毕业论文--电动汽车的研究现状与发展趋势.doc

学习中心编号： 212 学习中心名称： 西南网院 西南大学网络与继续教育学院毕 业 论 文电动汽车的研究现状与发展趋势学生姓名 杨国亮 学 号 1422212663001 类 型 网 络 教 育 专 业 车辆工程 层 次 专升本 指导教师 石军锋 日 期 2016.3.12 目 录 一 引言41.1 电动汽车概述41.1.1 电动汽车发展背景及意义41.1.2 电动汽车分类及特点41.1.3 国内外电动汽车发展情况61.2 电动汽车的优势及发展瓶颈81.2.1 电动汽车优势81.2.2 我国电动汽车发展的主要瓶颈8二 电动汽车结构形式及其工作原理102.1 电动汽车结构形式102.2 电动汽车工作机理12三 电动汽车电池技术133.1电池概述133.2 燃料电池133.3 化学蓄电池143.3.1 铅酸蓄电池143.3.2 镍氢电池143.3.3 锂离子电池153.3.4三种化学蓄电池性能分析比较163.4 太阳能电池163.4 超级电容173.5 电动汽车电力管理系统18四 电动汽车电机及控制系统194.1 电动汽车驱动电机的种类194.2 电动汽车驱动电机特性194.3 电动汽车对电动机的基本要求204.4电机驱动系统的发展趋势21五 电动汽车面临的主要问题及前景展望215.1 电动汽车发展的主要问题215.2 电动汽车发展前景22结束语23致 谢24参考文献24电动汽车的研究现状与发展趋势摘 要近年来全球燃油车的保有量暴增，给我们的环境带来更恶劣的影响，各国都纷纷出台治污方案，推广新能源汽车成为了改善空气质量的一种途径。新能源汽车同时也推动汽车自身技术的发展，为此汽车工程师正在不断努力研究降低油耗的方法，寻求各种代用燃料以及开发不用或少用汽油的新型车辆。越来越多的人士已经认识到各种类型电动汽车和燃料电池汽车是实现清洁汽车的解决方案，全世界的汽车业界也正在为此努力并投入了巨大的资金和人力。电动汽车是集机械、电子、电机、智能控制、化学能源、计算机、新材料等科学领域和工程技术中最新成果于一体，是多种高新技术凝聚的成果。先进的电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车，具有低污染排放、热辐射低、噪声低且环境友好等诸多优点。毫无疑问，电动汽车具有广阔的发展前景。本文将着重研究电动汽车的研究现状及发展趋势。关键词：电动汽车；驱动电机；发展趋势一 引言1.1 电动汽车概述1.1.1 电动汽车发展背景及意义能源的短缺和人们对生活质量的更高要求是电动车发展的主要原因。汽车的能源消费占世界能源总消费的近四分之一。随着世界经济的发展，汽车的保有数量在急剧增加，由此而引起的能源与环境问题就显得更加严重。上世纪70年代全球三次石油危机爆发后，各跨国汽车公司先后开始研发各种类型的电动汽车。我国经过“八五”、“九五”、“十五”三个五年计划，在研发电动汽车的专项上投入了大量的人力、物力和财力，并取得了一系列科研成果，但是,迄今为止，这些科研成果真正能转化为产品，并实现产业化生产的项目并不多。国外大汽车公司投入远比我国更多的资金和人力，已投入批量生产的电动汽车产品也寥寥无几。随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这二个技术难点的最佳途径。1.1.2 电动汽车分类及特点 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电动汽车详细可分为三类：即仅以车载蓄电池（或电容）为动力源的纯电动汽车，以多个车载动力源提供动力的混合动力电动汽车（当前主要是指以内燃机及蓄电池）和以燃料电池为动力的燃料电池汽车。近几年在传统混合动力汽车的基础上，又派生出一种插电式（Plug-In）混合动力汽车，简称PHEV。1、纯电动汽车（BEV）纯电动车（Battery Electric Vehicle, BEV），是指以事前已充满电的蓄电池供电给电动机，由电动机推动的车辆，而电池的电量由外部电源补充。由于不会在路面排放废气，因此不会污染路面的空气。纯电动车以蓄电池把能量存于车上，相等于一般汽车的油箱，为车辆提供电力给电动机，电动机把电能转化为动能，推动车辆，结构上非常简单。纯电动车所使用的电池是蓄电池，在电力用尽后经由车外输入电源给电池充电。电动机推动车轮的方式可以是像传统车辆般经差速器传动到车轮，较新的作法是每个推动轮各自有一个电动机，电动机则直接推动车轮，省减了差速器。