純電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述

張琦，朱恒偉

摘 要：純電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)主力軍，是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的方向，然而，純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展受到多方面關(guān)鍵技術(shù)的制約。文章從動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、整車(chē)輕量化技術(shù)和安全技術(shù)等方面闡述并分析了純電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);電池技術(shù);電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);輕量化

中圖分類號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-23-02

Overview of Key Technologies Development of Electric Vehicles*

Zhang Qi， Zhu Hengwei

（ Dezhou University Department of Automotive Engineering， Shandong Dezhou 253023 ）

Abstract： As the main force of new energy vehicles， electric vehicles are the direction of future automobile development. However， the development of electric vehicles is restricted by many key technologies. This paper expounds and analyzes the key technologies of electric vehicles from the aspects of power battery and management system， motor drive and control technology， vehicle lightweight technology and safety technology.

Keywords： Electric vehicles; Battery technology; Motor drive system; Lightweight

CLC NO.： U469.7 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2019）23-23-02

前言

作為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，純電動(dòng)汽車(chē)是是汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)。近年來(lái)，國(guó)家不斷出臺(tái)有關(guān)支持純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的政策和指導(dǎo)意見(jiàn)，但是受制于技術(shù)方面的制約，純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展仍然較慢[1]。純電動(dòng)汽車(chē)的核心技術(shù)主要有電池及其管理系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)、純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)技術(shù)、輕量化技術(shù)以及安全保護(hù)系統(tǒng)等。

1 電池及其管理系統(tǒng)

電池也即是車(chē)載電源，又稱為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源，是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。純電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池要具有比能量高、比功率大、使用壽命城和成本低等特點(diǎn)才能滿足整車(chē)加速性能、續(xù)駛里程和最高車(chē)速等動(dòng)力性能的要求。純電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，經(jīng)歷了鉛酸蓄電池、高能電池和超級(jí)電容、飛輪電池等階段，目前新能源汽車(chē)主要采用鋰電池，例如磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池等，但都存在著不同程度的缺點(diǎn)，制約著電動(dòng)汽車(chē)的普及和發(fā)展[2]。現(xiàn)在的電動(dòng)汽車(chē)電池技術(shù)有了較大的發(fā)展。以快充為例，一般的直流大功率充電方式，半小時(shí)可以達(dá)到80%的容量，相較于慢充十幾個(gè)小時(shí)而言，快充技術(shù)較好的解決了充電時(shí)間問(wèn)題。然而，快充方式時(shí)使用較大的電流和功率，對(duì)電池的使用壽命和續(xù)航能力都有很大影響。

電池管理系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池組充電、放電時(shí)的電流、電壓、放電深度、電池溫度等方面進(jìn)行控制，保證電池組工作在安全區(qū)間內(nèi)，提供車(chē)輛控制所需的必需信息，在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)響應(yīng)處理，并根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)及車(chē)輛需求等決定電池的充放電功率等。電池管理系統(tǒng)的主要功能有電池參數(shù)監(jiān)測(cè)、電池狀態(tài)估計(jì)、在線故障診斷、充電控制、自動(dòng)均衡、熱管理等。單體電池性能的變化能夠影響動(dòng)力電池組的整體性能，所以電池管理系統(tǒng)監(jiān)控整個(gè)電池組的同時(shí)還要兼顧單體電池的溫度、電量等性能，從而保持單體電池的一致性和均衡性。

2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵核心技術(shù)，是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，其特性決定了電動(dòng)汽車(chē)的主要性能指標(biāo)，直接影響車(chē)輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和用戶駕乘感受[3]。電動(dòng)汽車(chē)良好的使用性能需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有高轉(zhuǎn)速、大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、寬調(diào)速范圍等特性，同時(shí)還要體積小、重量輕、效率高、動(dòng)態(tài)制動(dòng)強(qiáng)和能量回收等特點(diǎn)。

