关于日本电动车技术发展史分析

最早出现在历史舞台的汽车是电动车。但随着技术的发展，电动车逐渐被内燃机汽车所取代。自21世纪开始，汽车动力装置发生了一场巨大的变革，为蓄电池提供电力来源的充电设施成为了一个有待解决的重要课题，提高充电基础设施与社会基础设施兼容性的工作也在得以推进。回顾电动车的上百年历史，目前应围绕最新技术开展研究，大力推进电动车的发展。

1电动车开发的历史

关于电动车的诞生目前有诸多说法，但都是建立在1777年伏特（意大利）发明电池和1823年法拉第（英国）发明电动机两项重大举措的基础上。而且，达文波特在1834年发明直流电动机以及普兰特（法国）在1859年发明铅蓄电池，因此，至少在1890年就出现了投入实际应用的电动车。1894年凯勒（美国）注册了电动车的专利，1899年热纳茨（比利时）的“永不满足”号电动车实现了105 km/h的速度记录等，1900年前后的电动车在动力性能和保有量上都优于当时处于萌芽期的蒸汽车和汽油车。此外，就电动驱动技术而言，1879年西门子（德国）还开始运营了世界首条无轨电车等，在该时代电动车辆处于明显优势。

在该时代写下浓墨重彩一笔的人物有爱迪生（美国）和保时捷（德国）。爱迪生在1909年开发了碱性蓄电池，制造了安装有碱性蓄电池的电动车。爱迪生制造的电动车充电1次就可以行驶160km，该数据相当于当时铅电池电动车行驶距离的2倍，因此在当时颇受瞩目。然而，随着汽油车技术的快速革新和生产的普及，电动车随后被汽油车超越。保时捷与博世两大企业也从电动车领域开始发家，但受到电池性能的制约，虽然在1900年就开发出利用发动机发电并用电机进行驱动的车辆（即混合动力汽车），但是最终未能投入实际使用。

在日本，1908年东京电灯公司（现在的东京电力株式会社）购买了电动车，1911年日本汽车株式会社以东京电灯公司购买的车辆为原型，尝试开始试制电动车。这可认为是电动车的起步阶段。

日本电动车制造机构于1934年设立，开始了小型电动车的制造，1937年中岛制作所和汤浅电池公司生产了全新的电动车。该电动车在日本国内各地以及中国东北、***等地投入使用，但并未能得以普及。无论过去还是现在，电动车普及面临的最大课题是电池性能和成本。

在此之后的第一个电动车时代是自1970年起，美国加利福尼亚州因防治大气污染出台了“马斯基法”；1973年因中东战争引发了石油危机，当时虽然电动车因其清洁且可使用多种能量来源而广泛受到关注。根据当时蓄电池的性能，车辆续航距离仅为100km，最高时速在80km/h左右，尚无法投入实际应用。

第二个电动车时代从1990年起，由于加利福尼亚州大气资源局（CARB）制定了“零排放法（ZEV）”。当时因为有了铅电池、镍镉电池和NaS电池等最新的电池技术，可以实现高功率化和高容量化，有效提高车速并延长续航距离。东京电力的高性能样车IZA的最高时速可达到176km/h，续航距离达到548km/h，由此可以看到电动车在性能上的长足进步。但是，因为续航距离在100km的电动车充电时间较长，因此其应用领域受到限制，未能真正普及。当时用于电动车开发的NaS电池和熔盐电池，在此之后作为定置型蓄电池投入了商业应用。

因此，虽然电动车有出色的环保性能，但是主要由于电池技术的限制而未能真正得以普及。进入21世纪后，随着用于移动设备的镍氢电池和锂离子电池的开发和普及，由此开启了迎接电动车的新时代。

2电动车的发展

2.1 批量生产的电动乘用车

本文对在2016年在市面上销售的的新型电动车进行介绍。另外，马自达的Demio电动车和富士重工业的插电式Stella等车型也开始在市场上销售。

2.1.1三菱汽车

三菱汽车从20世纪60年代开始，就对电动车进行开发。第一时期的电动车是轻型汽车，主要安装了铅电池和直流电机，生产规模非常小（图1）。

图1 三菱汽车公司电动车开发历史

此后在1990年左右，与东京电力共同开发的LIBERO—电动车开始在市场上销售，但由于一次性充电后的续航里程非常短，因此，并未得以推广。

从1993年开始，电动车的续航里程得以大幅度地改善，三菱着力开发了混合动力车（系列HEV），配装了大型锂离子电池，并在1994年提供给CARB用于验证测试。

此后，将锂离子电池的控制技术加以应用，开发了FTO-电动车研究试验车。并参加了四国EV拉力赛，通过与快速充电技术进行组合，在验证实用性方面挑战了24小时续航里程的记录。

