混合能源電動汽車的研究

1.引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車的數(shù)量不斷增加，環(huán)境污染問題日趨嚴重。因此研究節(jié)約能源，降低排放，保護環(huán)境的汽車，以綠色環(huán)保汽車代替燃油汽車是社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，成為世界各國共同關(guān)注的問題。電動氣車是一種節(jié)約燃油資源、減少污染甚至零排放的理想綠色汽車，是未來汽車的發(fā)展方向。發(fā)展最早的是純電動汽車，但其充電設(shè)施不完善，行駛里程受到限制，也存在廢舊電池難以回收再利用和二次污染的問題，在此背景下，混合能源電動汽車應(yīng)運而生。

2.混合能源電動汽車理念

混合能源電動汽車具有節(jié)能減排、保護環(huán)境、行駛里程不受限制和不改變基本的基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)點，最主要的是目前技術(shù)已經(jīng)基本成熟，被認為是當前電動汽車中最具有產(chǎn)業(yè)化和市場化前景的車型之一。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.能源介紹

3.1 燃料電池+超級電容

燃料電池是能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陰極和陽極的氧化還原反應(yīng)將化學能轉(zhuǎn)化為電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。只要連續(xù)不斷地向燃料電池內(nèi)輸入氧化劑和燃料，就能不斷提供電能，這是它與常規(guī)電池的區(qū)別。其優(yōu)點有以下幾方面：

（1）工作時間長：燃料電池具有連續(xù)工作時間長和能量轉(zhuǎn)換效率高兩種優(yōu)勢。

（2）高效：它不通過熱機過程，不受卡諾循環(huán)的限制，其能量轉(zhuǎn)化效率在40-60%；如果實現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達80%以上。

（3）環(huán)境友好：以純氫為燃料時，燃料電池的化學反應(yīng)物僅為水，二氧化碳的排放量大量減少，這對緩解溫室效應(yīng)起到重要作用。

（4）安靜：燃料電池工作部件很少，工作時噪音低。

（5）可靠性高：燃料電池經(jīng)歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發(fā)展階段，其運行非?？煽浚梢宰鳛椴婚g斷電源和各種應(yīng)急電源使用。

燃料電池啟動時的反應(yīng)速度不及內(nèi)燃機引擎，若提高反應(yīng)速度則必須保證它的穩(wěn)定性。它還具有相對較軟的輸出特性，會導致效率下降，為解決此問題，需由燃料電池和有較硬輸出特性的DC／DC變換器組成一個整體，負責對整車供電。

為了解決電動汽車續(xù)駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾，可以采用由主能源--燃料電池提高最佳的續(xù)駛里程，而由輔助能源--超級電容在加速和爬坡時提供短時的輔助動力。輔助能源系統(tǒng)的能量可以直接取自主能源，也可以在電動汽車剎車或下坡時回收可再生的動能。超級電容具有負載均衡作用，燃料電池的放電電流減少使電池的可利用能量、使用壽命得到顯著提高。

3.2 太陽能電池+蓄電池

太陽能是一種可再生的綠色能源。太陽能電池是符合可持續(xù)發(fā)展的一種節(jié)能環(huán)保電池。在車體上安裝太陽能電池，主要目標是質(zhì)量小，安全，受到空氣阻力最小和太陽能吸收能量最大化。目前得到廣泛應(yīng)用的是晶硅電池和薄膜電池，其轉(zhuǎn)換效率和成本潛力如表1所示[1]。

考慮到天氣變化和特殊情況的發(fā)生，蓄電池通常作為輔助能源和太陽能電池一起使用。太陽照射太陽能電池時，光能轉(zhuǎn)換成電能驅(qū)動車輛行駛。剩余電量由蓄電池儲存，以便太陽電池電量不足時由蓄電池驅(qū)動車輛行駛。當車輛制動時還可由蓄電池回收制動能量。

3.3 混合能源驅(qū)動模式

系統(tǒng)根據(jù)道路和天氣情況選擇車輛的驅(qū)動模式：當控制系統(tǒng)檢測到蓄電池的SOC值較低時，進入燃料電池作為主能源的工作模式；在城市道路低速行駛和蓄電池電量充足時，進入太陽能驅(qū)動模式；在電動汽車爬坡或加速時，及時利用其驅(qū)動系統(tǒng)，提供必要的輔助動力，進入混合驅(qū)動模式；當車輛制動時，驅(qū)動電動機給蓄電池充電，進入再生制動能量回收模式；當車輛靜止時，進入蓄電池充電模式。

表1 太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和成本潛力

表2 混合能源電動汽車驅(qū)動電機比較

圖1 混合能源電動汽車結(jié)構(gòu)圖

4.混合能源電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)

