純電動汽車技術探析

摘要：節(jié)能和環(huán)保是未來汽車可持續(xù)發(fā)展的永恒主題，純電動汽車被看作能夠解決內燃機汽車諸多問題的重要途徑之一。如何以低成本快速開發(fā)技術指標高、符合市場需求的純電動汽車，成為汽車界新的熱點之一。文章介紹了純電動汽車特點、類型、組成、控制技術等內容。

關鍵詞：純電動汽車；控制技術；內燃機汽車；車載電源；蓄電池 文獻標識碼：A

中圖分類號：U469 文章編號：1009-2374（2015）16-0096-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.16.046

隨著汽車保有量的增加，全球石油存儲量的日趨減少，汽車的排氣對環(huán)境的污染越來越嚴重，已成為當今世界汽車工業(yè)面臨的問題。大力發(fā)展純電動汽車可能成為石油枯竭、零污染等問題下的“最終解決方案”，如何以低成本快速開發(fā)技術指標高、符合市場需求的純電動汽車，成為汽車界新的熱點之一。

1 純電動汽車的定義、特點

1.1 定義

純電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。一般采用高效率充電電池或燃料電池為動力源。純電動汽車無需再用內燃機，因此，純電動汽車的電動機相當于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機，蓄電池相當于原來的油箱。

1.2 特點

（1）節(jié)能、不消耗石油；（2）環(huán)保、無污染、噪聲和振動??；（3）能量主要通過柔性的電線傳遞，部件布置靈活；（4）驅動系統(tǒng)布置靈活；（5）其質量取決于不同類型電動機、蓄能裝置；（6）能源效率高，多樣化；（7）結構相對簡單，生產工藝相對成熟，使用維護方便；（8）動力電源使用成本高，續(xù)駛里程短。

2 純電動汽車的分類

2.1 按蓄能裝置分類

主要有鉛酸蓄電池、鋰蓄電池、鎳氫蓄電池、鈉硫蓄電池等純電動汽車。

2.2 按驅動電動機分類

直流電動機、交流電動機、永磁無刷電動機、開關磁阻電動機等純電動汽車。

2.3 按驅動結構布置分類

實際上是按驅動傳遞方式來分，歸納其典型基本結構主要有四種：傳統(tǒng)的驅動模式、電動機-驅動橋組合式、電動機-驅動橋整體式、輪轂電動機分散驅動。

2.4 按用途分類

按照用途不同，純電動汽車可分為電動轎車、電動貨車和電動客車三種。

3 純電動汽車的關鍵技術

純電動汽車主要由底盤、車身、蓄電池組、電動機、控制器和輔助裝置六部分組成。發(fā)展純電動汽車必須解決好四個方面的關鍵技術：電池技術、電機驅動及其控制技術、電動汽車整車技術以及能量管理技術。

3.1 電池技術

電池是電動汽車發(fā)展的首要關鍵，是電動汽車的動力源泉，其續(xù)駛里程之長短取決于車載動力電池容量之大小。電動汽車用電池的主要性能指標是比能量（E）、能量密度（Ed）、比功率（P）、循環(huán)壽命（L）和成本（C）等。要使純電動汽車能與燃油汽車相競爭，關鍵就是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。

純電動汽車電池種類主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘（NJ-Cd）、鎳氫（Ni-MH）、鈉硫（Na/S）、鋰離子（Li-ion）和鋅空氣（Zn/Air）等多種電池。

鉛酸電池極板由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池，也是現(xiàn)在汽車上應用最為廣泛的電池，主要歸功于其成熟的技術、低廉的成本。缺點是壽命短、比能量低、易造成鉛污染等。不能滿足純電動汽車的需求。

