福建純電動汽車發(fā)展的瓶頸與對策

陳細妹

（福建水利電力職業(yè)技術學院，永安 366000）

福建純電動汽車發(fā)展的瓶頸與對策

陳細妹

（福建水利電力職業(yè)技術學院，永安 366000）

通過對福建純電動汽車發(fā)展現狀進行調查，指出其在電動汽車發(fā)展進程中面臨的技術性瓶頸，如動力不足和不穩(wěn)定、電源供應設施的缺乏、行車安全系統(tǒng)設計和研發(fā)的滯后等問題。為此，文章從純電動汽車的動力性和安全性的角度來解決純電動汽車發(fā)展中存在的問題。

福建省 純電動汽車 技術性瓶頸

1 福建純電動汽車發(fā)展現狀

為了貫徹落實國家節(jié)能減排、建設低碳城市的要求，福建省大力推行交通領域節(jié)能減排的戰(zhàn)略部署，適時推出《福建省汽車產業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，大力推行新能源汽車的推廣和應用。目前，福建省新能源汽車以東南汽車、廈門金龍、西虎汽車、新龍馬汽車為主，其中，廈門金龍和西虎汽車偏向城市新能源客車或混合動力客車，新龍馬汽車則偏重于純電動物流車、環(huán)衛(wèi)車、微型面包車。東南汽車除開發(fā)得利卡純電動輕型客車外，還開發(fā)了V3菱悅純電動轎車[1]。此外，三明的中科動力（福建）汽車有限公司也大量推廣新能源汽車。總體來說，近年來，福建新能源汽車的發(fā)展取得了一定成就，且大部分集中在沿海，如福州、廈門、泉州、莆田等地。但福建的純電動轎車發(fā)展卻不容樂觀，對純電動轎車的研發(fā)相對比較滯后，純電動轎車的銷售行情不樂觀，相當一部分是政府采購乘務車，而家用純電動轎車的推廣面臨極大挑戰(zhàn)。

2 福建純電動汽車發(fā)展所面臨的技術性瓶頸

福建地區(qū)丘陵較多，其中，山區(qū)占據福建大部分版圖。山區(qū)對純電動汽車各方面的技術要求更高，這是制約純電動汽車發(fā)展的關鍵因素。純電動汽車在發(fā)展過程中面臨的技術性瓶頸主要體現在以下幾方面。

2.1 動力不足問題

動力不足主要體現在動力電池上，動力電池是純電動汽車的核心。目前，福建省擁有以廈門華鋰、寧德新能源和龍巖衛(wèi)東為代表的鋰電池和鎳氫電池生產企業(yè)，其中，廈門華鋰能源有限公司擁有從電池材料到電芯、PACK成組及系統(tǒng)集成的核心技術，并與東南汽車合作，開發(fā)純電動及增程式乘用車動力電池系統(tǒng)。寧德新能源科技有限公司和寧德時代新能源科技有限公司則主要生產鋰電池，福建衛(wèi)東新能源股份有限公司著重開發(fā)新型快充式鎳氫動力電池[1]。但這些動力電池在技術上仍面臨很大的瓶頸，如車用動力電池的性能指標包括能量密度、使用壽命、快速充電性能、功率密度等方面依然離理想狀態(tài)差距較大，從而反映出在電池的續(xù)航能力、加速和最高車速性能與混合動力轎車或燃油汽車差距明顯。首先，目前，車用動力電池大部分都采取數個單體電池進行串并聯(lián)使用，而在電池一致性、電池成組技術制約下，成組后的動力電池的能量密度及循環(huán)壽命往往會大幅降低，難以完全滿足電動汽車產業(yè)化的要求。其次，電動汽車電能供給模式可分為交流充電模式、直流充電模式、電池更換模式等三種模式，但目前，快速充電也需要半小時左右，嚴重影響出行，且快充會大大縮短電池循環(huán)壽命。

2.2 動力穩(wěn)定性問題

純電動汽車的動力穩(wěn)定性問題，主要體現在兩方面，一方面是電池的熱敏問題，鑒于福建省地形的特殊性，時常會遇到爬坡和下坡現象，而經常性變速會引起電池的熱敏問題。此外，溫度對電池性能的影響極大，在福建閩北、閩西的冬天，低溫情況較多，電池反應會降低功率的輸出；在福建沿海地區(qū)的夏天，高溫天氣會加速腐蝕電池，縮短電池的使用壽命。這樣會嚴重影響電池電量輸出的穩(wěn)定性。另一方面，電機控制問題，即電機控制電流穩(wěn)定問題。電機驅動系統(tǒng)主要包括電機系統(tǒng)和控制器系統(tǒng)，其中，電機系統(tǒng)電機的故障主要是軸承和絕緣，電機的薄弱環(huán)節(jié)為軸承系統(tǒng)和絕緣系統(tǒng)，軸承系統(tǒng)和絕緣系統(tǒng)中的任何一個出現故障，電機均不能正常工作。純電動轎車的動力穩(wěn)定性主要體現在電機控制器的控制成熟穩(wěn)定性上，控制器為直流母線支撐電容、控制電路和IGBT的串聯(lián)系統(tǒng)[2]。福建在控制器的系統(tǒng)穩(wěn)定性研發(fā)力度和創(chuàng)新型不足。

