现代车辆的新能源与节能减排技术

1.2.3.1 替代能源与提效节油减排技术

在第17届世界石油大会上，欧盟提出了常规汽、柴油燃料与替代燃料排放温室气体CO₂的比较，见表1-2-2。甲醇和二甲醚是开发中的清洁燃料，甲醇相对分子质量为32，含氧量为50%，所要求的空燃比低，只有6.4（汽油为14.8），其空燃混合气的热值与汽油的热值很接近（2656/2786）。二甲醚相对分子质量为46，含氧量为35%，空燃比为9，其空燃混合气的热值比柴油的热值高（3067/2911）。甲醇的辛烷值高达110左右，抗爆性好，二甲醚的十六烷值为60（比一般柴油高很多），这都能提高发动机的动力性能，降低排放和能耗。甲醇和二甲醚燃料的性质和燃烧性能也决定了它们比汽、柴油燃料更加清洁，排放指标优于汽、柴油。各种汽车燃料的常规和非常规排放量比较见表1-2-3和表1-2-4。

由表1-2-4可知，在无净化器情况下，二甲醚燃料的常规排放量基本可达欧Ⅲ标准，甲醇基本可达欧Ⅱ标准。而汽油中少量残留硫化物对尾气催化器有毒化作用，使催化剂寿命缩短。国际能源机构、美国甲醇研究院等对各种汽车燃料非常规排放（苯、二丁烯、甲醛等）的测试表明，二甲醚燃料的非常规排放量甚微，接近于氢；甲醇燃料排放中没有致癌度高的苯，总致癌度低。甲醇燃料的非常规排放物中会有微量未燃烧完全的甲醇存在，这是其他燃料所没有的，但其含量不会造成污染危害，甲醛的排放量低于柴油而高于汽油。由于甲醇燃料尾气排放物中NO_x含量已很低，催化器可暂不用三元催化剂，铂用量可大大减少。

由此可见，即便使用甲醇掺烧汽油，也与已推行的乙醇汽油一样，可大大改善汽车的尾气排放，能起到一定的改善排放指标的作用。二甲醚燃料替代柴油在清洁燃料方面所起到的作用就更加明显。

表1-2-2 常规燃料与替代燃料发动机技术的CO₂排放比较

注：1.FT柴油为费托法合成柴油，ETBE为乙基叔丁基醚，SI为点燃式发动机，FC为燃料电池，Hy-DI为柴油-电力混合车，Hy-SI为汽油-电力混合车，EPT为电力火车。（）^∗指来自生物质能源。

2.混合动力汽车采用由电池组、电动机和汽油发动机等部件组成的混合动力系统，车辆在起动、加速或爬坡时，汽油发动机与电动机同时工作；车辆处在低速、滑行或怠速状态时，则由电池组驱动电动机，而发动机则向电池组充电。这种汽车可节省汽油20%～40%。

表1-2-3 各种汽车燃料常规排放量比较 （单位：g/km）

注：数据来源为国际能源机构（IEA）等。

表1-2-4 各种汽车燃料非常规排放量比较 （单位：g/km）

注：数据来源为国际能源机构（IEA）等。

替代能源与常规能源的相对价格估算比较见表1-2-5。在欧盟，汽油、柴油税收为最终价格的70%以上，汽油平均每升税收大于0.7欧元，柴油大于0.4欧元。替代能源成本尚比常规汽、柴油高出许多，汽、柴油分销费用为0.08欧元，而30MPa的压缩氢为0.72欧元。但一些替代燃料，如液化石油气（LPG）、压缩天然气（CNG）、生物柴油等已走上市场，并享受减税优惠政策。通过比较可见，柴油、液化天然气、乙醇和生物柴油具有较低的CO₂排放性和较好的经济性。

表1-2-5 替代能源与常规能源的相对价格比较

注：以欧盟每升柴油当量（10kW·h）为基准。

据欧盟规划，到2020年，欧盟替代燃料的普及替代率将达到23%，见表1-2-6。虽然生物燃料的成本目前是常规燃料的2～3倍，氢气更高，但从发展前途看，替代燃料的生产成本会因技术的进步而逐渐降低，因环保要求的严格而扩大应用范围，这是世界车用燃料发展的总趋势。欧盟将考虑把生物燃料、天然气和氢燃料电池作为首选的替代燃料。

