電動汽車技術原理及發展展望 Technical Principles and Development Prospects of Electric Vehicles

徐繼勇 XU Ji-yong

摘要： 社會在不斷發展，通過開發和消耗大量能源來滿足快速發展的社會的需要，正在引發全球能源危機。大量能源消耗產生的廢氣和廢物造成水污染、土壤污染、空氣污染和全球變暖，嚴重破壞生態環境。電動汽車的發展越來越快，市場越來越成熟，智能電網的建設也為電動汽車的發展提供了條件。電動汽車的充電行為對電網建設提出了更高的要求，充電需求是當今亟待解決的問題。本文介紹電動汽車充電技術，分析應用現狀，探討發展趨勢。

Abstract： The society is constantly evolving， and the development and consumption of large amounts of energy to meet the needs of a rapidly developing society is triggering a global energy crisis. Exhaust gas and waste produced by a large amount of energy consumption cause water pollution， soil pollution， air pollution and global warming， and severely damage the ecological environment. The development of electric vehicles is faster and faster， the market is becoming more and more mature， and the construction of smart grids also provides conditions for the development of electric vehicles. The charging behavior of electric vehicles puts forward higher requirements for the construction of the power grid， and the charging demand is an urgent problem to be solved today. This article introduces the charging technology of electric vehicles， analyzes the application status， and discusses the development trend.

關鍵詞： 電動汽車;充電技術;應用現狀;發展趨勢

Key words： electric vehicle;charging technology;application status;development trend

中圖分類號：U461? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0174-02

0? 引言

當今世界正處于能源危機之中，工業的發展造成資源的過度消耗和不可再生資源的稀缺。環境保護和減排受到極大威脅，是人類社會生存和發展的必然選擇。隨著石油危機和化學燃料的使用引起的環境問題增多，各國開始意識到能源轉型、節能減排正成為汽車發展的主要方向，以及如何發展汽車技術以實現目標節能減排問題成為汽車發展的難題。

1? 國內外發展現狀

1.1 國內電動汽車發展概況

1.1.1 純電動汽車? 將高效二次電池應用于純電動汽車時，可為行駛提供動力源，而純電動汽車與傳統汽車相比無需使用內燃機。純電動汽車具有以下優點：實現零排放、結構簡單、能效高、乘坐舒適度高。在應用純電動汽車的過程中，油耗率低，降低了經濟成本，用戶在使用純電動汽車時，只需在夜間將電池充滿電，平衡電網負載。純電動汽車具有上述優點，但其缺點也嚴重影響了其使用。充電過程需要很多時間，同時在應用動力電池的過程中需要大量資金，行駛距離短，消耗動力電池。用于能量多、間隙大的高速階段的內燃機汽車和純電動汽車。

1.1.2 混合動力汽車? 混合動力汽車具有同時安裝的動力源和熱動力源，構成混合動力汽車，其包括小型內燃機和可為電動汽車提供電力驅動的電池。電動汽車的優勢在于內燃機可以在最佳工況區域內實現穩定運行，提高燃料利用率，降低噪音污染。在控制能耗的過程中，電機可以回收一定的制動能量，將純電動模式應用于停車等環節有助于實現零排放。缺點是制造雙動力系統需要大量資金和技術，內燃機燃燒是產生發電能量的基礎，無助于改善環保，長期運行能耗大低于傳統汽車，同時汽車內部系統過于復雜，不利于后期維護和保養。

1.1.3 當太陽能被利用和轉換時，會形成大量的電能，可以驅動電動汽車。在電動汽車領域，太陽能汽車已經形成了獨立的分支。太陽能電池板是太陽能汽車的關鍵部件，在運行過程中可以自動跟蹤太陽的方向并吸收輻射能。

1.2 國外電動汽車發展現狀

1996年4月，歐盟（EU）啟動了基于先進電池技術的電動汽車示范工程，專門為此設計了16輛配備斑馬電池的電動汽車。持續了3年多。在演示期間，共有10輛OPELAstraImplus和6輛RENAULTEExpress車輛行駛了超過600，000公里。在示范期間，收集了大量的如能耗，續航里程，以及用戶反饋信息數據，確保了項目評估。

