純電動汽車技術(shù)狀況及發(fā)展趨勢研究

（天津大學內(nèi)燃機研究所 天津 300072）

引言

純電動汽車（battery electric vehicles，BEV）是完全由可充電的電池（三元鋰離子電池或磷酸鐵鋰電池）提供動力源，以電機作為驅(qū)動系統(tǒng)的新能源汽車。由于使用電能，純電動汽車在行駛過程中沒有廢氣排出，不污染環(huán)境，可實現(xiàn)零排放。在城市道路上行駛時，純電動汽車的能源效率比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車高。在減速制動時，純電動汽車的電機運行于發(fā)電狀態(tài)，可實現(xiàn)能量的再利用。純電動汽車使用單一的電能源，因此結(jié)構(gòu)簡單。純電動汽車無內(nèi)燃機產(chǎn)生的噪聲，電機噪聲也比較小，因此整體噪聲低。目前，純電動汽車的續(xù)航里程較短，使用成本較高，鋰離子電池的安全性有待進一步提高，充電基礎(chǔ)設(shè)施有待進一步完善[1]。本文概述了純電動汽車的技術(shù)特點，對國內(nèi)外純電動汽車的研發(fā)狀況以及國內(nèi)純電動汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了研究。

1 純電動汽車的結(jié)構(gòu)與原理[2]

1.1 純電動汽車結(jié)構(gòu)

純電動汽車結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由電力驅(qū)動主模塊、車載電源模塊、輔助模塊等構(gòu)成。

電力驅(qū)動主模塊包括中央控制單元、驅(qū)動控制器、電機、機械傳動裝置和車輪等，功能是將存儲在動力電池（蓄電池）中的電能轉(zhuǎn)化為車輪的動能，并在汽車減速制動時將車輪的動能轉(zhuǎn)化為電能充入動力電池。

圖1 純電動汽車結(jié)構(gòu)

車載電源模塊包括動力電池（蓄電池）電源、能源管理系統(tǒng)和充電控制器等，功能是向電機提供電能、監(jiān)測動力電池電源使用情況以及控制充電器向動力電池充電。

輔助模塊包括輔助動力源、動力轉(zhuǎn)向單元、駕駛室顯示操縱臺和輔助裝置等。輔助動力源由輔助電源和功率轉(zhuǎn)換器組成，功能是給汽車其它輔助裝置（動力轉(zhuǎn)向、制動力調(diào)節(jié)控制、照明、空調(diào)、電動門窗等）提供所需的動力電源，一般為12 V 或24 V 的低壓直流電源。

1.2 純電動汽車原理

中央控制單元根據(jù)加速踏板和制動踏板的輸入信號，向驅(qū)動控制器發(fā)出相應(yīng)的控制指令，對電機實行啟動、加速、減速、制動控制。驅(qū)動控制器按照中央控制單元的指令和電機的速度及電流反饋信號，對電機的速度、轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向進行控制。電機具有雙重功能，在正常行駛時，動力電池向電機供電，電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能；在減速和制動時，電機運行于發(fā)電狀態(tài)，將車輪的慣性動能轉(zhuǎn)化為電能，對動力電池進行充電。機械傳動裝置將電機的轉(zhuǎn)矩傳輸給汽車的驅(qū)動軸，帶動汽車車輪行駛。

2 純電動汽車研發(fā)狀況

目前，純電動汽車的驅(qū)動電機主要采用交流異步電機或永磁同步電機。驅(qū)動形式主要有電機前置前輪驅(qū)動、電機后置后輪驅(qū)動、雙電機四輪驅(qū)動等。動力電池主要有三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池等。

2.1 國外純電動汽車研發(fā)狀況

1）美國特斯拉汽車公司的Model S 2019 款長續(xù)航版純電動汽車，是一款5 門5 座的中大型車，提供運動、標準/舒適及雪地等3 種駕駛模式切換，配備全速自適應(yīng)巡航系統(tǒng)。驅(qū)動方式為雙電機四輪驅(qū)動。前電機為永磁同步電機，最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為202 kW 和404 N·m；后電機為交流異步電機，最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為28 5kW 和440 N·m。電機總的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為487 kW 和844 N·m，實測0～100 km 加速時間為4.16 s，實測100～0 km/h 制動距離為41.43 m，最高車速為250 km/h，續(xù)航里程達到660 km。電池為三元鋰離子電池，電池容量為100 kW·h，支持快充電和慢充電，采用快充電，充電時間為4.5 h；采用慢充電，充電時間為10.5 h[3]。