表1-2-6 欧盟替代燃料的普及替代率预测

为解决长期的燃料供应问题，开发利用生物燃料是切实可行的解决方案。纯的及调和的生物燃料产品已开始大量进入市场。生物燃料包括生物乙醇、生物柴油、ETBE、生物甲醇和生物二甲醚。

现代汽车从新结构的研制、新技术的应用、新材料的选择、新能源的开发利用等方面入手，在节能方面取得了卓有成效的进展。提高汽车的驱动效率是节油减排的主要途径。

（1）汽车轻量化设计

一般车重减轻10%，可节油8%，效果明显。具体措施除从设计结构上改进外，还包括以塑料、铝合金等轻型材料代替钢铁材料。

（2）陶瓷发动机

采用陶瓷中具有金属韧性且高温强度高的氮化硅、碳化硅和部分稳定性氧化锆（PSA）等精细陶瓷制成的发动机，不仅重量比金属发动机轻，还有活塞惯性和摩擦阻力小，缸体不需冷却等诸多优点，可使燃烧效率提高到50%，节油率可达20%～30%。目前陶瓷发动机实用化的主要障碍是陶瓷的脆性和由此导致的低可靠性。

（3）稀薄燃烧法

通过高压缩比送入过量空气，不仅可使燃料充分燃烧，且在高压下不易发生爆燃，轴端效率可达40%，已接近柴油机水平，节油效果明显，各国都在采用。不足之处是NO_x排放量因空燃比的加大而增多，普通的三元催化剂难以治理。据此，马自达、日产和丰田等公司都开发出适应稀薄燃烧的特殊三元催化剂，使NO_x的还原率由原来的5%提高到50%、80%和90%，从而保证NO_x大幅下降，为稀薄燃烧的推广创造了条件。

（4）直喷燃烧法

首先用于汽油机，可节油25%～35%，其节油因素为：

①空燃比高达50，而汽油机在三元催化剂作用下的理论空燃比仅为14.7，采用稀薄燃烧后提高到22，空燃比的加大有利于完全燃烧。

②直喷发动机将空气和燃油直接喷入气缸内混合燃烧，在点火处混合气较浓有利点火，此后浓度逐步下降，形成超稀薄燃烧，并可分段控制空燃比。

③大量送入空气时进气门的开度加大，减小了通气阻力，也有利节能。

（5）过量给风机的高性能化

可向发动机过量送入空气，可提高发动机动力性能并改善运行性能，有利于降低油耗和减少CO₂排放。

1.2.3.2 新能源汽车与再生制动设计

（1）制动能量回收对于新能源汽车的重要意义

有关研究表明，在存在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下，有效地回收制动能量，可使电动汽车的行驶里程延长10%～30%。制动能量回收要综合考虑车辆动力学特性、电机发电特性、超级电容与蓄电池充放电安全性、可靠性等多方面问题。

电动汽车和混合动力汽车最重要的特性之一是其显著回收制动能量的能力。在电动汽车和混合动力汽车中，电机可被控制作为发电机运行，从而将车辆的动能或重力势能转化为电能并储存在超级电容、蓄电池或飞轮等能量存储装置中，使能量得以再次利用。制动能量的回收对于频繁起停的城市公交车同样具有深远意义。

一般而言，当电动汽车或混合动力汽车减速、在公路上放松加速踏板巡航（有相关的算法判断）或踩下制动踏板停车时，再生制动系统启动。正常减速时，再生制动的力矩通常保持在最大负荷状态；电动汽车或混合动力汽车高速巡航时，其电机一般是在恒功率状态下运行，驱动转矩与驱动电机的转速或车速成反比。由此可见，研究电动汽车的制动模式也是非常重要的，电动汽车制动可分为以下三种模式：

1）紧急制动。紧急制动对应于制动加速度大于2m/s²的过程。出于安全性方面的考虑，紧急制动应以机械为主，电制动同时作用。在紧急制动时，可根据初始速度的不同，由车上ABS控制提供相应的机械制动力。

2）中轻度制动。中轻度制动对应于汽车在正常工况下的制动过程，可分为减速过程与停止过程。电制动负责减速过程，停止过程由机械制动完成。两种制动的切换点由电机发电特性确定。

