纯电动汽车技术状况及发展趋势研究

（天津大学内燃机研究所 天津 300072）

引言

纯电动汽车（battery electric vehicles，BEV）是完全由可充电的电池（三元锂离子电池或磷酸铁锂电池）提供动力源，以电机作为驱动系统的新能源汽车。由于使用电能，纯电动汽车在行驶过程中没有废气排出，不污染环境，可实现零排放。在城市道路上行驶时，纯电动汽车的能源效率比传统内燃机汽车高。在减速制动时，纯电动汽车的电机运行于发电状态，可实现能量的再利用。纯电动汽车使用单一的电能源，因此结构简单。纯电动汽车无内燃机产生的噪声，电机噪声也比较小，因此整体噪声低。目前，纯电动汽车的续航里程较短，使用成本较高，锂离子电池的安全性有待进一步提高，充电基础设施有待进一步完善[1]。本文概述了纯电动汽车的技术特点，对国内外纯电动汽车的研发状况以及国内纯电动汽车技术的发展趋势进行了研究。

1 纯电动汽车的结构与原理[2]

1.1 纯电动汽车结构

纯电动汽车结构如图1 所示，由电力驱动主模块、车载电源模块、辅助模块等构成。

电力驱动主模块包括中央控制单元、驱动控制器、电机、机械传动装置和车轮等，功能是将存储在动力电池（蓄电池）中的电能转化为车轮的动能，并在汽车减速制动时将车轮的动能转化为电能充入动力电池。

图1 纯电动汽车结构

车载电源模块包括动力电池（蓄电池）电源、能源管理系统和充电控制器等，功能是向电机提供电能、监测动力电池电源使用情况以及控制充电器向动力电池充电。

辅助模块包括辅助动力源、动力转向单元、驾驶室显示操纵台和辅助装置等。辅助动力源由辅助电源和功率转换器组成，功能是给汽车其它辅助装置（动力转向、制动力调节控制、照明、空调、电动门窗等）提供所需的动力电源，一般为12 V 或24 V 的低压直流电源。

1.2 纯电动汽车原理

中央控制单元根据加速踏板和制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出相应的控制指令，对电机实行启动、加速、减速、制动控制。驱动控制器按照中央控制单元的指令和电机的速度及电流反馈信号，对电机的速度、转矩和旋转方向进行控制。电机具有双重功能，在正常行驶时，动力电池向电机供电，电机将电能转化为机械能；在减速和制动时，电机运行于发电状态，将车轮的惯性动能转化为电能，对动力电池进行充电。机械传动装置将电机的转矩传输给汽车的驱动轴，带动汽车车轮行驶。

2 纯电动汽车研发状况

目前，纯电动汽车的驱动电机主要采用交流异步电机或永磁同步电机。驱动形式主要有电机前置前轮驱动、电机后置后轮驱动、双电机四轮驱动等。动力电池主要有三元锂离子电池和磷酸铁锂电池等。

2.1 国外纯电动汽车研发状况

1）美国特斯拉汽车公司的Model S 2019 款长续航版纯电动汽车，是一款5 门5 座的中大型车，提供运动、标准/舒适及雪地等3 种驾驶模式切换，配备全速自适应巡航系统。驱动方式为双电机四轮驱动。前电机为永磁同步电机，最大功率和最大转矩分别为202 kW 和404 N·m；后电机为交流异步电机，最大功率和最大转矩分别为28 5kW 和440 N·m。电机总的最大功率和最大转矩分别为487 kW 和844 N·m，实测0～100 km 加速时间为4.16 s，实测100～0 km/h 制动距离为41.43 m，最高车速为250 km/h，续航里程达到660 km。电池为三元锂离子电池，电池容量为100 kW·h，支持快充电和慢充电，采用快充电，充电时间为4.5 h；采用慢充电，充电时间为10.5 h[3]。

