1、一、纯电动汽车(EV)的关键技术与发展趋势1.电池技术 动力电池这个关键技术是纯电动汽车发展的瓶颈所在。它是纯电动汽车的主要能量载体和动力来源,也是电动车辆的整车成本的主要组成部分。它直接制约着电动汽车的制造成本、续驶里程和使用寿命等主要问题,间接影响到纯电动汽车的市场化。如果电池问题能够解决,与传统汽车相比,电动汽车将有绝对的优势。 动力电池在经历了铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池等多种类型的发展和探索,目前纯电动汽车最具潜力的电池主要集中在一下电池上:阀控铅酸动力电池、镍氢动力电池和 锂离子(锂聚合物)电池。最具潜力电动车用动力电池主要性能参数电池类型 比能量wh/kg 比功率w/kg 循环寿
2、命/ 型铅酸电池 30-50 200-400 1000镍氢电池 50-70 300-400 1000锂电子电池 120-140 1500 1000发展来 , 铅酸 电池 , ,所具有使用前 镍氢电池 在一 用 比 , 有性、比量也一, 有体电,currency1 “来比 fi fl锂离子动力 电池具有 的能量, 目前 有 的前 。 如,与”相比锂离子电池能量 是,这使的续驶里程 是一个fi题。目前市场上使用的电动汽车一 电的续驶里程一 100km350km,这是在 的驶环下能到的,fl绝 多数电动汽车一驶环下续驶里程有 50km100km。 了 电动汽车的续驶里程,在汽车制动,用 电池 电的
3、,来 的能量。 是 电池 电循环 数有 , 功率 电 将使 电池循环寿命 。 解决这个 问题,有 用了 电 。 目前 电 也在问题,主要是是能量,它比铅酸 电池 一个数量 ,所 要 能量的 电,在 在 发 程中。 , 有 能电池、能电池等等,也 电动汽车的电池技术问题的解决了 解决, 目前来 是成 ,有 一 发。2.驱动电机技术电动汽车对 动电”的要主要体在 、 、 载能力 、 功率 体 上,技术性能直接影响车辆 的动力性和经 性。要对电”的电磁场、温场和 力场有 元分析, 选择设计符合电动车辆 要的电”, 并与电力电子技术、微电子技术和控制技术完美结合。车用牵引电”一有直流电”和交流电”。直
4、流电”最早用 电动车上, 电刷和换向的在, 须经维护和保养, 体 和 量也 , 也无法 量。交流电动”具有结构简、比功率 、可控性、效率、使用维护便利等特点, 特别是随着控制技术和 功率电子 件的发展, 交流 动系统在电动汽车上的 用逐渐多。世界各国来 , 成了感 电”和永磁同 电”两 主流倾向, 一是 美、欧 主的感电动”派, 二是 日本 主的永磁同 电动”派。 感 电”控制比 复杂, 本身的制造技术和控制技术 已成 ; 永磁同 电”在体 、 量、可靠性和效率 面要优 感 电”, 要 、 须弱磁控制或电”在结构上突破传统设计 法。3.控制系统技术整车控制系统 整车控制 、信系统、部件控制 及
5、驾驶员操纵系统构成,主要功能是根据驾驶员的操作和 前的工况,在保证安全和动力性要的前下选择 可能优化的工作模 。目前, 主流的电动汽车整车控制系统 用 CAN 总线信连接,这样 仅 了控制的效率和稳定性,fl 能数字控制。电动汽车 动电”、电池等执动力部分的状态信号被发送到 CAN 总线,最终传输到显示终端给驾驶 员, 便整车控制。 的电子控制系统在传统汽车上 用 多, 它对纯电动汽车的工作有着 要影响。与国外相比,目前来 我国 有一定的差距, 是随着电” 动系统的发展 及各种 技术材料的 用,国外在这 面的差距将越来越 。二、混合动力电动汽车(HEV)的关键技术与发展前 对 混合动力电动汽车
