电动汽车发展研究综述

文亦骁，宋春华

(西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039)



电动汽车发展研究综述

文亦骁，宋春华

(西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039)

发展电动汽车可以减少尾气排放，降低环境污染，摆脱对石油资源的依赖。介绍电动汽车的分类以及适用范围，并提出电动汽车发展的核心问题：动力电池、能量回收、配套设施及相关政策。从核心问题出发总结了国内外电动汽车的发展状况，探讨了目前制约电动汽车发展的因素，并展望了未来电动汽车的发展趋势。

电动汽车；发展现状；动力电池；能量回收

0　引言

随着世界能源危机和环保问题日益突出，传统汽车工业面临着严峻的挑战。一方面，石油资源日趋减少，而汽车的保有量却在节节攀升；另一方面，汽车排放的大量尾气加剧了环境污染，城市大气中CO的82%、NOx的48%、HC的58%和微粒的8%都来自汽车尾气。而积极发展电动汽车可以有效缓解这些问题，它在城市交通中可实现极低排放甚至是零排放。

1　电动汽车概述

电动汽车是全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，按目前技术和车辆驱动原理的不同，一般将电动汽车划分为纯电动汽车(BatteryElectricVehicle,BEV)、混合动力汽车(HybridElectricVehicle,HEV)和燃料电池汽车(FuelCellVehicle,FCV)3种类型。

纯电动汽车是指完全由可充电电池(铅酸电池、镍铬电池、锂离子电池等)提供动力源的汽车，不需要离合器以及变速器，车速由控制器通过调速系统改变电动机的转速实现[1]。优点：无尾气排放，无污染；电动机发展成熟；能源供给形式多样。缺点：续航里程短；动力电池成本太高；充电时间长。

混合动力汽车是指采用常规燃料，同时配备蓄电池和电动机来改善其动力和排放的车型。可主动进行能量回收，将制动产生的机械能转变为电能储存在电池中。按照动力系统结构又可分为串联式混合动力汽车(SHEV)、并联式混合动力汽车(PHEV)以及混联式混合动力汽车(CHEV)。优点：无续航不足问题；相比传统汽车更加环保节能；不用充电。缺点：仍有尾气排放；结构复杂。

燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。燃料电池的化学反应过程不会产生有害物，不会污染环境，不需要消耗能源。尽管起步较晚、技术不成熟，但仍然是未来电动汽车发展的潜力方向。优点：氢燃料来源广泛；基本无环境污染；燃油效率高。缺点：技术不成熟；成本高；氢能源不便储存。

随着资源与环境双重压力的持续增大，发展电动汽车已成为未来汽车工业发展方向。

2　发展现状

电动汽车处于不同的发展阶段，其实际使用也各不相同。仅就现阶段而言，纯电动汽车由于续航里程较短，速度较慢，适合短距离使用；混合动力汽车可以满足日常使用，但是成本较高、不够环保；燃料电池汽车由于氢的运输储存和成本高的问题尚未解决，大批量进入市场还尚需时日，在我国仍然处于研发阶段，目前只有少数发达国家商业化生产[2-4]。而动力电池、能量回收系统、配套设施以及政府的扶持政策是电动汽车发展的关键，标志着电动汽车的发展水平。

2.1动力电池发展现状

在纯电动汽车蓄电池方面，开始广泛使用的是铅酸电池[5]，但是其比能量低，只适合短途、轻度混合动力汽车使用。但是其安全性高、成本低这些优点决定了其可开发性。目前被广泛采用的是磷酸铁锂离子电池[6]、氢镍电池、铁电池、超级电容，其质量轻，比能量、比功率和寿命都高于铅酸电池，并且提高了汽车的续驶里程，已成为动力电池的主要发展方向。

目前，大多数纯电动汽车快速充电30min可充满80%，家庭用电5～8h可充满。但是其成本高，成为制约其普及的主要因素。日本是锂离子电池研发的领头羊，最近研发的车用锂离子电池可以储存相当于过去3倍的电量，可提供续航里程600km，将在2015年实现量产。同时，美、日等国也在积极研发镍氢电池，但镍氢电池的比能量值较低且储氢难，一般应用于混合动力汽车作为辅助动力。美国在燃料电池汽车技术领域取得很大进展，其功率密度、燃料电池汽车能量转换效率、可靠性和耐久性都获得极大提高，系统成本也大幅下降。但由于氢燃料难以储存，不便运输，燃料电池汽车的普及尚需时日。

2.2制动能量回收系统发展现状

制动能量回收系统是指将车辆在制动过程中的一部分机械能转化为其他能量回收利用，以提高车辆的行驶里程[7]。超级电容是一种无源器件，具有电容快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，可以作为蓄电池的辅助电源，甚至作为其替代品。加上超级电容免维护、寿命长、质量轻等优点，故被应用于该系统，回收在汽车下坡怠速、刹车时产生的动能以及制动能转化的电能[8-9]，从而在汽车启动或者是爬坡时提供大功率电流。超级电容的使用，在减轻车身质量的同时，也降低了成本。

