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盘点国内外纯电动汽车发展现状

发布时间:2019-06-04 02:20 来源:未知 编辑:admin

  在政策导向阶段,我国新能源汽车推广取得了骄人成绩,增长势头依然强劲。但随着补贴金额的逐年退坡,产业发展转入市场导向阶段时,我国新能源汽车产业尤其是乘用车产业如何应对市场开放格局下外资品牌的强势冲击,如何保持我国自主品牌新能源汽车的市场活力并参与到国际竞争中去,是不可忽视的问题。

  纯电动汽车在电动汽车中发展时间最长。自19世纪90年代美国人制造出世界上第一辆纯电动汽车以来,20世纪初第一次达到生产高峰,占领了40%的汽车市场。后来由于电子启动器的发明以及纯电动汽车动力性差的原因,在30年代中期结束了早期的纯电动汽车生产而进入燃油汽车的黄金时期。

  1974年~1975年和1979年~1982年欧美两次能源危机推动纯电动汽车的研制重新进入高峰。这一阶段汽车电力电子学尚未建立,既没有完善的科学理论做指导,更缺乏高科技含量的汽车电力电子装置可供采用。

  特别是,当时仅有铅酸蓄电池可供使用,然而铅酸蓄电池体积大、质量重,能量密度小、功率密度低,充电时间长,每次充足电后续驶里程较短,再加上电力传动系统的制造成本过高等因素困扰,1997年以后绝大多数公司对纯电动汽车的研发基本处于停滞状态。

  第二代纯电动汽车的出现,是以汽车电力电子学的最新发展为基础的,其技术亮点包括高能量密度锂离子蓄电池、锂离子电容器等的发明,以及乘用车电动化技术的开发和利用等。虽然,纯电动汽车离真正商业化还有一定的距离,但与第一代纯电动汽车相比,它已经在充电时间、续驶里程、动力性、快速充放电能力等方面取得了可喜的进展。

  与传统内燃机汽车及混合动力汽车、氢燃料汽车相比,第二代纯电动汽车也显示出了一定的优势:控制精确度高于混合动力车,风阻系数可降至0.19,整车质量大大低于燃料电池车,CO2排放量低于同级别汽油车,使用过程的能耗费用低于汽油车。当然还存在技术瓶颈和若干问题。

  近年来,全球电动汽车市场正以更快的速度成长,电动汽车产销量均有明显提升。2014年全球市场共销售353 522 辆电动汽车,同比增长56.78%;其中,电动乘用车323 864辆,占比91. 61% (电动乘用车指“双80”车,即最高时速80 km/h 以上,同时一次充电续航里程80 km以上);电动客车及电动专用车29 658 辆,占比8. 39%。

  美国、欧盟、中国、日本仍然在全球电动汽车市场中位居前列。美国的通用、福特、特斯拉公司,日本的丰田、日产及本田公司,欧洲的宝马、奔驰、雪铁龙公司等都在电动汽车的研制与开发上呈现出很强的实力。

  从全球主要汽车生产厂家的销量和发展计划来看,目前,“低排放”汽车(主要指混合动力汽车) 经过长时间的发展,技术最为成熟,已进入快速增长期,其销量、增幅和占比都远远高于其他车型;随着动力电池性能的提升及充电基础设施建设的完善,“零排放”汽车(主要指纯电动汽车) 也逐渐走上产业化的道路,特别是小型的纯电动汽车更是发展迅速;燃料电池汽车在技术和经济方面仍存在诸多瓶颈,其大规模推广还存在相当的距离。

  目前,世界主要国家政府都制定了电动汽车中长期发展战略规划,预计电动汽车市场会在未来10年内持续增长,成为拉动经济发展的新的增长点。

  从国内发展情况来看,我国充电设施建设主要参与者包括国家电网公司、南方电网公司、普天海油、中石化、比亚迪等企业。近几年来,我国已经投产了一定数量的充电站与充电桩,充电方式有快充、慢充、换电池等多种,先期的工作为后续建设提供了宝贵经验。

  目前,国家电网公司、南方电网公司、普天海油、中石化等企业已经与多数地方政府签订了战略合作协议,制定了较为明确的建设目标和计划,充电站建设开始呈现加速发展的势头。

  2014年,全球电动汽车锂离子电池产能井喷,产量高达7000MWh(兆瓦时),同比增长约54%。据统计全球十大电池生产商的排名,松下位居榜首,其在锂离子电池市场份额占据了38%。日产和NEC合资电池公司AESC排第二名,而来自中国的比亚迪排第四名。尽管比亚迪去年电池产能与松下相差还很远,但后来居上之势不可小觑,凭借电动客车和插电混动轿车的快速增长,比亚迪2014电池产能取得290%的惊人增幅,市场份额也从2013年的3%上升到6%

  在新的新能源汽车补贴政策预期之下,投资人涌向动力电池产业,隔膜六氟磷酸锂等对外依存度曾高达80%的关键锂电材料生产技术获得重大突破,价格明显下降。动力电池成本占新能源汽车将近一半。

  锂电池降价后,新能源汽车产业化成本制约因素大大弱化。美国电动汽车联盟近日公布了一份关于电动车现状分析及未来展望的报告,该机构在报告中预测称,随着电动车制造成本的快速降低,其成本竞争力将很快超越内燃机汽车。

  通过对汽车的购买、维护、使用、燃料以及政府税率优惠等多方面因素进行分析,美国电动汽车联盟认为,同内燃机汽车相比,混动车(HEV)及插电式混动车(PHEV)目前已经具备成本竞争力。而到2024年,内燃机汽车的购置成本预计将全面高于混动车及纯电动车。

  从车型来看,现在新能源汽车按我们国家的界定,主要就是纯电动和插电式混合动力,还有燃料电池汽车。

  目前,主要还是在纯电动和插电式混合动力这一块,特别是纯电动汽车的量最大。燃料电池汽车现在从全球看处于产业化的初期,也就是产品的市场导入阶段,主要的销量是在日本、美国,实际上主要是丰田的销量。

  主要畅销的车型中,纯电动的还是占多数,特别是特斯拉,现在还是全球的销售冠军。中国也有九款车进入到全球畅销车型前20名的行列,在市场化方面确实处于领先的位置。

  总的技术趋势,新能源汽车有两个方面。一是新能源本身的一些技术发展,这个大的趋势大家都很清楚,无非重点核心还是在动力电池方面,如何提升能量密度,如何提升续驶里程,包括降低成本。但是我们也从另外的层面看一下整个汽车产业的趋势,也是新能源汽车发展的一个大趋势,主要有三个方面:轻量化、智能化、低碳化。

  每减重1%,带来的节能效果还是非常显著的。特别是对新能源汽车来讲,因为现在电池的能量密度还比较低,整个车重还是比较重,对新能源汽车来讲更需要轻量化。与此同时,轻量化带来的不光是技术上的进步和革新,更重要的是它会带来一些对我们传统制造加工工艺,包括生产模式的重大变革。

