第三節(jié) 電動(dòng)汽車的技術(shù)現(xiàn)狀

自1881年法國(guó)電氣工程師Gustave Trouve制造出第一輛電動(dòng)汽車開始，電動(dòng)汽車經(jīng)歷了曲折起伏的幾個(gè)發(fā)展階段，其中的決定因素就是動(dòng)力電池技術(shù)和人們對(duì)環(huán)境、能源的關(guān)注程度。但是，電動(dòng)汽車自身具有的顯著優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)低排放，甚至零排放行駛；采用電能作為驅(qū)動(dòng)能源，能源來(lái)源途徑廣；行駛噪聲小；容易實(shí)現(xiàn)Drive-by-wire（線控）思想；實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量回收，降低了摩擦制動(dòng)器的使用強(qiáng)度和維護(hù)費(fèi)用……決定了它必將成為新能源汽車技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1.純電動(dòng)汽車的技術(shù)現(xiàn)狀

近幾年，由于動(dòng)力電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)突破，以及電力電子、控制和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促使純電動(dòng)汽車技術(shù)深入發(fā)展，日臻完美，一批裝備了先進(jìn)動(dòng)力電池的電動(dòng)汽車已經(jīng)進(jìn)入或即將進(jìn)入市場(chǎng)銷售。

圖1-6 投放市場(chǎng)的幾款純電動(dòng)汽車

如圖1-6所示，戴姆勒汽車公司的Smart純電動(dòng)汽車自2007年開始先后在歐洲某些國(guó)家、美國(guó)、加拿大以及亞洲的代表性國(guó)家開展了共計(jì)1500輛規(guī)模的實(shí)地運(yùn)行試驗(yàn)，2010年開始進(jìn)行批量生產(chǎn)。三菱汽車2009年開始在日本銷售純電動(dòng)汽車iMiEV。日產(chǎn)公司于2010年12月在日本和美國(guó)市場(chǎng)推出了一款裝備鋰離子電池的電動(dòng)轎車LEAF。這款具有劃時(shí)代意義的純電動(dòng)汽車的問(wèn)世，不僅標(biāo)志著零排放時(shí)代的到來(lái)，而且它集中體現(xiàn)了日產(chǎn)汽車在新能源汽車領(lǐng)域經(jīng)過(guò)數(shù)十年投入和研發(fā)達(dá)到的巔峰水準(zhǔn)，代表了日產(chǎn)汽車對(duì)于未來(lái)交通工具以及移動(dòng)方式的美好愿景，成為世界首款面向全球市場(chǎng)的量產(chǎn)純電動(dòng)汽車并獲得“世界2011年度車型”稱號(hào)。寶馬公司基于成熟車型MINI Cooper開發(fā)的純電動(dòng)汽車MINIE先后在美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本和中國(guó)開展了示范運(yùn)行測(cè)試。

各種高新技術(shù)開始在純電動(dòng)汽車上應(yīng)用，賦予其新的生命力和發(fā)展機(jī)遇。

①動(dòng)力系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)不斷進(jìn)展，節(jié)能效果不斷提高。

②動(dòng)力電池技術(shù)得到飛速發(fā)展，高性能的鋰離子電池、鎳氫電池等綠色電池逐步取代傳統(tǒng)的鉛酸電池，在比能量、比功率、安全性、可靠性、循環(huán)壽命和成本等方面取得很大進(jìn)步。

③高效的一體化電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的直流電機(jī)。

④電動(dòng)輔助系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提高了整車能量利用效率和性能。

⑤網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用促進(jìn)了電動(dòng)汽車的模塊化和智能化。

⑥輕量化技術(shù)和電氣、結(jié)構(gòu)安全性技術(shù)在電動(dòng)汽車上得到了系統(tǒng)的應(yīng)用。

⑦把純電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用作為系統(tǒng)工程，不僅重視汽車本身的研發(fā)，而且開始了充電站等基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃與建設(shè)。

