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电动汽车技术的发展趋势与前景

文章来源:久久星电动车 发布时间:2017/10/20 浏览量::

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,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


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,由于石油危机和大气污染日趋严重,以质子交换膜式为代表的燃料电池技术,受到世界各国普遍重视。各大跨国汽车公司纷纷投入巨资,研发出了各种类型的燃料电池电动汽车(FCEV)。


5.1质子交换膜燃料电池(PEMFC)主要优点


(1)其排放生成物是水及水蒸汽,为零污染;


(2)能量转换效率可高达60~70%;


(3)无机械振动、低噪声、低热辐射;


(4)宇宙质量中有75%是氢,地球上氢也几乎是无处不在。氢还是化学元素中质量最轻、导热性和燃烧性最好的元素;


(5)氢的热值很高,1kg氢和3.8L汽油的热值相当。


5.2燃料电池电动汽车存在的技术、经济问题


在我国,国家科技部将研发燃料电池客车和燃料电池轿车列为“十五”和“十一五”计划“863”重大科技项目。并已取得一系列重大科技成果,但是在多年科研实践中,也暴露出一些技术、经济问题:


(1)燃料电池发动机的耐久性寿命短


一般仅1000~1200小时(国外达2200小时),燃料电池汽车行驶4~5万km,功率即下降~40%,和传统内燃机可普遍行驶50万km以上相比,差距很大;


(2)燃料电池发动机的制造成本居高不下


   一般估计3万元/kW(国外成本约3000美元/kW),与传统内燃机仅200~350元/kW相比,差距巨大。由于其中如质子交换膜、炭纸、铂金属催化剂、高纯度石墨粉、氢回收泵、增压空气泵等关键部件均依靠进口,所以与国外相比,并没有成本优势;


(3)燃料电池发动机对工作环境的适应性很差


国产可在0~40℃气温下工作,低于0℃有结冰问题,高于40℃过热不能正常工作;此外对空气中的粉尘、一氧化碳、硫化物等都十分敏感,铂催化剂极易污染中毒失效;


(4)燃料电池汽车的使用成本过于高昂


例如高纯度(99.999%)高压氢(>200大巴)售价约80~100元/kg。按1kg氢可发10kW·h电能计算,仅燃料费即约为10元/kW·h,按燃料电池发动机工作寿命1000小时计算,折旧费为30元/kWh。所以总的动力成本达40元/kW·h。与表1对照可知,至少在目前,由燃料电池发动机提供1kWh电能的成本远高于各种动力电池,这从一个侧面反映了作为汽车动力源,燃料电池汽车还有相当的距离。


5.3目前燃料电池电动汽车的研究课题


尽管存在如此多的问题,但是燃料电池仍然是人类迄今为止,发明的最清洁、安静又可无限再生的能源,值得我们为实现燃料电池电动汽车的产业化,付出更大的努力。


为此建议从以下几个方面进行工作:


(1)以更为创新的思维,对燃料电池的基本理论和基础材料进行深入研究,例如努力探寻非铂金属催化剂;努力研制抗电腐蚀金属双极板和耐高温(>110℃)高机械强度质子交换膜等;


(2)努力实现如炭纸、增压空气泵等关键零部件的国产化,以降低整机成本;


(3)进一步提高整机的优化集成技术,着力提高整机的耐候性(高、低气温变化)、抗大气污染能力和耐电负荷急剧变化能力等。

   


6,电机及电动车轮


电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。目前使用较多的有直流有刷、永磁无刷、交流感应和开关磁阻等四种电机。


美国和德国开发的电动汽车大多采用交流感应电机,主要优点是价格较低、效率高、重量轻,但启动转矩小。日本研制的电动汽车几乎全部使用永磁无刷电机,其主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点,但价格较贵,永磁材料一般仅耐热120℃以下。开关磁阻电机结构较新,优点是结构简单、可靠、成本较低、起动性能好,没有大的冲击电流,它兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点,缺点是噪声较大,但仍有一定改进余地。表6列出四类电机比较。


显然表6中四种电机各有优缺点,但是对于电动汽车而言,由于电能是由各类电池提供,价格昂贵而弥足珍贵,所以使用相对效率最高的永磁无刷电机是较为合理的,它已被广泛用于功率小于100kW的现代电动汽车上。


此外,在国外已有越来越多的电动汽车采用性能先进的电动轮(又称轮毂电机),它用电机(多为永磁无刷式)直接驱动车轮,因此无传统汽车的变速箱、传动轴、驱动桥等复杂的机械传动部件,汽车结构大大简化。但是它要求电机在低转速下有很大的扭矩,特别是对于军用越野车,要求电机基点转速∶最高转速=1∶10(见图5)。近几年,美、英、法、德等国纷纷将电动轮技术应用于军用越野车和轻型坦克上,并取得了重大成果。例如美海军陆战队在“悍马”基础上研制出串联式“影子”新型混合动力越野车,采用了电动轮技术,其结构及主要技术参数如表7所示。与传统“悍马”车对比试验,在同样侦察试验条件下,“悍马”耗油472kg,而“影子”仅耗油200kg;同一越野路段,“悍马”耗时32分钟跑完,而“影子”仅耗时13分50秒,此外它还具有在纯电动模式下,汽车静音、无“热痕迹”等优点。如此优异的性能,据闻美军已决定停产传统“悍马”车,全部改产新型混合动力电动轮驱动的“影子”型军车。这一重要发展趋势,应引起高度关注。



7,结束语


综上所述,可以从技术/经济分析出发,对电动汽车技术的现状和未来作如下结论:


(1)在目前国内市场价格的基础上,可粗略计算出各种提供电能技术的价格比。即电网供电∶柴油机供电∶铅酸电池供电∶镍氢电池供电∶锂离子电池供电∶燃料电池供电=1∶6∶6∶19.2∶20.4∶80。这从一个侧面反映了各种供电方式距离电动汽车市场的远近。当然,随着石油价格的上升、电池技术的进步,这些比例关系将发生很大的变化;


(2)由于铅酸电池的供电成本大体和柴油机供电相等,因此它仍然是低端电动车市场的主要动力电池。磷酸锂离子电池技术进步较快,它最有可能成为铅酸电池的竞争对手,率先成为高端电动车市场的主要动力电池;


(3)由于混合动力汽车仅需装用纯电动汽车1/10的动力电池容量,整车有较为接近市场的性/价比,因此它仍将是近期实现产业化的主要电动汽车种类。考虑到我国国情,目前仍应大力推广使用混合动力大客车,进一步降低制造成本,减少油耗和排放;


(4)在锂离子电池性/价比进一步提升后,外接充电式混合动力汽车(PHEV)有望成为理想的上班族乘用车,它可大幅度减少油耗和降低排放,但是由于较高的价格,它可能首先在发达国家得到推广应用;


(5)燃料电池虽然是理想的清洁能源,但是目前它的性/价比太低,要达到可以进入市场的性/价比,可说是任重而道远,必须从基础材料和基本理论上有重大突破,才可能进入汽车市场;


(6)电动轮已成为国外电力驱动技术的重要发展趋势,并已在军用越野车上得到实际应用,证实它在技术/经济上的重要优势,我国虽也有不少单位研发,但始终未进入“863”计划,技术进步缓慢,因此有必要奋起直追,尽快掌握这一先进的电驱动技术。