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1、精选优质文档-倾情为你奉上电能多态综合管理系统研发与电动汽车商业化分析引言能源和环境是实现可持续发展的必要条件，减少和消除汽车对石油的依赖是一项关系全球经济安全和能源安全的紧迫任务，全球汽车产业正处在向低耗能、清节能源时代转型的前夜，交通能源动力系统转型已经是大势所趋。尽管在研究领域，世界满怀着对未来新能源汽车的憧憬，多数国家在政策上给予了最大程度的导向与扶持，各大汽车企业也都进行了大量的研究投入与市场探索，但在商业领域，电动汽车却始终停滞在概念阶段，多数电动汽车不得不依靠政府的资金或购买来生存。人们普遍认为动力电池的使用寿命和能量密度还不能满足电动汽车商业化的要求，电动汽车的商业化还受制于电
2、池技术的发展。然而，就算是使用先进蓄电池中成本最高的锂电池也完全能获得优于汽油内燃机的经济性能。锂电池单体有2000次以上的充放电循环使用寿命、每千克100瓦时以上的能量密度和每瓦时4元以下的制造成本，如果按每10千瓦时电池组可节约燃油7升，每升93号汽油6元计算，使用2000次可节约燃油费8.4万元，电池成本为4万元，充电费为1万元，实际节约了3.4万元。这些数据表明，现有的电池技术本身完全能满足电动汽车商业化的要求。然而，单体电池的电压非常低，必须要将这些单体电池串联后才能驱动电机，当这些独立使用寿命可达2000次以上的单体电池被串联成电池组使用时，电池组的使用寿命就会大幅下降。当电池组使
3、用寿命为500次时，节油收益就变成了 -2.15万元，如果再算上电池后期容量损失、非饱和使用和其它电动部件成本及维护成本，估计一个电池组的使用周期，消费者就会损失3万元以上，而这个周期还不到2年，“省油不省钱”的电动汽车根本不能吸引主动消费。所以，就电动汽车经济性而言，电池技术已经基本合格，而电池使用技术不合格。人们用电池管理技术来解决电池串联成组后的寿命缩短问题，但目前的电动汽车电池管理技术还停留在单态串联电池管理阶段，全部电池单元被串联成一个单态电池组，这个电池组只具有唯一的额定工作电压和电流负载能力，在多态的汽车工况下使用，这本身就是一个不可调和的矛盾，好比一套衣服不能适应四季冷暖变化，
4、只可惜汽车没有“四季如春”的工况。为此，有的电动汽车采用减少串联数的低压电池组来满足低速工况，高速工况时关闭电动，这就是所说的“微混”和“低混”，虽然电池使用寿命有保障了，但节油减排率却非常有限；有的电动汽车采用200V以上甚至600V的高压高容设计方案，这就是所说的中混、高混或纯电动，节油率上去了，但是串联电池组的使用寿命却成倍缩短，而且还引发了电驱效率低下、民用电网充电困难、高电压不安全、动力传导效率低下、制动回收电能困难和节油成本高于节油收益等一系列问题。从上世纪70年代人类有计划开发电动汽车开始，这种单态供电方式就象跷跷板一样制约着各种设计方案，混合派和纯电动派的争论、混合的比例高低之
5、争、混合的结构之争、电池的选型之争、电机的交直流之争、系统核心之争、各种标准之争等等，这些都是因为电池技术还没有发展到仅用简单的串联电池管理就能满足汽车多态工况的阶段。也许在未来的一天会有这样的超级电池出现，但这个等待可能最少要花掉人类20年的时间，而现在就要摆脱顾此失彼的电动汽车设计困境，就必须建立一个可以改变单态供电现状的电能多态综合管理系统。电能多态综合管理系统包括多态与综合两个核心特征。多态是指系统可以重组电池的连接结构和供电策略，使电能以多态形式适应变化的工况。综合指系统是将充电机、电池、电机、电机驱动、档位、制动、加速等部件都视为管理对象，通过对速度、电压、电流、频率、容量、温度、
6、深度、档位、耗油等信息的实时采集与综合分析产生调控各部件的综合指挥中心。通过电能多态综合管理系统不但可以大幅提高电池的使用效率与寿命，还可以为故障诊断与容错、行驶数据记录、混合比调整、防盗防抢、能量回收、电子制动、安全用电、局域充电网络建设、零排放怠速等一系列功能及管理策略的实现提供基础。同时，只有以电能多态综合管理系统为核心的星型拓朴结构才能使充电机、电池、制动部件、电机驱动、电动机等部件建立统一标准的数据结构、通信协议、指令系统、硬件接口成为可能，为不同厂家和类型的部件共享数据和协调工作提供技术平台。我国传统汽车技术与先进国家相比还落后20年，这使我国的汽车工业始终屈就于低端高耗的加工环节
