摘要 當今世界環保和節能日益引起人們的關注，電動汽車和混合動力電動汽車(EV／HEV)正加速發展，混合動力電動汽車實現商業運作的夢想已經變成現實。市場上陸續出現了各種電動汽車和混合動力電動汽車。本文回顧了世界范圍內電動汽車和混合動力電動汽車當前的發展情況和發展趨勢，重點討論了電動汽車的工程哲學和關鍵技術。本文闡述了汽車設計、電機驅動、電子技術、能量存儲和控制綜合技術的重要性，以及政府、工業部門、研發機構、發電廠和運輸部門等社會方面的重要影響，討論了電動汽車的商業機遇。
一、引言
電動汽車(EV)是一種電力驅動的道路交通工具。這個概念內涵很廣泛。電動汽車包括蓄電池電動汽車(BEV)、混合動力電動汽車(HEV)和燃料電池電動汽車(FCEV)。電動汽車涉及到很多學科，內容廣泛而且復雜。其核心技術包括底盤和車身技術、驅動技術和能源技術。為這門綜合性的課題寫一份調查報告是一個艱巨的任務。本文著重闡述了電池電動汽車，并涉及到混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車的主要情況。本文首先介紹蓄電池電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車的當前情況，然后著重闡述電動汽車發展的工程哲學，接下來說明蓄電池電動汽車和混合動力電動汽車的結構，討論其主要技術即驅動技術和能源技術。結論中總結了這幾種電動汽車的技術現狀和面臨的挑戰。
目前蓄電池電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車處于不同的發展階段，面臨著不同的挑戰，需要采取不同的對策。為使讀者在通讀全文前對此類汽車的特性有所了解，這三個主要類型的特征在表1中作了描述?？梢钥闯?，蓄電池電動汽車的關鍵問題在于蓄電池及其管理系統。因此，蓄電池電動汽車主要適用于短程、低速的社區間，因為使用較小容量的蓄電池即可滿足使用要求?；旌蟿恿﹄妱悠嚳蓾M足使用者的要求，但其成本和系統集成優化是主要問題。燃料電池電動汽車具有作為未來主流汽車的潛力，但其技術尚處于研發階段，它的成本太高，氫、氧燃料系統供應是主要問題。
二、為什么要使用電動汽車
讓我們從人口以及汽車數量的增長開始研究，如圖1所示。今后50年里，全球人口將從60億增加到100億，汽車的數量將從7億增加到25億。如果這些車輛都使用內燃機的話，它們所需要的石油將從何而來?它們排出的尾氣如何處理?天空是否將永遠是灰色的?這些問題迫使人們去尋找21世紀可持續發展的道路交通工具。
圖1 人口與機動車的增長
在一個環境和資源問題日益突出的世界，電動汽車技術的加速發展正是為了解決這些問題。從環境方面考慮，電動汽車在城市交通中可實現零排放或極低排放。即使考慮到給這些電動汽車提供能量的發電廠的排放，使用電動汽車仍能顯著降低全球的空氣污染。從能量觀點考慮，電動汽車利用的能源是一種可靠的、來源廣泛的、均衡的、對環境友好的能源，例如使用多種可再生能源。因此可以預見到，電動汽車的發展將會對能源、環境、交通以及尖端技術的發展、新型工業的建立和經濟的發展產生重大的影響。
三、電動汽車的過去、現狀和未來
1．過去的發展
電動汽車發明于1834年。在19世紀的最后10 年中，美國、英國和法國的一些公司開始生產電動汽車。由于電他的限制以及內燃機驅動汽車的迅速發展，從1930年開始，電動汽車基本 在20世紀70年代初，一些國家迫于能源問題的困擾，重新燃起了對電動汽車的興趣。1976年，美國頒布了一項關于電動汽車和混合動力汽車的研究、發展和展示條例，即公共法律94-413。那時，盡管電動汽車在19世紀末20世紀初表現良好，但仍需回答的首要問題是：“電動汽車是否能夠滿足現代社會的需要?”電動汽車近些年的發展回答了這個問題--答案是“是”。例如，1968年一輛試驗性的電動汽車從加利福尼亞理工學院行駛到麻省理工學院，差不多每一個主要部件都失靈了，但1998年從洛杉磯開到底特律的一款商用電動汽車沒有任何失誤。在20世紀70年代，電動汽車還主要處于研發階段，并且大部分為改裝的內燃機驅動類型。今天，主要汽車生產商都開始以出售或出租為目的而生產電動汽車，并且其中大部分都是特別設計的，并非改裝類型。
