黃志峰

（上海市節(jié)能減排中心有限公司，上海 200003）

新能源汽車是相對(duì)于使用常規(guī)燃料作為主要?jiǎng)恿碓吹膫鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車而言的，新能源汽車采用先進(jìn)的車輛動(dòng)力控制技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)。發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)不僅有利于節(jié)能減排，更是低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成［1］。新能源汽車可分為：純電動(dòng)汽車（EV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）以及燃料電池汽車（FCEV）。

1 國內(nèi)外的研究情況

1.1 美國

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

在發(fā)展電動(dòng)汽車過程中，美國已經(jīng)啟動(dòng)了在加利福尼亞州、弗吉尼亞州等地開展充電設(shè)施的建設(shè)。其中在加州的建設(shè)力度最大，由“美好空間項(xiàng)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(lián)手建設(shè)，將于2012年在上述城市的所有居民區(qū)、商廈、停車場和政府大樓安裝充電樁，以方便電動(dòng)汽車駕駛者隨時(shí)為汽車充電。該公司還將在上述地區(qū)興建電池更換站，以方便長途駕車者隨時(shí)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(fā)展的主要問題之一。在交通領(lǐng)域，依靠傳統(tǒng)強(qiáng)大的汽車產(chǎn)業(yè)率先開展了新能源汽車的研發(fā)工作，豐田、本田等汽車制造企業(yè)投入巨資研發(fā)新能源汽車，相關(guān)企業(yè)在混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車等的研發(fā)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(guān)基礎(chǔ)建設(shè)。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(jì)劃短期內(nèi)至少讓3 000輛電動(dòng)汽車上路行駛，該縣已經(jīng)承諾提供150座快速充電站。日本中央政府對(duì)這項(xiàng)技術(shù)表示支持，將選擇城市試點(diǎn)開展電動(dòng)汽車充電項(xiàng)目。該項(xiàng)目將會(huì)涉及在付費(fèi)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(fèi)使用。

1.3 中國

1）在研發(fā)與生產(chǎn)方面 我國已有一批汽車企業(yè)和高校進(jìn)行新能源汽車整車和零部件的研發(fā)與生產(chǎn)。

2）在產(chǎn)業(yè)化方面 我國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈也初具雛形。以新能源汽車關(guān)鍵零部件之一的動(dòng)力電池為例，我國已初步形成了鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈，從礦產(chǎn)資源、動(dòng)力電池相關(guān)原材料到動(dòng)力電池系統(tǒng)，都有相關(guān)企業(yè)從事生產(chǎn)研發(fā)。

3）在示范運(yùn)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(dòng)汽車試驗(yàn)示范城市和試驗(yàn)示范區(qū)。已有近千輛電動(dòng)汽車投入示范運(yùn)行，有100多處電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)設(shè)施已投入建設(shè)和使用。2009年，我國啟動(dòng)了“十城千輛”新能源汽車商業(yè)化示范運(yùn)行項(xiàng)目。

2 新能源汽車分類及相關(guān)技術(shù)

2.1 混合動(dòng)力汽車

2.1.1 混合動(dòng)力汽車的定義

混合動(dòng)力汽車是指車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)或多個(gè)能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的單個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合組成的汽車。與傳統(tǒng)汽車相比，混合動(dòng)力汽車至少使用兩種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，一般除常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)外，混合動(dòng)力汽車配有驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為輔助動(dòng)力設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)汽車行駛過程中對(duì)功率的需要，由車輛上單獨(dú)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，或不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共同提供動(dòng)力，通過合理和最優(yōu)控制策略來控制汽車的行駛，從而實(shí)現(xiàn)汽車能耗最低。通過近些年的科研攻關(guān)，目前混合動(dòng)力汽車已經(jīng)得到了較好的商業(yè)化推廣，技術(shù)也日趨成熟?；旌蟿?dòng)力汽車的優(yōu)越性也得到了市場的認(rèn)可，主要表現(xiàn)在續(xù)駛里程長、加油時(shí)間短、電池成本低、燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放量優(yōu)于傳統(tǒng)汽車，且不需要額外的基礎(chǔ)設(shè)施等。

根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)電力的依賴程度，混合動(dòng)力汽車可分為強(qiáng)混合動(dòng)力汽車、中度混合動(dòng)力汽車、弱混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力汽車幾大類。

2.1.2 混合電動(dòng)汽車的原理及其分類

根據(jù)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的聯(lián)結(jié)方式，混合動(dòng)力系統(tǒng)主要分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3種。

點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù)包括焊接電流、焊接時(shí)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(shí)間和電極壓力將主要決定點(diǎn)焊接頭的質(zhì)量[2]。對(duì)于傳統(tǒng)的氣壓和液壓式點(diǎn)焊機(jī)，其氣閥或液壓閥的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較慢，因此一般只通過減壓閥來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電極壓力，在焊接過程中不再對(duì)電極壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制，因此點(diǎn)焊控制的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)間和焊接電流的穩(wěn)定。

