新能源汽车及智能汽车
科学技术的高速发展，已将人们带入了信息时代，同时也正在给汽车带来一场新的革命，智能化则是其突出特征。汽车智能化是在电子信息技术和其他高新技术基础上发展起来的，它起到辅助驾驶的作用，使驾驶更为方便，最终达到无人驾驶。智能汽车包括导航系统、不停车电子收费系统及自动避撞系统等。
“新能源汽车”这一概念，是相对于传统汽油车和柴油车而言的，是指用非汽油和非柴油燃料发动机或新能源作动力替代或部分替代传统内燃机作动力的汽车。新能源汽车有电动汽车、天然气汽车、液化石油气汽车、甲醇汽车或氢气汽车等。
一、智能汽车
1、智能汽车系统
智能交通运输系统是交通运输领域内各种高科技系统的一个统称。凡是运用高新科学技术手段组成旨在改善交通运输状态、缓解交通祸害的各种技术系统，都可称为智能交通运输系统（Intelligent Transportation System）,简称ITS。有关的高新技术包括信息技术、计算机技术、自动控制技术、通讯技术、微电子技术等，其中，信息技术起了重要作用。改善交通状况，主要是指提高交通运输效率和提高汽车行驶性能；而缓解“交通祸害”则是指降低交通对环境的污染和减少交通事故。
智能汽车是智能交通运输系统中的一个部分，它是许多高新技术综合集成的载体。智能汽车系统包括：
（1）公共交通支援系统
帮助公共交通利用者选择最佳的出行、换车方式及出发时间，同时使各交通部门实现最佳的利用分配。通过实时收集公共交通部门的运营状况、实施必要的优先通行措施、将收集到的信息作为基础数据提供给公共交通运营部门，辅助公共交通部门进行运营管理。
（2）导航系统
将经由路线的堵塞信息、所需时间、交通管制信息、停车场的满空信息等通过导航系统提供给驾驶员，来辅助驾驶汽车。
（3）安全驾驶系统
通过车辆及道路的各种传感器掌握道路、周围车辆的状况等驾驶环境信息，通过车载机、道路信息提供装置等实时地提供给驾驶员，并进行危险警告。
（4）救援系统当驾驶员需要应急服务（如感觉不适、发生交通事故），启用车载设备呼叫救援中心，为驾驶人员提供救援服务。
（5）行人辅助系统
使用道路引导设备帮助老弱病残以保证其安全。车辆上设置相应设备，可通过检测出车辆前方的行人，警告驾驶员或采取自动刹车，以防止行人交通事故。
2、导航系统
（1）功能
车辆定位及导航系统是ITS环境中驾驶员信息支持系统的核心设备。 其主要功能包括查询、寻路、导航、行车信息服务及提供车载娱乐功能。
查询：利用车载电子地图，根据用户提供的信息（如车辆位置、地名、建筑物名、电话号码等）查询其在地图上的相关位置。
寻路：根据出发地、目的地或中间地点位置，以及接收到的实时交通信息从复杂道路网中到一条距离最短或时间最少的行车路线。
导航：根据制定的行车路线，利用屏幕显示、声音提示等方式为驾驶员提供适时引导使其方便又快捷地到达目的地。
行车信息服务：在行车过程中,可以实时报告当前位置、到达目的地的预期时间，有些系统还提供车载internet服务等。
车载娱乐：利用导航系统中的多媒体设施，播放CD、VCD等。
（2）分类
车辆定位及导航系统可分为自主式以及中心定位式系统两类。
自主式系统：一般在车辆上装有GPS接收机和电子地图，利用车载设备就可以在车载地图上确定车辆位置。车辆也以无线通讯方式获取交通信息、下载地图等。
中心式系统：一般许多车辆具有统一的控制中心。中心具备确定每一车辆位置并向车辆提供引导、查询的功能。主要用于专用车队（如警用、消防、公交等）系统。
（3）结构
根据车载导航系统的功能，系统可分成定位部分、数字地图部分、人机接口、无线通讯及系统软件（提供寻路、导航等实用功能）等五个部分，如图1所示。
图1 车载导航系统功能结构
1）车辆的定位
车辆定位系统就是运用GPS/或DR（Dear Reckoning 推算定位）等定位技术，自动确定车辆的实时位置，并运用地图匹配技术，对车辆实际行驶路线与电子地图上道路位置之间的误差进行修正，从而提高定位精度。该系统还可以识别车辆所在道路和每一个临近的交叉口。目前，车辆采用的是GPS和DR组合的定位技术。
