新能源汽車種類及其關(guān)鍵技術(shù)分析

劉恒碩，李軍，張勝根

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

新能源汽車種類及其關(guān)鍵技術(shù)分析

劉恒碩，李軍，張勝根

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

新能源汽車是當(dāng)今汽車技術(shù)發(fā)展的重中之重。介紹了當(dāng)前主要的新能源汽車種類及其關(guān)鍵技術(shù)，闡述了當(dāng)前我國(guó)新能源汽車存在的問(wèn)題及解決問(wèn)題的主要途徑，以及我國(guó)新能源汽車的發(fā)展及趨勢(shì)。

新能源汽車；電動(dòng)汽車；飛輪電池；電機(jī)

0 前言

隨著我國(guó)汽車保有量的不斷增加，能源危機(jī)和環(huán)境污染的問(wèn)題在我國(guó)也有愈演愈烈的趨勢(shì)[1]。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)顯示:到2020年，我國(guó)機(jī)動(dòng)車的燃油需求量將達(dá)到2.56億噸，而全球的石油儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)其的需求。因此，開(kāi)發(fā)非傳統(tǒng)燃料汽車成為汽車發(fā)展的必然選擇[2]。

新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力來(lái)源，或者使用常規(guī)的車用燃料但采用新型的車載動(dòng)力裝置，綜合車輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)形成的技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。就當(dāng)前世界各國(guó)新能源汽車研究成果而言，新能源汽車的研發(fā)技術(shù)已日臻成熟，市場(chǎng)上推廣使用的主要有3種類型：純電動(dòng)汽車(PEV)、燃料電池電動(dòng)汽車(FCV)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)[3]。

1 國(guó)內(nèi)外新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代第一次石油危機(jī)發(fā)生后，我國(guó)就意識(shí)到汽車行業(yè)的未來(lái)一定在于新能源汽車，從那時(shí)起，政府就曾委托清華大學(xué)開(kāi)始著手研究電動(dòng)汽車[4]。但是，關(guān)于我國(guó)新能源汽車的發(fā)展方向則有很多種看法：認(rèn)為乙醇汽車是我國(guó)發(fā)展新能源汽車的最佳途徑[5]；對(duì)電動(dòng)汽車的研究以及推行將加快智能電網(wǎng)的發(fā)展，這對(duì)我國(guó)新興企業(yè)將會(huì)是一個(gè)很好的促進(jìn)[6]；在短期內(nèi)汽油車仍然是我國(guó)汽車行業(yè)的主流，但由于柴油車的性能和污染得到重大的改善，其發(fā)展前景亦十分廣闊。也有人認(rèn)為混合動(dòng)力車輛只是一個(gè)發(fā)展的過(guò)渡產(chǎn)品，長(zhǎng)期發(fā)展將受到一定的限制和制約；純電動(dòng)汽車將是汽車發(fā)展的主要力量，而且燃料電池汽車由于其零污染和燃料替代的原因，將會(huì)是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[7]。

近年來(lái)，為了應(yīng)對(duì)全球和環(huán)境的壓力，世界汽車產(chǎn)業(yè)面臨戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，節(jié)能與新能源汽車已經(jīng)成為戰(zhàn)略方向。目前，常規(guī)混合動(dòng)力汽車技術(shù)逐步成熟，進(jìn)入產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)期；純電動(dòng)汽車技術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)進(jìn)入更廣泛的新的運(yùn)行階段；燃料電池汽車研發(fā)繼續(xù)推進(jìn)，繼續(xù)占領(lǐng)電動(dòng)車技術(shù)制高點(diǎn)。2013年，按純電動(dòng)EV和插電式混動(dòng)PHEV口徑統(tǒng)計(jì)(不包括燃油混動(dòng)HEV車型)，全球共銷售新能源汽車約15萬(wàn)輛，銷量最高的國(guó)家中，美國(guó)銷量達(dá)到9.6萬(wàn)多輛，占比達(dá)到64%，日本、法國(guó)位于第2、第3[8]。

2 新能源汽車分類及其關(guān)鍵技術(shù)

