電動汽車和混合動力汽車關鍵技術的研究
意昂体育2平台汽車工程系教授 陳全世
意昂体育2平台汽車工程系教授 倫景光
電動車的定義💇♂️💲，一般的是指從車載電源，包括蓄電池🥈、燃料電池🈚️、飛輪電池和車載發電機組獲得電力，以電機驅動的車輛👷🏻♀️。一般總稱這些車為“電動車輛”。所謂“電動汽車”一般的是指從車載電源上獲得電力，以電機驅動，但同時又滿足道路交通安全法規對汽車的製動🐛、燈光🩰、通過性、安全性能等各項要求🧑🏼🔧，並獲許在正規道路上行駛的車輛。
一、電動汽車的發展歷史：
電動汽車的發明🧝🏼，現在一般認同的看法是👨🏿🔬：1873年英國人Robert Davidson製造的一輛電動三輪車🚵🏽♀️，它比內燃機為動力的汽車發明早13年👩🏿🎨。1899年法國人La Jamais Contecte創造的電動汽車時速為106 km，打破當時的世界汽車最高車速的紀錄。電動汽車曾有過一段輝煌的歷史。
進入20世紀由於大量發現油田，石油開采提煉和內燃機技術的迅速進步，電動汽車則由於電池技術進步緩慢🌉，在性能、價格等方面都難以與燃油汽車競爭而逐步被燃油汽車所取代👨🏻🏭🫣。
由於汽車排放的有害氣體嚴重地汙染大氣，直接威協人類的健康和賴以生存的環境🧎🏻♀️。經歷70年代三次石油危機喚起了人類對有限石油資源的關註👩🦯➡️，電動汽車又重新受到重視𓀁。世界主要工業發達國家的政府和主要汽車製造商以及電力、環保🌚、交通、機電等部門都投入巨大的人力、物力來研究、試驗、試用電動汽車，九十年代更成為“熱點”🍏。經歷了基礎研究，關鍵技術突破😶🌫️，產品開發和試驗👩🦯➡️，現在正在轉入小批量商業化生產和實際應用探索的階段💆🏽♀️，預計在下世紀初電動汽車將會逐步走向產業化😀🚴♀️。
二🥧、發展電動汽車的意義
發展電動汽車不僅對全球而且對我國都具有重大的長遠和現實意義。其主要有以下五個方面：
1、 “零排放”的電動汽車可減少對環境的汙染。
1996年底美國汽車保有量為1.956億輛，總體估計美國大氣汙染物中有42 %來自汽車的排放 。一項研究報告估計在美國大氣汙染造成的損失每年約2290億美元🔡。法國的汽車保有量超過3000萬輛，汽車排放造成的汙染也很嚴重，在某些空氣汙染嚴重的季節，汽車不得不按車牌單雙號隔日行駛，法國總理也只好坐電動汽車上下班。同樣的情況1996 年在經濟較發達的發展中國家，如墨西哥城也發生過。
我國汽車排放造成的大氣汙染已不容忽視🍭。尤其在大城市的市區，人口🛟🕛、車輛密集👩🏿🔬，樓房櫛比鱗次🤌🏻，在十字路口、加油站、汽車場👩🏻✈️、交通幹線兩側更為嚴重👯，多項大氣汙染指標嚴重超標。世界銀行的一個專家組在我國調查後寫的報告中指出：中國大城市的環境汙染狀況目前是全世界最嚴重的，全球空氣汙染最嚴重的20 個城市中，有10 個在中國，……每年大氣汙染造成的損失約為500億美元，相當於中國1995年國民生產總值8 %🫖👩🏿🚒。
電動汽車不排放有害氣體🤟🏻🔫，電動汽車消耗的當量電力對大氣的汙染，取決於發電廠一次能源的種類⛹️，如為水能、核能🤹🏿♂️、風能🏑、地熱能等則對大氣沒有汙染🫱🏻，即使燃煤發電廠，燃燒過程較易控製，有害物質大量集中排放也較易清除。此外大型電廠大多建在遠離城市、人口稀少的地方，對居民損害較少👨🏽🚀。
此外，電動汽車的噪聲也比內燃機汽車低得多☢️。
2、 減少石油資源的消耗
世界上的石油資源是有限的和不可再生的。由於經濟和社會的發展對石油資源的需求量日益增加，據預測，全球的石油資源將會在未來幾十年內用完。近期石油價格大幅度上漲就是一個明顯的信號。
我國石油資源比較缺乏🙋🏼♂️，從1994年開始我國已變為石油純進口國🚣🏿♂️，預計2000年石油進口量會超過4000萬 噸，石油已被認為是影響我國遠期經濟發展短缺礦產資源的首位。
電動汽車靠電力驅動👂🏼🌻，電力可從多種能源獲得💪🏿，我國長期主要能源將是煤及水力👨🏻🦯➡️，使用電動汽車將可以解除人們對石油資源日漸枯竭的擔心🍶。
