新能源汽車關鍵技術分析

魏高飛 姚學會

摘要：新能源汽車是指采用非常規的車用能源，如氫氣，電池，壓縮空氣等作為動力來源，具有新的結構，新的技術，綜合常規汽車動力和驅動方面優勢的新型汽車。當前新能源汽車主要有純電動汽車、燃氣汽車、混合動力汽車和空氣動力汽車。

關鍵詞：新能源汽車;電池技術;電機控制技術;電控技術。

迄今為止，新能源汽車的發展仍處于試運行階段，各種汽車類型仍存在發展的瓶頸問題。純電動汽車所用的電池綜合能力較差，氣動汽車能量轉化率和能量利用率低等問題有待解決，燃氣汽車發動機效率有待進一步提高，混合動力汽車兩種能源相互交替的控制策略還需進一步完善。隨著研究的進展，燃氣汽車與混合動力汽車將占據大部分市場，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。隨著各相關技術的發展，新能源汽車將會突破發動機，電池，控制策略等方面的問題，向著2016年新能源汽車產業高層研討會上提出的“輕量化，智能化，低碳化”的方向發展，未來的新能源汽車必將占據汽車市場。

1新能源汽關鍵技術研究現狀

1.1 純電動汽車

純電動汽車，是指僅依靠蓄電池電能驅動電動機，最終驅動汽車運行的新型汽車。電動汽車的關鍵技術包括車身技術、底盤技術、電池技術、電機技術和控制技術。其中電池技術是當前制約純電動氣車發展的重要因素。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，易造成環境污染，同時能量密度低，笨重限制其進一步發展。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品，相對于其鉛酸電池環保性能較好，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，具有明顯優勢，環保性、能量密度、充電時間、壽命都有大大提升。

1.2 燃氣汽車

燃氣汽車是最早被開發并使用的新型汽車，靠較清潔的燃氣代替以往的燃料來驅動汽車運行的新型汽車。

燃氣汽車主要分為液化石油氣汽車和天然氣汽車兩種。對于普通的燃料汽車而言，二者均提高了發動機的壽命，減少了污染物的排放。但天然氣汽車的續航能力較差，甚至不如一些普通的燃料汽車，發展燃氣汽車的發動機技術成為解決這一問題的關鍵。

燃氣汽車發動機工作過程中由于進氣過程減少空氣充氣量，進而使發動機動力性能下降是目前燃氣汽車需要解決的難點之一。盡管缸內液化石油氣直接噴射技術、壓縮天然氣缸內直噴技術等技術可以提高充氣效率，但對發動機的結構、控制方式和尾氣排放方式有更高的要求，使實現難度有所增加。如何更加有效的增加燃氣發動機的動力性成為當前的研究熱點。

1.3 混合動力汽車

所謂混合動力汽車就是將電動機與輔助動力單元組合在一輛汽車上做驅動力，輔助動力單元實際上是一臺小型燃料發電機活動里發電機組?；旌蟿恿ζ囀墙Y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點，又具有石油燃料的高比能量和高比功率的長處，顯著改善了傳統內燃機汽車的排放和燃油經濟性，增加了電動汽車的續駛里程。

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

1.4 氣動汽車

氣動汽車是由高壓空氣驅動氣動馬達行駛的汽車。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點。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域的研究。

壓縮空氣動力發動機工作時，儲氣瓶中的高壓壓縮空氣經減壓后，通過熱交換器吸熱，再進入作用缸推動負載運動，通過調節進入作用缸的氣體壓力和流量以調整發動機的動力特性。氣動發動機的工作狀態和性能取決于進氣量、進氣壓力和溫度，合適的配氣機構和進氣量的控制是技術難點。發動機工作過程中回收高壓轉低壓能量損失部分和提高壓縮空氣所攜帶的壓力轉換為發動機的機械能的效率成為重要的研究方向。

