新能源汽车驱动技术

第1章新能源汽车概述 汽车已成为人们日常生活中普及的交通工具，在全球汽车产业蓬勃发展、汽车保有量稳步增长的同时，面临着环境污染、气候变暖、石油短缺和能源安全等挑战，各国政府和产业界提出各自的发展战略以保证汽车产业的可持续发展，新能源汽车成为汽车的主要发展方向。 国内清洁能源短缺、油气资源相对缺乏，风、光等可再生能源资源丰富，新能源汽车的发展可充分发挥资源多样性优势，一定程度上改善能源短缺及环境问题。我国新能源汽车产业经过近 20年的培育发展，已经取得了瞩目的成绩，产销量和保有量均居世界首位。 新能源汽车凝聚了多种高新技术，集汽车、材料、电子、信息、电池、电机、控制等学科领域工程技术的*新成果于一体，其主要指采用非常规的车用燃料作为动力来源的汽车，包括纯电动汽车( PEV)、混合动力(混动)汽车( HEV)、燃料电池电动汽车( FCEV)等。电驱动系统是新能源汽车相对于传统燃油汽车在动力总成方面的历史性变革，驱动系统的技术水平和产品质量直接体现着企业在核心领域的竞争力。 本章简要介绍新能源汽车的发展历史，讨论新能源汽车的分类，对新能源汽车的关键技术和发展趋势做了概述。 1.1 新能源汽车发展概述 1.1.1 新能源汽车发展历史 新能源汽车的发展历史主要体现在电动汽车的发展上，它的发展史甚至比内燃机汽车的历史还要长。世界上**辆机动车是一辆电动汽车，是美国发明家 Thomas Davenport(托马斯 达文波特)在 1834年发明的，这辆电动汽车用一个玻璃封装蓄电池驱动，行驶距离短且不能充电。它比 1886年问世的世界上**辆内燃机汽车要早半个世纪。 1881年，法国工程师 Gustave Trouve(古斯塔夫 特鲁夫)给车辆装配了铅酸电池，诞生了世界上**辆可载人的充电电动车。随后几年，有轨电车出现了，首次出现制动回馈技术，大幅度提高了电动汽车的能量效率。1899年，比利时 Camille Jenatzy(卡米尔 杰纳齐)驾驶的 La Jamais Contente(永不满足)汽车创造了 110km的速度纪录，成为世界上**辆时速超过 100km的电动汽车。 从 19世纪末到 20世纪前期，在欧美等发达国家，汽车已经逐步替代了马车和自行车，电动汽车也变得流行起来，开始了商业化的发展阶段。到 1912年，仅美国就有超过 34000辆的电动汽车注册，进入了早期电动汽车的全盛时期。随后由于内燃机汽车的出现并不断发展，电动汽车因价格和续航里程等的限制，逐渐退出市场。20世纪 30年代到 60年代，电动汽车的发展几乎处于停滞状态，基本上淡出市场。 20世纪 70年代，中东的石油危机爆发，各国政府开始注重能源的安全和能源的替代，寻找新的能源和新的能源载体。电动汽车又开始引起人们的重视，因为其使用电能作为能源，不但排放接近零污染，而且电动机比内燃机更简单可靠，电动机的转速和转矩也比内燃机更加容易控制。美国陆续颁布了关于电动汽车的研究、开发和应用的法律法规；与此同时，欧洲、亚洲的国家也逐渐投入人力、物力和财力致力于电动汽车的开发和研究。随后，欧美和日本的汽车公司相继推出了各种电动汽车。在学术界，全面研发电动汽车的时机也已到来，与电动汽车相关的各个领域的研发人员一起参与进来，从而为电动汽车的飞速发展奠定了基础。 但进入 80年代后，能源危机的影响逐渐散去，政府更多地提倡汽车制造商加大内燃机的改进，提高内燃机燃油的利用率以减小污染排放。例如，欧洲的燃油排放标准由欧Ⅰ排放标准延伸到目前的欧Ⅴ甚至欧Ⅵ排放标准。我国政府也随后颁布了适合我国的排放标准，国Ⅰ标准一直到目前的国Ⅵ排放标准。在这种环境下，电动汽车再次失去了商用化动力，发展又变得缓慢起来，再次走入低谷。 随着工业的高速发展，气候变化异常、环境恶化、气候变暖等问题越发突出。全球范围内，运输(包括陆地、海洋和空中)产生的二氧化碳排放量占化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量的 24%。