電動汽車發展研究綜述

文亦驍，宋春華

(西華大學機械工程與自動化學院，四川成都 610039)

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電動汽車發展研究綜述

文亦驍，宋春華

(西華大學機械工程與自動化學院，四川成都 610039)

發展電動汽車可以減少尾氣排放，降低環境污染，擺脫對石油資源的依賴。介紹電動汽車的分類以及適用范圍，并提出電動汽車發展的核心問題：動力電池、能量回收、配套設施及相關政策。從核心問題出發總結了國內外電動汽車的發展狀況，探討了目前制約電動汽車發展的因素，并展望了未來電動汽車的發展趨勢。

電動汽車；發展現狀；動力電池；能量回收

0　引言

隨著世界能源危機和環保問題日益突出，傳統汽車工業面臨著嚴峻的挑戰。一方面，石油資源日趨減少，而汽車的保有量卻在節節攀升；另一方面，汽車排放的大量尾氣加劇了環境污染，城市大氣中CO的82%、NOx的48%、HC的58%和微粒的8%都來自汽車尾氣。而積極發展電動汽車可以有效緩解這些問題，它在城市交通中可實現極低排放甚至是零排放。

1　電動汽車概述

電動汽車是全部或部分由電能驅動電機作為動力系統的汽車，按目前技術和車輛驅動原理的不同，一般將電動汽車劃分為純電動汽車(BatteryElectricVehicle,BEV)、混合動力汽車(HybridElectricVehicle,HEV)和燃料電池汽車(FuelCellVehicle,FCV)3種類型。

純電動汽車是指完全由可充電電池(鉛酸電池、鎳鉻電池、鋰離子電池等)提供動力源的汽車，不需要離合器以及變速器，車速由控制器通過調速系統改變電動機的轉速實現[1]。優點：無尾氣排放，無污染；電動機發展成熟；能源供給形式多樣。缺點：續航里程短；動力電池成本太高；充電時間長。

混合動力汽車是指采用常規燃料，同時配備蓄電池和電動機來改善其動力和排放的車型。可主動進行能量回收，將制動產生的機械能轉變為電能儲存在電池中。按照動力系統結構又可分為串聯式混合動力汽車(SHEV)、并聯式混合動力汽車(PHEV)以及混聯式混合動力汽車(CHEV)。優點：無續航不足問題；相比傳統汽車更加環保節能；不用充電。缺點：仍有尾氣排放；結構復雜。

燃料電池汽車是指以氫氣、甲醇等為燃料，通過化學反應產生電流，依靠電機驅動的汽車。燃料電池的化學反應過程不會產生有害物，不會污染環境，不需要消耗能源。盡管起步較晚、技術不成熟，但仍然是未來電動汽車發展的潛力方向。優點：氫燃料來源廣泛；基本無環境污染；燃油效率高。缺點：技術不成熟；成本高；氫能源不便儲存。

隨著資源與環境雙重壓力的持續增大，發展電動汽車已成為未來汽車工業發展方向。

2　發展現狀

電動汽車處于不同的發展階段，其實際使用也各不相同。僅就現階段而言，純電動汽車由于續航里程較短，速度較慢，適合短距離使用；混合動力汽車可以滿足日常使用，但是成本較高、不夠環保；燃料電池汽車由于氫的運輸儲存和成本高的問題尚未解決，大批量進入市場還尚需時日，在我國仍然處于研發階段，目前只有少數發達國家商業化生產[2-4]。而動力電池、能量回收系統、配套設施以及政府的扶持政策是電動汽車發展的關鍵，標志著電動汽車的發展水平。

2.1動力電池發展現狀

在純電動汽車蓄電池方面，開始廣泛使用的是鉛酸電池[5]，但是其比能量低，只適合短途、輕度混合動力汽車使用。但是其安全性高、成本低這些優點決定了其可開發性。目前被廣泛采用的是磷酸鐵鋰離子電池[6]、氫鎳電池、鐵電池、超級電容，其質量輕，比能量、比功率和壽命都高于鉛酸電池，并且提高了汽車的續駛里程，已成為動力電池的主要發展方向。

