纯电动汽车核心技术发展状况

李飞泉，田玉冬，邬建海

（1.上海理工大学，上海 200093；2.上海电机学院，上海 200240；3.上海众力汽车部件有限公司）

纯电动汽车核心技术发展状况

李飞泉1，2，田玉冬1，2，邬建海3

（1.上海理工大学，上海 200093；2.上海电机学院，上海 200240；3.上海众力汽车部件有限公司）

阐述纯电动汽车的核心技术发展状况；分析动力电池、电力驱动、电控技术、能量管理四大方面的内容；展望纯电动汽车技术发展的未来。

纯电动汽车；动力电池；电力驱动；能量管理

据《世界汽车统计年鉴2015》预计，2015年世界汽车销量将达到8797万辆，其中中国地区占2 396万辆。而据最新《全球气候年度报告》，由于燃烧化石燃料，人类已将从工业革命以来大气中二氧化碳浓度增加了40%以上，2014年成为有气象记录135年来最炎热的一年，冰川持续消融了31年。为了兼顾汽车需求和环境保护，加上考虑化石能源的日益枯竭，发展新能源汽车成为最好的选择。作为新能源汽车的重要一员，纯电动汽车有着无污染、低噪音、高效率以及广泛、几乎无穷尽的能量来源，是未来汽车发展的重要方向之一。早在1873年Robert Davidson就制作了可供实用的纯电动汽车，比Karl Benz早了10年以上。但由于当时在经济上不及汽油汽车，纯电动汽车得不到普及和发展。随着它再次受到重视，其核心技术如动力电池、电力驱动及控制等技术将会得到长足发展。

1 动力电池

电池是电动汽车（下文中电动汽车均表示纯电动汽车）的能量来源，现阶段对于电动汽车无论在整车质量还是成本上，电池都占很大比重。这也是制约电动汽车发展的主要因素之一。目前动力电池的主要种类有：铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、钠硫电池。动力电池不同于其他商用电池，必须适应汽车使用过程中的恶劣环境。根据电动汽车电池的工作环境，动力电池应满足以下要求［1］：①高功率密度；②高体积比能量和高质量比能量；③工作温度范围宽；④高倍率放电电荷的循环使用；⑤深度循环使用；⑥使用寿命长；⑦高安全性；⑧高可靠性；⑨价格比较低。

1.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池经过100多年的发展，技术已相当成熟，有着很高的可靠性和较低的成本。铅酸电池具有良好的大电流输出特性和较宽的温度使用范围，是使用非常广泛的化学电源。但铅酸电池的缺点也很明显，比能量低和循环次数少，这使得铅酸电池显得特别笨重而且使用寿命低。目前，铅酸电池主要应用在电动自行车上。

1.2 锂离子电池

锂离子电池是负极以碳素材料为主，正极以含锂的化合物的二次电池。锂离子电池有着高比能量、无记忆效应、自放电小、循环寿命长等特点，很适合作为动力电池。其突出的缺点是价格较高，但随着技术进步、工艺完善和大规模的生产应用，价格问题将有望得到解决。

1.3 镍氢电池

镍氢电池正极为活性物质氢氧化镍，负极为储氢合金。镍氢电池具有放电倍率高、循环寿命长、快速充电等特点，被广泛应用于需要功率较大的消费型电子产品，如电动玩具、照相机。在汽车领域主要运用在混合动力车上。其主要缺点有：成本较高、比能量低、有记忆效应、自放电大。随着电动汽车的发展，镍氢电池也受到了广泛关注，其能量密度有望得到大幅提高，价格也将进一步降低。

1.4 钠硫电池

钠硫电池是一种以熔融态金属钠为负极，硫和多硫化钠熔盐为正极，陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。有着比能量高、转换效率高、大电流充放电等优点。但其缺点也很明显，首先保持电极在融融状态，这需要额外的加热保温装置。再者，金属钠与硫接触将发生剧烈的放热反应。一旦电池受外力破损或是内部陶瓷隔膜受损，后果将不堪设想。故钠硫电池现阶段主要用于静态环境下，如电网的“削峰填谷”。若要在电动汽车动态环境运用，还需要有万无一失的保护措施。

