新能源汽車三種技術(shù)路徑

新能源汽車三種技術(shù)路——HEV、PHEV、EV汽車工程學(xué)院熱能與動(dòng)力工程（汽車發(fā)動(dòng)機(jī)）42091214姜霖【摘要】HEV 混合動(dòng)力裝置，指汽車使用汽油驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)力性好，排放量低，電能的來源都是發(fā)動(dòng)機(jī)；PHEV——插電式混合動(dòng)力汽車，主要使用電能運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)只是作為輔助運(yùn)行系統(tǒng)，具有能夠更充分地利用電能而減少傳統(tǒng)石化燃料消耗的技術(shù)優(yōu)勢；EV——純電動(dòng)汽車是完全由可充電電池提供動(dòng)力源的汽車。主題詞：HEVPHEVEV能耗1刖言近年來，世界汽車保有量急速增長，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車不僅對(duì)人類的環(huán)境帶來嚴(yán)重危害，并且造成了巨大的能源消耗。環(huán)境保護(hù)的迫切性和石油儲(chǔ)量日見短缺的壓力，迫使人們重新考慮未來汽車的動(dòng)力問題。經(jīng)過對(duì)各種新燃料、新能源和新動(dòng)力的探索，以節(jié)能環(huán)保低碳為主要目的電動(dòng)汽車成為最主要的選擇之一。HEV是指采用了兩種動(dòng)力裝置（內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)），通過儲(chǔ)能裝置（蓄電池等）和控制系統(tǒng)對(duì)能量的調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)最佳的能量分配，達(dá)到整車的低排放、低油耗和高性能的汽車。它融合了燃油汽車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，是最具有市場價(jià)值的低排放和低油耗汽車。PHEV是指可以利用外接電網(wǎng)為汽車蓄電池充電的混合動(dòng)力汽車，其車輛系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)介于HEV和EV之間，兼?zhèn)淙剂习l(fā)動(dòng)機(jī)和可充放的電力儲(chǔ)能裝置，同時(shí)還與EV一樣，直接連接到電網(wǎng)上給電池充電。PHEV比普通的HEV有更大的電池容量，可以在純電動(dòng)狀態(tài)下行駛更長時(shí)間，同時(shí)采用更小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，顯著降低油耗，降低汽車排放。EV只由電池提供動(dòng)力源，具有無污染、低噪聲、結(jié)構(gòu)簡單、使用維修方便、能量轉(zhuǎn)換效率高以及節(jié)省石油資源等優(yōu)點(diǎn)，但電動(dòng)汽車現(xiàn)狀是其技術(shù)瓶頸難以突破，難以普及。2HEV混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵是混合動(dòng)力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動(dòng)力汽車整車性能，混合動(dòng)力系統(tǒng)正逐漸向集成化混合動(dòng)力總成系統(tǒng)發(fā)展。混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系通常由不多于兩個(gè)的動(dòng)力系組成，為了回收在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛中以熱形式小號(hào)的部分制動(dòng)能量的目的，通常的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系含有一個(gè)雙向的能源及其能量變換器。如圖一展示了混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系的概念以及可能發(fā)生的各種動(dòng)力流通路。