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电动汽车领域的技术现状 作者： 日期：10 世界工程师大会 2004年十一月2日至6日 中国上海电动汽车领域的技术现状FIHKIE FIEEE FIEE 研究员，英国皇家学院英国工程院院士，中国工程院院士;联合创始人，世界电动车协会，香港薄扶林道香港大学名誉教授。摘要：世界上环境保护和能源问题受到了越来越多人的关注，这加快了电动和混合动力汽车（EV/ HEV）的发展速度。市场上电动和混合动力汽车越来越多，研发具有商业价值的电动和混合动力汽车的梦想正在逐步实现。本文回顾了全球的电动车和混合动力车的现状，及其最先进的工程理念和关键技术的重点。关键词： 电动和混合动力汽车，纯电动推进驱动器1. 可持续的能源和电动汽车 电动汽车（EV）是面向21世纪的清洁，高效，可持续的交通工具。电动汽车是可持续使用的，因为它可以使用可再生能源产生的电能，如氢燃料电池等等可持续能源为能量来源。 电动汽车是涉及电力推进的公路车辆。在这个广泛的定义下，电动汽车包括电池电动（BEV），混合动力电动车辆(HEV)和燃料电池电动车辆(FCEV)。电动汽车的研究涉及许多学科，涵盖面既广泛又复杂。但是，它有一个核心技术，即底盘和车身技术。本文首先回顾电池电动汽车，混合动力汽车和燃料电池电动汽车的发展现状，然后专门论述电动汽车发展的工程理念。下文中的插图注明了BEV，FCEV的配置，它将讨论电动汽车中的主要技术，即推进技术和能源技术。结尾部分将总结当前的状态和将来可能遇到的挑战。2为什么研发电动汽车 在接下来的50年里，全球人口将从60亿增加至100亿，车辆的数量将从七千万增加到二十五亿。如果所有汽车都由内燃机推动，从何获取巨量的汽油供其消耗？这么大的排放量会造成多少污染？天空难道要永远变成灰色么？这些问题的答案是极为沉重的，人们不得不面对如何实现21世纪可持续道路交通，电动汽车等问题，并积极努力去设法解决。在环境方面，电动汽车的排放量非常低甚至可能达到零，即使考虑到电厂所需的燃料车辆的排放量，使用电动车辆仍然可以显著减少全球空气污染。在能源方面，电动汽车可以提供一个安全，全面和平衡的能源使用方式，有着效率高，对环境影响少，可再生种种优点。3现状 现如今，电池电动汽车，混合动力汽车和燃料电池电动汽车处于不同的发展阶段，面临着不同的挑战，需要不同的应对策略。为了帮助读者在阅读整个文本之前了解这些车辆的功能和问题，表1给出了这三种研究车辆的主要结构关系。由表中可以看出，BEV关键的问题是电池电量。因此，BEV主要适用于短距离，低速公共交通运输，需要电池的尺寸必须较小。混合动力汽车能够满足消费者需要，并增加了价值，但成本过高是其主要的问题。 燃料电池电动汽车有长期的潜力，但也受到成本问题的限制。它的技术仍处于发展阶段，成本和加油系统的问题仍需要大量关注，但是燃料电池电动汽车有很大可能在未来很长一段时间内在主流汽车中占据一席之地。 表1 BEV HEV FCEV的主要特征类别电池电动车混合动力电动车燃料电动车动力电动机驱动器电动机驱动器内燃机电动机驱动器能源系统电池电池超级电容器CE产生单位燃料电池能源和基础设施电网充电设施加油站电网充电设施（可选）氢甲醇或汽油乙醇特点零排放独立于原油100-200公里短距离较高的初始成本商用非常低排放续驶里程长对原油的依赖复杂商用零或超低排放高能源效率独立于原油满足续驶里程现在成本高根据发展主要问题电池及电池管理高性能推进充电设施多能源管理依赖于驾驶周期电池的大小和管理燃料电池的成本燃料处理器加油系统经过多年的发展，电动车技术日趋成熟。通过许多先进的技术在延长续驶里程同时降低了成本。举例来说，使用的先进的感应电机驱动器和永磁无刷电动机驱动器，以改善电推进系统，使用先进的阀控密封铅酸（VRLY）电池，镍金属氢化物（NiMH）电池，锂离子（Li-Ion）电池，锂聚合物电池，燃料电池和超级电容器，以改善电动汽车的能源，以质量刚性材料为主的灯体技术，使车身风阻系数低，以减少空气阻力和轮胎的滚动阻力、中等行驶速度下的运行阻力、以及采用先进的充电，动力转向或变温席位，以提高电动汽车助剂。表2展示了最近的电动汽车的数据。