A Survey on Electric/Hybrid Vehicles
Bernardo Ribeiro, Francisco Brito and Jorge Martins Univ. do Minho
ABSTRACT
Since the late 19th century until recently several electric vehicles have been designed, manufactured and used throughout the world. Some were just prototypes, others were concept cars, others were just special purpose vehicles and lately, a considerable number of general purpose cars has been produced and commercialized.Since the mid nineties the transportation sector emissions are being increasingly regulated and the dependency on oil and its price fluctuations originated an increasing interest on electric vehicles (EV).A wide research was made on existing electric/hybrid vehicle models. Some of these vehicles were just in the design phase,but most reached the prototype or full market production.They were divided into several types, such as NEVs,prototypes, concept cars, and full homologated production cars. For each type of vehicle model a technical historic analysis was made. Data related to the vehicle configuration as well as the embedded systems were collected and compared. Based on these data future prospect of evolution was subsequently made.The main focus was put on city vehicles and long range vehicles. For city vehicles the market approach normally consists in the use of full electric configuration while for the latter, the hybrid configuration is commonly used. The electrical systems and combustion engines found in these vehicles are compared in order to forecast the evolution trend in terms of specifications and performance of the whole vehicle and of each system.
INTRODUCTION
Environment policy measures are being implemented worldwide aiming at the reduction of emissions of greenhouse gases and other pollutants from the transportation sector.This sector is one of the major emitter and road vehicles constitute the main pollutant sources in cities.Furthermore,vehicles with internal combustion engines are noisy,therefore increasing the level of noise pollution.With this in mind,several locations in the world(e.g.London[1])are introducing policies for the establishment of electric fleets,by offering electrical connection(recharging)for electric vehicles and other advantages such as free parking and no access restriction to inner city areas.These measures resulted in the increasing trade and use of electric vehicles.At the moment it is possible to buy a variety of vehicles,from small NEV(neighborhood electric vehicles)to large delivery vans,obviously including sedan vehicles and even sports cars.Electric vehicles are produced in various locations in the world,with emphasis to North America,Europe,Japan and recently in China([2]).
Following the nomenclature used by SAE, [3,4] an electric vehicle is a vehicle in which its propulsion is accomplished entirely by electric motors only, regardless for the means of obtaining that electric energy. Therefore, what previously was known as a series hybrid vehicle, is now referred to as an electric vehicle, and the expression “hybrid car” is only used for parallel hybrid systems. At the same time, the internal combustion engine used by “series hybrid” to produce electricity within the car is now known by the term “range extender”. In this category lie vehicles using internal combustion engines (turbines included) and fuel cells, as these produce electricity from a fuel such as hydrogen.
Electric cars rely on lead-acid batteries as the energy source for locomotion since the end of the 19th century.These batteries were outdated by the NiMH and Li-ion types,but in terms of the price/energy ratio,lead batteries still rule.Therefore it is common to find lead-acid batteries on the lower priced electric cars.Another conventional disadvantage of batteries is their low power,which is not sufficient to allow for proper brake recovery.These extremely high powers cannot be supplied to batteries but they may be given to supercapacitors or ultracapacitors.Therefore,the use of supercapacitors combined with batteries would allow a strong increase of the potential for braking energy recovery,while additionally extending the life of the batteries,filtering the electric peaks.Lately,innovative nano-materials applied to lithium based batteries[5,6]and carbon based supercapacitors[7]are surfacing,having properties that extend significantly the range of operation of common Li-ion batteries and supercapacitors,enabling huge power for the batteries and significant energy storage for the capacitors.But on the whole,storage is still the major hurdle in the mass production and use of electric cars,as the energy density of batteries is orders of magnitude away from that of liquid Fuels.
Electricity, within the vehicle can also be produced by thermal engines (gasoline or Diesel IC engines, gas turbines or other types) or by any type of fuel cells. In such cases the range of the vehicle is achieved by the batteries plus the range provided by the use of the fuel stored in the car. The energy sources for the thermal engines or fuel cells may vary, from fossil fuels (gasoline, diesel, LPG, NG) to biofuels (biodiesel, alcohols, biogas), or synthetic fuels (Fischer Tropsch fuels), and includes the energy carrier hydrogen. Batteries are a form of chemical storage, but it is possible to use mechanical storage devices, such as flywheels [8]. Recently, Formula 1 cars started using energy storage devices known as KERS (kinetic energy recovery system) that enable cars to recover part of the braking energy and use it during acceleration [9].