電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和輪轂電機(jī)等。目前，電動(dòng)汽車(chē)使用的電機(jī)以永磁同步電機(jī)為主。永磁同步電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)是由磁鐵提供的，沒(méi)有勵(lì)磁電流，功率因數(shù)高，工作效率高，可在很大范圍內(nèi)調(diào)整電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕。永磁同步電機(jī)采用矢量控制系統(tǒng)，矢量控制基于交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)三相/二相坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)變換，將三相正交的交流量變換成兩相正交的直流量，能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能、高精度、大范圍調(diào)速。

能量回收又稱再生制動(dòng)，是電動(dòng)汽車(chē)提高續(xù)駛里程的重要技術(shù)，是將車(chē)輛在減速或制動(dòng)時(shí)的機(jī)械能產(chǎn)生的部分能量進(jìn)行回收，電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生電能給動(dòng)力電池充電。目前，純電動(dòng)汽車(chē)基本都已經(jīng)安裝了能量回收系統(tǒng)。能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要是如何提高能量回收的容量及其效率。

隨著電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)也朝著智能化和數(shù)字化的方向發(fā)展，結(jié)合采用變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)控制等技術(shù)。

3 純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)技術(shù)及其輕量化

純電動(dòng)汽車(chē)除了電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，汽車(chē)車(chē)身的整備質(zhì)量也占有較大比重，車(chē)身的輕量化研究對(duì)整車(chē)的性能提升也有很大的影響，目前車(chē)身部分也有很多新技術(shù)的應(yīng)用。輕量化能夠有效提升純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，提高電池的使用壽命，降低使用成本[4]。電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身的輕量化主要包括三個(gè)方面：選用輕量化材料，采用輕量化設(shè)計(jì)和輕量化的制造工藝。采用輕質(zhì)材料優(yōu)化結(jié)構(gòu)，比如車(chē)身板件和結(jié)構(gòu)件使用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼材或輕質(zhì)鋁鎂鈦合金材料，能夠使整車(chē)整備質(zhì)量降低30%到50%，保證車(chē)身質(zhì)量的同時(shí)可以顯著降低車(chē)身質(zhì)量;輕量化設(shè)計(jì)是針對(duì)車(chē)身的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸、形狀等方面的優(yōu)化，保證車(chē)身結(jié)構(gòu)性能要求的同時(shí)減少多余材料;輕量化的制造工藝主要是車(chē)身材料的制造和連接工藝，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料的連接多用粘接和鉚接技術(shù)并已經(jīng)量產(chǎn)，鉚接技術(shù)有冷鉚接和熱鉚接，特斯拉采用焊接技術(shù)。特斯拉的焊接采用的是冷金屬過(guò)渡技術(shù)。

另外，采用高炭質(zhì)材料支撐的高氣壓子午線輪胎，能夠使整車(chē)的滾動(dòng)阻力降低50%;采用流線型車(chē)身，能夠使整車(chē)的空氣阻力降低50%。所以，整車(chē)輕量化技術(shù)也是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)。除了使用輕質(zhì)材料外，純電動(dòng)汽車(chē)還能夠通過(guò)整車(chē)性能的參數(shù)優(yōu)化與匹配技術(shù)，以及結(jié)構(gòu)化和集成化、模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)降低整備質(zhì)量。

4 安全保護(hù)系統(tǒng)

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池具有大容量和高電壓的特點(diǎn)，安全也是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要因素之一，電動(dòng)汽車(chē)用電力電池具有高壓直流電，必須對(duì)高壓系統(tǒng)進(jìn)行安全及合理的設(shè)計(jì)，使用和維護(hù)時(shí)必須設(shè)置安全保護(hù)系統(tǒng)，確保駕乘人員和維修人員的安全。整車(chē)配備故障自診斷系統(tǒng)和故障報(bào)警系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠自動(dòng)控制車(chē)輛停止工作，防止事故發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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