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)機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

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

新能源汽車；電動汽車；飛輪電池；電機

0 前言

隨著我國汽車保有量的不斷增加，能源危機和環(huán)境污染的問題在我國也有愈演愈烈的趨勢[1]。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計顯示:到2020年，我國機動車的燃油需求量將達到2.56億噸，而全球的石油儲量遠遠不能滿足人們對其的需求。因此，開發(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)的車用燃料作為動力來源，或者使用常規(guī)的車用燃料但采用新型的車載動力裝置，綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術(shù)形成的技術(shù)原理先進、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。就當前世界各國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，市場上推廣使用的主要有3種類型：純電動汽車(PEV)、燃料電池電動汽車(FCV)和混合動力電動汽車(HEV)[3]。

1 國內(nèi)外新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀70年代第一次石油危機發(fā)生后，我國就意識到汽車行業(yè)的未來一定在于新能源汽車，從那時起，政府就曾委托清華大學(xué)開始著手研究電動汽車[4]。但是，關(guān)于我國新能源汽車的發(fā)展方向則有很多種看法：認為乙醇汽車是我國發(fā)展新能源汽車的最佳途徑[5]；對電動汽車的研究以及推行將加快智能電網(wǎng)的發(fā)展，這對我國新興企業(yè)將會是一個很好的促進[6]；在短期內(nèi)汽油車仍然是我國汽車行業(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。也有人認為混合動力車輛只是一個發(fā)展的過渡產(chǎn)品，長期發(fā)展將受到一定的限制和制約；純電動汽車將是汽車發(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，將會是未來發(fā)展的趨勢[7]。

近年來，為了應(yīng)對全球和環(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)混合動力汽車技術(shù)逐步成熟，進入產(chǎn)品市場競爭期；純電動汽車技術(shù)進步，已經(jīng)進入更廣泛的新的運行階段；燃料電池汽車研發(fā)繼續(xù)推進，繼續(xù)占領(lǐng)電動車技術(shù)制高點。2013年，按純電動EV和插電式混動PHEV口徑統(tǒng)計(不包括燃油混動HEV車型)，全球共銷售新能源汽車約15萬輛，銷量最高的國家中，美國銷量達到9.6萬多輛，占比達到64%，日本、法國位于第2、第3[8]。

2 新能源汽車分類及其關(guān)鍵技術(shù)

就當前世界各國新能源汽車研究情況來看，新能源汽車的研發(fā)技術(shù)已經(jīng)相對成熟，已經(jīng)在市場上廣泛推廣使用的主要有3種：純電動汽車、燃料電池電動汽車和混合動力電動汽車。

2.1 純電動汽車

純電動汽車，顧名思義，僅依靠蓄電池的電能驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，最終驅(qū)動汽車運行[9]。作為一種新能源汽車，它具有零污染、低噪聲等優(yōu)點，但與此同時，目前提供電能的蓄電池壽命短、充電時間長、行程短和價格昂貴等問題制約著純電動汽車的發(fā)展。由于它具有既不耗油又不污染環(huán)境等無可比擬的優(yōu)點，仍然是各大汽車企業(yè)主要研發(fā)對象。雖然國內(nèi)已經(jīng)有相關(guān)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)出純電動汽車并已投入市場，但由于研發(fā)制造成本較高，其價格還很難被工薪階層廣泛接受，因此當前的純電動汽車主要用于城市公交，以及機場、旅游景區(qū)、體育場地和城市社區(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 燃料電池電動汽車

燃料電池電動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，以此作為主要動力源驅(qū)動的汽車[11]。由于燃料電池同時具有無污染、高效率、適用廣、噪聲低、可快速補充能量等優(yōu)點，被廣泛認為是今后替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車最理想的動力裝置[12]。但是燃料電池在價格和相關(guān)技術(shù)上亦存在一些瓶頸：燃料電池造價偏高、反應(yīng)/啟動性能不及傳統(tǒng)內(nèi)燃機引擎、碳氫燃料無法直接利用、氫氣儲存技術(shù)不成熟等；其中尤以氫氣儲存技術(shù)最為重要，姑且不論儲存過程中的氫氣損失情況，其安全性是一個極大的問題。一旦儲存技術(shù)不過關(guān)，攜帶大量氫氣的汽車就相當于是一顆會移動的炸彈，其危險性可想而知?；谏鲜鲈?，目前燃料電池電動汽車在發(fā)展中也受到很大的束縛。

