新能源电动汽车核心技术发展现状与趋势综述

吕纯池

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉430070）

1 新能源电动汽车理论综述与发展现状分析

1.1 新能源电动汽车理论综述

新能源汽车是指除汽油、柴油发动机之外所有其他能源汽车。按照中华人民共和国国家发展与改革委员会公告定义，新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进，具有新技术、新结构的汽车。

新能源汽车按照使用范围可分为纯电动汽车、插电式混合动力汽车、常规混合动力汽车和其他新能源汽车（包括增程式电动车、氢燃料汽车、太阳能汽车等）。

1.2 新能源电动汽车的优势与存在的问题

1.2.1 新能源电动汽车的优势

1.2.1.1 节能环保，经济性好

当前新能源汽车大部分使用电力作为动力，少部分使用氢能、太阳能等。电动汽车不产生尾气，无污染。氢能源汽车尾气是水，对环境没有污染，具有价格低、零排放等特点。

1.2.1.2 效率高，舒适度高，噪声低

新能源汽车效率更高，在车辆行驶过程中没有NVH和变速器换挡时的顿挫感，整个驾乘过程相对平顺、舒适、噪声低。

1.2.2 新能源电动汽车存在的问题

1.2.2.1 续航里程短，充电换电不方便

新能源汽车的续航里程受到电池技术与充电环境的制约。电池技术重点在于电池能量密度的突破，或是找到更加合适、稳定的材料。同时，考虑到充电安全，新能源汽车的整体充电速度不得不降低，总体算下来，平均充电过程为2～3 h，远没有传统燃油车加油速度快。

1.2.2.2 存在安全隐患，维修费用高

新能源汽车最大的安全隐患就是电池。电池的内部短路（如局部的温升、杂质/毛刺、枝晶、隔膜缺陷、隔膜变形）和外部原因（主要有穿刺、受挤或外部起火）都会引发严重的安全问题。

2 新能源电动汽车核心技术发展趋势研究

与传统燃油汽车不同，新能源电动汽车的核心是三电技术，即驱动电机、动力电池和电池管理技术。

2.1 驱动电机技术

2.1.1 电机的种类

目前，驱动电机主要有直流电机、感应电机、开关磁阻电机、无刷直流电机、永磁同步电机这几大类。每种电机都各有特点。从转速看，开关磁阻电机最高，交流异步电机次之，直流电机转速最低，但永磁同步电机转速范围较大；从性能可靠性和结构牢固性来看，开关磁阻电机与交流异步电机可靠性最强，永磁同步电机次之；从质量和体积来看，开关磁阻电机的质量小、体积小，而直流电机质量大、体积大。

2.1.2 驱动电机的发展趋势

结合当前技术发展看，驱动电机的趋势主要为：①高度集成化。具体表现为车用电控制系统逐渐高度集成化，电机、发动机控、整车等的控制器以及低压DC-DC变换器等朝着不同的方式进行集成。②数字化。由于高速高性能微处理器的使用和面向用户的可视化编程，让高性能的控制算法、复杂的控制理论能够实现。③电机功率和功率密度的提高。电机功率从几千瓦提高到了几十千瓦甚至更高，效率大幅提升。电机变得越来越小，功率密度不断提高。④电机回馈制动效率和运行转速的提高。混合动力机电一体化技术的特征之一就是回馈制动。使用高效的回馈制动电机与特殊的电能管理与调速系统，可以使电机能处理多种类型的工况，由此让电动汽车更加节能，也延长了行车里程。

2.2 动力电池技术

近些年，中国的动力电池需求量经历了爆发式增长，2019年动力电池装机量达62.37 GW·h，同比2018年增长了9.5%。动力电池是新能源汽车能量和动力来源。电动汽车的续航里程受制于电池。

2.2.1 电池的种类

目前，动力电池可分为三大体系，分别是磷酸铁锂电池、三元锂电池、锰酸铁锂电池。其中，锰酸铁锂电池和磷酸铁锂电池凭借着可靠的稳定性能和较低的价格，被广泛应用在电动客车等。同时。动力电池技术的发展对NEV产品也有着关键性的影响。

