里程短的硬伤，混合动力电动车应运而生。这类电动车采用电驱动的电动机和燃油驱动的发动机混合动力。解决了纯电动车的行驶里程短的弊端，又提供了足够的时间进行充电。在尾气排放方面又大大优于传统燃油汽车，是目前主流的电动车类型。2.3 电动汽车发展史话及发展战略19世纪末，美国新兴的工业城市迫切需要发展新型的城市交通工具，以替代既

15、脏又吵的火车和马车。那时，美国人拥有2500万匹马，而主要的个人交通工具是马车和机械奇迹自行车。当时1000万辆既方便又安全的自行车把美国人从每天喂养马匹中解放了出来。自行车的大量使用促进了市区道路的发展，同时也为后来汽车工业不可缺少的冶金铸造、轴承制造、车轮工艺以及变速机构的发展奠定了基础。早在约·亨利发明了直流电动机后不久的1831年，诞生了世界上第一部电动车。而第一部真正具有实际意义的电动车是由苏格兰人德文博特于1834年发明的，当时这部电动车采用的能源是不可充电的简单玻璃封装蓄电池。1895年到1915年是早期电动车黄金时代。当时，美国经济正处于扩张时期，呈现一派繁荣昌盛的气

16、象。随着国家经济的飞速发展，美国急需寻找新型工业，以刺激经济进一步发展。电动汽车正是在这样的形势下发展起来的。在这个时期，电动车占领了美国私人机动车的主要市场。1897年英国伦敦的一辆电动出租车，驱动电机采用的是双绕组的直流电机，用变换绕组连接进行变速，而不是当时常用的调节电压调速。该车载有约600kg的铅酸电池，自重约1300kg，行驶里程为80km。1899年，金纳茨的“永不满足号”(The Never Satisfied)电动车曾在美国创下了110km/h的当时最高时速记录。在1924年的全美汽车展中，电动汽车销声匿迹了，燃油汽车迎来了一个黄金时代，而这个黄金时代一直延续到60年代末。在

17、这段时期，除了业余爱好者们还在锲而不舍地改装各种电动汽车，改善它们的性能之外，大汽车制造商们很少再投资发展电动汽车了6。尽管现今的电动汽车还存在这样或那样的问题，特别是目前蓄电池的能量密度远低于汽油，导致电动汽车的行驶里程还达不到燃油汽车的水平，限制了电动汽车在某些长程交通场合的使用。但进入2000年以来，它还是获得了迅速的发展。据统计，美国人每天平均开车行驶65km，而高速公路限速为88km/h(以加州为例)。具有奔驰Smart For Two这样性能的电动汽车足以满足美国人95的需求。而对其他国家，人们对机动汽车性能的要求比美国还要低一些。由此可见，尽管人们对电动汽车的性能有些担心，但是实

18、际上这种担心并不完全是行驶里程不足的问题，而主要是一个信心问题，今日的电动汽车在满足人们日常交通运输的需求方面是完全可以胜任的8。电动汽车结构简单，毋需更换机油、油泵、汽化器以及消声装置等等，毋需添加冷却水，它的日常维修工作极少。在充电方面，对一般的电动汽车用户来说，晚上在家将电动汽车充满电的时间远小于他们的睡眠时间。因此，尽管目前电动汽车还不能像燃油汽车加油那样，能在几分钟之内充满电，但总的来看，使川电动汽车还是很方便的。近年来，采用各种高新技术的电动汽车层出不穷，给人们带来了一个明确的信息：我们已经走到了电动汽车时代的边缘。随着日新月异的技术进步和人们环保意识的不断提高，21世纪必将成为电

19、动汽车全面发展的世纪。电动汽车开发中要考虑的具体问题列举如下：(1)了解车辆使用的市场和环境；(2) 决定电动汽车的技术条件；(3) 决定使用电动汽车所需的基础设施，以及蓄电池的回收设施；(4) 决定整个系统的结构；(5) 设计底盘和车体；(6) 决定能量方式，采用发电方式或储存方式·纯电动式或混合式；(7) 决定驱动系统，包括电动机、控制器和变速器的类型，单电机或多电机驱动，有齿轮减速或无齿轮减速及其安装方式等等；(8) 根据电动汽车的行驶要求，决定电驱动的技术条件和能源容量；(9) 采用智能化的能量管理系统；(10) 分析各个子系统之间的相互作用，以及对安全和成本的影响；(11)

