文亦驍，宋春華

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川成都 610039)

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電動(dòng)汽車發(fā)展研究綜述

文亦驍，宋春華

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川成都 610039)

發(fā)展電動(dòng)汽車可以減少尾氣排放，降低環(huán)境污染，擺脫對(duì)石油資源的依賴。介紹電動(dòng)汽車的分類以及適用范圍，并提出電動(dòng)汽車發(fā)展的核心問題：動(dòng)力電池、能量回收、配套設(shè)施及相關(guān)政策。從核心問題出發(fā)總結(jié)了國內(nèi)外電動(dòng)汽車的發(fā)展?fàn)顩r，探討了目前制約電動(dòng)汽車發(fā)展的因素，并展望了未來電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)。

電動(dòng)汽車；發(fā)展現(xiàn)狀；動(dòng)力電池；能量回收

0　引言

隨著世界能源危機(jī)和環(huán)保問題日益突出，傳統(tǒng)汽車工業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面，石油資源日趨減少，而汽車的保有量卻在節(jié)節(jié)攀升；另一方面，汽車排放的大量尾氣加劇了環(huán)境污染，城市大氣中CO的82%、NOx的48%、HC的58%和微粒的8%都來自汽車尾氣。而積極發(fā)展電動(dòng)汽車可以有效緩解這些問題，它在城市交通中可實(shí)現(xiàn)極低排放甚至是零排放。

1　電動(dòng)汽車概述

電動(dòng)汽車是全部或部分由電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的汽車，按目前技術(shù)和車輛驅(qū)動(dòng)原理的不同，一般將電動(dòng)汽車劃分為純電動(dòng)汽車(BatteryElectricVehicle,BEV)、混合動(dòng)力汽車(HybridElectricVehicle,HEV)和燃料電池汽車(FuelCellVehicle,FCV)3種類型。

純電動(dòng)汽車是指完全由可充電電池(鉛酸電池、鎳鉻電池、鋰離子電池等)提供動(dòng)力源的汽車，不需要離合器以及變速器，車速由控制器通過調(diào)速系統(tǒng)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)[1]。優(yōu)點(diǎn)：無尾氣排放，無污染；電動(dòng)機(jī)發(fā)展成熟；能源供給形式多樣。缺點(diǎn)：續(xù)航里程短；動(dòng)力電池成本太高；充電時(shí)間長。

混合動(dòng)力汽車是指采用常規(guī)燃料，同時(shí)配備蓄電池和電動(dòng)機(jī)來改善其動(dòng)力和排放的車型。可主動(dòng)進(jìn)行能量回收，將制動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆?chǔ)存在電池中。按照動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又可分為串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(SHEV)、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(PHEV)以及混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(CHEV)。優(yōu)點(diǎn)：無續(xù)航不足問題；相比傳統(tǒng)汽車更加環(huán)保節(jié)能；不用充電。缺點(diǎn)：仍有尾氣排放；結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

燃料電池汽車是指以氫氣、甲醇等為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會(huì)產(chǎn)生有害物，不會(huì)污染環(huán)境，不需要消耗能源。盡管起步較晚、技術(shù)不成熟，但仍然是未來電動(dòng)汽車發(fā)展的潛力方向。優(yōu)點(diǎn)：氫燃料來源廣泛；基本無環(huán)境污染；燃油效率高。缺點(diǎn)：技術(shù)不成熟；成本高；氫能源不便儲(chǔ)存。

隨著資源與環(huán)境雙重壓力的持續(xù)增大，發(fā)展電動(dòng)汽車已成為未來汽車工業(yè)發(fā)展方向。

2　發(fā)展現(xiàn)狀

電動(dòng)汽車處于不同的發(fā)展階段，其實(shí)際使用也各不相同。僅就現(xiàn)階段而言，純電動(dòng)汽車由于續(xù)航里程較短，速度較慢，適合短距離使用；混合動(dòng)力汽車可以滿足日常使用，但是成本較高、不夠環(huán)保；燃料電池汽車由于氫的運(yùn)輸儲(chǔ)存和成本高的問題尚未解決，大批量進(jìn)入市場(chǎng)還尚需時(shí)日，在我國仍然處于研發(fā)階段，目前只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家商業(yè)化生產(chǎn)[2-4]。而動(dòng)力電池、能量回收系統(tǒng)、配套設(shè)施以及政府的扶持政策是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵，標(biāo)志著電動(dòng)汽車的發(fā)展水平。

