奥运场馆用电动汽车研究

作者：北京工业大学 胡志洁 冯能莲 周大森 俞黎明 王绍林

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 研究目的 汽车自问世以来，已逐渐成为人们生产和生活中不可缺少的工具，成为现代社会文明的重要组成部分；但是，汽车在其发展过程中，伴生了2个严重问题：环境污染和能源危机。 从世界范围看，剩余石油约为1400亿t，未来几十年石油仍将是各国的重要．战略资源。目前全球石油年产量为32亿t，估计2010—2020年将达到35～39亿t；因此，地球上现已探明的石油储藏量只能满足人类充分使用40—50年。从我国能源与环境状况看，2000年进口石油7000万t，预计2010年后将超过1.5 亿t。 同时，随着汽车保有量的增加，汽车尾气对全球大气环境的污染也日益严重。有关研究结果表明，各类机动车辆排气污染已占城市大气污染物的70％以上，其中排放的CO对空气污染的分担率约为80％，NOx约为40％，成为影响城市居民生活质量的重要污染源。根据国家环保中心预测，2010年汽车尾气排放量将占空气污染源的64％。如果进一步使用传统内燃机技术发展汽车工业，必将给我国能源安全和环境保护造成巨大压力；因此，开发低废气排量、低油耗的新型汽车成为当今汽车界的紧迫任务。虽然传统燃油发动机电控技术（例如燃油喷射、点火正时、怠速稳定、废气循环等电子控制系统，三元催化还原技术）的应用使汽车的排放和油耗下降到了较低的程度，但由于传统汽车固有的缺陷，例如：发动机的转速、转矩不匹配，使汽车不得不装上复杂的变速器，带来传动损失和不灵活等缺点；为了在有限挡位的情况下获得足够的功率来加速和爬坡，往往需要增加发动机的尺寸，造成整车质量增加，增加了燃油消耗率；还有，从发动机的使用特性曲线上可以看出，在部分载荷和接近满载的最优工作点处的比油耗差异很大，而发动机运行时由于汽车使用状况如启动、加速、匀速、减速等不同工况的需求，很难总是运行在最佳燃油点。因此，汽车整体燃油消耗率和排放问题就突显出来，传统汽车很难从根本上解决汽车排气污染和能源问题。 随着新世纪的到来，世界各汽车工业先进国家都将研发节能、环保型电动汽车、混合燃料汽车和燃料电池汽车作为本世纪的侧重点，电动车的研发和应用必将给汽车发展带来一个划时代的革命。为了减少对石油的依赖，美、英、法、德、日等汽车工业强国也早将电动汽车列人国家项目。由此可见，电动汽车的研发和应用是当今世界汽车的发展趋势。我国电动汽车虽然没有欧美等国家起步早，但我们的电动汽车研究也已经列人国家项目，现正处于研发势头强劲阶段，并且我们在某些方面的技术已经赶上甚或超过世界先进水平。 为响应2008年北京奥运会“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的号召，本课题组在前期研究的基础上，致力于研究奥运场馆用电动汽车，并取得了一定的阶段性成果。 研究小组概况 北京工业大学是国内较早开展电动汽车技术研究的高校之一，20世纪90年代初与美国夏威夷大学新能源研究所合作进行电动汽车的研究。为响应2008年北京“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的号召，北京工业大学整合本校环境与能源工程学院、电控学院、机电学院、计算机学院和城市建筑规划学院工业设计系，实行跨学科联合，成立“北京工业大学电动车技术研究中心”，并与远望创新科技（北京）有限公司电池事业部、北京世纪千网电池技术有限公司、北京市京华客车有限责任公司紧密合作，进行电动汽车技术的研究与开发。 本中心组成了以指导教师、研究生为主体的科研团队，经过刻苦钻研、紧密合作，迄今已成功研发纯电动汽车、辅助动力电动汽车和奥运场馆用电动汽车，目前正在进行相关技术的深人研究。 研究成果 1．纯电动汽车（I型车） 北京工业大学电动车技术研究中心目前有纯电动汽车实验样车1辆，已经完成对该车电机驱动及控制系统、电池管理系统的性能测试和分析。 2．辅助混合动力电动汽车（Ⅱ型车） 为了提高一次充电后的行驶里程和蓄电池的使用寿命，北京工业大学与北京世纪千网电池技术有限公司合作进行电动汽车技术的研究与开发，在纯电动汽车（I型车）的基础上．研究开发辅助动力电动汽车（Ⅱ型车）。在分析测试纯电动实验样车性能的基础上，引人辅助动力系统，采用一台小排量单缸电控水冷发动机和发电机组成辅助动力系统，直接对耗能相对较大的车用负载如空调等进行驱动，冷却水还可以在冬天向车内供暖，取代了纯电动车的燃油加热式暖风系统和电驱动空调系统，减少了电池组电量消耗，同时可以对车载电源和驱动系统进行能量补充。在车载电源、辅助动力、驱动系统以及车用负载之间设计有效的能量管理系统，以实现在不同工况下对车载电源与驱动系统之间能量流向的合理分配，以及辅助动力对车用负载能量供给，对车载电源、驱动系统能量补充的实时调节。这种结构既充分发挥了水平铅布电池的优势，又发挥了优化后的小排量电控发动机的性能，可以保证清洁性，延长续驶里程。 辅助动力系统的功率约是电机额定功率的1/8，电池组可以满足车辆行驶所有瞬时功率要求。试验表明，所开发的辅助动力电动汽车提高了电动汽车一次充电后的行驶里程，并且辅助动力发动机始终处于中高速运行状态，提高了经济性，改善了排放性能。 3．