电动机通常除用作推动车辆外，在刹车时也充作再生制动系统的能量转换器，把车辆的动能回收转化为电能蓄存放电池中。不同于一般汽车，纯电动在停下来时电动机是完全停下，完全不消耗能量。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，重要的电池性能参数有：电池容量、充电时间、电池寿命。现今纯电动车所使用的电池有镍氢电池（Ni-MH）或锂离子电池（Li-ion battery），两种电池都可以回收再用。现在适合并已用于纯电动车的锂电池有磷酸锂铁电池及钛酸锂电池。2、混合动力电动汽车（HEV）混合动力车辆（Hybrid electric vehicle, HEV)），是使用两种或以上能源的车辆，所使用的动力来源有：内燃机、电动机、电池、氢气、燃料电池等的技术。多数油电混合动力车使用汽油，虽然消耗汽油较少，但是加速表现却较佳，被视为比普通由内燃引擎发动车辆较为环保的选择。近年有的可以从输电网络上向内部电池充电，叫插电式混合动力汽车(Plug-in hybrid, PHEV)。绝大多数的混合动力车的推动装置不外乎内燃机或电动机，若当中有使用电力推动电动机作为其中一种推动装置者即可以用电池进行再生制动，把能量回收，以节省能源，现在较普遍使用的油电混合动力车就属于这一类。油电混合动力车或柴电动力车的推动装置可以是同时拥有电动机及内燃机引擎，也有只使用电动机的设计。3、燃料电池电动汽车燃料电池汽车PCEV，是近年来发展起来的一种以清洁燃料为燃料、无C02和有害气体排放的新型环保汽车。因此，从能源的利用和环境保护方面来说，燃料电池汽车是一种理想的无污染汽车。早在1839年，英国人格罗孚就提出了氢和氧反应发电的原理。20世纪60年代，研发出了液氢和液氧发电的燃料电池，由美国UTC公司首先用于航天和军事用途。近20年来，由于石油危机和大气污染日趋严重，以质子交换膜式为代表的燃料电池技术，受到世界各国普遍重视。各大跨国汽车公司纷纷投入巨资，研发出了各种类型的燃料电池电动汽车(FCEV)。4、插电式混合动力汽车插电式混合动力汽车(Plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)的是一种混合动力车辆。其充电电池可以使用外部电源充电，而电池容量比电动车小、但大多大于普通油电混合动力车。插电式混合动力车辆是针对通勤族设计的，多数通勤族通勤距离在十几公里内，插电式混合动力车辆的电池续航力只要有二三十公里即可以满足多数通勤需求（通勤时不需启动内燃机）。在长途驾驶的情况下，既使是续航力数百公里的电动车也可能没电，此时插电式混合动力车辆则使用内燃机提供能量，方便性与传统汽柴油车辆相近；引擎运转模式更接近最高效率的定速运转，因此也很省油，甚至可以让转子引擎、涡轮引擎达到低油耗低污染的目标；有些车辆使用小型引擎、且不使用复杂的传动系统，可以抵销电池所增加的重量跟成本。但混合动力车的缺点，插电式混合动力车辆可能更严重，例如锂矿问题、电池成本、制造电池的环境成本。发售中的插电式混合动力车辆有：比亚迪F3DM（比亚迪汽车）、雪佛兰伏特（通用汽车）、普锐斯III PHEV（丰田汽车）等。1.1.3 国内外电动汽车发展情况 目前，发展电动汽车，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成了潮流。根据各大汽车公司发布的产品上市计划，预计2012年前后将迎来国际电动汽车产业化发展的一次高潮。电动汽车一旦取得市场突破，必将对国际汽车产业格局产生巨大而深远的影响。因此，顺应国际汽车工业发展潮流，把握交通能源动力系统转型的战略机遇，坚持自主创新，动员各方面的力量，加快推动电动汽车产业发展，对抢占未来汽车产业竞争制高点、实现我国汽车工业由大变强和自主发展至关重要，也十分紧迫。一 是各国政府相继发布电动汽车发展战略和国家计划，进一步为产业发展指明了方向。美国奥巴马政府实施绿色新政，把电动汽车作为国家战略的重要组成，计划到2015年普及100万辆插电式混合动力电动汽车（PHEV）。日本把发展电动汽车作为“低碳革命”的核心内容，并计划到2020年普及包括电动汽车在内的“下一代汽车”达到1350万辆，为完成这一目标，日本到2020年计划开发出至少17款纯电动汽车、38款混合动力车。