混合能源電動(dòng)汽車的技術(shù)應(yīng)用研究分析

混合能源電動(dòng)汽車具有節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、行駛里程不受限制和不改變基本的基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)點(diǎn)，最主要的是目前技術(shù)已經(jīng)基本成熟，被認(rèn)為是當(dāng)前電動(dòng)汽車中最具有產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化前景的車型之一。

其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.能源介紹

3.1燃料電池+超級(jí)電容

燃料電池是能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陰極和陽極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。只要連續(xù)不斷地向燃料電池內(nèi)輸入氧化劑和燃料，就能不斷提供電能，這是它與常規(guī)電池的區(qū)別。其優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面：

(1)工作時(shí)間長：燃料電池具有連續(xù)工作時(shí)間長和能量轉(zhuǎn)換效率高兩種優(yōu)勢(shì)。

(2)高效：它不通過熱機(jī)過程，不受卡諾循環(huán)的限制，其能量轉(zhuǎn)化效率在40-60%;如果實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達(dá)80%以上。

(3)環(huán)境友好：以純氫為燃料時(shí)，燃料電池的化學(xué)反應(yīng)物僅為水，二氧化碳的排放量大量減少，這對(duì)緩解溫室效應(yīng)起到重要作用。

(4)安靜：燃料電池工作部件很少，工作時(shí)噪音低。

(5)可靠性高：燃料電池經(jīng)歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發(fā)展階段，其運(yùn)行非?？煽浚梢宰鳛椴婚g斷電源和各種應(yīng)急電源使用。

燃料電池啟動(dòng)時(shí)的反應(yīng)速度不及內(nèi)燃機(jī)引擎，若提高反應(yīng)速度則必須保證它的穩(wěn)定性。它還具有相對(duì)較軟的輸出特性，會(huì)導(dǎo)致效率下降，為解決此問題，需由燃料電池和有較硬輸出特性的DC/DC變換器組成一個(gè)整體，負(fù)責(zé)對(duì)整車供電。

為了解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾，可以采用由主能源--燃料電池提高最佳的續(xù)駛里程，而由輔助能源--超級(jí)電容在加速和爬坡時(shí)提供短時(shí)的輔助動(dòng)力。輔助能源系統(tǒng)的能量可以直接取自主能源，也可以在電動(dòng)汽車剎車或下坡時(shí)回收可再生的動(dòng)能。超級(jí)電容具有負(fù)載均衡作用，燃料電池的放電電流減少使電池的可利用能量、使用壽命得到顯著提高。

3.2太陽能電池+蓄電池

太陽能是一種可再生的綠色能源。太陽能電池是符合可持續(xù)發(fā)展的一種節(jié)能環(huán)保電池。在車體上安裝太陽能電池，主要目標(biāo)是質(zhì)量小，安全，受到空氣阻力最小和太陽能吸收能量最大化。目前得到廣泛應(yīng)用的是晶硅電池和薄膜電池，其轉(zhuǎn)換效率和成本潛力如表1所示。

考慮到天氣變化和特殊情況的發(fā)生，蓄電池通常作為輔助能源和太陽能電池一起使用。太陽照射太陽能電池時(shí)，光能轉(zhuǎn)換成電能驅(qū)動(dòng)車輛行駛。剩余電量由蓄電池儲(chǔ)存，以便太陽電池電量不足時(shí)由蓄電池驅(qū)動(dòng)車輛行駛。當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)還可由蓄電池回收制動(dòng)能量。

3.3混合能源驅(qū)動(dòng)模式

系統(tǒng)根據(jù)道路和天氣情況選擇車輛的驅(qū)動(dòng)模式：當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到蓄電池的SOC值較低時(shí)，進(jìn)入燃料電池作為主能源的工作模式;在城市道路低速行駛和蓄電池電量充足時(shí)，進(jìn)入太陽能驅(qū)動(dòng)模式;在電動(dòng)汽車爬坡或加速時(shí)，及時(shí)利用其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提供必要的輔助動(dòng)力，進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式;當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)給蓄電池充電，進(jìn)入再生制動(dòng)能量回收模式;當(dāng)車輛靜止時(shí)，進(jìn)入蓄電池充電模式。