Cars with internal combustion engines always use transmission systems to connect the engine to the wheels and a differential in order to allow both wheels to have different speeds when cornering. Electric cars seldom use these devices, as each power wheel may be connected to one electric motor. Furthermore, the speed of each
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纯电动和混合动力汽车分析
Bernardo Ribeiro, Francisco Brito and Jorge Martins Univ. do Minho
摘 要
自19世纪末以来，已经有多种类型的电动汽车设计制造出来，并在世界各地广泛应用。在这些电动汽车中，有的只是原型车，有的是概念车，还有一些只是专用型汽车，不过最近已经有相当数量的通用型电动汽车生产出来并且商业化。自90年代中期以来，交通运输行业的排放量正受到越来越多的监管，石油的依赖性和价格波动也使人们对电动汽车产生了越来越大的兴趣。对现有纯电动和混合动力汽车车型的一个广泛研究表明：虽然一些车辆只是在设计阶段，但大部分形成了原型或完全市场化的产品。主要分为以下几种类型，包括有社区电动车、原型车、概念车，全组生产的汽车。对于每一种车型，已经进行了技术历史分析。对车辆配置以及嵌入式系统相关的数据进行了收集和比较。在此基础上，对未来的发展前景进行了展望，对城市车辆和长途汽车进行了重点研究。对于城市电动汽车来说，通常使用纯电动配置，长途汽车则常使用混合动力配置。从整车和系统的技术参数与性能的角度，将这些车辆中的电力系统和内燃机系统进行比较，以预测电动汽车的发展趋势。
介 绍
致力于减少交通工具排放的温室气体和污染物的环境保护措施正在全球范围内实施。交通工具是主要的CO2排放源，而公路用车是城市内主要的污染物排放源。此外，内燃机车辆噪音非常大，加大了噪音污染。考虑到这些，世界上一些地区（如伦敦[1]）正在制定一些关于建立电动汽车生态系统的政策，通过提供充电设施及其他的一些优势，如免费的停车场和可进入中心城区等。这些措施推动了电动汽车购买量和使用量的增加。目前市场上可以购买到各种电动汽车，从小型的社区型电动汽车到大型的电动运输货车，当然也包括轿车和跑车。世界各地都在生产制造电动汽车，特别是北美、欧洲、日本和最近的中国([2])。
根据美国汽车工程师协会SAE的命名方法，电动汽车是一种完全由电动机产生驱动力的汽车，而获得电能的方式没有限制，可以不考虑。因此，以前众所周知的串联式混合动力汽车，现在被称为纯电动汽车，而混合动力汽车的表达只用于并联式混合动力系统。同时，之前串联式混合动力汽车中用来产生电能的的内燃机已经由更广泛的装置代替。在这一类汽车中包括使用内燃机（包括涡轮机）和燃料电池的汽车，因为燃料电池从燃料中产生电能，例如氢气发电。
自十九世纪末以来，电动汽车一直依靠铅酸蓄电池作为能量来源。这些镍氢电池和锂离子型电池是过时的，但从价格/能量比的角度看，铅酸电池仍然占统治地位。因此，在较低价位的电动汽车上使用铅酸电池是很常见的。电池的另一个传统缺点是它们的低功率，这不足以获得适当的制动力恢复能量。虽然电池不能提供这么高的动力，但是超级电容器可以提供。 因此，超级电容器和电池结合起来使用会得到强大的制动能量回收潜力，并可以延长电池的寿命，过滤电压峰值波动。最近，应用了创新的纳米材料的锂电池[5,6]和碳基超级电容器[7]的堆焊，具有明显扩展普通锂离子电池和超级电容器的运行范围的性能，使电池可以输出巨大的能量，电容器可以显著提高能量储存量。但整体而言，电池容量仍然是电动汽车生产和使用的主要障碍，因为电池的能量密度和液体燃料的能量密度相比低了很多个数量级。
汽车内的电能也可以通过热力发动机（汽油或柴油内燃机、燃气轮机或其他类型）或任何类型的燃料电池产生。在这种情况下，车辆的电能来源范围包括电池和汽车内所储存的可以转化为电能的燃料。
热力发动机或燃料电池的能源来源可能会有所不同，从化石燃料（汽油、柴油、液化石油气、天然气）到生物燃料（生物柴油、乙醇、沼气），或者合成燃料（F-T法合成燃料），并且也包括氢气能源。电池是一种化学能量存储方式，但也可以使用机械能量存储设备，如飞轮[8]。最近，一级方程式汽车开始使用称为KERS（动能回收系统）的能量存储设备，使汽车可以回收制动能量并在加速过程中使用[9]。
