电动汽车技术的可持续方案外文翻译资料

Sustainable options for electric vehicle technologies

Abstract

In this work, an overview regarding electric vehicle technologies and associated charging mechanisms is carried out. The review covers a broad range of topics related to electric vehicles, such as the basic types of these vehicles and their technical characteristics, fuel economy and CO2 emissions, the electric vehicle charging mechanisms and the notions of grid to vehicle and vehicle to grid architectures. In particular three main types of electric vehicles, namely, the hybrid electric vehicles (HEVs), the plug-in electric vehicles (PHEVs) and the full electric vehicles (FEVs) are discussed in detailed. The major difference between these types of vehicles is that for the last two types, the battery can be externally recharged. In addition, FEVs operate only on battery charge and therefore always employ the charge depleting mode of operation requiring high power, high energy battery packs. On the other hand, PHEVs offer the possibility of on-board battery charging and the option of charge depleting or charge sustaining modes of operation. Finally HEVs, which were the first type of electric vehicles to be manufactured, offer higher travelling range compared to PHEVs and FEVs due to the existence of the internal combustion engine. From the perspective of a full cycle analysis, the electricity available to recharge the batteries must be generated from renewable or clean sources in order for such vehicles to have zero emissions. On the other hand, when electric vehicles are recharged from electricity produced from conventional technology power plants such as oil or coal-fired plants, they may produce equal or sometimes more greenhouse gas emissions than conventional gasoline vehicles.

Keywords

Hybrid electric vehicles; Plug-in electric vehicles; Full electric vehicles; Grid to vehicle charging; Vehicle to grid electricity

1. Introduction

Growing concerns over climate change and security of energy supply are driving a shift in the transport sector from fossil to alternative fuels and new electric vehicle propulsion systems capable of delivering long-term sustainability. Globally three quarters of transport greenhouse emissions come from road transport. The transport sector is especially vulnerable to oil supply disruption and price volatility and despite huge reductions in emissions of harmful emissions, concerns over air quality and noise, especially in urban areas are also under consideration .

Electric vehicles are a promising technology for the drastic reduction of road transport emissions. This is an important element in reducing carbon dioxide (CO2) emissions, air pollutants and noise from passenger cars and light commercial vehicles. At the same time, the electric passenger cars that are under development are not yet competitive with conventional vehicle technology. Costs are still high and battery technology is still under developed leading to many uncertainties with respect to crucial issues, such as battery technology, impacts on emissions, interaction with electricity generation and costs and business case of large-scale introduction.

In this work, an overview regarding electric vehicle technologies and associated charging mechanisms is carried out. The review covers a broad range of topics related to electric vehicles, such as the basic types of these vehicles and their technical characteristics, fuel economy and CO2 emissions, the electric vehicle charging mechanisms and the notions of grid to vehicle and vehicle to grid architectures.

In Section 2, the types of electric vehicles and their operation are discussed in detail and in Section 3, the current and future grid to vehicle charging methods. Infrastructures are presented and in Section4 the vehicle to grid technology is discussed as a potential future option for electric vehicles. The conclusions are summarized in Section 5.

2. Types of electric vehicles

Currently there are three main types of electric vehicles that have passed from the demonstration to the production stage of the manufacturing process. These are shown in Table 1 and they are the hybrid electric vehicles (HEVs), the plug-in electric vehicles (PHEVs) and the full electric vehicles (FEVs). The major difference between these types of vehicles is that for the last two types, the battery can be externally recharged.

Table 1.

Types of electric vehicles

2.1. Hybrid electric vehicles

A HEV is a type of hybrid vehicle, which combines two distinct power sources in order to provide driving power. The two power sources are a conventional internal combustion engine (ICE) and a battery/electric motor system as shown in Fig. 1. The presence of the battery and the electric motor system is intended to achieve either better vehicle fuel economy or better performance than a conventional ICE vehicle. This is essentially achieved since the low efficiency ICE is now used in combination with a much higher efficiency power source, such as the battery. Currently, a variety of HEV types exist in the automotive market with varying degrees of independent ICE/electric motor operation. The size of the components, such as that of ICE and of the electric motor, can significantly influence the control strategy of HEV. The ratio between the maximum power of the electric motor and the maximum power of the power train is referred to as hybridization ratio. A high hybridization ratio results in