7、，新能源革命的兴起为我国汽车工业从粗放型向集约型调整提供了绝佳的机会。电动汽车电能多态综合管理是未来电动汽车的核心技术，谁先建立电能管理的标准平台，谁就能掌握未来汽车工业的命脉。研发电动汽车电能多态综合管理系统是加快电动汽车商业化进程、节省社会资源和控制核心技术的最佳途径，也只有拥有自己的电动汽车电能管理技术与标准，才能保障国家可持续化发展战略的顺利实施。一、电能多态综合管理系统的产业背景1 世界能源与环境危机人类社会已经经历了柴薪、煤炭和石油3个能源时期，以柴薪为能源的人类社会发展极为缓慢，生产力水平相当低下。到了18世纪，人类迎来了第一次工业革命，步入以蒸汽机为动力系统的时代，社会文明的发
8、展演变速度就开始加快了，煤炭成了主要能源。1885年，以世界上第一辆实用内燃机汽车诞生为标志，人类进入了以石油为重要能源，以内燃机为动力系统的时代。此后，石油燃料汽车推动了人类一百多年来的汽车文明，世界经济的发展速度大大加快。随着世界经济的发展，对石油的依赖程度也在不断加大，到20世纪70年代，发生了能源危机，引发了世界各国对石油燃料汽车前途的担忧。现在，全人类正面临着严峻的石油能源危机，对日益增大的石油能源的需求，受到地球有限石油储量的制约。根据国际能源机构预测，随着经济的发展、社会的进步和人口的增长，全世界的能量消耗在今后20年至少增加1倍。根据美国油气杂志的评估，截至2004年1月，全球
9、石油估算探明储量约为1734亿吨。按照2003年世界石油的需求状况，石油仅够用4050年时间。从环境保护的角度来看，汽车的排放物的数量是与燃油的消耗呈正相关关系，燃油内燃机车辆在大量消耗石油资源的同时又污染了环境，所排放的碳、氮、硫的氧化物及其他有害排放物已成为城市空气的主要污染源。预测到2030年，世界汽车保有量将从目前的8亿辆左右增加到12亿辆，汽车排放造成的大气污染和温室效应气体二氧化碳，成为世界人类面临的亟待解决的公害问题。从保护地球环境的要求出发，如何改变汽车能源以消耗汽油和柴油为主的方式，日益受到社会关注。2 新能源汽车人类社会正处于向新能源时代转型的前夜，未来的人类社会将是一个人
10、与自然相互和谐的时代。基于地球石油资源的有限性以及人类社会的未来可持续发展的要求，为了解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，发展清洁、高效、可持续发展的汽车新能源动力技术，并努力使其实现产业化，已成了十分紧迫的任务。近20多年来，各国汽车企业和相关机构一直以多种不同的技术路线研究开发低能耗和低排放的新能源汽车，新能源汽车主要分为替代燃料汽车和电动汽车两大类。替代燃料汽车LPG、LNG和CNG醇类燃料按替代燃料分类柴油替代燃料汽车是使用非汽油燃料提供能量，采用内燃机驱动的汽车。这些非汽油燃料主要有液化石油气（LPG）、液化天然气（LNG）、压缩天然气（CNG）、柴油、醇类燃料。LP
11、G、LNG和CNG是最容易商业化的替代燃料，与其他替代燃料相比，具有排放污染小、热值较高、成本低的优点，受到许多国家的青睐，目前已经被很多国家的公共交通车或出租车行业采用。柴油发动机汽车是目前商业化范围最大的替代燃料汽车，相比汽油可以减少15%的有害气体排放。醇类燃料包括甲醇和乙醇，甲醇通常用煤炭制取，而乙醇主要用农林业产品或者副产物发酵制取。电动汽车先进蓄电池超级电容氢燃料电池铅酸蓄电池镍氢蓄电池锂蓄电池按电池分类按电动机分类交流电动机直流永磁电动机电动汽车是指全部或部分由电池系统蓄能并具备电动机驱动力的汽车，在电池系统方面，人们已经确定的研究方向包括先进蓄电池、超级电容、飞轮电池和氢燃料电
12、池；在电动机方面，主要采用交流电机与直流永磁电机。其中，先进蓄电池是指目前已经成熟商业化应用的蓄电池，包括各种铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂电池，是电动汽车最具现实化的蓄能电池。超级电容和飞轮电池的成本和重量比容量指标还不能构成实用化条件。氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛，可从多种物质中提取，是一种可再生的能源资源，可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢，也可通过电解水获取氢气，但目前制造氢气所造成的污染甚至比直接使用石油所产生的污染物还要多，成本也居高不下。氢燃料电池目前还没有解决制氢成本和污染的问题，其商业化的道路还很漫长。从目前已经存在的替代燃料看，尽管LPG、CNG和柴油在污染
