新能源汽车关键技术分析

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摘要：新能源汽车是指采用非常规的车用能源，如氢气，电池，压缩空气等作为动力来源，具有新的结构，新的技术，综合常规汽车动力和驱动方面优势的新型汽车。当前新能源汽车主要有纯电动汽车、燃气汽车、混合动力汽车和空气动力汽车。
关键词：新能源汽车;电池技术;电机控制技术;电控技术。
迄今为止，新能源汽车的发展仍处于试运行阶段，各种汽车类型仍存在发展的瓶颈问题。纯电动汽车所用的电池综合能力较差，气动汽车能量转化率和能量利用率低等问题有待解决，燃气汽车发动机效率有待进一步提高，混合动力汽车两种能源相互交替的控制策略还需进一步完善。随着研究的进展，燃气汽车与混合动力汽车将占据大部分市场，气动汽车与纯电动汽车也逐渐的在新能源汽车市场份额中占有一定的的比例。随着各相关技术的发展，新能源汽车将会突破发动机，电池，控制策略等方面的问题，向着2016年新能源汽车产业高层研讨会上提出的“轻量化，智能化，低碳化”的方向发展，未来的新能源汽车必将占据汽车市场。
1新能源汽关键技术研究现状
1.1 纯电动汽车
纯电动汽车，是指仅依靠蓄电池电能驱动电动机，最终驱动汽车运行的新型汽车。电动汽车的关键技术包括车身技术、底盘技术、电池技术、电机技术和控制技术。其中电池技术是当前制约纯电动气车发展的重要因素。市场上主流的电池有铅酸电池、锂电池和镍氢电池。铅酸电池1956年商品化，是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池[2、3]。铅酸电池自放电率低，寿命长，安全性好，可靠性高，但含重金属，易造成环境污染，同时能量密度低，笨重限制其进一步发展。1990推出的镍氢电池，是由氢离子和金属镍合成，它是早期的镍镉电池的替代产品，相对于其铅酸电池环保性能较好，充电时间短，但是电压较低[4]。鋰电池商品化时间最晚，相对于其他两类，具有明显优势，环保性、能量密度、充电时间、寿命都有大大提升。
1.2 燃气汽车
燃气汽车是最早被开发并使用的新型汽车，靠较清洁的燃气代替以往的燃料来驱动汽车运行的新型汽车。
燃气汽车主要分为液化石油气汽车和天然气汽车两种。对于普通的燃料汽车而言，二者均提高了发动机的寿命，减少了污染物的排放。但天然气汽车的续航能力较差，甚至不如一些普通的燃料汽车，发展燃气汽车的发动机技术成为解决这一问题的关键。
燃气汽车发动机工作过程中由于进气过程减少空气充气量，进而使发动机动力性能下降是目前燃气汽车需要解决的难点之一。尽管缸内液化石油气直接喷射技术、压缩天然气缸内直喷技术等技术可以提高充气效率，但对发动机的结构、控制方式和尾气排放方式有更高的要求，使实现难度有所增加。如何更加有效的增加燃气发动机的动力性成为当前的研究热点。
1.3 混合动力汽车
所谓混合动力汽车就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发电机活动里发电机组。混合动力汽车是结合了普通燃料汽车和纯电动汽车的一种过渡性汽车，它继承了纯电动汽车的高效率和低排放的优点，又具有石油燃料的高比能量和高比功率的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程。
混合动力汽车在动力输出过程中通过一定的控制策略，完成两种能量供应的切换，实现不同能量源特性互补，从而改善和提高汽车系统的性能。因此控制策略成为混合动力汽车最为关键性的技术。混合动力汽车分为串联式，并联式和混联式三大类。目前，串联式有恒温式控制模式，功率跟踪式控制模式;并联式有以车速为主要参数的控制策略，以功率为主要参数的控制策略等;混联式有发动机最优工作曲线模式，瞬时优化模式等。
1.4 气动汽车
气动汽车是由高压空气驱动气动马达行驶的汽车。与普通汽车相比，以空气作为动力的气动汽车有着十分显著的优点。气动汽车能量传递快捷，能源清洁且来源广泛，汽车造价较低，维修费用较低，是未来替代其他汽车的不二之选。正是因此，各国都纷纷开始了对气动汽车这一领域的研究。
