电动汽车关键技术现状与发展

喻超，王保华

（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北十堰442002）

电动汽车除了具有节能、高效、低污染、低噪音等特点外，在车辆性能上与传统燃油汽车相比也有巨大优势。电动汽车的结构简单、机械传动部件少、转矩响应快、加速性能好[1]，由于采用电机驱动，更容易实现信息技术和线控技术的集成，使其智能化。其前景被广泛看好，但面临诸多技术难关，有待进一步攻克。

1 驱动电机及其控制技术

驱动电机是电动汽车核心系统之一，其应具有高转速、宽广的调速范围、瞬时功率大、过载能力强、足够大的启动扭矩、转矩控制的动态性强、安全高效、低成本等特点。应用于电动汽车上的驱动电机主要有直流电机（DCM）、感应电机（IM）、永磁同步电机（PMSM）和开关磁阻电机（SRM）。直流电机在早期的电动汽车开发中应用较多，但是高速旋转时电刷和换向器之间会产生磨损和电火花，使其故障较多，寿命较短，限制了直流电机的应用。感应电机结构简单，在大功率场合性能优于直流电机[2]，较为成熟的是三相鼠笼式异步电机，此类电机在美国和欧洲的纯电动车上应用较多。永磁同步电机体积小、惯性低、响应快，有较高的能量密度和效率，在电动汽车上有很好的应用前景。而开关磁阻电机体积大、控制要求高、高噪声的特点使其在电动汽车领域的应用不是很广泛。电机驱动形式主要有集中驱动和电动轮驱动。集中驱动形式基本是用电动机及相关部件取代传统燃油汽车的发动机，其优点是相关技术已经非常成熟，但机械传动效率不高。而电动轮驱动以轮毂电机为代表，舍弃了复杂的传动装置，传动效率大大提高，但是这种布置形式使电机散热困难，控制复杂程度大大增加，相关技术有待进一步深入研究。

电机控制技术优劣不仅关系整车动力性能的发挥，还影响车辆行驶的安全性、可靠性、经济性等。应用于电动汽车驱动电机的控制方式主要有矢量控制、直接转矩控制及变频调速控制。随着控制理论及控制技术的不断发展，又提出了自适应控制、滑模变结构控制、PID控制、模糊神经网络控制等智能控制方法[3-5]以优化电机驱动性能，使系统综合性能得到了极大改善。直流电机通过控制转子绕组电流来改变转子磁场，但是PMSM 转子无绕组，不能直接借鉴直流电机的控制方法。贾朴[6]研究了一种基于转矩转速图的矢量控制方法，台架试验表明提高了电机控制的高效性、快速性及稳定性。针对感应电机轻载时运行效率明显下降的现象，张兴华、孙振兴等人[7]通过建立感应电机定子磁场定向坐标系下计及铁心损耗的数学模型，提出了直接转矩控制（DTC）变频调速系统的效率最优控制方法。此方法通过仿真验证，可有效提高电机运行效率。针对感应电机DTC 存在低速转矩脉动和转速自适应能力差等问题，佘致廷、谭琼琼等人[8]提出了DTC 变结构双模糊控制，增强了电机对扰动的自适应能力，降低了转矩脉动，改善了电机控制性能。各种控制技术的应用使电机系统更为简单有效，参数变化具有鲁棒性，综合性能大大提高。

表1 电机基本性能比较

2 电池技术

动力电池的性能决定电动汽车的性能指标，其能量密度决定电动汽车一次充电的续驶里程，功率密度决定电动汽车的加速性能和最高车速[9-10]。随着电池技术的不断发展，目前应用在电动汽车上的电池种类繁多，但电池的某一项性能指标有缺陷都可能形成“短板效应”，影响其整体性能。电动汽车动力电池主要经过了三代的发展。第一代是铅酸电池，其应用广泛，技术比较成熟，但是比能量和比功率低是其致命弱点。第二代是碱性电池，当前在电动车上应用较多的主要有镍镉电池、镍氢电池、锂电池等。镍镉电池具有记忆效应，并且重金属镉对人及环境危害很大，在电动汽车上基本不再使用。镍氢电池虽然具有较高的比能量和比功率，但是其在低温时容量减小和高温时充电耐受性受到限制使其应用受限[11]。与其他蓄电池相比，锂离子电池具有比能量大、比功率高、无记忆效应、循环效率高、循环寿命长、工作温度范围广等优点，是相对最能满足电动汽车需求的电池类型之一。但是目前性能最好的锂离子电池的能量密度也仅为燃油密度的2%左右，其最大挑战是继续扩大单位电池容量的同时保证安全性并降低成本。第三代是燃料电池。如质子交换膜氢燃料电池，不经历热机过程，不受热力循环限制，能量转换效率高，是理想的车用动力电池[12]，但是氢的化学性质活跃，不易储存，安全性有待提高，一些关键技术仍处于研发阶段。目前有一些新概念“电池”如超级电容、飞轮电池、金属空气电池等，与动力电池组成的复合电源系统对车辆性能有很大提升，但是关于这些装置的研究还处于起步阶段。