1）串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車［4］從機(jī)械角度說，只有電動(dòng)機(jī)和車輛行駛系統(tǒng)直接連接，而發(fā)動(dòng)機(jī)并不直接參與車輛驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，所發(fā)電力供給電動(dòng)機(jī)工作，電池在該系統(tǒng)內(nèi)起到電量調(diào)節(jié)作用，用來平衡電動(dòng)機(jī)的輸入功率和發(fā)電機(jī)的輸出功率。如果汽車需求功率低于發(fā)電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)所發(fā)的電功率，則多余的電能反饋給電池，此時(shí)電池在充電；相反如果汽車需求功率高于發(fā)電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)所發(fā)的電功率，那么需要從電池上釋放電能給電動(dòng)機(jī)，此時(shí)電池在放電，系統(tǒng)的切換由車輛動(dòng)力控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效工況下，在傳統(tǒng)能源消耗方面處于較優(yōu)工況，同時(shí)因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)與車輪沒有機(jī)械連接，車輛系統(tǒng)布局有較大的自由度。該類型的混合動(dòng)力系統(tǒng)目前在一些大型客車上如城市公交有所采用。

2）并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車［5］的兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)）通過動(dòng)力耦合裝置，同時(shí)與汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接工作，兩個(gè)系統(tǒng)通過汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作或者單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，如圖2所示。車輛在行駛過程中，控制系統(tǒng)使車輛發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率狀態(tài)下，從而使車輛燃油經(jīng)濟(jì)性最佳。當(dāng)車輛驅(qū)動(dòng)功率需求較小時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性變差，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉而只用電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)汽車；如果仍然開啟發(fā)動(dòng)機(jī)，那么發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛以外的能量將通過電機(jī)（此時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)）通過整流存儲(chǔ)于電池內(nèi)。與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車相比，發(fā)動(dòng)機(jī)直接和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量利用效率較高，加速和爬坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，低速時(shí)采用純電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。但因并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車需要扭矩耦合裝置和變速裝置，采用該系統(tǒng)的車輛結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時(shí)其系統(tǒng)的控制較為復(fù)雜，開發(fā)成本也較高。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

3）混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車［6］具有串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車兩者的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（見圖3），汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率通過系統(tǒng)的行星齒輪機(jī)構(gòu)分別傳導(dǎo)至汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（并聯(lián)）和發(fā)電機(jī)（串聯(lián)）?；炻?lián)式混合動(dòng)力汽車的機(jī)構(gòu)使該系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工作狀態(tài)，可以更加靈活地根據(jù)車輛工況來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出和電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使車輛在不同工況下有著良好的適應(yīng)能力，且系統(tǒng)總效率更高。但該類型混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，研發(fā)等成本較高。

圖3 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

2.2 純電動(dòng)汽車

純電動(dòng)汽車是完全依靠可充換電池為動(dòng)力源的汽車（見圖4），擺脫了傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)從電網(wǎng)充電或更換電池的方法獲得電力，通過電池驅(qū)動(dòng)汽車電機(jī)從而驅(qū)動(dòng)汽車，在制動(dòng)和減速時(shí)，原本提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的電機(jī)作為發(fā)電機(jī)向汽車的電池進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)，提高了純電動(dòng)汽車的能效水平。

純電動(dòng)汽車的最主要特點(diǎn)是零排放、低噪聲，同時(shí)可以利用電網(wǎng)低谷時(shí)充電實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)的削峰填谷等。由于只采用一種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與混合動(dòng)力汽車相比，純電動(dòng)汽車系統(tǒng)和控制技術(shù)相對(duì)簡單。但是目前受制于電池的制造技術(shù)等，制約純電動(dòng)汽車發(fā)展及商業(yè)化應(yīng)用的主要因素包括續(xù)駛里程有限、對(duì)充電設(shè)施的依賴、充電時(shí)間長和維護(hù)費(fèi)用較高等。

圖4 純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)

制約純電動(dòng)汽車商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸和困難主要有以下幾個(gè)方面［7－8］。

1）電池技術(shù) 電池是純電動(dòng)汽車的能量來源，用來存儲(chǔ)來自于電網(wǎng)的電力，通過不斷充換電的過程提供給車輛動(dòng)力。電動(dòng)汽車要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，必須與傳統(tǒng)車輛的性能進(jìn)行比較，這對(duì)電動(dòng)汽車電池的性能提出了一些要求，例如續(xù)駛里程、加速性能、爬坡能力等。電池的價(jià)格占了純電動(dòng)汽車整車價(jià)格的較大部分，因此電池的性價(jià)比成為了核心。為了推動(dòng)純電動(dòng)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(fā)車用鋰電池。與鉛酸電池等相比，鋰電池有如下優(yōu)點(diǎn)：功率密度高、自放電小、無記憶效應(yīng)、循環(huán)特性好等，且電池工作環(huán)境溫度要求低、電池處置對(duì)環(huán)境污染小。目前磷酸鐵鋰電池等已經(jīng)成為目前純電動(dòng)汽車使用的主流電池。

