混合能源電動汽車的研究

1.引言

隨著經濟的發展，汽車的數量不斷增加，環境污染問題日趨嚴重。因此研究節約能源，降低排放，保護環境的汽車，以綠色環保汽車代替燃油汽車是社會可持續發展戰略的需要，成為世界各國共同關注的問題。電動氣車是一種節約燃油資源、減少污染甚至零排放的理想綠色汽車，是未來汽車的發展方向。發展最早的是純電動汽車，但其充電設施不完善，行駛里程受到限制，也存在廢舊電池難以回收再利用和二次污染的問題，在此背景下，混合能源電動汽車應運而生。

2.混合能源電動汽車理念

混合能源電動汽車具有節能減排、保護環境、行駛里程不受限制和不改變基本的基礎設施等優點，最主要的是目前技術已經基本成熟，被認為是當前電動汽車中最具有產業化和市場化前景的車型之一。其結構圖如圖1所示。

3.能源介紹

3.1 燃料電池+超級電容

燃料電池是能夠持續的通過發生在陰極和陽極的氧化還原反應將化學能轉化為電能的一種能量轉換裝置。只要連續不斷地向燃料電池內輸入氧化劑和燃料，就能不斷提供電能，這是它與常規電池的區別。其優點有以下幾方面：

（1）工作時間長：燃料電池具有連續工作時間長和能量轉換效率高兩種優勢。

（2）高效：它不通過熱機過程，不受卡諾循環的限制，其能量轉化效率在40-60%；如果實現熱電聯供，燃料的總利用率可高達80%以上。

（3）環境友好：以純氫為燃料時，燃料電池的化學反應物僅為水，二氧化碳的排放量大量減少，這對緩解溫室效應起到重要作用。

（4）安靜：燃料電池工作部件很少，工作時噪音低。

（5）可靠性高：燃料電池經歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發展階段，其運行非?？煽浚梢宰鳛椴婚g斷電源和各種應急電源使用。

燃料電池啟動時的反應速度不及內燃機引擎，若提高反應速度則必須保證它的穩定性。它還具有相對較軟的輸出特性，會導致效率下降，為解決此問題，需由燃料電池和有較硬輸出特性的DC／DC變換器組成一個整體，負責對整車供電。

為了解決電動汽車續駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾，可以采用由主能源--燃料電池提高最佳的續駛里程，而由輔助能源--超級電容在加速和爬坡時提供短時的輔助動力。輔助能源系統的能量可以直接取自主能源，也可以在電動汽車剎車或下坡時回收可再生的動能。超級電容具有負載均衡作用，燃料電池的放電電流減少使電池的可利用能量、使用壽命得到顯著提高。

3.2 太陽能電池+蓄電池

太陽能是一種可再生的綠色能源。太陽能電池是符合可持續發展的一種節能環保電池。在車體上安裝太陽能電池，主要目標是質量小，安全，受到空氣阻力最小和太陽能吸收能量最大化。目前得到廣泛應用的是晶硅電池和薄膜電池，其轉換效率和成本潛力如表1所示[1]。

考慮到天氣變化和特殊情況的發生，蓄電池通常作為輔助能源和太陽能電池一起使用。太陽照射太陽能電池時，光能轉換成電能驅動車輛行駛。剩余電量由蓄電池儲存，以便太陽電池電量不足時由蓄電池驅動車輛行駛。當車輛制動時還可由蓄電池回收制動能量。

3.3 混合能源驅動模式

系統根據道路和天氣情況選擇車輛的驅動模式：當控制系統檢測到蓄電池的SOC值較低時，進入燃料電池作為主能源的工作模式；在城市道路低速行駛和蓄電池電量充足時，進入太陽能驅動模式；在電動汽車爬坡或加速時，及時利用其驅動系統，提供必要的輔助動力，進入混合驅動模式；當車輛制動時，驅動電動機給蓄電池充電，進入再生制動能量回收模式；當車輛靜止時，進入蓄電池充電模式。

