孙会琴，薛智宏，郭英军，李 斌

（河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018）

1 新能源电动汽车发展背景

随着跨国公司生产能力和核心技术加速向中国转移，中国汽车企业实力也在不断提高，汽车行业进入快速增长期。2009年以来，中国已成为世界最大的汽车市场，2013年汽车销量超过2 000万台。目前，中国汽车每千人平均保有量不足100辆，美国、日本超过400辆，澳大利亚、德国超过500辆。随着经济发展，中国汽车产业仍将保持高速增长。随着汽车保有量的增加，能源消耗也逐年增加，中国对国外石油的依赖性也在不断上升，2013年中国石油对外依存度更是高达58.1%［1］。汽车尾气污染已成为城市大气污染的主要因素，2012年以来中国大面积长时间被雾霾笼罩，尤其是河北省几大城市长期占据中国污染严重城市前几名，空气质量问题日益突出。

为了缓解能源问题，解决环境和空气污染问题，实现中国汽车产业的可持续发展，中国提出了加快发展新能源汽车的指导思想，出台了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》，明确指出了将纯电动汽车作为中国汽车产业战略转型的主要方向。中国政府近几年出台了大量相关政策，对新能源汽车的发展给予支持和鼓励。2013年，国家出台了新能源汽车购置补贴最新政策，给予纯电动汽车最高补助6万元、插电式混合动力最高补助3.5万元的中央财政补贴，同时各地政府积极制定了相应的地方补贴政策，促进新能源汽车健康快速增长［2］。

2 新能源电动汽车分类及发展现状

依据中国《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》的规定，新能源汽车是指采用非常规燃料作为车用动力源，利用车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术和新结构的汽车。在新能源汽车中，电动汽车技术比较成熟，具备了产业化基本条件。新能源电动汽车是全部或部分利用电能驱动电机作为动力系统的汽车，根据车辆动力源不同，分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车3种类型［3］。

2.1 纯电动汽车

纯电动汽车是全部由动力电池提供动力源的汽车。纯电动汽车由底盘、车身、动力电池及管理系统和电机及其驱动系统组成。由于电机具有良好的驱动特性，通过控制器经调速系统改变电机的转速从而调节汽车行驶速度，取代了传统汽车中的离合器、变速箱和发动机，结构简单。纯电动汽车本身没有尾气排放，可以有效减少环境污染，能源转换效率高，具有较好的经济性。

纯电动汽车最早出现于20世纪90年代，但由于电池性能不能满足需求，发展比较缓慢。随着技术更新，电池性能不断提升，高性能锂离子电池研发与应用和电力驱动系统一体化技术不断发展，使纯电动汽车的续行里程、动力性能、快速充电等方面得到了极大提升，加快了纯电动汽车的实用化进程。国内外纯电动汽车的发展方向主要是小型汽车和公交、市政、邮政等公共车辆及特种车辆［4］。

美国通过研发电池管理技术开发的纯电动汽车特斯拉，2013年仅在美国就销量1.87万辆，占据全球领先地位，其续行里程高达502km，电池容量达85kW·h，充电时间5h（220 V），最高时速200 km／h，售后服务8年不限里程。中国生产的比亚迪E6、荣威E50、北汽E150等电动汽车能够满足用户基本需求，技术基本成熟，通过量产可以满足市场需求。目前，中国电动汽车价格较高，运行性能不具有明显优势，2013年纯电动汽车销量仅为1.46万辆。低速电动汽车具有良好环保性能和经济性能，符合中国市场的需求，常用的低速电动汽车主要有微型电动汽车、高尔夫球车、旅游观光车、高空作业车、城市清扫车和警用巡逻车等，2013年产能超过35 万辆，市场需求巨大。

2.2 混合动力汽车

混合动力汽车按混合度分为普通混合动力汽车和插电式混合动力汽车。普通混合动力汽车采用常规燃料运行，增加电池和电动机系统，在起步和加速运行时利用电驱系统提高输出特性，在停车和减速运行时回收能量给电池充电，降低燃油损耗。汽车电池容量较小，无需外接充电电源。普通混合动力电动汽车具有一定的节能效果，但并没有摆脱对石化资源的依赖。插电式混合动力汽车是一种新型的混合动力电动车辆，要求动力电池容量较大，通过外部电源向电池充电，充电后可作为电动汽车行驶，电池耗尽后以普通混合模式行驶，并及时对电池进行充电。插电式混合动力电动汽车更接近纯电动汽车，有效解决了纯电动汽车续行里程和及时充电的问题。

中国自主研发的比亚迪F3DM 是插电式混合动力汽车代表性产品，该车可以在纯电动和混合动力2种工作模式之间切换。比亚迪F3DM 续行里程430km，其中纯电动模式下续行里程可达100 km，混合动力模式下续行里程可达330km，最高时速160km／h。由于价格原因，2013年中国插电式混合动力汽车销量仅为3 038辆。在国家补贴政策的支持下，随着新能源汽车推广力度的加大，插电式混合动力汽车将以其优良的特性引领市场增长。

