电气工程概论

新能源汽车

在经过全力老师对新能源汽车的介绍后，我感受颇多。无论是对新能源汽车的概念还是对我们电气专业在新能源汽车领域的就业情况都有了一定了解。

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料，但采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括有：混合动力汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV)、燃料电池汽车(FCEV)、氢发动机汽车以及燃气汽车、醇醚汽车等等。其中现在研究的较多的是混合动力汽车，纯电动汽车和燃料电池汽车。下面就重点对这三种汽车的概念，发展现状，研究的重难点及与我们电气专业的相关联系等进行简介。

混合动力型是指那些采用传统燃料的，同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。按照燃料种类的不同，主要又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。目前国内市场上，混合动力车辆的主流都是汽油混合动力，而国际市场上柴油混合动力车型发展也很快。 混合动力汽车的优点是：1、采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。2、因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。5、可以利用现有的加油站加油，不必再投资。6、可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。混合动力汽车的核心是电池（包括电池管理系统）技术。除此之外，还包括发动机技术、电机控制技术、整车控制技术等，发动机和电机之间动力的转换和衔接也是重点。从目前情况来看，我国

已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。截止到2009年1月31日，在混合动力车辆技术领域，我国知识产权局受理并公开的中国专利申请为1116件。 在1116件专利申请中，发明为782件（授权为107件）、实用新型为334件。混合动力系统的研发需要解决很多技术问题，比如控制策略的设计、内燃机燃烧系统的优化、蓄电池的改进、传动系统的匹配设计和新材料新工艺的应用等等。由于我是学电气的，所以就对混合动力汽车的一项关键技术即对发动机的优化进行介绍。混合动力电动汽车控制策略的设计主要考虑以下几点：

（1） 优化发动机的工作点：基于最佳燃油经济性、最低排放或者二者选其一，根据发动机的转矩/转速特性曲线确定最优工作点；

（2） 优化发动机的工作曲线：如果发动机需要发出不同的功率，相应的最优工作点就构成了发动机的最优工作曲线；

（3） 优化发动机的工作区：在转矩/转速特性曲线上，发动机有一个首选的工作区，在此工作区内，燃油效率最高；

（4） 最小的发动机动态波动：应控制发动机的工作转速以避免波动，从而使发动机的动态波动达到最小；

（5） 限制发动机最低转速：当发动机低速运行时，燃油效率很低，因而当发动机转速低于某一下限值时，应关闭发动机；

（6） 减少发动机的开/关次数：频繁地开/关发动机，引起油耗和排放增加。

可以从上看出发动机对混合动力汽车的重要性。正是由于以上的优点及混合动力汽车的性能等决定了混合动力汽车是这三种新能源汽车中能广泛应用于商业运作的。

纯电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车，大部分车辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力、风力、光、热等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。有专家认为，对于电动车而言，目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程，与混合动力相比，电动车更需要基础设施的配套，而这不是一家企业能解决的，需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会。 优点:技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。缺点: 目前蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本，有些试用结果比汽车贵，有些结果仅为汽车的1／3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。 由于纯电动汽车的技术已经相当成熟但商业化成本太高，就不在对其讨论。

燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池

的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。 近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒－克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布，计划在2004年以前将燃料电池汽车投向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步。 与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点： 1、零排放或近似零排放。 2、减少了机油泄露带来的水污染。 3、降低了温室气体的排放。 4、提高了燃油经济性。 5、提高了发动机燃烧效率。 6、运行平稳、无噪声。由于汽车是移动式交通工具，因此要求车用燃料电池具有较高的能量密度以及作为车辆所必需的快速起动和动力响应的能力，同时，具有成本低、安全性好、寿命长等特点。从能量密度、操作温度、耐CO2能力以及耐振动冲击能力等来看，质子交换膜燃料电池(PEMFC)最适合用作电动汽车的动力电源，它与电动机结合后，成为一种新概念的动力机，是内燃机最强有力的竞争者。 质子交换膜产电池(PEMFC)采用可传导离子的聚合膜作为电解质，所以也叫聚合物电解质燃料电池(PEFC)、固体聚合物燃料电池(SPFC)或固体聚合物电解质燃料电池(SPEFC)。PEMFC的关键技术有电极催化剂、电极结构及辅助系统。从总体来看，PEMFC是一个极为复杂的机电、液气两相控制系统，它不仅涉及到电化学反应，而且涉及了机械和电子控制，技术难度大。目前，PEMFC电池组正在加速发展，几年前主要是解决质量比能低和在汽车上的携带问题。当前要解决的问题主要是成本与CO允许值燃料电池电动汽车除了在车身、控制器及驱动系统等方面面临着与电动汽车相同的问题之外，在其储能动力源--燃料电池方面还有较多问题急需解决。综合以上，燃料电池在商业化进程中技术还不够成熟，成本也高，因此，暂时商业化还不太能。

09年2月，财政部、科技部、发改委、工信部等四部委召开“节能与新能源汽车示范

推广试点会议”。由于一些城市积极申请参与，参与“十城千辆”计划的城市名单目前已经增至13个，北京、上海等城市入选。长度10米以上的城市公交客车是当时补贴的重点，其中混合动力客车每辆最高补贴42万元，纯电动和燃料电池客车每辆分别补贴50万元和60万元。“这个试点收效非常好，已经推广了数千辆新能源汽车，今年打算扩大试点，并在部分城市启动个人购买新能源汽车的试点。” 财政部和工信部在全国“两会”期间同时表示，个人购买新能源汽车将实行购置补贴。 财政部对混合动力汽车的补贴按照节油率分为五档补贴标准，最高每辆车补贴5万元;纯电动汽车每辆可补贴6万元;燃料电池汽车每辆补贴25万元。 十米以上城市公交客车另有标准，其中混合动力汽车分为使用铅酸电池和使用镍氢电池、锂离子电池两类，最高补贴额分别为8万元/辆和42万元/辆;纯电动汽车补贴标准为50万元/辆;燃料电池汽车的补贴标准最高为60万元/辆。 2010年6月，财政部等多部委联合发布《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》，确定在上海、长春、深圳、杭州、合肥等5个城市启动私人购买新能源汽车补贴试点工作。《通知》明确，中央财政对试点城市私人购买、登记注册和使用的插电式混合动力乘用车和纯电动乘用车给予一次性补贴。补贴标准根据动力电池组能量确定，对满足支持条件的新能源汽车，按3000元/千瓦时给予补贴。插电式混合动力乘用车每辆最高补贴5万元，纯电动乘用车每辆最高补贴6万元。可见国家对新能源汽车是非常重视的。

上述三种新能汽车的技术难点中都不约而同地提到了发电机与电动机，从中可以看出电机对新能源汽车的重要程度。我很荣幸学的是电气，也学了《电机学》，现在也在学《电力拖动》，在听完全力老师讲的后，我意识到电机的重要性以及新能源汽车对我们学电气的来说是一个机会，这让我在以后能更认真的学习电气方面的相关知识，因为有了动力。