呂純池

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 新能源電動汽車?yán)碚摼C述與發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 新能源電動汽車?yán)碚摼C述

新能源汽車是指除汽油、柴油發(fā)動機(jī)之外所有其他能源汽車。按照中華人民共和國國家發(fā)展與改革委員會公告定義，新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。

新能源汽車按照使用范圍可分為純電動汽車、插電式混合動力汽車、常規(guī)混合動力汽車和其他新能源汽車（包括增程式電動車、氫燃料汽車、太陽能汽車等）。

1.2 新能源電動汽車的優(yōu)勢與存在的問題

1.2.1 新能源電動汽車的優(yōu)勢

1.2.1.1 節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)性好

當(dāng)前新能源汽車大部分使用電力作為動力，少部分使用氫能、太陽能等。電動汽車不產(chǎn)生尾氣，無污染。氫能源汽車尾氣是水，對環(huán)境沒有污染，具有價(jià)格低、零排放等特點(diǎn)。

1.2.1.2 效率高，舒適度高，噪聲低

新能源汽車效率更高，在車輛行駛過程中沒有NVH和變速器換擋時(shí)的頓挫感，整個(gè)駕乘過程相對平順、舒適、噪聲低。

1.2.2 新能源電動汽車存在的問題

1.2.2.1 續(xù)航里程短，充電換電不方便

新能源汽車的續(xù)航里程受到電池技術(shù)與充電環(huán)境的制約。電池技術(shù)重點(diǎn)在于電池能量密度的突破，或是找到更加合適、穩(wěn)定的材料。同時(shí)，考慮到充電安全，新能源汽車的整體充電速度不得不降低，總體算下來，平均充電過程為2～3 h，遠(yuǎn)沒有傳統(tǒng)燃油車加油速度快。

1.2.2.2 存在安全隱患，維修費(fèi)用高

新能源汽車最大的安全隱患就是電池。電池的內(nèi)部短路（如局部的溫升、雜質(zhì)/毛刺、枝晶、隔膜缺陷、隔膜變形）和外部原因（主要有穿刺、受擠或外部起火）都會引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。

2 新能源電動汽車核心技術(shù)發(fā)展趨勢研究

與傳統(tǒng)燃油汽車不同，新能源電動汽車的核心是三電技術(shù)，即驅(qū)動電機(jī)、動力電池和電池管理技術(shù)。

2.1 驅(qū)動電機(jī)技術(shù)

2.1.1 電機(jī)的種類

目前，驅(qū)動電機(jī)主要有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)這幾大類。每種電機(jī)都各有特點(diǎn)。從轉(zhuǎn)速看，開關(guān)磁阻電機(jī)最高，交流異步電機(jī)次之，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速最低，但永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較大；從性能可靠性和結(jié)構(gòu)牢固性來看，開關(guān)磁阻電機(jī)與交流異步電機(jī)可靠性最強(qiáng)，永磁同步電機(jī)次之；從質(zhì)量和體積來看，開關(guān)磁阻電機(jī)的質(zhì)量小、體積小，而直流電機(jī)質(zhì)量大、體積大。

2.1.2 驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展趨勢

結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展看，驅(qū)動電機(jī)的趨勢主要為：①高度集成化。具體表現(xiàn)為車用電控制系統(tǒng)逐漸高度集成化，電機(jī)、發(fā)動機(jī)控、整車等的控制器以及低壓DC-DC變換器等朝著不同的方式進(jìn)行集成。②數(shù)字化。由于高速高性能微處理器的使用和面向用戶的可視化編程，讓高性能的控制算法、復(fù)雜的控制理論能夠?qū)崿F(xiàn)。③電機(jī)功率和功率密度的提高。電機(jī)功率從幾千瓦提高到了幾十千瓦甚至更高，效率大幅提升。電機(jī)變得越來越小，功率密度不斷提高。④電機(jī)回饋制動效率和運(yùn)行轉(zhuǎn)速的提高?；旌蟿恿C(jī)電一體化技術(shù)的特征之一就是回饋制動。使用高效的回饋制動電機(jī)與特殊的電能管理與調(diào)速系統(tǒng)，可以使電機(jī)能處理多種類型的工況，由此讓電動汽車更加節(jié)能，也延長了行車?yán)锍獭?/p>

2.2 動力電池技術(shù)

近些年，中國的動力電池需求量經(jīng)歷了爆發(fā)式增長，2019年動力電池裝機(jī)量達(dá)62.37 GW·h，同比2018年增長了9.5%。動力電池是新能源汽車能量和動力來源。電動汽車的續(xù)航里程受制于電池。

2.2.1 電池的種類

目前，動力電池可分為三大體系，分別是磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、錳酸鐵鋰電池。其中，錳酸鐵鋰電池和磷酸鐵鋰電池憑借著可靠的穩(wěn)定性能和較低的價(jià)格，被廣泛應(yīng)用在電動客車等。同時(shí)。動力電池技術(shù)的發(fā)展對NEV產(chǎn)品也有著關(guān)鍵性的影響。

