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新能源客車技術(shù)路線角逐(圖文)

作者:吳奇　　信息來源:汽車與配件陳晨　　　　發(fā)布日期：2009-08-24

　　2007年10月，國家發(fā)改委發(fā)布《新能源汽車生產(chǎn)準入管理規(guī)則》；2009年6月17日，工業(yè)和信息化部發(fā)布《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準入管理規(guī)則》(下稱《規(guī)則》)，兩年間的兩個“準入管理規(guī)則”將新能源汽車正式納入國家管理范疇。從2000年前后起，我國便已開展有關(guān)新能源客車的各類項目，從“863計劃”到“十城千輛”，我國的新能源客車不僅實現(xiàn)了國內(nèi)的示范運營，而且實現(xiàn)了對外出口，新能源客車已然成為中國客車未來發(fā)展的一大亮點。

　　新能源客車技術(shù)包括混合動力技術(shù)、純電動技術(shù)、燃料電池技術(shù)、二甲醚技術(shù)等?，F(xiàn)階段，我國的新能源客車以混合動力技術(shù)為主，而且多數(shù)為城市客車，國內(nèi)主流客車企業(yè)均擁有此類產(chǎn)品，多個城市也開展了混動客車的示范運行或正式運營，例如北京采用的福田客車、杭州采用的廈門金旅等。純電動客車在城市客車以及營運客車中也有所應(yīng)用，例如北京京華的BK6122EV，安凱的HFF6127K46EV等。另外，燃料電池、二甲醚等技術(shù)亦有一些企業(yè)進行了嘗試，例如蘇州金龍的KLQ6129GQH2氫燃料電池客車，上海申沃的SWB6116DME二甲醚客車等。

　　根據(jù)《規(guī)則》的技術(shù)階段劃分，目前我國的新能源客車，只有采用鉛酸蓄電池作為儲能裝置的純電動客車處于成熟期，其它儲能形式的純電動客車均為起步期；混合動力客車方面，除鋅空氣蓄電池類型外，其余均處于發(fā)展期，已初步具備產(chǎn)業(yè)化條件；至于燃料電池、氫發(fā)動機和二甲醚等技術(shù)，則均處于起步期。

　　混合動力客車技術(shù)

　　根據(jù)此前的國家標(biāo)準GB／T19596-2004《電動汽車術(shù)語》定義，混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicle，HEV)是一種能從可消耗燃料或可再充電能/能量儲存裝置中獲得動力的汽車。

　　混合動力汽車是傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車與新興電動汽車的“混合體”，因而同時具有二者的一些特點。與純電動車輛的續(xù)駛里程有限相比，混合動力車輛在此方面可與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛相當(dāng)，而且無需建設(shè)充電設(shè)施，整車的動力性能較純電動有所提升；另外由于電池數(shù)量和容量的減小，整車自重相應(yīng)降低，車輛的成本也有所下降，更易為用戶所接受。由于做了匹配優(yōu)化和系統(tǒng)控制，混合動力客車的發(fā)動機可保持在最佳的工況狀態(tài)下運行，通過制動能量回收，可充分降低車輛的能量消耗和排放污染，車輛在起動、加速以及爬坡時的噪聲污染也有所下降。

　　現(xiàn)階段，國內(nèi)務(wù)客車企業(yè)對于混動客車的形式選擇不盡相同，根據(jù)動力傳動系統(tǒng)的布置方式不同，主要包括串聯(lián)式(Series)、并聯(lián)式(Parallel)以及混聯(lián)式(Combined)三種形式，最近又出現(xiàn)了外充電式(Plug-in)。下面對這幾種形式分別予以介紹。

　　串聯(lián)式混合動力客車

　　串聯(lián)式動力傳動系統(tǒng)是將發(fā)動機、發(fā)電機和電動機三個動力總成利用機械及電動連接串聯(lián)組成動力單元，通常發(fā)動機與發(fā)電機集成為一體，稱為輔助動力單元(Auxiliary Power Unit，APU)，這一形式的混合動力客車與純電動客車更為類似。

　　從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，串聯(lián)式動力傳動系統(tǒng)中的發(fā)動機與車輛驅(qū)動系統(tǒng)間無機械連接，無論車輛處于何種工況下，直接作用于驅(qū)動系統(tǒng)的均為電動機部分。車輛運行時，如果負荷較小，可單獨由電池組驅(qū)動電動機，牽引整車前進；當(dāng)負荷較大時，則由APU發(fā)電驅(qū)動電動機。當(dāng)車輛進入起動、加速或爬坡工況時，APU和電池組共同向電動機提供電能；當(dāng)車輛處于低速、滑行或怠速工況時，則由電池組驅(qū)動電動機，同時APU向電池組充電。當(dāng)客車通過城市中心區(qū)、CBD或居民區(qū)域時，這種結(jié)構(gòu)便可實現(xiàn)“零排放”，充分滿足車輛的環(huán)保要求。

