王 丹，續(xù) 丹，曹秉剛

（西安交通大學機械工程學院，西安 710049）

介紹了電動汽車關鍵技術發(fā)展狀況，分別從電動汽車用驅動電機、動力電池及電池管理系統(tǒng)、電機控制及能量回收系統(tǒng)等方面進行了概述，并對電動汽車技術發(fā)展趨勢進行了展望。在政府的支持下，隨著電機、電池及電控等電動汽車關鍵技術逐步完善，電動汽車必將成為“零污染”的清潔交通工具。

電動汽車；電機；電池；能源管理系統(tǒng)；能量回收系統(tǒng)

1 前言

在能源危機和低碳環(huán)保的雙重壓力下，世界各國都積極發(fā)展電動汽車，日本、美國、德國的電動汽車品牌都占據(jù)了一定的市場份額。我國自2001年確立“三縱三橫”研發(fā)布局以來，在混合動力、純電動及燃料電池汽車方面都取得了可觀的成果[1]。在過去的十幾年中，對驅動電機、動力電池及電控系統(tǒng)等電動汽車技術進行了全面研究，取得了諸多關鍵技術的改進與突破。目前我國的電動汽車技術正處于由科研向產業(yè)化轉變的階段，產業(yè)化過程中還面臨著諸多電動汽車關鍵技術的問題和挑戰(zhàn)，有待進一步解決。

2 電動汽車用驅動電機

電動汽車用驅動電機不同于一般的工業(yè)電機，根據(jù)其使用條件，一般要求電機具有效率高、功率密度大、過載能力強、質量輕、尺寸小、可靠性好及成本低等性能[2，3]。電動汽車用驅動電機主要有直流電機（DCM）、無刷直流電機（BLDCM）、永磁同步電機（PMSM）、交流感應電機（IM）及開關磁阻電機（SRM）等[4，5]。各種電機性能比較如表1所示。

表1 各種電機性能比較Table 1 Comparison of the motor’s properties

20世紀90年代前開發(fā)的電動汽車一般采用直流電機驅動，但隨著電力電子技術及電機控制技術的發(fā)展，使無刷直流電機、永磁同步電機、交流感應電機及開關磁阻電機等應用于電動汽車時能夠帶來更好的性能，因此直流電機逐漸被淘汰。無刷直流電機一般用于小型電動汽車，如時風電動車。永磁同步電機由于成本高及使用時間長時易退磁等缺點而難以廣泛使用，主要應用在混合動力汽車中，如日本豐田的Prius，目前筆者也在研究其應用于純電動汽車領域的可行性，其中速達電動轎車（SDEV）試驗車即采用永磁同步電機驅動，能量利用效率高，每百里耗電10 kW·h（度）。交流感應電機由于其良好的性價比而廣泛用于純電動汽車，從而降低了純電動汽車的成本，如速達電動汽車，美國的電動汽車驅動電機也較多使用交流感應電機。開關磁阻電機主要用于客車中。

在電動汽車用驅動電機的生產方面，由華中科技大學開發(fā)的全數(shù)字化開關磁阻電機、中船712所開發(fā)的永磁無刷電機以及中國科學院北京三環(huán)通用電氣公司開發(fā)的電動汽車專用7.5 kW輪轂電機等，都有一定的突破[6]。而國外的電動汽車用驅動電機較為成熟，如日本東京電機公司、富士電子研究所及尼桑公司開發(fā)的永磁同步電機，美國德州儀器、TWMC的感應電機等。

3 動力電池

3.1 動力電池存在的問題及其發(fā)展

電池技術一直是制約電動汽車發(fā)展的關鍵因素，它是整車的動力之源，直接影響電動汽車的續(xù)駛里程，甚至是影響整車質量及成本。世界電動車協(xié)會主席陳清泉院士指出，我國電動汽車用電池存在兩個問題，即對電池缺乏深層次分析和缺乏評價體系[7]。這一方面需要國家和企業(yè)在電池研究上加大投入，另一方面要求投入更多的資金來分析整個電池產業(yè)鏈，建立電池評價體系。