13、物排放上比汽油清洁，但是作为石化工或煤化工的附加产品，还是不能从根本上解决人类能源和环境危机。醇类燃料自燃性较差，要求对发动机作相应改动，另外成本也不比汽油低，尤其是作为粮食的再加工品，乙醇，更使人类在粮食危机和能源危机中两难。基于替代燃料的局限性，人们将更多的目光与资金投向了电动汽车。电动汽车采用电池蓄能，由电动机产生驱动动力，而电能行驶成本只有汽油行驶成本的10-20%，并且根本不存在行驶中的燃烧废气排放和噪音污染，被人们视为最值得期待的未来汽车。尽管目前火力发电还是全世界的主要电能提取方式，但随着水利、风能、太阳能、核电发电比例的提高，人类对电能的开发正逐步向可再生与环保方向发展，而且，
14、全世界都存在电网的夜间峰谷问题，电动汽车夜间充电正好又可以平衡电网负荷，可以说电动汽车是集万千优势于一体的新能源产品，是交通能源发展的必然产物，是人类社会的必需品。3 电动汽车发展的四个阶段第一阶段：内燃机汽车出现之前的纯电动时代电动汽车的历史比使用内燃机的汽车还早，1834年，英国人布兰顿发明了小蓄电池车，采用的是不可充电的玻璃封装蓄电池，比世界上第一部内燃机汽车早了半个世纪。1839年苏格兰人罗伯特安德森将一辆四轮马车改装成了电力驱动车。1860年，英国伦敦使用了有轨电车，后来很快发展到世界各地。在内燃机出现之前，人们用的汽车就是电动汽车，但当时的电池技术还非常落后，除了固定行驶线路的有轨
15、电车外，电动汽车在使用上还存在很大不足，当内燃机型汽车出现后，电动汽车在市场上的份额迅速下降，其发展几乎停滞下来。第二阶段：出现内燃机汽车到上世纪70年代以前的混合电动时代在内燃机汽车出现之后，电动汽车就开始了混合动力的探索。混合电动汽车起源于欧洲，保时捷在1899年就已经设计出了一款名为Lohner-Porsche Mixte Hybrid的油电混合动力车，并于1901年开始生产，这辆汽车由电动机和内燃机组合提供动力，电池组安装在车轮驱动枢纽上，可以依靠电池动力行驶40英里，而这时距离内燃机汽车诞生也就仅仅13年。比利时的一家汽车制造商Pieper也在1900年推出了一款油电混合动力车型。从
16、1900年到1918年，油电混合动力就已经有很多实质性的创造了，之后40余年混合动力技术处于相对的空白期。经历了漫长的等待后，1969年混合动力再次重回历史舞台，美国通用512汽车上再次使用了的混合动力技术。这一阶段的电动汽车被内燃机汽车完全压制，而且人们还没有很强的能源和环保危机意识，也没有形成电动汽车的发展意识和政府支持。第三阶段：上世纪70年代到1997年的电动汽车概念化时代1971年日本通产省已将发展电动汽车列为12个大型课题项目之一，并拨款50亿日元，组织成立了电动汽车委员会、协会和工程研究会，大力开发电动汽车。由于石油危机对美国经济的影响，使美国政府下决心加快电动汽车的发展，197
17、5年，美国国会通过了“电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令”，1977年，第一届国际电动汽车会议在美国举行。同年英国政府开始执行“伦敦市内交通电气化”计划，政府对电动汽车进行税收和养路费优惠。1987年欧宝推出了1加仑汽车行驶75英里的GT混合动力车，1989年奥迪在其2.3升Audi Duo车上采用了混合动力技术。1990年，美国加州在为防止大气污染而制定的限制法规中规定：到1998年，“零污染”汽车的销售额要占新车销售额的2%；到2000年，“零污染”汽车的销售额要占新车销售额的5%；到2003年，“零污染”汽车的销售额要占新车销售额的10%。随后，美国东部的10个州也都通过了相应的
