新能源電動(dòng)汽車核心技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)綜述

呂純池

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 新能源電動(dòng)汽車?yán)碚摼C述與發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 新能源電動(dòng)汽車?yán)碚摼C述

新能源汽車是指除汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)之外所有其他能源汽車。按照中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)公告定義，新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動(dòng)力裝置），綜合車輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。

新能源汽車按照使用范圍可分為純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車、常規(guī)混合動(dòng)力汽車和其他新能源汽車（包括增程式電動(dòng)車、氫燃料汽車、太陽(yáng)能汽車等）。

1.2 新能源電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)與存在的問題

1.2.1 新能源電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)

1.2.1.1 節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)性好

當(dāng)前新能源汽車大部分使用電力作為動(dòng)力，少部分使用氫能、太陽(yáng)能等。電動(dòng)汽車不產(chǎn)生尾氣，無污染。氫能源汽車尾氣是水，對(duì)環(huán)境沒有污染，具有價(jià)格低、零排放等特點(diǎn)。

1.2.1.2 效率高，舒適度高，噪聲低

新能源汽車效率更高，在車輛行駛過程中沒有NVH和變速器換擋時(shí)的頓挫感，整個(gè)駕乘過程相對(duì)平順、舒適、噪聲低。

1.2.2 新能源電動(dòng)汽車存在的問題

1.2.2.1 續(xù)航里程短，充電換電不方便

新能源汽車的續(xù)航里程受到電池技術(shù)與充電環(huán)境的制約。電池技術(shù)重點(diǎn)在于電池能量密度的突破，或是找到更加合適、穩(wěn)定的材料。同時(shí)，考慮到充電安全，新能源汽車的整體充電速度不得不降低，總體算下來，平均充電過程為2～3 h，遠(yuǎn)沒有傳統(tǒng)燃油車加油速度快。

1.2.2.2 存在安全隱患，維修費(fèi)用高

新能源汽車最大的安全隱患就是電池。電池的內(nèi)部短路（如局部的溫升、雜質(zhì)/毛刺、枝晶、隔膜缺陷、隔膜變形）和外部原因（主要有穿刺、受擠或外部起火）都會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。

2 新能源電動(dòng)汽車核心技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究

與傳統(tǒng)燃油汽車不同，新能源電動(dòng)汽車的核心是三電技術(shù)，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池和電池管理技術(shù)。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)

2.1.1 電機(jī)的種類

目前，驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)這幾大類。每種電機(jī)都各有特點(diǎn)。從轉(zhuǎn)速看，開關(guān)磁阻電機(jī)最高，交流異步電機(jī)次之，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速最低，但永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較大；從性能可靠性和結(jié)構(gòu)牢固性來看，開關(guān)磁阻電機(jī)與交流異步電機(jī)可靠性最強(qiáng)，永磁同步電機(jī)次之；從質(zhì)量和體積來看，開關(guān)磁阻電機(jī)的質(zhì)量小、體積小，而直流電機(jī)質(zhì)量大、體積大。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展看，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的趨勢(shì)主要為：①高度集成化。具體表現(xiàn)為車用電控制系統(tǒng)逐漸高度集成化，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)控、整車等的控制器以及低壓DC-DC變換器等朝著不同的方式進(jìn)行集成。②數(shù)字化。由于高速高性能微處理器的使用和面向用戶的可視化編程，讓高性能的控制算法、復(fù)雜的控制理論能夠?qū)崿F(xiàn)。③電機(jī)功率和功率密度的提高。電機(jī)功率從幾千瓦提高到了幾十千瓦甚至更高，效率大幅提升。電機(jī)變得越來越小，功率密度不斷提高。④電機(jī)回饋制動(dòng)效率和運(yùn)行轉(zhuǎn)速的提高?；旌蟿?dòng)力機(jī)電一體化技術(shù)的特征之一就是回饋制動(dòng)。使用高效的回饋制動(dòng)電機(jī)與特殊的電能管理與調(diào)速系統(tǒng)，可以使電機(jī)能處理多種類型的工況，由此讓電動(dòng)汽車更加節(jié)能，也延長(zhǎng)了行車?yán)锍獭?/p>

2.2 動(dòng)力電池技術(shù)

近些年，中國(guó)的動(dòng)力電池需求量經(jīng)歷了爆發(fā)式增長(zhǎng)，2019年動(dòng)力電池裝機(jī)量達(dá)62.37 GW·h，同比2018年增長(zhǎng)了9.5%。動(dòng)力電池是新能源汽車能量和動(dòng)力來源。電動(dòng)汽車的續(xù)航里程受制于電池。

2.2.1 電池的種類

目前，動(dòng)力電池可分為三大體系，分別是磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、錳酸鐵鋰電池。其中，錳酸鐵鋰電池和磷酸鐵鋰電池憑借著可靠的穩(wěn)定性能和較低的價(jià)格，被廣泛應(yīng)用在電動(dòng)客車等。同時(shí)。動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展對(duì)NEV產(chǎn)品也有著關(guān)鍵性的影響。