研究表明：在城市工况下，汽车频繁起步与制动，其中，制动消耗的能量占了总驱动能量的50%[10]左右。制动能量回收问题对于电动汽车尤为重要，对于增加其行驶里程具有重要意义。目前国外研究已表明：采用制动能量回收技术后，电动汽车的行驶里程可以增加10%～30%[11]。

电动汽车制动能量回收系统由超级电容、蓄电池、再生制动控制器、电机及其控制器组成。其工作原理如图1所示，在正常工况下，蓄电池为电机供电，驱动电机工作，此时电机以电动机的形式工作；在制动时，再生制动控制器接收到制动信号，控制双向DC/DC变换器[12-13]，将电动汽车制动时产生的机械能以最大效率存储在超级电容里，此时电机以发电机的形式工作；在车辆起步或是爬坡时，再生制动控制器接收电机控制器里的加速信号，控制DC/DC转变器对超级电容中的能量升压从而驱动电机工作。目前国内外对于制动能量回收系统的研究还处在初级阶段。

2.3配套设施建设

电动汽车特别是纯电动汽车必须依靠充电才能正常工作，虽然家庭充电也能满足日常需要，但是充电时间太长，因此，充电站或者是小型充电桩的建设，是电动汽车能否普及的关键。

在日本，随着市场对充电设施需求日益提高，现有的4 700多座充电站已经不能满足需要。2013年，丰田、日产、本田和三菱四家车企签署协议[14]，共同宣布将联合在日本扩建电动车充电网络，未来将兴建1.2万座充电站，为更多电动车用户提供便利。

在美国，这一数字更为庞大。根据美国能源部公布的数字，截至2013年，美国向电动汽车车主开放的充电站数量达到了5 678个，仅仅在2013年一季度就增加了约9%。根据欧盟委员会的数据，2011年德国已经建立了1937家充电站。到2020年，德国将建立15万家充电站，并且其电动插头符合欧洲标准。由于在超市停车场、高速公路休息站或者是加油站建立充电站不仅能节约成本，还能提高利用率，美国、日本以及德国很多充电站都建在了这些地方。

在我国，由于电动汽车普及度不及发达国家，因此其配套设施建设也仅仅处于起步阶段，全国40多个城市都已经拥有自己的充电站。2014年6月北京发布《北京市电动汽车推广应用行动计划(2014—2017年)》，将加快公共场所快速充电桩建设，到2017年全市将有10 000个快速充电桩亮相公共停车场等场所。

2.4相关政策

任何新兴产业的发展都离不开政府的政策扶持。从电动汽车进入市场以来，各国政府皆出台了很多政策来推动电动汽车发展。在电动汽车研制阶段，政府实施相应免税政策并投入大量资金用于研发；在销售阶段，政府出台了相应的补贴政策以及其他惠民政策鼓励消费者购买；在配套设施建设方面，政府联合相关部门建立充电设施，并做好长远规划。

我国电动汽车虽然起步晚，但是国家对电动汽车极其重视：“九五”期间，电动汽车列入国家重大科技产业工程；2001年，被列入国家“十五”期间的“863”重大科技课题，并规划了以汽油车为起点、向氢动力车目标挺进的战略；“十一五”期间，“863”计划中又启动了“节能与电动汽车”重大项目，继续支持节能与电动汽车关键技术研发和产业化。我国计划累计投入近20亿元，确立了以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车3种整车技术为“三纵”，多能源动力总成系统、驱动电机、动力电池3种要害技术为“三横”的“三纵三横”的研发布局。

我国在研发阶段，除了政府资助以外，汽车厂商还联合各大院校、科研机构共同研发，2014年的863计划“电动汽车整车及零部件技术标准研究”就是由多家厂商、高校及科研院所共同完成[15-18]。在销售推广阶段，政府出台了《新能源汽车生产准入管理规则》、《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点的通知》、《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》等一系列文件，并于2014年8月起颁布对符合条件的新能源汽车免征车辆购置税这一重要决策。

2.5总结

从国内外电动汽车发展历程来看，纯电动汽车与混合动力汽车经过长时间的发展，目前已经进入快速增长期，开始大规模生产，具有较好的产业化前景。插电式和增程式混合动力汽车尤为受到重视。

受传统汽车关键技术影响，国内插电式混合动力汽车产品与国外相比尚存在较大差距；纯电动汽车技术水平与国外接近，但部分核心技术仍有待提高；高性能纯电动汽车产品在可靠性和工程化能力上仍落后于国外先进产品；燃料电池汽车技术与国外差距不大，核心技术近年进展较为缓慢，尚未进入产业化阶段。随着动力电池技术的发展，纯电动汽车也将走上产业化的道路，其发展瓶颈在于动力电池性能与充电基础设施的建设。只有解决了动力电池的续航问题，电动汽车才能真正普及。