2.3 燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应将化学能转化为电能，以电机作为动力驱动的汽车。燃料电池在化学反应过程中不会产生有害的产物，能量转换效率是内燃机的3～4倍。从能量利用和环境保护角度看，燃料电池电动汽车是传统内燃机汽车的最佳替代产品，是汽车的发展方向［5］。

燃料电池电动汽车技术具有非常重要的战略意义，世界各国都致力于燃料电池汽车的研究。中国于2012年在同济大学组建了“中国燃料电池汽车技术创新战略联盟”，通过高校、科研机构和汽车厂家的合作，提高科技自主创新能力，攻克燃料电池电动汽车的关键难题。氢气是燃料电池汽车最理想的燃料，由于其在制备、供应、储存等方面存在许多技术问题和安全问题，预计燃料电池电动汽车在一段时间内难以实现产业化。

3 新能源电动汽车关键技术及发展趋势

新能源电动汽车是完全或部分利用电能驱动电机作为动力系统的汽车，其关键技术主要为电机及其控制技术和动力电池及其管理技术。

3.1 电机及其控制技术

电机驱动控制系统是新能源电动车辆的重要执行机构，系统输出特性直接影响汽车行驶的性能指标，电机驱动控制系统的核心部件是电机和控制器。

目前电动汽车的电机驱动控制系统一般采用异步电机或永磁电机组成的交流电机驱动系统。驱动电机通常采用交流电机异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机3种类型，其中异步电机主要应用在纯电动汽车（包括轿车及客车），永磁同步电机主要应用在混合动力汽车（包括轿车及客车）中，开关磁阻电机目前主要应用在客车中［6］。电动汽车的电机驱动系统控制器与工业通用变频器不同，其设计必须满足汽车动力总成机电一体化的要求，满足汽车工业标准，提高全运行范围内转矩、转速控制精度，实现产品系列化和生产规模化。

中国国内车用驱动电机涵盖了5～180kW 功率范围，部分指标达到了国际先进水平，电机功率密度可以达到2.5kW／kg以上，成本降至200元／kW以下。中国在车用电机驱动控制器基础硬件设计和开发工具等方面均与国外有一定差距，主要依靠进口。应该抓住电动汽车产业发展机遇，利用中国在电机生产原材料、人力成本等方面的优势，提高驱动电机性能，开发具有独立自主知识产权的电动汽车电机驱动控制系统。

3.2 动力电池及其管理技术

动力电池是电动汽车的关键部件，要求具有良好的功能指标和经济指标，具有高能量密度、高功率密度和宽工作温度范围，同时要求运行安全性与可靠性高、使用寿命长、环保性能好、无污染，成本控制在600元／（kW·h）以下。

目前常用的动力电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池［7］。铅酸电池生产技术成熟，安全性能好，价格低廉，废旧电池容易回收再利用，既是电动自行车和电动摩托车的首选电源，又是微小型电动汽车的主要电源。镍氢电池性能好于铅酸电池，但是由于成分中含重金属，用完遗弃后会对环境造成严重污染，不应将其作为电动汽车动力电池。锂离子电池是以锂离子为材料的一种高能量密度电池，具有零污染、零排放、体积小和循环使用寿命长等优点，是国内外动力电池发展和应用的趋势。目前，锂离子电池正极材料通常采用磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料，通过不断改进加工工艺提高产品一致性，使动力电池能量密度达到150（W·h）／kg以上，成本降至2元／（W·h）以下，逐步实现动力锂离子电池大规模产业化［8－9］。

为了使电动汽车在最高时速、充电次数和电池成本之间达到令人满意的效果，常用解决方案是采用电池管理系统（BMS）和电池与电容融合技术。电池管理系统负责电池的保护和管理功能，具有防止过充电与过放电、避免深度放电等保护功能，具有良好的热量管理、高电压安全管理、汽车CAN 通信和电磁兼容性（EMC）管理等功能［10］。电池与电容融合技术利用超级电容具有充电快、无记忆充放电、充放电循环次数高、无二次污染的特性，配合锂离子电池储电量大、储存时间长的优点，克服超级电容放电快和锂离子电池充电时间较长的缺点，可以将电动汽车一次充电行驶距离提高至300km、运行速度达到100km／h，明显提高行使过程中的能量回收效率［11］。电池管理系统和电池与电容融合技术是电池产业发展的关键技术。

4 河北省新能源电动汽车产业基础

河北省地理位置优越，矿产资源丰富，工业发展势头良好，高新技术产业形成规模，新技术研发投资力度大，政府产业发展政策明确，为河北省新能源电动汽车发展提供了坚实的基础。

4.1 良好的新能源汽车工业基础

河北省汽车产业基础好，拥有国家公告的汽车制造和民用改装汽车企业76家，河北长城汽车、河北长安、中兴汽车、河北红星和河北长征5家汽车制造企业拥有轿车、皮卡、SUV、载货车、客车生产资质，改装汽车企业71家，具备发展新能源汽车的良好条件。河北长城汽车2013年实现销量75.4 万辆，成为中国自主品牌汽车之首。长城汽车积极投入新能源汽车研发，长城腾翼C20EV 纯电动车型列入国家《车辆生产企业及产品公告》和《国家节能与新能源汽车示范推广应用工程推荐车型目录》［12］。河北长安、中兴汽车等均已进入新能源汽车领域。以河北御捷车业为首的新型低速电动汽车符合市场定位，脱颖而出，2013年生产低速电动汽车超过3 万辆，销售收入达到5.8 亿元，占中国13%的份额。

