新能源汽車技術原理及相關技術

黃志峰

（上海市節能減排中心有限公司，上海 200003）

新能源汽車是相對于使用常規燃料作為主要動力來源的傳統內燃機汽車而言的，新能源汽車采用先進的車輛動力控制技術和驅動技術。發展新能源汽車產業不僅有利于節能減排，更是低碳經濟發展的重要組成［1］。新能源汽車可分為：純電動汽車（EV）、混合動力汽車（HEV）以及燃料電池汽車（FCEV）。

1 國內外的研究情況

1.1 美國

近些年，美國在交通領域的能耗及排放強度不容樂觀，再加上日益上漲的傳統能源價格，迫使近幾屆美國政府下決心發展新能源汽車?？肆诸D政府主要提出發展混合動力汽車從而提高汽車的燃油經濟性；布什政府主要提出發展燃料電池汽車從而減少汽車對石油的依賴和污染氣體的排放；奧巴馬政府在經過了一段時間新能源汽車發展后，將美國的新能源汽車發展設定為不同的階段，對混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車等分別制定了分階段的發展目標［2］。

在發展電動汽車過程中，美國已經啟動了在加利福尼亞州、弗吉尼亞州等地開展充電設施的建設。其中在加州的建設力度最大，由“美好空間項目”公司與加州北部的舊金山、奧克蘭和圣何塞等城市的政府聯手建設，將于2012年在上述城市的所有居民區、商廈、停車場和政府大樓安裝充電樁，以方便電動汽車駕駛者隨時為汽車充電。該公司還將在上述地區興建電池更換站，以方便長途駕車者隨時更換電池。

1.2 日本

日本是典型的資源匱乏國家，能源供給及能源安全一直是制約日本發展的主要問題之一。在交通領域，依靠傳統強大的汽車產業率先開展了新能源汽車的研發工作，豐田、本田等汽車制造企業投入巨資研發新能源汽車，相關企業在混合動力汽車、插電式混合動力汽車、純電動汽車等的研發已處于世界前列［3］。

日本政府表示，將在2015年前建造千余座充電站。日本東京電力公司將帶頭參與相關基礎建設。在東京充電樁更為普及，樓宇路旁隨處可見。鄰近東京的神奈川縣計劃短期內至少讓3 000輛電動汽車上路行駛，該縣已經承諾提供150座快速充電站。日本中央政府對這項技術表示支持，將選擇城市試點開展電動汽車充電項目。該項目將會涉及在付費停車場、超市以及餐飲連鎖店安裝電源插座，以供駕駛員們免費使用。

1.3 中國

1）在研發與生產方面 我國已有一批汽車企業和高校進行新能源汽車整車和零部件的研發與生產。

2）在產業化方面 我國的新能源汽車產業鏈也初具雛形。以新能源汽車關鍵零部件之一的動力電池為例，我國已初步形成了鋰離子電池產業鏈，從礦產資源、動力電池相關原材料到動力電池系統，都有相關企業從事生產研發。

3）在示范運行方面 我國將北京、天津、武漢、威海和汕頭等城市指定為電動汽車試驗示范城市和試驗示范區。已有近千輛電動汽車投入示范運行，有100多處電動汽車的基礎設施已投入建設和使用。2009年，我國啟動了“十城千輛”新能源汽車商業化示范運行項目。

2 新能源汽車分類及相關技術

2.1 混合動力汽車

2.1.1 混合動力汽車的定義

混合動力汽車是指車輛驅動系統由兩個或多個能同時運轉的單個驅動系統聯合組成的汽車。與傳統汽車相比，混合動力汽車至少使用兩種動力源驅動，一般除常規發動機外，混合動力汽車配有驅動電機作為輔助動力設備?？刂葡到y可根據汽車行駛過程中對功率的需要，由車輛上單獨驅動系統，或不同驅動系統共同提供動力，通過合理和最優控制策略來控制汽車的行駛，從而實現汽車能耗最低。通過近些年的科研攻關，目前混合動力汽車已經得到了較好的商業化推廣，技術也日趨成熟。混合動力汽車的優越性也得到了市場的認可，主要表現在續駛里程長、加油時間短、電池成本低、燃油經濟性和尾氣排放量優于傳統汽車，且不需要額外的基礎設施等。

根據動力系統對電力的依賴程度，混合動力汽車可分為強混合動力汽車、中度混合動力汽車、弱混合動力汽車和插電式混合動力汽車幾大類。

2.1.2 混合電動汽車的原理及其分類

根據混合動力驅動的聯結方式，混合動力系統主要分為串聯式、并聯式和混聯式3種。

點焊規范參數包括焊接電流、焊接時間、電極壓力和電極端面尺寸。在電極的材料、端面形狀和尺寸選定之后，焊接電流、焊接時間和電極壓力將主要決定點焊接頭的質量[2]。對于傳統的氣壓和液壓式點焊機，其氣閥或液壓閥的調節響應速度較慢，因此一般只通過減壓閥來調節和穩定電極壓力，在焊接過程中不再對電極壓力進行實時反饋控制，因此點焊控制的主要任務是實現焊接時間和焊接電流的穩定。

