NEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车
电动汽车的技术现状及研究综述
孟源
太原城市职业技术学院 机电工程系 山西省太原市 030003
摘 要： 此篇通过查阅目前世界最前沿的电动汽车技术现状，客观总结出电动汽车的技术现状及发展趋势。着重介绍电动汽车的关键技术，其中包含了动力电池、电机控制理论技术、电动汽车驱动电机、电池管理系统、燃料电池、充电设施及能量再利用系统。由于我国目前的车辆占有量很大，但车辆的饱和率较发达国家还相差甚远，所以对于我国而言，车辆的需求量还有很大的空缺，而目前中国的国情已经非常注重青山绿水的回归，所以真切的发展新能源汽车越来越符合国内政策。本篇也对电动汽车的发展趋势进行了展望，也提出了一些实质的建议，希望通过政府、车企、科研机构、高校及制造装配工人的多方融合，得以得出适合中国国情的电动汽车制造政策及措施，尽快的将中国制造2035得以落实。
关键词：电池管理系统 电动汽车 电机控制 能量再利用系统 燃料电池 充电设施
1 引言
目前由于人们的生活水平逐步提升，人们的日常生活对汽车的需求也越来越强烈，在最新统计数据显示，截止2018年底，全国机动车的保有量已有三亿辆之多。在这么大的保有量前提下，能源问题及环保问题就会凸显出来，早在2015年的时候，全球的石油供需关系已经出现了缺口问题，而目前我国的人均车辆保有量仍然很低，但我国的石油主要依赖于进口，所以面对这样的现状，我国必须发挥我国的优势，比如我国的电能及电网来发展我国的新能源汽车这一符合我国基本国情的产业。那么新能源电动汽车的关键技术如动力电池、电机控制理论技术、电动汽车驱动电机、电池管理系统、燃料电池、充电设施及能量再利用系统就得进行技
术突破。
2 动力电池
动力电池顾名思义也就是为整车提供能
量的源头，相当于内燃机车的燃油，其相关
技术一直制约着该行业的发展水平，目前主
要的影响因素有比能及比功率等，而这些指
标又影响着车辆的动力性及续航里程。现阶
段，我国电动汽车动力电池存在缺乏评价系
统及对电池溃乏深度分析体系，目前已经投
入资金进行基础建设的配套，建立相关的电
池评价体系。
作为电动汽车用途的动力电池，有着诸
多的评价指标，如：高安全性、使用年限、
循环充电次数、结晶率、比能量及比功率等。
目前该领域常用超级电容、镍氢电池、燃料
电池、锂离子电池及铅酸电池等来作为动力
电池的研究对象。
日本早在上世纪末就加大力度进行镍氢
电池的研发，并在该国车型普锐斯中得以展
示，镍氢电池有着一些难以克服的缺点，诸
如比能量值较低、而且电池必须原料（氢气）
的储存是一大问题，故而普锐斯转变目标发
展混合动力，将动力电池只是作为了辅助动
力源。而之后随着锂离子电池的技术更新，
原材料及相关制造工艺流程的简化，锂离子
电池也进入了量产阶段，故而在普锐斯上用太原汽车
锂离子电池替代了原有的镍氢电池。锂离子
电池较其他电池而言，有着高的比功率及比
能量值，质量较轻，大倍率充电及低温高性
能等优良特性。运用锂离子电池的车辆有着
A Research Review of T echnology Status and Research of Electric V ehicle
Meng Yuan
Abstract： T his article studies the present situation of the forefront of the electric vehicle technology, sums up the technology situation and development trend of electric vehicle. This paper introduces the key technologies of electric vehicles, including power battery, motor control theory technology, electric vehicle driving motor, battery management system, fuel cell, charging facilities and energy reuse system. Due to the large number of vehicles in China at present, but the saturation rate of vehicles is still far lower than the saturation rate in developed countries. So for China, the demand for vehicles still has very large vacancy, and China's current national conditions have paid great attention to the return of green mountains and clear waters, so the development of new energy vehicles is more and more consistent with the domestic policy. This paper also looks into the development trend of electric vehicles, and puts forward some substantive suggestions. It is hoped that through the integration of the government, automobile enterprises, scientifi c research institutions, universities and manufacturing and assembly workers, electric vehicle manufacturing policies and measures suitable fo
r China's national conditions can be obtained, and China's manufacturing 2035 can be realized as soon as possible.
