純電動汽車核心技術發展狀況

李飛泉，田玉冬，鄔建海

（1.上海理工大學，上海 200093；2.上海電機學院，上海 200240；3.上海眾力汽車部件有限公司）

純電動汽車核心技術發展狀況

李飛泉1，2，田玉冬1，2，鄔建海3

（1.上海理工大學，上海 200093；2.上海電機學院，上海 200240；3.上海眾力汽車部件有限公司）

闡述純電動汽車的核心技術發展狀況；分析動力電池、電力驅動、電控技術、能量管理四大方面的內容；展望純電動汽車技術發展的未來。

純電動汽車；動力電池；電力驅動；能量管理

據《世界汽車統計年鑒2015》預計，2015年世界汽車銷量將達到8797萬輛，其中中國地區占2 396萬輛。而據最新《全球氣候年度報告》，由于燃燒化石燃料，人類已將從工業革命以來大氣中二氧化碳濃度增加了40%以上，2014年成為有氣象記錄135年來最炎熱的一年，冰川持續消融了31年。為了兼顧汽車需求和環境保護，加上考慮化石能源的日益枯竭，發展新能源汽車成為最好的選擇。作為新能源汽車的重要一員，純電動汽車有著無污染、低噪音、高效率以及廣泛、幾乎無窮盡的能量來源，是未來汽車發展的重要方向之一。早在1873年Robert Davidson就制作了可供實用的純電動汽車，比Karl Benz早了10年以上。但由于當時在經濟上不及汽油汽車，純電動汽車得不到普及和發展。隨著它再次受到重視，其核心技術如動力電池、電力驅動及控制等技術將會得到長足發展。

1 動力電池

電池是電動汽車（下文中電動汽車均表示純電動汽車）的能量來源，現階段對于電動汽車無論在整車質量還是成本上，電池都占很大比重。這也是制約電動汽車發展的主要因素之一。目前動力電池的主要種類有：鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鎳氫電池、鈉硫電池。動力電池不同于其他商用電池，必須適應汽車使用過程中的惡劣環境。根據電動汽車電池的工作環境，動力電池應滿足以下要求［1］：①高功率密度；②高體積比能量和高質量比能量；③工作溫度范圍寬；④高倍率放電電荷的循環使用；⑤深度循環使用；⑥使用壽命長；⑦高安全性；⑧高可靠性；⑨價格比較低。

1.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池經過100多年的發展，技術已相當成熟，有著很高的可靠性和較低的成本。鉛酸電池具有良好的大電流輸出特性和較寬的溫度使用范圍，是使用非常廣泛的化學電源。但鉛酸電池的缺點也很明顯，比能量低和循環次數少，這使得鉛酸電池顯得特別笨重而且使用壽命低。目前，鉛酸電池主要應用在電動自行車上。

1.2 鋰離子電池

鋰離子電池是負極以碳素材料為主，正極以含鋰的化合物的二次電池。鋰離子電池有著高比能量、無記憶效應、自放電小、循環壽命長等特點，很適合作為動力電池。其突出的缺點是價格較高，但隨著技術進步、工藝完善和大規模的生產應用，價格問題將有望得到解決。

1.3 鎳氫電池

鎳氫電池正極為活性物質氫氧化鎳，負極為儲氫合金。鎳氫電池具有放電倍率高、循環壽命長、快速充電等特點，被廣泛應用于需要功率較大的消費型電子產品，如電動玩具、照相機。在汽車領域主要運用在混合動力車上。其主要缺點有：成本較高、比能量低、有記憶效應、自放電大。隨著電動汽車的發展，鎳氫電池也受到了廣泛關注，其能量密度有望得到大幅提高，價格也將進一步降低。

1.4 鈉硫電池

鈉硫電池是一種以熔融態金屬鈉為負極，硫和多硫化鈉熔鹽為正極，陶瓷管為電解質隔膜的二次電池。有著比能量高、轉換效率高、大電流充放電等優點。但其缺點也很明顯，首先保持電極在融融狀態，這需要額外的加熱保溫裝置。再者，金屬鈉與硫接觸將發生劇烈的放熱反應。一旦電池受外力破損或是內部陶瓷隔膜受損，后果將不堪設想。故鈉硫電池現階段主要用于靜態環境下，如電網的“削峰填谷”。若要在電動汽車動態環境運用，還需要有萬無一失的保護措施。

1.5 動力電池性能比較

電動汽車的未來很大程度上取決于動力電池的性能。為了便于選取，將上述動力電池的性能優缺點作比較，見表1［2］。

管理的任務是提升企業的復制能力和變革能力，管理的核心是要管理這些要素，同時也要讓這些要素根據變化去調整和積累。那么管理的最有效的手段是什么？管理的基本工具和方法是什么？

