純電動汽車核心技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

李飛泉，田玉冬，鄔建海

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.上海電機學(xué)院，上海 200240；3.上海眾力汽車部件有限公司）

純電動汽車核心技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

李飛泉1，2，田玉冬1，2，鄔建海3

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.上海電機學(xué)院，上海 200240；3.上海眾力汽車部件有限公司）

闡述純電動汽車的核心技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r；分析動力電池、電力驅(qū)動、電控技術(shù)、能量管理四大方面的內(nèi)容；展望純電動汽車技術(shù)發(fā)展的未來。

純電動汽車；動力電池；電力驅(qū)動；能量管理

據(jù)《世界汽車統(tǒng)計年鑒2015》預(yù)計，2015年世界汽車銷量將達到8797萬輛，其中中國地區(qū)占2 396萬輛。而據(jù)最新《全球氣候年度報告》，由于燃燒化石燃料，人類已將從工業(yè)革命以來大氣中二氧化碳濃度增加了40%以上，2014年成為有氣象記錄135年來最炎熱的一年，冰川持續(xù)消融了31年。為了兼顧汽車需求和環(huán)境保護，加上考慮化石能源的日益枯竭，發(fā)展新能源汽車成為最好的選擇。作為新能源汽車的重要一員，純電動汽車有著無污染、低噪音、高效率以及廣泛、幾乎無窮盡的能量來源，是未來汽車發(fā)展的重要方向之一。早在1873年Robert Davidson就制作了可供實用的純電動汽車，比Karl Benz早了10年以上。但由于當(dāng)時在經(jīng)濟上不及汽油汽車，純電動汽車得不到普及和發(fā)展。隨著它再次受到重視，其核心技術(shù)如動力電池、電力驅(qū)動及控制等技術(shù)將會得到長足發(fā)展。

1 動力電池

電池是電動汽車（下文中電動汽車均表示純電動汽車）的能量來源，現(xiàn)階段對于電動汽車無論在整車質(zhì)量還是成本上，電池都占很大比重。這也是制約電動汽車發(fā)展的主要因素之一。目前動力電池的主要種類有：鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鎳氫電池、鈉硫電池。動力電池不同于其他商用電池，必須適應(yīng)汽車使用過程中的惡劣環(huán)境。根據(jù)電動汽車電池的工作環(huán)境，動力電池應(yīng)滿足以下要求［1］：①高功率密度；②高體積比能量和高質(zhì)量比能量；③工作溫度范圍寬；④高倍率放電電荷的循環(huán)使用；⑤深度循環(huán)使用；⑥使用壽命長；⑦高安全性；⑧高可靠性；⑨價格比較低。

1.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池經(jīng)過100多年的發(fā)展，技術(shù)已相當(dāng)成熟，有著很高的可靠性和較低的成本。鉛酸電池具有良好的大電流輸出特性和較寬的溫度使用范圍，是使用非常廣泛的化學(xué)電源。但鉛酸電池的缺點也很明顯，比能量低和循環(huán)次數(shù)少，這使得鉛酸電池顯得特別笨重而且使用壽命低。目前，鉛酸電池主要應(yīng)用在電動自行車上。

1.2 鋰離子電池

鋰離子電池是負(fù)極以碳素材料為主，正極以含鋰的化合物的二次電池。鋰離子電池有著高比能量、無記憶效應(yīng)、自放電小、循環(huán)壽命長等特點，很適合作為動力電池。其突出的缺點是價格較高，但隨著技術(shù)進步、工藝完善和大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用，價格問題將有望得到解決。

1.3 鎳氫電池

鎳氫電池正極為活性物質(zhì)氫氧化鎳，負(fù)極為儲氫合金。鎳氫電池具有放電倍率高、循環(huán)壽命長、快速充電等特點，被廣泛應(yīng)用于需要功率較大的消費型電子產(chǎn)品，如電動玩具、照相機。在汽車領(lǐng)域主要運用在混合動力車上。其主要缺點有：成本較高、比能量低、有記憶效應(yīng)、自放電大。隨著電動汽車的發(fā)展，鎳氫電池也受到了廣泛關(guān)注，其能量密度有望得到大幅提高，價格也將進一步降低。

