電動(dòng)汽車的技術(shù)現(xiàn)狀及研究綜述

摘 要：此篇通過查閱目前世界最前沿的電動(dòng)汽車技術(shù)現(xiàn)狀，客觀總結(jié)出電動(dòng)汽車的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。著重介紹電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)，其中包含了動(dòng)力電池、電機(jī)控制理論技術(shù)、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池管理系統(tǒng)、燃料電池、充電設(shè)施及能量再利用系統(tǒng)。由于我國(guó)目前的車輛占有量很大，但車輛的飽和率較發(fā)達(dá)國(guó)家還相差甚遠(yuǎn)，所以對(duì)于我國(guó)而言，車輛的需求量還有很大的空缺，而目前中國(guó)的國(guó)情已經(jīng)非常注重青山綠水的回歸，所以真切的發(fā)展新能源汽車越來越符合國(guó)內(nèi)政策。本篇也對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，也提出了一些實(shí)質(zhì)的建議，希望通過政府、車企、科研機(jī)構(gòu)、高校及制造裝配工人的多方融合，得以得出適合中國(guó)國(guó)情的電動(dòng)汽車制造政策及措施，盡快的將中國(guó)制造2035得以落實(shí)。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng) 電動(dòng)汽車 電機(jī)控制 能量再利用系統(tǒng) 燃料電池 充電設(shè)施

1 引言

目前由于人們的生活水平逐步提升，人們的日常生活對(duì)汽車的需求也越來越強(qiáng)烈，在最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止2018年底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車的保有量已有三億輛之多。在這么大的保有量前提下，能源問題及環(huán)保問題就會(huì)凸顯出來，早在2015年的時(shí)候，全球的石油供需關(guān)系已經(jīng)出現(xiàn)了缺口問題，而目前我國(guó)的人均車輛保有量仍然很低，但我國(guó)的石油主要依賴于進(jìn)口，所以面對(duì)這樣的現(xiàn)狀，我國(guó)必須發(fā)揮我國(guó)的優(yōu)勢(shì)，比如我國(guó)的電能及電網(wǎng)來發(fā)展我國(guó)的新能源汽車這一符合我國(guó)基本國(guó)情的產(chǎn)業(yè)。那么新能源電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)如動(dòng)力電池、電機(jī)控制理論技術(shù)、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池管理系統(tǒng)、燃料電池、充電設(shè)施及能量再利用系統(tǒng)就得進(jìn)行技術(shù)突破。

2 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池顧名思義也就是為整車提供能量的源頭，相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)車的燃油，其相關(guān)技術(shù)一直制約著該行業(yè)的發(fā)展水平，目前主要的影響因素有比能及比功率等，而這些指標(biāo)又影響著車輛的動(dòng)力性及續(xù)航里程?，F(xiàn)階段，我國(guó)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池存在缺乏評(píng)價(jià)系統(tǒng)及對(duì)電池潰乏深度分析體系，目前已經(jīng)投入資金進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)的配套，建立相關(guān)的電池評(píng)價(jià)體系。

作為電動(dòng)汽車用途的動(dòng)力電池，有著諸多的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如：高安全性、使用年限、循環(huán)充電次數(shù)、結(jié)晶率、比能量及比功率等。目前該領(lǐng)域常用超級(jí)電容、鎳氫電池、燃料電池、鋰離子電池及鉛酸電池等來作為動(dòng)力電池的研究對(duì)象。

日本早在上世紀(jì)末就加大力度進(jìn)行鎳氫電池的研發(fā)，并在該國(guó)車型普銳斯中得以展示，鎳氫電池有著一些難以克服的缺點(diǎn)，諸如比能量值較低、而且電池必須原料（氫氣）的儲(chǔ)存是一大問題，故而普銳斯轉(zhuǎn)變目標(biāo)發(fā)展混合動(dòng)力，將動(dòng)力電池只是作為了輔助動(dòng)力源。而之后隨著鋰離子電池的技術(shù)更新，原材料及相關(guān)制造工藝流程的簡(jiǎn)化，鋰離子電池也進(jìn)入了量產(chǎn)階段，故而在普銳斯上用鋰離子電池替代了原有的鎳氫電池。鋰離子電池較其他電池而言，有著高的比功率及比能量值，質(zhì)量較輕，大倍率充電及低溫高性能等優(yōu)良特性。運(yùn)用鋰離子電池的車輛有著高的續(xù)航里程及良好的動(dòng)力性能，但其制造成本還是相對(duì)較高。目前運(yùn)用鋰離子電池作為動(dòng)力源的車型（含之前的車型）有雪佛萊Volt、豐田Prius、日產(chǎn)Leaf、比亞迪王朝系列車型（唐EV、元EV、宋EV）、特斯拉全系車。一般鋰離子電池在整車使用下可達(dá)十年之久，按照特斯拉及比亞迪鋰電池售后維修來推斷，循環(huán)800次的保容量可達(dá)百分之八十，循環(huán)2000次的保容量可達(dá)百分之五十。我們可以推算一下，按正常使用一周充電一次，如果續(xù)航五百公里，一年也就是循環(huán)52-53次，按每次保有量逐步下降，一年充放電初步按80次來算，百分之八十的高保有量也能滿足十年，如果按低保有量百分之五十來算，使用壽命可達(dá)二十多年。不過如果原有續(xù)航里程小于二百公里的話，隨著保有量的降低，很難滿足日常生活的需要。

