论文部分内容阅读
【摘 要】当下传统燃油汽车的保有量日趋增加，国内外相继出现了能源短缺的情况，发展新能源汽车成为各国汽车制造企业的重中之重。纯电动汽车是新能源汽车的一员，与燃油汽车对比，它具有节能、环保的优点，有利于缓解能源稀缺、减轻大气污染。而诸如电池核心技术、电机及电机控制、能量管理方法等关键技术的研究会是纯电动汽车发展所面对的一系列问题。充电基站的建立以及量产使用也是未来电动汽车发展的核心部分。
【关键词】能源短缺;纯电动汽车;关键技术;产业化
1 纯电动汽车的发展现状与趋势
1.1纯电动汽车发展现状
从全球主要汽车生产厂家的销量和发展计划来看，目前“低排放”汽车（主要指混合动力汽车）经过长时间的发展，技术最为成熟，已进入快速增长期，其销量、增幅和占比都远远高于其他车型;随着动力电池性能的提升及充电基础设施建设的完善，“零排放”汽车（主要指纯电动汽车）也逐渐走上产业化的道路，特别是小型纯电动汽车更是发展迅速;燃料电池汽车在技术和经济方面仍存在诸多瓶颈，其大规模推广还存在相当的距离。目前的中国新能源汽车市场中，纯电动车型的产销增长是新能源汽车的主要驱动力。2018年国内纯电动汽车的销量占新能源汽车市场整体销量的近八成。当下国产电动汽车代表主要有北汽、比亚迪、蔚来等知名品牌，全球纯电动汽车代表主要有特斯拉、WEY、宝马等汽车品牌。
1.2 纯电动汽车的发展趋势
纯电动汽车的发展过程中存在着诸多挑战，总的来说可以归纳为五点：电动汽车产能整体过剩;核心关键技术突破困难;充电基础设施配套欠缺;电动汽车质量安全存忧;废旧动力电池回收利用难。这五点问题的存在，使得纯电动汽车的发展趋势偏向于解决这五大难题。整车的发展方向是轻量化、舒适化、智能化;电池的发展方向是规模化、智能化、回收利用高效化;电机的发展方向是提升永磁电机效率和电机控制器功率密度;电控的发展方向是 IGBT产业加速扩张;配套的发展方向是充换电模式多样化。
2 纯电动汽车的特点
纯电动汽车相较于传统燃油汽车有着诸多的优点。首先，纯电动汽车以电能作为能量源，可以实现“零排放”，不存在尾气污染;其次，纯电动汽车使用电机驱动，运行噪音小，汽车行驶平稳性更好;再者，纯电动汽车的能量利用效率高于传统内燃机;除此之外，纯电动汽车使用单一的电能源，因此舍弃了传统燃油汽车上的发动机、变速箱和油箱等构件，使得纯电动汽车的结构更为简单，汽车内部空间利用率更高。
虽然纯电动汽车有着诸多优于传统燃油汽车的优点，但是纯电动汽车的核心技术仍不成熟，续驶里程较短、电池使用寿命不长是纯电动汽车当下最需要克服的问题。
3 纯电动汽车的关键技术
纯电动汽车的关键核心技术有三个：一是动力电池，二是电机，三是控制系统。其中，动力电池最为关键，其性能指标和经济成本决定了电动汽车的商业化进程。
3.1 核心技术之电机
电动汽车采用动力电池作为车载能源，大多数驱动系统都采用了能量回馈技术，即在汽车制动时，通过控制器将车轮损耗的动能反馈到电池中，并使电机处于发电状态，将发出的电输送到电池中。相比技术受制的电池而言，电动机的发展趋势更为明朗一些。从现已成熟的电动机技术来看，开关磁阻电动机在各个技术特性方面似乎更符合电动车的使用需要，但尚未得到普及;永磁同步电动机已经开始装配在一些量产车上，例如腾势、宝马i3，应用较广泛的是异步电动机。此外，如果按电流类型划分还可分为直流电动机和交流电动机两种。
3.2 核心技术之电池
电池的分类从广义上讲主要可分为化学电池、物理电池和生物电池三大类，其中化学电池和物理电池已经应用于量产电动汽车中，而生物电池则被视为未来电动车电池的重要发展方向之一。化学电池是目前电动汽车领域应用最为广泛的电池种类，如铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池、燃料电池等都属于这一范畴。
