国内电动汽车技术现状分析.docx
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国内电动汽车技术现状分析
山东交通学院
2016届毕业生毕业设计（论文）
题目：
国内电动汽车技术现状分析
院（部）别汽车工程学院
专业车辆工程
班级车辆123
学号*********
姓名谷瑞朋
指导教师戴汝泉
2016年六月
摘要
中国寻求未来汽车工业发展的新出路，发展电动汽车是汽车工业技术转型的重大机遇。
本文主要以国内电动汽车的动力传动系统的技术特点及其控制策略等关键技术为重点，对其发展现状进行分析，进一步明确电动汽车的技术不足以及亟待解决的技术难题。
描述了电动汽车的分类及其特点以及演变过程，详细的介绍了电动汽车动力传动系统的关键技术，并进行详细的分析说明了电动汽车发展所遇到的几种技术瓶颈和面临的挑战，最后对于我国电动汽车技术现状阐明了自己的观点，为电动汽车的技术研发路线提供有效参考。
关键词：
电动汽车，动力传动系统，技术现状，瓶颈
Abstract
Chinaseeksanewwayforthedevelopmentofautomobileindustryinthefuture,thedevelopmentofelectricvehiclesisamajoropportunityforthetransformationoftheautomotiveindustrytechnology.Thispapermainlyanalyzesthetechnicalcharacteristicsandthecontrolstrategyofthepowertransmissionsystemofelectricvehicle,furtherclarifythetechnicalproblemsofelectricvehiclesandtechnicalproblemstobesolved.Theclassification,characteristicsandevolutionprocessoftheelectricvehiclearedescribed,Thekeytechnologyoftheelectricvehiclepowertransmissionsystemisintroducedindetail,Andadetailedanalysisofthedevelopmentofelectricvehiclesencounteredseveraltechnicalbottlenecksandchallenges.Finally,thestatusofChina'selectricvehicletechnologytoclarifymypointofview,provideeffectivereferenceforthetechnicalresearchanddevelopmentofelectricvehicle.
Keywords:
Electricvehicle,Powertransmissionsystem,Technologystatus,Bottleneck
前言
中国传统汽车技术方面落后于欧美日等发达国家，在电动汽车领域我国与国外在技术水平与产业化方面的差距相对较小，有可能在这一领域实现跨越式发展，有益于在汽车工业实现弯道超车，从而缩短我国与国外的技术差距，增强我国整个汽车行业的国际竞争力，为中国与全球汽车企业在本土乃至全球市场展开竞争提供了重要契机。
动力传动系统是电动汽车最核心系统，本文主要对电动汽车中的纯电动汽车动力传动系统的技术特点及控制策略等关键技术现状进行分析。
发展电动汽车对于中国应对日渐严峻的能源安全和污染问题至关重要。
中国已经是世界最大的温室气体排放国，电动汽车可以降低碳排放，环保方面与内燃机相比更能帮助解决严峻的空气污染问题。
国内原油储存量和开采量十分有限，大部分依赖于进口，所以会面临全球原油供给波动的风险。
