EV,HEV,FCV电动汽车的关键技术与发展前景

一、纯电动汽车(EV)的关键技术与发展趋势

1.电池技术

动力电池这个关键技术是纯电动汽车发展的瓶颈所在。它是纯电动汽车的主要能量载体和动力来源,也是电动车辆的整车成本的主要组成部分。它直接制约着电动汽车的制造成本、续驶里程和使用寿命等主要问题,间接影响到纯电动汽车的市场化。如果电池问题能够解决,与传统汽车相比,电动汽车将有绝对的优势。

动力电池在经历了铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池等多种类型的发展和探索,目前纯电动汽车最具潜力的电池主要集中在一下电池上:阀控铅酸动力电池、镍氢动力电池和锂离子(锂聚合物)电池。

最具潜力电动车用动力电池主要性能参数

电池类型比能量wh/kg 比功率w/kg 循环寿命/次

新型铅酸电池30-50 200-400 ≥1000

镍氢电池50-70 300-400 ≥1000

锂电子电池120-140 1500 ≥1000

从长远发展来看,由于铅酸蓄电池过于笨重,且衰减快,

所以不具有使用前景;镍氢电池虽然在一些领域应用还比较广泛,但其有记忆性、比容量也一般,还有单体电压低,导致其改进起来比较困难;而锂离子动力蓄电池具有更高的能

量密度,从目前看有较好的前景。

尽管如此,与内燃机相比锂离子电池能量密度还是很低,这使得的续驶里程依然是一个难题。目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100km~350km,这是在较理想的行驶环境下才能得到实现的,而绝大多数电动汽车一般行驶环境下续驶里程只有50km~100km。

为了增加电动汽车的续驶里程,在汽车制动时,通常采用为蓄电池充电的形式,来吸收回收的能量。但是蓄电池充放电循环次数有限,大功率充放电必将使蓄电池循环寿命大大缩短。

为解决这个新问题,有人采用了超级电容器。但似乎目前超电容器也存在问题,主要是是能量密度低,它比铅酸蓄电池小一个数量级,所以需要更高能量密度的超级电容,现在正在研发过程中。

当然,还有太阳能电池、核能电池等等,也为电动汽车的电池技术问题的解决提供了新解决方案,就目前来看都不是很成熟,有待于进一步开发。

2.驱动电机技术

电动汽车对驱动电机的要求主要体现在低速大扭矩、调速范围宽、过载能力大、大功率小体积上,其技术性能直接影响车辆运行的动力性和经济性。需要对电机的电磁场、温度场和应力场进行有限元分析, 选择设计符合电动车辆运行要求的电机, 并与电力电子技术、微电子技术和控制技术完美结合。

车用牵引电机一般有直流电机和交流电机。直流电机最早用于电动车上, 但由于电刷和换向的存在, 必须经常维护和保养, 体积和重量也较大, 也无法实现高速大容量。交流电动机具有结构简单、比功率大、可控性好、效率高、使用维护便利等特点, 特别是随着控制技术和大功率电子器件的发展, 交流驱动系统在电动汽车上的应用逐渐增多。

从世界各国来看, 形成了感应电机和永磁同步电机两大主流倾向, 一是以美、欧为主的感应电动机派, 二是以日本为主的永磁同步电动机派。高速感应电机控制比较复杂, 但其本身的制造技术和控制技术都已成熟; 永磁同步电机在体积、重量、可靠性和效率方面要优于感应电机, 但要实现大扭矩、大调速范围必须进行弱磁控制或电机在结构上突破传统设计方法。

3.控制系统技术

整车控制系统由整车控制器、通信系统、部件控制器以及驾驶员操纵系统构成,主要功能是根据驾驶员的操作和当前的工况,在保证安全和动力性要求的前提下选择尽可能优化的工作模式。