4.2 完整的汽车配套产业体系

除了整车制造，河北省已初步形成了新能源汽车配套产业体系，产品包括锂离子电池、电池材料、超高性能隔膜纸、电机、控制器和驱动系统等关键部件，发展了河北神州巨电、河北钢中锂能、唐山金能、保定风帆新能源等一批锂离子动力电池生产企业，河北电机、衡水电机等新能源汽车配套电机生产企业，河北首力防爆电机、思达电子等电机控制配套企业，邢台纳科诺尔、朝阳机械等动力电池轧制设备制造企业，石家庄通合电子、保定宇能、唐山优科利尔拥有充电站和充电桩技术，河北金力新能源、邢台力滔、沧州明珠、河北海伟等拥有锂离子动力电池隔膜和正负极材料技术，唐山亿威拥有纯电动车驱动总成技术。

4.3 拥有自主创新能力

河北省在新能源汽车整车、电机及控制器、大容量锂离子电池、高效快速车载充电机等领域拥有一批核心自主知识产权。目前，电机最大功率达到240kW，电池单体最大容量达到500Ah，充电机充电效率达到90%以上，建立了河北省电动汽车工程技术研究中心，电机及其控制技术和电池及其管理技术的研发水平处于国内领先。

4.4 市场空间较大

目前，河北省与北京、天津共同构建京津冀一体化，进入京津冀协同发展的有利时机，既借助了北京、天津的有利资源，同时扩大了消费群体，成为中国市场容量较大的地区之一。随着河北省大气污染综合防治工作的深入，新能源汽车会得到加快推广，基础配套设施逐渐完善，购买动力不断增加，新能源汽车的市场空间将加速扩张。

5 探索河北省新能源电动汽车的发展规划

从国内外的发展现状分析，新能源电动汽车不可能在很短的时间内取代传统燃料汽车。国内大型汽车公司和合资汽车公司以传统汽车生产为主，对新能源电动汽车虽给予高度重视，加大研发力度，但并没有着手投入生产，给了河北省新兴汽车产业公司通过发展电动汽车实现快速超越的机会和快速发展的空间。通过分析电动汽车关键技术及其发展趋势，结合河北省汽车产业基础与特点，制定合理的发展规划，将会推广大规模示范应用，带动产业跨越式发展，最终形成产业链完整、创新能力强、发展势头良好的新能源汽车产业。

5.1 实施电动汽车多元化发展模式

确定实行高速电动汽车和低速电动汽车的差异化发展格局，鼓励以河北长城为代表的大型汽车制造企业以纯电动汽车和混合动力汽车的电驱系统和电池系统为主要突破口，重点发展速度高于120 km／h的纯电动乘用车和插电式混合动力乘用车及其配套系统，培育以河北御捷车业有限公司为代表的低速电动汽车细分产业集群，优先发展低速专用电动汽车产业集群，提升工艺装备水平，形成产业规模。

在河北省范围内建立公交、出租车、邮政车等专用车以及公务和私人用电动轿车的分类推广应用模式。对于新能源电动汽车采用整车销售模式、整车裸车销售、租赁动力电池和整车租赁3 种销售模式［13］，对于基础设施建设探索由电力公司运营或第三方独立运营等多种模式。以市场调节为主，政府合理引导，全面推进新能源汽车在生产、销售和服务等环节的多元化发展。

5.2 加快电动汽车关键零部件的开发

随着电动汽车的推广和普及，对电动汽车零部件的需求将显著增加。目前，中国国内严重缺乏适应汽车电动化发展的零部件研发和生产能力，这必将成为投资的热点。应以电机及其驱动系统和动力电池及其管理系统的关键技术为重点，基于各地发展基础的不平均，合理规划电动汽车工业园区、动力电池工业园区、电机电控工业园区等关键零部件生产基地，整合资源，重点扶植起一批动力电池、驱动电机、控制系统、充电设备等关键零部件生产企业，力争在技术水平和生产规模上达到国内先进水平，满足河北省新能源电动汽车发展需要。

5.3 优先有序推广低速电动汽车

从可持续发展和技术跨越的角度看，电动汽车的发展应该从低速电动汽车起步。低速电动汽车成本合理，使用经济便利，符合二、三级市场以及农村地区的用车需求；技术适用性较好，适应当前电动汽车关键零部件技术发展水平；低速电动汽车充电设施投资成本低，建设时间短，制约因素少，市场发展潜力巨大。为了规范市场秩序，应参照国外低速电动汽车技术标准，抓紧制定低速电动汽车通用技术标准和电动汽车准入管理规则，确保电动汽车产业合理有序发展是河北省发展新能源汽车的重要环节。

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