新能源汽車(chē)技術(shù)原理與相關(guān)技術(shù)分析及研究

付昌星

（懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 懷化 418000）

前言

隨著人們生活水平不斷提高，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展帶動(dòng)了汽車(chē)工業(yè)創(chuàng)新。汽車(chē)在為人們?nèi)粘＝煌ǔ鲂袔?lái)巨大便利的同時(shí)，也會(huì)引起環(huán)境污染，浪費(fèi)能源。當(dāng)前世界范圍內(nèi)的石油資源危機(jī)愈演愈烈，為了解決環(huán)境污染、資源短缺與汽車(chē)使用量需求不斷增加之間的巨大矛盾，國(guó)家于2018年3月出臺(tái)《2018年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》，并從多個(gè)層面提出優(yōu)惠政策，加快新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用?；诖?，為了貫徹和推廣新能源汽車(chē)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“低碳經(jīng)濟(jì)”及“節(jié)能減排”的重要發(fā)展目標(biāo)，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究動(dòng)態(tài)，就新能源汽車(chē)技術(shù)原理及EV、HEV、FCEV相關(guān)技術(shù)展開(kāi)論述分析。

1 新能源汽車(chē)內(nèi)涵界定

新能源汽車(chē)主要是相對(duì)于以傳統(tǒng)能源為主的汽車(chē)而言，目前業(yè)內(nèi)關(guān)于“新能源汽車(chē)”的內(nèi)涵界定，主要從“廣義”與“狹義”兩個(gè)層面展開(kāi)[1]：

1.1 廣義層面

廣義層面的新能源汽車(chē)主要是指使用非柴油、非汽油等非傳統(tǒng)能源的新動(dòng)力汽車(chē)，如目前最新上市的混合動(dòng)力汽車(chē)以及電動(dòng)汽車(chē)等；另外，以甲醇、二甲醚以及石油氣、天然氣等新能源為主要?jiǎng)恿?lái)源的汽車(chē)也屬于新能源汽車(chē)。

1.2 狹義層面

在廣義層面基礎(chǔ)上，國(guó)家對(duì)新能源汽車(chē)進(jìn)行了細(xì)分。按照我國(guó)目前關(guān)于新能源汽車(chē)入市相關(guān)準(zhǔn)入管理規(guī)定，新能源汽車(chē)必須以非常規(guī)能源為主要?jiǎng)恿?lái)源，同時(shí)此類(lèi)車(chē)輛的開(kāi)發(fā)需以驅(qū)動(dòng)技術(shù)及車(chē)輛動(dòng)力控制技術(shù)為主。

2 新能源汽車(chē)相關(guān)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究、發(fā)展動(dòng)態(tài)

近年來(lái)，世界性的環(huán)境污染以及能源危機(jī)問(wèn)題已引起汽車(chē)制造工業(yè)領(lǐng)域相關(guān)人士廣泛關(guān)注。在此背景下，發(fā)展新能源汽車(chē)技術(shù)已勢(shì)在必行?？v觀國(guó)內(nèi)外，美國(guó)、日本以及中國(guó)在新能源汽車(chē)技術(shù)研究領(lǐng)域及應(yīng)用方面已取得較大進(jìn)步。

2.1 美國(guó)

美國(guó)是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)體中當(dāng)之無(wú)愧的超級(jí)大國(guó)，美國(guó)同中國(guó)類(lèi)似，交通領(lǐng)域的能源問(wèn)題日益突出，汽車(chē)尾氣排放污染愈加嚴(yán)重，在石油危機(jī)倒逼作用下，美國(guó)政府對(duì)新能源汽車(chē)技術(shù)研發(fā)與推廣工作作了明確規(guī)劃。在新能源汽車(chē)附屬設(shè)施建設(shè)方面，美國(guó)在加尼福尼亞州建設(shè)了大量充電設(shè)施，目前其已遍布各居民區(qū)、政府大樓及商場(chǎng)區(qū)域，由此為電動(dòng)汽車(chē)持續(xù)提供動(dòng)力奠定了良好基礎(chǔ)。

