新能源電動汽車關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

王旭

新能源電動汽車關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

王旭

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

隨著技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車越來越被大眾認可，文章論述了新能源汽車的概念與發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了插電式混合動力汽車、燃料電池汽車存在的問題，并分別介紹新能源汽車的關(guān)鍵部件，驅(qū)動電機、電池、電池管理系統(tǒng)的發(fā)展概況，并且展望了未來的發(fā)展趨勢，其生產(chǎn)工藝與效率必將大大提升。

新能源汽車；混合動力；氫燃料

引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車逐漸被大眾所接受，但是其關(guān)鍵技術(shù)也待于突破，國內(nèi)外均制定了發(fā)展計劃，本人對前人研究進行總結(jié)，并且提出自己對未來發(fā)展的看法。

1 新能源汽車的概念與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 新能源電動汽車概念

新能源汽車是指除利用傳統(tǒng)汽油、柴油等化石燃料提供動力的汽車。按照中華人民共和國國家發(fā)展與改革委員會公告定義，新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車[1]。

新能源汽車包括四大類型，混合動力電動汽車（HEV）、純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車（FCEV）、其他新能源（如超級電容器、飛輪等高效儲能器）汽車等。

1.2 新能源電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1新能源汽車較傳統(tǒng)燃油車的優(yōu)點

1.2.1.1 更節(jié)能環(huán)保、排放低，經(jīng)濟性好

新能源汽車多采用純電動或者混合動力、還有燃料電池系統(tǒng)為汽車提供動力。純電動與燃料電池汽車零排放，其污染極低，符合我國民保護環(huán)境的理念，混合動力汽車只有在加速、爬坡、電池電量不足的情況下，發(fā)動機參與工作，其也大大減少尾氣的排放，電能的價格更低，經(jīng)濟性更優(yōu)。

1.2.1.2 運行平穩(wěn)、噪聲低、舒適性好、傳動系效率高

新能源汽車采用電動機直接驅(qū)動汽車，在怠速、或者等交通信號燈的情況下，一些汽車應(yīng)用自動啟停技術(shù)，控制發(fā)動機熄火，既降低排放，又減弱噪聲，啟動工況時，電機經(jīng)電池直接供電，其噪聲極低，提高乘坐舒適性，并且傳動更加高效。

1.2.2目前存在的問題

1.2.2.1 插電式混合動力充電問題

目前我國除大中心城市外，大多城市充電設(shè)施不完善，這也從某種程度上制約的新能源汽車的發(fā)展，其續(xù)駛里程短，并且由于電池技術(shù)待于突破，充電速度也受到限制。

1.2.2.2 電池更換、維修成本，安全問題

在新能源汽車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，電池是重中之重，其價值也占汽車的很大比重，在新能源汽車運行一定年限后，其電池效率下降，其更換成本較高。由于電池內(nèi)部容易在汽車運行過程中受到多方面的影響，如溫度、壓力、內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生形變等因素，電池可能發(fā)生泄漏，自燃等事故，新能源汽車在于不可控因素可能導(dǎo)致重大安全問題。

1.2.2.3 燃料電池汽車

燃料電池汽車其利用化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物為水，無污染，并且續(xù)駛里程相較于電動汽車有較大提升，能滿足較大的路程的需求，我國目前燃料電池汽車應(yīng)用較少，但隨著技術(shù)發(fā)展，其有著強大的市場需求。燃料電池商用車方面，中國部分車企目前已進入量產(chǎn)階段，在國家相關(guān)政策及行業(yè)的不斷推動下，中國燃料電池商用車2020-2025年將進入?yún)^(qū)域成熟階段，2025-2030年將進入爆發(fā)式增長階段。燃料電池乘用車方面，預(yù)計2020-2025年將會進入階段量產(chǎn)階段，預(yù)計2025年中國燃料電池商用車產(chǎn)量將達到30000輛，2025年后將進入規(guī)?；l(fā)展階段[2]。

圖1 我國氫能生產(chǎn)與消費格局

2 新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)

2.1 驅(qū)動電機技術(shù)

2.1.1電機主要類型

直流電動機：是較早應(yīng)用在電動汽車上的驅(qū)動電機，技術(shù)比較成熟，其轉(zhuǎn)速較低，有著復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，控制比較容易。調(diào)速范圍廣，早期應(yīng)用較廣。