根據(jù)不同的負(fù)載需要，混合動(dòng)力的工作模式可分為一下9種：動(dòng)力系I單獨(dú)向負(fù)載提供動(dòng)力、動(dòng)力系II單獨(dú)向負(fù)載提供動(dòng)力、動(dòng)力系I和II同時(shí)向負(fù)載提供動(dòng)力、動(dòng)力系II由負(fù)載獲得功率（制動(dòng)再生能量）、動(dòng)力系II從動(dòng)力系I中獲得能量、動(dòng)力系II從動(dòng)力系I和負(fù)載中同時(shí)獲得能量、動(dòng)力系I同時(shí)向負(fù)載和動(dòng)力系II提供動(dòng)力、動(dòng)力系I向動(dòng)力系II提供動(dòng)力、動(dòng)力系I向負(fù)載提供動(dòng)力同時(shí)負(fù)載向動(dòng)力系II提供功率。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，各種電驅(qū)動(dòng)系的運(yùn)行模式形成了優(yōu)于單動(dòng)力系車輛的更多靈活性。由于特有的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，對(duì)每一特定運(yùn)行工況都有專用模式，所以能夠優(yōu)化車輛的全面性能、效率和排放。此外，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車根據(jù)動(dòng)力傳輸路線可分為以下4種形式：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復(fù)合式，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。能偵空夜呂粉【[]M，WII能偵空夜呂粉【[]M，WII句動(dòng)刀系U允電M的功率流混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系戳念圖制j系D圖2混合動(dòng)力電動(dòng)汽車分類a)申聯(lián)式混合型h)并聯(lián)式混合型c)混聯(lián)式混合型d)復(fù)合式混合型混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)油主要通過以下途徑：發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)/停機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)優(yōu)化、制動(dòng)能量回收、發(fā)動(dòng)機(jī)Downsize?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)裝備于多種車型上，混合動(dòng)力汽車也已經(jīng)在多個(gè)城市行駛，由下表的循環(huán)工況可以看出，城市工況中車輛一般處于緩加速和緩減速的工作狀態(tài)，而混合動(dòng)力汽車?yán)秒姍C(jī)進(jìn)行制動(dòng)配合即可基本滿足該循環(huán)工況下制定性能要求。中國典型城市公交循環(huán)統(tǒng)計(jì)結(jié)果總體行駛情況統(tǒng)ill：性行駛，|IT平均最高怠速怠速時(shí)時(shí)間T.程車速車速時(shí)間間比例S/mV/fltm-h'])(%)13145X9916.1660.0036727.公驟動(dòng)行駛工明統(tǒng)il特性行駐時(shí)間；/s行駛里程5/m平均土速5偵■h-1)最大加速度-L)平均加速度(ill■s)613刑5523.2。.川(1.27制動(dòng)工況統(tǒng)計(jì)特性制動(dòng)時(shí)間f/s制動(dòng)里程5/m平均車速頃km-h-1)最大誠速度頃"勺平均被速度"/Im's'2)334\W21.(11.{?2(1.5(13PHEV傳統(tǒng)HEV驅(qū)動(dòng)能量的最終來源實(shí)際上還是只有燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)，除了制動(dòng)能量回收之外，電池為驅(qū)動(dòng)車輛所提供的能量歸根結(jié)底都來自于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，而只是利用電池充放電對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的較高效率以及較低的尾氣排放。所以傳統(tǒng)HEV的驅(qū)動(dòng)主要還是依靠燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，即使系統(tǒng)配備良好，所能實(shí)現(xiàn)的節(jié)油效果也是有限的。