近10年汽车工业发展趋势
现代电动汽车一般可分为三类:纯电动汽车(PEV)、混合电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)。但近年来，传统混合动力汽车衍生出一种插电式混合动力汽车，简称PHEV。本文对电动汽车技术研发中的一些问题和趋势进行了简要介绍和评述。
2.纯电动汽车
纯电动汽车是指完全由动力电池驱动的电动汽车。虽然有134年的悠久历史，但一直只在一些特定领域使用，市场很小。主要原因是各类电池普遍存在价格高、寿命短、体积重量大、充电时间长等严重缺点。目前使用的铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池的实际性能指标和市场平均价格见表1。根据实际的循环寿命和市场价格，我们可以估算出电动汽车每1kWh的各种动力电池产生的电能要付出的成本。计算时，假设电池最高可充电荷电状态(SOC)为0.9，放电SOC为0.2，即实际可用电池容量仅占总容量的70%；来自电网的供电价格为0.5元/度，电池平均充放电效率为0.75。
据粗略计算，虽然从电网取电只需0.5元/千瓦时，但铅酸电池充电后每提供1千瓦时电能，成本约为3.05元，其中2.38元为电池折旧费，0.67元为电网供电费，而镍氢电池每提供1千瓦时电能的成本分别为9.6元和65440元。
目前国内市场用柴油机发电，价格大致在3元/千瓦时。如果用汽油机发电，供电价格估计为4元/千瓦时，即铅酸电机提供的电能价格与柴油机大致相当。仅考虑获取能量的成本，铅酸电池相对于汽油机有一定的价格优势，但由于过于笨重，充电时间长，所以只广泛应用于各种轨道车、高尔夫球车和时速低于50 km/h的高尔夫球车上，实践证明，铅酸电池在这个低端产品市场具有很强的竞争力和实用性。
镍氢电池的主要优势是寿命相对较长，但由于金属镍占其成本的60%，镍氢电池的价格居高不下。锂离子电池技术发展迅速。近10年，其比能量从100Wh/kg提高到180Wh/kg，比功率可达2000W/kg，循环寿命可达1000次以上，工作温度范围可达-40 ~ 55℃。。
近年来，由于锂离子磷酸铁电池的研发取得重大突破，电池的安全性有了很大提高。目前，许多发达国家已经将锂离子电池作为电动汽车动力电池的主要方向。中国具有锂资源优势，2004年锂电池产量已占全球市场的37.1%。据预测，2015之后，锂离子电池的性价比有望达到可以与铅酸电池抗衡的水平，成为未来电动汽车的主要动力电池。
图1是国内外各类纯电动汽车的量/性能和性价比曲线。由于其低成本，低性能车辆，如电动自行车，仅在2006年中国就达到了2000万辆的年产量。美国通用汽车公司生产的impact 1电动跑车虽然达到了大功率，但由于价格昂贵，只生产了50辆。我国低性能的轨道车年产量约为7000 ~ 8000辆；天津清远电动车公司生产的微型电动车，最高时速只有50km/h，年产量1000多辆，可能是目前市场上可以接受的纯电动车性能上限。以上电动车均采用铅酸电池供电。随着高性能锂离子电池的性价比越来越高，未来5 ~ 10年，市场上可能会出现最高时速≥100km/h、续驶里程≥250km的高性能纯电动汽车。
3.混合动力电动汽车
由于动力电池驱动的纯电动汽车性价比长期远低于传统内燃机汽车，难以与传统汽车竞争。自20世纪90年代以来，各大汽车公司开始开发混合动力汽车。日本丰田公司在1997率先向市场推出普锐斯混合动力汽车，并在日本、美国和欧洲国家市场取得巨大成功，累计产销量超过60万辆。随后，日本的本田、美国的福特、通用汽车和一些欧洲大公司也向市场推出了各种类型的混合动力汽车。
3.1发展全混合动力电动汽车的必要性