  比如说像宝马i3,大范围地使用了碳纤维的材料,它现在整车的重量只有1195公斤,比传统车减重了250-350公斤,减重的效果是非常明显的,而且它车身的重量仅仅180公斤,整个复合材料的使用率达到50%。

  所以现在碳纤维这种新型轻量化的材料未来在电动车上可能会首先进行普及和应用。另外,像特斯拉也在铝合金的材料运用上也做了大量的工作。

  这两年非常热,甚至某种程度上来讲现在有一种超过新能源的热度,无论从传统车来讲,还是和电动车的结合来讲,都是一个新的发展热点。

  对于电动车来讲,更有应用的优势,因为本身电控的水平程度比较高。按照国际上大家共识的发展前景来看,日本和欧洲目前的预计,实现全自动的驾驶大概在2025-2030年的阶段,也就是十年左右的阶段,这也是需要大家来关注的重要方向。

  这里讲的低碳化实际上是一个全生物周期的概念,我们现在发展电动车在社会上还是有不同的声音,包括对电动车到底减不减排还有质疑,主要因为电力的结构,煤电将近70%的比例,如果电动车的能耗不能控制在合理的程度,确实会存在不减排的状况。

  从未来的角度来看,必须要引入可再生能源,真正实现生物周期的低排放和零排放。这不光是我们所关注的,这些年国际上对这块也投入了很大精力,特别像欧洲、美国、日本在这方面都做了很多试验验证的工作,积极推动新能源汽车和可再生能源的融合,这个未来也是我们重要的发展方向。

  非常重要的环节是,如果说新能源汽车和可再生能源,包括智能电网的融合,它不光是解决了环保效益的问题,更重要的一点,它还能带来在经济性方面的收益,特别是电池的梯次利用。

  如果能够实现动力电池的梯次利用,对新能源汽车降低成本,能够快速地普及会发生非常重要的推动作用。

  分车型来看,我们现在主要还是以纯电动汽车为主。纯电动汽车里,商用车和乘用车的数量相当,这也是我们与国外不太一样的地方。在全球看,国外的重点还是在乘用车。我们对去年市场上销售前10名的也做了一下统计,目前销量的冠军还是插电式的,比亚迪˙秦的量是比较大。在前10名的车型里,纯电动的有7款,插电式的有3款。

  具体来看技术的进展情况。对于纯电动乘用车来讲,整车全新结构适应电动车特点的专用的电动化底盘的开发,包括全新结构的整车开发,这是一个非常重要的标志。因为前期基本上都是改装车,都是在原有燃油车的基础上进行改装,所以很多性能得不到优化。

  对标国际来看,我们认为,国内的技术水平与国外的产品有两三年的差距,也就是半代产品的差距。

  从能耗和动力性能上来看,这是显性的指标,日产的LEAF是一款代表性的车型,这款车的车重将近1.5吨,它的能耗百公里是在11.4度的水平。看看我们现在的一些产品,在能耗水平上还是有欠缺,比如说上汽的150,车重比人家的轻了将近400公斤,但是电耗比人家的略高一点。说明国内的整个性能的优化,低能耗方面还要继续下工夫。所以目前新能源汽车补贴政策里也在酝酿,除了对纯电动乘用车子有续驶里程的要求之外,要增加对能耗的一些要求。

  动力方面,加速的时间和国外也有比较大的差距。这两个指标是大家能看到的,显性的指标,实际上内在的一些指标,包括我们的可靠性,还有整个车辆操控的品质、舒适性等方面的性能,这都是我们直观看不到的,但是这些方面正是我们差距更大的方面。

  新能源客车方面,在技术上我们还是处于领先的地位,市场应用规模在全球也是最大的,而且这个领域也是创新最活跃的,各种技术方案层出不穷,在各地都得到了规模化的实际应用。

  这里也对各种方案作了汇总,主要的技术方案现在有这么几种,包括长续驶里程、慢充方案,也包括短续驶里程、快充的方案,比如说钛酸锂的方案,还有换电的方案,也包括在线充电,利用超级电容的方案,还有增程式的方案以及插电式混合动力的方案。

  各地可以根据自己实际情况有针对性选择,这些方案从经济性的角度来看,长续驶里程、慢充的方案和换电的方案,成本比较高,大家在选择的时候,对经济性要做深入的分析。

  在充电机、电动空调方面,我们也研制开发出了相应的产品。特别是空调,大家都很清楚,空调制冷、制热对电动车的能耗影响非常大,对续驶里程的影响也非常大。

  我们现在主要应用的在加热方面,还是CTV的方式。但是我们这几年,从学会角度也在推动高效的热泵空调技术研发。目前,我们的样机也出来了,这两年重点解决产业化的问题。

  目前我们的技术状况,我们从冷启动方面可以实现零下20度的冷启动,但是国外都是零下30度以上的水平。我们的寿命3000小时,国外至少在5000小时以上。

  功率密度,我们现在达到2000瓦/升,功率密度是2000瓦,重量的比功率是1000瓦,能量效率60%,特别是铂的分担量是0.6克/千瓦,对我们自己来讲,降的幅度还是比较大的,但是对比国际来讲,我们确实还有挺大的差距。现在日本做到了0.2克/千瓦的水平,未来的目标是0.1克/千瓦。所以铂用量的降低,直接影响到燃料电池成本的下降。

  从整车上来看,我们开始从轿车到客车的开发,也进行了小规模的试验。但是现在整车企业的参与度还不高,在这方面的投入也严重不足。我国的轿车和客车与国外比较,车辆的效率、续驶里程、成本、耐久性、加氢的时间、低温启动的性能等方面,我们全方位地落后,这确实需要行业重视起来。

  在纯电动和插电式方面,主要还是在关键核心技术方面落后于国外。比如说纯电动汽车,批量化的生产工艺、质量控制和可靠性紧密相关的方面,我们还是欠缺的。在成本控制方面,我们现在还需要进一步提升。

  耐久性方面,我们考核做得还不够充分。举个例子,现在客车的耐久性只能是3000小时,国外已经做到1万小时以上的水平。

  从发展趋势上来看,大家看到这个图还是比较令人震撼的,这是国际能源署IEA的预测。从2020年开始,传统汽柴油汽车的市场份额开始进入到下降的通道,新能源汽车,包括普通的混合动力汽车在未来应该说是市场份额持续扩大的趋势。

  右上角的这张表是我们的技术路线图课题组对未来形成的预测和判断,中国新能源汽车年销量的目标,2020年预计在200万辆的规模,到2025年是500万辆,到2030年是千万辆的市场销售规模。

  这是分阶段的技术发展目标和路径。从整车来看,主要的工作是降重量、降能耗、提高续驶里程,这是主线。对于插电式混合动力,最主要是降低油耗,这个油耗与以前提的油耗不太一样。

  以前提的都是综合油耗,把电耗和油耗折算在一起,现在提出来下一步要重点考核混动模式下的油耗,要真正检验插电式混合动力汽车的混合动力系统的技术水平,我们相应地提出了这样一些油耗指标的要求。