3）汽车下长坡时的制动。汽车下长坡一般发生在盘山公路下缓坡时。在制动力要求不大时，可完全由电制动提供。其充电特点表现为回馈电流较小但充电时间较长。限制因素主要为蓄电池的最大可充电时间。

制动能量回收系统工作在城市工况下有较大意义，而城市工况车辆的最高车速不会太高，且紧急制动的概率较小，因此应将研究重点放在中轻度制动能量回收方向上。

一般地，恒功率下驱动电机的转速越高，再生制动的能力就越低。当踩下制动踏板时，驱动电机通常运行在低速状态。由于在低速时，电动汽车的动能不足以驱动电机提供能量来产生最大的制动力矩，再生制动能力也会随车速的降低而减小。

图1-2-16所示为电机再生制动和机械摩擦制动系统复合的制动系统，电机的再生制动力矩通常不能像传统燃油车中的制动系统一样提供足够的制动减速度。因此在电动汽车中，再生制动和机械摩擦制动通常共同存在（一般当再生制动达到最大制动能力但还不能满足制动要求时，机械摩擦制动才启动）。

在典型的市区中，制动能量最高可达总驱动能量的25%以上。在如纽约这样的大城市中，制动能量最高可达70%。研究表明，将1500kg车辆从100km/h车速制动到零车速，在几十米距离内约消耗0.16kW·h的能量。如果能量消耗在仅克服阻力（滚动阻力和空气阻力）而没有制动的惯性滑行中，则该车将行驶约2km。可见，当车辆在市区内以停车-起动形式行驶时，显著的能量消耗在频繁的制动上，导致大量的燃油消耗。因此，有效的再生制动能显著改善电动汽车和混合动力汽车的经济性。

图1-2-16 再生制动和机械摩擦制动

（2）制动能量回收系统的设计因素

设计制动能量回收系统时，应充分考虑以下设计因素：

1）满足制动的安全要求，符合驾驶人的制动习惯。(www.xing528.com)

2）考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力。

3）确保蓄电池组的安全性与可靠性。

由以上分析可得制动能量回收的约束条件：

1）根据蓄电池组温度、放电深度的不同，蓄电池可接受的最大充电电流。

2）蓄电池可接受的最大充电时间、温度，防止过充或失效。

3）能量回收停止时电机的转速及与此相对应的充电电流值。

以上问题也是限制内燃机汽车应用电制动回收制动能量的一个难点。

因此，研究电制动的制动能量回收系统，要充分了解蓄电池和电机的特性，如果采用液压或飞轮来吸收存储制动能量，则也需要掌握其特性。

（3）新能源汽车的典型制动系统

1）串联制动。具有最佳制动感觉的串联制动系统由可控制的前后轮上施加制动力的制动控制器组成，其控制目标在于使制动距离趋于最小值，并优化驾驶人的感受。最短的制动距离和良好的制动感受要求施加在前后轮上的制动力遵循理想的制动力分布曲线。

施加于前轮（驱动轴）上的制动力可分为再生制动力和机械摩擦制动力两部分。当所需制动力小于电机所能产生的最大制动力时，将只应用电再生制动。当给出的制动力指令大于可应用的再生制动力时，电机将产生最大制动转矩。同时，剩余制动力将由机械摩擦制动系统满足。

2）宝马制动能量回收技术。宝马汽车的制动能量回收系统通过在制动、滑行或减速时给蓄电池充电，改善燃油效率最多达3%，并确保发动机加速时拥有完全功率。

3）防抱死制动系统（ABS）。电机制动力（制动转矩）的有效控制相较机械制动力控制更容易。因此，对于电动汽车和混合动力汽车，在配置有电制动装置的制动过程中，防抱死是其固有优点，尤其是对于在4个车轮上安置有电机的车辆。图1-2-17为典型防抱死制动系统的再生制动系统示意。

该制动系统的主要组件是制动踏板、主缸、电控制动装置、电控三端口开关（通常模式：端口1开，端口2关，端口3开）、流体蓄能器、压力传感器和总控制器单元。压力传感器检测流体压力，它表征了驾驶人所期望的制动强度。流体通过电控三端口开关释放至流体蓄能器。由此仿效了传统制动系统的制动感受。