EV,HEV,FCV电动汽车的关键技术与发展前景

目前,较主流的电动汽车整车控制系统都采用CAN 总线通信连接,这样不仅大大提高了控制的效率和稳定性,而且能实现数字控制。电动汽车驱动电机、电池等执行动力部分的状态信号被发送到CAN 总线,最终传输到显示终端提供给驾驶人员,以便实现整车控制。

新的电子控制系统在传统汽车上应用不多,但它对纯电动汽车的工作有着重要影响。与国外相比,目前来看我国还有一定的差距,但是随着电机驱动系统的发展以及各种新技术新材料的应用,国内外在这方面的差距将越来越小。

二、混合动力电动汽车(HEV)的关键技术与发展前景

对于混合动力电动汽车,动力耦合及控制系统、电机及控制系统、动力电池及管理系统是三项最为关键核心技术,同时与混合动力汽车相关的发动机、电力电子、制动、转向、空调技术也是需要解决的主要技术问题。

EV,HEV,FCV电动汽车的关键技术与发展前景

图一HEV系统集成过程

1.动力耦合系统

动力耦合系统最关键的技术是其布置方案,不同结构的动力耦合方式不仅决定了混合动力系统的工作模式,而且也是制定动力分配策略的基础,它对整车的动力性、经济性、排放性和制造成本都有重大影响。结构合理、制造容易、效率高的混合动力耦合机构,能够将燃油汽车与电动汽车的优点有机地结合起来,体现混合动力汽车的优越性。目前采用的动力耦合方式有转矩耦合、速度耦合和功率耦合三种方式,以功率耦合方式为主要发展方向,具体结构方面,由变速器耦合、离合器耦合、主减速器耦合等向行星轮耦合方向发展。

2.动力总成控制系统

汽车动力总成控制系统是车辆行驶的核心单元。混合动力电动汽车的控制需要根据驾驶人操纵状态、车速、电池荷电状态和相关设备的状态确定发动机与电机的功率分配策略,以保证满足汽车动力性、经济性、排放性等性能指标要求。混合动力汽车发动机和电机要相互配合工作,并根据运行工况适时控制发动机起动和关闭,这使得发动机始终工作在低油耗区的整个控制过程十分复杂,因此需要用成熟可靠的动力耦合装置以及先进的控制策略实现功率的合理分配,以达到油耗低和动力性好的目标。

EV,HEV,FCV电动汽车的关键技术与发展前景

图二HEV动力系统试验台模块结构

3.电机及控制系统

用于混合动力汽车的驱动电机类型主要有交流感应电机、永磁电机和开关磁阻电机。对电机的要求包括在较宽的速度范围内具有高转矩密度、高功率密度,高效率、高可靠性、良好的控制性能,能够适应发动机频繁起停和电机电动/发电状态的切换。目前国外以永磁同步电机为主,国内应用较多的是交流感应电机,故需要开发高效率永磁电机。电机控制系统也很关键,一是保证电机在基速以下时,能够输出大转矩以适应汽车加速和爬坡时的驱动力需求;在基速以上时,能够以恒功率、宽范围运行以满足最高车速需要。二是保证系统在电机运行范围内的效率最优化。

4.动力电池及其管理系统

混合动力系统的动力电池需要频繁充放电,在充放电过程中,电压、电流会有较大变化。针对这种使用特点,混合动力系统对动力电池有如下特别要求:一是具有大功率充放电能力和较高的比功率,以满足汽车加速和爬坡时的大功率需求;同时电池还要具有快速充电能力,以满足制动时的大功率能量回收需要。二是充放电效率,高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。三是电池在快速充放电的工况条件下保持性能的相对稳定。此外,还必须考虑热能控制管理、荷电状态判定、充放电模式选择、电池充放电均衡、电池过充电或过放电控制、电池组的工作温度控制等,这些都是电池管理系统的任务。整车能量管理策略的实施要依赖电动汽车电池管理系统对电池状态的判别和对电池性能的维护。