铅酸蓄电池自1859年由普兰特发明以来，至今已有150多年的历史，技术十分成熟，是全球上使用最广泛的化学电源。其具有大电流放电性能强、电压特性平稳、温度适用范围广、单体电池容量大、安全性高和原材料丰富且可再生利用、价格低廉等优点，但它体积大和重量沉的缺点一直无法获得有效的改善。
镍氢电池是由氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池比碳锌电池或碱性电池有更大的输出电流，相对更适用于高耗电产品。同时镍氢电池较不明显的记忆效应、循环寿命长。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差，同时镍氢电池的耐高温性能差。
在应用于电动汽车的商业电池中，锂离子电池占有最大的份额，虽然其从1970年诞生至今时间并不算长，但凭借能量密度高、循环使用寿命长等特点迅速占据了电动汽车电池市场的绝大部分江山。如今，在售电动汽车配备的锂电池主要有磷酸铁锂电池及三元锂电池两种。磷酸铁锂电池在能量密度约为100-110Wh/kg，其热稳定性是目前车用锂电池中最好的;三元锂电池在能量密度上要高出许多，约为200Wh/kg。
化学电池种类繁多，除了上述几种电池之外，还有使用寿命有着“终极蓄电池”之称的空气电池、作为锂电池的后起之秀的钠硫电池等等。
物理电池是依靠物理变化来提供、储存电能的电池统称，如超级电容、飞轮电池等都属于物理电池的家族成员。超级电容器不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源。其功率密度高、充放电时间短、循环寿命长，可以反复充放电数十万次、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。
3.3 核心技术之控制系统
纯电动汽车控制系统主要由三大控制器组成，分别是整车控制器（Vehicle Control Unit）、电机控制器（Motor Control Unit）、电池管理系统（Battery Management System）。整车控制器VCU是实现整车控制决策的核心控制单元，对电动汽车的动力性、经济性、安全性及舒适性有很大影响。电机控制器MCU 是控制主牵引电源与电机之间能量传输的装置。电池管理系统BMS是衔接电池组、整车控制器和驱动电机控制器的重要纽带，是动力电池组的核心技术，也是整车企业最为关注的核心技术。
4 结论与展望
随着居民消费层次多元化发展和环保约束的升级，电动汽车市场需求进一步增加，市场整体规模将继续扩大，有望超过传统燃油车成为市场主流。现阶段电动汽车发展逐渐由政策引导转为市场牵引，上游材料成本的增加及下游补贴减少的双重夹击，造成电动汽车行业新一轮洗牌，产业增速趋缓，将逐渐回归到理性的市场定位。未来，电动汽车的发展趋势主要聚焦于整车一体化开发、核心零部件和关键技术的提升以及下游基础设备的配套发展。
参考文献：
[1] 纯电动汽车关键技术[J] .变频器世界，2018（06）：43-46.
[2] 陈全世，朱家瑛，田光宇.先进电动汽车技术[M].化学工业出版社，2009（03）：87-88.
[3] 窦汝振，李磊，宋建锋.电动汽车用驱动电机系统的现状及发展趨势[J].变频器世界，2007（02）：73-74+83.
[4]夏长亮，方红伟.永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术学报，2012，27（3）：25-34.
[5]张文静.电动汽车动力电池探究[J] .南方农机，2018，49（22）：95-96.
[6]张伟.电动汽车电池的现状及发展趋势分析[J].南方农机2019，50（06）：130.
[7]江鹏飞.电动汽车核心控制器发展现状及趋势分析[J].山东工业技术，2019（12）：8.
[8]王丽琴，孔博.浅谈纯电动汽车驱动电机及控制系统[J].山东工业技术，2019（08）：49.
