（车辆工程专业论文）混合动力电动汽车技术经济性分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文首次提出了对混合电动汽车的技术经济性分析。首先结合了 大批量生产的传统车辆的制造和零售成本结构，给出混合动力车辆 ( h e v ) 中各种零部件的成本。介绍了电动车辆不同批量生产下的各 种情况，并在这个分析的基础上首次提出了一个电动车辆的制造成本 分析。接着对混合动力汽车的功率流分配进行理论探讨，阐述了串联 式混合动力汽车的控制策略，并对不同的控制策略进行了比较。 然后在s h e v 样车参数的基础上建立了串联式混合动力车辆的仿 真模型，运用m a t l a b s i m u l i n k 设计了理论控制器，并引进可调控制 参数通过仿真得到车辆燃油经济性参数，从而进行运行成本分析。 我们以z j 6 7 0 0 h e v 为平台，提出了初步的针对串联式混合电动车 辆在不同运行模式下的模糊控制策略。对混合动力汽车车辆在起步、 加速、巡航、减速、停车等不同运行模式下的能量流进行了分析。并 根据整个能量管理策略提出了汽车在不同运行模式下的控制规则集。 最后分析了国内外电动汽车产业发展的现状与特点，比较了两者 间的差距，探讨了发展我国电动汽车产业化的途径。 关键词：混合动力电动汽车，技术经济性，串联式，能量流， 模糊控制，产业化 汪苏大学磺七学整论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sc a r r i e so nt e c h n o l o g y - e c o n o m ya n a l y s i so nt h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e f o rt h ef i r s tt i m e i tu n i t e st h em a n u f a c t u r i n ga n dr e t a i lc o s ts t r u c t u r eo fm a t u r e c o n v e n t i o n a lv e h i c l e s ( c v s 、p r o d u c e da tl a r g ev o l u m e sa n dp r e s e n t st h ec o s to fa l l k i n d so f c o m p o n e n t si nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ( r m v ) f i r s t l y i ti n t r o d u c e st h es t a t u s o fe l e c t r i cv e h i c l e v u n d e rd i f f e r e n tv o l u m e sa n d b r i n g sf o r w a r dam e t h o d o l o g y t h a te s t i m a t e si n i t i a lm a n u f a c t u r ec o s t so nt h eb a s i so ft h i sa n a l y s i sf i r s t l y t h e nw e d i s c u s st h ed i s t r i b u t i o no fp o w e r t r a i n so fh e vt h e o r e t i c a l l y , e x p o u n dt h ec o n t r o l s t r a t e g i e s ，a n dt h e nc o m p a r et h e s ed i s t i n c tc o n t r o ls t r a t e g i e s s e c o n d l y ，b a s e do i lr e l a t i v er e f e r e n c e s ，t h i st h e s i se s t a b l i s h e st h es i m u l a t i n g m o d e la n d d c s i g m t h ea c a d e m i cc o n t r o l l e rf o rt h es h e vb y a p p l y i n g m a t l a b s i m u l i n k i ta l s oi n t r o d u c e sc o n t r o lp a r a m e t e rt h a tc o u l db ea d j u s t e da n dg a i n t h ee n e r g y 骟v i n gp a r a m e t e r st h r o u g he m u l a t o rt h e nc a r r yo nf u n c t i o n i n gc o s t a n a l y s i s w e p r e s e n tt h ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do na m yl o g i cc o n t r o la i m i n ga tt h es h e v i ne a c hm o d eo nt h eb a s eo fz j 6 7 0 0 h e v t h a ta n a l y s i st h ep o w e r t r a l n si na l lm o d e s w h i c hi n c o r p o r a t et h em o d e so fo p e r a t i o no ft h eh e v i e ，s t a r t , a c c e l e r a t i o n , c r u i s e ， d e c e l e r a t i o n a n ds o o i l t h e n p r e s e n t t h er u l e s e t t i n g f o r e a c h m o d e o f o p e r a t i o n o f t h e v e h i c l ei nv i e w o f a no v e r a l le n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y l a s t l y , a n a l y s i st h es t a t u sa n dc h a r a c t e r i s t i co f t h eh e vi n d u s t r yd e v e l o p m e n ti n d o m e s t i ca n do v e r s e a s ，c o m p a r et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nb o t ha n dd i s c u s st h ea p p r o a c h o f d e v e l o p i n gh e vi n d u s t r i a l i z a t i o ni no l a c o u n t r y k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e , s e r i e s , p o w e r t r a i n s , f u z z yl o g i cc o n t r o l ， t e c h n o l o g y - e c o n o m y , i n d u s t r i a l i z a t i o n 娃 学位论文版权使用授权书 本学谴论文佟者完全了簿学狡有关爨璧、健矮学霞论文的囊 定，湖意学校髁留并向国家有关郝门或机构送交论文的复印件和 宅子箴，是许论文棱奎窝鬻髅霹。本入援投辽苏大学霹汉萼莓本学 位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库谶行检索，可以采 丽影印、缩印或扫描等复制手段保存秘汇编本学位论文。 俣密囡，在年解密后邋藤本授权书。 本学位论文蠛于 不绦密口 攀健论文 擘辫然名：善絮孙 学赚憋皂：锄红 麓字网期：盖蚺年0 胃l 缸闻 签字潮期；卯妒年当月 v 爨 学位论文 擘糟毕业后去淘 王 乍挚位： 疆谖逵泣： 瞧话： 帮缡： 独创性声明 y l o l 6 l ； 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注鳃引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承握。 学位论文作者签名： 日期：年 月目 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电动汽车的产生是历史的选择 节能与环保是当今世界汽车工业发展的两大主题，从汽车工业可持续发展战 略及我国汽车工业所面临的现状分析，我们必须寻求新的发展道路。电动汽车为 我国汽车工业实现跨越式发展提供了一次机遇。十五“8 6 3 ”电动汽车重大专项 设立也对电动汽车的发展起到了重大推动作用。北京市在2 0 0 8 年以前实现蓝天 绿地计划，将零排放和超低排放的电动汽车作为北京奥运的形象工程之一。诸多 因素将电动汽车的产业化提上了日程。 我国的主要能源石油供给线长，又不利于保护，加之出产石油的国家地区政 局动荡和战火不断，减少对石油的依赖是大城市乃至全国的当务之急。夜间电力 资源的过剩与浪费是我国大城市和世界大中城市的共同问题，电动汽车可以利用 夜间充电，是平衡夜间低谷用电的有效途径，对有效利用电力资源具有重要意义。 因此，发展电动汽车是我国能源结构调整和提高能源系统运行效率的重要组成部 分 z l 2 1 。 1 2 电动汽车的优点 与传统燃油汽车相比，混合动力电动汽车h e v ( h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ) 具 有高性能、低能耗和低污染的特点。纯电动汽车可以无污染地运行，其传动效率 明显比传统的燃油汽车高，且可回收大部分损失在制动中的能量。