电动汽车

2023年12月17日发(作者：比亚迪电动轿车)

一：电动汽车发展的背景

内燃机汽车经过120年的发展和壮大，逐步实现了机电一体化和全面应用现代的科技，其性能已达到至高的境界，在安全，环保，节能和廉价等方面取得了较大的进展，但内燃机汽车的发展也面临着巨大的挑战。

能源问题全球石油供用短缺，国际能源机构（IEA）的统计数据表明：2003年全球57%的石油消耗在交通领域。预计2020年交通领域的用油量将占全球消耗的62%以上，届时全球的石油需求与常规的石油供应将会出现短缺。我国是石油相对短缺的国家，对石油的不断需求面临着高价的威胁，增大消费的成本。世界能源进入新的高油价时期，2008年初国际油价的突破110元／桶的高价，原油价格的上升，造成了我国进口成本的增加，经济上承担了巨大的负担。我国的石油愈加短缺，汽车却井喷式增长，对国民经济安全与国家能源安全造成很大的危机。

环境问题，当下环保节能是时代的主题，也是科学发展观的要求。大量的石化类交通能源消耗导致了严重的环境污染。汽车的有害物质的排放量已经成为大中城市空气的主要污染物，我国大城市60%的CO，50%的NOx，30%的CH污染来自机动车辆。其尾气排放聚集造成的“热岛效应”已导致城市的平均温度上升2——4度。环境污染不仅导致高昂的经济成本，而且对公共的健康构成极大的危害，是建设小康社会面临着巨大的挑战。

二：国内外的发展趋势

近年来在国家的支持下，中国的电动汽车有着重大的进展，一些关键技术视屏与世界同步，中国汽车产业面临跨越式发展，赶超发达国家的机遇。在零部件的设计制造技术，整车系统集成技术，实验开发测试技术等方面，与世界的差距较小，部分技术是世界的领先水平。同时我国没有内燃机汽车的沉重负担，便于及时确定电动汽车的发展殿宇突破点。美国政府至今已出资数百亿美元支持汽车厂商和相关厂商进行电动汽车技术的开发研究。美国三大汽车公司1991年联合成立了美国先进电池联合体,投入了4.5亿美元,其中政府拨款2.25亿美元,共同开发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃

科电池等各种高性能蓄电池。日、法、德等国各大公司也投入巨资研究开发高性能电池。

三：我国电动汽车的研发进展

“八五”期间已经将电动汽车的发展列入国家科学技术攻关计划，重点发展电动汽车的关键技术；“九五”期间，正式列入国家重大科技产业工程项目，主要开展电动概念车研究，电动改装与开发，试验示范区建设，运行机制的和政策法规以及技术标准的研究，“十一五”期间，正式建立“863”计划电动车重大专项，采取“三纵三横的格局，支持纯电动汽车，混合动力电动汽车，燃料电池电动汽车3种车型和动力电池，驱动电机，多能源控制系统3个关键技术的研发。

三：三种常规电动车表述

3.1纯电动汽车

3.1.1纯电动汽车是由蓄电池的能量使电机驱动车轮前进；燃料电池区别于纯电动汽车，由常见的氢燃料电池不断的产生电能，并储存在蓄电池中，依然由电机驱动车轮。混合动力汽车是为解决纯电动汽车续驶里程短而提出的一种折中方案。它既有发动机，又有电机，可单独由电机驱动或发动机参与电机驱动。系统的复杂性增加，但是改善了发动机的工作状况而具有很高的燃油利用率，通常也把它归入电动汽车。

3.1.2电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量

换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有些研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个\"热点\"。

发展电动汽车必须解决好4个方面的关键技术：电池技术、电机驱动及其控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术。

1、电池技术

电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。

到目前为止，电动汽车用电池经过了3代的发展，已取得了突破性的进展。第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池(VRLA)，由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。第2代是碱性电池，主要有镍镉(NJ-Cd)、镍氢(Ni-MH)、钠硫(Na/S)、锂离子(Li-ion)和锌空气(Zn/Air)等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。第3代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，但目前还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破问。