地图匹配是利用电子地图使定位系统更加可靠和精确，其功能如下：①系统用电子地图中的地理信息要素进行寻路；②将GPS等传感器接收的信息与数字地图进行匹配，直观显示当前位置；③根据寻路结果及GPS等传感器接收的信息，提供实时的导航功能；④利用地图中的地理信息实时供驾驶员查询，如车辆当前位置到终点的距离以及路标、旅馆、停车场位置等；⑤电子地图可以表示出道路的形状及道路名、交叉口等地理信息。 实用的导航系统具有结构完善的电子地图。
2）车载导航系统的人机接口
人机接口提供了驾驶员操纵导航器的接口按键，并以屏幕显示、声音播放等多媒体手段为驾驶员提供导航。如图2所示，驾驶员要查询汽车研究所的位置，将“汽车研究所在什么位置？”输入，通过声音识别后进行句子分析、语义处理，合成为声音再通过扬声器播放查询的结果“在东北角”。
图2 人机接口工作原理
3）车载导航系统的硬件及其布置
车载导航系统的硬件部分包括GPS天线、接收机、陀螺仪等传感器、导航用计算机、CD-ROM光盘驱动器、可视显示器及扬声器等，如图3所示。
图3 车载导航系统的硬件及其布置
4）无线通讯
驾驶员可以用无线通讯获取当前交通信息等。无线通讯可以采用GSM、广播副载波、寻呼系统及短距离信标等实现，如图4所示。
图4 无线通讯
3、不停车电子收费系统
（1）电子收费系统功能
1）减轻收费时的交通拥挤，提高交通流量；
2）监视公路上的交通流，探测交通事故；
3）通过采用调整运价、关闭收费入口等措施 影响人们对出行时间及方式的选择；
4）如采用电子卡管理汽车，有助于车辆防盗、车流量调查迅速准确、稽征调查方便、通行权限限制、养路费；
5）自动征收、停车场自动管理收费等。
如图5所示，当汽车接近收费站时，汽车上的车载单元接收到收费站天线发出的信号后，由车载单元反馈一个信号给收费站天线。收费站天线再把这个信号传给车道控制装置，收费计算机收费后把有关信息传到收费中心，完成收费。同时车道控制装置开启栏杆，汽车通过收费站。
图5 不停车电子收费系统
（2）电子收费系统结构
电子收费系统包括车载设备、车道设备、收费站计算机，整个系统典型结构图如图6所示。（不包括车载设备）
1）收费站计算机：实时处理各车道查询、核对的数据， 收集各车道的交通、收费运行数据并进处理，定期将数据上传控制中心。
2）车道设备：电子识别与通信设备，包括中央单元及天线。天线通常装设在车道上方，通过它与电子标签之间建立高方向性的微波通信。外围监控设备。包括自动栏杆、报警器、信号灯车辆检测器、轴重计、防违章设备及闭路电视等。信息处理设备，如通道控制器。
系统判断通过车辆是否可以不停车，根据相应数据起动相应的控制设备或信号，通过声音警告或信息显示屏给车主以必要的提示。如果发生违章闯关则可启动抓拍系统进行违章取证等。
3）车载设备
包括单独一个车载单元或车载单元和IC卡电子标签。车载单元包括以下的硬件模块：RF通信接口、CPU、电池或电力电缆、LCD显示屏、IC卡接口，一般安装在汽车挡风玻璃内侧。IC卡可以存储包括车辆的型号、车牌照号码，预缴的路桥费金额或余额、车辆通过收费站的时间、地点、次数等信息，也可以把该车的年审及养路费征收的情况等记录在内。
图6 电子收费系统结构
4、自动避撞系统
自动避撞系统是车辆主动辅助驾驶系统和车辆必要的安全系统，通过对障碍物、危险姿态的及时检测，为驾驶员或车辆系统获得足够的安全时间，从而阻止或减少危险情况的发生，达到安全行车的目的。它利用装于车辆上的传感器及计算机控制器，实时准确判断发生碰撞的可能，随时提醒驾驶人员注意，并在必要时采取紧急措施以避免或减轻碰撞危险，提高行车安全和交通效率。
在跟车距离小于安全距离或前有转弯等紧急情况时，避撞系统会向驾驶员发出警报，提醒注意并采取减速或制动措施，可有效的预防碰撞事故的发生，对降低交通事故发生率和确保道路行车安全有着非常重要的意义。