2.2 日本

日本是典型的能源匱乏國(guó)家，為了改善這一局面，日本率先在交通運(yùn)輸領(lǐng)域展開(kāi)新能源汽車(chē)研究與應(yīng)用推廣工作。著名汽車(chē)制造企業(yè)本田及豐田等先后投入巨資研發(fā)新能源汽車(chē)，由此使日本的純電動(dòng)汽車(chē)及插電式、混合動(dòng)力式電動(dòng)汽車(chē)在國(guó)內(nèi)外遙遙領(lǐng)先。日本政府明確表示，將于2020年前建成150座快速充電站，同時(shí)將在多個(gè)城市展開(kāi)電動(dòng)汽車(chē)充電項(xiàng)目試點(diǎn)工作。該項(xiàng)目遍及日本餐飲連鎖店、超市及付費(fèi)停車(chē)場(chǎng)等，為駕駛員免費(fèi)提供便捷式電源插座。

2.3 中國(guó)

受?chē)?guó)外技術(shù)影響，我國(guó)早在1999年就開(kāi)始了新能源汽車(chē)研發(fā)工作，并啟動(dòng)“清潔汽車(chē)行動(dòng)”項(xiàng)目。在國(guó)家政策大力支持下，我國(guó)新能源汽車(chē)在研發(fā)與生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化、示范運(yùn)行等方面取得較大進(jìn)展。目前，我國(guó)已建立企業(yè)和高校研發(fā)生產(chǎn)基地，形成鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈，并于北京、武漢、天津及汕頭、威海等地建立指定試驗(yàn)示范區(qū)，設(shè)定為電動(dòng)汽車(chē)試驗(yàn)城市，先后啟動(dòng)“十城千輛”新能源項(xiàng)目，全國(guó)已有100多處新能源汽車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施投入使用，并有近千輛電動(dòng)汽車(chē)已投入示范運(yùn)行。

3 新能源汽車(chē)技術(shù)原理及相關(guān)技術(shù)分析

3.1 混合動(dòng)力汽車(chē)

該類(lèi)新能源汽車(chē)主要是指車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別由2個(gè)或2個(gè)以上的單個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合組成的汽車(chē)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)至少有2種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，一種是輔助驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力設(shè)備；另一種是常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)。汽車(chē)在行駛中，可根據(jù)功率變化，通過(guò)單獨(dú)或不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)控制策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。根據(jù)混合電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)作原理，其又可分為強(qiáng)、中度及弱混合動(dòng)力汽車(chē)和插電式混合電動(dòng)汽車(chē)[2]。

（1）串聯(lián)式

混合動(dòng)力汽車(chē)在工作運(yùn)行中，通常以混聯(lián)式、并聯(lián)式與串聯(lián)式三種驅(qū)動(dòng)聯(lián)結(jié)方式提供動(dòng)力來(lái)源。從機(jī)械運(yùn)作原理來(lái)講，串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)不參與車(chē)輛的直接驅(qū)動(dòng)，僅通過(guò)車(chē)輛行駛系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)連接，按如圖1所示結(jié)構(gòu)原理驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，然后為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，在此環(huán)節(jié)，電池可調(diào)節(jié)汽車(chē)電量，并起到平衡發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)輸入與輸出功率的作用。若汽車(chē)需求功率小于發(fā)電機(jī)發(fā)電功率，多余電能則會(huì)匯集存儲(chǔ)至蓄電池，電池進(jìn)入充電狀態(tài)。相反，若汽車(chē)行駛需要巨大動(dòng)力和功率，則電池將釋放多余電能給電動(dòng)機(jī)，完成放電。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)間的來(lái)回切換，對(duì)車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行管控優(yōu)化。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

這種新能源汽車(chē)技術(shù)可使發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持在高效工況下運(yùn)行，因車(chē)輛結(jié)構(gòu)布局自由性和靈活性較強(qiáng)，且車(chē)輪與發(fā)動(dòng)機(jī)未與機(jī)械連接，因此能源消耗較小。