2、 电力驱动及其控制技术

电动机与驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性。目前，电动汽车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁无刷电动机(PMBLM)和开关磁阻电动机(SRM)4类。

近几年来，由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合电动汽车的控制。美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机。永磁无刷电动机可以分为由方波驱动的无刷直流电动机系统(BLDCM)和由正弦波驱动的无刷直流电动机系统(PMSM)，它们都具有较高的功率密度，其控制方式与感应电动机基本相同，因此在电动汽车上得到了广泛的应用。PMSM类电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，非常适应于电动汽车的驱动系统，有极好的应用前景。目前，由日本研制的电动汽车主要采用这种电动机。

开关磁阻电动机(SRM)具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快和成本较低等优点。实际应用发现SRM存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，应用受到了限制。

随着电动机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电动机控制系统。

3、 电动汽车整车技术

电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外，车体本身也包含很多高新技术，有些节能措施比提高电池储能能力还易于实现。采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽车自身质量减轻30%-50%；实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减少50%；汽车车身特别是汽车底部更加流线型化，可使汽车的空气阻力减少50%。

4、 能量管理技术

蓄电池是电动汽车的储能动力源。电动汽车要获得非常好的动力特性，必须具有比能量高、使用寿命长、比功率大的蓄电池作为动力源。而要使电动汽车具有良好的工作性能，就必须对蓄电池进行系统管理。

能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、选择适当的能量源(即电池)外，还应该有一套协调各个功能部分工作的能量管理系统，它的作用是检测单个电池或电池组的荷电状态，并根据各种传感信息，包括力、加减速命令、行驶路况、蓄电池工况、环境温度等，合理地调配和使用有限的车载能量；它还能够根据电池组的使用情况和充放电历史选择最佳充电方式，以尽可能延长电池的寿命。

世界各大汽车制造商的研究机构都在进行电动汽车车载电池能量管理系统的研究与开发。电动汽车电池当前存有多少电能，还能行驶多少公里，是电动汽车行驶中必须知道的重要参数，也是电动汽车能量管理系统应该完成的重要功能。应用电动汽车车载能量管理系统，可以更加准确地设计电动汽车的电能储存系统，确定一个最佳的能量存储及管理结构，并且可以提高电动汽车本身的性能。

在电动汽车上实现能量管理的难点，在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。

动力系统主要由动力蓄电池、驱动电机等组成，动力蓄电池向电机提供电能驱动汽车。纯电动汽车具有零排放、能效高、振动和噪音小，电机效率高、制动能量可以回馈等特点。

3.2混合动力汽车

3.2.1混合动力及混合动力汽车的概念

2003年，联合国将“混合动力车”的定义规定如下：

所谓混合动力车是“为了推动车辆的革新，至少拥有两个能量变换器和两个能量储存系统(车载状态)”的车辆。

混合动力汽车就是在纯电动汽车上加装一套内燃机，其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。混合动力汽车有串联式和并联式两种结构形式。复合动力汽车（亦称混合动力汽车）是指车上装有两个以上动力源，包括有电机驱动，符合汽车道路交通、安全法规的汽车，车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前复合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。

3.2.2混合动力系统的种类

（1）串联式混合动力电动汽车

串联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、驱动电机和蓄电池组等部件组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。

（2）并联式混合动力电动汽车

并联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电/电动机和蓄电池组等部件组成。并联式驱动系统可以单独使用发动机或电动机做为动力源，也可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车。

并联式混合动力汽车的组成 1、发动机2、电动机/发动机3、机械传动系统4、驱动电动机5、逆变器6、蓄电池组

（3）混联式混合动力电动汽车

混联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、电动机、行星齿轮机构和蓄电池组等部件组成。丰田Prius所采用的混合驱动方式，它将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。