1.4 鈉硫電池

鈉硫電池是一種以熔融態(tài)金屬鈉為負(fù)極，硫和多硫化鈉熔鹽為正極，陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。有著比能量高、轉(zhuǎn)換效率高、大電流充放電等優(yōu)點。但其缺點也很明顯，首先保持電極在融融狀態(tài)，這需要額外的加熱保溫裝置。再者，金屬鈉與硫接觸將發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)。一旦電池受外力破損或是內(nèi)部陶瓷隔膜受損，后果將不堪設(shè)想。故鈉硫電池現(xiàn)階段主要用于靜態(tài)環(huán)境下，如電網(wǎng)的“削峰填谷”。若要在電動汽車動態(tài)環(huán)境運用，還需要有萬無一失的保護措施。

1.5 動力電池性能比較

電動汽車的未來很大程度上取決于動力電池的性能。為了便于選取，將上述動力電池的性能優(yōu)缺點作比較，見表1［2］。

管理的任務(wù)是提升企業(yè)的復(fù)制能力和變革能力，管理的核心是要管理這些要素，同時也要讓這些要素根據(jù)變化去調(diào)整和積累。那么管理的最有效的手段是什么？管理的基本工具和方法是什么？

表1 各類動力電池性能比較

2 電力驅(qū)動

電動機是電動汽車的動力來源，不同于傳統(tǒng)汽油發(fā)動機，電動機能量轉(zhuǎn)換率高，低速時仍能輸出大轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。由于電動機的可逆原理，驅(qū)動電機還可以在減速過程中實現(xiàn)能量回收。現(xiàn)在用于電動汽車驅(qū)動的電機主要有：直流電機、交流異步電機、永磁同步電機、開關(guān)磁阻電機。電動汽車常常在極端溫度、極端環(huán)境中高負(fù)載運行，因此對驅(qū)動系統(tǒng)有著嚴(yán)格的要求［3］：①高能量密度1～1.25 kW／kg；②寬泛的速度調(diào)節(jié)范圍，一般為25%～100%最大轉(zhuǎn)速；③足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩；④良好轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)性；⑤良好的環(huán)境適應(yīng)能力；⑥在大范圍的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化中保持高效率85%～93%；⑦能量回收轉(zhuǎn)換率高。

2.1 直流電機

直流電機是將直流電轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，主要分為兩大類：繞組勵磁式和永磁式。其中繞組勵磁式分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵式，繞組勵磁電機容易實現(xiàn)大功率；永磁直流電機不用勵磁電流，效率較高，但由于勵磁場固定，機械特性不如繞組勵磁電機，并且功率受限制。直流電機是最早被發(fā)明的電機，技術(shù)已十分成熟，有著結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能好的特點。

2.2 交流異步電機

交流異步電機又叫感應(yīng)電機。當(dāng)通入三相交流電，定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組受磁感應(yīng)產(chǎn)生電流，并在旋轉(zhuǎn)磁場作用下受到電磁力，進而產(chǎn)生電磁力矩。交流異步電機有著結(jié)構(gòu)簡單、成本低、堅固耐用、過載能力強、維護方便等優(yōu)點，這很適用于電動汽車運行中遇到的各種惡劣環(huán)境。

2.3 永磁同步電機

三相永磁電機的轉(zhuǎn)子為釹鐵硼等磁性材料組成，定子為三相分布的繞組。永磁同步電機不需要傳統(tǒng)同步電機的電刷和肩環(huán)，具有結(jié)構(gòu)簡單、功率密度大、效率高等優(yōu)點，是理想的驅(qū)動電機。但目前受永磁材料的特性和加工工藝的限制，使得永磁同步電機功率小、恒功率區(qū)較窄，調(diào)速困難，且需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

2.4 開關(guān)磁阻電機

圖1 開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)圖

3 電控技術(shù)

3.1 直流電機控制方法

由于直流電機定子磁動勢和轉(zhuǎn)子磁動勢二者垂直，且二者可以單獨控制，彼此不受影響，故直流電機具有很好的線性調(diào)速性。直流電機主要通過晶閘管變流器提供可調(diào)的直流電壓調(diào)速，或是通過直流斬波器由DC／DC變換提供可變直流電壓調(diào)速。相比其他電機，直流電機在控制技術(shù)上有著簡單有效、成本低廉的先天優(yōu)勢。其成熟的理論基礎(chǔ)也對其他電機的控制方案提供了參考。

