新能源汽车技术原理及相关技术

黄志峰

（上海市节能减排中心有限公司，上海 200003）

新能源汽车是相对于使用常规燃料作为主要动力来源的传统内燃机汽车而言的，新能源汽车采用先进的车辆动力控制技术和驱动技术。发展新能源汽车产业不仅有利于节能减排，更是低碳经济发展的重要组成［1］。新能源汽车可分为：纯电动汽车（EV）、混合动力汽车（HEV）以及燃料电池汽车（FCEV）。

1 国内外的研究情况

1.1 美国

近些年，美国在交通领域的能耗及排放强度不容乐观，再加上日益上涨的传统能源价格，迫使近几届美国政府下决心发展新能源汽车。克林顿政府主要提出发展混合动力汽车从而提高汽车的燃油经济性；布什政府主要提出发展燃料电池汽车从而减少汽车对石油的依赖和污染气体的排放；奥巴马政府在经过了一段时间新能源汽车发展后，将美国的新能源汽车发展设定为不同的阶段，对混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等分别制定了分阶段的发展目标［2］。

在发展电动汽车过程中，美国已经启动了在加利福尼亚州、弗吉尼亚州等地开展充电设施的建设。其中在加州的建设力度最大，由“美好空间项目”公司与加州北部的旧金山、奥克兰和圣何塞等城市的政府联手建设，将于2012年在上述城市的所有居民区、商厦、停车场和政府大楼安装充电桩，以方便电动汽车驾驶者随时为汽车充电。该公司还将在上述地区兴建电池更换站，以方便长途驾车者随时更换电池。

1.2 日本

日本是典型的资源匮乏国家，能源供给及能源安全一直是制约日本发展的主要问题之一。在交通领域，依靠传统强大的汽车产业率先开展了新能源汽车的研发工作，丰田、本田等汽车制造企业投入巨资研发新能源汽车，相关企业在混合动力汽车、插电式混合动力汽车、纯电动汽车等的研发已处于世界前列［3］。

日本政府表示，将在2015年前建造千余座充电站。日本东京电力公司将带头参与相关基础建设。在东京充电桩更为普及，楼宇路旁随处可见。邻近东京的神奈川县计划短期内至少让3 000辆电动汽车上路行驶，该县已经承诺提供150座快速充电站。日本中央政府对这项技术表示支持，将选择城市试点开展电动汽车充电项目。该项目将会涉及在付费停车场、超市以及餐饮连锁店安装电源插座，以供驾驶员们免费使用。

1.3 中国

1）在研发与生产方面 我国已有一批汽车企业和高校进行新能源汽车整车和零部件的研发与生产。

2）在产业化方面 我国的新能源汽车产业链也初具雏形。以新能源汽车关键零部件之一的动力电池为例，我国已初步形成了锂离子电池产业链，从矿产资源、动力电池相关原材料到动力电池系统，都有相关企业从事生产研发。

3）在示范运行方面 我国将北京、天津、武汉、威海和汕头等城市指定为电动汽车试验示范城市和试验示范区。已有近千辆电动汽车投入示范运行，有100多处电动汽车的基础设施已投入建设和使用。2009年，我国启动了“十城千辆”新能源汽车商业化示范运行项目。

2 新能源汽车分类及相关技术

2.1 混合动力汽车

2.1.1 混合动力汽车的定义

混合动力汽车是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的汽车。与传统汽车相比，混合动力汽车至少使用两种动力源驱动，一般除常规发动机外，混合动力汽车配有驱动电机作为辅助动力设备。控制系统可根据汽车行驶过程中对功率的需要，由车辆上单独驱动系统，或不同驱动系统共同提供动力，通过合理和最优控制策略来控制汽车的行驶，从而实现汽车能耗最低。通过近些年的科研攻关，目前混合动力汽车已经得到了较好的商业化推广，技术也日趋成熟。混合动力汽车的优越性也得到了市场的认可，主要表现在续驶里程长、加油时间短、电池成本低、燃油经济性和尾气排放量优于传统汽车，且不需要额外的基础设施等。

根据动力系统对电力的依赖程度，混合动力汽车可分为强混合动力汽车、中度混合动力汽车、弱混合动力汽车和插电式混合动力汽车几大类。

2.1.2 混合电动汽车的原理及其分类

根据混合动力驱动的联结方式，混合动力系统主要分为串联式、并联式和混联式3种。

点焊规范参数包括焊接电流、焊接时间、电极压力和电极端面尺寸。在电极的材料、端面形状和尺寸选定之后，焊接电流、焊接时间和电极压力将主要决定点焊接头的质量[2]。对于传统的气压和液压式点焊机，其气阀或液压阀的调节响应速度较慢，因此一般只通过减压阀来调节和稳定电极压力，在焊接过程中不再对电极压力进行实时反馈控制，因此点焊控制的主要任务是实现焊接时间和焊接电流的稳定。

