新能源汽車技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢分析

侯濤 徐佳

云南交通職業(yè)技術學院 云南省昆明市 650500

能源是支撐國民經(jīng)濟的重要因素，也是人類生存和發(fā)展的基礎。新能源是指傳統(tǒng)能源之外各種形式的能源。是剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源。當前在世界范圍內(nèi)，石油能源供求失衡，嚴重影響了各地的經(jīng)濟發(fā)展。隨著現(xiàn)代工業(yè)化的不斷發(fā)展、社會汽車保有量不斷增加，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車造成的能源危機和生態(tài)環(huán)境惡化不斷加劇。新能源汽車采用電力（或其他新能源）驅(qū)動，不消耗或降低了石油能源消耗，更加節(jié)能環(huán)保。新能源汽車的開發(fā)與推廣已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的趨勢。

1 新能源汽車概述

新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源，綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。

新能源汽車主要包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車等。近年來，電動汽車在新能源汽車中得到長足發(fā)展，電動汽車的技術和性能得到充分肯定，現(xiàn)在所說新能源汽車重點就是研究電動汽車，因而電動汽車成了新能源汽車的代名詞。

世界第一輛電動汽車是由美國人托馬斯于1834年制造的，早于內(nèi)燃機汽車半個多世紀之久。由于當時電工、電子技術的局限，致使電動汽車發(fā)展受到制約。而機械工業(yè)的發(fā)展進步，促使內(nèi)燃機汽車技術得到了長足的發(fā)展。近年來由于世界范圍內(nèi)的能源危機與環(huán)境污染問題日益嚴重，對人們的生活產(chǎn)生了較大影響，人們逐漸開始意識到新能源利用的重要性。加之，近年來，得益于電力電子技術的發(fā)展、電池、電機技術的進步和控制技術的提高，電動汽車迎來一個新的發(fā)展時期。

2 新能源汽車分類

新能源汽車主要包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車等。目前投放市場的新能源汽車主要有純電動汽車、混合動力汽車。

2.1 純電動汽車

純電動汽車，是指以車載電源為動力，用動力電機驅(qū)動車輛行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。純電動汽車以蓄電池作為汽車動力來源，提供電能給動力電機驅(qū)動車輛行駛。純電動汽車沒有傳統(tǒng)發(fā)動機，動力電機是惟一的驅(qū)動動力，而動力電池是惟一的動力源。

此外，純電動汽車的再生制動系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車不同。再生制動系統(tǒng)其功能除了對車輛產(chǎn)生制動作用外還具有能量回收的功能（包括車輛慣性滑行的富余動能）。再生制動系統(tǒng)利用驅(qū)動電機的控制技術實現(xiàn)驅(qū)動電機的發(fā)電運行，使減速制動時的能量回饋給動力電池，從而得到再生利用。目前回收能量約占10%-20%，是傳統(tǒng)汽車不可比擬的。

2.2 混合動力汽車（油電混動）

混合動力汽車是指擁有至少兩種動力源，使用其中一種或多種動力源提供部分或者全部動力的車輛?；旌蟿恿ζ嚩嗖捎脗鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機和電動機作為動力，具有傳統(tǒng)發(fā)動機和電力驅(qū)動兩套動力系統(tǒng)，采用串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)的動力耦合形式。通過混合使用內(nèi)燃發(fā)動機和電力驅(qū)動兩套系統(tǒng)驅(qū)動車輛行駛。

除具有純電動汽車電驅(qū)動的基本特性外還能有效提高了車輛的動力性、經(jīng)濟性和適應性，解決了電動汽車續(xù)航里程受限的問題和降低了燃油的消耗量，減少尾氣的排放量，顯示出良好的環(huán)保性能。

混合動力汽車同樣具有能量回收、再生利用的功能，并拓展了其車輛的應用范圍，改善了應用條件，因而被社會廣泛接受，是電動汽車發(fā)展的重要方向，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。

2.3 燃料電池汽車

燃料電池汽車是使用燃料電池為動力源的汽車。也是一種電動汽車，是將燃料電池產(chǎn)生的電能持續(xù)提供給動力電機，從而驅(qū)動車輛行駛的電動汽車。

燃料電池是一種化學電池，能直接把活性物質(zhì)發(fā)生化學反應時釋出的能量變換為電能，工作時需要連續(xù)地向其供給燃料和氧化劑等活性物質(zhì)，以保持電池持續(xù)進行氧化還原反應，不斷地獲取電能。燃料電池直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。燃料電池需持續(xù)對其提供燃料和氧化劑等活性物質(zhì)，與蓄電池不同，更像一個發(fā)電機。電池電能轉(zhuǎn)換效率高達（45%-60%）。反應生成物主要是水，無污染，是比較理想的動力電池，燃料電池被譽為電池發(fā)展的終極目標。目前，燃料電池汽車還處于研發(fā)試驗階段，人們對其寄予厚望。

3 新能源汽車技術的發(fā)展現(xiàn)狀

目前新能源汽車的研發(fā)重點是電動汽車，即純電動汽車和混合動力汽車。純電動汽車是電動汽車的標志性產(chǎn)品，混合動力汽車是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車和純電動汽車的基礎上發(fā)展起來的一種復合型電動汽車。

新能源汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的區(qū)別在于汽車電力驅(qū)動系統(tǒng)。電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)主要包括動力電機、動力電池和控制系統(tǒng)（控制器），被稱為電動汽車動力系統(tǒng)的三大件。它們的性能決定或影響著電動汽車的性能。

