电动汽车和混合动力汽车关键技术的研究

清华大学汽车工程系教授  陈全世

清华大学汽车工程系教授  伦景光

 

      电动车的定义，一般的是指从车载电源，包括蓄电池、燃料电池、飞轮电池和车载发电机组获得电力，以电机驱动的车辆。一般总称这些车为“电动车辆”。所谓“电动汽车”一般的是指从车载电源上获得电力，以电机驱动，但同时又满足道路交通安全法规对汽车的制动、灯光、通过性、安全性能等各项要求，并获许在正规道路上行驶的车辆。

 

 

      电动汽车的发明，现在一般认同的看法是：1873年英国人Robert Davidson制造的一辆电动三轮车，它比内燃机为动力的汽车发明早13年。1899年法国人La Jamais Contecte创造的电动汽车时速为106 km，打破当时的世界汽车最高车速的纪录。电动汽车曾有过一段辉煌的历史。

 

      进入20世纪由于大量发现油田，石油开采提炼和内燃机技术的迅速进步，电动汽车则由于电池技术进步缓慢，在性能、价格等方面都难以与燃油汽车竞争而逐步被燃油汽车所取代。

 

      由于汽车排放的有害气体严重地污染大气，直接威协人类的健康和赖以生存的环境。经历70年代三次石油危机唤起了人类对有限石油资源的关注，电动汽车又重新受到重视。世界主要工业发达国家的政府和主要汽车制造商以及电力、环保、交通、机电等部门都投入巨大的人力、物力来研究、试验、试用电动汽车，九十年代更成为“热点”。经历了基础研究，关键技术突破，产品开发和试验，现在正在转入小批量商业化生产和实际应用探索的阶段，预计在下世纪初电动汽车将会逐步走向产业化。

 

 

发展电动汽车不仅对全球而且对我国都具有重大的长远和现实意义。其主要有以下五个方面：

 

 

      1996年底美国汽车保有量为1.956亿辆，总体估计美国大气污染物中有42 %来自汽车的排放 。一项研究报告估计在美国大气污染造成的损失每年约2290亿美元。法国的汽车保有量超过3000万辆，汽车排放造成的污染也很严重，在某些空气污染严重的季节，汽车不得不按车牌单双号隔日行驶，法国总理也只好坐电动汽车上下班。同样的情况1996 年在经济较发达的发展中国家，如墨西哥城也发生过。

 

    我国汽车排放造成的大气污染已不容忽视。尤其在大城市的市区，人口、车辆密集，楼房栉比鳞次，在十字路口、加油站、汽车场、交通干线两侧更为严重，多项大气污染指标严重超标。世界银行的一个专家组在我国调查后写的报告中指出：中国大城市的环境污染状况目前是全世界最严重的，全球空气污染最严重的20 个城市中，有10 个在中国，……每年大气污染造成的损失约为500亿美元，相当于中国1995年国民生产总值8 %。

 

      电动汽车不排放有害气体，电动汽车消耗的当量电力对大气的污染，取决于发电厂一次能源的种类，如为水能、核能、风能、地热能等则对大气没有污染，即使燃煤发电厂，燃烧过程较易控制，有害物质大量集中排放也较易清除。此外大型电厂大多建在远离城市、人口稀少的地方，对居民损害较少。

 

      此外，电动汽车的噪声也比内燃机汽车低得多。

 

 

      世界上的石油资源是有限的和不可再生的。由于经济和社会的发展对石油资源的需求量日益增加，据预测，全球的石油资源将会在未来几十年内用完。近期石油价格大幅度上涨就是一个明显的信号。

 

      我国石油资源比较缺乏，从1994年开始我国已变为石油纯进口国，预计2000年石油进口量会超过4000万 吨，石油已被认为是影响我国远期经济发展短缺矿产资源的首位。

 

     电动汽车靠电力驱动，电力可从多种能源获得，我国长期主要能源将是煤及水力，使用电动汽车将可以解除人们对石油资源日渐枯竭的担心。

 