目前，大多數純電動汽車快速充電30min可充滿80%，家庭用電5～8h可充滿。但是其成本高，成為制約其普及的主要因素。日本是鋰離子電池研發的領頭羊，最近研發的車用鋰離子電池可以儲存相當于過去3倍的電量，可提供續航里程600km，將在2015年實現量產。同時，美、日等國也在積極研發鎳氫電池，但鎳氫電池的比能量值較低且儲氫難，一般應用于混合動力汽車作為輔助動力。美國在燃料電池汽車技術領域取得很大進展，其功率密度、燃料電池汽車能量轉換效率、可靠性和耐久性都獲得極大提高，系統成本也大幅下降。但由于氫燃料難以儲存，不便運輸，燃料電池汽車的普及尚需時日。

2.2制動能量回收系統發展現狀

制動能量回收系統是指將車輛在制動過程中的一部分機械能轉化為其他能量回收利用，以提高車輛的行駛里程[7]。超級電容是一種無源器件，具有電容快速充放電特性，同時也有電池的儲能特性，可以作為蓄電池的輔助電源，甚至作為其替代品。加上超級電容免維護、壽命長、質量輕等優點，故被應用于該系統，回收在汽車下坡怠速、剎車時產生的動能以及制動能轉化的電能[8-9]，從而在汽車啟動或者是爬坡時提供大功率電流。超級電容的使用，在減輕車身質量的同時，也降低了成本。

研究表明：在城市工況下，汽車頻繁起步與制動，其中，制動消耗的能量占了總驅動能量的50%[10]左右。制動能量回收問題對于電動汽車尤為重要，對于增加其行駛里程具有重要意義。目前國外研究已表明：采用制動能量回收技術后，電動汽車的行駛里程可以增加10%～30%[11]。

電動汽車制動能量回收系統由超級電容、蓄電池、再生制動控制器、電機及其控制器組成。其工作原理如圖1所示，在正常工況下，蓄電池為電機供電，驅動電機工作，此時電機以電動機的形式工作；在制動時，再生制動控制器接收到制動信號，控制雙向DC/DC變換器[12-13]，將電動汽車制動時產生的機械能以最大效率存儲在超級電容里，此時電機以發電機的形式工作；在車輛起步或是爬坡時，再生制動控制器接收電機控制器里的加速信號，控制DC/DC轉變器對超級電容中的能量升壓從而驅動電機工作。目前國內外對于制動能量回收系統的研究還處在初級階段。

2.3配套設施建設

電動汽車特別是純電動汽車必須依靠充電才能正常工作，雖然家庭充電也能滿足日常需要，但是充電時間太長，因此，充電站或者是小型充電樁的建設，是電動汽車能否普及的關鍵。

在日本，隨著市場對充電設施需求日益提高，現有的4 700多座充電站已經不能滿足需要。2013年，豐田、日產、本田和三菱四家車企簽署協議[14]，共同宣布將聯合在日本擴建電動車充電網絡，未來將興建1.2萬座充電站，為更多電動車用戶提供便利。

在美國，這一數字更為龐大。根據美國能源部公布的數字，截至2013年，美國向電動汽車車主開放的充電站數量達到了5 678個，僅僅在2013年一季度就增加了約9%。根據歐盟委員會的數據，2011年德國已經建立了1937家充電站。到2020年，德國將建立15萬家充電站，并且其電動插頭符合歐洲標準。由于在超市停車場、高速公路休息站或者是加油站建立充電站不僅能節約成本，還能提高利用率，美國、日本以及德國很多充電站都建在了這些地方。

在我國，由于電動汽車普及度不及發達國家，因此其配套設施建設也僅僅處于起步階段，全國40多個城市都已經擁有自己的充電站。2014年6月北京發布《北京市電動汽車推廣應用行動計劃(2014—2017年)》，將加快公共場所快速充電樁建設，到2017年全市將有10 000個快速充電樁亮相公共停車場等場所。