EV,HEV,FCV电动汽车的关键技术与发展前景

图三HEV整车能量管理系统

5.混合动力系统专用发动机

经过100多年的发展,车用发动机在动力性、经济性及排放控制方面获得了很大改善。近年来,电控燃油喷射、排气再循环、增压中冷、可变进气涡轮、高压共轨和催化后处理等技术的应用,使汽车性能快速提高。作为一种成熟的动力设备,发动机在混合动力汽车上的应用难度不大,但仍然是影响混合动力整车效率和性能的关键部分。

在混合动力系统中,由于发动机的工况可以控制在一定范围内,因而可以进行优化设计进一步提高其燃油经济性,降低排放。目前采用发动机的混合动力系统基本上都对其发动机进行了重新设计或重大改进。例如,丰田汽油机采用的高效率、高膨胀比工作循环,紧凑型倾斜式挤气燃烧室及铝合金缸体,其目的就是追求高效率。另外由于电机承担了车辆的功率调峰作用,发动机可以追求经济工作区的更高效率。

6.仿真分析技术

在混合动力电动汽车开发过程中,需要建立先进的驱动系统数学模型,这是计算机仿真和分析的基础。在研究和开发混合动力汽车的部件和选择结构时,需要很快缩小研究范围,找到技术的突破口。在系统选择上,可依靠高效的建模工具,通过交替使用候选的子系统进行模拟仿真,从而找到最佳的方案。计算机模型为每个候选子系统提供了详细规格和设计参数,从而提高设计效率,而且还有助于为设计和制造样车制定工程目标和计划。

EV,HEV,FCV电动汽车的关键技术与发展前景

EV,HEV,FCV电动汽车的关键技术与发展前景

图四HIL仿真应用示意图图五前向仿真示意图

EV,HEV,FCV电动汽车的关键技术与发展前景

图六后向仿真示意图

由于近来原油价格的不断攀升,汽车制造商开始转移目标,抢占节能汽车市场。世界各国竞相发展的电动汽车主要分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车。混合动力电动汽车是目前电动汽车家族中,一种已经商业化的,有效的,较前期的过渡性产品。这是因为,至今,纯电池电动汽车还没有达到汽车产业化要求的水平,而燃料电池电动汽车,又正处在产业化的研制过程。这样,工程技术专家不得不寻求一种折衷方案——混合动力电动汽车,正是它扮演着电动汽车继往开来的角色。混合动力车辆正以一股不可阻档力量改变着汽车产品的结构和构成,并大量的走向实用化。据《AutoMfg

&Produetion》(汽车制造与生产)期刊报导,预计2005年,世界汽车市场上,混合动力辆将达75万辆,2010年达100万辆,2015年将在世界汽车市场占15%,2020年占25%这是相当大的混合动力车辆数量的比例。粗略估计,2020年全球汽车如果产量在1亿辆,那么,混合动力车将是2500万辆了

在中国,混合动力电动汽车目前已具备应用基础和产业化条件,极有可能率先实现突破。去年11月,湖北省武汉市率先将国家863成果——— 4辆东风混合动力公交车投放城市公交线路进行示范运行,目前其营运里程已达8万公里。最近,武汉又新增1辆混合动力电动汽车投入运营。在北京,已有3 5辆纯电动公交车研制成功,其中20辆将投放城市公交线路进行示范运营,其余将在密云县进行示范运营。国家科技部863计划电动汽车重大专项办公室工程师王成日前接受记者采访时说。“我们还计划在天津组建纯电动轿车车队,在山东威海进行微型电动轿车示范运营。预计到明年年底,将有6辆燃料电池公交车在北京和上海投入运营。到2008年,将1000辆电动汽车投放到奥运场馆,让我们的运动

员都能坐上清洁汽车。”总之,混合动力车辆在相当一段时间内前景广阔,并受市场欢迎。

三、燃料电池电动汽车的关键技术和发展趋势

燃料电池汽车是一个复杂系统,对应的整车与动力系统开发包括的内容十分广泛,例如

整车布置、整车热管理、整车与动力系统的参数选择与优化、能量管理策略的优化与试验验证、整车控制器与控制算法的开发、制动回馈与传统制动系统的协调控制、部件特性及其控制系统研究、驾驶员行为特征分析及仿真模型开发等。

