电动汽车技术原理及发展展望 Technical Principles and Development Prospects of Electric Vehicles

徐继勇 XU Ji-yong

摘要： 社会在不断发展，通过开发和消耗大量能源来满足快速发展的社会的需要，正在引发全球能源危机。大量能源消耗产生的废气和废物造成水污染、土壤污染、空气污染和全球变暖，严重破坏生态环境。电动汽车的发展越来越快，市场越来越成熟，智能电网的建设也为电动汽车的发展提供了条件。电动汽车的充电行为对电网建设提出了更高的要求，充电需求是当今亟待解决的问题。本文介绍电动汽车充电技术，分析应用现状，探讨发展趋势。

Abstract： The society is constantly evolving， and the development and consumption of large amounts of energy to meet the needs of a rapidly developing society is triggering a global energy crisis. Exhaust gas and waste produced by a large amount of energy consumption cause water pollution， soil pollution， air pollution and global warming， and severely damage the ecological environment. The development of electric vehicles is faster and faster， the market is becoming more and more mature， and the construction of smart grids also provides conditions for the development of electric vehicles. The charging behavior of electric vehicles puts forward higher requirements for the construction of the power grid， and the charging demand is an urgent problem to be solved today. This article introduces the charging technology of electric vehicles， analyzes the application status， and discusses the development trend.

关键词： 电动汽车;充电技术;应用现状;发展趋势

Key words： electric vehicle;charging technology;application status;development trend

中图分类号：U461                 文献标识码：A            文章编号：1674-957X（2021）22-0174-02

0  引言

当今世界正处于能源危机之中，工业的发展造成资源的过度消耗和不可再生资源的稀缺。环境保护和减排受到极大威胁，是人类社会生存和发展的必然选择。随着石油危机和化学燃料的使用引起的环境问题增多，各国开始意识到能源转型、节能减排正成为汽车发展的主要方向，以及如何发展汽车技术以实现目标节能减排问题成为汽车发展的难题。

1  国内外发展现状

1.1 国内电动汽车发展概况

1.1.1 纯电动汽车  将高效二次电池应用于纯电动汽车时，可为行驶提供动力源，而纯电动汽車与传统汽车相比无需使用内燃机。纯电动汽车具有以下优点：实现零排放、结构简单、能效高、乘坐舒适度高。在应用纯电动汽车的过程中，油耗率低，降低了经济成本，用户在使用纯电动汽车时，只需在夜间将电池充满电，平衡电网负载。纯电动汽车具有上述优点，但其缺点也严重影响了其使用。充电过程需要很多时间，同时在应用动力电池的过程中需要大量资金，行驶距离短，消耗动力电池。用于能量多、间隙大的高速阶段的内燃机汽车和纯电动汽车。

1.1.2 混合动力汽车  混合动力汽车具有同时安装的动力源和热动力源，构成混合动力汽车，其包括小型内燃机和可为电动汽车提供电力驱动的电池。电动汽车的优势在于内燃机可以在最佳工况区域内实现稳定运行，提高燃料利用率，降低噪音污染。在控制能耗的过程中，电机可以回收一定的制动能量，将纯电动模式应用于停车等环节有助于实现零排放。缺点是制造双动力系统需要大量资金和技术，内燃机燃烧是产生发电能量的基础，无助于改善环保，长期运行能耗大低于传统汽车，同时汽车内部系统过于复杂，不利于后期维护和保养。

1.1.3 当太阳能被利用和转换时，会形成大量的电能，可以驱动电动汽车。在电动汽车领域，太阳能汽车已经形成了独立的分支。太阳能电池板是太阳能汽车的关键部件，在运行过程中可以自动跟踪太阳的方向并吸收辐射能。

1.2 国外电动汽车发展现状

1996年4月，欧盟（EU）启动了基于先进电池技术的电动汽车示范工程，专门为此设计了16辆配备斑马电池的电动汽车。持续了3年多。在演示期间，共有10辆OPELAstraImplus和6辆RENAULTEExpress车辆行驶了超过600，000公里。在示范期间，收集了大量的如能耗，续航里程，以及用户反馈信息数据，确保了项目评估。