接收到制动压力信号后，总控制器单元根据驱动电机特性和控制法则，给出前后轮的制动转矩、再生制动转矩和机械制动转矩。电机控制器（图1-2-17）将指令电机产生恰当的制动转矩，而机械制动控制器则向电动制动装置发出指令，以对每个车轮产生恰当的制动转矩。

图1-2-17 典型防抱死制动系统的再生制动系统示意图

该电动制动装置同时发挥防抱死制动系统的功能，以防止车轮完全抱死。若检测出某个电动制动装置失效，则相应的三端口开关将关闭端口3，开启端口2，使流体直接释放至车轮轮缸，产生制动转矩。控制策略对能量回收和制动性能是有决定性意义的。

1.2.3.3 新能源汽车驱动电动机的种类与技术特点

（1）新能源汽车驱动电动机的种类与特征

用于新能源汽车的各种驱动电动机与普通工业用电动机有较大区别，通常要求能够频繁起停、加减速，在低速或爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大。

新能源汽车驱动电动机在负载要求、技术性能及工作环境等方面的主要特征包括：

1）新能源汽车驱动电动机通常需要有4～5倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度时对驱动功率的需求。

2）新能源汽车驱动电动机的最高转速要求达到基速的4～5倍。

3）新能源汽车驱动电动机要求有高比功率和优良的工作效率，能降低车辆自重并延长续驶里程。

4）当有多电动机协同工作时，要求新能源汽车驱动电动机可控性高、稳态精度高、动态性能好。

5）新能源汽车驱动电动机受限于汽车的容积效率，工作在高温、恶劣天气及较强振动等条件下。

目前，混合动力汽车常用的驱动系统有4种：直流电动机、异步电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机。其中，永磁同步电动机具有高效、高控制精度、高转矩、密度低等特点，通过合理设计磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车特别是高档电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，已经受到国内外电动汽车界的高度重视。

1）直流电动机。较早开发的电动汽车上多采用直流电动机，现在仍有一些电动汽车采用直流电动机驱动。

①直流电动机结构。直流电动机由转子电枢绕组、定子励磁绕组、机座和电刷换向装置等部件组成。串励式直流电动机的电枢绕组和励磁绕组串联，而他励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组是分开的。

②直流电动机特点。早期的直流电动机通过电阻降压调速，这要消耗大量能量。目前多数采用直流斩波器来控制输入电压、电流，根据直流电动机输出转矩的需要，脉冲输出和变换直流电动机需要从零到最高电压，来控制和驱动直流电动机运转。直流电动机的容量范围大，可根据需要选用。其制造技术和控制技术都较成熟，驱动系统也较简单，价格便宜。但直流电动机在结构上有电刷、换向器等易磨损件，因此存在维修保养困难、寿命较短、使用环境要求高、结构复杂、效率低、质量大及体积大、耗材多等缺点。目前新研制的电动汽车已很少采用直流电动机。

2）笼型交流异步电动机。三相笼型交流异步电动机是目前应用最广泛的电动机，转子无需电刷，结构简单，其生产技术比较成熟，已经能够大批量生产。

①笼型交流异步电动机结构。三相笼型交流异步电动机由定子和转子两部分组成。定子由机座和三相定子绕组组成，接电源。转子由硅钢片组成，内有呈笼形的互相短路的导条。

②笼型交流异步电动机工作原理。在异步电动机的定子绕组上施加三相交流电时，电动机中会产生旋转磁场，该磁场的转速由定子电压的频率及电动机极数决定。磁场旋转时，位于该磁场中的转子导条会切割磁力线，并在转子导条中产生相应的感应电流，而此感应电流又受到旋转磁场的作用而产生电磁力，使转子跟随旋转磁场旋转，输出动能。

③笼型交流异步电动机控制。在电动汽车上，交流异步电动机不能直接使用蓄电池或发电机发出的电能（因为频率一定）。交流异步电动机的转速与所供交流电的频率近似成正比，因此在采用交流异步电动机时，需应用变频器，将直流电或发电机发出的固定频率的交流电转换成频率和电压均可调的三相交流电，实现对笼型交流异步电动机的控制。