除全固態(tài)鋰電池外，目前鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、太陽能電池等其他類型的電池發(fā)展也各有特色。目前動力電池技術(shù)路線趨勢為磷酸鐵鋰→三元鋰→固態(tài)電池。未來若想達(dá)到更高的能量密度目標(biāo)，則需要轉(zhuǎn)變到固態(tài)電池的技術(shù)體系。固態(tài)電極+固體電解液這種系統(tǒng)的能量密度高，電解質(zhì)無流動性，易通過內(nèi)串聯(lián)組成高電壓單體，預(yù)期可達(dá)500 W·h/kg，同時(shí)它的安全性高、不存在引發(fā)電解液燃燒的問題。

2.2.2 無線充電

無線電能傳輸（Wireless PowerTransfer）的實(shí)質(zhì)是通過磁場、電場、電磁波等物理場的耦合，實(shí)現(xiàn)從原邊到副邊的無線供電，它可以不需要實(shí)體導(dǎo)線的連接。在純電動汽車的無線充電技術(shù)領(lǐng)域，按傳輸機(jī)理的不同，主要可分為磁場耦合式（磁場耦合式分為磁共振式和磁感應(yīng)式）、電場耦合式、微波輻射式。

目前，主流的無線充電技術(shù)主要為磁共振與磁感應(yīng)。高通和WiTricity兩家企業(yè)采用技術(shù)授權(quán)的業(yè)務(wù)模式，其余幾家均以銷售無線充電配套設(shè)備為主。現(xiàn)存的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有AirFuel與Qi，未來充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定將會統(tǒng)一化。無線充電技術(shù)也面臨著多維度的瓶頸，除了最主要的成本問題外，充電標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、充電效率和充電距離限制也阻礙了無線充電技術(shù)的發(fā)展。

2.2.3 換電技術(shù)

汽車換電技術(shù)是一種通過從車輛上移除已被新能源汽車衰減或消耗的動力電池來替換新動力電池的技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的充電模式，換電模式的優(yōu)勢在于能夠縮短補(bǔ)給時(shí)間、提高效率、延長電池壽命、消除續(xù)航里程短板等。換電技術(shù)主要分為單次換電和快換電池。

單次換電是指一次性更換新的新能源汽車動力電池，使汽車有足夠的電池容量繼續(xù)行駛，增加續(xù)航里程。問題在于更換的新的電池其容量與之前動力電池的仍然相同，汽車的續(xù)航里程并沒有得到實(shí)際的增加。

多次換電技術(shù)（快換電池技術(shù)）指能在新能源汽車任何時(shí)段，使用特定的裝置短時(shí)間內(nèi)完成動力電池的更換，由此增加新能源汽車的續(xù)航里程行駛，類似于傳統(tǒng)燃油車加油過程。多次換電技術(shù)是未來換電技術(shù)的主要發(fā)展方向和趨勢。

2.3 電池管理技術(shù)

2.3.1 電池管理系統(tǒng)的基本功能

電池管理系統(tǒng)（BMS）是連接電動汽車和車載動力電池的重要紐帶，它可以對電池的運(yùn)行狀態(tài)（荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)和功能狀態(tài)）進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)的檢測，并將實(shí)時(shí)信息傳輸給子系統(tǒng)。通過對電池進(jìn)行有效的管理，使電池能夠維持在最佳的工作狀態(tài)。

2.3.2 電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

電池管理系統(tǒng)由中央控制單元與本地控制單元二級結(jié)構(gòu)組成。中央控制單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、SOC計(jì)算、邏輯判斷以及相應(yīng)的控制。本地智能采集單元負(fù)責(zé)電池信息和電池狀態(tài)檢測。使用CAN總線通信完成數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中管理與分布控制。同時(shí)，方便電池的分散布置，以此減少線束，達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性的目的。

3 結(jié)語

新能源電動汽車是汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。目前的三大核心技術(shù)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：①驅(qū)動電機(jī)作為驅(qū)動車輛行駛的最直接的動力裝置。以永磁同步電機(jī)、輪轂電機(jī)為代表的電機(jī)技術(shù)顯著提高了性能和舒適性，使得新能源電動汽車的接受度和普及率提高。圍繞電機(jī)的永磁化、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的集成化和一體化、電機(jī)控制的集成化和數(shù)字化的核心技術(shù)發(fā)展已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。②動力電池技術(shù)是新能源電動汽車最重要最具競爭力的核心技術(shù)。目前動力電池技術(shù)路線趨勢為磷酸鐵鋰→三元鋰→固態(tài)電池。未來若想達(dá)到更高的能量密度目標(biāo)，則需要轉(zhuǎn)變到固態(tài)電池的技術(shù)體系。無線充電和換電技術(shù)可以打破充電在時(shí)間和空間范圍內(nèi)的限制，大大提高了充電效率，解決了充電問題。③電池管理技術(shù)作為連接電動汽車和車載動力電池的重要紐帶，可以提升電池的使用效率，達(dá)到增加續(xù)航行駛里程、延長電池壽命、提高電池組可靠性的目的。

新能源電動汽車在全世界范圍內(nèi)都有著很好的發(fā)展前景。中國應(yīng)該積極發(fā)展新能源電動汽車的核心技術(shù)，以此來推動中國新能源電動汽車的進(jìn)一步發(fā)展。