德国政府在2008年11月提出未来10年普及100万辆纯电动汽车和插电式混合动力汽车，并宣称该计划的实施，标志德国将进入电动汽车时代。国家战略的发布实施，对产业发展有着十分重要的导向作用，必将进一步加快国际电动汽车产业发展的进程。二 是动力电池得到高度重视，研发投入急剧增加，电动汽车技术瓶颈突破的预期大大增强。美国总统奥巴马2009年8月宣布安排24亿美元支持PHEV的研发与产业化，其中20亿美元用来支持先进动力电池的研发和产业化。日本政府提出“谁控制了电池，谁就控制了电动汽车”，并组织实施国家专项计划，在2011年以前将投入400多亿日元用于先进动力电池技术研究，2010年左右新型锂电池将规模应用于下一代电动汽车。德国从今年起启动了一项4.2亿欧元的车用锂电池开发计划，几乎所有德国汽车和能源巨头均携资加入。三 是各国政府加大政策支持力度，全力推进电动汽车产业化。一方面，政府加大对消费者的政策激励，加快电动汽车的市场培育。美国对PHEV实施税收优惠，减税额度在2500美元和15000美元之间。日本从2009年4月1日起实施新的“绿色税制”，对包括纯电动汽车、混合动力车等低排放且燃油消耗量低的车辆给予税赋优惠，一年的减税规模约为2100亿日元，是现行优惠办法减税额的10倍。英国从2009年4月1日起执行新汽车消费税，对纯电动汽车免缴消费税。法国对购买低排放（二氧化碳）汽车的消费者给予最高5000欧元的奖励，对高排放汽车进行最高2600欧元的惩罚。另一方面，政府通过加大信贷支持等措施，鼓励整车企业加快电动汽车产业化。美国政府对电动汽车生产予以贷款资助。2009年6月23日，福特、日产北美公司和Tesla汽车公司获得80亿美元的贷款，主要用于混合动力和纯电动汽车的生产。欧盟在2009年上半年发放70亿欧元贷款，支持汽车制造商发展电动汽车；此外，美国新的汽车燃油经济性法规和欧盟新车平均二氧化碳排放法规，对汽车的技术要求大幅提高，如果不发展电动汽车技术，汽车制造商将很难达到新法规的要求。四是纯电动汽车得益于高性能锂离子电池的发展应用，受到各国政府和各大汽车公司的重新重视，产业化步伐不断加快。日产汽车公司宣布2010年在美国和日本销售纯电动汽车，计划于20122013年实现大规模上市，其量产车型“树叶”已经正式发布。三菱、雷诺、丰田、宝马等汽车公司也开发出小型纯电动轿车，并计划在2012年前后批量上市。美国、日本、法国、德国、以色列等国政府都制定了纯电动汽车推广计划，电动汽车充电系统建设项目也陆续启动。1.2 电动汽车的优势及发展瓶颈 1.2.1 电动汽车优势电动汽车之所以成为本世纪技术开发的宠儿，首先是因为电动汽车直接采用电机驱动，本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少。发电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且发电厂的场所固定，有害排放物集中排放、清除较容易。由于电力可以从多种一次能源中获得，如煤、核能、水力、风力、光、热等，可以很好地解除人们对石油资源日见枯竭的担心。其次，电动汽车能够充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备得到充分利用，大大地提高了经济效益。有关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电、充入电池、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。1.2.2 我国电动汽车发展的主要瓶颈国内电动汽车产业发展受到多重制约，主要涉及技术突破难、产业规划落实难、市场公平竞争难等三大瓶颈。一是国内电动汽车技术难有大突破。宋健告诉经济参考报记者，电池续航问题是电动汽车推广中遭遇的最大阻碍，此外还有能源补给不便利、电池寿命短、安全性不高等等。例如，对于一辆纯电动汽车而言，按照一度电需要10公斤电池来算，50度电就要500公斤电池，而续航仅200多公里。普通燃油车一箱油50升左右，仅重30至40公斤，续航可达500公里。相比之下，电动汽车的负担要大得多产能却相对较低。此外，普通燃油车加一箱油需要几分钟，而电动汽车充电时间较长，能源补给不便利；一台电动车的电池价值约10万元，如果充500次，每次就产生200块钱的折旧费，成本不比燃油车低；电动汽车电池体积大，无法集中放在一小块安全的地方，当碰撞发生时，存在安全隐患。