新能源汽車在應(yīng)急通信保障車輛中的應(yīng)用

陳 凱 國家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全管理中心海南分中心工程師

1 引言

西方國家的汽車工業(yè)已經(jīng)發(fā)展了100多年，形成了相當(dāng)完善的技術(shù)優(yōu)勢和專利壟斷。雖然國產(chǎn)汽車品牌的進(jìn)步有目共睹，但到目前為止，中國還沒有一個汽車品牌能與世界頂級品牌競爭，使得眾多跨國汽車公司能在中國市場獲得足夠多的利潤，維持其在全球的主導(dǎo)地位。

近年來，中國汽車制造企業(yè)在新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是電動汽車領(lǐng)取的發(fā)展，成功地繞開了傳統(tǒng)汽車核心技術(shù)被外國企業(yè)掌控這一壁壘，讓大家回到同一起跑線上，甚至在某些領(lǐng)域，本土企業(yè)還更具優(yōu)勢。同時，中國政府在新能源汽車上持續(xù)不斷的大力度補(bǔ)貼政策，直接刺激了中國市場新能源汽車的消費(fèi)量。工信部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年中國新能源汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到79.4萬輛和77.7萬輛，連續(xù)3年位居世界第一，新能源汽車銷量占汽車總銷售量約2.6%。

新能源汽車相對于傳統(tǒng)汽車在技術(shù)方面有什么樣的特點(diǎn)，在應(yīng)急通信保障車輛中是否具有應(yīng)用前景？

2 傳統(tǒng)汽車的技術(shù)特點(diǎn)

我國國家最新標(biāo)準(zhǔn)《汽車和掛車類型的術(shù)語和定義》（GB/T3730.1-2001）中對汽車有如下定義：由動力驅(qū)動，具有4個或4個以上車輪的非軌道承載的車輛。傳統(tǒng)汽車的唯一動力來源是發(fā)動機(jī)，汽車發(fā)動機(jī)通過變速箱、傳動軸、差速器等裝置將動力輸出到車輪，推動汽車的運(yùn)動（見圖1）。

圖1 傳統(tǒng)汽車工作模式

其中，發(fā)動機(jī)的作用是通過混合空氣和燃料并進(jìn)行充分燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。常見的燃料有汽油和柴油。變速箱是一套用來協(xié)調(diào)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和車輪的實(shí)際行駛速度的裝置，作用在于使得發(fā)動機(jī)處于最佳性能工作狀態(tài)。變速器可以在汽車行駛過程中，在發(fā)動機(jī)和車輪之間產(chǎn)生不同的變速比。傳動軸是汽車傳動系中傳遞動力的重要部件，它的作用是與變速箱、驅(qū)動橋一起將發(fā)動機(jī)的動力傳遞給車輪，使汽車產(chǎn)生驅(qū)動力。汽車差速器是驅(qū)動橋的主要部件，它的作用就是當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛或在不平路面上行駛時，使左右車輪以不同轉(zhuǎn)速滾動，即保證兩側(cè)驅(qū)動車輪作純滾動運(yùn)動。差速器是為了調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速差而裝置的。

由此可以看出發(fā)動機(jī)是傳統(tǒng)汽車的唯一動力來源，只要汽車運(yùn)動或者汽車對外做功，發(fā)動機(jī)就必須工作，而且發(fā)動機(jī)的功率大小直接決定了汽車對外做功的能力。

3 新能源汽車的技術(shù)特點(diǎn)

新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料，但采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(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。新能源汽車包括混合動力汽車（HEV）、純電動汽車（BEV）、燃料電池汽車（FCEV）等。考慮到目前我國新能源汽車市場的實(shí)際情況，本文只討論混合動力汽車和純電動汽車。

3.1 混合動力汽車的技術(shù)特點(diǎn)

混合動力汽車的關(guān)鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動力汽車的整車性能。經(jīng)過十多年的發(fā)展，混合動力系統(tǒng)已從原來發(fā)動機(jī)與電機(jī)離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機(jī)電機(jī)和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)?；旌蟿恿偝梢詣恿鬏斅肪€分類，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式等3種。

串聯(lián)式動力由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)3部分動力總成組成，它們之間用串聯(lián)方式組成SHEV動力單元系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動機(jī)，由電動機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動汽車。小負(fù)荷時由電池驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動車輪，大負(fù)荷時由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動電動機(jī)。當(dāng)車輛處于大功率輸出工況時，發(fā)動機(jī)、電動機(jī)組和電池組共同向電動機(jī)提供電能；當(dāng)電動車處于低功率輸出工況時，則由電池組驅(qū)動電動機(jī)，當(dāng)電池組缺電時則由發(fā)動機(jī)—發(fā)電機(jī)組向電池組充電。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于低功率輸出運(yùn)行工況，可以將發(fā)動機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機(jī)的輸出來達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動機(jī)的效率，減少了廢氣排放。但是缺點(diǎn)是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，機(jī)械效率較低。