EV,HEV,FCV电动汽车的关键技术与发展前景

图一燃料电池轿车动力系统结构框图

1.整车布置

从燃料电池汽车动力系统结构定义可以看出,燃料电池汽车在整车布置上存在以下关键问题:燃料电池发动机及电机的相关布置、动力锂电池组的车身布置、氢气瓶的安全布置以及高压电安全系统的车身布置问题。这些核心部件的布置,不仅要考虑布置方案的优化及零部件性能实现的便利,还要求相关方案必须考虑传统汽车不具备的安全性问题。

目前经过国内外几轮样车试制的过程,燃料电池发动机及电机同时进前舱是一种技术趋势,动力锂电池组沿车身主轴纵向布置好于电池组零星布置,氢气瓶的布置更多地考虑碰撞

安全性。最终成型的燃料电池汽车整车布置方案需要上汽在大量的项目实施过程中积累原始数据并推动行业内部的配合及认同。

2整车热管理

与传统汽车热管理相比,燃料电池汽车整车热管理有两方面特性需要关注:

(1)燃料电池发动机自身的运行温度为60~70℃左右(传统汽车大致在100℃),实际的散热系统工作温度大致可以控制在60℃,这样一来与整车运行的环境温度相比,温差不大,造成燃料电池汽车无法像传统汽车一样依赖环境温差散热,转而必须依赖整车动力系统提供额外的冷却动力为系统散热,这样从动力系统效率角度出发是不经济的,二者之间的平衡将是日

后整车企业在热管理开发方面必须关注的;

(2)目前整车各零部件的体积留给整车布置回旋的余地很小,造成散热系统设计的改良空间不大,无法采用通用的解决方案应对,必须开发专用的零部件(如特殊构造或布置的冷凝器、高功率的冷却风扇等),这样就要求丰富的整车散热系统的基础数据以支持相关开发设计,而这点正好是目前国内整车企业欠缺的。

另外,与整车散热系统密切相关的车用空调系统开发也是整车企业必须关注的。由于没有传统的汽油发动机,传统空调的压缩机动力源发生了颠覆性变化,改用纯电动压缩机作为空调系统的动力源。这样在做整车散热系统需求分析时,空调系统性能需求作为整车散热系统的“负载”因素也成为散热系统开发的技术难点。

3整车与动力系统的参数选择与优化设计

燃料电池汽车整车性能参数是整个燃料电池动力系统开发的信息输入,而虚拟配置的动力系统的特性参数也影响项目整车性能。两者之间的参数选择是一个多变量多目标的优化设计过程,而且参数选择与行驶工况和控制策略紧密相关,只有在建立准确的仿真模型基础上,经过反复寻优计算才可能达到较好的设计结果。

为了实现虚拟模型与真实部件的联系,必须建立实时的仿真开发环境。目前实时仿真在燃料电池汽车领域主要用于整车控制器的在环仿真。

而集成真实部件的动力系统实时仿真测试环境将是整车企业以后进行整车与动力系统的参数选择与优化设计的技术升级方向。

4多能源动力系统的能量管理策略优化及其控制算法的实现

能量管理策略对燃料经济性影响很大,且受到动力系统参数和行驶工况的双重影响。目前开发方式一般为借助仿真技术建立一个虚拟开发环境对动力系统模型进行合理简化,从理论分析的角度得到最优功率分配策略与能量源参数和工况特征之间的解析关系,并从该关系出发定量地分析功率缓冲器特性参数对最优功率分配策略的影响,为功率缓冲器的参数选择提供理论依据,最终目的是定量地分析工况特征参数与最优功率分配策略之间的映射关系,完成功率分配策略的工况适应性研究。

