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)院熱能與動力工程（汽車發(fā)動機）42091214姜霖【摘要】HEV 混合動力裝置，指汽車使用汽油驅(qū)動和電力驅(qū)動兩種驅(qū)動方式，動力性好，排放量低，電能的來源都是發(fā)動機；PHEV——插電式混合動力汽車，主要使用電能運行，發(fā)動機只是作為輔助運行系統(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——純電動汽車是完全由可充電電池提供動力源的汽車。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)燃機汽車不僅對人類的環(huán)境帶來嚴重危害，并且造成了巨大的能源消耗。環(huán)境保護的迫切性和石油儲量日見短缺的壓力，迫使人們重新考慮未來汽車的動力問題。經(jīng)過對各種新燃料、新能源和新動力的探索，以節(jié)能環(huán)保低碳為主要目的電動汽車成為最主要的選擇之一。HEV是指采用了兩種動力裝置（內(nèi)燃機和電動機），通過儲能裝置（蓄電池等）和控制系統(tǒng)對能量的調(diào)節(jié)，能實現(xiàn)最佳的能量分配，達到整車的低排放、低油耗和高性能的汽車。它融合了燃油汽車和電動汽車的優(yōu)點，是最具有市場價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)動機和可充放的電力儲能裝置，同時還與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，可以在純電動狀態(tài)下行駛更長時間，同時采用更小排量發(fā)動機，顯著降低油耗，降低汽車排放。EV只由電池提供動力源，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，但電動汽車現(xiàn)狀是其技術(shù)瓶頸難以突破，難以普及。2HEV混合動力汽車的關(guān)鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動力汽車整車性能，混合動力系統(tǒng)正逐漸向集成化混合動力總成系統(tǒng)發(fā)展?；旌蟿恿ζ嚨尿?qū)動系通常由不多于兩個的動力系組成，為了回收在傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛中以熱形式小號的部分制動能量的目的，通常的混合動力驅(qū)動系含有一個雙向的能源及其能量變換器。如圖一展示了混合動力驅(qū)動系的概念以及可能發(fā)生的各種動力流通路。根據(jù)不同的負載需要，混合動力的工作模式可分為一下9種：動力系I單獨向負載提供動力、動力系II單獨向負載提供動力、動力系I和II同時向負載提供動力、動力系II由負載獲得功率（制動再生能量）、動力系II從動力系I中獲得能量、動力系II從動力系I和負載中同時獲得能量、動力系I同時向負載和動力系II提供動力、動力系I向動力系II提供動力、動力系I向負載提供動力同時負載向動力系II提供功率。混合動力電動汽車中，各種電驅(qū)動系的運行模式形成了優(yōu)于單動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)，對每一特定運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，混合動力電動汽車根據(jù)動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句動刀系U允電M的功率流混合動力電驅(qū)動系戳念圖制j系D圖2混合動力電動汽車分類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)合式混合型混合動力系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)油主要通過以下途徑：發(fā)動機起動/停機、發(fā)動機工作點優(yōu)化、制動能量回收、發(fā)動機Downsize?；旌蟿恿ο到y(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)裝備于多種車型上，混合動力汽車也已經(jīng)在多個城市行駛，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)，而混合動力汽車利用電機進行制動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時間T.程車速車速時間間比例S/mV/fltm-h'])(%)13145X9916.1660.0036727.公驟動行駛工明統(tǒng)il特性行駐時間；/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制動工況統(tǒng)計特性制動時間f/s制動里程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)動能量的最終來源實際上還是只有燃料發(fā)動機一個，除了制動能量回收之外，電池為驅(qū)動車輛所提供的能量歸根結(jié)底都來自于發(fā)動機的動力輸出，而只是利用電池充放電對發(fā)動機工作狀態(tài)進行優(yōu)化以實現(xiàn)動力系統(tǒng)的較高效率以及較低的尾氣排放。所以傳統(tǒng)HEV的驅(qū)動主要還是依靠燃料發(fā)動機，即使系統(tǒng)配備良好，所能實現(xiàn)的節(jié)油效果也是有限的。一般以為，相對于使用實話燃料的發(fā)動機，電能更為高效、清潔，從這個前提是出發(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)特點上介于EV和傳統(tǒng)HEV之間，具備電機和發(fā)動機兩個驅(qū)動力，可以利用外部電網(wǎng)對車輛動力蓄電池進行充電。