6、,动力耦合及控制系统、电”及控制系统、动力电池及系统是三项最 关键心技术,同与混合动力汽车相关的发动”、电力电子、制动、转向、空技术也是要解决的主要技术问题。 图一 HEV系统集成 程1动力耦合系统 动力耦合系统最关键的技术是 布置 , 同结构的动力耦合 仅决定了混合动力系统的工作模 ,fl 也是制定动力分配策略的基础,它对整车的 动力性、经 性、排 性和制造成本 有 影响。结构合、制造易、效率的混合动力耦合”构,能够将 汽车与电动汽车的优点有” 结合来,体混合动力汽车的优越性。目前用的动力耦合 有转耦合、 耦合和功 率耦合三种 , 功率耦合 主要发展 向,具体结构 面, 耦合、离合 耦合、主
7、 耦合等向 耦合 向发展。2动力总成控制系统 汽车动力总成控制系统是车辆驶的心元。混合动力电动汽车的控制要根据驾驶 操纵状态、车 、电池 电状态和相关设 的状态 定发动”与电”的功率分配策略, 保证 汽车动力性、经 性、排 性等性能 要。混合动力汽车发动”和电”要相 配合工作,并根据 工况 控制发动”动和关 ,这使发动” 终工作在 的整个控制 程分复杂, 要用成 可靠的动力耦合 置 及 的控制策略功率的合分配, 到 和动力性的目 。图二 HEV动力系统 模 结构3电”及控制系统用 混合动力汽车的 动电”类型主要有交流感 电”、永磁电”和 关磁 电”。对电”的要 在 的 具有转、功率,效率、可靠
8、性、 的控制性能,能够 发动” 和电”电动发电状态的换。目前国外 永磁同 电” 主,国 用 多的是交流感 电”,要 发效率永磁电”。电”控制系统也关键,一是保证电”在基 下,能够输 转 汽车 和的 动力 在基 上,能够 currency1功率、 最车 要。二是保证系统在电” 的效率最优化。4动力电池及 系统混合动力系统的动力电池要 电,在 电 程中,电、电流有 化。“对这种使用特点,混合动力系统对动力电池有如下特别要:一是具有 功率 电能力和 的比功率, 汽车 和的 功率 同电池 要具有 电能力, 制动的 功率能量 要。二是 电效率,的 电效率对保证整车效率具有关 要的作用。三是电池在 电的工
9、况件下保性能的相对稳定。外, 须fifl 能控制、 电状态定、 电模 选择、电池 电、电池 电或 电控制、电池组的工作温控制等,这 是电池系统的 。整车能量策略的要电动汽车电池系统对电池状态的别和对电池性能的维护。图三 HEV整车能量系统5混合动力系统用发动”经 100多的发展,车用发动”在动力性、经 性及排 控制 面”了 “。来,电控 、排 循环、中、可 、和化等技术的 用,使汽车性能 。作 一种成 的动力设 ,发动”在混合动力汽车上的 用fi , 是影响混合动力整车效率和性能的关键部分。在混合动力系统中, 发动”的工况可 控制在一定, fl可 优化设计一 经 性,排 。目前用发动”的混合动
10、力系统基本上 对 发动”了设计或 “。 如,汽 ”用的效率、 比工作循环,型倾 及 合 体, 目的 是 效率。 外 电” 了车辆的功率 作用,发动”可 经 工作 的 效率。6 分析技术在混合动力电动汽车 发 程中,要 的 动系统数 模型,这是计” 和分析的基础。在 和 发混合动力汽车的部件和选择结构,要 ,到技术的突破 。在系统选择上,可靠效的 模工具, 交 使用 选的子系统模 , fl到最的 。计”模型 个 选子系统了 和设计参数, fl设计效率,fl 有 设计和制造样车制定工程目 和计 。图 HIL 用示图 图 前向 示图图 向 示图来 的 ,汽车制造 转目 , 能汽车市场。世界各国 相发
