新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)分析

魏高飛 姚學(xué)會

摘要：新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用能源，如氫氣，電池，壓縮空氣等作為動力來源，具有新的結(jié)構(gòu)，新的技術(shù)，綜合常規(guī)汽車動力和驅(qū)動方面優(yōu)勢的新型汽車。當(dāng)前新能源汽車主要有純電動汽車、燃?xì)馄嚒⒒旌蟿恿ζ嚭涂諝鈩恿ζ嚒?/p>

關(guān)鍵詞：新能源汽車;電池技術(shù);電機(jī)控制技術(shù);電控技術(shù)。

迄今為止，新能源汽車的發(fā)展仍處于試運(yùn)行階段，各種汽車類型仍存在發(fā)展的瓶頸問題。純電動汽車所用的電池綜合能力較差，氣動汽車能量轉(zhuǎn)化率和能量利用率低等問題有待解決，燃?xì)馄嚢l(fā)動機(jī)效率有待進(jìn)一步提高，混合動力汽車兩種能源相互交替的控制策略還需進(jìn)一步完善。隨著研究的進(jìn)展，燃?xì)馄嚺c混合動力汽車將占據(jù)大部分市場，氣動汽車與純電動汽車也逐漸的在新能源汽車市場份額中占有一定的的比例。隨著各相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車將會突破發(fā)動機(jī)，電池，控制策略等方面的問題，向著2016年新能源汽車產(chǎn)業(yè)高層研討會上提出的“輕量化，智能化，低碳化”的方向發(fā)展，未來的新能源汽車必將占據(jù)汽車市場。

1新能源汽關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 純電動汽車

純電動汽車，是指僅依靠蓄電池電能驅(qū)動電動機(jī)，最終驅(qū)動汽車運(yùn)行的新型汽車。電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括車身技術(shù)、底盤技術(shù)、電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)。其中電池技術(shù)是當(dāng)前制約純電動氣車發(fā)展的重要因素。市場上主流的電池有鉛酸電池、鋰電池和鎳氫電池。鉛酸電池1956年商品化，是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池[2、3]。鉛酸電池自放電率低，壽命長，安全性好，可靠性高，但含重金屬，易造成環(huán)境污染，同時能量密度低，笨重限制其進(jìn)一步發(fā)展。1990推出的鎳氫電池，是由氫離子和金屬鎳合成，它是早期的鎳鎘電池的替代產(chǎn)品，相對于其鉛酸電池環(huán)保性能較好，充電時間短，但是電壓較低[4]。鋰電池商品化時間最晚，相對于其他兩類，具有明顯優(yōu)勢，環(huán)保性、能量密度、充電時間、壽命都有大大提升。

1.2 燃?xì)馄?/p>

燃?xì)馄囀亲钤绫婚_發(fā)并使用的新型汽車，靠較清潔的燃?xì)獯嬉酝娜剂蟻眚?qū)動汽車運(yùn)行的新型汽車。

燃?xì)馄囍饕譃橐夯蜌馄嚭吞烊粴馄噧煞N。對于普通的燃料汽車而言，二者均提高了發(fā)動機(jī)的壽命，減少了污染物的排放。但天然氣汽車的續(xù)航能力較差，甚至不如一些普通的燃料汽車，發(fā)展燃?xì)馄嚨陌l(fā)動機(jī)技術(shù)成為解決這一問題的關(guān)鍵。

燃?xì)馄嚢l(fā)動機(jī)工作過程中由于進(jìn)氣過程減少空氣充氣量，進(jìn)而使發(fā)動機(jī)動力性能下降是目前燃?xì)馄囆枰鉀Q的難點(diǎn)之一。盡管缸內(nèi)液化石油氣直接噴射技術(shù)、壓縮天然氣缸內(nèi)直噴技術(shù)等技術(shù)可以提高充氣效率，但對發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)、控制方式和尾氣排放方式有更高的要求，使實(shí)現(xiàn)難度有所增加。如何更加有效的增加燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的動力性成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

1.3 混合動力汽車

所謂混合動力汽車就是將電動機(jī)與輔助動力單元組合在一輛汽車上做驅(qū)動力，輔助動力單元實(shí)際上是一臺小型燃料發(fā)電機(jī)活動里發(fā)電機(jī)組?；旌蟿恿ζ囀墙Y(jié)合了普通燃料汽車和純電動汽車的一種過渡性汽車，它繼承了純電動汽車的高效率和低排放的優(yōu)點(diǎn)，又具有石油燃料的高比能量和高比功率的長處，顯著改善了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性，增加了電動汽車的續(xù)駛里程。

混合動力汽車在動力輸出過程中通過一定的控制策略，完成兩種能量供應(yīng)的切換，實(shí)現(xiàn)不同能量源特性互補(bǔ)，從而改善和提高汽車系統(tǒng)的性能。因此控制策略成為混合動力汽車最為關(guān)鍵性的技術(shù)?；旌蟿恿ζ嚪譃榇?lián)式，并聯(lián)式和混聯(lián)式三大類。目前，串聯(lián)式有恒溫式控制模式，功率跟蹤式控制模式;并聯(lián)式有以車速為主要參數(shù)的控制策略，以功率為主要參數(shù)的控制策略等;混聯(lián)式有發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線模式，瞬時優(yōu)化模式等。

1.4 氣動汽車

氣動汽車是由高壓空氣驅(qū)動氣動馬達(dá)行駛的汽車。與普通汽車相比，以空氣作為動力的氣動汽車有著十分顯著的優(yōu)點(diǎn)。氣動汽車能量傳遞快捷，能源清潔且來源廣泛，汽車造價較低，維修費(fèi)用較低，是未來替代其他汽車的不二之選。正是因此，各國都紛紛開始了對氣動汽車這一領(lǐng)域的研究。