电动汽车的使用可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多元化。
扩张电动汽车产业链从国家计划来说兼顾产业升级、能源战略，对于人民生活更是改善环境治理和拉动内需，是“国计”与“民生”最佳契合点。
电动汽车发展环境逐渐完善，随着社会环保意识增强，新能源汽车终将成为主流。
国家锂镁稀土资源丰富，而这些资源正是电动汽车关键部件的原材料，发展电动汽车有一定的资源优势，不会出现资源供给不足的问题。
利用低谷电为电动汽车充电提高电能的利用率。
电动汽车关键技术研发逐渐增长，动力传动系统中电池、电机和控制系统等关键核心技术经过近十年的大力投入技术研发，我国在动力电池的主要特性、材料以及产品开发控制管理方面上取得重要进展基本与国际先进水平看齐。
在汽车体系中，电动汽车产业链是国家具备了比较高端的研发能力和快速推广产业化的产业，中国有能力凭借技术创新实现电动汽车产业化并实现跨越式发展。
本文根据电动汽车的发展现状，参考我国电动汽车产业的分类及各自特点、电动汽车技术和政府目前的相关支持政策等方面的书籍和资料，通过调查研究的方式总结归纳出我国电动汽车技术发展存在的问题，然后通过逻辑分析以理论知识为基础，归纳分析我国在电动汽车这一行业中的相关发展方针，并在相关理论的指导下，找到对我国电动汽车的发展影响深远的成分，为实现电动汽车产业化提出建设性对策。
动力传动系统是电动汽车最主要的系统，电动汽车的动力性和经济性主要是由其动力传动系统的性能决定的，因此对于电动汽车动力传动系的研究将直接关系到电动汽车的产业化。
对国内电动汽车动力传动系统的技术特点及控制策略等关键技术现状进行分析，明确现在电动汽车的技术不足，指出亟待解决的关键技术问题，为电动汽车的技术研发路线提供建设性建议。
1概论
1.1电动汽车概述
电动汽车使用单一的蓄电池作为储能动力源，通过电池为电机提供电能，驱动电动机运转进而推动汽车前进。
主要特点在于其无污染且噪声小，结构相对简单维修保养就相对少，可回收制动下坡时的能量提高能量利用率。
1.1.1电动汽车发展存在的问题
现状表面电动汽车其基础性理论研究浅，虽然电动汽车相关技术及产品性能不断提高，但由于过于看重市场发展规模，不注重基础性技术开发和研究。
缺乏深层次的技术例如电池的物理化学问题、温度和结构问题等基础性技术研究的不够彻底明了，需要从理论和实践上进行计算和探索。
而且其安全隐患问题大，电动汽车的安全性不仅包括汽车基本的安全性还有其独有的用电安全性。
高电压、大电流的电力驱动模式对车内人员的安全有极大的潜在威胁，一旦触电就会造成人员伤害，而且高电压系统还会影响低电压系统电器和控制器的正常工作。
所以电动汽车对安全用电技术要求严格且规范。
1.2发展电动汽车的意义
1.2.1电动汽车的优点
电动汽车污染小、噪音小、节约能源，结构、控制和维护简单，较之燃油汽车有其突出的优点：
电动汽车运行过程中不产生废气，且不需要冷却剂、机油等会造成污染的物质；电动汽车充电采用集中式充电方式，容易控制污染源；在拥挤的城市街道，必须不断的停车和启动，对燃油汽车来说，这意味着大量的能源浪费并且加剧了对空气的污染。
而电动车在停车时，不需让电机空转，减速时车辆的动能还可以通过电动机的发电状态回馈为电能，储存于蓄电池之中；电动汽车的结构相对于燃油汽车要简单，除定期更换蓄电池外，基本上无须日常保养。
1.2.2发展电动汽车的意义
传统内燃机汽车在使用过程中会产生大量的有害气体，且其能量来源于石油，加剧了不可再生石油资源的消耗，带来了严重的环境污染和越来越紧迫的全球石油资源危机等问题。
电动汽车的使用可以降低碳排放，环保方面与内燃机相比更能帮助解决严峻的空气污染问题，且可以摆脱汽车对化石燃料的依赖。
