摘要：本文對電動汽車技術(shù)發(fā)展趨勢和前景作了概略介紹，并從技術(shù)—經(jīng)濟的角度出發(fā)，對純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車以及動力電池、電機等關(guān)鍵零部件技術(shù)，作了綜合評述，展望了電動汽車技術(shù)的未來發(fā)展前景。
1引言
上世紀(jì)70年代全球三次石油危機爆發(fā)后，各跨國汽車公司先后開始研發(fā)各種類型的電動汽車。我國經(jīng)過“八五”、“九五”、“十五”三個五年計劃，在研發(fā)電動汽車的專項上投入了大量的人力、物力和財力，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，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的項目并不多。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)的電動汽車產(chǎn)品也寥寥無幾。隨著全球能源危機的不斷加深，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)展電動汽車將是解決這二個技術(shù)難點的最佳途徑。
現(xiàn)代電動汽車一般可分為三類：純電動汽車（PEV）、混合動力汽車（HEV）、燃料電池電動汽車（FCEV）。但是近幾年在傳統(tǒng)混合動力汽車的基礎(chǔ)上，又派生出一種外接充電式（Plug-In）混合動力汽車，簡稱PHEV。本文將電動汽車技術(shù)研發(fā)的若干問題和趨勢，作簡要的介紹和評述。
2純電動汽車（PEV）
純電動汽車是指完全由動力蓄電池提供電力驅(qū)動的電動汽車，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，普遍存在價格高、壽命短、外形尺寸和重量大、充電時間長等嚴(yán)重缺點。目前采用的鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池，它們已達到的實際性能指標(biāo)和市場平均價格，如表1所示。根據(jù)實際裝車時的循環(huán)壽命和市場價格，可估算出電動汽車從各種動力電池上每取出1kWh電能所必須付出的費用。計算時，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，即實際可用的電池容量僅占總?cè)萘康?0%;由電網(wǎng)供電價為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，價格為3.05元左右，其中2.38元為電池折舊費，0.67元為電網(wǎng)供電費，而從鎳氫電池中每提供1kWh電能，費用為9.6元，鋰離子電池為10.2元，即后二種先進電池供電成本是鉛酸電池的三倍多。
目前國內(nèi)市場上用柴油機發(fā)電，價格大致為3元/kWh，若用汽油機發(fā)電，供電價格估計為4元/kWh，即從鉛酸電機提供電能的價格大致和柴油機發(fā)電價格相等，僅僅從取得能量的成本來考慮，采用鉛酸電池比汽油機驅(qū)動有一定價格優(yōu)勢，但是由于它太過笨重，充電時間又長，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、叉車以及電動自行車上。實踐證實鉛酸電池在這一低端產(chǎn)品市場上有較強的競爭力和實用性。
鎳氫電池的主要優(yōu)點是相對壽命較長，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2000W/kg，循環(huán)壽命達1000次以上，工作溫度范圍達-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)達國家將鋰離子電池作為電動汽車用動力電池的主攻方向。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)計到2015年以后，鋰離子電池的性/價比有望達到可以和鉛酸電池競爭的水平，而成為未來電動汽車的主要動力電池。