使用内燃机的汽车一直用传动系统连接发动机和车轮，并且利用差速器来保证两侧车轮在转弯时有不同的速度。电动汽车很少使用这些设备，因为每个电动轮可以连接到一个电动机。此外，每个电动机的速度可以是相应的车轮的速度，因此，可以不使用传动系统和齿轮。在这种情况下，电机的转速和车轮的转速相差不大，通常会有点小（最大1500 转），这将会导致电动机速度的降低。然而，和内燃机相比，电动机可以有一个更好的功率/重量比，特别是当达到很高的速度（15 000转）。对于较低的速度，电动机具有较低的功率/重量比，但可以安装在驱动轮上，具有明显的优势[10]。一些汽车的电动机通过传动轴与齿轮连接车轮，而其他的只是将电动机和常规布置中的差速器连接。
使用内燃机的纯电动汽车和混合动力汽车往往使用效率更高的循环，例如延长火花塞点火燃烧时间。这个循环，也称为米勒或阿特金森循环，可以扩展更长的压缩冲程，从而使燃烧气体膨胀地更多，因此实现了更高的效率。[11]混合动力汽车依靠内燃机作为主要的驱动系统，安装电动机只是一种动力性的辅助。这些发动机在汽车的正常运行过程中使用了较大的负载/转速谱。然而，电动汽车延伸范围下的新发动机朝着可以更有限的负载和转速范围内工作的目标发展，有时只能在一个或两个条件下工作。[12, 13]这些发动机比传统汽车传统上安装的常用的“加速”发动机效率要高得多，因为它们总是在特定的条件下运行，并且被设计成只在这些条件下运行。在柴油发动机占统治地位的欧洲，一些混合动力汽车使用柴油发动机这些汽车有一个价格劣势，因为柴油发动机比火花点火式发动机更贵。混合动力汽车采用点燃式发动机也比采用柴油机更加有效率，因为在轻负载情况下运行时，点燃式发动机的功率可以有更大幅度的降低。
燃料电池有各种不同的类型，但在汽车中倾向于使用在纯氢中操作的PEM（质子交换膜）这种。在一些情况下，它可以向转化器中提供自然气体，产生的氢气被供给燃料电池。燃料电池的优点有固有的高效率，静音运行和产生的唯一副产品是水蒸气等。在另外一方面，燃料电池是非常昂贵的，很容易被污染而失效，继而需要昂贵的修复。
信息结构
使用微软的访问界面和可视化的基本编程建立一个数据库，利用这个数据库可以存储电动汽车和其动力传动系统/组件如储能系统、电机、控制器、内燃机（在混合动力汽车的情况下）、燃料电池、太阳能光伏板的相关数据。
电动汽车使用几种标准进行分类，有车辆类型，车辆动力配置和车辆存在状态。根据第一种分类标准车辆可分为以下类型：
1、传统的设计（轿车、MPV、SUV、轻卡）
2、电动跑车
3、微型汽车/三轮车
4、社区电动车/四轮车
5、货车和越野车
6、公共汽车
7、卡车
8、赛车、高尔夫球车、沙滩车等
值得注意的是，社区型电动汽车和个人微型汽车之间的区别不在于尺寸大小，而是车辆的性能，社区型电动汽车有最高速度的限定，而微型汽车与其他汽车的不同之处在于它特殊的的尺寸和通常为两人以下的载客能力。两轮车并不包括在这项调查中。第二分类标准是动力总成的配置。当前的研究中包括以下类型：
1、纯电动汽车
2、并联式混合动力汽车
3、插电式并联混合动力汽车
4、带有増程发动机的电动汽车或串联式混合动力汽车
5、燃料电池电动汽车
6、涡轮发电机电动汽车
关于汽车产品的研发现状，常常从每种汽车的工业/市场阶段来分类，如下：
bull;设计概念模型——车辆已经公开发布，但只是设计图或cad模型，没有真实原型车存在。这种状态下的车辆可能只会存在于概念阶段。
bull;概念车（初步改装的）——虽然已经向公众公布，但却没有测试，是在现有车型基础上的改装，只是把原有动力总成改装成混合动力或者纯电动。这种状态下的汽车也可能只会存在于此阶段。这些车辆的改装可以由原汽车制造商或由第三方企业进行。
bull;概念车——虽然已经向公众公布，但却没有测试的汽车，是专门设计的混合动力或者纯电动汽车。这种状态下的车辆也可能只会存在于此阶段。
bull;样品车（初步改装的）——已经向公众公布并经过测试的汽车，是在现有车型基础上的改装，只是把原有动力总成改装成混合动力或者纯电动。这个阶段的车辆通常生产非常少的系列，并在特别选定的地区或市场进行测试。这些车辆的改装可以由原汽车制造商或由第三方企业进行。
bull;样品车——已经向公众公布并经过测试的汽车，向公众展示的汽车和测试，是专门设计的混合动力或者纯电动汽车。这个阶段的车辆通常生产非常少的系列，并在特别选定的地区或市场进行测试。
