电动汽车技术发展趋势及未来发展前

1电动汽车技术发展趋势及未来发展前景柳鹏-搜狐博客摘要：本文对电动汽车技术发展趋势和前景作了概略介绍，并从技术—经济的角度出发，对纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车以及动力电池、电机等关键零部件技术，作了综合评述，展望了电动汽车技术的未来发展前景。1引言上世纪70年代全球三次石油危机爆发后，各跨国汽车公司先后开始研发各种类型的电动汽车。我国经过“八五”、“九五”、“十五”三个五年计划，在研发电动汽车的专项上投入了大量的人力、物力和财力，并取得了一系列科研成果，但是,迄今为止，这些科研成果真正能转化为产品，并实现产业化生产的项目并不多。国外大汽车公司投入远比我国更多的资金和人力，已投入批量生产的电动汽车产品也寥寥无几。随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这二个技术难点的最佳途径。现代电动汽车一般可分为三类：纯电动汽车（PEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）。但是近几年在传统混合动力汽车的基础上，又派生出一种外接充电式（Plug-In）混合动力汽车，简称PHEV。本文将电动汽车技术研发的若干问题和趋势，作简要的介绍和评述。2纯电动汽车（PEV）纯电动汽车是指完全由动力蓄电池提供电力驱动的电动汽车，虽然它已有134年的悠久历史，但一直仅限于某些特定范围内应用，市场较小。主要原因是由于各种类别的蓄电池，普遍存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等严重缺点。目前采用的铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池，它们已达到的实际性能指标和市场平均价格，如表1所示。根据实际装车时的循环寿命和市场价格，可估算出电动汽车从各种动力电池上每取出1kWh电能所必须付出的费用。计算时，假设电池最高可充电荷电状态（SOC）为0.9，放电SOC为0.2，即实际可用的电池容量仅占总容量的70%;由电网供电价为0.5元/kWh，电池的平均充放电效率为0.75。从表1的粗略计算中可知，虽然从电网取电仅需0.5元/kWh，但充入电池，再从电池取出，铅酸电池每提供1kWh电能，价格为3.05元左右，其中2.38元为电池折旧费，0.67元为电网供电费，而从镍氢电池中每提供1kWh电能，费用为9.6元，锂离子电池为10.2元，即后二种先进电池供电成本是铅酸电池的三倍多。目前国内市场上用柴油机发电，价格大致为3元/kWh，若用汽油机发电，供电价格估计为4元/kWh，即从铅酸电机提供电能的价格大致和柴油机发电价格相等，仅仅从取得能量的成本来考虑，采用铅酸电池比汽油机驱动有一定价格优势，但是由于它太过笨重，充电时间又长，因此只被广泛用于车速小于50km/h的各种场地车、高尔夫球车、垃圾车、叉车以及电动自行车上。实践证实铅酸电池在这一低端产品市场上有较强的竞争力和实用性。镍氢电池的主要优点是相对寿命较长，但是由于镍金属占其成本的60％，导致镍氢电池价格居高不下。锂离子电池技术发展很快，近10年来，其比能量由100Wh/kg增加到180Wh/kg，比功率可达2000W/kg，循环寿命达1000次以上，工作温度范围达-40～55℃。美国USABC在2002年制定的锂离子电池技术发展目标如表2所示。近年由于磷酸铁锂离子电池的研发有重大突破，又大大提高了电池的安全性。目前已有许多发达国家将锂离子电池作为电动汽车用动力电池的主攻方向。我国拥有锂资源优势，锂电池产量到2004年已占全球市场的37.1％，预计到2015年以后，锂离子电池的性/价比有望达到可以和铅酸电池竞争的水平，而成为未来电动汽车的主要动力电池。