11、展的电动汽车主要分 纯电动汽车、混合动力电动汽车和料电池汽车。 混合动力电动汽车是目前电动汽车 族中,一种已经业化的,有效的, 前期的 渡性产品。这是 ,今,纯电池电动汽车 没有 到汽车产业化要的水平,fl料电池电动汽车,又 在产业化的 制 程。这样,工程技术 寻一种折衷 混合动力电动汽车, 是它扮演着电动汽车继往 来的角色。 混合动力车辆 一股 可 档力量“ 着汽车产品的结构和构成,并 量的走向用化。据AutoMfg (2)目前整车各零部件的体 留给整车布置 旋的余 ,造成散 系统设计的“ 空间 ,无法用用的解决 对, 须 发用的零部件(如特殊构造或布置的凝 、功率的却风扇等),这样 要富的
12、整车散 系统的基础数据 支相关 发设计,fl这点 是目前国整车企业欠缺的。外,与整车散 系统相关的车用空系统 发也是整车企业 须关注的。 没有传统的汽 发动”,传统空的 ”动力源发生了颠覆性 化,“用纯电动 ”作 空系统的动力源。这样在做整车散 系统分析,空系统性能作 整车散 系统的“负载” 也成 散 系统 发的技术fi点。3 整车与动力系统的参数选择与优化设计料电池汽车整车性能参数是整个料电池动力系统 发的信 输入,fl 配置的动力系统的特性参数也影响项目整车性能。两者之间的参数选择是一个多 量多目 的优化设计 程,fl 参数选择与驶工况和控制策略相关,有在 的 模型基础上,经 复寻优计可能
13、 到 的设计结果。了 模型与 部件的 系, 须 的 发环。目前 在料电池汽车 主要用 整车控制 的在环 。fl集成 部件的动力系统 环将是整车企业 整车与动力系统的参数选择与优化设计的技术 向。4 多能源动力系统的能量策略优化及 控制法的能量策略对料经 性影响 , 受到动力系统参数和驶工况的 影响。目前 发 一 技术 一个 发环对动力系统模型合简化, 分析的角到最优功率分配策略与能量源参数和工况特征之间的解析关系,并 关系发定量 分析功率 特性参数对最优功率分配策略的影响, 功率 的参数选择 据,最终目的是定量 分析工况特征参数与最优功率分配策略之间的 关系,完成功率分配策略的工况性 。完成能
14、量策略的工况 性 发, 心问题转 功率分配优化, 须fifl一 制件,如 电池量的 制和各部件额定 的 制等。可用作功率分配的决策输入量多,如SOC 、总线电、车 、驾驶员功率等。 是 fifl这 量的历 状态,可 功率分配策略分 与 策略两 类。所 策略, 是 前的决策输量和系统的 前状态有关,与历 状态无关;fl 策略的决策输量和系统的历 状态有关。图二 料电池轿车动力电控系统结构框图策略 下几种类型:电控制型策略主要 总线电 决策 量,优点是 电池SOC具有自动维的能力,缺点是对料电池的动态性能要,fi 定量 控制FC的输功率;功率 随型策略主要 功率和SOC 决策 量,优点是可定量 控
15、制料电池的输功率,能有效保护料电池,缺点是 电池功率 的作用 明显;目 数型的策略是对多个 相的目 数 合 ,使 前 合 最 的决策作 输控制量, 中比 型的 是 分析 法。这种 法的特点是,对一 发电系统和 电池对 的最工作点分析,到发电系统额外功率 与 电池 电电流的关系。 示 ( ) 电电流要额外 ( ) 的发电系统功率。 是, 策略 fifl历 状态的影响,所对工况的 性 差。策略主要是 平功率型功率分配策略,对 去段间的功率currency1平 ,作 料电池的输功率。这种策略的优点是具有一定的工况 性, 电池能有效到功率 的作用。 是,靠平功率这一个量 对工况特征 “。功率分配策略一
16、 作的控制决策 影响 的决策,所 说它是一个全优化问题。最优控制 法是解决全优化问题的有效工具。用最优控制 法 全角来fi功率分配策略,能够到个特定工况下的最优控制决策fi和 上的最 料 。 这种 法是fl别车辆驶状况的 化,fi fifl整车 量和车载件功率的 化(如空)对功率分配的影响。fl ,fifl到际工况的复杂性和 可预 性,在个特定工况下到的最优结果fi 直接用到际控制中。际的工况 化是 复杂的,fi 用几种 定的模 来 分。作 能量策略中的一部分,制动能量 馈是料经 性的 要,也是一个fi点问题。 须 合fifl制动稳定性、制动效能、驾驶员感、 电池 电接受能力等 制件。制动系统
