電動汽車的技術現狀及研究綜述

摘 要：此篇通過查閱目前世界最前沿的電動汽車技術現狀，客觀總結出電動汽車的技術現狀及發展趨勢。著重介紹電動汽車的關鍵技術，其中包含了動力電池、電機控制理論技術、電動汽車驅動電機、電池管理系統、燃料電池、充電設施及能量再利用系統。由于我國目前的車輛占有量很大，但車輛的飽和率較發達國家還相差甚遠，所以對于我國而言，車輛的需求量還有很大的空缺，而目前中國的國情已經非常注重青山綠水的回歸，所以真切的發展新能源汽車越來越符合國內政策。本篇也對電動汽車的發展趨勢進行了展望，也提出了一些實質的建議，希望通過政府、車企、科研機構、高校及制造裝配工人的多方融合，得以得出適合中國國情的電動汽車制造政策及措施，盡快的將中國制造2035得以落實。

關鍵詞：電池管理系統 電動汽車 電機控制 能量再利用系統 燃料電池 充電設施

1 引言

目前由于人們的生活水平逐步提升，人們的日常生活對汽車的需求也越來越強烈，在最新統計數據顯示，截止2018年底，全國機動車的保有量已有三億輛之多。在這么大的保有量前提下，能源問題及環保問題就會凸顯出來，早在2015年的時候，全球的石油供需關系已經出現了缺口問題，而目前我國的人均車輛保有量仍然很低，但我國的石油主要依賴于進口，所以面對這樣的現狀，我國必須發揮我國的優勢，比如我國的電能及電網來發展我國的新能源汽車這一符合我國基本國情的產業。那么新能源電動汽車的關鍵技術如動力電池、電機控制理論技術、電動汽車驅動電機、電池管理系統、燃料電池、充電設施及能量再利用系統就得進行技術突破。

2 動力電池

動力電池顧名思義也就是為整車提供能量的源頭，相當于內燃機車的燃油，其相關技術一直制約著該行業的發展水平，目前主要的影響因素有比能及比功率等，而這些指標又影響著車輛的動力性及續航里程。現階段，我國電動汽車動力電池存在缺乏評價系統及對電池潰乏深度分析體系，目前已經投入資金進行基礎建設的配套，建立相關的電池評價體系。

作為電動汽車用途的動力電池，有著諸多的評價指標，如：高安全性、使用年限、循環充電次數、結晶率、比能量及比功率等。目前該領域常用超級電容、鎳氫電池、燃料電池、鋰離子電池及鉛酸電池等來作為動力電池的研究對象。

日本早在上世紀末就加大力度進行鎳氫電池的研發，并在該國車型普銳斯中得以展示，鎳氫電池有著一些難以克服的缺點，諸如比能量值較低、而且電池必須原料（氫氣）的儲存是一大問題，故而普銳斯轉變目標發展混合動力，將動力電池只是作為了輔助動力源。而之后隨著鋰離子電池的技術更新，原材料及相關制造工藝流程的簡化，鋰離子電池也進入了量產階段，故而在普銳斯上用鋰離子電池替代了原有的鎳氫電池。鋰離子電池較其他電池而言，有著高的比功率及比能量值，質量較輕，大倍率充電及低溫高性能等優良特性。運用鋰離子電池的車輛有著高的續航里程及良好的動力性能，但其制造成本還是相對較高。目前運用鋰離子電池作為動力源的車型（含之前的車型）有雪佛萊Volt、豐田Prius、日產Leaf、比亞迪王朝系列車型（唐EV、元EV、宋EV）、特斯拉全系車。一般鋰離子電池在整車使用下可達十年之久，按照特斯拉及比亞迪鋰電池售后維修來推斷，循環800次的保容量可達百分之八十，循環2000次的保容量可達百分之五十。我們可以推算一下，按正常使用一周充電一次，如果續航五百公里，一年也就是循環52-53次，按每次保有量逐步下降，一年充放電初步按80次來算，百分之八十的高保有量也能滿足十年，如果按低保有量百分之五十來算，使用壽命可達二十多年。不過如果原有續航里程小于二百公里的話，隨著保有量的降低，很難滿足日常生活的需要。

