純電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)

羅巍

【摘? 要】當(dāng)下傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的保有量日趨增加，國(guó)內(nèi)外相繼出現(xiàn)了能源短缺的情況，發(fā)展新能源汽車(chē)成為各國(guó)汽車(chē)制造企業(yè)的重中之重。純電動(dòng)汽車(chē)是新能源汽車(chē)的一員，與燃油汽車(chē)對(duì)比，它具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，有利于緩解能源稀缺、減輕大氣污染。而諸如電池核心技術(shù)、電機(jī)及電機(jī)控制、能量管理方法等關(guān)鍵技術(shù)的研究會(huì)是純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展所面對(duì)的一系列問(wèn)題。充電基站的建立以及量產(chǎn)使用也是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的核心部分。

【關(guān)鍵詞】能源短缺;純電動(dòng)汽車(chē);關(guān)鍵技術(shù);產(chǎn)業(yè)化

1 純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1.1純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀

從全球主要汽車(chē)生產(chǎn)廠家的銷(xiāo)量和發(fā)展計(jì)劃來(lái)看，目前“低排放”汽車(chē)（主要指混合動(dòng)力汽車(chē)）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，技術(shù)最為成熟，已進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，其銷(xiāo)量、增幅和占比都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他車(chē)型;隨著動(dòng)力電池性能的提升及充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的完善，“零排放”汽車(chē)（主要指純電動(dòng)汽車(chē)）也逐漸走上產(chǎn)業(yè)化的道路，特別是小型純電動(dòng)汽車(chē)更是發(fā)展迅速;燃料電池汽車(chē)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面仍存在諸多瓶頸，其大規(guī)模推廣還存在相當(dāng)?shù)木嚯x。目前的中國(guó)新能源汽車(chē)市場(chǎng)中，純電動(dòng)車(chē)型的產(chǎn)銷(xiāo)增長(zhǎng)是新能源汽車(chē)的主要驅(qū)動(dòng)力。2018年國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量占新能源汽車(chē)市場(chǎng)整體銷(xiāo)量的近八成。當(dāng)下國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)代表主要有北汽、比亞迪、蔚來(lái)等知名品牌，全球純電動(dòng)汽車(chē)代表主要有特斯拉、WEY、寶馬等汽車(chē)品牌。

1.2 純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)

純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展過(guò)程中存在著諸多挑戰(zhàn)，總的來(lái)說(shuō)可以歸納為五點(diǎn)：電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)能整體過(guò)剩;核心關(guān)鍵技術(shù)突破困難;充電基礎(chǔ)設(shè)施配套欠缺;電動(dòng)汽車(chē)質(zhì)量安全存憂(yōu);廢舊動(dòng)力電池回收利用難。這五點(diǎn)問(wèn)題的存在，使得純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)偏向于解決這五大難題。整車(chē)的發(fā)展方向是輕量化、舒適化、智能化;電池的發(fā)展方向是規(guī)?；⒅悄芑?、回收利用高效化;電機(jī)的發(fā)展方向是提升永磁電機(jī)效率和電機(jī)控制器功率密度;電控的發(fā)展方向是 IGBT產(chǎn)業(yè)加速擴(kuò)張;配套的發(fā)展方向是充換電模式多樣化。

2 純電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)

純電動(dòng)汽車(chē)相較于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)有著諸多的優(yōu)點(diǎn)。首先，純電動(dòng)汽車(chē)以電能作為能量源，可以實(shí)現(xiàn)“零排放”，不存在尾氣污染;其次，純電動(dòng)汽車(chē)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行噪音小，汽車(chē)行駛平穩(wěn)性更好;再者，純電動(dòng)汽車(chē)的能量利用效率高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī);除此之外，純電動(dòng)汽車(chē)使用單一的電能源，因此舍棄了傳統(tǒng)燃油汽車(chē)上的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和油箱等構(gòu)件，使得純電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，汽車(chē)內(nèi)部空間利用率更高。

雖然純電動(dòng)汽車(chē)有著諸多優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，但是純電動(dòng)汽車(chē)的核心技術(shù)仍不成熟，續(xù)駛里程較短、電池使用壽命不長(zhǎng)是純電動(dòng)汽車(chē)當(dāng)下最需要克服的問(wèn)題。

3 純電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)

純電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵核心技術(shù)有三個(gè)：一是動(dòng)力電池，二是電機(jī)，三是控制系統(tǒng)。其中，動(dòng)力電池最為關(guān)鍵，其性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)成本決定了電動(dòng)汽車(chē)的商業(yè)化進(jìn)程。

3.1 核心技術(shù)之電機(jī)