表1 太陽能電池的轉換效率和成本潛力

表2 混合能源電動汽車驅動電機比較

圖1 混合能源電動汽車結構圖

4.混合能源電動汽車的關鍵技術

混合能源電動汽車是幾種電池的結合，由于混合能源電動汽車自身的特殊性，使得對汽車儲能裝置、電動變換裝置、控制系統裝置要求較高，不僅需要有較高的穩定性，而且要求經濟高效。混合動力汽車需要解決的幾個核心問題是：雙向DC/DC變換器技術、電機驅動技術及能量管理技術等。

4.1 雙向DC/DC（直流/直流）變換器技術

DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。DC/DC變換器內部一般具有PWM（脈寬調制）模塊，E/A（差錯放大器）模塊，比較器模塊等幾大功能模塊。目前，大多數DC/DC變換器只能實現能量單向流動。然而，對于蓄電池和超容量電容器這種要求能量雙向流動的器件，單向DC/DC變換器有很大的局限性，這就需要雙向DC/DC變換器。

雙向DC/DC變換器使整體電路簡單化，非常方便的實現了能量的雙向傳輸，與兩個單向DC/DC變換器反向并聯相比，有效率高、體積小、成本低的優點。

4.2 電機驅動技術

電機驅動技術包括電動機技術、控制器和功率電子器件。電動機和控制器是提高混合能源電動汽車的行駛里程、驅動性能和可靠性的保證。電動機要具有很寬的調速范圍，在恒功率區低轉矩時有很快的速度，以滿足在平坦路面能高速行駛，在恒轉矩區低速運行時有大轉矩，以滿足起動和爬坡要求。在混合能源電動汽車中，電動機的選型原則一般有以下幾點[2]：

（1）高性能、低自重、小尺寸；

（2）在較寬的轉速范圍內有較高的效率；

（3）電磁輻射盡量??；

（4）成本低。

目前，在混合能源電動汽車上采用的驅動電機主要有直流電機、永磁同步電機、開關磁阻電機和交流異步電機等。這些電機的主要優缺點可如表2所示[3]。

4.3 能量管理技術

混合能源電動汽車的能量管理包括兩個方面：整車的能量管理和蓄電池的能量管理。整車的能量管理中，混合能源電動汽車需具備能量管理系統，在車輛行駛過程中，系統能隨時隨地對車輛的能耗進行計算，并通過剩余能量將計算數據顯示出來，使駕駛人員清楚車輛的行駛里程，以便對如何行使做出正確的決定。對于電池的能量管理一般包括以下幾個方面：

（1）準確計算電池組SOC，SOC對整車的控制策略起到至關重要的作用；

（2）對電池單體/模塊的電壓和溫度的監控；

（3）能對電池組進行熱管理，包括需要時對電池組進行冷卻或加熱。

5.結語

眾所周知，我國的石油資源極度匱乏，人均占有量僅是世界的1/10，在此背景下，我們必須節約能源，減緩汽車消耗資源的速率?；旌夏茉措妱悠囀沁m應時代變化的產物，這是其一。其二，汽車業是我們國家經濟發展的一個重要的支柱。其三，快速發展的汽車業給環境保護帶來很大的壓力，不僅是廢氣的排放，其產生噪聲都會對環境造成污染，發展混合能源電動汽車，可以減輕環境污染，為我們提供一個更好的生存環境做出貢獻。

[1]凌凱.太陽能在汽車上的應用初探[J].節能減排及新能源汽車技術論壇,2010,9,29.

[2]劉偉,程廣偉,鄧楚南.電動汽車驅動電機淺析[J].電機技術,2006,3,25.

[3]竇汝振,李磊,宋建鋒.電動汽車用驅動電機系統的現狀及發展趨勢[J].變頻器世界,2007(2):73-83.

[4]趙云峰,萬杰,朱自萍等.太陽能電池在汽車上的應用分析[J].農業裝備與車輛工程,2011,4.

[5]郭熠.電動汽車雙向DC/DC變換器的研究[D].天津:天津大學,2004.

[6]陳清泉.可持續道路交通的挑戰:電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的技術路線和產業化路線[D].香港:香港大學,2008.

[7]石慶升,張承慧,崔納新.新型雙能源純電動汽車能量管理問題的優化控制[N].濟南:電工技術學報,2008,23(8).