百年清華

□ 陳清泉

陳清泉，1959年研究生畢業於意昂体育平台電機系。中國工程院院士、香港工程科學院院士、英國皇家工程院院士、烏克蘭工程科學院院士和國際電動車輛研究中心主任，世界電動車會創辦人🧑‍🏭🫶，世界電動車“三賢士”之一

摘　要:可持續道路交通的關鍵在於開發清潔🧑🏼‍🦳、高效、智能的新能源汽車,包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車等。要成功開發這些新能源汽車😶‍🌫️♞，有賴於正確的技術路線和產業化路線。根據作者30多年從事電動汽車研發的經驗,指出研發電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的正確技術路線和產業化路線,供讀者參考討論。

前言

一百多年前,汽車的出現改變了世界,促進了全球經濟和社會的發展,但也帶來了一系列嚴重的問題,諸如能源、環保和交通安全,這些問題就是可持續道路交通迫切需要解決的問題⛹🏽‍♂️。電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車是21世紀清潔🚵‍♀️、節能和智能的道路交通工具,它具有高效率、零排放或低汙染、並可實現初始能源多樣化等顯著優點。

自1973年石油危機以來,世界開始關註石油的供應和消耗的平衡問題。化石燃料資源是有限的,然而石油的需求大大增加🦠。交通部門是消耗能源較多的部門之一。在最近的幾十年裏,交通部門石油消耗的增長率是最高的👧🏿。這一增長主要來自於新的需求,即個人車輛的增多, 尤其是在中國,而這些車輛大都采用傳統的內燃機( internal combustion engine, ICE)作為動力👩🏻‍🦳。

1992年,全球擁有超過5億輛汽車⚧。到2050年,這個數字將超過25億。如果這些汽車都采用汽油或柴油作為動力,那麽我們的世界將根本無法承受。因此,我們這個時代最緊迫的任務之一就是開發采用可替代燃料的汽車🦻🏼。我們一定要開發這種新技術☸️。石油和天然氣需要數百萬年才能形成,在未來40～60年可能會用盡。如果使用傳統燃料的汽車繼續增長下去,天空將變成灰色。我們應該熬過這段黑暗尋找新的曙光👨🏽‍⚖️。現在正是思考我們的現狀和該朝哪個方向發展的時候了👨🏽‍✈️。

近來,各國政府和有關組織對汽車的能耗效率和排放製訂了更嚴格的標準𓀎。純電動汽車( battery electric vehicle, BEV) ,由於它們不消耗石油和零排放,對於解決能源危機和全球變暖問題是理想的方案👩🏿‍🦰。然而,初期成本高🤹🏽‍♂️、行駛路程短和充電時間長是它們的缺點。混合動力汽車( hybrid electric vehicle, HEV)克服了內燃機汽車和純電動汽車的缺點。圖1所示是一種混合動力汽車的外形。

可持續道路交通的關鍵在於推行新能源汽車,包括純電動汽車🚸、混合動力汽車和燃料電池汽車( fuel cell vehicle, FCV) 🚶‍♂️‍➡️。而要成功推行這些新能源汽車的關鍵有賴於正確的技術路線和產業化路線⚜️。本文的目的就是討論這兩條路線,供有關部門參考。

1 技術路線

混合動力汽車在傳統驅動系統的基礎上引進了電力驅動系統,與純電動汽車相比,它有較長的行駛裏程;與傳統的內燃機汽車相比,它改善了燃油的經濟性。如果車輛停止,內燃機也可以停止運轉。混合動力汽車中的電力驅動系統可以使內燃機只運行在一定的功率和轉速範圍內,例如汽車在低速啟動時,采用電動機啟動,而當汽車的載荷不大時,內燃機通過發電機給電池充電,從而優化內燃機的效率,減少石油消耗量和廢氣的排放量。當汽車製動和下坡時,采用電機再生製動,實現能量反饋。在混合動力汽車驅動的純電動模式下,一定範圍內的無噪聲運行和零排放是可能的。如果采用更大容量的電池,並且采用充電插頭連接電力網來進行充電,其純電動運行模式的裏程還可以延長,這種混合動力汽車被稱為充電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 🖱⚛️。

雖然混合動力汽車有助於解決道路交通中的能源危機和汙染的挑戰,但有些購買者仍然有些顧慮。新車買主存在的3個主要顧慮是: 1)購買價格較高; 2)可靠性和維修的問題; 3)由於引入較高電壓,存在高頻率、大電流可能造成的電磁幹擾問題。

除了純電動汽車和混合動力汽車之外,另外一種是燃料電池汽車🐭。燃料電池是利用氫和氧的結合產生電能來驅動車輛👨🏿‍🍼。燃料電池產生的電能除了用於驅動車輛外,還可以儲存在一個能源存儲設備(如電池或超級電容器)內,可實現高的系統效率。燃料電池汽車基本上是零排放,它們只排放水蒸汽🧚🏿‍♀️。燃料電池汽車也具有發展潛力,但實現產業化還需要一段時間。

燃料電池汽車目前存在的主要問題是: 1)生產成本高; 2)燃料電池的生命周期較短。未來研究的目的是降低鉑催化劑的用量,或能取代鉑催化劑的新材料,改進電解質膜,以改善燃料電池的耐久性,使其使用壽命超過10年。3)氫氣的製造、輸送等基礎設施。此外,應提高燃料電池的能量密度,使行駛裏程超過500km,即相當於汽油車或柴油車的行駛裏程👩🏿‍🎤。