2.4相關政策

任何新興產業的發展都離不開政府的政策扶持。從電動汽車進入市場以來，各國政府皆出臺了很多政策來推動電動汽車發展。在電動汽車研制階段，政府實施相應免稅政策并投入大量資金用于研發；在銷售階段，政府出臺了相應的補貼政策以及其他惠民政策鼓勵消費者購買；在配套設施建設方面，政府聯合相關部門建立充電設施，并做好長遠規劃。

我國電動汽車雖然起步晚，但是國家對電動汽車極其重視：“九五”期間，電動汽車列入國家重大科技產業工程；2001年，被列入國家“十五”期間的“863”重大科技課題，并規劃了以汽油車為起點、向氫動力車目標挺進的戰略；“十一五”期間，“863”計劃中又啟動了“節能與電動汽車”重大項目，繼續支持節能與電動汽車關鍵技術研發和產業化。我國計劃累計投入近20億元，確立了以純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車3種整車技術為“三縱”，多能源動力總成系統、驅動電機、動力電池3種要害技術為“三橫”的“三縱三橫”的研發布局。

我國在研發階段，除了政府資助以外，汽車廠商還聯合各大院校、科研機構共同研發，2014年的863計劃“電動汽車整車及零部件技術標準研究”就是由多家廠商、高校及科研院所共同完成[15-18]。在銷售推廣階段，政府出臺了《新能源汽車生產準入管理規則》、《關于開展節能與新能源汽車示范推廣試點的通知》、《節能與新能源汽車示范推廣財政補助資金管理暫行辦法》等一系列文件，并于2014年8月起頒布對符合條件的新能源汽車免征車輛購置稅這一重要決策。

2.5總結

從國內外電動汽車發展歷程來看，純電動汽車與混合動力汽車經過長時間的發展，目前已經進入快速增長期，開始大規模生產，具有較好的產業化前景。插電式和增程式混合動力汽車尤為受到重視。

受傳統汽車關鍵技術影響，國內插電式混合動力汽車產品與國外相比尚存在較大差距；純電動汽車技術水平與國外接近，但部分核心技術仍有待提高；高性能純電動汽車產品在可靠性和工程化能力上仍落后于國外先進產品；燃料電池汽車技術與國外差距不大，核心技術近年進展較為緩慢，尚未進入產業化階段。隨著動力電池技術的發展，純電動汽車也將走上產業化的道路，其發展瓶頸在于動力電池性能與充電基礎設施的建設。只有解決了動力電池的續航問題，電動汽車才能真正普及。

3　存在的問題

3.1動力電池儲能問題

電動汽車面臨的最大問題就是動力電池的電容量有限。目前市面上使用的電動汽車一次充電行駛里程一般為200～300km，在城市工況下甚至只有150km左右。每天一充成為車主最擔心的事。電池續航能力、循環使用次數以及電池的經濟性是電動汽車電池發展的關鍵。目前鋰離子電池技術雖已取得一系列可喜進展，但在能量密度、使用壽命以及快充性能方面仍有待突破。找準電池研究方向，突破動力電池瓶頸，解決上述關鍵問題是未來各大電動汽車廠商必須攻克的技術難關。為此，廠商應與相關科研機構及高等院校聯合，加上政府的政策支持，才能突破動力電池瓶頸。

3.2基礎配套設施問題

電動汽車配套設施尤其是充電站、充電樁的建設仍處于起步狀態。目前，電動汽車推廣最大障礙是配套設施建設不完善。在我國，甚至還有相當多的城市沒有充電站。這需要政府與企業甚至個人聯手共同建設，同時，相關配套零部件產業也必須形成產業鏈共同發展，電動汽車才會有大規模推廣的可能。

3.3消費者認知度問題

中國作為發展中國家，燃油汽車尚未完全普及，消費者如何接受動輒十幾二十萬的電動汽車？即使政府補貼也少有消費者為之買單。這里以混合動力車型豐田普銳斯為例，百公里油耗平均在5.5L左右，較普通家庭用車節油30%。按照普通家庭一年行駛2萬公里計算，普通汽車百公里油耗8L，年油費12 000左右，普銳斯節省4 000元左右，根本無法抵消其購買成本。在推廣新能源汽車問題上，不能急于求成，新能源汽車不可能很快取代傳統汽車，兩者可能要共存幾十年。