一般以為，相對(duì)于使用實(shí)話燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，電能更為高效、清潔，從這個(gè)前提是出發(fā)，HEV應(yīng)該盡量多消耗電能，少使用石化燃料，因此PHEV的概念被提出，PHEV不僅可以降低人類對(duì)石油資源的依賴,而且能夠有效減少溫室效應(yīng)氣體的排放。PHEV已經(jīng)作為PNGV中實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能減排的重要技術(shù)途徑之一，各國汽車界均將PHEV作為重要的發(fā)展方向，大力投入技術(shù)開發(fā)。PHEV在車輛技術(shù)特點(diǎn)上介于EV和傳統(tǒng)HEV之間，具備電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力，可以利用外部電網(wǎng)對(duì)車輛動(dòng)力蓄電池進(jìn)行充電。同時(shí)，PHEV在功能上具有以下特性：PHEV通常具備相當(dāng)?shù)募冸妱?dòng)持續(xù)行駛能力，所使用電池容量比傳統(tǒng)HEV大。根據(jù)所要求的純電動(dòng)續(xù)駛能力大小的不同，電池容量差異也比較懸殊。美國能源部2006年的研究表明，純電動(dòng)續(xù)駛能力達(dá)到20Km的PHEV（簡稱PHEV20）可以減少50%的燃料消耗，但因電池容量增大而會(huì)帶來約8000美元的成本能增加。而PHEV40則會(huì)增加約11000美元成本，減少約62%的燃料消耗；所用發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)HEV?。籔HEV通常具備多個(gè)運(yùn)行模式，并且遵循優(yōu)先電能消耗的原則。常見的PHEV運(yùn)行模式組合方案有以下幾種：i.純電動(dòng)模式一電量消耗模式一電量維持模式一純發(fā)動(dòng)機(jī)模式純電動(dòng)模式一電量維持模式一純發(fā)動(dòng)機(jī)模式純電動(dòng)模式一電量維持模式電量消耗模式一電量維持模式一純發(fā)動(dòng)機(jī)模式電量消耗模式一電量維持模式電量消耗模式一純發(fā)動(dòng)機(jī)模式PHEV具有點(diǎn)能量消耗比例大、運(yùn)行模式多的特點(diǎn)，使得針對(duì)它的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法比較難以制定。汽車的能耗水平是以燃油消耗指標(biāo)來體現(xiàn)和評(píng)價(jià)的，HEV由于同時(shí)消耗電能和燃油兩種類型的能源，因此進(jìn)行能耗指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí)通常與要統(tǒng)一到等效的燃油消耗指標(biāo)。傳統(tǒng)HEV雖然運(yùn)行過程中也會(huì)有電能量消耗，但所占比例一般較小，同時(shí)由于沒有外接充電的功能，消耗電池電能的最終來源還是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，電^OC在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，相同的實(shí)驗(yàn)循環(huán)下，電能量消耗和燃油消耗之間存在線性關(guān)系，因此比較容易利用這種線性關(guān)系得到很準(zhǔn)確的等效的燃油消耗評(píng)價(jià)結(jié)果。對(duì)于PHEV，由于電能量消耗比例大，電池SOC變化的范圍很大，電能量消耗與燃油消耗之間難以明確可靠的線性關(guān)系；并且PHEV電池的能量儲(chǔ)備大部分來自于外部電網(wǎng)，而非發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，因此PHEV電能消耗向燃油消耗的轉(zhuǎn)化也缺乏合理的依據(jù)。另外，由于PHEV具備多種可能的運(yùn)行模式，評(píng)價(jià)時(shí)如何選取何種模式或模式組合來進(jìn)行試驗(yàn)才能最客觀反應(yīng)車輛的實(shí)際能耗和排放水平，也是較難解決的問題。對(duì)于PHEV和一般HEV能耗指標(biāo)的評(píng)價(jià)，法規(guī)試驗(yàn)方法應(yīng)盡量反映車輛實(shí)際使用過程中的平均水平，而排放指標(biāo)則應(yīng)采用排放最惡劣運(yùn)行模式下的測量結(jié)果作為評(píng)判依據(jù)。