3.1 驅(qū)動電機

電動汽車通常選用的驅(qū)動電機主要有：直流電動機、交流異步電動機、永磁同步電動機和開關磁阻電機。

3.1.1 直流電動機

電動汽車發(fā)展的早期，純電動汽車多采用直流電動機作為驅(qū)動電機，這類電機技術較為成熟，有著控制方式容易，調(diào)速優(yōu)良的特點，曾經(jīng)在調(diào)速電動機領域內(nèi)有著最為廣泛的應用。但是由于直流電動機有著復雜的機械結構，例如：電刷和機械換向器等，導致它的瞬時過載能力和電機轉(zhuǎn)速的進一步提高受到限制，而且高壓大電流的條件下，電刷易產(chǎn)生高壓打火現(xiàn)象，對電動汽車的控制和安全產(chǎn)生不良影響。目前新型電動汽車較少采用，趨于淘汰。

3.1.2 交流異步電動機

交流異步電機對于電動汽車工作工況，在高速運轉(zhuǎn)的情況下電機的轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴重，工作時要保證電機冷卻，同時異步電機的驅(qū)動、控制系統(tǒng)很復雜，電機本體的成本也偏高，相比較于永磁式電動機和開關磁阻電機而言，異步電機的效率和功率密度偏低，對于提高電動汽車的最大行駛里程不利。電動汽車近來也逐漸減少交流異步電動機應用。

3.1.3 永磁同步電動機

永磁同步電機轉(zhuǎn)子采用永磁體，具有高效、高轉(zhuǎn)矩密度、高控制精度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動噪聲的特點，通過合理設計永磁磁路結構能獲得較高的弱磁性能，它在新能源汽車驅(qū)動方面具有很高的應用價值，受到國內(nèi)外新能源汽車界的高度重視，在純電動汽車得到廣泛的應用。

3.1.4 開關磁阻電動機

作為一種新型電機，相比其他類型的驅(qū)動電機而言，開關磁阻電機的結構最為簡單，功率密度高，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性好，有較高的起動轉(zhuǎn)矩和較低的起動功率，效率可以達到85%-93%。轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可靈活的控制，調(diào)速控制較簡單，最高轉(zhuǎn)速可以達到15000r/min。而且它具有可控性好的優(yōu)良特性，同時適用于惡劣環(huán)境，非常適合作為電動汽車的驅(qū)動電機使用。

目前電動汽車主要應用的電機為永磁同步電動機和開關磁阻電動機。

3.2 動力電池

動力電池是新能源汽車的動力源。動力電池的能量密度、功率密度、充放電性能、使用壽命、安全性等性能和成本影響電動汽車性能和需求，并且是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關鍵因素。

新能源汽車動力電池發(fā)展的主要方向是鋰離子電池。鋰離子電池是近年研發(fā)的一種新型高能蓄電池，與其他蓄電池相比，鋰離子電池高能量、高電壓、長壽命，無記憶效應、無污染，快速充電、自放電率低，工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點，是目前電動汽車較為理想的動力電源。

目前普遍應用的鋰離子電池主要是磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰電池（鎳鈷錳酸鋰電池）。三元鋰電池比能量較大，壽命短。磷酸鐵鋰離子電池穩(wěn)定性、可靠性和安全性能較好。二者各有其特點。

蓄電池充電技術以及電池的續(xù)航里程成為新能源汽車發(fā)展的瓶頸，制約著新能源汽車的發(fā)展。目前純電動汽車續(xù)航里程可達300km以上，電動汽車續(xù)航里程短的狀態(tài)正在被改變。

4 新能源汽車發(fā)展過程中存在的問題

4.1 新能源汽車的相關政策

我國政府正通過相關政策與補貼扶持新能源汽車市場的發(fā)展，僅2017年我國就累計出臺三十多項新能源汽車補貼政策。其中涉及宏觀、基礎設施、補貼、技術研發(fā)、安全管理，落戶推廣等多方面給予支持和導向。

4.2 生產(chǎn)成本較高

隨著新能源汽車的開發(fā)與推廣，投入力度也在不斷增加。但相較于發(fā)達國家，我國對新能源汽車的相關投入力度還略顯不足。2017年我國新能源汽車的銷量77.7萬輛，占汽車整體市場的2.7%左右。新能源汽車尚未形成大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較高，對新能源汽車的推廣普及帶來一定影響。

4.3 核心技術有待提高

新能源汽車是集新技術、新材料、新工藝為一體的高新技術產(chǎn)業(yè)，由于我國新能源汽車研發(fā)起步較晚，研發(fā)投入不足，核心技術有待提高。尤其是動力電池技術首先要解決充電時間長、行駛里程短的技術瓶頸問題。

4.4 配套設施需逐步完善

隨著新能源汽車的推廣普及，新能源汽車的配套設施則嚴重滯后。充電站和充電樁等充電設施數(shù)量嚴重不足，制約新能源汽車的推廣普及。截至2017年末我國各類充電樁數(shù)量約為45萬個，車樁比例約為3.8：1，和國家規(guī)劃的車樁數(shù)量1：1還在較大差距。

5 新能源汽車未來發(fā)展趨勢

在電動汽車技術方面動力電池作為技術瓶頸，嚴重的影響車輛性能和品質(zhì)，要重點解決動力電池的性能，提高電池的比能量，初步目標到2020年單體電池比能量從150wh/kg增加到300wh/kg。改善充電時間和續(xù)航里程。

混合動力技術水平相對比較復雜，技術難點較多，它既包括驅(qū)動電機和動力電池，也包括發(fā)動機與驅(qū)動電機耦合裝置。提高關鍵的零部件生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量。同時積極加強氫能燃料電池研發(fā)。逐步從實驗階段轉(zhuǎn)為推廣應用。

總之，新能源汽車是未來汽車工業(yè)發(fā)展的方向，新能源汽車技術在不斷地更新和進步，新能源汽車將逐步走向成熟。