2.3 電源供應設施的缺乏

純電動汽車的電源供應問題主要體現在供電網絡的穩(wěn)定性不足和充電樁、電池供應點的建設滯后。雖然福建已在新能源汽車發(fā)展規(guī)劃上提到了電網對新能源汽車的支持，但對新能源供電網絡的研究卻明顯滯后，特別是對電網和充電設施的協(xié)調性研究不足。在大城市，若大量電動汽車集中在負荷高峰期充電，將進一步加劇電網負荷峰谷差，加重電力系統(tǒng)的負擔。同時，由于用戶用車行為和充電時間與空間分布的不確定性，使電動汽車充電負荷具有較大的隨機性，這將加大電網控制的難度，使電網運行優(yōu)化控制難度增加。

《福建省汽車產業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中曾提到利用立交中心綠地、道路環(huán)島綠地、城市公園邊角空地等地塊，建設公共純電動車充電塔；在經營性停車場，停車設施的居住小區(qū)，按照5%的比例配建純電動汽車專用充電位。但這些規(guī)劃的實施難度較大，一是因為大城市交通擁擠，會擠占充電樁的位置，使其位置偏向郊外。事實上，早在2010年，省電力公司就開建電動汽車充電設施。截至目前，福州市已經建成19個充電站，超過100個充電樁，但是，使用的人并不多。二是高速公路上的充電樁建設還未進入實質階段，給純電動汽車的續(xù)航造成很大影響。其實，福建省規(guī)劃2015年將在沈海和京臺兩條高速路建設30對服務區(qū)充電站（即60個充電站），供小型純電動汽車充電使用，其中，福州地區(qū)有6對，但目前，充電站建設仍未落實[3]。三是目前福建電池更換站建設較少，且集中于大城市，對高速公路和山區(qū)城市的換電站建設還處于研討中。

2.4 行車安全系統(tǒng)設計和研發(fā)的滯后

純電動汽車的設計是一個系統(tǒng)工程，但目前，國內對整車安全系統(tǒng)的整合和研究重視力度不夠。如對車輛橫擺穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、動力蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)、電動汽車前艙高壓零部件布置系統(tǒng)的安全性缺乏系統(tǒng)性研究。第一，車輛橫擺穩(wěn)定性控制是整車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的重要部分，其控制精度直接影響汽車行駛安全，必須做到多個控制器協(xié)同作用，方能達到最好的控制性能。汽車本身就是一個大的耦合系統(tǒng)，如果底盤集成控制系統(tǒng)中各個控制子系統(tǒng)間相互耦合，會造成控制器的控制效果與駕駛員意圖產生偏差[4]，因此，如何解耦及對解耦技術的研究非常重要，但目前，對其的研究仍處于落后狀態(tài)。第二，動力蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的完善對電動轎車安全及避免發(fā)生火災具有重要意義。作為一種儲能裝置，動力電池易受外界環(huán)境刺激（比如碰撞），再加上自身制造缺陷（比如熱過敏、電流量不穩(wěn)定等因素）的影響，易發(fā)生熱失控，引發(fā)火災，而對電氣系統(tǒng)的完善和監(jiān)測的研發(fā)尚未引起很大的重視。第三，對電動汽車前艙高壓零部件布置研究不足，電動汽車有很多設計控制及電器方面的零件，如電機、電機控制器、高壓保險絲盒、充電器、暖風加熱器等[5]，而前艙是電動汽車高壓零部件比較集中的地方，其布置水平會直接影響零件的工作條件及整車性能。