电机所固有的 转速一转矩特性使得电机能在其转速一转矩范围内的任何区域工作，且具有低速 恒转矩，高速恒功率的特点。但电池组的重量和体积大，能量密度低，限制了纯 电动汽车的续驶里程和承载能力，较长的充电时间限制了纯电动汽车的实用性。 混合动力系统能实现节能环保效果，保持燃油汽车的高速性能。主要采用如 下技术： ( 1 ) 发动机的优良配置。低排量带来低排放，保持最佳工况运行或尽量减 少低速运行，实现安全燃烧或减少低速排放： ( 2 ) 在城市中行驶主要以电动机驱动系统工作，发动机在最佳工况下排放 江苏大学硕士学位论文 或停止工作“零”排放； ( 3 ) 再生能量的反馈回收是混合动力汽车的一大特点； ( 4 ) 能量转换技术使发动机、电动机驱动系统按路况要求，分别工作或同 时完成车辆行驶要求，大大提高了车辆的机动性，加速性和其它综合性能。 混合动力汽车是传统燃油汽车和纯电动汽车的最佳结合，是综合两种驱动系 统，发挥其最大效能的创新动力系统。 对汽车工业而言，电动汽车使未来2 0 年用于解决能源危机和环境恶化的希 望所在。在部分发达国家和地区部分电动汽车实际生产能力已接近产业化，与之 相关的技术、市场、管理、计划等问题正是它们当前的研究热点f 3 1 1 4 1 。 1 3 国内外几个电动汽车发展计划 1 3 1 美国的h e y 计划、刚g v 计划和f r e e d o mc a r 计划 美国的混合动力电动汽车( h e v ) 技术，于1 9 9 3 年由美国能源部( d o e ) 倡导和参与，其先后与通用、福特、戴姆勒一克莱斯勒三大汽车公司合作，积极 推进电动汽车的开发研究工作。混合动力电动汽车计划由三大目标组成：通过对 h e v 项目的开发，提高美国制造业整体竞争能力的技术；在此基础上将所获取的 技术成果迅速转化为生产力；投产的h e v 具备三倍于1 9 9 4 年普通家庭轿车 ( f a n a i ys e d a n ) 的燃油经济性，达到每加仑8 0 英里的燃油消耗率的目标。 围绕这三大目标，以d o e 和三大汽车公司为首的科研生产部门取得了丰硕的 成果。通用公司于1 9 9 8 年首度发布了其设计的g e n 2 s t i r l i n gh e v ，随后，又推 出了著名的p r e c e p t 。福特公司成功推出一款名为p r o d i g y 的混合动力电动汽车。 与此类似，戴姆勒一克莱斯勒于2 0 0 年推出e s ) ( 2 、e s x 3 两款h e v 车。通过这 些h e v 的研制，美国电动汽车关键技术如辅助动力单元 p u ( a u x i l i a r yp o w e r u n j t ) 、电池、控制系统、飞轮、气轮机、燃油喷射以及电能储备技术等方面取 得了重大进步，部分技术市场化趋于成熟，在这种有利条件下，美国政府及时联 合商业部、国防局、内政部运输局、国家科学基金会、航空航天部、环保总局等 八大部门以及三大汽车公司与相关商业科研机构成立专门研究小组，依据新的历 史条件，适时提出了新一代汽车合作计划( p n g v ) 。 2 江苏大学硕士学位论文 p n g v 计划由三步组成，它要求对h e v 计划中出现的最有市场潜力的车种 进行评估后，希望于2 0 0 0 年完成相应概念车的研制和推出较为成熟的样车。接 下来进行批量化生产运作准备，要求于2 0 0 4 年完成相应车型生产线的建设。由 于p n g v 计划与h e v 的一脉相承，各大汽车制造厂商在h e v 的基础上很快就 推出了各种新的产品。但是经过近1 0 年的发展，由于技术与市场的变化，该计 划的一些不相宜、过时性也逐步暴露在美国电动汽车研制者们面前。 基于这些问题，应美国政府2 0 0 1 年5 月发表的国家能源计划的国情咨 文中关于“氢燃料电池的报告”一文的要求，美国能源部部长在2 0 0 2 年1 月底 特律国际车展上首次宣布了f r e e d o mc a r 计划，并预计2 0 0 3 年财政年将拨款 1 5 3 亿美元用于该计划的研究。其与p n g v 计划的主要不同地方是f r e e d o m c a r 更强调燃料电池( 该电池燃烧后零污染排放) 作为一个长期目标，力求一次到位， 永久性解决汽车尾气排放所造成的环境污染问题，而非p n g v 计划的详细分步 策略，通过采用不同的实施方案，来逐步达到该目标。 1 3 2 欧洲乌托邦u t o p i a 计划 项目为u r 一7 一s c 一2 0 7 6 的乌托邦计划直译为城市运输车辆驱动方案的选 择与评价系统。在欧洲议会、通用运输协会的努力下，有1 3 个工作区域( 瑞士、 德国、法国、意大利、英国、挪威) 等联合实施的u t o p i a ( u r b a n t r a n s p o r t o p d o 璐 f o r p r o p u l s i o n s y s t e m a n d i n s t r u m e n t s f o r a n a l y s i s ) 计划出台。该计划在结构上由 严密完整的目录、评估、决策支持工具等部分组成。u t o p i a 计划的重心致力于 对混和动力，燃料电池、传统发动机的改造，扩大甲基烷、乙烷等替代燃料在汽 车上的使用范围，并提供整个欧洲区汽车工业的发展与环境、能源的整体解决方 案。 