電動汽車用動力電池必須具備一定的條件，即安全性好、成本低、能量密度和功率密度高及使用壽命長等。目前電動汽車用動力電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池、超級電容及燃料電池[8]。鉛酸電池成本低、性能可靠、技術成熟，1996年通用汽車的EV1即使用的是鉛酸電池，克萊斯勒公司1998年的EPIC汽車上使用先進的鉛酸電池，由于受到比能量和循環(huán)次數(shù)等因素的影響，鉛酸電池主要用于短途行駛或輕度混合的電動汽車中。但是介于鉛酸電池的成本低易于普及的優(yōu)勢，開發(fā)鉛酸電池有很大的必要性，筆者也將進一步致力于這方面的研究與開發(fā)。目前美國和日本積極發(fā)展鎳氫電池，如福特公司1999年推出的Ranger EV和豐田的Prius混合動力汽車等都采用鎳氫電池。但鎳氫電池的比能量值較低且儲氫難，一般應用于混合動力汽車，作為輔助動力。自2006年以來，鋰離子電池作為動力電池發(fā)展迅速，其質量輕、比能量和比功率都比鉛酸電池高，提高了汽車的續(xù)駛里程，且壽命高于鉛酸電池，如新一代的豐田Prius不再使用鎳氫電池而改用鋰離子電池。另外，雪弗萊Volt，日產Leaf，比亞迪E6等均采用鋰離子電池，但成本高、安全性不好是制約其發(fā)展的重要因素。表2[9]為上述電動汽車電池組的性能比較。燃料電池實現(xiàn)了真正的零污染，其反應產物是水，能量密度高、能量轉換效率高、可靠性好，是一種理想的動力電池，因此國家“十二五”“863”計劃給予燃料電池車大力支持，但由于其成本太高、儲氫困難，近年內并不能實現(xiàn)真正的產業(yè)化。

表2 幾款電動汽車電池性能比較[9]Table 2 Performance comparison of several EV battery packs[9]

鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池及超級電容的比能量、比功率、循環(huán)壽命等性能比較如表3所示[10]。由表3可知，各種電池都或多或少存在一些問題，其中鋰離子電池除了在安全性、價格等方面不如人意，其他方面都處于領先地位，有進一步發(fā)展和大規(guī)模應用的前景。陳清泉院士指出“十二五”期間，能量型動力電池是主要發(fā)展方向，兼顧超級電容器和功率型動力電池的發(fā)展，并要重點突破動力電池系統(tǒng)的安全性、一致性、耐久性及低成本等關鍵技術[11]。

表3 電動汽車用電池性能比較Table 3 Performance comparison among different kinds of EV battery

3.2 電池管理系統(tǒng)

為提供充足的能量，電動汽車往往需要使用多塊電池供電，電池管理系統(tǒng)完成均衡多塊電池電量的工作，并使其處于最佳狀態(tài)，具有監(jiān)測電池工作狀況及SOC(state of charge)檢測的功能。此外，電池管理系統(tǒng)還應具有與外部設備通信、控制充電方式的功能。對電池管理系統(tǒng)的研究很多，如徐劍鳴等設計的基于太陽能電池、超級電容和蓄電池3種能量源的電動汽車復合能源系統(tǒng)[12]，葉敏等設計的基于CAN總線的電動汽車能源管理系統(tǒng)[13]，南金瑞等為北京理工大學和北方客車廠聯(lián)合研制開發(fā)的電動客車BFC6110EV的鋰離子電池管理系統(tǒng)[14]等，都不同程度地改善了電池管理系統(tǒng)的性能。孫逢春等則為北京公交的純電動客車用動力電池建立了動態(tài)測試工況，為測試動力電池的動態(tài)性能及評價在對應工況下動力電池的適應性奠定了基礎[15]。這些研究在電池管理的方式或是在電池管理采用的算法上加以改進，既有理論研究，又有基于車體的實際應用，大大提高了電池管理系統(tǒng)的性能。