 

      世界各国电网在深夜零点至早晨7点之间用电低谷时都富余大量电力，我国也不例外，1994年我国发电量为8200亿 kWh，但白天用电高峰时，仍缺电1230~1640亿kWh，占全国供电能力15~20 %，晚间用电低谷时富余1200亿kWh。发电厂不能时开时停，即使电力富余仍要维持整个发电系统的运转，造成很大浪费。据南方某省统计，全省供电能力为1000万kW，因其产业以轻工业为主，晚间低谷时富余电力达600万kW。按一辆电动汽车平均晚间充电用3kW计，富余电力可供200万辆汽车充电用，而电力公司并不需要对发电设备再作投资。

 

 

      据日本有关部门对如何利用进口石油进行研究，一种方式是把原油送去精炼，产出汽油，经过运输、加油再经过内燃机燃烧转化为机械能驱动汽车，有效的能量与原油所含能量之比为12 %。但另一种方式是原油经过粗炼，即送去电厂发电，经过电力输送系统，向电动汽车的电池充电，再由电机驱动车轮，其有效的能源利用率达到14－17 %，差别为2－5 %。能源利用率的提高不仅具有经济意义，而且由于消耗石油资源减少，也将同时减少CO₂和其他有害气体的排放。

 

 

      电动汽车是一个跨世纪的高科技项目，它的研究及产业化将会大大促进一系列高新技术的发展，如电能蓄存，电池或整车能量管理系统，燃料电池，高效率、高性能电动机及其控制器，低阻力轮胎，轻质复合材料应用，电子和计算机技术的应用，整车优化设计等以及相关产业的改组。

 

      从以上看出，电动汽车的研究和发展不是一个短期的临时措施，而是一个具有长远战略意义又有近期迫切需要的重大项目。

 

 

      混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle，简称HEV)是将电驱动与辅助动力单元(Auxiliary Power Unit，简称APU)合用到一辆车上。这个辅助动力单元实际上是一个燃烧(或消耗)某种燃料的原动机或动力发电机组。燃料可以是汽油、柴油等汽车的传统燃料，也可以是甲醇、乙醇、液化石油气、天然气、氢气等代用燃料。原动机可以是内燃机、燃气轮机、斯特林发动机等热机，也可以是燃料电池。

 

   目前电动汽车推广应用中的最大障碍是受电池性能的制约。主要问题是：

 

　●电池极低的比能量密度

 

　●过重的电池组使整车重量增加

 

   ●有限的续驶里程与较低的动力性能

 

　●汽车辅助功能的使用受到限制

 

　●电池组昂贵的价格及有限的循环寿命

 

     由于以上困难，在燃料电池尚未大量应用到电动汽车上之前，混合动力电动汽车是解决环境和能源问题的可行方案。最新研究表明，使用燃料电池的电动汽车，为了更好的发挥燃料电池的作用，采用混合动力系统是最佳的选择。

 

 

混合动力电动汽车可以解决电动汽车发展中“零排放”的优点，但续驶里程短、动力性能差的矛盾。它较电动汽车和传统内燃机汽车有以下优点：

 

●电池的容量减小，电动汽车自重过大的矛盾有所缓解。

 

●辅助动力单元(APU)的选用，使混合动力电动汽车的续驶里程与动力性能可以达到当前内燃机汽车的水平。

 

●虽然辅助动车单元中的原动机会有一定的废气排放产生，但由于原动机主要工作在最佳工况点附近，比传统内燃机汽车在低速、怠速、加速及最高速时内燃机变工况时的废气排放相比，可达到超低排放水平。

 

●制动能量回收系统可节省能量，同时提高制动系统的可靠性和延长制动器的使用寿命。

 

●利用原动机输出的动力直接带动车内空调、暖风、制动空压机(或真空泵)、动力转向系统等，无需消耗电池组内有限的电能。保证了乘员的舒适性和驾驶的轻便性。

 

