电动汽车及混合动力汽车的发展现状

      摘要  当今世界环保和节能日益引起人们的关注，电动汽车和混合动力电动汽车(EV／HEV)正加速发展，混合动力电动汽车实现商业运作的梦想已经变成现实。市场上陆续出现了各种电动汽车和混合动力电动汽车。本文回顾了世界范围内电动汽车和混合动力电动汽车当前的发展情况和发展趋势，重点讨论了电动汽车的工程哲学和关键技术。本文阐述了汽车设计、电机驱动、电子技术、能量存储和控制综合技术的重要性，以及政府、工业部门、研发机构、发电厂和运输部门等社会方面的重要影响，讨论了电动汽车的商业机遇。

　　一、引言

　　电动汽车(EV)是一种电力驱动的道路交通工具。这个概念内涵很广泛。电动汽车包括蓄电池电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)。电动汽车涉及到很多学科，内容广泛而且复杂。其核心技术包括底盘和车身技术、驱动技术和能源技术。为这门综合性的课题写一份调查报告是一个艰巨的任务。本文着重阐述了电池电动汽车，并涉及到混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的主要情况。本文首先介绍蓄电池电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的当前情况，然后着重阐述电动汽车发展的工程哲学，接下来说明蓄电池电动汽车和混合动力电动汽车的结构，讨论其主要技术即驱动技术和能源技术。结论中总结了这几种电动汽车的技术现状和面临的挑战。

　　目前蓄电池电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车处于不同的发展阶段，面临着不同的挑战，需要采取不同的对策。为使读者在通读全文前对此类汽车的特性有所了解，这三个主要类型的特征在表1中作了描述。可以看出，蓄电池电动汽车的关键问题在于蓄电池及其管理系统。因此，蓄电池电动汽车主要适用于短程、低速的社区间，因为使用较小容量的蓄电池即可满足使用要求。混合动力电动汽车可满足使用者的要求，但其成本和系统集成优化是主要问题。燃料电池电动汽车具有作为未来主流汽车的潜力，但其技术尚处于研发阶段，它的成本太高，氢、氧燃料系统供应是主要问题。

　　二、为什么要使用电动汽车

　　让我们从人口以及汽车数量的增长开始研究，如图1所示。今后50年里，全球人口将从60亿增加到100亿，汽车的数量将从7亿增加到25亿。如果这些车辆都使用内燃机的话，它们所需要的石油将从何而来?它们排出的尾气如何处理?天空是否将永远是灰色的?这些问题迫使人们去寻找21世纪可持续发展的道路交通工具。

图1 人口与机动车的增长

　　在一个环境和资源问题日益突出的世界，电动汽车技术的加速发展正是为了解决这些问题。从环境方面考虑，电动汽车在城市交通中可实现零排放或极低排放。即使考虑到给这些电动汽车提供能量的发电厂的排放，使用电动汽车仍能显着降低全球的空气污染。从能量观点考虑，电动汽车利用的能源是一种可靠的、来源广泛的、均衡的、对环境友好的能源，例如使用多种可再生能源。因此可以预见到，电动汽车的发展将会对能源、环境、交通以及尖端技术的发展、新型工业的建立和经济的发展产生重大的影响。

　　三、电动汽车的过去、现状和未来

　　1．过去的发展

　　电动汽车发明于1834年。在19世纪的最后10 年中，美国、英国和法国的一些公司开始生产电动汽车。由于电他的限制以及内燃机驱动汽车的迅速发展，从1930年开始，电动汽车基本 在20世纪70年代初，一些国家迫于能源问题的困扰，重新燃起了对电动汽车的兴趣。1976年，美国颁布了一项关于电动汽车和混合动力汽车的研究、发展和展示条例，即公共法律94-413。那时，尽管电动汽车在19世纪末20世纪初表现良好，但仍需回答的首要问题是：“电动汽车是否能够满足现代社会的需要?”电动汽车近些年的发展回答了这个问题--答案是“是”。例如，1968年一辆试验性的电动汽车从加利福尼亚理工学院行驶到麻省理工学院，差不多每一个主要部件都失灵了，但1998年从洛杉矶开到底特律的一款商用电动汽车没有任何失误。在20世纪70年代，电动汽车还主要处于研发阶段，并且大部分为改装的内燃机驱动类型。今天，主要汽车生产商都开始以出售或出租为目的而生产电动汽车，并且其中大部分都是特别设计的，并非改装类型。