18、法规。同年，美国通用在洛杉矶汽车展上展出了纯电动的EV concept概念车。在这个阶段，各国政府已经意识到电动汽车研发的必要性，也形成相关组织与法案来支持电动汽车，但只有少数汽车企业在进行试探，产品也基本是一些概念化的车型，更多的企业都还是处于观望状态。第四阶段：1997年之后的电动汽车市场化时代1997年，日本丰田推出其首款混合电动汽车Prius，当年Prius就在商业上获得了成功，这意谓着电动汽车的市场化时代已经来临。1999年，本田推出Insight混合动力车型，创造了当时全球最低油耗和最清洁排放两项纪录，目前已经进入国内销售的思域混合动力车型就是采用这套系统，已经成为丰田Prius的
19、主要对手。2003年，丰田推出Prius第二代混合动力系统。一直从事混合动力研究的通用汽车自然不愿在这点上落后丰田，2005年，通用联合戴姆勒-克莱斯勒和宝马开发MHD双模式混合动力系统，以对抗丰田和本田在该领域的技术垄断。此外，福特、大众、标致、雷诺等汽车生产企业也均在电动汽车领域投入了大量的人力和物力。目前国内各大车厂也纷纷进入电动汽车研发领域，长安、奇瑞、比亚迪、一汽、天津清源等等都推出了自主品牌的电动汽车，并且这个数量也同样伴随着汽车产销量的增加而不断提升。近十多年来，随着对缓解能源环境危机的认识加深，世界各国都开始加大资源投入力度，同时，伴随现代高技术的发展、各种新材料的诞生以及电机
20、、电子、计算机技术的广泛应用，也极大地促进了电动汽车技术的更新与发展，Prius的成功案例也使汽车企业看到了电动汽车商业化的曙光，电动汽车已在世界范围迎来了一个全新的发展时期。4 电动汽车商业化的八个必要条件虽然人类已经充分认识到电动汽车发展的重要性与必要性，也进行了大量的研发投入与市场运作，但实际在商业层面上，电动汽车依然还处于政策市场阶段，绝大多数电动汽车必须依赖政策补贴和官方采购才能生存，即便是全球销量第一的丰田Prius电动汽车，其节能的收益也无法超过节能的支出。这主要是因为在全球范围内还没有真正形成对电动汽车开发方向的定论，以至于在资源、政策和技术层面上都无法形成集中和统一，研究的方
21、向漂忽不定。例如，在东京汽车展上，以通用、丰田为代表的混合派与以雷诺、本田为代表纯电派就“超越过去的半电动轿车模式，重新开始追求刚刚放弃的全电动轿车的时机是否已经到来？”这一题目展开了辩论，从这个题目本身，我们也不难发现，电动汽车的开发一直就在纯电动与混合电动之间来回拉锯，从内燃机汽车诞生的那一天起，这场争论就开始了。1990年，美国加州的强制“零污染”汽车比例计划被写入法规，法规的强力推行，使本来在混合电动汽车技术领域处于领先地位的美国汽车巨头不得不放弃了原有计划，仓促开始了纯电动汽车的研发，但是经过几年的市场较量，美国汽车企业在电动汽车领域又一次败给了以日本丰田为代表的混合电动汽车阵营。美
22、国加州在经过10多年的环保及环保车辆的探索实践后，表示不再积极鼓励发展纯电动汽车，而转向了燃料电池汽车的研发，通用汽车也表示将不再继续加大对纯电动汽车的投入，只是对已经在路上使用的电动汽车进行维护。而几乎同时，本田则与雷诺合作，从混合电动汽车领域的领跑者转投向纯电动汽车的开发阵营。加州政府错误的决定使通用汽车为代表的美国汽车企业浪费了10多年的时间，从领先者变成了技术购买者，其实，到底是集中力量发展纯电动汽车还是混合电动汽车？这也是摆在政府面前的一道难题，要破解这道困惑全球的难题，我们必需分析电动汽车商业化存在的必要条件。个体的要求技术性方便性经济性安全性不低于内燃机的性能，无限的活动半径操作
23、方式不发生变化，能量补充方便，维修方便节油的收益必须明显高于节油的成本支出不能对人和车构成安全隐患政府的要求资源能力环境压力经济性安全性不能对道路、电网资源形成压力不能因电池报废形成环境压力必须满足社会整体经济性不能形成群体安全事故电动汽车大规模商业化的八个基本条件从上图的列举我们发现，电动汽车必须在个体与政府两个层面上共同满足8个基本条件，才能在商业上形成真正的良性化自由市场，而不是政府“掏腰包”的局部强制市场。个体是指每一个有可能购买电动汽车的消费者，对个体中的多数来说，并不存在环保的自我强迫性，也不用思考道路承载能力和电网压力，他们的消费诉求更主要的还是在性能是否良好、使用是否方便、使用