1 3 3 日本“低公害车普及行动计划” 2 0 0 1 年，日本公布了“低公害车开发普及行动计划”。日本车向来以燃油经 济性好，技术先进闻名。在以电动汽车为代表的清洁能源汽车发展上更是如此。 日本生产的i n s i g h t 与p r i u s 两款轿车以及更新一些的车型如e s t i m a 多功能 电动汽车，从来都是电动汽车市场的焦点，因此该计划的提出不仅将对日本而且 江苏大学硕士学位论文 会对全世界的电动汽车以及相关清洁能源汽车的发展产生重大的影响。 该计划特别强调指出，混合动力电动汽车是近期内最有希望大量发展的清洁 能源系统。文中指出混合动力汽车是日本清洁能源保有量的主力，其当前保有量 己超过5 万两。该计划还进一步指出，虽然当前的使用电动汽车的售价较高，但 是油耗大大降低，整体使用费用甚至比传统车辆还低，因而受到欢迎。 1 3 4 我国电动汽车8 6 3 重大专项及电动汽车产业化发展策略 电动汽车作为“明日汽车之星”，在我国早就引起了关注。早在1 9 9 5 年，李 鹏总理在对国家科委有关报告中就做出了应将电动汽车作为“九五”重大攻关项 目的指示。1 9 9 6 年国家科委“国家重大科技产业工程项目电动汽车实施方案” 中也批示要加快发展步伐。1 9 9 9 年国际电动汽车研讨会( e v s ) 年会在北京召 开，同年科技部、国家环保总局、国家计委、国家经贸委、国家机械工业局、公 安部和交通部等1 3 个部门联合发起“空气净化工程一清洁汽车工程”计划。2 0 0 1 年4 月北京还成功举办了第三届北京国际电动汽车暨清洁燃料汽车和汽车环保 研讨会，2 0 0 2 年7 月，北京两辆混合动力电动汽车开始运营。 通过十年的努力，我们在电动汽车方面取得了不少重要突破，具体来说，像 纯电动概念车及其相关技术的研究就取得了重大进展，部分整车技术指标接近国 外水平，纯电动改装车开发具备了小批量生产能力，还建成了我国自己的电动汽 车试验示范区( 广东南澳) ，开展了电动汽车标准、法规、运行机制和政策研究。 但是，我们应该看到国内技术与国外相比无论是科研还是生产能力仍有较大 差距。而我国面临的现实是从1 9 9 4 年开始，已成为石油净进口国，2 0 0 0 年进口 近7 0 0 0 吨，预计到2 0 0 5 年达到一亿吨，更为严重的是在统计的世界十大污染城 市中，我国就占有7 个，基于我国严峻的能源和环境状况，我们没有理由不要求 未来中国的汽车工业探索新的发展思路，实现跨越式非常规发展，必须以环保、 节能及使用替代能源为目标，确保将来的清洁能源汽车的广泛应用。 面临各国新一代汽车的蓬勃发展，我们必须积极行动起来，努力开发出适应 我国资源，环境状况的新一代以电动汽车为主的清洁能源汽车，不仅要尽快在开 发出的相应车型，关键零部件以及电动汽车总成上拥有独立的知识产权，还要在 汽车消费观念上有大的转变，同时在汽车产业化政策上给予大力支持也必不可 4 江苏大学硕士学位论文 少。电动汽车作为新一代人们交通出行的主要工具，必将在不远的将来获得大的 市场，我们一定要牢牢抓住这一机遇与挑战，力争使我国的汽车工业在这新的起 点中有所作为【5 】【6 1 。 1 4 世界混合动力电动汽车趋势分析 当前，混合动力电动汽车的研究与开发已在全世界范围内由点向面地扩散， 发展相当迅速。发达国家的许多研究成果已走出了实验室，并开始进入市场，如 丰田的p r i u s 混合动力电动汽车已经形成小规模批量生产。许多发展中国家也己 开始筹集资金，组织科研力量进行可行性论证和关键技术攻关。 混合动力电动汽车相对于电动汽车和代用燃料的优势使其具有良好的商业 前景。据专家研究，混合动力电动汽车的生命周期至少有3 0 年，若考虑使用清 洁燃料，其前景则更为广阔。在当前电动汽车的成本和电池等技术难以取得重大 突破的时期，开发混和动力电动汽车有利于解决环境、能源等可持续发展战略所 要求解决的紧迫问题。 目前国内外专家基本上达成共识：混合动力电动汽车的使用不只是电动汽车 的一个过渡阶段，而是汽车工业即将面临的一场新的革命。众所周知，燃料电池 虽然是电动汽车商业化和产业化的一个希望，但是由于燃料电池不可逆，如果单 纯使用燃料电池作为动力源，在制动和减速时无法实现能量回收，另外燃料电池 汽车启动也是一个有待解决的问题。因此，燃料电池同样需要与电池组成混合动 力系统。基于以上分析，混合动力电动汽车的商业化和发展化是必然的趋势。我 们可以根据不同的使用要求，研究开发不同类型的h e v ，比如：用于城市公交或 出租汽车，可开发串联式混合动力电动汽车：城市间巴士或主要用于长途客货运 的汽车，则开发并联式的h e v 较为合适；家庭用车或用途比较复杂的其它车辆， 则用混合式h e v 。 对于我国来说，混合动力电动汽车的研究和试制既是一个挑战，又是一个历 史机遇。依据我国的技术与经济实力，开发混合动力电动汽车有一定的基础，也 有相当的难度。需要尽快对混和动力电动汽车的技术、经济和社会环境效益进行 综合分析与评价，科学论证我国发展混合动力电动汽车的可行性，确定技术路线 和开发重点，并组织高水平的科研队伍进行关键技术的攻关和相关技术的开发， 江苏大学硕士学位论文 为2 1 世纪的产业化奠定必要的技术基础【7 】【8 1 。 