各種類型的電動(dòng)汽車

1引言上世紀(jì)70年代全球三次石油危機(jī)爆發(fā)后，各跨國汽車公司先后開始研發(fā)各種類型的電動(dòng)汽車。我國經(jīng)過“八五”、“九五”、“十五”三個(gè)五年計(jì)劃，在研發(fā)電動(dòng)汽車的專項(xiàng)上投入了大量的人力、物力和財(cái)力，并取得了一系列科研成果，但是,迄今為止，這些科研成果真正能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的項(xiàng)目并不多。國外大汽車公司投入遠(yuǎn)比我國更多的資金和人力，已投入批量生產(chǎn)的電動(dòng)汽車產(chǎn)品也寥寥無幾。隨著全球能源危機(jī)的不斷加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國政府及汽車企業(yè)普遍認(rèn)識(shí)到節(jié)能和減排是未來汽車技術(shù)發(fā)展的主攻方向，發(fā)展電動(dòng)汽車將是解決這二個(gè)技術(shù)難點(diǎn)的最佳途徑?，F(xiàn)代電動(dòng)汽車一般可分為三類：純電動(dòng)汽車（PEV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）、燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）。但是近幾年在傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車的基礎(chǔ)上，又派生出一種外接充電式（Plug-In）混合動(dòng)力汽車，簡稱PHEV。本文將電動(dòng)汽車技術(shù)研發(fā)的若干問題和趨勢，作簡要的介紹和評(píng)述。2純電動(dòng)汽車（PEV）純電動(dòng)汽車是指完全由動(dòng)力蓄電池提供電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，雖然它已有134年的悠久歷史，但一直僅限于某些特定范圍內(nèi)應(yīng)用，市場較小。主要原因是由于各種類別的蓄電池，普遍存在價(jià)格高、壽命短、外形尺寸和重量大、充電時(shí)間長等嚴(yán)重缺點(diǎn)。目前采用的鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池，它們已達(dá)到的實(shí)際性能指標(biāo)和市場平均價(jià)格，如表1所示。根據(jù)實(shí)際裝車時(shí)的循環(huán)壽命和市場價(jià)格，可估算出電動(dòng)汽車從各種動(dòng)力電池上每取出1kWh電能所必須付出的費(fèi)用。計(jì)算時(shí)，假設(shè)電池最高可充電荷電狀態(tài)（SOC）為0.9，放電SOC為0.2，即實(shí)際可用的電池容量僅占總?cè)萘康?0%;由電網(wǎng)供電價(jià)為0.5元/kWh，電池的平均充放電效率為0.75。從表1的粗略計(jì)算中可知，雖然從電網(wǎng)取電僅需0.5元/kWh，但充入電池，再從電池取出，鉛酸電池每提供1kWh電能，價(jià)格為3.05元左右，其中2.38元為電池折舊費(fèi)，0.67元為電網(wǎng)供電費(fèi)，而從鎳氫電池中每提供1kWh電能，費(fèi)用為9.6元，鋰離子電池為10.2元，即后二種先進(jìn)電池供電成本是鉛酸電池的三倍多。目前國內(nèi)市場上用柴油機(jī)發(fā)電，價(jià)格大致為3元/kWh，若用汽油機(jī)發(fā)電，供電價(jià)格估計(jì)為4元/kWh，即從鉛酸電機(jī)提供電能的價(jià)格大致和柴油機(jī)發(fā)電價(jià)格相等，僅僅從取得能量的成本來考慮，采用鉛酸電池比汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)有一定價(jià)格優(yōu)勢，但是由于它太過笨重，充電時(shí)間又長，因此只被廣泛用于車速小于50km/h的各種場地車、高爾夫球車、垃圾車、叉車以及電動(dòng)自行車上。實(shí)踐證實(shí)鉛酸電池在這一低端產(chǎn)品市場上有較強(qiáng)的競爭力和實(shí)用性。鎳氫電池的主要優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)壽命較長，但是由于鎳金屬占其成本的60％，導(dǎo)致鎳氫電池價(jià)格居高不下。鋰離子電池技術(shù)發(fā)展很快，近10年來，其比能量由100Wh/kg增加到180Wh/kg，比功率可達(dá)2000W/kg，循環(huán)壽命達(dá)1000次以上，工作溫度范圍達(dá)-40～55℃。