表1 蓄電池電動汽車、混臺動力電動汽車和燃料電池電動汽車的特征
2．當前面臨的主要問題
現階段，研發電動汽車的主要推動力是環境問題，例如需要符合加利福尼亞標準，而不完全是能源問題。所以，現在需要回答的首要問題是： “電動汽車是否值得生產?”這個問題的兩個關鍵因素是里程和造價。為解決里程問題，各種先進的電池，如鎳氫電池(Ni-MH)、理離子電池(Li-Ion)和鋅／空氣電池(Zn／Air)都在研發過程中。盡管如此，電池的能量和能量密度都遠低于汽油，所以最近幾年中，電動汽車的燃料正在加速研發中。與此同時，商業化混合動力電動汽車也在飛速發展中?；旌蟿恿﹄妱悠嚤刃铍姵仉妱悠囋诶锍毯托阅芊矫娓映錾?。同時由于能量來源、引擎和其他附件，混合動力電動汽車也更為復雜，造價更為昂貴。為解決造價問題，正在努力改進不同的電動汽車系統，例如電動機、功率轉換器、電子控制器、能量控制單元、電池充電裝置、電池及其他電動汽車輔助設備，以及電動汽車的系統集成與優化。
3．發展趨勢
為了解電動汽車的發展趨勢，我們對1984-2001年間重要國際會議上發表的與電動汽車各方面相關的論文數量作了調查。調查表明，在驅動系統方面，對感應電動機驅動和永磁無刷電動機驅動的研究論文是主流，直流電動機已經不是主流，開關磁阻電動機驅動還在緩慢的發展階段。在不同能源的發展方面，包括了鉛酸電池、鎳電池、鋰電池、燃料電池以及電容器／飛輪。關于鋰電池、燃料電池和電容器／飛輪的論文越來越多，同時鉛酸電池和鎳電池也在持續的發展中。在電動汽車系統方面，專門設計的電動汽車取代改裝的電動汽車成為主流。并且，在電動汽車市場上，混合動力電動汽車走勢良好。隨著有關電動汽車的樣機展示、標準化及市場方面的論文越來越多，電動汽車的商業運作已經呼之欲出了。
在未來的幾十年里，可以預料到電動汽車和混合動力電動汽車將商業化，并占有一定的市場份額。電動汽車將首先用于社區交通，也就是在電力普及、電價便宜、要求零排放的地區被采用。另-方面，混合動力電動汽車將被用于需要更長里程的市場。電動汽車和混合動力電動汽車最終被接受主要取決于各自的造價。在更遠的未來，燃料電池電動汽車將有較大的發展，盡管它在里程和性能上有潛力同另外幾類電動汽車相媲美，但它至今仍處于研發階段。
總之，電力驅動和能量來源仍舊是電動汽車的關鍵技術，電動汽車和混合動力電動汽車將繼續并存。同時，能源、環境和經濟方面依然是電動汽車實現商業運作的關鍵問題。圖3描述了電動汽車及混合動力電動汽車的發展趨勢。應當了解，有些核心技術在內燃機驅動汽車、電動汽車及混合動力電動汽車中是共同的。我們的最終日標是采用清潔、高效和高智能的能源來實現21世紀可持續的交通系統。
四、現階段所處狀況
經過多年的發展，電動汽車的技術已經日漸成熟。許多先進技術被用來增加行駛里程和降低成本。例如，采用先進的感應電動機驅動和永磁無刷電動機驅動可改善電力驅動系統；采用先進的閥控鉛酸電池(VRM)、鎳氫電池(Ni-MH)、理離子電池(量-Ion)、鎳聚合物電池(U-P01ymer)、燃料電池、超級電容器以改善電動汽車能源系統；采用輕車身技術即采用輕質高強度材料、低風阻系數車身等以降低空氣阻力；采用低滾動阻力輪胎以降低低速和中速時的滾動阻力；采用先進的充電方式、助力轉向、變溫座椅等以增強電動汽車輔助系統的功能。在下文中，對最近出現的電動汽車，混合動力電動汽車及燃料電池電動汽車作了描述，來說明已經達到的技術水平。EVl現在已經停產，NECAR5和福特P2000也僅僅用于展示用途。這些典型車型都是經過精心選擇的，能夠表現出現代工藝水平。通用EVl和尼桑A1tra EV代表了使用不同類型電池和發動機的先進電動汽車。福特P2000和NECAR5代表了燃料電池電動車的發展水平；豐田先驅(Nus)和本田Insight代表了混合動力電動汽車的商業化水平；Luci01e和HKU 200展示了蓄電池電動汽車的優越性；同時，Reva代表了商業化的低造價蓄電池電動汽車。
