1.3.2 纯电动汽车发展的关键技术

纯电动汽车是一个涉及多学科技术的复杂系统，包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和电化学技术等。为实现纯电动汽车高效节能与安全舒适，就要突破高能量、高安全及全气候动力电池技术、高效电驱动及智能网联等一系列关键技术。

1.3.2.1 高能量、高安全动力电池技术

动力电池是纯电动汽车的动力源，对纯电动汽车普遍采用的锂离子动力电池系统的要求为高比能、高安全、高可靠、高稳定、长寿命宽温区以及低成本等。

国家“十三五”规划对单体电池的技术目标为：能量密度大于300W·h/kg，循环寿命大于1500次，成本低于0.8元/W·h。对全固态锂离子动力电池的技术目标为，能量密度大于500W·h/kg，循环寿命大于1500次或60万km。这就要求从动力电池本体研发上，改良正负极材料、隔膜和电解液，并提高制造工艺。

为保证持续高效的动力，不仅动力电池技术需要提高，动力电池管理系统也很重要。如果动力电池管理不当，则会严重影响使用安全和循环寿命。例如低温环境、热冲击等都会加剧单体差异化，使动力电池寿命缩短，而锂离子动力电池连接或充放电不当都可能导致严重安全问题。因此，鲁棒性高的动力电池连接、充放电控制以及合理的热管理和能量管理都是保证动力电池寿命，规避安全隐患的关键技术。

宁德时代高比能快充锂离子动力电池采用石墨负极材料，运用孔道优化和“快离子环”技术，在石墨表面打造一圈高速通道，大幅提高了锂离子在石墨负极的嵌入速度，可实现10～12min充电80%SOC，结合正负极极片的晶体取向和容量过量系数等参数调配，配套机械件、热管理和快充BMS设计，使化学体系和动力电池设计参数达到最优匹配，在实现快充的同时保持高能量和长寿命等特点。图1-36所示为高比能快充锂离子动力电池。

1.3.2.2 全气候动力电池及动力电池热管理技术

相较燃油汽车，纯电动汽车耐低温性能差，低温工况容易出现续驶里程缩短及动力性能降低等问题。动力电池低温性能差是导致这些问题的主要原因。如何提高动力电池的低温性能，开发全气候动力电池系统，成为纯电动汽车研究的关键问题之一。

全气候动力电池系统研发主要包括全气候动力电池组及动力电池管理系统研发。在全气候动力电池组研发方面，通过动力电池加热技术，可在低温环境下将动力蓄电池温度在短时间内加热至适合其工作的温度，从而提升动力电池组的低温性能。目前主要有电阻加热、液冷式加热以及新型全气候动力电池组应用的内电阻自加热等方式。其中，电阻式是采用流过电阻时产生的大量欧姆热，通过电阻与动力电池直接接触对动力电池进行加热。目前，常采用金属膜加热，通过外部加热电源对金属膜通电，实现低温加热过程。液冷式加热是与动力电池液冷系统集成实现的低温加热方案。低温环境下，外部热源对液冷系统中的液体进行加热，高温液体通过动力电池系统内部的液冷管道流动，实现对动力电池的低温加热过程。除此之外，北京理工大学孙逢春院士团队与中信国安盟固利公司合作开发的新型全气候动力电池组，从新型内阻自加热单体电池、先进成组技术以及动力电池加热回路等方面入手，实现了动力电池的快速加热。内阻自加热单体电池在现有锂离子动力电池结构的基础上，增加了一个第三极，即快速加热极（金属箔），其结构如图1-37所示。

在低温条件下，当需要进行动力蓄电池加热时，开关闭合，电流被强制流过金属箔，产生大量欧姆热，动力蓄电池快速加热。加热到最佳工作温度后，开关断开，锂离子动力蓄电池正常工作。

目前电动汽车行业对动力蓄电池常用的三种热管理方式的优缺点与加热性能见表1-14。

1.3.2.3 高效电驱动技术

电驱动系统利用动力电池提供的能量，通过包括驱动电机、电机控制器和传动系统在内的一系列零部件实现车轮驱动及车辆行驶。作为车辆关键系统，电驱动系统决定了纯电动汽车的动力性、经济性等重要性能指标。在纯电动汽车续驶里程较短及能量补充不便的背景下，电驱动系统的高效运行显得尤为重要。近年来，基于碳化硅（SiC）材料的功率逆变控制技术、一体化动力传动技术和分布式驱动技术等成为研究应用热点。