表1 各類動力電池性能比較

2 電力驅動

電動機是電動汽車的動力來源，不同于傳統汽油發動機，電動機能量轉換率高，低速時仍能輸出大轉矩，結構簡單，安全可靠。由于電動機的可逆原理，驅動電機還可以在減速過程中實現能量回收。現在用于電動汽車驅動的電機主要有：直流電機、交流異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機。電動汽車常常在極端溫度、極端環境中高負載運行，因此對驅動系統有著嚴格的要求［3］：①高能量密度1～1.25 kW／kg；②寬泛的速度調節范圍，一般為25%～100%最大轉速；③足夠大的啟動轉矩；④良好轉矩快速響應性；⑤良好的環境適應能力；⑥在大范圍的轉速、轉矩變化中保持高效率85%～93%；⑦能量回收轉換率高。

2.1 直流電機

直流電機是將直流電轉化為機械能的裝置，主要分為兩大類：繞組勵磁式和永磁式。其中繞組勵磁式分為他勵、并勵、串勵和復勵式，繞組勵磁電機容易實現大功率；永磁直流電機不用勵磁電流，效率較高，但由于勵磁場固定，機械特性不如繞組勵磁電機，并且功率受限制。直流電機是最早被發明的電機，技術已十分成熟，有著結構簡單、調速性能好的特點。

2.2 交流異步電機

交流異步電機又叫感應電機。當通入三相交流電，定子繞組產生旋轉磁場，轉子繞組受磁感應產生電流，并在旋轉磁場作用下受到電磁力，進而產生電磁力矩。交流異步電機有著結構簡單、成本低、堅固耐用、過載能力強、維護方便等優點，這很適用于電動汽車運行中遇到的各種惡劣環境。

2.3 永磁同步電機

三相永磁電機的轉子為釹鐵硼等磁性材料組成，定子為三相分布的繞組。永磁同步電機不需要傳統同步電機的電刷和肩環，具有結構簡單、功率密度大、效率高等優點，是理想的驅動電機。但目前受永磁材料的特性和加工工藝的限制，使得永磁同步電機功率小、恒功率區較窄，調速困難，且需要復雜的控制系統。

2.4 開關磁阻電機

圖1 開關磁阻電機結構圖

3 電控技術

3.1 直流電機控制方法

由于直流電機定子磁動勢和轉子磁動勢二者垂直，且二者可以單獨控制，彼此不受影響，故直流電機具有很好的線性調速性。直流電機主要通過晶閘管變流器提供可調的直流電壓調速，或是通過直流斬波器由DC／DC變換提供可變直流電壓調速。相比其他電機，直流電機在控制技術上有著簡單有效、成本低廉的先天優勢。其成熟的理論基礎也對其他電機的控制方案提供了參考。

3.2 交流電機控制方法

交流異步電機與永磁同步電機都是強耦合、多變量、非線性系統。傳統調速方法如改變極數、頻率、定子電壓等屬于純量的改變。但磁鏈、磁動勢都是空間方向的量，即矢量，如果控制這些矢量的大小和方向，則可使系統具有更優良的性能［4］。矢量控制的基本思想是將定子電流分解成勵磁電流和轉矩電流分量，通過坐標變換，模擬直流電機轉矩的控制方法對兩分量分別控制，來獲取像直流電機一樣的高轉矩響應。

另一種比較流行的控制方法是直接轉矩控制。它通過檢測定子電壓、電流，計算電動機磁鏈與轉矩，比較轉矩與給定值的差額，控制定子磁鏈矢量，從而實現轉矩的直接控制。矢量控制與直接轉矩控制都是已獲實際應用的高性能調速系統，表2［5］列出了兩種系統的特點和性能比較。

表2 直接轉矩控制系統和矢量控制系統的特點與性能比較

3.3 開關磁阻電機的控制方法

開關磁阻電機的控制變量一般有施加于相繞組的端電壓、相電流、開通角和關斷角等［6］，因此相應的控制方法有：電壓控制（VC）、電流斬波控制（CCC）、角度控制（APC）。電壓控制容易實現、成本低，但調速范圍小。電流斬波控制法可限制電流峰值的增長，適用于中低速調速系統；但在負載變動時，由于電流峰值受限，會使其動態響應緩慢。角度控制法有著轉矩調節范圍大的優點，并允許多相通電增加轉矩，適用于高速場合。