我国在电动汽车领域与国外在技术水平与产业化方面的差距相对较小，有可能在这一领域实现跨越式发展，有益于在汽车工业实现弯道超车，从而缩短我国与国外的技术差距，增强我国整个汽车行业的国际竞争力，为中国与全球汽车企业在本土乃至全球市场展开竞争提供了重要契机
1.3动力传动系统关键技术
动力传动系统是电动汽车最主要的系统，电动汽车的动力性和经济性主要是由其动力传动系统的性能决定的，因此对于电动汽车动力传动系的关键技术研究与电动汽车产业化息息相关。
动力传动系统关键技术主要涉及电机、动力电池、传动系统和控制系统四部分。
驱动电机的性能决定了电动车的动力性能，属电动车的核心部件；电池的性能决定了电动汽车的续驶里程、运行成本。
研制高性能的电机和电池是突破电动汽车技术的关键，电池、电机、电控技术是电动汽车最核心的技术。
其直接影响车辆的续航里程、加速时间等参数。
这三块技术就是组成电动汽车的木桶，其中的任意一块存在短板的话都会直接影响车辆的性能表现。
1.3.1电池及其管理系统
电池是电动汽车的核心，电动汽车电池的储能多少与车辆的续航里程息息相关。
存在难以同时满足低成本、高容量、高安全的技术要求。
推广电动汽车就必须要有先进的蓄电池技术。
电动汽车的电池以电池组的形式存在，电池管理系统检测电池工作状况及电池荷电状态，均衡多块电池电量使其处于最佳工作状态，同时还具有与外部设备通信、控制充电方式等功能。
BMS系统好比一个军队的总司令，运筹帷幄，运行指挥电池组，在电动汽车运行中使电池性能达到事半功倍的效果。
1.3.2驱动电机及控制系统
它的电动机不同于一般的工业电动机。
既要能满足汽车行驶中的各项性能要求又需要具备可靠性高、造价便宜、效能高等特点。
选择适合的电机是提高电动。
汽车性价比以便达到普及使用的有效途径。
电动汽车电机驱动及其控制策略是决定电动汽车性能的关键技术之一。
高性能的电机采用闭环控制和先进的控制算法，并采用普通硬件和复杂软件相结合，实现电动汽车不同工况的特性需求。
电动汽车驱动电机运行呈现出高度不确定性、非线性、参数时变等特征，工作状态复杂多变、运行环境严酷恶劣，必须有控制系统实现控制及优化。
1.3.3电子控制系统
电动汽车电子控制系统是通过使用车载处理器的软硬件和CAN总线技术等对各功能总成进行控制，根据驾驶员操作及整车运行状况，选择优化的工作模式和能量分配以达到最佳的性能指标。
电子控制技术是电动汽车运行的核心大脑，主要体现在综合汽车行驶控制、制动能量回收的反馈控制、CAN总线、状态监控故障诊断处理等各功能来控制电动汽车。
2动力电池及其能量管理系统分析
作为提供驱动电能的动力电池，在电动汽车上使用的具有强力竞争优势的电池主要有镍氢电池和锂离子电池。
当然，随着电池技术的不断研发和逐渐完善，超级电容、飞轮电池等新型储能装置已经渐续应用在电动汽车。
2.1动力电池特性
动力电池的能量密度、比功率、循环使用寿命和比能量等性能是影响电动汽车运行性能的关键因素。
电动汽车普遍应用实现产业化必须克服成本高、续驶里程短和充电时间长的难题,电池主要性能指标需要有突破性的进展。
（1）比能量：
电池在单位质量下输出的电能。
（2）比功率密度：
描述电池在瞬间放出能量的能力
（3）功率密度：
分为质量功率密度和体积功率密度，其中质量功率密度指单位质量的电池所输出的功率，单位为瓦/千克。
而体积功率密度指单位体积的电池所输出的功率，单位为瓦/升。
功率密度是评价能量源是否满足汽车爬坡和加速性能的重要指标。
（4）能量密度：
分为质量能量密度和体积能量密度，其中质量能量密度指电池单位质量所输出的电能，体积能量密度指电池单位体积所能输出的电能。
（5）电池的循环使用寿命：
以电池完全充放电一次作为一个循环，依照一定的测试标准，在电池容量降低到额定值得80%之前，所经历的循环总次数。
它是评价电池寿命性能的指标。
动力电池的各项性能是相互平衡的，或者说“牵制”的，电池性能的优劣不取决于单个电池的某项特性，而取决于综合性能。
只有综合考虑电池性能参数与整车环境之间的兲系，才能真正具有应用价值。