此外，在国内技术研发过程中，也存在冒进等主观原因。宋健说，出于弯道超车理念，国内车企花费大量人力、物力，在技术难以突破的纯电动汽车领域下功夫，而没有踏实地研究混合动力汽车这一过渡产品。日本车企的普锐斯、雷克萨斯等轿车，虽然是混合动力，但在一些细节上下功夫，比如通过优化设计，收回了80%的制动能量。这些节能细节使整车汽油消耗降低了50%，这就是了不起的成就。而我们只想一步到位发展纯电动汽车，却很少有人研究混合动力的专用发动机。宋健说。原机械科学研究总院电动汽车电源技术研究所所长钱国良认为，当前国内传统汽车行业主导了电动汽车的发展，也是技术迟迟不能有所突破的重要原因。电动汽车的驱动系统与传统汽车完全不同，是一个崭新的理念，要跳出汽车的思维，美国的特斯拉汽车公司就不是传统的汽车企业。二是产业规划缺乏落实机制，不能释放稳定发展预期。一方面，电动汽车产业涉及多个部门，产业规划缺乏有效的落实机制。在2009年提出的形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能目标后，2012年再次提出到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆的目标。中国汽车工程学会秘书长张进华说，我们有一个大的战略，但涉及该产业的多个部门之间，没有形成高效的组织系统，没有形成合力。比如，有的部门只有想法，但可能没有落实的资金。另一方面，缺乏发展稳定预期和系统的补贴机制，企业长期投入的信心不足。记者了解到，按照最新规定，新能源汽车补贴标准2014年在2013年标准基础上下降5%，2015年在2013年标准基础上下降10%.创业十多年来，我从没像现在这样心里没底，天津市一家电动汽车公司相关人士告诉记者，去年对混合动力公交车产业的财政补贴开始断档，导致我们下半年的销量，只相当于以往一个月的销量。虽然目前我国该行业的技术水准不低于国际水平，但在技术进步、降低成本等方面，还有很长的路要走。希望产业政策和财政补贴能给我们一个稳定的预期。三是地方保护主义盛行，难以培育国内龙头品牌。一家汽车经销商总经理称，目前国内示范运营的城市中，近一半城市明确发文指令采购本地整车企业产品，部分城市变相采取地方保护，在实行裸车采购后，对动力电池等零部件要求本地采购，客观上造成市场分割现象，产生了区域壁垒，严重制约了技术成熟度高、产业化能力强的汽车企业和产品的发展。此外记者还了解到，在新能源汽车补贴政策中，地方政府往往倾向于将补贴对象限定在本地生产的新能源汽车产品，增加外地车企获得补贴资金的难度。二 电动汽车结构形式及其工作原理 2.1 电动汽车结构形式 电动汽车的组成包括：电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。1.电源电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍镉电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。2.驱动电动机驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有软的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BCDM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代。3.电动机调速控制装置电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（入GTO、MOSFET、BTR及IGBT等）斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。在驱动电动机的旋向变换控制中，直流电动机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电动机的旋向变换，这使得孔子哈电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电动机驱动时，电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。4.传动装置电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。