2）美国特斯拉汽车公司的Model 3 2019 款长续航后驱版纯电动汽车，是一款4 门5 座三厢车型。提供标准/舒适、经济及雪地等3 种驾驶模式切换，配备全速自适应巡航系统。驱动方式为电机后置后轮驱动。电机为交流异步电机，电机的最大功率和最大转矩分别为220 kW 和416 N·m，0～100 km 加速时间为5.3 s，最高车速为225 km/h，续航里程达到664 km。电池为三元锂离子电池，电池容量为75 kW·h，耗电量为12.5 kW·h/100 km，支持快充电和慢充电，采用快充电，充电时间为4.5 h；采用慢充电，充电时间为10.5 h[4]。

3）日本日产汽车公司的2018 款日产聆风（Leaf）纯电动汽车，是一款5 门5 座掀背两厢轿车。驱动方式为电机前置前轮驱动。电机为永磁同步电机，电机的最大功率和最大转矩分别为110 kW 和320 N·m。日本JC08 标准续航里程达400 km，实际的欧洲NEDC 标准续航里程为378 km，美国EPA 标准续航里程为241 km（均获认证）。电池为锂离子电池，电池容量为40 kW·h。有2 种充电模式：快充条件下，充至电量的80%需40 min，慢充条件下，利用3 kW 充电器，充满电需16 h；利用6 kW 充电器，充满电需8h。此外，还提供了V2G（车对电网）的功能，所有的车辆都可以接入电网，并对电网反向输出电能[5]。

4）德国大众汽车公司的2018 款大众e-Golf 纯电动汽车，是一款5 门5 座两厢车。提供运动及经济等2 种驾驶模式切换，配备定速巡航系统。驱动方式为电机前置前轮驱动。电机为永磁同步电机，电机的最大功率和最大转矩分别为100 kW 和290N·m，0～100 km 加速时间为9.6 s，最高车速为150 km/h，续航里程为255 km。电池为三元锂离子电池，电池容量为35.8 kW·h，耗电量为13.6 kW·h/100 km。快充条件下，充至电量的80%需0.66 h；慢充条件下，充满电需6 h[6]。

5）德国宝马汽车公司的宝马i3 2019 款快充版纯电动汽车，是一款5 门4 座两厢小型车，提供标准/舒适及经济等2 种驾驶模式选择，配备定速巡航系统。驱动方式为电机后置后轮驱动，电机的最大功率和最大转矩分别为125 kW 和250 N·m，0～100 km 加速时间为7.3 s，最高车速为150 km/h，续航里程达到340 km。电池为锂离子电池，电池容量为33 kW·h。采用快充电，充电时间为0.7 h，采用慢充电，充电时间为4.9 h[7]。

2.2 国内纯电动汽车研发状况

1）广汽新能源-传祺GE3 2018 款530 智享版纯电动汽车，是一款5 门5 座SUV 车型。提供经济这一种驾驶模式切换，配备定速巡航系统。驱动方式为电机前置前轮驱动。电机为永磁同步电机，电机的最大功率和最大转矩分别为132 kW 和290 N·m。最高车速为156 km/h，工信部纯电续航里程为410 km。电池为三元锂离子电池，电池容量为54.75 W·h，电池能量密度为212 W·h/kg，耗电量为14.7 kW·h/100 km。快充条件下，充至电量的80%需0.5 h，慢充条件下，充满电需8 h[8]。

2）上汽荣威MARVEL X 2018 款全驱版纯电动汽车，是一款5 门5 座SUV 车。提供运动、标准/舒适及经济等3 种驾驶模式切换，配备自适应巡航系统。驱动方式为双电机四轮驱动。双电机均为永磁同步电机，前电机的最大功率和最大转矩分别为85 kW和255 N·m，后电机的最大功率和最大转矩分别为137 kW 和410 N·m，电机总的最大功率和最大转矩分别为222 kW 和665 N·m，实测0～100 km 加速时间为4.8 s，最高车速为170 km/h，工信部续航里程为370 km。电池为三元锂离子电池，电池容量为52.5 kW·h，电池能量密度为145.76 W·h/kg，耗电量为14.2 kW·h/100 km。快充条件下，充至电量的80%需0.67 h；慢充条件下，充满电需8.5 h[9]。