2.2动力电池发展现状
电池是电动汽车最核心的零部件，在纯电动汽车的制造成本方面，电池的占比普遍在三成以上。
国内动力电池技术的突破瓶颈在于寿命、安全性和成本。
这三点不是完全独立，而是互相关联的。
虽然电池性能不断提高，技术逐渐进步，但任然不能完全满足电动汽车的使用要求。
2.2.1电池寿命、安全问题
电池寿命包括循环寿命和搁置寿命，循环寿命的降低主要来自电池成组过程中的一
致性问题，电池大部分时间处于搁置状态，从实际应用来看，车辆在夏天的高温暴晒状态下，电池的衰减非常明显。
电池寿命降低将使电池更换频率增加，大大增加电动车的使用成本。
电池组安全性主要与电池组内单体电池的一致性有关，电池组内许多单体电池是通过串联提高电池组电压，通过并联提高电池组容量，使总电压和电流达到车辆峰
值功率和额定功率需要。
单个电池在制造过程中性能存在分散性和使用过程中电池内部环境的不均匀性，因此随着使用时间的增加，单个电池之间的性能差异将逐渐增加，从而影响电池寿命。
电池成本价格和电池组的寿命、电池组内单体电池的一致、电池安全性四者之间相互关联互相影响，不管哪一方面的不足都影响整个电池性能。
国内关于电池理化性能的技术研究正在逐步提升，基本性能已经能够满足正常运行。
但随着电动汽车产业的普遍发展应用，更深层次的电池技术明显缺乏不足以满足电动汽车的高性能要求。
2.2.2电池能量密度问题
电池能量密度很低，虽然锂离子电池质量密度可以达到150W.h/kg，汽油则为10000-12000W.h/kg.由于其能量密度低，不得不使用大量的电池才能满足电动汽车运行性能。
大量的电池使用增加了汽车的整车质量，不仅是电池能量过多的消耗在电池自重上而且降低了汽车运行效率，影响其使用性能。
电动汽车动力电池目前最大的问题是价格和续航里程，解决问题的主要办法是提高电池组能量密度。
提升电池组能量密度主要有两个办法，一是在不降低安全系数的情况下，使用轻质材料对电池组框架进行轻量化处理，二是提升电芯的能量密度。
减轻重量的具体办法是：
①减轻电芯外壳重量；②减少用来固定电池模块的螺钉的数量，去掉了支架多余的壁厚；③减轻了电池模块的外装。
但根本办法还是提升电芯的能量密度，这同样有两种途径，一是减轻电芯外包装材料的重量，二是提升电池技术水平。
提升电芯能量密度的根本办法还是要靠提升电池技术水平，其中锂电池隔膜的性能直接影响电池容量、寿命及安全性，但由于国内这方面的研究与开发技术起步较晚，需要制订长期研发计划进行研制。
目前主要研发方向是通过提升电池的电压和容量，现阶段这主要是要依靠正极材料技术水平的提高来实现诸如研发5V级正极材料以及高容量正极材料。
2.3能量管理系统
电动汽车在行驶过程中，动力电池必须工作在合理的电压电流温度范围内。
必须应用电池管理系统（BMS）对电池实施管理，BMS是保证电池应用的核心部件。
电池管理系统是电池的控制大脑，把握着电池的命脉，电池管理系统主要监测动力电池的各种状态，具有精确的SOC、SOP和SOH的估算，热管理和有效的动态均衡控制策略功能，还需要有容错、纠错机制。
通常情况下，BMS系统都要通过两部分来确定如何管理电池组，就是检测模块和原酸控制模块。
检测模块主要是通过传感器收集电池在使用过程中的参数信息，根据收集到的数据，BMS系统就会根据每一个电池单体的实际情况来分配如何为电池充电，并且在使用过程中，通过状态估算的方式确定每一颗电池的状态，通过荷电状态（SOC）估计以及均衡和热管理等方式来实现对电池的合理利用。
BMS系统好比一个军队的总司令，运筹帷幄，运行指挥电池组，在电动汽车运行中使电池性能达到事半功倍的效果。
电池管理系统中以热管理系统和电池的荷电状态（SOC）估计为核心
2.3.1热管理系统
热管理是指BMS根据热管理控制策略使电池组处于最佳工作温度范围的整套系统。
电池组热管理系统的关键技术有：