图1示出了国内外各种纯电动车辆数量/性能和价格/性能曲线，以电动自行车为代表的低性能车辆，由于其成本低廉，仅我国在2006年已达到年产2000万辆，美国通用汽车公司生产的冲击1号电动跑车，2虽然已达到了很高的动力性，但是由于售价高昂，仅生产了区区50辆，由于没有市场而不得不停产。性能较低的场地车，在我国年产达7000～8000辆左右；天津清源电动车公司生产的微型电动车，最高车速仅50km/h，年产也可以达千辆以上，这可能是目前市场所能接受的纯电动车辆性能的上限。上述所有电动车辆均采用铅酸电池为动力。随着高性能锂离子电池的性/价比不断提升，未来5～10年内，市场上可能会出现最高车速≥100km/h，续驶里程≥250km的高性能纯电动汽车。3混合动力电动汽车（HEV）由于完全由动力蓄电池驱动的纯电动汽车，其性能/价格比长期以来都远远低于传统的内燃机汽车，难于与传统汽车相竞争，上个世纪90年代以来各大汽车公司都着手开发混合动力汽车。日本丰田公司在1997年率先向市场推出“先驱者”（Prius）混合动力汽车，并在日本、美国和欧洲各国市场上均获得较大成功，累计产销量已超过60万辆。随后日本本田、美国福特、通用和欧洲一些大公司，也纷纷向市场推出各种类型的混合动力汽车。3.1研制全混合电动汽车的必要性混合动力电动汽车是指具备两个以上动力源、而其中有一个可以释放电能的汽车。混合动力汽车按混合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式三种；按混合度（电机功率与内燃机功率之比）的不同，又可分为微混合、轻度混合和全混合三种。其中外挂式皮带驱动起动/发电（BSG）式是微混合动力汽车的典型结构，其电机功率一般仅2～3kW，依赖发动机的停车断油功能，可节燃油5～7％;在发动机曲轴后端加装一个电动/发电型盘式电机（ISG）是轻度混合动力汽车的典型结构；具有纯电力驱动功能的可作为全混合或混联式混合动力汽车的典型。丰田公司的Prius轿车即属于这类全混合汽车。目前我国若干汽车企业研制的混合动力汽车，大多采用ISG轻度混合或BSG微混合方案，主要是考虑这二种方案的技术难度较小，生产成本也较低。但是根据研究表明，混合动力汽车的节油率几乎与汽车功率的混合度和汽车的生产成正比上升（如图2）。因此，从长远来看，研制全混合电动汽车是一种必然趋势。3.2研发及市场情况下面分别介绍混合动力乘用车和混合动力公交车的研发及市场情况。以节油率最佳的丰田Prius汽车为例，在我国实测它与丰田花冠（Corrolla）油耗在不同工况下的对比数据如表3所示。各种工况下的平均节油率为39.6％，平均百公里可节油3.07L。以97号汽油价格为5元/L计算，每百公里可节省油费15.35元，行驶20万km也仅省油费3.07万元，显然还不足以抵消购置混合动力汽车所增加的费用。据中国汽车工业协会统计，2006年一汽丰田普锐斯（Prius）销量仅为2152辆，占全国乘用车总销量的0.04％。考虑到我国用户对汽车售价的敏感性，这一销售业绩并不令人惊奇，可以认为在近期，如果没有政府的大力支持，混合动力乘用车在我国不会有很大的市场。3.3城市公交车的使用特点在我国，城市公交车与私人乘用车的情况有很大的不同，具体归纳为以下三点:（1）据统计我国城镇居民日常出门有70％是首选乘坐公交车，我国大部分城市政府都奉行公交车优先的交通政策，我国公交车的年产量和保有量都居世界第一；（2）我国城市公交车大多由市政府补助公交企业采购，公交车是否符合节油减排要求，将是政府需要考虑的一个重要采购原则；（3）从技术角度来分析，在城市工况下，公交车频繁起步、加速、制动和停车，要额外消耗许多燃油。表4列出了在国外四种典型城市工况下，汽车制动消耗能量（油耗）所占比例，其算数平均值达47.1％。即有近一半的燃油是被汽车频繁制动所消耗的，这就为混合动力公交车的节油减排留下了相当大的空间。正是考虑到以上几个特点，我国至少有7～8家汽车企业将研发、生产混合动力公交车作为研发工作的重点。经过近几年的开发，虽然已取得了一系列重大成果，但公交车的节油率并未达到预计的要求，一辆总重15.5t，长11m的混合动力公交车，实际油耗大多为33～35L，平均34L/100km，若传统11m公交车的平均油耗为40L/100km，则节油率仅15％。