新能源汽車技術原理與相關技術分析及研究

付昌星

（懷化職業技術學院，湖南 懷化 418000）

前言

隨著人們生活水平不斷提高，經濟迅速發展帶動了汽車工業創新。汽車在為人們日常交通出行帶來巨大便利的同時，也會引起環境污染，浪費能源。當前世界范圍內的石油資源危機愈演愈烈，為了解決環境污染、資源短缺與汽車使用量需求不斷增加之間的巨大矛盾，國家于2018年3月出臺《2018年能源工作指導意見》，并從多個層面提出優惠政策，加快新能源汽車推廣應用。基于此，為了貫徹和推廣新能源汽車技術，實現“低碳經濟”及“節能減排”的重要發展目標，本文結合國內外最新研究動態，就新能源汽車技術原理及EV、HEV、FCEV相關技術展開論述分析。

1 新能源汽車內涵界定

新能源汽車主要是相對于以傳統能源為主的汽車而言，目前業內關于“新能源汽車”的內涵界定，主要從“廣義”與“狹義”兩個層面展開[1]：

1.1 廣義層面

廣義層面的新能源汽車主要是指使用非柴油、非汽油等非傳統能源的新動力汽車，如目前最新上市的混合動力汽車以及電動汽車等；另外，以甲醇、二甲醚以及石油氣、天然氣等新能源為主要動力來源的汽車也屬于新能源汽車。

1.2 狹義層面

在廣義層面基礎上，國家對新能源汽車進行了細分。按照我國目前關于新能源汽車入市相關準入管理規定，新能源汽車必須以非常規能源為主要動力來源，同時此類車輛的開發需以驅動技術及車輛動力控制技術為主。

2 新能源汽車相關技術的國內外研究、發展動態

近年來，世界性的環境污染以及能源危機問題已引起汽車制造工業領域相關人士廣泛關注。在此背景下，發展新能源汽車技術已勢在必行。縱觀國內外，美國、日本以及中國在新能源汽車技術研究領域及應用方面已取得較大進步。

2.1 美國

美國是當今世界經濟體中當之無愧的超級大國，美國同中國類似，交通領域的能源問題日益突出，汽車尾氣排放污染愈加嚴重，在石油危機倒逼作用下，美國政府對新能源汽車技術研發與推廣工作作了明確規劃。在新能源汽車附屬設施建設方面，美國在加尼福尼亞州建設了大量充電設施，目前其已遍布各居民區、政府大樓及商場區域，由此為電動汽車持續提供動力奠定了良好基礎。

2.2 日本

日本是典型的能源匱乏國家，為了改善這一局面，日本率先在交通運輸領域展開新能源汽車研究與應用推廣工作。著名汽車制造企業本田及豐田等先后投入巨資研發新能源汽車，由此使日本的純電動汽車及插電式、混合動力式電動汽車在國內外遙遙領先。日本政府明確表示，將于2020年前建成150座快速充電站，同時將在多個城市展開電動汽車充電項目試點工作。該項目遍及日本餐飲連鎖店、超市及付費停車場等，為駕駛員免費提供便捷式電源插座。

2.3 中國

受國外技術影響，我國早在1999年就開始了新能源汽車研發工作，并啟動“清潔汽車行動”項目。在國家政策大力支持下，我國新能源汽車在研發與生產、產業化、示范運行等方面取得較大進展。目前，我國已建立企業和高校研發生產基地，形成鋰離子電池產業鏈，并于北京、武漢、天津及汕頭、威海等地建立指定試驗示范區，設定為電動汽車試驗城市，先后啟動“十城千輛”新能源項目，全國已有100多處新能源汽車基礎設施投入使用，并有近千輛電動汽車已投入示范運行。

3 新能源汽車技術原理及相關技術分析

3.1 混合動力汽車

該類新能源汽車主要是指車輛驅動系統分別由2個或2個以上的單個驅動系統聯合組成的汽車。混合動力汽車至少有2種動力源驅動，一種是輔助驅動電機動力設備；另一種是常規發動機。汽車在行駛中，可根據功率變化，通過單獨或不同驅動系統最優控制策略，實現節能降耗。根據混合電動汽車運作原理，其又可分為強、中度及弱混合動力汽車和插電式混合電動汽車[2]。