表1  蓄电池电动汽车、混台动力电动汽车和燃料电池电动汽车的特征

　　2．当前面临的主要问题

　　现阶段，研发电动汽车的主要推动力是环境问题，例如需要符合加利福尼亚标准，而不完全是能源问题。所以，现在需要回答的首要问题是：  “电动汽车是否值得生产?”这个问题的两个关键因素是里程和造价。为解决里程问题，各种先进的电池，如镍氢电池(Ni-MH)、理离子电池(Li-Ion)和锌／空气电池(Zn／Air)都在研发过程中。尽管如此，电池的能量和能量密度都远低于汽油，所以最近几年中，电动汽车的燃料正在加速研发中。与此同时，商业化混合动力电动汽车也在飞速发展中。混合动力电动汽车比蓄电池电动汽车在里程和性能方面更加出色。同时由于能量来源、引擎和其他附件，混合动力电动汽车也更为复杂，造价更为昂贵。为解决造价问题，正在努力改进不同的电动汽车系统，例如电动机、功率转换器、电子控制器、能量控制单元、电池充电装置、电池及其他电动汽车辅助设备，以及电动汽车的系统集成与优化。

　　3．发展趋势

　　为了解电动汽车的发展趋势，我们对1984-2001年间重要国际会议上发表的与电动汽车各方面相关的论文数量作了调查。调查表明，在驱动系统方面，对感应电动机驱动和永磁无刷电动机驱动的研究论文是主流，直流电动机已经不是主流，开关磁阻电动机驱动还在缓慢的发展阶段。在不同能源的发展方面，包括了铅酸电池、镍电池、锂电池、燃料电池以及电容器／飞轮。关于锂电池、燃料电池和电容器／飞轮的论文越来越多，同时铅酸电池和镍电池也在持续的发展中。在电动汽车系统方面，专门设计的电动汽车取代改装的电动汽车成为主流。并且，在电动汽车市场上，混合动力电动汽车走势良好。随着有关电动汽车的样机展示、标准化及市场方面的论文越来越多，电动汽车的商业运作已经呼之欲出了。

　　在未来的几十年里，可以预料到电动汽车和混合动力电动汽车将商业化，并占有一定的市场份额。电动汽车将首先用于社区交通，也就是在电力普及、电价便宜、要求零排放的地区被采用。另-方面，混合动力电动汽车将被用于需要更长里程的市场。电动汽车和混合动力电动汽车最终被接受主要取决于各自的造价。在更远的未来，燃料电池电动汽车将有较大的发展，尽管它在里程和性能上有潜力同另外几类电动汽车相媲美，但它至今仍处于研发阶段。

　　总之，电力驱动和能量来源仍旧是电动汽车的关键技术，电动汽车和混合动力电动汽车将继续并存。同时，能源、环境和经济方面依然是电动汽车实现商业运作的关键问题。图3描述了电动汽车及混合动力电动汽车的发展趋势。应当了解，有些核心技术在内燃机驱动汽车、电动汽车及混合动力电动汽车中是共同的。我们的最终日标是采用清洁、高效和高智能的能源来实现21世纪可持续的交通系统。

　　四、现阶段所处状况

　　经过多年的发展，电动汽车的技术已经日渐成熟。许多先进技术被用来增加行驶里程和降低成本。例如，采用先进的感应电动机驱动和永磁无刷电动机驱动可改善电力驱动系统；采用先进的阀控铅酸电池(VRM)、镍氢电池(Ni-MH)、理离子电池(量-Ion)、镍聚合物电池(U-P01ymer)、燃料电池、超级电容器以改善电动汽车能源系统；采用轻车身技术即采用轻质高强度材料、低风阻系数车身等以降低空气阻力；采用低滚动阻力轮胎以降低低速和中速时的滚动阻力；采用先进的充电方式、助力转向、变温座椅等以增强电动汽车辅助系统的功能。在下文中，对最近出现的电动汽车，混合动力电动汽车及燃料电池电动汽车作了描述，来说明已经达到的技术水平。EVl现在已经停产，NECAR5和福特P2000也仅仅用于展示用途。这些典型车型都是经过精心选择的，能够表现出现代工艺水平。通用EVl和尼桑A1tra EV代表了使用不同类型电池和发动机的先进电动汽车。福特P2000和NECAR5代表了燃料电池电动车的发展水平；丰田先驱(Nus)和本田Insight代表了混合动力电动汽车的商业化水平；Luci01e和HKU 200展示了蓄电池电动汽车的优越性；同时，Reva代表了商业化的低造价蓄电池电动汽车。