bull;竞赛车——为了在竞赛中获得好的记录和表现的汽车，通常生产一辆或非常少。
bull;市场准备（初步改装的）——由原汽车制造商在原有的内燃机动力系统的原始模型的车辆基础上设计和生产的，使用混合动力或纯电动动力系统。这些车辆已经出现在市场上，其中某些型号可能已经生产出来了。
bull;市场准备——专门设计的混合动力或者纯电动汽车。这些车辆已经出现在市场上，其中某些型号可能已经生产出来了。这里对593种车辆类型的信息进行了存储和分析，虽然对这些车辆来说不是所有的性能和特点。
考虑到上述车辆类型的分类，前四个车型包括数据库中几乎所有的车辆类型（图1）。最常见的纯电动或混合动力汽类型是轿车和SUV。下面介绍小型社区用电动汽车。
微型汽车（包括三轮车）和跑车也经常使用。跑车也经常用来证明电动动力系统的高效性。这些电动跑车中有很多都是概念车，如下所示：
图1按汽车类型调查的车辆种类数量
如表1所示，数据库内的所有车辆按动力系统配置分为几种，从纯电动汽车到混合动力汽车和带有发电设备的电动汽车。
表1 按动力系统配置分类的汽车类型
|
动力系统类型 |
数量 |
|
纯电动系统 |
381 |
|
并联式混合动力系统 |
92 |
|
燃料电池电动系统 |
52 |
|
带有増程发动机的电动系统 |
30 |
|
插电式混合动力系统 |
18 |
|
带有涡轮发电机的电动系统 |
1 |
调查的车辆中近66%是纯电动汽车。这些已经存在了一百多年。混合动力汽车和带有发电设备的电动汽车（点燃式热机或氢燃料电池）是最相近的，他们的技术仍在发展中。这就是为什么已经发布车辆种类是有所减少的。
已经发布种类的发展状况也是一个很好的信息来源，以了解这项技术代表的成熟度。对车辆种类的调查及其发展现状总数据如图2所示。
图2 车型及其研发阶段分布
从图2中可以看出，近50%的车辆模型已经打入了市场。这一事实表明，这一类型的车辆所涉及的技术仍在努力的发展。另一个事实也证实了一部分汽车可以从现有的传统汽车动力平台转换。调查的车辆中近31%使用了现有平台，为原汽车制造商降低了成本和开发时间，。同样重要的是要注意，很多车型已经进入市场，在那些标记为市场准入汽车中，45%是社区电动车，21%是轿车或SUV和14%是微型汽车。
这表明了社区电动车在市场上有比较高的份额，在早期发展阶段，主要是原汽车制造商制造纯电动汽车。从另一个角度来说，在初步改装过的市场准入汽车产品中，46%是轿车和SUV，19%是商用货车和越野车。另外，从这些数据中可以从技术迁移的角度了解汽车制造商采用的市场策略。重点主要放在用原有的的动力系统发展平台上，使得全新设计的汽车进入研发的第二阶段。
从制造国家的角度分析车型，可以看出，（见图3）美国是领先的，市场上有着最多的车型，其次是日本和中国，然后才是欧洲。然而，如果所有欧盟国家合起来统计，欧盟比日本和中国有更多的新型汽车，成为第二大推行了大量纯电动和混合动力汽车的经济体。
图3 各国生产的新型车辆
仔细研究混合动力和电动汽车制造数据后，可能会发现一些其他的结果。例如，从社区电动车的角度来看，并考虑到一些美国厂商在中国生产，78%的车型来自这2个国家，比例大概是美国43，中国35。如果只考虑混合动力汽车，那么就会呈现不同的市场地位。日本的混合动力汽车和插电式混合动力车型占42%，而美国占24%，排在第二位和德国占17%。进入市场的新车型分布如图4所示。
图 4 市场上的新车型各国份额分布
从图4中可以看出，美国在市场中处于领先地位，而欧盟的新车型种类数在市场中占第二。中国所占份额也很多，基本和所有欧洲国家旗鼓相当，处于同一水平。这意味着一旦中国发布的新车型数量超过日本，就会成为主要的生产方。对比所有国家的进入市场的车型占总的公布的车型比例，中国的表现最佳为89%，接着是英国，然后意大利是62%，美国是53%。这些数据代表了代表了每个国家的研发支出和所使用的技术的复杂性。事实上，来自中国的电动汽车大多是纯电动的社区电动车。这些电动汽车有着非常简单的结构和动力系统，使用的事铅酸蓄电池和直流电动机。
社区电动车简介
社区电动车（NEVS）是市场上最受欢迎的电动汽车。分析的107种车型中89%已经投产，还有7%没有任何市场消息。社区电动车有最高速度和最大质量限制。基本架构必须是一个四轮车，而不包括三轮电动车。社区电动车在旅客容量方面的分布如图5所示。从图中可以看到，社区电动车中有55%的车有两个座位，26%的汽车有四个座位运载能力。这种车主要是用作高尔夫球车和操作性、空
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