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中国工程院第三次院士大会学术报告汇编
1997年7月
驶向21世纪的净洁交通工具─电动车的开发策略及关键技术
陈清泉
摘 要21 世纪将是环保的世纪, 人们对环境和能源问题日益关注, 各国政府对空气污染
的控制要求日趋严格, 因而电动车的开发备受关注。本文从分析当前各国开发电动车的
形势和电动车的基本概念出发, 进一步探讨开发电动车的总体策略及关键技术, 特别是
先进的车体技术　电力驱动技术和电池技术。开发电动车的总体策略应该是: 1. 集中汽
车技术、电机技术、电子技术、材料技术等的优势, 进行系统集成和优化; 2. 集中政府
、工业、电力、交通、用户的优势, 进行大协作, 共同分担风险和享受成果。文中列出
了最近各国开发的主要电动车样车。　
引言97年11月在日本京都举行的全球气候变化高峰会议中, 与会的各国政府一致认为全
球气候变暖已成为一个严重的问题。发达国家承诺: 在2012年之前, 将二氧化碳以及其
他五种气体的排放量平均削减5.2%　据报道, 全世界20%的二氧化碳排放量来源於汽车废
气。因此, 为解决空气污染以及二氧化碳而产生的温室效应, 实现21世纪可持续发展战
略, 电动车正面临著前所未有的发展机遇和挑战。　一. 电动车发展所面临的机遇和挑
战当今电动车开发的形势可以概括如下: 1. 电动车的开发将关系到能源、环保、交通和
高科技发展以及新兴工业的兴起, 它将推动整个国民经济的发展, 可能成为新的经济增
长点。从能源角度来看, 电动车将使能源的利用多元化和高效率, 达到能量的可靠、平
衡和无污染利用。从环保角度来看, 电动车是无排放交通工具, 即使计及发电厂的排气
, 从总量上来看, 它将使全球污染大为减少。作为一种交通工具, 由於电动车比传统燃
料汽车更易实现精确的控制, 所以所谓智能交通系统将有可能率先通过电动车实现, 从
而提高道路利用率和交通安全性。因此, 电动车在亚太地区不仅有可能而且也有必要得
到大力的发展, 由於中国具有巨大的潜在的多元化的市场, 以及较好的工业基础, 在电
动车发展方面, 中国可以起带头作用。　 2. 由於全球政治、经济和技术环境的迅速变
化, 国际合作及竞争都进一步增强, 信息和资本的自由流通导致了与以往不同的投资模
式。在这样的形势下, 大型汽车厂商投资开发电动车面临著巨大的风险, 而中小型工厂
跃跃欲试, 但实力欠缺。　 3. 尽管最近亚太区域中的一些国家遭到金融风暴的冲击, 
但整个亚太区域仍将是全球经济发展最快的地区。在发展电动车方面, 亚太地区的优势
在於: 自然资源丰富, 劳动力廉价, 对电动车的性能要求并不苛刻。而且由於原有汽车
工业基础相对薄弱, 因此对建立新的电动车工业体系以及新的基础设施, 来自原有的汽
车工业的阻力较小, 约束也比较小。此外, 亚洲地区的电力主要来自相对清洁的能源。
因此, 亚太区域在发展电动车方面可以说有著得天独厚的条件。　二. 现代电动车学是
新兴交叉学科 虽然电动车的诞生比传统燃油汽车还要早几十年, 但现代电动车的再生得
益於现代科技的发展, 而且具有新的概念及内涵。电动车是电力驱动的车辆, 由电动机
、功率变换器和蓄电池组成其核心部分, 其动力部分的特性与内燃机有本质的不同。电
动车不仅仅是交通工具, 而且是一个新的社会系统, 它涵盖了电机和电子工程、机械和
汽车工程、化学工程、材料工程、电力能源系统、交通运输工程以及环境工程等等方面
。电动车的设计是工程与艺术的完美结合, 它的使用与普及更是复杂的社会系统工程, 
依赖於政府、工业界及用户的共同努力, 制定合理的电动车行驶条件和规范, 充分了解
用户需要以及广泛的宣传教育都是推广使用电动车的必要手段。　 现代电动车学是研究
现代电动车的新兴交叉学科。它的核心是如何最有效和环保地利用电能驱动车辆。其总
体指导思想是将汽车技术、电机技术、驱动技术、电力电子技术、能源储存技术和现代
控制理论有机地结合起来, 实现系统的集成和优化。　 电动车的主要特点可综述如下:
 方便─电动车结构简单, 毋需更换机油、油泵、汽化器等等, 毋需添加冷却水, 它的日
常保养工作极少。 无污染─电动车不会产生废气排放, 亦无机油、冷却剂等污染物。　
 高效率─在都市行车时, 为了等候交通灯, 必须不断地停车和启动, 这既造成了大量的
能源浪费, 又增加了业已十分严重的空气污染。而使用电动车, 减速停车时, 可以将驱