4 能量管理系統

由于單體電池無論從電壓還是電容量上遠遠達不到電動汽車要求，因此驅動電池一般由眾多電池以一定的方式串并聯而成。以特斯拉model S為例［7］，其電池包由8142節松下18650電池（3.6V／2.75Ah）組成。加上驅動電池經常處于大電流充放電狀態，內部溫度、電解質濃度、正負極活性物質成分都發生急劇變化，而這些因素會反饋影響電池性能。因此，驅動電池是一個高度非線性系統。加上現階段電池價格依舊偏高、相比電機等其他器件壽命不足等因素，必須對其精心保護，對其設置專門的電池管理（BMS）。BMS通過檢測電池的工作狀態如電壓、電流、溫度等，預測電池的SOC和SOH，避免出現過充、過放、過熱等現象，最大限度地利用電池。BMS主要任務及相應傳感器輸入和輸出控制表見表3［8］。

表3 BMS的主要任務

5 最新技術

5.1 最新電池技術

傳統電池在容量、壽命、充電速度上還有待提高，而新興的超級電容、石墨烯電池有望解決這些問題。

超級電容的基本原理和傳統電容器一樣，但其面積是基于多孔碳材料，可實現更大的表面積，實現更大的電荷儲存量。由于基本工作原理是電極／電解質界面的靜電應力，超級電容表現出高度的可逆性，能承受約100萬次循環周期［9］。故超級電容有著充放電速度快、比功率高、壽命長等特點，適合用于電動汽車，但存在比能量低的缺陷。據《德陽日報》報道，高能鎳碳超級電容器電池已于2015年10月21日舉行投產儀式，它將電池和電容進行了優勢互補，既有電池的高容量又有電容的快速充放電性質。相信在不久的將來這一問題將會得到解決。

石墨烯本身不能形成電池，而是作為鋰電池負極材料形成石墨烯電池。傳統鋰電池以碳質材料為負極，而碳質材料是以石墨烯為基本單元。鋰電池的儲能機制是靠鋰離子在石墨層吸附、脫落。據Suzuk計算，只有當兩片石墨層距離大于0.77nm時，單片石墨層可以雙面結合鋰離子［10］，但碳質材質的石墨層間距明顯達不到這一要求。直到2004年由英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體——石墨烯，這一難題才得到解決。理論上石墨烯將會使電極的鋰離子吸附能力翻倍。石墨烯電池有著電容量高、充電速度快的特點，目前還存在著壽命短的缺陷。隨著技術改進，石墨烯電池在電動汽車領域將大有作為。

5.2 新型電機

記憶電機又稱可變磁通電機。永磁電機由于通過永磁體勵磁，無需勵磁電流，故能量轉換率高。但也因此導致氣隙磁場難調節、恒功率區較窄、調速復雜。為了解決這一問題，可變磁通永磁電機應運而生，其結構如圖2所示。其永磁體為高剩磁、低矯頑力的永磁材料AlNiCo，通過施加脈沖電流，可改變其磁化狀態，從而改變氣隙磁場。根據脈沖電流的方式，記憶電機可分為交流脈沖磁型和直流脈沖磁型。記憶電機為永磁電機調速范圍的擴展提供了新途徑，并有望為電動汽車驅動電機提供新的選擇。

5.3 最新電控方法

5.3.1 模糊控制法

傳統的控制方法通過對系統進行建模，由自然規律得到相應的微分方程組，再通過解方程組得到傳遞函數或狀態函數，從而得到控制器響應函數。因此在理論上，這種方法得到的響應函數是精確的。但當系統為非線性或復雜系統時，由于人的局限性，在建立微分方程組或解微分方程組時不可避免地使用近似條件，這使得控制效果并不理想。而人的經驗在處理非線性或復雜系統時更具有優勢，用人的經驗得出的解決方法不一定是最完美的，但一定是有效實用的。模糊控制法采用的控制規律就是人的經驗，其具體步驟［11］為：①根據輸入精確值做模糊化處理，得到相應的模糊集；②根據模糊集規則庫中規則，對輸入模糊集進行模糊推理并得出輸出模糊集；③對輸出模糊集進行去模糊化處理，得到精確輸出值。

圖2 記憶電機結構圖

5.3.2 神經網絡控制法

人的大腦是由大量神經元連接而成的，具有極強的非線性復雜問題的處理能力。人工神經網絡系統從結構和功能上對人腦進行抽象化和簡化，在控制領域有著誘人的吸引力。神經網絡具有以下顯著特征［12］：①學習能力；②抗故障能力；③集成性；④并行性；⑤連貫信息表示；⑥與腦的類似性。神經網絡控制法最大的優勢在于它的學習能力，神經網絡通過修改加權系數，改變輸入從而改變輸出，達到預期輸出，實現學習。這使得它在復雜環境中有了自我調節能力，從而使得控制系統總是能達到良好狀態。神經網絡的學習算法有：Hebb學習算法、Widrow-Hoff學習算法、反向傳播學習算法、Hofield反饋神經網絡學習算法等。