3.2 交流電機控制方法

交流異步電機與永磁同步電機都是強耦合、多變量、非線性系統(tǒng)。傳統(tǒng)調(diào)速方法如改變極數(shù)、頻率、定子電壓等屬于純量的改變。但磁鏈、磁動勢都是空間方向的量，即矢量，如果控制這些矢量的大小和方向，則可使系統(tǒng)具有更優(yōu)良的性能［4］。矢量控制的基本思想是將定子電流分解成勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分量，通過坐標(biāo)變換，模擬直流電機轉(zhuǎn)矩的控制方法對兩分量分別控制，來獲取像直流電機一樣的高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

另一種比較流行的控制方法是直接轉(zhuǎn)矩控制。它通過檢測定子電壓、電流，計算電動機磁鏈與轉(zhuǎn)矩，比較轉(zhuǎn)矩與給定值的差額，控制定子磁鏈?zhǔn)噶?，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制。矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制都是已獲實際應(yīng)用的高性能調(diào)速系統(tǒng)，表2［5］列出了兩種系統(tǒng)的特點和性能比較。

表2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)的特點與性能比較

3.3 開關(guān)磁阻電機的控制方法

開關(guān)磁阻電機的控制變量一般有施加于相繞組的端電壓、相電流、開通角和關(guān)斷角等［6］，因此相應(yīng)的控制方法有：電壓控制（VC）、電流斬波控制（CCC）、角度控制（APC）。電壓控制容易實現(xiàn)、成本低，但調(diào)速范圍小。電流斬波控制法可限制電流峰值的增長，適用于中低速調(diào)速系統(tǒng)；但在負(fù)載變動時，由于電流峰值受限，會使其動態(tài)響應(yīng)緩慢。角度控制法有著轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大的優(yōu)點，并允許多相通電增加轉(zhuǎn)矩，適用于高速場合。

4 能量管理系統(tǒng)

由于單體電池?zé)o論從電壓還是電容量上遠遠達不到電動汽車要求，因此驅(qū)動電池一般由眾多電池以一定的方式串并聯(lián)而成。以特斯拉model S為例［7］，其電池包由8142節(jié)松下18650電池（3.6V／2.75Ah）組成。加上驅(qū)動電池經(jīng)常處于大電流充放電狀態(tài)，內(nèi)部溫度、電解質(zhì)濃度、正負(fù)極活性物質(zhì)成分都發(fā)生急劇變化，而這些因素會反饋影響電池性能。因此，驅(qū)動電池是一個高度非線性系統(tǒng)。加上現(xiàn)階段電池價格依舊偏高、相比電機等其他器件壽命不足等因素，必須對其精心保護，對其設(shè)置專門的電池管理（BMS）。BMS通過檢測電池的工作狀態(tài)如電壓、電流、溫度等，預(yù)測電池的SOC和SOH，避免出現(xiàn)過充、過放、過熱等現(xiàn)象，最大限度地利用電池。BMS主要任務(wù)及相應(yīng)傳感器輸入和輸出控制表見表3［8］。

表3 BMS的主要任務(wù)

5 最新技術(shù)

5.1 最新電池技術(shù)

傳統(tǒng)電池在容量、壽命、充電速度上還有待提高，而新興的超級電容、石墨烯電池有望解決這些問題。

超級電容的基本原理和傳統(tǒng)電容器一樣，但其面積是基于多孔碳材料，可實現(xiàn)更大的表面積，實現(xiàn)更大的電荷儲存量。由于基本工作原理是電極／電解質(zhì)界面的靜電應(yīng)力，超級電容表現(xiàn)出高度的可逆性，能承受約100萬次循環(huán)周期［9］。故超級電容有著充放電速度快、比功率高、壽命長等特點，適合用于電動汽車，但存在比能量低的缺陷。據(jù)《德陽日報》報道，高能鎳碳超級電容器電池已于2015年10月21日舉行投產(chǎn)儀式，它將電池和電容進行了優(yōu)勢互補，既有電池的高容量又有電容的快速充放電性質(zhì)。相信在不久的將來這一問題將會得到解決。