⑧在概念車型上，輪轂電機(jī)和線控技術(shù)等前沿技術(shù)得到了初步應(yīng)用。

純電動(dòng)公交車成為城市節(jié)能減排和平衡電網(wǎng)負(fù)荷的最有效手段，純電動(dòng)公交車的示范和推廣應(yīng)用進(jìn)程加快。以北京市公交車為例，12m公交客車平均油耗40L/100km，每車200km/天、300天/年進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，若發(fā)展1000輛純電動(dòng)公交車，年綜合減排CO₂可達(dá)48000t，節(jié)油2400萬(wàn)L。北京市現(xiàn)有公交客車約25000輛，若全部用純電動(dòng)客車替代，可減排CO₂達(dá)120萬(wàn)t，節(jié)油60000萬(wàn)L。奧運(yùn)期間，55輛純電動(dòng)客車在奧運(yùn)中心區(qū)的奧運(yùn)村、媒體村、北部賽區(qū)和奧運(yùn)公園等線路上給奧運(yùn)會(huì)官員、媒體記者、運(yùn)動(dòng)員提供24h全天候的運(yùn)輸服務(wù)，累計(jì)運(yùn)行約12萬(wàn)km，載客約14萬(wàn)人次。純電動(dòng)客車在奧運(yùn)中心零排放區(qū)應(yīng)用兌現(xiàn)了我國(guó)申奧承諾，是本屆奧運(yùn)會(huì)的重大特色工程之一。

2.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的技術(shù)現(xiàn)狀

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是在純電動(dòng)汽車開發(fā)過(guò)程中為有利于市場(chǎng)化而產(chǎn)生的一種新車型，國(guó)外普遍認(rèn)為它是投資少、選擇余地大、易于滿足未來(lái)排放標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能目標(biāo)、市場(chǎng)接受度高的主流清潔車型，引起各大汽車公司關(guān)注。

日本豐田公司在1997年推出混合動(dòng)力電動(dòng)汽車普銳斯，使用了豐田THS混合動(dòng)力裝置，2000年5月、2002年上半年、2009年完成了普銳斯汽車的三次改進(jìn)，于2012年推出插電式混合動(dòng)力版的普銳斯汽車，截至目前已累計(jì)銷售超過(guò)200萬(wàn)輛。日本本田公司開發(fā)的雙座Insight混合動(dòng)力電動(dòng)汽車專為達(dá)到最大燃料經(jīng)濟(jì)性而設(shè)計(jì)，使用了本田IMA系統(tǒng)，自2001年開始批量投放日本和美國(guó)市場(chǎng)，名列2002年度美國(guó)環(huán)保署公布的最省油轎車名單榜首，截至目前本田混合動(dòng)力汽車已累計(jì)銷售超過(guò)80萬(wàn)輛。通用汽車、戴姆勒-克萊斯勒集團(tuán)與寶馬集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)的完全混合動(dòng)力系統(tǒng)，第一次完美地將電機(jī)與固定傳動(dòng)比齒輪變速器集成在一起，具有適用于高速和低速兩種行駛狀態(tài)的電子無(wú)級(jí)變速模式，成為雙模混合動(dòng)力系統(tǒng)的代表。投放市場(chǎng)的幾款有代表性的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車如圖1-7所示。

混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)增長(zhǎng)加快，產(chǎn)品系列正從日本豐田一枝獨(dú)秀向多元化發(fā)展，多車型投入商業(yè)化應(yīng)用。通用、戴姆勒-克萊斯勒、大眾、雪鐵龍、雷諾、寶馬、日產(chǎn)、現(xiàn)代、三菱等世界大型汽車公司紛紛推出具有各自特色的混合動(dòng)力汽車。國(guó)內(nèi)，一汽、東風(fēng)、上汽、長(zhǎng)安、比亞迪、奇瑞、華普、沈陽(yáng)金杯等汽車公司都在加緊研發(fā)自己的混合動(dòng)力汽車，多款混合動(dòng)力客車、轎車已進(jìn)入批量生產(chǎn)和應(yīng)用階段。