因为电动机可以带负载启动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的离合器。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换，所以电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档。当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电动轮驱动时，电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。5.行驶装置行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。它同其他汽车的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。6.转向装置专项装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。多数电动汽车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。7.制动装置电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及其操纵装置组成。在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。8.工作装置工作装置是工业用电动汽车为完成作业要求而专门设置的，如电动叉车的起升装置、门架、货叉等。货叉的起升和门架的倾斜通常由电动机驱动的液压系统完成。2.2 电动汽车工作机理 电动汽车的工作原理：蓄电池电流电力调节器电动机动力传动系统驱动汽车行驶。 电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传递的，因此，电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性；其次，电动汽车驱动系统的布置不同(如独立的四轮驱动系统和轮毂电机驱动系统等)会使系统结构区别很大，采用不同类型的电机(如直流电机和交流电机)会影响到电动汽车的质量、尺寸和形状；不同类型的储能装置(如蓄电池和燃料电池)也会影响电动汽车的质量、尺寸及形状。另外，不同的补充能源装置具有不同的硬件和机构，例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电机充电，或者采用替换蓄电池的方式，将替换下来的蓄电池再进行集中充电。 驾驶者通过加速或制动踏板发出信号，电子控制器发出相应的控制信号，以控制功率转换器的开关。功率转换器的作用是调节电动机和能量源之间的能量流动。能量回馈是因为电动汽车控制能量的再生，通过能量转换器由能量源吸收。多数的电动汽车电池、超级电容和飞轮都能够吸收再生制动能量。能量控制单元与电子控制器一起控制可再生制动的能量，实现系统能量流的优化。能量控制单元与能量单元一起控制并监控能源的使用情况。辅助动力供给系统向电动汽车的所有辅助装置提供所需的不同电压等级的电源。三 电动汽车电池技术 3.1电池概述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。因为电动汽车与燃油汽车相比的三个主要制约因数：成本高、续驶里程短和充电时间长,都与能量存储技术没有突破性进展直接相关。目前各国都在加紧研究各类先进的能量存储技术，开发各种高比能量、高比功率、长循环使用寿命、价格低廉的动力电池，此外，还要具有良好的工作环境温度、自放电性、使用安全性和无污染等。当前研究开发的电动汽车动力电池主要包括燃料电池、化学蓄电池（先进铅酸电池、镍金属电池、锂电池等）、超级电容和太阳能电池。3.2 燃料电池燃料电池是一种使用燃料进行化学反应产生电能的装置，所用燃料包括纯氢气、甲醇、乙醇、天然气以及现在运用最广泛的汽油。按电解质的种类不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。在燃料电池中，磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池可以冷起动和快起动，可以作为移动电源，满足特殊情况的使用要求，更加具有竞争力。