动能量"再生"地转化为电能并贮存在蓄电池中。在停车时, 可以不必让电机空转, 这可
以大大提高能源使用效率, 减少空气污染。无噪音─与传统燃油汽车不同的是, 电动车
的行驶基本上是宁静的。而在大都市, 汽车噪音也已成为一种严重的污染。　 经久耐用
─由於电动车结构简单, 基本上毋需日常保养, 除了定期更换蓄电池之外, 它的使用寿
命比常规燃油汽车长。三. 电动车发展的重大策略问题 电动车的开发的总体策略应该是
充分利用和分享本地的市场和资源优势, 生产出特别适合於市场的性能好、价格合理的
电动车, 并提供有效的基础设施。尽管具体的发展方式会因不同制造商或国家而异, 而
且非常复杂, 但重要的因素是要建立工业界、政府部门和电力部门三者的同盟和伙伴关
系。"一切取决於市场"的说法过於消极, 因为市场仅仅是一个抽象概念, 不同的消费者
的利益和兴趣差异很大。因此, 明智的做法是制造商、政府和电力部门共同孵化市场, 
制订开拓市场的策略。主要发展策略应包括: 1. 充分利用本地区经济增长迅速、资源丰
富和劳动力廉价的优势; 2. 合理地分配市场、自然资源和人力资源; 3. 制定技术规范
、标准以及特别适合亚太地区的新型交通体系; 4. 独的本地化的创新设计概念; 5. 政
府的援助政策和措施; 6. 成立信息中心, 促进经验交流。　 总括来说, 开发电车的总
体策略应该是: 1.集合技术优势: 集中汽车技术、电机技术、电子技术、材料技术等的
优势, 进行系统集成和优化。　 2. 集合社会优势: 集中政府、工业、电力、交通、用
户的优势, 进行大协作, 共同分担风险和享受成果。　 推动电动车发展的动力来源於市
场, 而市场要求电动车尽快走出实验室, 实现商品化。近年来, 各种显示高新技术的电
动车层出不穷, 给人们带来了一个明确的信息: 我们已经走到了电动车时代的边缘, 下
一世纪有可能成为电动车全面发展的世纪。　四. 电动车发展所面临的主要技术问题 成
功实现电动车商品化的关键在於如何生产出低成本、高性能的电动车, 如何带动初期投
资以及如何提供高效率的基础设施。电动车的系统综合优化设计是开发高性能低成本电
动车的关键。目前, 许多所谓电动车实际只是将传统燃油汽车的内燃机及油箱换成电动
机和蓄电池，这类改装的电动车的性能将直接取决於蓄电池。而目前蓄电池的能量密度
远远低於汽油的能量密度, 因此改装车是不可能获得高性能的, 也不可能使电动车在未
来的汽车市场中占有一席之地。在现有的能源条件下, 电动车的基本设计思想是: 1. 从
汽车技术、电子技术和材料技术中筛选出最适合於电动车的新技术, 以控制电动车的能
量消耗; 2. 选择最高效的驱动技术, 使电动车达到最好的运行性能; 3. 根据电动车的
新特点, 设计包括车体在内的各个部分, 使主要部件达到最优的匹配。　 总之, 电动车
发展的一切努力均围绕著最高效地利用有限的能量以增加行驶里程。通过上述优化设计
, 即使在蓄电池性能未能显著改善的条件下, 电动车也能达到令人满意的行驶性能。　
 电动车是由车体、电力驱动、能量储存和能量管理所组成的一个系统, 所涉及的工程技
术是多方面的, 如图1所示。而电动车所采用的部件必须使车辆在恶劣行驶条件和温度变
化极大的环境下可靠地工作, 所需要的关键技术主要有:1. 轻型、坚固、低空气动力阻
力和低滚动阻力的底盘和车体技术;2. 高功率密度和高运行效率的电机驱动技术;3. 高
功率密度、高能量密度和长寿命的蓄电池或其他的储能技术;4. 智能化的能量管理系统
;5. 高效率、高可靠性电池充电系统和基础设施技术。 商业上有生命力的电动车, 应根
据电动车的特点重新设计, 虽然某些部件可以采用现有的, 但由於内燃机与电动机有著
本质的不同, 电力驱动的优点应该充分加以应用。图1 香港大学所研制的新电动车 "U2
001"五. 高性能驱动系统是实现电动车基本性能的关键 电动的驱动系统的作用是将电能
转换为机械能以推动车辆克服空气阻力、摩擦阻力以及动态阻力。对於传统的燃油汽车
来说,其内燃机的转矩转速特性只局限於一个狭窄的范围之内, 车辆所需的转矩转速性能
只能通过齿轮变速来达到, 如图2所示。然而在现代电动机驱动中, 可以通过电子控制做
到很宽的调速范围, 高的恒转矩区以及灵活的恒功率区, 如图3 所示。图2. 内燃发动机
的驱动特性图3. 不同车辆的驱动特性电动车驱动系统的设计, 可以多样化。如可以选择
单电机驱动或双电机驱动; 可以采用轴式电机或轮式电机, 也可以采用减速齿轮或直接
驱动等等。电动车用的电机驱动与一般工业驱动要求不同，工业驱动通常在额定工作点
