第三节 电动汽车的技术现状
自1881年法国电气工程师Gustave Trouve制造出第一辆电动汽车开始，电动汽车经历了曲折起伏的几个发展阶段，其中的决定因素就是动力电池技术和人们对环境、能源的关注程度。但是，电动汽车自身具有的显著优点：可以实现低排放，甚至零排放行驶；采用电能作为驱动能源，能源来源途径广；行驶噪声小；容易实现Drive-by-wire（线控）思想；实现了制动能量回收，降低了摩擦制动器的使用强度和维护费用……决定了它必将成为新能源汽车技术发展的一个重要方向。
1.纯电动汽车的技术现状
近几年，由于动力电池、电机驱动系统的技术突破，以及电力电子、控制和信息技术的广泛应用，促使纯电动汽车技术深入发展，日臻完美，一批装备了先进动力电池的电动汽车已经进入或即将进入市场销售。
图1-6 投放市场的几款纯电动汽车
如图1-6所示，戴姆勒汽车公司的Smart纯电动汽车自2007年开始先后在欧洲某些国家、美国、加拿大以及亚洲的代表性国家开展了共计1500辆规模的实地运行试验，2010年开始进行批量生产。三菱汽车2009年开始在日本销售纯电动汽车iMiEV。日产公司于2010年12月在日本和美国市场推出了一款装备锂离子电池的电动轿车LEAF。这款具有划时代意义的纯电动汽车的问世，不仅标志着零排放时代的到来，而且它集中体现了日产汽车在新能源汽车领域经过数十年投入和研发达到的巅峰水准，代表了日产汽车对于未来交通工具以及移动方式的美好愿景，成为世界首款面向全球市场的量产纯电动汽车并获得“世界2011年度车型”称号。宝马公司基于成熟车型MINI Cooper开发的纯电动汽车MINIE先后在美国、德国、英国、法国、日本和中国开展了示范运行测试。
各种高新技术开始在纯电动汽车上应用，赋予其新的生命力和发展机遇。
①动力系统集成优化技术不断进展，节能效果不断提高。
②动力电池技术得到飞速发展，高性能的锂离子电池、镍氢电池等绿色电池逐步取代传统的铅酸电池，在比能量、比功率、安全性、可靠性、循环寿命和成本等方面取得很大进步。
③高效的一体化电力驱动系统取代了传统的直流电机。
④电动辅助系统的广泛应用提高了整车能量利用效率和性能。
⑤网络系统的应用促进了电动汽车的模块化和智能化。
⑥轻量化技术和电气、结构安全性技术在电动汽车上得到了系统的应用。
⑦把纯电动汽车推广应用作为系统工程，不仅重视汽车本身的研发，而且开始了充电站等基础设施的规划与建设。
⑧在概念车型上，轮毂电机和线控技术等前沿技术得到了初步应用。
纯电动公交车成为城市节能减排和平衡电网负荷的最有效手段，纯电动公交车的示范和推广应用进程加快。以北京市公交车为例，12m公交客车平均油耗40L/100km，每车200km/天、300天/年进行统计计算，若发展1000辆纯电动公交车，年综合减排CO2可达48000t，节油2400万L。北京市现有公交客车约25000辆，若全部用纯电动客车替代，可减排CO2达120万t，节油60000万L。奥运期间，55辆纯电动客车在奥运中心区的奥运村、媒体村、北部赛区和奥运公园等线路上给奥运会官员、媒体记者、运动员提供24h全天候的运输服务，累计运行约12万km，载客约14万人次。纯电动客车在奥运中心零排放区应用兑现了我国申奥承诺，是本届奥运会的重大特色工程之一。
2.混合动力电动汽车的技术现状
混合动力电动汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新车型，国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，引起各大汽车公司关注。