同時，PHEV在功能上具有以下特性：PHEV通常具備相當?shù)募冸妱映掷m(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，純電動續(xù)駛能力達到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帶來約8000美元的成本能增加。而PHEV40則會增加約11000美元成本，減少約62%的燃料消耗；所用發(fā)動機比傳統(tǒng)HEV小；PHEV通常具備多個運行模式，并且遵循優(yōu)先電能消耗的原則。常見的PHEV運行模式組合方案有以下幾種：i.純電動模式一電量消耗模式一電量維持模式一純發(fā)動機模式純電動模式一電量維持模式一純發(fā)動機模式純電動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)動機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)動機模式PHEV具有點能量消耗比例大、運行模式多的特點，使得針對它的性能評價試驗方法比較難以制定。汽車的能耗水平是以燃油消耗指標來體現(xiàn)和評價的，HEV由于同時消耗電能和燃油兩種類型的能源，因此進行能耗指標評價時通常與要統(tǒng)一到等效的燃油消耗指標。傳統(tǒng)HEV雖然運行過程中也會有電能量消耗，但所占比例一般較小，同時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)動機燃油消耗，電^OC在一個較小的范圍內(nèi)波動，相同的實驗循環(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)系得到很準確的等效的燃油消耗評價結(jié)果。對于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電池的能量儲備大部分來自于外部電網(wǎng)，而非發(fā)動機的燃油消耗，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具備多種可能的運行模式，評價時如何選取何種模式或模式組合來進行試驗才能最客觀反應(yīng)車輛的實際能耗和排放水平，也是較難解決的問題。對于PHEV和一般HEV能耗指標的評價，法規(guī)試驗方法應(yīng)盡量反映車輛實際使用過程中的平均水平，而排放指標則應(yīng)采用排放最惡劣運行模式下的測量結(jié)果作為評判依據(jù)。

傳統(tǒng)汽車、HEV、PHEV對比效果圖.□偉統(tǒng)轎車口混合動力傳統(tǒng)汽車、HEV、PHEV對比效果圖l&PHEV珂電池容做燃油涓屈費揮放量汽車價格4EV純電動汽車，最具爭議的電動汽車。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，世界各地對多種型號的車輛和電池進行試驗和考核，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制約于動力電池，如今被看好的燃料電池尚難預(yù)測何時上市，一般認為鋰離子電池是EV汽車推進的汽車動力最佳候選電池。各國現(xiàn)在都在大力研究純電動汽車尤其是困擾電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素一一動力電池。美國在1993年就提出新一代汽車伙伴(PNGV)計劃，然而由于其研制的新車未能滿足用戶在價格上的要求，不具有市場價值，該計劃于2002年被迫中止，同時宣布以自主協(xié)作汽車研究(FreedomCAR)計劃取代PNGV計劃，重點開發(fā)燃料電池汽車，然而現(xiàn)如今在汽車各項技術(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自認真考慮燃料電池是否具有發(fā)展前景呢？進入21世紀，日本也開始大力研究EV，首先是2001年的低公害車開發(fā)普及行動計劃，然后是JHFC示范工程和專項研究計劃，其中專項研究計劃中的氫燃料也是本田公司的最終目標。歐盟方面，1998~2006年實施了FP5和FP6計劃，以及燃料電池研究發(fā)展示范(R&DD)計劃、燃料電錘巴士示范計劃，現(xiàn)在正在實施歐洲電動車城市運輸系統(tǒng)(ELCIDIDS)計劃，主要目的是使用電動汽車進行城市運輸，從而評估城市運輸系統(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汽車運行試驗示范區(qū)，國家科技部制定了'十五'國家863計劃'電動汽車重大事項’。在USABC和ALABC的組織下，世界各國經(jīng)過8年努力，使電動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型電動車上裝了MH/NI電池后，一次充電行駛路程達90Km，而最近一款裝有鋰離子電池的BMW電動汽車，一次充電行駛路程達到320Km，啟動性能也相當好，4秒內(nèi)即可完成120公里加速，全充電時間為4h，巴黎車展上也展出了10款電動汽車，其中一款的功率達到了百馬力以上。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；另一個是電池一致性的問題，鋰電池有一個特性，過充電和過放電都不好，像手機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，這會影響整個電池的使用壽命和成本。目前國內(nèi)外對這個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，也是當前亟待突破的技術(shù)難題之一。5結(jié)束語HEV、PHEV、EV，電動汽車的三種技術(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)難題達到汽車行業(yè)的下一個高地一一新能源汽車，何實現(xiàn)新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化?