3 福建純電動汽車發(fā)展的對策

3.1 加大動力電池的研發(fā)力度，攻克核心技術難題

純電動汽車動力的核心部件主要包括動力電池和電機。電動汽車電池既是發(fā)展電動汽車的核心，也是電動汽車技術攻關的難點。目前，福建省電動汽車研發(fā)的動力電池主要是鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。其一，鉛酸蓄電池具有技術成熟、批量生產、成本低、價格便宜等優(yōu)勢，但無法解決比能量低的問題，及高倍率部分荷電狀態(tài)時壽命嚴重縮短。可通過使用密度小的非腐蝕性容器來提高比能量，再在活性物質中增加碳，以此來減輕硫化物對電池容量壽命的影響。其二，鎳氫電池比能量較高且對環(huán)境無污染，但其易快速產生枝晶，導致壽命縮短，特別是低溫時容量減小和高溫時充電耐受性的減弱及金屬鎳價格昂貴。可以通過三電極充電，使用新的隔膜和在電解液中添加緩蝕劑或導電黏結劑和優(yōu)化電池設計等方式解決。其三，鋰離子電池具有較大的比能量，體積小、質量輕，循環(huán)壽命長，自放電率低，無記憶效應且無污染等優(yōu)勢。但鋰離子電池大量應用于電動汽車仍存在諸多問題，如鋰離子電池的安全性、循環(huán)壽命、成本、工作溫度、材料供應及均衡充電技術不成熟。其四，近期，在釩基磷酸鹽鋰電池技術上取得了進展，此種鋰離子電池比目前廣泛應用的磷酸鐵鋰電池具有更高的功率和更好的車輛應用性能。此外，還有德國 DBM Energy 公司的KOLIBRI 電池技術研發(fā)的鋰聚合物電池，通過現金的膜技術（alpha polymer technology，阿爾法聚合物技術），提高了鋰離子電池的穩(wěn)定性和效率[6]。因此，福建省的新能源汽車公司，加大對動力電池的研發(fā)，可以借鑒國內外電池公司的經驗或通過合作共享，積極參與國內和國際的電池研發(fā)，也可借助與高校合作走產學研相結合的技術攻關道路。

3.2 加快電機驅動系統(tǒng)研發(fā)步伐，增強汽車穩(wěn)定性

目前，有多種電機驅動系統(tǒng)，如何判斷該系統(tǒng)的適用性和可靠性，需要做到以下幾點：第一，通過電動動力傳動參數設計與分析，運用數學建模，建立電機驅動系統(tǒng)可靠性模型，并進行可靠性預計。通過電機軸承系統(tǒng)和控制電路兩方面的資金投入，結合實際故障數據，完善系統(tǒng)，并修正結果。第二，加強對輪轂電機驅動方案的研究，通過比較異步電動機、永磁無刷電動機和開關磁電動機及橫向磁場電動機等不同指標，進一步確定輪轂電機驅動中各個配件如定子、繞組、齒槽、磁鋼、永磁材料的尺寸和優(yōu)化方案。第三，加快電動汽車起步加速過程的調速系統(tǒng)研究，解決電動汽車爬坡和在擁擠市區(qū)的起步加速問題。通過分析電動汽車起步加速過程的受力和無刷直流電機驅動的數據，建立起步加速過程中的動態(tài)數學模型，采用車速與電流雙閉環(huán)控制策略，建立車速與電流雙閉環(huán)控制策略的無刷直流電機系統(tǒng)，并進行仿真。

3.3 加大電源供應設施的建設，開拓電源供應模式

第一，加快電動汽車配、供電設施建設。首先，通過對電動汽車對電網的影響及動力電池的充電特性、電動汽車用戶的用車行為、充電方式的研究，對電動汽車充電負荷進行建模，分析電動汽車動力電池的特性，包括電池類型、容量、充電特性等，認真總結電動汽車的運行規(guī)律，如各種類型電動汽車出行時間、行駛里程、停放規(guī)律、充電場所與充電時間等，通過完善配電網絡的規(guī)劃，改善配電網負荷，實行電動汽車實時有序充電控制策略，降低城市充電高峰期配電網的網損，達到改善配電網的節(jié)點電壓波形的目的[7]。其次，加大配電網絡信息系統(tǒng)建設資金的投入，提高配電網的信息化程度，通過研究分層、分區(qū)的電動汽車充放電控制方式與策略，加快電動汽車與電網的信息交互，提高處理速度，降低對通信系統(tǒng)的要求。再次，建立合理的市場機制和價格機制，采取不同時段充電具有不同價格優(yōu)惠的措施，避開用電高峰期。最后，加快充電站、換電站和充電樁的建設。政府應加大和加快充電站、換電站和充電樁的建設，不能僅把充電設施局限于市區(qū)，拓展充電設施的普及面，積極探索和研究交流充電樁、充電站和電池更換站的布局規(guī)劃體系。

