新能源汽车三种技术路径

新能源汽车三种技术路——HEV、PHEV、EV汽车工程学院热能与动力工程（汽车发动机）42091214姜霖【摘要】HEV 混合动力装置，指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，动力性好，排放量低，电能的来源都是发动机；PHEV——插电式混合动力汽车，主要使用电能运行，发动机只是作为辅助运行系统，具有能够更充分地利用电能而减少传统石化燃料消耗的技术优势；EV——纯电动汽车是完全由可充电电池提供动力源的汽车。主题词：HEVPHEVEV能耗1刖言近年来，世界汽车保有量急速增长，传统的内燃机汽车不仅对人类的环境带来严重危害，并且造成了巨大的能源消耗。环境保护的迫切性和石油储量日见短缺的压力，迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。经过对各种新燃料、新能源和新动力的探索，以节能环保低碳为主要目的电动汽车成为最主要的选择之一。HEV是指采用了两种动力装置（内燃机和电动机），通过储能装置（蓄电池等）和控制系统对能量的调节，能实现最佳的能量分配，达到整车的低排放、低油耗和高性能的汽车。它融合了燃油汽车和电动汽车的优点，是最具有市场价值的低排放和低油耗汽车。PHEV是指可以利用外接电网为汽车蓄电池充电的混合动力汽车，其车辆系统的功能结构介于HEV和EV之间，兼备燃料发动机和可充放的电力储能装置，同时还与EV一样，直接连接到电网上给电池充电。PHEV比普通的HEV有更大的电池容量，可以在纯电动状态下行驶更长时间，同时采用更小排量发动机，显著降低油耗，降低汽车排放。EV只由电池提供动力源，具有无污染、低噪声、结构简单、使用维修方便、能量转换效率高以及节省石油资源等优点，但电动汽车现状是其技术瓶颈难以突破，难以普及。2HEV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整车性能，混合动力系统正逐渐向集成化混合动力总成系统发展。混合动力汽车的驱动系通常由不多于两个的动力系组成，为了回收在传统内燃机车辆中以热形式小号的部分制动能量的目的，通常的混合动力驱动系含有一个双向的能源及其能量变换器。如图一展示了混合动力驱动系的概念以及可能发生的各种动力流通路。根据不同的负载需要，混合动力的工作模式可分为一下9种：动力系I单独向负载提供动力、动力系II单独向负载提供动力、动力系I和II同时向负载提供动力、动力系II由负载获得功率（制动再生能量）、动力系II从动力系I中获得能量、动力系II从动力系I和负载中同时获得能量、动力系I同时向负载和动力系II提供动力、动力系I向动力系II提供动力、动力系I向负载提供动力同时负载向动力系II提供功率。混合动力电动汽车中，各种电驱动系的运行模式形成了优于单动力系车辆的更多灵活性。由于特有的结构和控制系统，对每一特定运行工况都有专用模式，所以能够优化车辆的全面性能、效率和排放。此外，混合动力电动汽车根据动力传输路线可分为以下4种形式：串联式、并联式、混联式和复合式，其结构如图2所示。能侦空夜吕粉【[]M，WII能侦空夜吕粉【[]M，WII句动刀系U允电M的功率流混合动力电驱动系戳念图制j系D图2混合动力电动汽车分类a)申联式混合型h)并联式混合型c)混联式混合型d)复合式混合型混合动力系统实现节油主要通过以下途径：发动机起动/停机、发动机工作点优化、制动能量回收、发动机Downsize。