最常见是以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格便宜，无化学危险，对环境无污染，发电后产生纯水和热，这是目前其它所有动力来源无法做到的。它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制，因此能量的转换效率高，是普通内燃机热效率的23倍。燃料电池以其高效、洁净、兼容可再生能源技术等特点，噪音低、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性，在未来交通、运输、通讯等领域展示了广阔的应用前景。将燃料电池作为汽车的动力，已被公认为是2l世纪的必然趋势。它是人们提出的后石油时代解决移动动力源的方案之一，是实现低碳减排目标的重要能源转换技术。与其他电动汽车如二次电池为动力的纯电动汽车及混合电动汽车比较，燃料电池汽车具有续驶里程长、动力性能高等优点。但是燃料电池的寿命较短、成本较高，另外氢源的获取也是个难题。电池汽车商业化必须解决这三大难题。3.3 化学蓄电池纵观电动汽车的整个发展过程，出现过多种不同类型的汽车和电池，其中产生巨大影响并商业化使用直到现在的电动汽车电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。下文将针对这3种重要的电动汽车电池的研究和应用情况进行介绍。3.3.1 铅酸蓄电池铅酸蓄电池以氧化铅为正极板，以海绵铅为负极板，硫酸水溶液作为电解液。充放电过程依靠极板上活性物质和电解液发生化学反应来实现。铅酸蓄电池是目前在汽车领域应用得最为广泛的电池，主要作为内燃机汽车内部各种电器和电子设备的电源。铅酸蓄电池在过去被广泛应用，具有成熟的技术，可以大批量生产，生产成本低，价格便宜。尽管新电池技术不断地产生，但铅酸蓄电池至今仍作为动力源应用于旅游观光车，电动叉车或者一些短距离行驶的公交车上。其中应用于电动汽车的新一代阀控式密封铅酸蓄电池不须维护，允许深度放电，可循环使用；然而它依旧有着铅酸蓄电池比能量和比功率低的致命弱点，根本原因是金属铅的密度大。它在轻度混合电动汽车中是有应用前景的，因其成本低、技术成熟、性能可靠，但不适于重度混合汽车或纯电动汽车。3.3.2 镍氢电池镍氢电池由氢氧化镍的阳极和由钒、锰、镍等金属形成的多成分合金阴极组成，相对铅酸电池，镍氢电池在能量体积密度方面提高了3倍，在比功率方面提高了10倍。这项技术独特的优势包括：更高的运行电压、比能量和比功率，较好的过度充放电耐受性和热性能。镍氢电池广泛应用受限的原因是其在低温时容量减小和高温时充电耐受性的限制；此外，价格也是制约镍氢电池发展的主要因素，原材料如金属镍非常昂贵。基于镍氢电池的电动汽车电池技术已表现出局限性。镍氢电池虽比铅酸电池储存更多的能量，但过放电会造成永久性损伤，荷电状态必须被限制在一个较小的范围内，电池储存的大部分能量并没有被实际使用，另外，能否准确测量镍氢电池的荷电状态直接影响其使用寿命及充放电效率。对于镍氢电池的研究应该主要解决在实际应用中，在常温和低温的条件下，镍氢电池比功率严重下降的问题。镍氢电池存在的问题可以通过使用合适的添加剂、导电黏结剂和优化电池设计等方式予以解决，镍氢电池仍是近期和中期电动汽车使用的首选动力电池。3.3.3 锂离子电池锂离子电池的传统结构包括石墨阳极、锂离子金属氧化物构成的阴极和电解液（有机溶剂溶解的锂盐溶液）。最常见的锂离子电池以碳为阳极，以碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶解六氟磷酸锂溶液为电解液，以二氧化锰酸锂为阴极；轻巧结实，比能量大，单体电压约为3.7 V。锂离子电池具有相对较高的工作电压和较大的比能量，是镍氢电池的3倍。锂离子电池体积小，质量轻，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且无污染。 锂离子电池可分为锂离子电池和锂聚合物电池2种。锂离子电池的阴极材料主要有锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂等，阳极材料主要有石墨、钛酸锂等。要将锂离子电池大量应用于电动汽车仍然存在问题，主要是因为多种性能的限制，包括锂离子电池的安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应。