生产厂家类型尺寸载重/载客性能驱动电池发动机丰田HEV4445x1725x19401555-1575kg/5人最高速：180km/h百米加速时间：10.9秒日本：10.15模式：2,81L/km欧洲驾驶周期：4.3L/100km永磁同步电机最大功率：50kw/1200 -1500rpm最大扭矩：115Nm/4200rpm400Nm/0-1200rpm镍氢2.3升汽油发动机福特HEV4442x1781x17881720kg/5人城市驾驶：5.9-6.7L/km二氧化碳排放量减少一半SLEV永磁同步电机最大功率：70kw/3000 -5000rpm最大扭矩：175Nm/4500rpm燃料电池锂电池NA尼桑EFFIS3000x1600x15504人最高速：150km/h特殊结构的单机NANA本田FCX1680千克 私人NA最高速：150km/h永磁同步电机最大功率：80kw扭矩：272Nm燃料电池最大功率：70kw电容量：8FNA本田KIMAMI4500x1820x12504人NANANANA4 电动汽车发展的工程理念基本来说，电动汽车工程理念可视为汽车工程和电子工程的集成。因此，集成体系的构建和优化最为重要，这是能否在成本合理的前提下制造出满足功能需求的电动汽车的关键。其次，由于电力推进和其他发动机推进有着根本的不同，一个新的电动汽车工程建设浅探方法是必不可少的。此外，先进的能源和智能能源管理是电动汽车与传统内燃机汽车（ICEVs）竞争的关键因素。当然，整体成本效益是电动汽车市场化的根本因素。5 电动汽车和混合动力电动汽车配置5.1 电动汽车配置图1示出的EV的组合物，由三个主要的子系统电推进，能量源和辅助组成。电力推进子系统包括电子控制器，电源转换器，电机，机械传动机构和驱动轮。能量源子系统包括能量源，能量管理单元和能源供油部。辅助子系统由动力转向装置，温度控制单元和辅助电源组成。该图中，一个机械连接由一个双行线表示，一个控制链路的电连结用细线到粗线来表示。每行上的箭头表示的电功率或控制信息通信的方向。基于从制动和油门踏板的控制输入端，由所述电子控制器提供适当的控制信号，以打开或关闭功率器件的功率转换器，其功能是调节功率流之间的电动马达和能量源。滞后功率流是由于再生制动的电动汽车，这个再生能量的能量源是容易接受并储存的。注意最可用的EV用电池（除一些金属/空气电池）以及易于接受再生能量的电容器和飞轮。能量管理单元与电子控制器来控制再生制动，对系统能量流进行优化的。也可以与能量加油单元一起工作来控制和监测能源的可用性。不同电压等级为所有的电动汽车助剂，特别是温度控制和动力转向装置，辅助电源提供了必要的动力。注1：由于多次转码，此图的模糊程度极为严重，大量字母无法辨认，故不再翻译。5.2 混合动力电动汽车配置混合动力电动汽车建设浅探方面的主要难题是管理多个能源，高度依赖于驾驶循环，电池尺寸和电池管理。HEV的电动驱动器的能够补偿ICE的固有的弱点的优点有以下几个，即，（1）以避免空转，（2）增加ICE效率和减少起动和低速运转的排放，3增加ICE效率和减少高速运转的排放，和（4）减速期间和下降斜率驾驶时使用再生制动来代替机械制动。HEV能满足当前客户的需求，更有市场价值，但成本是其主要的问题。政府如果通过给予一定奖励来降低投资成本负担，混合动力电动汽车未来有可能在主流汽车生产中占有相当大的份额。 传统上，混合动力电动汽车分为两种基本类型，即串联和并联。近年来，随着一些提供了串联和并联混合动力功能的混合动力电动汽车的引入，分类已经扩展到3种:串联，并联和串并联。有趣的是，一些新推出的混合动力电动汽车不能被归类到这些3种。在此，我们将混合动力电动汽车新划分为四种类型：串联式混合动力并联式混合动力串并联混合动力复杂混合 动力 ：图2示出了相应的功能性的方框图，其中的电链路是双向的，GB/T7586-1996链接是单向的，机械连结（包括离合器和齿轮）也是双向的。可以发现，串联式混合动力的关键特征是由ICE/发电机和电池一起向电动马达提供电力来推动车辆的推进车轮，完成推进任务。而并联式混合动力的关键特征是以ICE的机械动力和电动机来推动车辆的推进车轮，完成推进任务。串联 - 并联混合动力车是一个直接结合的串联和并联混合动力车，在顶部有一个串联并联式混合动力操作。复杂混合动力的优点是可以提供额外的和通用的操作模式。 