交流異步電機：其結(jié)構(gòu)更為簡單，運行可靠，耐用，工作效率比直流電動機高，因為它的高工作效率、高速運行性能優(yōu)越，交流異步電機在較大功率電動汽車上得到廣泛應(yīng)用。

圖2 OFweek產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測

永磁式電動機：分為無刷直流電機與永磁同步電機，這兩種電機在結(jié)構(gòu)和工作原理上大體相同，轉(zhuǎn)子都是永磁體，減少了勵磁所帶來的損耗，定子上安裝有繞組通過交流電來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，所以冷卻相對容易。由于這類電機不需要安裝電刷和機械換向結(jié)構(gòu)，工作時不會產(chǎn)生換向火花，運行安全可靠，維修方便，能量利用率較高。同時，轉(zhuǎn)子上的永磁材料在高溫、震動和過流的條件下，會產(chǎn)生磁性衰退的現(xiàn)象，所以在相對復(fù)雜的工作條件下，永磁式電機容易發(fā)生損壞。而且永磁材料價格較高，因此整個電機及其控制系統(tǒng)成本較高。[3]

開關(guān)磁阻電機：作為一種新型電機，相比其他類型的驅(qū)動電機而言，開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)最為簡單，定、轉(zhuǎn)子均為普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，定子裝有簡單的集中繞組，具有結(jié)構(gòu)簡單堅固、可靠性高、質(zhì)量輕、成本低、效率高、溫升低、易于維修等諸多優(yōu)點。而且它具有直流調(diào)速系統(tǒng)的可控性好的優(yōu)良特性，同時適用于惡劣環(huán)境，非常適合作為電動汽車的驅(qū)動電機使用。[4]

2.1.2驅(qū)動電機未來發(fā)展趨勢

新能源汽車驅(qū)動電機小型化、輕量化趨勢，近年來將電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)一體化研究進步很大，將驅(qū)動電機，逆變器，減速器集成化，可以降低成本，實現(xiàn)小型化、輕量化。

智能化，隨著單片機微型處理器的發(fā)展，對電機的智能化控制越來越強，各種算法也可以得到應(yīng)用，電機的工作性能可以得到更好地發(fā)揮。可以擁有自我更新、自我適應(yīng)等功能。

驅(qū)動電機是新能源汽車的核心部件，隨著汽車對動力的要求越大，電機的發(fā)展應(yīng)著重于高速度、高效率、低噪聲、低成本，提升電機的轉(zhuǎn)矩和功率密度。將驅(qū)動電機與減速器直接集成為模塊化，可降低重量、體積，又可以提升電驅(qū)動的NVH水平。

對電機的控制器進行集成化設(shè)計，與多種控制器的功能集成，會提成電機的工作效率、功率密度。

2.2 電池技術(shù)

電池是電動汽車的動力來源，它的性能直接決定著汽車的動力性與續(xù)駛里程。

2.2.1電池的發(fā)展現(xiàn)狀

汽車動力電池大體可分為三種，鎳氫電池、鉛酸電池、鋰離子蓄電池，鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，多數(shù)用于混合動力車型；鉛酸電池是一種電極主要有鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池；鋰離子蓄電池是一種二次電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作，是當今主流的新能源汽車動力電池的主要類型。鈷酸鋰電池是運用最早的鋰電池，容量密度大，但是安全性、穩(wěn)定性較差，在電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用較多，因為其安全穩(wěn)定性差，不太適合大多數(shù)新能源汽車，但是因為其超強的續(xù)航能力，也得到的一些企業(yè)的應(yīng)用。磷酸鐵鋰電池在國內(nèi)新能源汽車運用廣泛，它的最大優(yōu)勢在于安全穩(wěn)定性和壽命，其超越大多數(shù)鋰電池，但是比較低的能量密度，續(xù)駛里程低限制了它的應(yīng)用。

2.2.2動力電池發(fā)展趨勢

通過電池界面基因組（BIG）－材料加速平臺（MAP）計劃等，采用人工智能（AI）大幅度減少電池材料的開發(fā)周期。加速電池新材料和新化學(xué)體系的開發(fā)過程。

