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）提供動力源的汽車。純電動汽車具有零排放、能效高、震動和噪聲小，電機效率高、制動能量可以回饋等特點，按其驅(qū)動方式可分為總成驅(qū)動和輪轂驅(qū)動。純電動汽車動力傳遞路線如圖4所示。

電動汽車的優(yōu)點：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離人口密集的城市，對人類傷害較少，而且電廠是固定不動的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關技術。由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力等，解除人們對石油資源日見枯竭的擔心。電動汽車還可以充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電，使發(fā)電設備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟效益。

有研究表明，同樣的原油經(jīng)過粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅(qū)動汽車，其能量利用效率比經(jīng)過精煉變?yōu)槠?，再?jīng)汽油機驅(qū)動汽車高，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，使電動汽車的研究和應用成為汽車工業(yè)的一個“熱點”。

電動汽車必須解決好4個方面的關鍵技術：電池技術、電機驅(qū)動及其控制技術、電動汽車整車技術以及能量管理技術。

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

到目前為止，電動汽車用電池經(jīng)過了3代的發(fā)展，已取得了突破性的進展。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汽車的動力性能和續(xù)駛里程，但其價格卻比鉛酸電池高。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能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能量轉(zhuǎn)變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應過程，能量轉(zhuǎn)化過程可以連續(xù)進行，因此是理想的汽車用電池，但目前還處于研制階段，一些關鍵技術還有待突破。

電動機與驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動電機應具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速高、啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量小、效率高且有動態(tài)制動強和能量回饋等特性。目前，電動汽車用電動機主要有直流電動機（DCM）、感應電動機（IM）、永磁無刷電動機（PMBLM）和開關磁阻電動機（SRM）4類。

圖4 純電動汽車動力傳遞路線示意圖

圖5 電動汽車生產(chǎn)成本構成

近幾年來，由感應電動機驅(qū)動的電動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)構簡單、控制性能優(yōu)良和動態(tài)響應迅速，因此非常適合電動汽車的控制。美國以及歐洲研制的電動汽車多采用這種電動機。永磁無刷電動機可以分為由方波驅(qū)動的無刷直流電動機系統(tǒng)（BLDCM）和由正弦波驅(qū)動的無刷直流電動機系統(tǒng)（PMSM），它們都具有較高的功率密度，其控制方式與感應電動機基本相同，因此在電動汽車上得到了廣泛的應用。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(qū)動系統(tǒng)，有極好的應用前景。目前，由日本研制的電動汽車主要采用這種電動機。

開關磁阻電動機（SRM）具有簡單可靠、可在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運行、控制靈活、可四象限運行、響應速度快和成本較低等優(yōu)點。實際應用發(fā)現(xiàn)SRM存在轉(zhuǎn)矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器等缺點，應用受到了限制。

隨著電動機及驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化。變結(jié)構控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、自適應控制、專家控制、遺傳算法等非線性智能控制技術，都將各自或結(jié)合應用于電動汽車的電動機控制系統(tǒng)。

電動汽車是高科技綜合性產(chǎn)品，除電池、電動機外，車體本身也包含很多高新技術，有些節(jié)能措施比提高電池儲能能力還易于實現(xiàn)。采用輕質(zhì)材料如鎂、鋁、優(yōu)質(zhì)鋼材及復合材料，優(yōu)化結(jié)構，可使汽車自身質(zhì)量減輕30%～50%；實現(xiàn)制動、下坡和怠速時的能量回收；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%。

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

能量管理系統(tǒng)是電動汽車的智能核心。一輛設計優(yōu)良的電動汽車，除了有良好的機械性能、電驅(qū)動性能、選擇適當?shù)哪芰吭矗措姵兀┩?，還應該有一套協(xié)調(diào)各個功能部分工作的能量管理系統(tǒng)，它的作用是檢測單個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，以盡可能延長電池的壽命。

世界各大汽車制造商的研究機構都在進行電動汽車車載電池能量管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)。電動汽車電池當前存有多少電能，還能行駛多少公里，是電動汽車行駛中必須知道的重要參數(shù)，也是電動汽車能量管理系統(tǒng)應該完成的重要功能。應用電動汽車車載能量管理系統(tǒng)，可以更加準確地設計電動汽車的電能儲存系統(tǒng)，確定一個最佳的能量存儲及管理結(jié)構，并且可以提高電動汽車本身的性能。

在電動汽車上實現(xiàn)能量管理的難點，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)，來建立一個確定每塊電池還剩余多少能量的較精確的數(shù)學模型。

表2 新能源汽車產(chǎn)能規(guī)劃一覽表

美國能源部下屬的阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的評估報告顯示，在電動汽車的生產(chǎn)成本構成中，電機控制器約占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，中德兩國政府就建立電動車戰(zhàn)略伙伴關系達成一致，聯(lián)合發(fā)表了《中德關于建立電動汽車戰(zhàn)略伙伴關系的聯(lián)合聲明》，伙伴關系的確立，有利于打破美日在電動汽車方面的技術封鎖。

2010年8月18日，國資委組織的16家央企宣布成立“中央企業(yè)電動車產(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、電池、能源和房地產(chǎn)企業(yè)，涵蓋了電動汽車的上下游產(chǎn)業(yè)鏈。

成立央企電動汽車聯(lián)盟的原因是，“旨在有效發(fā)揮中央企業(yè)在我國經(jīng)濟結(jié)構調(diào)整中的帶頭和引領作用，形成合力加快推動我國電動車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以聯(lián)盟的方式，促進企業(yè)間的合作與協(xié)同發(fā)展，快速、有效地突破電動車產(chǎn)業(yè)核心技術，盡快形成規(guī)?；l(fā)展態(tài)勢?！蹦壳耙呀?jīng)增加到21家。

2010年8月，“可持續(xù)新能源國際聯(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、中信國安盟固利公司以及大洋電機有限公司。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)盟是我國首個新能源汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，該聯(lián)盟整合了國內(nèi)新能源汽車領域的優(yōu)勢資源，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)項目多與該聯(lián)盟成員合作。

（待續(xù)）