現將鋰離子電池、鉛酸電池、鋰聚合物電池、鎳氫電池及超級電容的安全性、循環壽命、比能量、再循環能力、比功率等性能比較如表1所示[1]。

燃料電池也算是公認的最理想電池，比能量及比功率都較為理想，能量轉化率之高、安全可靠性能高。其化學反應原材料非常豐富，最主要在反應過程中及反應后都沒有影響環境的排放物，真正的實現了零污染。早在國家“十二五”及“863”計劃就給了燃料電池很大的政策及資助，但由于氫氣貯存的特點及科研體系之龐大，很難在短時間收到成效。

3 電機控制理論技術

由于電動汽車的調速及變向都是由電機控制系統來完成的，那么電機控制系統也就向著數字化、集成化及智能化的方向去發展，目的是能夠更便利、更節能、更穩定、更精準的去實時適應所在及所需工況下的調節，電子控制技術得以較大的發展，各類電控CPU及ECU的功能也越來越強大。一般電機控制裝置有斬波調阻、斬波調壓及最新的IGBT類型。IGBT稱為絕緣柵雙極型晶體管，由絕緣柵型場效應管MOS和雙極結型晶體三極管BJT組合而成的一種電壓驅動的復合全控式功率半導體器件，具有自導通和關斷的特征（簡單說就是一個要不通要不斷的開關，導通作為導線，斷開作為開路;有驅動功率小和飽和壓降低的優點）。IGBT是能源傳輸及轉化的核心元器件，采用其進行功率轉化可以提高用電經濟性，其在新能源汽車上主要運用在以下幾方面：

1.車載空調控制系統，一般是小功率DC/AC逆變;

2.電動控制系統，一般用在大功率DC/AC逆變后驅電機;

3.充電樁，一般在智能充電樁上用作開關元件使用。

采用IGBT電器元件可以簡化控制電路，提高系統控制的穩定性，目前控制方法常采用轉矩控制、矢量控制及變頻調速控制等。汽車電氣控制系統中包含有電子控制單元，而它是要通過其他電子元器件實時感知并傳輸車輛運行的實際工況，進而進行數據分析及相關運算，這種運算就是基于控制算法，該控制算法包含了矢量控制、轉矩控制、模糊控制、神經網絡控制、調速控制、隨機線性最優控制。也就是運用不同的控制規律和模型所對應出來不同的控制特性，從而選出對整車續航及動力性最優的一種[2]。表2列舉了不同控制方式電機的優缺點對比。

4 電動汽車驅動電機

直流電動機由于其結構簡單，相關控制技術非常成熟以及最主要的良好的轉矩控制特征，使得直流電動機一直作為很重要的研究對象，大多用在較大型的設備上，但是直流電動機笨重而龐大的體積不利于電機在各個行業的應用（其他行業大多需要體積小、質量輕、成本小、效率高及可靠性高的電動機），所以從本世紀初期我國也開始大力進行直流電動機到交流、開關磁阻及永磁電動機的轉型研發。

目前我們見到的電動汽車上使用的電機有：交流感應電機（IM）、直流電機（DCM）、永磁同步電機（PMSM）、開關磁阻電機（SRM）及無刷直流電機（BLDCM）。其中永磁同步電機（PMSM）及無刷直流電機（BLDCM）的電機功率密度、效率、尺寸、質量及綜合性能相較其它而言較好。直流電機（DCM）就控制性能及操作性好些，但電機功率密度、轉矩轉速特性、效率、成本等都很差。交流感應電機（IM）成本相較低，其它性能平平庸庸。開關磁阻電機（SRM）的調速范圍較寬、質量輕、體積小，但成本較高，控制性也很一般。運用不同的控制規律和模型所對應出來不同的控制特性，從而選出對整車續航及動力性最優的一種，盡可能電機結構簡單、體積小、成本低、響應快、易操作、控制性能高及抗干擾能力強，提高整體綜合性能。

5 電池管理系統

電動汽車的動力電池除了滿足標定電壓以外，為了提供更大的續航里程就需要通過串聯加并聯的方式來完成電池模塊的組裝連接，為更好地為電動汽車提高動能，各小模塊的組合需要通過電池管理系統SOC（state of charge）來進行對各組合小模塊進行監測電量、工作狀態及均衡供出的電量，可以使得動力電池永遠處于理想狀態。精確度及管理模塊數量是評價電池管理系統的重要指標，特斯拉電動汽車之所以比國內的電動汽車性能優良（光說動力性及續航能力），是由于特斯拉的電池管理系統所管理的電池模塊數量遠大于國內車型，控制精度可以精確到0.001V，比國內的電池管理系統雖說精確了一位，但是這精確地一位是很難突破的技術難關（實驗室可以進行精確控制，由于控制的穩定性不穩定，導致量產的能力還是沒有）。目前我國對電池管理系統的研究很多，有基于CAN總線的電池管理系統研究、建立動力電池動態測試工況試驗平臺、復合能源系統（蓄電池+太陽能+超級電容）等，以上這些研究有理論性的研究也有實驗性的研究，通過這些研究也提高了我國對電池管理系統水平的認知。早在前幾年，由韓國科研小組開發出來了高性能鋰空氣電池系統，其續航里程高達八百多公里，有望在未來幾年進行量化生產，這無疑是對電動汽車技術的一次推進。