混合动力汽车是指有两个以上动力源，其中一个能释放电能的汽车。根据混合动力模式的不同，混合动力汽车可分为串联式、并联式和混联式。根据混合程度(电机功率与内燃机功率之比)的不同，可分为微混合、轻混合和全混合三种。其中，外置式带传动起动机/发电机(BSG)是微型混合动力汽车的典型结构，其电机功率一般只有2 ~ 3 kW，依靠发动机的停止和断油功能，可节油5 ~ 7%。在发动机曲轴后端增加一个电动/发电机盘式电机(ISG)是轻度混合动力电动汽车的典型结构。具有纯电驱动功能，可视为典型的全混合动力或混联式混合动力汽车。丰田普锐斯车就属于这种全混动车。目前国内几家汽车企业开发的混合动力汽车多采用ISG轻混或BSG微混方案，主要是因为这两种方案的技术难度和生产成本都比较低。但根据研究，混合动力汽车的节油率几乎与汽车动力和汽车生产的混合程度成正比。因此，从长远来看，发展全混合动力电动汽车是必然趋势。
4.外置插电式混合动力汽车
外插电式混合动力汽车是最新一代的混合动力车型，近年来受到各国政府、汽车公司和研究机构的广泛关注。国内外专家认为，PHEV有望在几年内得到广泛应用。
据统计，超过80%的法国城市居民驾驶里程不到50km，在美国，超过60%的汽车司机驾驶里程不到50km，超过80%的人驾驶里程不到90km。PHEV特别适合每周只开车上下班5天，里程50 ~ 90km的工薪族。PHEV在混合动力汽车上增加了纯电动行驶工况，并增加了动力电池的容量，使PHEV在纯电动行驶工况下可行驶50 ~ 90 km。如果超过这个里程，就要启动内燃机，采用混合动力驱动模式。因此，PHEV的电池容量一般为5 ~ 10 kW·h，约为纯电动汽车电池容量的30 ~ 50%，是一般混合动力汽车的3 ~ 5倍。可以说，PHEV是混合动力汽车和纯电动汽车之间的过渡产品。与传统的内燃机汽车和普通混合动力汽车(HEV)相比(见表5)，PHEV更依赖动力电池驱动车辆，因此其燃油经济性进一步提高，二氧化碳和氮氧化物的排放量更少。由于动力电池容量的增加，每辆车的价格比一般的HEV至少高2000美元。
图3显示了四种不同类型的客车，它们的电池容量与汽车价格、燃料消耗和废气排放进行了比较。可以看出，随着电池容量的增加，汽车价格会上涨，但油耗和尾气排放会降低。因此可以认为，电动汽车是以使用和磨损电池为代价来节油减排的，动力电池性价比的大幅提升将是电动汽车快速普及和使用的关键。
一般HEV动力电池的SOC只在很小的范围内波动(比如2% ~ 3%)，所以循环寿命很长，而PHEV动力电池的SOC必然在很大的范围内波动(比如40%)，属于深充深放，所以循环寿命短很多，类似于纯电动汽车(PEV)。目前，PHEV使用先进的锂离子电池。从表1可以看出，锂离子电池每释放1kWh的电能，能耗为10.2元，相当于内燃每千瓦时能耗的三倍。随着全球油价的上涨，燃油内燃机的能耗也会增加，而锂离子电池的能耗会随着技术进步和产量扩大而降低。
5.燃料电池电动汽车
早在1839年，英国人格罗弗就提出了氢氧反应发电的原理。20世纪60年代开发出液氢液氧燃料电池，由美国UTC公司首先用于航空航天和军事用途。近20年来，由于石油危机和日益严重的空气污染，以质子交换膜为代表的燃料电池技术受到了世界各国的普遍关注。主要的跨国汽车公司已投入巨资开发各种类型的燃料电池电动汽车(FCEV)。
5.1质子交换膜燃料电池的主要优点(PEMFC)
(1)其排放产物为水和蒸汽，零污染；
(2)能量转换效率可高达60-70%；
(3)无机械振动、低噪音、低热辐射；
(4)宇宙75%的质量是氢，地球上几乎到处都是氢。氢也是最轻的化学元素，具有最好的导热性和可燃性。
(5)氢气的热值很高，1kg氢气的热值相当于3.8L的汽油。
5.2燃料电池电动汽车存在的技术和经济问题
在中国，科技部在第十个五年计划和第十一个五年计划中将燃料电池公共汽车和燃料电池汽车的研发列为" 863 "重大科技项目。并取得了一系列重大科技成果，但在多年的科研实践中，也暴露出一些技术和经济问题:
(1)燃料电池发动机耐久性短。
一般只需要1，000 ~ 1，200小时(国外最多2200小时)。燃料电池车行驶4 ~ 5万公里时，功率会下降~ 40%，与传统内燃机一般能行驶50万公里以上有很大区别。
(2)燃料电池发动机的制造成本仍然很高。
