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电动汽车技术的可持续选择
摘要
在这项工作中，对电动车技术和相关充电机制进行了概述。该评论涵盖了与电动车有关的广泛主题，例如这些车辆的基本类型及其技术特征，燃料经济性和二氧化碳排放量，电动车辆充电机制以及电网到车辆和车辆到电网结构的概念。详细讨论三种主要类型的电动车辆，即混合动力电动车辆（HEV），插电式电动车辆（PHEV）和全电动车辆（FEV）。这两种车型之间的主要区别在于，对于最后两种车型，电池可以外部充电。另外，FEV仅在电池充电时操作，并且因此总是采用需要高功率，高能量电池组的电量消耗操作模式。另一方面，插电式混合电动汽车提供车载电池充电和充电消耗或充电维持运行模式的可能性。最后，由于内燃机的存在，作为第一种要制造的电动车的HEV与PHEV和FEV相比提供更高的行驶范围。尽管电动汽车的油罐车效率表明它们比传统的汽油车具有更高的燃料经济性，但是为了考虑燃料经济性和二氧化碳排放量这些车辆的电力消耗的影响。从全周期分析的角度来看，可用于给电池充电的电力必须由可再生或干净的来源产生，以使这些车辆具有零排放。另一方面，当电力汽车由传统技术发电厂（例如石油或燃煤电厂）产生的电力再充电时，它们可能产生与传统汽油车辆相等或有时更多的温室气体排放。
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1.介绍
人们越来越担忧气候变化和能源供应安全，推动交通运输行业从化石转向替代燃料和能够实现长期可持续性的新型电动车辆推进系统。全球四分之三的运输温室气体排放来自公路运输。运输部门特别容易受到石油供应中断和价格波动的影响，尽管有害排放物排放量大幅减少，但对空气质量和噪音的担忧，特别是在城市地区也正在考虑之中[1]。
电动汽车是大幅减少道路交通排放的有前景的技术。这是减少乘用车和轻型商用车的二氧化碳（CO2）排放，空气污染物和噪音的重要因素。与此同时，正在开发的电动客车还没有与传统的汽车技术竞争[2]。成本仍然很高，电池技术仍处于发展阶段，导致诸如电池技术，对排放的影响，与发电的相互作用和成本以及大规模引进的商业案例等关键问题存在许多不确定性。
在这项工作中，对电动车技术和相关充电机制进行了概述。该评论涵盖了与电动车有关的广泛主题，例如这些车辆的基本类型及其技术特征，燃油经济性和二氧化碳排放量，电动车充电机制以及电网对车辆和车辆到电网架构的概念。
第2节详细讨论了电动汽车的类型及其运行情况，第3节给出了比较评估。 在第4节中，介绍了当前和未来的车辆充电方法和基础设施，并在第5节讨论车辆对电网技术作为电动车辆的未来潜在选择。第6节总结了这些结论。
2.电动车的种类
目前有三种主要类型的电动汽车已经从示范到制造过程的生产阶段[3]。这些显示在表1中，它们是混合动力电动车辆（HEV），插电式电动车辆（PHEV）和全电动车辆（FEV）。这两种车型之间的主要区别在于，对于最后两种车型，电池可以外部充电。
2.1.混合动力电动车
HEV是一种混合动力汽车，它结合了两种不同的动力源来提供动力。这两种动力源是传统的内燃机（ICE）和电池/电动机系统，如图1所示。电池和电动机系统的存在旨在实现更好的车辆燃料经济性或更好的性能传统的ICE车辆。基本上实现了这一点，因为低效率ICE现在与更高效的电源（如电池）结合使用。目前，汽车市场中存在各种HEV类型，并且具有不同程度的独立ICE /电动机操作。诸如ICE和电动机等部件的尺寸可以显着影响HEV的控制策略。电动机的最大功率与动力传动系的最大功率之间的比率称为混合比。高杂交比导致大的电路（电动机和电池）和小的ICE。另一方面，低杂交比导致电路较小，ICE较大[4]。简化版本的混合动力传动系统是所谓的轻度混合动力车，它具有一个集成的起动发电机（ISG），而不是电动推进电动机。
通常情况下，HEV配备有标准ICE和连接到电动机的电池组[5]。通过利用具有传统燃料（通常为汽油）的ICE和/或通过使用来自发动机的电力的电力模式，全HEV能够以常规车辆变速器模式执行
表格1
电动车的类型。
|
汽车类型 |
内燃机 |
电池充电 |
|
混合动力电动车 |
是 |
机载（内部） |
|
插入式电动车 |
是 |
板上（内部）和/或外部充电 |
|
全电动车 |
否 |
外部充电 |
图1.典型混合动力电动汽车（HEV）的过程图[85]