各种电池在性能上存在不同程度缺陷是导致电动汽车未能大规模进入市场的原因之一，另一关键为电池的成组技术。电池组由大量单体电池串联而成，由于使用环境和生产工艺的影响，电压、电阻、容量、放电率等会发生不同程度的变化，成组后使用性能和循环寿命往往大打折扣。王震坡、孙逢春等人[13]通过分析大量的实验数据，建立了不一致性对电池组使用寿命影响的数学模型。通过理论分析得出提高电池组一致性可以极大延长电池寿命的结论，并提出了提高电池组一致性的措施。

3 能量管理技术

电动汽车性能的优劣，不仅取决于动力电池的各项性能指标，还与其配套的能量管理系统密切相关。在满足车辆动力性的前提下，尽可能提高能源利用效率，延长续驶里程，因此优化整车能量配比是关键之一。由于电动汽车在行驶过程中存在非线性、动态性强的情况，石庆升[14]提出了基于粒子群算法的双能量源电动汽车能量管理模糊控制策略进行功率分配，仿真实验结果表明有效提高了车辆的经济性。为合理分配复合能量源的功率配比，充分发挥复合能源的效率，董昊龙[15]在UDDS 循环工况下，比较了模型预测控制策略和逻辑门限控制策略的控制效果，结果表明通过提高预测时域步长和控制器的计算能力，前者优势更加明显。

动力电池的荷电状态（SOC，state of charge）与其放电能力密切相关。当SOC 过低，动力电池能产生的功率太小，驱动电机不能达到控制要求。当SOC过高时，再生制动时过充会对动力电池造成损伤，影响其性能和使用寿命。所以优化能量管理技术的前提是精确预测动力电池的SOC。考虑到电池SOC 估算受到电池单体不一致性及老化等因素的影响，周翔[16]通过对所选磷酸铁锂电池的性能进行测试和分析建立了高精度的电池模型，应用EKF算法，在Matlab/Simulink 环境下搭建估算模型，对电池的SOC 进行了估算。但是其没有考虑温度的影响，造成了SOC 估算结果不精确。黄世回，蔡启仲等人[17]基于最小二乘辨识方法得到了蓄电池SOC的端电压-电阻计算模型，运用卡尔曼滤波器算法对SOC 做最优估计，并进行了实验验证和仿真实验表明具有很好的精度。郭航[18]通过比较几种常用SOC 估算方法，提出了基于开路电压法与安时法相结合的方法。

能量管理系统还要实时监测动力电池的运行状态，对电池组进行热平衡管理和均衡管理。故障发生时按照预设程序进行分级，及时有效按照不同的控制策略对这些故障进行正确处理。良好的控制策略可以极大的保证行车安全，如特斯拉电动汽车的电池管理技术。其采用分层管理的办法，在每个电池单元、电池砖、电池片的两端均设有保险丝，以避免故障的扩大。在电池片、电池包及整车层次上均设有相应的电池状态监测装置，以确保动力电池的安全[19]。在理论研究上，葛元月，张云龙等人[20]设计的电池管理系统具有对单体电池的电流、电压、温度等数据进行检测采集，对电池组充放电进行监控和保护，实现电池组均衡的等功能。通过系统调试进行功能验证证明了其设计的电池管理系统的有效性。

高压安全技术同样是能量管理技术研究的热点。电动汽车上高达300V以上的电压，对其使用和人员安全造成很大的安全隐患。针对高压电的防护，需要精确监测所有高压系统的运行状态，设计合理的高压控制电路对其有效控制，并实时与整车控制器进行通信。朱建新、郑荣良等人[21]研究开发了一种基于CAN总线和线控技术的高压电安全管理模块EVSM，实现了实时监测和诊断各种电气参数及其绝缘状态的功能，可以有效诊断和控制静态和动态高压电。根据整车结构和电路布局，设计合理的高压控制系统对电动汽车的正常行驶和人员安全同样具有重要意义。

4 整车控制技术

电动汽车整车控制器（Vehicle Control Unit，VCU）对汽车正常行驶的安全性，再生制动，网络管理，故障诊断与处理，车辆的状态监视等功能起着关键的作用[22]。整车控制流程图见图1。CAN网络与各子系统控制器进行通信采集数据，通过整车控制器的控制策略分析运算，协调各个子系统安全高效的完成工作，起到一个数据交换中心和调度协调的作用[23]。