　　但是，串聯(lián)式動力傳動系統(tǒng)在工作時需經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換：發(fā)動機產(chǎn)生的機械能經(jīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能。而能量在轉(zhuǎn)化過程中必然存在損耗，這也是串聯(lián)式動力傳動系統(tǒng)的一個不足之處。

　　目前國內(nèi)常見的串聯(lián)式混合動力客車有ZK6118HGZ、TEG6128SHEV、LCK6110GHEV等。

　　并聯(lián)式混合動力客車

　　并聯(lián)式動力傳動系統(tǒng)是利用發(fā)動機與電動機的機械能疊加方式驅(qū)動車輛，發(fā)動機與電動機分屬兩套系統(tǒng)，可分別或共同向車輛提供驅(qū)動力。由于沒有單獨的發(fā)電機，發(fā)動機輸出的機械能可直接通過傳動機構(gòu)作用于車輛驅(qū)動系統(tǒng)，故而這種形式更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，也因此在客車上得到了廣泛的應(yīng)用。

　　并聯(lián)式動力傳動系統(tǒng)中的電動機亦可作為發(fā)電機使用，因此也稱“電動—發(fā)電機組”。車輛起動時，由電池向電動—發(fā)電機組供電，此時該機組便是傳統(tǒng)發(fā)動機的起動機。車輛運行時，發(fā)動機即為車輛提供驅(qū)動動力，又帶動電動—發(fā)電機組發(fā)電，從而向電池充電。當(dāng)車輛處于低負荷狀態(tài)時，可關(guān)閉發(fā)動機，而轉(zhuǎn)由電池組驅(qū)動電動機，帶動車輛前進。當(dāng)車輛處于高負荷狀態(tài)時，發(fā)動機與電動—發(fā)電機組共同組成復(fù)合驅(qū)動形式，以最大輸出功率驅(qū)動車輛前進。

　　對于并聯(lián)式動力傳動系統(tǒng)，由于發(fā)動機輸出的機械能可直接作用于驅(qū)動系統(tǒng)，中間無能量轉(zhuǎn)換，因此與串聯(lián)式相比，系統(tǒng)的工作效率較高，燃油消耗也更少。但也會因此導(dǎo)致發(fā)動機運行工況受到汽車行駛工況的影響，若要將發(fā)動機維持在最佳工作區(qū)，便需出色的控制系統(tǒng)和控制程序來實現(xiàn)。

　　目前國內(nèi)常見的并聯(lián)式混合動力客車有EQ6110HEV1、BJ6113C7M4D、BJ6123C7B4D、DD6118HES21等。

　　混聯(lián)式混合動力客車

　　顧名思義，混聯(lián)式動力傳動系統(tǒng)是同時將串聯(lián)式與并聯(lián)式結(jié)合在同一驅(qū)動系統(tǒng)中，由于同時具有二者的優(yōu)點，因此車輛在每種工況下均可保持高效能運行。

　　在動力總成上，該系統(tǒng)同時裝有發(fā)動機、發(fā)電機和電動機，三個單元間通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)串、并聯(lián)的相互切換。車輛運行時，如果控制離合器使其處于分離狀態(tài)，則發(fā)動機與驅(qū)動系統(tǒng)間的機械連接被切斷，此時的三個動力總成處于串聯(lián)模式；如果離合器處于接合狀態(tài)，發(fā)動機與驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)連接，車輛進入并聯(lián)模式運行。在不同工況下，車輛可根據(jù)運行狀態(tài)進行驅(qū)動模式的自由選擇，因此混聯(lián)式混合動力客車具有最佳的綜合性能。但我們也應(yīng)注意到，由于混動系統(tǒng)的組成部分較多，整車動力系統(tǒng)的布置是客車設(shè)計的關(guān)鍵，而且由于混聯(lián)系統(tǒng)需靠控制系統(tǒng)實現(xiàn)模式的切換，這便對控制系統(tǒng)和相關(guān)控制程序提出了更高的要求。

　　目前國內(nèi)常見的混聯(lián)式混合動力客車有DD6129HES11等。

　　上述三種動力系統(tǒng)布置中，串聯(lián)式適合于制動頻繁、怠速工況時間長且車速較低的公交車，對于站點距離短的公交路線非常適用；而并式聯(lián)和混聯(lián)式則適合經(jīng)常加速行駛的干線公交車或快速公交，適用于站點距離長或者具有全封閉行駛路權(quán)的公交線路。

純電動客車與燃料電池客車

　　在此前的G8／T19596-2004《電動汽車術(shù)語》中有如下定義：純電動汽車(Battery Electric Vehicle，BEV)是由電動機驅(qū)動的汽車，電動機的驅(qū)動電能來源于車載可充電蓄電池或其它能量儲存裝置；燃料電池電動汽車(Fue Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV)是以燃料電池作為動力電源的汽車。