完成能量管理策略的工况适应性开发后,其核心问题转变为功率分配优化,当然还必须考虑一些限制条件,如蓄电池容量的限制和各部件额定值的限制等。可用作功率分配的决策输入量很多,如SOC值、总线电压、车速、驾驶员功率需求等。按照是否考虑这些变量的历史状态,可以把功率分配策略分为瞬时与非瞬时策略两大类。所谓瞬时策略,就是当前的决策输出量只和系统的当前状态有关,与历史状态无关;而非瞬时策略的决策输出量和系统的历史状态有关。

EV,HEV,FCV电动汽车的关键技术与发展前景

图二燃料电池轿车动力电控系统结构框图

瞬时策略包括以下几种类型:电压控制型策略主要以总线电压为决策变量,优点是蓄电池SOC具有自动维持的能力,缺点是对燃料电池的动态性能要求很高,难以定量地控制FC 的输出功率;功率跟随型策略主要以需求功率和SOC为决策变量,优点是可定量地控制燃料电池的输出功率,能有效保护燃料电池,缺点是蓄电池功率调峰的作用不明显;目标函数型的

策略是对多个互相矛盾的目标函数进行加权综合评价,使当前时刻综合指标最小的决策作为输出控制量,其中比较典型的就是灵敏度分析方法。这种方法的特点是,对任一时刻发电系统和蓄电池对应的最佳工作点进行分析,找到发电系统额外功率消耗与蓄电池充电电流的关系。灵敏度值表示增加(减少)单位充电电流需要额外增加(减少)消耗的发电系统功率。但是,由于瞬时策略不考虑历史状态的影响,所以对工况的适应性较差。

非瞬时策略主要是指平均功率型功率分配策略,即对过去某段时间内的功率需求取平均值,作为燃料电池的输出功率。这种策略的优点是具有一定的工况适应性,蓄电池能有效起到功率缓冲的作用。但是,只靠平均功率需求这一个量还不足以对工况特征进行准确描述。

由于功率分配策略每一时刻作出的控制决策都会影响以后的决策,所以说它是一个全局优化问题。最优控制方法是解决全局优化问题的有效工具。采用最优控制方法从全局角度来考察功率分配策略,能够得到某个特定工况下的最优控制决策序列和理论上的最小燃料消耗。但这种方法只是识别车辆行驶状况的变化,难以考虑整车质量和车载附件功率的变化(如空调)对功率分配的影响。而且,考虑到实际工况的复杂性和不可预测性,在某个特定工况下得到的最优结果难以直接用到实际控制中。

实际的工况变化是非常复杂的,通常难以用几种确定的模式来区分。作为能量管理策略中的一部分,制动能量回馈是提高燃料经济性的重要措施,也是一个难点问题。必须综合考虑制动稳定性、制动效能、驾驶员感觉、蓄电池充电接受能力等限制条件。制动系统关乎生命安全,而且制动过程通常很短暂,在研究初期一般不直接进行道路试验,而是在建立系统动态

模型的基础上再进行深入细致的仿真研究。

迄今为止,国内外各研究机构及有关人士对燃料电池电动汽车的发展及市场前景的认识和态度归纳起来大致可分为两种,即比较乐观或积极的和较为保守或不以为然的。多数专业人士认为,燃料电池汽车技术属于21世纪的重大尖端技术,其市场前景在很大程度上将取决于自身的成熟程度和世界环保、能源形势的走向。仅从市场和用户的角度看,阻碍燃料电池车发展和普及的主要因素是销售价格和有关的基础设施完备与否。据预测,在今后十年之内,燃料电池车的售价仍至少要比传统汽车贵30%,价格过高,将严重影响用户的购车热情。例如大众推出的超省能车-“3L”Lupo牌轿车,就其各方面性能而言,不可谓不超群,但是,因价格贵使销路欠佳,远未达到预期目标。要使用户觉得使用燃料电池与使用传统汽车差不多一样方便快捷,加氢或加注间接燃料的设备是必不可少的。

