新能源汽車技術(shù)的技術(shù)原理和優(yōu)缺點(diǎn)

何國俊

Abstract： As China continues to make breakthroughs in technological innovation， the development of the manufacturing industry is advancing by leaps and bounds， and the development of the automobile industry has also been qualitatively improved. Through an in-depth analysis of the composition principles and application advantages and disadvantages of China's new energy electric vehicles， this article fully elaborates the necessity and importance of China's new energy electric vehicle technology development. New energy electric vehicle manufacturing technology plays an extremely important role in promoting the transformation and upgrading of my China′s modern industry and the sustainable development of my country′s low-carbon and environmentally friendly economy. The public correctly understands the advantages and disadvantages of China′s new energy vehicles for the popularization of new energy vehicles and the entire industry. The continued development of the company is also extremely important.

關(guān)鍵詞： 新能源汽車;技術(shù)及其工作原理;優(yōu)缺點(diǎn);新能源電動汽車技術(shù)

Key words： new energy vehicles;technology and its working principle;advantages and disadvantages;new energy electric vehicle technology

中圖分類號：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0245-03

0 ?引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，GDP不斷提高，汽車已經(jīng)從之前的奢侈品成為了現(xiàn)在老百姓日常的必須品。目前我國汽車保有量已超過3億輛，汽車技術(shù)也有了長足發(fā)展，但石油資源的枯竭和環(huán)境問題對傳統(tǒng)燃油汽車工業(yè)提出了更為苛刻的要求。因此遵循國家能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，研發(fā)和使用由清潔能源提供動力的新能源汽車是解決環(huán)境污染、應(yīng)對能源危機(jī)的有效方法。大力發(fā)展節(jié)能減排，低碳環(huán)保技術(shù)是我國現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、乃至現(xiàn)代服務(wù)業(yè)融合發(fā)展的一個必然趨勢，應(yīng)及時結(jié)合上述信息材料認(rèn)真落實(shí)國家相關(guān)政策舉措，為未來我國推進(jìn)新能源電動汽車制造技術(shù)和現(xiàn)代交通運(yùn)輸領(lǐng)域的融合發(fā)展應(yīng)用做出有效政策支持。本文將從新能源汽車的技術(shù)原理和優(yōu)缺點(diǎn)入手分析新能源汽車良好的發(fā)展趨勢和需要突破的技術(shù)瓶頸。

1 ?新能源汽車的工作原理

目前常見的新能源汽車有純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車，其中純電動汽車和混合動力汽車技術(shù)較成熟，市場保有量較大。純電動汽車?yán)脛恿﹄姵卮鎯Φ碾娔茯?qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，讓汽車連續(xù)行駛?；旌蟿恿ζ囉袃蓚€或多個能同時工作的驅(qū)動系統(tǒng)，車輛的行駛功率依據(jù)車輛實(shí)際的行駛狀態(tài)由單個或多個驅(qū)動系統(tǒng)提供。燃料電池電動汽車實(shí)際上是純電動汽車的一種，只是電池的工作原理不同，燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，一般利用氫氣充當(dāng)電化學(xué)反應(yīng)的還原劑，用空氣中的氧氣充當(dāng)氧化劑。下面以純電動汽車為例簡要說明其工作原理。

純電動汽車主要由驅(qū)動電機(jī)、動力電池組和電控系統(tǒng)組成。電動機(jī)取代傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機(jī)驅(qū)動汽車行駛，其動力性可輕松超越普通內(nèi)燃機(jī)，動力輸出的快速響應(yīng)能力也遠(yuǎn)高于發(fā)動機(jī)，反應(yīng)更靈敏。電動機(jī)是電動汽車的心臟，在純電動汽車中承擔(dān)著發(fā)電和電動雙重功能，在正常行駛時發(fā)揮電動功能，將動力電池的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能供給整車，而在降速或者長下坡滑行時發(fā)揮發(fā)電功能，將車輪的動能轉(zhuǎn)化成電能，存儲在動力電池中進(jìn)行能量回饋。純電動汽車中的驅(qū)動電機(jī)應(yīng)根據(jù)其特性選擇調(diào)速范圍寬、調(diào)速特性穩(wěn)定的電機(jī)，使其可以在一個較大的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定高效的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，純電動汽車不需要復(fù)雜的變速器和傳動機(jī)構(gòu)就可以驅(qū)動車輛，能大大降低能量損耗。

