【文章內容簡介】 車。 由于電能是二次能源，它可以來源于如風能、水能、核能、熱能、太陽能、等多種方式，所以電動汽車是非常有發(fā)展前景的替代能源汽車。目前，制約電動汽車發(fā)展的主要因素為蓄電池技術。 純電動汽車 目前純電動汽車系統(tǒng)主要由三個子系統(tǒng)組成 (圖 )，即電力驅動子系統(tǒng)，能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)。其中，電力驅動子系統(tǒng)由電控系統(tǒng)、電機、機械傳動系統(tǒng)和驅動車輪等部分組成；能源子系統(tǒng)由主電源和能量管理系統(tǒng)組成，能量管理系統(tǒng)是實現(xiàn)能源利用監(jiān)控、能量再生、協(xié)調控制等功能的關鍵部件；而輔 助控制子系統(tǒng) (整車控制器 )，它接受駕駛員的踏板信號和其它信號，然后作出相應的判斷，控制各個部件作出動作，驅動汽車正常行駛，并盡可能實現(xiàn)比較高的能量使用效率。電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比結構簡單。傳統(tǒng)汽車的動力是通過剛性聯(lián)軸器和傳動軸傳遞的，而電動汽車的能量則基本上是通過柔性的電線傳輸?shù)?，并且其電機及傳動系可以有多種不同的選擇，因此電動汽車各個部件的選擇和布置有很大的靈活性。 圖 電動汽車的基本結構 制動踏板 加速踏板 電子控制裝置 功率轉化器 電動機 機械傳動裝置 車輪 車輪 能量管理系統(tǒng) 能量源 能量單元 輔助動力源 溫度控制單元 轉向動力源 電力驅動系統(tǒng) 能源 輔助控制子系統(tǒng) 方向盤 能源子系統(tǒng) 7 (1) 電力驅動及控 制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是區(qū)別于內燃機汽車的最大不同點。電力驅動及控制系統(tǒng)由驅動電機、電源和電機的調速控制裝置等組成。電動汽車的其它裝置基本與內燃機汽車相同。電源為電動汽車的驅動電機提供電能，電機將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝置或直接驅動車輪和工作裝置。 (2) 驅動電機的作用是將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝置或直接驅動車輪和工作裝置。原來電動汽車上廣泛采用直流串激電機，但直流電機由于存在換向火花，比功率較小、效率較低，維護保養(yǎng)工作量大，隨著電機技術和電機控制技術的發(fā)展，勢必逐漸被直流無刷電機 (BCDM)、開關磁阻電機 (SRM)和交流異步電機所取代 [4]。 (3) 電機調速控制裝置是為電動汽車的變速和方向變換等設置的，其作用是控制電機的電壓或電流，完成電機的驅動扭矩和旋轉方向的控制。早期的電動汽車上，直流電機的調速采用串接電阻或改變電機磁場線圈的匝數(shù)來實現(xiàn)。因其調速是有級的，且會產生附加的能量消耗或使用電機的結構復雜，現(xiàn)在已很少采用。目前電動汽車上應用較廣泛的是晶閘管斬波調速，通過均勻地改變電機的端電壓，控制電機的電流來實現(xiàn)電機的無級調速 [5]。在電子電力技術的不斷發(fā)展中，它也逐漸被其它電力晶 體管斬波調速裝置所取代。從技術的發(fā)展來看，伴隨著新型驅動電機的應用，電動汽車的調速控制轉變?yōu)橹绷髂孀兗夹g的應用，將成為必然的趨勢。在驅動電機的旋向變換控制中，直流電機依靠接觸器改變電樞或磁場的電流方向，實現(xiàn)電機的旋向變換，這使得電路復雜、可靠性降低。當采用交流異步電機驅動時，電機轉向的改變只需變換磁場三相電流的相序即可，可使控制電路簡化。此外，采用交流電機及其變頻調速控制技術，使電動汽車的制動能量回收控制更加方便，控制電路更加簡單。 (4) 電動汽車傳動裝置的作用是將電機的驅動扭矩傳給汽車的驅動軸，當采用電力驅動時，傳動裝置的多數(shù)部件常常可以忽略，如無需傳統(tǒng)內燃機汽車的離合器，因為電機可以帶負載起動。電動汽車也無需內燃機汽車變速器中的倒檔。因為驅動電機的旋向可以通過電路控制實現(xiàn)變換。當采用電機無級調速控制時，電動汽車可以忽略傳統(tǒng)汽車的變速器。在采用電力驅動時，電動汽車也可以省略傳統(tǒng)內燃機汽車傳動系統(tǒng)的差速器。 混合動力電動汽車 混合動力電動汽車是指包含兩種或兩種以上動力源并能協(xié)調工作的車輛?；旌蟿恿﹄妱悠嚦浞掷酶鞣N動力源的優(yōu)點，通過自動控制形成最優(yōu)匹配，通常其中一種動力源可以存儲另一種動力源的 多余能量以及回收存儲車輛減速時的制動能，能將它們傳輸給傳動系統(tǒng)，供附件使用或用于協(xié)助驅動車輛 [6]。