6 電動汽車核心技術發展趨勢

近年來，電動汽車受到了廣泛關注，被越來越多的消費者接受，市場份額逐年攀升。電動汽車的電力驅動及電控、電池技術等將會得到迅猛發展。現階段動力電池的低容量、短壽命和高價格是制約電動汽車發展的主要因素。新型材料如石墨烯和新型電池如超級電容、空氣電池的加入，將會為動力電池的發展注入新的活力。

在電池技術短時間內得不到實質性進展時，充分利用電池的有限能源就顯得特別重要，這需要高效的能量管理系統。另外電池的壽命、電動汽車的安全性在相當程度上都依賴于能量管理系統，故能量管理系統必須得到重視。

電機經過100多年的發展，技術相對成熟。但不是每種電機都適合作為驅動電機，并且各種實用型的驅動電機還存在一些難以解決的問題。如直流電機有良好的調速性，但卻結構復雜、價格偏高；交流電機結構簡單、造價低，但卻調速性不佳。雖然隨著技術革新，傳統電機的缺點會有所改善，但新型電機擁有更明顯的優勢。如開關磁阻電機有著簡單的結構同時寬泛的調速范圍，綜合了直流電機和交流電機的優點；記憶電機繼承了永磁電機的高能量利用率同時又有著良好的調速性。

相比傳統發動機，電動機在調速性上要好得多，且啟動迅速，無熄火現象。目前較為流行的交流電機調速方法如矢量控制和轉矩控制還有待改進，新型調速方法如神經網絡控制、模糊控制在理論上還需繼續研究，實際應用中還有待推廣。

7 結語

本文通過對電動汽車核心技術的現狀及最新技術進行分析，得出如下結論。

1）動力電池性能上的不足是制約電動汽車發展的最大因素，只有當大容量、快速充放電、高安全性、低成本的電池出現時，電動汽車才將得到真正廣泛推廣。

2）性能優越的電源管理系統是對現階段電池性能不足的補充，并且在電動汽車安全性上有著至關重要的作用。

3）驅動電機的相關技術相對成熟，相比于傳統發動機有著絕對優勢。但在結構簡化、調速性優化、可靠性方面仍然有較大提升空間。

4）新技術新材料的引進對電動汽車技術的發展有著難以估量的作用，并可能從根本上解決相關難題。

［1］曾一新，劉軍.動力電池技術—電動車核心技術［M］.天津：天津大學出版社，2013.

［2］趙立軍.電動汽車結構與原理［M］.北京：北京大學出版社，2012.

［3］Zhang guirong，Zhang henghai，Li houyu.The Driving control of Pure electric vehicle［J］.peocedia environmental science，2011（10）：433-438.

［4］楊興瑤.電動機調速的原理及系統［M］.北京：中國電力出版社，1995.

［5］陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［6］孫冠群.控制電機與特種電機及其控制系統［M］.北京：北京大學出版社，2011.

［7］劉春娜.特斯拉電池技術及策略［J］.電源技術，2014，38（7）：1 201-1 202.

［8］陳清泉.現代電動汽車技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2002.

［9］Elzbieta Frackowiak，Qamar Abbas，Carbon／carbon su-percapacitors［J］.Journal of Energy Chemistry 2013，3（22）：226-240.

［10］T Suzuki，T Hasegawa，S.R Mukai，et al.H Tamon A theoretical study on storage states of Liions in carbon anodes of Liion batteries using molecular orbital calcu-lations［J］.Carbon，2003，41（10）：1 933-1 939.

［11］殷業.模糊控制的本質［J］.前沿科學，2015（1）：16-25.

［12］谷萩隆嗣.人工神經網絡與模糊信號處理［M］.北京：科學出版社，2002.

（編輯 心翔）

Review of Core Technology Development Situation of Pure-electric Vehicle

LI Fei-quan1，2，TIAN Yu-dong1，2，WU Jian-hai3
（1.University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China；3.Zhongli Corporation）

This paper demonstrates the current core technology development of pure electric vehicles，from perspectives of power battery，electric drive，electronic control and energy management；states the future expectation of this technology.

pure electric vehicle；power battery；electric drive；energy management

U469.72

A

1003－8639（2016）08－0006－04

2016-01-25

李飛泉（1991-），男，碩士，研究方向為新能源汽車驅動技術，E-mail：waterfalls_li@sina.com；田玉冬（1968-），男，博士，研究方向為復雜工業系統控制。