新能源汽车在应急通信保障车辆中的应用

2018-05-22国家计算机网络与信息安全管理中心海南分中心工程师

信息通信技术与政策 2018年5期

陈凯国家计算机网络与信息安全管理中心海南分中心工程师

1 引言

西方国家的汽车工业已经发展了100多年，形成了相当完善的技术优势和专利垄断。虽然国产汽车品牌的进步有目共睹，但到目前为止，中国还没有一个汽车品牌能与世界顶级品牌竞争，使得众多跨国汽车公司能在中国市场获得足够多的利润，维持其在全球的主导地位。

近年来，中国汽车制造企业在新能源汽车领域的发展，尤其是电动汽车领取的发展，成功地绕开了传统汽车核心技术被外国企业掌控这一壁垒，让大家回到同一起跑线上，甚至在某些领域，本土企业还更具优势。同时，中国政府在新能源汽车上持续不断的大力度补贴政策，直接刺激了中国市场新能源汽车的消费量。工信部的统计数据显示，2017年中国新能源汽车产销量分别达到79.4万辆和77.7万辆，连续3年位居世界第一，新能源汽车销量占汽车总销售量约2.6%。

新能源汽车相对于传统汽车在技术方面有什么样的特点，在应急通信保障车辆中是否具有应用前景？

2 传统汽车的技术特点

我国国家最新标准《汽车和挂车类型的术语和定义》（GB/T3730.1-2001）中对汽车有如下定义：由动力驱动，具有4个或4个以上车轮的非轨道承载的车辆。传统汽车的唯一动力来源是发动机，汽车发动机通过变速箱、传动轴、差速器等装置将动力输出到车轮，推动汽车的运动（见图1）。

图1 传统汽车工作模式

其中，发动机的作用是通过混合空气和燃料并进行充分燃烧，将化学能转换为机械能。常见的燃料有汽油和柴油。变速箱是一套用来协调发动机的转速和车轮的实际行驶速度的装置，作用在于使得发动机处于最佳性能工作状态。变速器可以在汽车行驶过程中，在发动机和车轮之间产生不同的变速比。传动轴是汽车传动系中传递动力的重要部件，它的作用是与变速箱、驱动桥一起将发动机的动力传递给车轮，使汽车产生驱动力。汽车差速器是驱动桥的主要部件，它的作用就是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右车轮以不同转速滚动，即保证两侧驱动车轮作纯滚动运动。差速器是为了调整左右轮的转速差而装置的。

由此可以看出发动机是传统汽车的唯一动力来源，只要汽车运动或者汽车对外做功，发动机就必须工作，而且发动机的功率大小直接决定了汽车对外做功的能力。

3 新能源汽车的技术特点

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料，但采用新型车载动力装置），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。新能源汽车包括混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV）、燃料电池汽车（FCEV）等。考虑到目前我国新能源汽车市场的实际情况，本文只讨论混合动力汽车和纯电动汽车。

3.1 混合动力汽车的技术特点

混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车的整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力总成以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等3种。

串联式动力由发动机、发电机和电动机3部分动力总成组成，它们之间用串联方式组成SHEV动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于大功率输出工况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低功率输出工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机—发电机组向电池组充电。串联式结构适用于低功率输出运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是缺点是能量几经转换，机械效率较低。

并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。

混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，又分为发动机为主和电机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。混合动力汽车工作模式如图2所示。

3.2 纯电动汽车的技术特点

纯电动汽车是完全由可充电电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力源的汽车。纯电动汽车的组成主要包括蓄电池、电动机和逆变器。

蓄电池为纯电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将蓄电池的电能转化为机械能。目前，应用最广泛的蓄电池是锂电池。电动机的作用是将蓄电池的电能转化为机械能，直接或通过传动装置驱动车轮的工作装置。直流电动机由于存在换向火花，功率小、效率低，维护保养工作量大的问题，随着电机控制技术的发展，逐渐被直流无刷电动机（BLDCM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代。逆变器是把蓄电池直流电能转变成交流电的设备。在纯电动汽车中，逆变器的主要功能是调节电动机和蓄电池之间的电流频率和幅值，使其达到匹配，将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机，将电能转换成机械能，电动机输出的转矩经传动系统驱动车轮，使电动汽车行驶。由于直流环节的滤波方式不同，逆变器可分为电压型和电流型两种基本类型，脉宽调制（PWM）型在本质上也可归纳为电压型或电流型。电压型逆变器的中间环节设置有电容，以维持中间直流电压恒定。逆变器的输出电流波形由电压波形与电动机的感应电动势之差决定，其幅值和相位取决于电动机负载。电流型逆变器的特点是中间直流环节的能量由电感线圈传递。在这种系统中，中间回路的电流近似恒定，逆变器输出平直的矩形波电流，逆变器的电压波形则取决于电动机的感应电动势，幅值与相位随负荷而变。纯电动汽车工作模式如图3所示。