奥运场馆用电动汽车 奥运场馆用电动汽车是依据2008年北京奥运会场馆用车的要求而研发的，尤其适用于奥运场馆之间、场馆区域内运行，体现了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的奥运宗旨。它具有以下特征。 （1）采用串联式结构和特殊的控制策略，具有多种工作模式，既能延长续驶里程，又能满足场馆区域内零排放的要求。 （2）矢量控制的交流驱动电机，满足所需低速大转矩的要．求，同时保证了行驶平稳性和低噪声，具有制动能量回馈功能，提高了整车能量利用效率。 （3）采用新型水平铅布铅酸蓄电池，具有极佳的性价比，高能量密度和高功率密度，较长的循环寿命，较好的充放电性能和电池一致性，使用维护方便。 （4）采用满足欧Ⅲ排放标准的发动机和永磁同步发电机组成发动机一发电机组，对电池施行补充充电、均衡充电和应急充电，并且在电池组失效的情况下，仍能继续行驶（具有“limp home”的功能）。 （5）整车采用数字化车载信息系统，具有整车运行工况信息显示和故障诊断功能。系统通信采用CAN总线技术。 （6）冬季利用发动机排气余热对电池保温，保证了电池的使用性能，提高了电池的使用寿命。 （7）赛后能继续进行商业运行。 研究瓶颈 目前纯电动汽车的发展水平离商品化还有相当的距离，很多问题需要研究解决。其中限制纯电动汽车应用的主要因素是一次充电续驶里程和价格，本质上的制约因素是动力蓄电池技术。电池是电动汽车的动力源泉，电动汽车用电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。到目前为止，电动汽车用电池经过了3代的发展，已取得突破性进展。第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池（VRLA），由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前唯一能大批量生产的电动汽车用电池；第2代是碱性电池，主要有Ni2Cd、Ni2MH、Na/S和Li2ion等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高；第3代是以燃料电池为主的电池，燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，但目前还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破。 资金瓶颈也是制约本课题组建设和发展的一项因素。电动汽车的试验是一项社会效益极其明显，而经济效益甚微的事业，很大程度上需要政府部门和学校领导的大力扶持。虽然缺少科研经费给工作造成极大压力，但该科研团队所有研发人员，凭着对事业的高度责任感，艰苦奋斗，勤俭节约，克服重重困难，成功研发了纯电动汽车、辅助混合动力电动汽车、奥运场馆用电动汽车以及智能型多功能实验车等车型。 未来展望 现在，零排放电动汽车的技术已经逐渐成熟，并开始商品化，一次充电行程基本能满足市区交通的要求。大规模应用的主要问题是电动汽车的初始成本高和续驶里程不理想，而燃料电池电动汽车仍处于研发阶段，要想低成本批量生产仍有待时日。纯电动汽车由于一次充电行程短，因此，只适用于特定场合如社区交通、零排放管制的城市以及娱乐场所的短途运输等。 由于电动汽车的关键部件之一即电池的能量密度、寿命、价格等方面的问题，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡。在这种环境下，融合内燃机汽车和纯电动汽车优点的混合动力电动汽车异军突起。混合动力汽车正在国内外形成新一轮的技术开发热点，它不但可以提高燃油经济性，还可以有效地提高续驶里程，尽管不能达到零排放，但能改善排放。混合动力电动汽车被认为是传统内燃机汽车与纯电动汽车之间的折中方案与过渡产物，在零排放电动汽车未形成主流之前，混合动力汽车．可起到过渡性发展的作用；因此，是目前可以大批量生产、替代燃油汽车、减少废气排放的较现实的电动汽车。可以预见在未来的几年中，纯电动汽车和混合动力电动汽车将在其特定市场范围内扩大商业化生产规模并占有各自的市场份额。 燃料电池汽车在续驶里程和性能方面可以与燃油车相媲美，必将成为未来的主流技术，定会有长远的市场前景，其商业化速度也会加快；但由于价格及其他因素，其商业化进程仍较缓慢。尽管电动汽车在20世纪前就已经存在，但现在的电动汽车不仅是以电动机、控制器和电源组成的以电驱动系统为基础的车辆，而且是实现清洁、高效、智能的道路运输系统的一个全新系统，是一个便于和现代交通网络结合的智能系统。无论从环保角度还是从能源角度来看，未来的电动汽车都有一个大的发展，其研发关系到众多工业的兴衰，必将成为未来新的经济增长点。 根据我国国情，大部分城市普遍存在着十分严重的交通问题和汽车尾气排放污染问题，因此，发展中小型电动汽车的市场更独特，应用前景更广阔。政府应鼓励电动汽车按市场机制开发，同时要抓紧充电站等基础设施的建设，并在政策、法规上予以支持。可以预见，未来的汽车将是由电气、机械和控制技术运行的车辆，也只有开发清洁、高效、智能的电动汽车，才能实现21世纪交通的持续发展。 (end)

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