1）串联式混合动力汽车［4］从机械角度说，只有电动机和车辆行驶系统直接连接，而发动机并不直接参与车辆驱动，如图1所示。发动机工作在最佳状态带动发电机发电，所发电力供给电动机工作，电池在该系统内起到电量调节作用，用来平衡电动机的输入功率和发电机的输出功率。如果汽车需求功率低于发电机带动电动机所发的电功率，则多余的电能反馈给电池，此时电池在充电；相反如果汽车需求功率高于发电机带动电动机所发的电功率，那么需要从电池上释放电能给电动机，此时电池在放电，系统的切换由车辆动力控制系统进行控制和管理。

图1 串联式混合动力汽车结构

串联式混合动力汽车的优点：发动机始终工作在高效工况下，在传统能源消耗方面处于较优工况，同时因为发动机与车轮没有机械连接，车辆系统布局有较大的自由度。该类型的混合动力系统目前在一些大型客车上如城市公交有所采用。

2）并联式混合动力汽车［5］的两套驱动系统（发动机和电动机）通过动力耦合装置，同时与汽车驱动系统连接工作，两个系统通过汽车动力控制系统进行协调工作或者单独驱动车辆行驶，如图2所示。车辆在行驶过程中，控制系统使车辆发动机工作在高效率状态下，从而使车辆燃油经济性最佳。当车辆驱动功率需求较小时，此时发动机的燃油经济性变差，并联式混合动力汽车控制系统将发动机关闭而只用电动机来驱动汽车；如果仍然开启发动机，那么发动机驱动车辆行驶以外的能量将通过电机（此时电机工作在发电状态）通过整流存储于电池内。与串联式混合动力汽车相比，发动机直接和驱动系统相连，并联式混合动力汽车能量利用效率较高，加速和爬坡时发动机与电动机共同驱动，低速时采用纯电动机驱动。但因并联式混合动力汽车需要扭矩耦合装置和变速装置，采用该系统的车辆结构比较复杂，同时其系统的控制较为复杂，开发成本也较高。

图2 并联式混合动力汽车结构

3）混联式混合动力汽车［6］具有串联式和并联式混合动力汽车两者的结构特点（见图3），汽车发动机的输出功率通过系统的行星齿轮机构分别传导至汽车驱动系统（并联）和发电机（串联）。混联式混合动力汽车的机构使该系统中的发动机、电动机等实现最优工作状态，可以更加灵活地根据车辆工况来调节发动机的功率输出和电机的运转，使车辆在不同工况下有着良好的适应能力，且系统总效率更高。但该类型混合动力汽车驱动系统的结构更加复杂，研发等成本较高。

图3 混联式混合动力汽车结构

2.2 纯电动汽车

纯电动汽车是完全依靠可充换电池为动力源的汽车（见图4），摆脱了传统汽车的发动机。纯电动汽车的动力系统从电网充电或更换电池的方法获得电力，通过电池驱动汽车电机从而驱动汽车，在制动和减速时，原本提供驱动动力的电机作为发电机向汽车的电池进行充电，实现了能量的双向流动，提高了纯电动汽车的能效水平。

纯电动汽车的最主要特点是零排放、低噪声，同时可以利用电网低谷时充电实现区域电网的削峰填谷等。由于只采用一种驱动系统，与混合动力汽车相比，纯电动汽车系统和控制技术相对简单。但是目前受制于电池的制造技术等，制约纯电动汽车发展及商业化应用的主要因素包括续驶里程有限、对充电设施的依赖、充电时间长和维护费用较高等。

图4 纯电动汽车结构

制约纯电动汽车商业化应用的关键瓶颈和困难主要有以下几个方面［7－8］。

1）电池技术 电池是纯电动汽车的能量来源，用来存储来自于电网的电力，通过不断充换电的过程提供给车辆动力。电动汽车要实现商业化应用，必须与传统车辆的性能进行比较，这对电动汽车电池的性能提出了一些要求，例如续驶里程、加速性能、爬坡能力等。电池的价格占了纯电动汽车整车价格的较大部分，因此电池的性价比成为了核心。为了推动纯电动车电池的研制，美国、日本及欧洲等国家先后投入大量资金研发车用锂电池。与铅酸电池等相比，锂电池有如下优点：功率密度高、自放电小、无记忆效应、循环特性好等，且电池工作环境温度要求低、电池处置对环境污染小。目前磷酸铁锂电池等已经成为目前纯电动汽车使用的主流电池。