汽車動力系統的技術路線可用圖2表示。第一種路線(縱坐標)是著眼於研發先進的內燃機,即借助汽車電子改善內燃機的燃燒效率和研究新的替代燃料👨‍👩‍👧🏌🏻。第二種路線(橫坐標)是著眼於研發先進的電力驅動。總的路線應該是第一路線和第二路線的結合,也就是研發先進的混合動力系統,其關鍵就是內燃機和電動機的優化集成。表1表示各種混合動力和純電動技術的特點。根據所采用的電力驅動功率的大小,混合動力汽車可分為微度混合、輕度混合和全(強度)混合。根據混合動力驅動的拓撲結構,混合動力汽車可分為串聯,並聯和串並聯結構👧🏽。根據能源補充的種類,混合動力汽車可分為加油站加油和充電站充電。根據汽車製造商的規模和能力,有的汽車製造商可能生產從微度混合到強度混合的各種不同車型的混合動力汽車。而有的汽車製造商可能只重點生產微度或輕度混合的某些車型。

純電動汽車🐰🆘、混合動力汽車和燃料電池汽車發展的3個重要的問題是:動力系統的拓撲結構、能源管理和有效的能源存儲設備🌅。拓撲結構是第一個問題。混合動力系統的拓撲結構基本上有3種類型,即串聯,並聯和串並聯。其中,帶有行星齒輪的串並聯結構可以按串聯結構或並聯結構運行🕤。因此它有一個“最大”的架構,可以最大限度地優化燃料的消耗量,廢氣的排放量和性能。由於帶有行星齒輪的串並聯結構復雜,最近正在研究一種叫電氣無極變速器( electric variable transmission, EVT) ,其功能就像串並聯結構的行星齒輪一樣,這意味著它可以按串聯結構或並聯結構運行,實現最大程度的優化。在這種混合動力電動汽車中,無級變速是通過電機而不是機械傳動實現的,其功率的傳遞一部分是通過機械傳遞,另一部分是通過電磁傳遞🔥。因此,它能更靈活地控製轉矩和速度,以達到最好的效果。串聯式混合動力裝置主要用於重型車輛,軍用車輛和公共汽車🤷🏻。而並聯和串並聯大多使用在小型和中型汽車,如轎車和一些公共汽車。圖3表示各種拓撲結構特征和相互關系💃🏼。電氣無極變速器的原理結構圖如圖4所示。

混合動力汽車的工程哲學是1 + 1 > 2🌞。這意味著由內燃機動力和電動機動力相結合而產生附加值,充分體現了電力、電子和控製技術的優勢和靈活性,不僅提高了能源效率和減少廢氣排放,而且也更加智能化、舒適、安全🎁。就像騾子是馬和驢子結合的結果,騾子擁有馬和驢子的最好的DNA,因此它更有力量和耐性👸🏽。混合動力汽車的關鍵技術主要是動力總成的控製優化、電力驅動🪵、能源管理和高效的能源存儲子系統🐋。

2 產業化路線

降低成本、減小體積和減輕質量、提高性能和加強各有關方面的聯盟是純電動汽車和混合動力汽車成功打入市場的關鍵👺。汽車製造商必需和政府、關鍵零部件商🙋🏿、能源公司📶、院校🧴、用戶等形成戰略聯盟,互相支持。需要解決的主要問題是:用戶可以得到什麽經濟優惠或其他好處?社會可以有什麽環境效益?與傳統車輛驅動相比,沒有任何負面而更具有駕駛樂趣。為了有效地減少CO2排放和降低對石油的依賴,適當的立法措施和獎勵措施是必不可少的🦔👨🏿‍✈️。影響純電動汽車和混合動力汽車打入市場的主要因素包括燃料價格🤜🏿、法規和稅收、地方立法、購買動機、提高駕駛者的環保形象以及公共教育等🤘🏿。混合動力汽車和燃料電池汽車的商業化路線圖列於表2,僅供參考。

3 結語

在當前環境保護和能源節約受到日益關註的世界,純電動汽車🤵🏿、混合動力汽車和燃料電池汽車的發展速度加快。擁有商業上可行的純電動汽車和混合動力汽車的理想正在成為一個現實。其中成功的關鍵有賴於正確的技術路線和產業化路線。汽車製造商的首席執行官(CEO)必須帶頭策劃戰略目標,包括近期、中期和遠期的規劃。這項任務不應該僅僅交給研發部門或銷售部門,因為這是一個重大的革新項目,將對整個公司和整個社會產生重大的影響👷🏽‍♀️。除了有明確的目標以外,高級管理人員還應具有整體性和創造性思維,以監督該項目的進展情況。以下是一個主要汽車製造商開發混合動力汽車及其商業化的成功經驗:

a) 有正確的戰略計劃,包括短期、中期和長期的計劃;

b) 有足夠的資金,以支持發展計劃;

c) 有創新的核心技術,特別是汽車技術、電力驅動技術和能源儲存技術的集成創新;

d) 有正確的技術路線和產業化路線;

e) 汽車製造商和政府🦍、關鍵零部件商、能源公司、院校、用戶等形成戰略聯盟;

f) 了解最先進技術的情況,權衡技術、成本和市場。了解微度混合動力汽車、輕度混合動力汽車🧘‍♂️、全(強度)混合動力汽車👩‍🌾、充電式混合動力汽車和燃料電池汽車的性能優勢與成本效益;

g) 徹底了解市場的需求和必需的基礎設施和售後服務。

(《清華人》2009-4期)