目前电动汽车处于研制、试制、起步阶段，没有形成产业化规模。尽管我国 对电动汽车的研究刚刚起步，但我国在电动汽车方面的研究水平与国外先进水平 的差距要比传统内燃机车的差距要小，电动车一定会有一个广阔的前景，我国应 抓住时机，大力开展电动车的研制和技术分析，建立一套完整的电动车产业系统。 1 5 本课题研究内容 本课题混合动力电动汽车技术经济性分析，作为电动汽车商业化和产业 化的一项重要工作。因此，此研究将从技术经济性的角度对电动汽车的最初成本、 运行成本进行预测分析，提出产业化方案。 本论文电动汽车技术经济性分析主要包括以下几个方面： ( 1 )提出了一个电动车辆的最初成本分析。结合大批量生产的成熟的传统车 辆的制造和零售成本结构，给出i - i e v 中各种零部件的成本。采用零部件成本估 计了电动车辆不同批量生产下的各种选择情况，并提出了一些成本例子。然后提 出了在这个分析的基础上估计 珏w 最初和运行成本的方法。 ( 2 )对混合动力电池的功率流分配进行理论探讨，分析了混合动力电动汽车 两种典型控制策略，并对其进行对比。 ( 3 )根据s h e v 样车参数建立整车仿真模型，运用m a t l a b s i m u l i n k 设计 了理论整车控制器，并通过仿真得到车辆燃油经济性参数，结合试验进行运行经 济性分析。为了更好的实现功率流控制，并设计了模糊控制策略。 ( 4 )分析了国内外电动汽车产业发展的现状与特点，比较了两者间的差距，探 讨了发展我国电动汽车产业化的途径。 6 江苏大学硕士学位论文 2 1 介绍 第二章车辆最初成本分析 彀动汽车技米缀涛毪分褥毯拯耄动汽车( 驸) 戆最麓毒l 造成本分掇耱车辍 运行缎济性分析。本章结合传统燃油车辆( c o n v e n t i o n a lv e h i c l e ：c v ) 的制造 成本结构，给出了电幼汽车相应的制造成本结构，然后在详细分析电动汽率电驱 动链务耱部磐懿残零纂綦窭圭，套绥了窀动汽警豹不同生产壤凌及箕最裙链逢成 本。 本章所做的结聚分析假定采用高度自动化的大批量生产方法，这种方法由于 技零瑟笈麴蒙嚣会经邀瓿，迄极羧露l 器懿及毫滚在残本上骞一些降低。零索提出 的电池零售价格估计是在电动汽率引进阶段过后的大批薰生产所制造的e y 价 格。因此，本章提出的估计价格代表的是当e v 已经大批量缴产而且制造商回收 全部玺产藏本熬嚣羧潺费者霹戆秘密戆徐貉。 2 2 鬻辆制造和市场成本 2 。2 1 奄辆成本结槐 我们根据传统燃油车辆在犬批量生产情况下的制造成本从丽得出在大批量 生产对电动车辆襞帮哿能麓徐格( 对于薅买静公众来说裁麓最秘懿藏本) 。车辆 的成本童要包括制造成本、销售成本、管理成本以及商业利润研【1 4 j 。 按照这种关系的项目分类相似的份额，在豳2 。l 中由图袭法绘出m s r p “制 造齑建滚销售翁”鼢分配务颟。 7 江苏大学硕士学位论文 图2 1m s r p 的分配份额 图2 1 的成本结构可以依据大的成本分类像制造、销售和管理部门重新设 置。这就方便说明在传统燃油车辆和电动车辆以及那些内部制造的和外部制造的 零部件之间的替换。表2 1 显示了这样一个重组的结构，生产的全部成本包括制 造成本、担保费、调查设计、工程、以及加工设备的贬值和分期付款费用。总的 销售成本保持不变，不过这个表中管理费用和利润包括了整体的管理费用，员工 退休金，健康保险和利润。 表2 1 中的信息对于估计新的零件在车辆价格上的影响是很重要的。对于电 动车辆独一无二的零件，我们可以分析其材料成分，估定生产方法并且开展生产 成本的估计，其它的成本以给定在表2 1 和2 2 中的百分比分配的基础来计算。 8 江苏大学硕士学位论文 表2 1 典型车辆制造成本和零售价格结构 成本种类m s r p 份额( )子种类m s r p 份额( ) 制造 5 0 维修 5 管理费用 1 8 2 0 调查设计和加工 6 7 贬值和分期付款s 一6 社团管理费用 5 退休金和健康费用2 销售 2 3 2 4 运输 2 0 广告费用 3 4 总成本( 平均) 9 7 5 总利润 2 5 总计 1 0 0 表2 2 在美国功能车制造和零售成本结构 m s r p 份额( ) 主要种类子种类 来自主要种类来自子种类 生产6 7 0 制造 5 0 0 维修5 0 调查设计和加工 6 5 贬值和分期付款 5 5 销售 2 3 5 运输 2 0 0 广告等费用 3 5 管理和利润9 5 社团管理费用 5 0 退休金和健康费用 2 0 总利润2 5 总计 1 0 0 o1 0 0 o 9 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 车辆零部件成本 在一个车辆组装工厂里，原材料和零部件用来组装成完整的车辆。我们采用 列表的方式说明所有输入的材料、零件、劳动力、设备、公共设施以及其它的花 费并且把它们和车辆输出比较。其中说明制造成本的一种方法是综合输入材料 ( 工厂收到的原材料) 的成本，工厂劳动力成本以及工厂管理费用( 一般的生产 供应花费、公共设施、税费、维修保养和工厂技术支持) 。我们把材料成本分解 为零部件系统和子系统成本，用电动车辆零部件来更换传统车辆零部件这种方法 来估计车辆成本分配。