2）驱动及其控制技术 纯电动汽车无发动机，车辆的驱动主要靠车载电机。为达到传统汽车的相关行驶性能，驱动电机应达到调速范围宽、启动力矩大、效率高且有可靠稳定和能量回馈等特性。目前，纯电动汽车上应用的驱动电机有直流电动机（DCM）、永磁无刷电动机（PMBLM）、感应电动机（IM）和关磁阻电动机（SRM）等。永磁无刷电动机可以分为由方波驱动的无刷直流电动机系统（BLDCM）和由正弦波驱动的无刷直流电动机系统（PMSM），且PMSM类电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，非常适应于电动汽车的驱动系统，在纯电动汽车应用方面前景较为广阔。不同电机控制技术的应用也有所不同，感应电动机驱动的纯电动汽车大都采用较为成熟的矢量控制和直接转矩控制技术进行控制，由于直接转矩控制技术方法直接、控制结构简单、控制性能中动态性能最为出色。因此，直接转矩控制技术在近些年纯电动汽车电机驱动方面投入了较大精力研发。随着电动机及驱动系统的发展，控制系统也日趋智能化和数字化。模糊控制、神经网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性先进智能控制技术也逐渐应用于纯电动汽车的电机控制系统中。

3）充电技术 纯电动汽车主要应用在区域交通与特种车辆上，比如公交车、出租车等。充电设施的主要服务对象也是公交系统等固定线路的车辆。随着电动汽车的逐步推广及电动汽车技术的日益发展，电动汽车对充电站的技术要求表现出新的趋势——充电设施须满足充电快速化、通用化、智能化的要求。国内外电动汽车充电设施的建设、运营主要有3种商业模式：公用充电站模式、停车场（或路边）充电桩模式、电池更换站模式：

（1）公用充电模式以快充、慢充等模式为社会电动汽车提供充电服务，但是该模式下的充换电站建设需要较大面积才能满足社会需要，因此在大型城市专门建设公用充换电站难度较大。同时受制于用户对充电时间的要求，更多用户接受快充方式。但是快充技术对电池寿命会产生影响，该技术需要进一步完善。

（2）停车场（或路边）充电桩模式主要依靠在各类停车场及路边建设慢充桩为主，建设的公共充电桩可以满足停车时用户充电需求。虽然该类型桩的建设占地面积小，但是要形成网络化的运行和管理需要推进的时间较长。

（3）电池更换站模式是用户租赁特定服务公司电池为电动车提供动力的方式。该模式需要组建专业公司，并形成网络化服务体系，且该模式下需要电动汽车电池标准一致，因此该模式推广应用还需要很长的路要走。

2.3 燃料电池汽车［9］

燃料电池汽车利用燃料电池中的氢与大气中的氧发生化学反应时产生的能量作为动力来源。燃料电池汽车的动力系统主要由燃料电池发动机、燃料箱（氢瓶）、电机、动力蓄电池等组成，采用燃料电池发电作为主要能量源，通过电机驱动车辆前进。燃料电池汽车具有续驶里程长、加氢时间短、效率高、零排放、低噪声等特点。燃料电池有着良好的发展情景，但由于技术、成本等诸多原因未能在市场推广开，但是作为未来的发展方向，燃料电池还有很多方面有待研究。

3 结语

本文介绍了近些年美国、日本和我国的新能源汽车发展路线及应用推广情况，并介绍了串联式、并联式和混联式混合动力汽车及纯电动汽车等技术原理及相关技术，在此基础上重点分析了各种类型新能源汽车的优缺点及推广应用所遇到的相关瓶颈。为更好地推进国内新能源汽车的健康持续发展，各地方应结合区域研究编制新能源汽车发展规划，新能源汽车所需要的配套设施也应纳入城市总体规划。同时，对目前新能源汽车市场推广过程中建立相关扶持政策，对关键技术研发和产业化等进行配套扶持，通过一段时间的发展，使更多的新能源汽车在我国道路上行驶。

［1］康龙云.新能源汽车与电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］陈柳钦.美国新能源汽车发展政策走向［J］.时代汽车，2011（09）：30－34.

［3］陈柳钦.日本新能源汽车发展及其政策支持［J］.汽车与配件，2011（03）：37－39.

［4］舒红.并联型混合动力汽车能量管理策略研究［D］.重庆：重庆大学，2008.

［5］于永涛.混联式混合动力车辆优化设计与控制［D］.吉林：吉林大学，2010.

［6］Chan C C.The state of the art of electric and hybrid vehicles［J］.Proceeding of IEEE，2003，90（3）：37－39.

［7］杨庆宝.纯电动汽车整车控制器研究［D］.吉林：吉林大学，2010.

［8］张希明.纯电动汽车控制系统［D］.杭州：浙江大学，2008.

［9］丁静.燃料电池电动汽车动力系统测控技术研究［D］.杭州：浙江大学，2010.