[9]蔡元兵.电动汽车电池管理系统简介[J] .汽车维修，2018（11）：46～48.
[10]周楚昊.电动汽车的电池管理系统综述[J].通讯世界，2019，26（01）：155-156.
【关键词】能源短缺;纯电动汽车;关键技术;产业化
1 纯电动汽车的发展现状与趋势
1.1纯电动汽车发展现状
从全球主要汽车生产厂家的销量和发展计划来看，目前“低排放”汽车（主要指混合动力汽车）经过长时间的发展，技术最为成熟，已进入快速增长期，其销量、增幅和占比都远远高于其他车型;随着动力电池性能的提升及充电基础设施建设的完善，“零排放”汽车（主要指纯电动汽车）也逐渐走上产业化的道路，特别是小型纯电动汽车更是发展迅速;燃料电池汽车在技术和经济方面仍存在诸多瓶颈，其大规模推广还存在相当的距离。目前的中国新能源汽车市场中，纯电动车型的产销增长是新能源汽车的主要驱动力。2018年国内纯电动汽车的销量占新能源汽车市场整体销量的近八成。当下国产电动汽车代表主要有北汽、比亚迪、蔚来等知名品牌，全球纯电动汽车代表主要有特斯拉、WEY、宝马等汽车品牌。
1.2 纯电动汽车的发展趋势
纯电动汽车的发展过程中存在着诸多挑战，总的来说可以归纳为五点：电动汽车产能整体过剩;核心关键技术突破困难;充电基础设施配套欠缺;电动汽车质量安全存忧;废旧动力电池回收利用难。这五点问题的存在，使得纯电动汽车的发展趋势偏向于解决这五大难题。整车的发展方向是轻量化、舒适化、智能化;电池的发展方向是规模化、智能化、回收利用高效化;电机的发展方向是提升永磁电机效率和电机控制器功率密度;电控的发展方向是 IGBT产业加速扩张;配套的发展方向是充换电模式多样化。
2 纯电动汽车的特点
纯电动汽车相较于传统燃油汽车有着诸多的优点。首先，纯电动汽车以电能作为能量源，可以实现“零排放”，不存在尾气污染;其次，纯电动汽车使用电机驱动，运行噪音小，汽车行驶平稳性更好;再者，纯电动汽车的能量利用效率高于传统内燃机;除此之外，纯电动汽车使用单一的电能源，因此舍弃了传统燃油汽车上的发动机、变速箱和油箱等构件，使得纯电动汽车的结构更为简单，汽车内部空间利用率更高。
虽然纯电动汽车有着诸多优于传统燃油汽车的优点，但是纯电动汽车的核心技术仍不成熟，续驶里程较短、电池使用寿命不长是纯电动汽车当下最需要克服的问题。
3 纯电动汽车的关键技术
纯电动汽车的关键核心技术有三个：一是动力电池，二是电机，三是控制系统。其中，动力电池最为关键，其性能指标和经济成本决定了电动汽车的商业化进程。
3.1 核心技术之电机
电动汽车采用动力电池作为车载能源，大多数驱动系统都采用了能量回馈技术，即在汽车制动时，通过控制器将车轮损耗的动能反馈到电池中，并使电机处于发电状态，将发出的电输送到电池中。相比技术受制的电池而言，电动机的发展趋势更为明朗一些。从现已成熟的电动机技术来看，开关磁阻电动机在各个技术特性方面似乎更符合电动车的使用需要，但尚未得到普及;永磁同步电动机已经开始装配在一些量产车上，例如腾势、宝马i3，应用较广泛的是异步电动机。此外，如果按电流类型划分还可分为直流电动机和交流电动机两种。
3.2 核心技术之电池
电池的分类从广义上讲主要可分为化学电池、物理电池和生物电池三大类，其中化学电池和物理电池已经应用于量产电动汽车中，而生物电池则被视为未来电动车电池的重要发展方向之一。化学电池是目前电动汽车领域应用最为广泛的电池种类，如铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池、燃料电池等都属于这一范畴。
铅酸蓄电池自1859年由普兰特发明以来，至今已有150多年的历史，技术十分成熟，是全球上使用最广泛的化学电源。其具有大电流放电性能强、电压特性平稳、温度适用范围广、单体电池容量大、安全性高和原材料丰富且可再生利用、价格低廉等优点，但它体积大和重量沉的缺点一直无法获得有效的改善。
