新能源汽车种类及其关键技术分析

刘恒硕，李军，张胜根

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074)

新能源汽车种类及其关键技术分析

刘恒硕，李军，张胜根

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074)

新能源汽车是当今汽车技术发展的重中之重。介绍了当前主要的新能源汽车种类及其关键技术，阐述了当前我国新能源汽车存在的问题及解决问题的主要途径，以及我国新能源汽车的发展及趋势。

新能源汽车；电动汽车；飞轮电池；电机

0 前言

随着我国汽车保有量的不断增加，能源危机和环境污染的问题在我国也有愈演愈烈的趋势[1]。据有关资料统计显示:到2020年，我国机动车的燃油需求量将达到2.56亿吨，而全球的石油储量远远不能满足人们对其的需求。因此，开发非传统燃料汽车成为汽车发展的必然选择[2]。

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，或者使用常规的车用燃料但采用新型的车载动力装置，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。就当前世界各国新能源汽车研究成果而言，新能源汽车的研发技术已日臻成熟，市场上推广使用的主要有3种类型：纯电动汽车(PEV)、燃料电池电动汽车(FCV)和混合动力电动汽车(HEV)[3]。

1 国内外新能源汽车的发展现状

20世纪70年代第一次石油危机发生后，我国就意识到汽车行业的未来一定在于新能源汽车，从那时起，政府就曾委托清华大学开始着手研究电动汽车[4]。但是，关于我国新能源汽车的发展方向则有很多种看法：认为乙醇汽车是我国发展新能源汽车的最佳途径[5]；对电动汽车的研究以及推行将加快智能电网的发展，这对我国新兴企业将会是一个很好的促进[6]；在短期内汽油车仍然是我国汽车行业的主流，但由于柴油车的性能和污染得到重大的改善，其发展前景亦十分广阔。也有人认为混合动力车辆只是一个发展的过渡产品，长期发展将受到一定的限制和制约；纯电动汽车将是汽车发展的主要力量，而且燃料电池汽车由于其零污染和燃料替代的原因，将会是未来发展的趋势[7]。

近年来，为了应对全球和环境的压力，世界汽车产业面临战略转型，节能与新能源汽车已经成为战略方向。目前，常规混合动力汽车技术逐步成熟，进入产品市场竞争期；纯电动汽车技术进步，已经进入更广泛的新的运行阶段；燃料电池汽车研发继续推进，继续占领电动车技术制高点。2013年，按纯电动EV和插电式混动PHEV口径统计(不包括燃油混动HEV车型)，全球共销售新能源汽车约15万辆，销量最高的国家中，美国销量达到9.6万多辆，占比达到64%，日本、法国位于第2、第3[8]。

2 新能源汽车分类及其关键技术

就当前世界各国新能源汽车研究情况来看，新能源汽车的研发技术已经相对成熟，已经在市场上广泛推广使用的主要有3种：纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车。

2.1 纯电动汽车

纯电动汽车，顾名思义，仅依靠蓄电池的电能驱动电机运转，最终驱动汽车运行[9]。作为一种新能源汽车，它具有零污染、低噪声等优点，但与此同时，目前提供电能的蓄电池寿命短、充电时间长、行程短和价格昂贵等问题制约着纯电动汽车的发展。由于它具有既不耗油又不污染环境等无可比拟的优点，仍然是各大汽车企业主要研发对象。虽然国内已经有相关企业研发生产出纯电动汽车并已投入市场，但由于研发制造成本较高，其价格还很难被工薪阶层广泛接受，因此当前的纯电动汽车主要用于城市公交，以及机场、旅游景区、体育场地和城市社区等，要成为上班族代步工具或普通百姓常用的交通工具还有着较大距离[10]。