如图7所示，自动避撞系统由输入装置、控制单元及显示单元组成。输入装置提供车辆行驶情况信息。控制单元计算跟车距离，确定报警距离。显示单元显示当前距离。
图7 车辆碰撞预防避免系统
在自动避撞系统中，涉及到多种传感器的应用技术，如雷达、激光雷达、异频雷达收发机及摄像机等，但应用最广泛的是微波雷达、激光雷达和摄像机，特别是在考虑环境因素的时候，微波雷达是最为常用的。安装在车辆上的雷达天线可以探测到车辆前方100m的障碍物，如图8所示。
安全车距计算模型：从两车速度判断，为避免追尾碰撞事故，测到的自车到目标车辆的距离必须大于安全距离。安全距离与两车的速度、减速度、驾驶员反应时间相关。
图8 自动避撞系统工作原理
二、新能源汽车
1、电动汽车
（1）电动汽车发展概况
电动汽车大致分为蓄电池电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车。电动汽车的一个共同特点是汽车完全或部分由电力通过电机驱动，能够实现低排放和零排放。
1881年就出现了电动汽车，它比内燃机汽车还早一些（图9）。但内燃机汽车后来居上，在性能、机动性、车辆重量等指标远远超过了电动汽车。电动汽车在20世纪20年代达到鼎盛时期后就一撅不振，成为“电瓶车”式的辅助车辆（图10）。
图9 1899年的电动汽车
图10 20世纪初的电动汽车
早期电动汽车不仅有电动轿车，还有电动货车和电动大客车等多种形式的电动车辆。在20世纪初蒸汽汽车、电动汽车和内燃机汽车基本是三足鼎立，在汽车保有量中，蒸汽汽车占40%，电动汽车占38%，而内燃机汽车仅占22%。在内燃机的性能还不高的时期，电动车十分盛行。后来，由于石油的发现及大量开采，内燃机的性能迅速提高，电动车在速度和续驶里程等方面愈来愈无法与内燃机汽车竞争，逐渐衰落。从1953年到1955年，电动汽车完全从公路上消失，进入一个“沉睡时期”。
1966和1967年，美国通用、福特和美洲虎汽车公司分别开发了新型电动车，并成立了美国电动车协会，从此电动车进入了现代发展时期。同时，石油短缺对燃油汽车来说是致命的，石油危机是20世纪70年代电动车迅速发展的主要推动力。福特汽车公司开始研究先进的蓄电池，通用和克莱斯勒汽车公司合作开发了电动车。除了三大汽车公司外，许多独立的专业电动车公司也纷纷成立。到20世纪90年代初，以美国为代表的一些国家开始制定并执行严格的汽车尾气排放标准。美国加利福尼亚州政府1996年颁布了零排放车的法令，该法令规定1998年在加利福尼亚州销售的汽车中必须有2 %零排放车，到2003年则必须有10%零排放车。随后，其他一些州也相继立法规定了零排放车的份额。这一行动极大地刺激并加速了现代电动车的研究和开发，同时，由于新技术和新材料的迅速发展，使电动车发展被注入了新的活力。
电动车是目前可以达到零排放标准的机动车。电动汽车有下列突出优点：
1）节能——首先是不需石油类燃料，其次，在夜间充电可填补用电低谷时发电厂多余的供电量，此外电动机的耗能效率高达75%（而内燃机只有15%）。
2）污染小——电动车行驶时不排放有害废气（称为“零排放”）。蓄电池在制造过程中或充电过程中仍会因化学反应而产生污染物，但比内燃机汽车的排气污染物更易控制。
3）特殊环境下的优点——内燃机汽车无法在缺氧的条件下工作，而电动车则最适用于月球、太空、海底、真空等环境。
4）其他——操作方便（电动车没有离合器、不必换档），起动容易，行驶噪声小。
（2）混合动力电动汽车
由于当前电动汽车用的电池性能还不理想，一次充电后汽车续驶里程尚未达到传统汽车的水平，同时充电、维修等基础设施的建设需要资金，于是出现了混合动力电动汽车，即利用两种不同动力驱动的汽车（图11、图12）。其组成包括电动机、辅助动力及蓄能装置等。电动机可以是交流的或直流的，辅助动力可以是内燃机、外燃机、其它形式的热机以及燃料电池。蓄能装置可以是蓄电池、超级电容、液压、气动或飞轮等储能装置。