通常情况下，HEV配备有标准ICE和连接到电动机的电池组[5]。 通过利用具有常规燃料（通常为汽油）的ICE和/或通过使用来自电池的电力来驱动电动机的电力模式，全HEV能够在常规车辆变速器模式中执行，如图1 。HEV的基本特征是电动机/发电机系统，其（a）当用作发电机时产生电力来充电，（b）当用作电动机时，通过转动车轮[6]来驱动车辆。通常，传统的HEV是充电保持的，即在驱动时，它们将电池维持在大致恒定的充电状态，并且充电仅通过与电动机/发电机耦合的ICE的车载发电或者通过再生制动重新捕获动能。
2.1.1。操作模式
在典型的电动模式操作中，电动机/发电机使用来自电池组的电力，并且在起动时以及在低车速和加速度下作为电动机来驱动车辆，其中它提供高扭矩，如图2所示[7] 。只有在需要更高的速度，更快的加速度或更多的电力给电池充电时，ICE才能在低车速时提供低扭矩，并且由作为起动器的电动机/发电机自动启动[8]。这种车辆操作的组合模式允许ICE仅在高效率下使用，并且通常在交通停车处被关闭，而无论如何，这是非常低效的。在ICE关闭的情况下，电池组提供任何辅助电源要求，例如空调。因此，与传统汽油车相比，ICE使用的局限性导致了车辆性能优化，并且提高了效率并降低了排放[9,10]。
图2.典型的牵引电动机的性能特征。
2.1.2.电池考虑
HEV电池可以使用电动发电机系统充电，充当发电机，既可以在驾驶时也可以在汽车静止时使用。在这两种情况下，车辆的智能单元都将运行ICE，以便将发电机系统从充电电源提取到电池的地方。最后，电池还可以通过再生制动技术充电。在这项技术中，汽车减速过程中的制动能量被用于给电池充电[11]。在减速期间，再生制动器使车辆的电动机进入倒车模式，并且通过向后行驶，车轮减速。在倒退时，电动机也充当发电机，产生用于给汽车电池充电的电力。再生制动器在低速行驶和停驶行驶情况下（即在城市交通中）更有效。混合动力汽车还采用摩擦制动器作为备用系统，以防再生制动功率不足以完全停止汽车[12]。
混合动力汽车通常使用镍镉（NiMH）电池组，该电池组通常允许充电达到其最大容量的40-60％，以延长电池寿命，并在通过再生制动进行充电时提供备用容量[13] 。典型的电池组输出电压为273.6 V，容量为6.5 A，重量为53.3 kg。每辆汽油加注的总混合动力行驶里程为900-1200公里。基本上，车辆的电动行驶档位是车辆仅通过电池行驶的距离，由电池能量电位确定，而电动模式下可达到的加速度和最大车辆速度由电池确定潜力[5]。然而，由于ICE作为后备电源的连续可用性，并且由于HEV在充电保持模式下运行而不实际耗尽其电池，所以电动行程和最大车速并不是关键参数在混合动力汽车电池设计中考虑与PHEV相比，更重要的是FEV。
图3.典型系列插电式混合动力汽车（PHEV）的过程图[86]。
2.2.插入式混合动力电动汽车
插电式混合动力汽车是交通领域的新兴技术。基本上，它们与HEV类似，因为它们具有ICE和电池组作为提供驱动力的手段。事实上，插电式混合动力车被定义为具有4千瓦时或更高的电池存储系统的混合动力汽车，这是一种从外部来源对电池进行充电的方式，并且能够在电动模式下至少行驶16公里[14]。这些车辆能够运行化石燃料和电力或两者结合，从而带来多种潜在优势，包括减少对石油的依赖，提高燃料经济性，提高动力效率，降低温室气体排放和车辆至（V2G）技术[15]。就效率而言，插电式混合电动汽车有可能比混合动力汽车更有效率，因为更有限和选择性地使用内燃机车可以提高汽车综合效率，并且甚至可以使用内燃机通过仅在高车速下操作才能达到最高效率[7]。
汽油是用于PHEV操作的典型化石燃料，但柴油也可以使用，或者在较小程度上使用乙醇。插电式混合电动汽车不会像HEV那样利用ICE对电池进行充电，这是充电的主要模式。相反，这些类型的车辆具有电池组，其可以通过将车辆插入120/240 V AC的标准电源插座而由电网完全充电。此外，再生制动也是PHEV的一项功能，它也可以提供车载电池充电选择。一些研究发现，当从电网充电时，PHEV可能在整个燃料循环中排放的二氧化碳和其他污染物比传统的内燃机车和混合动力汽车[16]少。因此，如果电网电力实际上是比汽油或柴油燃料更清洁的运输燃料来源，PHEV可能减少许多地区交通运输部门的排放影响[17]。这意味着用于发电的燃料混合物的排放量必须比传统汽油车的平均排放量少。与HEV相比，PHEV可提供25-55％的NOx减排，35-65％的温室气体减排和40-80％的汽油消耗减少[7]。特别是在温室气体排放方面，插电式混合电动汽车的一个重要优势，或者说在这个问题上，用于供电的电力可能来自任何能源组合，包括零排放可再生能源，如水电，太阳能或风能。在这种情况下，PHEV的温室气体排放量将接近零[18,19]。因此，为了获得插电式混合电动汽车的全部环境效益，其市场占有率应该与零排放发电技术相结合。