混合動力電動汽車有串聯(lián)混 8 合動力電動汽車、并聯(lián)混合動力電動汽車和混聯(lián)混合動力電動汽車三種類型。 (1) 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)：發(fā)動機輸出的機械能首先通過發(fā)電機轉化為電能，轉化后的電能一部分用來給蓄電池充電，另一部分經由電動機和傳動裝置驅動車輪 。 盡管串聯(lián)式混合動力的結構簡單，但它需要三個驅動裝置：發(fā)動機、發(fā)電機和電動機。 此外 ，該種混合方式的車輛的效率通常較低。 (2) 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)：采用發(fā)動機和電動機兩套獨立 的驅動系統(tǒng)驅動車輪。發(fā)動機和電動機通常通過不同的離合器來驅動車輪，可以采用發(fā)動機單獨驅動、電動機單獨驅動或者發(fā)動機和電動機混合驅動三種工作模式。當發(fā)動機提供的功率大于車輛所需驅動功率時或者當車輛制動時，電動機工作于發(fā)電機狀態(tài)，給蓄電池充電。與串聯(lián)式混合動力相比，它只需要兩個驅動裝置，即發(fā)動機和電動機。在蓄電池放完電之前，如果要得到相同的性能，并聯(lián)式比串聯(lián)式的發(fā)動機和電動機的尺寸要小。 (3) 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)：在結構上綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點。與串聯(lián)式相比， 混聯(lián)混合動力電動汽車 增加了機械動力的傳遞路線； 與并聯(lián)式相比，它增加了電能的傳輸路線。盡管綜合了串、并聯(lián)的優(yōu)點，但其結構復雜，成本高。然而，隨著控制技術和制造技術的發(fā)展 ， 一些現(xiàn)代混合動力電動汽車更傾向于選擇這種結構。 燃料電池電動汽車 燃料電池是一種把燃料氧化的化學能直接轉換為電能的 “ 發(fā)電裝置 ” ，它能夠使用多種燃料，可以是石油燃料也可以是有機燃料，還可以使用包括再生燃料在內的幾乎所有的含氫元素的燃料。燃料經過轉化成為氫后，以氫作為燃料的燃料電池，它的能量轉換不受卡諾循環(huán)規(guī)律的限制，熱效率要高的多，可達到 34%至 40%。燃料電池在運行過程中，不 需要復雜的機械傳動裝置，不需要潤滑劑且沒有振動與噪聲。 燃料電池依據(jù)其電解質的性質而分為不同的類型，每類燃料電池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的應用。按電解質劃分，燃料電池大致上可分為五類 ：① 質子交換膜燃料電池 ；② 堿性燃料電池 ；③ 磷酸燃料電池 ；④ 溶化的碳酸鹽燃料電池 ；⑤ 固態(tài)氧化物燃料電池。 而目前的燃料電池技術多以質子交換膜燃料電池為主。 質子交換膜燃料電池的關鍵材料與部件為 ：① 電催化劑 ；② 電極（陰極與陽極） ；③ 質子交換膜 ；④ 雙極板。 9 氫燃料電池在工作時，氫在陽極被轉變成氫離子的同時釋放出電子，電子通過外電路回到電池陰極，與此同時，氫離子則通過電池內部高分子膜電解質到達陰極。在陰極，氧氣轉變?yōu)檠踉?，氧原子得到從陽極傳過來的電子變成氧離子，和氫離子結合生成水。因此電子在外電路行成直流電，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極提供供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負載連續(xù)的輸出電能。 10 3 汽車新能源技術的主要比較 各種新能源汽車技術的特點分析 由于目前汽車新能源技術繁多，發(fā)展進度又有所不同，并且在使用中也存在著很多問題。因此以下將對各種汽車新能源技術的特點加以分析、總結。 天然氣汽車 天然 氣汽車由于使用的天然氣在我國儲量非常豐富 ,加上近幾年國家的大量開發(fā)以及天然氣管道網(wǎng)絡建設的完善性，天然氣汽車將得到長足性的發(fā)展。 優(yōu)點 ：① 天然氣在我國儲量豐富，可廣泛使用 。② 天然氣管道網(wǎng)絡建設完善，加氣站的建設成本大大降低 。③ 普通燃油汽車改裝成天然氣汽車成本較低且技術成熟 。④ 天然氣汽車與普通燃油汽車百公里使用成本相比，天然氣汽車較低 。⑤ 從排放上來說，天然氣汽車排放廢棄物較少。 缺點 ：① 天然氣的能量密度低，使得隨車一次儲存的燃料所能維持的續(xù)駛里程明顯縮短 。② 動力性較差。 醇類燃料汽車 由于醇類燃 料是可再生資源，它的制取可以通過生物發(fā)酵制取，從而得到很多國家的廣泛應用。由于乙醇再運用中可將其摻入汽油使用，所以可以大大減少石油的使用。 