傳統(tǒng)汽車、HEV、PHEV對(duì)比效果圖.□偉統(tǒng)轎車口混合動(dòng)力傳統(tǒng)汽車、HEV、PHEV對(duì)比效果圖l&PHEV珂電池容做燃油涓屈費(fèi)揮放量汽車價(jià)格4EV純電動(dòng)汽車，最具爭議的電動(dòng)汽車。有人說它是解決環(huán)境污染減少油耗的最佳選擇，有人說它沒有發(fā)展前景，毋庸置疑，世界各地對(duì)多種型號(hào)的車輛和電池進(jìn)行試驗(yàn)和考核，但至今仍處于樣車階段，雖然今年的巴黎車展上展出多款電動(dòng)汽車并有“巴黎車展將是傳統(tǒng)汽車最后一次的亮相”的呼聲，但是電動(dòng)汽車性能技術(shù)卻存在諸多瓶頸，難以突破，其綜合性能難以企及汽油車水平。EV制約于動(dòng)力電池，如今被看好的燃料電池尚難預(yù)測何時(shí)上市，一般認(rèn)為鋰離子電池是EV汽車推進(jìn)的汽車動(dòng)力最佳候選電池。各國現(xiàn)在都在大力研究純電動(dòng)汽車尤其是困擾電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素一一動(dòng)力電池。美國在1993年就提出新一代汽車伙伴(PNGV)計(jì)劃，然而由于其研制的新車未能滿足用戶在價(jià)格上的要求，不具有市場價(jià)值，該計(jì)劃于2002年被迫中止，同時(shí)宣布以自主協(xié)作汽車研究(FreedomCAR)計(jì)劃取代PNGV計(jì)劃，重點(diǎn)開發(fā)燃料電池汽車，然而現(xiàn)如今在汽車各項(xiàng)技術(shù)論壇上，美國卻極少再提燃料電池，而中國受其影響卻對(duì)此投入大量資金但難有收效，中國汽車業(yè)是否該不受美國蒙騙獨(dú)自認(rèn)真考慮燃料電池是否具有發(fā)展前景呢？進(jìn)入21世紀(jì)，日本也開始大力研究EV，首先是2001年的低公害車開發(fā)普及行動(dòng)計(jì)劃，然后是JHFC示范工程和專項(xiàng)研究計(jì)劃，其中專項(xiàng)研究計(jì)劃中的氫燃料也是本田公司的最終目標(biāo)。歐盟方面，1998~2006年實(shí)施了FP5和FP6計(jì)劃，以及燃料電池研究發(fā)展示范(R&DD)計(jì)劃、燃料電錘巴士示范計(jì)劃，現(xiàn)在正在實(shí)施歐洲電動(dòng)車城市運(yùn)輸系統(tǒng)(ELCIDIDS)計(jì)劃，主要目的是使用電動(dòng)汽車進(jìn)行城市運(yùn)輸，從而評(píng)估城市運(yùn)輸系統(tǒng)的效率和環(huán)境的影響。我國于1998年6月在廣東汕頭成立國家電動(dòng)汽車運(yùn)行試驗(yàn)示范區(qū)，國家科技部制定了'十五'國家863計(jì)劃'電動(dòng)汽車重大事項(xiàng)’。在USABC和ALABC的組織下，世界各國經(jīng)過8年努力，使電動(dòng)車用閥控式密封鉛蓄電池技術(shù)有了大幅度提高，克萊斯勒公司在EPIC型電動(dòng)車上裝了MH/NI電池后，一次充電行駛路程達(dá)90Km，而最近一款裝有鋰離子電池的BMW電動(dòng)汽車，一次充電行駛路程達(dá)到320Km，啟動(dòng)性能也相當(dāng)好，4秒內(nèi)即可完成120公里加速，全充電時(shí)間為4h，巴黎車展上也展出了10款電動(dòng)汽車，其中一款的功率達(dá)到了百馬力以上。做為最佳候選電池的鋰離子電池，其技術(shù)的入門門檻不高，但要做好卻并不容易。就我國而言，鋰電池技術(shù)的研究存在諸多課題待完善，首先是內(nèi)阻的問題，目前我國最好的水平和國外最好的水平相差10倍；另一個(gè)是電池一致性的問題，鋰電池有一個(gè)特性，過充電和過放電都不好，像手機(jī)等使用的單片鋰電池問題容易控制，但汽車使用的鋰電池是若干個(gè)復(fù)雜串并聯(lián)在一起的，如果一致性不好，就容易造成有的過充、有的充不足的現(xiàn)象，這會(huì)影響整個(gè)電池的使用壽命和成本。目前國內(nèi)外對(duì)這個(gè)問題都還沒有完全解決。此外，現(xiàn)在電池的電壓約為100伏至600伏，一旦發(fā)生汽車事故，如何保持乘客不觸電，也是當(dāng)前亟待突破的技術(shù)難題之一。5結(jié)束語HEV、PHEV、EV，電動(dòng)汽車的三種技術(shù)路徑，已經(jīng)逐漸普及的HEV>^今是研究熱點(diǎn)而頗有希望的PHEV、承載著人類無限希望卻有太多難以攻克技術(shù)瓶頸的EV,如何克服重重技術(shù)難題達(dá)到汽車行業(yè)的下一個(gè)高地一一新能源汽車，何實(shí)現(xiàn)新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化?