道路车辆的排放量占全球总排放量的 17%。在这些排放中，大约 1/3是由以柴油为动力的重型车辆(如卡车和公共汽车)产生的，2/3是由以汽油为动力的轻型车辆(如汽车和货车)产生。 改用新能源汽车将大大减少全球排放量，新能源汽车研发又开始活跃起来，进入了又一个迅速的发展期。20世纪 90年代，出现了可充电锂离子电池，使传统汽车转向电动汽车成为可能，同时由于应对气候变化而加强对传统汽车的监管，进一步推动了传统汽车向新能源汽车的发展转变。 这一阶段以后，汽车向更加节能环保的技术方向发展，开始大量出现纯电动汽车、混合动力汽车、以天然气和生物质等为燃料的燃料发动机汽车、氢燃料电池车等[1]。 2003年，两位电动汽车爱好者 Alan Cocconi(艾伦 科科尼)和 Tom Gage(汤姆 盖奇)制造了一款名为 TZero的电动跑车，由 6800个摄像机电池供电，能够在不到 4s的时间完成百公里加速，续航里程为 400km。后续特斯拉( Tesla)公司的成立进一步将该技术商业化，推动了纯电动汽车的发展。 混合动力汽车的历史也与其他类型的汽车一样悠久，早期由于内燃机汽车的性能不够稳定，续航里程不能满足需要，电动部分作为辅助动力使用，成为早期的混合动力汽车。由于电动机技术和电池技术不够成熟，成本、体积和效率都不理想，因此在 20世纪 30年代以后，混合动力汽车和电动汽车逐渐淡出市场。目前的混合动力汽车与早期相比已经有了质的飞跃，混合动力汽车作为新能源汽车的一种，有了节能的新概念。 燃料电池的思想*早出现在 1839年，由于当时的技术限制，直到 1889年， Carl Langer(卡尔 兰格)和 Ludwig Mond(路德维希 蒙德)才设计出**块具有一定使用价值的燃料电池。之后燃料电池一直处于研发状态，到 1959年燃料电池**次作为一种全新的电力能源系统应用于电动汽车的驱动。自 2014年以来，丰田、现代、本田等汽车公司陆续推出商业化的燃料电池电动汽车，这标志着燃料电池汽车技术和产品基本成熟，示范推广不断加速，全球燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期，发展呈现全面提速的良好态势[2]。 在近 20年的时间里，汽车技术发生了重大变革，一方面，交通运输带来的能源与环境压力逐步增大，呼唤新能源汽车的快速发展；另一方面，随着科学技术高速发展，尤其是电子和电池技术的发展，电动汽车的许多技术难点逐一得到解决，新能源汽车技术逐步成熟，世界各大汽车生产商纷纷推出了各自的电动汽车产品。汽车生产商在积极地涉足电动汽车领域的同时，一些电力公司和电池生产商也在起着积极的推动作用。同时，各国政府充分重视电动汽车相关领域基础设施建设，加大了电动汽车的鼓励和补助，进一步加强了汽车生产商对于以电动汽车为主的新能源汽车的信心。另外，各研究机构和大学也在不断地研究新能源汽车的新技术，提升电池及电机等核心部件的性能。 1.1.2 新能源汽车发展状况 1. 产业层面 2010～2019年，全球新能源汽车销量从不足 1万辆增至 221 万辆，年均增速超过 50%，占汽车整体市场的比例提高至 2.2%。截至 2018年底，全球新能源汽车保有量超过 550万辆，约占全球汽车保有量的 0.5%，至 2021年新能源汽车保有量将超过 1000万辆。我国新能源汽车保有量将超过 800万辆①。 近年来，新能源汽车市场规模持续稳步扩大， 2018年以来连续两年，我国的新能源汽车销量超过 120万辆，连续居世界首位；截至 2019年底，国内充电桩总量突破 120万台。乘用车、客车、专用车产品技术水平明显提升，驱动电机产品技术加快向集成化、高效化方向发展，动力电池产业规模持续扩大，车规级绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT)功率器件实现整车应用，自主研发和创新能力逐步增强。 