范志丹

摘 要：汽車是能源消耗和污染物排放的主要來源，隨著我國汽車保有量的急劇增加，能源危機、環(huán)境污染以及溫室效應等問題日益嚴重。當前我國汽車排污控制水平僅相當于發(fā)達國家20世紀70年代中后期水平。汽車產(chǎn)生的大量污染物集中在城市道路中排放，這就對汽車行業(yè)提出了更高的節(jié)能減排要求，除了進一步對傳統(tǒng)汽車進行技術創(chuàng)新提高節(jié)能減排效果外，發(fā)展新能源汽車，尤其是電動汽車已成汽車行業(yè)變革的必然趨勢。本文從動力電池、電機及驅動技術、能量管理系統(tǒng)三個方面分析了電動汽車展中遇到的技術瓶頸及其解決辦法。

關鍵詞：電動汽車；電池技術；電力驅動

1 電動汽車發(fā)展的技術現(xiàn)狀

GB/T 19596-2004中規(guī)定，電動汽車是指由電動機驅動的汽車?？梢允褂糜绍囕d可充電蓄電池或其他能量儲存裝置來驅動電機，電動汽車屬于零排放汽車。

廣義上來講電動汽車有3種類型，即純電動汽車（BEV） 、混合動力電動汽車（HEV） 和燃料電池電動汽車（FCEV） 。在目前這個階段，以上三種類型正處在不同的發(fā)展階段，面臨著不同的困難和挑戰(zhàn)。純電動汽車在低速短距離的運輸方面有較大優(yōu)勢；而混合動力汽車的性能既能實現(xiàn)低油耗低排放，又滿足了用戶的需求；燃料電池電動汽車具有一定的市場潛力，可望在10～15 年以后實現(xiàn)實用化。

電動汽車作為新型的綠色汽車，它把先進的電子技術、汽車技術、計算機控制技術、能源及新材料技術應用于一體，是人類最理想的清潔交通工具，電動汽車與內燃機汽車的比較見表1所示。

表1 電動汽車與內燃機汽車的比較

項目 純電動汽車 燃料電池電動汽車 混合動力電動汽車 內燃機汽車

尾氣排放 無 無 少量 多

能量來源 廣 較窄 廣 窄

能量轉換率 高 高 適中 低

高效工況區(qū)范圍 寬 寬 適中 窄

能量回收 有 有 有 無

行駛里程 短 適中 較長 長

2 電動汽車發(fā)展的關鍵技術

以下從電動汽車研制和開發(fā)的關鍵技術： 電池技術、電力驅動及其控制技術及能源管理技術（BMS）方面作簡要分析。

2.1 電池技術面臨的最關鍵問題

動力電池是電動汽車的重要組成部件，電池技術的發(fā)展水平直接影響著電動汽車的推廣與應用。截止目前，動力電池的發(fā)展主要經(jīng)歷了鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池三個階段。其中鉛酸電池由于技術成熟、成本低，在旅游觀光車、電動叉車以及短距離公交車上應用廣泛；鎳氫電池在HEV車上應用較廣；而鋰離子電池由于其比能量高、循環(huán)壽命長、對環(huán)境友好等優(yōu)點，目前應用廣泛。

目前電池發(fā)展中遇到的瓶頸主要集中在安全性差、能量密度低、成本高等方面。未來發(fā)展趨勢是集中行業(yè)資源突破以上問題，為電動汽車提供安全可靠的動力電池，在與傳統(tǒng)汽車競爭中取得優(yōu)勢。表2為動力鋰離子電池技術瓶頸情況說明。

表2動力鋰離子電池技術瓶頸

技術瓶頸 目前狀態(tài) 解決方法/發(fā)展趨勢

安全性 磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料 開發(fā)安全可靠的新型正極材料、阻燃

安全性較好 電解液、耐高溫防短路隔膜

能量密度 100-150Wh/Kg 2020年達到250 Wh/Kg以上

成本 3-5元/Wh 1.5元/Wh以下

2.1.1 安全性差

目前，電池安全性差主要體現(xiàn)在車輛碰撞時，電池易出現(xiàn)燃燒，爆炸現(xiàn)象、其高壓電回路可能使乘員造成觸電危險、同時電池內部的有害物質或電解液泄漏會對乘坐人員造成傷害。世界各國也對電動汽車的安全性能制定了強制的標準要求。未來在電池設計過程中會通過計算機碰撞模擬來指導一些主要結構件的設計，一般是通過模擬可以獲得車身上各處的沖擊加速度值，再將這些值分解到電池箱體上，再對電池箱體結構進行優(yōu)化設計。另外就是建立電池碰撞安全技術設計流程及方法，即考慮電池在整車上布置位置要求、整車上對電池的碰撞防護措施、電池殼體對電池的碰撞防護、電池內部電連接防碰撞設計。

2.1.2 能量密度低

目前，多數(shù)電動汽車上使用鋰離子電池。它主要由正極材料、負極材料、電解液、隔膜、集流體等組成。這些關鍵組成材料直接影響著電池的性能。

現(xiàn)有鋰離子電池正極材料LiCoO2、LiNiMnCoO2、LiMn2O4、LiFePO4的理論容量都在200mAh/g以下。因此必須尋找超過200mAh/g的新材料，增加能量密度。正極材料主要有錳酸鋰、磷酸鐵鋰和鎳鈷錳酸鋰三元材料，三種材料各有優(yōu)缺點。目前，三元材料電池在理論比能量、實際比能量和能量密度方面較錳酸鋰、磷酸鐵鋰具有綜合優(yōu)勢，是未來較長時間車用動力電池的主流產(chǎn)品。從主要正極材料的性能指標及發(fā)展趨勢來看三元材料電池綜合性能最優(yōu)。