基于SiC材料的宽禁带半导体与常规半导体器件对比如图1-38所示。SiC材料应用是实现功率逆变控制器功率密度提升、效率提升和成本减半的关键要素。全SiC控制器功率密度比Si控制器提升2倍以上，采用SiC半导体的功率逆变控制器将进一步提升电驱动系统性能。特斯拉开发并量产了基于SiC MOSFET的大功率电机控制器，它具有开关频率高、耐热性能好、损耗低的优势，并可使电机进一步小型化和轻量化，已大批量应用于Model 3纯电动汽车。

驱动转矩从电机输出后，还要经过变速器、传动轴等才能传递到车轮上，高效传动是高效驱动必不可少的一部分。传动系统采用变速器不仅能为车辆行驶提供行驶动力，还能根据驾驶人意图和车辆行驶状态提供不同的行驶档位，以提高纯电动汽车的动力性与经济性。作为纯电动汽车，传动系统匹配的好坏直接影响电机的功率能否最优发挥，以及电机是否经常在效率最高的转速范围内工作，因此选择良好的换档控制策略至关重要。为提高效率，可选用自动机械变速器（AMT），实现车辆动力性的大幅提高，使低速加速和爬坡电流降低50%，且能耗降低5%～10%。

此外，动力系统构型的演化历程由直驱发展到带自动变速器的动力总成、无动力中断的动力总成、分布式驱动系统等多种构型。而构型多样化的同时，也带来了整车控制策略要求更高、驱动控制问题复杂等难题。

在分布式驱动技术方面，米其林研发出一款将轮毂电机和电子主动悬架都整合到轮内的驱动/悬架系统，如图1-39所示。比亚迪汽车高效大功率轮边驱动系统如图1-40所示，其关键技术包括电机与驱动桥轮边深度集成技术、电机铁心直冷技术、分布式精准控制技术和IGBT复用融合技术等先进创新技术，解决了纯电动城市客车全通道低地板的技术难题，已大批应用在纯电动城市客车上。

1.3.2.4 高带宽整车智能电控平台技术

随着电子电气技术的不断发展，纯电动汽车相继引入了动力电池及充放电控制、驱动电机控制、电动空调、电动助力制动及电动助力转向控制等系统/装置，以及车辆关键状态数据上传与存储等功能。这些电控功能的引入，使车辆控制部件越来越多，相互之间的通信与控制传输需求增大。

在此背景下，大量数据的快速交换、高可靠性及成本要求使电动化底盘必然向深度网联化的方向发展，高速CAN FD总线通信、以太网通信和域控制器等先进技术正走向大规模产业化应用，纯电动汽车的整车电控平台需要有更高的功能带宽[15]。图1-41所示为博世（BOSCH）提出的整车电子电气架构规划。

整车智能电控平台的关键技术包括动力与底盘控制器、高级辅助驾驶控制器等域控制器技术，以及以太网、CAN FD等新型通信总线技术等。域控制器能融合本域内所有相关传感器信息，进行控制决策后，将执行命令发送到执行器。因此，要求域控制器具有较高的数据运算与处理能力，且具备多路通信接口、控制线接口。以自动驾驶域控制器为例，它需要具备多传感器融合、定位、路径规划、决策控制、无线通信和高速通信能力。通常需要外接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达以及IMU等设备，完成的功能包含图像识别、数据处理等。为满足可靠、高效数据传输需要，CAN FD通信总线以其高速率、低成本、高可靠性的优点，正越来越多地应用于车辆实时控制。此外，更高速率的以太网通信也已经在部分量产车型上应用。

1.3.2.5 基于电动助力的能量回馈式制动技术

在城市行驶工况中，直接驱动车辆运行的能量大约有1/3～1/2在制动过程中耗散。能量回馈式制动技术可对这部分耗散的能量加以回收利用，显著延长纯电动汽车一次充电的续驶里程。

由于来自电驱动系统的回馈制动力受到车辆状态、动力电池和电机特性的影响，需实时对摩擦制动力进行调节，以满足总制动力需求，这是能量回馈式制动系统要重点关注的问题。能量回馈式制动系统的两个主要任务是调节轮缸制动压力和维持制动踏板感觉。近几年，出现了一种基于电动助力的能量回馈式制动技术，并开始在纯电动汽车上应用。不同于基于EHB的能量回馈式制动技术，基于电动助力的能量回馈式制动技术采用电机直接推动制动主缸的思路，摒弃了高压蓄能器，避免了泄漏风险。

