电动汽车技术发展趋势与展望

Vol.4No./Feb.0104电动汽车技术发展趋势与展望徐国卿摘要电动汽车是解决能源和环境问题的一个新型战略产品，本文讨论了电动汽车技术发展趋势，并对未来电动汽车技术发展方向进行展望与预测。关键词电动汽车；安全性；模块化；控制；智能集成1引言 近年来，随着世界各国对能源、环保等问题的关注，各大汽车企业和科研机构不断投入电动汽车研发力度，各国政府也通过制定各项措施促进新能源汽车的推广，大大推动了电动汽车的发展。 电动汽车关键零部件技术(电机、电池、电控)的研究日趋成熟，产业化程度日益提高，一些研究机构和汽车公司在汽车结构方面进行了有益的探索[1]；同时汽车电子技术的发展也为电动汽车技术带来了创新的源泉。本文认为，充分运用底盘电动化、汽车智能化技术，电动汽车将体现出更强的吸引力和应用价值。2　电动汽车的技术现状2.1能源动力系统技术现状 电动汽车经过近20年的快速发展，在能源动力系统方面形成了如下的技术特点。(1)形成各具特色的三大类动力系统结构 纯电动汽车、油电混合动力汽车和燃料电池汽车是目前电动汽车领域的三大种类，油电混合动力汽车目前被国内外各大汽车企业最早列入产业化计划，并联混合动力和混联混合动力是被电动轿车广泛采用的主流动力系统结构。近几年，随着储能电池技术水平的飞速发展，以车载动力蓄电池提供电能驱动的纯电动汽车得到快速发展，多个电机驱动的动力分散结构的纯电动动力系统受到国内外研究机构的广泛关注。以氢和氧通过电极反应转换成电能驱动的燃料电池电动汽车，采用电-电混合动力结构，能量转换效果比内燃机高2~3倍，是未来清洁能源汽车的重要发展方向之一。(2)交流驱动是电力驱动系统的主流 由于直流电机在低速和高速下的转矩控制简单，所以早期的电动汽车都采用直流电机驱动系统。但直流电机的换向器和电刷需要定期维护，目前除了在少量低成本车上仍然使用直流电机驱动外，电动汽车的电力驱动系统已过渡到交流电动机驱动。与直流电机相比，永磁电机和异步电机在高效率、高功率密度、再生制动、可靠性、耐久性等方面具有明显的优势，已经成为电动汽车驱动系统发展的主流。(3)锂离子动力电池是储能系统的主要技术发展路线 锂离子电池是目前理论上特性最优越的蓄电池，其比能量为铅酸蓄电池的3~4倍，单体电压比其他类型的蓄电池高2~3倍，且易于实现小型化。近年来磷酸铁锂动力电池以其寿命长、高安全等优点受到了广泛关注[3]。(4)能源动力总成控制复杂 电动汽车采用多个能源动力部件，需要整车动力总成控制进行统一协调与管理，无疑大大增加了系统控制的复杂程度。尤其对于混合动力汽车，需要复杂的能量管理策略来控制不同部件间的能量流向，以达到如最大燃油经济性、最小污染或最佳驱动性能等不同的控制目标。2.2整车集成技术现状 电动汽车的整车总体结构布置方面，由单纯的部件布置向能源动力系统与整车结构有机整合方式过渡。(1)动力传动系统 无论是串联(燃料电池可视为特殊的串联结构)、并联、混联式的混合动力车，还是由电池提供能量的纯电动汽车，其动力装置的布置往往在原发动机前舱布置的基础上进行，并力求把相应的电气装置布置在前舱(如DC/AC、DC/DC等)，所以对部件小型化提出了更高的要求。此外，并联或混联式混合动力由于电动汽车技术发展趋势与展望采用两个以上的动力装置，在布置上要求更为严格。丰田Prius的混联结构堪称小型化集成化的典范[4]。 图1丰田Prius混合动力系统结构(2)车身结构 纯电动汽车采用电池作为储能系统，混合动力汽车采用电池或超级电容作为储能装置，燃料电池汽车除了上述储能部件外，还具有一套复杂的燃料电池发电系统，对布置要求更高。出于安全性考虑，储能装置逐渐趋向与车身结构相结合，即不再简单布置在后备箱，而是布置在车体的中间部位[5]。这种布置方式不仅可以保护储能系统安全性，而且对整车的配置有利，当然这对整车的车身设计提出了更高的要求，需要重新设计或在结构上予以加强。 