就當(dāng)前世界各國(guó)新能源汽車研究情況來(lái)看，新能源汽車的研發(fā)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，已經(jīng)在市場(chǎng)上廣泛推廣使用的主要有3種：純電動(dòng)汽車、燃料電池電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。

2.1 純電動(dòng)汽車

純電動(dòng)汽車，顧名思義，僅依靠蓄電池的電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，最終驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行[9]。作為一種新能源汽車，它具有零污染、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但與此同時(shí)，目前提供電能的蓄電池壽命短、充電時(shí)間長(zhǎng)、行程短和價(jià)格昂貴等問(wèn)題制約著純電動(dòng)汽車的發(fā)展。由于它具有既不耗油又不污染環(huán)境等無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，仍然是各大汽車企業(yè)主要研發(fā)對(duì)象。雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)有相關(guān)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)出純電動(dòng)汽車并已投入市場(chǎng)，但由于研發(fā)制造成本較高，其價(jià)格還很難被工薪階層廣泛接受，因此當(dāng)前的純電動(dòng)汽車主要用于城市公交，以及機(jī)場(chǎng)、旅游景區(qū)、體育場(chǎng)地和城市社區(qū)等，要成為上班族代步工具或普通百姓常用的交通工具還有著較大距離[10]。

2.2 燃料電池電動(dòng)汽車

燃料電池電動(dòng)汽車是利用氫氣和空氣中的氧氣在催化劑的作用下在燃料電池中經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能，以此作為主要?jiǎng)恿υ打?qū)動(dòng)的汽車[11]。由于燃料電池同時(shí)具有無(wú)污染、高效率、適用廣、噪聲低、可快速補(bǔ)充能量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是今后替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車最理想的動(dòng)力裝置[12]。但是燃料電池在價(jià)格和相關(guān)技術(shù)上亦存在一些瓶頸：燃料電池造價(jià)偏高、反應(yīng)/啟動(dòng)性能不及傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)引擎、碳?xì)淙剂蠠o(wú)法直接利用、氫氣儲(chǔ)存技術(shù)不成熟等；其中尤以氫氣儲(chǔ)存技術(shù)最為重要，姑且不論儲(chǔ)存過(guò)程中的氫氣損失情況，其安全性是一個(gè)極大的問(wèn)題。一旦儲(chǔ)存技術(shù)不過(guò)關(guān)，攜帶大量氫氣的汽車就相當(dāng)于是一顆會(huì)移動(dòng)的炸彈，其危險(xiǎn)性可想而知。基于上述原因，目前燃料電池電動(dòng)汽車在發(fā)展中也受到很大的束縛。

2.3 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

混合動(dòng)力汽車就是指使用傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種方式的汽車。在汽車啟動(dòng)、停止等工況，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)低排放、低噪聲；在近于額定工況和高速路工況時(shí)，則主要由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在最佳工況狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能好的工作狀態(tài)，同時(shí)還可對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；在大負(fù)荷和加速工況，可同時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以達(dá)到良好的動(dòng)力性和加速性能[13]。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是當(dāng)今新能源汽車市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品之一，在新能源汽車中占據(jù)了90%以上的市場(chǎng)份額。但它只是新能源汽車的一種過(guò)渡性產(chǎn)品，其能源控制技術(shù)和蓄電池使用壽命等問(wèn)題依舊是混合動(dòng)力汽車有待于進(jìn)一步攻關(guān)的難題[10]。

2.4 新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)

(1) 電池技術(shù)