图11 武汉理工大学开发的混合动力电动汽车
辅助动力可以直接驱动汽车，也可以带动发动机发电，或者如燃料电池直接发电，将电能储存在蓄能装置中。汽车在减速或制动时，可以将回收的能量储存在蓄能装置中，蓄能装置是能量汇集处。通过电控制单元进行自动控制就可以使汽车有更好的性能及更大的灵活性。既可以提高功率水平，最大限度地减少汽车对环境的污染，又可以提高燃油经济性，延长续驶里程。目前混合动力电动汽车主要由内燃机、电动机、蓄电池、电控单元控制部件及车用辅助设备等构成。
图12 东风电动车辆股份有限公司生产的混合动力电动汽车
（3）燃料电池电动汽车
采用燃料电池作为电源的汽车称为燃料电池汽车（图13）。燃料电池是通过电化学反应将燃料的化学能直接转变为电能的高效率发电装置。燃料可以是氢气、甲醇、石油气、甲烷及其它能分解出氢的烃类化合物。目前大多数燃料电池电动汽车使用压缩氢气或液化氢气作为燃料。
图13武汉理工大学开放的燃料电池电动汽车
燃料电池发动机是燃料电池电动汽车的核心，它一般由多个单体燃料电池组成（图14）。燃料电池单体电池电压一般在1V以下，即使采用串联方法来提高输出电压，需要串联大量的单体燃料电池才能达到，因此用燃料电池管理系统模块进行电源管理，对燃料电池状态进行监控和检查。燃料电池的电流需要经过专用的大功率动力DC/DC转换器，将燃料电池产生的直流电转换为稳压的直流电流，然后经过逆变器转换为交流电输送给驱动电机。除此以外，在装有空调系统和装有电动油泵转向系统的燃料电池电动汽车上，燃料电池组还要向它们提供电能。
图14 燃料电池发动机
通常在燃料电池电动汽车上还要装配一个普通蓄电池组作为辅助电源，其作用：①用于燃料电池电动汽车快速起动；②用于储存燃料电池电动汽车制动时再生能量；③为控制系统、照明系统、信号系统、仪表板、车载电子电器设备（包括刮水器、喷淋器、电动门窗、音响、电视、安全气囊、防撞系统、导航系统和车载电话等）提供低压电源。
（5）蓄电池电动汽车
蓄电池电动汽车是最早出现的电动汽车（图15～18），它使用铅酸蓄电池作汽车的动力源，其整车动力性、续驶里程与传统内燃机汽车有较大的差距，而使用高性能镍氢电池或锂电池又会使成本大大增加。蓄电池需要相应的充电设备和充电时间，因而这种电动汽车使用场合受到了限制。
图15 东风海贝系列电动多功能车
图 16 东风朝阳系列电动游览车
图 17 东风阳光系列电动游览车
图18 东风电动专用车
（4）太阳能汽车
太阳能是一种新能源，它取之不尽，用之不竭。太阳能汽车是靠太阳电池作电源的（图19）。当太阳照射到车身上的太阳电池板时，根据光电转换原理，立即能产生直流电，供给直流电动机运转，驱动汽车行驶。但这种只装有太阳电池板的汽车，在无光照射时，就会马上停止。如果要汽车在阴天或夜间也能继续行驶，还要把太阳电池板和蓄电池配合使用。当阳光照射时，太阳电池板就产生电能，一部分提供给电动机，汽车便可奔跑；另一部分供给蓄电池充电。这样，等到没有阳光时，使蓄电池放电供电动机运转，让汽车行驶。因此可以认为太阳能汽车，是太阳能和蓄电池组成混合动力的电动汽车。这样的混合动力汽车在沙漠和草原上可以是风力发电机与发动机组成混合动力，或者用风帆作为汽车的辅助动力。
图19 1985年在瑞士车展上乡村牌太阳能汽车
2、燃气汽车
自从1872年发明了奥托循环发动机开始就有了天然气发动机。早在第一次世界大战期间天然气就开始用在汽车上，后来由于其储存、携带极不方便才让位于液体燃料中的汽油和柴油。从20世界60年代以来，全世界经历了三次大的能源危机，这就警示人们石油资源也会枯竭。
随着汽车数量的增多，车用汽油和柴油的消耗越来越大。按现在人类消耗石油的速度测算，全球已探明石油资源仅能维持40～50余年。但天然气气田不断被发现和探明，其储量也逐年增加。以1000m3天然气相当于1吨石油计，世界天然气的储量与石油储量是在同一个数量级上的，天然气将成为未来的第二大能源。