20、 优化电机驱动的效率；(12) 通过计算机仿真计算，优化整个系统10。不久的将来，我们的城市将会用上由太阳能、风能、氢能及核能产生的电能。而取之不尽、用之不竭的海水也将成为人类的主要能源。与此同时，人类需要开发更有效、更安全的交通工具，保护环境、保护自然。为了解决空气污染以及二氧化碳所产生的温室效应，实现21世纪可持续发展战略，电动汽车正面临着前所未有的发展机遇和挑战。不同国家或不同制造商的电动车发展策略有所不同，而且影响发展的各种因素非常复杂。尽管在市场经济条件下，市场起主导作用，但不等于市场决定一切。制造商、政府和电力部门可以共同培育市场，制订开拓市场的策略。总括来说，电动汽车发展的总体战

21、略可以是：(1) 综合技术优势：集中汽车技术、电机技术、电子技术、材料技术等相关技术的优势，进行系统综合和优化。(2) 综合社会优势：集中政府、工业、电力、交通、用户的优势，进行大协作，共同分担风险和享受成果。(3) 充分利用本地的市场和资源优势，生产出性能和价格合理的电动汽车，并提供有效的基础设施。我国的国情有别于西方国家，为了加速我国的电动汽车发展，我们应该考虑如下措施：(1) 充分利用本地区经济增长迅速、资源丰富和劳动力廉价的优势；(2) 合理地分配市场、自然资源和人力资源；(3) 制定技术规范、标准以及特别适合中国地区的新型交通体系；(4) 发展具有本地特色的创新设计概念；(5) 政府

22、采取优惠政策和扶持措施；(6) 成立电动汽车信息中心，促进技术和经验交流11。够的市场，得以激励制造商不断地改进和开发新型电动汽车，因此成功发展电动车的关键在于开发电动汽车本身与开发市场并举。为此，必须建立汽车工业界、政府和电力部门三者的良好协作关系，共同努力开发电动汽车、完善电动汽车市场。 推动电动汽车发展的动力来源于环境保护和市场需求。市场要求电动汽车尽快降低成本，实现商品化。但是用户、政府和企业对电动汽车的兴趣和侧重点各有不同，寻求它们的共识，则将是电动汽车发展和推广应用的关键，如图2-5所示。政府社会影响全剧环保燃料经济性 工业界 利润领先型企业形象用户价格、燃料经济性、性能、舒适感

23、图2-5 用户、政府和企业之间的关系目前电动汽车存在的问题是初始成本高和行驶里程不理想。其中主要原因是电池问题，有人说要等新型电池有突破才可以推广电动汽车。实际上即使利用现有的技术，只要根据上述工程哲学，根据不同的用途情况加以优化，不仅从技术入手，更从综合经济措施人手，即可以取得综合技术经济效益。现在电动汽车已经开始初步进入市场，但燃油发动机仍占绝大多数份额。在未来的10年里，纯电动车、混合式电动汽车和燃料电池电动汽车市场份额将以稳定的速度增加，而燃油汽车的市场份额从现在开始将会逐渐减少。预计10年后，纯电动汽车将占据一个明显的市场份额，而混合式电动汽车和燃料电池电动汽车市场份额将与燃油汽车所

24、占的份额相当。所有电动汽车加在一起的市场份额将会超过燃油汽车。日趋成熟的、可以应用的技术，如先进发动机、先进蓄电池、先进电机驱动系统、燃气轮机、超大容量电解电容、高速飞轮储存系统和燃料电池，将都被用来提高纯电动汽车和混合式电动汽车的性能。低空气阻力系数技术、低滚动阻力轮胎技术、重量轻的车身和部件技术将会被纯电动车、混合式电动汽车和燃油汽车共同应用，不断提高它们各自的性能12。未来的发展趋势将是燃料电池电动汽车和混合式电动汽车将有长远的市场前景。因为这两种电动汽车具有与目前汽车基本相同的功能，但它们的结构复杂，成本较高，因此要对性能和价格两方面进行平衡。纯电动汽车则适合特定的市场，如(1)社区交