24、成本如何和安全性如何，多数人不会为了减少废气的排放而支付更多的钱去购买一辆性能不好或不安全的环保汽车。而做为一个国家或一个区域管理者的政府却必须要考虑资源是否能承载、有无电池报废的环境压力、是否会导致整体经济的损失以及是否会形成群体安全事故等因素。例如，如果存在一种电动汽车完全满足个体的4个消费诉求，价格只有2万元，对于个体而言肯定会积极响应，但做为政府却只能限制，因为，一方面突然增加的低价电动汽车数量会使道路交通立即瘫痪，另一方面，传统汽车经济已经是社会经济的重要组成部份之一，突然大量淘汰传统汽车会使产业结构混乱甚至社会经济崩溃。从这八个基本条件分析，在很长一段时间内，因在技术性、方便性和安
25、全性上，纯电动汽车难以满足个体的要求，而在资源能力、经济性与安全性方面又不能满足政府的要求，所以，纯电动汽车只适合在特定的范围内使用，而只有混合电动汽车才具备广阔的市场发展空间和满足现实意义的能源战略。混合电动汽车同时具有电动和内燃机汽车的双重优势，是电动机与内燃机“嫁接”的优良品种，在现有的技术与资源条件下，只有混合电动汽车才有可能同时满足个体与政府的要求，并且能对节能和减排起到显著成效。混合电动汽车在汽车发展的历史中决不是一个权宜性的产品，它是汽车产业逐步摆脱石油依赖的必然性和长期性的产品，它承担着产业调整和资源配备的历史任务，在产业和社会层面上，一切想绕过混合阶段而直接实现纯电动零排放的
26、想法都不切实际。只有当混合电动汽车成为交通主角后，相应的快速充电站、局域充电网络、电动维修站、生产标准、报废回收体系、交通法规等资源才能产生，完成这个资源配备的过程最低也不会少于20年，混合电动汽车的产业周期不会低于50年。而且，庞大的汽车产业链也绝不可能从内燃机向纯电动跃变，社会无力承担跃变的损失，产业结构调整只能是渐进式。所以，政府应该将资源向混合电动汽车倾斜，促使资金和人才向混合电动汽车集中，加大技术开发和推广的力度，使混合电动汽车尽快从个体和政府两个层面上同时满足商业化条件，将市场从政策补贴购买的被动方式转变为个体消费购买的主动方式，使节能环保交通从现在的有限范围向普遍范围转化，尽快形
27、成良性的产业结构调整与资源积累环境。而纯电动汽车只是社会资源累积到一定程度后，电池技术发生跃变的自然成果。电能多态综合管理系统就是在新能源汽车产业革命背景下产生的促进电动汽车大规模商业化的新技术，该技术以提高电动汽车的经济性、安全性、技术性和方便性为设计目标，将混合电动汽车做为设计模板，并以标准化的方式，形成对现有和未来技术的兼容。二、电动汽车公知电能系统存在问题分析电动汽车的最主要特点是具有使用电能做为驱动能源的机构与装置，其电能系统应至少包括电池、电驱、充电、电能管理四大功能部件，以下是现有电动汽车在这四大功能部件上的设计困境分析。1 电池的问题分析目前，电动汽车的电池研发方向包括先进蓄电
28、池、超级电容和氢燃料电池、钠硫、飞轮等其它在研究电池，除先进蓄电池外，其它电池都还处在研究阶段。先进蓄电池是指包括铅酸、镍氢、锂电池在内的成熟商业化动力电池，下表是这些电池的典型数据参数与价格。能量密度 单体电压 单体寿命 电池单位成本(Wh/kg） (V) (次） (元/kwh)铅酸电池 35 2 1500 800镍氢电池 50 1.2 1500 2500锂电池 100 3.6 2000 4000三种先进蓄电池的参数对比从电池安全的角度看 铅酸电池的安全度最高，从铅酸电池二百年的使用历史来看，产生燃烧与爆炸的几率几乎为零，而现在的阀控免维护技术也使铅酸电池可以在任意放置角度使用而不发生酸泄漏
29、。镍氢电池在使用过程中产生的氢气是构成其不安全的主要因素，氢气遇明火会发生爆炸。而锂电池的安全一直以来都被人们诟病，一块小小的手机锂电池就可以威胁人的生命安全，何旷一辆电动汽车的锂电池容量是手机锂电池的几千倍，如果发生爆炸，威力将是惊人的。虽然铁锂电池在技术上已经很安全了，但在缺乏大样本和长期数据的情况下，人们还是存在着安全的担心。从环境压力的角度看 铅酸电池对环境的压力最小，从全世界的回收物资统计数据看，报废铅酸电池的回收率在99%以上，分解后再利用率在97%以上，仅次于黄金、白银等几种贵重金属。而那些把酸倒入城市排水系统的报道显然不实，作为动力电池使用的阀控式铅酸电池根本倒不出酸来，回收企
30、业都是以重量为计价依据，一公斤铅酸电池的回收价在10元左右，一支报废的汽车铅酸电池可以卖到150元，所以，这“钱”既倒不出来，也没有人愿意倒掉一部分，更没有人会随手扔掉。铅酸电池浑身是宝，回收成本非常低，回收过程安全无害，回收价值高，其余酸都还能用于中和工业废碱水，生成无毒的洗涤用品原料硫酸钠和硫酸钙，这些优点为铅酸电池回收机制扎下了牢固的商业与环境基础。而非规范化回收造成的水污染和铅尘污染毕竟不是铅酸电池本身的过错，政府也完全有能力利用管理手段控制回收的安全与环保。镍氢电池与锂电池的回收却是摆在政府面前的一个严峻问题，一方面，因为电池结构的原因，不但拆解工艺非常困难，而且回收分解成本与回收价