并聯(lián)式裝置的發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同驅(qū)動汽車，發(fā)動機(jī)與電動機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動又可以單獨(dú)驅(qū)動。當(dāng)汽車加速爬坡時，電動機(jī)和發(fā)動機(jī)能夠同時向傳動機(jī)構(gòu)提供動力，一旦汽車車速達(dá)到巡航速度，汽車將僅僅依靠發(fā)動機(jī)維持該速度。電動機(jī)既可以作電動機(jī)又可以作發(fā)電機(jī)使用，又稱為電動－發(fā)電機(jī)組。由于沒有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)，發(fā)動機(jī)可以直接通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動車輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，機(jī)械效率損耗與普通汽車差不多，得到比較廣泛的應(yīng)用。

混聯(lián)式裝置包含了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點(diǎn)。動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，根據(jù)助力裝置不同，又分為發(fā)動機(jī)為主和電機(jī)為主兩種。以發(fā)動機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為主動力源，電機(jī)為輔助動力源；以電機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為輔助動力源，電機(jī)為主動力源。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是控制方便，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜?；旌蟿恿ζ嚬ぷ髂Ｊ饺鐖D2所示。

3.2 純電動汽車的技術(shù)特點(diǎn)

純電動汽車是完全由可充電電池（如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池）提供動力源的汽車。純電動汽車的組成主要包括蓄電池、電動機(jī)和逆變器。

蓄電池為純電動汽車的驅(qū)動電動機(jī)提供電能，電動機(jī)將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。目前，應(yīng)用最廣泛的蓄電池是鋰電池。電動機(jī)的作用是將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，直接或通過傳動裝置驅(qū)動車輪的工作裝置。直流電動機(jī)由于存在換向火花，功率小、效率低，維護(hù)保養(yǎng)工作量大的問題，隨著電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，逐漸被直流無刷電動機(jī)（BLDCM）、開關(guān)磁阻電動機(jī)（SRM）和交流異步電動機(jī)所取代。逆變器是把蓄電池直流電能轉(zhuǎn)變成交流電的設(shè)備。在純電動汽車中，逆變器的主要功能是調(diào)節(jié)電動機(jī)和蓄電池之間的電流頻率和幅值，使其達(dá)到匹配，將動力電池的直流電逆變成交流電提供給驅(qū)動電動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)驅(qū)動車輪，使電動汽車行駛。由于直流環(huán)節(jié)的濾波方式不同，逆變器可分為電壓型和電流型兩種基本類型，脈寬調(diào)制（PWM）型在本質(zhì)上也可歸納為電壓型或電流型。電壓型逆變器的中間環(huán)節(jié)設(shè)置有電容，以維持中間直流電壓恒定。逆變器的輸出電流波形由電壓波形與電動機(jī)的感應(yīng)電動勢之差決定，其幅值和相位取決于電動機(jī)負(fù)載。電流型逆變器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的能量由電感線圈傳遞。在這種系統(tǒng)中，中間回路的電流近似恒定，逆變器輸出平直的矩形波電流，逆變器的電壓波形則取決于電動機(jī)的感應(yīng)電動勢，幅值與相位隨負(fù)荷而變。純電動汽車工作模式如圖3所示。

圖2 混合動力汽車工作模式

4 應(yīng)急通信保障車輛的需求特點(diǎn)

應(yīng)急通信保障車輛是在緊急情況下提供應(yīng)急通信保障功能的車輛。因?yàn)榫o急情況的突發(fā)性，工作環(huán)境相對復(fù)雜，既有需要遠(yuǎn)距離機(jī)動的情況，也有在惡劣自然環(huán)境下緊急展開作業(yè)的需求。

常見的應(yīng)急通信保障車輛是將通信設(shè)備安裝在車輛內(nèi)并預(yù)留設(shè)備的維護(hù)和操作空間的特種車輛。為車上通信裝備的正常工作，還需要其他配套設(shè)備。通信設(shè)備運(yùn)行需要穩(wěn)定的電力供應(yīng)，需要配置必要的電源裝置。對于小功率的通信設(shè)備常見的配套電源裝置是取發(fā)電機(jī)+UPS的電源供應(yīng)組合模式；對于大功率的通信設(shè)備常見的做法是車載油機(jī)+UPS的電源供應(yīng)組合模式。此外，還會預(yù)留有市電接入接口。應(yīng)急通信保障車上的其他必備配套設(shè)備就屬空調(diào)系統(tǒng)了。考慮到應(yīng)急通信保障車輛作業(yè)自然環(huán)境的不確定性以及通信設(shè)備在密閉車內(nèi)空間的散熱問題，空調(diào)系統(tǒng)是應(yīng)急通信保障車不可或缺的重要輔助裝置。對于車內(nèi)空間較小的小型應(yīng)急通信保障車輛，常用汽車自帶的汽車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷；對于車內(nèi)空間較大的大型應(yīng)急通信保障車輛，需要另外安裝空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷，常見為車頂空調(diào)或普通民用空調(diào)。