镍氢电池是由氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池比碳锌电池或碱性电池有更大的输出电流，相对更适用于高耗电产品。同时镍氢电池较不明显的记忆效应、循环寿命长。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差，同时镍氢电池的耐高温性能差。
在应用于电动汽车的商业电池中，锂离子电池占有最大的份额，虽然其从1970年诞生至今时间并不算长，但凭借能量密度高、循环使用寿命长等特点迅速占据了电动汽车电池市场的绝大部分江山。如今，在售电动汽车配备的锂电池主要有磷酸铁锂电池及三元锂电池两种。磷酸铁锂电池在能量密度约为100-110Wh/kg，其热稳定性是目前车用锂电池中最好的;三元锂电池在能量密度上要高出许多，约为200Wh/kg。
化学电池种类繁多，除了上述几种电池之外，还有使用寿命有着“终极蓄电池”之称的空气电池、作为锂电池的后起之秀的钠硫电池等等。
物理电池是依靠物理变化来提供、储存电能的电池统称，如超级电容、飞轮电池等都属于物理电池的家族成员。超级电容器不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源。其功率密度高、充放电时间短、循环寿命长，可以反复充放电数十万次、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。
3.3 核心技术之控制系统
纯电动汽车控制系统主要由三大控制器组成，分别是整车控制器（Vehicle Control Unit）、电机控制器（Motor Control Unit）、电池管理系统（Battery Management System）。整车控制器VCU是实现整车控制决策的核心控制单元，对电动汽车的动力性、经济性、安全性及舒适性有很大影响。电机控制器MCU 是控制主牵引电源与电机之间能量传输的装置。电池管理系统BMS是衔接电池组、整车控制器和驱动电机控制器的重要纽带，是动力电池组的核心技术，也是整车企业最为关注的核心技术。
4 结论与展望
随着居民消费层次多元化发展和环保约束的升级，电动汽车市场需求进一步增加，市场整体规模将继续扩大，有望超过传统燃油车成为市场主流。现阶段电动汽车发展逐渐由政策引导转为市场牵引，上游材料成本的增加及下游补贴减少的双重夹击，造成电动汽车行业新一轮洗牌，产业增速趋缓，将逐渐回归到理性的市场定位。未来，电动汽车的发展趋势主要聚焦于整车一体化开发、核心零部件和关键技术的提升以及下游基础设备的配套发展。
参考文献：
[1] 纯电动汽车关键技术[J] .变频器世界，2018（06）：43-46.
[2] 陈全世，朱家瑛，田光宇.先进电动汽车技术[M].化学工业出版社，2009（03）：87-88.
[3] 窦汝振，李磊，宋建锋.电动汽车用驱动电机系统的现状及发展趨势[J].变频器世界，2007（02）：73-74+83.
[4]夏长亮，方红伟.永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术学报，2012，27（3）：25-34.
[5]张文静.电动汽车动力电池探究[J] .南方农机，2018，49（22）：95-96.
[6]张伟.电动汽车电池的现状及发展趋势分析[J].南方农机2019，50（06）：130.
[7]江鹏飞.电动汽车核心控制器发展现状及趋势分析[J].山东工业技术，2019（12）：8.
[8]王丽琴，孔博.浅谈纯电动汽车驱动电机及控制系统[J].山东工业技术，2019（08）：49.
[9]蔡元兵.电动汽车电池管理系统简介[J] .汽车维修，2018（11）：46～48.
[10]周楚昊.电动汽车的电池管理系统综述[J].通讯世界，2019，26（01）：155-156.