4.混合能源電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)

混合能源電動(dòng)汽車是幾種電池的結(jié)合，由于混合能源電動(dòng)汽車自身的特殊性，使得對(duì)汽車儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)變換裝置、控制系統(tǒng)裝置要求較高，不僅需要有較高的穩(wěn)定性，而且要求經(jīng)濟(jì)高效。混合動(dòng)力汽車需要解決的幾個(gè)核心問題是：雙向DC/DC變換器技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及能量管理技術(shù)等。

4.1雙向DC/DC(直流/直流)變換器技術(shù)

DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。

DC/DC變換器內(nèi)部一般具有PWM(脈寬調(diào)制)模塊，E/A(差錯(cuò)放大器)模塊，比較器模塊等幾大功能模塊。目前，大多數(shù)DC/DC變換器只能實(shí)現(xiàn)能量單向流動(dòng)。然而，對(duì)于蓄電池和超容量電容器這種要求能量雙向流動(dòng)的器件，單向DC/DC變換器有很大的局限性，這就需要雙向DC/DC變換器。

雙向DC/DC變換器使整體電路簡(jiǎn)單化，非常方便的實(shí)現(xiàn)了能量的雙向傳輸，與兩個(gè)單向DC/DC變換器反向并聯(lián)相比，有效率高、體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)包括電動(dòng)機(jī)技術(shù)、控制器和功率電子器件。電動(dòng)機(jī)和控制器是提高混合能源電動(dòng)汽車的行駛里程、驅(qū)動(dòng)性能和可靠性的保證。電動(dòng)機(jī)要具有很寬的調(diào)速范圍，在恒功率區(qū)低轉(zhuǎn)矩時(shí)有很快的速度，以滿足在平坦路面能高速行駛，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)低速運(yùn)行時(shí)有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動(dòng)和爬坡要求。在混合能源電動(dòng)汽車中，電動(dòng)機(jī)的選型原則一般有以下幾點(diǎn)：

(1)高性能、低自重、小尺寸;

(2)在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較高的效率;

(3)電磁輻射盡量小;

(4)成本低。

目前，在混合能源電動(dòng)汽車上采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和交流異步電機(jī)等。這些電機(jī)的主要優(yōu)缺點(diǎn)可如表2所示。

4.3能量管理技術(shù)

混合能源電動(dòng)汽車的能量管理包括兩個(gè)方面：整車的能量管理和蓄電池的能量管理。整車的能量管理中，混合能源電動(dòng)汽車需具備能量管理系統(tǒng)，在車輛行駛過程中，系統(tǒng)能隨時(shí)隨地對(duì)車輛的能耗進(jìn)行計(jì)算，并通過剩余能量將計(jì)算數(shù)據(jù)顯示出來，使駕駛?cè)藛T清楚車輛的行駛里程，以便對(duì)如何行使做出正確的決定。對(duì)于電池的能量管理一般包括以下幾個(gè)方面：

(1)準(zhǔn)確計(jì)算電池組SOC，SOC對(duì)整車的控制策略起到至關(guān)重要的作用;

(2)對(duì)電池單體/模塊的電壓和溫度的監(jiān)控;

(3)能對(duì)電池組進(jìn)行熱管理，包括需要時(shí)對(duì)電池組進(jìn)行冷卻或加熱。

5.結(jié)語

眾所周知，我國的石油資源極度匱乏，人均占有量?jī)H是世界的1/10，在此背景下，我們必須節(jié)約能源，減緩汽車消耗資源的速率?；旌夏茉措妱?dòng)汽車是適應(yīng)時(shí)代變化的產(chǎn)物，這是其一。其二，汽車業(yè)是我們國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要的支柱。其三，快速發(fā)展的汽車業(yè)給環(huán)境保護(hù)帶來很大的壓力，不僅是廢氣的排放，其產(chǎn)生噪聲都會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，發(fā)展混合能源電動(dòng)汽車，可以減輕環(huán)境污染，為我們提供一個(gè)更好的生存環(huán)境做出貢獻(xiàn)。