31、值倒挂；另一方面，这两种电池的回收都很不安全，尤其是锂电池，拆解过程中发生爆炸的机率非常高。没有企业愿意真正分解回收镍氢和锂电池的成分与材料，更多的是采用简单分选填埋及再组合翻新，这些组合翻新的电池又流入市场，造成这几年频发的电池爆炸伤人事件。所以，在没有合理机制能解决镍氢电池和锂电池报废给环境和安全带来压力的前提下，如果以相对以前（手机）数千倍的增量运用于电动汽车，将来又是一个摆在人类面前的环境灾难。从经济性的角度看 我们可以按照每千瓦时电量节约0.7升汽油，每升汽油6元，电价每千瓦时0.5元来估算一下这些电池在10千瓦时容量的全寿命（电池寿命都达到其单体最大寿命）情况下的节油收益，计算中暂
32、不考虑后期容量损失、非饱和使用及其它电动部件成本及维护成本。节油成本=电池成本+电费成本=容量单价+容量电价寿命节油收入=容量单位节油量油价寿命节油收益=节油收入-节油成本电池类型 电池成本 电费成本 节油成本 节油收入 节油收益铅酸电池 8000元 7500元 15500元 63000元 47500元镍氢电池 25000元 7500元 32500元 63000元 30500元锂电池 40000元 10000元 50000元 84000元 34000元从上表我们可以发现，这些电池在全寿命时，都可以实现较好的节油收益，即使扣除电动机、电动机驱动、充电机和其它电动部件成本（共约1万元左右），电池全
33、寿命的收益还是很可观的，这说明电池技术本身是完全能满足电动汽车商业化需要的。单体电池的使用寿命是最长的，但是这些单体电池的电压都非常低，分别为2V、1.2V和3.6V，要达到驱动电机的电压，还必须将这些单体电池串联起来，一但这些单体电池被串联起来后，整个串联电池组的寿命就会大幅缩短。电池技术不是问题，电池使用技术才是拖跨电动汽车经济性指标的主要原因。使用寿命 全寿命 90%寿命 80%寿命 70%寿命 60%寿命 50%寿命 40%寿命 30%寿命铅酸电池 47500元 41950元 36400元 30850元 25300元 19750元 14200元 8650元镍氢电池 30500元 249
34、50元 19400元 13850元 8300元 2700元 -2800元 -8350元锂电池 34000元 26600元 19200元 11800元 4400元 -3000元 -10400元 -17800元使用寿命 1700次 1600次 1500次 1200次 1000次 800次 600次 500次 铅酸电池 - - 47500元 36400元 27000元 21600元 14200元 10500元镍氢电池 - - 30500元 19400元 12000元 4600元 -2800元 -6500元锂电池 22900元 19200元 15500元 4400元 -3000元 -10400元 -1
35、7800元 -21500元电池单位成本 500元 1000元 1500元 2000元 2500元 3000元 3500元 4000元2000次收益 69000元 64000元 59000元 54000元 49000元 44000元 39000元 34000元1500次收益 50500元 45500元 40500元 35500元 30500元 25500元 20500元 15500元1000次收益 32000元 27000元 22000元 17000元 12000元 7000元 2000元 -3000元 500次收益 13500元 8500元 3500元 -1500元 -6500元 -11500
36、元 -16500元 -21500元上面我们对这三种先进电池在不同的成本和寿命情况下的节油收益（经济性）做了一个评估计算，考虑其它电动成本支出、非饱和使用损失和消费者期待保底收益总和有可能会占到1万元左右，我们将纯收益超过1.8万元的情况划分为正经济性，用绿色文字表示；将节油纯收益在1.8-1万的情况划分为无经济性，用兰色文字表示；将节油纯收益低于1万元的情况划分为负经济性，用红色文字表示。当铅酸蓄电池组使用寿命高于其单体电池50%时，其经济性就能满足商业化要求，而镍氢和锂电池组只有在使用寿命高于其单体电池80%以上时才能满足商业化要求；从循环使用次数与收益关系分析，铅酸蓄电池组在800次以上都