图2电池组布置于底盘中间3　电动汽车能源动力技术发展趋势3.1电力驱动系统 电动汽车用电机的性能比一般工业用电机要求严格。因为电机从储能系统中获取有限的能量来产生动作，所以要求在各种环境中的效率要高，从而保证一次充电的续驶里程尽可能长。搭载在车辆上的电机，其体积、重量一般应为工业用电机的1/2~1/3，要求电机轻量化、小型化。汽车上的电机振动达到3~5g左右，而轮毂电机更达到惊人的20g，因此确保任何环境中电机的可靠性和长寿命非常重要，研究广域高效率、高功率密度、高可靠性以及低成本、低噪声的电动汽车专用电机是电动汽车电力驱动系统的发展趋势。 感应电机结构牢固，矢量控制技术已十分成熟，调速控制性能优越，适合于高速、大功率的电动汽车。缺点是在小负荷范围内效率低。 永磁无刷电机包括无刷直流电机和永磁同步电机两类。无刷直流电机比其它电机的效率和功率密度高，但在高速恒功率区域工作的弱磁控制难度大，转矩脉动大。永磁交流同步电机采用正弦波供电，效率和功率密度高，在高速恒功率工作区域弱磁控制能力优于无刷直流电机，但也存在过弱磁引起磁钢性能退化的问题，因此对于高恒功率比的特性，电机设计难度较大。混合励磁永磁无刷电机是一种特殊的永磁无刷电机，在电机中加入励磁绕组用以调节气隙磁通，这种电机在宽转速范围内具有高的效率。 开关磁阻电机也一直被认为是很有前途的电动汽车驱动电机，因为它自身能够结构和变流器结构都简单可靠，转速范围宽、散热能力强、制动能量回收效率高，但噪声和转矩脉动问题使得这种电机目前没有达到商业化。3.2储能系统 电动汽车的理想储能系统应能进行持续稳定的大电流放电，以保证汽车的行驶速度；应能具备短暂大电流放电的能力，以保证汽车的加速、爬坡性能；应能一次性储存足够的能量，以保证足够的续驶里程。锂离子电池被公认为目前最有前景的电动汽车储能系统。 目前动力锂电池单体的主要性能已基本能够满足批量化生产和使用要求，推广应用条件已趋成熟。目前制约动力锂电池发展的主要问题仍是成组后使用寿命缩短、安全性下降和经济性等问题，成组技术滞后致使动力电池组工作过程中出现部分电池单体因过充电、过放电、超温和过流问题而提前损坏，致使成组动力电池使用寿命大幅缩短，甚至发生燃烧、爆炸等恶性事故。 研究动力锂电池特点的新型成组技术、电池管理技术、充放电技术，有效解决成组锂离子等动力电池安全性和寿命问题，成为促进动力锂电池及相关产业的发展、推动电动汽车产业进步的关键。3.3能源动力系统的智能化技术 能源系统、动力系统的电子化使得电动汽车体现出越来越强大的功能。但电动汽车能源动力系统的智能化还没有引起充分的关注。一般将重点放在整车与动力系统的功能和稳态性能指标、可靠性等方面。研究表明，能源动力系统智能化技术对提高电动汽车经济性、动力性、可靠性具有重要意义。Vol.4No./Feb.010车用电机系统如异步电机、永磁电机都具有非线性时变参数，特别在内部磁场、温度变化时，电机参数会发生变化，对此类时变参数的在线辨识十分重要。自学习的电池管理系统可实时准确监测电池SOC状态，并在运行中保护电池不受损伤，这对电池的寿命和安全具有重要意义。整车能量管理智能化技术的重点在于能量的优化分配和行车经济性，即在正常行车(各部件正常工作)过程中，根据电池的SOC、SOH状态确定剩余里程，进而优化行车参数。整车智能化能量管理还须考虑各子系统和部件的非正常工作状态，即当动力系统工作中出现各种故障时，及时判断故障来源并提出合理的应对策略。4　整车集成技术发展趋势I——系统集成智能化 追求节能环保、安全舒适成为未来电动汽车发展的重要目标，这些目标的实现依赖于系统的集成技术。系统集成化与智能化为汽车的集成创新提供了新的活力。4.1底盘电子化、模块化与智能化 电动汽车采用电力能源，电气化技术对汽车结构性能的创新提供更多的可能性。底盘系统将逐步采用电动化执行部件，结构也会随之发生革新，并将推动汽车模块化、智能化的发展。 