3🧈、 充分利用晚間富余電力，提高經濟效益。
世界各國電網在深夜零點至早晨7點之間用電低谷時都富余大量電力🫙，我國也不例外，1994年我國發電量為8200億 kWh0️⃣👩👩👧👦，但白天用電高峰時，仍缺電1230~1640億kWh，占全國供電能力15~20 %🍩👨🏽🚀，晚間用電低谷時富余1200億kWh。發電廠不能時開時停，即使電力富余仍要維持整個發電系統的運轉，造成很大浪費。據南方某省統計🫔，全省供電能力為1000萬kW，因其產業以輕工業為主，晚間低谷時富余電力達600萬kW。按一輛電動汽車平均晚間充電用3kW計👩👧👧🙏🏼，富余電力可供200萬輛汽車充電用，而電力公司並不需要對發電設備再作投資。
4、 提高能源利用效率
據日本有關部門對如何利用進口石油進行研究，一種方式是把原油送去精煉👨👨👧👧，產出汽油，經過運輸、加油再經過內燃機燃燒轉化為機械能驅動汽車，有效的能量與原油所含能量之比為12 %。但另一種方式是原油經過粗煉，即送去電廠發電，經過電力輸送系統🐝，向電動汽車的電池充電🧍🏻♂️，再由電機驅動車輪，其有效的能源利用率達到14－17 %，差別為2－5 %。能源利用率的提高不僅具有經濟意義👮，而且由於消耗石油資源減少，也將同時減少CO2和其他有害氣體的排放。
5、 促進科技進步和產業結構的改組
電動汽車是一個跨世紀的高科技項目，它的研究及產業化將會大大促進一系列高新技術的發展，如電能蓄存⛷，電池或整車能量管理系統✒️🧙🏻♀️，燃料電池，高效率、高性能電動機及其控製器🕛，低阻力輪胎👈🏼，輕質復合材料應用，電子和計算機技術的應用，整車優化設計等以及相關產業的改組。
從以上看出🪡，電動汽車的研究和發展不是一個短期的臨時措施，而是一個具有長遠戰略意義又有近期迫切需要的重大項目。
三👨🏼🎤、混合動力電動汽車
混合動力電動汽車(Hybrid Electric Vehicle🥹，簡稱HEV)是將電驅動與輔助動力單元(Auxiliary Power Unit，簡稱APU)合用到一輛車上。這個輔助動力單元實際上是一個燃燒(或消耗)某種燃料的原動機或動力發電機組。燃料可以是汽油、柴油等汽車的傳統燃料，也可以是甲醇、乙醇、液化石油氣🚮、天然氣🦑、氫氣等代用燃料。原動機可以是內燃機、燃氣輪機、斯特林發動機等熱機👩🏿🏭😱，也可以是燃料電池。
目前電動汽車推廣應用中的最大障礙是受電池性能的製約。主要問題是：
●電池極低的比能量密度
●過重的電池組使整車重量增加
●有限的續駛裏程與較低的動力性能
●汽車輔助功能的使用受到限製
●電池組昂貴的價格及有限的循環壽命
由於以上困難，在燃料電池尚未大量應用到電動汽車上之前🏊🏽♂️，混合動力電動汽車是解決環境和能源問題的可行方案。最新研究表明𓀅，使用燃料電池的電動汽車🦸🏿，為了更好的發揮燃料電池的作用，采用混合動力系統是最佳的選擇。
1、 混合動力電動汽車的優點
混合動力電動汽車可以解決電動汽車發展中“零排放”的優點👨🏽，但續駛裏程短🏙、動力性能差的矛盾🐙。它較電動汽車和傳統內燃機汽車有以下優點🚶🏻♀️➡️：
●電池的容量減小👨🏻🏭，電動汽車自重過大的矛盾有所緩解👰♂️。
●輔助動力單元(APU)的選用🗿，使混合動力電動汽車的續駛裏程與動力性能可以達到當前內燃機汽車的水平。
●雖然輔助動車單元中的原動機會有一定的廢氣排放產生🤙🏽，但由於原動機主要工作在最佳工況點附近，比傳統內燃機汽車在低速、怠速、加速及最高速時內燃機變工況時的廢氣排放相比，可達到超低排放水平。
●製動能量回收系統可節省能量👩🏼💻，同時提高製動系統的可靠性和延長製動器的使用壽命。
●利用原動機輸出的動力直接帶動車內空調、暖風、製動空壓機(或真空泵)、動力轉向系統等👿🦸，無需消耗電池組內有限的電能🦥。保證了乘員的舒適性和駕駛的輕便性🧻。