基于上述理由,大致作出这样的判断,即在中长期内(比如10~15年),燃料电池车将首先出现在环保法规比较严格的经济发达、人口密集的国家和地区,即主要是美国、日本和西欧。美国人口密度高而环保法规又十分严格的州及城市有加利福尼亚州、康涅狄格州、佛罗里达州、马里兰州、马萨诸塞州、新罕布什州、新泽西州以及纽约和华盛顿两个市。日本的人口密集程度高在世界上是不言而喻的。在西欧地区,燃料电池车的使用将主要集中在大城市,尤其是环保法规更为严格的中、北欧。在更长远一些时期(例如20-25年),三大地区与国家之外的国家和地区也将逐渐普及燃料电池汽车(例如中国的特大城市、东南亚、东欧地区等)。表1是德国一家高新技术市场研究机构对燃料电池电动汽车在2005~2020年发展进程及市场表现的一般研究预测结果。图1所示,是该机构对燃料电池电动汽车在2005-2025年四个阶段的市场成长曲线。若粗略观察,则亦可将此过程划分为以下三个阶段,即技术攻关和市场孕育阶段、优势凸现阶段和市场快速扩张阶段。

技术攻关和市场孕育需要走一段较长的路,大约10年或更长一些时间。在此时期,多数投入使用的燃料电池车携带的燃料仍然不是氢而是需要通过车载装置(设备)进行重整的间接燃料(例如汽油、甲醇等)。当前,这样的重整器还处于技术攻关和试验阶段,在对间

接燃料进行重整和处理时,还会产生少量的CO2排放物,因此,这一缺陷在某种情况下抵消了燃料电池车的部分环保优越性。在此进程中,市场上先进的内燃机汽车和混合动力汽车是燃料电池车的有力竞争者,后者尚未发挥其全部潜能和表现出能对市场产生决定性影响的优点来,总之,还显得很柔弱(嫩),因此,不能撼动传统汽车的市场地位。由于市场进入代价高,导致燃料电池车的售价要比传统汽车高很多,加之相应的基础设施不健全,用户也没有使用这种汽车的经验,所以,市场需求微弱(当然,也有一些对燃料电池车持乐观态度的预测,认为在2011年这类车的总产量即可达到240万辆,占世界汽车总产量4.3%,在美国,燃料电池车的市场份额将达到4%,日本达到4.5%,西欧达到3.7%)。同一时期,对汽车作出零排放限制的地区,混合动力汽车和氢发动机汽车将有较大发展。

2005~2020年世界燃料电动汽车发展进程及市场环境一览

第一阶段2005~2010 第一阶段2010~2015 第三阶段2015~2020

首个批量生产的燃料电池电动汽车问世售价高(比传统汽车的售价高

约20%)

售价虽然仍比传统汽车高约

10%,但由于无需交纳CO2

排放税而在很大程度上得到

补偿和平衡

汽车厂家为宣传推广燃料电池车需要较大的投资基础设施不完备,加气(氢或

甲醇等)站少,售后服务措施

跟不上

基础设施已比较完备

售价高(比传统汽车贵约30%)由于是零排放汽车,在人口密

集地区有一定的私人要求

“间接燃料”重整技术(即制

氢技术和储氢技术)问题得到

解决

用户日常使用感到不方便(不便利),基础设计几乎是空白,加气(氢、甲醇等)站极少,售后服务跟不上传统汽车、混合动力汽车仍是

其强有力竞争者,

“间接燃料”

重整技术有突破,但尚未完全

解决

由于实施了CO2排放税而推

动了燃料电池车的推广和使

用进程

几乎没有私人用户需求私人需求缓慢增长私人需求呈跳跃式快速增长

燃料电池大客车(公共汽车)在人口密集地区进行较大规模的应用试验燃料电池大客车(公共汽车)

在人口密集地区成为主要的

客运工具

市场上新添置的大客车(公共

汽车)100%是燃料电池车,

车队(运输公司即公交公司)

50%的车辆是燃料电池车

相关文档