通用公司開發的具有最先進的動力系統的1997雙座EVl如圖4所示。該車為前輪驅動，采用一臺l02kW的三相感應電動機，雙級減速的單速驅動橋，減速比為10．946：1。EVl裝備了由26個閥控鉛酸電池組成的電池組，電池組可用6．6kw的非車載感應充電器或1．2kW的車載感應充電器進行充電。該車的電動機在轉速為0-7000r／加n時輸出恒轉矩1馴N·m，在轉速為7000-14000r／min時輸出恒功率102kw，使得EVl可以獲得128k/h(電子限速)的最高車速和0-96km／h加速小于9s的性能。市內行駛，一次充電能夠行駛112Km，在高速公路上則可以達到144km。1999年，EVl選用了鎳-金屬混合電池，使得一次充電的行程達到了220km。
圖2 蓄電池電動汽車和混合動力電動汽車
五、電動汽車開發的工程哲學
1．電動汽車的概念
雖然電動汽車在19世紀末就已經出現，現在的電動汽車是一種全新的車輛，它與古典電動汽車迥然不同。
現將現代電動汽車的概念羅列如下：
1)電動汽車是一種基于電力驅動的道路車輛，包含電動機、功率轉換器、能源，它具有自身與眾不同的特點。
2)電動汽車不僅是汽車，還是社會上出現的新系統、可實現零排放高效率運行的全新的道路交通系統。
3)我們需要研究電動汽車用戶的需求，也需要有相應的教育。電動汽車的系統設計具有自身的特點，它有別于內燃機汽車，就像石英手表的核心有別于機械表的核心一樣。簡單來說，它們的外形相似而工作原理各異，我們要充分認識到電動汽車的獨特之處。
2．電動汽車的工程哲字
電動汽車的工程哲學其實就是汽車工程和電氣工程的集成。為了在經濟許可的范圍內使電動汽車的性能達到最佳，我們首要考慮的是系統的集成和優化。由于電力驅動有著與內燃機驅動截然不同的特性，那么，一種創新的結構方式對于電動汽車理論來說是至關重要的，而先進的能源和理想的能源管理系統是使電動汽車能與內燃機車抗衡的關鍵因素。
現代的電動汽車需要汲取包括汽車工程、電機工程、電力電子工程和化學工程等的先進技術，采用專門的結構和發展特別適用于電動汽車的特殊制造技術，應盡最大努力來優化電動汽車的能源分配。
下面列出了一些電動汽車采用的典型措施：
1)清楚目標市場和環境；
2)選定技術參數和行駛模式；
3)選定所需要的基礎設施，如電池的循環利用；
4)選定系統類型是蓄電池電動、混合動力驅動還是燃料電池驅動；
5)選定底盤和車身；
6)選定能源：發電或是儲能，混合驅動；能源或是混合驅動；
7)選定驅動系統：電動機、功率轉換器、傳動類型、一個或是多個電動機、無級變速或是有級變速、連接方式，如果是混合型電動汽車還要考慮內燃機系統；
8)根據不同的行駛模式選定額定參數(功率，轉矩，轉速)和能源(電容，電壓，電流)。根據圖13我們可以看到，美國的聯邦市區行駛模式與聯邦的高速公路行駛模式的要求是不同的，圖中點的密度代表了工況頻率。因此在FUDC中，驅動系統工作在低速高轉矩范圍內，而FHDS則工作在高速低轉矩區域內；
9)選擇理想的能源管理系統；
10)圖14中的質量函數矩陣顯示了電動車各部件的相互關系，并從其對成本、性能和安全性的影響程度來確定其相互關系的深度；
11)根據選定的驅動方式和工況來優化驅動的效率；
12)通過計算機仿真優化總系統。
圖3 典型行駛模式的轉矩轉速特性要求
3．電動汽車的關鍵技術
電動汽車的關鍵技術包括電動技術、自動化技術、電子技術、信息技術、化學技術。雖然能源是最首要的問題，但是車身結構、電力驅動、能源管理系統的優化同樣至關重要。為了便于閱讀，在本節我們僅討論車身結構、能源管理和系統優化技術，而電力驅動和能源問題將在下一部分討論。
來源:技術員