1）串聯式混合動力汽車［4］從機械角度說，只有電動機和車輛行駛系統直接連接，而發動機并不直接參與車輛驅動，如圖1所示。發動機工作在最佳狀態帶動發電機發電，所發電力供給電動機工作，電池在該系統內起到電量調節作用，用來平衡電動機的輸入功率和發電機的輸出功率。如果汽車需求功率低于發電機帶動電動機所發的電功率，則多余的電能反饋給電池，此時電池在充電；相反如果汽車需求功率高于發電機帶動電動機所發的電功率，那么需要從電池上釋放電能給電動機，此時電池在放電，系統的切換由車輛動力控制系統進行控制和管理。

圖1 串聯式混合動力汽車結構

串聯式混合動力汽車的優點：發動機始終工作在高效工況下，在傳統能源消耗方面處于較優工況，同時因為發動機與車輪沒有機械連接，車輛系統布局有較大的自由度。該類型的混合動力系統目前在一些大型客車上如城市公交有所采用。

2）并聯式混合動力汽車［5］的兩套驅動系統（發動機和電動機）通過動力耦合裝置，同時與汽車驅動系統連接工作，兩個系統通過汽車動力控制系統進行協調工作或者單獨驅動車輛行駛，如圖2所示。車輛在行駛過程中，控制系統使車輛發動機工作在高效率狀態下，從而使車輛燃油經濟性最佳。當車輛驅動功率需求較小時，此時發動機的燃油經濟性變差，并聯式混合動力汽車控制系統將發動機關閉而只用電動機來驅動汽車；如果仍然開啟發動機，那么發動機驅動車輛行駛以外的能量將通過電機（此時電機工作在發電狀態）通過整流存儲于電池內。與串聯式混合動力汽車相比，發動機直接和驅動系統相連，并聯式混合動力汽車能量利用效率較高，加速和爬坡時發動機與電動機共同驅動，低速時采用純電動機驅動。但因并聯式混合動力汽車需要扭矩耦合裝置和變速裝置，采用該系統的車輛結構比較復雜，同時其系統的控制較為復雜，開發成本也較高。

圖2 并聯式混合動力汽車結構

3）混聯式混合動力汽車［6］具有串聯式和并聯式混合動力汽車兩者的結構特點（見圖3），汽車發動機的輸出功率通過系統的行星齒輪機構分別傳導至汽車驅動系統（并聯）和發電機（串聯）?；炻撌交旌蟿恿ζ嚨臋C構使該系統中的發動機、電動機等實現最優工作狀態，可以更加靈活地根據車輛工況來調節發動機的功率輸出和電機的運轉，使車輛在不同工況下有著良好的適應能力，且系統總效率更高。但該類型混合動力汽車驅動系統的結構更加復雜，研發等成本較高。

圖3 混聯式混合動力汽車結構

2.2 純電動汽車

純電動汽車是完全依靠可充換電池為動力源的汽車（見圖4），擺脫了傳統汽車的發動機。純電動汽車的動力系統從電網充電或更換電池的方法獲得電力，通過電池驅動汽車電機從而驅動汽車，在制動和減速時，原本提供驅動動力的電機作為發電機向汽車的電池進行充電，實現了能量的雙向流動，提高了純電動汽車的能效水平。

純電動汽車的最主要特點是零排放、低噪聲，同時可以利用電網低谷時充電實現區域電網的削峰填谷等。由于只采用一種驅動系統，與混合動力汽車相比，純電動汽車系統和控制技術相對簡單。但是目前受制于電池的制造技術等，制約純電動汽車發展及商業化應用的主要因素包括續駛里程有限、對充電設施的依賴、充電時間長和維護費用較高等。

圖4 純電動汽車結構

制約純電動汽車商業化應用的關鍵瓶頸和困難主要有以下幾個方面［7－8］。

1）電池技術 電池是純電動汽車的能量來源，用來存儲來自于電網的電力，通過不斷充換電的過程提供給車輛動力。電動汽車要實現商業化應用，必須與傳統車輛的性能進行比較，這對電動汽車電池的性能提出了一些要求，例如續駛里程、加速性能、爬坡能力等。電池的價格占了純電動汽車整車價格的較大部分，因此電池的性價比成為了核心。為了推動純電動車電池的研制，美國、日本及歐洲等國家先后投入大量資金研發車用鋰電池。與鉛酸電池等相比，鋰電池有如下優點：功率密度高、自放電小、無記憶效應、循環特性好等，且電池工作環境溫度要求低、電池處置對環境污染小。目前磷酸鐵鋰電池等已經成為目前純電動汽車使用的主流電池。