  市场状况:美国是全球规模最大的电动汽车市场,2014年电动乘用车的销量达到119 710辆,较2013年增加22.7%。目前,插电式混合动力汽车是美国电动汽车市场销量和增幅最大的产品。

  技术研发:美国电动汽车发展以通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司为主导,利用三大汽车公司雄厚的技术开发力量和先进制造条件,通过汽车、机电、电子、控制和材料等行业的分工合作,开发出电动汽车的各种总成和技术单元。

  1991 年,美国三大汽车公司达成协议,成立“先进电池联合体”,共同致力于纯电动汽车的研究。但经过13年的探索,蓄电池技术还是未能获得关键性突破,以通用为代表的汽车厂商不再积极鼓励发展纯电动汽车,转向了对燃料电池车的研究。

  20世纪90年代中期,美国克林顿政府曾制订了发展电动车的“新一代汽车伙伴(PNGV)计划”,集中研究电池驱动的纯电动汽车。但鉴于当时蓄电池技术还未能获得关键性突破,纯电动汽车一次充电后的续驶里程短,充电时间长,降低电池造价困难,在技术上也难以解决处理废旧电池二次污染、回收困难的问题,而且电池价格昂贵,商业化进展缓慢。

  2009 年奥巴马上台后又转向了率先实现混合动力车商业化、燃料电池车作为远期目标的电动汽车发展战略。在国家战略的引导下,美国各类电动汽车技术成果颇丰,先后提出了针对纯电动汽车与混合动力汽车的四大类标准,并形成了世界上最完善的燃料电池汽车标准体系。

  截至2012年,在混合动力汽车、燃料电池汽车等电动汽车关键技术领域,美国获得授权专利数量占据了全球专利总数的22%。

  美国加州经过对环保车辆13年的探索实践,表示不再积极鼓励发展纯电动汽车,而转向了燃料电池汽车。EV1、Chrysler EPIC等相继停产,通用曾经也宣布不再继续加大对纯电动汽车研究的投入,只是对已经在路上使用的电动汽车进行维护。不过美国国家实验室还在继续进行纯电动汽车先进驱动系统、先进电池及其管理系统等的深入研究。

  2002年,美国能源部批准经费l500万美元,用于“工业研究、开发和演示使用电池的电动汽车”的费用,包括使用效率和动力储存、供电质量等。小型、低速、特种用途的纯电动汽车不断发展。

  市场状况:步入21世纪后,电动汽车行业在欧洲迅速发展。在一些起步较晚的国家,如荷兰、挪威等,电动汽车发展尤其迅猛,电动汽车保有量持续增加。

  据欧洲汽车制造商协会(ACEA)数据显示,2014年欧盟28个成员国加上自由贸易联盟国家电动车销量达到97,791辆,同比增长50.3%,挪威、英国等国家甚至实现成倍增长。

  技术研发:与美国相比,欧洲更崇尚纯电动汽车。1990年,欧洲“城市电动车”协会成立,旨在帮助各城市进行电动汽车可行性研究、安装必要设备和指导其运营。至今在欧共体组织内已有60座城市参与,帮助各城市进行电动汽车可行性的研究和安装必要的设备,并指导城市的电动汽车运营。

  其中最为成功和著名的就是电动标致106车型,这种以镍镉电池为动力的电动汽车已经在欧洲各国,尤其是在政府部门当中拥有大量的用户。这与法国政府给予纯电动汽车高度重视和支持,出台了许多鼓励研发和生产产业化的优惠、支持、补贴和扶持政策密切相关。

  1995年底,欧洲第1 批电动汽车实现批量生产,1996年到2000年间,欧洲电动汽车从5,890辆增长到16,255 辆,其中法国、瑞士和德国处于前列。

  进入21世纪后,欧洲电动汽车产业快速发展,到2014年底欧盟各国电动汽车保有量均大幅增长。欧洲的汽车企业也纷纷在传统内燃机汽车的技术优势的基础上推出了自己的插电式混合动力和纯电动汽车品牌,如雷诺推出的雷诺ZOE、雷诺KangrooZOE、雷诺twizy三款纯电动汽车,宝马推出的纯电动跑车i3、插电式混合动力跑车i8,大众推出的插电式混合动力车辆高尔夫“TwinDrive”等。

  虽然纯电动汽车在欧洲取得了一定的发展,但由于没能成功地解决续航里程短的问题,商业化进程相对缓慢,因而部分企业也开始致力于其他清洁能源车的开发和产业化。从销量上看,近年来,混合动力车型在欧洲的销量大幅增长,2013 年仅丰田公司一家企业的混合动力车型就在欧洲销售了15. 7 万辆。

  法国政府、法国电力公司、标致-雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司签属协议,共同承担开发和推广电动汽车,共同合资组建了电动汽车的电池公司萨夫特(SAFT)公司承担电动汽车的高能电池的研究和开发,以及电池的租赁和维修等工作。但它终究还是没有能成功地解决一次充电后的续驶里程短的问题,因此也没有进行更大规模的扩张,而是更多地转向清洁柴油车的产业化。

  目前,还有一些机构继续在做纯电动汽车的研究开发,例如体现法国政府意向的法国重要的国营企业,法国电力公司与达索集团签约了纯电动汽车的合作开发项目。追随法国进行理论研究和产品开发的是比利时,主要集中在高等院校之中,例如布鲁塞尔和列日(Liege)大学。

  但是比利时没有自己的汽车工业,没有很多的企业投资,只有有限的政府资助,缺乏实际运用效果。此外还有意大利着重两轮纯电动车的研发和运营,瑞士则侧重研究超级电容器,尤其是电动城市轻轨方面的研究。

  市场状况:日本是全球范围内最早开始发展电动汽车的国家之一,也是世界上首个实现混合动力汽车量产的国家,在实现混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面稳居世界领先地位。

  2013年,在日本全部新车330万辆的市场上,销量位居前几名的车型都是混合动力产品。电动汽车占日本国内新车销量的比例为17.7%,同比增长1.5%。

  技术研发:一直以来,日本政府特别重视电动汽车的研究和开发。早在1965年,日本政府就将电动车研发正式列入国家项目,并随后成立了日本电动汽车协会。

  日本从70年代开始开发纯电动车,许多汽车企业都陆续进行了一些产品发布与销售运行,但坚持下来进行研发和销售的只有大发和铃木两家。到了90年代之后,由于环境等问题,一些大汽车企业重新开始研发第二代纯电动车,丰田、本田、日产等陆续进行了一些产品发布与销售运行。

  1996年,丰田公司成功研制出燃料电池汽车样车,并于1997年开始混合动力汽车普锐斯的批量生产。

  1999年本田首款混合动力汽车INSIGHT上市,随后2001 年推出CIVIC混合动力,这两款混合动力在全球电动汽车市场上占有较大份额。日产公司由于具有在锂离子电池方面的优势,其主要研发方向集中于纯电动汽车方面,并于1997 年推出了全球第一辆锂离子电池电动汽车Prairie Joy。