目前，锂离子电池以小容量、低功率电池为主，大容量高功率的锂离子电池尚未大规模生产。此外针对电池组的电池管理系统中一些技术（如均衡充电技术）的不成熟也是锂离子电池尚未在电动汽车中广泛应用的重要原因之一。锂离子电池技术的先进性和在新兴关键市场（电动汽车领域）的应用，已激发全球范围内的研发热潮，因此锂离子电池势必将在电动汽车和新能源领域占据重要位置。目前在电动汽车中，应用较多的锂离子电池是磷酸铁锂电池，它具有磷氧共价键结构，使氧原子不会被释放出来，因而热稳定性和安全性较好，同时价格相对便宜。这些因素使磷酸铁锂电池成为小型电动汽车和PHEV动力电池首选。然而在锂离子电池中，磷酸锂电池的比能量、比功率以及运行电压相对较低，在大型纯电动汽车应用方面钴酸锂和锰酸锂电池等更具优势。3.3.4三种化学蓄电池性能分析比较图1 为铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池（锂离子电池和锂聚合物电池）的比能量、比功率、安全性等基本性能。通过比较可以发现，目前这几种电池技术仍然没有一种能够占据每个方面性能的优势地位。这说明目前在电动汽车应用领域出现这些不同种类电池共存情况的原因，也是各种电池技术在不同程度上存在的缺陷导致电动汽车的发展受到制约而未大规模产业化的原因。图1 电动汽车电池性能比较由图1 可以看出，在目前市场上的电池中，锂离子电池（锂离子电池和锂聚合物电池）除在价格和安全性方面处于劣势以外，其他方面均处于绝对领先地位，有进一步研发和大规模应用的前景。3.4 太阳能电池将太阳能电池（板）安装在汽车上，太阳能电池（板）采集阳光，并产生电流。通过电流驱动电动机，最终驱动车辆行驶。太阳能电池驱动汽车有三种方式：直接驱动式、间接驱动式和混合驱动式。太阳能汽车主要由车身、太阳能电池板、电力系统、驱动系统、蓄电池、机械系统、底盘等部分组成。太阳能汽车的车身由于安装太阳能电池（板）的需要，其造型与普通汽车有较大的区别，其表面积也往往大于普通汽车的表面积。太阳光由于受到天气、季节、时间等不可抗因素影响，导致太阳能具有地域性、季节性和时域性等特点。同时太阳光的不稳定性、分散性以及太阳能电池能量密度小、转化效率低、成本高等因素，导致太阳能电池在汽车上还不能广泛使用。当前的太阳能汽车普遍采用质轻价贵的航空、航天材料，造价十分高昂。太阳能电池价格比较高，所以太阳能汽车的价格也比较高。以目前的材料应用和技术能力，太阳能转换率一般只能达到20左右，太阳能汽车功率普遍较小、续航里程短、承重能力低。如果太阳能汽车完全由太阳能电池（板）驱动，太阳能电池（板）的面积（78平方米）会很大。这也是限制太阳能电池在汽车上应用的一个外在因素。3.4 超级电容超级电容器是近几十年来，国内外发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件。它具备传统电容那样的放电功率，也具备化学电池储备电荷的能力；具有超级储电能力，可提供强大脉动功率的物理二次电源。它与常规电容器不同，其容量可达数万法。超级电容器作为一种新型的储能元件已经引起人们的关注，并进行了广泛的研究。超级电容器具有许多电池无法比拟的优点，详述如下。1）循环寿命长。超级电容器充放电过程中发生的电化学反应具有很好的可逆性。其理论循环寿命为无穷，其充电循环次数可达50万次。2）良好的功率密度。电容器的功率密度约为充电电池的10100倍，可作为功率辅助器，供给大电流。超级电容器最适合用于要求能量持续时间为10-2102 s的情况。3）能量利用率高。超级电容器充放电的能量利用率比电池充放电的能量利用率要高得多，输出相同能量时，超级电容器产生的热量远小于电池产生的热量。4）充电速度快。超级电容器采用大电流充电时，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，而蓄电池则需要数小时才能完成充电，即使采用快速充电也需几十分钟。5）可承受大电流。超级电容器可以在大电流（101000 A）下充放电，同时自身调节能力强，对过充电或过放电有一定的承受能力，在短时间过压一般不会对装置产生严重影响，可稳定地反复充放电。6）低阻抗。由于超级电容器等效串联电阻值很低，从而可以输出大电流，也可以快速吸收大电流，而这对具有很高内阻的电池来说是不可能的。7）使用温度范围宽。一般为060。