2.1.3 成本高

目前電池系統(tǒng)（包括電池單體、電池包、電池管理系統(tǒng)三部分）的成本是8～10萬人民幣。造成動力電池成本居高不下的原因主要是，國內車用動力電池生產(chǎn)企業(yè)眾多，但真正形成規(guī)模量產(chǎn)能力的企業(yè)少。國內電池廠關鍵工藝設備依賴從日韓進口，關鍵工序基本采用自動化生產(chǎn)，但均未實現(xiàn)自動化連線。此外，電芯封裝形式多樣，設備工裝和產(chǎn)品通用性差使得電池成本較高。另外，中國動力電池企業(yè)多分布在長三角、珠三角和天津等地。其中，綜合實力較強的有天津力神、浙江萬向、東莞ATL等企業(yè)均距離整車生產(chǎn)廠較遠，物流成本高。電動汽車動力電池作為電動汽車最為關鍵的部件之一，是電動汽車的能量來源。但是隨著電動汽車的廣泛使用，大量的廢舊車用電池將隨之產(chǎn)生，不僅嚴重污染環(huán)境，而且造成能源和資源的巨大浪費。對于廢舊電池處理，國內多數(shù)研究學者偏重于：回收利用（材料再循環(huán)）、二次利用（再利用）、再制造的方式。但在廢舊電池材料回收過程中，有價材料回收處理成本較高，經(jīng)濟效益和社會效益有待進一步考慮。以上因素均導致了目前動力電池成本較高。

2.2 電力驅動及其控制技術趨向智能化和數(shù)字化

動力電機（系統(tǒng)）是電動汽車的核心部件，是實現(xiàn)各種工作模式的關鍵，直接影響動力性、經(jīng)濟性、環(huán)保性和穩(wěn)定性。用于汽車的動力電機應具有功率/轉矩密度高、調速范圍寬、轉矩指標高、高效區(qū)大等特性，此外，還要求可靠性高、環(huán)境適應性強、結構簡單、成本低、維護簡單、適合批量生產(chǎn)等。從原理上來說，電動汽車常用的類型有：永磁同步電機（PMSM）、異步電機（IM/ASM）、無刷直流電機（BLDC）、電勵磁同步電機（ESM）、開關磁阻電機（SRM） 。

永磁同步電機因功率/轉矩密度大、低速效率高、結構簡單緊湊等優(yōu)點，最適用于電動汽車，應用也最廣泛。

在國外電機供應商中，出現(xiàn)了電機控制系統(tǒng)中集成整車控制功能的產(chǎn)品。據(jù)了解，在電機控制器中增加了整車控制的策略與接口。尤其對于純電動車（多電機除外）來說，電機是唯一動力來源，整車控制策略相對簡單，所以電機控制單元與整車控制單元集成較為合理。但如果是多電機驅動（如輪轂電機）車型，整車控制單元需要協(xié)調多個電機間的轉矩分配等工作，整車控制單元則不適合集成在某個電機控制單元中。

另外，數(shù)字信號處理器和可編程邏輯器件出現(xiàn)，極大地推動電機控制技術不斷向智能化方向發(fā)展，數(shù)字化將成為電機驅動技術發(fā)展的必然趨勢。

2.3 電池能量管理系統(tǒng)BMS

能量管理系統(tǒng)是電動汽車的智能核心。要想使電動汽車獲得更好的性能，除了具備良好的機械結構、電力驅動能力、電池外，還應該有一套能量管理系統(tǒng)。能量管理系統(tǒng)可以被理解成是一個電子控制單元，它通過內部的數(shù)學模型，對電池的各項數(shù)據(jù)指標進行計算進而保證電池在最佳狀態(tài)下工作；除此之外，它還要對車輛各個子系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和診斷；BMS還要控制充電方式和提供剩余能量顯示。

電池能量管理系統(tǒng)即BMS的主要性能指標見下表所示：

表3 BMS的主要性能指標

項目 產(chǎn)品目標

電壓采樣精度 測量誤差≤±1%

電流采樣精度 測量誤差≤±2%

溫度采樣精度 測量誤差≤±1℃

SOC精度 估算誤差≤±3%

SOH精度 估算誤差≤5%

絕緣監(jiān)測精度 測量絕緣電阻范圍為0Ω～50MΩ，相對測量誤差小于±15%

BMS是電動汽車最關鍵的技術之一，目前還不成熟。BMS的設計的技術難點主要體現(xiàn)在：對采集的數(shù)據(jù)精度要求高；剩余電估算精度差；安全性差。目前還需要通過大量的試驗研究來改進BMS的一系列問題，例如：發(fā)生碰撞時的安全性、如何避免電池泄露、充電的均衡性等。目前的很多BMS通用性較差。因此，下一步的發(fā)展方向是研究更具有通用性的BMS。

參考文獻：

[1] 張文亮，武斌，李武峰，等.我國純電動汽車的發(fā)展方向及能源供給模式的探[J].電網(wǎng)技術.2009（04）：1-5.

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