2.1動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀

在純電動(dòng)汽車蓄電池方面，開始廣泛使用的是鉛酸電池[5]，但是其比能量低，只適合短途、輕度混合動(dòng)力汽車使用。但是其安全性高、成本低這些優(yōu)點(diǎn)決定了其可開發(fā)性。目前被廣泛采用的是磷酸鐵鋰離子電池[6]、氫鎳電池、鐵電池、超級(jí)電容，其質(zhì)量輕，比能量、比功率和壽命都高于鉛酸電池，并且提高了汽車的續(xù)駛里程，已成為動(dòng)力電池的主要發(fā)展方向。

目前，大多數(shù)純電動(dòng)汽車快速充電30min可充滿80%，家庭用電5～8h可充滿。但是其成本高，成為制約其普及的主要因素。日本是鋰離子電池研發(fā)的領(lǐng)頭羊，最近研發(fā)的車用鋰離子電池可以儲(chǔ)存相當(dāng)于過去3倍的電量，可提供續(xù)航里程600km，將在2015年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。同時(shí)，美、日等國也在積極研發(fā)鎳氫電池，但鎳氫電池的比能量值較低且儲(chǔ)氫難，一般應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車作為輔助動(dòng)力。美國在燃料電池汽車技術(shù)領(lǐng)域取得很大進(jìn)展，其功率密度、燃料電池汽車能量轉(zhuǎn)換效率、可靠性和耐久性都獲得極大提高，系統(tǒng)成本也大幅下降。但由于氫燃料難以儲(chǔ)存，不便運(yùn)輸，燃料電池汽車的普及尚需時(shí)日。

2.2制動(dòng)能量回收系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)是指將車輛在制動(dòng)過程中的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他能量回收利用，以提高車輛的行駛里程[7]。超級(jí)電容是一種無源器件，具有電容快速充放電特性，同時(shí)也有電池的儲(chǔ)能特性，可以作為蓄電池的輔助電源，甚至作為其替代品。加上超級(jí)電容免維護(hù)、壽命長、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，故被應(yīng)用于該系統(tǒng)，回收在汽車下坡怠速、剎車時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能以及制動(dòng)能轉(zhuǎn)化的電能[8-9]，從而在汽車啟動(dòng)或者是爬坡時(shí)提供大功率電流。超級(jí)電容的使用，在減輕車身質(zhì)量的同時(shí)，也降低了成本。

研究表明：在城市工況下，汽車頻繁起步與制動(dòng)，其中，制動(dòng)消耗的能量占了總驅(qū)動(dòng)能量的50%[10]左右。制動(dòng)能量回收問題對(duì)于電動(dòng)汽車尤為重要，對(duì)于增加其行駛里程具有重要意義。目前國外研究已表明：采用制動(dòng)能量回收技術(shù)后，電動(dòng)汽車的行駛里程可以增加10%～30%[11]。

電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)由超級(jí)電容、蓄電池、再生制動(dòng)控制器、電機(jī)及其控制器組成。其工作原理如圖1所示，在正常工況下，蓄電池為電機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，此時(shí)電機(jī)以電動(dòng)機(jī)的形式工作；在制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)控制器接收到制動(dòng)信號(hào)，控制雙向DC/DC變換器[12-13]，將電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能以最大效率存儲(chǔ)在超級(jí)電容里，此時(shí)電機(jī)以發(fā)電機(jī)的形式工作；在車輛起步或是爬坡時(shí)，再生制動(dòng)控制器接收電機(jī)控制器里的加速信號(hào)，控制DC/DC轉(zhuǎn)變器對(duì)超級(jí)電容中的能量升壓從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。目前國內(nèi)外對(duì)于制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究還處在初級(jí)階段。

2.3配套設(shè)施建設(shè)