目前，電動汽車在動力電池技術和電池管理系統(tǒng)發(fā)展的推動下已取得相當可觀的成果。河南省三門峽市的速達電動轎車（SDEV）采用永磁同步電機和鋰離子電池，充電一次的續(xù)駛里程可達270 km以上，最高時速150 km/h以上，能源利用效率高，質量輕、操作性和舒適性好，并可利用家用220 V電源穩(wěn)定充電。西安交通大學團隊研發(fā)的電動汽車采用永磁同步電機驅動，動力電池采用120 A·h的鉛酸電池，續(xù)駛里程達到100 km以上。目前國內的電池產量和技術水平很高，如超威電源有限公司和江蘇雙登集團有限公司等，國外的有日本松下、豐田、索尼，美國Ovonic和USABC公司，德國瓦爾塔公司等。2012年6月10日，美國《自然化學》雜志刊登了一項由韓國漢陽大學教授宣良國率領的研究小組取得的研究成果[16]，該小組開發(fā)出續(xù)航時間是現(xiàn)有電動汽車電池5倍的新一代電動汽車用高性能鋰空氣電池系統(tǒng)，電池充電一次續(xù)駛里程可達820 km，且電池價格低、質量輕，有望在5年后實現(xiàn)商業(yè)化，這無疑為電動汽車發(fā)展提供了又一有利的條件。

4 電機控制及能量回收系統(tǒng)

4.1 電機控制器

隨著電力電子技術進步，各種微處理器功能日趨強大，電機控制器不斷數(shù)字化、智能化。電動汽車的變速和方向變換是靠電機調速系統(tǒng)來完成的，目前電機調速一般采用電力晶體管（MOSFET、IGBT、BTR、GTO等）的斬波調速裝置來完成[17]，交流異步電機、永磁同步電機及無刷直流電機等的換向只需改變磁場三相電流導通順序即可完成，省去了傳統(tǒng)電機換向時采用的接觸器，大大簡化了控制電路，提高系統(tǒng)的可靠性。電機的控制方式主要有變頻調速控制、矢量控制、直接轉矩控制等。在此基礎之上，為了優(yōu)化電機性能，采用了模糊控制、神經網絡、自適應控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法、分數(shù)階及滑模變結構等智能控制方法[18～21]，使系統(tǒng)魯棒性、動態(tài)響應能力得到提高，轉矩脈動得到抑制，系統(tǒng)綜合性能得到改善。交流感應電機和永磁同步電機的控制方式基本相同，表4為幾種電機控制方式的優(yōu)缺點的比較。

表4 幾種電機控制方式的優(yōu)缺點比較Table 4 Advantages and disadvantages comparison of several methods for motor control

4.2 能量回收系統(tǒng)

能量回收系統(tǒng)對剎車、下坡及怠速等運行工況時的能量進行回收，不僅可以節(jié)約資源、提高電動汽車續(xù)駛里程，而且可以保護汽車剎車片，提高行車安全性。西安交通大學在電動汽車能量回收方面進行了深入的研究[22，23]，率先將H∞魯棒控制應用于電動汽車能量回收技術當中，顯著提高了電動汽車一次性充電的續(xù)駛里程，并擁有自主知識產權的能量回收型電動車控制器，該控制器被評為科技部、商務部、質檢總局和環(huán)?？偩?005年國家重點新產品。

5 電動汽車發(fā)展存在的問題及其發(fā)展趨勢

5.1 電動汽車發(fā)展存在的主要問題

目前，國內外眾多高校、研究所及各大汽車廠商都對電動汽車展開了多方面的研究，取得了不少成果，也有不少電動汽車上市，如通用沃藍達、日產聆風、三菱i MiEV、比亞迪E6等。然而電動汽車卻遲遲未能大規(guī)模進入市場，或面臨諸如通用沃藍達半價出售、日產聆風電池老化過快導致銷量下滑之類的問題。究其原因，制約電動汽車使用的主要因素有整車續(xù)駛里程短、動力電池循環(huán)壽命及安全性低、價格高等，我國電動汽車用電機、電池技術不成熟，部分部件、材料仍需進口，控制器基礎硬件、芯片等也依賴進口。目前，國內外的研究重點是電池技術，通用汽車投入大量資金研究電池及電池評估體系，作為電動汽車的關鍵技術之一，電池技術一直是電動汽車發(fā)展的瓶頸，電池的容量、體積、輕重、壽命長短、價格高低等直接關系到電動汽車的續(xù)駛里程、價格、安全可靠性等各方面因素。解決電池問題，對于電動汽車的普及意義重大。