演示期间，所有车辆都将配备容量为433kW·h，能量密度超过80W·h/kg的斑马电池，可有效保证车辆实际行驶里程超过120公里，有效保障日常使用。车辆在白天使用时无需充电，而在夜间充电，电力消耗低，可以降低充电成本，提高充电站的配电和发电效率。示范车可充电230V/16A标准电压，无需额外辅助充电设备。车辆具有制动能量回收功能，仅在紧急制动时才进行制动。尤其是，其被评估车辆的加速性能良好时，有在驾驶时无噪音。该车辆具有一个长范围的165-180公里一次充电和用户都非常满意的电池和充电操作。

2  电动汽车的种类及特点

燃料汽车每年消耗世界石油产量的一半以上，近年来不断上涨的油价表明人类可用的化石能源稀缺是造成它的原因。基于以上原因，电动汽车逐渐成为人们关注的热点之一。电动汽车主要分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车三种。纯电动汽车是完全由二次电池（如铅酸电池、镍氢电池、镍氢电池或凯恩离子电池）供电的车辆。混合动力汽车是纯电动汽车发展过程中为市场化而生产的新车型。一般采用内燃机和电动机，通过先进的控制系统将内燃机和储能装置（高性能电池、超级电容器等）结合起来，为车辆行驶提供必要的动力。混合动力汽车最明显的代表可以说是丰田凯美瑞，它开创了油电混合动力新技术，并大量植入车辆，以期从根本上消除交通对石油资源的依赖。商业广告开启汽车动力，开启新技术新篇章，因此，混合动力汽车是电动汽车发展的过渡模式。燃料电池电动汽车是以燃料电池为动力源的电动汽车。燃料电池是一种利用氢气和氧气在催化剂的作用下，通过电化学反应直接发电的装置，具有完全无污染的优点，现阶段燃料电池的许多核心技术仍然存在。

3  电动汽车技术未来发展趋势展望

3.1 电力驱动及控制技术，推进智能朝和数字化

动力马达是用于驱动电动车辆的重要器件。在未来，动力马达将有更多的工作方式，并且它将由控制系统，这将有效地提高了工作效率直接控制。而且，电力马达不会对周围环境造成污染，稳定性高，结构简单，生产成本低，日后维修更方便。可以看出，动力电机将朝着自动化、简化和绿色化的方向前进。此外，电动汽车的控制技术也将带来很大的变化，一些先进国家目前正在实现对整个电动汽车的自动控制。控制策略是相对简单的，并且在混合动力电动汽车，燃料电池电动车辆的情况下，需要一个更完整的和先进的控制系统，以控制整个车辆，整个车辆的控制单元必须用多个电机进行协调，实现对整车的智能控制。

3.2 各种驱动电机的发展

目前，国家除了对功率元件的存储研究外，还在加大对电动机的研究和创新。例如，美国研制的交流烟道反作用电机结构比较简单，降低了电机质量，提高了运行可靠性，但问题是控制单元模块比较复杂。对此，日本倾向于研究低质量、高扭矩、高成本的永磁无刷直流电机。在高温下，它缺乏降低磁力和防尘能力。德国和英国正在开发磁阻电机。它们具有扭矩转换率高、成本低、性能稳定的特点，但容易产生噪音。目前，在我国正在积极研究稀土永磁无刷电机和稀土材料磁阻电机。

3.3 燃料电池汽车

燃料电池是一种流行的研究电池类型，它使用清洁能源，如甲醇、汽油和天然气，通过燃烧汽车为汽车提供动力来发电。这将显着降低汽车成本，提高汽车的耐用性和可补偿性，显着提高汽车的整体性能，使燃料电池汽车成为世界主要汽车制造商的竞争焦点。