  然而由于技术与价格等方面的原因,在新能源汽车研发战略中,更多的日本汽车企业选择了混合动力汽车作为重点发展方向,坚持纯电动汽车蓄电池技术研发的重点落在三菱重工、富士重工等动力装备类企业。

  纯电动汽车的产品开发向小型化发展,单人和2人车型成为主力车型,车辆技术、零部件技术、充电设施技术都已相对成熟。截止到2002年,日本纯电动汽车的保有量为2696台。目前,日本电动车辆协会、汽车协会、汽车电子协会等部门已经初步建立了一些纯电动汽车共同利用系统,进行实用化试运行和试运营。

  从国外电动汽车发展历程来看,各国政府采取的技术路线不同,在产业化方面除经济扶持、政策优惠和法规强制外,还通过示范运营、加强基础设施建设、优惠租赁、政府采购、节能环保宣传等手段保证生产、研发、销售等各环节协调发展。同时,各国扶持电动汽车产业的政策都根据不同经济阶段的实际需求而动态调整,使产业发展顺利由政府推动过渡到市场推动,为我国电动汽车发展提供了宝贵的经验。

  中国作为全球第二大电动汽车市场,近年来在中国政府的强力推动下,电动汽车的产量和销量均实现了巨大的飞跃。2014年电动汽车累计生产8. 39万辆,同比增长近4倍。

  总体来说,目前我国电动汽车销量的增长以小型车为主,我国本土涉足电动汽车领域的企业逐渐增多,包括北汽新能源、比亚迪、东风日产等,市场上可供选择的车型也开始丰富。

  “十五”和“十一五”期间,我国从维护能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力及实现我国工业的跨越式发展的战略高度出发,先后启动了“863”计划、“电动汽车重大科技专项”、“节能与电动汽车重大项目”等,投入科技经费近20亿元,形成了以纯电动、油电混合动力、燃料电池3 条技术路线为“三纵”,以多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、电力蓄电池及其管理系统3种共性技术为“三横”的电动汽车研发格局,共计200多家整车及零部件企业、高校和科研院所参与了电动汽车专项研发。

  2012年7月,国务院发布的《节能与电动汽车产业发展规划》中指出以纯电驱动为电动汽车产业发展和汽车工业转型的主要战略取向,当前工作重点是纯电动汽车和插电式混合动力汽车的产业化建设。

  在此方针的指导下,我国电动汽车技术经过“三纵三横、整车牵头”和“三纵三横、动力系统技术平台为核心”两阶段攻关,继续取得重大突破,逐步形成了整车零部件企业协同研发、标准检测平台和应用示范为支撑载体的研发创新体系,并取得了丰硕的成果。

  如锂离子动力电池和燃料电池系统性能与耐久性稳步提升,成本大幅下降;车用电机系统性能取得较大进展,产业化能力大幅提升;高密度永磁电机功率密度达2.68 kW/kg,系统最高效率达到94%以上。

  国内汽车企业也纷纷增加对电动汽车及相关零部件的研发投入。2008年,比亚迪一款型号为F3DM的电动汽车获准批量生产和销售,标志着我国电动汽车产业正式进入产业化阶段。2012年,我国累计发布60多项电动汽车相关标准,涉及电动汽车及动力电池安全、能耗消耗量测量、充电接口及通信协议等多个领域,为实现电动汽车规模产业化,尤其是纯电驱动汽车销量达到同类车型总销量1% 左右的重要门槛提供了重要的科技支撑。

  我国纯电动汽车的研究开始于20世纪60年代,到了90年代掀起了一股电动汽车热,部分高校、汽车研究所以及生产企业联合开发充电电池和纯电动汽车,并取得了一些成果。

  2006年开始实施的国家中长期科技规划对电动汽车研发战略也大体相同,按照项目规定进程,纯动力电动汽车功能样车已经实现,纯电动轿车和纯电动客车在国家质检中心的型式认证试验中,各项指标均满足有关国家标准和企业标准的规定,关键零部件高功率镍氢电池、锂离子电池性能有了较大提高。

  因此,虽然在传统汽车的开发上,我国与世界先进水平相比有30年以上的差距,但在纯电动汽车技术开发上的差距并不大,几乎站在同一起跑线上,而且关键零部件技术平台相同,有专家认为研发水平最大差距不超过5年。甚至在某些领域,如锌-空气电池和锂电池研究方面,已经达到世界领先水平。

  总体来说,我国的电机驱动技术与国际先进水平已基本持平,但是电池能量管理系统与锂离子电池在能量密度方面的差距限制了我国电动汽车产品的续航里程,抑制了消费者的购车热情。我国政府已出台促进锂离子电池技术发展的相关政策。可以预计未来5 年内,锂离子电池产业会有持续大规模的投入并得到较快的发展。

  在新能源汽车的发展战略规划中,各个国家、地区和世界各大汽车公司都依据自己的评估作了不同的选择,对纯电动汽车的研究采用了不同的策略。从当前整体情况看,重视混合动力汽车和燃料电池汽车技术的国家与企业较多,选择重点研发与产业化纯电动汽车的较少。

  本文通过分析总结电动汽车四大关键技术,包括电池及管理技术、电机及其控制技术、整车控制技术、整车轻量化技术。在过去的十几年里我国在纯电动、混合动力及燃料电池汽车,电池、电机及其管理控制技术开发,整车控制与集成等关键技术均取得了较大改进与突破。现就目前国内电动汽车关键技术中电池及其管理技术、电机及其控制技术谈谈自己的些许理解。

  电池是电动汽车的动力源泉,也是一直制约电动汽车发展的关键因素。车用电池的主要性能指标包括比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争,关键是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。我国动力电池技术与国外具有一定差距

  到目前为止,电动汽车用电池经过了3代的发展,已取得了突破性的进展。第1 代是铅酸电池,第2 代是碱性电池,第3 代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能,能量转变效率高,是普通内燃机热效率的2~3 倍,比能量和比功率都高,并且可以控制反应过程,能量转化过程可以连续进行,因此是理想的汽车用电池,但目前还处于研制阶段。

  电动汽车电池可以分为两大类,即蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车,可以归类为铅酸蓄电池、镍基电池(镍一氢及镍一金属氢化物电池、镍一福及镍一锌电池)电动汽车电池、钠电池(钠一硫电池和钠一氯化镍电池)、二次锂电池、空气电池等类型。

  而燃料电池专用于燃料电池电动汽车,可以分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC )、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC )、直接甲醇燃料电池(DMFC )等类型。

  蓄电池是将化学能直接转化成电能的一种装置,是按可再充电设计的电池,通过可逆的化学反应实现再充电,通常是指铅酸蓄电池,它是电池中的一种,属于二次电池。

  它的工作原理:充电时利用外部的电能使内部活性物质再生,把电能储存为化学能,需要放电时再次把化学能转换为电能输出,比如生活中常用的手机电池等。它用填满海绵状铅的铅基板栅(又称格子体)作负极,填满二氧化铅的铅基板栅作正极,并用密度1.26--1.33g/ml的稀硫酸作电解质。