2）驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù) 純電動(dòng)汽車無發(fā)動(dòng)機(jī)，車輛的驅(qū)動(dòng)主要靠車載電機(jī)。為達(dá)到傳統(tǒng)汽車的相關(guān)行駛性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)達(dá)到調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)力矩大、效率高且有可靠穩(wěn)定和能量回饋等特性。目前，純電動(dòng)汽車上應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)（DCM）、永磁無刷電動(dòng)機(jī)（PMBLM）、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（IM）和關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）等。永磁無刷電動(dòng)機(jī)可以分為由方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（BLDCM）和由正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（PMSM），且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)，在純電動(dòng)汽車應(yīng)用方面前景較為廣闊。不同電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用也有所不同，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車大都采用較為成熟的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)進(jìn)行控制，由于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)方法直接、控制結(jié)構(gòu)簡單、控制性能中動(dòng)態(tài)性能最為出色。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在近些年純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面投入了較大精力研發(fā)。隨著電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)也日趨智能化和數(shù)字化。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、專家控制、遺傳算法等非線性先進(jìn)智能控制技術(shù)也逐漸應(yīng)用于純電動(dòng)汽車的電機(jī)控制系統(tǒng)中。

3）充電技術(shù) 純電動(dòng)汽車主要應(yīng)用在區(qū)域交通與特種車輛上，比如公交車、出租車等。充電設(shè)施的主要服務(wù)對(duì)象也是公交系統(tǒng)等固定線路的車輛。隨著電動(dòng)汽車的逐步推廣及電動(dòng)汽車技術(shù)的日益發(fā)展，電動(dòng)汽車對(duì)充電站的技術(shù)要求表現(xiàn)出新的趨勢(shì)——充電設(shè)施須滿足充電快速化、通用化、智能化的要求。國內(nèi)外電動(dòng)汽車充電設(shè)施的建設(shè)、運(yùn)營主要有3種商業(yè)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(huì)電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)，但是該模式下的充換電站建設(shè)需要較大面積才能滿足社會(huì)需要，因此在大型城市專門建設(shè)公用充換電站難度較大。同時(shí)受制于用戶對(duì)充電時(shí)間的要求，更多用戶接受快充方式。但是快充技術(shù)對(duì)電池壽命會(huì)產(chǎn)生影響，該技術(shù)需要進(jìn)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(shè)慢充樁為主，建設(shè)的公共充電樁可以滿足停車時(shí)用戶充電需求。雖然該類型樁的建設(shè)占地面積小，但是要形成網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)行和管理需要推進(jìn)的時(shí)間較長。

（3）電池更換站模式是用戶租賃特定服務(wù)公司電池為電動(dòng)車提供動(dòng)力的方式。該模式需要組建專業(yè)公司，并形成網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)體系，且該模式下需要電動(dòng)汽車電池標(biāo)準(zhǔn)一致，因此該模式推廣應(yīng)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?yán)萌剂想姵刂械臍渑c大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的能量作為動(dòng)力來源。燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料箱（氫瓶）、電機(jī)、動(dòng)力蓄電池等組成，采用燃料電池發(fā)電作為主要能量源，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。燃料電池汽車具有續(xù)駛里程長、加氫時(shí)間短、效率高、零排放、低噪聲等特點(diǎn)。燃料電池有著良好的發(fā)展情景，但由于技術(shù)、成本等諸多原因未能在市場推廣開，但是作為未來的發(fā)展方向，燃料電池還有很多方面有待研究。

3 結(jié)語

本文介紹了近些年美國、日本和我國的新能源汽車發(fā)展路線及應(yīng)用推廣情況，并介紹了串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車及純電動(dòng)汽車等技術(shù)原理及相關(guān)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了各種類型新能源汽車的優(yōu)缺點(diǎn)及推廣應(yīng)用所遇到的相關(guān)瓶頸。為更好地推進(jìn)國內(nèi)新能源汽車的健康持續(xù)發(fā)展，各地方應(yīng)結(jié)合區(qū)域研究編制新能源汽車發(fā)展規(guī)劃，新能源汽車所需要的配套設(shè)施也應(yīng)納入城市總體規(guī)劃。同時(shí)，對(duì)目前新能源汽車市場推廣過程中建立相關(guān)扶持政策，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化等進(jìn)行配套扶持，通過一段時(shí)間的發(fā)展，使更多的新能源汽車在我國道路上行駛。

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