第二，積極探索電源供應模式。首先，對電動汽車能源供給系統(tǒng)進行標準化建設，包括電池與電池箱的標準化；充電及電池更換設備的標準化；計量計費的標準化；電力系統(tǒng)運營的標準化等。其次，積極探索電源供應模式，適當考慮換電為主、插充為輔、集中充電、統(tǒng)一配送模式的推廣。可以繞過當前電池快充技術存在的障礙，通過對電池進行快速更換，滿足用戶的快速能量補給要求。同時，可以實現電池的科學儲存、合理充電、安全配送，有效提升電池的循環(huán)使用壽命，此外，也有利于電池的梯次利用和回收，更有利于加強電池的安全與質量問題的管控。福建省可以考慮在郊區(qū)建設電池統(tǒng)一配送站，市區(qū)擁擠地區(qū)，可以采取多建一些換電站或換電池門店，統(tǒng)一配送電池；在城郊地區(qū)，可以考慮建充電站，合理規(guī)劃充電站的分布；在高速公路服務區(qū)，加大充、換電站的建設投入。

3.4 加強行車安全性系統(tǒng)的總體設計和研發(fā)

行車安全性是衡量車輛性能的關鍵指標之一，加強行車安全性系統(tǒng)的總體設計和研發(fā)具有重要意義。第一，加大電動汽車底盤集成系統(tǒng)耦合分析與控制的研發(fā)。因此，必須注重汽車的側向及橫擺方向的穩(wěn)定性控制，充分利用耦合技術，分析汽車動力學特性和汽車的耦合特性，采用簡單的二自由度模型，進行耦合分析，并進行解耦及仿真反饋，實現子系統(tǒng)的獨立控制，提升汽車側向穩(wěn)定性的控制性能。第二，加大動力電池溫控系統(tǒng)的研究，特別是動力電池在溫度過低和溫度過高的情況下，可能產生的溫度失衡問題，從而產生燃燒或爆炸等嚴重性安全隱患。因此，要加大對動力電池溫度監(jiān)督系統(tǒng)試驗平臺的建設，依托平臺研究在不同工況行駛其動力電池組的溫升狀況，建立電池組導熱的數學模型，開發(fā)汽車仿真軟件仿真純電動汽車在不同路面上不同車速行駛時，在封閉環(huán)境下動力電池組溫度和周圍流場的分布，并進行動力電池組溫度場分布試車試驗[8]。第三，加強電動汽車前艙高壓零部件的布局設計和研發(fā)。雖然前艙高壓零部件在電動汽車中不算核心技術，但其分布的合理性將直接影響行車安全。高壓電器部件布置位置要合理，在滿足工作要求的前提下，盡量減小前艙高壓線束的長度，避免在行車過程中由于車速變化引起的纏繞；相鄰的高壓線束應盡量避免交叉布置，多采用便于間隔夾使用的平行布置方案，避免因磨損造成的漏電事故引發(fā)的火災；高壓零部件應盡量布置在前艙相對靠后的位置，減少碰撞損壞概率，此外，還要盡量為有振動工況的零部件保留較大空間。

[1]青山電動資訊.福建省新能源汽車電動汽車推廣應用實施方案（2013-2015）[EB/OL].（2014-10-01）[2015-10-15]. http://www.hnqsdd.com/n180c17.aspx.

[2]胡偉，溫旭輝，劉鈞.電動汽車電機驅動系統(tǒng)可靠性模型及預計[J].電氣傳動，2007，（12）.

[3]東南快報.福建將在高速路布設充電站 促進電動汽車行業(yè)發(fā)展[EB/OL].（2014-12-04）[2015-10-15]. http:// www.0594.com/html/house/putianxinwen/2014/1204/604061. html.

[4]馬永和.電動汽車底盤集成系統(tǒng)耦合分析與控制[J].天津科技，2015，（7）.

[5]關振東.電動汽車前艙高壓零部件布置研究[J].上海汽車，2013，（4）.

[6]Dbm R T．Energy's Electric Audi A2 Completes Record Setting 372 Mile Drive on a Single Charge[EB/OL]．（2010-07-08）[2015-10-15]．http://www.engadget. com/2010/10/27/dbm-energys-electric-audi-a2-completes-record-setting-372-mile/.

[7]胡澤春，宋永華，徐智威，等．電動汽車接入電網的影響與利用[J].中國電機工程學報，2012，（4）.

[8]李仲興，李穎，周孔亢，等．純電動汽車不同行駛工況下電池組的溫升研究[J].機械工程學報，2014，（16）.

The Bottleneck and Countermeasure of Fujian Electric Vehicle Development

CHEN Ximei
(Fujian Water Conservancy and Electric Power, Career Technical College,Yongan 366000)

Through the investigation of the development status of the pure electric vehicle in Fujian, pointed out that the technical bottlenecks in the development of electric vehicles, such as the lack of power and instability, lack of power supply facilities, the design and development of driving safety system and other issues. For this purpose, the paper is to solve the problems in the development of pure electric vehicles from the perspective of the power and safety of the electric vehicle.

Fujian Province,bade Electric Vehicles,technical bottleneck