25、通；(2)电价便宜、使用方便的地区；(3)零排放管制地区。一般而言，对于小型车辆包括自行车和摩托车，纯电动汽车更具有生命力。其根本原因是：在小型车辆中，电池的不利因素较少。未来10年中，纯电动汽车和混合式电动汽车在其特定市场范围内的商业化将增长，增长的速度主要取决于它们的价格。未来20年内燃料电池电动汽车的商业化也将增长，总而言之，未来30年内的前景十分令人鼓舞，因为越来越多的人将驾驶洁净的交通工具，而电源和电力驱动仍是关键技术，环境问题仍是发展电动车的推动力。在我国，电动汽车更有着独特的市场。中国的大城市普遍存在着十分严重的交通问题和空气污染问题，这些城市人口稠密，道路狭窄。因此，作为一种小

26、型、中速和短途的日常交通工具，电动汽车是十分理想的，电动汽车在中国有很好的发展条件和广阔的应用前景。并已在“八五”和“九五”期间将电动汽车列为国家重大项目，可以预期电动车的研制和开发将会快取得一批重要成果，为电动汽车在我国的推广应用，减少空气污染，保护环境发挥重要的推动作用13。3 电动汽车的组成结构今天，电力在人们的生活中已得到广泛应用，因此，用电力驱动车辆被认为是最自然不过的事情了。但是，在很多人的眼里，电动汽车既神秘又有很强的吸引力。实际上，电动汽车是机械、电力、磁力和化学定律巧妙结合的产物，现代电动汽车更是集机、电、化、光各学科领域中最新技术于一体，是汽车、电力拖动、电子、智能控制、电

27、化学、计算机、新能源、新材料等工程技术中最新科技成果的集成产物。从广义来看，电动汽车还不仅仅是一部机动车辆，而且是涉及交通、能源、汽车工业、电力部门、环境保护、政治、经济等诸多方面的一个全新的领域。高性能的电动汽车通常是根据现代电动车系统理论专门设计制造的。为了提高电动汽车的性能，必须对电动汽车的结构和参数进行系统的分析研究。3.1 电动汽车基本结构如图3-1所示，电动汽车的基本结构系统可分为3个子系统，即电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。其中，电力驱动子系统又由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成(如图3-2)；主能源子系统由主电源和能量管理系统构成，能量管理系统是实

28、现能源利用监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件；而辅助控制子系统主要是为电动车提供控制电源，具有辅助电源的控制、动力转向、充电控制、空气调节等功能14。图3-1 电动汽车的基本结构与燃油汽车相比，电动车的特点是结构灵活。燃油汽车的能量是通过刚性联轴器和转轴传递的，而电动汽车的能量则基本上是通过柔性的电线传输的，因此，电动汽车各部件的放置具有很大的灵活性。与传统燃油汽车的发动机不同，电动汽车的电动机具有很大的灵活性。不同类型的电动机，像直流电动机、交流电动机、轮式电动机等等都可以作为电动汽车的驱动电机，并直接导致电动汽车不同的行驶性能。不同类型的储能装置，例如不同的蓄电池、燃料电池、超大电容

29、器和高速飞轮等也都会影响电动汽车的重量、体积、尺寸，进而影响电动汽车的性能。这些不同的选择，赋予了电动汽车的设计者很大的灵活性。图3-2 电动汽车电力驱动子系统自动变速传动桥可以用微处理器实现转轴的全电子控制。一个由停车、倒车、空档、行驶以及一档构成的五档选择器为驾驶员提供了各种驾驶情况下的不同选择。控制器将根据驾驶员所挂的档位自动地决定变速齿轮在哪一级变速档上，并将适当的信号送到液压控制系统以执行变速控制。由于交流异步电机的转动惯量低并有理想的转矩特性，使得控制变速桥进行平滑的自动变速变得更加容易。采用不同的动力驱动方式和不同的能源系统可以构成不同结构形式的电动汽车。(1)带有多级变速齿轮箱

30、的电动车早期的许多电动汽车是由燃油汽车改装而成的。这种电动汽车只是将汽车的引擎和油箱替换成电动机和蓄电池，而保留燃油汽车离合器、变速齿轮箱和差速器等机械部件。改装电动车由于离合器、变速箱这类机械部件本身业已存在，采用多级变速驱动是最简单的方法。通常这类改装电动车的性能直接取决于蓄电池，由于目前蓄电池的能量密度远低于汽油，因此改装电动车难以获得很高的性能。(2)采用固定减速比的电动汽车采用固定减速比的转矩转速驱动特性。随着电动机控制性能的改善，电动机驱动具有相当大的控制灵活性和理想的转矩转速特性，完全可以满足机动车的驱动性能要求。现代电动汽车大都采用这种结构。(3)采用电动轮驱动的电动汽车如果将