混合能源電動汽車是幾種電池的結(jié)合，由于混合能源電動汽車自身的特殊性，使得對汽車儲能裝置、電動變換裝置、控制系統(tǒng)裝置要求較高，不僅需要有較高的穩(wěn)定性，而且要求經(jīng)濟高效?；旌蟿恿ζ囆枰鉀Q的幾個核心問題是：雙向DC/DC變換器技術(shù)、電機驅(qū)動技術(shù)及能量管理技術(shù)等。

4.1 雙向DC/DC（直流/直流）變換器技術(shù)

DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。DC/DC變換器內(nèi)部一般具有PWM（脈寬調(diào)制）模塊，E/A（差錯放大器）模塊，比較器模塊等幾大功能模塊。目前，大多數(shù)DC/DC變換器只能實現(xiàn)能量單向流動。然而，對于蓄電池和超容量電容器這種要求能量雙向流動的器件，單向DC/DC變換器有很大的局限性，這就需要雙向DC/DC變換器。

雙向DC/DC變換器使整體電路簡單化，非常方便的實現(xiàn)了能量的雙向傳輸，與兩個單向DC/DC變換器反向并聯(lián)相比，有效率高、體積小、成本低的優(yōu)點。

4.2 電機驅(qū)動技術(shù)

電機驅(qū)動技術(shù)包括電動機技術(shù)、控制器和功率電子器件。電動機和控制器是提高混合能源電動汽車的行駛里程、驅(qū)動性能和可靠性的保證。電動機要具有很寬的調(diào)速范圍，在恒功率區(qū)低轉(zhuǎn)矩時有很快的速度，以滿足在平坦路面能高速行駛，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)低速運行時有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動和爬坡要求。在混合能源電動汽車中，電動機的選型原則一般有以下幾點[2]：

（1）高性能、低自重、小尺寸；

（2）在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較高的效率；

（3）電磁輻射盡量小；

（4）成本低。

目前，在混合能源電動汽車上采用的驅(qū)動電機主要有直流電機、永磁同步電機、開關(guān)磁阻電機和交流異步電機等。這些電機的主要優(yōu)缺點可如表2所示[3]。

4.3 能量管理技術(shù)

混合能源電動汽車的能量管理包括兩個方面：整車的能量管理和蓄電池的能量管理。整車的能量管理中，混合能源電動汽車需具備能量管理系統(tǒng)，在車輛行駛過程中，系統(tǒng)能隨時隨地對車輛的能耗進行計算，并通過剩余能量將計算數(shù)據(jù)顯示出來，使駕駛?cè)藛T清楚車輛的行駛里程，以便對如何行使做出正確的決定。對于電池的能量管理一般包括以下幾個方面：

（1）準確計算電池組SOC，SOC對整車的控制策略起到至關(guān)重要的作用；

（2）對電池單體/模塊的電壓和溫度的監(jiān)控；

（3）能對電池組進行熱管理，包括需要時對電池組進行冷卻或加熱。

5.結(jié)語

眾所周知，我國的石油資源極度匱乏，人均占有量僅是世界的1/10，在此背景下，我們必須節(jié)約能源，減緩汽車消耗資源的速率?；旌夏茉措妱悠囀沁m應(yīng)時代變化的產(chǎn)物，這是其一。其二，汽車業(yè)是我們國家經(jīng)濟發(fā)展的一個重要的支柱。其三，快速發(fā)展的汽車業(yè)給環(huán)境保護帶來很大的壓力，不僅是廢氣的排放，其產(chǎn)生噪聲都會對環(huán)境造成污染，發(fā)展混合能源電動汽車，可以減輕環(huán)境污染，為我們提供一個更好的生存環(huán)境做出貢獻。

[1]凌凱.太陽能在汽車上的應(yīng)用初探[J].節(jié)能減排及新能源汽車技術(shù)論壇,2010,9,29.

[2]劉偉,程廣偉,鄧楚南.電動汽車驅(qū)動電機淺析[J].電機技術(shù),2006,3,25.

[3]竇汝振,李磊,宋建鋒.電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].變頻器世界,2007(2):73-83.

[4]趙云峰,萬杰,朱自萍等.太陽能電池在汽車上的應(yīng)用分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2011,4.

[5]郭熠.電動汽車雙向DC/DC變換器的研究[D].天津:天津大學,2004.

[6]陳清泉.可持續(xù)道路交通的挑戰(zhàn):電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)化路線[D].香港:香港大學,2008.

[7]石慶升,張承慧,崔納新.新型雙能源純電動汽車能量管理問題的優(yōu)化控制[N].濟南:電工技術(shù)學報,2008,23(8).