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电子信息新技术系列讲座报告 (17)


浅谈新能源汽车
一、新能源汽车的研究方向
在今天的生活中, 汽车已经成为人们生活的必需品,但随着石油资源日益短 缺,油价越来越高,由此引发的环境问题也日有突出,因此,世界各主要汽车生 产商都在研究新能源汽车, 即采用非常规车用燃料作为动力来源(或使用常规车 用燃料、 采用新型车载动力装置) , 综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术, 形成的技术原理先进、 具有新技术、 新结构的汽车。 新能源汽车包括燃气汽车 (液 化天然气、压缩天然气)、燃料电池电动汽车(FCEV)、纯电动汽车(BEV)、 液化石油气汽车、氢能源动力汽车、混合动力汽车(油气混合、油电混合)太阳 能汽车和其他新能源(如高效储能器)汽车等,其废气排放量比较低。

二、该技术发展的背景和研究现状
20 世纪 90 年代以来,随着技术的进步,以混合动力汽车,纯电动汽车,燃 料电池汽车为代表的新能源汽车涌现出来。近年来,随着国际能源供应的持续紧 张,原油价格的持续上涨以及全球环境保护呼声的日益高涨,新能源汽车的技术 研发和产业化发展受到了越来越多的重视,以美国、欧洲和日本为代表的发达国 家和以巴西为代表的发展中国家都积极展开了新能源汽车产业发展的实践。 中国 作为崛起中的大国,近年来汽车销售量快速增长 , 石油需求大幅增加,导致石油对 外依存度急剧上升,并且快速的工业化导致了污染加重。温室气体排放大幅增加 的局面。 在这样的背景下,中国发展新能源汽车就具有了重大的现实意义,不仅有利于 降低对石油的依赖。保证我国的能源安全,也有利于我国的环境保护和可持续发 展,并为我国汽车产业实现跨越式发展提供了重要的战略机遇 , 可以说, 中国对于 新能源汽车的需要是越来越迫切了。但是,新能源汽车不仅技术种类多,各种技术 在技术成熟度!成本!使用燃料!清洁性等各个方面都存在许多差异,并且新能源汽 车的产业化发展涉及燃料与基础设施发展、市场需求培育、对传统汽车的替代等 方面往往都需要大规模的投入,因此中国如何根据自身的实际情况,结合新能源汽 车技术的特点,制定合理的技术发展路线和产业化发展战略,就成为我国新能源汽 车产业发展的重要课题。 20 世纪 90 年代以来,主要发达国家的研究机构和汽车厂商纷纷加大了对新 能源汽车技术的开发投入,以替代以石油为燃料的传统汽车,形成了多种技术共同 发展的局面,部分技术已经在商业化领域取得了重要进展"以日本、美国和欧盟为 代表的主要国家和地区,特别是丰田、宝马、通用、本田、大众等主要汽车厂商

根据本国和公司的实际情况,先后采取了不同的新能源汽车技术发展策略,研发成 功了多款新能源概念车型和应用车型,其中一些成熟的技术己经成功实现了产业 化"目前的新能源汽车技术主要包括混合动力汽车 !纯电动汽车!氢能和燃料电池 汽车、乙醇燃料汽车、生物柴油汽车、天然气汽车、二甲醚汽车等类型。日本在 混合动力汽车方面技术最为先进;美国将新能源汽车研发重点放在氢能和燃料电 池汽车,同时大力推动生物燃料汽车的产业化 ;欧洲在混合动力!纯电动汽车!氢能 和燃料电池汽车方面都有设计 , 在产业化领域也大力推广生物燃料汽车 "其他国 家也积极加入到新能源汽车的研发与应用领域,巴西在生物燃料汽车应用方面处 于世界领先水平,是目前最大的乙醇汽油和生物柴油汽车应用国家之一;挪威和加 拿大积极发展氢能源,都提出了建设氢高速公路计划,并已经取得了重要进展。

三、对该技术的原理进行介绍
新能源汽车,又称代用燃料汽车,是指使用了除汽油和柴油等石油能源作为动 力来源的汽车,既包括了全部使用非石油燃料的汽车如纯电动汽车!燃料电池电动 汽车,也包括部分使用非石油燃料的汽车如混合动力电动车、乙醇汽油汽车等" 目前新型动力汽车主要可以分为混合动力电动汽车 (HEV,又称混合动力汽 车)、纯电动汽车(BEV)、燃料电池电动汽车、氢燃料汽车、二甲醚汽车、甲醇汽 车、天然气(包括压缩天然气 CNG,液化天然气 LNG 和液化石油气 LPG)汽车、乙 醇燃料汽车等。 由于每种新能源汽车的驱动原理不尽相同,所以在下一部分的技 术介绍中,我们将分别进行介绍。