31、驱动电动机直接安装在车轮中，可以使电动车的结构变得更加紧凑，进而进一步缩小电动车的体积减轻其重量，提高传输效率并降低成本。这种结构的优点是取消了传动齿轮箱，其代价是低速电机的体积、重量和成本通常比较高。采用电动轮驱动的电动汽车通常采用两轮或四轮驱动。(4)单电机或多电机驱动汽车在转弯时，由于内外侧车轮的转弯半径不同，必须调整两侧车轮的速度，实行差速，以使得汽车可以平稳行驶。而对于电动汽车，如果采用双电机或者四电机驱动，由于每个电机的转速可以有效地独立调节控制，实现电子差速。在这种情况下，电动车可以不用机械差速器。 (5)能源系统对电动汽车结构的影响除了电力驱动系统对电动汽车结构的影响之外，不同

32、的能源系统，如各种蓄电池、燃料电池、高速飞轮及超大电容器等不同的储能手段，都能构成不同的电动汽车结构，对电动汽车的性能产生很大的影响16。3.2 电动汽车参数一般来说，电动汽车和燃油汽车同样都是机动车，就外部性能而言，描述它们的数学和物理手段并无大异。因此，大多数的电动汽车参数都可以从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴，但是由于电动汽车的特殊性，她的蓄电重量、效率、再生能量的利用效率等性能参数却是传统的燃油汽车所没有的。1. 重量电动汽车的重量是重要的性能参数，因为它们直接影响到电动汽车的行驶里程和行驶性能。电动汽车的重量定义如下：(1) 自重不包括载重的电动汽车重量；(2) 毛重包括载重的电动汽车

33、重量；(3) 载重乘客和货物的总重量；(4) 惯性重量自重加标准的载重量；(5) 最大重量电动汽车在得以安全行驶条件下的最大毛重；(6) 驱动系统重量电动汽车整个驱动系统的重量；(7) 蓄电池重量电动汽车车载蓄电池的重量。2. 体积参数.电动汽车的体积参数与传统汽车类似，主要是：(1) 车体尺寸车体的长、宽、高；(2) 前部面积车体的前部等效面积，将直接影响电动车的空气阻力系数；(3) 座位容积车内允许的乘客数量；(4) 货物容积车内允许的货物容积。 3. 力参数 机动车行驶要克服的阻力称为道路负载，道路负载Fl主要由空气阻力Fd轮胎滚动阻力Fr和爬坡阻力Fc等三个分量构成，如图2.7所示。它

34、的数学表达式为：Fl= Fd + Fr + Fc图3-3 电动车的道路负载空气阻力： Fd是由于机动车高速穿过空气障碍而产生的运动阻力。轮胎滚动阻力：Fr 是由于轮胎与地面摩擦产生的阻力。影响滚动阻力的因素主要有轮胎的形状、压力、温度、胎面厚度、线网层、车速以及所传递的转矩等等，其中胎型和压力又是最主要的因素。爬坡阻力：Fc爬坡时受到更直接的地心引力。坡度越大，阻力越大。3.3 电动汽车的性能评价林林总总、洋洋大观的电动汽车家族种类繁多、性能各异，如何建立一个统一的性能标准，以评价这些不同厂家生产的、不同类型的电动汽车，成为电动汽车发展的一项基础研究。在环保意识不断提高的今天，人们已不再简单地

35、追求汽车最高时速和加速性能，燃油汽车的废气排放已成为汽车性能的又一重要的考核指标。此外，汽车的舒适性、安全性等等也都会成为汽车推销商的卖点。对于电动汽车，一次充电后的最大行驶里程则是最重要的性能指标。这是因为，一辆1.5 L的燃油汽车加满汽油之后至少可行驶500 km，而大部分的现代电动汽车一次充电后的行驶里程在200 km左右，远低于燃油汽车，还不能完全满足人们对现代机动车辆的性能要求，从而成为制约电动汽车发展的主要因素。因此人们在评价电动汽车的性能时，主要要考虑如下性能指标：(1)车体重，kg；(2)载重，kg；(3)载客人数或载货体积，m3；(4)最大重量，kg；(5)能量效率和功率效率