石墨烯本身不能形成電池，而是作為鋰電池負(fù)極材料形成石墨烯電池。傳統(tǒng)鋰電池以碳質(zhì)材料為負(fù)極，而碳質(zhì)材料是以石墨烯為基本單元。鋰電池的儲能機制是靠鋰離子在石墨層吸附、脫落。據(jù)Suzuk計算，只有當(dāng)兩片石墨層距離大于0.77nm時，單片石墨層可以雙面結(jié)合鋰離子［10］，但碳質(zhì)材質(zhì)的石墨層間距明顯達不到這一要求。直到2004年由英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體——石墨烯，這一難題才得到解決。理論上石墨烯將會使電極的鋰離子吸附能力翻倍。石墨烯電池有著電容量高、充電速度快的特點，目前還存在著壽命短的缺陷。隨著技術(shù)改進，石墨烯電池在電動汽車領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛椤?/p>

5.2 新型電機

記憶電機又稱可變磁通電機。永磁電機由于通過永磁體勵磁，無需勵磁電流，故能量轉(zhuǎn)換率高。但也因此導(dǎo)致氣隙磁場難調(diào)節(jié)、恒功率區(qū)較窄、調(diào)速復(fù)雜。為了解決這一問題，可變磁通永磁電機應(yīng)運而生，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其永磁體為高剩磁、低矯頑力的永磁材料AlNiCo，通過施加脈沖電流，可改變其磁化狀態(tài)，從而改變氣隙磁場。根據(jù)脈沖電流的方式，記憶電機可分為交流脈沖磁型和直流脈沖磁型。記憶電機為永磁電機調(diào)速范圍的擴展提供了新途徑，并有望為電動汽車驅(qū)動電機提供新的選擇。

5.3 最新電控方法

5.3.1 模糊控制法

傳統(tǒng)的控制方法通過對系統(tǒng)進行建模，由自然規(guī)律得到相應(yīng)的微分方程組，再通過解方程組得到傳遞函數(shù)或狀態(tài)函數(shù)，從而得到控制器響應(yīng)函數(shù)。因此在理論上，這種方法得到的響應(yīng)函數(shù)是精確的。但當(dāng)系統(tǒng)為非線性或復(fù)雜系統(tǒng)時，由于人的局限性，在建立微分方程組或解微分方程組時不可避免地使用近似條件，這使得控制效果并不理想。而人的經(jīng)驗在處理非線性或復(fù)雜系統(tǒng)時更具有優(yōu)勢，用人的經(jīng)驗得出的解決方法不一定是最完美的，但一定是有效實用的。模糊控制法采用的控制規(guī)律就是人的經(jīng)驗，其具體步驟［11］為：①根據(jù)輸入精確值做模糊化處理，得到相應(yīng)的模糊集；②根據(jù)模糊集規(guī)則庫中規(guī)則，對輸入模糊集進行模糊推理并得出輸出模糊集；③對輸出模糊集進行去模糊化處理，得到精確輸出值。

圖2 記憶電機結(jié)構(gòu)圖

5.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法

人的大腦是由大量神經(jīng)元連接而成的，具有極強的非線性復(fù)雜問題的處理能力。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)和功能上對人腦進行抽象化和簡化，在控制領(lǐng)域有著誘人的吸引力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有以下顯著特征［12］：①學(xué)習(xí)能力；②抗故障能力；③集成性；④并行性；⑤連貫信息表示；⑥與腦的類似性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法最大的優(yōu)勢在于它的學(xué)習(xí)能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過修改加權(quán)系數(shù)，改變輸入從而改變輸出，達到預(yù)期輸出，實現(xiàn)學(xué)習(xí)。這使得它在復(fù)雜環(huán)境中有了自我調(diào)節(jié)能力，從而使得控制系統(tǒng)總是能達到良好狀態(tài)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法有：Hebb學(xué)習(xí)算法、Widrow-Hoff學(xué)習(xí)算法、反向傳播學(xué)習(xí)算法、Hofield反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法等。

6 電動汽車核心技術(shù)發(fā)展趨勢

近年來，電動汽車受到了廣泛關(guān)注，被越來越多的消費者接受，市場份額逐年攀升。電動汽車的電力驅(qū)動及電控、電池技術(shù)等將會得到迅猛發(fā)展?，F(xiàn)階段動力電池的低容量、短壽命和高價格是制約電動汽車發(fā)展的主要因素。新型材料如石墨烯和新型電池如超級電容、空氣電池的加入，將會為動力電池的發(fā)展注入新的活力。

在電池技術(shù)短時間內(nèi)得不到實質(zhì)性進展時，充分利用電池的有限能源就顯得特別重要，這需要高效的能量管理系統(tǒng)。另外電池的壽命、電動汽車的安全性在相當(dāng)程度上都依賴于能量管理系統(tǒng)，故能量管理系統(tǒng)必須得到重視。