2）美國特斯拉汽車公司的Model 3 2019 款長續(xù)航后驅(qū)版純電動汽車，是一款4 門5 座三廂車型。提供標準/舒適、經(jīng)濟及雪地等3 種駕駛模式切換，配備全速自適應(yīng)巡航系統(tǒng)。驅(qū)動方式為電機后置后輪驅(qū)動。電機為交流異步電機，電機的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為220 kW 和416 N·m，0～100 km 加速時間為5.3 s，最高車速為225 km/h，續(xù)航里程達到664 km。電池為三元鋰離子電池，電池容量為75 kW·h，耗電量為12.5 kW·h/100 km，支持快充電和慢充電，采用快充電，充電時間為4.5 h；采用慢充電，充電時間為10.5 h[4]。

3）日本日產(chǎn)汽車公司的2018 款日產(chǎn)聆風（Leaf）純電動汽車，是一款5 門5 座掀背兩廂轎車。驅(qū)動方式為電機前置前輪驅(qū)動。電機為永磁同步電機，電機的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為110 kW 和320 N·m。日本JC08 標準續(xù)航里程達400 km，實際的歐洲NEDC 標準續(xù)航里程為378 km，美國EPA 標準續(xù)航里程為241 km（均獲認證）。電池為鋰離子電池，電池容量為40 kW·h。有2 種充電模式：快充條件下，充至電量的80%需40 min，慢充條件下，利用3 kW 充電器，充滿電需16 h；利用6 kW 充電器，充滿電需8h。此外，還提供了V2G（車對電網(wǎng)）的功能，所有的車輛都可以接入電網(wǎng)，并對電網(wǎng)反向輸出電能[5]。

4）德國大眾汽車公司的2018 款大眾e-Golf 純電動汽車，是一款5 門5 座兩廂車。提供運動及經(jīng)濟等2 種駕駛模式切換，配備定速巡航系統(tǒng)。驅(qū)動方式為電機前置前輪驅(qū)動。電機為永磁同步電機，電機的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為100 kW 和290N·m，0～100 km 加速時間為9.6 s，最高車速為150 km/h，續(xù)航里程為255 km。電池為三元鋰離子電池，電池容量為35.8 kW·h，耗電量為13.6 kW·h/100 km。快充條件下，充至電量的80%需0.66 h；慢充條件下，充滿電需6 h[6]。

5）德國寶馬汽車公司的寶馬i3 2019 款快充版純電動汽車，是一款5 門4 座兩廂小型車，提供標準/舒適及經(jīng)濟等2 種駕駛模式選擇，配備定速巡航系統(tǒng)。驅(qū)動方式為電機后置后輪驅(qū)動，電機的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為125 kW 和250 N·m，0～100 km 加速時間為7.3 s，最高車速為150 km/h，續(xù)航里程達到340 km。電池為鋰離子電池，電池容量為33 kW·h。采用快充電，充電時間為0.7 h，采用慢充電，充電時間為4.9 h[7]。

2.2 國內(nèi)純電動汽車研發(fā)狀況

1）廣汽新能源-傳祺GE3 2018 款530 智享版純電動汽車，是一款5 門5 座SUV 車型。提供經(jīng)濟這一種駕駛模式切換，配備定速巡航系統(tǒng)。驅(qū)動方式為電機前置前輪驅(qū)動。電機為永磁同步電機，電機的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為132 kW 和290 N·m。最高車速為156 km/h，工信部純電續(xù)航里程為410 km。電池為三元鋰離子電池，電池容量為54.75 W·h，電池能量密度為212 W·h/kg，耗電量為14.7 kW·h/100 km。快充條件下，充至電量的80%需0.5 h，慢充條件下，充滿電需8 h[8]。

2）上汽榮威MARVEL X 2018 款全驅(qū)版純電動汽車，是一款5 門5 座SUV 車。提供運動、標準/舒適及經(jīng)濟等3 種駕駛模式切換，配備自適應(yīng)巡航系統(tǒng)。驅(qū)動方式為雙電機四輪驅(qū)動。雙電機均為永磁同步電機，前電機的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為85 kW和255 N·m，后電機的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為137 kW 和410 N·m，電機總的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為222 kW 和665 N·m，實測0～100 km 加速時間為4.8 s，最高車速為170 km/h，工信部續(xù)航里程為370 km。電池為三元鋰離子電池，電池容量為52.5 kW·h，電池能量密度為145.76 W·h/kg，耗電量為14.2 kW·h/100 km?？斐錀l件下，充至電量的80%需0.67 h；慢充條件下，充滿電需8.5 h[9]。