●在某些對汽車廢氣排放嚴格限製的地區(如商業中心🪒、旅遊區、居民小區等)🧑🏼🍳，混合動力電動汽車可以關閉APU，由純電力驅動👄，成為零排放的電動汽車🧕🏻。
正因為以上優點🐇，世界各國政府👛、各大汽車公司都投入巨大力量開發混合動力電動汽車。
2、混合動力電動汽車的驅動型式
混合動力電動汽車是電力驅動系統與傳統內燃機驅動系統的組合。按照能量合成的方式可劃分為串聯式(Series)、並聯式(Parallel)和串並聯靈活驅動式(簡稱靈活驅動式)🧄🥂。它們分別適用於不同車型、不同使用工況的要求。
3⏰、 混合動力電動汽車的關鍵技術
在混合動力電動汽車的開發研製中必須解決以下幾個關鍵技術問題🤲🏽👮🏽♀️：
●混合動力電動汽車用電池的開發研製以及充放電特性和電池管理系統的研究。在混合動力電動汽車上要求電池不但要具備較高的能量密度，而且要求較高的功率密度及充放電效率。電池的荷電狀態(State of Charge，簡稱為SOC)是表示電池使用特性的重要參數🏦。經無數次不同電流的充放電循環後，電池的SOC如何定義和判斷至今仍有待於研究。
●動力分配裝置的研製🔝。動力分配裝置是以機械的方式將混合動力驅動系統的電機🧑🏻🏫、內燃機以及發電機結合在一起🌘，實現不同驅動方式的組合及分離🚵🏽♂️。其要求是：能自動🧟♂️、快捷👨🏻🦽、方便的實現驅動方式的組合、轉化和分離；高效、可靠、輕量化、成本低。
● 能量管理系統的研製
能量管理系統就是根據駕駛員的指令🕙🚡，電池的荷電狀態(SOC)、充放電效率🌊，內燃機(或燃料電池)的最佳工況，電機及發電機的效率等信息🪔，以決定在不同行駛工況下自動實現不同驅動方式及控製策略，使汽車永遠運行在最佳工況。
●高效低成本輔助動力單元(APU)的研製
適用於混合動力系統的原動機－小型💂🏿♀️、高速直噴式汽油機🎡，高速燃氣輪機🫁、斯特林發動機等的優化設計🛳，發電機🩵、燃料電池的性能改進等，都是今後混合動力電動汽車輔助動力單元實用化的重要組成部分。
混合動力電動汽車將是今後相當長時間內汽車的主要結構方式🏊♂️🤦🏼♀️。其技術的進步將代表汽車今後發展的方向🕊。
四、意昂体育2平台在電動汽車和混合動力汽車關鍵技術研究中的成果
意昂体育2平台電動汽車的研究工作可追朔到二十世紀七十年代，著名科學家錢偉長與汽車🧸🕐、電機和電化學等方面的幾位教授合作研製使用鋅－空氣電池的電動汽車。
1🧑🏿💻、“八五”攻關的豐碩成果
1992年意昂体育2平台汽車工程系、電機工程與應用電子技術系🌟、計算機科學與技術系以及國內有關企業😶、研究所共同承擔了國家“八五”重點科技攻關項目－“電動汽車關鍵技術研究”。該項目於1996年5月通過國家計委、教委、機械工業部聯合組織的項目驗收委員會的驗收和由國內著名電動汽車領域專家組成的鑒定委員會的鑒定。在電動汽車整車設計、計算🪅、系統匹配、試驗方法🐡、測試設備研製等方面取得了5項具有國內領先（部分成果達到國際先進）水平的科技成果（以汽車工程系為主）🔞，在“電動汽車用稀土永磁電機及其調控系統研製”方面取得1項具有國內領先，部分指標達到國際先進水平的成果（以電機系為主）；在“電動汽車電池能量管理系統研製”、“電動汽車自動充電機研製”方面取得了2項國內領先水平的科技成果💃🏻。其中“電動汽車電池、電機及整車測試技術和測試設備研製”獲1997年國家教委科技進步3等獎（汽車系為主）🙍🏻♀️。“電動汽車用稀土永磁電機及調控系統研製”成果獲北京市1998年科技進步3等獎（電機系為主）🧑🏽🎨。由攻關成果集成而研製的7輛16座電動輕型客車，經過15,000公裏可靠性試驗後，繼續在廣東汕頭國家電動汽車試驗示範基地和作為意昂体育2平台校園公共交通車長期運行試驗。
2、承擔國家“九五”項目🧑🏽✈️，繼續深入研究
