電動汽車及混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

      摘要  當(dāng)今世界環(huán)保和節(jié)能日益引起人們的關(guān)注，電動汽車和混合動力電動汽車(EV／HEV)正加速發(fā)展，混合動力電動汽車實現(xiàn)商業(yè)運(yùn)作的夢想已經(jīng)變成現(xiàn)實。市場上陸續(xù)出現(xiàn)了各種電動汽車和混合動力電動汽車。本文回顧了世界范圍內(nèi)電動汽車和混合動力電動汽車當(dāng)前的發(fā)展情況和發(fā)展趨勢，重點討論了電動汽車的工程哲學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)。本文闡述了汽車設(shè)計、電機(jī)驅(qū)動、電子技術(shù)、能量存儲和控制綜合技術(shù)的重要性，以及政府、工業(yè)部門、研發(fā)機(jī)構(gòu)、發(fā)電廠和運(yùn)輸部門等社會方面的重要影響，討論了電動汽車的商業(yè)機(jī)遇。

　　一、引言

　　電動汽車(EV)是一種電力驅(qū)動的道路交通工具。這個概念內(nèi)涵很廣泛。電動汽車包括蓄電池電動汽車(BEV)、混合動力電動汽車(HEV)和燃料電池電動汽車(FCEV)。電動汽車涉及到很多學(xué)科，內(nèi)容廣泛而且復(fù)雜。其核心技術(shù)包括底盤和車身技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)和能源技術(shù)。為這門綜合性的課題寫一份調(diào)查報告是一個艱巨的任務(wù)。本文著重闡述了電池電動汽車，并涉及到混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車的主要情況。本文首先介紹蓄電池電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車的當(dāng)前情況，然后著重闡述電動汽車發(fā)展的工程哲學(xué)，接下來說明蓄電池電動汽車和混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)，討論其主要技術(shù)即驅(qū)動技術(shù)和能源技術(shù)。結(jié)論中總結(jié)了這幾種電動汽車的技術(shù)現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)。

　　目前蓄電池電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車處于不同的發(fā)展階段，面臨著不同的挑戰(zhàn)，需要采取不同的對策。為使讀者在通讀全文前對此類汽車的特性有所了解，這三個主要類型的特征在表1中作了描述。可以看出，蓄電池電動汽車的關(guān)鍵問題在于蓄電池及其管理系統(tǒng)。因此，蓄電池電動汽車主要適用于短程、低速的社區(qū)間，因為使用較小容量的蓄電池即可滿足使用要求。混合動力電動汽車可滿足使用者的要求，但其成本和系統(tǒng)集成優(yōu)化是主要問題。燃料電池電動汽車具有作為未來主流汽車的潛力，但其技術(shù)尚處于研發(fā)階段，它的成本太高，氫、氧燃料系統(tǒng)供應(yīng)是主要問題。

　　二、為什么要使用電動汽車

　　讓我們從人口以及汽車數(shù)量的增長開始研究，如圖1所示。今后50年里，全球人口將從60億增加到100億，汽車的數(shù)量將從7億增加到25億。如果這些車輛都使用內(nèi)燃機(jī)的話，它們所需要的石油將從何而來?它們排出的尾氣如何處理?天空是否將永遠(yuǎn)是灰色的?這些問題迫使人們?nèi)ふ?1世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的道路交通工具。

圖1 人口與機(jī)動車的增長

　　在一個環(huán)境和資源問題日益突出的世界，電動汽車技術(shù)的加速發(fā)展正是為了解決這些問題。從環(huán)境方面考慮，電動汽車在城市交通中可實現(xiàn)零排放或極低排放。即使考慮到給這些電動汽車提供能量的發(fā)電廠的排放，使用電動汽車仍能顯著降低全球的空氣污染。從能量觀點考慮，電動汽車?yán)玫哪茉词且环N可靠的、來源廣泛的、均衡的、對環(huán)境友好的能源，例如使用多種可再生能源。因此可以預(yù)見到，電動汽車的發(fā)展將會對能源、環(huán)境、交通以及尖端技術(shù)的發(fā)展、新型工業(yè)的建立和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。

