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1、电动车的发展历史,2016.04.14/熊亮,1,2,目录1.电的发现2.电的应用3.电动汽车的产生4.电动汽车的发展5.电动汽车的“心脏”6.走入现实的电动汽车7.电动汽车存在的安全隐患8.电动汽车的未来,3,1.电的发现,在第二次工业革命那个科技日新月异的时期，电是最时髦的科技，托马斯爱迪生和尼古拉特斯拉作为那个时代的偶像，地位与现在的史蒂夫乔布斯和Elon Musk 相当。,第一次工业革命标志：蒸汽机的发明它不仅是一场生产技术上的革命，也是一次深刻的社会革命，引起了生产关系上的重大变革。第二次工业革命标志（产业革命）：电气化被迅速应用于工业生产，促进经济的发展。第三次工业革命标志：微电子
2、技术的发展和普遍应用是人类文明史上继蒸汽技术革命和电力技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃不仅极大地推动了人类社会经济、政治、文化领域的变革，而且也影响了人类生活方式和思维方式，使人类社会生活和人的现代化向更高境界发展。,尼古拉特斯拉,托马斯爱迪生,史蒂夫乔布斯,Elon Musk,2.电的应用,6,船舶也曾经电动过，在战列舰军备竞赛时期，有一段时间，机械变速箱减速齿轮的传输功率暂时没能跟上吨位的不断攀升，于是美国人搞出了电传动战列舰来解决这个问题。,田纳西级战列舰,朱姆沃尔特级驱逐舰,随着高性能雷达、定性能武器等的耗电量越来越大，为了更加灵活地分配电力、简化船体结构、提高灵活性，美国人重新
3、拾起了电动船舶。,鲜为人知的是，电动车并非是一个新鲜事物，准确地说电动车诞生得甚至比内燃车还要早的多，历史上公认的第一台内燃车由德国工程师卡尔奔驰1885年在曼海姆发明。而电动车诞生在1832年到1839年之间，当时由苏格兰人罗伯特安德森发明了使用一次性电池的汽车。在1888年两者几乎同时进入商业化的进程，第一次电动和内燃汽车的战争开始了。19世纪90年代后期和20世纪初的这段时间里，尽管最高速度慢一些，但电动车由于具有无需换档，直接启动等很多先天性的优势，发展居于优势地位。1911年的纽约时报这样写道：“与燃油的内燃车相比，电动车无疑是更理想的交通工具，它既清洁又安静，关键的是还可以省不少钱
4、。”,3.电动汽车的产生,4.电动汽车的发展,现在电动汽车虽然已经上市发售，我们依然视之为新奇的发明。殊不知在100多年前，第一辆电动汽车就上路了，发明者不是别人，正是发明大王爱迪生。爱迪生曾经这样赞赏过电力：“电力就是一切。不需要复杂精密的齿轮，没有危险，也没有汽油的恶臭，甚至没有噪音。”1880年，爱迪生制造出第一辆电动汽车，时速20英里。“使用者可以自行为汽车充电。”纽约时报当时是这样报道的。最初它是上流社会的奢侈品，后来因其没有手动档且噪音小、无味的特点进入女士专用车的市场。,当年制造商还掩盖这一“弱点”，试图打入男性市场。但电动汽车并没有如预想的一样发展。当年石油寡头为了自己的利益阻
5、碍电动汽车发展，爱迪生的交流不善也没能让电动汽车打开市场。另一个原因是当时的技术水平局限，电池充电时间太长，并不适用于日常使用。而现在，电动汽车卷土重来,在汽车发展早期，由于当时的内燃机技术并不成熟，电动车作为高端产品成为精英们的象征，汽车行驶速度和巡航里程世界记录曾经都是电动车保持的。为了解决电池性能不足的问题，也有很多工程师热衷于开发混合动力技术，其中具有代表性的包括费迪南德保时捷，他开发了第一辆双轮毂电机电动车、第一辆四轮毂电机电动车、第一辆混合动力车，在当时取得了多项速度记录和拉力赛冠军，后来甚至做出了电传动的象式坦克歼击车。当时的美国不仅拥有数量众多的电动轿车和电动卡车，Bailey