6 充電設施

目前電動汽車的充電分為慢充、普充和快充三種，一般慢充大概6-8小時;普充2-4小時;快充大約半小時，在短短十分鐘可以完成百分之七十電量的恢復，但是越快的充電對電池的危害越嚴重，壽命會越短，該方式可以在已有的加油站、充電站及服務區進行疊加。還有一些專家提出了動力電池更換的方式，就好比一個換電池站，每輛車更換電池流水工作時間只需要5分鐘左右，該流程所需時間也能滿足人們日常生活需求，但是所需備用動力電池型號及數量之多，目前難以完成。還有目前新建小區都會預留充電樁接口或者直接安裝充電樁，以方便電動汽車的充電便捷性，這種方式的最大優點就是簡單、方便、投資少，同時大大縮小了動力電池的結晶率;唯一不好的就是充電需要6-8小時，不過下班回家充電，上班也就充好了，適合普通家用。

上邊我們提到的在停車場、小區進行充電的方式稱為分散充電管理模式，該模式投入小、能滿足人們需求及提高車輛的利用率，但是后期的維保運營成本較高。而上邊提到的依據現有的加油站、充電站及服務區進行疊加建設充電樁的模式稱為集中充電管理模式，該種模式有較高的專業性服務，可以更好的確保電池的使用壽命，較適合于營運車輛，同時還可以采集多類電動汽車的實際運行數據并為之后的研發做數據的積累，但該種方式的建設投入較大，需要政府的大力支持。

7 能量再利用系統

能量再利用系統就是指在制動、下坡等運行工況下對損耗的能量進行回收，這種理論在提高主動安全性能的同時可以對損耗的能量進行回收，該情況下，電動機轉變為發電機，通過逆變器進行AC/DC的轉換再回充到蓄電池上，提高車輛的續航能力。

8 結語

本文就新能源電動汽車的關鍵技術如動力電池、電機控制理論技術、電動汽車驅動電機、電池管理系統、燃料電池、充電設施及能量再利用系統進行綜述，總結以下觀點：

1.電池性能好壞直接影響著電動汽車的性能，所以努力研發動力電池是重中之重，我們科研人員應該致力于改進目前動力電池鎖存在的缺陷問題，比如：安全性、循環壽命、比能量、再循環能力、比功率及成本等一系列動力電池性能。

2.目前我國也采用了交流電機，但是我們對交流電機的性能還是研究的不夠深入。而目前采用的電機控制元器件如IGBT的核心部件晶體管的研究較日本等國比較落后，常采用進口來滿足市場需求，所以我們應大力研究補足缺板技術。

3.電池管理系統SOC是基于動力電池及電機之上的一種重要技術，它的性能直接決定著電池的使用壽命，續航能力。所以我們也應該在該領域的控制容量及精確度上有所重大突破。

4.能量再利用系統對于提高經濟性、提高制動的安全性及提高車輛的續航能力起到很關鍵的作用，所以該技術的突破也會對電動汽車整車性能提升有非常重要的意義。

5.加大政府的基礎性建設，提升集群化管理能力及機制會對該領域的數據庫建設及專業人才培養上有顯著意義。

參考文獻：

[1]Richardson P，Flynn D，Keane A.Optimal charging of electric vehicles in low-voltage distribution systems[J].IEEE Transactions on Power Systems，2012，27（1）：268-279.

[2]孟源.汽車主動懸架系統的控制技術探索[J].內燃機與配件，2020，301（01）：11-12.

[3]王丹，續丹，曹秉剛.電動汽車關鍵技術發展綜述[J].中國工程科學，2013，15（01）：68-72.

[4]王錫凡，邵成成，王秀麗，杜超.電動汽車充電負荷與調度控制策略綜述[J].中國電機工程學報，2013，33（01）：01-10.

[5]王旭，齊向東.電動汽車智能充電樁的設計與研究[J].機電工程，2014，31（03）：393-396.