圖1示出了國內(nèi)外各種純電動車輛數(shù)量/性能和價格/性能曲線，以電動自行車為代表的低性能車輛，由于其成本低廉，僅我國在2006年已達到年產(chǎn)2000萬輛，美國通用汽車公司生產(chǎn)的沖擊1號電動跑車，雖然已達到了很高的動力性，但是由于售價高昂，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7000～8000輛左右；天津清源電動車公司生產(chǎn)的微型電動車，最高車速僅50km/h，年產(chǎn)也可以達千輛以上，這可能是目前市場所能接受的純電動車輛性能的上限。上述所有電動車輛均采用鉛酸電池為動力。隨著高性能鋰離子電池的性/價比不斷提升，未來5～10年內(nèi)，市場上可能會出現(xiàn)最高車速≥100km/h，續(xù)駛里程≥250km的高性能純電動汽車。
3混合動力電動汽車（HEV）
由于完全由動力蓄電池驅(qū)動的純電動汽車，其性能/價格比長期以來都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車，難于與傳統(tǒng)汽車相競爭，上個世紀(jì)90年代以來各大汽車公司都著手開發(fā)混合動力汽車。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力汽車。
3.1研制全混合電動汽車的必要性
混合動力電動汽車是指具備兩個以上動力源、而其中有一個可以釋放電能的汽車�；旌蟿恿ζ嚢椿旌戏绞讲煌煞譃榇�(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種；按混合度（電機功率與內(nèi)燃機功率之比）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)動起動/發(fā)電（BSG）式是微混合動力汽車的典型結(jié)構(gòu)，其電機功率一般僅2～3kW，依賴發(fā)動機的停車斷油功能，可節(jié)燃油5～7％;在發(fā)動機曲軸后端加裝一個電動/發(fā)電型盤式電機（ISG）是輕度混合動力汽車的典型結(jié)構(gòu)；具有純電力驅(qū)動功能的可作為全混合或混聯(lián)式混合動力汽車的典型。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力乘用車和混合動力公交車的研發(fā)及市場情況。
以節(jié)油率最佳的豐田Prius汽車為例，在我國實測它與豐田花冠（Corrolla）油耗在不同工況下的對比數(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號汽油價格為5元/L計算，每百公里可節(jié)省油費15.35元，行駛20萬km也僅省油費3.07萬元，顯然還不足以抵消購置混合動力汽車所增加的費用。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，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]到我國用戶對汽車售價的敏感性，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，混合動力乘用車在我國不會有很大的市場。
3.3城市公交車的使用特點
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:
�。�1）據(jù)統(tǒng)計我國城鎮(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重要采購原則；
�。�3）從技術(shù)角度來分析，在城市工況下，公交車頻繁起步、加速、制動和停車，要額外消耗許多燃油。表4列出了在國外四種典型城市工況下，汽車制動消耗能量（油耗）所占比例，其算數(shù)平均值達47.1％。即有近一半的燃油是被汽車頻繁制動所消耗的，這就為混合動力公交車的節(jié)油減排留下了相當(dāng)大的空間。
正是考慮到以上幾個特點，我國至少有7～8家汽車企業(yè)將研發(fā)、生產(chǎn)混合動力公交車作為研發(fā)工作的重點。經(jīng)過近幾年的開發(fā)，雖然已取得了一系列重大成果，但公交車的節(jié)油率并未達到預(yù)計的要求，一輛總重15.5t，長11m的混合動力公交車，實際油耗大多為33～35L，平均34L/100km，若傳統(tǒng)11m公交車的平均油耗為40L/100km，則節(jié)油率僅15％。