表3 电池的关键参数具体能源能量密度比功率循环寿命预计成本表4 电池优势比较优势铅酸镍镉电池镍氢常规锂离子聚合物锂离子铅酸重量能量密度体积能量密度工作温度范围自放电率可靠性（逐行灭绝）重量能量密度体积能量密度自放电率重量能量密度体积能量密度自放电率输出电压重量能量密度体积能量密度设计特点镍镉电池更高的可循环性输出电压价格重量能量密度体积能量密度自放电率输出电压重量能量密度体积能量密度设计特点镍氢更高的可循环性输出电压价格工作温度范围更高的可循环性自放电率价格撤消修改重量能量密度体积能量密度自放电率输出电压重量能量密度体积能量密度设计特点常规锂离子更高的可循环性安全价格再循环工作温度范围更高的可循环性自放电率价格再循环价格再循环安全重量能量密度体积能量密度设计特点安全价格聚合锂离子更高的可循环性价格工作温度范围更高的可循环性自放电率价格价格体积能量密度更高的可循环性工作温度范围 更高的可循环性完全优势更高的可循环性价格工作温度范围 价格体积能量密度重量能量密度体积能量密度自放电率输出电压重量能量密度体积能量密度设计特点表5 燃料电池的典型特征PAFCAFCMCFCSOFCSPFCD工作温度能量密度设计寿命设计消耗6电力推进电力推进系统是电动汽车的核心系统。它由电动机驱动，传动装置和车轮组成，发送装置有时是可选择性设置。事实上，电动驱动机，包括功率转换器和电子控制器，是电动汽车推进系统的核心。电动汽车电动机驱动应当满足如下要求：瞬间高功率和高功率密度驱动时节节攀升，以及高功率高速巡航在低转速下的高扭矩。转速范围广，应包括恒转矩和恒功率区，转矩响应快。在较大的转速和转矩范围内效率较高。高效率的再生制动。各种运行条件下的高可靠性和耐用性。合理的成本。 过去，直流电动机曾是十分优秀的电力推进系统，因为转矩 - 转速特性适合牵引的要求，速度控制简单。但是直流电动机换向器需要定期保养。最近，随着技术发展到一个新的时代，新型换向器电机已经出现，以其的更高效率，更高的功率密度，更低的运营成本，更可靠，免维护的优点超过了直流电动机。高可靠性和免维护运行是电力推进系统在电动汽车的主要考虑因素，无换向器电机的吸引力由此而来。作为电动汽车的推进系统，无换向器电机中的感应电机因为它们的成熟，可靠性高，免维护受到广泛欢迎。永磁（PM）的无刷电机，其使用PM产生的磁场有较高的效率和更高的功率密度，也有可能替代直流电动机的位置。结构简单坚固的开关磁阻（SR）电机同样也有可能。7 能源7.1电池 在外界因素影响下，电池电动汽车，混合动力汽车和燃料电池电动汽车的电池工作条件有很大的不同。因此电动车电池的性能要求应得到充分理解表3显示了与美国先进电池联盟的目标数字相比，电动车电池的关键参数表4示出的具体的优点和各种电动车电池的比较。7.2 燃料电池是一种电化学装置，能够通过电化学反应将整数电能转换成自由能。与电池相反，燃料电池产生电能而不是储存电脑，在保持燃料供给的情况下可以一直运作。其优越的特点是燃料转换成电能的高效性，运行安静，零或非常低排放，从废弃物可回收热量迅速加油，可使用多种燃料，耐用，可靠。 表5总结了各种燃料电池的典型特征 可以看出，熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物型燃料电池要求非常高的工作温度，分别超过600和900，使它们实际上难以被应用到电动车上。直接甲醇燃料电池，经过了30年以上的发展后，其电能水平和功率密度对于实际应用来说仍旧偏低，其相关技术仍在研究之中。其他电池如磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体高分子型燃料电池（质子交换膜燃料电池），从技术理论上都已经可以投入电动汽车的实用当中。8结论电动汽车的发展顺应了人们对于节能和环保的需求。在未来的几十年里，在新技术的帮助下，电动汽车电池的研究将继续前行。电池电动汽车将主要是针对利基市场的小型车，如公共交通运输。混合动力汽车能够满足消费者需要，其数量会以更快的速度增长。混合动力电动汽车的关键问题是如何优化多种能源，以较低的成本获得最好的性能。燃料电池电动汽车将在未来的主流车辆中占据长期稳定的份额，它零排放和兼容的优点非常重要。燃料电池电动汽车的主要开发难题是如何降低燃料电池，高效的燃料处理器和加油系统的成本。适当的工程理念对于电动汽车的发展战略的指导是必不可少的。 参考文献CChan.and KTChau，现代电动汽车技术，牛津大学出版社2001.ISBN0198504160。CChan，“电动车和混合动力车的状态”，IEEE，Vol.90，2号，二月，2002，pp247-275。 MH，威斯布鲁克，电动车，IEE.ISBN0852960131。Iohn，M，米勒，混合动力汽车推进系统，IEE2004.ISBN0863413366。