Key words：battery management system, electric vehicle, motor control, energy reuse system, fuel cells, charging infrastructure
80AUTO TIME
NEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车
时代汽车 wwwautotime
高的续航里程及良好的动力性能，但其制造成本还是相对较高。目前运用锂离子电池作为动力源的车型（含之前的车型）有雪佛莱Volt、丰田Prius、日产Leaf、比亚迪王朝系列车型（唐EV、元EV、宋EV）、特斯拉全系车。一般锂离子电池在整车使用下可达十年之久，按照特斯拉及比亚迪锂电池售后维修来推断，循环800次的保容量可达百分之八十，循环2000次的保容量可达百分之五十。我们可以推算一下，按正常使用一周充电一次，如果续航五百公里，一年也就是循环52-53次，按每次保有量逐步下降，一年充放电初步按80次来算，百分之八十的高保有量也能满足十年，如果按低保有量百分之五十来算，使用寿命可达二十多年。不过如果原有续航里程小于二百公里的话，随着保有量的降低，很难满足日常生活的需要。
现将锂离子电池、铅酸电池、锂聚合物电池、镍氢电池及超级电容的安全性、循环寿命、比能量、再循环能力、比功率等性能比较如表1所示[1]。
燃料电池也算是公认的最理想电池，比
能量及比功率都较为理想，能量转化率之高、
安全可靠性能高。其化学反应原材料非常丰
富，最主要在反应过程中及反应后都没有影
响环境的排放物，真正的实现了零污染。早
在国家“十二五”及“863”计划就给了燃料
电池很大的政策及资助，但由于氢气贮存的
特点及科研体系之庞大，很难在短时间收到
成效。
3 电机控制理论技术
由于电动汽车的调速及变向都是由电机
控制系统来完成的，那么电机控制系统也就
向着数字化、集成化及智能化的方向去发展，
目的是能够更便利、更节能、更稳定、更精
准的去实时适应所在及所需工况下的调节，
电子控制技术得以较大的发展，各类电控
CPU及ECU的功能也越来越强大。一般电
机控制装置有斩波调阻、斩波调压及最新的
IGBT类型。IGBT称为绝缘栅双极型晶体管，
由绝缘栅型场效应管MOS和双极结型晶体三
极管BJT组合而成的一种电压驱动的复合全
控式功率半导体器件，具有自导通和关断的
特征（简单说就是一个要不通要不断的开关，
导通作为导线，断开作为开路；有驱动功率
小和饱和压降低的优点）。IGBT是能源传输
及转化的核心元器件，采用其进行功率转化
可以提高用电经济性，其在新能源汽车上主
要运用在以下几方面：
1.车载空调控制系统，一般是小功率
DC/AC逆变；
2.电动控制系统，一般用在大功率DC/
AC逆变后驱电机；
3.充电桩，一般在智能充电桩上用作开
关元件使用。
采用IGBT电器元件可以简化控制电路，
提高系统控制的稳定性，目前控制方法常采
用转矩控制、矢量控制及变频调速控制等。
汽车电气控制系统中包含有电子控制单元，
而它是要通过其他电子元器件实时感知并传
输车辆运行的实际工况，进而进行数据分析
及相关运算，这种运算就是基于控制算法，
该控制算法包含了矢量控制、转矩控制、模
糊控制、神经网络控制、调速控制、随机线
性最优控制。也就是运用不同的控制规律和
模型所对应出来不同的控制特性，从而选出
对整车续航及动力性最优的一种[2]。表2列举
了不同控制方式电机的优缺点对比。
4 电动汽车驱动电机
直流电动机由于其结构简单，相关控制
技术非常成熟以及最主要的良好的转矩控制
特征，使得直流电动机一直作为很重要的研
究对象，大多用在较大型的设备上，但是直
流电动机笨重而庞大的体积不利于电机在各
