淺議電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

范志丹

摘 要：汽車是能源消耗和污染物排放的主要來源，隨著我國汽車保有量的急劇增加，能源危機(jī)、環(huán)境污染以及溫室效應(yīng)等問題日益嚴(yán)重。當(dāng)前我國汽車排污控制水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)70年代中后期水平。汽車產(chǎn)生的大量污染物集中在城市道路中排放，這就對汽車行業(yè)提出了更高的節(jié)能減排要求，除了進(jìn)一步對傳統(tǒng)汽車進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新提高節(jié)能減排效果外，發(fā)展新能源汽車，尤其是電動(dòng)汽車已成汽車行業(yè)變革的必然趨勢。本文從動(dòng)力電池、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)、能量管理系統(tǒng)三個(gè)方面分析了電動(dòng)汽車展中遇到的技術(shù)瓶頸及其解決辦法。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電池技術(shù)；電力驅(qū)動(dòng)

1 電動(dòng)汽車發(fā)展的技術(shù)現(xiàn)狀

GB/T 19596-2004中規(guī)定，電動(dòng)汽車是指由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。可以使用由車載可充電蓄電池或其他能量儲(chǔ)存裝置來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電動(dòng)汽車屬于零排放汽車。

廣義上來講電動(dòng)汽車有3種類型，即純電動(dòng)汽車（BEV） 、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV） 和燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV） 。在目前這個(gè)階段，以上三種類型正處在不同的發(fā)展階段，面臨著不同的困難和挑戰(zhàn)。純電動(dòng)汽車在低速短距離的運(yùn)輸方面有較大優(yōu)勢；而混合動(dòng)力汽車的性能既能實(shí)現(xiàn)低油耗低排放，又滿足了用戶的需求；燃料電池電動(dòng)汽車具有一定的市場潛力，可望在10～15 年以后實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

電動(dòng)汽車作為新型的綠色汽車，它把先進(jìn)的電子技術(shù)、汽車技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、能源及新材料技術(shù)應(yīng)用于一體，是人類最理想的清潔交通工具，電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車的比較見表1所示。

表1 電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車的比較

項(xiàng)目 純電動(dòng)汽車 燃料電池電動(dòng)汽車 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 內(nèi)燃機(jī)汽車

尾氣排放 無 無 少量 多

能量來源 廣 較窄 廣 窄

能量轉(zhuǎn)換率 高 高 適中 低

高效工況區(qū)范圍 寬 寬 適中 窄

能量回收 有 有 有 無

行駛里程 短 適中 較長 長

2 電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

以下從電動(dòng)汽車研制和開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)： 電池技術(shù)、電力驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)及能源管理技術(shù)（BMS）方面作簡要分析。

2.1 電池技術(shù)面臨的最關(guān)鍵問題

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的重要組成部件，電池技術(shù)的發(fā)展水平直接影響著電動(dòng)汽車的推廣與應(yīng)用。截止目前，動(dòng)力電池的發(fā)展主要經(jīng)歷了鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池三個(gè)階段。其中鉛酸電池由于技術(shù)成熟、成本低，在旅游觀光車、電動(dòng)叉車以及短距離公交車上應(yīng)用廣泛；鎳氫電池在HEV車上應(yīng)用較廣；而鋰離子電池由于其比能量高、循環(huán)壽命長、對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用廣泛。

目前電池發(fā)展中遇到的瓶頸主要集中在安全性差、能量密度低、成本高等方面。未來發(fā)展趨勢是集中行業(yè)資源突破以上問題，為電動(dòng)汽車提供安全可靠的動(dòng)力電池，在與傳統(tǒng)汽車競爭中取得優(yōu)勢。表2為動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)瓶頸情況說明。

表2動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)瓶頸

技術(shù)瓶頸 目前狀態(tài) 解決方法/發(fā)展趨勢

安全性 磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料 開發(fā)安全可靠的新型正極材料、阻燃

安全性較好 電解液、耐高溫防短路隔膜

能量密度 100-150Wh/Kg 2020年達(dá)到250 Wh/Kg以上

成本 3-5元/Wh 1.5元/Wh以下

2.1.1 安全性差

目前，電池安全性差主要體現(xiàn)在車輛碰撞時(shí)，電池易出現(xiàn)燃燒，爆炸現(xiàn)象、其高壓電回路可能使乘員造成觸電危險(xiǎn)、同時(shí)電池內(nèi)部的有害物質(zhì)或電解液泄漏會(huì)對乘坐人員造成傷害。世界各國也對電動(dòng)汽車的安全性能制定了強(qiáng)制的標(biāo)準(zhǔn)要求。未來在電池設(shè)計(jì)過程中會(huì)通過計(jì)算機(jī)碰撞模擬來指導(dǎo)一些主要結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，一般是通過模擬可以獲得車身上各處的沖擊加速度值，再將這些值分解到電池箱體上，再對電池箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外就是建立電池碰撞安全技術(shù)設(shè)計(jì)流程及方法，即考慮電池在整車上布置位置要求、整車上對電池的碰撞防護(hù)措施、電池殼體對電池的碰撞防護(hù)、電池內(nèi)部電連接防碰撞設(shè)計(jì)。

2.1.2 能量密度低

目前，多數(shù)電動(dòng)汽車上使用鋰離子電池。它主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜、集流體等組成。這些關(guān)鍵組成材料直接影響著電池的性能。