2.3 混合動力電動汽車

混合動力汽車就是指使用傳統(tǒng)燃油發(fā)動機驅(qū)動和電機驅(qū)動兩種方式的汽車。在汽車啟動、停止等工況，采用電機驅(qū)動方式，可實現(xiàn)低排放、低噪聲；在近于額定工況和高速路工況時，則主要由燃油發(fā)動機驅(qū)動，可使發(fā)動機保持在最佳工況狀態(tài)，實現(xiàn)動力性、經(jīng)濟性和排放性能好的工作狀態(tài)，同時還可對蓄電池進行充電；在大負荷和加速工況，可同時由發(fā)動機和電機驅(qū)動，以達到良好的動力性和加速性能[13]?；旌蟿恿﹄妱悠囀钱斀裥履茉雌囀袌錾系闹髁鳟a(chǎn)品之一，在新能源汽車中占據(jù)了90%以上的市場份額。但它只是新能源汽車的一種過渡性產(chǎn)品，其能源控制技術(shù)和蓄電池使用壽命等問題依舊是混合動力汽車有待于進一步攻關(guān)的難題[10]。

2.4 新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)

(1) 電池技術(shù)

電池是電動汽車的能量來源。要實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，電動汽車必須具有與傳統(tǒng)車輛相當?shù)牧己玫男詢r比，這就對電動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、價格低廉、原材料豐富和高倍率放電是其優(yōu)點，但是其比能量低、質(zhì)量和體積相對較大，而且一次充電的續(xù)駛里程較短，嚴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，然而其價格比鉛酸電池高很多，市場的推廣受到影響。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)勢較明顯；但是由于其價格、原料獲取以及氫氣存儲等方面還存在較大問題，因而仍然沒有被廣泛使用。但其優(yōu)于其他電池的優(yōu)勢，可以預(yù)見，將來燃料電池一定會成為汽車的主體動力電池之一[15]。在這3種電池之外，還有另外的一種新型電池——飛輪電池。

飛輪電池又稱電動機械電池，原主要用于衛(wèi)星等航天器的能源儲備裝置。美國飛輪系統(tǒng)公司(AFS)設(shè)計的飛輪電池，含有高強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。通過電機，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)動能[16]，當汽車不運動時，由于飛輪處于真空環(huán)境中，其轉(zhuǎn)動能量損失微乎其微；當汽車需要運動時，飛輪通過電機將儲存在其中的能量釋放出來提供電流驅(qū)動汽車。AFS曾運用飛輪電池對一款勞斯萊斯轎車進行改裝，改裝后的電動汽車一次充電行駛距離可達600 km，而日本也曾開發(fā)過相應(yīng)的飛輪電池電動汽車，其飛輪轉(zhuǎn)速最高可達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，且無污染，壽命可達數(shù)十年，與其他電池相比，飛輪電池具有很明顯的優(yōu)勢。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，因此其價格比較昂貴，目前還處于試驗與產(chǎn)業(yè)化階段；但是隨著技術(shù)的發(fā)展，降低其成本，飛輪電池將在未來電動汽車中廣泛應(yīng)用。

(2) 驅(qū)動及其控制技術(shù)

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

在電機控制技術(shù)方面，感應(yīng)電機的驅(qū)動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)簡單、控制性中動態(tài)性能最為出色，因此，近年來在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)方面投入了較大精力研發(fā)。隨著電機及驅(qū)動控制系統(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)用于電動汽車的電機控制系統(tǒng)中[14]。

(3) 能量管理技術(shù)

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

3 新能源汽車的技術(shù)瓶頸問題

雖然新能源汽車經(jīng)過了多年的發(fā)展，已取得一定的成果，但是其市場占有率依然不高，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，并且是在試驗行駛路面及試驗工況下行駛時達到的，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機而言，電動汽車的續(xù)航里程目前是其致命的弱點。

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

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

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

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

4 小結(jié)

未來數(shù)年由于新能源汽車技術(shù)的制約，燃油汽車仍將占據(jù)汽車市場的大半部分，但是混合動力電動汽車市場占有份額將會越來越大，最終純電動汽車必將取代現(xiàn)在燃油汽車的地位。集成控制技術(shù)、計算機技術(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個主要方向發(fā)展。隨著人們對汽車舒適性、安全性、綠色性要求的提高，電動汽車也將在智能化、無人駕駛、安全舒適方面攻破技術(shù)難點，未來的汽車市場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，研究方向為新能源汽車。E-mail：1274895720@qq.com。