美國USABC在2002年制定的鋰離子電池技術(shù)發(fā)展目標(biāo)如表2所示。近年由于磷酸鐵鋰離子電池的研發(fā)有重大突破，又大大提高了電池的安全性。目前已有許多發(fā)達(dá)國家將鋰離子電池作為電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的主攻方向。我國擁有鋰資源優(yōu)勢，鋰電池產(chǎn)量到2004年已占全球市場的37.1％，預(yù)計(jì)到2015年以后，鋰離子電池的性/價(jià)比有望達(dá)到可以和鉛酸電池競爭的水平，而成為未來電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿﹄姵?。圖1示出了國內(nèi)外各種純電動(dòng)車輛數(shù)量/性能和價(jià)格/性能曲線，以電動(dòng)自行車為代表的低性能車輛，由于其成本低廉，僅我國在2006年已達(dá)到年產(chǎn)2000萬輛，美國通用汽車公司生產(chǎn)的沖擊1號(hào)電動(dòng)跑車，雖然已達(dá)到了很高的動(dòng)力性，但是由于售價(jià)高昂，僅生產(chǎn)了區(qū)區(qū)50輛，由于沒有市場而不得不停產(chǎn)。性能較低的場地車，在我國年產(chǎn)達(dá)7000～8000輛左右；天津清源電動(dòng)車公司生產(chǎn)的微型電動(dòng)車，最高車速僅50km/h，年產(chǎn)也可以達(dá)千輛以上，這可能是目前市場所能接受的純電動(dòng)車輛性能的上限。上述所有電動(dòng)車輛均采用鉛酸電池為動(dòng)力。隨著高性能鋰離子電池的性/價(jià)比不斷提升，未來5～10年內(nèi)，市場上可能會(huì)出現(xiàn)最高車速≥100km/h，續(xù)駛里程≥250km的高性能純電動(dòng)汽車。3混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）由于完全由動(dòng)力蓄電池驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車，其性能/價(jià)格比長期以來都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，難于與傳統(tǒng)汽車相競爭，上個(gè)世紀(jì)90年代以來各大汽車公司都著手開發(fā)混合動(dòng)力汽車。日本豐田公司在1997年率先向市場推出“先驅(qū)者”（Prius）混合動(dòng)力汽車，并在日本、美國和歐洲各國市場上均獲得較大成功，累計(jì)產(chǎn)銷量已超過60萬輛。隨后日本本田、美國福特、通用和歐洲一些大公司，也紛紛向市場推出各種類型的混合動(dòng)力汽車。3.1研制全混合電動(dòng)汽車的必要性混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是指具備兩個(gè)以上動(dòng)力源、而其中有一個(gè)可以釋放電能的汽車?；旌蟿?dòng)力汽車按混合方式不同，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種；按混合度（電機(jī)功率與內(nèi)燃機(jī)功率之比）的不同，又可分為微混合、輕度混合和全混合三種。其中外掛式皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)/發(fā)電（BSG）式是微混合動(dòng)力汽車的典型結(jié)構(gòu)，其電機(jī)功率一般僅2～3kW，依賴發(fā)動(dòng)機(jī)的停車斷油功能，可節(jié)燃油5～7％;在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸后端加裝一個(gè)電動(dòng)/發(fā)電型盤式電機(jī)（ISG）是輕度混合動(dòng)力汽車的典型結(jié)構(gòu)；具有純電力驅(qū)動(dòng)功能的可作為全混合或混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的典型。豐田公司的Prius轎車即屬于這類全混合汽車。目前我國若干汽車企業(yè)研制的混合動(dòng)力汽車，大多采用ISG輕度混合或BSG微混合方案，主要是考慮這二種方案的技術(shù)難度較小，生產(chǎn)成本也較低。但是根據(jù)研究表明，混合動(dòng)力汽車的節(jié)油率幾乎與汽車功率的混合度和汽車的生產(chǎn)成正比上升（如圖2）。因此，從長遠(yuǎn)來看，研制全混合電動(dòng)汽車是一種必然趨勢。3.2研發(fā)及市場情況下面分別介紹混合動(dòng)力乘用車和混合動(dòng)力公交車的研發(fā)及市場情況。