電池是電動(dòng)汽車的能量來(lái)源。要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，電動(dòng)汽車必須具有與傳統(tǒng)車輛相當(dāng)?shù)牧己玫男詢r(jià)比，這就對(duì)電動(dòng)汽車的電池性能提出了要求，例如續(xù)駛里程、加速性能、爬坡能力等[14]。到目前為止，車用電池經(jīng)歷了3代的發(fā)展。鉛酸電池是第一代，可靠性高、價(jià)格低廉、原材料豐富和高倍率放電是其優(yōu)點(diǎn)，但是其比能量低、質(zhì)量和體積相對(duì)較大，而且一次充電的續(xù)駛里程較短，嚴(yán)重制約著鉛酸電池的發(fā)展。堿性電池是第二代，其各方面性能都優(yōu)于鉛酸電池，然而其價(jià)格比鉛酸電池高很多，市場(chǎng)的推廣受到影響。燃料電池是第三代電池，它能高效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，在比能量、比功率方面優(yōu)勢(shì)較明顯；但是由于其價(jià)格、原料獲取以及氫氣存儲(chǔ)等方面還存在較大問(wèn)題，因而仍然沒(méi)有被廣泛使用。但其優(yōu)于其他電池的優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)，將來(lái)燃料電池一定會(huì)成為汽車的主體動(dòng)力電池之一[15]。在這3種電池之外，還有另外的一種新型電池——飛輪電池。

飛輪電池又稱電動(dòng)機(jī)械電池，原主要用于衛(wèi)星等航天器的能源儲(chǔ)備裝置。美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司(AFS)設(shè)計(jì)的飛輪電池，含有高強(qiáng)度碳素纖維制成的錐盤形輪，它在真空中由磁懸浮軸承支撐，所以摩擦損失可以忽略不計(jì)。通過(guò)電機(jī)，使飛輪處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，將電能轉(zhuǎn)化為飛輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能[16]，當(dāng)汽車不運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于飛輪處于真空環(huán)境中，其轉(zhuǎn)動(dòng)能量損失微乎其微；當(dāng)汽車需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛輪通過(guò)電機(jī)將儲(chǔ)存在其中的能量釋放出來(lái)提供電流驅(qū)動(dòng)汽車。AFS曾運(yùn)用飛輪電池對(duì)一款勞斯萊斯轎車進(jìn)行改裝，改裝后的電動(dòng)汽車一次充電行駛距離可達(dá)600 km，而日本也曾開(kāi)發(fā)過(guò)相應(yīng)的飛輪電池電動(dòng)汽車，其飛輪轉(zhuǎn)速最高可達(dá)3.6×104r/min，一次充電行駛距離為480～640 km[17]。飛輪電池的能量密度為普通鉛酸電池的3～6倍，且無(wú)污染，壽命可達(dá)數(shù)十年，與其他電池相比，飛輪電池具有很明顯的優(yōu)勢(shì)。但由于其只有在真空容器中且由磁懸浮軸承支撐才能使用，因此其價(jià)格比較昂貴，目前還處于試驗(yàn)與產(chǎn)業(yè)化階段；但是隨著技術(shù)的發(fā)展，降低其成本，飛輪電池將在未來(lái)電動(dòng)汽車中廣泛應(yīng)用。

(2) 驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)

雖然現(xiàn)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車占據(jù)了新能源汽車的大部分市場(chǎng)，但是新能源汽車的最終發(fā)展方向仍然是純電動(dòng)汽車，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車只是由傳統(tǒng)汽車向純電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)過(guò)渡產(chǎn)品。純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)主要靠車載電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)。為了達(dá)到傳統(tǒng)汽車的相關(guān)行駛性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)力矩大、效率高、運(yùn)行可靠穩(wěn)定和能量回饋等特性；應(yīng)具有較高的瞬時(shí)功率、功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，以提高車速，增大過(guò)載能力。目前，電動(dòng)汽車上應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)、永磁無(wú)刷電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等。永磁無(wú)刷電機(jī)具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性低、響應(yīng)快，非常適用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但其價(jià)格昂貴，且存在退磁的缺點(diǎn)。而開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等問(wèn)題[18]。

在電機(jī)控制技術(shù)方面，感應(yīng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)基本都采用較為成熟的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，由于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)方法直接、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制性中動(dòng)態(tài)性能最為出色，因此，近年來(lái)在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)方面投入了較大精力研發(fā)。隨著電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、專家控制、遺傳算法等非線性智能控制技術(shù)逐漸應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電機(jī)控制系統(tǒng)中[14]。

(3) 能量管理技術(shù)