  电池在放电时,金属铅是负极,发生氧化反应,生成硫酸铅;二氧化铅是正极,发生还原反应,生成硫酸铅。电池在用直流电充电时,两极分别生成单质铅和二氧化铅。移去电源后,它又恢复到放电前的状态,组成化学电池。

  铅蓄电池是能反复充电、放电,它的单体电压是2V,电池是由一个或多个单体构成的电池组,简称蓄电池,最常见的是6V、12V蓄电池,其它还有2V、4V、8V、24V蓄电池。如汽车上用的蓄电池(俗称电瓶)是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。

  特斯拉电动车选取松下的NCA系列18650锂电池串并能量包作为动力源。每台特斯拉Model S使用约8000节松下生产的18650电池。特斯拉坚持不使用大容量电池单元,而是使用了松下生产的小容量的18650电池。公司认为这样不仅成本低,而且安全性好,一旦电池单元出现热失控,因为容量小,不容易影响到周围的电池单元。

  特斯拉的电池由松下旗下的三洋提供,是镍钴铝(NCA)体系,全球的量产新能源汽车只有特斯拉采用该种体系。镍钴铝酸锂(NCA)比镍钴锰酸锂(NCM)、磷酸铁锂等具有更高的能量密度,但高温稳定性能较差,容易引起电池安全问题,因而对于制造技术有着更高的要求。

  绿色环保-零污染:该电池不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属),无毒(SGS认证通过),零污染、零排放,符合规定,为绝对的绿色环保电池。而铅酸电池在生产过程中有重金属污染,在使用过程中有酸雾排放,在回收过程中若处理不当,仍将对环境造成二次污染。而铁电池因其绿色环保性能被列入了“十五”期间的“863”国家高科技发展计划,成为国家重点支持和鼓励发展的项目。

  长寿命:比亚迪铁电池在循环充放电4000次之后,容量保持率仍超过75%,而同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”,最多也就11.5年时间。但是,铁电池在同样条件下使用,寿命将超过十年,在叉车生命周期内无需更换电池。综合考虑,性能价格比将为铅酸电池的4倍以上。

  高安全:比亚迪磷酸铁锂电池解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题,能经受严酷的环境考验,无论针刺、火烧、挤压、碰撞等均不会产生爆炸,是新能源车辆动力电池的首选。

  高效率:比亚迪铁电池充电效率高达98%,并可进行100%DOD放电,而传统的铅酸电池充电效率仅为60%左右,放电效率也不超过70%,随着使用时间的增长,铅酸电池的充放电效率下降速度很快,铁电池的充放电效率与次数的曲线平缓,因此在工业车辆行业,同等吨位的叉车,铅酸电池叉车的容量必须要配备比铁电池叉车容量大很多的电池。

  可大功率充放电:铁电池可以进行2C大倍率充电和5C大倍率放电,就充电时间而言,比亚迪铁电池叉车彻底解决了目前行业中电瓶叉车充电时间过长的问题(传统的铅酸电池则需要8~12 小时),最快可1小时充满。

  适合高低温工作环境:铁电池电热峰值可达350℃~500℃(锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右),工作温度范围宽广(-20℃~+60℃),所以即使在冷库中也可以正常放电,解决目前铅酸电池叉车在冷库中工作时间短的问题。

  免维护:亚迪铁电池采用全封闭包装设计,无需进行任何的维护,传统的铅酸电池则需要经常添加电解液进行维护,如果维护不当还会大大影响电池的寿命。目前来说铁电池的成本较铅酸电池而言要高一些,但在叉车使用过程中,铁电池的高效率和长寿命优势,可以为客户节省一笔不菲的使用费用和电池更换费用,所以铁电池叉车将会被越来越多重视长远效益、具有前瞻性的客户所接受。而且节能环保已成为一项全民工程,绿色环保的铁电池叉车必将会引领行业在变革中更健康地发展。

  我国目前三元电池厂商主要生产的是 NCM333 和 NCM523 电池,NCM622已经进入部分企业的材料供应链,处于研发阶段的NCM811 也有望于近期开始应用。电池单体能量密度将从200Wh/kg 向 250-300Wh/kg 迈进。国际方面,NCM622 已经开始应用(宝马i3),NCM811开始小范围适用。

  国际上 Tesla 和松下共同研发的 21700 电池单体容量为3-4.8Ah,质量为 60-65g,能量密度为 300Wh/kg,并且已经应用在Model 3 车型上。而国内在乘用车领域还没有 21700 电池应用的案例,但一些企业开始布局。

  当前,制约电动汽车尤其是PHEV 和EV 车型发展的核心问题在于续航里程偏短、车体偏重,存在安全隐患,并且价格居高不下,尽管这些问题短期可通过降低整车性能要求(如缩短行驶距离、延长充电时间)来解决,然而长期来看必须从提高电池能量密度、提升电池安全性能和降低电池成本等电池技术层面进行根本性突破。

  其中,提升电池体系的能量密度以增长续航里程,目前已成为各大汽车厂商和动力锂电池制造商共同努力方向。目前装车应用最广泛的基于磷酸铁锂和锰酸锂正极的锂离子动力电池,其单体电池的能量密度只有130 Wh /kg;组合成电池组后,电池系统的能量密度不到90 Wh /kg[11]。为推动我国动力锂离子电池产业技术突破,工信部和科技部提出了近期的规划目标。

  电动汽车动力电池的主要性能指标是能量密度、功率密度和循环寿命等,现代电动汽车对车用电池有如下要求:

  目前三元锂电池与磷酸铁锂电池凭借着多种性能因素在动力电池选择上占据优势。特别是磷酸铁锂电池,它具有磷氧共价键结构,使得氧原子不会被释放出来,因此具有较高的热稳定性(电热峰值350℃550℃)和安全性以及便宜的价格备受青睐。

  由于电动汽车的车载能量有限,其行驶里程远远达不到内燃机汽车的水平,能量管理系统的目的就是要最大限度地利用有限的车载能量,增加行驶里程。能量管理系统的功能是实现:优化系统的能量分配,预测电动汽车电源的剩余能量,再生制动时合理地调整再生能量。能量管理系统如同电动汽车的大脑,同时具有功能多、灵活性好、适应性强的特点,它能智能地利用有限的车载能量。

  目前电池管理技术正朝着集成化、自动化、智能化管理的方向运行,其充电监控、SOC估算、SOH预测及热管理技术也随着计算机技术及通讯技术的发展不断取得进步,综合多种控制策略管理方法也将成为未来电池管理的发展方向。

  我国电池的进步较为明显。磷酸铁锂的电池得到了大规模的普及应用,能量密度从2007年的90瓦时/公斤提高到目前140瓦时/公斤。三元材料这近几年得到了重视,也开始批量化地上车,能量密度能够得到180瓦时/公斤,与国际单体的水平基本上同步。

  我们有专门的电池的技术路线图的专题组,我们现在提的目标是到2020年单体比能量达到300瓦时/公斤,2025年达到400瓦时/公斤,到2030年达到500瓦时/公斤。我们目前的最好水平是180瓦时/公斤,到2020年要达到300瓦时/公斤,这个挑战非常大。