2.2 燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车是利用氢气和空气中的氧气在催化剂的作用下在燃料电池中经电化学反应而产生电能，以此作为主要动力源驱动的汽车[11]。由于燃料电池同时具有无污染、高效率、适用广、噪声低、可快速补充能量等优点，被广泛认为是今后替代传统内燃机汽车最理想的动力装置[12]。但是燃料电池在价格和相关技术上亦存在一些瓶颈：燃料电池造价偏高、反应/启动性能不及传统内燃机引擎、碳氢燃料无法直接利用、氢气储存技术不成熟等；其中尤以氢气储存技术最为重要，姑且不论储存过程中的氢气损失情况，其安全性是一个极大的问题。一旦储存技术不过关，携带大量氢气的汽车就相当于是一颗会移动的炸弹，其危险性可想而知。基于上述原因，目前燃料电池电动汽车在发展中也受到很大的束缚。

2.3 混合动力电动汽车

混合动力汽车就是指使用传统燃油发动机驱动和电机驱动两种方式的汽车。在汽车启动、停止等工况，采用电机驱动方式，可实现低排放、低噪声；在近于额定工况和高速路工况时，则主要由燃油发动机驱动，可使发动机保持在最佳工况状态，实现动力性、经济性和排放性能好的工作状态，同时还可对蓄电池进行充电；在大负荷和加速工况，可同时由发动机和电机驱动，以达到良好的动力性和加速性能[13]。混合动力电动汽车是当今新能源汽车市场上的主流产品之一，在新能源汽车中占据了90%以上的市场份额。但它只是新能源汽车的一种过渡性产品，其能源控制技术和蓄电池使用寿命等问题依旧是混合动力汽车有待于进一步攻关的难题[10]。

2.4 新能源汽车关键技术

(1) 电池技术

电池是电动汽车的能量来源。要实现商业化应用，电动汽车必须具有与传统车辆相当的良好的性价比，这就对电动汽车的电池性能提出了要求，例如续驶里程、加速性能、爬坡能力等[14]。到目前为止，车用电池经历了3代的发展。铅酸电池是第一代，可靠性高、价格低廉、原材料丰富和高倍率放电是其优点，但是其比能量低、质量和体积相对较大，而且一次充电的续驶里程较短，严重制约着铅酸电池的发展。碱性电池是第二代，其各方面性能都优于铅酸电池，然而其价格比铅酸电池高很多，市场的推广受到影响。燃料电池是第三代电池，它能高效地将化学能转化为电能，在比能量、比功率方面优势较明显；但是由于其价格、原料获取以及氢气存储等方面还存在较大问题，因而仍然没有被广泛使用。但其优于其他电池的优势，可以预见，将来燃料电池一定会成为汽车的主体动力电池之一[15]。在这3种电池之外，还有另外的一种新型电池——飞轮电池。

飞轮电池又称电动机械电池，原主要用于卫星等航天器的能源储备装置。美国飞轮系统公司(AFS)设计的飞轮电池，含有高强度碳素纤维制成的锥盘形轮，它在真空中由磁悬浮轴承支撑，所以摩擦损失可以忽略不计。通过电机，使飞轮处于高速旋转状态，将电能转化为飞轮的旋转动能[16]，当汽车不运动时，由于飞轮处于真空环境中，其转动能量损失微乎其微；当汽车需要运动时，飞轮通过电机将储存在其中的能量释放出来提供电流驱动汽车。AFS曾运用飞轮电池对一款劳斯莱斯轿车进行改装，改装后的电动汽车一次充电行驶距离可达600 km，而日本也曾开发过相应的飞轮电池电动汽车，其飞轮转速最高可达3.6×104r/min，一次充电行驶距离为480～640 km[17]。飞轮电池的能量密度为普通铅酸电池的3～6倍，且无污染，寿命可达数十年，与其他电池相比，飞轮电池具有很明显的优势。但由于其只有在真空容器中且由磁悬浮轴承支撑才能使用，因此其价格比较昂贵，目前还处于试验与产业化阶段；但是随着技术的发展，降低其成本，飞轮电池将在未来电动汽车中广泛应用。

(2) 驱动及其控制技术

虽然现在混合动力电动汽车占据了新能源汽车的大部分市场，但是新能源汽车的最终发展方向仍然是纯电动汽车，混合动力电动汽车只是由传统汽车向纯电动汽车发展的一个过渡产品。纯电动汽车的驱动主要靠车载电机，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。为了达到传统汽车的相关行驶性能，驱动电机应具有调速范围宽、启动力矩大、效率高、运行可靠稳定和能量回馈等特性；应具有较高的瞬时功率、功率密度和转矩密度，以提高车速，增大过载能力。目前，电动汽车上应用的驱动电机主要有直流电机、永磁无刷电机、感应电机和开关磁阻电机等。永磁无刷电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，非常适用于电动汽车的驱动系统，但其价格昂贵，且存在退磁的缺点。而开关磁阻电机存在转矩脉动大等问题[18]。