3）比亞迪唐新能源2019 款EV600D 四驅(qū)智聯(lián)創(chuàng)世型純電動汽車，是一款5 門5 座SUV 車。提供運動及經(jīng)濟等2 種駕駛模式切換，配備自適應(yīng)巡航系統(tǒng)。驅(qū)動方式為雙電機四輪驅(qū)動。雙電機均為永磁同步電機，前后電機的最大功率均為180 kW，前后電機的最大轉(zhuǎn)矩均為330 N·m，電機總的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為360 kW 和660 N·m，實測0～100 km加速時間為4.6 s，實測100～0 km/h 制動距離為36 m，最高車速為180 km/h，工信部續(xù)航里程為500 km。電池為三元鋰離子電池，電池容量為82.8 kW·h，耗電量為17.9 kW·h/100 km?？斐錀l件下，充至電量的80%需1.4 h[10]。

4）吉利帝豪新能源2018 款EV450 尊貴型純電動汽車，是一款4 門5 座三廂車型。提供運動及經(jīng)濟等2 種駕駛模式切換，配備定速巡航系統(tǒng)。驅(qū)動方式為電機前置前輪驅(qū)動。電機為永磁同步電機，電機的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為120 kW 和250 N·m。實測0～100 km 加速時間為8.1 s，實測100～0 km/h 制動距離為43.44 m，最高車速為140 km/h，工信部續(xù)航里程為400 km。電池為三元鋰離子電池，電池容量為52 W·h，耗電量為13 kW·h/100 km?？斐錀l件下，充至電量的80%需0.5 h；慢充條件下，充滿電需9 h[11]。

5）北汽新能源EX5 2019 款悅尚版純電動汽車，是一款5 門5 座SUV 車型。提供運動這一種駕駛模式切換，配備定速巡航系統(tǒng)。驅(qū)動方式為電機前置前輪驅(qū)動。電機為永磁同步電機，電機的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為160 kW 和300 N·m。實測0～100 km加速時間為8.1 s，實測100～0 km/h 制動距離為40.19 m，最高車速為160 km/h，工信部續(xù)航里程為415 km。電池為三元鋰離子電池，快充條件下，充至電量的80%需0.5 h，慢充條件下，充滿電需10.5 h[12]。

3 純電動汽車應(yīng)用情況

2018 年，全球純電動汽車銷量最多的國家是中國，98.4 萬輛，第2 位是美國，20.3 萬輛，第3 位是挪威，4.6 萬輛；第4 位是德國，3.6 萬輛；第5 位是法國，3.1 萬輛[13]。

3.1 國外純電動汽車應(yīng)用情況

1）2018 年，美國的純電動汽車銷量為203 625輛，是2017 年96 261 的2.1 倍[14]。其中，銷量排名前5 的車型如表1 所示[15]。

表1 2018 年美國純電動汽車銷量排名前5 的車型

2）2018 年，挪威的純電動汽車大漲40%至46 092 輛，新款日產(chǎn)聆風是2018 年挪威最為暢銷的純電動汽車，其它暢銷車型包括寶馬、大眾的小型車以及特斯拉的轎車和SUV 車型[16]。

3）2018 年，德國的純電動汽車銷量為36 062輛，同比2017 年增加43.9%[17]。其中，銷量排名前5的車型如表2 所示[18]。

表2 2018 年德國純電動汽車銷量排名前5 的車型

3.2 國內(nèi)純電動汽車應(yīng)用情況

2018 年，國內(nèi)純電動汽車產(chǎn)銷量分別為98.6 萬輛和98.4 萬輛，同比2017 年分別增長47.9%和50.8%[19]。2018 年國內(nèi)各類純電動汽車產(chǎn)銷量如表3所示[20]。

表3 2018 年國內(nèi)各類純電動汽車產(chǎn)銷量

從車型款數(shù)來看，2018 年國內(nèi)生產(chǎn)的純電動汽車車型共2 149 款。其中，純電動乘用車車型374 款，占比17.40%；純電動客車車型972 款，占比45.23%；純電動專用車車型803 款，占比37.37%[21]。