3.插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的技術(shù)現(xiàn)狀

插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）具有較長(zhǎng)的純電動(dòng)行駛里程，還可以以混合動(dòng)力模式工作，具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。插電式混合動(dòng)力汽車技術(shù)受到普遍關(guān)注，2006年10月第22屆國(guó)際電動(dòng)汽車年會(huì)首次把插電式混合動(dòng)力汽車技術(shù)作為特別專題進(jìn)行研討，2007年12月第23屆國(guó)際電動(dòng)汽車年會(huì)上插電式混合動(dòng)力汽車已與純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、燃料電池汽車并行作為會(huì)議的研討主題。為了加快對(duì)PHEV的推廣應(yīng)用，美國(guó)IEEE-USA能源政策委員會(huì)建議增加PHEV的應(yīng)用力度以提高現(xiàn)代交通的適應(yīng)性和國(guó)家交通能源的獨(dú)立性，在重量、體積、成本、壽命、安全以及功率電子器件和控制等各個(gè)方面加大對(duì)各種PHEV動(dòng)力電池的研究力度和支持力度，建議政府采取激勵(lì)措施和鼓勵(lì)政策促進(jìn)PHEV的市場(chǎng)切入，鼓勵(lì)電力計(jì)量、計(jì)價(jià)等配套設(shè)施建設(shè)以及電力公司的介入，以真正實(shí)現(xiàn)從復(fù)雜的動(dòng)力電池充電系統(tǒng)中獲取最大的利益，加大對(duì)PHEV應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)行業(yè)沖擊與影響的評(píng)估，完善相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)行業(yè)的最大利潤(rùn)。

圖1-7 投放市場(chǎng)的幾款有代表性的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

PHEV的技術(shù)發(fā)展路線具有代表性的主要有兩條（IEEE SPECTRUM，2008.4）：美國(guó)通用汽車汲取純電動(dòng)汽車EV1投放市場(chǎng)失敗的教訓(xùn)，同時(shí)繼承純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方面的技術(shù)積累和優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)推出了以串聯(lián)混合動(dòng)力為基礎(chǔ)的PHEV，具體采用了大容量的鋰離子動(dòng)力電池組；日本豐田可充電混合動(dòng)力汽車普銳斯，同樣繼承了豐田公司極為成功的混聯(lián)式THS系統(tǒng)，增大了車載動(dòng)力電池組容量并補(bǔ)充了外接充電插頭，使整車的純電動(dòng)行駛里程得以增加。2006年11月30日，在洛杉磯汽車展上，通用汽車公司正式宣布進(jìn)軍PHEV研發(fā)領(lǐng)域，截至目前已成功推出土星可充電混合動(dòng)力SUV、可充電混合動(dòng)力VOLT轎車。分別裝有鎳氫（NiMH）、鋰離子動(dòng)力電池的6輛戴姆勒-克萊斯勒15個(gè)商用PHEVVAN，設(shè)計(jì)純電動(dòng)行駛里程32km，在美國(guó)洛杉磯、紐約以及德國(guó)漢諾威等地進(jìn)行了應(yīng)用性考核試驗(yàn)，被試車輛都表現(xiàn)出具有很好的性能。美國(guó)福特公司在其商業(yè)化的混合動(dòng)力車型ESCAPE系列中也推出了PHEV款，具體采用了41A·h、10kW·h鋰離子動(dòng)力電池組，具有48km純電動(dòng)行駛里程，并于2007年12月3日把首批20輛PHEV款ESCAPE交付加利福尼亞示范區(qū)進(jìn)行道路試驗(yàn)，目的在于探討PHEV的商業(yè)化模式以及車輛與電網(wǎng)之間的服務(wù)模式等。幾種投入示范運(yùn)行的PHEV，如圖1-8所示。美國(guó)加州薩克拉門多市政管理區(qū)委托Energy CS在2005款普銳斯轎車上完成的PHEV改進(jìn)采用了8.5kW·h的鋰離子動(dòng)力電池和專用動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)，加裝了輸入電壓為110V、功率為1.1kW的充電器，整車純電動(dòng)續(xù)駛里程60km。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，整車燃料費(fèi)用與混合動(dòng)力款普銳斯轎車相比降低21%（發(fā)動(dòng)機(jī)參與工作）和46%（全電動(dòng)模式）。

圖1-8 投入示范運(yùn)行的幾款插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

鑒于PHEV良好的綜合性能，豐田汽車公司開展了插電式混合動(dòng)力普銳斯轎車的示范運(yùn)行和考核，并逐步投放市場(chǎng)。

總之，PHEV技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出形式多樣、發(fā)展勢(shì)頭良好、示范應(yīng)用加快的總趨勢(shì)，被認(rèn)為是下一代汽車的典型代表。目前，PHEV面臨的技術(shù)關(guān)鍵和完善要點(diǎn)表現(xiàn)為動(dòng)力電池技術(shù)在成本、壽命、安全性和低溫特性等方面的突破，以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工作制、持續(xù)工作能力、電壓等級(jí)、熱管理等方面的技術(shù)完善。另外，建立適用的充電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也成為PHEV推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