在电机开发领域，在提高逆变器技术的同时，开始关注无刷电机和轮内电机（IWM）的有效性，并尝试在三菱创新型电动车的4个车轮上安装了电机；同时还试制了COLT型电动车，可以将更加小型化的IWM安装在车辆后端。

在2005年左右，经过试制开发和验证试验，三菱决定开发可批量生产的电动车，并认为同一时期开发的新形态轻型汽车“i”的底盘更适合应用于电动车。

在同一时期，东京电力与富士重工业一起着手修订快速充电标准并，通过协同合作，加速了电动车基础设施的开发。

开发批量生产的电动车，其电池、电机等重要设备几乎都采用了新部件。从供应商选定、零部件说明书的撰写，到公司内部体制的构建等，其中的艰辛超乎想象。三菱曾经因成本制约而一度想要放弃IWM，但经过与各个供应商的合作，在2009年，终于将i-MiEV投放到市场，截止到2015年7月末销售总量达20587辆（日本海外：9747辆，日本国内：10840辆）

三菱在电动车开发的同时，同时进行着GDI-混合动力车的开发。

随着i-MiEV在市场上销售，为了解决技术层面及成本方面的问题设定了目标，并以此为契机，再次对以电动车为基础的原混合动力车及插电式混合动力车开展了研发工作，同时升级了三菱混合动力车开发的串联式混合动力车系统。从2013年起开始销售欧蓝德-插电式混合动力车，截止到2015年7月末，销售总量达70646辆（日本海外：45663辆，日本国内：24983辆）。

2.1.2日产聆风

日产聆风从2010年12月起，开始在美国、日本、欧洲开始销售。2015年11月在世界范围内累计销售了约20万辆。e-NV200厢式商用车从2014年起开始销售，并拓展了电动车的应用领域。

日产从1992年开始研发用于聆风的锂离子电池。从1996年起，安装有锂离子电池的“PRAIRIEJOY”型电动车在日本国内开始销售；在聆风正式上市前，在北美市场上销售Altra型电动车，在日本市场上销售“RENAISSA”型电动车“Hypermini”型电动车，积累了技术。

聆风可在零转速下产生最大扭矩，并且具有堪比跑车的起步加速性能。行驶过程中的超车加速性能同样优秀。

聆风的电池还可以作为家用蓄电池来使用。在JC08工况下，行驶距离可达到280km。

2.1.3本田FIT

2012年夏美国和日本开始租售FIT电动车，该车不但具有一流的低电耗性能，同时具备3种驱动模式，增添了驾驶乐趣并广受好评。该车是本田第一辆装有锂离子电池的电动车车型，从能量密度的角度而言，重点关注了可靠性和耐久性等因素。在负极采用了具有钛酸锂的锂离子电池。车辆地板下部安装有电池组，具有100kW的功率和20kW/h的容量。由于有冷却系统，确保了高耐久性，并通过使用提升了用户的使用习惯和放心感。（图2）。

PCU（动力控制单元）变速箱同轴电机电动助力制动系统充电口盖（驾驶员侧）锂离子电池多连杆式悬架

图2 FIT电动车的外观及内部

2.1.4丰田RAV4

丰田在美国洛杉矶召开的2012年第26届国际电动车研讨会上公布了与特斯拉共同开发的电动车。在高实用性的运动用多用途车RAV4的车身上安装了特斯拉的电动车系统，在实际行驶环境下实现了160km的行驶距离（图3）。丰田和特斯拉在2010年5月就电动车及其零部件的开发、生产系统及生产技术等业务合作达成共识，并于2年后销售共同开发的车辆。丰田方面以电力为首要目标开展能源替代的推进工作，致力于抑制石油消费和降低CO2的排放量。RAV4电动车安装了41.8kWh的锂离子电池，实现了最高功率115kW、最高速度160km/h的运动性能。

图3 RAV4 EV外观

图4住林电动巴士

图5 羽村电动巴士

图6 与东京电力共同开发的IZA

2012年2月29日，公交线路用小型电动巴士开始投入运营。虽然之前也生产过一定数量的验证试验用车，但是作为正式运营，用小型电动巴士正式投入公交运营，则是迈出了第一步。

2.2电动商用车

现在，以东京晴空塔为中心，在东京都墨田区内运行的巴士——“住林电动巴士”（图4），在羽村市新线路运行的巴士——“羽村电动巴士”（图5），都是在固定路线上运营的巴士。近年来，为了解决地球变暖的问题，在商用车领域，日野公司顺应潮流，在2008年成立了项目组，以小型巴士“Poncho”为原型车着手开发小型电动巴士。但在实车开发过程中，在技术上遇到了电池“大·重·贵”等限制。为此，专门采用了IHI公司制作的电池组，该公司的正极材料上使用了充放电性能优良且安全性高寿命长的的磷酸铁锂。