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

电动汽车技术的可持续方案

摘要

在这项工作中，进行了关于电动汽车技术和相关充电机制的概述。综述涉及电动汽车的各种主题，例如这些车辆的基本类型及其技术特性，燃油经济性和二氧化碳排放量，电动汽车充电机制以及电网对汽车和车辆与电网架构的概念。具体讨论了三种主要类型的电动汽车，即混合电动汽车，插电式电动汽车和纯电动汽车。这些类型的车辆的主要区别在于，最后两种类型的电池可以从外部充电。此外，纯电动汽车仅对电池充电进行操作，因此始终采用需要高功率，高能量电池组的电荷耗尽模式。另一方面，插电式电动汽车提供了板载电池充电的可能性，以及充电耗尽或充电维持工作模式的选择。最后，由于内燃机的存在，作为第一类电动车辆的混合电动汽车，与插电式电动汽车和纯电动汽车相比，提供了更高的行驶范围。从全周期分析的角度来看，可再充电的电池必须由可再生或清洁的来源产生，以使这些车辆具有零排放。另一方面，当电动汽车从诸如石油或燃煤电厂的传统技术发电厂生产的电力充电时，它们可能产生与常规汽油车相同或有时更多的温室气体排放。

关键词

混合电动汽车; 插电式电动车; 纯电动车; 电网给车辆充电; 车辆和电网

1. 介绍

对气候变化越来越多的关注和能源供应安全问题正在推动运输部门从化石燃料转向替代燃料和能够提供长期可持续性动力的新型电动汽车推进系统。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，但对空气质量的影响和噪音问题和城市地区由运输引起的问题在考虑之中。

电动汽车是能使道路运输排放急剧减少的有前景的技术。这是减少乘用车和轻型商用车二氧化碳排放，空气污染物和噪音的重要途径。但是，正在开发的电动车与传统的车辆技术相比还没有竞争力。电动车成本仍然很高，电池技术仍在发展中，导致许多不确定性方面的关键问题，如电池技术，对排放的影响，与发电和成本和业务情况的大规模引进互动。

在这项工作中，进行了关于电动汽车技术和相关充电机制的概述。综述涉及电动汽车的各种主题，例如这些车辆的基本类型及其技术特性，燃油经济性和二氧化碳排放量，电动汽车充电机制以及电网对汽车和车辆与电网架构的概念。

在第2节中，详细讨论了电动汽车的类型及其运行情况，在第3节中，介绍了目前和未来的车辆充电方法和基础设施网络，第4节将车辆电网技术作为电动汽车的潜在未来选择进行了讨论。结论总结在第5节。

2.电动车类型

目前，从示范到制造过程的生产阶段已经有三种主要的电动汽车类型。如表1所示，它们分别是混合动力汽车，插电式电动车和全电动车辆。 这些类型的车辆的主要区别在于，最后两种类型的电池可以从外部充电。

表格1

电动车类型

2.1.混合电动汽车

混合电动汽车是一种混合动力车辆，它组合了两种不同的动力源，以提供驱动力。两个电源是传统的内燃机（发动机）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比常规发动机车辆更好的车辆燃料经济性或更好的性能。这基本上是实现的，因为低效率发动机现在与诸如电池的更高效率的电源组合使用。目前，各种混合电动汽车类型存在于汽车市场，具有不同程度的独立发动机 /电动机运行。组件的尺寸，如发动机和电动机的尺寸，可以显着影响混合电动汽车的控制策略。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。高混合率导致大的电路（电动机和电池）和小的发动机。另一方面，低混合率导致小的电路径和大的发动机。混合动力列车的简化版是所谓的轻度混合动力，它具有集成起动发电机而不是电动推进电机。

图1

典型混合动力汽车（混合电动汽车）工艺流程图

通常，混合电动汽车配备有标准发动机和连接到电动机的电池组。 通过利用具有常规燃料（通常为汽油）的发动机或通过使用来自电池的电力来驱动电动机的电力模式，全混合动力汽车能够在常规车辆传输模式下行驶，如图1所示。 混合电动汽车的一个基本特征是电动机/发电机系统，（a）当用作发电机时，发电机产生电能给电池充电并在需要时启动车辆的发动机，（b）当用作电动机时，驱动车辆通过转动车辆的车轮。通常，常规混合电动汽车是电荷维持的，即在驱动时，它们将电池维持在大致恒定的充电状态，并且仅通过耦合到电动机/发电机的发动机的车载发电或从重新捕获动能通过再生制动。