電動(dòng)汽車特別是純電動(dòng)汽車必須依靠充電才能正常工作，雖然家庭充電也能滿足日常需要，但是充電時(shí)間太長，因此，充電站或者是小型充電樁的建設(shè)，是電動(dòng)汽車能否普及的關(guān)鍵。

在日本，隨著市場(chǎng)對(duì)充電設(shè)施需求日益提高，現(xiàn)有的4 700多座充電站已經(jīng)不能滿足需要。2013年，豐田、日產(chǎn)、本田和三菱四家車企簽署協(xié)議[14]，共同宣布將聯(lián)合在日本擴(kuò)建電動(dòng)車充電網(wǎng)絡(luò)，未來將興建1.2萬座充電站，為更多電動(dòng)車用戶提供便利。

在美國，這一數(shù)字更為龐大。根據(jù)美國能源部公布的數(shù)字，截至2013年，美國向電動(dòng)汽車車主開放的充電站數(shù)量達(dá)到了5 678個(gè)，僅僅在2013年一季度就增加了約9%。根據(jù)歐盟委員會(huì)的數(shù)據(jù)，2011年德國已經(jīng)建立了1937家充電站。到2020年，德國將建立15萬家充電站，并且其電動(dòng)插頭符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)。由于在超市停車場(chǎng)、高速公路休息站或者是加油站建立充電站不僅能節(jié)約成本，還能提高利用率，美國、日本以及德國很多充電站都建在了這些地方。

在我國，由于電動(dòng)汽車普及度不及發(fā)達(dá)國家，因此其配套設(shè)施建設(shè)也僅僅處于起步階段，全國40多個(gè)城市都已經(jīng)擁有自己的充電站。2014年6月北京發(fā)布《北京市電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用行動(dòng)計(jì)劃(2014—2017年)》，將加快公共場(chǎng)所快速充電樁建設(shè)，到2017年全市將有10 000個(gè)快速充電樁亮相公共停車場(chǎng)等場(chǎng)所。

2.4相關(guān)政策

任何新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開政府的政策扶持。從電動(dòng)汽車進(jìn)入市場(chǎng)以來，各國政府皆出臺(tái)了很多政策來推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展。在電動(dòng)汽車研制階段，政府實(shí)施相應(yīng)免稅政策并投入大量資金用于研發(fā)；在銷售階段，政府出臺(tái)了相應(yīng)的補(bǔ)貼政策以及其他惠民政策鼓勵(lì)消費(fèi)者購買；在配套設(shè)施建設(shè)方面，政府聯(lián)合相關(guān)部門建立充電設(shè)施，并做好長遠(yuǎn)規(guī)劃。

我國電動(dòng)汽車雖然起步晚，但是國家對(duì)電動(dòng)汽車極其重視：“九五”期間，電動(dòng)汽車列入國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程；2001年，被列入國家“十五”期間的“863”重大科技課題，并規(guī)劃了以汽油車為起點(diǎn)、向氫動(dòng)力車目標(biāo)挺進(jìn)的戰(zhàn)略；“十一五”期間，“863”計(jì)劃中又啟動(dòng)了“節(jié)能與電動(dòng)汽車”重大項(xiàng)目，繼續(xù)支持節(jié)能與電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。我國計(jì)劃累計(jì)投入近20億元，確立了以純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車3種整車技術(shù)為“三縱”，多能源動(dòng)力總成系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池3種要害技術(shù)為“三橫”的“三縱三橫”的研發(fā)布局。

我國在研發(fā)階段，除了政府資助以外，汽車廠商還聯(lián)合各大院校、科研機(jī)構(gòu)共同研發(fā)，2014年的863計(jì)劃“電動(dòng)汽車整車及零部件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究”就是由多家廠商、高校及科研院所共同完成[15-18]。在銷售推廣階段，政府出臺(tái)了《新能源汽車生產(chǎn)準(zhǔn)入管理規(guī)則》、《關(guān)于開展節(jié)能與新能源汽車示范推廣試點(diǎn)的通知》、《節(jié)能與新能源汽車示范推廣財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》等一系列文件，并于2014年8月起頒布對(duì)符合條件的新能源汽車免征車輛購置稅這一重要決策。

2.5總結(jié)