動力電池組是純電動汽車的能量源，它通過串并聯(lián)原理將電芯組成500-1000V的高壓直流電池組，再通過DC/DC轉(zhuǎn)換器供給所需的不同電壓。但由于制造工藝、工作環(huán)境、使用習(xí)慣等因素的不同，同一電池包中的不同電池單體會有所差異，這就需要電池管理系統(tǒng)（BMS）對電池組進(jìn)行科學(xué)的管理，以達(dá)到性能穩(wěn)定、延長壽命的功效。電池制造成本高、充電時間長、續(xù)駛里程短等問題也是制約純電動汽車發(fā)展的主要問題。近年來，新能源汽車行業(yè)也在努力突破電池問題，目前鎳氫電池和鋰離子電池成為各大新能源車企的新寵。其中鎳氫電池以充電時間塊，循環(huán)壽命長，不存在重金屬污染等優(yōu)點(diǎn)被稱為“綠色電池”，但鎳氫電池能量密度較低制約其發(fā)展;鋰離子電池有較高的能量密度，壽命較長，穩(wěn)定性也有顯著提高，非常適合純電動汽車動力電池，是未來純電動汽車的主力電池類型。

電控系統(tǒng)是電動汽車的神經(jīng)中樞，它將驅(qū)動電機(jī)、動力電池和其他輔助系統(tǒng)連接起來，并且有序控制汽車正常工作。電力驅(qū)動控制系統(tǒng)按工作原理可分為動力電池管理模塊、驅(qū)動電機(jī)管理模塊和輔助模塊三大部分。電力驅(qū)動主模塊由中央控制單元、驅(qū)動控制器、驅(qū)動電機(jī)和機(jī)械傳動裝置等組成。中央控制單元根據(jù)加速踏板和制動踏板的輸入信號，控制驅(qū)動電機(jī)起動、加速、減速和制動。驅(qū)動電機(jī)控制器的功能是接收中央控制單元的命令，進(jìn)而控制電機(jī)速度、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向;車載電源模塊主要由動力電池組、電池管理系統(tǒng)和充電控制器三部分組成。電池管理系統(tǒng)主要功能有：根據(jù)整車用電需求通過DC/DC轉(zhuǎn)換器給輔助系統(tǒng)提供12V低壓電或給驅(qū)動電機(jī)提供高壓直流電的功能;電池包內(nèi)電池單體一致性偏差引起某個電池性能變化很大時，電池管理系統(tǒng)指令均衡模塊啟動，進(jìn)行均衡，保證系統(tǒng)正常工作的功能;故障診斷功能;保證充電功能;歷史數(shù)據(jù)存儲功能;通信功能;熱管理功能;安全管理功能;能量管理功能;電池狀態(tài)估計(jì)功能;數(shù)據(jù)采集功能等。

2 ?新能源電動汽車相關(guān)技術(shù)應(yīng)用原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 燃料電池汽車技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)

燃料電池是一種將電化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的能量轉(zhuǎn)化裝置，它使氫氣和空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)（燃燒）從而產(chǎn)生電流，且氫與氧化學(xué)反應(yīng)后只生成水，整個過程清潔高效，能量利用率可達(dá)到60%以上。氫燃料電池汽車通常由燃料電池堆、氫氣儲氣罐、動力電池、燃料電池、直流升壓轉(zhuǎn)換器、動力電機(jī)和動力控制單元組成。工作時氫氣通過導(dǎo)氣板通入陽極，在陽極催化劑的作用下1個氫分子分解成2個氫質(zhì)子，并且釋放出兩個電子，陽極的反應(yīng)為：H2→2H++2e。氧氣（空氣）通過導(dǎo)氣板通入電池陰極，在陰極催化劑的催化下，氧分子和氫離子結(jié)合電路傳導(dǎo)來的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極的反應(yīng)是：O2+4H++4e→2H2O。在外電路中，電子的定向移動形成直流電，因此只要不斷提供氫氣和氧氣（空氣）就可以不斷產(chǎn)生直流電，供給汽車行駛。