1.5 动力电池性能比较

电动汽车的未来很大程度上取决于动力电池的性能。为了便于选取，将上述动力电池的性能优缺点作比较，见表1［2］。

管理的任务是提升企业的复制能力和变革能力，管理的核心是要管理这些要素，同时也要让这些要素根据变化去调整和积累。那么管理的最有效的手段是什么？管理的基本工具和方法是什么？

表1 各类动力电池性能比较

2 电力驱动

电动机是电动汽车的动力来源，不同于传统汽油发动机，电动机能量转换率高，低速时仍能输出大转矩，结构简单，安全可靠。由于电动机的可逆原理，驱动电机还可以在减速过程中实现能量回收。现在用于电动汽车驱动的电机主要有：直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机。电动汽车常常在极端温度、极端环境中高负载运行，因此对驱动系统有着严格的要求［3］：①高能量密度1～1.25 kW／kg；②宽泛的速度调节范围，一般为25%～100%最大转速；③足够大的启动转矩；④良好转矩快速响应性；⑤良好的环境适应能力；⑥在大范围的转速、转矩变化中保持高效率85%～93%；⑦能量回收转换率高。

2.1 直流电机

直流电机是将直流电转化为机械能的装置，主要分为两大类：绕组励磁式和永磁式。其中绕组励磁式分为他励、并励、串励和复励式，绕组励磁电机容易实现大功率；永磁直流电机不用励磁电流，效率较高，但由于励磁场固定，机械特性不如绕组励磁电机，并且功率受限制。直流电机是最早被发明的电机，技术已十分成熟，有着结构简单、调速性能好的特点。

2.2 交流异步电机

交流异步电机又叫感应电机。当通入三相交流电，定子绕组产生旋转磁场，转子绕组受磁感应产生电流，并在旋转磁场作用下受到电磁力，进而产生电磁力矩。交流异步电机有着结构简单、成本低、坚固耐用、过载能力强、维护方便等优点，这很适用于电动汽车运行中遇到的各种恶劣环境。

2.3 永磁同步电机

三相永磁电机的转子为钕铁硼等磁性材料组成，定子为三相分布的绕组。永磁同步电机不需要传统同步电机的电刷和肩环，具有结构简单、功率密度大、效率高等优点，是理想的驱动电机。但目前受永磁材料的特性和加工工艺的限制，使得永磁同步电机功率小、恒功率区较窄，调速困难，且需要复杂的控制系统。

2.4 开关磁阻电机

图1 开关磁阻电机结构图

3 电控技术

3.1 直流电机控制方法

由于直流电机定子磁动势和转子磁动势二者垂直，且二者可以单独控制，彼此不受影响，故直流电机具有很好的线性调速性。直流电机主要通过晶闸管变流器提供可调的直流电压调速，或是通过直流斩波器由DC／DC变换提供可变直流电压调速。相比其他电机，直流电机在控制技术上有着简单有效、成本低廉的先天优势。其成熟的理论基础也对其他电机的控制方案提供了参考。

3.2 交流电机控制方法

交流异步电机与永磁同步电机都是强耦合、多变量、非线性系统。传统调速方法如改变极数、频率、定子电压等属于纯量的改变。但磁链、磁动势都是空间方向的量，即矢量，如果控制这些矢量的大小和方向，则可使系统具有更优良的性能［4］。矢量控制的基本思想是将定子电流分解成励磁电流和转矩电流分量，通过坐标变换，模拟直流电机转矩的控制方法对两分量分别控制，来获取像直流电机一样的高转矩响应。

另一种比较流行的控制方法是直接转矩控制。它通过检测定子电压、电流，计算电动机磁链与转矩，比较转矩与给定值的差额，控制定子磁链矢量，从而实现转矩的直接控制。矢量控制与直接转矩控制都是已获实际应用的高性能调速系统，表2［5］列出了两种系统的特点和性能比较。