④笼型交流异步电动机特点。虽然三相笼型交流异步电动机具有结构简单、坚固耐用、工作可靠、维护方便、价格便宜等优点，得到了广泛应用，但仍存在技术上的难点。如变频器所产生的高次谐波、高附加铜耗及铁耗、高绝缘介质损耗、附加脉动转矩、电磁噪声等。

3）永磁无刷直流电动机

①永磁无刷直流电动机结构。永磁无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相）。转子由永久磁铁按一定极对数组成。

②永磁无刷直流电动机工作原理。永磁无刷直流电动机运行过程中，通过控制各相绕组通电频率及电流大小来调节转速及转矩，控制定子绕组的通电次序使电动机正反转，这些都可以通过微电子系统来实现。

③永磁无刷直流电动机特点。永磁无刷直流电动机工作时，直接将近似方波的电流输入其定子绕组中，可使电动机获得较大转矩，效率高、出力大、无电刷、高速性能好、结构简单牢固、免维护或少维护、质量轻。然而，这种电动机目前还存在损耗多、工作噪声大及脉冲式输出转矩的缺点。

4）开关磁阻电动机。开关磁阻电动机简称SR电动机。它是一种新型电动机，其结构简单、坚固、工作可靠、效率高，其调速系统（SRD）运行性能和经济指标比普通的交流调速系统好，具有很大的潜力，因此近年来它在驱动调速领域的发展颇为迅速。

①开关磁阻电动机工作原理。SR电动机的运行遵循磁阻最小原理（磁通总要沿磁阻最小的路径闭合）。具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。

②开关磁阻电动机调速系统组成。开关磁阻电动机调速系统简称SRD，主要由SR电动机、功率变换器、控制器、位置检测器及速度检测器等部分组成。我国稀土永磁材料的储量大，这可以降低产业化时电动机系统的整体造价，使研发高性能的永磁电动机系统优势更加明显。

（2）新能源汽车驱动电动机的技术特点

1）单电动机或多电动机结构。单个电动机通过变速器和差速器驱动车轮，多电动机结构是每一个驱动轮被单独驱动。单电动机结构的优点：体积小、质量小及成本低。而多电动机结构能减小单电动机的电流和功率的额定值，充分利用车轮内部空间，可均衡电动机尺寸和质量。这两种结构各有优点，因此在现代新能源汽车上都有应用，但是现在单电动机结构的应用占主流。

2）固定传动比或可变传动比齿轮减速。通常也分为单速传动和多速传动。单速传动采用固定传动比齿轮变速传动，多速传动采用带离合器和变速器的多级齿轮变速传动。对于固定传动比变速传动，要求电动机既能在恒转矩区提供较高的顺势转矩（额定值的3～5倍），又能在恒功率区提供较高的运行速度（基速的3～5倍）。可变速齿轮传动的优点是应用常规驱动电动机系统可在低档位得到较高的起动转矩，在高档位得到较高的行驶速度，缺点是质量及体积较大、成本高、可靠性低、结构复杂。

3）系统电压。系统电压等级影响驱动电动机系统的设计。采用合理的高电压电动机可减小逆变器的成本和体积。如果所需电压过高，则需要串联许多蓄电池，这会引起车内及行李箱空间的减小，车辆质量和成本增加，以及车辆性能下降。

4）系统匹配。电动机与变速器、控制器、变速装置、能源等的匹配是非常重要的。新能源汽车驱动电动机的设计者应充分了解这些部件的特性，然后在给定的条件下设计电动机，应区别于工业驱动电动机的设计。

（3）新能源汽车驱动电动机的设计要点

基于以上分析，在设计新能源汽车驱动电动机时，需要考虑以下基本元素：

1）磁载荷。通过电动机气隙的磁通密度基本分量的峰值。

2）电载荷。电动机单位周长上总电流的均方根或单位周长上的安匝数、单位体积和单位质量的功率和转矩、单位磁路的磁通密度、转速、转矩、功率损失和效率，以及热回路设计和冷却等。相应的关键之处：对钢、磁和铜的较好利用，更好的电磁耦合、电动机的几何形状与布局，更好的热设计与冷却，了解电动机性能的限制，了解电动机的几何形状、尺寸、参数和性能的关系。