純電動汽車的特點及其關鍵技術

羅巍

【摘? 要】當下傳統燃油汽車的保有量日趨增加，國內外相繼出現了能源短缺的情況，發展新能源汽車成為各國汽車制造企業的重中之重。純電動汽車是新能源汽車的一員，與燃油汽車對比，它具有節能、環保的優點，有利于緩解能源稀缺、減輕大氣污染。而諸如電池核心技術、電機及電機控制、能量管理方法等關鍵技術的研究會是純電動汽車發展所面對的一系列問題。充電基站的建立以及量產使用也是未來電動汽車發展的核心部分。

【關鍵詞】能源短缺;純電動汽車;關鍵技術;產業化

1 純電動汽車的發展現狀與趨勢

1.1純電動汽車發展現狀

從全球主要汽車生產廠家的銷量和發展計劃來看，目前“低排放”汽車（主要指混合動力汽車）經過長時間的發展，技術最為成熟，已進入快速增長期，其銷量、增幅和占比都遠遠高于其他車型;隨著動力電池性能的提升及充電基礎設施建設的完善，“零排放”汽車（主要指純電動汽車）也逐漸走上產業化的道路，特別是小型純電動汽車更是發展迅速;燃料電池汽車在技術和經濟方面仍存在諸多瓶頸，其大規模推廣還存在相當的距離。目前的中國新能源汽車市場中，純電動車型的產銷增長是新能源汽車的主要驅動力。2018年國內純電動汽車的銷量占新能源汽車市場整體銷量的近八成。當下國產電動汽車代表主要有北汽、比亞迪、蔚來等知名品牌，全球純電動汽車代表主要有特斯拉、WEY、寶馬等汽車品牌。

1.2 純電動汽車的發展趨勢

純電動汽車的發展過程中存在著諸多挑戰，總的來說可以歸納為五點：電動汽車產能整體過剩;核心關鍵技術突破困難;充電基礎設施配套欠缺;電動汽車質量安全存憂;廢舊動力電池回收利用難。這五點問題的存在，使得純電動汽車的發展趨勢偏向于解決這五大難題。整車的發展方向是輕量化、舒適化、智能化;電池的發展方向是規模化、智能化、回收利用高效化;電機的發展方向是提升永磁電機效率和電機控制器功率密度;電控的發展方向是 IGBT產業加速擴張;配套的發展方向是充換電模式多樣化。

2 純電動汽車的特點

純電動汽車相較于傳統燃油汽車有著諸多的優點。首先，純電動汽車以電能作為能量源，可以實現“零排放”，不存在尾氣污染;其次，純電動汽車使用電機驅動，運行噪音小，汽車行駛平穩性更好;再者，純電動汽車的能量利用效率高于傳統內燃機;除此之外，純電動汽車使用單一的電能源，因此舍棄了傳統燃油汽車上的發動機、變速箱和油箱等構件，使得純電動汽車的結構更為簡單，汽車內部空間利用率更高。

雖然純電動汽車有著諸多優于傳統燃油汽車的優點，但是純電動汽車的核心技術仍不成熟，續駛里程較短、電池使用壽命不長是純電動汽車當下最需要克服的問題。

3 純電動汽車的關鍵技術

純電動汽車的關鍵核心技術有三個：一是動力電池，二是電機，三是控制系統。其中，動力電池最為關鍵，其性能指標和經濟成本決定了電動汽車的商業化進程。

3.1 核心技術之電機

電動汽車采用動力電池作為車載能源，大多數驅動系統都采用了能量回饋技術，即在汽車制動時，通過控制器將車輪損耗的動能反饋到電池中，并使電機處于發電狀態，將發出的電輸送到電池中。相比技術受制的電池而言，電動機的發展趨勢更為明朗一些。從現已成熟的電動機技術來看，開關磁阻電動機在各個技術特性方面似乎更符合電動車的使用需要，但尚未得到普及;永磁同步電動機已經開始裝配在一些量產車上，例如騰勢、寶馬i3，應用較廣泛的是異步電動機。此外，如果按電流類型劃分還可分為直流電動機和交流電動機兩種。

3.2 核心技術之電池

電池的分類從廣義上講主要可分為化學電池、物理電池和生物電池三大類，其中化學電池和物理電池已經應用于量產電動汽車中，而生物電池則被視為未來電動車電池的重要發展方向之一。化學電池是目前電動汽車領域應用最為廣泛的電池種類，如鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池、燃料電池等都屬于這一范疇。

鉛酸蓄電池自1859年由普蘭特發明以來，至今已有150多年的歷史，技術十分成熟，是全球上使用最廣泛的化學電源。其具有大電流放電性能強、電壓特性平穩、溫度適用范圍廣、單體電池容量大、安全性高和原材料豐富且可再生利用、價格低廉等優點，但它體積大和重量沉的缺點一直無法獲得有效的改善。

鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，電量儲備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環境無污染。鎳氫電池比碳鋅電池或堿性電池有更大的輸出電流，相對更適用于高耗電產品。同時鎳氫電池較不明顯的記憶效應、循環壽命長。鎳氫電池的缺點是價格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差，同時鎳氫電池的耐高溫性能差。

在應用于電動汽車的商業電池中，鋰離子電池占有最大的份額，雖然其從1970年誕生至今時間并不算長，但憑借能量密度高、循環使用壽命長等特點迅速占據了電動汽車電池市場的絕大部分江山。如今，在售電動汽車配備的鋰電池主要有磷酸鐵鋰電池及三元鋰電池兩種。磷酸鐵鋰電池在能量密度約為100-110Wh/kg，其熱穩定性是目前車用鋰電池中最好的;三元鋰電池在能量密度上要高出許多，約為200Wh/kg。

化學電池種類繁多，除了上述幾種電池之外，還有使用壽命有著“終極蓄電池”之稱的空氣電池、作為鋰電池的后起之秀的鈉硫電池等等。

物理電池是依靠物理變化來提供、儲存電能的電池統稱，如超級電容、飛輪電池等都屬于物理電池的家族成員。超級電容器不同于傳統的化學電源，是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源。其功率密度高、充放電時間短、循環壽命長，可以反復充放電數十萬次、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種。

3.3 核心技術之控制系統

純電動汽車控制系統主要由三大控制器組成，分別是整車控制器（Vehicle Control Unit）、電機控制器（Motor Control Unit）、電池管理系統（Battery Management System）。整車控制器VCU是實現整車控制決策的核心控制單元，對電動汽車的動力性、經濟性、安全性及舒適性有很大影響。電機控制器MCU 是控制主牽引電源與電機之間能量傳輸的裝置。電池管理系統BMS是銜接電池組、整車控制器和驅動電機控制器的重要紐帶，是動力電池組的核心技術，也是整車企業最為關注的核心技術。

4 結論與展望

隨著居民消費層次多元化發展和環保約束的升級，電動汽車市場需求進一步增加，市場整體規模將繼續擴大，有望超過傳統燃油車成為市場主流。現階段電動汽車發展逐漸由政策引導轉為市場牽引，上游材料成本的增加及下游補貼減少的雙重夾擊，造成電動汽車行業新一輪洗牌，產業增速趨緩，將逐漸回歸到理性的市場定位。未來，電動汽車的發展趨勢主要聚焦于整車一體化開發、核心零部件和關鍵技術的提升以及下游基礎設備的配套發展。

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