6、 Electric 公司在 1907 年甚至开发了最早的电动跑车，1897 年纽约出现了第一辆电动出租车。与此同时，和电动车一起相关的配套服务设施也应运而生，Hartford Electric Light 公司为电动车提供可以更换的电池。Detroit Electric 公司不仅制造电动车，还建立了充电站方便用户，现代电动车需要的那些配套设施在 90 年前就已经建立过了。,在1912年，电动车卖$1750（大致相当于现在的42,000美元），而内燃车只需要不到一半650美元（今天大约$15000），但是当时汽油相当昂贵，总体拥有成本相差并不大。所以尽管电动车的价格较贵，电动汽车的销量还是在19
7、12年达到顶峰，当年美国和欧洲电动车的保有量大约5万辆，占了整个汽车数量的40%，而内燃车只有不到22%左右的市场份额。（剩下的是蒸汽驱动的车辆）。到了20世纪20年代，随着遍布全球的石油大发现，汽油的价格很快降到大众可以负担得起的水平，新的道路，加油站等基础设施如雨后春笋般涌现。内燃车可以跑得更快更远的优点吸引了大众的注意，火花塞、消音器的发明也让内燃车驾乘变得更为简单舒适。电动车的全盛时期过去了，又过了十年，全世界的电动车产业事实上已经完全消失了。,之后将近一个世纪的漫长岁月里，由于石油危机和污染问题，催生了一些电动车需求，但新的实用电动车产品依然是寥若晨星。值得一提的产品只有登月用到的月
8、球车，剩下的商业化电动车对于续航能力不足和价格昂贵这两大痼疾也无计可施，没有一款有能力向内燃车的地位发起挑战。这一状况一直持续到20世纪90年代。,经过一个世纪的发展，电动机相对于内燃发动机而言拥有了更大的比较优势，采用电动机驱动的汽车在同等功率下动力输出更加强劲，能源效率更高，可以说非常适合如今城市驾驶频繁起停的工况。另外电动车的结构简单，无需传统意义上的变速箱、传动系统、离合器，也不用机油，从而故障率低也大大降低了保养维修的成本。但是1990至今的复兴进程，虽然几乎每个汽车厂商都推出了一些电动车型号，可是从通用的EV1到日产的Leaf，至今没有一款车获得主流大众市场的认可，究其原因，是有两
9、个因素拖了电动车发展的后腿：电池和充电基础设施。,5.电动汽车的“心脏”,任何一个车的核心技术都是动力链系统汽油车就是引擎，变速箱，以及一系列将引擎的动力传递到轮子上的系统。对于电动车来讲就是电机、逆变器、直流转换器、电池箱等将电机的动力传到轮子上的部件。踩下加速器的那一瞬间，其实是给了逆变器（inverter，或者可以直观地称为电机控制器）一个电信号，这个电信号的电压大小决定了逆变器给电机输出多少功率，电机就会输出相应的扭矩来驱动车辆。逆变器的英文名是inverter，功能是将直流电逆转成交流电。那为什么要转换成交流电呢？因为电动车大多数用的都是交流电机，而电池只能输出直流电（即电流只有一个
10、流动方向）。,电动车的核心有三个，电池、电机和电控。电机技术因为在业界广泛采用，发展的已经很成熟。应用在电动车上没有太多问题。电控随着现代微电子技术的发展也不存在瓶颈，核心的关键就在电池上。,电动车动力系统基本架构,其中永磁电机和感应电机是应用最多的两种电机。永磁电机的定子（即电机中不会转的一部分）是永久磁性材料，电机内磁场强度高，能量转换效率高，单位质量输出功率大。感应交流电机在定子部分用的也是和转子一样的线圈，虽然效率和单位质量输出没有永磁电机高，但是建造成本低，建造速度快，并且结构非常可靠。感应交流电机由尼古拉.特斯拉发明，一直到现在基本架构和原理都没变。特斯拉电动车也是因此而得名,电动