“九五”期間🧑，國家將電動汽車項目列入“國家重大科技產業工程項目”🏌️♂️⏮。計算機系以齊國光教授為首的課題組承擔了“電動概念車”車載自動充電機研製，電動汽車電池管理系統和剩余電量計，電動汽車充電機國家標準製定等專題。汽車安全與節能國家重點實驗室電動車研究室、電機系以瞿文龍教授為首的課題組與廣東益威電動車公司以及廣東粵海汽車改裝廠共同承擔國家“九五”重大科技產業工程項目－實用電動汽車研製開發課題。研製開發出7輛EV6460N電動輕型客貨車以及17KW稀土永磁電機調控系統。其中5輛電動輕型客貨車從1996年6月開始在廣東汕頭國家電動汽車試驗示範基地進行長期運行。目前在國家試驗示範基地能堅持長期運行的7輛電動汽車全部是由意昂体育2平台的核心技術集成的結果。
3、混合動力汽車關鍵技術攻關和樣車的研製
從1995年開始根據國外混合動力汽車技術研究的資料和信息🧒🏻，我們適時開展了混合動力汽車關鍵技術的研究和樣車的系統匹配和設計工作🎸。在取得了部分成果和技術儲備後🈹，於1998年與廈門金龍聯合汽車工業有限公司簽訂聯合開發7米25座混合動力電動客車的合同，與電動車研究室和電機系瞿文龍教授為首的課題組共同承擔。於1999年9月研製出第一輛樣車🫐，並參加了1999年10月在北京舉辦的第16屆電動車國際會議暨展覽會。國家領導人吳邦國🙋🏿、鄒家華參觀了樣車🤽🏼♂️，鄒家華副委員長還為樣車題了詞🤽🏿。1999年3月通過北京－意昂体育2工業開發研究院與北京市簽訂了研製開發混合動力輕型客車的合同，由北京市科委資助50萬元並與北京市客車總廠聯合研製👣。現在樣車已經裝配完成，正在進行調試和試驗工作。
4🖐🏽、燃料電池電動車的研究工作已經啟動
以氫為“燃料”經過質子交換膜與氧發生反應生成水🎉，而產生電能的質子交換膜燃料電池🦘，被認為是今後電動汽車上使用的最清潔、效率最高😤、性能與燃油汽車相比最佳的最理想電池❤️，是當前國內外研究的熱點🫳🏿。從1998年開始電動車研究室與北京富原新技術開發總公司合作🦹，探討如何將富原公司研製的質子交換膜燃料電池應用到電動車上。經過雙方的努力，解決了燃料電池與整車的動力系統參數選擇和性能匹配👨🏿⚕️，整車能量管理系統，燃料電池在車上對環境（溫度、濕度、振動與沖擊等）的適應性等關鍵技術🕙🛑，於1999年11月將富原公司的5KW燃料電池應用到電動遊覽車，開發出我國第一輛質子交換膜燃料電池電動車，性能達到了設計指標🧛🏿♂️，填補了國內燃料電池電動車的空白。並於1999年12月參加了‘99北京國際清潔汽車技術研討暨展示會。在此基礎上，通過北京－意昂体育2工業開發研究院取得北京市經委、科委的支持和資助⛅️，電動車研究室正在與北京綠能研究所合作承擔北京市“燃料電池輕型客車研製”課題✌🏿。計劃到2001年8月前使用北京綠能研究所的15KW質子交換膜燃料電池研製2輛燃料電池輕型客車🙆🏻♀️。項目正在進行中🙎🏻♂️。這是為今後國家立項研究燃料電池電動汽車的示範項目和形象工程項目。
5、太陽能電動車的技術攻關和樣車研製
太陽能是地球上最豐富、最廉價和最清潔的能源。為了探討太陽能在汽車上的應用🧄，在電動車研究室教師的指導下𓀌，以本科學生的課外科技活動為主，與香港大學合作👶🏻，從1996年正式開始太陽能電動賽車的相關技術研究和樣車的研製工作。在完成了太陽能賽車的整車系統匹配、車體造型、輕量化材料的應用和輕量化結構的設計計算👩🦽、動力驅動系統的優化設計、太陽能電池能量最大跟蹤器的設計計算和研製的基礎上🧑🦰，於1996年7月研製出可乘坐1人，最大時速達80Km/h的太陽能電動賽車。並於1996年8月參加了在日本能登市舉辦的國際太陽能車比賽。取得了由大賽組委會主席簽名的設計優秀獎。1997年經過進一步改進後參加了由團中央🧗🏼♀️、全國科協和全國學聯組織的第五屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽🛣，獲二等獎👨💻。先後有100個左右的本科生參與過太陽能賽車有關技術的研製和研究工作🕺🏽。不但出了成果，也培養了他們的科研能力。