壓縮空氣動力發(fā)動機(jī)工作時，儲氣瓶中的高壓壓縮空氣經(jīng)減壓后，通過熱交換器吸熱，再進(jìn)入作用缸推動負(fù)載運(yùn)動，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入作用缸的氣體壓力和流量以調(diào)整發(fā)動機(jī)的動力特性。氣動發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)和性能取決于進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力和溫度，合適的配氣機(jī)構(gòu)和進(jìn)氣量的控制是技術(shù)難點(diǎn)。發(fā)動機(jī)工作過程中回收高壓轉(zhuǎn)低壓能量損失部分和提高壓縮空氣所攜帶的壓力轉(zhuǎn)換為發(fā)動機(jī)的機(jī)械能的效率成為重要的研究方向。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1電池技術(shù)

新能源汽車在傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸，增加了電池、電機(jī)、電控系統(tǒng)等組件。

電池是新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，對新能源汽車的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，電池的性能決定了整車的行駛速度、續(xù)駛里程以及整車的安全性和可靠性。新能源車動力電池應(yīng)具有比能量高、比功率大、自放電少、使用壽命長及安全性好等特性：

電動汽車的成敗關(guān)鍵仍然是電池。動力電池是電動汽車的動力源，電池選擇將直接關(guān)系到整車的性能。電動汽車動力電池的主要性能指標(biāo)是能量密度、功率密度和循環(huán)壽命等，現(xiàn)代電動汽車對車用電池有如下要求：目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、商業(yè)化最成功的是鎳氫動力電池，各國正重點(diǎn)研發(fā)的是鋰離子電池，燃料電池則因可以做到完全零排放，而被視作遠(yuǎn)期目標(biāo)。由于電動汽車的車載能量有限，其行駛里程遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到內(nèi)燃機(jī)汽車的水平，能量管理系統(tǒng)的目的就是要最大限度地利用有限的車載能量，增加行駛里程。能量管理系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)：優(yōu)化系統(tǒng)的能量分配，預(yù)測電動汽車電源的剩余能量，再生制動時合理地調(diào)整再生能量。能量管理系統(tǒng)如同電動汽車的大腦，同時具有功能多、靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，它能智能地利用有限的車載能量。

2.2電機(jī)及其控制技術(shù)

電機(jī)是汽車中的關(guān)鍵部件，動汽車用電動機(jī)主要有直流電動機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)、永磁無刷電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)四類。電動車輛的驅(qū)動電機(jī)屬于特種電機(jī)，是電動汽車的關(guān)鍵部件。要使電動汽車有良好的使用性能，驅(qū)動電機(jī)應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍及較高的轉(zhuǎn)速，足夠大的啟動扭矩，體積小、質(zhì)量輕、效率高且有動態(tài)制動強(qiáng)和能量回饋的性能。目前電動汽車所采用的電動機(jī)中，直流電動機(jī)基本上已被交流電動機(jī)、永磁電動機(jī)或開關(guān)磁阻電動機(jī)所取代。電動汽車所用的電動機(jī)正在向大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。當(dāng)今世界已研制出功率密度超過1kW/kg，額定點(diǎn)的效率大于90%的小型電動機(jī)，電機(jī)滿足低速衡（大）扭矩和高速衡功率的牽引控制要求。

電動汽車的電動機(jī)有多種控制模式。傳統(tǒng)的線性控制，如PID，不能滿足高性能電機(jī)驅(qū)動的苛刻要求。傳統(tǒng)的變頻變壓（VVVF）控制技術(shù)，不能使電機(jī)滿足所要求的驅(qū)動性能。異步電機(jī)多采用矢量控制（FOC），是較好的控制方法。近幾年，許多先進(jìn)的控制策略。包括自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)控制等非線性智能控制技術(shù)，并取得了較好成效。當(dāng)然未來會有更智能和數(shù)字化的控制系統(tǒng)，來均衡控制效果及控制成本以滿足日益復(fù)雜的工作要求，有利于提高整個控制系統(tǒng)的綜合性能。

2.3電控技術(shù)

電控系統(tǒng)可以稱作是新能源汽車的“大腦”。新能源汽車電控技術(shù)包括整車控制技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、電池管理技術(shù)和充電技術(shù)等。電控系統(tǒng)涉及到各個子系統(tǒng)功能的協(xié)調(diào)，對電動汽車安全、穩(wěn)定的運(yùn)行至關(guān)重要;同時，電控系統(tǒng)的設(shè)計水平還將間接影響到電池組的使用壽命。隨著電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化。變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法等非線性智能控制技術(shù)，都將各自或結(jié)合應(yīng)用于電動汽車的電機(jī)控制系統(tǒng)。它們的應(yīng)用將使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)，參數(shù)變化具有魯棒性，可大大提高整個系統(tǒng)的綜合性能。

3結(jié)論

通過分析和總結(jié)新能源電動汽車主要的關(guān)鍵技術(shù)，包括電池技術(shù)、電機(jī)及其控制技術(shù)、電控技術(shù)等。在過去的十幾年里我國在純電動、混合動力及燃料電池汽車，電池、電機(jī)及其管理控制技術(shù)開發(fā)，整車控制與集成等關(guān)鍵技術(shù)均取得了較大改進(jìn)與突破。目前國內(nèi)電動汽車關(guān)鍵技術(shù)中電池及其管理技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)和電控技術(shù)都有待提高。

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