　　三、電動汽車的過去、現(xiàn)狀和未來

　　1．過去的發(fā)展

　　電動汽車發(fā)明于1834年。在19世紀(jì)的最后10 年中，美國、英國和法國的一些公司開始生產(chǎn)電動汽車。由于電他的限制以及內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動汽車的迅速發(fā)展，從1930年開始，電動汽車基本 在20世紀(jì)70年代初，一些國家迫于能源問題的困擾，重新燃起了對電動汽車的興趣。1976年，美國頒布了一項關(guān)于電動汽車和混合動力汽車的研究、發(fā)展和展示條例，即公共法律94-413。那時，盡管電動汽車在19世紀(jì)末20世紀(jì)初表現(xiàn)良好，但仍需回答的首要問題是：“電動汽車是否能夠滿足現(xiàn)代社會的需要?”電動汽車近些年的發(fā)展回答了這個問題--答案是“是”。例如，1968年一輛試驗性的電動汽車從加利福尼亞理工學(xué)院行駛到麻省理工學(xué)院，差不多每一個主要部件都失靈了，但1998年從洛杉磯開到底特律的一款商用電動汽車沒有任何失誤。在20世紀(jì)70年代，電動汽車還主要處于研發(fā)階段，并且大部分為改裝的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動類型。今天，主要汽車生產(chǎn)商都開始以出售或出租為目的而生產(chǎn)電動汽車，并且其中大部分都是特別設(shè)計的，并非改裝類型。

表1  蓄電池電動汽車、混臺動力電動汽車和燃料電池電動汽車的特征

　　2．當(dāng)前面臨的主要問題

　　現(xiàn)階段，研發(fā)電動汽車的主要推動力是環(huán)境問題，例如需要符合加利福尼亞標(biāo)準(zhǔn)，而不完全是能源問題。所以，現(xiàn)在需要回答的首要問題是：  “電動汽車是否值得生產(chǎn)?”這個問題的兩個關(guān)鍵因素是里程和造價。為解決里程問題，各種先進(jìn)的電池，如鎳氫電池(Ni-MH)、理離子電池(Li-Ion)和鋅／空氣電池(Zn／Air)都在研發(fā)過程中。盡管如此，電池的能量和能量密度都遠(yuǎn)低于汽油，所以最近幾年中，電動汽車的燃料正在加速研發(fā)中。與此同時，商業(yè)化混合動力電動汽車也在飛速發(fā)展中?；旌蟿恿﹄妱悠嚤刃铍姵仉妱悠囋诶锍毯托阅芊矫娓映錾?。同時由于能量來源、引擎和其他附件，混合動力電動汽車也更為復(fù)雜，造價更為昂貴。為解決造價問題，正在努力改進(jìn)不同的電動汽車系統(tǒng)，例如電動機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、電子控制器、能量控制單元、電池充電裝置、電池及其他電動汽車輔助設(shè)備，以及電動汽車的系統(tǒng)集成與優(yōu)化。

　　3．發(fā)展趨勢

　　為了解電動汽車的發(fā)展趨勢，我們對1984-2001年間重要國際會議上發(fā)表的與電動汽車各方面相關(guān)的論文數(shù)量作了調(diào)查。調(diào)查表明，在驅(qū)動系統(tǒng)方面，對感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動和永磁無刷電動機(jī)驅(qū)動的研究論文是主流，直流電動機(jī)已經(jīng)不是主流，開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動還在緩慢的發(fā)展階段。在不同能源的發(fā)展方面，包括了鉛酸電池、鎳電池、鋰電池、燃料電池以及電容器／飛輪。關(guān)于鋰電池、燃料電池和電容器／飛輪的論文越來越多，同時鉛酸電池和鎳電池也在持續(xù)的發(fā)展中。在電動汽車系統(tǒng)方面，專門設(shè)計的電動汽車取代改裝的電動汽車成為主流。并且，在電動汽車市場上，混合動力電動汽車走勢良好。隨著有關(guān)電動汽車的樣機(jī)展示、標(biāo)準(zhǔn)化及市場方面的論文越來越多，電動汽車的商業(yè)運(yùn)作已經(jīng)呼之欲出了。

