混合能源电动汽车的研究

1.引言

随着经济的发展，汽车的数量不断增加，环境污染问题日趋严重。因此研究节约能源，降低排放，保护环境的汽车，以绿色环保汽车代替燃油汽车是社会可持续发展战略的需要，成为世界各国共同关注的问题。电动气车是一种节约燃油资源、减少污染甚至零排放的理想绿色汽车，是未来汽车的发展方向。发展最早的是纯电动汽车，但其充电设施不完善，行驶里程受到限制，也存在废旧电池难以回收再利用和二次污染的问题，在此背景下，混合能源电动汽车应运而生。

2.混合能源电动汽车理念

混合能源电动汽车具有节能减排、保护环境、行驶里程不受限制和不改变基本的基础设施等优点，最主要的是目前技术已经基本成熟，被认为是当前电动汽车中最具有产业化和市场化前景的车型之一。其结构图如图1所示。

3.能源介绍

3.1 燃料电池+超级电容

燃料电池是能够持续的通过发生在阴极和阳极的氧化还原反应将化学能转化为电能的一种能量转换装置。只要连续不断地向燃料电池内输入氧化剂和燃料，就能不断提供电能，这是它与常规电池的区别。其优点有以下几方面：

（1）工作时间长：燃料电池具有连续工作时间长和能量转换效率高两种优势。

（2）高效：它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率在40-60%；如果实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。

（3）环境友好：以纯氢为燃料时，燃料电池的化学反应物仅为水，二氧化碳的排放量大量减少，这对缓解温室效应起到重要作用。

（4）安静：燃料电池工作部件很少，工作时噪音低。

（5）可靠性高：燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，其运行非常可靠，可以作为不间断电源和各种应急电源使用。

燃料电池启动时的反应速度不及内燃机引擎，若提高反应速度则必须保证它的稳定性。它还具有相对较软的输出特性，会导致效率下降，为解决此问题，需由燃料电池和有较硬输出特性的DC／DC变换器组成一个整体，负责对整车供电。

为了解决电动汽车续驶里程与加速爬坡性能之间的矛盾，可以采用由主能源--燃料电池提高最佳的续驶里程，而由辅助能源--超级电容在加速和爬坡时提供短时的辅助动力。辅助能源系统的能量可以直接取自主能源，也可以在电动汽车刹车或下坡时回收可再生的动能。超级电容具有负载均衡作用，燃料电池的放电电流减少使电池的可利用能量、使用寿命得到显著提高。

3.2 太阳能电池+蓄电池

太阳能是一种可再生的绿色能源。太阳能电池是符合可持续发展的一种节能环保电池。在车体上安装太阳能电池，主要目标是质量小，安全，受到空气阻力最小和太阳能吸收能量最大化。目前得到广泛应用的是晶硅电池和薄膜电池，其转换效率和成本潜力如表1所示[1]。

考虑到天气变化和特殊情况的发生，蓄电池通常作为辅助能源和太阳能电池一起使用。太阳照射太阳能电池时，光能转换成电能驱动车辆行驶。剩余电量由蓄电池储存，以便太阳电池电量不足时由蓄电池驱动车辆行驶。当车辆制动时还可由蓄电池回收制动能量。

3.3 混合能源驱动模式

系统根据道路和天气情况选择车辆的驱动模式：当控制系统检测到蓄电池的SOC值较低时，进入燃料电池作为主能源的工作模式；在城市道路低速行驶和蓄电池电量充足时，进入太阳能驱动模式；在电动汽车爬坡或加速时，及时利用其驱动系统，提供必要的辅助动力，进入混合驱动模式；当车辆制动时，驱动电动机给蓄电池充电，进入再生制动能量回收模式；当车辆静止时，进入蓄电池充电模式。