開發(fā)新型傳感器，將其嵌入電池包中，實時監(jiān)控電池的溫度、壓力等健康狀態(tài)，提升其安全性，采用可自動愈合的材料等，提升電池恢復(fù)能力，延緩電池容量衰減的速度，提升其續(xù)駛里程，延長使用壽命。這樣可以整合開發(fā)各種傳感技術(shù)在電池中以實時傳遞信息（如溫度、壓力，應(yīng)變，電解質(zhì)成分，電機膨脹度，熱流變化等）[5]。

2.3 電池管理系統(tǒng)

2.3.1電池管理系統(tǒng)的作用

電池管理系統(tǒng)是動力電池與新能源汽車連接起來的途徑，電池通過電池管理系統(tǒng)的有效管理，可以在高效區(qū)間工作，并且保證安全性。其可以準確地估算SOC值，避免電池出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象，保護電池，能夠準確地測算荷電狀態(tài)。

動態(tài)監(jiān)測電池的狀態(tài)，在電池整個生命周期中，對每一塊單體電池的溫度、電流、電壓進行監(jiān)控，實時測量，及時將信息傳遞給ECU，保證整組電池運行的可靠性、安全性。

單體電池間的均衡，在電池充電狀態(tài)，可以將各個單體電池的電量保持一致，使其達到平衡，避免過充。

2.3.2電池管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢

電池管理系統(tǒng)的SOC估算是非常重要的一個環(huán)節(jié)，其值的準確性保證了電池的安全性，避免過充過放，SOC、SOH、SOP的估算精度是未來發(fā)展的技術(shù)重點，對提升電池的性能至關(guān)重要[6]。

主動均衡技術(shù)，目前應(yīng)用的多是被動均衡技術(shù)，雖然它的成本偏低，但是效果不是很好，隨著研究的深入，主動均衡技術(shù)會逐步占領(lǐng)制高點。

電池管理系統(tǒng)自診斷，BMS需要對自身進行良好的自檢，有效地預(yù)防故障的出現(xiàn)，及時報錯，當電池出現(xiàn)故障時，能準確的確定原因、位置，進行防控。

3 結(jié)語

首先介紹了新能源汽車的概念，比較與傳統(tǒng)燃油車的優(yōu)點，闡述了我國氫燃料電池汽車有著廣闊的發(fā)展前景，系統(tǒng)總結(jié)了目前電動機、電池等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出自己對未來發(fā)展的觀點。

[1] 呂純池.新能源電動汽車核心技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢綜述[J].科技與創(chuàng)新,2020,17:80-81.

[2] OFweek產(chǎn)業(yè)研究院《2020年中國氫燃料電池汽車市場分析報告》[EB/OL]. (2020-01-20). http:// research.ofweek. com/2018-05/RET- 10658.html.

[3] 劉世哲.四相8/6極開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化[D].石家莊:河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,2016.

[4] 劉世哲.四相8/6極開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化[D].石家莊:河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,2016.

[5] 詳解歐洲2030年電池計劃[EB/OL].(2020-03-09).https://mp.weixin. qq.com/s/9X-S-08s7wwUBKGuDMAyIg.

[6] 汽車學(xué)堂.電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢.[EB/OL].（2019-01- 28).https//mp.weixin.qq.com/s?Src=11×tamp=1600154398&ver=2585&signature=HHU8vil3uzCstd1NBHvImK8MO2kIoYgKPVv-8oG3ARfUJ2m5LXAFH2-WVX*TeTNH79*PmjbZKAj8jwHSz4ue*z3bLFndYpdnn3QM9q4wtbIIhbgCpDBbydFGW5lenX&new=1.

Development Status and Trend of Key Technologies of New Energy Electric Vehicles

Wang Xu

( School of Automotive and Transportation Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121000 )

With the development of technology, new energy vehicles are more and more recognized by the public. This paper discusses the concept and development status of new energy vehicles, expounds the problems existing in plug-in hybrid vehicles and fuel cell vehicles, and introduces the development situation of key components of new energy vehicles, such as drive motor, battery and battery management system, and looks forward to the future development trend, whose production process and efficiency will be greatly improved.

New energy vehicle; Hybrid power; Hydrogen fuel

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.005

U469.7

A

1671-7988(2021)07-13-03

U469.7

A

1671-7988(2021)07-13-03

王旭，碩士研究生，就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，主要研究方向：新能源汽車驅(qū)動與驅(qū)動控制技術(shù)。