采纳了短距离行驶·高频次充电的概念，并使用CHAdeMO快速充电器，在一天时间内多次进行短时间充电，从而可以在固定公交线路实现运营。并且进一步开发了电动车的能源管理技术，降低了70%的能源消耗。

3快速发展的电动车技术

迄今为止东京R&D制作的东京电力的IZA（图6）等，是20世纪90年代出现的4轮IWM和安装有镍镉电池的试制车，进入21世纪后，由于成本方面的考虑，投入批量生产的电动车的规格通常以1电机为主。另一方面，在20世纪90年代初期有镍镉电池，后期有镍氢电池，进入21世纪后，日本国内的电动车采用了锂离子电池（表1，图7，图8）。

3.1车身轻量化

最先开始销售的BMW，为了抵消蓄电池等电气装置的重量，采用碳纤维增强基复合材料（CFRP），实现了车身的轻量化。i3（图9）的客舱采用了多个CFRP面板来构成。采用RTM成型技术，在工艺上缩短了成型和树脂硬化时间，利用RTM成型技术将各个CFRP面板制作成型后，通过水流喷射对面板四周进行加工，通过机器人粘接面板，这样的生产过程与以往的生产工艺完全不同。该生产方式除了现有i3车型，还将应用于超级跑车i8上。此外，BMW采用风力发电补充能源的体制，对碳纤维煅烧工序等先进制造工序所需耗费的电力进行补偿，并且公开宣布对难以循环利用的CFRP发起挑战。

表1 镍镉和锂的性能对比

安装车型	东京电力IZA	日产·聆风
制造商	GS汤浅	AESC
电池种类	镍镉	锂离子
尺寸（mm）	长度	303	290
宽度	172	216
高度	231	-
重量（kg）	22	0.787
电压（V）	12	3.75
容量（Ah）	100	32.5
能量密度	（Wh/L）	99.7	317.0
（Wh/kg）	54.5	157.0

图7 镍镉电池

图8 锂离子电池

图9 BMW i3 外观图

3.2电力电子技术

作为下一代电力电子用半导体设备，碳化硅元件（以SiC）和氮化镓元件（GaN）受到关注。同其他元件相比，具有高耐压、耐低温、可在高温下工作等特性，这些特性可以同时实现。特别是SiC已经进入实用化阶段，率先应用于家用产品。以其高效化、小型化程度高等优势，必然会在汽车领域得以应用。

目前应用于耐电压领域的一般是将两种元件，在耐中、低电压方面使用GaN，在耐中、高电压方面使用SiC。例如，在笔记本PC的AC转接器采用GaN，GaN是可耐电压数十伏、开关频率在数百kHz的电气元件；另一方面，面向耐电压1kV以上的电动车和电车用逆变器，则需使用SiC。

3.3充电方式

3.3.1传导式充电

在车辆充电方面，直接充电大致有两种方式。一种是车辆本身安装有充电器，使用AC电力的中、小容量充电系统；还有一种是采用在车辆外部配置的充电器，这种充电器可短时间以大功率输出电量。AC方式是主要的使用方式，在家中于夜间用插座连接，清晨前可充电完毕，并可在移动线路上适当地配备DC快速充电装置。日本国内的DC充电基于CHAdeMO标准，最大充电能力为50kW左右。2015年10月前，日本国内配备有5400台，海外配备超过3900台CHAdeMO充电器。

使充电方式标准化，在不同国家都可以便捷地充电。上述CHAdeMO方式由日本主张和提出作为IEC标准，2014年成为国际标准。为此，在世界各地都可以容易地引进并加以普及。

3.3.2感应式充电

20世纪90年代，GM提出了采用充电板的充电方式，并在市场销售非接触式充电设备。6kW级别的电池使用了将内置线圈的充电板插在车辆上即可充电的技术。该充电方式为丰田、日产、本田等用于日本国内销售的车辆所采用（图10）。该方式虽然由SAE写入标准，但在美国被限定于传导式充电方式。

图10 充电板式充电 日产Hyper mini

3.3.3非接触式充电

近年来，非接触供电是重要发展趋势，由于驾驶员无需接触充电线缆和接头而具有显著优势。

现在所讨论的是与上述20世纪90年代提出的充电板方式所不同的方式（图11）。非接触充电的思路是将充电器中的变压器在一次侧和二次侧进行分离，也就是作为有间隙的变压器来工作。为了应用于各种车辆正在推进统一标准的工作。同时还开展了行驶过程中供电技术的研究，如果得以实现，客户就无须担忧车辆行驶所需能源如何在进行储备。