表1 太阳能电池的转换效率和成本潜力

表2 混合能源电动汽车驱动电机比较

图1 混合能源电动汽车结构图

4.混合能源电动汽车的关键技术

混合能源电动汽车是几种电池的结合，由于混合能源电动汽车自身的特殊性，使得对汽车储能装置、电动变换装置、控制系统装置要求较高，不仅需要有较高的稳定性，而且要求经济高效。混合动力汽车需要解决的几个核心问题是：双向DC/DC变换器技术、电机驱动技术及能量管理技术等。

4.1 双向DC/DC（直流/直流）变换器技术

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。DC/DC变换器内部一般具有PWM（脉宽调制）模块，E/A（差错放大器）模块，比较器模块等几大功能模块。目前，大多数DC/DC变换器只能实现能量单向流动。然而，对于蓄电池和超容量电容器这种要求能量双向流动的器件，单向DC/DC变换器有很大的局限性，这就需要双向DC/DC变换器。

双向DC/DC变换器使整体电路简单化，非常方便的实现了能量的双向传输，与两个单向DC/DC变换器反向并联相比，有效率高、体积小、成本低的优点。

4.2 电机驱动技术

电机驱动技术包括电动机技术、控制器和功率电子器件。电动机和控制器是提高混合能源电动汽车的行驶里程、驱动性能和可靠性的保证。电动机要具有很宽的调速范围，在恒功率区低转矩时有很快的速度，以满足在平坦路面能高速行驶，在恒转矩区低速运行时有大转矩，以满足起动和爬坡要求。在混合能源电动汽车中，电动机的选型原则一般有以下几点[2]：

（1）高性能、低自重、小尺寸；

（2）在较宽的转速范围内有较高的效率；

（3）电磁辐射尽量小；

（4）成本低。

目前，在混合能源电动汽车上采用的驱动电机主要有直流电机、永磁同步电机、开关磁阻电机和交流异步电机等。这些电机的主要优缺点可如表2所示[3]。

4.3 能量管理技术

混合能源电动汽车的能量管理包括两个方面：整车的能量管理和蓄电池的能量管理。整车的能量管理中，混合能源电动汽车需具备能量管理系统，在车辆行驶过程中，系统能随时随地对车辆的能耗进行计算，并通过剩余能量将计算数据显示出来，使驾驶人员清楚车辆的行驶里程，以便对如何行使做出正确的决定。对于电池的能量管理一般包括以下几个方面：

（1）准确计算电池组SOC，SOC对整车的控制策略起到至关重要的作用；

（2）对电池单体/模块的电压和温度的监控；

（3）能对电池组进行热管理，包括需要时对电池组进行冷却或加热。

5.结语

众所周知，我国的石油资源极度匮乏，人均占有量仅是世界的1/10，在此背景下，我们必须节约能源，减缓汽车消耗资源的速率。混合能源电动汽车是适应时代变化的产物，这是其一。其二，汽车业是我们国家经济发展的一个重要的支柱。其三，快速发展的汽车业给环境保护带来很大的压力，不仅是废气的排放，其产生噪声都会对环境造成污染，发展混合能源电动汽车，可以减轻环境污染，为我们提供一个更好的生存环境做出贡献。

[1]凌凯.太阳能在汽车上的应用初探[J].节能减排及新能源汽车技术论坛,2010,9,29.

[2]刘伟,程广伟,邓楚南.电动汽车驱动电机浅析[J].电机技术,2006,3,25.

[3]窦汝振,李磊,宋建锋.电动汽车用驱动电机系统的现状及发展趋势[J].变频器世界,2007(2):73-83.

[4]赵云峰,万杰,朱自萍等.太阳能电池在汽车上的应用分析[J].农业装备与车辆工程,2011,4.

[5]郭熠.电动汽车双向DC/DC变换器的研究[D].天津:天津大学,2004.

[6]陈清泉.可持续道路交通的挑战:电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的技术路线和产业化路线[D].香港:香港大学,2008.

[7]石庆升,张承慧,崔纳新.新型双能源纯电动汽车能量管理问题的优化控制[N].济南:电工技术学报,2008,23(8).