演示期間，所有車輛都將配備容量為433kW·h，能量密度超過80W·h/kg的斑馬電池，可有效保證車輛實際行駛里程超過120公里，有效保障日常使用。車輛在白天使用時無需充電，而在夜間充電，電力消耗低，可以降低充電成本，提高充電站的配電和發電效率。示范車可充電230V/16A標準電壓，無需額外輔助充電設備。車輛具有制動能量回收功能，僅在緊急制動時才進行制動。尤其是，其被評估車輛的加速性能良好時，有在駕駛時無噪音。該車輛具有一個長范圍的165-180公里一次充電和用戶都非常滿意的電池和充電操作。

2? 電動汽車的種類及特點

燃料汽車每年消耗世界石油產量的一半以上，近年來不斷上漲的油價表明人類可用的化石能源稀缺是造成它的原因。基于以上原因，電動汽車逐漸成為人們關注的熱點之一。電動汽車主要分為純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車三種。純電動汽車是完全由二次電池（如鉛酸電池、鎳氫電池、鎳氫電池或凱恩離子電池）供電的車輛。混合動力汽車是純電動汽車發展過程中為市場化而生產的新車型。一般采用內燃機和電動機，通過先進的控制系統將內燃機和儲能裝置（高性能電池、超級電容器等）結合起來，為車輛行駛提供必要的動力。混合動力汽車最明顯的代表可以說是豐田凱美瑞，它開創了油電混合動力新技術，并大量植入車輛，以期從根本上消除交通對石油資源的依賴。商業廣告開啟汽車動力，開啟新技術新篇章，因此，混合動力汽車是電動汽車發展的過渡模式。燃料電池電動汽車是以燃料電池為動力源的電動汽車。燃料電池是一種利用氫氣和氧氣在催化劑的作用下，通過電化學反應直接發電的裝置，具有完全無污染的優點，現階段燃料電池的許多核心技術仍然存在。

3? 電動汽車技術未來發展趨勢展望

3.1 電力驅動及控制技術，推進智能朝和數字化

動力馬達是用于驅動電動車輛的重要器件。在未來，動力馬達將有更多的工作方式，并且它將由控制系統，這將有效地提高了工作效率直接控制。而且，電力馬達不會對周圍環境造成污染，穩定性高，結構簡單，生產成本低，日后維修更方便。可以看出，動力電機將朝著自動化、簡化和綠色化的方向前進。此外，電動汽車的控制技術也將帶來很大的變化，一些先進國家目前正在實現對整個電動汽車的自動控制。控制策略是相對簡單的，并且在混合動力電動汽車，燃料電池電動車輛的情況下，需要一個更完整的和先進的控制系統，以控制整個車輛，整個車輛的控制單元必須用多個電機進行協調，實現對整車的智能控制。

3.2 各種驅動電機的發展

目前，國家除了對功率元件的存儲研究外，還在加大對電動機的研究和創新。例如，美國研制的交流煙道反作用電機結構比較簡單，降低了電機質量，提高了運行可靠性，但問題是控制單元模塊比較復雜。對此，日本傾向于研究低質量、高扭矩、高成本的永磁無刷直流電機。在高溫下，它缺乏降低磁力和防塵能力。德國和英國正在開發磁阻電機。它們具有扭矩轉換率高、成本低、性能穩定的特點，但容易產生噪音。目前，在我國正在積極研究稀土永磁無刷電機和稀土材料磁阻電機。

3.3 燃料電池汽車

燃料電池是一種流行的研究電池類型，它使用清潔能源，如甲醇、汽油和天然氣，通過燃燒汽車為汽車提供動力來發電。這將顯著降低汽車成本，提高汽車的耐用性和可補償性，顯著提高汽車的整體性能，使燃料電池汽車成為世界主要汽車制造商的競爭焦點。