表2 3 提供了来自零部件系统和子系统的车辆成本分配的 情况。 2 2 3 成本分析的基本方法 一辆电驱动的客车可以认为是一辆传统燃油车辆的修改。其不同之处主要在 于功率链和能量储存系统。两种车辆类型有相似的车身，有同样的零件像车门、 车窗、座位、仪表盘和控制器，它们有相似的底盘部件，例如刹车、悬架、车轮、 车胎还有缓冲器。综合起来，这些零部件占据全车成本的7 0 一8 0 。因此，e v 成本可以在最相似的传统燃油车辆的基础上估计，对两种车剩余的零部件及其加 工上的不同作一些必要的调整，这些大概占据了传统车辆成本的2 0 - - 3 0 。也就 是说，我们只估计e v 独一无二的零部件成本，而不是全部车辆的成本。 我们采用与所选定的e v 最相似的传统车辆车身类型的制造成本结构作为基 础来判定所有的系统以及在e v 中c v 会被移走或者更换的部分零部件。从传统 车辆成本中减去那些移走的零部件的成本从而加上那些代替它们的e v 零部件的 计算成本，然后对装配成本进行必要的调整，结果就是一辆e v 的制造成本，这 辆e v 假设是在与基础c v 相似的平台上生产的而且数量是相当的。如果e v 是 在小的生产产量下或在一个有非典型性成本结构的工厂里生产的，则需要更多的 调整。 这个方法是基于成熟的大批量工业生产以及一些对c v 的制造过程变化并 不很大的假定得来的。这个限制实际上是一个优点，因为如果e v 想成功进入市 场，它们必须在成本上有竞争力，这就意味着需要大批量的生产并且为零部件提 供最节约成本的供应基础。 l o 江苏大学硕士学位论文 表2 3 来自零部件系统和子系统的典型传统车辆生产成本分配 制造成本份额( ) 零部件系统 子系统 来自系统来自子种类 车身 2 5 4 6 原始车身 1 3 2 2 油漆和涂层o 1 3 玻璃 2 3 2 车身修剪和零部件 i o 3 0 电子产品 0 5 0 发动机 2 1 5 3 发动机单元 1 8 5 0 发动机附件2 3 3 发动机电子 0 7 0 变速器 5 0 3 变速器单元 4 9 5 变速器控制 o 0 8 底盘 2 5 9 4 车架 1 1 9 悬架4 9 l 转向0 9 7 制动 2 9 7 废气系统 3 0 l 燃油系统 0 3 6 最终驱动 1 4 8 车轮和轮胎5 1 9 缓冲器，挡泥板和屏障 2 2 9 底盘电子 o 8 3 附件和工具 0 1 2 液流 2 6 2 车辆组装 2 1 0 4 总计1 0 0 0 2 3 传统车辆的成本和零部件 辆传统客车包括几千个单独的零部件，结合为3 5 到4 0 个主系统，子系统。 习惯上把这些系统和零部件组成四个关键部分，这四个关键部分是车身、发动机、 传动机构和底盘。如果我们对四个关键部分中各种各样的零部件进行定义，可以 得到个像表2 4 中的第一竖列的序列。在表2 4 中第二列到第四列是对c v 和 e v 子群体中完全共同的，有些共同的还是根本不同的零部件进行的分类。 江苏大学硕士学位论文 表2 4c 、和“：零件群体和子群体 车辆群体和子群体完全共同的一些共同的完全不同的 车身群体 车架 烤漆 玻璃 车内装饰 车外装饰 座椅 仪表盘 控制系统 车身电子元件 加热、通风、空调( h v a c ) 发动机群 发动机基础 排放控制 发动机附件 发动机电子元件 冷却系统 变速器群 驱动桥 离合和激励 变速控制 底盘群 车架 悬架 转向 刹车 排气系统 燃料储存 后驱动 车轮和轮胎 缓冲器、挡泥板、防尘罩 底盘电子元件 附件和工具 制动液 上面我们得到了表2 1 和2 2 中的零件群体和子群体的制造成本结构，加上 整车装配线的成本，可以采用一个简单的模型来推动e v 的成本计算。在下面的 部分中，我们会对一辆传统的微型汽车提出这样的模型。 江苏大学硕士学位论文 2 3 1 微型汽车制造成本结构 像表2 4 那样把车辆分解为零部件和系统群体，表2 5 中给出了一辆传统的 微型轿车的成本分配。其成本份额表明了对微型轿车主要群体的成本分配，显然 车身群体是耗费成本最多的。同时在c v 和e v 之间车身和底盘群体共同的子群 体数目最多( 看表2 4 ) 【1 2 1 。 表2 5 对于传统车辆群体和子群体的成本份额 车辆成本份额( ) 车辆群体和子群体 微型轿车 群子群 车身群 3 4 2 5 发动机群 1 6 o o 变速器群4 7 5 底盘群 2 2 o o 燃料储存 0 4 5 排放 o 9 5 转向 o 5 3 * 底盘电子元件 0 6 2 刹车 2 2 4 悬架 3 9 4 车架 1 4 8 后驱动 1 4 9 车轮和轮胎 6 1 6 缓冲器和挡泥板 2 4 3 附件和工具 0 1 4 制动液 1 5 7 整车装配 2 3 o o 总计 l o o 0 0 2 4 电动汽车的系统和零部件 典型的e v 采用了很多像c v 同样类型的系统和零件，特别是在车身和底盘 中。然而e v 的功率链是完全不同的，而且它的能量储存机构蓄电池也变成了一 个主要的子系统。 2 4 1 能量储存系统 目前最有可能采用的e v 能量储存系统是一个二级的或者可再充电的电池。 江苏大学硕士学位论文 在已经设计或投入生产的e v 中，电池一般储存在中心“地道”车厢( 在乘客之 间) 或在乘客车厢的地板下面。 