百年清华

□ 陈清泉

陈清泉，1959年研究生毕业于清华大学电机系。中国工程院院士、香港工程科学院院士、英国皇家工程院院士、乌克兰工程科学院院士和国际电动车辆研究中心主任，世界电动车会创办人，世界电动车“三贤士”之一

摘　要:可持续道路交通的关键在于开发清洁、高效、智能的新能源汽车,包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等。要成功开发这些新能源汽车，有赖于正确的技术路线和产业化路线。根据作者30多年从事电动汽车研发的经验,指出研发电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的正确技术路线和产业化路线,供读者参考讨论。

前言

一百多年前,汽车的出现改变了世界,促进了全球经济和社会的发展,但也带来了一系列严重的问题,诸如能源、环保和交通安全,这些问题就是可持续道路交通迫切需要解决的问题。电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车是21世纪清洁、节能和智能的道路交通工具,它具有高效率、零排放或低污染、并可实现初始能源多样化等显著优点。

自1973年石油危机以来,世界开始关注石油的供应和消耗的平衡问题。化石燃料资源是有限的,然而石油的需求大大增加。交通部门是消耗能源较多的部门之一。在最近的几十年里,交通部门石油消耗的增长率是最高的。这一增长主要来自于新的需求,即个人车辆的增多, 尤其是在中国,而这些车辆大都采用传统的内燃机( internal combustion engine, ICE)作为动力。

1992年,全球拥有超过5亿辆汽车。到2050年,这个数字将超过25亿。如果这些汽车都采用汽油或柴油作为动力,那么我们的世界将根本无法承受。因此,我们这个时代最紧迫的任务之一就是开发采用可替代燃料的汽车。我们一定要开发这种新技术。石油和天然气需要数百万年才能形成,在未来40～60年可能会用尽。如果使用传统燃料的汽车继续增长下去,天空将变成灰色。我们应该熬过这段黑暗寻找新的曙光。现在正是思考我们的现状和该朝哪个方向发展的时候了。

近来,各国政府和有关组织对汽车的能耗效率和排放制订了更严格的标准。纯电动汽车( battery electric vehicle, BEV) ,由于它们不消耗石油和零排放,对于解决能源危机和全球变暖问题是理想的方案。然而,初期成本高、行驶路程短和充电时间长是它们的缺点。混合动力汽车( hybrid electric vehicle, HEV)克服了内燃机汽车和纯电动汽车的缺点。图1所示是一种混合动力汽车的外形。

可持续道路交通的关键在于推行新能源汽车,包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车( fuel cell vehicle, FCV) 。而要成功推行这些新能源汽车的关键有赖于正确的技术路线和产业化路线。本文的目的就是讨论这两条路线,供有关部门参考。

1 技术路线

混合动力汽车在传统驱动系统的基础上引进了电力驱动系统,与纯电动汽车相比,它有较长的行驶里程;与传统的内燃机汽车相比,它改善了燃油的经济性。如果车辆停止,内燃机也可以停止运转。混合动力汽车中的电力驱动系统可以使内燃机只运行在一定的功率和转速范围内,例如汽车在低速启动时,采用电动机启动,而当汽车的载荷不大时,内燃机通过发电机给电池充电,从而优化内燃机的效率,减少石油消耗量和废气的排放量。当汽车制动和下坡时,采用电机再生制动,实现能量反馈。在混合动力汽车驱动的纯电动模式下,一定范围内的无噪声运行和零排放是可能的。如果采用更大容量的电池,并且采用充电插头连接电力网来进行充电,其纯电动运行模式的里程还可以延长,这种混合动力汽车被称为充电式混合动力汽车(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 。

虽然混合动力汽车有助于解决道路交通中的能源危机和污染的挑战,但有些购买者仍然有些顾虑。新车买主存在的3个主要顾虑是: 1)购买价格较高; 2)可靠性和维修的问题; 3)由于引入较高电压,存在高频率、大电流可能造成的电磁干扰问题。

除了纯电动汽车和混合动力汽车之外,另外一种是燃料电池汽车。燃料电池是利用氢和氧的结合产生电能来驱动车辆。燃料电池产生的电能除了用于驱动车辆外,还可以储存在一个能源存储设备(如电池或超级电容器)内,可实现高的系统效率。燃料电池汽车基本上是零排放,它们只排放水蒸汽。燃料电池汽车也具有发展潜力,但实现产业化还需要一段时间。

燃料电池汽车目前存在的主要问题是: 1)生产成本高; 2)燃料电池的生命周期较短。未来研究的目的是降低铂催化剂的用量,或能取代铂催化剂的新材料,改进电解质膜,以改善燃料电池的耐久性,使其使用寿命超过10年。3)氢气的制造、输送等基础设施。此外,应提高燃料电池的能量密度,使行驶里程超过500km,即相当于汽油车或柴油车的行驶里程。