3）比亚迪唐新能源2019 款EV600D 四驱智联创世型纯电动汽车，是一款5 门5 座SUV 车。提供运动及经济等2 种驾驶模式切换，配备自适应巡航系统。驱动方式为双电机四轮驱动。双电机均为永磁同步电机，前后电机的最大功率均为180 kW，前后电机的最大转矩均为330 N·m，电机总的最大功率和最大转矩分别为360 kW 和660 N·m，实测0～100 km加速时间为4.6 s，实测100～0 km/h 制动距离为36 m，最高车速为180 km/h，工信部续航里程为500 km。电池为三元锂离子电池，电池容量为82.8 kW·h，耗电量为17.9 kW·h/100 km。快充条件下，充至电量的80%需1.4 h[10]。

4）吉利帝豪新能源2018 款EV450 尊贵型纯电动汽车，是一款4 门5 座三厢车型。提供运动及经济等2 种驾驶模式切换，配备定速巡航系统。驱动方式为电机前置前轮驱动。电机为永磁同步电机，电机的最大功率和最大转矩分别为120 kW 和250 N·m。实测0～100 km 加速时间为8.1 s，实测100～0 km/h 制动距离为43.44 m，最高车速为140 km/h，工信部续航里程为400 km。电池为三元锂离子电池，电池容量为52 W·h，耗电量为13 kW·h/100 km。快充条件下，充至电量的80%需0.5 h；慢充条件下，充满电需9 h[11]。

5）北汽新能源EX5 2019 款悦尚版纯电动汽车，是一款5 门5 座SUV 车型。提供运动这一种驾驶模式切换，配备定速巡航系统。驱动方式为电机前置前轮驱动。电机为永磁同步电机，电机的最大功率和最大转矩分别为160 kW 和300 N·m。实测0～100 km加速时间为8.1 s，实测100～0 km/h 制动距离为40.19 m，最高车速为160 km/h，工信部续航里程为415 km。电池为三元锂离子电池，快充条件下，充至电量的80%需0.5 h，慢充条件下，充满电需10.5 h[12]。

3 纯电动汽车应用情况

2018 年，全球纯电动汽车销量最多的国家是中国，98.4 万辆，第2 位是美国，20.3 万辆，第3 位是挪威，4.6 万辆；第4 位是德国，3.6 万辆；第5 位是法国，3.1 万辆[13]。

3.1 国外纯电动汽车应用情况

1）2018 年，美国的纯电动汽车销量为203 625辆，是2017 年96 261 的2.1 倍[14]。其中，销量排名前5 的车型如表1 所示[15]。

表1 2018 年美国纯电动汽车销量排名前5 的车型

2）2018 年，挪威的纯电动汽车大涨40%至46 092 辆，新款日产聆风是2018 年挪威最为畅销的纯电动汽车，其它畅销车型包括宝马、大众的小型车以及特斯拉的轿车和SUV 车型[16]。

3）2018 年，德国的纯电动汽车销量为36 062辆，同比2017 年增加43.9%[17]。其中，销量排名前5的车型如表2 所示[18]。

表2 2018 年德国纯电动汽车销量排名前5 的车型

3.2 国内纯电动汽车应用情况

2018 年，国内纯电动汽车产销量分别为98.6 万辆和98.4 万辆，同比2017 年分别增长47.9%和50.8%[19]。2018 年国内各类纯电动汽车产销量如表3所示[20]。

表3 2018 年国内各类纯电动汽车产销量

从车型款数来看，2018 年国内生产的纯电动汽车车型共2 149 款。其中，纯电动乘用车车型374 款，占比17.40%；纯电动客车车型972 款，占比45.23%；纯电动专用车车型803 款，占比37.37%[21]。