2018 年，國內(nèi)純電動汽車SUV 車型銷量前10名如表4 所示[22]。

表4 2018 年國內(nèi)純電動汽車SUV 車型銷量排行榜

2018 年，國內(nèi)純電動轎車銷量前10 名如表5 所示[23]。

表5 2018 年國內(nèi)純電動轎車銷量排行榜

2018 年，國內(nèi)純電動汽車銷量排名前10 的城市如表6 所示[24]。

表6 2018 年國內(nèi)純電動汽車銷量前10 名城市排行榜

4 國內(nèi)純電動汽車技術(shù)狀況及發(fā)展趨勢

4.1 驅(qū)動電機技術(shù)

我國車用驅(qū)動電機技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位。在商用車方面，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩密度達到18 N·m/kg 以上，最高轉(zhuǎn)速達到3 500 r/min 以上。在乘用車方面，驅(qū)動電機的功率密度已達到3.8 kW/kg（峰值功率/有效質(zhì)量），轉(zhuǎn)矩密度為7.1 N·m/kg，與寶馬i3 的驅(qū)動電機技術(shù)指標處于同一水平[25]。

目前，純電動汽車的驅(qū)動電機中，永磁同步電機主要應(yīng)用在乘用車領(lǐng)域，交流異步電機主要應(yīng)用在商用車領(lǐng)域[26]。

2018 年1～8 月，永磁同步電機占比為78.33%，交流異步電機占比為19.61%[27]。

目前常用的集中式、輪邊式和輪轂式等3 種電機驅(qū)動形式都采用永磁同步電機技術(shù)，區(qū)別只是電機安裝在車輛的位置不同[28]。

驅(qū)動電機技術(shù)的發(fā)展趨勢是：電機本體永磁化，電機控制數(shù)字化，電機系統(tǒng)集成化[29]。

4.2 鋰離子電池技術(shù)

2018 年，動力電池產(chǎn)量達70.6 GW·h，銷量達62.3 GW·h，累計裝車量達56.92 GW·h，裝車量同比2017 年增長56.3%。

在電池材料類型上，2018 年配套的動力電池主要以三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池為主。三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池裝車量分別為33.1 GW·h和22.2 GW·h，占比分別為58.17%和39.01%。與2017 年相比，三元鋰電池裝車量增加了13%，磷酸鐵鋰電池裝車量下降了10%[20，30]。

在配套車型上，乘用車以三元鋰離子電池為主，客車以磷酸鐵鋰電池為主[20]。

三元鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展趨勢是：三元鋰離子電池向高鎳方向發(fā)展[31]。

4.3 充電基礎(chǔ)設(shè)施

截至2018 年底，我國公共充電樁保有量為33.1萬個，私人充電樁達47.7 萬個[32]。

截至2019 年1 月，我國公共充電樁共計34.2 萬個，私人充電樁共計51.1 萬個。公共充電樁和私人充電樁累計85.3 萬個，同比增長80.1%。在公共充電樁中，交流充電樁18.4 萬個、直流充電樁15.7 萬個以及交直流一體充電樁0.05 萬個，所占比重分別為53.88%、45.97%以及0.15%。在私人充電樁中，未隨車配建充電設(shè)施23.2 萬個，整體未配建率為31.3%[33]。

充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展趨勢是：2025 年，超過3.6萬座充換電站，超過2 000 萬個交直流充電樁，建成覆蓋全國的充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)；2030 年，超過4.8 萬座充電站，超過8 000 萬個交直流充電樁，進一步完善全國充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)[34]。

5 結(jié)束語

1）純在城市道路上行駛時能源效率比內(nèi)燃機汽車高等優(yōu)點。

2）目前，純電動汽車的續(xù)航里程較短，使用成本較高，鋰離子電池的安全性有待進一步提高，充電配套設(shè)施有待進一步完善。

3）研發(fā)高效可靠的電機，提高電池的能量密度及安全性能是純電動汽車的研發(fā)重點。

4）加強充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完善充電網(wǎng)絡(luò)是純電動汽車進一步發(fā)展的關(guān)鍵。

5）實現(xiàn)動力電池、驅(qū)動電機產(chǎn)業(yè)化，使純電動汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到一定程度，降低純電動汽車成本。

6）隨著純電動汽車關(guān)鍵技術(shù)得到突破，電池壽命、續(xù)航里程、使用成本等問題得到解決，純電動汽車市場會越來越大，純電動汽車必將成為主流車型。