3.4節(jié)油率難以進一步提高的原因
分析節(jié)油率難以進一步提高的原因主要有二個：
�。�1）汽車的制動過程十分短暫，一半不超過10s，在短短的幾秒內(nèi)，電機要求發(fā)出很大的電流，才能有效回收制動能量，但是電池的充電倍率只有放電倍率的一半，因此電池不能接受大電流充電。理論上汽車有50～60％的制動能量可回收，實際回收的制動能量<20％，最簡單的改進辦法是加大動力電池容量，例如至少加大容量一倍，回收的制動能量可由20％增加到40％。但這將大大增加整車成本和汽車自重，經(jīng)濟上可能是得不償失。
（2）混合動力公交車若采用停車斷油，甚至滑行時即斷油，可節(jié)油10％左右（4L/100km），實際上國產(chǎn)柴油機沒有專門為混合動力汽車設(shè)計，一般不允許頻繁的停車斷油，否則供油系和廢氣增壓器都可能損壞，嚴(yán)重影響柴油機壽命。其次，停車斷油就必須裝有電動轉(zhuǎn)向油泵、電動空壓機和電動空調(diào)系統(tǒng)，這又會大大增加整車成本和重量，二相權(quán)衡，不一定合算，所以近期大多未實現(xiàn)停車斷油功能。因此，目前HEV的開發(fā)重點集中在節(jié)油降耗的工作上，針對以上問題，科研工作者提出了不同的解決方案，如利用超級電容器的功率密度達鉛酸電池的10倍，具有快速吸收大電流充電的優(yōu)異特性，在混合動力汽車制動時可以快速吸收能量，大大提高制動能量的回收率，此外它還具有循環(huán)壽命長、充放電效率高、耐低溫特好以及免維護等優(yōu)點。這種方案由于受到超級電容價格昂貴的影響，限制了它在混合動力汽車上的廣泛應(yīng)用。在進一步降低成本，提高能量密度后，超級電容器最有可能首先在混合動力公交車上得到應(yīng)用。
4外接充電式混合動力汽車
外接充電式混合動力汽車是最新的一代混合動力汽車類型，近年來受到各國政府、汽車企業(yè)和研究機構(gòu)的普遍關(guān)注，國內(nèi)外專家認(rèn)為，PHEV有望在幾年后得到廣泛的推廣使用。
據(jù)統(tǒng)計，法國城鎮(zhèn)居民80％以上日均駕車?yán)锍躺儆?0km，在美國，汽車駕駛者也有60％以上日均行駛里程少于50km，80％以上日均行駛里程少于90km。PHEV特別適合于一周有5天僅駕車用于上下班，行駛里程50～90km之間的工薪族使用。PHEV是在混合動力汽車上增加了純電動行駛工況，并且加大了動力電池容量，使PHEV采用純電動工況可行駛50～90km，超過這一里程，即必須起動內(nèi)燃機，采用混合驅(qū)動模式。所以PHEV的電池容量一般達5～10kW·h，約是純電動汽車電池容量的30～50％，是一般混合動力汽車電池容量的3～5倍，可以說它是介于混合動力汽車與純電動汽車之間的一種過渡性產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車和一般混合動力汽車（HEV）對比（見表5），PHEV由于更多的依賴動力電池驅(qū)動汽車，因此它的燃油經(jīng)濟性進一步提高，二氧化碳和氮氧化物排放更少。由于動力電池容量的加大，每輛車的售價至少比一般HEV高2000美元。
圖3示出了四種不同類型乘用車，它們的蓄電池容量與汽車價格、燃油消耗及尾氣排放的對比關(guān)系�？梢婋S著蓄電池容量的加大，汽車價格將上升，但是燃油消耗和尾氣排放則下降。因此可以認(rèn)為，電動汽車是以使用和損耗蓄電池為代價來換取節(jié)油、減排的效果，動力電池性/價比的大幅提升將是電動汽車能否迅速推廣使用的關(guān)鍵所在。
一般HEV動力電池SOC僅在較小范圍內(nèi)波動（例如±2％～3％）因此循環(huán)壽命次數(shù)很長，而PHEV的動力電池SOC必須在很大的范圍內(nèi)波動（例如±40％），屬于深充深放，因此循環(huán)工作壽命短得多，和純電動汽車（PEV）相似。目前在PHEV上都采用先進的鋰離子電池，由表1可知，鋰離子電池每放出1kWh電能，能耗費為10.2元，相當(dāng)于內(nèi)燃每kWh能耗費用的3倍。隨著全球石油價格不斷上升，燃油內(nèi)燃機的能耗費用也將不斷上升，而鋰離子電池隨著技術(shù)進步和產(chǎn)量的擴大，其能耗費用將不斷下降（如圖4所示），二者可能在2015至2020年內(nèi)達到平衡點。因此PHEV有望在10年內(nèi)得到大面積推廣使用。