　　在未來的幾十年里，可以預(yù)料到電動汽車和混合動力電動汽車將商業(yè)化，并占有一定的市場份額。電動汽車將首先用于社區(qū)交通，也就是在電力普及、電價便宜、要求零排放的地區(qū)被采用。另-方面，混合動力電動汽車將被用于需要更長里程的市場。電動汽車和混合動力電動汽車最終被接受主要取決于各自的造價。在更遠(yuǎn)的未來，燃料電池電動汽車將有較大的發(fā)展，盡管它在里程和性能上有潛力同另外幾類電動汽車相媲美，但它至今仍處于研發(fā)階段。

　　總之，電力驅(qū)動和能量來源仍舊是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)，電動汽車和混合動力電動汽車將繼續(xù)并存。同時，能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面依然是電動汽車實現(xiàn)商業(yè)運(yùn)作的關(guān)鍵問題。圖3描述了電動汽車及混合動力電動汽車的發(fā)展趨勢。應(yīng)當(dāng)了解，有些核心技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動汽車、電動汽車及混合動力電動汽車中是共同的。我們的最終日標(biāo)是采用清潔、高效和高智能的能源來實現(xiàn)21世紀(jì)可持續(xù)的交通系統(tǒng)。

　　四、現(xiàn)階段所處狀況

　　經(jīng)過多年的發(fā)展，電動汽車的技術(shù)已經(jīng)日漸成熟。許多先進(jìn)技術(shù)被用來增加行駛里程和降低成本。例如，采用先進(jìn)的感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動和永磁無刷電動機(jī)驅(qū)動可改善電力驅(qū)動系統(tǒng)；采用先進(jìn)的閥控鉛酸電池(VRM)、鎳氫電池(Ni-MH)、理離子電池(量-Ion)、鎳聚合物電池(U-P01ymer)、燃料電池、超級電容器以改善電動汽車能源系統(tǒng)；采用輕車身技術(shù)即采用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料、低風(fēng)阻系數(shù)車身等以降低空氣阻力；采用低滾動阻力輪胎以降低低速和中速時的滾動阻力；采用先進(jìn)的充電方式、助力轉(zhuǎn)向、變溫座椅等以增強(qiáng)電動汽車輔助系統(tǒng)的功能。在下文中，對最近出現(xiàn)的電動汽車，混合動力電動汽車及燃料電池電動汽車作了描述，來說明已經(jīng)達(dá)到的技術(shù)水平。EVl現(xiàn)在已經(jīng)停產(chǎn)，NECAR5和福特P2000也僅僅用于展示用途。這些典型車型都是經(jīng)過精心選擇的，能夠表現(xiàn)出現(xiàn)代工藝水平。通用EVl和尼桑A1tra EV代表了使用不同類型電池和發(fā)動機(jī)的先進(jìn)電動汽車。福特P2000和NECAR5代表了燃料電池電動車的發(fā)展水平；豐田先驅(qū)(Nus)和本田Insight代表了混合動力電動汽車的商業(yè)化水平；Luci01e和HKU 200展示了蓄電池電動汽車的優(yōu)越性；同時，Reva代表了商業(yè)化的低造價蓄電池電動汽車。

　　通用公司開發(fā)的具有最先進(jìn)的動力系統(tǒng)的1997雙座EVl如圖4所示。該車為前輪驅(qū)動，采用一臺l02kW的三相感應(yīng)電動機(jī)，雙級減速的單速驅(qū)動橋，減速比為10．946：1。EVl裝備了由26個閥控鉛酸電池組成的電池組，電池組可用6．6kw的非車載感應(yīng)充電器或1．2kW的車載感應(yīng)充電器進(jìn)行充電。該車的電動機(jī)在轉(zhuǎn)速為0-7000r／加n時輸出恒轉(zhuǎn)矩1馴N·m，在轉(zhuǎn)速為7000-14000r／min時輸出恒功率102kw，使得EVl可以獲得128k/h(電子限速)的最高車速和0-96km／h加速小于9s的性能。市內(nèi)行駛，一次充電能夠行駛112Km，在高速公路上則可以達(dá)到144km。1999年，EVl選用了鎳-金屬混合電池，使得一次充電的行程達(dá)到了220km。

圖2  蓄電池電動汽車和混合動力電動汽車

　　五、電動汽車開發(fā)的工程哲學(xué)