2 4 2 功率链 除能量储存系统以外，功率链完全将e v 与c v 区分开来。电动功率链是一 个相当直接的系统，比同等的i c 发动机功率链简单的多而且更为紧凑。e v 的功 率链本质上仅由电动机、电子控制系统以及一个单级的减速齿轮链组成。在电子 功率链设计中主要的区别就是采用什么类型的电机和控制器。 2 5 牵引电机和控制器的成本模型 e v 一般采用三种牵引电机中的一种：直流( s e r i e s 和s h u n t ) 电机，交流感 应电机，还有直流无刷( 采用永磁磁极) 电机。 2 5 1 开发电机成本模型的方法 对牵引电机的成本模型考虑了三种类型的设计：直流，交流感应，还有直流 无刷( 永磁磁极) 。 用来开发成本模型的方法如下： ( 1 )选择每种类型一个有代表性的电机进行成本分析。 ( 2 )每个电机都要分解为它的主要构成元件。 ( 3 )每个元件的成本被决定而且跟一个简单但是有意义的参数相关，例如质 量( $ 1 b ) 。 ( 4 )通过合计个体元件的成本来决定整个电机的成本，加上装配和测试的成 本。 ( 5 )每个电机的成本以发出的功率为基础进行规格化来得到对每个设计的每 公里瓦特的成本。 模型的目标是对e v 规划出牵引电机的成本而且考虑三种类型电机的原始设 备制造商( o e m ) 成本。o e m 的成本定义是o e m 为大批量生产的电机和控制 器会付给供应商的价格。本章采用交流电机进行计算。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 5 2 交流感应电机 交流感应电机是最普遍的电机，在工业上有广泛应用。图2 2 中显示了一个 典型的交流感应电机。 图2 2 交流感应电机( 来源：o s w a i d 和s k e l i e n g e r l 9 9 4 ) 表2 6 中提供了对这种标准的4 0 k w 的交流感应电机的最终o e m 估计价格。 表2 6 交流感应电机估计o e m 成本 成本分类成本( $ )平均成本( $ ) 平均份额( ) 材料成本2 9 12 9 15 3 9 装配和测试( f g 成本的3 0 - 4 0 )1 2 5 1 9 41 5 92 9 4 总m f g 成本 ， ( 4 1 6 4 8 5 )“5 0 )( 8 3 3 ) 总利润范围0m f g 成本的2 0 8 2 - 9 79 01 6 7 o e m 价格 ，4 9 8 - 5 8 25 4 0 1 0 0 0 2 5 3 交流电机控制器 交流感应电机有很多优点使得它们很适合e v 操作，但是由于运行于一个直 流功率源( 电池) 所出现的复杂问题使得它们在过去并没有得到实际应用。因此， 一个交流感应电机的控制器必须基于一个可变频率、可变振幅的固态反向换流 器。而这样一个设备必定是相当复杂的，特别是必须考虑所有必须的保护以及高 频噪声控制设备的时候。 江苏大学硕士学位论文 2 。5 4 电机控制器的成本模型 表2 77 0 l ( w 的查流和交流电机控制器的估计o 酬成本 成本分配d c 成本( $ )a c 成本( $ ) 零帮 孛残本? 一s 9 0 e l ，l 装配m f g 成本 1 0 01 0 0 总m f g 成本 8 0 0 - - 9 0 01 0 0 0 i 2 0 0 撰应囊裂滤蛇瓣1 6 e 1 8 e2 0 0 - - 2 4 0 总0 蒯成本范围( 9 6 0 一l ，0 8 0 )( 1 ，2 0 0 1 ，4 4 0 ) 每千瓦时成本范围 1 3 7 1 5 41 7 1 2 0 6 平均戒本 l ，裙0 1 ，3 2 0 每千瓦时平均成本1 4 61 8 9 注：直流电机来源( 昆常1 9 9 5 ) ，交流电机来源( o s w a i d 和s k e il e n g e r l 9 9 4 ) 簸表2 7 受容荔看爨宠整懿控麓器0 e m 蔽零受控于高殛率蠡每牙关元终，这 些开关元件的份额对于窥流电机大约怒总值的4 0 ，对于直流电机是2 5 。考 虑到所有这魑因素，可以推测，除非可以引进新的或者天性低成本的技术，否则 e v 豹毫撬按嗣器仍会怒一个嵩戎本静顼霸。 2 6e v 电池生产成本 2 6 1 电池的比较 本节檄撂了电池材辩的成本并分缨了四静先进类型的e v 蓄电涟总成本的傣 怠：高级鹃铅酸电沲( p b - a c i d ) ，镳硫电沲( n a - s ) 电港，镶铺电泡( n i c a ) 还有镍氢电池( n i - m h ) 。它们是近期最可能利用的。这些电池的性质比较显豕 在表2 8 中，包耩了对冀生要材料成本的话15 1 【l q 【l 卫。 蓄电淑占握了车辆璇量帮成本辙穴豹一个部分( 2 0 - - 4 0 ) 。对电动车辆成 本影响很大，因为预期一些电池的生命周期比车辆艇命周期要短一些，最少需臻 更换一次。 