與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車可以達(dá)到零排放，可有效改善環(huán)境污染問題，且氫氣來源廣泛、用之不竭，是一種理想的可再生能源。燃料電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，不會產(chǎn)生大量廢氣和廢熱，轉(zhuǎn)化效率高、電池壽命長、維護(hù)工作量小。與純電動汽車相比，燃料電池汽車加注氫氣時間短（3-5分鐘），使用方便。但目前燃料電池汽車市場保有量不高，主要原因是對制造者和銷售者包括消費(fèi)者都有一定的技術(shù)要求，還有很多技術(shù)難題沒有攻克。再有就是汽車造價太高，難以推廣，雖然隨著技術(shù)的改進(jìn)成本有所下降，但想大面積普及還有一段路要走。最后是基礎(chǔ)設(shè)施配套困難，氫氣的罐裝需要有一定量的基礎(chǔ)配套設(shè)施做輔助，但推動建設(shè)需要一定時間和資金。

2.2 純電動汽車的技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)

純電動汽車以車載動力電池為動力，用電機(jī)驅(qū)動汽車行駛，其主要由電力驅(qū)動控制系統(tǒng)、底盤、車身和各種輔助裝置組成。電力驅(qū)動控制系統(tǒng)是整車的核心，也是目前整個行業(yè)的技術(shù)難點(diǎn)，決定性能特征及續(xù)航里程。純電動汽車工作原理可大致總結(jié)為：蓄電池-電流-電力調(diào)節(jié)器-電動機(jī)-動力傳動系統(tǒng)-驅(qū)動汽車行駛。與傳統(tǒng)燃油汽車相比純電動汽車增加了電機(jī)、調(diào)速控制器、動力電池、車載充電器這四個部件，其能量主要是通過柔性的電線傳遞而不是通過剛性齒輪或者傳動軸傳遞，再加上舍去了發(fā)動機(jī)、變速器、燃油箱、冷卻和排氣系統(tǒng)，使得整車布置比較靈活，可實(shí)現(xiàn)造型或功能上的個性化設(shè)計(jì)，動力響應(yīng)也比傳統(tǒng)汽車快。此外純電動汽車使用電能驅(qū)動，在行駛過程中無廢氣排出，不污染環(huán)境，符合國家的“碳中和”政策需求，能源利用率可達(dá)到80%以上，比傳統(tǒng)汽車更加節(jié)約能源。運(yùn)行時噪音、振動小，整車舒適性和駕駛體驗(yàn)佳，且可在用電低峰時充電，可以平抑電網(wǎng)的峰谷差，使發(fā)電設(shè)備得到充分利用。

但目前純電動汽車并沒有占據(jù)絕對的市場份額主要是因?yàn)椋赫嚳刂萍夹g(shù)不完善，專業(yè)維修人員缺少，社會認(rèn)可度不高，配套設(shè)施普及率低。動力電池壽命短、重量大、造價高，維護(hù)技術(shù)和回收再利用體系不成熟，以及充電時間長、續(xù)航里程短，受氣溫影響大，在北方寒冷地區(qū)很難拓展市場等。

2.3 混合動力汽車的技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)

混合動力汽車一般是指由燃料發(fā)動機(jī)和電池電動機(jī)共同運(yùn)行來驅(qū)動的汽車。由于純電動汽車技術(shù)還不成熟，目前傳統(tǒng)燃油汽車的霸主地位依然不可動搖。隨著石油燃料的燃燒，大氣污染、全球變暖、石油開采殆盡等環(huán)境問題一一出現(xiàn)，汽車廠商們紛紛推出混合動力汽車試圖替代傳統(tǒng)燃油汽車?；旌蟿恿ζ嚪譃槲⒍然旌蟿恿?、中度混合動力、全混合動力和插電式混合動力四種。

微度混合動力汽車有自動啟停功能，是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的起動電機(jī)上加裝了皮帶驅(qū)動啟動電機(jī)，當(dāng)汽車處于長時間怠速時暫停發(fā)動機(jī)工作，從而降低了油耗和排放。嚴(yán)格來講，微混合動力汽車的電機(jī)并沒有為汽車行駛提供持續(xù)的動力，所以不算是真正的混合動力汽車。

中度混合動力汽車采用ISG系統(tǒng)，裝備有高壓電動機(jī)，在汽車加速或大負(fù)荷工作時電動機(jī)幫助發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動汽車，可改善發(fā)動機(jī)動力不足、輸出響應(yīng)滯后的問題，提高了整車性能。這種系統(tǒng)混合程度可以達(dá)到30%且技術(shù)較成熟，應(yīng)用廣泛。