个行业的应用（其他行业大多需要体积小、
质量轻、成本小、效率高及可靠性高的电动
机），所以从本世纪初期我国也开始大力进
行直流电动机到交流、开关磁阻及永磁电动
机的转型研发。
目前我们见到的电动汽车上使用的电机
有：交流感应电机（IM）、直流电机（DCM）、
永磁同步电机（PMSM）、开关磁阻电机（SRM）
及无刷直流电机（BLDCM）。其中永磁同步
电机（PMSM）及无刷直流电机（BLDCM）
的电机功率密度、效率、尺寸、质量及综合
性能相较其它而言较好。直流电机（DCM）
性能锂离子电池铅酸电池锂聚合物电池镍氢电池超级电容安全性差好一般好一般循环寿命较长短较短一般长比能量较高较低高一般低再循环能力差好一般一般较好比功率较高低较低一般高工作温度较高较低一般一般高
单位功率价格一般较低高较高低
单位能量价格一般低较低较高高表1 各种车用动力电池性能比较
表2 不同控制方式电机的优缺点对比
控制方式缺点优点
矢量控制结构复杂，成本高损耗小，效率高，可靠性好，转速控制范围宽，
动态性能好
转矩控制低速转矩脉动大结构简单，动态响应迅速，直接自控制，控制性
能优良
模糊控制结构及控制复杂响应快，转速波动小，鲁棒性强
神经网络控制网络结构复杂，样本获取训练难良好的动态响应性能，电机参数变化对控制系统
影响减弱
调速控制转速控制范围小，转矩特性不理想，控制
精度低，动态性能差
结构简单，成本低
随机线性最优控制结构复杂，控制算法复杂快速性、稳定性好，转速波动小，抗干扰能力强
AUTO TIME 81
NEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车
就控制性能及操作性好些，但电机功率密度、转矩转速特性、效率、成本等都很差。交流感应电机（IM）成本相较低，其它性能平平庸庸。开关磁阻电机（SRM）的调速范围较宽、质量轻、体积小，但成本较高，控制性也很一般。运用不同的控制规律和模型所对应出来不同的控制特性，从而选出对整车续航及动力性最优的一种，尽可能电机结构简单、体积小、成本低、响应快、易操作、控制性能高及抗干扰能力强，提高整体综合性能。
5 电池管理系统
电动汽车的动力电池除了满足标定电压以外，为了提供更大的续航里程就需要通过串联加并联的方式来完成电池模块的组装连接，为更好地为电动汽车提高动能，各小模块的组合需要通过电池管理系统SOC(state of charge)来进行对各组合小模块进行监测电量、工作状态及均衡供出的电量，可以使得动力电池永远处于理想状态。精确度及管理模块数量是评价电池管理系统的重要指标，特斯拉电动汽车之所以比国内的电动汽车性能优良（光说动力性及续航能力），是由于特斯拉的电池管理系统所管理的电池模块数量远大于国内车型，控制精度可以精确到0.001V，比国内的电池管理系统虽说精确了一位，但是这精确地一位是很难突破的技术难关（实验室可以进行精确控制，由于控制的稳定性不稳定，导致量产的能力还是没有）。目前我国对电池管理系统的研究很多，有基于CAN总线的电池管理系统研究、建立动力电池动态测试工况试验平台、复合能源系统（蓄电池+太阳能+超级电容）等，以上这些研究有理论性的研究也有实验性的研究，通过这些研究也提高了我国对电池管理系统水平的认知。早在前几年，由韩国科研小组开发出来了高性能锂空气电池系统，其续航里程高达八百多公里，有望在未来几年进行量化生产，这无疑是对电动汽车技术的一次推进。
6 充电设施
目前电动汽车的充电分为慢充、普充和快充三种，一般慢充大概6-8小时；普充2-4小时；快充大约半小时，在短短十分钟可以完成百分之七十电量的恢复，但是越快
的充电对电池的危害越严重，寿命会越短，
该方式可以在已有的加油站、充电站及服务
区进行叠加。还有一些专家提出了动力电池