3.4 電池能量管理系統（BMS）的廣泛應用

電池能量管理系統是電動汽車的智能化元素，目前只有部分電動汽車采用BMS，應用范圍并不廣，因此該系統在實際應用中存在諸多問題。但未來BMS將廣泛應用于電動汽車，通過BMS的應用，可以有效提升電動汽車的整體性能，提升電池能量管理性能，延長使用時間。

3.5 電動汽車無法滲透整個市場，只能在個別領域取得突破

由于電動汽車存在續航里程短、充電時間長、充電站服務規模小等缺點，電動汽車難以應用于整個行業，只能應用于兩大領域。高爾夫球場等場所的清潔汽車、大型運動場的安全車等。二是政府扶持的城市公交、出租車等公共項目，由于電動汽車的特點，這兩個領域為電動汽車提供了更適合的發展空間。它環保且成本低，適合小規模使用。

3.6 純電動汽車發展趨勢

現階段，在實現節能環保目標的過程中，純電動汽車的優勢不容忽視。現階段仍需要較長的充電時間，但隨著政府的支持和科研院所的努力，這一瓶頸將得到克服。從未來來看，純電動汽車可以應用換電池等方式，減少充電時間過長給用戶帶來的不便。雖然這項技術短期內不會得到廣泛應用，但純電動汽車將成為所有電動汽車的最終發展目標。

3.7 混合動力汽車發展趨勢

現階段，電動汽車領域最有前途的技術是混合動力汽車技術，作為一項能夠充分展示現有內燃機汽車里程和功率的技術，在我國相對成熟。從未來的角度來看，插電式混合動力汽車技術的產生可以更有效地滿足消費者的需求，同時通過鼓勵消費者成為電力或燃料的主要選擇來實現節能目標。同時，企業、消費者甚至國家都在應用混合動力汽車，共同為電動汽車的發展創造有利環境。

3.8 太陽能汽車技術發展趨勢

從長遠來看，電動汽車將普及，太陽能將在實現能源補充的過程中得到充分利用。現階段，我國意識到太陽能作為清潔能源在相關領域發展中的重要性，太陽能電池技術正在產生并不斷完善。這種技術的缺點是在此階段需要大量的時間來補充能量，單位面積的能量密度較低。因此，核心能源供應方式無法充分利用作為汽車動力源的太陽能技術。作為輔助能源補充，太陽能很可能在插電式電動汽車中得到充分利用。同時，在建設大型太陽能發電廠的過程中，為純電動汽車提供重要能源。

3.9 作為系統儲能的組成部分

新能源雖然有很多優點，但也有一些缺點。太陽能、風能等新能源受自然因素影響，具有隨機性、可變性、不可控性等特點。儲能配置過小，不能滿足發電和用電的實時動態平衡，儲能配置過大，將增加電力系統的總運行成本。由于電動汽車的電池只有在電池電量比較充足的情況下才能運行，因此即使電動汽車因電量不足而無法啟動，電池中的剩余電量仍然很少。電網或配電網絡上的電力實時動態平衡。此外，電動汽車一般行駛時間較短，閑置時間較多，如果能作為儲能裝置在空載時參與電網運行，靜態儲能配置電源的成本可以減少系統，提高經濟效益。

4? 結語

在我國當前的發展形勢下，為節約資源，建設生態友好型生態社會，必須充分發揮電動汽車產業的引領作用，加強電動汽車的研發能力和應用領域。它極大地推動了電動汽車的巨大發展前景，這對我國未來的發展有著很大的影響。

參考文獻：

[1]余群明，石小波，王雄波，楊振東.電動汽車技術（5）電動汽車電控系統發展現狀及其趨勢[J].大眾用電，2020（05）.

[2]曹秉剛，張傳偉，白志峰，李竟成.電動汽車技術進展和發展趨勢[J].西安交通大學學報，2020（01）.

[3]劉峻愷，李麗麗，劉佳.淺析我國電動汽車的發展趨勢及市場前景分析[J].汽車與駕駛維修（維修版），2020（12）.