　　1．電動汽車的概念

　　雖然電動汽車在19世紀(jì)末就已經(jīng)出現(xiàn)，現(xiàn)在的電動汽車是一種全新的車輛，它與古典電動汽車迥然不同。

　　現(xiàn)將現(xiàn)代電動汽車的概念羅列如下：

　　1)電動汽車是一種基于電力驅(qū)動的道路車輛，包含電動機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、能源，它具有自身與眾不同的特點。

　　2)電動汽車不僅是汽車，還是社會上出現(xiàn)的新系統(tǒng)、可實現(xiàn)零排放高效率運(yùn)行的全新的道路交通系統(tǒng)。

　　3)我們需要研究電動汽車用戶的需求，也需要有相應(yīng)的教育。電動汽車的系統(tǒng)設(shè)計具有自身的特點，它有別于內(nèi)燃機(jī)汽車，就像石英手表的核心有別于機(jī)械表的核心一樣。簡單來說，它們的外形相似而工作原理各異，我們要充分認(rèn)識到電動汽車的獨特之處。

　　2．電動汽車的工程哲字

　　電動汽車的工程哲學(xué)其實就是汽車工程和電氣工程的集成。為了在經(jīng)濟(jì)許可的范圍內(nèi)使電動汽車的性能達(dá)到最佳，我們首要考慮的是系統(tǒng)的集成和優(yōu)化。由于電力驅(qū)動有著與內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動截然不同的特性，那么，一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)方式對于電動汽車?yán)碚搧碚f是至關(guān)重要的，而先進(jìn)的能源和理想的能源管理系統(tǒng)是使電動汽車能與內(nèi)燃機(jī)車抗衡的關(guān)鍵因素。

　　現(xiàn)代的電動汽車需要汲取包括汽車工程、電機(jī)工程、電力電子工程和化學(xué)工程等的先進(jìn)技術(shù)，采用專門的結(jié)構(gòu)和發(fā)展特別適用于電動汽車的特殊制造技術(shù)，應(yīng)盡最大努力來優(yōu)化電動汽車的能源分配。

　　下面列出了一些電動汽車采用的典型措施：

　　1)清楚目標(biāo)市場和環(huán)境；

　　2)選定技術(shù)參數(shù)和行駛模式；

　　3)選定所需要的基礎(chǔ)設(shè)施，如電池的循環(huán)利用；

　　4)選定系統(tǒng)類型是蓄電池電動、混合動力驅(qū)動還是燃料電池驅(qū)動；

　　5)選定底盤和車身；

　　6)選定能源：發(fā)電或是儲能，混合驅(qū)動；能源或是混合驅(qū)動；

　　7)選定驅(qū)動系統(tǒng)：電動機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、傳動類型、一個或是多個電動機(jī)、無級變速或是有級變速、連接方式，如果是混合型電動汽車還要考慮內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)；

　　8)根據(jù)不同的行駛模式選定額定參數(shù)(功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速)和能源(電容，電壓，電流)。根據(jù)圖13我們可以看到，美國的聯(lián)邦市區(qū)行駛模式與聯(lián)邦的高速公路行駛模式的要求是不同的，圖中點的密度代表了工況頻率。因此在FUDC中，驅(qū)動系統(tǒng)工作在低速高轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，而FHDS則工作在高速低轉(zhuǎn)矩區(qū)域內(nèi)；

　　9)選擇理想的能源管理系統(tǒng)；

　　10)圖14中的質(zhì)量函數(shù)矩陣顯示了電動車各部件的相互關(guān)系，并從其對成本、性能和安全性的影響程度來確定其相互關(guān)系的深度；

　　11)根據(jù)選定的驅(qū)動方式和工況來優(yōu)化驅(qū)動的效率；

　　12)通過計算機(jī)仿真優(yōu)化總系統(tǒng)。

圖3  典型行駛模式的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性要求

　　3．電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)

　　電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括電動技術(shù)、自動化技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、化學(xué)技術(shù)。雖然能源是最首要的問題，但是車身結(jié)構(gòu)、電力驅(qū)動、能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化同樣至關(guān)重要。為了便于閱讀，在本節(jié)我們僅討論車身結(jié)構(gòu)、能源管理和系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，而電力驅(qū)動和能源問題將在下一部分討論。