2關鍵技術

2.1電池技術

新能源汽車在傳統汽車產業鏈基礎上進行延伸，增加了電池、電機、電控系統等組件。

電池是新能源汽車產業鏈中最關鍵的環節之一，對新能源汽車的發展起著至關重要的作用，電池的性能決定了整車的行駛速度、續駛里程以及整車的安全性和可靠性。新能源車動力電池應具有比能量高、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，電池選擇將直接關系到整車的性能。電動汽車動力電池的主要性能指標是能量密度、功率密度和循環壽命等，現代電動汽車對車用電池有如下要求：目前技術最成熟、應用最廣泛、商業化最成功的是鎳氫動力電池，各國正重點研發的是鋰離子電池，燃料電池則因可以做到完全零排放，而被視作遠期目標。由于電動汽車的車載能量有限，其行駛里程遠遠達不到內燃機汽車的水平，能量管理系統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。能量管理系統的功能是實現：優化系統的能量分配，預測電動汽車電源的剩余能量，再生制動時合理地調整再生能量。能量管理系統如同電動汽車的大腦，同時具有功能多、靈活性好、適應性強的特點，它能智能地利用有限的車載能量。

2.2電機及其控制技術

電機是汽車中的關鍵部件，動汽車用電動機主要有直流電動機、感應電動機、永磁無刷電動機和開關磁阻電動機四類。電動車輛的驅動電機屬于特種電機，是電動汽車的關鍵部件。要使電動汽車有良好的使用性能，驅動電機應具有較寬的調速范圍及較高的轉速，足夠大的啟動扭矩，體積小、質量輕、效率高且有動態制動強和能量回饋的性能。目前電動汽車所采用的電動機中，直流電動機基本上已被交流電動機、永磁電動機或開關磁阻電動機所取代。電動汽車所用的電動機正在向大功率、高轉速、高效率和小型化方向發展。當今世界已研制出功率密度超過1kW/kg，額定點的效率大于90%的小型電動機，電機滿足低速衡（大）扭矩和高速衡功率的牽引控制要求。

電動汽車的電動機有多種控制模式。傳統的線性控制，如PID，不能滿足高性能電機驅動的苛刻要求。傳統的變頻變壓（VVVF）控制技術，不能使電機滿足所要求的驅動性能。異步電機多采用矢量控制（FOC），是較好的控制方法。近幾年，許多先進的控制策略。包括自適應控制、變結構控制、模糊控制和神經網絡控制以及專家系統控制等非線性智能控制技術，并取得了較好成效。當然未來會有更智能和數字化的控制系統，來均衡控制效果及控制成本以滿足日益復雜的工作要求，有利于提高整個控制系統的綜合性能。

2.3電控技術

電控系統可以稱作是新能源汽車的“大腦”。新能源汽車電控技術包括整車控制技術、電機控制技術、電池管理技術和充電技術等。電控系統涉及到各個子系統功能的協調，對電動汽車安全、穩定的運行至關重要;同時，電控系統的設計水平還將間接影響到電池組的使用壽命。隨著電機及驅動系統的發展，控制系統趨于智能化和數字化。變結構控制、模糊控制、神經網絡、自應控制、專家系統、遺傳算法等非線性智能控制技術，都將各自或結合應用于電動汽車的電機控制系統。它們的應用將使系統結構簡單、響應迅速、抗干擾能力強，參數變化具有魯棒性，可大大提高整個系統的綜合性能。

3結論

通過分析和總結新能源電動汽車主要的關鍵技術，包括電池技術、電機及其控制技術、電控技術等。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、電機及其管理控制技術開發，整車控制與集成等關鍵技術均取得了較大改進與突破。目前國內電動汽車關鍵技術中電池及其管理技術、電機控制技術和電控技術都有待提高。

參考文獻：

[1]王慶年、曾小華.新能源汽車關鍵技術[J].化學工業出版社，2017;

[2]崔勝民.新能源汽車技術[J].北京大學出版社，2014;

[3]易將能，韓力.電動車驅動電機及其控制技術[J].重慶大學，2012;

[4]甄子健.新能源汽車發展戰略研究[J].科學出版社，2016;