●在某些对汽车废气排放严格限制的地区(如商业中心、旅游区、居民小区等)，混合动力电动汽车可以关闭APU，由纯电力驱动，成为零排放的电动汽车。

 

      正因为以上优点，世界各国政府、各大汽车公司都投入巨大力量开发混合动力电动汽车。

 

 

    混合动力电动汽车是电力驱动系统与传统内燃机驱动系统的组合。按照能量合成的方式可划分为串联式(Series)、并联式(Parallel)和串并联灵活驱动式(简称灵活驱动式)。它们分别适用于不同车型、不同使用工况的要求。

 

 

在混合动力电动汽车的开发研制中必须解决以下几个关键技术问题：

 

●混合动力电动汽车用电池的开发研制以及充放电特性和电池管理系统的研究。在混合动力电动汽车上要求电池不但要具备较高的能量密度，而且要求较高的功率密度及充放电效率。电池的荷电状态(State of Charge，简称为SOC)是表示电池使用特性的重要参数。经无数次不同电流的充放电循环后，电池的SOC如何定义和判断至今仍有待于研究。

 

●动力分配装置的研制。动力分配装置是以机械的方式将混合动力驱动系统的电机、内燃机以及发电机结合在一起，实现不同驱动方式的组合及分离。其要求是：能自动、快捷、方便的实现驱动方式的组合、转化和分离；高效、可靠、轻量化、成本低。

 

●  能量管理系统的研制

能量管理系统就是根据驾驶员的指令，电池的荷电状态(SOC)、充放电效率，内燃机(或燃料电池)的最佳工况，电机及发电机的效率等信息，以决定在不同行驶工况下自动实现不同驱动方式及控制策略，使汽车永远运行在最佳工况。

 

●高效低成本辅助动力单元(APU)的研制

适用于混合动力系统的原动机－小型、高速直喷式汽油机，高速燃气轮机、斯特林发动机等的优化设计，发电机、燃料电池的性能改进等，都是今后混合动力电动汽车辅助动力单元实用化的重要组成部分。

 

      混合动力电动汽车将是今后相当长时间内汽车的主要结构方式。其技术的进步将代表汽车今后发展的方向。

 

 

      清华大学电动汽车的研究工作可追朔到二十世纪七十年代，著名科学家钱伟长与汽车、电机和电化学等方面的几位教授合作研制使用锌－空气电池的电动汽车。

 

 

      1992年清华大学汽车工程系、电机工程与应用电子技术系、计算机科学与技术系以及国内有关企业、研究所共同承担了国家“八五”重点科技攻关项目－“电动汽车关键技术研究”。该项目于1996年5月通过国家计委、教委、机械工业部联合组织的项目验收委员会的验收和由国内著名电动汽车领域专家组成的鉴定委员会的鉴定。在电动汽车整车设计、计算、系统匹配、试验方法、测试设备研制等方面取得了5项具有国内领先（部分成果达到国际先进）水平的科技成果（以汽车工程系为主），在“电动汽车用稀土永磁电机及其调控系统研制”方面取得1项具有国内领先，部分指标达到国际先进水平的成果（以电机系为主）；在“电动汽车电池能量管理系统研制”、“电动汽车自动充电机研制”方面取得了2项国内领先水平的科技成果。其中“电动汽车电池、电机及整车测试技术和测试设备研制”获1997年国家教委科技进步3等奖（汽车系为主）。“电动汽车用稀土永磁电机及调控系统研制”成果获北京市1998年科技进步3等奖（电机系为主）。由攻关成果集成而研制的7辆16座电动轻型客车，经过15,000公里可靠性试验后，继续在广东汕头国家电动汽车试验示范基地和作为清华大学校园公共交通车长期运行试验。

 

 