電動(dòng)汽車(chē)采用動(dòng)力電池作為車(chē)載能源，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都采用了能量回饋技術(shù)，即在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，通過(guò)控制器將車(chē)輪損耗的動(dòng)能反饋到電池中，并使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將發(fā)出的電輸送到電池中。相比技術(shù)受制的電池而言，電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)更為明朗一些。從現(xiàn)已成熟的電動(dòng)機(jī)技術(shù)來(lái)看，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在各個(gè)技術(shù)特性方面似乎更符合電動(dòng)車(chē)的使用需要，但尚未得到普及;永磁同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)開(kāi)始裝配在一些量產(chǎn)車(chē)上，例如騰勢(shì)、寶馬i3，應(yīng)用較廣泛的是異步電動(dòng)機(jī)。此外，如果按電流類(lèi)型劃分還可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩種。

3.2 核心技術(shù)之電池

電池的分類(lèi)從廣義上講主要可分為化學(xué)電池、物理電池和生物電池三大類(lèi)，其中化學(xué)電池和物理電池已經(jīng)應(yīng)用于量產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)中，而生物電池則被視為未來(lái)電動(dòng)車(chē)電池的重要發(fā)展方向之一?；瘜W(xué)電池是目前電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的電池種類(lèi)，如鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池、燃料電池等都屬于這一范疇。

鉛酸蓄電池自1859年由普蘭特發(fā)明以來(lái)，至今已有150多年的歷史，技術(shù)十分成熟，是全球上使用最廣泛的化學(xué)電源。其具有大電流放電性能強(qiáng)、電壓特性平穩(wěn)、溫度適用范圍廣、單體電池容量大、安全性高和原材料豐富且可再生利用、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但它體積大和重量沉的缺點(diǎn)一直無(wú)法獲得有效的改善。

鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，電量?jī)?chǔ)備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長(zhǎng)，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。鎳氫電池比碳鋅電池或堿性電池有更大的輸出電流，相對(duì)更適用于高耗電產(chǎn)品。同時(shí)鎳氫電池較不明顯的記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)。鎳氫電池的缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差，同時(shí)鎳氫電池的耐高溫性能差。

在應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的商業(yè)電池中，鋰離子電池占有最大的份額，雖然其從1970年誕生至今時(shí)間并不算長(zhǎng)，但憑借能量密度高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)迅速占據(jù)了電動(dòng)汽車(chē)電池市場(chǎng)的絕大部分江山。如今，在售電動(dòng)汽車(chē)配備的鋰電池主要有磷酸鐵鋰電池及三元鋰電池兩種。磷酸鐵鋰電池在能量密度約為100-110Wh/kg，其熱穩(wěn)定性是目前車(chē)用鋰電池中最好的;三元鋰電池在能量密度上要高出許多，約為200Wh/kg。

化學(xué)電池種類(lèi)繁多，除了上述幾種電池之外，還有使用壽命有著“終極蓄電池”之稱(chēng)的空氣電池、作為鋰電池的后起之秀的鈉硫電池等等。

物理電池是依靠物理變化來(lái)提供、儲(chǔ)存電能的電池統(tǒng)稱(chēng)，如超級(jí)電容、飛輪電池等都屬于物理電池的家族成員。超級(jí)電容器不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源。其功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。

3.3 核心技術(shù)之控制系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)主要由三大控制器組成，分別是整車(chē)控制器（Vehicle Control Unit）、電機(jī)控制器（Motor Control Unit）、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System）。整車(chē)控制器VCU是實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制決策的核心控制單元，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性及舒適性有很大影響。電機(jī)控制器MCU 是控制主牽引電源與電機(jī)之間能量傳輸?shù)难b置。電池管理系統(tǒng)BMS是銜接電池組、整車(chē)控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的重要紐帶，是動(dòng)力電池組的核心技術(shù)，也是整車(chē)企業(yè)最為關(guān)注的核心技術(shù)。

4 結(jié)論與展望

隨著居民消費(fèi)層次多元化發(fā)展和環(huán)保約束的升級(jí)，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)需求進(jìn)一步增加，市場(chǎng)整體規(guī)模將繼續(xù)擴(kuò)大，有望超過(guò)傳統(tǒng)燃油車(chē)成為市場(chǎng)主流?，F(xiàn)階段電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展逐漸由政策引導(dǎo)轉(zhuǎn)為市場(chǎng)牽引，上游材料成本的增加及下游補(bǔ)貼減少的雙重夾擊，造成電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)新一輪洗牌，產(chǎn)業(yè)增速趨緩，將逐漸回歸到理性的市場(chǎng)定位。未來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)主要聚焦于整車(chē)一體化開(kāi)發(fā)、核心零部件和關(guān)鍵技術(shù)的提升以及下游基礎(chǔ)設(shè)備的配套發(fā)展。

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