电力电子技术在新能源汽车发展中的机遇与挑战

电力电子技术在新能源汽车发展中的机遇与挑战

王旭东吴晓刚

哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨150080

Email：wxd6158@

摘要针对交通能源与环境问题对汽车产业的重大挑战，介绍了新能源汽车国内外发展现状，在分析国内外新能源汽车发展相关政策环境的同时，讨论了电力电子技术在新能源汽车发展中的作用。结合新能源汽车中电机及其驱动控制系统、DC/DC变换器等电力电子装置的应用，表明了电力电子技术在新能源汽车发展中具有广阔的应用前景。

关键词新能源汽车，电力电子，电机，驱动控制

1．新能源汽车发展概述

随着国家经济经济实力的不断壮大，国家对汽车工业的重视，我国汽车工业得到了迅速的发展。2009年，我国汽车产销分别为1379.1万辆和1364.5万辆，同比增长48.3%和46.15%，首次超越美国而成为世界汽车产销第一大国。在1999年至2009年的十年期间里，我国汽车的保有量年均增长达到了14%，如图1所示。我国汽车保有量今后仍将呈快速增长态势。根据国内外多个研究机构的预测结果，预计2020年将达到1.5亿辆左右，2030年达到2.3～2.5亿辆[1-2]。

图1 1998-2009年我国汽车保有量增长态势

伴随着汽车产销量以及保有量的快速增长，我国的车用石油消耗量大幅增长，1990年至今的国内石油消耗量统计如图2所示。而根据国家信息中心统计数据表明，2009年1- 11月，我国石油净进口量19756.1万吨，石油对外依存度由2008年的51.4%上升至2009年的53.2%。预计到2020年，我国石油对外依存度可能会超过60%。同时，车用石油消耗所产生的空气污染和CO2排放也正在变成愈来愈严重的问题，我国已经成为世界上第二大CO2排放国，由此产生的国际政治和经济争端将会愈演愈烈。

哈尔滨市科技攻关项目（软课题）（资助号：2009AC2CT098）

图2 1990-2009年我国石油消耗量统计

在2010年的“两会”上，低碳经济成为热点议题。中国经济面临转型期，即从以前重工业化的经济增长方式走向以新能源、低碳经济为龙头的新经济方式。发展新能源汽车既是低碳经济的必然选择，也是我国汽车产业继续发展壮大的必由之路。这充分表明，新能源汽车已上升为国家战略，而且脱离了汽车产业本身的局限，所有迹象都显示这将是基于低碳经济的一场技术革命[3]。

新能源汽车的界定是采用新型动力系统和使用新型能源。能源危机要求汽车能源将逐渐由石化燃料向可再生、低排放的能源形式过渡，生物燃料和氢能将是汽车能源的最终解决方案。但是在生物燃料和氢能最终替代石化燃料前，汽车能源将呈现多元化局面，目前主要是电动模式驱动的汽车[4]。

新能源汽车的技术核心体现在车载能源系统、驱动系统和控制系统上[5]。电力电子技术作为现代汽车的核心控制技术之一，在新能源汽车的发展中发挥着巨大的作用。在新能源汽车中，电机（发电机/电动机）、电力电子驱动控制器和直流电压变换器等电力电子装置是最重要的子系统，电力电子技术的快速发展将有力地推进新能源汽车的进程，同样，新能源汽车的推广和应用将给电力电子带来广阔的应用前景。

2．国内外新能源汽车的发展相关政策环境世界各国十分重视可持续交通能源的发展，日本、欧盟、美国等国家和地区都将发展安全经济和清洁的交通能源作为国家能源战略和汽车产业发展战略的重要内容，并通过制定相应的法律法规、设定专项计划、出台扶持政策等措施，大力支持新能源汽车的研发。

日本在2006年5月底由经济产业省与资源能源厅

联合制定新国家能源战略，提出了到2030年，将目前近50％的石油依赖度进一步降低到40％的战略目标。其中降低运输部门石油依赖度的具体措施为：通过导入和普及混合动力技术等带来的油耗改善技术来改善燃耗；建设基础设施以促进生物乙醇和柴油等燃料的多样化及其有效利用；促进电气、燃料电池汽车的技术开发与普及的支援。

欧洲汽车产业协会和欧盟委员会制定了限制二氧化碳排放协议，从1995年到2008年，轿车新车的平均排放量应当减少25％，到2008年机动车二氧化碳平均排放值降至140 g/km。目前，欧盟正在与欧洲主要汽车厂商协商进一步降低机动车二氧化碳平均排放量法规。在此背景下，欧盟的车用能源动力技术发展趋势主要体现在两个方面：第一，继续推进以环保柴油机为代表的各种先进内燃机技术，同时加强各种混合动力汽车和纯电动汽车研发与产业化；第二，积极推进车用能源多元化，重视发展天然气、氢和生物燃料。

美国在发展车用能源的战略选择上，已从以往重点进行燃料电池技术研发的单一化发展格局向氢燃料电池、混合动力、先进内燃机、生物燃料等多种技术路线共同发展的多元化格局转变。2000年以来，在美国逐渐兴起了促进可充电式(plug-in)混合动力研发和商业化的热潮，在全球产生了广泛影响。2007年，美国总统布什提出“20/10”计划，要求在10年内减少20%的汽油消耗。其中，乙醇、生物柴油等代用燃料将实现15%的汽油替代，另外的5%将通过提高燃油经济性标准实现[6]。

我国作为世界上最大的发展中国家，面临的挑战比发达国家更加严峻。在新能源汽车方面，我国目前正处于大力推进产业化的关键阶段。2008年，我国政府借奥运会的契机，大规模的推行了新能源汽车的示范运行，为我国政府对新能源汽车的扶持积累了经验。2009年以来，国家出台了《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》、《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》、《汽车产业技术进步和技术改造项目及产品目录》、《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》、《节能与新能源汽车示范推广应用工程推荐车型目录(第1批)》等一系列管理办法，对新能源汽车的扶持进入了实质性的操作阶段。同时，在2009年，国务院明确将新能源汽车列入国家提出的七大战略性新兴产业之一。根据国家中长期科技规划能源领域战略研究结果，2020年我国汽车节能目标为：在汽车保有量调节在1.5亿辆左右的前提下，平均单车年油耗量控制在1T左右[7-8]。与此同时，我国在新能源汽车的开发上，重视加强国际间的合作。根据中美两国元首的重要共识，中美双方于2009年7月共同投资建立了“中美清洁能源联合研究中心”，双方将在未来五年内对该中心至少投入1.5亿美元，清洁汽车是优先发展的三大领域之一。两国政府宣布将选择十几个中、美城市开展联合示范项目，未来数年里将有几百万辆电动汽车投入运行。

3．电力电子技术在新能源汽车中的应用

电力电子技术作为目前新能源汽车中主要应用的关键技术，为新能源汽车的发展起着不可替代的作用。2009年国家颁布的《汽车产业调整和振兴规划》提出了明确的电动汽车近期产业化目标，即2011年电动汽车要实现50万辆产能。电池、电机、电力电子等关键部件成本占电动汽车整车成本的30-50%。50万辆电动汽车年产值预计达到1000亿元以上，电池、电机、电力电子等关键部件年产值将达到300亿元以上。另一方面，2009年3月，国家发改委制订了《汽车技术进步和技术改造项目及产品目录》，如表1所示，该目录中的电机及驱动系统、电驱动变速系统、电动车大功率电子器件、车用DC/DC、车载充电机等产品研究的关键技术难点，主要都是通过电力电子技术来解决。表1 电动汽车及部件技术进步和技术改造项目及产品目录