除全固態(tài)鋰電池外，目前鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、太陽(yáng)能電池等其他類型的電池發(fā)展也各有特色。目前動(dòng)力電池技術(shù)路線趨勢(shì)為磷酸鐵鋰→三元鋰→固態(tài)電池。未來若想達(dá)到更高的能量密度目標(biāo)，則需要轉(zhuǎn)變到固態(tài)電池的技術(shù)體系。固態(tài)電極+固體電解液這種系統(tǒng)的能量密度高，電解質(zhì)無流動(dòng)性，易通過內(nèi)串聯(lián)組成高電壓?jiǎn)误w，預(yù)期可達(dá)500 W·h/kg，同時(shí)它的安全性高、不存在引發(fā)電解液燃燒的問題。

2.2.2 無線充電

無線電能傳輸（Wireless PowerTransfer）的實(shí)質(zhì)是通過磁場(chǎng)、電場(chǎng)、電磁波等物理場(chǎng)的耦合，實(shí)現(xiàn)從原邊到副邊的無線供電，它可以不需要實(shí)體導(dǎo)線的連接。在純電動(dòng)汽車的無線充電技術(shù)領(lǐng)域，按傳輸機(jī)理的不同，主要可分為磁場(chǎng)耦合式（磁場(chǎng)耦合式分為磁共振式和磁感應(yīng)式）、電場(chǎng)耦合式、微波輻射式。

目前，主流的無線充電技術(shù)主要為磁共振與磁感應(yīng)。高通和WiTricity兩家企業(yè)采用技術(shù)授權(quán)的業(yè)務(wù)模式，其余幾家均以銷售無線充電配套設(shè)備為主?，F(xiàn)存的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有AirFuel與Qi，未來充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定將會(huì)統(tǒng)一化。無線充電技術(shù)也面臨著多維度的瓶頸，除了最主要的成本問題外，充電標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、充電效率和充電距離限制也阻礙了無線充電技術(shù)的發(fā)展。

2.2.3 換電技術(shù)

汽車換電技術(shù)是一種通過從車輛上移除已被新能源汽車衰減或消耗的動(dòng)力電池來替換新動(dòng)力電池的技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的充電模式，換電模式的優(yōu)勢(shì)在于能夠縮短補(bǔ)給時(shí)間、提高效率、延長(zhǎng)電池壽命、消除續(xù)航里程短板等。換電技術(shù)主要分為單次換電和快換電池。

單次換電是指一次性更換新的新能源汽車動(dòng)力電池，使汽車有足夠的電池容量繼續(xù)行駛，增加續(xù)航里程。問題在于更換的新的電池其容量與之前動(dòng)力電池的仍然相同，汽車的續(xù)航里程并沒有得到實(shí)際的增加。

多次換電技術(shù)（快換電池技術(shù)）指能在新能源汽車任何時(shí)段，使用特定的裝置短時(shí)間內(nèi)完成動(dòng)力電池的更換，由此增加新能源汽車的續(xù)航里程行駛，類似于傳統(tǒng)燃油車加油過程。多次換電技術(shù)是未來?yè)Q電技術(shù)的主要發(fā)展方向和趨勢(shì)。

2.3 電池管理技術(shù)

2.3.1 電池管理系統(tǒng)的基本功能

電池管理系統(tǒng)（BMS）是連接電動(dòng)汽車和車載動(dòng)力電池的重要紐帶，它可以對(duì)電池的運(yùn)行狀態(tài)（荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)和功能狀態(tài)）進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)的檢測(cè)，并將實(shí)時(shí)信息傳輸給子系統(tǒng)。通過對(duì)電池進(jìn)行有效的管理，使電池能夠維持在最佳的工作狀態(tài)。

2.3.2 電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

電池管理系統(tǒng)由中央控制單元與本地控制單元二級(jí)結(jié)構(gòu)組成。中央控制單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、SOC計(jì)算、邏輯判斷以及相應(yīng)的控制。本地智能采集單元負(fù)責(zé)電池信息和電池狀態(tài)檢測(cè)。使用CAN總線通信完成數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中管理與分布控制。同時(shí)，方便電池的分散布置，以此減少線束，達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

新能源電動(dòng)汽車是汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前的三大核心技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：①驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)車輛行駛的最直接的動(dòng)力裝置。以永磁同步電機(jī)、輪轂電機(jī)為代表的電機(jī)技術(shù)顯著提高了性能和舒適性，使得新能源電動(dòng)汽車的接受度和普及率提高。圍繞電機(jī)的永磁化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成化和一體化、電機(jī)控制的集成化和數(shù)字化的核心技術(shù)發(fā)展已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。②動(dòng)力電池技術(shù)是新能源電動(dòng)汽車最重要最具競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)。目前動(dòng)力電池技術(shù)路線趨勢(shì)為磷酸鐵鋰→三元鋰→固態(tài)電池。未來若想達(dá)到更高的能量密度目標(biāo)，則需要轉(zhuǎn)變到固態(tài)電池的技術(shù)體系。無線充電和換電技術(shù)可以打破充電在時(shí)間和空間范圍內(nèi)的限制，大大提高了充電效率，解決了充電問題。③電池管理技術(shù)作為連接電動(dòng)汽車和車載動(dòng)力電池的重要紐帶，可以提升電池的使用效率，達(dá)到增加續(xù)航行駛里程、延長(zhǎng)電池壽命、提高電池組可靠性的目的。

新能源電動(dòng)汽車在全世界范圍內(nèi)都有著很好的發(fā)展前景。中國(guó)應(yīng)該積極發(fā)展新能源電動(dòng)汽車的核心技術(shù)，以此來推動(dòng)中國(guó)新能源電動(dòng)汽車的進(jìn)一步發(fā)展。