2.2.1. 操作模式
目前有三种主要的PHEV设计。 这些是系列，并联和串联/并联设计。 在如图3所示的系列设计中，车辆的车轮仅通过电动机而不是ICE旋转。 ICE仅用于转动发电机，发电机又将电力提供给提供驱动功率的电动机系统[7]。 电池可以存储发动机产生的任何多余电量。 在与HEV设计非常相似的并行设计中，发动机和电动机都可以通过机械耦合独立或甚至同时驱动车轮。 最后，在串联/并联混合动力设计中，车辆可以灵活地在串联或并联模式下运行。
无论设计如何，PHEV都可能提供两种基本的操作模式。这些是电量消耗模式和费用维持模式。可能在某些PHEV中另外提供的这两种模式的变化或组合称为混合模式和混合模式。这些模式管理车辆的电池放电策略，无论设计如何，PHEV都可以提供两种基本操作模式。这些是电量消耗模式和费用维持模式。可能在某些PHEV中另外提供的这两种模式的变化或组合称为混合模式和混合模式。这些模式管理车辆的电池放电策略，其使用对所需电池的尺寸和类型有直接影响。电量消耗模式也用于FEV，允许充满PHEV的电动汽车完全依靠电力运行，直到其电池充电状态被耗尽到预定水平，此时车辆的ICE将被使用[20]。充电耗尽模式的一个细微变化是混合模式的操作，其中ICE在达到电池耗尽水平之前被使用[21]。没有ICE [22]的帮助，混合模式被PHEV所采用，PHEV不具备足够的电力来维持高速，或高于一定值的速度。混合运行模式通常可以增加完全充电的PHEV与单独使用电荷消耗模式相比的行驶距离[23]。充电维持模式与HEV所使用的模式相同，并且以这样的方式组合车辆的两个动力源的操作，即车辆尽可能高效地运行，而不允许电池充电状态移动到预定的窄带之外。如果混合运行模式可用，那么一旦PHEV在电量耗尽模式下耗尽其电量程，它就会自动切换到充电维持模式。
例如[24]，电动车行驶距离为32公里的PHEV可能开始行驶8公里的低速电量消耗模式，然后进入高速公路并以混合模式行驶32公里，使用16公里 与相应的燃油经济性相比，电价范围更大。 然后，驾驶员可能会离开高速公路并在没有ICE的情况下继续行驶8公里，直到完全消耗32公里的电力范围[24]。 此时，车辆可以恢复到充电维持模式另外16公里直到达到最终目的地。这种混合模式跳闸与电荷消耗模式跳闸形成对比，该模式跳闸将首先在PHEV的电池极限内被驱动。
2.2.2. 电池考虑
由于电池是直流设备，而电网电源为交流电，板载直流充电器安装在PHEV内部。 充电器的功率容量仅受实际车辆考虑因素如空间和重量的限制。 实际上，这意味着插电式混合电动汽车通常不带高功率充电器以避免超重[25]。 因此，车外充电器也可根据需要安装在预定位置，如车库或专用充电站[26]。 这些充电器可以处理更多的充电电力，因此可以在更短的时间内给电池充电。 但是，这些充电器的输出通常是直流电，因此需要进行调节以适应特定的车辆电池电压要求。 现代充电站有一个用于识别电池组电压并相应调整充电器输出的系统[27]。
周期数
图4.锂离子和镍氢电池储能技术的循环寿命特性。
如图4所示，与充电消耗模式运行的PHEV相比，混合动力汽车需要更深的电池充电，高达95％，放电高达80％的循环。典型的HEV操作窗口大约为10-20 ％的放电深度，为电池提供了非常多的生命周期，与PHEV [28]相反。另外，PHEV需要更大的电池能量潜力以允许延长电动行驶范围。因此，PHEV需要耐用和更大的电池类型，能够承受深度放电，同时提供尽可能高的完整循环次数和电池寿命[29]。因此，这类车辆需要解决电池寿命，容量，能量，功率，重量以及最重要的成本之间的设计问题和折衷。事实上，与混合动力汽车相比，插电式混合电动汽车的缺点之一是不可避免地增加了电池组的成本，因为它的尺寸和重量必然更大[30]。从本质上讲，PHEV的最佳电池容量取决于目标是减少汽油消耗，电池维护成本还是车辆排放[31]。此外，电池的大小将严重依
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