現(xiàn)將鋰離子電池、鉛酸電池、鋰聚合物電池、鎳氫電池及超級(jí)電容的安全性、循環(huán)壽命、比能量、再循環(huán)能力、比功率等性能比較如表1所示[1]。

燃料電池也算是公認(rèn)的最理想電池，比能量及比功率都較為理想，能量轉(zhuǎn)化率之高、安全可靠性能高。其化學(xué)反應(yīng)原材料非常豐富，最主要在反應(yīng)過程中及反應(yīng)后都沒有影響環(huán)境的排放物，真正的實(shí)現(xiàn)了零污染。早在國(guó)家“十二五”及“863”計(jì)劃就給了燃料電池很大的政策及資助，但由于氫氣貯存的特點(diǎn)及科研體系之龐大，很難在短時(shí)間收到成效。

3 電機(jī)控制理論技術(shù)

由于電動(dòng)汽車的調(diào)速及變向都是由電機(jī)控制系統(tǒng)來完成的，那么電機(jī)控制系統(tǒng)也就向著數(shù)字化、集成化及智能化的方向去發(fā)展，目的是能夠更便利、更節(jié)能、更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)的去實(shí)時(shí)適應(yīng)所在及所需工況下的調(diào)節(jié)，電子控制技術(shù)得以較大的發(fā)展，各類電控CPU及ECU的功能也越來越強(qiáng)大。一般電機(jī)控制裝置有斬波調(diào)阻、斬波調(diào)壓及最新的IGBT類型。IGBT稱為絕緣柵雙極型晶體管，由絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS和雙極結(jié)型晶體三極管BJT組合而成的一種電壓驅(qū)動(dòng)的復(fù)合全控式功率半導(dǎo)體器件，具有自導(dǎo)通和關(guān)斷的特征（簡(jiǎn)單說就是一個(gè)要不通要不斷的開關(guān)，導(dǎo)通作為導(dǎo)線，斷開作為開路;有驅(qū)動(dòng)功率小和飽和壓降低的優(yōu)點(diǎn)）。IGBT是能源傳輸及轉(zhuǎn)化的核心元器件，采用其進(jìn)行功率轉(zhuǎn)化可以提高用電經(jīng)濟(jì)性，其在新能源汽車上主要運(yùn)用在以下幾方面：

1.車載空調(diào)控制系統(tǒng)，一般是小功率DC/AC逆變;

2.電動(dòng)控制系統(tǒng)，一般用在大功率DC/AC逆變后驅(qū)電機(jī);

3.充電樁，一般在智能充電樁上用作開關(guān)元件使用。

采用IGBT電器元件可以簡(jiǎn)化控制電路，提高系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，目前控制方法常采用轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制及變頻調(diào)速控制等。汽車電氣控制系統(tǒng)中包含有電子控制單元，而它是要通過其他電子元器件實(shí)時(shí)感知并傳輸車輛運(yùn)行的實(shí)際工況，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及相關(guān)運(yùn)算，這種運(yùn)算就是基于控制算法，該控制算法包含了矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、調(diào)速控制、隨機(jī)線性最優(yōu)控制。也就是運(yùn)用不同的控制規(guī)律和模型所對(duì)應(yīng)出來不同的控制特性，從而選出對(duì)整車?yán)m(xù)航及動(dòng)力性最優(yōu)的一種[2]。表2列舉了不同控制方式電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