37、具有较好的经济性，镍氢电池在1200次以上有较好的经济性，而锂电池只有达到1600次以上，才能符合商业化要求。电池使用寿命没有快速检验的技术手段，以目前已运用的技术手段，高压电池组的使用寿命不足单体电池寿命的30%，中压电池组的使用寿命也很难达到单体寿命的40%，很多电动汽车研发和生产企业都将单体电池的寿命做为其电动汽车经济性计算的依据，乐观地认为和宣传其产品的经济性，这是非常危险的。从这些数据分析，我们可以得到以下结论： 电动汽车的经济性与电池组使用寿命成正相关关系 电动汽车的经济性与电池单位成本成负相关关系综合上面的一系列评估来看，本着安全第一，环境第二，经济第三的原则，我国在2009年7
38、月1日出台的新能源汽车生产企业及产品准入管理规则将使用铅酸蓄电池的混合动力乘用车、纯电动乘用车及纯电动商用车，以及使用镍氢电池的混合动力乘用车列为成熟期产品，而将锂电池汽车被列入发展期是非常明智与准确的指导政策。2 电驱设计的困境电驱是指由电动机和电动机驱动电路构成的电动汽车的电力驱动部件，目前主要采用的电机分为交流电机和直流电机两大类。电池是以直流电方式供电，只有通过逆变器将直流电转化为交流电后才能被交流电机使用，采用交流电机的优点是省去了电机驱动控制电路，可以产生较大的扭矩力，并且逆变器包含的升压功能可以产生高压交流电，这样就可以使用低压电池组保障静态安全，并利用镍氢电池的耐大电流放电特性
39、，避开使用高压串联的电池组模式（不利），最典型的设计就是日本丰田Prius电动汽车。但缺点也相当明显，一方面同电压的交流电机效率比直流电机低10%，另一方面，逆变器的转化与升压效率很难做上90%（直流电机控制器效率在99%以上），这就使交流电机系统的效率比直流电机系统低了20%左右。而且，铅酸电池因为大电流放电特性差，锂电池因为大电流放电的安全性降低，都不适合用于交流电机驱动系统，因为铅酸电池是目前经济性最好的动力电池，锂电池又是可发展空间最大的动力电池。所以，目前更多的设计是偏向于使用直流电机系统。电池组逆变器交流电机电池组控制器直流电机现在的直流电机在100伏特以上电压工作时，最佳工作效率
40、都可以达到90%以上，再向上提高最佳工作效率的研究空间已经收窄，但是还有四个主要问题存在。第一，是电池组电压与电驱系统安全矛盾。电机是采用金属导线流过电流产生磁力运动的装置，而金属导线的电阻值非常小，只有毫欧姆级，根据欧姆定律，当施以上百伏特甚至几百伏特电压时，瞬间电流会高达上千安培，这时由限流电路将电流限在一个安全值内以保障电驱系统的安全，但限流电路总会漏掉一些，电池组电压越高，系统就越不安全，而电池组电压低了，电动汽车的性能又会下降。第二，电机平均工作效率低。电机最佳效率可以达90%以上，但最佳效率点存在于此电压下电机最快转速时，而为电动汽车供电的是只有单一工作电压的电池组，这就意谓着只有
41、当电动汽车开到最快速度时，电机的工作效率才高，而实际驾驶中不可能去满足这个条件，这使电机最佳效率值变得毫无意义。第三，能量回收困难。能量回收又称惯性能回收或再生回收，根据楞次定律，电机在转动时，一方面受到供电电压驱动，另一方面，电机线圈切割磁力线产生与供电电势相反的感应电。如果在电动汽车减速、下坡或制动时停止供电，再将感应电充回到电池组，就可以回收惯性能量。但是从电机驱动的原理看，在电机没有超过最快转速的情况下，感应电势始终低于电池组的供电电势，根本无法形成反充电流。现有的单态电池组供电方式无法降低电池电压来达到回收感应电的目的，只能采用高频间歇短路线圈的方式产生线圈震荡升压，以形成反向回流，
42、但是绝大多数感应电被消耗在线圈的短路回路中，产生线圈发热，只有很少部分（不超过5%）能回流电池。第四，电子制动安全度低。电子制动又称电磁刹，是利用电机线圈上的反向（与正向供电电流相反）电流形成的磁场阻力制动。这种反向电流有两种存在机制，一是感应电向电池回流，二是将线圈短路形成切割磁场的零电阻封闭回路。在单态电池组的情况下实现电子制动，无论是采用哪种机制，始终只能直接短路电机线圈，而这种短路在电动汽车高速时是非常危险的，过高的感应电会使短路电流功率超过电子开关的承受能力，这使电子开关的选型上只能采用高负载能力的IGBT模块。产生这四个问题的根本原因，还是因为电动汽车只有一个单态工作电压电池组，这