電機經(jīng)過100多年的發(fā)展，技術(shù)相對成熟。但不是每種電機都適合作為驅(qū)動電機，并且各種實用型的驅(qū)動電機還存在一些難以解決的問題。如直流電機有良好的調(diào)速性，但卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格偏高；交流電機結(jié)構(gòu)簡單、造價低，但卻調(diào)速性不佳。雖然隨著技術(shù)革新，傳統(tǒng)電機的缺點會有所改善，但新型電機擁有更明顯的優(yōu)勢。如開關(guān)磁阻電機有著簡單的結(jié)構(gòu)同時寬泛的調(diào)速范圍，綜合了直流電機和交流電機的優(yōu)點；記憶電機繼承了永磁電機的高能量利用率同時又有著良好的調(diào)速性。

相比傳統(tǒng)發(fā)動機，電動機在調(diào)速性上要好得多，且啟動迅速，無熄火現(xiàn)象。目前較為流行的交流電機調(diào)速方法如矢量控制和轉(zhuǎn)矩控制還有待改進，新型調(diào)速方法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制在理論上還需繼續(xù)研究，實際應(yīng)用中還有待推廣。

7 結(jié)語

本文通過對電動汽車核心技術(shù)的現(xiàn)狀及最新技術(shù)進行分析，得出如下結(jié)論。

1）動力電池性能上的不足是制約電動汽車發(fā)展的最大因素，只有當(dāng)大容量、快速充放電、高安全性、低成本的電池出現(xiàn)時，電動汽車才將得到真正廣泛推廣。

2）性能優(yōu)越的電源管理系統(tǒng)是對現(xiàn)階段電池性能不足的補充，并且在電動汽車安全性上有著至關(guān)重要的作用。

3）驅(qū)動電機的相關(guān)技術(shù)相對成熟，相比于傳統(tǒng)發(fā)動機有著絕對優(yōu)勢。但在結(jié)構(gòu)簡化、調(diào)速性優(yōu)化、可靠性方面仍然有較大提升空間。

4）新技術(shù)新材料的引進對電動汽車技術(shù)的發(fā)展有著難以估量的作用，并可能從根本上解決相關(guān)難題。

［1］曾一新，劉軍.動力電池技術(shù)—電動車核心技術(shù)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2013.

［2］趙立軍.電動汽車結(jié)構(gòu)與原理［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2012.

［3］Zhang guirong，Zhang henghai，Li houyu.The Driving control of Pure electric vehicle［J］.peocedia environmental science，2011（10）：433-438.

［4］楊興瑤.電動機調(diào)速的原理及系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，1995.

［5］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［6］孫冠群.控制電機與特種電機及其控制系統(tǒng)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2011.

［7］劉春娜.特斯拉電池技術(shù)及策略［J］.電源技術(shù)，2014，38（7）：1 201-1 202.

［8］陳清泉.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［9］Elzbieta Frackowiak，Qamar Abbas，Carbon／carbon su-percapacitors［J］.Journal of Energy Chemistry 2013，3（22）：226-240.

［10］T Suzuki，T Hasegawa，S.R Mukai，et al.H Tamon A theoretical study on storage states of Liions in carbon anodes of Liion batteries using molecular orbital calcu-lations［J］.Carbon，2003，41（10）：1 933-1 939.

［11］殷業(yè).模糊控制的本質(zhì)［J］.前沿科學(xué)，2015（1）：16-25.

［12］谷萩隆嗣.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊信號處理［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

（編輯 心翔）

Review of Core Technology Development Situation of Pure-electric Vehicle

LI Fei-quan1，2，TIAN Yu-dong1，2，WU Jian-hai3
（1.University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China；3.Zhongli Corporation）

This paper demonstrates the current core technology development of pure electric vehicles，from perspectives of power battery，electric drive，electronic control and energy management；states the future expectation of this technology.

pure electric vehicle；power battery；electric drive；energy management

U469.72

A

1003－8639（2016）08－0006－04

2016-01-25

李飛泉（1991-），男，碩士，研究方向為新能源汽車驅(qū)動技術(shù)，E-mail：waterfalls_li@sina.com；田玉冬（1968-），男，博士，研究方向為復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)控制。