　　在石油資源日漸減少且不可再生的今天，純電動客車與燃料電池客車選用電能驅(qū)動車輛運行，從而擺脫了客車對于傳統(tǒng)石油燃料的依賴。這兩種電動客車在運行時可實現(xiàn)污染物的零排放，而且噪聲低、振動小，乘坐舒適性好。同時，根據(jù)日本相關(guān)權(quán)威機構(gòu)的研究結(jié)果，從汽車各種動力系統(tǒng)的綜合效率分析，電動汽車的綜合效率最高。

　　現(xiàn)階段，這兩種電動客車的驅(qū)動電能仍主要來源于各種類型的動力電池。車用動力電池大致經(jīng)歷過三個發(fā)展階段：

　　第一階段是鉛酸蓄電池，這也是目前唯一可大批量生產(chǎn)的車用動力電池。它具有成本低、原材料豐富且易于回收的優(yōu)點，因此在客車動力電池上得到了廣泛的應(yīng)用，在新能源汽車技術(shù)階段的成熟期。但是，鉛酸蓄電池的能量低，而且質(zhì)量和體積大，不僅導(dǎo)致續(xù)駛里程短，而且壽命短，加速動力差，因此并非最佳的車用動力電池。

　　第二階段是堿性電池，主要包括鎳氫、鋰離子和鋅空氣等種類，其比能量和比功率都要比鉛酸蓄電池高，從而提升了純電動汽車的動力性能和續(xù)駛里程。但堿性電池性能的提升是以成本的增加為代價的，短期內(nèi)，高昂的電池費用使得這種技術(shù)存在推廣瓶頸。

　　第三階段則是燃料電池，它實質(zhì)上是一個電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生器，其反應(yīng)機理是將燃料中的化學(xué)能不經(jīng)燃燒便直接轉(zhuǎn)化為電能，所以能量轉(zhuǎn)換效率高，具有很高的比能量和比功率，是非常理想的車用動力電池。

　　目前，我國已有北汽福田的BJ6123C6N4D和蘇州金龍的KLQ6129GQH2采用了氫燃料電池作為動力來源，其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，將氫和氧分別供給陰陽兩極，氫通過陰極向外擴散、與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負載到達陽極，實現(xiàn)化學(xué)能與電能間的轉(zhuǎn)化。氫燃料電池的產(chǎn)物是水，因此是一種真正意義上的清潔能源，具備極佳的未來前景。但同樣由于咸本問題，氫燃料電池客車至今仍處于小批量試運行階段，另外氫燃料的可靠性也有待進一步改進。如何將燃料電池技術(shù)推廣普及并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，這也是燃料電池客車面臨的一個重要問題。

　　值得注意的是，由于車輛需要搭載足夠多的電池單元，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機客車而言，純電動客車與燃料電池客車的車輛整備質(zhì)量會有所上升。但總體而言，它們可滿足絕大多數(shù)城市公交線路的運行需求，只要動力電池能夠降成本實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，純電動客車與燃料電池客車必將成為未來城市公交技術(shù)的主流方向。

　　新能源客車應(yīng)避免重復(fù)建設(shè)

　　對于新能源客車，存在一個有趣的現(xiàn)象：采用混合動力技術(shù)的大多是具有多年生產(chǎn)經(jīng)驗的“傳統(tǒng)型”客車企業(yè)，而在純電動客車的生產(chǎn)企業(yè)中，我們卻能發(fā)現(xiàn)大量新興民營資本的身影，許多電池生產(chǎn)商在研制出自己的車用動力電池后也開始嘗試整車的生產(chǎn)，從而造成了純電動客車市場的“百花齊放”。

　　混合動力系統(tǒng)是一種基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的技術(shù)，而純電動客車則是傳統(tǒng)能源客車的一種替代產(chǎn)品。對于生產(chǎn)企業(yè)而言，純電動客車的重點在于動力電池和控制系統(tǒng)的設(shè)計選用；而混合動力客車除了要考慮上述兩部分以外，尚需對其它底盤附件進行設(shè)計選用，并對各總成間做出合理的匹配計算，而這些對于缺少傳統(tǒng)客車設(shè)計能力的“新來者”而言，難度更大，而且成本費用也更高。對于更看重投入成本與收益的民營資本而言，純電動客車更像是一種“試水行為”，既然有了自己的動力電池技術(shù)，嘗試一下整車生產(chǎn)也未嘗不可，但是，過多的進入者并不利于行業(yè)以及市場的長期發(fā)展。由于抱有嘗試心理，“新來者”造車大多停留在組裝動力總成或改裝底盤扣車身的原始狀態(tài)，不僅整車性能難以提升，而且無法進行客車技術(shù)的深層次研發(fā)，至于營銷網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以及售后服務(wù)保障這些方面，則更是鮮有投入?？梢哉f，如今的純電動客車產(chǎn)業(yè)，開始投射出當(dāng)年“重復(fù)建設(shè)”的陰影來，這一點理應(yīng)得到國家的重視。