從國內(nèi)外電動(dòng)汽車發(fā)展歷程來看，純電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，目前已經(jīng)進(jìn)入快速增長期，開始大規(guī)模生產(chǎn)，具有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。插電式和增程式混合動(dòng)力汽車尤為受到重視。

受傳統(tǒng)汽車關(guān)鍵技術(shù)影響，國內(nèi)插電式混合動(dòng)力汽車產(chǎn)品與國外相比尚存在較大差距；純電動(dòng)汽車技術(shù)水平與國外接近，但部分核心技術(shù)仍有待提高；高性能純電動(dòng)汽車產(chǎn)品在可靠性和工程化能力上仍落后于國外先進(jìn)產(chǎn)品；燃料電池汽車技術(shù)與國外差距不大，核心技術(shù)近年進(jìn)展較為緩慢，尚未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。隨著動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展，純電動(dòng)汽車也將走上產(chǎn)業(yè)化的道路，其發(fā)展瓶頸在于動(dòng)力電池性能與充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。只有解決了動(dòng)力電池的續(xù)航問題，電動(dòng)汽車才能真正普及。

3　存在的問題

3.1動(dòng)力電池儲(chǔ)能問題

電動(dòng)汽車面臨的最大問題就是動(dòng)力電池的電容量有限。目前市面上使用的電動(dòng)汽車一次充電行駛里程一般為200～300km，在城市工況下甚至只有150km左右。每天一充成為車主最擔(dān)心的事。電池續(xù)航能力、循環(huán)使用次數(shù)以及電池的經(jīng)濟(jì)性是電動(dòng)汽車電池發(fā)展的關(guān)鍵。目前鋰離子電池技術(shù)雖已取得一系列可喜進(jìn)展，但在能量密度、使用壽命以及快充性能方面仍有待突破。找準(zhǔn)電池研究方向，突破動(dòng)力電池瓶頸，解決上述關(guān)鍵問題是未來各大電動(dòng)汽車廠商必須攻克的技術(shù)難關(guān)。為此，廠商應(yīng)與相關(guān)科研機(jī)構(gòu)及高等院校聯(lián)合，加上政府的政策支持，才能突破動(dòng)力電池瓶頸。

3.2基礎(chǔ)配套設(shè)施問題

電動(dòng)汽車配套設(shè)施尤其是充電站、充電樁的建設(shè)仍處于起步狀態(tài)。目前，電動(dòng)汽車推廣最大障礙是配套設(shè)施建設(shè)不完善。在我國，甚至還有相當(dāng)多的城市沒有充電站。這需要政府與企業(yè)甚至個(gè)人聯(lián)手共同建設(shè)，同時(shí)，相關(guān)配套零部件產(chǎn)業(yè)也必須形成產(chǎn)業(yè)鏈共同發(fā)展，電動(dòng)汽車才會(huì)有大規(guī)模推廣的可能。

3.3消費(fèi)者認(rèn)知度問題

中國作為發(fā)展中國家，燃油汽車尚未完全普及，消費(fèi)者如何接受動(dòng)輒十幾二十萬的電動(dòng)汽車？即使政府補(bǔ)貼也少有消費(fèi)者為之買單。這里以混合動(dòng)力車型豐田普銳斯為例，百公里油耗平均在5.5L左右，較普通家庭用車節(jié)油30%。按照普通家庭一年行駛2萬公里計(jì)算，普通汽車百公里油耗8L，年油費(fèi)12 000左右，普銳斯節(jié)省4 000元左右，根本無法抵消其購買成本。在推廣新能源汽車問題上，不能急于求成，新能源汽車不可能很快取代傳統(tǒng)汽車，兩者可能要共存幾十年。

提高人們對(duì)電動(dòng)汽車的認(rèn)知度，可以先從電動(dòng)汽車市場(chǎng)占有率著手。具體來說，可以從3個(gè)方面突破：(1)在公共交通新增車輛上做文章，比如電動(dòng)公交和出租車；(2)新增惠民政策，例如政府與電動(dòng)汽車廠商聯(lián)合“以舊換新”，以舊車換購新的電動(dòng)汽車，消費(fèi)者可以得到比單獨(dú)出售舊車更多的實(shí)惠，同時(shí)做好電動(dòng)汽車宣傳工作，聯(lián)合媒體以公益廣告的形式讓更多的人關(guān)注電動(dòng)汽車；(3)挖掘城市新的消費(fèi)群體，例如隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和城市空間的擴(kuò)展，產(chǎn)生了更多的城鎮(zhèn)居民和上班族，他們成為小型電動(dòng)汽車的潛在消費(fèi)群。