压缩空气动力发动机工作时，储气瓶中的高压压缩空气经减压后，通过热交换器吸热，再进入作用缸推动负载运动，通过调节进入作用缸的气体压力和流量以调整发动机的动力特性。气动发动机的工作状态和性能取决于进气量、进气压力和温度，合适的配气机构和进气量的控制是技术难点。发动机工作过程中回收高压转低压能量损失部分和提高压缩空气所携带的压力转换为发动机的机械能的效率成为重要的研究方向。
2关键技术
2.1电池技术
新能源汽车在传统汽车产业链基础上进行延伸，增加了电池、电机、电控系统等组件。
电池是新能源汽车产业链中最关键的环节之一，对新能源汽车的发展起着至关重要的作用，电池的性能决定了整车的行驶速度、续驶里程以及整车的安全性和可靠性。新能源车动力电池应具有比能量高、比功率大、自放电少、使用寿命长及安全性好等特性：
电动汽车的成败关键仍然是电池。动力电池是电动汽车的动力源，电池选择将直接关系到整车的性能。电动汽车动力电池的主要性能指标是能量密度、功率密度和循环寿命等，现代电动汽车对车用电池有如下要求：目前技术最成熟、应用最广泛、商业化最成功的是镍氢动力电池，各国正重点研发的是锂离子电池，燃料电池则因可以做到完全零排放，而被视作远期目标。由于电动汽车的车载能量有限，其行驶里程远远达不到内燃机汽车的水平，能量管理系统的目的就是要最大限度地利用有限的车载能量，增加行驶里程。能量管理系统的功能是实现：优化系统的能量分配，预测电动汽车电源的剩余能量，再生制动时合理地调整再生能量。能量管理系统如同电动汽车的大脑，同时具有功能多、灵活性好、适应性强的特点，它能智能地利用有限的车载能量。
2.2电机及其控制技术
电机是汽车中的关键部件，动汽车用电动机主要有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机和开关磁阻电动机四类。电动车辆的驱动电机属于特种电机，是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速，足够大的启动扭矩，体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。目前电动汽车所采用的电动机中，直流电动机基本上已被交流电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。电动汽车所用的电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。当今世界已研制出功率密度超过1kW/kg，额定点的效率大于90%的小型电动机，电机满足低速衡（大）扭矩和高速衡功率的牵引控制要求。
电动汽车的电动机有多种控制模式。传统的线性控制，如PID，不能满足高性能电机驱动的苛刻要求。传统的变频变压（VVVF）控制技术，不能使電机满足所要求的驱动性能。异步电机多采用矢量控制（FOC），是较好的控制方法。近几年，许多先进的控制策略。包括自适应控制、变结构控制、模糊控制和神经网络控制以及专家系统控制等非线性智能控制技术，并取得了较好成效。当然未来会有更智能和数字化的控制系统，来均衡控制效果及控制成本以满足日益复杂的工作要求，有利于提高整个控制系统的综合性能。
2.3电控技术
电控系统可以称作是新能源汽车的“大脑”。新能源汽车电控技术包括整车控制技术、电机控制技术、电池管理技术和充电技术等。电控系统涉及到各个子系统功能的协调，对电动汽车安全、稳定的运行至关重要;同时，电控系统的设计水平还将间接影响到电池组的使用寿命。随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单、响应迅速、抗干扰能力强，参数变化具有鲁棒性，可大大提高整个系统的综合性能。
3结论
通过分析和总结新能源电动汽车主要的关键技术，包括电池技术、电机及其控制技术、电控技术等。在过去的十几年里我国在纯电动、混合动力及燃料电池汽车，电池、电机及其管理控制技术开发，整车控制与集成等关键技术均取得了较大改进与突破。目前国内电动汽车关键技术中电池及其管理技术、电机控制技术和电控技术都有待提高。
参考文献：
[1]王庆年、曾小华.新能源汽车关键技术[J].化学工业出版社，2017;
[2]崔胜民.新能源汽车技术[J].北京大学出版社，2014;
[3]易将能，韩力.电动车驱动电机及其控制技术[J].重庆大学，2012;
[4]甄子健.新能源汽车发展战略研究[J].科学出版社，2016;