（2）并聯(lián)式

并聯(lián)式新能源汽車(chē)通過(guò)電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)兩套動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置間的耦合優(yōu)化。在汽車(chē)工作運(yùn)行中，兩個(gè)系統(tǒng)與汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接，由單獨(dú)或雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)運(yùn)行控制。如圖2所示，當(dāng)車(chē)輛行駛時(shí)，該車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)處于高效工作狀態(tài)；當(dāng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)功率需求不大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性變差，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，汽車(chē)主要由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。若發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)啟，則車(chē)輛行駛中的額外能量將由電機(jī)整流存儲(chǔ)于電池內(nèi)。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

與串聯(lián)式新能源汽車(chē)相比，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)能量利用率高，汽車(chē)在爬坡加速時(shí)，由電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)力；汽車(chē)在低速運(yùn)行時(shí)，主要由純電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作。但這種結(jié)構(gòu)裝置的技術(shù)缺點(diǎn)是系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車(chē)輛扭矩耦合裝置及變速控制裝置開(kāi)發(fā)成本高。

（3）混聯(lián)式

混聯(lián)式新能源汽車(chē)兼具串、并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。該類(lèi)新能源汽車(chē)在行駛時(shí)，系統(tǒng)行星齒輪機(jī)構(gòu)會(huì)將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率分別傳導(dǎo)至汽車(chē)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及汽車(chē)串聯(lián)發(fā)電機(jī)[3]。在這一工作原理下，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化工作運(yùn)行，且可自由、靈活根據(jù)車(chē)輛具體工況，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)功率輸出與運(yùn)轉(zhuǎn)，由此提升車(chē)輛系統(tǒng)總運(yùn)行效率及在不同工況下的自適應(yīng)能力，但該類(lèi)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，研發(fā)成本相對(duì)較高。

3.2 純電動(dòng)汽車(chē)

純電動(dòng)汽車(chē)完全依賴(lài)可充換電池這一動(dòng)力源，通過(guò)更換電池或使用電網(wǎng)充電。在汽車(chē)行駛時(shí)，電機(jī)由電池驅(qū)動(dòng)，車(chē)輛進(jìn)入減速與制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)為汽車(chē)電池充電，由此實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車(chē)能量間的雙向流動(dòng)。該類(lèi)汽車(chē)顯著優(yōu)點(diǎn)是噪音低、零排放與零污染，可利用電網(wǎng)在低谷時(shí)的充電契機(jī)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)“削峰填谷”。但因其只有一種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所以控制技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，目前受充電基礎(chǔ)設(shè)施制約，并未大量推廣。

3.3 燃料電池汽車(chē)

燃料電池新能源汽車(chē)主要利用化學(xué)反應(yīng)所形成的巨大能量實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)其處于行駛狀態(tài)時(shí)，燃料電池中的氫氣與大氣中的氧氣會(huì)發(fā)生激烈反應(yīng)，由此產(chǎn)生大量新能源，為燃料電池汽車(chē)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。這種汽車(chē)主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)包含電機(jī)、氫氣燃料箱、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)以及動(dòng)力蓄電池、電機(jī)等，其主要能量源為燃料電池，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，確保燃料電池汽車(chē)穩(wěn)定行駛。與前兩種新能源汽車(chē)技術(shù)相比，這一技術(shù)下的新能源汽車(chē)運(yùn)行效率高，能耗低，加氫時(shí)間短，燃料具有清潔、循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，但因技術(shù)并不成熟，目前尚未完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣與應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

毋庸置疑，日益突出的環(huán)境污染問(wèn)題及能源浪費(fèi)問(wèn)題已成為當(dāng)前制約我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)快速、長(zhǎng)效發(fā)展的主要因素，目前我國(guó)環(huán)境空氣復(fù)合型污染主要來(lái)源為交通領(lǐng)域的機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染。對(duì)此，加強(qiáng)新能源汽車(chē)技術(shù)研究創(chuàng)新已迫在眉睫，本文通過(guò)對(duì)業(yè)內(nèi)關(guān)于新能源汽車(chē)相關(guān)技術(shù)及原理進(jìn)行分析、梳理，旨在為新能源汽車(chē)技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供有益參考。