4　發(fā)展趨勢(shì)

4.1小型純電動(dòng)汽車

小型純電動(dòng)汽車降低了對(duì)行駛里程以及動(dòng)力性能的要求，充電時(shí)間短，車速不高，價(jià)格便宜。由于小型電動(dòng)車主要作用于真正的短途代步，它一次充電所達(dá)到的行駛里程完全滿足于多次的短途代步要求，再加上其車身體積小，非常適合城市使用。

4.2純電動(dòng)汽車

目前，在純電動(dòng)汽車受制于動(dòng)力電池的情況下，可以適當(dāng)采用混合動(dòng)力汽車充當(dāng)過渡產(chǎn)品。未來，當(dāng)動(dòng)力電池瓶頸得到突破，純電動(dòng)汽車必將取代混合動(dòng)力汽車。作為未來電動(dòng)汽車發(fā)展的主要方向，各國都在積極布局，以獲取未來發(fā)展的空間。例如，IBM正在研制的鋰空氣電池，電池儲(chǔ)存的能量使電動(dòng)汽車達(dá)到的里程與燃油汽車加滿一箱油所行駛的里程相當(dāng)。再加上超級(jí)電容的使用，純電動(dòng)汽車的續(xù)航將不再是問題。

4.3燃料電池汽車

燃料電池汽車無論是在使用成本上還是行駛里程上，都要明顯優(yōu)于其他電動(dòng)汽車，不僅燃料電池所用的燃料(甲醇、天然氣、氫氣)來源廣泛，而且它實(shí)現(xiàn)了無污染、零排放，所以燃料電池汽車已成為世界各大汽車公司21 世紀(jì)初激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。只要突破了其中的關(guān)鍵技術(shù)，燃料電池汽車必將走上新的歷史舞臺(tái)。

5　結(jié)束語

電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化將是未來汽車業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，電動(dòng)汽車的研制和推廣，其意義不僅僅在于對(duì)環(huán)境資源的保護(hù)，同時(shí)也是衡量一個(gè)國家發(fā)展的標(biāo)志。由于中國在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域不具備全球領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是在新能源領(lǐng)域，卻存在著巨大的機(jī)會(huì)。發(fā)展安全、環(huán)保的電動(dòng)汽車，已經(jīng)成為我國具有戰(zhàn)略意義的大事，必須抓住新機(jī)遇，集中科研力量，充分利用國外科研成果及經(jīng)驗(yàn)，提升我國傳統(tǒng)汽車技術(shù)及電動(dòng)汽車技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在汽車領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，使我國汽車業(yè)進(jìn)入全球領(lǐng)先行列。近年來，全球又面臨石油資源緊缺、大氣污染、溫室效應(yīng)

的挑戰(zhàn)，對(duì)社會(huì)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)重影響。發(fā)展節(jié)能、環(huán)保的電動(dòng)汽車已成為世界汽車工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的主要方向和汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

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ReviewonDevelopmentofElectricVehicle

WENYixiao,SONGChunhua

(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,XihuaUniversity,ChengduSichuan610039,China)

Developingelectricvehicle(EV)industrycanreducethepollutionoftheenvironment.Theclassificationandapplicationoftheelectricvehiclewereintroduced.Thecoreissuesinthedevelopmentofelectricvehicleswerepointedout.Theywerepowerbattery,energyrecovery,supportingfacilitiesandpolicies.Thegeneralsituationsofdevelopmentofelectricvehiclesathomeandabroadwereintroduced.Thefuturedevelopmenttrendofelectricvehiclewassummarizedandproposed.

Electricvehicle;Generalsituation;Powerbattery;Energyrecovery

2015-03-16

文亦驍(1990—)，男，在讀碩士,研究方向?yàn)榫軆x器及機(jī)械。E-mail:wenyixiao098@163.com。