①确定电池最优工作温度范围；②电池热场计算及温度预测；③传热介质选择；④热管理系统散热结构设计；⑤风机与测温点选择。
电池组热管理策略：
控制电池的温度差异，使电池内核区域各处电流密度均匀，生热速率一致。
分为降温过程和升温过程，降温热管理的目的是防止电池组的温度超过电池工作的最高温度，控制电池组的温升，均衡保持各单体电池的温度一致，防止因温度不同而造成电池组间的电池性能差异。
升温热管理：
低温主要对锂电池的充电有负面影响，对电池的放电则影响不大。
在低温时电池的活性差，电池负极石墨的嵌入能力下降，这时大电流充电很可能出现电池热失控甚至安全事故。
当BMS通过传感器监测到电池温度过低时会发出控制信息控制充电机进行小电流充电。
由于低温（低于-10℃）环境下，电池的内阻会增加。
在充电过程中，电池就会产生更多的热量，使得电池的温度逐渐升高。
2.3.2电池荷电状态估计
电池的荷电状态即SOC来描述电池的剩余容量占额定容量的百分比。
工作过程中SOC由下列公式计算：
式中SOC0电池的初始状态；I为t时刻的电池工作电流，其中充电时为正放电时负，
单位为A；t为充放电时间，单位为h;C为电池的额定容量，单位为
。
一般用放电深度DOD来表示电池已经放出的电量与额定容量的比值，它的计算公式为：
目前常用的SOC估算方法及其特性如下表
表2.3SOC估算方法及其特点
估算方法
优点
缺点
放电试验法
准确、可靠
需要中断，时间长
安时计算法
计算简单
不够准确
开路电压法
数值上接近电池电动势
需要长时间静置
线性模型法
模型简单
不够准确
内阻法
与SOC关系密切
测量困难
卡尔曼滤波法
适合非线性模型
需要准确的模型算法
神经网路法
精度比较高
需大量训练数据
安培法由于不考虑电池内部结构、状态等方面的变化，因而操作方便，简单；但该方法对电流的测量精度不高，随着时间的推移，SOC累计误差将会不断加大；开路电压法是利用电池开路电压与SOC的近似线性关系来测试稳定状态下电池的SOC，在汽车行驶过程中不宜单独使用；神经网络主要用于模拟电池动态特性来估算SOC，但此方法需要大量参考数据供神经网络进行学习，而且数据和训练方法要求较高，容易产生误差；卡尔曼滤波法是将电池看作动力系统，SOC作为一个系统内部状态，将电池的非线性状态空间模型线性化。
其纠正误差能力强，但对系统处理速度要求较高。
SOC受电池自放电、温度、电流等各种因素影响，使电池在使用过程中表现出高度的非线性，很难对其进行准确估计。
2.4能量管理系统研究方向
电池管理系统是电池的控制大脑，把握着电池的命脉，若不能及时精确地采集到单体电池和整组电池包的工作参数（如电压、电流、温度、剩余电量等），还会影响到整车优化控制策略，降低电池安全性能，甚至引发汽车爆炸。
因此电池管理系统作为电池系统的核心部分，在整个电动汽车的研究和发展过程中具有举足轻重的作用，系统优化的好可以达到事半功倍的效果。
电池管理系统主要监测动力电池的各种状态，具有精确的SOC、SOP和SOH的估算，热管理和有效的动态均衡控制策略功能，还需要有容错、纠错机制。
电池管理系统作为电动汽车关键技术之一，尽管近些年来有了很快的提升，也有很多投入了实际的运用，但是现在的电池管理技术仍然有许多要改良和完善的地方。
其核心技术是电池状态的估算策略，国内BMS估算策略对电池参数的实时在线估算缺乏有效的算法，很难做到实时在线估算。
实时在线估算的重要性在于能够精确地估算出电池的动态特性，且有强大的纠错能力，估算精度与电池老化没有关系。
根据采集的各电池的电压、温度和充放电电流的数据，建立每块电池剩余能量的较精确的数学模型，准确估测电动汽车蓄电池的SOC状态，把握电池内部状态变化规律，用更有效的方式和更适当的算法来准确评估电池性能、评估电池组的健康状态和剩余使用寿命，从而延长电池使用寿命。
电池状态估算策略方面的不足，是BMS研发最重要也是最亟待解决的难题。