3.4节油率难以进一步提高的原因3分析节油率难以进一步提高的原因主要有二个：（1）汽车的制动过程十分短暂，一半不超过10s，在短短的几秒内，电机要求发出很大的电流，才能有效回收制动能量，但是电池的充电倍率只有放电倍率的一半，因此电池不能接受大电流充电。理论上汽车有50～60％的制动能量可回收，实际回收的制动能量20％，最简单的改进办法是加大动力电池容量，例如至少加大容量一倍，回收的制动能量可由20％增加到40％。但这将大大增加整车成本和汽车自重，经济上可能是得不偿失。（2）混合动力公交车若采用停车断油，甚至滑行时即断油，可节油10％左右（4L/100km），实际上国产柴油机没有专门为混合动力汽车设计，一般不允许频繁的停车断油，否则供油系和废气增压器都可能损坏，严重影响柴油机寿命。其次，停车断油就必须装有电动转向油泵、电动空压机和电动空调系统，这又会大大增加整车成本和重量，二相权衡，不一定合算，所以近期大多未实现停车断油功能。因此，目前HEV的开发重点集中在节油降耗的工作上，针对以上问题，科研工作者提出了不同的解决方案，如利用超级电容器的功率密度达铅酸电池的10倍，具有快速吸收大电流充电的优异特性，在混合动力汽车制动时可以快速吸收能量，大大提高制动能量的回收率，此外它还具有循环寿命长、充放电效率高、耐低温特好以及免维护等优点。这种方案由于受到超级电容价格昂贵的影响，限制了它在混合动力汽车上的广泛应用。在进一步降低成本，提高能量密度后，超级电容器最有可能首先在混合动力公交车上得到应用。4外接充电式混合动力汽车外接充电式混合动力汽车是最新的一代混合动力汽车类型，近年来受到各国政府、汽车企业和研究机构的普遍关注，国内外专家认为，PHEV有望在几年后得到广泛的推广使用。据统计，法国城镇居民80％以上日均驾车里程少于50km，在美国，汽车驾驶者也有60％以上日均行驶里程少于50km，80％以上日均行驶里程少于90km。PHEV特别适合于一周有5天仅驾车用于上下班，行驶里程50～90km之间的工薪族使用。PHEV是在混合动力汽车上增加了纯电动行驶工况，并且加大了动力电池容量，使PHEV采用纯电动工况可行驶50～90km，超过这一里程，即必须起动内燃机，采用混合驱动模式。所以PHEV的电池容量一般达5～10kW·h，约是纯电动汽车电池容量的30～50％，是一般混合动力汽车电池容量的3～5倍，可以说它是介于混合动力汽车与纯电动汽车之间的一种过渡性产品。与传统的内燃机汽车和一般混合动力汽车（HEV）对比（见表5），PHEV由于更多的依赖动力电池驱动汽车，因此它的燃油经济性进一步提高，二氧化碳和氮氧化物排放更少。由于动力电池容量的加大，每辆车的售价至少比一般HEV高2000美元。图3示出了四种不同类型乘用车，它们的蓄电池容量与汽车价格、燃油消耗及尾气排放的对比关系。可见随着蓄电池容量的加大，汽车价格将上升，但是燃油消耗和尾气排放则下降。因此可以认为，电动汽车是以使用和损耗蓄电池为代价来换取节油、减排的效果，动力电池性/价比的大幅提升将是电动汽车能否迅速推广使用的关键所在。一般HEV动力电池SOC仅在较小范围内波动（例如±2％～3％）因此循环寿命次数很长，而PHEV的动力电池SOC必须在很大的范围内波动（例如±40％），属于深充深放，因此循环工作寿命短得多，和纯电动汽车（PEV）相似。目前在PHEV上都采用先进的锂离子电池，由表1可知，锂离子电池每放出1kWh电能，能耗费为10.2元，相当于内燃每kWh能耗费用的3倍。随着全球石油价格不断上升，燃油内燃机的能耗费用也将不断上升，而锂离子电池随着技术进步和产量的扩大，其能耗费用将不断下降（如图4所示），二者可能在2015至2020年内达到平衡点。因此PHEV有望在10年内得到大面积推广使用。5燃料电池电动汽车早在1839年，英国人格罗孚就提出了氢和氧反应发电的原理。20世纪60年代，研发出了液氢和液氧发电的燃料电池，由美国UTC公司首先用于航天和军事用途。近20年来，由于石油危机