36、；(6)连续最大行驶速度，km/h；(7)最大爬坡能力，；(8)深度放电条件下的充电时间，h；(9)最大行驶里程电动车每次充满电后的最大行驶里程，km；(10)加速能力电动车从静止加速到一定的时速，s；(11)最高时速电动车所能达到的最高时速，km/h。值得注意的是一辆电动汽车如果以40 km/h的恒速行驶在高速公路上，可行驶200 km，而在市区，则由于要不断地起动和刹车，可能最多行驶120 km。不同的行驶方式导致了电动汽车的行驶里程有很大的差异，为了合理地评价机动车 的性能，人们制定了统一的机动车驾驶模式。由于不同国家或地区的驾驶条件差异很大，各个国家分别制定有自己的驾驶模式，其中主要有

37、：美联邦都是驾驶模式、欧洲驾驶模式、美国机动车工程师协会（SAE）J227a驾驶模式、日本电动车协会驾驶模式。由于我国的电动汽车开发起步较晚，目前尚未建立自己的电动汽车驾驶测试标准模式，而一直沿袭美国或欧洲的标准。因此建立适合我国国情的驾驶测试模式已是中国发展电动汽车事业的当务之急。4电动汽车心脏的能源系统从前一章中我们关于电动汽车的主要参数和特性的分析可见，电动汽车能源系统的体积、重量、形状和技术参数，决定了电动汽车的行驶性能，是电动汽车最重要的子系统。在目前以及可以预见的未来，能源系统是电动汽车实现市场化的瓶颈，本章将对电动汽车的能源系统进行详细的讨论和分析。4.1 电动汽车的能源特点为了

38、确保点东侧合理的行驶性能，对其能源系统应具有如下要求：(1)高比能量（2h放电率时至少44 W·h/kg)，以确保电动车达到合理的行驶里程(2)高比功率，以确保电动汽车的加速和爬坡性能；(3)寿命长，免维护；(4)制造成本低廉；(5)自放电、自衰减小；(6)合理的运行环境要求；(7)充电快、效率高、设备简单；(8)尺寸小；(9)发生事故时的安全性好；(10)可回收性好；(11)更换简便。目前，适合电动汽车的能源系统有：蓄电池、燃料电池、电容器储能和飞轮储能等。其中蓄电池、电容器和飞轮是所谓储能系统，燃料电池则是利用化学反应产生电能的发电系统。由于蓄电池的技术比较成熟，价格相对低廉，就

39、近期而言，蓄电池将是电动汽车的主要能源。最近燃料电池及电容器储能技术的发展受到了较多的关注，成为电动汽车长期发展中较有前途的能源形式，而飞轮储能技术的实用化则是电动汽车发展的远期目标。4.2 电动汽车蓄电池 蓄电池的容量蓄电池的容量就是蓄电池的蓄电能力。通常以充足电后的蓄电池，放电至其端电压到达规定的终了电压时，电池所放出的总电量来表示。当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量(Q)等于放电电流(Id)和放电时间(td)的乘积：Q = Id·td式中Id的单位为安(A)，td的单位为小时(h)，Q的单位为安时(A·h)。如果放电电流不是一个固定不变的常数，那么蓄电池的容量为不同的

40、放电电流与相应时间的乘积之和：Q=Id1·td1Id2·td2Idn·tdn蓄电池的容量并不是一个固定不变的常数，除了与极板表面能参与电化学反应的活性物质数量有关外，还与充电的程度、放电电流的大小、放电时间的长短、电液的比重、温度的高低、蓄电池的效率以及新旧程度有关。在使用过程中，放电电流的大小和电解液的温度是影响蓄电池容量的主要因素。能源比能量 /（W·h）·kg-1汽油天然气甲醇氢气煤铅酸电池钠硫电池钢飞轮 12300 9350 6200 28000 8200 3550 150300 1230表4-1 不同能源系统比能量 比能量和比功率能源

41、系统的比能量被定义为单位质量的能量。其量纲为（w·h/kg)。电动汽车能源与传统汽车能源最根本的差别，在于它们的比能量相差很大，表4-1给出了不同能源系统比能量的典型数据。由此可见，汽油的比能量是铅酸电池的250倍。从上一章的电动汽车系统理论分析可知，电动汽车的行驶里程则完全是由车载总能量决定的。由于电动汽车车载能源的比能量远低于传统汽车车载能源的比能量，这就决定了在蓄电池技术还未能取得有效突破的情况下，电动车的行驶里程仍将不敌传统汽车，这就是目前电动车还不能迅速普及的原因之一与比能量的定义相类似，能源系统的比功率被定义为单位质量的功率，其量纲为W/kg。如果一个蓄电池的比功率较大，