表2 直接转矩控制系统和矢量控制系统的特点与性能比较

3.3 开关磁阻电机的控制方法

开关磁阻电机的控制变量一般有施加于相绕组的端电压、相电流、开通角和关断角等［6］，因此相应的控制方法有：电压控制（VC）、电流斩波控制（CCC）、角度控制（APC）。电压控制容易实现、成本低，但调速范围小。电流斩波控制法可限制电流峰值的增长，适用于中低速调速系统；但在负载变动时，由于电流峰值受限，会使其动态响应缓慢。角度控制法有着转矩调节范围大的优点，并允许多相通电增加转矩，适用于高速场合。

4 能量管理系统

由于单体电池无论从电压还是电容量上远远达不到电动汽车要求，因此驱动电池一般由众多电池以一定的方式串并联而成。以特斯拉model S为例［7］，其电池包由8142节松下18650电池（3.6V／2.75Ah）组成。加上驱动电池经常处于大电流充放电状态，内部温度、电解质浓度、正负极活性物质成分都发生急剧变化，而这些因素会反馈影响电池性能。因此，驱动电池是一个高度非线性系统。加上现阶段电池价格依旧偏高、相比电机等其他器件寿命不足等因素，必须对其精心保护，对其设置专门的电池管理（BMS）。BMS通过检测电池的工作状态如电压、电流、温度等，预测电池的SOC和SOH，避免出现过充、过放、过热等现象，最大限度地利用电池。BMS主要任务及相应传感器输入和输出控制表见表3［8］。

表3 BMS的主要任务

5 最新技术

5.1 最新电池技术

传统电池在容量、寿命、充电速度上还有待提高，而新兴的超级电容、石墨烯电池有望解决这些问题。

超级电容的基本原理和传统电容器一样，但其面积是基于多孔碳材料，可实现更大的表面积，实现更大的电荷储存量。由于基本工作原理是电极／电解质界面的静电应力，超级电容表现出高度的可逆性，能承受约100万次循环周期［9］。故超级电容有着充放电速度快、比功率高、寿命长等特点，适合用于电动汽车，但存在比能量低的缺陷。据《德阳日报》报道，高能镍碳超级电容器电池已于2015年10月21日举行投产仪式，它将电池和电容进行了优势互补，既有电池的高容量又有电容的快速充放电性质。相信在不久的将来这一问题将会得到解决。

石墨烯本身不能形成电池，而是作为锂电池负极材料形成石墨烯电池。传统锂电池以碳质材料为负极，而碳质材料是以石墨烯为基本单元。锂电池的储能机制是靠锂离子在石墨层吸附、脱落。据Suzuk计算，只有当两片石墨层距离大于0.77nm时，单片石墨层可以双面结合锂离子［10］，但碳质材质的石墨层间距明显达不到这一要求。直到2004年由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体——石墨烯，这一难题才得到解决。理论上石墨烯将会使电极的锂离子吸附能力翻倍。石墨烯电池有着电容量高、充电速度快的特点，目前还存在着寿命短的缺陷。随着技术改进，石墨烯电池在电动汽车领域将大有作为。

5.2 新型电机

记忆电机又称可变磁通电机。永磁电机由于通过永磁体励磁，无需励磁电流，故能量转换率高。但也因此导致气隙磁场难调节、恒功率区较窄、调速复杂。为了解决这一问题，可变磁通永磁电机应运而生，其结构如图2所示。其永磁体为高剩磁、低矫顽力的永磁材料AlNiCo，通过施加脉冲电流，可改变其磁化状态，从而改变气隙磁场。根据脉冲电流的方式，记忆电机可分为交流脉冲磁型和直流脉冲磁型。记忆电机为永磁电机调速范围的扩展提供了新途径，并有望为电动汽车驱动电机提供新的选择。

5.3 最新电控方法

5.3.1 模糊控制法

传统的控制方法通过对系统进行建模，由自然规律得到相应的微分方程组，再通过解方程组得到传递函数或状态函数，从而得到控制器响应函数。因此在理论上，这种方法得到的响应函数是精确的。但当系统为非线性或复杂系统时，由于人的局限性，在建立微分方程组或解微分方程组时不可避免地使用近似条件，这使得控制效果并不理想。而人的经验在处理非线性或复杂系统时更具有优势，用人的经验得出的解决方法不一定是最完美的，但一定是有效实用的。模糊控制法采用的控制规律就是人的经验，其具体步骤［11］为：①根据输入精确值做模糊化处理，得到相应的模糊集；②根据模糊集规则库中规则，对输入模糊集进行模糊推理并得出输出模糊集；③对输出模糊集进行去模糊化处理，得到精确输出值。