提高人們對電動汽車的認知度，可以先從電動汽車市場占有率著手。具體來說，可以從3個方面突破：(1)在公共交通新增車輛上做文章，比如電動公交和出租車；(2)新增惠民政策，例如政府與電動汽車廠商聯合“以舊換新”，以舊車換購新的電動汽車，消費者可以得到比單獨出售舊車更多的實惠，同時做好電動汽車宣傳工作，聯合媒體以公益廣告的形式讓更多的人關注電動汽車；(3)挖掘城市新的消費群體，例如隨著城鎮化進程的加快和城市空間的擴展，產生了更多的城鎮居民和上班族，他們成為小型電動汽車的潛在消費群。

4　發展趨勢

4.1小型純電動汽車

小型純電動汽車降低了對行駛里程以及動力性能的要求，充電時間短，車速不高，價格便宜。由于小型電動車主要作用于真正的短途代步，它一次充電所達到的行駛里程完全滿足于多次的短途代步要求，再加上其車身體積小，非常適合城市使用。

4.2純電動汽車

目前，在純電動汽車受制于動力電池的情況下，可以適當采用混合動力汽車充當過渡產品。未來，當動力電池瓶頸得到突破，純電動汽車必將取代混合動力汽車。作為未來電動汽車發展的主要方向，各國都在積極布局，以獲取未來發展的空間。例如，IBM正在研制的鋰空氣電池，電池儲存的能量使電動汽車達到的里程與燃油汽車加滿一箱油所行駛的里程相當。再加上超級電容的使用，純電動汽車的續航將不再是問題。

4.3燃料電池汽車

燃料電池汽車無論是在使用成本上還是行駛里程上，都要明顯優于其他電動汽車，不僅燃料電池所用的燃料(甲醇、天然氣、氫氣)來源廣泛，而且它實現了無污染、零排放，所以燃料電池汽車已成為世界各大汽車公司21 世紀初激烈競爭的焦點。只要突破了其中的關鍵技術，燃料電池汽車必將走上新的歷史舞臺。

5　結束語

電動汽車的產業化將是未來汽車業發展的必然趨勢，電動汽車的研制和推廣，其意義不僅僅在于對環境資源的保護，同時也是衡量一個國家發展的標志。由于中國在傳統汽車領域不具備全球領先的技術優勢，但是在新能源領域，卻存在著巨大的機會。發展安全、環保的電動汽車，已經成為我國具有戰略意義的大事，必須抓住新機遇，集中科研力量，充分利用國外科研成果及經驗，提升我國傳統汽車技術及電動汽車技術，實現在汽車領域的跨越式發展，使我國汽車業進入全球領先行列。近年來，全球又面臨石油資源緊缺、大氣污染、溫室效應

的挑戰，對社會環境與經濟的可持續發展帶來了嚴重影響。發展節能、環保的電動汽車已成為世界汽車工業技術創新的主要方向和汽車產業可持續發展的必然選擇。

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ReviewonDevelopmentofElectricVehicle

WENYixiao,SONGChunhua

(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,XihuaUniversity,ChengduSichuan610039,China)

Developingelectricvehicle(EV)industrycanreducethepollutionoftheenvironment.Theclassificationandapplicationoftheelectricvehiclewereintroduced.Thecoreissuesinthedevelopmentofelectricvehicleswerepointedout.Theywerepowerbattery,energyrecovery,supportingfacilitiesandpolicies.Thegeneralsituationsofdevelopmentofelectricvehiclesathomeandabroadwereintroduced.Thefuturedevelopmenttrendofelectricvehiclewassummarizedandproposed.

Electricvehicle;Generalsituation;Powerbattery;Energyrecovery

2015-03-16

文亦驍(1990—)，男，在讀碩士,研究方向為精密儀器及機械。E-mail:wenyixiao098@163.com。