基于电动助力的能量回馈式制动系统（图1-42）利用踏板行程传感器感知驾驶人制动需求，进而控制电机直接驱动传动机构，与制动踏板推杆一起，经过耦合机构，一同推动制动主缸活塞建立制动压力，制动主缸中的制动液经过液压调节单元进入制动轮缸。位于耦合机构中的踏板力补偿器可消除踏板力的变化，保证制动踏板感觉。当压力供给单元失效时，制动踏板仍可直接推动制动主缸，产生足够的制动力来满足制动法规。

基于电动助力的能量回馈式制动技术的难点在于电机和减速机构，要求电机体积小、转速高（每分钟超过1万转）、转矩大、散热好，还要求减速机构加工精度高，同时要与主缸液压系统一起进行系统优化。

目前，该技术的典型产品有德国Continental公司的MK C1（图1-43）和BOSCH公司的iBooster（图1-44）。博世（BOSCH）公司的系统方案是由iBooster提供电动助力，由ESP进行轮缸制动力调节。而Continental公司的MK C1则更进一步，电动助力机构与摩擦制动力调节机构被高度集成至一个小型轻量级制动模块中。

基于电动助力的能量回馈式制动技术高度匹配纯电动汽车制动系统的需求，消除了对电动真空泵助力的依赖，实现了制动踏板与制动系统执行机构的解耦，解决了摩擦制动力调节与制动踏板感觉模拟的矛盾，为制动能量回收提供了最佳解决方案，是未来电动汽车制动技术的发展方向之一。

1.3.2.6 基于超轻质材料的轻量化技术

汽车的轻量化是指在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量。在纯电动汽车领域，车身及动力电池的轻量化，能有效提升整车的续驶里程及能量利用率。相关研究表明，纯电动汽车每减少100kg重量，续驶里程可提升10%～11%，还可减少20%的动力电池成本及20%的日常损耗成本[16]。即在不考虑其他影响因素的情况下，轻量化可有效提高纯电动汽车的续驶里程，减少全生命周期对动力电池的消耗量和动力电池使用成本。续驶里程的增加和动力电池使用成本的减少，都促使消费者购买和使用纯电动汽车的意愿增加，从而推动纯电动汽车的市场化进程，这使在轻量化方面的改进更加迫切。从国际上看，包括宝马i3、特斯拉Model系列等产品都已经实现了轻量化材料的规模化应用，而在国内，包括吉利、北汽等一大批自主品牌车企都在轻量化道路上进行了一系列积极探索。

采用轻量化材料是车身轻量化设计的重要入手点之一。轻量化材料主要包括超高强度钢、轻质合金和非金属复合材料等，通过使用高比强度、高比模量的材料替换传统汽车用材，实现零件或系统的轻量化。表1-15为典型车用金属材料和非金属材料性能。

从力学性能对比方面不难发现，碳纤维复合材料（CFRP）比强度、比模量高，力学性能突出。同时，其设计自由度高、易于集成，且耐疲劳度强、耐腐蚀性好，更易满足汽车各项性能需求，达到显著的轻量化效果。近几年，CFRP在轻量化车身中的应用比例逐渐增加，同时，应用范围从非结构件向次结构件、结构件逐步拓展，已成为先进轻量化材料的应用热点。以宝马为例，在i3、i8等车型中大量应用了CFRP。其中，i3首次采用CFRP单体式车身，其整备质量仅为1250kg，较传统电动汽车减重250～350kg。实现车身轻量化后，宝马i3获得了更多的动力电池空间及续驶里程，操控稳定性和动力性能也得到显著提升。

应用CFRP轻量化技术是纯电动汽车轻量化的有效手段，但成本高和成型效率低是该技术实现大批量应用的主要阻碍。三维编织（3D-braiding）技术具有材料利用率高、成型效率高两大优势，可使材料利用率从传统成型方法的70%提高至90%，大幅降低材料成本，同时省去传统复合材料部件成型中的“裁剪”和“铺覆”两个加工环节，大幅提高部件成型效率。因此可实现CFRP技术在汽车轻量化领域大批量应用的“降本增效”。北汽新能源基于该技术开发了碳纤维侧围加强梁与前防撞梁部件，如图1-45所示。

