新能源汽车关键技术的研究现状及发展趋势分析
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作者: 孟昊宇
[摘 要]针对石油资源短缺和环境压力的问题，新能源汽车成为了汽车行业发展的必然趋势。本文介绍了纯电动汽车、燃气汽车、混合动力汽车和空气动力汽车的关键技术研究现状，阐明了当前各类新能源汽车存在的问题和发展瓶颈，通过分析比较各类新能源汽车性能的优劣，提出了将来新能源汽车的发展趋势及前景。
[关键词]新能源汽车 纯电动 燃气 混合动力 空气动力 研究现状 发展趋势
中图分类号：F426.471 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）19-0366-01
1、引言
据2016《BP世界能源统计年鉴》最新数据显示2015年全球原油和成品油贸易增长了300万桶/日，成为了1993年以来的最大增幅。其中机动车对燃油日益增长的需求，是导致能源危机的重要原因，新能源汽车成为了汽车行业发展的必然趋势[1]。
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。
2、新能源汽关键技术研究现状
2.1 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]。锂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[5]。
2.2 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[6、7]。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。
2.3 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[8]。
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[9]；混联式有发动机最优工作曲线模式，瞬时优化模式等。
2.4 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[10]。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。
3.新能源汽车综合能力对比分析
经过各国长时间的研究，新能源汽车有了很大的发展，四种新能源汽车除气动汽车以外逐渐在市场上占有一定的份额，混合动力和纯电动汽车技术相对成熟，最为普及。但混合动力汽车结构复杂技术成本相对其他汽车较高，气动汽车技术还需完善仍处于研发阶段。纯电动汽车和气动汽车尾气排放零污染，燃气汽车和混合动力汽车有一定的尾气排放污染但他们的续航能力要强于前两种。
4.结论
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。
参考文献
[1] 刘鹏，孟宪臣.浅谈未来新能源汽车的技术发展趋势[J].科技创新与应用，2015（36）：79-79.
[2] 张彦琴.铅酸蓄电池技术的发展[J].汽车电器，2004（10）：1-3.
[3] 彭金春，陈全世，韩曾晋.电动汽车铅酸电池充放电过程建模[J].汽车技术，1997（06）：5-8.
[4] 唐有根.镍氢电池[M].化学工业出版社，2007.
[5] 于仲安，简俊鹏，何方.纯电动汽车锂电池组均衡系统研究与设计[J].电力电子技术，2014，48（03）：64-67.
[6] 李西秦，刘冰.国内外燃气汽车发动机研究动向[J].车用发动机，2008（S1）：8-11.
[7] 邵千钧.电控LPG发动机及其缸内直接喷射技术的研究[D].浙江大学， 2003.
[8] 李卫民.混合动力汽车控制系统与能量管理策略研究[D].上海交通大学， 2008.
[9] 钱立军，邱利宏，辛付龙，等.插电式四驱混合动力汽车能量管理控制策略及其优化[J].农业工程学报，2015（13）：68-76.
[10] 刘林.气动发动机工作过程和关键零部件优化研究[D].浙江大学机械与能源学院浙江大学，2007.
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