电动汽车技术发展趋势及前景研究报告

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1、电动汽车技术发展趋势及前景电动汽车技术发展趋势及前景 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

2、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

3、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

4、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

5、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-4055。 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

6、， 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。

7、 性能较低的场地车， 在我国年产达 70008000 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 510 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

8、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 23kW，依赖

9、发动机 的停车断油功能，可节燃油 57;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

10、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

11、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

12、，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 78 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

13、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 5060的制动能量可回收，实际回收的制动能量200 大巴)售价约 80100 元/kg。按 1kg 氢可发 10kWh 电能计算，仅燃料费即约为 10 元/kWh，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/kWh。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

14、。 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

15、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

16、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=110（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