混合动力系统现在已经装备于多种车型上，混合动力汽车也已经在多个城市行驶，由下表的循环工况可以看出，城市工况中车辆一般处于缓加速和缓减速的工作状态，而混合动力汽车利用电机进行制动配合即可基本满足该循环工况下制定性能要求。中国典型城市公交循环统计结果总体行驶情况统ill：性行驶，|IT平均最高怠速怠速时时间T.程车速车速时间间比例S/mV/fltm-h'])(%)13145X9916.1660.0036727.公骤动行驶工明统il特性行驻时间；/s行驶里程5/m平均土速5侦■h-1)最大加速度-L)平均加速度(ill■s)613刑5523.2。.川(1.27制动工况统计特性制动时间f/s制动里程5/m平均车速顷km-h-1)最大诚速度顷"勺平均被速度"/Im's'2)334\W21.(11.{«2(1.5(13PHEV传统HEV驱动能量的最终来源实际上还是只有燃料发动机一个，除了制动能量回收之外，电池为驱动车辆所提供的能量归根结底都来自于发动机的动力输出，而只是利用电池充放电对发动机工作状态进行优化以实现动力系统的较高效率以及较低的尾气排放。所以传统HEV的驱动主要还是依靠燃料发动机，即使系统配备良好，所能实现的节油效果也是有限的。一般以为，相对于使用实话燃料的发动机，电能更为高效、清洁，从这个前提是出发，HEV应该尽量多消耗电能，少使用石化燃料，因此PHEV的概念被提出，PHEV不仅可以降低人类对石油资源的依赖,而且能够有效减少温室效应气体的排放。PHEV已经作为PNGV中实现车辆节能减排的重要技术途径之一，各国汽车界均将PHEV作为重要的发展方向，大力投入技术开发。PHEV在车辆技术特点上介于EV和传统HEV之间，具备电机和发动机两个驱动力，可以利用外部电网对车辆动力蓄电池进行充电。同时，PHEV在功能上具有以下特性：PHEV通常具备相当的纯电动持续行驶能力，所使用电池容量比传统HEV大。根据所要求的纯电动续驶能力大小的不同，电池容量差异也比较悬殊。美国能源部2006年的研究表明，纯电动续驶能力达到20Km的PHEV（简称PHEV20）可以减少50%的燃料消耗，但因电池容量增大而会带来约8000美元的成本能增加。而PHEV40则会增加约11000美元成本，减少约62%的燃料消耗；所用发动机比传统HEV小；PHEV通常具备多个运行模式，并且遵循优先电能消耗的原则。常见的PHEV运行模式组合方案有以下几种：i.纯电动模式一电量消耗模式一电量维持模式一纯发动机模式纯电动模式一电量维持模式一纯发动机模式纯电动模式一电量维持模式电量消耗模式一电量维持模式一纯发动机模式电量消耗模式一电量维持模式电量消耗模式一纯发动机模式PHEV具有点能量消耗比例大、运行模式多的特点，使得针对它的性能评价试验方法比较难以制定。汽车的能耗水平是以燃油消耗指标来体现和评价的，HEV由于同时消耗电能和燃油两种类型的能源，因此进行能耗指标评价时通常与要统一到等效的燃油消耗指标。传统HEV虽然运行过程中也会有电能量消耗，但所占比例一般较小，同时由于没有外接充电的功能，消耗电池电能的最终来源还是发动机燃油消耗，电^OC在一个较小的范围内波动，相同的实验循环下，电能量消耗和燃油消耗之间存在线性关系，因此比较容易利用这种线性关系得到很准确的等效的燃油消耗评价结果。对于PHEV，由于电能量消耗比例大，电池SOC变化的范围很大，电能量消耗与燃油消耗之间难以明确可靠的线性关系；并且PHEV电池的能量储备大部分来自于外部电网，而非发动机的燃油消耗，因此PHEV电能消耗向燃油消耗的转化也缺乏合理的依据。另外，由于PHEV具备多种可能的运行模式，评价时如何选取何种模式或模式组合来进行试验才能最客观反应车辆的实际能耗和排放水平，也是较难解决的问题。对于PHEV和一般HEV能耗指标的评价，法规试验方法应尽量反映车辆实际使用过程中的平均水平，而排放指标则应采用排放最恶劣运行模式下的测量结果作为评判依据。