图11 非接触供电示例

3.3.4电池交换式充电

除了普通充电、快速充电以外，还开发了电池交换的充电方式（图12）。由以色列的Better Place公司提出，日本从2009年起用1年左右的时间，开展了电池交换式电动车演示活动。电池余量减少的电动车回到电池交换站，将已充电完毕的电池组自动地进行交换，大约1分钟就可完成交换。在充电站将温度调整至20℃左右，根据车辆工作状况实施普通充电或快速充电。在以色列，已开始销售雷诺公司生产的风朗Z.E.电池交换式电动车。

图12 电池交换式装置

4未来技术可加速提升电动车性能

4.1电动车的运动控制

如上所述，电动车具有优良的环境性能，并且其优势还不止于此。电机作为驱动力来源是电动车电机的特征之一。在下述方面具有很大的优势：

（1）扭矩响应性高速且准确；

（2）通过测量电流可以准确地测算相应的扭矩；

（3）如果使用轮内电机，则可以分别配置到各车轮；

（4）可产生再生制动扭矩。

关注电机的特征，使用安装有轮内电机（IWM）的电动车，开展了电动车特有的车辆运动控制的研究活动。

这些车辆姿态控制的研究大致可分为行进方向、旋转方向和垂直方向。针对行进方向的运动开展了加速时和减速时的牵引控制和侧滑率控制的研究；针对旋转方向的运动开展了驱动力矩差异所导致的横摆控制研究，以及前后轮主动转向所导致的侧滑角控制的研究。并且，在IWM车辆中，在垂直方向上可以产生防俯冲力，导致上下两个方向之间存在很大的力。利用这些研究提出了抑制俯仰运动控制和侧倾运动控制的技术。

IWM中由于簧下重量变大，通常被认为不利于车辆的平顺性。但是，根据这些研究成果，由于IWM车可以控制垂直方向的力，利用其优势可以克服上述缺点，在下文会对该项成果加以简单介绍。

4.2利用IWM实施俯仰控制

俯仰运动特别容易在制动时发生，对于车辆平顺性有很大影响。下面，就对利用电机驱动力抑制俯仰运动的控制技术进行讲解。

在IWM车中如果考虑悬架几何学，则会产生有如图13所示的上下方向的力，如果将驱动与再生进行组合，可以生成任意的俯仰力矩。图14所示为所使用的试验用车，制动时抑制俯仰运动的结果如图15所示。在只有机械制动的情形下，如虚线所示产生了较大的俯仰，可以通过实线所示的电机扭矩予以抑制。

图13 IWM带来的上下防首倾力

图14 试验用车（FPEV2-Kanon）和安装的IWM

图15 试验结果

4.3在延长续航里程控制方面所做的努力

一次充电后的续航里程对于电动车而言是个重要问题。如上所述，由于担心会进一步增加能源消耗，对此开展了详尽的探讨。

早期了解到利用IWM控制技术可以提高车辆安全性，但现状是只在紧急情况下启动的系统却没有投入到实际应用。今后，如本文所介绍的那样，为了改善舒适性和续航里程，期待通过平时操作用的控制技术，推动系统的实际应用。

此外，在IWM实际应用过程中，电机的动力线和传感器的信号线因悬架的运动和转向会反复弯曲，是线路耐久性及可靠性所面临的课题。作为解决该课题的根本性措施，使用无线电力传送和无线通信技术，可以完全取消线缆，该研究取得了成功并对外公布了研究成果。

4.4V2X（车辆到家和车辆到电网）

电动车安装了大容量的蓄电池，并可提供电力来补充家庭用电。不但可以在断电时作为紧急用电提供电力，还可以在每天午后电力消耗高峰时段，为电力供应不足的区域提供电力。

5总结

本文回顾了电动车的发展史，并对电动车的相关技术和充电方式进行了介绍。并且列举了将来可进一步提升电动车性能的几项技术。

电动车在挪威、荷兰和美国的加利福尼亚州等国家及地区得以普及，但同时也不能无视因续航里程不足而影响普及的现状。近年来，通过安装大容量的电池，各个电动车企业推出的电动车一次性充电后可行驶的里程超过300~500km。目前，多个国家正在策划公共试验，即在道路上铺设无线供电用线圈，通过无线方式给行驶过程中的车辆供电。

为了应对地球变暖和化石燃料枯竭的问题，在世界范围内强化了降低车辆油耗的法规，其中最为严格的是欧洲预计在2020年实施的将二氧化碳排放量控制在95kg/km的限值，很多车型必须要开始考虑引进电传动装置。在2025~2030年，准备引进更为严格的油耗法规，即将二氧化碳排放量控制在60~70g/km。如果该趋势得以持续，预计将来的二氧化碳排放限值将无限接近于零，这就使得燃料电池汽车和电动车被寄予较高的期望。