一般估计在30000元/kW(国外成本在3000美元/kW左右)，与传统内燃机仅200 ~ 350元/kW相比差距巨大。因为质子交换膜、碳纸、铂金属催化剂、高纯石墨粉、氢气回收泵、加压气泵等关键部件都是进口的，与国外相比没有成本优势；
(3)燃料电池发动机对工作环境的适应性差。
国产产品可以在0 ~ 40℃的温度下工作，0℃以下有结冰问题，40℃以上过热不能正常工作；此外，它对空气中的粉尘、一氧化碳、硫化物非常敏感，铂催化剂容易被污染和中毒。
(4)燃料电池汽车的使用成本过高。
比如高纯(99.999%)高压氢气(>:200辆大巴价格约80 ~ 100元/公斤。按照1kg氢气可产生10 kW·h电能计算，仅燃料成本约为10元/kWh，按照燃料电池发动机工作寿命1000小时计算，折旧成本为30元/kWh。所以总动力成本高达40元0kWh，对比表1可以看出，至少在目前，燃料电池发动机提供1kWh电能的成本远远高于各种动力电池，从一个侧面反映出燃料电池汽车作为汽车的动力源还有相当的距离。
5.燃料电池电动汽车的研究热点。
虽然存在这么多问题，但燃料电池仍然是迄今为止人类发明的最清洁、最安静、可无限再生的能源，值得我们付出更大的努力来实现燃料电池电动汽车的产业化。
6.电机和电动轮
电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。目前，广泛使用的电机有四种:DC无刷电机、永磁无刷电机、交流感应电机和开关磁阻电机。美国和德国开发的大多数电动汽车使用交流感应电机。主要优点是价格低，效率高，重量轻，但起动转矩小。日本开发的电动汽车几乎都使用永磁无刷电机。它的主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点，但价格较贵。一般永磁材料只能耐热120℃以下。开关磁阻电机在结构上比较新颖，具有结构简单、可靠、成本低、起动性能好、无大冲击电流等优点。它具有交流感应电机变频调速和DC电机调速的优点，缺点是噪音大，但仍有改进的空间。
但是对于电动汽车来说，由于电能是由各种电池提供的，价格昂贵且珍贵，所以使用效率最高的永磁无刷电机更为合理，这种电机已经广泛应用于功率小于100kW的现代电动汽车。
此外，国外越来越多的电动汽车采用了先进的电动轮(又称轮毂电机)，用电机(多为永磁无刷)直接驱动车轮，因此没有传统汽车的变速箱、传动轴、驱动桥等复杂的机械传动部件，汽车结构大大简化。但要求电机在低速时有很大的扭矩，尤其是军用越野车，要求电机基础转速∶最高转速=1∶10。近年来，美、英、法、德等国已将电动轮技术应用到军用越野车和轻型坦克上，并取得了巨大的成果。例如，美国海军陆战队在“悍马”的基础上开发了一种新的混合动力越野车，命名为“影子”，采用了电动车轮技术。与传统的“悍马”相比，在同样的侦察试验条件下，“悍马”耗油472kg，而“影子”仅耗油200kg。同样的越野路段，悍马跑了32分钟，而暗影只用了13分50秒。此外，它还具有纯电动模式下静音、无“热痕迹”的优点。如此优异的性能，据报道，美国军方已经决定停止生产传统的悍马车，代之以新型混合动力电动轮驱动的“影子”军车。这一重要发展趋势应引起高度关注。
7.结束语
(1)由于铅酸电池的供电成本与柴油机大致相当，因此仍是低端电动车市场的主要动力电池。磷酸锂离子电池技术进步很快，最有可能成为铅酸电池的竞争对手，率先成为高端电动车市场的主力动力电池。
(2)由于混合动力汽车只需配备纯电动汽车1/10容量的动力电池，整车性价比接近市场，在不久的将来仍将是实现产业化的主要电动汽车类型。考虑到我国国情，仍应大力推广使用混合动力客车，进一步降低制造成本，减少油耗和排放；
(3)锂离子电池性价比进一步提高后，外插电式混合动力汽车(PHEV)有望成为上班族的理想乘用车，可大幅降低油耗和排放，但由于价格较高，可能会先在发达国家推广应用；
(4)虽然燃料电池是一种理想的清洁能源，但目前其性能价格比太低。要达到能进入市场的性价比，任重而道远，必须在基础材料和基础理论上有重大突破，才能进入汽车市场。