4.燃料電池電動(dòng)汽車的技術(shù)現(xiàn)狀

由于燃料電池電動(dòng)汽車具有環(huán)保意義，各大汽車制造商都在尋找檢驗(yàn)產(chǎn)品并最終投放市場(chǎng)的途徑。幾款有代表性的燃料電池電動(dòng)汽車如圖1-9所示。戴姆勒-克萊斯勒汽車公司是世界上最大的燃料電池電動(dòng)汽車廠商之一，早在1994年就完成了第一輛燃料電池汽車NE_- CAR的開發(fā)。戴姆勒-克萊斯勒汽車公司在A級(jí)F-Cell燃料電池汽車?yán)^續(xù)進(jìn)行道路試驗(yàn)的同時(shí)，又開發(fā)了B級(jí)F-Cell汽車。新車采用巴拉德的燃料電池先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)減少燃料消耗、增加車載儲(chǔ)氫量使續(xù)駛里程增加到400km（相比原始NECAR增加了260km）。大眾汽車公司通過(guò)依賴自身?xiàng)l件并吸收其他制造商的經(jīng)驗(yàn)開發(fā)了HyMotion。通用汽車公司在歐寶Zafera的基礎(chǔ)上開發(fā)了Hydrogen3，其應(yīng)用的新型滑板底盤最先出現(xiàn)在Hy-Wire（線傳操控燃料電池車）上。燃料電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電堆產(chǎn)生電力，電堆由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池單體組成，通過(guò)68L的氫氣儲(chǔ)存罐向燃料電池堆提供氫氣，其0—100km/h的加速時(shí)間約為16s，最高車速達(dá)160km/h，一次充氣續(xù)駛里程達(dá)400km。現(xiàn)在日本和美國(guó)路上測(cè)試的FCHV-5是豐田汽車公司于2001年生產(chǎn)的第5代燃料電池汽車。本田汽車公司開發(fā)出了先進(jìn)的燃料電池汽車Honda-FCX，該車裝有86kW的PEM電池，是唯一一輛通過(guò)美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）和加州大氣資源委員會(huì)（CARB）鑒定的零排放燃料電池汽車。上海神力科技有限公司成功研發(fā)出三代轎車和城市客車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，并分別安裝在同濟(jì)大學(xué)的“超越一號(hào)”“超越二號(hào)”“超越三號(hào)”燃料電池轎車與清華大學(xué)的“氫能一號(hào)”“氫能三號(hào)”等燃料電池城市客車上。北京理工大學(xué)與航天動(dòng)力研究所等單位聯(lián)合開發(fā)了一輛實(shí)用化的高壓氫空燃料電池混合動(dòng)力汽車并通過(guò)了試車場(chǎng)性能測(cè)試和2000km連續(xù)可靠性考核試驗(yàn)。

圖1-9 幾款有代表性的燃料電池電動(dòng)汽車

針對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車的示范運(yùn)行和考核正在積極開展，具有代表性的有歐洲CUTE項(xiàng)目和日本JHFC項(xiàng)目。CUTE項(xiàng)目是一個(gè)由歐盟支持的9個(gè)城市參與的燃料電池汽車示范運(yùn)行項(xiàng)目，所用的車輛都是由梅賽德斯-奔馳公司提供的燃料電池大巴Citaro，每個(gè)城市3輛，共27輛，截至2005年12月，27輛Citaro共行駛里程850000km和62000h，月均行駛里程35800km，月最長(zhǎng)行駛里程59000km。日本JHFC項(xiàng)目是日本政府支持的在東京—橫濱地區(qū)開展的燃料電池汽車示范運(yùn)行項(xiàng)目，參與的汽車廠商包括豐田、日產(chǎn)、本田、通用等，參與的車輛類型包括轎車和大巴兩種，以轎車為主，主要采取了3種線路形式：自由行車路線、計(jì)劃行車路線和活動(dòng)行車路線（宣傳和試乘活動(dòng)）。