要使電動(dòng)汽車具有良好的動(dòng)力性能，必須使用比能量高、使用壽命長(zhǎng)且比功率大的蓄電池作為動(dòng)力源，而且必須對(duì)電池進(jìn)行能量控制與管理。能量管理系統(tǒng)的作用是檢測(cè)單個(gè)電池或電池組的荷電狀態(tài)SOC，充放電時(shí)的電壓、電流、放電深度和電池溫度等；同時(shí)根據(jù)電池組的使用情況和充放電記錄選擇其最佳充電方式，以盡可能延長(zhǎng)電池壽命。電動(dòng)汽車行駛中還須知道當(dāng)前電池電量、續(xù)航里程等，這也是電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)應(yīng)具有的重要功能。能量管理系統(tǒng)如同電動(dòng)汽車的大腦，應(yīng)同時(shí)具有功能多、靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，以便能高效利用有限的車載能量。

3 新能源汽車的技術(shù)瓶頸問(wèn)題

雖然新能源汽車經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展，已取得一定的成果，但是其市場(chǎng)占有率依然不高，主要存在以下原因[19]：

(1)行駛里程有限。 目前許多新能源汽車一次性充電的續(xù)航里程在100～200 km，并且是在試驗(yàn)行駛路面及試驗(yàn)工況下行駛時(shí)達(dá)到的，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)而言，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程目前是其致命的弱點(diǎn)。

(2)電池壽命過(guò)短。按一般使用頻率計(jì)算，一個(gè)普通蓄電池的使用壽命不足4年，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，電池的壽命也是其致命的弱點(diǎn)。

(3)電池價(jià)格昂貴。由于采用了許多新技術(shù)、新材料，導(dǎo)致電池的價(jià)格甚至達(dá)到4 000 元/(kW·h)；致使電動(dòng)汽車價(jià)格的下降很難。

(4)配套基礎(chǔ)設(shè)施不完備。無(wú)論是插入式混合動(dòng)力還是純電動(dòng)汽車，都需要充電網(wǎng)絡(luò)。目前，除了上海和深圳等少數(shù)城市建立了實(shí)驗(yàn)性充電站之外，其他大部分城市由于充電基礎(chǔ)設(shè)施缺乏，嚴(yán)重影響了插電式電動(dòng)車和純電動(dòng)車的普及。

有專家預(yù)測(cè)，到2020年，我國(guó)的插電式混合動(dòng)力車、純電動(dòng)車和其他新能源車占乘用車輛的比例可達(dá)到10%～20%，我國(guó)新能源汽車的發(fā)展趨勢(shì)是不可估量的。因此，制約和影響新能源汽車發(fā)展與市場(chǎng)化的技術(shù)瓶頸問(wèn)題亟須盡快解決。

4 小結(jié)

未來(lái)數(shù)年由于新能源汽車技術(shù)的制約，燃油汽車仍將占據(jù)汽車市場(chǎng)的大半部分，但是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車市場(chǎng)占有份額將會(huì)越來(lái)越大，最終純電動(dòng)汽車必將取代現(xiàn)在燃油汽車的地位。集成控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，汽車電子控制技術(shù)將向集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化3個(gè)主要方向發(fā)展。隨著人們對(duì)汽車舒適性、安全性、綠色性要求的提高，電動(dòng)汽車也將在智能化、無(wú)人駕駛、安全舒適方面攻破技術(shù)難點(diǎn)，未來(lái)的汽車市場(chǎng)必將屬于新能源汽車。

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AnalysisofNewEnergyVehiclsTypesandKeyTechnologies

LIU Hengshuo, LI Jun, ZHANG Shenggen

(School of Mechantronics and Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074,China)

New energy vehicles have a top priority to the development of today's auto technology. The main types and key technologies of new energy vehicles were generally introduced and the current problems existing in the process of new energy vehicles in China were discussed. The ways to solve the problems and development of the new energy vehicles were pointed out according to the status quo of the new energy vehicles in our country.

New energy vehicles; Electric vehicle; Flywheel battery; Motor

2015-01-04

劉恒碩，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉雌嚒-mail：1274895720@qq.com。