天然气作为汽车燃料于20世界30年代初由意大利人率先采用，到1939年意大利就有1万辆天然气汽车。前苏联早在1938年就研制出两种压缩天然气汽车。但在20世纪50～60年代发展缓慢，只在某些特定地区、特定用途的车辆上小规模地使用。直到1973年第一次石油危机之后，人们才认识到使用天然气代替传统的石油产品作为汽车燃料具有经济、清洁的突出优点，于是纷纷加快了天然气汽车的发展。在天然气资源丰富的俄罗斯、意大利、阿根廷、新西兰、巴西等国家和地区，以及受到环保法规和国家政策制约的美国、日本等国，天然气汽车的发展非常迅速。许多国家都制定了研究与发展计划。
从1993美洲虎汽车年起，我国已成为石油净进口国，年进口石油2000万吨～3000万吨，而天然气资源比较丰富，为推广天然气汽车提供了良好的资源条件。在20世界50年代，我国就开展天然气汽车研究。80年代中期，为解决燃油供需矛盾，四川省率先提出“以气代油”发展天然气汽车，加快了天然气汽车的发展步伐。1988年中国石油天然气总公司从新西兰引进了一套天然气汽车充气设备及汽车改装配件，在四川省南充市建成了我国第一座CNGV充气站。1994年上海组织开发LPG燃气汽车，为LPG清洁汽车的推广应用工作提供了技术基础保障。到1999年底，由于国家重视，成立了国家清洁燃料汽车领导小组，确定北京、重庆等12个城市、地区为燃气汽车试点示范城市。各地方政府纷纷出台优惠政策给予鼓励支持，使全国清洁燃料汽车的发展步伐大大加快。截止2000年10月，12个示范城市燃气汽车保有量约为71200辆，CNG和LPG加气站约240个。
根据燃气汽车使用燃料不同、燃料的使用形态不同和使用方法不同，燃气汽车有如下几种：
压缩天然气汽车（Compressed Natural Gas Vehicles ,缩写CNGV）是指以多级加压压缩经到20MPa左右并储存在车载高压气中的气态天然气作为燃料的汽车。
液化天然气汽车（Liquefied Natural Gas Vehicles ,缩写LNGV）是指以－1620C左右低温液化并储存在车载绝热气瓶中的天然气作为燃料的汽车。
吸附天然气汽车（Adsorbed Natural Gas Vehicles ,缩写ANGV）是指利用以中压状态储存在吸附罐内活性碳中的天然气作为燃料的汽车。
液化石油气汽车（Liquid Petrel Gas Vehicles ,缩写LPGV）是指以储存在车载气瓶中的液化石油气作为燃料的汽车。
单燃料燃气汽车（Mono-fuel Vehicle）仅使用CNG或LPG中的一种作为发动机的燃料，发动机的燃料供给系、配气机构等针对CNG或LPG的物化特性进行专门设计，因此燃烧热效率高、经济性好。
双燃料气汽车（Dual-fuel Vehicle）是指具有两套燃料供给系统，使用中可以在两种燃料之间灵活切换的车辆。此类车在燃用汽油时，不能同时使用CNG或LPG作为发动机燃料；反之，燃用CNG或LPG时，也不能混烧汽油。此类汽车与单燃料燃气汽车相比，由于要兼顾两种燃料的物化特性，发动机的结构参数几乎不做改造，因此燃烧热效率不高、经济性较差。
3、醇燃料汽车
醇燃料（主要指甲醇和乙醇）是汽车清洁替代燃料的一种，与汽油和柴油相比，醇类燃料氢碳原子比大、且为含氧燃料（甲醇分子含氧量达50%、乙醇分子含氧量达35%），比汽油和柴油更容易完全燃烧，除了常规的有害排放较低外，CO2的排放量也比燃用汽油和柴油低。此外甲醇和乙醇是可再生资源，可由一些廉价原料，例如家庭垃圾、秸杆、木材、甘蔗、粮食，也可以通过煤、煤层气、液化石油气等制造，所以醇类燃料的供应不会枯竭。美、德、加、法、日、瑞典、新西兰等发达国家政府和汽车公司，都大力推动醇燃料的研究试验和示范推广，并由国家议会列为清洁燃料，予以发展。世界各大汽车厂都在积极研究开发、示范了许多不同方案的醇燃料汽车，如专用优化的醇燃料小轿车（曾是巴西汽车的主流）、全醇燃料的大轿车、大载货汽车等，在醇燃料汽车技术上有很大进展。