      “九五”期间，国家将电动汽车项目列入“国家重大科技产业工程项目”。计算机系以齐国光教授为首的课题组承担了“电动概念车”车载自动充电机研制，电动汽车电池管理系统和剩余电量计，电动汽车充电机国家标准制定等专题。汽车安全与节能国家重点实验室电动车研究室、电机系以瞿文龙教授为首的课题组与广东益威电动车公司以及广东粤海汽车改装厂共同承担国家“九五”重大科技产业工程项目－实用电动汽车研制开发课题。研制开发出7辆EV6460N电动轻型客货车以及17KW稀土永磁电机调控系统。其中5辆电动轻型客货车从1996年6月开始在广东汕头国家电动汽车试验示范基地进行长期运行。目前在国家试验示范基地能坚持长期运行的7辆电动汽车全部是由清华大学的核心技术集成的结果。

 

 

      从1995年开始根据国外混合动力汽车技术研究的资料和信息，我们适时开展了混合动力汽车关键技术的研究和样车的系统匹配和设计工作。在取得了部分成果和技术储备后，于1998年与厦门金龙联合汽车工业有限公司签订联合开发7米25座混合动力电动客车的合同，与电动车研究室和电机系瞿文龙教授为首的课题组共同承担。于1999年9月研制出第一辆样车，并参加了1999年10月在北京举办的第16届电动车国际会议暨展览会。国家领导人吴邦国、邹家华参观了样车，邹家华副委员长还为样车题了词。1999年3月通过北京－清华工业开发研究院与北京市签订了研制开发混合动力轻型客车的合同，由北京市科委资助50万元并与北京市客车总厂联合研制。现在样车已经装配完成，正在进行调试和试验工作。

 

 

      以氢为“燃料”经过质子交换膜与氧发生反应生成水，而产生电能的质子交换膜燃料电池，被认为是今后电动汽车上使用的最清洁、效率最高、性能与燃油汽车相比最佳的最理想电池，是当前国内外研究的热点。从1998年开始电动车研究室与北京富原新技术开发总公司合作，探讨如何将富原公司研制的质子交换膜燃料电池应用到电动车上。经过双方的努力，解决了燃料电池与整车的动力系统参数选择和性能匹配，整车能量管理系统，燃料电池在车上对环境（温度、湿度、振动与冲击等）的适应性等关键技术，于1999年11月将富原公司的5KW燃料电池应用到电动游览车，开发出我国第一辆质子交换膜燃料电池电动车，性能达到了设计指标，填补了国内燃料电池电动车的空白。并于1999年12月参加了‘99北京国际清洁汽车技术研讨暨展示会。在此基础上，通过北京－清华工业开发研究院取得北京市经委、科委的支持和资助，电动车研究室正在与北京绿能研究所合作承担北京市“燃料电池轻型客车研制”课题。计划到2001年8月前使用北京绿能研究所的15KW质子交换膜燃料电池研制2辆燃料电池轻型客车。项目正在进行中。这是为今后国家立项研究燃料电池电动汽车的示范项目和形象工程项目。

 

 

      太阳能是地球上最丰富、最廉价和最清洁的能源。为了探讨太阳能在汽车上的应用，在电动车研究室教师的指导下，以本科学生的课外科技活动为主，与香港大学合作，从1996年正式开始太阳能电动赛车的相关技术研究和样车的研制工作。在完成了太阳能赛车的整车系统匹配、车体造型、轻量化材料的应用和轻量化结构的设计计算、动力驱动系统的优化设计、太阳能电池能量最大跟踪器的设计计算和研制的基础上，于1996年7月研制出可乘坐1人，最大时速达80Km/h的太阳能电动赛车。并于1996年8月参加了在日本能登市举办的国际太阳能车比赛。取得了由大赛组委会主席签名的设计优秀奖。1997年经过进一步改进后参加了由团中央、全国科协和全国学联组织的第五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛，获二等奖。先后有100个左右的本科生参与过太阳能赛车有关技术的研制和研究工作。不但出了成果，也培养了他们的科研能力。