1.3.2.7 车内声品质优化设计技术

与传统内燃机汽车不同，纯电动汽车取消了发动机，电机及相关附件总声压级显著降低，动力系统振动量级约为发动机的1/10，动力系统NVH性能有所提升。但由驱动电机取代发动机，又会带来定子和转子谐波激励噪声问题，例如电机48阶、96阶啸叫。此外，在30～100km/h匀加速时，纯电动汽车内部噪声比常规内燃机汽车低8dB（A），声压仅为普通内燃机汽车的40%。同时，内部噪声频率成分也有差异，内燃机汽车中低频动感十足，能感受速度的变化。纯电动汽车无法感知速度变化，缺乏驾驶激情，还会有烦躁的高频声干扰。纯电动汽车存在高频电磁噪声，高频噪声（大于1000Hz）所占比例越高，驾驶中给人的感觉就越“吵”。在消除了发动机噪声后，空调噪声、助力转向泵的噪声反而凸显。受车内热负荷变化的影响，压缩机吸气口附近会产生气流脉动，使压缩机振动加剧，并通过管路传至乘客舱。吸气单向阀可减小此脉动产生的振动和噪声。电子液压助力泵通过支架安装在左前轮前方、左纵梁下侧，通过高压油管及回油管与转向机相连。转向系统采用EHPS电子液压助力转向泵，噪声较大[17]。

驾驶人对纯电动汽车的噪声抱怨已不再是噪声级的高低，而是声品质的水平。提高纯电动汽车乘坐舒适性，离不开上述声品质问题的优化设计。当前，除常规NVH降噪方法外，主动降噪、主动悬置和主动悬架减振技术也开始应用于纯电动汽车车内声品质优化领域。Bose公司在CES2019上发布了QuietComfort主动路噪消减技术，其原理如图1-46所示。根据路噪与车内噪声传感器探测到的噪声信息，降噪控制器控制车内扬声器发出与路噪反向的声学信号，最终消减车内声音。

1.3.2.8 基于人工智能的自动驾驶技术

纯电动汽车的发展，使汽车实现了由机械化向电气化的转型，为下一步向智能网联化的转型提供了电动化的基础平台。线控技术在纯电动汽车上的广泛应用也助力了纯电动汽车的智能化发展。按照SAE L0～L5级自动驾驶分级标准[18]，自动驾驶车辆要有自动制动、自动转向的能力。具体分级依据见表1-16。线控化底盘以其响应迅速等优势，能满足车辆智能化要求。

在目前人工智能、计算机视觉和电子通信等技术快速发展的背景下，国内外研究机构都在重点研究复杂交通环境下的环境信息感知及处理技术、车辆定位技术，以及包括车辆决策、控制技术在内的自动驾驶技术。目前，一些企业的产品已实现L2级自动驾驶，未来将全面向L3及更高等级的自动驾驶技术发展。

特斯拉Model 3的Autopilot系统目前已实现L2级自动驾驶，在驾驶人主动监控的条件下，可实现车道内自动辅助转向、自动辅助加速和辅助制动。传感器包括8个摄像头、12个超声波传感器及前置雷达，各传感器的探测范围如图1-47所示。完全自主驾驶所需硬件已经搭载于特斯拉旗下所有新款车型，未来可向更高等级的自动驾驶技术升级。

1.3.2.9 基于5G的纯电动汽车网联化技术

在复杂交通环境下实现无人驾驶，需要实时处理大量道路环境信息，因此在5G技术发展的背景下，纯电动汽车也将逐步向网联化方向发展，使纯电动汽车逐渐成为移动互联网、物联网、车联网、云计算、能源存储和可再生能源等先进技术的应用平台，为安全、舒适、节能、环保的驾驶方式和交通出行提供综合解决方案。纯电动汽车可通过整合全球定位系统（GPS）导航技术、车对车交流技术、无线通信及远程感应技术和智能交通技术等，实现人与车、车与车、车与充电网络等之间的互动，将道路、交通、车辆和充电网络等全置于计算机的控制下，构成一个复杂且高效的管理系统，形成以城市交通网及车辆之间的信息实时交互为基础的智慧交通平台，向人们提供更为安全、高效的汽车交通网际互联平台[18]。

华为推出的车路一体化网联技术（C-V2X）是基于已有移动带宽网络（3G、4G及5G）的一种车联网技术，总体架构如图1-48所示。未来将构建包括车用无线通信技术、亚米级（甚至厘米级）高精度定位技术、高精度地图生成与更新技术、包括V2V和I2V等部分的车路协同自动驾驶技术、安全隐私技术、人车交互技术、交通状况全面感知技术以及交通信号优化技术等关键技术的协同式智能交通新体系。

总之，纯电动汽车作为新一轮工业革命的标志性、引领性产品，是智能交通（图1-49）、智慧城市的基本单元，是把绿色能源、智能电网、新一代移动通信和共享出行连接在一起的节点，从而推动能源革命、信息革命、交通革命和消费革命，重塑未来愿景。