2.1.1.操作模式

在典型的电动操作模式中，，电机/发电机使用电池组的电量，并驱动车辆启动，在低车速和加速时，它提供了高扭矩，如图2所示。在较低的车速下可提供高转矩的发动机仅在需要更高速度，更快的加速度或更高功率的电池充电时才能使用，并由作为起动器的电机/发电机自动启动。这种车辆操作的组合模式允许发动机仅在高效率下被利用，并且在交通站点处通常被关闭，无论如何都是非常高效的。在发动机关闭的情况下，电池组提供任何附件功率需求，例如空调。因此，与传统汽油车相比，发动机使用结果的优势在于车辆性能优化，效率提高和排放更低。

图2

用于牵引的典型电动机的性能特征

2.1.2.电池注意事项

混合电动汽车电池可以使用电动机/发电机系统进行充电，作为发电机，可以同时在行驶时以及汽车静止时充电。在这两种情况下，车辆的智能单元将运行发动机，以便将发电机系统从那里可以将电量提取到电池。最后，电池也可以通过再生制动技术进行充电。在这种技术中，汽车减速期间的制动能量可以用于对电池充电。在减速期间，再生制动器将车辆的电动机置于反向模式，并向后倒车，车轮减速。在向后运转时，电动机也作为发电机，用于为汽车的电池充电。再生式制动器在较低速度和停车驾驶情况下，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，在再生制动功率不足以完全停止汽车的情况下起作用。

混合电动汽车通常使用镍镉（NiMH）电池组，其通常被允许充电至其最大容量的40-60％以延长电池寿命，并通过再生制动充电的情况下提供备用容量。典型的电池组输出电压为273.6V，容量为6.5A，重量为53.3kg。加满汽油的混合动力旅行范围为900-1200公里。基本上，车辆的电动行驶范围是由电池能量电位决定，而在电动模式中可达到的加速度和最大车速由电池供电的能力决定。然而，由于发动机作为备用电源的持续可用性，并且由于混合电动汽车以电荷维持模式运行而不实际耗尽电池的事实，在混合动力汽车电池设计中续航和最大车速不是最关键的参数。

2.2.插电式混合动力电动车

插电式电动汽车是运输行业新的即将到来的技术。基本上，它们类似于混合电动汽车，因为它们具有发动机和电池组作为提供驱动力的手段。实际上，插电式电动汽车被定义为具有4kWh以上的电池存储系统的混合电动汽车，这是从外部电源对电池进行再充电的装置以及在电动模式下​​至少行驶16公里的能力。这些车辆能够运行在化石燃料，电池或两者的组合的模式下，因而具有各种各样的潜在优势，包括减少对石油的依赖，提高燃油经济性，提高功率效率，降低温室气体排放和车对电网（V2G）技术。在效率方面，插电式电动汽车有可能比混合电动汽车更有效率，因为更有限和更有选择性地使用发动机将提高总体组合车辆效率，并允许发动机通过仅运行在高处使用更接近其峰值效率车速。

汽油是插电式电动汽车使用的主要化石燃料，但也可以使用柴油或较少量的乙醇。插电式电动汽车不使用发动机对电池进行充电，与混合电动汽车相同。相反，这些类型的车辆具有电池组，其可以通过将车辆插入交流120/240V的标准电源插座中而用电网完全充电。此外，再生制动也是插电式电动汽车的特征，其也可以提供板载电池充电替代方案。一些研究发现，从电网充电时，插电式电动汽车在整个燃料循环中可能比常规发动机车辆和混合电动汽车排放更少的二氧化碳和其他污染物。因此，如果电力电力实际上是比汽油或柴油燃料更清洁的运输燃料来源，则插电式电动汽车可能会减少许多地区运输部门的排放影响。这意味着用于发电的燃料混合物的排放量必须比常规汽油车的平均排放量少。作为与混合电动汽车的比较，插电式电动汽车可以减少25-55％的NOx， 35-65％的温室气体和40-80％的油耗。关于温室气体排放充电式混合动力车有巨大优势，这是因为纯电动汽车用的电可能来自能源包括零排放的可再生能源，如水电，太阳能或风。在这种情况下，插电式电动汽车的温室气体排放量将接近零。因此，为了充分发挥插电式电动汽车的环境效益，其市场渗透率应与零排放发电技术的渗透率相结合。

2.2.1.操作模式

目前有三种主要的插电式电动汽车设计。分别是串联，并联和串联/并联设计。在系列设计中，如图3所示，车轮仅由电动机而不是发动机驱动。 发动机仅用于驱动发电机，发电机又向提供驱动功率的电动机系统提供电力。电池可以存储发动机产生的多余的电量。在与混合电动汽车设计非常相似的平行设计中，发动机和电动马达都可以通过机械联轴器独立驱动或者甚至同时驱动车辆的车轮。最后在串/并联混合设计中，车辆具有以串联或并联方式运行的灵活性。

图3.