17、关 生命安全,fl 制动 程 ,在 期一 直接路 ,fl是在 系统动态模型的基础上 入的 。今 ,国外各 ”构及有关 ”对料电池电动汽车的发展及市场前 的认fl和态来 可分 两种,比 或 极的和 保或 的。多数业 ”认,料电池汽车技术 21世的 端技术, 市场前 在 程上将currency1决 自身的成 程和世界环保、能源 势的走向。仅 市场和用的角 , 料电池车发展和及的主要 是 和有关的基础设完 与 。据预 ,在今 之,料电池车的要比传统汽车30%, ,将 影响用的车 。 如 推的 省能车-“3L”Lupo轿车, 各 面性能fl, 可 , 是, 使路欠, 到预期目 。要使用使用料电池与使用
18、传统汽车差 多一样 便 , 氢或 注间接料的设 是 可的。 基 上“ , 作这样的 ,在中 期(比如1015),料电池车将 在环保法 比 的经 发 、 集的国 和 ,主要是美国、日本和 欧。美国 fl环保法 又 分 的 及城市有 利 、 、 里 、 里、 、 布 、 及 约和 两个市。日本的 集程在世界上是 fl的。在 欧 ,料电池车的使用将主要集中在 城市, 是环保法 的中、北欧。在 一 期( 如20-25),三 与国 之外的国 和 也将逐渐及料电池汽车( 如中国的特 城市、东 、东欧 等)。1是 国一 技术市场 ”构对料电池电动汽车在20052020发展程及市场的一 预 结果。图1所示,是
19、 ”构对料电池电动汽车在2005-2025 个 段的市场成 线。 粗略 , 可将 程 分 下三个 段,技术 关和市场 段、优势 段和市场 段。 技术 关和市场 要走一段 的路, 约10或 一 间。在期,多数投入使用的料电池车的料 是氢fl是要 车载 置(设 ) 整的间接料( 如汽 、等)。 前,这样的 整 技术 关和 段,在对间接料整和, 产生量的CO2排 物, ,这一缺 在种况下 了料电池车的部分环保优越性。在程中,市场上 的”汽车和混合动力汽车是料电池车的有力者,者 发挥 全部潜能和能对市场产生决定性影响的优点来,总之, 显柔弱(嫩), , 能撼动传统汽车的市场 。 市场入代,curren
20、cy1料电池车的要比传统汽车多, 之相 的基础设 健全,用也没有使用这种汽车的经 ,所,市场微弱( ,也有一 对料电池车 态的预 ,认 在2011这类车的总产量可 到240万辆, 世界汽车总产量4.3,在美国,料电池车的市场份额将 到4,日本 到4.5%, 欧 到3.7%)。同一期,对汽车作零排 制的 ,混合动力汽车和氢发动”汽车将有 发展。20052020世界料电动汽车发展程及市场环一览第一 段 20052010 第一 段 20102015 第三 段 20152020 个批量生产的料 电池电动汽车问世(比传统汽车的约20%) 比传统汽车约10%, 无交CO2排税fl在 程上到补偿和平汽车厂 宣传推 料电池车要 的投资基础设 完 , (氢或等)站,服 上基础设已比 完 (比传统汽车约30%)是零排 汽车,在 集 有一定的私 要 “间接料” 整技术(制氢技术和储氢技术)问题到解决用日使用感到 便( 便利),基础设计几 是空白,(氢、等)站极,服 上传统汽车、混合动力汽车是强有力 者,“间接料” 整技术有突破, 完全解决了CO2排 税fl推动了料电池车的推 和使用程几 没有私 用 私 慢 私 呈跳跃 料电池 客车(公汽车)在 集 模的 用 料电池 客车(公汽车)在 集 成 主要的客工具 市场上 添置的 客车(公汽车)100%是料电池车,车队( 输公司公交公司)50%的车辆是料电池车