（1）串聯式

混合動力汽車在工作運行中，通常以混聯式、并聯式與串聯式三種驅動聯結方式提供動力來源。從機械運作原理來講，串聯式混合動力汽車的發動機不參與車輛的直接驅動，僅通過車輛行駛系統與電動機連接，按如圖1所示結構原理驅動發動機發電，然后為電動機提供動力驅動，在此環節，電池可調節汽車電量，并起到平衡發電機、電動機輸入與輸出功率的作用。若汽車需求功率小于發電機發電功率，多余電能則會匯集存儲至蓄電池，電池進入充電狀態。相反，若汽車行駛需要巨大動力和功率，則電池將釋放多余電能給電動機，完成放電。經過系統間的來回切換，對車輛動力系統進行管控優化。

圖1 串聯式混合動力汽車結構示意圖

這種新能源汽車技術可使發動機始終保持在高效工況下運行，因車輛結構布局自由性和靈活性較強，且車輪與發動機未與機械連接，因此能源消耗較小。

（2）并聯式

并聯式新能源汽車通過電動機與發動機兩套動力系統實現機械裝置間的耦合優化。在汽車工作運行中，兩個系統與汽車驅動系統連接，由單獨或雙動力驅動系統實現汽車運行控制。如圖2所示，當車輛行駛時，該車輛發動機處于高效工作狀態；當車輛驅動功率需求不大時，發動機燃油經濟性變差，此時發動機自動關閉，汽車主要由電動機驅動運行。若發動機開啟，則車輛行駛中的額外能量將由電機整流存儲于電池內。

圖2 并聯式混合動力汽車結構示意圖

與串聯式新能源汽車相比，并聯式混合動力系統能量利用率高，汽車在爬坡加速時，由電動機與發動機同時驅動發力；汽車在低速運行時，主要由純電動機驅動工作。但這種結構裝置的技術缺點是系統控制結構復雜，車輛扭矩耦合裝置及變速控制裝置開發成本高。

（3）混聯式

混聯式新能源汽車兼具串、并聯混合動力汽車結構的特點。該類新能源汽車在行駛時，系統行星齒輪機構會將發動機輸出的功率分別傳導至汽車并聯驅動系統及汽車串聯發電機[3]。在這一工作原理下，混聯式混合動力汽車發動機、電動機實現最優化工作運行，且可自由、靈活根據車輛具體工況，調節發動機和電機功率輸出與運轉，由此提升車輛系統總運行效率及在不同工況下的自適應能力，但該類汽車驅動系統結構相對復雜，研發成本相對較高。

3.2 純電動汽車

純電動汽車完全依賴可充換電池這一動力源，通過更換電池或使用電網充電。在汽車行駛時，電機由電池驅動，車輛進入減速與制動狀態時，電機充當發電機為汽車電池充電，由此實現純電動汽車能量間的雙向流動。該類汽車顯著優點是噪音低、零排放與零污染，可利用電網在低谷時的充電契機，實現電網“削峰填谷”。但因其只有一種動力驅動系統，所以控制技術相對簡單，目前受充電基礎設施制約，并未大量推廣。

3.3 燃料電池汽車

燃料電池新能源汽車主要利用化學反應所形成的巨大能量實現驅動運行，當其處于行駛狀態時，燃料電池中的氫氣與大氣中的氧氣會發生激烈反應，由此產生大量新能源，為燃料電池汽車提供動力驅動。這種汽車主要動力系統包含電機、氫氣燃料箱、燃料電池發動機以及動力蓄電池、電機等，其主要能量源為燃料電池，通過電機驅動，確保燃料電池汽車穩定行駛。與前兩種新能源汽車技術相比，這一技術下的新能源汽車運行效率高，能耗低，加氫時間短，燃料具有清潔、循環等優點，但因技術并不成熟，目前尚未完全實現商業化推廣與應用。

4 結束語

毋庸置疑，日益突出的環境污染問題及能源浪費問題已成為當前制約我國社會、經濟快速、長效發展的主要因素，目前我國環境空氣復合型污染主要來源為交通領域的機動車排放污染。對此，加強新能源汽車技術研究創新已迫在眉睫，本文通過對業內關于新能源汽車相關技術及原理進行分析、梳理，旨在為新能源汽車技術的推廣與應用提供有益參考。