图2 混合动力汽车工作模式

4 应急通信保障车辆的需求特点

应急通信保障车辆是在紧急情况下提供应急通信保障功能的车辆。因为紧急情况的突发性，工作环境相对复杂，既有需要远距离机动的情况，也有在恶劣自然环境下紧急展开作业的需求。

常见的应急通信保障车辆是将通信设备安装在车辆内并预留设备的维护和操作空间的特种车辆。为车上通信装备的正常工作，还需要其他配套设备。通信设备运行需要稳定的电力供应，需要配置必要的电源装置。对于小功率的通信设备常见的配套电源装置是取发电机+UPS的电源供应组合模式；对于大功率的通信设备常见的做法是车载油机+UPS的电源供应组合模式。此外，还会预留有市电接入接口。应急通信保障车上的其他必备配套设备就属空调系统了。考虑到应急通信保障车辆作业自然环境的不确定性以及通信设备在密闭车内空间的散热问题，空调系统是应急通信保障车不可或缺的重要辅助装置。对于车内空间较小的小型应急通信保障车辆，常用汽车自带的汽车空调系统进行制冷；对于车内空间较大的大型应急通信保障车辆，需要另外安装空调系统进行制冷，常见为车顶空调或普通民用空调。

一方面通信设备要求提供稳定不间断的交直流电力供应；另一方面空调系统的电力负荷变化较大。通信设备和空调系统都对应急通信保障车的电力供应能力提出了较高的要求。对于小型应急通信保障车来说，为通信设备提供电能的取力发电机和用于设备散热的汽车空调都要求汽车发动机不能停机并且长期处于低功率输出工况下运转，增大了汽车发动机油耗的同时也不利于延长汽车发动机寿命。对于大型应急通信保障车来说，为满足通信设备和加装空调系统的用电需求，需要额外安装车载油机。在没有市电接入的情况下，在保障作业期间车载油机需要连续开机运转。一方面增加了应急通信保障车辆的建设成本；另一方面也存在车载油机工作噪音大、排放不达标的问题。

5 新能源汽车应用于应急通信保障车辆

不论是混合动力汽车还是纯电动汽车都具有容量较大的动力电池，并且具备大功率的充放电能力，这些特点使得新能源汽车在应急通信保障车辆上的应用具有得天独厚的天生优势。首先，由于大容量动力电池的存在，应急通信保障车辆在选用新能源汽车作为基础车辆时，可以省去UPS，直接将动力电池作为基础电源使用；其次，混合动力汽车的发动机可以带动发电机为动力电池充电，作为大型应急通信保障车辆平台可以直接省去车载油机；最后，新能源汽车都装备了电动空调，与传统汽车空调不同，电动空调的压缩机不与汽车发动机连接，不需要启动汽车发动机，只要动力电池电量充沛就能持续提供制冷功能。

图3 纯电动汽车工作模式

笔者以新能源汽车作为应急通信保障车辆的汽车平台设想2种常见的应用场景：

第一种应用场景，纯电动汽车作为小型应急通信保障车辆的汽车平台。不需要配置取力发电机和UPS，纯电动汽车的动力电池容量目前能达到70kW/h左右，按照应急通信设备3kW的运行功率和1kW的空调制冷功率计算，一辆充满电的纯电动小型应急通信保障车能满足整车设备稳定工作15h的需求。动力电池电量耗尽时，采用60kW的快速充电，可以在1.5h内充满电，在充电的同时可以对车上设备继续供电，保证通信保障作业不中断。这种纯电动小型应急通信保障车非常适用于城市内的日常补网和临时活动的应急通信保障工作。

第二种应用场景，混合动力汽车作为大型应急通信保障车辆的汽车平台。混合动力大型应急通信保障车不需要配置车载油机、UPS和车顶空调，混合动力汽车在动力电池电量低时能自动启动发动机带动发电机为动力电池充电，此时发动机处于最佳工况点附近稳定运转。给动力电池充满电后，发动机自动停止运转，由动力电池提供全车电力供应。因此，混合动力大型应急通信保障车在加满油的情况下，能连续作业几天甚至十几天的时间。因为汽车发动机不是一直持续工作的，混合动力大型应急通信保障车可以实现一边保障作业一边加注燃油，持续保障能力更强，工作效率更高。