5.2 對電動汽車發(fā)展趨勢的一些思考

在“十二五”國家科技部“863”計劃電動汽車關鍵技術與系統(tǒng)集成重大項目的推動下，混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車關鍵技術將逐一攻破，并向產業(yè)化過渡。

1）在整車技術方面，根據(jù)我國公共交通及私人汽車市場的特色，已經建立了具有自主知識產權的混合動力、純電動、燃料電池、動力系統(tǒng)技術平臺，并掌握了整車集成技術，很多企業(yè)已經開發(fā)出系列化的規(guī)模應用的產品，并且已經登陸了我國的汽車目錄[24]。在接下來的發(fā)展中，通過改善汽車結構、減輕電池質量、優(yōu)化汽車使用材料及改進整車集成技術等措施，使電動汽車整車達到“輕靈”的目標。

2）電機控制是電動汽車控制中的關鍵，在完善電機控制技術之后，系統(tǒng)集成技術成為電動汽車關鍵技術中的重點，即設計整車控制器，建立各控制模塊之間的聯(lián)系，針對各模塊的特點和要求，從整車系統(tǒng)方面來優(yōu)化控制結果，并對結果進行顯示和監(jiān)控，最終達到優(yōu)化電動汽車性能，提高汽車舒適性、操作性和安全性等的目的。如當電池電量不足20%時，將電機的輸出功率降低，這樣建立電池與電機之間的聯(lián)系，從而達到保護電池的目的。

3）混合動力汽車價格高、仍需使用汽油，且國內技術尚未成熟。其發(fā)展方向是充電式（plug-in hybrid）混合動力汽車，特別是利用夜間電力充電的混合動力汽車。據(jù)報告，到2017年全球插電式電動汽車的銷量將達到100萬輛，2020年將達到170萬輛，美國在2011—2015年之間預計可賣出41萬輛插電式電動汽車，到2018年的累計銷量有望達到100萬輛。純電動汽車技術已趨于成熟，國家在“十二五”“863”計劃中也加大了對它的投入，隨著電池技術的改進，相信在近年來純電動汽車將大有發(fā)展。國家對燃料電池電動汽車依然給予大力支持，但要實現(xiàn)真正的產業(yè)化仍然有待其價格的降低和關鍵技術的突破。

4）隨著電動汽車產業(yè)的發(fā)展，電動汽車用電池需求量增大，電池生產和廢舊電池回收處理過程中的污染問題不容忽視，完善電池回收體系，解決重金屬、電解質溶液污染迫在眉睫，要邊發(fā)展邊治理，讓電動汽車成為真正無污染的交通工具。

6 結語

本文通過對電動汽車關鍵技術發(fā)展情況及電動汽車技術發(fā)展趨勢進行綜述，得到如下結論。

1）目前電動汽車用驅動電機主要使用交流感應電機和永磁電機，而永磁電機的使用則由于價格高及易退磁而受到了限制，但它所具有的獨特優(yōu)勢，使我們在這方面還有進一步探索的可能性。隨著我國電動汽車產業(yè)的發(fā)展，迫切需要我國擁有獨立自主研發(fā)的性能良好的電動汽車用驅動電機。

2）電池技術一直是制約電動汽車發(fā)展的關鍵因素，是電動汽車發(fā)展中存在的最大問題，電池性能的提高、壽命的延長、成本的降低及電池管理系統(tǒng)的日趨成熟對電動汽車的普及至關重要。此外，完善電池的生產管理環(huán)節(jié)和回收體系，解決電池污染問題，對于電動汽車實現(xiàn)真正的無污染意義重大。

3）電機驅動控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展對電動汽車用電機運行性能的優(yōu)化起到非常重要的作用，甚至對提高整車的操作性、舒適性、安全性都有作用。能量回收系統(tǒng)對于節(jié)約能源、提高電動汽車續(xù)駛里程有著非常重要的意義。

4）在政府政策的鼓勵下，各種電動汽車爭相怒放。在近幾年，尤其是純電動汽車將逐漸完善其性能，實現(xiàn)產業(yè)化，在汽車行業(yè)中占得一席之地。我們將迎來“零污染”的清潔電動汽車新時代。

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