汽车动力系统的技术路线可用图2表示。第一种路线(纵坐标)是着眼于研发先进的内燃机,即借助汽车电子改善内燃机的燃烧效率和研究新的替代燃料。第二种路线(横坐标)是着眼于研发先进的电力驱动。总的路线应该是第一路线和第二路线的结合,也就是研发先进的混合动力系统,其关键就是内燃机和电动机的优化集成。表1表示各种混合动力和纯电动技术的特点。根据所采用的电力驱动功率的大小,混合动力汽车可分为微度混合、轻度混合和全(强度)混合。根据混合动力驱动的拓扑结构,混合动力汽车可分为串联,并联和串并联结构。根据能源补充的种类,混合动力汽车可分为加油站加油和充电站充电。根据汽车制造商的规模和能力,有的汽车制造商可能生产从微度混合到强度混合的各种不同车型的混合动力汽车。而有的汽车制造商可能只重点生产微度或轻度混合的某些车型。

纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车发展的3个重要的问题是:动力系统的拓扑结构、能源管理和有效的能源存储设备。拓扑结构是第一个问题。混合动力系统的拓扑结构基本上有3种类型,即串联,并联和串并联。其中,带有行星齿轮的串并联结构可以按串联结构或并联结构运行。因此它有一个“最大”的架构,可以最大限度地优化燃料的消耗量,废气的排放量和性能。由于带有行星齿轮的串并联结构复杂,最近正在研究一种叫电气无极变速器( electric variable transmission, EVT) ,其功能就像串并联结构的行星齿轮一样,这意味着它可以按串联结构或并联结构运行,实现最大程度的优化。在这种混合动力电动汽车中,无级变速是通过电机而不是机械传动实现的,其功率的传递一部分是通过机械传递,另一部分是通过电磁传递。因此,它能更灵活地控制转矩和速度,以达到最好的效果。串联式混合动力装置主要用于重型车辆,军用车辆和公共汽车。而并联和串并联大多使用在小型和中型汽车,如轿车和一些公共汽车。图3表示各种拓扑结构特征和相互关系。电气无极变速器的原理结构图如图4所示。

混合动力汽车的工程哲学是1 + 1 > 2。这意味着由内燃机动力和电动机动力相结合而产生附加值,充分体现了电力、电子和控制技术的优势和灵活性,不仅提高了能源效率和减少废气排放,而且也更加智能化、舒适、安全。就像骡子是马和驴子结合的结果,骡子拥有马和驴子的最好的DNA,因此它更有力量和耐性。混合动力汽车的关键技术主要是动力总成的控制优化、电力驱动、能源管理和高效的能源存储子系统。

2 产业化路线

降低成本、减小体积和减轻质量、提高性能和加强各有关方面的联盟是纯电动汽车和混合动力汽车成功打入市场的关键。汽车制造商必需和政府、关键零部件商、能源公司、院校、用户等形成战略联盟,互相支持。需要解决的主要问题是:用户可以得到什么经济优惠或其他好处?社会可以有什么环境效益?与传统车辆驱动相比,没有任何负面而更具有驾驶乐趣。为了有效地减少CO2排放和降低对石油的依赖,适当的立法措施和奖励措施是必不可少的。影响纯电动汽车和混合动力汽车打入市场的主要因素包括燃料价格、法规和税收、地方立法、购买动机、提高驾驶者的环保形象以及公共教育等。混合动力汽车和燃料电池汽车的商业化路线图列于表2,仅供参考。

3 结语

在当前环境保护和能源节约受到日益关注的世界,纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的发展速度加快。拥有商业上可行的纯电动汽车和混合动力汽车的理想正在成为一个现实。其中成功的关键有赖于正确的技术路线和产业化路线。汽车制造商的首席执行官(CEO)必须带头策划战略目标,包括近期、中期和远期的规划。这项任务不应该仅仅交给研发部门或销售部门,因为这是一个重大的革新项目,将对整个公司和整个社会产生重大的影响。除了有明确的目标以外,高级管理人员还应具有整体性和创造性思维,以监督该项目的进展情况。以下是一个主要汽车制造商开发混合动力汽车及其商业化的成功经验:

a) 有正确的战略计划,包括短期、中期和长期的计划;

b) 有足够的资金,以支持发展计划;

c) 有创新的核心技术,特别是汽车技术、电力驱动技术和能源储存技术的集成创新;

d) 有正确的技术路线和产业化路线;

e) 汽车制造商和政府、关键零部件商、能源公司、院校、用户等形成战略联盟;

f) 了解最先进技术的情况,权衡技术、成本和市场。了解微度混合动力汽车、轻度混合动力汽车、全(强度)混合动力汽车、充电式混合动力汽车和燃料电池汽车的性能优势与成本效益;

g) 彻底了解市场的需求和必需的基础设施和售后服务。

(《清华人》2009-4期)