4 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相關(guān)控制技術(shù)非常成熟以及最主要的良好的轉(zhuǎn)矩控制特征，使得直流電動(dòng)機(jī)一直作為很重要的研究對(duì)象，大多用在較大型的設(shè)備上，但是直流電動(dòng)機(jī)笨重而龐大的體積不利于電機(jī)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用（其他行業(yè)大多需要體積小、質(zhì)量輕、成本小、效率高及可靠性高的電動(dòng)機(jī)），所以從本世紀(jì)初期我國(guó)也開始大力進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)到交流、開關(guān)磁阻及永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)型研發(fā)。

目前我們見到的電動(dòng)汽車上使用的電機(jī)有：交流感應(yīng)電機(jī)（IM）、直流電機(jī)（DCM）、永磁同步電機(jī)（PMSM）、開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）及無刷直流電機(jī)（BLDCM）。其中永磁同步電機(jī)（PMSM）及無刷直流電機(jī)（BLDCM）的電機(jī)功率密度、效率、尺寸、質(zhì)量及綜合性能相較其它而言較好。直流電機(jī)（DCM）就控制性能及操作性好些，但電機(jī)功率密度、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性、效率、成本等都很差。交流感應(yīng)電機(jī)（IM）成本相較低，其它性能平平庸庸。開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）的調(diào)速范圍較寬、質(zhì)量輕、體積小，但成本較高，控制性也很一般。運(yùn)用不同的控制規(guī)律和模型所對(duì)應(yīng)出來不同的控制特性，從而選出對(duì)整車?yán)m(xù)航及動(dòng)力性最優(yōu)的一種，盡可能電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、響應(yīng)快、易操作、控制性能高及抗干擾能力強(qiáng)，提高整體綜合性能。

5 電池管理系統(tǒng)

電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池除了滿足標(biāo)定電壓以外，為了提供更大的續(xù)航里程就需要通過串聯(lián)加并聯(lián)的方式來完成電池模塊的組裝連接，為更好地為電動(dòng)汽車提高動(dòng)能，各小模塊的組合需要通過電池管理系統(tǒng)SOC（state of charge）來進(jìn)行對(duì)各組合小模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)電量、工作狀態(tài)及均衡供出的電量，可以使得動(dòng)力電池永遠(yuǎn)處于理想狀態(tài)。精確度及管理模塊數(shù)量是評(píng)價(jià)電池管理系統(tǒng)的重要指標(biāo)，特斯拉電動(dòng)汽車之所以比國(guó)內(nèi)的電動(dòng)汽車性能優(yōu)良（光說動(dòng)力性及續(xù)航能力），是由于特斯拉的電池管理系統(tǒng)所管理的電池模塊數(shù)量遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)車型，控制精度可以精確到0.001V，比國(guó)內(nèi)的電池管理系統(tǒng)雖說精確了一位，但是這精確地一位是很難突破的技術(shù)難關(guān)（實(shí)驗(yàn)室可以進(jìn)行精確控制，由于控制的穩(wěn)定性不穩(wěn)定，導(dǎo)致量產(chǎn)的能力還是沒有）。目前我國(guó)對(duì)電池管理系統(tǒng)的研究很多，有基于CAN總線的電池管理系統(tǒng)研究、建立動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)測(cè)試工況試驗(yàn)平臺(tái)、復(fù)合能源系統(tǒng)（蓄電池+太陽能+超級(jí)電容）等，以上這些研究有理論性的研究也有實(shí)驗(yàn)性的研究，通過這些研究也提高了我國(guó)對(duì)電池管理系統(tǒng)水平的認(rèn)知。早在前幾年，由韓國(guó)科研小組開發(fā)出來了高性能鋰空氣電池系統(tǒng)，其續(xù)航里程高達(dá)八百多公里，有望在未來幾年進(jìn)行量化生產(chǎn)，這無疑是對(duì)電動(dòng)汽車技術(shù)的一次推進(jìn)。