11、车的另一核心就是电池箱。电池箱是由电池本身和电池管理系统构成。一般电池包都是由一节节小电池组成。小的锂电池，分为圆柱体和长方体两种，电压大约在3-4V。小电池通过串联来达到较高的额定电压，比如400V左右，然后通过并联来达到较高电流的需求。电池箱为了可靠性和安全性，一般采取模块化的设计，即由小的电池包组成大的电池箱。每一个小的电池包内部有一个电磁开关，如果该电池包内有小电池异常，这个电磁开关就由电池管理系统的控制电路打开。这样这个有问题的电池包就被切断于整个系统之外。另外锂电池充电放电的特性和温度非常相关，所以在机械设计中也要充分考虑如何有效的平衡电池间的温度。,常见电动车电池箱架构,电池管理
12、系统（bms）主要的功能有两个，一个是上述所说的通过采集各个小电池的电压，电流，温度等信息来决定开启保护电路，第二个就是平衡小电池之间的电量。为了避免单个锂电池过度充电和放电，电池管理系统需要用一些电路来平衡电池之间的能量。最常见的有主动和被动平衡两种平衡方式。被动平衡就是在小电池电压过高的时候，通过放电电阻慢慢消耗多余的能量来平衡。主动就是在电池组上加上小的直流转换器，让能量在电池之间流动而不是简单的在电阻上消耗。虽然主动平衡听上去比被动平衡要好很多，但是在现实的工程生产中，最佳的设计不一定是符合最佳理论设想的设计。被动平衡虽然确实会浪费一些能量，但是考虑到锂电池生产一致性非常高，充电放电过
13、程中小电池的电压也不会相差太多，所以在放电电阻上的能量损耗也不会太高。,被动平衡系统的硬件和软件都比主动平衡系统简单可靠很多，在成本上也少很多。所以现在被动平衡还是工业界的主流。电池管理系统在采集了所有电池的电压、温度、电流之后，一般会进行一些统计计算。比如说通过算方差来评估小电池数据的一致性。电池上的每一个传感器都有自己的“地址”，这样电池管理系统可以知道哪一个电池电压过低过高，温度过高，电流过高等来判断开启哪里的安全电路。直流转换器的作用，就是将主电池箱比较高的400V的直流电转到24V或者12V来给车内其他电路供电。比如说娱乐系统、其他的电子控制单元等等。,我们的生活绝对离不开电池，从形
14、形色色的电动玩具工具到汽车里面的12v蓄电池，从各种智能手机笔记本PAD到卫星国际空间站上的高密度蓄电池，电池的应用已经无处不在。尽管电池的应用已如此的广泛，但是电池发展的进度和个人电脑，互联网这些科技革新进化的速度相比却相形见拙。用作汽车的动力电池有两个核心的指标：一个是能量密度，另一个是使用寿命（包括循环和日历寿命）。如果电池的发展也存在类似芯片业摩尔定律这样规律的话，那么如钢铁侠的战衣，变形金刚的能量块这样许多科幻电影中的场景完全可以在现实生活中出现，不幸的是电池现在还是人类文明发展的一大制约。我们回顾下电池的历史就可以发现，从早期的铅酸电池到现在应用最广泛的锂离子电池，能量密度仅仅提高
15、了7倍多。坏消息是电池的发展是百年来是如此缓慢，摩尔定律真的不存在。好消息是大部分发展我们是在1990年以后锂离子电池工艺突破（索尼公司率先克服枝晶难题）取得的。,在电动车的动力电池上，有几条路线。一条是锂电池、镍氢电池、铅酸电池还有一个路线就是燃料电池，不充电，填充物质来产生电能。一个路线是铝空气电池、锌空气电池这类金属燃料电池，另外一个路线就是氢燃料电池。这个路线的优势是可以快速完成能量补充，和加油一样快捷，只要用加氢站，加锌站替代加油站即可，丰田走的就是这条路线。,燃料电池汽车,锂电池汽车,Tesla是有一套专门的液体循环温度管理系统围绕着每一节单体电池的，但其具体构造，却始终未能见到。