图1 整车控制流程图

目前国内关于电动汽车整车控制器的研究大部分集中在控制策略的实现和验证，再生制动建模与仿真。王佳、杨建中等人[24]将纯电动汽车的工作模式分为了常规模式、经济模式和动力模式，利用模糊控制方法设计了整车控制策略。仿真结果表明该策略对电动汽车的性能有所提升。根据电机低速恒转矩，高速恒功率的输出特性，华梦新[25]在整车控制的规划下，把电机转矩输出分为四种过渡状态设计了控制策略，仿真结果表明其设计的整车控制器驱动控制策略响应速度快，跟随性好，可靠性高。姜海斌[26]基于电动汽车的行车模式和制动模式，制定了整个控制模式流程。根据驾驶员意图，VCU判断汽车的行驶工况，结合车速、SOC和其他信号，发出控制指令，对能量进行管理和分配力矩。但是只进行了控制策略的制定，没有实际的仿真验证，系统的可靠性未知，需要进一步研究。张恒[27]设计了一套基于dSPACE的纯电动汽车整车控制器硬件在环仿真系统。文献[22-23]基于纯电动汽车对稳定性、动力性及适应复杂工况的要求，对整车控制器的软硬件进行了设计。

电动汽车的再生制动是在减速滑行或制动过程中实现的能量回收，其本质是电机转子的转动频率超过电机的电源频率，电机工作于发电状态，从而将机械能转化为电能并通过逆变器的反向续流二极管给电池充电[28]。电动汽车再生制动时，VCU通过控制算法合理调整能量回收比例。在制动强度不高时，以再生制动为主。但是在制动强度比较大或者电池SOC 超过某一限值时，基于行车安全和电池寿命的考量，就需要合理分配再生制动和机械制动的比例。刘宠誉[29]基于典型再生制动控制理论，提出了制动能量多过程适度回馈策略并进行仿真验证。实验结果表明对于ECE 工况，能量回收率的平均值可以达到20%左右，延长了汽车的续驶里程。周翎霄等人[30]基于液压制动能量回收的诸多优点，提出了定压源飞轮液压再生制动系统的方案。其将汽车制动时的机械能转换成液压能，与电机的再生制动相比，其控制环节比较简单，动力电池不用反复充放电，有效延长了动力电池的寿命，并且研究表明续驶里程能够提高25%左右。

5 存在问题与对策

目前，国内外对电动汽车的研发投入了大量的人力物力，也取得了丰硕的成果。但是电动汽车迟迟未能大规模进入市场，排除社会性因素，在技术上仍然存在很多问题：

1）电池技术的突破最为关键。由于采取电机驱动，对电池的容量、能量密度、功率密度均有较高要求，现有技术还有待进一步突破。另外动力电池的循环寿命短，充电时间长，能源补给极为不便，一次充电的续驶里程远不如传统燃油汽车。特别是现有石化资源的日益枯竭，迫使电动汽车的研发提升到了战略性地位，需要国家的大力支持，集中力量，重点突破。

2）相对于传统燃油汽车，电动汽车需要采集和处理大量的信息。这些信息都是通过CAN网络进行传输，实时性极强，在实际使用时，由于时滞现象出现丢包等故障，可能导致系统不稳定。同时仿真软件的运行速度往往要比实际快很多，导致在电脑上运行良好的控制策略在实际运用时不是很理想。特别是现代汽车的电气化程度越来越高，这就需要研发速度更快、更稳定的通信网络以及更好的控制策略来保证汽车的安全行驶。

3）近年来电动汽车事故屡见不鲜，高压安全技术得到了人们的重视。虽然高压部件内部都设计有高压控制电路，但是大多数电动汽车缺乏对整车高压系统的协同管理。需要在整车设计阶段，对电动汽车的高压安全进行总体布置和设计，实时监测整车高压系统的短路、断路、绝缘、接地等故障，保障人员和行车安全。并且电动汽车上大量的电子设备非常容易受到高电压大功率电子部件通过传导、耦合及辐射产生的电磁干扰，另外还要抵抗来自于外部的各种干扰信号，对电动汽车电磁兼容性设计提出了更高的要求。要解决这个问题，主要从两方面入手。一是尽量减弱干扰的强度，二是提高抗干扰的能力。从整车的角度考虑电磁兼容性问题，对电气设备合理设计及布局。

4）电机的驱动特性决定了电动汽车的主要性能指标，其控制技术至关重要，有待进一步完善。如直流无刷永磁电机具有良好的转矩-转速控制特性，在电动汽车领域的应用日益扩大。但是其存在转矩脉动大的固有缺点，限制了它在低速直接驱动场合的应用。抑制低速转矩脉动，可从两方面入手：一是从电机的结构设计出发，优化转子永磁体，改善磁场分布。二是优化电机的控制策略，通过补偿提高转矩控制性能。

5）电动汽车绝不是单纯的由电力驱动系统替代内燃机，其对整车的结构设计有全新的要求。相比于电池技术的壁障，通过车身结构的改进来提高续驶里程更容易实现突破。例如通过有限元软件分析车身结构，对整车进行合理的轻量化，电池的质量就能在不影响整车质量的前提下增大，可以显著提高电动汽车的续驶里程。

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