鎳鎘電池和鎳氫電池營運而生的出現(xiàn)在人們的生活中，它們的能量和功率都要高過傳統(tǒng)的鉛酸電池，并且其屬于堿性電池，所以一經出現(xiàn)就在市場上受到了相應的關注，并逐漸投入到實際的需求中，滿足電動汽車的耐時性和動力性。根據(jù)實際的測量得知，氫鎳電池單位重量內儲存的能量大概是鉛酸電池的兩倍，并且其他特性也遠遠高于鉛酸電池。只是這兩種新型的電池造價較高，甚至高達鉛酸電池的5倍左右，還有一點就是鎳鎘電池在失去實際工作能力之后，需要對其進行妥善的回收，不然將會對我們的環(huán)境造成很大傷害，這兩點原因限制鎳鎘電池和鎳氫電池的廣泛使用，也是我們后期需要改善的問題。

出現(xiàn)較早的鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池生產制造技術已經較為完善，但是將其放置在汽車上仍然不夠現(xiàn)實，存在待優(yōu)化的問題。當前的實際情況使不少的汽車廠家更加看重鋰電池，并在不斷投入人力、物力和財力來對其進行研究，這使得鋰電池越來越優(yōu)于以往的電池，在不斷的研究過程中，鈷酸鋰、三元材料、錳酸鋰和磷酸鐵鋰等多種類型的鋰離子電池出現(xiàn)在人們的生活中，并不斷投入市場，也不斷被更新?lián)Q代。汽車生產廠家為何如此鐘愛于鋰電池的研究呢？說到底還是源于鋰電池的強大的儲電能力和輸出電能的持久性，鋰是最輕、化學性質非?；顫姷慕饘?，其構成的電池單位重量內的儲電能力是鉛酸電池的3倍，鋰電池能夠承受較大的工作電壓，體積更加小巧、輕便，使用年限較長，此外，鋰資源的含量較大、無污染，是眾多國家發(fā)展電動汽車行業(yè)的首選，既能增加使用期限，又能完全貼合綠色環(huán)保的時代主題，所以廣大的汽車生產商都在加大研究鋰電池的力度。但是，即便鋰電池擁有如此多的優(yōu)點，其安全性、成本的控制、材料的使用等也限制其的發(fā)展和技術的完善，導致其在市場上的投入使用仍然有限。現(xiàn)在電動汽車上使用的鋰電池主要有錳酸鋰和磷酸鐵鋰兩種，效果不錯。

3.2 電機技術詳細研究

電動汽車要想受控制地行駛在道路上，能不能夠聽取駕駛員的操控就要看電機的技術做得是否到位。當前市場上對電機的調速主要通過調壓和調頻兩種方式，電動汽車速度的快慢和啟動的靈活性主要受驅動電機的功率和性能的影響，要想使電動汽車的使用性能理想，效果滿意，就要保證驅動電機的調速功能范圍廣、轉速快、體積小巧、質量輕便并且能夠及時進行能量觀測和制動迅速等優(yōu)勢。

直流電動機具有控制較簡單、成本低、技術成熟的優(yōu)點，但直流電動機由于有電刷，因此存在換向火花，電刷易磨損，需定期維護。對于直流電動機，主要是通過DC-DC轉換器進行調壓調速控制。

感應電動機本身具有堅固耐用、效率高、體積小、免維護的優(yōu)點，并且整個驅動系統(tǒng)調速范圍寬，能較有效地實現(xiàn)再生制動，但驅動控制器通過DC-AC控制器進行調頻調壓矢量控制調速，其線路較復雜，價格也較高。

永磁無刷電動機可以分為無刷直流電動機和三相永磁同步電動機，由于采用永久磁鐵勵磁，其體積小、慣性低、響應快，所以具有能量轉換效率高、過載能力強、免維護等優(yōu)點，非常適應于電動汽車的驅動系統(tǒng)，有極好的應用前景。缺點是成本較高、功率受限，可靠性需改進。

開關磁阻電動機的優(yōu)點較多，但是在實際的使用過程中依然存在了一些待解決的問題，在這里我們首先介紹其優(yōu)點：結構簡單、質量堅固耐用、價格低、控制靈活、響應各項指令快速；其缺點如下：噪音較大、不夠舒適、轉矩波動大、運行途中不夠順暢、需要位置檢測裝置等，這些缺點限制了其應用到更廣闊的市場需求中，該電機的這些缺點急需改善，才能為電動汽車的發(fā)展做出更大的貢獻。