16、有媒体在报道中是这么说的“据Tesla专利说明介绍，隔离板内部的水可以是静态的也可以是流动的，可以直接存储在隔离板内部管腔，也可以被装到特定的水袋中。如果是流动状态，可以与电池组的冷却系统连接在一起，也可以自建循环系统。”,Model S 85型，并未选配寒冷气候套装,通过暴力拆解，使我们终于看到了电池组内部的构造。在锂电池组内部，灌注水乙二醇的导热铝管呈S形状环绕。图中左右两侧的接口为水乙二醇液体的循环接口，在铝管外还包裹着一层橘黄色的绝缘胶带。为防止绝缘胶带意外破裂，导致铝管与锂电池外壳接触造成短路，Tesla在铝管外部还加了一层绝缘胶进行隔离。在其他没有铝管通过的电池之间，也使用了一层绝
17、缘胶进行隔离,Tesla使用的18650锂电池是定制的，不像我们平时看到的锂电池一样有一层绝缘外衣，其裸露在外的电池外壳都是电池负极，一旦外壳被导体连上，就可能造成短路，严重时甚至会发生起火事故，其后果将不堪设想。所以Tesla在电池组内部做的多层绝缘防护还是非常必要的，从目前看到设计结构来说Tesla的防护措施是值得信赖的,未拆解的锂电池组细节图,Tesla电池的“冷却液”就是不会主动流动的。我眼前摆放的这套目前世界上最先进的汽车锂电池热管理方案,锂电池工作液体接口,“冷却液”是用来保持电池的温度一致性的。由于Tesla电池的密集摆放，中心区域聚集的热量相比周边必然会多很多，若是没有铝管传递
18、热量来保持电池温度的一致性，必将造成各单体电池之间的温度不均衡，最终会影响电池性能的一致性及电池荷电状态（SOC）估计的准确性，从而影响到电动车的系统控制。Tesla使用的是电池一致性极高的18650钴酸锂锂电池。对于这种电池坊间甚至戏称“你买了同一批次的18650锂电池，若是仪器检测出电池性能不一致，你首先要怀疑是不是你的仪器出问题了？”但是即便Tesla使用的是一致性如此高的电池，也无法保证电池在实际工作中的一致性。因为电池在不同温度下的热耗率（每产生1kWh的电能所消耗的热量）是不一样的，这是由于电池内部的化学反应与温度是密切相关的。如果电池在绝热或者高温等热传递不充分的内部环境中运行，
19、电池温度将会显著上升，从而导致电池组内部形成“热点”，最终可能产生热失控。,Tesla使用的电池热管理系统可以将一块电池组内各单体电池的温度差异控制在2以内。在2013年6月的一份报告中显示，在行驶10万英里后Tesla Roadster的电池组容量仍能维持在初始容量的80%-85%，而且电池容量的衰减只与行驶里程数明显相关，与环境温度和车龄的关系不明显。可见Tesla对电池衰减的良好控制，离不开电池热管理系统的有力支撑。,锂电池组工作液体接口及工作液体灌注接口,相关资料显示，Tesla铝管内的工作液体配方是由50%的水和50%的乙二醇组成的。这是为了避免在低温环境下工作液体结冰的情况发生,6
20、.走入现实的电动汽车,丰田Mirai,MIRAI上燃料电池使用的重要部件和材料、加氢站的构成要素和氢气运输技术在内，构建氢社会需要的技术几乎都与日本企业有关。以燃料电池必不可少的催化剂铂为例，经营稀有金属的田中贵金属工业供应的铂拥有全球6成的份额。2013年3月，该公司在神奈川县新建了为燃料电池生产铂的专用工厂，日清纺控股是世界上最大的ENE-FARM燃料电池隔板供应商，制造气阀的Fujikin拥有世界第一的高压氢气阀份额在日本，经营氢相关部件和材料的企业不胜枚举。日本企业占了燃料电池的专利总数的6成。如果以后氢燃料电池汽车成为新能源汽车的主流，不仅仅丰田会大赚特赚，整个日本都会从中获得巨大收
21、益，所以丰田在有一流混动技术的同时，在新能源汽车的发展方向上选择了氢燃料电池路线。,开放了氢燃料汽车的5680项专利,日产 Leaf,2009年8月2日，日产汽车公司日前首次公开展示了世界第一款经济型零排放汽车NISSAN LEAF。NISSAN LEAF是一款5座掀背两厢纯电动汽车，配备了先进的由锂离子电池驱动的车辆底盘，其巡航里程160公里以上，可以充分满足消费者在实际生活中的驾驶需求。“LEAF”的名称本身就是对这款车型非常形象的描述。正如叶子对空气的净化作用一样，NISSAN LEAF实现了真正零排放的驾驶体验，净化了人们的出行方式。虽然详细的车型价格将在2010年下半年上市前公布。但
