付昌星

（懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 懷化 418000）

前言

隨著人們生活水平不斷提高，經(jīng)濟迅速發(fā)展帶動了汽車工業(yè)創(chuàng)新。汽車在為人們?nèi)粘＝煌ǔ鲂袔砭薮蟊憷耐瑫r，也會引起環(huán)境污染，浪費能源。當(dāng)前世界范圍內(nèi)的石油資源危機愈演愈烈，為了解決環(huán)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(dǎo)意見》，并從多個層面提出優(yōu)惠政策，加快新能源汽車推廣應(yīng)用?；诖耍瑸榱素瀼睾屯茝V新能源汽車技術(shù)，實現(xiàn)“低碳經(jīng)濟”及“節(jié)能減排”的重要發(fā)展目標，本文結(jié)合國內(nèi)外最新研究動態(tài)，就新能源汽車技術(shù)原理及EV、HEV、FCEV相關(guān)技術(shù)展開論述分析。

1 新能源汽車內(nèi)涵界定

新能源汽車主要是相對于以傳統(tǒng)能源為主的汽車而言，目前業(yè)內(nèi)關(guān)于“新能源汽車”的內(nèi)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(tǒng)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(chǔ)上，國家對新能源汽車進行了細分。按照我國目前關(guān)于新能源汽車入市相關(guān)準入管理規(guī)定，新能源汽車必須以非常規(guī)能源為主要動力來源，同時此類車輛的開發(fā)需以驅(qū)動技術(shù)及車輛動力控制技術(shù)為主。

2 新能源汽車相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外研究、發(fā)展動態(tài)

近年來，世界性的環(huán)境污染以及能源危機問題已引起汽車制造工業(yè)領(lǐng)域相關(guān)人士廣泛關(guān)注。在此背景下，發(fā)展新能源汽車技術(shù)已勢在必行。縱觀國內(nèi)外，美國、日本以及中國在新能源汽車技術(shù)研究領(lǐng)域及應(yīng)用方面已取得較大進步。

2.1 美國

美國是當(dāng)今世界經(jīng)濟體中當(dāng)之無愧的超級大國，美國同中國類似，交通領(lǐng)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(shù)研發(fā)與推廣工作作了明確規(guī)劃。在新能源汽車附屬設(shè)施建設(shè)方面，美國在加尼福尼亞州建設(shè)了大量充電設(shè)施，目前其已遍布各居民區(qū)、政府大樓及商場區(qū)域，由此為電動汽車持續(xù)提供動力奠定了良好基礎(chǔ)。

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(lǐng)域展開新能源汽車研究與應(yīng)用推廣工作。著名汽車制造企業(yè)本田及豐田等先后投入巨資研發(fā)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(nèi)外遙遙領(lǐng)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(shù)影響，我國早在1999年就開始了新能源汽車研發(fā)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(fā)與生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化、示范運行等方面取得較大進展。目前，我國已建立企業(yè)和高校研發(fā)生產(chǎn)基地，形成鋰離子電池產(chǎn)業(yè)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(qū)，設(shè)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(chǔ)設(shè)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(shù)原理及相關(guān)技術(shù)分析

3.1 混合動力汽車

該類新能源汽車主要是指車輛驅(qū)動系統(tǒng)分別由2個或2個以上的單個驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)合組成的汽車。混合動力汽車至少有2種動力源驅(qū)動，一種是輔助驅(qū)動電機動力設(shè)備；另一種是常規(guī)發(fā)動機。汽車在行駛中，可根據(jù)功率變化，通過單獨或不同驅(qū)動系統(tǒng)最優(yōu)控制策略，實現(xiàn)節(jié)能降耗。根據(jù)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(lián)式

混合動力汽車在工作運行中，通常以混聯(lián)式、并聯(lián)式與串聯(lián)式三種驅(qū)動聯(lián)結(jié)方式提供動力來源。從機械運作原理來講，串聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機不參與車輛的直接驅(qū)動，僅通過車輛行駛系統(tǒng)與電動機連接，按如圖1所示結(jié)構(gòu)原理驅(qū)動發(fā)動機發(fā)電，然后為電動機提供動力驅(qū)動，在此環(huán)節(jié)，電池可調(diào)節(jié)汽車電量，并起到平衡發(fā)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(fā)電機發(fā)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(tài)。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(jīng)過系統(tǒng)間的來回切換，對車輛動力系統(tǒng)進行管控優(yōu)化。