5燃料電池電動汽車
早在1839年，英國人格羅孚就提出了氫和氧反應(yīng)發(fā)電的原理。20世紀(jì)60年代，研發(fā)出了液氫和液氧發(fā)電的燃料電池，由美國UTC公司首先用于航天和軍事用途。近20年來，由于石油危機和大氣污染日趨嚴(yán)重，以質(zhì)子交換膜式為代表的燃料電池技術(shù)，受到世界各國普遍重視。各大跨國汽車公司紛紛投入巨資，研發(fā)出了各種類型的燃料電池電動汽車(FCEV)。
5.1質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）主要優(yōu)點
�。�1）其排放生成物是水及水蒸汽，為零污染；
�。�2）能量轉(zhuǎn)換效率可高達60～70％;
（3）無機械振動、低噪聲、低熱輻射;
�。�4）宇宙質(zhì)量中有75％是氫，地球上氫也幾乎是無處不在。氫還是化學(xué)元素中質(zhì)量最輕、導(dǎo)熱性和燃燒性最好的元素;
�。�5）氫的熱值很高，1kg氫和3.8L汽油的熱值相當(dāng)。
5.2燃料電池電動汽車存在的技術(shù)、經(jīng)濟問題
在我國，國家科技部將研發(fā)燃料電池客車和燃料電池轎車列為“十五”和“十一五”計劃“863”重大科技項目。并已取得一系列重大科技成果，但是在多年科研實踐中，也暴露出一些技術(shù)、經(jīng)濟問題:
�。�1）燃料電池發(fā)動機的耐久性壽命短
一般僅1000～1200小時（國外達2200小時），燃料電池汽車行駛4～5萬km，功率即下降～40％，和傳統(tǒng)內(nèi)燃機可普遍行駛50萬km以上相比，差距很大；
�。�2）燃料電池發(fā)動機的制造成本居高不下
一般估計3萬元/kW（國外成本約3000美元/kW），與傳統(tǒng)內(nèi)燃機僅200～350元/kW相比，差距巨大。由于其中如質(zhì)子交換膜、炭紙、鉑金屬催化劑、高純度石墨粉、氫回收泵、增壓空氣泵等關(guān)鍵部件均依靠進口，所以與國外相比，并沒有成本優(yōu)勢；
�。�3）燃料電池發(fā)動機對工作環(huán)境的適應(yīng)性很差
國產(chǎn)可在0～40℃氣溫下工作，低于0℃有結(jié)冰問題，高于40℃過熱不能正常工作；此外對空氣中的粉塵、一氧化碳、硫化物等都十分敏感，鉑催化劑極易污染中毒失效；
�。�4）燃料電池汽車的使用成本過于高昂
例如高純度(99.999％)高壓氫(>200大巴)售價約80～100元/kg。按1kg氫可發(fā)10kW·h電能計算，僅燃料費即約為10元/kW·h，按燃料電池發(fā)動機工作壽命1000小時計算，折舊費為30元/kWh。所以總的動力成本達40元/kW·h。與表1對照可知，至少在目前，由燃料電池發(fā)動機提供1kWh電能的成本遠(yuǎn)高于各種動力電池，這從一個側(cè)面反映了作為汽車動力源，燃料電池汽車還有相當(dāng)?shù)木嚯x。
5.3目前燃料電池電動汽車的研究課題
盡管存在如此多的問題，但是燃料電池仍然是人類迄今為止，發(fā)明的最清潔、安靜又可無限再生的能源，值得我們?yōu)閷崿F(xiàn)燃料電池電動汽車的產(chǎn)業(yè)化，付出更大的努力。
為此建議從以下幾個方面進行工作:
（1）以更為創(chuàng)新的思維，對燃料電池的基本理論和基礎(chǔ)材料進行深入研究，例如努力探尋非鉑金屬催化劑;努力研制抗電腐蝕金屬雙極板和耐高溫(>110℃)高機械強度質(zhì)子交換膜等;
�。�2）努力實現(xiàn)如炭紙、增壓空氣泵等關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化，以降低整機成本;
（3）進一步提高整機的優(yōu)化集成技術(shù)，著力提高整機的耐候性（高、低氣溫變化）、抗大氣污染能力和耐電負(fù)荷急劇變化能力等。
6電機及電動車輪
電動汽車驅(qū)動電機是所有電動汽車必不可少的關(guān)鍵部件。目前使用較多的有直流有刷、永磁無刷、交流感應(yīng)和開關(guān)磁阻等四種電機。