22、是，我们预计这款车的定价在配备丰富的C级车中将非常具有竞争力。同时，在全球各个市场中，预计NISSAN LEAF还将享受多种实质性的地方以及国家税收减免和优惠。另外，由于不需要燃油驱动，车型构造比传统汽车更加简单，因此NISSAN LEAF除了相当环保以外，对消费者而言还相当经济实惠。,雪弗兰 Bolt,2015年1月通用汽车首次向外界介绍Bolt电动车，当时公司准备在年底时开始生产。2017款Bolt支持移动APP，它可以让汽车分享驾乘，还配有先进的GPS路线规划功能。通过APP，驾驶者可以根据天气、驾驶习惯预测汽车的最大行程，甚至还可以知道行进路线上会有多少座山要穿越。去年Bolt概念车亮
23、相时，通用汽车CEO玛莉巴拉（Mary Barra）曾说它是游戏改变者。在今年的CES展会上，巴拉告诉媒体：这是第一款长程廉价电动汽车，我们认为Bolt不只是一辆汽车，它还是新技术的升。级平台。新资料显示，充电一次Bolt可以开200英里（约320公里），完全充电一次要8小时，可以在60分钟充满80%的电量。在考虑税收补贴后Bolt的起步价为3万美元，比同类型电动车更便宜。,Model S,Tesla Model S是一款由Tesla汽车公司制造的全尺寸高性能电动轿车，外观造型方面，该车定位一款四门Coupe车型，动感的车身线条使人过目不忘。此外在前脸造型方面，该车也采用了自己的设计语言。另值
24、得一提的是，特斯拉Model S的镀铬门把手在触摸之后可以自动弹出，充满科技感的设计从拉开车门时便开始体现。预计于2012年年中投入销售，而它的竞争对手则直指宝马5系。该款车的设计者Franz von Holzhausen，曾在马自达北美分公司担任设计师。在Tesla汽车公司中，Model S拥有独一无二的底盘、车身、发动机以及能量储备系统。Model S的第一次亮相是在2009年四月的一期大卫深夜秀节目中,宝马 i3,Model X,宝马i8,Model 3,1.迭代生产一代代更经济实用的电动车型：先从高端车入手，然后再进入大众市场，并通过自己的展示厅和网站卖掉它们。2.将自己在电动车动力总
25、成方面的专利和经验卖给其他的汽车制造商，从而让其他汽车制造商能够更快的推出电动车型。3.作为催化剂和其他汽车制造商积极的榜样，表明电动车能满足高性能，更经济的消费需求。在我们看到所有路上的车都是用电驱动之前，我们不会停止努力-Elon Musk,7.电动汽车存在的安全隐患,特斯拉model s采用底盘和电池合一的方案，把电池做到底盘上。这样的优点是车内空间大，汽车重点低，操控性好。正面碰撞也不怕，前后都有保护。但是特斯拉model s这种解决方案如果遇到对底盘自下往上的冲击，会很脆弱。最近的特斯拉起火是高速撞到路面的一个金属物体造成的。这就充分说明了这种结构的弱点。,8.电动汽车的未来,未来的电动汽车，不再需要电池。新的方法能有效的解决电动车储能与供电问题，那就是利用一种由廉价的碳材料制成的超薄物质，并将其嵌入在汽车车门与车顶来发电与供能。研究人员已经开发出一种柔性的超级电容器。它可以嵌入在电动汽车的车门、车顶罩并为电池充电，甚至取代电池。由石墨烯和碳纳米管构成的电解质诞生了。,超级电容器作为储能设备，它比普通电池的充、放电速度快上成百上千倍。在电量耗尽之前，能完成更多的充放电循环，所以也能更持久。不同于普通电池的是超级电容器是在一个电场环境中储能，而普通电池则是一个简单的化学反应。电动汽车将来的突破将来自超级电容器的，而非电池。,
