新能源電動汽車關鍵技術發展現狀與趨勢

王旭

新能源電動汽車關鍵技術發展現狀與趨勢

王旭

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

隨著技術的發展，新能源汽車越來越被大眾認可，文章論述了新能源汽車的概念與發展現狀，闡述了插電式混合動力汽車、燃料電池汽車存在的問題，并分別介紹新能源汽車的關鍵部件，驅動電機、電池、電池管理系統的發展概況，并且展望了未來的發展趨勢，其生產工藝與效率必將大大提升。

新能源汽車；混合動力；氫燃料

引言

隨著技術的發展，新能源汽車逐漸被大眾所接受，但是其關鍵技術也待于突破，國內外均制定了發展計劃，本人對前人研究進行總結，并且提出自己對未來發展的看法。

1 新能源汽車的概念與發展現狀

1.1 新能源電動汽車概念

新能源汽車是指除利用傳統汽油、柴油等化石燃料提供動力的汽車。按照中華人民共和國國家發展與改革委員會公告定義，新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源（或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進，具有新技術、新結構的汽車[1]。

新能源汽車包括四大類型，混合動力電動汽車（HEV）、純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車（FCEV）、其他新能源（如超級電容器、飛輪等高效儲能器）汽車等。

1.2 新能源電動汽車的發展現狀

1.2.1新能源汽車較傳統燃油車的優點

1.2.1.1 更節能環保、排放低，經濟性好

新能源汽車多采用純電動或者混合動力、還有燃料電池系統為汽車提供動力。純電動與燃料電池汽車零排放，其污染極低，符合我國民保護環境的理念，混合動力汽車只有在加速、爬坡、電池電量不足的情況下，發動機參與工作，其也大大減少尾氣的排放，電能的價格更低，經濟性更優。

1.2.1.2 運行平穩、噪聲低、舒適性好、傳動系效率高

新能源汽車采用電動機直接驅動汽車，在怠速、或者等交通信號燈的情況下，一些汽車應用自動啟停技術，控制發動機熄火，既降低排放，又減弱噪聲，啟動工況時，電機經電池直接供電，其噪聲極低，提高乘坐舒適性，并且傳動更加高效。

1.2.2目前存在的問題

1.2.2.1 插電式混合動力充電問題

目前我國除大中心城市外，大多城市充電設施不完善，這也從某種程度上制約的新能源汽車的發展，其續駛里程短，并且由于電池技術待于突破，充電速度也受到限制。

1.2.2.2 電池更換、維修成本，安全問題

在新能源汽車整體結構設計中，電池是重中之重，其價值也占汽車的很大比重，在新能源汽車運行一定年限后，其電池效率下降，其更換成本較高。由于電池內部容易在汽車運行過程中受到多方面的影響，如溫度、壓力、內部結構發生形變等因素，電池可能發生泄漏，自燃等事故，新能源汽車在于不可控因素可能導致重大安全問題。

1.2.2.3 燃料電池汽車

燃料電池汽車其利用化學反應，產物為水，無污染，并且續駛里程相較于電動汽車有較大提升，能滿足較大的路程的需求，我國目前燃料電池汽車應用較少，但隨著技術發展，其有著強大的市場需求。燃料電池商用車方面，中國部分車企目前已進入量產階段，在國家相關政策及行業的不斷推動下，中國燃料電池商用車2020-2025年將進入區域成熟階段，2025-2030年將進入爆發式增長階段。燃料電池乘用車方面，預計2020-2025年將會進入階段量產階段，預計2025年中國燃料電池商用車產量將達到30000輛，2025年后將進入規模化發展階段[2]。

圖1 我國氫能生產與消費格局

2 新能源汽車關鍵技術

2.1 驅動電機技術

2.1.1電機主要類型

直流電動機：是較早應用在電動汽車上的驅動電機，技術比較成熟，其轉速較低，有著復雜的機械結構，控制比較容易。調速范圍廣，早期應用較廣。

交流異步電機：其結構更為簡單，運行可靠，耐用，工作效率比直流電動機高，因為它的高工作效率、高速運行性能優越，交流異步電機在較大功率電動汽車上得到廣泛應用。

圖2 OFweek產業研究院預測

永磁式電動機：分為無刷直流電機與永磁同步電機，這兩種電機在結構和工作原理上大體相同，轉子都是永磁體，減少了勵磁所帶來的損耗，定子上安裝有繞組通過交流電來產生轉矩，所以冷卻相對容易。由于這類電機不需要安裝電刷和機械換向結構，工作時不會產生換向火花，運行安全可靠，維修方便，能量利用率較高。同時，轉子上的永磁材料在高溫、震動和過流的條件下，會產生磁性衰退的現象，所以在相對復雜的工作條件下，永磁式電機容易發生損壞。而且永磁材料價格較高，因此整個電機及其控制系統成本較高。[3]

開關磁阻電機：作為一種新型電機，相比其他類型的驅動電機而言，開關磁阻電機的結構最為簡單，定、轉子均為普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結構，轉子上沒有繞組，定子裝有簡單的集中繞組，具有結構簡單堅固、可靠性高、質量輕、成本低、效率高、溫升低、易于維修等諸多優點。而且它具有直流調速系統的可控性好的優良特性，同時適用于惡劣環境，非常適合作為電動汽車的驅動電機使用。[4]

2.1.2驅動電機未來發展趨勢

新能源汽車驅動電機小型化、輕量化趨勢，近年來將電動汽車驅動系統一體化研究進步很大，將驅動電機，逆變器，減速器集成化，可以降低成本，實現小型化、輕量化。

智能化，隨著單片機微型處理器的發展，對電機的智能化控制越來越強，各種算法也可以得到應用，電機的工作性能可以得到更好地發揮。可以擁有自我更新、自我適應等功能。

驅動電機是新能源汽車的核心部件，隨著汽車對動力的要求越大，電機的發展應著重于高速度、高效率、低噪聲、低成本，提升電機的轉矩和功率密度。將驅動電機與減速器直接集成為模塊化，可降低重量、體積，又可以提升電驅動的NVH水平。