42、则表明在单位时间内，单位质量所放出的能量较多，即该电池能用较大的电流放电。而且电动汽车的加速性能是由其驱动系统的功率特性决定的。因此，蓄电池的比功率决定了电动汽车的加速性能。与比能量特性不同的是，蓄电池的比功率与传统的汽油或柴油相当，因此电动汽车的加速性能一般不低于传统的燃油汽车。4.2.3 电动汽车的循环寿命和主要蓄电池蓄电池的充放电循环寿命是衡量二次电池的一个重要参数。蓄电池经受一次充电和放电，称为一次循环。在一定的充放电条件下，电池容量降至某一规定值之前，电池能耐受的充放电次数，称为蓄电池的充放电循环寿命。充放电循环寿命越长，电池的性能越好。蓄电池的充放电循环寿命与放电深度、温度、充放电

43、形式等条件有关。所谓“放电深度”，是指蓄电池放出的容量占额定容量的百分比。减小放电深度，即“浅放电”，蓄电池的充放电循环寿命可以大大延长。传统汽车的能源结构即油箱，在整个汽车的寿命期内属于耐用部件，通常不会损坏。然而对于电动车，由于蓄电池隔板的自然锈蚀或者充放电过程中的人为损坏，使得蓄电池的寿命远低于电动车本身的寿命。因此，蓄电池的循环寿命成为影响整个电动车运行成本的一个重要因素。在目前及可以预见的将来，蓄电池是电动汽车的主要能源。为了发展电动汽车的能源系统，美国能源部、通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司，会同主要的蓄电池生产厂商于20世纪80年代末成立了美国(1)铅酸电池：先进蓄电池集团(US

44、ABC)，以促进用于电动汽车的蓄电池技术的研究和开发。铅酸电池的额定电压是2V，比能量为35W·h /kg比功率200 W/kg。他采用海绵状铅作为负极板，二氧化铅为正极板，用硫酸作为电解液。在充满电时，硫酸浓度最高，水含量最低。当用小灯泡联接到电池正负两端开始放电时，一个电极上的离子通搏电解液到达另一极，从而改变了金属电极和电解液的化学成分。此时，铅与二氧化铅均转化为硫酸铅。当电池完全放电时，因为电池极板上均覆以硫酸铅，而电解液中主要是水而非硫酸，已不能再产生电流了。当电池充电时，化学反应过程相反，电解液中的硫酸不断地得到补充，以恢复产生电能的能力。铅酸电池已经成功地实现商品化近一

45、个世纪了，就全球而言，目前它的销量占到全部蓄电池销量的50%左右。铅酸电池如此成功的原因是因为它的制造技术成熟、价格低廉、电池的电压高、高低温性能好、高效率、长浮充寿命以及无记忆效应等等。正因为这些优点，铅酸电池不失为电动车驱动的优先选用能源系统之一。然而铅酸电池的缺点是其比能量相当的低，自放电率高，循环寿命低。 (2)镍镉电池：由于镍镉电池成熟的技术及优良的性能。使它成为当前最具吸引力的蓄电池之一。大多数电池制造商认为镍镉电池与铅酸电池是当前第一代商业化电动汽车的首选电池。典型的镍镉电池的标称电压1.2 V，比能量56 W·h/kg，比功率225 W/kg。它以羟基氢氧化镍为正极，

46、金属镉为负极碱性电解液为一种水溶性氧化钾溶液，其碱性密度为1.2 kg/L。镍镉电池的主要优点是比功率高(超过220 W/kg)、循环及浮充寿命长(分别为2000次和7年)、使用温度范围宽(-4085)、快速充电能力强(从40到80仅用18 min)。但是镍镉电池昂贵的初期投资(为铅酸电池的24倍)、比较低的标称电压(1.2 V，铅酸电池是2 V)、记忆效应和镉污染等都是电动汽车应用中的不利因素。(3)镍氢电池：镍氢电池的活性材料是一种氢化金属形态的氢，以此作为负电极，正电极是羟基氢氧化镍。它与镍镉电池的主要区别在于它的负极是氢，而不是金属镉。氢化金属在电池充放电时能够进行氢吸收和释放的可逆反