另外，超级电容作为辅助电源的电动汽车可以具有非常高的能量回收率，汽车在行驶过程中至少有30%的能量因热量散发和制动而消耗掉，特别是在短途行的城市公交车，经常遇到红绿灯和立交桥上下坡，这样不仅造成能源浪费，而且增加环境污染。而超级电容正好可以满足在汽车制动或减速的时候起动制动能量回馈模式运行，回收原来白白浪费掉的能量。而且在电动汽车起动的时候启用超级电容动力，减小主电源的消耗，不仅减少了环境污染，而且也使电动汽车可行驶的里程数加长。超级电容器虽然在应用中有着明显的优势，但依然存在着一些问题。与蓄电池相比，其能量密度偏低，寻找新的电极活性材料，提高超级电容器的能量密度成为根本也是难点所在。另外就是超级电容的一致性检测问题。超级电容的额定电压很低，在应用中需要大量的串联。由于应用中需要大电流充放电，而过充则对电容的寿命有严重的影响，因此，串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的。如果能在超级电容器分组组装前进行一致性检测，将充放电性能最接近的超级电容器分成一组，这将能够在很大程度上解决超级电容组的3.5 电动汽车电力管理系统 电动汽车，尤其是纯电动汽车中的电池能量管理系统是该车的一种相当重要的技术措施，可以称为电动汽车电池的“保护神”，它起到了对电池性能的保护、防止个别电池的早期损坏、有利于电动汽车的运行，并具有各种警告功能等。由于它参加电池箱内电池模块的监控工作使电动汽车的运行、充电等功能与电池的有关参数（电流、电压、内阻、容量）紧密相连和协调工作。它有计算，发出指令、执行指令和提出警告的功能。 图2 电池组系统组成 各种电池模块虽然有结构和性能上的差异，但它们都具备一些相同或相似的功能。典型的电池能量管理系统应具备如下功能：1、对能量的检测功能；2、对电池工作状态的监测与控制功能;3、保证充电功能;4、DCDC、DCAC转换功能;5、解决性能一致性的保护功能;6、对电池模块的冷却和排除充电时产生的氢气;7、监测记录控制功能。四 电动汽车电机及控制系统4.1 电动汽车驱动电机的种类 电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。目前使用较多的有直流有刷、永磁无刷、交流感应和开关磁阻等四种电机。美国和德国开发的电动汽车大多采用交流感应电机，主要优点是价格较低、效率高、重量轻，但启动转矩小。日本研制的电动汽车几乎全部使用永磁无刷电机，其主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点，但价格较贵，永磁材料一般仅耐热120以下。开关磁阻电机结构较新，优点是结构简单、可靠、成本较低、起动性能好，没有大的冲击电流，它兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点，缺点是噪声较大，但仍有一定改进余地。4.2 电动汽车驱动电机特性电动汽车驱动电机的特性曲线如图3所示：图3电动汽车驱动电机的特性曲线这条特性曲线分为两个区域：I区恒转矩区和区恒功率区。电机在恒转矩区运行时转矩保持恒定而功率随着转速的上升而线性增加；电机在恒功率区运行时功率保持恒定而转矩随着转速的上升而呈双曲线减小。为了适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况，对转矩要求比较高，因此电动汽车主要运行于I区中，即恒转矩运行。而当汽车车速较高，汽车行驶比较平稳时，主要克服行驶阻力，转矩消耗比较小，因此电动汽车主要运行于区，即恒功率运行。为了满足电动汽车的这种特性，电动汽车驱动用电机及其控制系统的要求为：在整个运行范围内具有较高的效率，以提高车辆的续驶里程；有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的起动加速性能；调速范围宽，且低速运行时能够提供大转矩；高可靠性、高功率密度、低成本。4.3 电动汽车对电动机的基本要求 电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高的，主要有： 1电动汽车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强，加速性能好，使用寿命长的特点。 2. 电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，