淺析新能源汽車現(xiàn)狀及其發(fā)展前景（中）

南京/趙寶平

淺析新能源汽車現(xiàn)狀及其發(fā)展前景（中）

南京/趙寶平

純電動(dòng)汽車是完全由可充電電池（如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池）提供動(dòng)力源的汽車。純電動(dòng)汽車具有零排放、能效高、震動(dòng)和噪聲小，電機(jī)效率高、制動(dòng)能量可以回饋等特點(diǎn)，按其驅(qū)動(dòng)方式可分為總成驅(qū)動(dòng)和輪轂驅(qū)動(dòng)。純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳遞路線如圖4所示。

電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)：它本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其他污染物也顯著減少，由于電廠大多建于遠(yuǎn)離人口密集的城市，對(duì)人類傷害較少，而且電廠是固定不動(dòng)的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關(guān)技術(shù)。由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力等，解除人們對(duì)石油資源日見(jiàn)枯竭的擔(dān)心。電動(dòng)汽車還可以充分利用晚間用電低谷時(shí)富余的電力充電，使發(fā)電設(shè)備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟(jì)效益。

有研究表明，同樣的原油經(jīng)過(guò)粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅(qū)動(dòng)汽車，其能量利用效率比經(jīng)過(guò)精煉變?yōu)槠停俳?jīng)汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車高，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量，正是這些優(yōu)點(diǎn)，使電動(dòng)汽車的研究和應(yīng)用成為汽車工業(yè)的一個(gè)“熱點(diǎn)”。

電動(dòng)汽車必須解決好4個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：電池技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)、電動(dòng)汽車整車技術(shù)以及能量管理技術(shù)。

電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉，也是一直制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車用電池的主要性能指標(biāo)是比能量（E）、能量密度（Ed）、比功率（P）、循環(huán)壽命(L)和成本（C）等。要使電動(dòng)汽車能與燃油汽車相競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵就是要開(kāi)發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)的高效電池。

到目前為止，電動(dòng)汽車用電池經(jīng)過(guò)了3代的發(fā)展，已取得了突破性的進(jìn)展。第1代是鉛酸電池，目前主要是閥控鉛酸電池（VRLA），由于其比能量較高、價(jià)格低和能高倍率放電，因此是目前唯一能大批量生產(chǎn)的電動(dòng)汽車用電池。第2代是堿性電池，主要有鎳鎘（Ni-Cd）、鎳氫（Ni-MH）、鈉硫（Na/S）、鋰離子（Li-ion）和鋅空氣（Zn/Air）等多種電池，其比能量和比功率都比鉛酸電池高，因此大大提高了電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程，但其價(jià)格卻比鉛酸電池高。第3代是以燃料電池為主的電池。燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽芰哭D(zhuǎn)變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應(yīng)過(guò)程，能量轉(zhuǎn)化過(guò)程可以連續(xù)進(jìn)行，因此是理想的汽車用電池，但目前還處于研制階段，一些關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。

電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，要使電動(dòng)汽車有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量小、效率高且有動(dòng)態(tài)制動(dòng)強(qiáng)和能量回饋等特性。目前，電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)（DCM）、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（IM）、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（PMBLM）和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）4類。

圖4 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳遞路線示意圖

圖5 電動(dòng)汽車生產(chǎn)成本構(gòu)成

近幾年來(lái)，由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車幾乎都采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。由于直接轉(zhuǎn)矩的控制手段直接、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制性能優(yōu)良和動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，因此非常適合電動(dòng)汽車的控制。美國(guó)以及歐洲研制的電動(dòng)汽車多采用這種電動(dòng)機(jī)。永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可以分為由方波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（BLDCM）和由正弦波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（PMSM），它們都具有較高的功率密度，其控制方式與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，因此在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。PMSM類電機(jī)具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性低、響應(yīng)快，非常適應(yīng)于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有極好的應(yīng)用前景。目前，由日本研制的電動(dòng)汽車主要采用這種電動(dòng)機(jī)。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）具有簡(jiǎn)單可靠、可在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、控制靈活、可四象限運(yùn)行、響應(yīng)速度快和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)SRM存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、需要位置檢測(cè)器等缺點(diǎn)，應(yīng)用受到了限制。

隨著電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)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)、自適應(yīng)控制、專家控制、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(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。

電動(dòng)汽車是高科技綜合性產(chǎn)品，除電池、電動(dòng)機(jī)外，車體本身也包含很多高新技術(shù)，有些節(jié)能措施比提高電池儲(chǔ)能能力還易于實(shí)現(xiàn)。采用輕質(zhì)材料如鎂、鋁、優(yōu)質(zhì)鋼材及復(fù)合材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可使汽車自身質(zhì)量減輕30%～50%；實(shí)現(xiàn)制動(dòng)、下坡和怠速時(shí)的能量回收；采用高彈滯材料制成的高氣壓子午線輪胎，可使汽車的滾動(dòng)阻力減少50%；汽車車身特別是汽車底部更加流線型化，可使汽車的空氣阻力減少50%。