47、应，与镍镉电池一样，水溶性氧化钾溶液是镍氢电池电解液的主要成分。当电池放电时，负极上的氢化金属被氧化成合金，正极上的羟基氢氧化镍被减少为氢氧化镍，而充电过程则相反。镍氢电池的标称电压为1.2 V；比能量高于镍镉电池，达到65 W·h/kg，这在目前的蓄电池中是较高的；比功率200 W/kg，低于镍镉电池；无铬污染；放电时发热较少；有类似于镍镉电池的快速充电能力。但是，镍氢电池的放电能力和比功率不如镍镉电池高。镍氢电池是近期电动汽车发展的重要选择之一，它的发展受到很多国内外著名电池发展商的极大重视，投人了巨大的人力和财力开发、改进镍氢电池的性能，以期在镍氢电池方面取得重大突破。目前镍氢

48、电池技术还在进一步的发展之中。(4)锂离子电池：锂离子电池采用锂碳夹杂材料(离子)作为负电极，一个锂过渡金属化合物作为正电极液体质子惰性有机溶液，如溶于丙烯碳酸二乙醚溶剂的盐作为电解液。在充放电时，锂离子通过电解液游离于正负极之间。放电时，锂离子被负电极释放，通过电解液游离至正电极，充电过程则相反。锂离子电池的优点是电压高，达到4 V；比能量高，达到120 W·h/kg；较长的循环寿命(达1000次)；充电时间短；原材料蕴藏丰富并且使用安全。到目前为止，可用于电动汽车的蓄电池千差万别，多达数十种，但还没有一种蓄电池能够在电动车应用中占主导地位，这些电池各有千秋。从目前的发展来看，新型

49、铅酸电池，镍氢电池及锂离子电池是电动车应用中最具潜力的电池，这些蓄电池还处在不断的发展之中。4.3 其他新兴的电动汽车能源系统燃料电池燃料电池是一种利用燃料和氧化剂产生电能的系统。燃料可以是氢气、碳氢化合物、天然气、甲醇甚至汽油等，在催化剂的作用下，燃料慢慢地与空气或氧气之类的氧化剂相结合，可以不断地产生电流。尽管燃料电池在燃烧时有热损失，但在室温下它的转化效率仍能达到84。现阶段，固态聚合燃料电池技术比较成熟，即使包括容器和附件在内，这种燃料电池的比能量也将达到500 W·h/kg，远远高于任何一种蓄电池。但是它的比功率却只有60 W/kg，这就限制了由燃料电池驱动的电动车的加速和

50、爬坡能力。此外，燃料电池在电动车刹车或下坡时，不能回收利用再生能量。在价格方面，目前燃料电池是极其昂贵的，固态聚合燃料电池的成本达到4000美元/kW，是蓄电池的数十倍。因此，尽管这种燃料电池具有非常理想的比功率，但由于价格十分昂贵，降低成本是普及燃料电池的一个重大课题。也许，人们还不能期望蓄电池驱动的电动汽车在行驶里程方面与燃油汽车相媲美，但是以燃料电池为动力的电动汽车的行驶里程则完全是由车载燃料量决定的，只要有适量的燃料，电动汽车就可具有与燃油汽车相当的行驶里程。与燃油汽车类似，这类电动车补充燃料也可以在几分钟之内完成。燃料电池的寿命通常远高于蓄电池并且几乎是免维护的。正是由于上述特点，尽

51、管燃料电池还有种种缺点，它仍然为电动汽车描述了一个能与燃油汽车相竞争的美好前景。近年来，人们对燃料电池在电动汽车上应用开发的兴趣日益增加。 超高速飞轮储能技术高速飞轮技术在20世纪70年代至80年代初曾是技术发展的一个热点。在中东石油危机之后，人们对它的兴趣慢慢减退了。近年来，随着高强度复合材料和低耗轴承的发展，以及电动汽车应用的需要，超高速飞轮技术再次成为研究热点。发展能够应用于电动汽车的超高速飞轮，其丰要技术包括：能够承受超高速运行的高强度飞轮；能够将电能和机械能进行高效率双向转换的电机和功率变换器。超高速飞轮的基本结构。超高速飞轮可以用作电动车的辅助能源系统。与超大电容器类似，它将电动汽