图2 记忆电机结构图

5.3.2 神经网络控制法

人的大脑是由大量神经元连接而成的，具有极强的非线性复杂问题的处理能力。人工神经网络系统从结构和功能上对人脑进行抽象化和简化，在控制领域有着诱人的吸引力。神经网络具有以下显著特征［12］：①学习能力；②抗故障能力；③集成性；④并行性；⑤连贯信息表示；⑥与脑的类似性。神经网络控制法最大的优势在于它的学习能力，神经网络通过修改加权系数，改变输入从而改变输出，达到预期输出，实现学习。这使得它在复杂环境中有了自我调节能力，从而使得控制系统总是能达到良好状态。神经网络的学习算法有：Hebb学习算法、Widrow-Hoff学习算法、反向传播学习算法、Hofield反馈神经网络学习算法等。

6 电动汽车核心技术发展趋势

近年来，电动汽车受到了广泛关注，被越来越多的消费者接受，市场份额逐年攀升。电动汽车的电力驱动及电控、电池技术等将会得到迅猛发展。现阶段动力电池的低容量、短寿命和高价格是制约电动汽车发展的主要因素。新型材料如石墨烯和新型电池如超级电容、空气电池的加入，将会为动力电池的发展注入新的活力。

在电池技术短时间内得不到实质性进展时，充分利用电池的有限能源就显得特别重要，这需要高效的能量管理系统。另外电池的寿命、电动汽车的安全性在相当程度上都依赖于能量管理系统，故能量管理系统必须得到重视。

电机经过100多年的发展，技术相对成熟。但不是每种电机都适合作为驱动电机，并且各种实用型的驱动电机还存在一些难以解决的问题。如直流电机有良好的调速性，但却结构复杂、价格偏高；交流电机结构简单、造价低，但却调速性不佳。虽然随着技术革新，传统电机的缺点会有所改善，但新型电机拥有更明显的优势。如开关磁阻电机有着简单的结构同时宽泛的调速范围，综合了直流电机和交流电机的优点；记忆电机继承了永磁电机的高能量利用率同时又有着良好的调速性。

相比传统发动机，电动机在调速性上要好得多，且启动迅速，无熄火现象。目前较为流行的交流电机调速方法如矢量控制和转矩控制还有待改进，新型调速方法如神经网络控制、模糊控制在理论上还需继续研究，实际应用中还有待推广。

7 结语

本文通过对电动汽车核心技术的现状及最新技术进行分析，得出如下结论。

1）动力电池性能上的不足是制约电动汽车发展的最大因素，只有当大容量、快速充放电、高安全性、低成本的电池出现时，电动汽车才将得到真正广泛推广。

2）性能优越的电源管理系统是对现阶段电池性能不足的补充，并且在电动汽车安全性上有着至关重要的作用。

3）驱动电机的相关技术相对成熟，相比于传统发动机有着绝对优势。但在结构简化、调速性优化、可靠性方面仍然有较大提升空间。

4）新技术新材料的引进对电动汽车技术的发展有着难以估量的作用，并可能从根本上解决相关难题。

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（编辑 心翔）

Review of Core Technology Development Situation of Pure-electric Vehicle

LI Fei-quan1，2，TIAN Yu-dong1，2，WU Jian-hai3
（1.University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China；3.Zhongli Corporation）

This paper demonstrates the current core technology development of pure electric vehicles，from perspectives of power battery，electric drive，electronic control and energy management；states the future expectation of this technology.

pure electric vehicle；power battery；electric drive；energy management

U469.72

A

1003－8639（2016）08－0006－04

2016-01-25

李飞泉（1991-），男，硕士，研究方向为新能源汽车驱动技术，E-mail：waterfalls_li@sina.com；田玉冬（1968-），男，博士，研究方向为复杂工业系统控制。