　　通用公司开发的具有最先进的动力系统的1997双座EVl如图4所示。该车为前轮驱动，采用一台l02kW的三相感应电动机，双级减速的单速驱动桥，减速比为10．946：1。EVl装备了由26个阀控铅酸电池组成的电池组，电池组可用6．6kw的非车载感应充电器或1．2kW的车载感应充电器进行充电。该车的电动机在转速为0-7000r／加n时输出恒转矩1驯N·m，在转速为7000-14000r／min时输出恒功率102kw，使得EVl可以获得128k/h(电子限速)的最高车速和0-96km／h加速小于9s的性能。市内行驶，一次充电能够行驶112Km，在高速公路上则可以达到144km。1999年，EVl选用了镍-金属混合电池，使得一次充电的行程达到了220km。

图2  蓄电池电动汽车和混合动力电动汽车

　　五、电动汽车开发的工程哲学

　　1．电动汽车的概念

　　虽然电动汽车在19世纪末就已经出现，现在的电动汽车是一种全新的车辆，它与古典电动汽车迥然不同。

　　现将现代电动汽车的概念罗列如下：

　　1)电动汽车是一种基于电力驱动的道路车辆，包含电动机、功率转换器、能源，它具有自身与众不同的特点。

　　2)电动汽车不仅是汽车，还是社会上出现的新系统、可实现零排放高效率运行的全新的道路交通系统。

　　3)我们需要研究电动汽车用户的需求，也需要有相应的教育。电动汽车的系统设计具有自身的特点，它有别于内燃机汽车，就像石英手表的核心有别于机械表的核心一样。简单来说，它们的外形相似而工作原理各异，我们要充分认识到电动汽车的独特之处。

　　2．电动汽车的工程哲字

　　电动汽车的工程哲学其实就是汽车工程和电气工程的集成。为了在经济许可的范围内使电动汽车的性能达到最佳，我们首要考虑的是系统的集成和优化。由于电力驱动有着与内燃机驱动截然不同的特性，那么，一种创新的结构方式对于电动汽车理论来说是至关重要的，而先进的能源和理想的能源管理系统是使电动汽车能与内燃机车抗衡的关键因素。

　　现代的电动汽车需要汲取包括汽车工程、电机工程、电力电子工程和化学工程等的先进技术，采用专门的结构和发展特别适用于电动汽车的特殊制造技术，应尽最大努力来优化电动汽车的能源分配。

　　下面列出了一些电动汽车采用的典型措施：

　　1)清楚目标市场和环境；

　　2)选定技术参数和行驶模式；

　　3)选定所需要的基础设施，如电池的循环利用；

　　4)选定系统类型是蓄电池电动、混合动力驱动还是燃料电池驱动；

　　5)选定底盘和车身；

　　6)选定能源：发电或是储能，混合驱动；能源或是混合驱动；

　　7)选定驱动系统：电动机、功率转换器、传动类型、一个或是多个电动机、无级变速或是有级变速、连接方式，如果是混合型电动汽车还要考虑内燃机系统；

　　8)根据不同的行驶模式选定额定参数(功率，转矩，转速)和能源(电容，电压，电流)。根据图13我们可以看到，美国的联邦市区行驶模式与联邦的高速公路行驶模式的要求是不同的，图中点的密度代表了工况频率。因此在FUDC中，驱动系统工作在低速高转矩范围内，而FHDS则工作在高速低转矩区域内；

　　9)选择理想的能源管理系统；

　　10)图14中的质量函数矩阵显示了电动车各部件的相互关系，并从其对成本、性能和安全性的影响程度来确定其相互关系的深度；

　　11)根据选定的驱动方式和工况来优化驱动的效率；

　　12)通过计算机仿真优化总系统。

图3  典型行驶模式的转矩转速特性要求

　　3．电动汽车的关键技术

　　电动汽车的关键技术包括电动技术、自动化技术、电子技术、信息技术、化学技术。虽然能源是最首要的问题，但是车身结构、电力驱动、能源管理系统的优化同样至关重要。为了便于阅读，在本节我们仅讨论车身结构、能源管理和系统优化技术，而电力驱动和能源问题将在下一部分讨论。