43、个不可变的供电电池组使电驱系统在性能、效率与安全上形成设计矛盾。3充电方式的设计困境电动汽车的充电应包括外部充电和内燃机发电二种机制。外部充电是指将公用电网的电能充入电池。外部充电有两条发展思路，一是在数分钟内快速充电，二是在数小时内慢速充电。要在5分钟内完成10千瓦时电量的充电，电网必须要大于120千瓦的负荷能力，这相当于220伏特供电要支持600安培电流能力，快速充电必须依赖高压高功率负载能力的专业充电站与特殊电网才能实现，而要建设一个类似加油站网络一样的专业充电站网络是非常困难的。首先，要兼容各种不同厂家、类型、配方、电压、容量、监控电路、硬件接口、通信协议的电池系统几乎就没有可能。这样
44、，就导致不同的厂家或标准体系的充电站只能是各自为战，社会和企业的资源都无法承载这样的要求，电动汽车要形成一个可以通行的快速充电标准，必须要等待垄断电动汽车业的超级电池或是超级企业的出现。其次，充电站的建设率与电动汽车普及率构成矛盾。电力企业认为，充电站的建设需要以大量的电动汽车在用做为前提，而电动汽车企业认为，电动汽车的销售需要以大量的充电站覆盖做为前提，要解开这种互为前提的命题，需要人类更多的智慧与时间。慢速充电是指利用电动汽车停止使用的时间，在其固定的停车位上，通过数小时的时间完成充电。慢速充电不需要专业的充电站，只要在停车位上有一个电源插座就行，用户将车载常规充电机插头插进电源插座就可以
45、了。要在8小时内完成10千瓦时电量的充电，只占用1.25千瓦的电网负荷能力，民用电网完全可以承担慢速充电要求。慢速充电的资源建设成本低，很容易成形，而且多数汽车都是在夜间充电，这对平衡电网负荷是非常有利的。但是，慢速充电也存在一些问题。电池组电压与民用电网电压构成矛盾，中国的民用电网的电压为220V，而欧洲和日本的电网电压为110V，如果电动汽车电池组的电压高于其民用电网电压，充电机就必须要进行电压升压处理，这不但对充电部件的效率和安全构成影响，还对人身安全构成严重威胁。而电动汽车电池组的配备电压低于民用电压，整车的性能又无法满足消费需求，这又是单态电池组造成的弊端。另外，用户都愿意采用电网峰
46、谷充电（更经济），如果充电开启时间设定相同，就会对电网造成冲击，这需要一个局部网络化的充电开启协调机制与标准协议。内燃机发电是指利用内燃机转动带动电机发电向电池充电，这时，内燃机与电机构成发电机。这种内燃机向电池组充电，实际只是燃油能量向电能转移，能量效率并不能起到节油的作用，但可以在电池放电较深时及时补充电量，对保障电池使用寿命有一定作用。但电机感应发电电压低于驱动其转动的电池电压，除非电机转速能超过电池供电时的最快转速，否则不能形成向动力电池充电。要利用内燃机发电向动力电池充电，就要求内燃机带动电机的转速必须高于电机受电池组驱动的最高转速才形成电机感应发电充电。这使单态电池组电压设计又一次
47、遇到矛盾，电压高不能实现内燃机发电，电压低不满足消费者对性能的要求。4电能管理的设计困境电能管理是指为保障电池组使用寿命和协调电能各部件而设计的电子技术。鉴于增加电池单体寿命和降低电池单位成本的技术空间与发展速度已经非常有限与缓慢，研究保障电池组使用寿命的电能管理技术就显得非常重要。导致电池组使用寿命下降的主要因素有以下四个方面： 电池串联引发的“木桶容量”效应 电池串联引发的“差异放大”效应 电池超过电流承担能力工作 电池超过深度放电串联引发的“木桶容量”效应是指电池组的容量由组内最小容量电池确定，也就是说，几十（上百）支串联单体电池中只要有一支容量下降，就会导致整组串联电池容量下降，而且下降量与单体电池下降比相同。比如，要形成288伏特的电池组，分别需要144支、240支或80支单体铅酸电池、镍氢电池或锂电池串联，100支2伏特50安时单体铅酸电池串联成的200伏特10千瓦时电池组中，如果有一支单体容量（100瓦时）下降到60瓦时（少40%），整组容量就会下降到6千瓦时（少40%）。串联引发的“差异放大”效应是指单体电池之间的容量与电压差异会随串联数量的增加而放大，这一方面要求单体的相互差异要小，另一方面要求