全混合動力汽車采用272-650V的高壓起動電機(jī)，混合度可達(dá)50%以上。工作時通過車載蓄電池供電，電動機(jī)可以在勻速巡航或起動工況下獨(dú)立驅(qū)動汽車，發(fā)動機(jī)只是在加速或電池電量不足的情況下補(bǔ)充驅(qū)動，可更好結(jié)合電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用也很廣泛。

插電式混合動力汽車是一種將純電動系統(tǒng)和現(xiàn)有混合動力系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，在工作時由于有外接插入式充電系統(tǒng)，車輛可以在電動狀態(tài)下行駛較長里程，將內(nèi)燃機(jī)的工作比例進(jìn)一步縮小，可有效解決目前純電動汽車?yán)m(xù)航里程短的問題。

混合動力汽車的優(yōu)點(diǎn)：混合動力汽車延續(xù)傳統(tǒng)汽車的用車習(xí)慣，客戶接受程度高，政府和企業(yè)也無需投資新建充電裝置和加油站;由于在起步、加速等大功率運(yùn)行時有電動機(jī)的輔助，使得混合動力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性高、排放低、整車行駛性能優(yōu)越;在低速或怠速時利用電動機(jī)工作可有效降低機(jī)械噪音。

混合動力汽車缺點(diǎn)：混合動力汽車擁有兩套驅(qū)動系統(tǒng)，這使得整車質(zhì)量和造價增加，控制復(fù)雜，目前技術(shù)也不成熟;它主要依靠勢能和電能的不停轉(zhuǎn)化從而達(dá)到節(jié)能的目的，所以在頻繁制動、減速時相對節(jié)能，而處于長時間勻速行駛時節(jié)能效果就會大大降低。

3 ?新能源電動汽車關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)研究及我國未來發(fā)展戰(zhàn)略方向

21世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異的時代，也是節(jié)能減排最為迫切的時代，尤其凸顯在汽車制造產(chǎn)業(yè)。汽車的智能化、電動化已經(jīng)成為發(fā)展潮流和趨勢。汽車與能源、信息通信及人工智能等領(lǐng)域的加速融合正在推動汽車行業(yè)技術(shù)改革和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變革，這對建設(shè)清潔美麗世界、構(gòu)件人類命運(yùn)共同體具有重要意義。也使得新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)主要集中在電池、電機(jī)和電子控制系統(tǒng)三方面。

在電池方面應(yīng)瞄準(zhǔn)國際前沿技術(shù)，大力發(fā)展功率型動力電池和超級電容技術(shù)，在電池的輸入輸出特性、安全性、各單體的一致性、使用壽命、熱管理技術(shù)和制造成本方面下手，提高動力電池模塊化發(fā)展，不斷研究新型電池技術(shù)，為新能源汽車長期發(fā)展做好準(zhǔn)備。研究的重點(diǎn)應(yīng)放在新型鋰離子電池的設(shè)計(jì)、性能預(yù)測及安全評價上，并通過技術(shù)驗(yàn)證，建立動力電池創(chuàng)新發(fā)展技術(shù)研發(fā)體系，為新能源汽車發(fā)展提供科技支撐;在電機(jī)方面應(yīng)從新材料、新結(jié)構(gòu)、絕緣柵雙極型晶體管芯片封裝、驅(qū)動系統(tǒng)混合集成和新型傳動結(jié)構(gòu)等方面著手，開發(fā)效率高、材料利用率高和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的電機(jī)。同時應(yīng)兼顧混合動力大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的需求，開發(fā)適用于混合動力汽車的新型電動機(jī)和發(fā)動機(jī)，為新能源汽車大規(guī)模普及提供技術(shù)支撐;在電子控制系統(tǒng)方面純電動汽車應(yīng)利用高性能的整車控制器、專用芯片和智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)重點(diǎn)開發(fā)先進(jìn)的容錯性高、實(shí)時性強(qiáng)的分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具備高校、智能和低噪聲的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)智能充電及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)?；旌蟿恿ζ噾?yīng)重點(diǎn)研發(fā)高性能的混合動力系統(tǒng)整車控制器，開發(fā)混動專用控制算法、混動專用實(shí)時控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多部件之間動態(tài)協(xié)調(diào)控制算法，以滿足混動汽車大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化技術(shù)需求。