更换的方式，就好比一个换电池站，每辆车
更换电池流水工作时间只需要5分钟左右，
该流程所需时间也能满足人们日常生活需求，
但是所需备用动力电池型号及数量之多，目
前难以完成。还有目前新建小区都会预留充
电桩接口或者直接安装充电桩，以方便电动
汽车的充电便捷性，这种方式的最大优点就
是简单、方便、投资少，同时大大缩小了动
力电池的结晶率；唯一不好的就是充电需要
6-8小时，不过下班回家充电，上班也就充
好了，适合普通家用。
上边我们提到的在停车场、小区进行充电
的方式称为分散充电管理模式，该模式投入小、
能满足人们需求及提高车辆的利用率，但是后
期的维保运营成本较高。而上边提到的依据现
有的加油站、充电站及服务区进行叠加建设充
电桩的模式称为集中充电管理模式，该种模式
有较高的专业性服务，可以更好的确保电池的
使用寿命，较适合于营运车辆，同时还可以采
集多类电动汽车的实际运行数据并为之后的研
发做数据的积累，但该种方式的建设投入较大，
需要政府的大力支持。
7 能量再利用系统
能量再利用系统就是指在制动、下坡等
运行工况下对损耗的能量进行回收，这种理
论在提高主动安全性能的同时可以对损耗的
能量进行回收，该情况下，电动机转变为发
电机，通过逆变器进行AC/DC的转换再回
充到蓄电池上，提高车辆的续航能力。
8 结语
本文就新能源电动汽车的关键技术如动
力电池、电机控制理论技术、电动汽车驱动
电机、电池管理系统、燃料电池、充电设施
及能量再利用系统进行综述，总结以下观点：
1.电池性能好坏直接影响着电动汽车的
性能，所以努力研发动力电池是重中之重，
我们科研人员应该致力于改进目前动力电池
锁存在的缺陷问题，比如：安全性、循环寿命、
比能量、再循环能力、比功率及成本等一系
列动力电池性能。
2.目前我国也采用了交流电机，但是我
们对交流电机的性能还是研究的不够深入。
而目前采用的电机控制元器件如IGBT的核
心部件晶体管的研究较日本等国比较落后，
常采用进口来满足市场需求，所以我们应大
力研究补足缺板技术。
3.电池管理系统SOC是基于动力电池及
电机之上的一种重要技术，它的性能直接决
定着电池的使用寿命，续航能力。所以我们
也应该在该领域的控制容量及精确度上有所
重大突破。
4.能量再利用系统对于提高经济性、提
高制动的安全性及提高车辆的续航能力起到
很关键的作用，所以该技术的突破也会对电
动汽车整车性能提升有非常重要的意义。
5.加大政府的基础性建设，提升集化
管理能力及机制会对该领域的数据库建设及
专业人才培养上有显著意义。
参考文献：
[1]Richardson P，Flynn D，Keane A．Optimal
charging of electric vehicles in low-voltage
distribution systems[J]．IEEE Transactions on
Power Systems，2012，27（1）：268-279.
[2]孟源．汽车主动悬架系统的控制技术探索
[J]．内燃机与配件，2020，301（01）：
11-12．
[3]王丹，续丹，曹秉刚．电动汽车关键技术
发展综述[J]．中国工程科学，2013，15（01）：
68-72．
[4]王锡凡，邵成成，王秀丽，杜超．电动汽
车充电负荷与调度控制策略综述[J]．中国
电机工程学报，2013，33（01）：01-10.
[5]王旭，齐向东．电动汽车智能充电桩的设
计与研究[J]．机电工程，2014，31（03）：
393-396.
作者简介
孟源： (1988—)，男，山西太原人，硕士研究生，
讲师，2014年毕业于太原理工大学，长
期从事车辆底盘、新能源汽车、电机控制
技术等方面的教学及科研工作。
82AUTO TIME
发布评论