一方面通信設(shè)備要求提供穩(wěn)定不間斷的交直流電力供應(yīng)；另一方面空調(diào)系統(tǒng)的電力負(fù)荷變化較大。通信設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)都對應(yīng)急通信保障車的電力供應(yīng)能力提出了較高的要求。對于小型應(yīng)急通信保障車來說，為通信設(shè)備提供電能的取力發(fā)電機(jī)和用于設(shè)備散熱的汽車空調(diào)都要求汽車發(fā)動機(jī)不能停機(jī)并且長期處于低功率輸出工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，增大了汽車發(fā)動機(jī)油耗的同時也不利于延長汽車發(fā)動機(jī)壽命。對于大型應(yīng)急通信保障車來說，為滿足通信設(shè)備和加裝空調(diào)系統(tǒng)的用電需求，需要額外安裝車載油機(jī)。在沒有市電接入的情況下，在保障作業(yè)期間車載油機(jī)需要連續(xù)開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。一方面增加了應(yīng)急通信保障車輛的建設(shè)成本；另一方面也存在車載油機(jī)工作噪音大、排放不達(dá)標(biāo)的問題。

5 新能源汽車應(yīng)用于應(yīng)急通信保障車輛

不論是混合動力汽車還是純電動汽車都具有容量較大的動力電池，并且具備大功率的充放電能力，這些特點(diǎn)使得新能源汽車在應(yīng)急通信保障車輛上的應(yīng)用具有得天獨(dú)厚的天生優(yōu)勢。首先，由于大容量動力電池的存在，應(yīng)急通信保障車輛在選用新能源汽車作為基礎(chǔ)車輛時，可以省去UPS，直接將動力電池作為基礎(chǔ)電源使用；其次，混合動力汽車的發(fā)動機(jī)可以帶動發(fā)電機(jī)為動力電池充電，作為大型應(yīng)急通信保障車輛平臺可以直接省去車載油機(jī)；最后，新能源汽車都裝備了電動空調(diào)，與傳統(tǒng)汽車空調(diào)不同，電動空調(diào)的壓縮機(jī)不與汽車發(fā)動機(jī)連接，不需要啟動汽車發(fā)動機(jī)，只要動力電池電量充沛就能持續(xù)提供制冷功能。

圖3 純電動汽車工作模式

筆者以新能源汽車作為應(yīng)急通信保障車輛的汽車平臺設(shè)想2種常見的應(yīng)用場景：

第一種應(yīng)用場景，純電動汽車作為小型應(yīng)急通信保障車輛的汽車平臺。不需要配置取力發(fā)電機(jī)和UPS，純電動汽車的動力電池容量目前能達(dá)到70kW/h左右，按照應(yīng)急通信設(shè)備3kW的運(yùn)行功率和1kW的空調(diào)制冷功率計(jì)算，一輛充滿電的純電動小型應(yīng)急通信保障車能滿足整車設(shè)備穩(wěn)定工作15h的需求。動力電池電量耗盡時，采用60kW的快速充電，可以在1.5h內(nèi)充滿電，在充電的同時可以對車上設(shè)備繼續(xù)供電，保證通信保障作業(yè)不中斷。這種純電動小型應(yīng)急通信保障車非常適用于城市內(nèi)的日常補(bǔ)網(wǎng)和臨時活動的應(yīng)急通信保障工作。

第二種應(yīng)用場景，混合動力汽車作為大型應(yīng)急通信保障車輛的汽車平臺?；旌蟿恿Υ笮蛻?yīng)急通信保障車不需要配置車載油機(jī)、UPS和車頂空調(diào)，混合動力汽車在動力電池電量低時能自動啟動發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)為動力電池充電，此時發(fā)動機(jī)處于最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。給動力電池充滿電后，發(fā)動機(jī)自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)，由動力電池提供全車電力供應(yīng)。因此，混合動力大型應(yīng)急通信保障車在加滿油的情況下，能連續(xù)作業(yè)幾天甚至十幾天的時間。因?yàn)槠嚢l(fā)動機(jī)不是一直持續(xù)工作的，混合動力大型應(yīng)急通信保障車可以實(shí)現(xiàn)一邊保障作業(yè)一邊加注燃油，持續(xù)保障能力更強(qiáng)，工作效率更高。

6 結(jié)束語

新能源汽車應(yīng)用于應(yīng)急通信保障車輛能有效降低建設(shè)成本和維護(hù)使用成本，在環(huán)保要求和尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格的當(dāng)下，新能源汽車的優(yōu)勢將愈發(fā)明顯。隨著動力電池技術(shù)的發(fā)展，大容量、低成本、高可靠性的電池技術(shù)出現(xiàn)，新能源應(yīng)急通信保障車輛有望成為未來的一個主要發(fā)展方向。