得益于新能源汽車的碳排放優(yōu)勢和性能優(yōu)勢，近幾年來世界主要的汽車強(qiáng)國紛紛表示將其提升至國家戰(zhàn)略高度，多國已提出“禁止銷售燃油汽車時間表”。未來新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿Υ?、市場前景廣。我國新能源汽車行業(yè)既有北汽、比亞迪、吉利等傳統(tǒng)車企領(lǐng)跑，也有蔚來、威馬、小鵬等造成新勢力的強(qiáng)勢崛起。在行業(yè)格局正在形成的今天，傳統(tǒng)車企需加速轉(zhuǎn)型布局，造車新勢力須加大融資建廠規(guī)模。我國新能源汽車產(chǎn)銷量全球領(lǐng)先，累計(jì)已超過200萬輛。在政府的引導(dǎo)和新能源汽車行業(yè)的共同努力下，近幾年我國推出了26項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)，796項(xiàng)國內(nèi)外專利，在新能源汽車研發(fā)方面取得了巨大進(jìn)展。未來，商用車將率先電動化，目前公交車電動化已經(jīng)普及，出租車和物流車由于管理較方便，有望迎來新一輪的電動化熱潮;隨著新能源汽車市場保有量的不斷增長，產(chǎn)業(yè)鏈條已趨于完整，充電基礎(chǔ)設(shè)施配套不足的矛盾會越來越明顯，其整體建設(shè)規(guī)模已嚴(yán)重滯后，未來，新能源汽車配套產(chǎn)業(yè)將逐步完善;我國新能源汽車會越來越具有中國特色，目前純電動汽車已初見成效，但續(xù)航里程短、電池造價高等弊端也擺在面前。因此，燃料電池、插電式、增程式技術(shù)作為新能源汽車行業(yè)的補(bǔ)充會大力發(fā)展，今后將重點(diǎn)突破動力電池和燃料電池的關(guān)鍵核心技術(shù)，增加車輛續(xù)航能力;隨著第一批純電動汽車動力電池接近報(bào)廢年限，動力電池回收問題日益凸顯，但電池回收法律法規(guī)尚不完善，回收利用體系尚不健全，回收利用成本高、盈利難，回收技術(shù)和再加工工藝水平不高，未來需加速建設(shè)動力電池回收體系，建立廢舊動力電池回收、運(yùn)輸、存儲等相關(guān)法律法規(guī)，為新能源汽車持續(xù)發(fā)展提供新的增長動力。

4 ?結(jié)束語

雖然我國新能源汽車起步晚，目前技術(shù)尚不成熟，但在政府的大力扶持和整個行業(yè)的不斷努力下，相關(guān)政策法規(guī)日趨健全，技術(shù)和配套設(shè)施日益完善，社會大眾的接受度也有了很大提高，市場發(fā)展穩(wěn)定有序、銷量逐年上升。經(jīng)過近幾年的持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)取得了優(yōu)秀戰(zhàn)果。我國在汽車控制系統(tǒng)、智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)等領(lǐng)域也取得了突破性進(jìn)展，越來越多的新技術(shù)被用在了新款車型上，行業(yè)發(fā)展可謂蒸蒸日上。節(jié)能環(huán)保是新能源汽車的特點(diǎn)也是最大的優(yōu)點(diǎn)，是新能源汽車未來發(fā)展的巨大優(yōu)勢所在。新能源汽車?yán)么鎯υ趧恿﹄姵刂械碾娔軄眚?qū)動電動機(jī)，使汽車行駛。但續(xù)航里程短、受環(huán)境溫度影響大、電池造價高等缺點(diǎn)也是制約新能源汽車發(fā)展的難題?；诃h(huán)境保護(hù)意識的提高和能源安全的考慮，新能源汽車未來仍然是我國能源轉(zhuǎn)型和“碳平衡”戰(zhàn)略的排頭兵，技術(shù)瓶頸和配套設(shè)施問題將在全行業(yè)的共同努力下一一突破，未來必將拉動我國汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新和經(jīng)濟(jì)增長。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，在不遠(yuǎn)的未來一定能突破技術(shù)難關(guān)，解決新能源汽車弊端，讓新能源汽車真正稱為交通運(yùn)輸領(lǐng)域的頂梁柱。

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