美國和德國開發(fā)的電動汽車大多采用交流感應(yīng)電機，主要優(yōu)點是價格較低、效率高、重量輕，但啟動轉(zhuǎn)矩小。日本研制的電動汽車幾乎全部使用永磁無刷電機，其主要優(yōu)點是效率可以比交流感應(yīng)電機高6個百分點，但價格較貴，永磁材料一般僅耐熱120℃以下。開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)較新，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠、成本較低、起動性能好，沒有大的沖擊電流，它兼有交流感應(yīng)電機變頻調(diào)速和直流電機調(diào)速的優(yōu)點，缺點是噪聲較大，但仍有一定改進余地。表6列出四類電機比較。
顯然表6中四種電機各有優(yōu)缺點，但是對于電動汽車而言，由于電能是由各類電池提供，價格昂貴而彌足珍貴，所以使用相對效率最高的永磁無刷電機是較為合理的，它已被廣泛用于功率小于100kW的現(xiàn)代電動汽車上。
此外，在國外已有越來越多的電動汽車采用性能先進的電動輪（又稱輪轂電機），它用電機（多為永磁無刷式）直接驅(qū)動車輪，因此無傳統(tǒng)汽車的變速箱、傳動軸、驅(qū)動橋等復(fù)雜的機械傳動部件，汽車結(jié)構(gòu)大大簡化。但是它要求電機在低轉(zhuǎn)速下有很大的扭矩，特別是對于軍用越野車，要求電機基點轉(zhuǎn)速∶最高轉(zhuǎn)速=1∶10（見圖5）。近幾年，美、英、法、德等國紛紛將電動輪技術(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)隊在“悍馬”基礎(chǔ)上研制出串聯(lián)式“影子”新型混合動力越野車，采用了電動輪技術(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”車對比試驗，在同樣偵察試驗條件下，“悍馬”耗油472kg，而“影子”僅耗油200kg；同一越野路段，“悍馬”耗時32分鐘跑完，而“影子”僅耗時13分50秒，此外它還具有在純電動模式下，汽車靜音、無“熱痕跡”等優(yōu)點。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)新型混合動力電動輪驅(qū)動的“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)濟分析出發(fā)，對電動汽車技術(shù)的現(xiàn)狀和未來作如下結(jié)論：
�。�1）在目前國內(nèi)市場價格的基礎(chǔ)上，可粗略計算出各種提供電能技術(shù)的價格比。即電網(wǎng)供電∶柴油機供電∶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。這從一個側(cè)面反映了各種供電方式距離電動汽車市場的遠(yuǎn)近。當(dāng)然，隨著石油價格的上升、電池技術(shù)的進步，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供電相等，因此它仍然是低端電動車市場的主要動力電池。磷酸鋰離子電池技術(shù)進步較快，它最有可能成為鉛酸電池的競爭對手，率先成為高端電動車市場的主要動力電池；
�。�3）由于混合動力汽車僅需裝用純電動汽車1/10的動力電池容量，整車有較為接近市場的性/價比，因此它仍將是近期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要電動汽車種類�？紤]到我國國情，目前仍應(yīng)大力推廣使用混合動力大客車，進一步降低制造成本，減少油耗和排放；
（4）在鋰離子電池性/價比進一步提升后，外接充電式混合動力汽車（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，但是由于較高的價格，它可能首先在發(fā)達國家得到推廣應(yīng)用；
�。�5）燃料電池雖然是理想的清潔能源，但是目前它的性/價比太低，要達到可以進入市場的性/價比，可說是任重而道遠(yuǎn)，必須從基礎(chǔ)材料和基本理論上有重大突破，才可能進入汽車市場；
�。�6）電動輪已成為國外電力驅(qū)動技術(shù)的重要發(fā)展趨勢，并已在軍用越野車上得到實際應(yīng)用，證實它在技術(shù)/經(jīng)濟上的重要優(yōu)勢，我國雖也有不少單位研發(fā)，但始終未進入“863”計劃，技術(shù)進步緩慢，因此有必要奮起直追，盡快掌握這一先進的電驅(qū)動技術(shù)。