52、车正常行驶时、刹车减速时或下坡时的动能储存起来。在起动、加速或爬坡时为电动汽车提供辅助的短时动力，以改善电动汽车的行驶性能。特别是可以大大增加电动车的行驶里程，延长蓄电池的使用寿命。它的比能量可达100 W·h/kg，比功率达1500 W/kg，储能能力高于任何现存的或潜在的蓄电池，甚至可以高于内燃发动机。超高速飞轮既没有环境污染的问题，又有寿命长、可靠性高、免维护、重量轻和体积小的优点，是电动汽车理想的能源系统。不久之后，超高速飞轮就可以替代超大电容器成为电动车的辅助能源系统。5 电动汽车的现状及发展趋势5.1电动汽车现状分析电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道

53、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小得多，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。电动汽车的发展就并不像电动自行车一样在我国如雨后春笋般的蓬勃发展了。目前，在我国，纯粹电动车还没有量产。电动汽车不能像电动自行车一样快速发展有以下几个主要原因：(1)电动汽车的行驶里程比传统燃油汽车短的太多，部分消费者仍然无法接受。(2)电动汽车的成本高，是普通燃油汽车的一倍甚至两倍，没形成经济规模。(3)充电时间长，不像燃油汽车那样几分钟即可加满油。(4)我国缺少电动汽车所需的类似于加油站的快速电池充电站设施。(5)消费者对电动汽车的缺乏了解，没有尝试购买电动汽车的愿望。人类越发的重视环境

54、保护和石油量的日趋枯竭迫使电动车必须克服一切困难发展来代替传统燃油汽车。事实上，电动汽车也并没有停止发展，它正在以其他的形式前进。混合动力驱动电动汽车是目前主流的电动车。混合动力汽车就是在纯电动汽车上加装一套内燃机，其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。目前，我国在新能源汽车的自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池、燃料电池为“三横”的研发布局，通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新取得了重大进展。(1)形成了具有完全自主知识产权的动力系统

55、技术平台，建立了混合动力汽车技术开发体系：混合动力汽车的核心是电池（包括电池管理系统）技术。除此之外，还包括发动机技术、电机控制技术、整车控制技术等，发动机和电机之间动力的转换和衔接也是重点。从目前情况来看，我国已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。截止到2009年1月31日，在混合动力车辆技术领域，我国知识产权局受理并公开的中国专利申请为1116件。 在1116件专利申请中，发明为782件（授权为107件）、实用新型为334件。(2)掌握了关键零部件核心技术，自主开发出系列化产品，关键零部件产业化全面跟进：在混合动力

56、汽车的核心电池技术研发方面，我国已自主研制出容量为6Ah-100Ah的镍氢和锂离子动力电池系列产品，能量密度和功率密度接近国际水平，同时突破了安全技术瓶颈，在世界上首次规模应用于城市公交大客车；自主开发的200kW以下永磁无刷电机、交流异步电机和开关磁阻电机，电机重量比功率超过1300w/kg，电机系统最高效率达到93；自主开发的燃料电池发动机技术先进，效率超过50%，成为世界上少数几个掌握车用百千瓦级燃料电池发动机研发、制造以及测试技术的国家之一。(3)掌握了电动汽车整车开发关键技术，形成了各类电动汽车的开发能力。我国混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显著，不同技术方案可实现

57、节油10%40%。同时，各汽车企业对混合动力汽车的研发和产业化投入显著增强，产业化步伐不断加快。目前，国内汽车企业已将混合动力汽车作为未来主流竞争型产品在战略上高度重视，一汽、东风、上汽、长安、奇瑞、比亚迪等都已投入了大量的人力、物力，混合动力车型已完成样车开发，并有部分车型已经实现小批量上市31。一汽集团：发展目标：到2012年，该集团计划建成一个年生产能力为混合动力轿车1.1万辆、混合动力客车1000辆的生产基地。一汽集团从1999年开始进行新能源汽车的理论研究和研制工作，并开发了红旗混合动力轿车性能样本。“十五”期间，一汽集团承担了国家“863”划重大专项中“红旗牌串联方式混合动力轿车研究开发”任务，正式开始了新能源汽车的研发工作。从2006年开始，一汽在奔腾B70的基础上，进行混合动力化的技术研究，将原来的纵置发动机总成改成横置发动机总成，采用了横置发动机及双电机混联技术。同时，一汽还抓紧了对发动机、机电一体化变速器、整车控制网络、整车控制系统的研发，目前一汽混合动力轿车已经取得了42的节油效果