通用开发的电动汽车“AUTOnomy”[6]是一个典型的底盘与动力系统集成一体化的创新例子。该车车身与底盘分开，底盘与动力系统集成在一个“滑板”中，驱动系统和控制系统都设计在底盘上，采用了线控技术，使车辆操控系统、制动系统和其他车载系统都通过电子控制而非传统机械方式来实现，车身与底盘仅通过软件接口连接，全面实现了底盘的“电动化”。 图3通用“AUTOnomy”滑板式底盘 电动汽车采用安装在车轮内的电机直接驱动，可实现动力分散控制。与传统的内燃机汽车和单一电机中央驱动的电动车辆相比，四轮驱动方式实现了各车轮的独立分散驱动，各车轮均可实现制动能量回收，还可省去变速器、离合器、传动轴等复杂的机械传动装置，传动效率提高。 此外，米其林发明的“智慧轮胎”[7]将悬挂系统集成在一个轮子中，打破了传统的汽车悬挂方案，为将来电动汽车的模块化结构提供了一种新的思路。 图4michelin的“智慧轮胎” 底盘电动化是底盘智能化技术的基础。X-by-wire (线控技术)最早被用于飞机操纵系统中，现在也被应用于汽车底盘各部件的执行系统中。X-by-wire的所有执行机构通过电信号进行控制，例如braking-by-wire、steering-by-wire等技术，从而更有利于实现各部件和系统整体的协调智能控制。电动汽车的电动化部件将在数量上远超传统汽车，汽车电子技术的发展推动底盘电动化技术不断进步，使得对汽车部件的操作更加简单。计算机、通信、电力电子、控制领域的成果将不断推动底盘各部件的控制技术和整车性能发展，进而推动汽车的智能化水平越来越高。4.2整车节能安全集成化控制 整车控制包括了能源动力系统控制和车辆动力学控制，轮胎动力学将这两个问题结合在一起，节能和安全两大功能不再是两个分离的问题，优化控制变得越来越重要。 采用轮毂电机驱动的电动汽车可以单独控制每个车轮的转矩，根据轮胎动力学实现电机驱动与运动学控制的一体化集成控制，使响应更快速，操纵性安全性更优。每个车轮可单独进行制动能量回收，提高了能量回收效率，运行更节能。图5为作者开发的一种集成运动控制功能的电机控制系统，将电机转矩控制功能与基于车辆动力学的车辆运动控制有机地结合在一起，以获得比传统汽车响应更快的动力性与安全性[8]。当电动汽车采用多个电机分散驱动结构(如装配轮毂电机或轮边电机的四轮驱动结构)时，在获取地面参数和轮胎运动参数的基础上，通过对驱动电机的转矩分配和调节，可以很好地实现车辆纵向、横向的动力学控制。电动汽车技术发展趋势与展望 图5集成运动控制功能的电机控制系统 4.3智能技术与机电集成最优化 通过智能化技术应用可以实现功能互补，提高机电集成的优化水平。智能集成是单项信息技术的综合优化集成，对控制、优化、感知等信息处理进行智能的结合，形成更高层次的智能的特征。智能化安全电子技术不但提供了整车安全性，而且可以降低车身安全性要求。5　整车集成技术发展趋势II——车身轻量化 车身轻量化带来的直接好处是节能环保，据研究数据显示，若汽车整车重量降低10％，燃油效率就可以提升6％～8％[9]，而电动汽车由于电池储能有限，车身轻量化带来的节能效果更为客观。车身轻量化还使汽车在同等动力输出条件下车辆动力性能表现更好，还可减小惯性，使制动距离缩短，从而使汽车更安全。此外轻量化车身设计对车辆稳定性、噪音、振动等方面也均有益处。 新材料技术的成果应用对汽车的发展具有极为重要的意义，特别是轻量化材料(如碳纤维复合材料、镁铝合金等)的运用，可使汽车达到更佳的动力性和节能效果。事实上，电动汽车在底盘电动化、模块化和整车安全性方面将比传统汽车走得更远，从而为新材料提供更好的应用领域。底盘智能化和智能安全电子技术的发展，对车身安全性的要求也会有不同。6　未来电动汽车展望 电动汽车不同于传统汽车的明显特点是采用了新的能源动力系统，一方面使得电动汽车在节能环保上发生了技术革命，另一方面电力驱动系统快速的转矩响应特性也使主动安全技术和性能出现大的飞跃。汽车电子技术的发展和应用推动底盘向电动化、模