電動汽車運動性能的好壞主要受制于驅動系統(tǒng)類型和性能，因為電機本身擁有優(yōu)秀的調速功能，它的變速構造能夠逐漸簡化，更多的是變化一種固定的減速設置來完成其他的應用。此外因為電機能夠帶負載直接啟動，不但可以減少離合器，更可以完成正反旋轉，所以不用通過變速器來完成電動汽車的倒車行為。

伴隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的新時代技術應用到電動汽車的制造中，電動機和驅動系統(tǒng)的日益完善，控制系統(tǒng)中加大力度數(shù)字化和智能化技術的使用，使得電動汽車的發(fā)展越來越迅速，也使得電動汽車在消費者眼中越來越可靠，相信在不久的將來電動汽車會對傳統(tǒng)汽車在市場銷售中形成一定的壓迫感。

3.3 電動汽車整車技術

電動汽車作為新時代、新科技的綜合產物，除了在電池和驅動系統(tǒng)等方面大做改善之外，車體的自身也投入了大量的心血設計，使其更加適應市場的考驗，更能符合人們的選購需求。要想整體提高電動汽車的行駛距離，除了大力提高電池的儲電能力之外，還應在其車身上大下工夫，例如車身材質摒棄以往的鋼鐵等笨重材質，選擇鎂鋁、優(yōu)質鋼材等輕便材料，科學設計車身外在構造，使電動汽車在減少自身整體重量的同時，依然具有優(yōu)秀的安全性；在汽車制動、下坡的狀態(tài)時減少能量輸出，保證能量的有效利用；對于電動汽車的車輪材質，則選取高彈材料，能夠大大減少汽車的阻力，使汽車從車身到車胎都減少用電量，最大程度地實現(xiàn)電量的有效利用，實現(xiàn)汽車的長途行駛。

3.4 汽車能量管理探究

汽車上的電池是電動汽車的唯一能源，一旦其電力不足，汽車就難以運行。車上的電池除了保證汽車正常運行之外，車上的輔助裝置也需要電能來開啟、維持正常的運轉，例如冷暖氣、音響等，所以汽車的電池能源一定要有足夠的儲蓄能力，輸出時間也一定要足夠長，不能因為車子的長時間運作，導致電池有能源但是輸出受到限制，這樣一樣會導致汽車無法正常運轉。要想保證汽車能源的良好工作性能，就要對汽車蓄電池進行科學的管理。

首先電池管理系統(tǒng)負責汽車行駛過程中能源到達汽車各部的量的多少，一旦出現(xiàn)能源短缺，優(yōu)先將電供應到汽車的哪個部位，從而使汽車能源得到最高效的利用。

其次能量管理系統(tǒng)作為車子的核心系統(tǒng)，主要是監(jiān)測電池的能源儲存量，并將更加具體的情況和操作指令，合理地輸出電能到各功能單位；最后還可以根據(jù)電池的使用情況來選擇最理想的充電方式，保證電池的使用時限，縮減汽車的資本投資。

4 純電動汽車的優(yōu)勢及存在的問題

4.1 純電動汽車的優(yōu)勢

純電動車省去了油箱、發(fā)動機、變速器、冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)汽車的內燃汽油發(fā)動機動力系統(tǒng)，電動機和控制器的成本更低，且純電動車能量轉換效率更高，即具有故障少、零排放（環(huán)保）、高效、節(jié)能、經濟等優(yōu)點。

4.2 純電動汽車的不足

目前蓄電池單位重量儲存的能量太少，還因電動車的電池較貴，又沒有形成經濟規(guī)模，故購買價格較貴。

充電時間長，充電基礎設施不能滿足要求；充電后，續(xù)駛里程短，

5 結語

純電動汽車成為“十二五”時期國家選擇新能源汽車發(fā)展的主要方向。因此熟悉純電動汽車技術，以便今后在技術上不斷創(chuàng)新、更好運用，為維護提供理論依據(jù)。

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作者簡介：紀光蘭，女，甘肅交通職業(yè)技術學院副教授，工程師，研究方向：汽車電子控制技術、新能源汽車等。

（責任編輯：黃銀芳）