1、发动机2、电动机/发动机3、变速器或减速器4、驱动桥5、逆变器6、驱动电动机7、蓄电池组

3.3.3混合动力汽车-优点

复合动力汽车的优点是：1、采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。2、因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现\"零\"排放。4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。5、可以利用现有的加油站加油，不必再投资。6、可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。复合动力电动汽车有两种基本的工作方式，即串联式、并联式和串并联（或称混联）式。复合动力驱动汽车的缺点是：有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，价格较高。由于\"新一代汽车伙伴合作\"（PNGV）计划的推动美国三大汽车公司对各种单元技术及其不同组织进行成百种方案的筛选、比较，认为采用复合动力是实现中级轿车百公里3升油耗的可行方案因此而受到更大的关注。经过多年研究，混合动力电动汽车已开发出一些成功的例子。

目前市面上常见的混合动力汽车的动力源

目前HEV最常见的两种动力源是内燃机和电动机。

一般情况下，内燃机是前轮的驱动源，而电动机是两个后轮的驱动源。车内的电脑会根据不断变化着的交通条件所需的动力情况，随时作出反应，不需驾车人预先指令，即自动地选择最为理想的驱动模式：或是由两台电动机进行后轮驱动：或是由一台内燃机进行前轮驱动；或是内燃机和电动机同时驱动。

当从静止状态起步时，车上的电脑会首先选择电动驱动模式，这是因为内燃机在汽车起步后的第一公里期间内，所用燃料的80％都被作为废气排掉了，既浪费燃料又污染环境。当年速到每小时40公里时，电脑会自动选择内燃机驱动模式，同时内燃机在工作时也对蓄电池组进行充电。如果驾驶员突然实施紧急加速，电脑则会启动电动机来协助内燃机进行联合驱动。而当低速行驶时，或者电脑判定蓄电池组的能量不足时，也会启动内燃机工作。当汽车减速时，电脑会对内燃机起到制动作用，判定利用其制动能量对蓄电池组充电。此外电脑还操纵着例如制动装置、防车轮抱死和方向控制等其他功能。在前后轮之间，内燃机和电动机或是交替的、或是相继的、或是同时的，不断变化着的驱动方式，使得汽车始终保持其动力潜能的最大发挥，大大减少了燃料消耗和废气排放。

混合动力汽车的主要结构部件将选用铝、碳素纤维等轻质材料，尽量减少动力消耗。混合动力汽车的结构设计也很新颖：底极为完全平面式，座椅布置为3个前座和2个折叠式后座，将后座折起，即可提供—个宽大的载物空间。座椅的高度可以自动调节，电视摄像机和装在仪表板上的显示屏代替了传统的后视镜??这一切都使驾驶员感到更方便，更舒适。

3.3燃料电池汽车？

3.3.1燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。 燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。有些车辆直接携带着纯氢燃料，另外一些车辆有可能装有燃料重整器，能将烃类燃料转化为富氢气体。

单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。

近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒－克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布，计划在2004年以前将燃料电池汽车投向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步。

3.3.2燃料电池汽车-与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点

1、零排放或近似零排放。

2、减少了机油泄露带来的水污染。

3、降低了温室气体的排放。

4、提高了燃油经济性。

5、提高了发动机燃烧效率。

6、运行平稳、无噪声

四：太阳能汽车的运用 4.1太阳能电池的基本介绍

原理图如图1所示，在N型半导体的表面形成P型半导体，构成P-N结即形成太阳能电池，产生的电动势约为0.5V，太阳能电池的电流大小与太阳光照强度的大小和太阳能电池的面积大小成正比。

4.2太阳能电池有非晶体硅，单晶硅，多晶硅，一般在太阳能汽车的顶部设置转换能力将强的单晶硅电池板组，电池板组光电转换的效率为14.9%--15.2%，可产生166v-~175v的电压，2.3-2.5A左右的电流和360-380W的功率。

4.3太阳能电车的基本构造