6 充電設(shè)施

目前電動(dòng)汽車的充電分為慢充、普充和快充三種，一般慢充大概6-8小時(shí);普充2-4小時(shí);快充大約半小時(shí)，在短短十分鐘可以完成百分之七十電量的恢復(fù)，但是越快的充電對(duì)電池的危害越嚴(yán)重，壽命會(huì)越短，該方式可以在已有的加油站、充電站及服務(wù)區(qū)進(jìn)行疊加。還有一些專家提出了動(dòng)力電池更換的方式，就好比一個(gè)換電池站，每輛車更換電池流水工作時(shí)間只需要5分鐘左右，該流程所需時(shí)間也能滿足人們?nèi)粘Ｉ钚枨?，但是所需備用?dòng)力電池型號(hào)及數(shù)量之多，目前難以完成。還有目前新建小區(qū)都會(huì)預(yù)留充電樁接口或者直接安裝充電樁，以方便電動(dòng)汽車的充電便捷性，這種方式的最大優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單、方便、投資少，同時(shí)大大縮小了動(dòng)力電池的結(jié)晶率;唯一不好的就是充電需要6-8小時(shí)，不過下班回家充電，上班也就充好了，適合普通家用。

上邊我們提到的在停車場(chǎng)、小區(qū)進(jìn)行充電的方式稱為分散充電管理模式，該模式投入小、能滿足人們需求及提高車輛的利用率，但是后期的維保運(yùn)營(yíng)成本較高。而上邊提到的依據(jù)現(xiàn)有的加油站、充電站及服務(wù)區(qū)進(jìn)行疊加建設(shè)充電樁的模式稱為集中充電管理模式，該種模式有較高的專業(yè)性服務(wù)，可以更好的確保電池的使用壽命，較適合于營(yíng)運(yùn)車輛，同時(shí)還可以采集多類電動(dòng)汽車的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)并為之后的研發(fā)做數(shù)據(jù)的積累，但該種方式的建設(shè)投入較大，需要政府的大力支持。

7 能量再利用系統(tǒng)

能量再利用系統(tǒng)就是指在制動(dòng)、下坡等運(yùn)行工況下對(duì)損耗的能量進(jìn)行回收，這種理論在提高主動(dòng)安全性能的同時(shí)可以對(duì)損耗的能量進(jìn)行回收，該情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，通過逆變器進(jìn)行AC/DC的轉(zhuǎn)換再回充到蓄電池上，提高車輛的續(xù)航能力。

8 結(jié)語

本文就新能源電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)如動(dòng)力電池、電機(jī)控制理論技術(shù)、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池管理系統(tǒng)、燃料電池、充電設(shè)施及能量再利用系統(tǒng)進(jìn)行綜述，總結(jié)以下觀點(diǎn)：

1.電池性能好壞直接影響著電動(dòng)汽車的性能，所以努力研發(fā)動(dòng)力電池是重中之重，我們科研人員應(yīng)該致力于改進(jìn)目前動(dòng)力電池鎖存在的缺陷問題，比如：安全性、循環(huán)壽命、比能量、再循環(huán)能力、比功率及成本等一系列動(dòng)力電池性能。

2.目前我國(guó)也采用了交流電機(jī)，但是我們對(duì)交流電機(jī)的性能還是研究的不夠深入。而目前采用的電機(jī)控制元器件如IGBT的核心部件晶體管的研究較日本等國(guó)比較落后，常采用進(jìn)口來滿足市場(chǎng)需求，所以我們應(yīng)大力研究補(bǔ)足缺板技術(shù)。

3.電池管理系統(tǒng)SOC是基于動(dòng)力電池及電機(jī)之上的一種重要技術(shù)，它的性能直接決定著電池的使用壽命，續(xù)航能力。所以我們也應(yīng)該在該領(lǐng)域的控制容量及精確度上有所重大突破。

4.能量再利用系統(tǒng)對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)性、提高制動(dòng)的安全性及提高車輛的續(xù)航能力起到很關(guān)鍵的作用，所以該技術(shù)的突破也會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車整車性能提升有非常重要的意義。

5.加大政府的基礎(chǔ)性建設(shè)，提升集群化管理能力及機(jī)制會(huì)對(duì)該領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫建設(shè)及專業(yè)人才培養(yǎng)上有顯著意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]Richardson P，F(xiàn)lynn D，Keane A.Optimal charging of electric vehicles in low-voltage distribution systems[J].IEEE Transactions on Power Systems，2012，27（1）：268-279.

[2]孟源.汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制技術(shù)探索[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020，301（01）：11-12.

[3]王丹，續(xù)丹，曹秉剛.電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述[J].中國(guó)工程科學(xué)，2013，15（01）：68-72.

[4]王錫凡，邵成成，王秀麗，杜超.電動(dòng)汽車充電負(fù)荷與調(diào)度控制策略綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（01）：01-10.

[5]王旭，齊向東.電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)電工程，2014，31（03）：393-396.