3　存在的问题

3.1动力电池储能问题

电动汽车面临的最大问题就是动力电池的电容量有限。目前市面上使用的电动汽车一次充电行驶里程一般为200～300km，在城市工况下甚至只有150km左右。每天一充成为车主最担心的事。电池续航能力、循环使用次数以及电池的经济性是电动汽车电池发展的关键。目前锂离子电池技术虽已取得一系列可喜进展，但在能量密度、使用寿命以及快充性能方面仍有待突破。找准电池研究方向，突破动力电池瓶颈，解决上述关键问题是未来各大电动汽车厂商必须攻克的技术难关。为此，厂商应与相关科研机构及高等院校联合，加上政府的政策支持，才能突破动力电池瓶颈。

3.2基础配套设施问题

电动汽车配套设施尤其是充电站、充电桩的建设仍处于起步状态。目前，电动汽车推广最大障碍是配套设施建设不完善。在我国，甚至还有相当多的城市没有充电站。这需要政府与企业甚至个人联手共同建设，同时，相关配套零部件产业也必须形成产业链共同发展，电动汽车才会有大规模推广的可能。

3.3消费者认知度问题

中国作为发展中国家，燃油汽车尚未完全普及，消费者如何接受动辄十几二十万的电动汽车？即使政府补贴也少有消费者为之买单。这里以混合动力车型丰田普锐斯为例，百公里油耗平均在5.5L左右，较普通家庭用车节油30%。按照普通家庭一年行驶2万公里计算，普通汽车百公里油耗8L，年油费12 000左右，普锐斯节省4 000元左右，根本无法抵消其购买成本。在推广新能源汽车问题上，不能急于求成，新能源汽车不可能很快取代传统汽车，两者可能要共存几十年。

提高人们对电动汽车的认知度，可以先从电动汽车市场占有率着手。具体来说，可以从3个方面突破：(1)在公共交通新增车辆上做文章，比如电动公交和出租车；(2)新增惠民政策，例如政府与电动汽车厂商联合“以旧换新”，以旧车换购新的电动汽车，消费者可以得到比单独出售旧车更多的实惠，同时做好电动汽车宣传工作，联合媒体以公益广告的形式让更多的人关注电动汽车；(3)挖掘城市新的消费群体，例如随着城镇化进程的加快和城市空间的扩展，产生了更多的城镇居民和上班族，他们成为小型电动汽车的潜在消费群。

4　发展趋势

4.1小型纯电动汽车

小型纯电动汽车降低了对行驶里程以及动力性能的要求，充电时间短，车速不高，价格便宜。由于小型电动车主要作用于真正的短途代步，它一次充电所达到的行驶里程完全满足于多次的短途代步要求，再加上其车身体积小，非常适合城市使用。

4.2纯电动汽车

目前，在纯电动汽车受制于动力电池的情况下，可以适当采用混合动力汽车充当过渡产品。未来，当动力电池瓶颈得到突破，纯电动汽车必将取代混合动力汽车。作为未来电动汽车发展的主要方向，各国都在积极布局，以获取未来发展的空间。例如，IBM正在研制的锂空气电池，电池储存的能量使电动汽车达到的里程与燃油汽车加满一箱油所行驶的里程相当。再加上超级电容的使用，纯电动汽车的续航将不再是问题。

4.3燃料电池汽车

燃料电池汽车无论是在使用成本上还是行驶里程上，都要明显优于其他电动汽车，不仅燃料电池所用的燃料(甲醇、天然气、氢气)来源广泛，而且它实现了无污染、零排放，所以燃料电池汽车已成为世界各大汽车公司21 世纪初激烈竞争的焦点。只要突破了其中的关键技术，燃料电池汽车必将走上新的历史舞台。

5　结束语

电动汽车的产业化将是未来汽车业发展的必然趋势，电动汽车的研制和推广，其意义不仅仅在于对环境资源的保护，同时也是衡量一个国家发展的标志。由于中国在传统汽车领域不具备全球领先的技术优势，但是在新能源领域，却存在着巨大的机会。发展安全、环保的电动汽车，已经成为我国具有战略意义的大事，必须抓住新机遇，集中科研力量，充分利用国外科研成果及经验，提升我国传统汽车技术及电动汽车技术，实现在汽车领域的跨越式发展，使我国汽车业进入全球领先行列。近年来，全球又面临石油资源紧缺、大气污染、温室效应

的挑战，对社会环境与经济的可持续发展带来了严重影响。发展节能、环保的电动汽车已成为世界汽车工业技术创新的主要方向和汽车产业可持续发展的必然选择。

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ReviewonDevelopmentofElectricVehicle

WENYixiao,SONGChunhua

(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,XihuaUniversity,ChengduSichuan610039,China)

Developingelectricvehicle(EV)industrycanreducethepollutionoftheenvironment.Theclassificationandapplicationoftheelectricvehiclewereintroduced.Thecoreissuesinthedevelopmentofelectricvehicleswerepointedout.Theywerepowerbattery,energyrecovery,supportingfacilitiesandpolicies.Thegeneralsituationsofdevelopmentofelectricvehiclesathomeandabroadwereintroduced.Thefuturedevelopmenttrendofelectricvehiclewassummarizedandproposed.

Electricvehicle;Generalsituation;Powerbattery;Energyrecovery

2015-03-16

文亦骁(1990—)，男，在读硕士,研究方向为精密仪器及机械。E-mail:wenyixiao098@163.com。