典型的串联插电式混合动力汽车的工艺流程图

无论设计如何，插电式电动汽车都可以提供两种基本的操作模式。分别是电荷消耗模式和电荷维持模式。这两种模式可能在一些插电式电动汽车s上是另外的变化或组合，称为混合模式。这些模式管理车辆的电池放电策略，其使用策略对车辆所需电池的尺寸和类型有直接的影响。在纯电动汽车中使用的电荷消耗模式允许完全充电的插电式电动汽车仅在电力下工作，直到其电池状态被耗尽到预定水平，此时车辆的发动机将被接合。电荷消耗模式的轻微变化是混合操作模式，其中发动机在达到电池耗尽水平之前被接合。插电式混合动力车采用混合模式，没有足够的电力来维持较高的速度或超过一定值的速度，无需发动机的帮助。混合操作模式与单独耗电模式相比通常可以增加插电式电动汽车所行进的距离。电荷维持模式与混合电动汽车所使用的模式相同，并结合车辆两个电源的运转，使得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外。如果混合操作模式可用，则一旦插电式电动汽车在耗电模式下达到它的下限，就可以自动切换到充电模式。

2.2.2．电池注意事项

由于电池是直流设备，电网电源为交流电时，车载直流充电器安装在插电式电动汽车内部。充电器的功率容量仅受实际车辆的影响，如空间和重量的限制。实际上，这意味着插电式电动汽车通常不携带大功率充电器，以避免超重。因此，离线充电器也可用，可以根据需要大小并安装在预定位置，例如车库或专用充电站。这些充电器可以处理更多的充电功率，因此在更短的时间内为电池充电。然而，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载电池电压要求。现代充电站具有用于识别电池组的电压并相应地调整充电器输出的系统。

使用耗电模式运行的插电式电动汽车需要比混合电动汽车更高的电流充电，高达95％的放电，高达80％的周期，如图1所示。与插电式电动汽车相比，典型的混合电动汽车操作窗口（大约10-20％的放电深度）为电池提供了大量的生命周期。此外，插电式电动汽车需要更大的电池能量来增加续航里程。因此，插电式电动汽车需要耐用和更大的电池，能够承受深度放电，同时提供最高可能数量的全周期和电池寿命。因此，需要为这种类型的车辆解决电池寿命，容量，能源，功率，重量以及最重要的成本之间的设计问题和权衡。事实上，与混合电动汽车相比，插电式电动汽车的缺点之一是电池组的成本增加是不可避免的，因为它必须在尺寸和重量上都要更大。其电池尺寸将严重依赖于车辆在下一次充电前的行驶里程。

图4.

锂离子和镍氢储能技术的循环寿命特征

总体而言，两种类型的电池都适用于插电式电动汽车。这些是镍氢（NiMH）和锂离子（Li-ion）电池。 镍氢电池比锂离子电池能源和功率密度低，续航里程小，降低了车辆的最大车速和加速性能。但是，NiMH电池可以更耐用，并且具有比锂离子高达80％的更长寿命周期。这在图4中清楚地示出，其中当放电到80％的放电深度时，NiMH电池被示出达到4000个循环，以达到相同的循环次数，锂离子电池只能被排放到大约50％的深度的放电。这可以有效地意味着镍氢电池更有可能将其使用寿命延长至插电式电动汽车的寿命，估计需要至少4000次循环。然而，尽管如此，目前的插电式电动汽车技术基于锂离子电池。原因是先进的锂离子电池技术正在大力发展，并且可以通过质量和体积以及电池寿命来提供更大的能量密度。这被转换为更大的续航里程和更大的车速。可实现的典行驶里程约为20-60公里，最大速度为160公里/小时。电动行驶里程外的由汽油里程补充，达到600-900公里的总行驶里程。当然，特定插电式电动汽车的电动行驶距离电位决定了车辆的电量消耗。一般来说，插电式电动汽车的典型功耗约为0.125 kW h / km。更具体地说，已经估计，在64公里行程之后，需要8千瓦时的电量来完全充满插电式电动汽车。

2.3．纯电动车

纯电动汽车仅由电动马达或牵引马达而不是汽油发动机驱动。由燃料电池供电的车辆也被认为是电动车辆。电通常通过板载可充电电池组产生，在某些情况下通过也可以由电容器或飞轮来产生。电池的充电方式可以类似于插电式电动汽车的充电方法，即在标准家用电源插座中或在外部专用充电站中。

与混合电动汽车和插电式电动汽车的情况一样，与常规发动

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[137359]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word