日本丰田公司在1997年推出混合动力电动汽车普锐斯，使用了丰田THS混合动力装置，2000年5月、2002年上半年、2009年完成了普锐斯汽车的三次改进，于2012年推出插电式混合动力版的普锐斯汽车，截至目前已累计销售超过200万辆。日本本田公司开发的双座Insight混合动力电动汽车专为达到最大燃料经济性而设计，使用了本田IMA系统，自2001年开始批量投放日本和美国市场，名列2002年度美国环保署公布的最省油轿车名单榜首，截至目前本田混合动力汽车已累计销售超过80万辆。通用汽车、戴姆勒-克莱斯勒集团与宝马集团联合开发的完全混合动力系统，第一次完美地将电机与固定传动比齿轮变速器集成在一起，具有适用于高速和低速两种行驶状态的电子无级变速模式，成为双模混合动力系统的代表。投放市场的几款有代表性的混合动力电动汽车如图1-7所示。
混合动力汽车市场增长加快，产品系列正从日本丰田一枝独秀向多元化发展，多车型投入商业化应用。通用、戴姆勒-克莱斯勒、大众、雪铁龙、雷诺、宝马、日产、现代、三菱等世界大型汽车公司纷纷推出具有各自特色的混合动力汽车。国内，一汽、东风、上汽、长安、比亚迪、奇瑞、华普、沈阳金杯等汽车公司都在加紧研发自己的混合动力汽车，多款混合动力客车、轿车已进入批量生产和应用阶段。
3.插电式混合动力电动汽车的技术现状
插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）具有较长的纯电动行驶里程，还可以以混合动力模式工作，具有良好的燃油经济性。插电式混合动力汽车技术受到普遍关注，2006年10月第22届国际电动汽车年会首次把插电式混合动力汽车技术作为特别专题进行研讨，2007年12月第23届国际电动汽车年会上插电式混合动力汽车已与纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池汽车并行作为会议的研讨主题。为了加快对PHEV的推广应用，美国IEEE-USA能源政策委员会建议增加PHEV的应用力度以提高现代交通的适应性和国家交通能源的独立性，在重量、体积、成本、寿命、安全以及功率电子器件和控制等各个方面加大对各种PHEV动力电池的研究力度和支持力度，建议政府采取激励措施和鼓励政策促进PHEV的市场切入，鼓励电力计量、计价等配套设施建设以及电力公司的介入，以真正实现从复杂的动力电池充电系统中获取最大的利益，加大对PHEV应用对电网行业冲击与影响的评估，完善相关法规标准以实现电网行业的最大利润。
图1-7 投放市场的几款有代表性的混合动力电动汽车
PHEV的技术发展路线具有代表性的主要有两条（IEEE SPECTRUM，2008.4）：美国通用汽车汲取纯电动汽车EV1投放市场失败的教训，同时继承纯电动汽车驱动方面的技术积累和优势，重点推出了以串联混合动力为基础的PHEV，具体采用了大容量的锂离子动力电池组；日本丰田可充电混合动力汽车普锐斯，同样继承了丰田公司极为成功的混联式THS系统，增大了车载动力电池组容量并补充了外接充电插头，使整车的纯电动行驶里程得以增加。2006年11月30日，在洛杉矶汽车展上，通用汽车公司正式宣布进军PHEV研发领域，截至目前已成功推出土星可充电混合动力SUV、可充电混合动力VOLT轿车。分别装有镍氢（NiMH）、锂离子动力电池的6辆戴姆勒-克莱斯勒15个商用PHEVVAN，设计纯电动行驶里程32km，在美国洛杉矶、纽约以及德国汉诺威等地进行了应用性考核试验，被试车辆都表现出具有很好的性能。美国福特公司在其商业化的混合动力车型ESCAPE系列中也推出了PHEV款，具体采用了41A·h、10kW·h锂离子动力电池组，具有48km纯电动行驶里程，并于2007年12月3日把首批20辆PHEV款ESCAPE交付加利福尼亚示范区进行道路试验，目的在于探讨PHEV的商业化模式以及车辆与电网之间的服务模式等。几种投入示范运行的PHEV，如图1-8所示。美国加州萨克拉门多市政管理区委托Energy CS在2005款普锐斯轿车上完成的PHEV改进采用了8.5kW·h的锂离子动力电池和专用动力电池组管理系统，加装了输入电压为110V、功率为1.1kW的充电器，整车纯电动续驶里程60km。对比试验结果表明，整车燃料费用与混合动力款普锐斯轿车相比降低21%（发动机参与工作）和46%（全电动模式）。