传统汽车、HEV、PHEV对比效果图.□伟统轿车口混合动力传统汽车、HEV、PHEV对比效果图l&PHEV珂电池容做燃油涓屈费挥放量汽车价格4EV纯电动汽车，最具争议的电动汽车。有人说它是解决环境污染减少油耗的最佳选择，有人说它没有发展前景，毋庸置疑，世界各地对多种型号的车辆和电池进行试验和考核，但至今仍处于样车阶段，虽然今年的巴黎车展上展出多款电动汽车并有“巴黎车展将是传统汽车最后一次的亮相”的呼声，但是电动汽车性能技术却存在诸多瓶颈，难以突破，其综合性能难以企及汽油车水平。EV制约于动力电池，如今被看好的燃料电池尚难预测何时上市，一般认为锂离子电池是EV汽车推进的汽车动力最佳候选电池。各国现在都在大力研究纯电动汽车尤其是困扰电动汽车发展的关键因素一一动力电池。美国在1993年就提出新一代汽车伙伴(PNGV)计划，然而由于其研制的新车未能满足用户在价格上的要求，不具有市场价值，该计划于2002年被迫中止，同时宣布以自主协作汽车研究(FreedomCAR)计划取代PNGV计划，重点开发燃料电池汽车，然而现如今在汽车各项技术论坛上，美国却极少再提燃料电池，而中国受其影响却对此投入大量资金但难有收效，中国汽车业是否该不受美国蒙骗独自认真考虑燃料电池是否具有发展前景呢？进入21世纪，日本也开始大力研究EV，首先是2001年的低公害车开发普及行动计划，然后是JHFC示范工程和专项研究计划，其中专项研究计划中的氢燃料也是本田公司的最终目标。欧盟方面，1998~2006年实施了FP5和FP6计划，以及燃料电池研究发展示范(R&DD)计划、燃料电锤巴士示范计划，现在正在实施欧洲电动车城市运输系统(ELCIDIDS)计划，主要目的是使用电动汽车进行城市运输，从而评估城市运输系统的效率和环境的影响。我国于1998年6月在广东汕头成立国家电动汽车运行试验示范区，国家科技部制定了'十五'国家863计划'电动汽车重大事项’。在USABC和ALABC的组织下，世界各国经过8年努力，使电动车用阀控式密封铅蓄电池技术有了大幅度提高，克莱斯勒公司在EPIC型电动车上装了MH/NI电池后，一次充电行驶路程达90Km，而最近一款装有锂离子电池的BMW电动汽车，一次充电行驶路程达到320Km，启动性能也相当好，4秒内即可完成120公里加速，全充电时间为4h，巴黎车展上也展出了10款电动汽车，其中一款的功率达到了百马力以上。做为最佳候选电池的锂离子电池，其技术的入门门槛不高，但要做好却并不容易。就我国而言，锂电池技术的研究存在诸多课题待完善，首先是内阻的问题，目前我国最好的水平和国外最好的水平相差10倍；另一个是电池一致性的问题，锂电池有一个特性，过充电和过放电都不好，像手机等使用的单片锂电池问题容易控制，但汽车使用的锂电池是若干个复杂串并联在一起的，如果一致性不好，就容易造成有的过充、有的充不足的现象，这会影响整个电池的使用寿命和成本。目前国内外对这个问题都还没有完全解决。此外，现在电池的电压约为100伏至600伏，一旦发生汽车事故，如何保持乘客不触电，也是当前亟待突破的技术难题之一。5结束语HEV、PHEV、EV，电动汽车的三种技术路径，已经逐渐普及的HEV>^今是研究热点而颇有希望的PHEV、承载着人类无限希望却有太多难以攻克技术瓶颈的EV,如何克服重重技术难题达到汽车行业的下一个高地一一新能源汽车，何实现新能源汽车的产业化?