電池是電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能動(dòng)力源。電動(dòng)汽車要獲得非常好的動(dòng)力特性，必須具有比能量高、使用壽命長(zhǎng)、比功率大的蓄電池作為動(dòng)力源。而要使電動(dòng)汽車具有良好的工作性能，就必須對(duì)蓄電池進(jìn)行系統(tǒng)管理。

能量管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的智能核心。一輛設(shè)計(jì)優(yōu)良的電動(dòng)汽車，除了有良好的機(jī)械性能、電驅(qū)動(dòng)性能、選擇適當(dāng)?shù)哪芰吭矗措姵兀┩猓€應(yīng)該有一套協(xié)調(diào)各個(gè)功能部分工作的能量管理系統(tǒng)，它的作用是檢測(cè)單個(gè)電池或電池組的荷電狀態(tài)，并根據(jù)各種傳感信息，包括力、加減速命令、行駛路況、蓄電池工況、環(huán)境溫度等，合理地調(diào)配和使用有限的車載能量；它還能夠根據(jù)電池組的使用情況和充放電歷史選擇最佳充電方式，以盡可能延長(zhǎng)電池的壽命。

世界各大汽車制造商的研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行電動(dòng)汽車車載電池能量管理系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。電動(dòng)汽車電池當(dāng)前存有多少電能，還能行駛多少公里，是電動(dòng)汽車行駛中必須知道的重要參數(shù)，也是電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)應(yīng)該完成的重要功能。應(yīng)用電動(dòng)汽車車載能量管理系統(tǒng)，可以更加準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車的電能儲(chǔ)存系統(tǒng)，確定一個(gè)最佳的能量存儲(chǔ)及管理結(jié)構(gòu)，并且可以提高電動(dòng)汽車本身的性能。

在電動(dòng)汽車上實(shí)現(xiàn)能量管理的難點(diǎn)，在于如何根據(jù)所采集的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數(shù)據(jù)，來(lái)建立一個(gè)確定每塊電池還剩余多少能量的較精確的數(shù)學(xué)模型。

表2 新能源汽車產(chǎn)能規(guī)劃一覽表

美國(guó)能源部下屬的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的評(píng)估報(bào)告顯示，在電動(dòng)汽車的生產(chǎn)成本構(gòu)成中，電機(jī)控制器約占9.5%，如圖5所示。

各地和各企業(yè)新能源汽車的發(fā)展情況如表2所示。

2011年6月28日，中德兩國(guó)政府就建立電動(dòng)車戰(zhàn)略伙伴關(guān)系達(dá)成一致，聯(lián)合發(fā)表了《中德關(guān)于建立電動(dòng)汽車戰(zhàn)略伙伴關(guān)系的聯(lián)合聲明》，伙伴關(guān)系的確立，有利于打破美日在電動(dòng)汽車方面的技術(shù)封鎖。

2010年8月18日，國(guó)資委組織的16家央企宣布成立“中央企業(yè)電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，16家央企中，既包括汽車整車制造企業(yè)，也包括電機(jī)、電池、能源和房地產(chǎn)企業(yè)，涵蓋了電動(dòng)汽車的上下游產(chǎn)業(yè)鏈。

成立央企電動(dòng)汽車聯(lián)盟的原因是，“旨在有效發(fā)揮中央企業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整中的帶頭和引領(lǐng)作用，形成合力加快推動(dòng)我國(guó)電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以聯(lián)盟的方式，促進(jìn)企業(yè)間的合作與協(xié)同發(fā)展，快速、有效地突破電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，盡快形成規(guī)模化發(fā)展態(tài)勢(shì)。”目前已經(jīng)增加到21家。

2010年8月，“可持續(xù)新能源國(guó)際聯(lián)盟”在福田汽車揭牌，成員企業(yè)包括IBM公司、AECOM公司、伊頓公司和福田汽車、中信國(guó)安盟固利公司以及大洋電機(jī)有限公司。這一聯(lián)盟可以幫助福田汽車集聚中外各方資源，為世界范圍內(nèi)的用戶提供可持續(xù)的新交通系統(tǒng)解決方案。

北京新能源汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟是我國(guó)首個(gè)新能源汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，該聯(lián)盟整合了國(guó)內(nèi)新能源汽車領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)資源，包括整車企業(yè)、零部件企業(yè)、科研院所以及終端用戶等。近兩年，福田新能源汽車的研發(fā)項(xiàng)目多與該聯(lián)盟成員合作。

（待續(xù)）