3.4 電池能量管理系统（BMS）的广泛应用

电池能量管理系统是电动汽车的智能化元素，目前只有部分电动汽车采用BMS，应用范围并不广，因此该系统在实际应用中存在诸多问题。但未来BMS将广泛应用于电动汽车，通过BMS的应用，可以有效提升电动汽车的整体性能，提升电池能量管理性能，延长使用时间。

3.5 电动汽车无法渗透整个市场，只能在个别领域取得突破

由于电动汽车存在续航里程短、充电时间长、充电站服务规模小等缺点，电动汽车难以应用于整个行业，只能应用于两大领域。高尔夫球场等场所的清洁汽车、大型运动场的安全车等。二是政府扶持的城市公交、出租车等公共项目，由于电动汽车的特点，这两个领域为电动汽车提供了更适合的发展空间。它环保且成本低，适合小规模使用。

3.6 纯电动汽车发展趋势

现阶段，在实现节能环保目标的过程中，纯电动汽车的优势不容忽视。现阶段仍需要较长的充电时间，但随着政府的支持和科研院所的努力，这一瓶颈将得到克服。从未来来看，纯电动汽车可以应用换电池等方式，减少充电时间过长给用户带来的不便。虽然这项技术短期内不会得到广泛应用，但纯电动汽车将成为所有电动汽车的最终发展目标。

3.7 混合动力汽车发展趋势

现阶段，电动汽车领域最有前途的技术是混合动力汽车技术，作为一项能够充分展示现有内燃机汽车里程和功率的技术，在我国相对成熟。从未来的角度来看，插电式混合动力汽车技术的产生可以更有效地满足消费者的需求，同时通过鼓励消费者成为电力或燃料的主要选择来实现节能目标。同时，企业、消费者甚至国家都在应用混合动力汽车，共同为电动汽车的发展创造有利环境。

3.8 太阳能汽车技术发展趋势

从长远来看，电动汽车将普及，太阳能将在实现能源补充的过程中得到充分利用。现阶段，我国意识到太阳能作为清洁能源在相关领域发展中的重要性，太阳能电池技术正在产生并不断完善。这种技术的缺点是在此阶段需要大量的时间来补充能量，单位面积的能量密度较低。因此，核心能源供应方式无法充分利用作为汽车动力源的太阳能技术。作为辅助能源补充，太阳能很可能在插电式电动汽车中得到充分利用。同时，在建设大型太阳能发电厂的过程中，为纯电动汽车提供重要能源。

3.9 作为系统储能的组成部分

新能源虽然有很多优点，但也有一些缺点。太阳能、风能等新能源受自然因素影响，具有随机性、可变性、不可控性等特点。储能配置过小，不能满足发电和用电的实时动态平衡，储能配置过大，将增加电力系统的总运行成本。由于电动汽车的电池只有在电池电量比较充足的情况下才能运行，因此即使电动汽车因电量不足而无法启动，电池中的剩余电量仍然很少。电网或配电网络上的电力实时动态平衡。此外，电动汽车一般行驶时间较短，闲置时间较多，如果能作为储能装置在空载时参与电网运行，静态储能配置电源的成本可以减少系统，提高经济效益。

4  结语

在我国当前的发展形势下，为节约资源，建设生态友好型生态社会，必须充分发挥电动汽车产业的引领作用，加强电动汽车的研发能力和应用领域。它极大地推动了电动汽车的巨大发展前景，这对我国未来的发展有着很大的影响。

参考文献：

[1]余群明，石小波，王雄波，杨振东.电动汽车技术（5）电动汽车电控系统发展现状及其趋势[J].大众用电，2020（05）.

[2]曹秉刚，张传伟，白志峰，李竟成.电动汽车技术进展和发展趋势[J].西安交通大学学报，2020（01）.

[3]刘峻恺，李丽丽，刘佳.浅析我国电动汽车的发展趋势及市场前景分析[J].汽车与驾驶维修（维修版），2020（12）.