2018 年，国内纯电动汽车SUV 车型销量前10名如表4 所示[22]。

表4 2018 年国内纯电动汽车SUV 车型销量排行榜

2018 年，国内纯电动轿车销量前10 名如表5 所示[23]。

表5 2018 年国内纯电动轿车销量排行榜

2018 年，国内纯电动汽车销量排名前10 的城市如表6 所示[24]。

表6 2018 年国内纯电动汽车销量前10 名城市排行榜

4 国内纯电动汽车技术状况及发展趋势

4.1 驱动电机技术

我国车用驱动电机技术处于国际领先地位。在商用车方面，驱动电机转矩密度达到18 N·m/kg 以上，最高转速达到3 500 r/min 以上。在乘用车方面，驱动电机的功率密度已达到3.8 kW/kg（峰值功率/有效质量），转矩密度为7.1 N·m/kg，与宝马i3 的驱动电机技术指标处于同一水平[25]。

目前，纯电动汽车的驱动电机中，永磁同步电机主要应用在乘用车领域，交流异步电机主要应用在商用车领域[26]。

2018 年1～8 月，永磁同步电机占比为78.33%，交流异步电机占比为19.61%[27]。

目前常用的集中式、轮边式和轮毂式等3 种电机驱动形式都采用永磁同步电机技术，区别只是电机安装在车辆的位置不同[28]。

驱动电机技术的发展趋势是：电机本体永磁化，电机控制数字化，电机系统集成化[29]。

4.2 锂离子电池技术

2018 年，动力电池产量达70.6 GW·h，销量达62.3 GW·h，累计装车量达56.92 GW·h，装车量同比2017 年增长56.3%。

在电池材料类型上，2018 年配套的动力电池主要以三元锂离子电池和磷酸铁锂电池为主。三元锂离子电池和磷酸铁锂电池装车量分别为33.1 GW·h和22.2 GW·h，占比分别为58.17%和39.01%。与2017 年相比，三元锂电池装车量增加了13%，磷酸铁锂电池装车量下降了10%[20，30]。

在配套车型上，乘用车以三元锂离子电池为主，客车以磷酸铁锂电池为主[20]。

三元锂离子电池技术的发展趋势是：三元锂离子电池向高镍方向发展[31]。

4.3 充电基础设施

截至2018 年底，我国公共充电桩保有量为33.1万个，私人充电桩达47.7 万个[32]。

截至2019 年1 月，我国公共充电桩共计34.2 万个，私人充电桩共计51.1 万个。公共充电桩和私人充电桩累计85.3 万个，同比增长80.1%。在公共充电桩中，交流充电桩18.4 万个、直流充电桩15.7 万个以及交直流一体充电桩0.05 万个，所占比重分别为53.88%、45.97%以及0.15%。在私人充电桩中，未随车配建充电设施23.2 万个，整体未配建率为31.3%[33]。

充电基础设施的发展趋势是：2025 年，超过3.6万座充换电站，超过2 000 万个交直流充电桩，建成覆盖全国的充电服务网络；2030 年，超过4.8 万座充电站，超过8 000 万个交直流充电桩，进一步完善全国充电服务网络[34]。

5 结束语

1）纯在城市道路上行驶时能源效率比内燃机汽车高等优点。

2）目前，纯电动汽车的续航里程较短，使用成本较高，锂离子电池的安全性有待进一步提高，充电配套设施有待进一步完善。

3）研发高效可靠的电机，提高电池的能量密度及安全性能是纯电动汽车的研发重点。

4）加强充电基础设施建设，完善充电网络是纯电动汽车进一步发展的关键。

5）实现动力电池、驱动电机产业化，使纯电动汽车产业规模达到一定程度，降低纯电动汽车成本。

6）随着纯电动汽车关键技术得到突破，电池寿命、续航里程、使用成本等问题得到解决，纯电动汽车市场会越来越大，纯电动汽车必将成为主流车型。