在电机控制技术方面，感应电机的驱动基本都采用较为成熟的矢量控制和直接转矩控制技术，由于直接转矩控制技术方法直接、控制结构简单、控制性中动态性能最为出色，因此，近年来在直接转矩控制技术方面投入了较大精力研发。随着电机及驱动控制系统的发展，模糊控制、神经网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性智能控制技术逐渐应用于电动汽车的电机控制系统中[14]。

(3) 能量管理技术

要使电动汽车具有良好的动力性能，必须使用比能量高、使用寿命长且比功率大的蓄电池作为动力源，而且必须对电池进行能量控制与管理。能量管理系统的作用是检测单个电池或电池组的荷电状态SOC，充放电时的电压、电流、放电深度和电池温度等；同时根据电池组的使用情况和充放电记录选择其最佳充电方式，以尽可能延长电池寿命。电动汽车行驶中还须知道当前电池电量、续航里程等，这也是电动汽车能量管理系统应具有的重要功能。能量管理系统如同电动汽车的大脑，应同时具有功能多、灵活性好、适应性强等特点，以便能高效利用有限的车载能量。

3 新能源汽车的技术瓶颈问题

虽然新能源汽车经过了多年的发展，已取得一定的成果，但是其市场占有率依然不高，主要存在以下原因[19]：

(1)行驶里程有限。 目前许多新能源汽车一次性充电的续航里程在100～200 km，并且是在试验行驶路面及试验工况下行驶时达到的，相比传统内燃机而言，电动汽车的续航里程目前是其致命的弱点。

(2)电池寿命过短。按一般使用频率计算，一个普通蓄电池的使用寿命不足4年，相比传统内燃机汽车，电池的寿命也是其致命的弱点。

(3)电池价格昂贵。由于采用了许多新技术、新材料，导致电池的价格甚至达到4 000 元/(kW·h)；致使电动汽车价格的下降很难。

(4)配套基础设施不完备。无论是插入式混合动力还是纯电动汽车，都需要充电网络。目前，除了上海和深圳等少数城市建立了实验性充电站之外，其他大部分城市由于充电基础设施缺乏，严重影响了插电式电动车和纯电动车的普及。

有专家预测，到2020年，我国的插电式混合动力车、纯电动车和其他新能源车占乘用车辆的比例可达到10%～20%，我国新能源汽车的发展趋势是不可估量的。因此，制约和影响新能源汽车发展与市场化的技术瓶颈问题亟须尽快解决。

4 小结

未来数年由于新能源汽车技术的制约，燃油汽车仍将占据汽车市场的大半部分，但是混合动力电动汽车市场占有份额将会越来越大，最终纯电动汽车必将取代现在燃油汽车的地位。集成控制技术、计算机技术和网络技术的发展，汽车电子控制技术将向集成化、智能化和网络化3个主要方向发展。随着人们对汽车舒适性、安全性、绿色性要求的提高，电动汽车也将在智能化、无人驾驶、安全舒适方面攻破技术难点，未来的汽车市场必将属于新能源汽车。

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AnalysisofNewEnergyVehiclsTypesandKeyTechnologies

LIU Hengshuo, LI Jun, ZHANG Shenggen

(School of Mechantronics and Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074,China)

New energy vehicles have a top priority to the development of today's auto technology. The main types and key technologies of new energy vehicles were generally introduced and the current problems existing in the process of new energy vehicles in China were discussed. The ways to solve the problems and development of the new energy vehicles were pointed out according to the status quo of the new energy vehicles in our country.

New energy vehicles; Electric vehicle; Flywheel battery; Motor

2015-01-04

刘恒硕，硕士研究生，研究方向为新能源汽车。E-mail：1274895720@qq.com。