電動汽車及混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

      摘要  當今世界環(huán)保和節(jié)能日益引起人們的關注，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和關鍵技術。本文闡述了汽車設計、電機驅動、電子技術、能量存儲和控制綜合技術的重要性，以及政府、工業(yè)部門、研發(fā)機構、發(fā)電廠和運輸部門等社會方面的重要影響，討論了電動汽車的商業(yè)機遇。

　　一、引言

　　電動汽車(EV)是一種電力驅動的道路交通工具。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科，內(nèi)容廣泛而且復雜。其核心技術包括底盤和車身技術、驅動技術和能源技術。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。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前情況，然后著重闡述電動汽車發(fā)展的工程哲學，接下來說明蓄電池電動汽車和混合動力電動汽車的結構，討論其主要技術即驅動技術和能源技術。結論中總結了這幾種電動汽車的技術現(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?？梢钥闯?，蓄電池電動汽車的關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，但其技術尚處于研發(fā)階段，它的成本太高，氫、氧燃料系統(tǒng)供應是主要問題。

　　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?天空是否將永遠是灰色的?這些問題迫使人們?nèi)ふ?1世紀可持續(xù)發(fā)展的道路交通工具。

圖1 人口與機動車的增長

　　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，電動汽車利用的能源是一種可靠的、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、交通以及尖端技術的發(fā)展、新型工業(yè)的建立和經(jīng)濟的發(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)燃機驅動汽車的迅速發(fā)展，從1930年開始，電動汽車基本 在20世紀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世紀末20世紀初表現(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院行駛到麻省理工學院，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)燃機驅動類型。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準，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)?”這個問題的兩個關鍵因素是里程和造價。為解決里程問題，各種先進的電池，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雜，造價更為昂貴。為解決造價問題，正在努力改進不同的電動汽車系統(tǒng)，例如電動機、功率轉換器、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的論文數(shù)量作了調(diào)查。調(diào)查表明，在驅動系統(tǒng)方面，對感應電動機驅動和永磁無刷電動機驅動的研究論文是主流，直流電動機已經(jīng)不是主流，開關磁阻電動機驅動還在緩慢的發(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。隨著有關電動汽車的樣機展示、標準化及市場方面的論文越來越多，電動汽車的商業(yè)運作已經(jīng)呼之欲出了。

　　在未來的幾十年里，可以預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，電力驅動和能量來源仍舊是電動汽車的關鍵技術，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)濟方面依然是電動汽車實現(xiàn)商業(yè)運作的關鍵問題。圖3描述了電動汽車及混合動力電動汽車的發(fā)展趨勢。應當了解，有些核心技術在內(nèi)燃機驅動汽車、電動汽車及混合動力電動汽車中是共同的。我們的最終日標是采用清潔、高效和高智能的能源來實現(xiàn)21世紀可持續(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，電動汽車的技術已經(jīng)日漸成熟。許多先進技術被用來增加行駛里程和降低成本。例如，采用先進的感應電動機驅動和永磁無刷電動機驅動可改善電力驅動系統(tǒng)；采用先進的閥控鉛酸電池(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)；采用輕車身技術即采用輕質(zhì)高強度材料、低風阻系數(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；采用先進的充電方式、助力轉向、變溫座椅等以增強電動汽車輔助系統(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)達到的技術水平。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)動機的先進電動汽車。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(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)的具有最先進的動力系統(tǒng)的1997雙座EVl如圖4所示。該車為前輪驅動，采用一臺l02kW的三相感應電動機，雙級減速的單速驅動橋，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的非車載感應充電器或1．2kW的車載感應充電器進行充電。該車的電動機在轉速為0-7000r／加n時輸出恒轉矩1馴N·m，在轉速為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

　　1．電動汽車的概念

　　雖然電動汽車在19世紀末就已經(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動的道路車輛，包含電動機、功率轉換器、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，也需要有相應的教育。電動汽車的系統(tǒng)設計具有自身的特點，它有別于內(nèi)燃機汽車，就像石英手表的核心有別于機械表的核心一樣。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其實就是汽車工程和電氣工程的集成。為了在經(jīng)濟許可的范圍內(nèi)使電動汽車的性能達到最佳，我們首要考慮的是系統(tǒng)的集成和優(yōu)化。由于電力驅動有著與內(nèi)燃機驅動截然不同的特性，那么，一種創(chuàng)新的結構方式對于電動汽車理論來說是至關重要的，而先進的能源和理想的能源管理系統(tǒng)是使電動汽車能與內(nèi)燃機車抗衡的關鍵因素。

　　現(xiàn)代的電動汽車需要汲取包括汽車工程、電機工程、電力電子工程和化學工程等的先進技術，采用專門的結構和發(fā)展特別適用于電動汽車的特殊制造技術，應盡最大努力來優(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)清楚目標市場和環(huán)境；

　　2)選定技術參數(shù)和行駛模式；

　　3)選定所需要的基礎設施，如電池的循環(huán)利用；

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

　　5)選定底盤和車身；

　　6)選定能源：發(fā)電或是儲能，混合驅動；能源或是混合驅動；

　　7)選定驅動系統(tǒng)：電動機、功率轉換器、傳動類型、一個或是多個電動機、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)燃機系統(tǒng)；

　　8)根據(jù)不同的行駛模式選定額定參數(shù)(功率，轉矩，轉速)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，驅動系統(tǒng)工作在低速高轉矩范圍內(nèi)，而FHDS則工作在高速低轉矩區(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系的深度；

　　11)根據(jù)選定的驅動方式和工況來優(yōu)化驅動的效率；

　　12)通過計算機仿真優(yōu)化總系統(tǒng)。

圖3  典型行駛模式的轉矩轉速特性要求

　　3．電動汽車的關鍵技術

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