2）驅動及其控制技術 純電動汽車無發動機，車輛的驅動主要靠車載電機。為達到傳統汽車的相關行駛性能，驅動電機應達到調速范圍寬、啟動力矩大、效率高且有可靠穩定和能量回饋等特性。目前，純電動汽車上應用的驅動電機有直流電動機（DCM）、永磁無刷電動機（PMBLM）、感應電動機（IM）和關磁阻電動機（SRM）等。永磁無刷電動機可以分為由方波驅動的無刷直流電動機系統（BLDCM）和由正弦波驅動的無刷直流電動機系統（PMSM），且PMSM類電機具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性低、響應快，非常適應于電動汽車的驅動系統，在純電動汽車應用方面前景較為廣闊。不同電機控制技術的應用也有所不同，感應電動機驅動的純電動汽車大都采用較為成熟的矢量控制和直接轉矩控制技術進行控制，由于直接轉矩控制技術方法直接、控制結構簡單、控制性能中動態性能最為出色。因此，直接轉矩控制技術在近些年純電動汽車電機驅動方面投入了較大精力研發。隨著電動機及驅動系統的發展，控制系統也日趨智能化和數字化。模糊控制、神經網絡、自適應控制、專家控制、遺傳算法等非線性先進智能控制技術也逐漸應用于純電動汽車的電機控制系統中。

3）充電技術 純電動汽車主要應用在區域交通與特種車輛上，比如公交車、出租車等。充電設施的主要服務對象也是公交系統等固定線路的車輛。隨著電動汽車的逐步推廣及電動汽車技術的日益發展，電動汽車對充電站的技術要求表現出新的趨勢——充電設施須滿足充電快速化、通用化、智能化的要求。國內外電動汽車充電設施的建設、運營主要有3種商業模式：公用充電站模式、停車場（或路邊）充電樁模式、電池更換站模式：

（1）公用充電模式以快充、慢充等模式為社會電動汽車提供充電服務，但是該模式下的充換電站建設需要較大面積才能滿足社會需要，因此在大型城市專門建設公用充換電站難度較大。同時受制于用戶對充電時間的要求，更多用戶接受快充方式。但是快充技術對電池壽命會產生影響，該技術需要進一步完善。

（2）停車場（或路邊）充電樁模式主要依靠在各類停車場及路邊建設慢充樁為主，建設的公共充電樁可以滿足停車時用戶充電需求。雖然該類型樁的建設占地面積小，但是要形成網絡化的運行和管理需要推進的時間較長。

（3）電池更換站模式是用戶租賃特定服務公司電池為電動車提供動力的方式。該模式需要組建專業公司，并形成網絡化服務體系，且該模式下需要電動汽車電池標準一致，因此該模式推廣應用還需要很長的路要走。

2.3 燃料電池汽車［9］

燃料電池汽車利用燃料電池中的氫與大氣中的氧發生化學反應時產生的能量作為動力來源。燃料電池汽車的動力系統主要由燃料電池發動機、燃料箱（氫瓶）、電機、動力蓄電池等組成，采用燃料電池發電作為主要能量源，通過電機驅動車輛前進。燃料電池汽車具有續駛里程長、加氫時間短、效率高、零排放、低噪聲等特點。燃料電池有著良好的發展情景，但由于技術、成本等諸多原因未能在市場推廣開，但是作為未來的發展方向，燃料電池還有很多方面有待研究。

3 結語

本文介紹了近些年美國、日本和我國的新能源汽車發展路線及應用推廣情況，并介紹了串聯式、并聯式和混聯式混合動力汽車及純電動汽車等技術原理及相關技術，在此基礎上重點分析了各種類型新能源汽車的優缺點及推廣應用所遇到的相關瓶頸。為更好地推進國內新能源汽車的健康持續發展，各地方應結合區域研究編制新能源汽車發展規劃，新能源汽車所需要的配套設施也應納入城市總體規劃。同時，對目前新能源汽車市場推廣過程中建立相關扶持政策，對關鍵技術研發和產業化等進行配套扶持，通過一段時間的發展，使更多的新能源汽車在我國道路上行駛。

［1］康龍云.新能源汽車與電力電子技術［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］陳柳欽.美國新能源汽車發展政策走向［J］.時代汽車，2011（09）：30－34.

［3］陳柳欽.日本新能源汽車發展及其政策支持［J］.汽車與配件，2011（03）：37－39.

［4］舒紅.并聯型混合動力汽車能量管理策略研究［D］.重慶：重慶大學，2008.

［5］于永濤.混聯式混合動力車輛優化設計與控制［D］.吉林：吉林大學，2010.

［6］Chan C C.The state of the art of electric and hybrid vehicles［J］.Proceeding of IEEE，2003，90（3）：37－39.

［7］楊慶寶.純電動汽車整車控制器研究［D］.吉林：吉林大學，2010.

［8］張希明.純電動汽車控制系統［D］.杭州：浙江大學，2008.

［9］丁靜.燃料電池電動汽車動力系統測控技術研究［D］.杭州：浙江大學，2010.