現(xiàn)有鋰離子電池正極材料LiCoO2、LiNiMnCoO2、LiMn2O4、LiFePO4的理論容量都在200mAh/g以下。因此必須尋找超過200mAh/g的新材料，增加能量密度。正極材料主要有錳酸鋰、磷酸鐵鋰和鎳鈷錳酸鋰三元材料，三種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。目前，三元材料電池在理論比能量、實(shí)際比能量和能量密度方面較錳酸鋰、磷酸鐵鋰具有綜合優(yōu)勢，是未來較長時(shí)間車用動(dòng)力電池的主流產(chǎn)品。從主要正極材料的性能指標(biāo)及發(fā)展趨勢來看三元材料電池綜合性能最優(yōu)。

2.1.3 成本高

目前電池系統(tǒng)（包括電池單體、電池包、電池管理系統(tǒng)三部分）的成本是8～10萬人民幣。造成動(dòng)力電池成本居高不下的原因主要是，國內(nèi)車用動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)眾多，但真正形成規(guī)模量產(chǎn)能力的企業(yè)少。國內(nèi)電池廠關(guān)鍵工藝設(shè)備依賴從日韓進(jìn)口，關(guān)鍵工序基本采用自動(dòng)化生產(chǎn)，但均未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連線。此外，電芯封裝形式多樣，設(shè)備工裝和產(chǎn)品通用性差使得電池成本較高。另外，中國動(dòng)力電池企業(yè)多分布在長三角、珠三角和天津等地。其中，綜合實(shí)力較強(qiáng)的有天津力神、浙江萬向、東莞ATL等企業(yè)均距離整車生產(chǎn)廠較遠(yuǎn)，物流成本高。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車最為關(guān)鍵的部件之一，是電動(dòng)汽車的能量來源。但是隨著電動(dòng)汽車的廣泛使用，大量的廢舊車用電池將隨之產(chǎn)生，不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，而且造成能源和資源的巨大浪費(fèi)。對于廢舊電池處理，國內(nèi)多數(shù)研究學(xué)者偏重于：回收利用（材料再循環(huán)）、二次利用（再利用）、再制造的方式。但在廢舊電池材料回收過程中，有價(jià)材料回收處理成本較高，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益有待進(jìn)一步考慮。以上因素均導(dǎo)致了目前動(dòng)力電池成本較高。

2.2 電力驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)趨向智能化和數(shù)字化

動(dòng)力電機(jī)（系統(tǒng)）是電動(dòng)汽車的核心部件，是實(shí)現(xiàn)各種工作模式的關(guān)鍵，直接影響動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和穩(wěn)定性。用于汽車的動(dòng)力電機(jī)應(yīng)具有功率/轉(zhuǎn)矩密度高、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩指標(biāo)高、高效區(qū)大等特性，此外，還要求可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)簡單、適合批量生產(chǎn)等。從原理上來說，電動(dòng)汽車常用的類型有：永磁同步電機(jī)（PMSM）、異步電機(jī)（IM/ASM）、無刷直流電機(jī)（BLDC）、電勵(lì)磁同步電機(jī)（ESM）、開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM） 。

永磁同步電機(jī)因功率/轉(zhuǎn)矩密度大、低速效率高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊等優(yōu)點(diǎn)，最適用于電動(dòng)汽車，應(yīng)用也最廣泛。

在國外電機(jī)供應(yīng)商中，出現(xiàn)了電機(jī)控制系統(tǒng)中集成整車控制功能的產(chǎn)品。據(jù)了解，在電機(jī)控制器中增加了整車控制的策略與接口。尤其對于純電動(dòng)車（多電機(jī)除外）來說，電機(jī)是唯一動(dòng)力來源，整車控制策略相對簡單，所以電機(jī)控制單元與整車控制單元集成較為合理。但如果是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)（如輪轂電機(jī)）車型，整車控制單元需要協(xié)調(diào)多個(gè)電機(jī)間的轉(zhuǎn)矩分配等工作，整車控制單元?jiǎng)t不適合集成在某個(gè)電機(jī)控制單元中。

另外，數(shù)字信號(hào)處理器和可編程邏輯器件出現(xiàn)，極大地推動(dòng)電機(jī)控制技術(shù)不斷向智能化方向發(fā)展，數(shù)字化將成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

2.3 電池能量管理系統(tǒng)BMS

能量管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的智能核心。要想使電動(dòng)汽車獲得更好的性能，除了具備良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電力驅(qū)動(dòng)能力、電池外，還應(yīng)該有一套能量管理系統(tǒng)。能量管理系統(tǒng)可以被理解成是一個(gè)電子控制單元，它通過內(nèi)部的數(shù)學(xué)模型，對電池的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算進(jìn)而保證電池在最佳狀態(tài)下工作；除此之外，它還要對車輛各個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和診斷；BMS還要控制充電方式和提供剩余能量顯示。

電池能量管理系統(tǒng)即BMS的主要性能指標(biāo)見下表所示：

表3 BMS的主要性能指標(biāo)

項(xiàng)目 產(chǎn)品目標(biāo)

電壓采樣精度 測量誤差≤±1%

電流采樣精度 測量誤差≤±2%

溫度采樣精度 測量誤差≤±1℃

SOC精度 估算誤差≤±3%

SOH精度 估算誤差≤5%

絕緣監(jiān)測精度 測量絕緣電阻范圍為0Ω～50MΩ，相對測量誤差小于±15%

BMS是電動(dòng)汽車最關(guān)鍵的技術(shù)之一，目前還不成熟。BMS的設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：對采集的數(shù)據(jù)精度要求高；剩余電估算精度差；安全性差。目前還需要通過大量的試驗(yàn)研究來改進(jìn)BMS的一系列問題，例如：發(fā)生碰撞時(shí)的安全性、如何避免電池泄露、充電的均衡性等。目前的很多BMS通用性較差。因此，下一步的發(fā)展方向是研究更具有通用性的BMS。

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