  对于成本,单体成本到2020年要降到1元/瓦时,系统的成本要降到1.3元/瓦时,2025年单体的成本要降到0.8元/瓦时,系统的成本要降到1元/瓦时。到2030年,单体的成本要降到0.6元/瓦时,系统的成本要降到0.8元/瓦时。

  寿命方面,要从目前轿车和客车分别3000小时、5000小时要提高到5000-10000小时(2020年)。成本要有显著的下降。

  电池的系统价格从2007年的5元/瓦时下降到了3元/瓦时。功率型的电池,比功率最高达到了3000瓦/公斤。另外,钛酸锂的电池也解决了气胀等一系列的技术问题,也得到了实际的应用。

  驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能,通过传动装置或直接驱动车轮工作的一种装置。目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机,这种电机具有软的机械特性,与汽车的行驶特性非常相符,功率较小、效率较低,维护保养工作量大,随着电机技术和电机控制技术的发展,势必逐渐被直流无刷电动机(BCDM)、开关磁阻电动机(SRM)和交流异步电动机所取代。

  三相异步电动机的结构,由定子、转子和其它附件组成。电机磁路的一部分,并在其上放置定子绕组。定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成,在铁心的内圆冲有均匀分布的槽,用以嵌放定子绕组。电动机的效率和功率因数较高,但绕组嵌线和绝缘都较困难。

  一般用于小型低压电机中可嵌放成型绕组,一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。开口型槽,用以嵌放成型绕组,绝缘方法方便,主要用在高压电机中。定子绕组是电动机的电路部分,通入三相交流电,产生旋转磁场。由三个在空间互隔120电角度、对称排列的结构完全相同绕组连接而成,这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。对地绝缘:定子绕组整体与定子铁芯间的绝缘,相间绝缘,各相定子绕组间的绝缘,匝间绝缘,每相定子绕组各线匝间的绝缘。

  作为电机磁路的一部分以及在铁芯槽内放置转子绕组。所用材料与定子一样,由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成,硅钢片外圆冲有均匀分布的孔,用来安置转子绕组。通常用定子铁芯冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁芯直接压装在转轴上,大、中型异步电动机(转子直径在300~400毫米以上)的转子铁芯则借助与转子支架压在转轴上。

  三相异步电动机的转子绕组切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流,并形成电磁转矩而使电动机旋转。分为鼠笼式转子(如图2.1所示)和绕线所示)。转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁芯,整个绕组的外形像一个鼠笼,故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组,对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。绕线转子绕组与定子绕组相似,也是一个对称的三相绕组,一般接成星形,三个出线头接到转轴的三个集流环上,再通过电刷与外电路联接。

  电动机是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机,电力系统中的电动机大部分是交流电机,可以是同步电机或者是异步电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速。电动机主要由定子与转子组成,通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线磁场方向方向有关。电动机工作原理是通电导体在磁场中受力的作用,使电动机转动。

  (3)高速行驶时要求低转矩,并且变速范围大以及交款的转速范围和转矩范围内都要有较高效率

  目前运用于电动汽车上的电机主要包括直流电机、交流电机、永磁电机、开关磁阻电机。其性能参数对比如下:

  对比可知,永磁同步电机,具有高效率、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性,且体积小、质量轻、运行可靠(兼具无刷直流电机的运行特性)、调速范围宽、机械特性适应性高,足以满足电汽车运行需求。目前已在多款纯电动车上使用,正受到国内外汽车界的高度重视,是最具竞争力的驱动电机之一。

  目前,我们从电机方面来讲,从产品上看,我们基本覆盖了200千瓦以下的新能源汽车车用电机动力的需求。驱动电机的功率密度、效率这些技术水平与国际水平基本相当,峰值功率大多在2.8-3000瓦/公斤。我们现在也正在开发高转速电机,而且也得到了应用,最高的转速现在能够达到12000转的水平。

  对于电机和电力电子总成方面,电机的转速和控制器的功率密度依然要提升,电力电子的集成度现在还不高。电池和管理系统也涉及到一致性、可靠性的问题,包括集成的问题。整车电控这方面,我们在整个验证、测试、标定方面的经验积累还不够,我们还有很多技术工作需要去做。

  我国乘用车驱动电机产品功率密度已经达到 3.3-3.6kW/kg(峰值功率/有效质量),最高转速提高至 12800rpm 以上;商用车驱动电机转矩密度达到 18Nm/kg 以上,最高转速达到 3500rpm 以上。

  在乘用车方面,如下图所示,我国驱动电机产品的功率密度已经达到 3.8 kW/kg(峰值功率/有效质量),转矩密度为 7.1Nm/kg,与宝马i3 的驱动电机技术指标处于同一水平。

  我国车用电驱动系统发展目标:十三五重点研发计划对于驱动电机的发展目标为:乘用车电机功率密度 4kW/kg,商用车电机转矩密度做到 20Nm/kg,继续保持国际领先水平。

  十三五重点研发计划对于驱动电机控制器的发展目标为:电机控制器实现功率密度倍增,达到国际先进水平。具体技术目标为 2020 年达到 16-18 kW/L,力争 2025 年达到 32-36 kW/L(碳化硅)。

  我国车用电机控制器技术正在迅速追赶国外同类产品水平。我国电机控制器功率密度已经达到 12kW/L 以上,控制器效率达到 98%以上。从数值上看,与博世 2015 年的水平接近,但这是在标准模块封装下的性能参数,而在客户不同要求的定制化封装时,我国电机控制器的指标数据会有所降低。然而,虽然技术水平还落后于国外,但我国企业仍在不懈的追赶中,目前已经开发出功率密度 18kW/L 的定制化封装电机控制器样机。

  电力驱动系统的主要功能是把蓄电池储存的电能转换为汽车行驶的动能,要使得电动汽车拥有良好使用性能,必须开发出合理的控制系统,使电机具备较高转速及较大的调速范围,足够大的启动转矩,以及体积小、质量轻、效率高,动态制动强和能量回馈的能力。

  电动汽车的电动机有多种控制模式。传统的线性控制,如PID,不能满足高性能电机驱动的苛刻要求。传统的变频变压(VVVF)控制技术,不能使电机满足所要求的驱动性能。异步电机多采用矢量控制(FOC),是较好的控制方法。

  近几年,许多先进的控制策略。包括自适应控制、变结构控制、模糊控制和神经网络控制以及专家系统控制等非线性智能控制技术,并取得了较好成效。当然未来会有更智能和数字化的控制系统,来均衡控制效果及控制成本以满足日益复杂的工作要求,有利于提高整个控制系统的综合性能。

  如何提高电驱动控制系统的效率,是电动汽车研究的一项重要课题.对于当前主流的单级减速驱动控制方案,可以采用变速器来优化效率,此外还有一种更为高效的驱动控制方案是双电机驱动控制方案,研究表明,经过优化的双电机驱动方案电机工作点更多地分布在高效区域,从而可以提高驱动系统效率,减少系统损失,延长续驶里程.