對電機的控制器進行集成化設計，與多種控制器的功能集成，會提成電機的工作效率、功率密度。

2.2 電池技術

電池是電動汽車的動力來源，它的性能直接決定著汽車的動力性與續駛里程。

2.2.1電池的發展現狀

汽車動力電池大體可分為三種，鎳氫電池、鉛酸電池、鋰離子蓄電池，鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，多數用于混合動力車型；鉛酸電池是一種電極主要有鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池；鋰離子蓄電池是一種二次電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作，是當今主流的新能源汽車動力電池的主要類型。鈷酸鋰電池是運用最早的鋰電池，容量密度大，但是安全性、穩定性較差，在電子產品領域應用較多，因為其安全穩定性差，不太適合大多數新能源汽車，但是因為其超強的續航能力，也得到的一些企業的應用。磷酸鐵鋰電池在國內新能源汽車運用廣泛，它的最大優勢在于安全穩定性和壽命，其超越大多數鋰電池，但是比較低的能量密度，續駛里程低限制了它的應用。

2.2.2動力電池發展趨勢

通過電池界面基因組（BIG）－材料加速平臺（MAP）計劃等，采用人工智能（AI）大幅度減少電池材料的開發周期。加速電池新材料和新化學體系的開發過程。

開發新型傳感器，將其嵌入電池包中，實時監控電池的溫度、壓力等健康狀態，提升其安全性，采用可自動愈合的材料等，提升電池恢復能力，延緩電池容量衰減的速度，提升其續駛里程，延長使用壽命。這樣可以整合開發各種傳感技術在電池中以實時傳遞信息（如溫度、壓力，應變，電解質成分，電機膨脹度，熱流變化等）[5]。

2.3 電池管理系統

2.3.1電池管理系統的作用

電池管理系統是動力電池與新能源汽車連接起來的途徑，電池通過電池管理系統的有效管理，可以在高效區間工作，并且保證安全性。其可以準確地估算SOC值，避免電池出現過充過放現象，保護電池，能夠準確地測算荷電狀態。

動態監測電池的狀態，在電池整個生命周期中，對每一塊單體電池的溫度、電流、電壓進行監控，實時測量，及時將信息傳遞給ECU，保證整組電池運行的可靠性、安全性。

單體電池間的均衡，在電池充電狀態，可以將各個單體電池的電量保持一致，使其達到平衡，避免過充。

2.3.2電池管理系統發展趨勢

電池管理系統的SOC估算是非常重要的一個環節，其值的準確性保證了電池的安全性，避免過充過放，SOC、SOH、SOP的估算精度是未來發展的技術重點，對提升電池的性能至關重要[6]。

主動均衡技術，目前應用的多是被動均衡技術，雖然它的成本偏低，但是效果不是很好，隨著研究的深入，主動均衡技術會逐步占領制高點。

電池管理系統自診斷，BMS需要對自身進行良好的自檢，有效地預防故障的出現，及時報錯，當電池出現故障時，能準確的確定原因、位置，進行防控。

3 結語

首先介紹了新能源汽車的概念，比較與傳統燃油車的優點，闡述了我國氫燃料電池汽車有著廣闊的發展前景，系統總結了目前電動機、電池等關鍵技術的發展現狀，并提出自己對未來發展的觀點。

[1] 呂純池.新能源電動汽車核心技術發展現狀與趨勢綜述[J].科技與創新,2020,17:80-81.

[2] OFweek產業研究院《2020年中國氫燃料電池汽車市場分析報告》[EB/OL]. (2020-01-20). http:// research.ofweek. com/2018-05/RET- 10658.html.

[3] 劉世哲.四相8/6極開關磁阻電機調速系統設計及優化[D].石家莊:河北科技大學電氣工程學院,2016.

[4] 劉世哲.四相8/6極開關磁阻電機調速系統設計及優化[D].石家莊:河北科技大學電氣工程學院,2016.

[5] 詳解歐洲2030年電池計劃[EB/OL].(2020-03-09).https://mp.weixin. qq.com/s/9X-S-08s7wwUBKGuDMAyIg.

[6] 汽車學堂.電池管理系統關鍵技術與發展趨勢.[EB/OL].（2019-01- 28).https//mp.weixin.qq.com/s?Src=11×tamp=1600154398&ver=2585&signature=HHU8vil3uzCstd1NBHvImK8MO2kIoYgKPVv-8oG3ARfUJ2m5LXAFH2-WVX*TeTNH79*PmjbZKAj8jwHSz4ue*z3bLFndYpdnn3QM9q4wtbIIhbgCpDBbydFGW5lenX&new=1.

Development Status and Trend of Key Technologies of New Energy Electric Vehicles

Wang Xu

( School of Automotive and Transportation Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121000 )

With the development of technology, new energy vehicles are more and more recognized by the public. This paper discusses the concept and development status of new energy vehicles, expounds the problems existing in plug-in hybrid vehicles and fuel cell vehicles, and introduces the development situation of key components of new energy vehicles, such as drive motor, battery and battery management system, and looks forward to the future development trend, whose production process and efficiency will be greatly improved.

New energy vehicle; Hybrid power; Hydrogen fuel

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.005

U469.7

A

1671-7988(2021)07-13-03

U469.7

A

1671-7988(2021)07-13-03

王旭，碩士研究生，就讀于遼寧工業大學汽車與交通工程學院，主要研究方向：新能源汽車驅動與驅動控制技術。