優(yōu)點 ：① 可再生，具有長期使用的價值 。② 廢氣排放在理論計算上幾乎可忽略為零 。③ 使用方便，辛烷值高 。 缺點 ：① 具有一定的金屬腐蝕性。②熱值較低。 氫燃料汽車 氫燃料汽車是一種真正實現(xiàn)零排放的交通工具，排放出的是純凈水，它具有無污染，零排放，制取原料豐富等優(yōu)勢。因此，氫燃料汽車是傳統(tǒng)汽車最理想的替代方案。但是與傳統(tǒng)動力汽車相比，氫動力汽車成本至少高出 20%。 優(yōu)點 ：① 排放物是純水，行駛時不產生任何污染物 。② 氫極易點燃，火焰?zhèn)鞑ヌ匦暂^好，容易實現(xiàn)稀薄燃燒。 缺點 ：① 氫的沸點為很低且常溫下為氣體，攜帶性和安全性差 。② 氫氣在汽車上的存儲相當不便 。③ 動力性較差 。④ 氫的制取較為復雜且制取成本過高。 11 混合動力汽車 由于目前純電動汽車在使用中受到電池續(xù)航能力以及充電設施建設不完善，因此在傳統(tǒng)能源汽車向純電動汽車過渡這段時期，混合動力汽車起著關鍵的作用。 優(yōu)點 ：① 采用混合動力后可按平均需要的功率來確定內燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內 燃機功率不足時，由電池來補充；負荷少時，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣 。② 因為有了電池，可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量 。③ 在繁華市區(qū)，可關停內燃機，由電池單獨驅動，實現(xiàn)“零”排放 。④ 有了內燃機可以十分方便地解決耗能大的空調、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題 。⑤ 可以利用現(xiàn)有的加油站加油，不必再投資 。⑥ 可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過充、過放，延長其使用壽命，降低成本。 缺點：長距離高速行駛基本不能省油。 燃料電 池汽車 氫燃料電池汽車中最重要的技術就是質子交換膜，由于現(xiàn)在質子交換膜造價較高且技術大部分掌握在少數(shù)國家里，因此氫燃料電池在應用普及方面受到了很大的限制。 優(yōu)點 ：① 運行平穩(wěn)、無噪聲 。② 能源來源廣泛，可以是氫氣、甲烷、乙醇等 。③以氫作為燃料的燃料電池，它的能量轉化不受卡諾循環(huán)規(guī)律的限制，熱效率較高。 缺點 ：① 質子交換膜成本過高 。② 氫的制取成本過高。③加氫站建設成本過高。 純電動汽車 純電動汽車通過車輛自身攜帶的高效儲能電池向電動機供電，由電動機直接向驅動軸輸出扭矩，汽車取消了傳統(tǒng)的內燃機、離合器、 等一些復雜的傳動裝置。因此很多人認為純電動汽車將是未來新能源汽車發(fā)展的主要方向。 優(yōu)點 ：① 廢氣排放為零 。② 幾乎無機械噪聲，且運行平穩(wěn) 。③ 使用成本較低 。④結構簡單，省去很多機械裝置。 缺點 ：① 蓄電池使用壽命較短且續(xù)航能力不足 。② 充電設施建設不完善 能量轉化效率的比較 圖 是不同車速下燃油汽車與電動汽車的能量輸出曲線圖。內燃機汽車在同樣工況下的能耗遠遠大于純電動汽車的能耗，據(jù)統(tǒng)計，內燃機在低速區(qū)域的能量轉化效率最低 (僅為 12％ )。應用混合動力技術，汽車在低速行駛時切換到電能驅動模式，可大幅度降低能量 損耗，減少排放。盡管混合動力汽車在啟動和低速運行工況下，避免了高能耗和排放，但在高速行駛時若仍然采用燃油驅動，其能耗和排放還是明顯大于 12 純電動汽車。 圖 燃油汽車與電動汽車能耗曲線圖 減少耗油量的比較 表 為 同一車型利用不同技術路線而減少耗油量的比較，在對多種動力汽車技術計算其整體擁有成本時，按 照 5 年 的平均擁有期將車輛的起初成本、再銷售價值以及預計節(jié)油量納入考量范圍。通過比較可以得出結論，純電動汽車可以最有效地減少對石油的依賴，是解 決能源安全問題的最佳方案 表 不同技術路線的耗油量 技術方式 醇類汽車 天然氣汽車 混合動力汽車 純電動汽車 消減耗油量 (%) 41 50 30 50~100 減少碳排放的比較 從表 可以看 出，對比其它的汽車動力技術，混合動力技術的減碳排放比可達56％；電動汽車利用太陽能發(fā)電以及風力發(fā)電，因此純電動汽車碳排放為零，考慮到目前的火力發(fā)電，故而純電動汽車平均碳排放比可以達 到 30％。 所以采用清潔能源發(fā)電配合純電動車技術是解決機動車環(huán)境污染問題的最佳方案。 0 25 100 125 1 2 3 4 5 6..0 速度（ km/h） 75 50 能耗（MJ/km） 燃油汽車 電動汽車 13 表 不同技術路線對減少碳 排放的比較 技術方