1 6 莲苏大学硬圭学整论文 袭2 8 电池的比较 项目铅酸电池钠硫电池镍镉电池镍缀电池 镶甄氧化物和 镍氢畿化物和金 i 电摄耪辩 玻璃纤维翘上兹镑 焰讫豹钠和藏 锈，铁属煞豫镌 电磐滚巯酸b e t a 锈羯瓷 镪蟹氧纯黪 铎氢亵纯物 能量密度 5 0l 5 77 5 ( w h k g ) 2 5 k w h 的质 5 0 02 5 04 3 93 3 0 量( k g ) 材料成本 ( 薹蕴皲t 1 3 一1 6 6 3 5 - 7 9 41 3 9 - t 8 81 0 4 - 2 6 3 重要懿攘荻镑颗粒铁氧纯褥鬏莲 镡耀尘幂辍遵 霹以使用现存的基镶鬣化劫循环过 注解在3 5 0 c 时操作铺穰容易再循环 础设施需要更替 程不知道 2 6 。2 电池憋成本 奄遵慧藏零氆蕹嚣饕亵裂遗、管莲赞秀等等。毽为联餐是对慧或零赞献最太 的个体，我们把减少原料成本侔为鼹主要的目标。碱设倦造成本不会因为电池类 型不同而有缀大不同，它占据总成本中一个相对较小的成分。 表2 9 啦池组戏部分成本( $ 醐h ) 或奉缓成 镳夔彀渔 臻锾电滟密封豹锻酸龟懑 瓣辩 1 1 0 ( 6 0 ) 签l 薛) 卵镬辨舒 制造 2 2 1 42 1 管理费用 2 0 3 9 1 1 剥滑 3 1 6 l 1 5 慧诗 l s 3 3 矗s 9 4 注；电池成本来源为k a l h a m m e r e ta 1 ( 1 9 9 5 ) 、网嚣围象塞验室w a s 融a l * ( 1 9 9 7 ) 从表z 9 中可以看出，铅酸电池是也将一直会髓最便宜的；因为陶淡电解液 嚣高戒零，皴硫电池将会是最籀爨豹；镶锈电池弱镶魑龟池便宜一些，艇怒它们 对手饕糕藏本大大降羲秀嚣没有镑么党臻戆蓑鬃。尽管对于每势类型壤渔赞成本 随着技术盼发餍都会有一个太的变动，但缀显然炅有糕级的铅酸毫池 照许是镳 硫电池) 才念有可能达到高级电池协会( a b c ) 的中期成本目标$ 1 5 0 k w h 。在 电池比较中。个应该注意的问题是对于车辆的生命周期来说铅酸电池宵可能需 1 7 江苏大学硕士学位论文 要一次或更多的替换，因此，它的实际成本肯定是至少两倍或更多【1 8 1 】。 在目前的趋势中，大容量( 高比能型) 镍氢动力电池占据了重要地位，它主要 用于纯电动汽车( e v ) 。虽然纯电动汽车目前离商品化还有一段距离，但各国都投 入大量的财力、物力进行研究开发。其中美国的o v o n i e 、法国的s a f t 、德国的 v a r t a 、日本的古河、汤浅、松下等公司在此方面开展工作较多。据日本野村综 合研究所分析，镍氢电池由于技术成熟，今后几年内( 2 0 0 5 年前) ，h e v 所用电 池将以镍氢电池为主( 占9 5 ) ，从2 0 0 6 年至2 0 2 0 年锂离子电池的应用比例将上 升至4 0 ，镍氢电池仍将占6 0 ，高功率镍氢电池成为今后发展的趋势【2 4 】。 2 7 电动汽车的加工制造 本节前面的部分指出，e v 与传统燃油车辆本质上一样的零部件占据了大约 基础车辆总制造成本的7 0 。几个需要实质性修改( 总计是制造成本额外的7 ) 的系统仍旧能与传统燃油车辆共有很多部件和工序。在电动车辆引进阶段，在 e v 变成大批量生产的产品之前，有三种制造方法一整车改变，车架改变，和 完整o e m 生产也许会被采用。 2 7 1e 、f 改变 在早期引进阶段，e v 模型有限的利用性会需要很多的替换车辆来提供给原 始设备制造商o e m 。从完整的传统车辆改变是生产一个小批量e v 的最经济的 方法。当车辆改变的数目增加到一个重要的数目( 每年几百个单位) 时，生产一 个专门的车架来减少车辆改变的成本会更加经济。 2 7 20 e m 直接生产 当o e m 决定生产他们自己的e v 时，他们不得不在一个完全新的设计和一 个现存车辆的修改之间做出选择，预期大部分o e m 会优先选择一辆基于一个现 存车辆的修改。e v 会采用传统车辆原始车身的许多部分，实际上是所有的内部 零部件，还有大部分底盘零部件。 1 8 江苏大学硕士学位论文 2 8 对所选车辆的成本估计 在引进阶段一个o e m 最有可能采用的方法是基于一个现存的传统车辆或平 台的一个h e v 模型的生产，我们选择基于现存车辆修改的方法。 我们估计了基于一辆现存传统客车的一辆h e v 的制造成本和m s r p ，预期 这些车的产业化生产有相当多的潜力。h e v 模型会使用尽可能多的共同的零部 件；微型轿车的车身结构必须要修改成可以提供一个足够的电池隔间而不侵犯乘 客或行李空间；e v 车身和底盘可以设计为用同样的工具装配。 如果除去传统功率链、燃油储存系统、排气子系统、制动液、起动、灯光和 点火电池( s l i ) 等的成本，剩下的车辆零部件成本占据原始总成本的大约7 7 。 假定e v 会使用所有共同的零部件，加上e v 专门的零部件( 电动功率链、电池 等) 成本以及为了e v 的运行而必须对零部件修改的额外的成本费用( 比如车身， 助力转向，h v a c ，和刹车) 。假定对于e v 车身来说，直接的制造成本( 材料、 劳动力和工厂管理费用) 会和c v 车身的一样；e v 转向和刹车子系统与传统车 辆实质上也有一样的成本，因为电动功率零部件( 例如助力转向和刹车) 液力或 者真空调节的都不昂贵。采用在前面章节中提出的制造成本结构和这些假定，我 们得到列在表2 1 0 中的h e v 零部件成本。 表2 1 0 对于0 e i t l 的e v 零部件成本( $ ) 微型轿车微型货车 e