图1-8 投入示范运行的几款插电式混合动力电动汽车
鉴于PHEV良好的综合性能，丰田汽车公司开展了插电式混合动力普锐斯轿车的示范运行和考核，并逐步投放市场。
总之，PHEV技术发展呈现出形式多样、发展势头良好、示范应用加快的总趋势，被认为是下一代汽车的典型代表。目前，PHEV面临的技术关键和完善要点表现为动力电池技术在成本、寿命、安全性和低温特性等方面的突破，以及电机驱动系统在工作制、持续工作能力、电压等级、热管理等方面的技术完善。另外，建立适用的充电系统网络也成为PHEV推广应用的关键。
4.燃料电池电动汽车的技术现状
由于燃料电池电动汽车具有环保意义，各大汽车制造商都在寻找检验产品并最终投放市场的途径。几款有代表性的燃料电池电动汽车如图1-9所示。戴姆勒-克莱斯勒汽车公司是世界上最大的燃料电池电动汽车厂商之一，早在1994年就完成了第一辆燃料电池汽车NE- CAR的开发。戴姆勒-克莱斯勒汽车公司在A级F-Cell燃料电池汽车继续进行道路试验的同时，又开发了B级F-Cell汽车。新车采用巴拉德的燃料电池先进技术，通过减少燃料消耗、增加车载储氢量使续驶里程增加到400km（相比原始NECAR增加了260km）。大众汽车公司通过依赖自身条件并吸收其他制造商的经验开发了HyMotion。通用汽车公司在欧宝Zafera的基础上开发了Hydrogen3，其应用的新型滑板底盘最先出现在Hy-Wire（线传操控燃料电池车）上。燃料电池驱动系统由电堆产生电力，电堆由200块相互串联在一起的燃料电池单体组成，通过68L的氢气储存罐向燃料电池堆提供氢气，其0—100km/h的加速时间约为16s，最高车速达160km/h，一次充气续驶里程达400km。现在日本和美国路上测试的FCHV-5是丰田汽车公司于2001年生产的第5代燃料电池汽车。本田汽车公司开发出了先进的燃料电池汽车Honda-FCX，该车装有86kW的PEM电池，是唯一一辆通过美国环境保护局（EPA）和加州大气资源委员会（CARB）鉴定的零排放燃料电池汽车。上海神力科技有限公司成功研发出三代轿车和城市客车用燃料电池发动机，并分别安装在同济大学的“超越一号”“超越二号”“超越三号”燃料电池轿车与清华大学的“氢能一号”“氢能三号”等燃料电池城市客车上。北京理工大学与航天动力研究所等单位联合开发了一辆实用化的高压氢空燃料电池混合动力汽车并通过了试车场性能测试和2000km连续可靠性考核试验。
图1-9 几款有代表性的燃料电池电动汽车
针对燃料电池电动汽车的示范运行和考核正在积极开展，具有代表性的有欧洲CUTE项目和日本JHFC项目。CUTE项目是一个由欧盟支持的9个城市参与的燃料电池汽车示范运行项目，所用的车辆都是由梅赛德斯-奔驰公司提供的燃料电池大巴Citaro，每个城市3辆，共27辆，截至2005年12月，27辆Citaro共行驶里程850000km和62000h，月均行驶里程35800km，月最长行驶里程59000km。日本JHFC项目是日本政府支持的在东京—横滨地区开展的燃料电池汽车示范运行项目，参与的汽车厂商包括丰田、日产、本田、通用等，参与的车辆类型包括轿车和大巴两种，以轿车为主，主要采取了3种线路形式：自由行车路线、计划行车路线和活动行车路线（宣传和试乘活动）。