2020年 3月，国务院召开国务院常务会议确定将新能源汽车购置补贴和免征购置税政策延长 2年；4月初，工业和信息化部(简称工信部)又发布《工业和信息化部关于修改的决定(征求意见稿)》，进一步放宽了新能源车企及产品的准入门槛，为新能源汽车产业加速发展再一次助力； 4月中旬，财政部、国家税务总局和工信部发布《关于新能源汽车免征车辆购置税有关政策的公告》，到 2022年底，对消费者购置的新能源汽车免征车辆购置税，车型主要含包括纯电动汽车、插电式混合动力(含增程式)汽车、燃料电池汽车。新能源汽车延长发放补贴、放宽准入门槛，叠加此次免征购置税政策，从生产端到销售端都给予了产业极大的支持，进一步推进了新能源汽车产业的发展。 目前，新能源乘用车行业开始进入高质量发展阶段，整体竞争力显著提升。据统计，2015年国内新能源汽车的单位用户占比 71.6%，而到了 2018年，单位用户仅占比 26.0%，新能源乘用车的私人用户超过单位用户已成为主体 ①。新能源汽车产品技术水平迈上新台阶，小微车型逐步进入市场化阶段，新能源汽车在各个区域逐渐增多。比亚迪、吉利、上汽等企业的大量换代新产品陆续上市，新产品品质大幅提升，整车能耗、续航里程指标进步显著。同时，我国新能源汽车正在从以中资品牌为主向中外竞争转变，一系列的跨国公司(如日产、宝马、丰田、大众等)都在中国新能源汽车市场取得了较好的销售成绩，进一步促进了行业整体水平的提升。 新能源客车成为全面电动化的重要领域，公路客车、旅游客车、通勤客车等细分领域的电动化进程逐步加快，宇通、金龙等客车企业实现了自动驾驶客车示范运营，实现定点、定线自动行驶和避让等功能，成为智能化技术应用的重要载体。 新能源专用车快速发展。随着国家对环保要求的加强，柴油货车排放标准不断升级，新能源物流车通行更便利，各家大型物流企业纷纷开始使用新能源物流车，如京东、顺丰、圆通、菜鸟等均已推出物流车的电动化计划。目前市场以纯电动车型为主，轻型物流车占市场销量的九成。新能源专用车平均电池能量密度、纯电动续航里程逐年提高，燃料电池专用车正开展小规模应用示范。 2. 技术层面 常规混合动力汽车技术逐步成熟，实现了产业化，成为汽车市场新的销售增长点。插电式混合动力电动汽车成为全球混合动力汽车的研发方向，纯电动汽车电池技术进一步提升，整车逐步满足消费者需求，全球主要汽车制造商加快了纯电动汽车量产推进速度。车用燃料电池技术也取得重大进展，燃料电池汽车在动力性、安全性、续航里程、低温启动等性能指标方面已接近汽油车水平，燃料电池电动汽车整车成本逐步下降。 新能源汽车在产业化发展过程中，形成了几个阶段： 2010～2015年，主要依靠内燃机汽车技术改进和推进车辆小型化实现降低油耗与排放的同时，为满足更为严格的节能减排法规目标要求，通过推进混合动力技术的应用，发展小型纯电动汽车和插电式混合动力电动汽车；2015～2020年，在混合动力技术得到广泛应用的基础上，提高汽车动力系统电气化程度，加强小型纯电动汽车和插电式混合动力电动汽车推广；2020年以后，纯电动驱动技术逐步占据主导地位，通过发展纯电动汽车和燃料电池电动汽车，实现大幅度降低石油消耗和二氧化碳排放。车型应用方面，纯电动、混合动力和燃料电池等不同类型的电动汽车技术各自具有*优的交通出行适用范围，对于城市短途出行需求，小型纯电动汽车具有优势；对于长途出行需求，适合采用混合动力电动汽车、插电式混合动力电动汽车或者燃料电池电动汽车。 随着新能源汽车产业规模扩大，交通出行、能源环境、信息通信、人工智能、城市建设等诸多领域都已成为汽车产业不可或缺的重要组成部分，汽车技术的范畴正在不断扩大。在学习通用技术的同时，也要求相关的工程师能在一些核心特色技术上做专做精，充分掌握新能源汽车驱动技术等核心技术。 1.2 新