除全固态锂电池外，目前铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、太阳能电池等其他类型的电池发展也各有特色。目前动力电池技术路线趋势为磷酸铁锂→三元锂→固态电池。未来若想达到更高的能量密度目标，则需要转变到固态电池的技术体系。固态电极+固体电解液这种系统的能量密度高，电解质无流动性，易通过内串联组成高电压单体，预期可达500 W·h/kg，同时它的安全性高、不存在引发电解液燃烧的问题。

2.2.2 无线充电

无线电能传输（Wireless PowerTransfer）的实质是通过磁场、电场、电磁波等物理场的耦合，实现从原边到副边的无线供电，它可以不需要实体导线的连接。在纯电动汽车的无线充电技术领域，按传输机理的不同，主要可分为磁场耦合式（磁场耦合式分为磁共振式和磁感应式）、电场耦合式、微波辐射式。

目前，主流的无线充电技术主要为磁共振与磁感应。高通和WiTricity两家企业采用技术授权的业务模式，其余几家均以销售无线充电配套设备为主。现存的无线充电技术标准主要有AirFuel与Qi，未来充电技术标准定将会统一化。无线充电技术也面临着多维度的瓶颈，除了最主要的成本问题外，充电标准不统一、充电效率和充电距离限制也阻碍了无线充电技术的发展。

2.2.3 换电技术

汽车换电技术是一种通过从车辆上移除已被新能源汽车衰减或消耗的动力电池来替换新动力电池的技术。相较于传统的充电模式，换电模式的优势在于能够缩短补给时间、提高效率、延长电池寿命、消除续航里程短板等。换电技术主要分为单次换电和快换电池。

单次换电是指一次性更换新的新能源汽车动力电池，使汽车有足够的电池容量继续行驶，增加续航里程。问题在于更换的新的电池其容量与之前动力电池的仍然相同，汽车的续航里程并没有得到实际的增加。

多次换电技术（快换电池技术）指能在新能源汽车任何时段，使用特定的装置短时间内完成动力电池的更换，由此增加新能源汽车的续航里程行驶，类似于传统燃油车加油过程。多次换电技术是未来换电技术的主要发展方向和趋势。

2.3 电池管理技术

2.3.1 电池管理系统的基本功能

电池管理系统（BMS）是连接电动汽车和车载动力电池的重要纽带，它可以对电池的运行状态（荷电状态、健康状态和功能状态）进行快速、实时的检测，并将实时信息传输给子系统。通过对电池进行有效的管理，使电池能够维持在最佳的工作状态。

2.3.2 电池管理系统的结构

电池管理系统由中央控制单元与本地控制单元二级结构组成。中央控制单元负责数据的处理、SOC计算、逻辑判断以及相应的控制。本地智能采集单元负责电池信息和电池状态检测。使用CAN总线通信完成数据传递，实现系统的集中管理与分布控制。同时，方便电池的分散布置，以此减少线束，达到提高系统可靠性的目的。

3 结语

新能源电动汽车是汽车产业未来发展的必然趋势。目前的三大核心技术发展趋势主要体现在3个方面：①驱动电机作为驱动车辆行驶的最直接的动力装置。以永磁同步电机、轮毂电机为代表的电机技术显著提高了性能和舒适性，使得新能源电动汽车的接受度和普及率提高。围绕电机的永磁化、电机驱动系统的集成化和一体化、电机控制的集成化和数字化的核心技术发展已成为国内外研究热点。②动力电池技术是新能源电动汽车最重要最具竞争力的核心技术。目前动力电池技术路线趋势为磷酸铁锂→三元锂→固态电池。未来若想达到更高的能量密度目标，则需要转变到固态电池的技术体系。无线充电和换电技术可以打破充电在时间和空间范围内的限制，大大提高了充电效率，解决了充电问题。③电池管理技术作为连接电动汽车和车载动力电池的重要纽带，可以提升电池的使用效率，达到增加续航行驶里程、延长电池寿命、提高电池组可靠性的目的。

新能源电动汽车在全世界范围内都有着很好的发展前景。中国应该积极发展新能源电动汽车的核心技术，以此来推动中国新能源电动汽车的进一步发展。