圖1 串聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)示意圖

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

（2）并聯(lián)式

并聯(lián)式新能源汽車通過電動機與發(fā)動機兩套動力系統(tǒng)實現(xiàn)機械裝置間的耦合優(yōu)化。在汽車工作運行中，兩個系統(tǒng)與汽車驅(qū)動系統(tǒng)連接，由單獨或雙動力驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)汽車運行控制。如圖2所示，當(dāng)車輛行駛時，該車輛發(fā)動機處于高效工作狀態(tài)；當(dāng)車輛驅(qū)動功率需求不大時，發(fā)動機燃油經(jīng)濟性變差，此時發(fā)動機自動關(guān)閉，汽車主要由電動機驅(qū)動運行。若發(fā)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(nèi)。

圖2 并聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)示意圖

與串聯(lián)式新能源汽車相比，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量利用率高，汽車在爬坡加速時，由電動機與發(fā)動機同時驅(qū)動發(fā)力；汽車在低速運行時，主要由純電動機驅(qū)動工作。但這種結(jié)構(gòu)裝置的技術(shù)缺點是系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車輛扭矩耦合裝置及變速控制裝置開發(fā)成本高。

（3）混聯(lián)式

混聯(lián)式新能源汽車兼具串、并聯(lián)混合動力汽車結(jié)構(gòu)的特點。該類新能源汽車在行駛時，系統(tǒng)行星齒輪機構(gòu)會將發(fā)動機輸出的功率分別傳導(dǎo)至汽車并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)及汽車串聯(lián)發(fā)電機[3]。在這一工作原理下，混聯(lián)式混合動力汽車發(fā)動機、電動機實現(xiàn)最優(yōu)化工作運行，且可自由、靈活根據(jù)車輛具體工況，調(diào)節(jié)發(fā)動機和電機功率輸出與運轉(zhuǎn)，由此提升車輛系統(tǒng)總運行效率及在不同工況下的自適應(yīng)能力，但該類汽車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，研發(fā)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(wǎng)充電。在汽車行駛時，電機由電池驅(qū)動，車輛進入減速與制動狀態(tài)時，電機充當(dāng)發(fā)電機為汽車電池充電，由此實現(xiàn)純電動汽車能量間的雙向流動。該類汽車顯著優(yōu)點是噪音低、零排放與零污染，可利用電網(wǎng)在低谷時的充電契機，實現(xiàn)電網(wǎng)“削峰填谷”。但因其只有一種動力驅(qū)動系統(tǒng)，所以控制技術(shù)相對簡單，目前受充電基礎(chǔ)設(shè)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(xué)反應(yīng)所形成的巨大能量實現(xiàn)驅(qū)動運行，當(dāng)其處于行駛狀態(tài)時，燃料電池中的氫氣與大氣中的氧氣會發(fā)生激烈反應(yīng)，由此產(chǎn)生大量新能源，為燃料電池汽車提供動力驅(qū)動。這種汽車主要動力系統(tǒng)包含電機、氫氣燃料箱、燃料電池發(fā)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(qū)動，確保燃料電池汽車穩(wěn)定行駛。與前兩種新能源汽車技術(shù)相比，這一技術(shù)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(huán)等優(yōu)點，但因技術(shù)并不成熟，目前尚未完全實現(xiàn)商業(yè)化推廣與應(yīng)用。

4 結(jié)束語

毋庸置疑，日益突出的環(huán)境污染問題及能源浪費問題已成為當(dāng)前制約我國社會、經(jīng)濟快速、長效發(fā)展的主要因素，目前我國環(huán)境空氣復(fù)合型污染主要來源為交通領(lǐng)域的機動車排放污染。對此，加強新能源汽車技術(shù)研究創(chuàng)新已迫在眉睫，本文通過對業(yè)內(nèi)關(guān)于新能源汽車相關(guān)技術(shù)及原理進行分析、梳理，旨在為新能源汽車技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供有益參考。