电池管理系统中的动力电池组是由多个单体电池串联组成，单个电池在制造过程中性能存在分散性和使用过程中电池内部环境的不均匀性，因此随着使用时间的增加，单个电池之间的性能差异将逐渐增加，由于动力电池组中单个电池容量的不一致，通过若干次充放电循环后电池组会失衡，严重影响动力电池组的效率与安全。
如何采用均衡充电予以补偿，保持每个电池容量的相对一致，设计出低成本的电池均衡系统是电动汽车发展亟待解决的问题。
3驱动电机及其控制系统分析
电动汽车使用的驱动电机既要能满足汽车行驶中的各项性能要求如具有较大的起动转矩和短时过载能力、较宽的调速范围、发电回馈等又需要满足体积小、重量轻、可靠性高、造价便宜、效率高等性能要求，这些特殊要求决定了驱动电机与一般工业用电机不同，可选择范围很窄。
选择适合的电机是提高电动汽车性价比以便达到普及使用的有效途径，主流电动汽车的驱动电机主要有交流异步感应电机、开关磁阻电机、永磁同步电机三类产品。
3.1主流电机
交流异步电机由定子和鼠笼状转子组成，定子绕组通过交变电流产生旋转磁场进而产生感应电动势，感应电动势使转子绕组有感应电流流过，从而产生电磁转矩实现连续旋转。
具有结构简单、免维护、寿命长易冷却、可靠性高、转矩脉动小、体积小的优势，同时具有了类似直流电机的优良性能。
从技术水平来看，是目前电动汽车电机的比较理想的选择。
同时它有下面的缺点：
功率因数低、控制复杂驱动电路成本高，易受电机参数及负载发化的影响；转子不易散热；调速性能差，调速范围窄。
开关磁阻电机驱动系统是一种新型机电一体化调速电机系统，包括开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器等部分。
开关磁阻电机的运行遵循“磁阻最小原理”即磁通总要沿磁阻最小的路径闭合。
当具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。
开关磁阻电机由于具有低成本，功率电路简单可靠，启动电流小而转矩大，非常适于电动汽车频繁启动停止及正、反向转换运行，损耗小，效率高，高温运转性能好等优势，具有极大的潜力目前在电动汽车电机应用上发展迅速。
但其存在的诸如运行振动噪声大、控制系统复杂且脉冲电流对供电电源影响大等缺陷仍需亟待解决。
。
由永磁体产生磁场的电机就是永磁电机。
由永磁体建立励磁磁场的同步电机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。
为了实现能量的转换，永磁同步发电机需要有一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。
采用永磁转子和定子三向分布，在磁路结构和绕组分布上使感应电动势成正弦波。
永磁同步电机有以下优点：
功率因数大，效率高，功率密度大；结构简单、便于维护，使用寿命较长、可靠性高；调速性能好，精度高；具有良好的瞬时特性，响应速度快；频率高，输出转矩大，极限转速和制动性能优于其他类型的电机但是永磁同步电机也有以下缺点：
电机造价高；控制系统成本高；弱磁能力弱，调速范围有限；受磁材料工艺的影响和限制其功率范围较小；低速时额定电流较大，损耗大，效率较低。
3.1.1三种主流电机性能对比
表3.1三种电机性能比较
项目
开关磁阻电机
交流异步感应电机
永磁同步电机
功率密度
较高
中
高
峰值效率/%
〈90
90-95
95-97
负荷效率/%
78-86
90-92
85-97
转速范围/（r/min）
〉15000
。
12000-15000
4000-10000
可靠性
好
好
优秀
结构坚固性
优秀
好
一般
外形尺寸
小
中
小
质量
轻
中
轻
成本/（美元/KW）
8-10
8-10
10-15
控制器成本
一般
高
高
控制操作性能
好
好
好
针对上述三类驱
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