  当前主流的纯电动汽车驱动控制系统多以单级减速方案为主,并采用前置前驱方式,比如典型的日产Leaf、比亚迪E6等。单级减速方案的优势在于省掉了复杂的变速系统,采用电机的高转速无级调速特性来实现驱动系统的变速和驱动,使得系统结构简单,相对可靠,但其对电机的驱动特性要求较高,既要求电机具有高转速,又要有大转矩,且能实现较大范围的高效驱动,如此使得电机的设计要求较高,电机的体积和重量变大。

  同时,单级减速方案采用固定的变速传动比,电机的工作点对应于给定车速相对恒定,不能调节其工作点分布,因此很难在该系统方案上将系统效率做到最优。对于如何提高驱动系统效率,传统内燃机汽车已经给出了很好的解决方案多挡变速器。

  变速器可以通过变换传动比,调节发动机的性能,将动力经济方便地传递至车轮,很好地实现动力传动系统提供的特性场合的最佳匹配。纯电动汽车驱动系统多挡化目前已经逐渐受到汽车行业的重视,纯电动驱动变速系统的选用一般应该遵循传动效率较高、结构简单、易于实现且成本低的原则。

  由于电机的最高有效驱动转速可达到9000~12000r/min, 而内燃机一般只有5000~6000r/min, 因此电机驱动不需要采用与内燃机一样的5挡或6挡变速器, 而只需要采用2~3挡即可满足相同的驱动性能。而且电机驱动特性的低速恒转矩和高速恒功率输出特性更加符合汽车的驱动特性场需求,这也在一定程度上降低了对电机的要求。

  北京理工大学对纯电动客车采用三挡AMT进行了研究,但是存在控制过程复杂、换低挡困难以及换挡冲击大等问题。由于AT自动变速器本身结构复杂,而且液压变矩系统效率较低,使得基于AT的纯电动驱动系统整体效率并不高。

  近年来比较热门的DCT双离合自动变速器技术,由于其高效率和换挡平顺性受到广泛关注,在电动汽车上的运用,对于改善驱动电机的效率和驱动性能有着明显的优势,且能在同样驱动性能需求的前提下降低电机功率,缩减电机体积,有效控制电机温升,延长电机使用寿命。

  如何提高驱动控制系统的效率,除了采用变速器来调节发动机转速和转矩,从而优化系统效率,还有一种更为高效和常见的驱动结构就是混合动力系统。

  内燃机的混合动力系统是在传统的发动机驱动基础上引入电机,通过降低发动机功率从而增加发动机负荷率来提高发动机驱动效率,并可以实现低速纯电动驱动和快速起停规避,发动机的怠速和低速不经济工况,以及电机对发动机的驱动功率辅助和剩余功率发电,来进一步调节发动机的工况到最佳经济运行区域,从而实现最大化的发动机驱动系统效率优化,如果将混合动力的思路引入电动汽车,将原先的单驱动电机分为两个独立的驱动电机并联驱动,类似于纯电驱动的混合动力系统,只是两个动力源都是电驱动的电电混合,通过两个驱动电机的动力切换控制优化驱动电机效率,实现高效驱动。这就是双电机驱动方案。

  在双电机驱动方案中,一个电机用于常用工况下的驱动, 为经济性驱动电机, 其参数匹配主要考虑常用工况下工作点在其高效工作区间;另外一个电机为动力性辅助电机,主要用于加速爬坡等大转矩驱动需要时的辅助驱动,因此其参数匹配主要考虑动力性能。一般工况需求时采用经济性电机单独驱动,获得良好的驱动经济性能,加速和爬坡时采用两个电机联合驱动,而且通过两个电机匹配不同的变速比齿轮实现动力性和经济性的最佳组合。

  特斯拉Model S采用的是由特斯拉与台湾富田公司共同研发与制造的三相交流感应电机。特斯拉汽车之所以叫做特斯拉,就是因为他们采用了由物理学家尼古拉特斯拉发明的感应电机。所以,电动机是特斯拉的心脏,也是这家公司核心精神的体现。

  电流在离开电池到达电机的过程里,需要通过逆变器,将直流电“改造”成符合电机驱动的交流电,而后输入电机,由驱动电路带动电机旋转输出扭矩。在电机选取的思路上,特斯拉保守起见,采用了目前技术更成熟、应用领域广泛的异步电动机,比亚迪却选择了永磁同步电动机。

  两者在工作原理上并不存在本质区别,都是依靠定子与转子间的电磁感应产生并输出转矩。异步电机通过定子绕组建立转子磁场,而永磁同步电机顾名思义,在转子部分采用了永磁材料。选择合适的电机,也将对电池电量下降产生一定的弥补作用,这会节约一部分电池成本。

  异步电动机的储备技术相对成熟,运行可靠、持久。但与此同时,相较于其他电器用品,电动车对于电力驱动部分更为细致的追求也突出了异步电机的不足,除了需要消耗更大电量,其转子也容易发热,提速性能较为普通。

  为了改善异步电动机带来的劣势,采用IGBT来满足高效变电控制,并重组了电动机与变速箱之间的电气连接,以此提高电动机在低转速下的输出扭矩。比亚迪所采用的永磁同步电机,在效率以及功率密度方面得到了不小提升,提速性能比异步电动机更快,且结构简单,维护起来相对容易。但其在技术储备、应用领域尚未至成熟,比亚迪做出这样的选择,一方面节省了驱动装置对于动力需求所要做出的调整,另一方面却也给成本控制带来了难度。

  电动机及其控制技术是电动汽车系统的核心技术。现代电动汽车和电控与20 世纪40 年代开发的电瓶车技术有着本质的不同。现代电动车一般采用新型的高效可靠的传动电机,如直流无刷永磁电机、开关磁阻电机及微电子调速控制技术,我国生产的适合车用动力的永磁电机质量很高,已形成出口能力。因此,这部分技术已相对成熟,有实用价值。

  能量管理系统是电动汽车的智能核心,它的作用是检测单个电池或电池组的荷电状态,并根据各种传感信息,包括力、加减速命令、行驶路况、蓄电池工况、环境温度等,合理地调配和使用有限的车载能量;它还能够根据电池组的使用情况和充放电历史选择最佳充电方式,以尽可能延长电池的寿命。

  电池当前存有多少电能,还能行驶多少公里,是电动汽车行驶中必须知道的重要参数,也是电动汽车能量管理系统应该完成的重要功能。电动汽车实现能量管理的难点,在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据,来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。

  能量存储系统:现代汽车的瓶颈仍然是车用存储装置,即电池技术、电池能量成本、质量以及电池充电设施建设等,都制约着电动汽车的发展,目前电动汽车对其储能装置的要求如下:高效的比能量和能量密度,高的比功率和功率密度,长循环寿命,自然放电率小,充电效率高,安全易保养,原材料丰富,成本低,对环境无污染,可回收性能好,现在还没有一种能源能够完全满足上述条件,选用某种蓄电池只能满足上述部分要求,为解决一种能源不能同时提供足够高的能量比,另一个具有高比功率,有蓄电池与之结合的双能源系统也能采用蓄电池和超级电容,蓄电池和超高飞轮结合的系统。