附近取得最大效率, 而电动车的速度变化宽, 负载变化大, 它对电机驱动的主要要求可
以归纳如下:1. 功率要求:高瞬时功率和高功率密度;2. 转矩转速要求:起动与爬坡时要
求低速高转矩, 而高速行驶时要求高速低转矩, 因此, 要求能够覆盖恒功率区和恒转矩
区的非常宽的调速范围以及快速的转矩响应；　3. 在宽转速、宽转矩运行范围内具有相
当高的运行效率;4. 在各种运行条件下(如高温或低温、恶劣气候及道路颠簸等)具有高
可靠性和坚固性；　5. 合理的价格。 直流电机在传统上一直被用於电动车的牵引驱动
, 但由於直流电机的换向器和电刷需要经常维护, 使得电动车的可靠性被减弱了。随著
先进的电力电子器件及功率变换器、微电子产品、电机的新材料、新结构以及现代控制
技术的兴起, 交流电机驱动已明显优於直流电机驱动, 它在高效率、高功率密度、有效
再生能量回馈、坚固性、可靠性和免维护性等方面均具有明显的优点。　 在交流电机驱
动中, 异步电机应用广、技术成熟; 永磁无刷直流电机功率密度高, 永磁混合式电机在
宽转速范围内有最佳效率; 开关磁阻电动机结构坚固, 起动性好, 效率比较高。以上电
机都是在电动车驱动领域中极具潜力的驱动方式。　 对於低速小功率电动车, 因为性能
要求不高, 可以采用简单的开环控制方式。而对那些高性能的电动车, 不仅要研究先进
的电动机, 而且还要研究先进的控制方法。目前, 那些在工业驱动领域中的控制方法, 
如矢量控制(FOC), 自适应控制(MRAC)和变结构控制(VSC)等等都已被广泛地应用到电动
车的驱动控制中来, 并取得了良好的效果。但电动车的驱动控制有其自身的特点, 如要
求电机能工作在恒转和恒功率区, 并同时保持高效率, 调速范围比较大, 达到0~10000转
/分以上, 鲁棒性要求高, 动态响应要快等等, 因此, 上述工业驱动控制系统必须加以改
造, 方可适用於电动车。从目前的实践来看, 异步电机的矢量控制, 永磁电机采用弱磁
控制都是比较好的控制方法。近年来兴起的变结构控制、模糊控制(Fuzzy)、神精网络控
制(Neural Networks)以及专家系统控制(Expert System)等等新兴的控制方法都不断地
在电动车驱动中被采用, 显示出良好的应用前景。 近年来突飞猛进的大功率电子器件,
 如MOSFET, IGBT, MCT等等, 以及高速多功能微处理器, DSP等的发展都为电动车的先进
控制方法的实现提供了硬件保证。可以说, 功率电子学的微电子学正在电动车的发展中
扮演越来越重要的角色, 而电动车的发展也将为功率电子及微电子提供庞大的的市场。
　六. 电动车发展的瓶颈 ─ 蓄电池技术蓄电池已成为实现电动车市场化的瓶颈。目前
, 已开发的主要蓄电池及其技术性能如表1所示。电动车对蓄电池的主要要求包括: 高功
率密度、高能量密度、高效率、低价格、长寿命、合理的运行环境要求、安全性好以及
可回收性好。铅酸电池是目前业已商品化的可用於电动车的电池之一。新近研制的镍氢
电池和锂离子电池也已显示出其应用在电动车的显著优点。镍氢电池及锂离子电池的能
量密度和功率密度均比较高, 此外, 它们的充电时间较短, 使用寿命长, 原材料蕴藏丰
富并可再生使用, 这意味著自然资源可以得到有效的利用而进一步保护全球环境。图4表
示锂离子、镍氢和铅酸等三种不同的蓄电池的放电效率比较。到目前为止, 还没有一种
新型蓄电池能够在电动车应用中占据主导地位, 各种电池各有千秋, 新型的蓄电池还在
不断发展之中。图4 蓄电池放电效率比较 七. 抓住机遇, 实现突破 由於电动车有著十
分优厚的市场潜力, 世界各国的主要汽车制造商以及研究部门纷纷着手研究开发各种不
同类型的电动车。表2列出了部分近年新近开发的新型电动车的技术数据制从表中可见,
 由於技术的发展, 现代电动车的性能及安全性已大大改善了, 特别是行驶速度和行驶里
程方面已经足以媲美传统的燃油汽车了。随著科技进步, 人们对环保日益重视, 电动车
将再次兴起。在中国, 电动车更有著独特的市场。中国的大都市普遍存在著十分严重的
交通问题和空气污染问题, 这些城市人口稠密, 道路狭窄。因此, 作为一种小型、中速
和短途的日常交通工具, 电动车是十分理想的, 电动车在中国有著得天独厚的发展条件
和广阔的市场, 有可能率先在该地区取得突破性的应用发展。参考文献(1) C. C. Chan
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