以節(jié)油率最佳的豐田Prius汽車為例，在我國實(shí)測它與豐田花冠（Corrolla）油耗在不同工況下的對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。各種工況下的平均節(jié)油率為39.6％，平均百公里可節(jié)油3.07L。以97號(hào)汽油價(jià)格為5元/L計(jì)算，每百公里可節(jié)省油費(fèi)15.35元，行駛20萬km也僅省油費(fèi)3.07萬元，顯然還不足以抵消購置混合動(dòng)力汽車所增加的費(fèi)用。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2006年一汽豐田普銳斯（Prius）銷量僅為2152輛，占全國乘用車總銷量的0.04％?？紤]到我國用戶對(duì)汽車售價(jià)的敏感性，這一銷售業(yè)績并不令人驚奇，可以認(rèn)為在近期，如果沒有政府的大力支持，混合動(dòng)力乘用車在我國不會(huì)有很大的市場。

3.3城市公交車的使用特點(diǎn)在我國，城市公交車與私人乘用車的情況有很大的不同，具體歸納為以下三點(diǎn):（1）據(jù)統(tǒng)計(jì)我國城鎮(zhèn)居民日常出門有70％是首選乘坐公交車，我國大部分城市政府都奉行公交車優(yōu)先的交通政策，我國公交車的年產(chǎn)量和保有量都居世界第一；（2）我國城市公交車大多由市政府補(bǔ)助公交企業(yè)采購，公交車是否符合節(jié)油減排要求，將是政府需要考慮的一個(gè)重要采購原則；近幾年，美、英、法、德等國紛紛將電動(dòng)輪技術(shù)應(yīng)用于軍用越野車和輕型坦克上，并取得了重大成果。例如美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)在“悍馬”基礎(chǔ)上研制出串聯(lián)式“影子”新型混合動(dòng)力越野車，采用了電動(dòng)輪技術(shù)，其結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)如表7所示。與傳統(tǒng)“悍馬”車對(duì)比試驗(yàn)，在同樣偵察試驗(yàn)條件下，“悍馬”耗油472kg，而“影子”僅耗油200kg；同一越野路段，“悍馬”耗時(shí)32分鐘跑完，而“影子”僅耗時(shí)13分50秒，此外它還具有在純電動(dòng)模式下，汽車靜音、無“熱痕跡”等優(yōu)點(diǎn)。如此優(yōu)異的性能，據(jù)聞美軍已決定停產(chǎn)傳統(tǒng)“悍馬”車，全部改產(chǎn)新型混合動(dòng)力電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的“影子”型軍車。這一重要發(fā)展趨勢，應(yīng)引起高度關(guān)注。7結(jié)束語綜上所述，可以從技術(shù)/經(jīng)濟(jì)分析出發(fā)，對(duì)電動(dòng)汽車技術(shù)的現(xiàn)狀和未來作如下結(jié)論：（1）在目前國內(nèi)市場價(jià)格的基礎(chǔ)上，可粗略計(jì)算出各種提供電能技術(shù)的價(jià)格比。即電網(wǎng)供電∶柴油機(jī)供電∶鉛酸電池供電∶鎳氫電池供電∶鋰離子電池供電∶燃料電池供電=1∶6∶6∶19.2∶20.4∶80。這從一個(gè)側(cè)面反映了各種供電方式距離電動(dòng)汽車市場的遠(yuǎn)近。當(dāng)然，隨著石油價(jià)格的上升、電池技術(shù)的進(jìn)步，這些比例關(guān)系將發(fā)生很大的變化；（2）由于鉛酸電池的供電成本大體和柴油機(jī)供電相等，因此它仍然是低端電動(dòng)車市場的主要?jiǎng)恿﹄姵?。磷酸鋰離子電池技術(shù)進(jìn)步較快，它最有可能成為鉛酸電池的競爭對(duì)手，率先成為高端電動(dòng)車市場的主要?jiǎng)恿﹄姵兀唬?）由于混合動(dòng)力汽車僅需裝用純電動(dòng)汽車1/10的動(dòng)力電池容量，整車有較為接近市場的性/價(jià)比，因此它仍將是近期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要電動(dòng)汽車種類?？紤]到我國國情，目前仍應(yīng)大力推廣使用混合動(dòng)力大客車，進(jìn)一步降低制造成本，減少油耗和排放；（4）在鋰離子電池性/價(jià)比進(jìn)一步提升后，外接充電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）有望成為理想的上班族乘用車，它可大幅度減少油耗和降低排放，但是由于較高的價(jià)格，它可能首先在發(fā)達(dá)國家得到推廣應(yīng)用；（5）燃料電