  能量管理系统:由于电动汽车车载能量有限,其行驶里程远远达不到传统能源汽车要求,能量管理系统采集从各个子系统输入的传感器信号,这些传感器包括车外温度传感器、充放电时电源和电压传感器,电动机电流和电压传感器,速度和加速度传感器,以及车内外和气候传感器等。

  动力电池难题研究:纯电动汽车运用前景广阔,但它的运用遇到了动力电池的难题,动力电池比能不高,影响电动汽车续航里程要求,成本高,直接影响到纯电动汽车成本。电池性能差,使用寿命短,影响汽车使用成本,除与电池模块自身性能有关系外,还与其运用的能量管理功能密切相关,尤其是电池模块,质量不太理想的条件下,应用功能完善的能量管理系统,其作用就更加突出,借助能量管理系统的正常工作会使电池模板性能得到充分发挥,减少电池模块故障,延长电池模块使用寿命,增加电动汽车管理系统的研究备受纯电动汽车研究人员和使用者重视。

  动力电池研究的意义:传统纯电动汽车中,蓄电池作为唯一的能量源,承担纯电动汽车全部功率消耗,这种结构决定了只需设计简单的能量管理简略即可实现能源的分配,因此可以看到现有的能量管理策略大都是针对采用内燃机和纯电动的混合动力汽车,而这种混合动力只是由传统内燃机汽车向纯电动汽车和燃料汽车的过度中间产品,仍从根本上解决不了车辆行驶里程短,加速性能不好等问题。

  能量管理系统:能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车,除了有良好的机械性能、电驱动性能、适当的能量源(即电池) 外,还应该有一套维持电动车所有蓄电池组件的工作,并使其处于最佳状态;采集车辆的各个子系统的运行数据,进行监控和诊断;控制充电方式和提供剩余能量显示等职责的能量管理系统。

  能量管理系统研究与开发不仅要建立包括蓄电池在内的电动车的数学模型,而且要开发以微处理器为核心的电子控制单元。目前国内比较成型的EMS 技术主要是针对某一动力系统设计的,效果比较好,但是不同的电动汽车动力传动结构有不同的系统配置,EMS 管理体系结构的多样性及电动汽车对于高效的实时性能的需求,大大增加了控制任务的复杂性。因此,研究新的动力传动配置和控制器以及更具有通用性的EMS 已经成为目前的发展方向。

  整车控制和集成这一块,骨干的整车企业现在都具备了开发的体系和开发的能力,特别从系统到软件到硬件三个层级都具备了这样的能力。特别在软硬件开发模式中,也兼容了全球最先进的体系,基本掌握了纯电动的整车集成控制、评价技术。

  电动汽车整车系统集成技术的难度,并不比燃油车高。在动力性上,传统燃油车主要比拼加速性能,而电动汽车上所搭载的电机,有着天然的加速优势。在NVH(噪声、振动与声振粗糙度)问题上,对传统燃油车而言,这是一项难度很高的整车集成技术;但对电动汽车而言,难度并不大。

  最能体现电动汽车整车集成水平的技术指标是电耗。若想降低电耗,需从全工况电驱动与回馈制动的效率、整车轻量化、车身流线型等多方面综合考虑。因此,电耗也可以反映出一辆电动汽车的综合水平。日产汽车最新一代的聆风车型,在欧洲NEDC工况下,40千瓦时的电量可行驶378公里,在日本工况下甚至能达到400公里。从这一层面上来看,国内电动汽车电耗水平与国际先进水平相比差距较大。

  虽然整车厂并不生产零部件,但其对零部件的理解或许比零部件厂商还要深刻。例如宝马汽车就并非仅委托某一家零部件企业,而是同时与10家企业进行合作,并将它们所反馈的信息进行评价与对比。因此,宝马对零件部信息的掌控,比其中任何一家零部件企业都广泛、深刻。此外,宝马还在全球与多所大学、研究机构共同进行深度的产学研合作。从这个层面来看,国内整车厂与国外相比,差距较大。

  电动汽车的核心技术,具体来讲可分为三大系统,即电池、电机与电控。“电池”,不是指单体电池,而是指整个电池系统,包括高压电气系统、热管理系统、安全系统等;“电机”,包含整个电驱动系统,包括电机、变速器、控制器,以及电机在车辆内部的安装、布置、走线等;“电控”,也不是一般意义上的电控系统,而是指整车电控。从现阶段的辅助驾驶、车道偏离警告、自动刹车报警、紧急刹车等功能,到未来的特殊道路无人驾驶,甚至是所有道路无人驾驶,均依靠电控系统完成。

  电动汽车智能化的价值,不仅涉及技术变革,还涉及商业模式的变革。所以,电动汽车既要提高性价比,还应提高附加值。如果仅是性价比高,却没有附加值,整车厂不盈利,再加上未来电动汽车技术趋同,那么厂家如何去竞争和定价呢?传统燃油车可按照发动机排量区别来增加附加值,但电动汽车没有这么多“花样”,整车厂未来实现盈利,也许就落在智能化这一点上。

  从电池、电机与电控系统角度来看,目前较为出色的国内整车厂有上海汽车集团和比亚迪,国外则是宝马、日产和特斯拉。总体来看,国内外虽有差距,但不大。中外基本处在同一个起跑线上,我们应有足够的自信心去竞争。

  (1)电池的研究应集中于研究比能量及比功率更高,充放电性能好,循环寿命长的蓄电池,从电池结构及管理技术的角度对综合性能较好的锂离子电池加以提升,将有助于电池技术的完善与成熟,同时超级电容也具有较好的发展前景。此外,建立健全电池的生产管理环节及固体回收体系,且必须加以重视和解决电池污染问题。

  (2)目前使用的电机各有所长,但都存在一定的不足,比如价格过高或者退磁现象,结合不同的使用需求及运行情况,开发具有机械特性适应能力的电机及其控制算法,兼具合理结构及经济成本的将对提高汽车动力性能及续驶里程意义重大。

  发展建议:电动汽车的出现为我国提供了一个由汽车大国迈向汽车强国的机遇。建议国家层面要坚定不移的支持电动汽车关键技术的发展,持续设立科研项目,特别是在我们还比较薄弱的方面,比如:电池材料、结构设计、产业配套、生产设备等;电机本体永磁化、控制数字化、系统集成化、碳化硅功率器件等;插电式混合动力系统和深度混合动力系统;燃料电池关键技术等方面,让更多的企业参与,群策群力,提升我国汽车工业的国际竞争力。另外,企业要通过加大研发投入来弥补自身短板,主动迎接市场导向阶段的到来,主动参加到国际竞争中去。

  总体来看,和混合动力汽车、燃料电池汽车相比,纯电动汽车技术难度相对较低。生产纯电动汽车不难,但做好很难。生产电动汽车的材料、制造方式、动力系统、控制系统都要改变,变革之处比继承之处更多,所以电动汽车才能被称为汽车革命。

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