四、该技术的关键内容进行分析
目前,新能源汽车技术主要可以分为混合动力、纯电动、氢动力、乙醇动力、 燃料电池、燃气(主要是 CNG,LPG,LNG)动力、二甲醚动力和其他类型等类别。 3.1 混合动力汽车技术 混合动力汽车英文缩写为 HEv,即 HybridEleetricvehiele。根据国际电工委员 会电动汽车技术委员会的建议,对混合动力汽车的定义为:有多于一种的能量转换 器能提供驱动动力的混合型电动汽车,即使用蓄电池和副能量的电动汽车。 混合动力汽车的关键是混合动力系统,它的性能直接关系到混合动力汽车整车性 能。经过十多年的发展,混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发 动机电机和变速箱一体化结构发展,即集成化混合动力总成系统。 电池是混合动力汽车的关键部件之一"目前 HEV 电池的主流产品是镍氢(Ni 一 MH) 电 池 , 主 要 的 生 产 厂 商 是 日 本 三 洋 和 松 下 公 司 , 美 国 的 生 产 厂 商 eobasys,JohnsonControlSAFT 等公司也先后加入到镍氢电池的研发和销售"Ni 一 MH 电池具有高能量、高功率、长寿命、较好的高低温性能、比较容易进行串并 联组合等特点,目前大部分商业化的 HEV 基本都是采用 Ni 一 MH 电池。铿电池

(Li 一 ion)目前尚处于研究改进和使用阶段,其主要优势在于具有较高的比能量, 可以使电池做得更小 !更轻;具有较好的充放电效率和低的自放电率 ,可以提高电 池的能量效率,具有较大的潜在降价空间"但是铿电池仍然存在一定的缺陷 ,目前 的铿电池技术存在的问题主要是价格太高,高温下使用寿命较短,低温时放电率下 降,没有耐过充!过放机制,串并联需要严格挑选等"HEV 铿电池技术的缺陷有待于 进一步研究和开发来解决 3.2 纯电动汽车技术 纯电动汽车是指以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶,符合道路交通、 安 全法规各项要求的车辆。其基本结构非常简单,电动发电机和车载电池是其中的 关键部件,其中又以电池最为关键。 由于技术和成本上的问题 , 纯电动汽车目前仍存在一些缺陷 "最主要的问题 在于,目前蓄电池单位重量储存的能量太少 , 一次充电后行驶里程不理想 ; 高储量 的电池使用寿命较短 , 使用成本高 ,纯电动汽车总体成本比较高 , 当然这也和纯电 动汽车没有实现商业化、无法形成规模经济有关。 因此 ,电池是纯电动汽车发展的首要关键 ,要想在较大范围内应用电动汽车 , 要 依靠先进的蓄电池。由于完全不依赖内燃机,纯电动汽车对电池性能的要求大大 高于混合动力汽车。经过 10 多年的筛选,现在普遍看好氢镍电池,铿离子和铿聚 合物电池"氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一倍 ,其它性能也都优于铅 酸电池,目前主流的混合动力汽车就是配置镍氢电池"铿是最轻、化学特性十分活 泼的金属,铿离子电池单位重量储能为铅酸电池的 3 倍,铿聚合物电池为 4 倍,而且 铿资源较丰富,未来具有更大的发展空间。 3.3 燃料电池汽车技术 燃料电池汽车 (FuelCenvehide,FCv) 就是利用燃料电池 ,将燃料中的化学能直 接转化为电能来进行动力驱动的新型汽车。 燃料电池汽车所使用的燃料主要包括 氢、甲醇、汽油和柴油,由于氢燃料电池具有零排放等其他燃料不具备的优点,目 前研究重点主要是氢燃料电池。 燃料电池按电解质划的不同可以花粉为碱性燃料电池、磷酸盐型燃料电池、 熔融碳酸盐型燃料电池、 固体氧化物型燃料电池、 固体聚合物燃料电池及生物燃 料电池。按工作温度它们又分为高、中、低温型燃料电池"工作温度从室温到 373 域 100e)的为常温燃料电池,如 SpFC;工作温度在 373K(100oC)一 573K(300oc)之间 的为中温燃料电池,如 RAFC;工作温度在 873 以 600e)以上的为高温燃料电池,如 MCFC。 与传统内燃机汽车和混合动力汽车相比,燃料电池汽车具有无污染、 零排 放、高能量效率、低噪音、良好的动力及操控系统等优点 3.4 氢动力汽车 氢动力汽车就是在现有的引擎基础上加以改造 ,从氢气(或其他辅助燃料)和

空气的混合燃烧产生能量从而获得动力的汽车。 氢动力汽车现在最大的难题是液化氢气的储存 "氢气密度很低 ,需要压缩或 液化才能运输!存储和分配 5~7 公斤氢能使汽车行驶 644 公里,但控制燃料罐体积 是燃料电池车的主要难题"现有的储氢方式一是将液态氢储存于一 253e 的低温罐 内,二是将氢气储存于高压绝缘罐中,连续行驶里程分别达到 400 和 270 公里的水 平,但前者要消耗较多能量 ,后者体积仍然较大,蒸发还会每天消耗 5%的氢"更先 进的办法是金属氢化物低压固态储氢技术,美国采用晶粉状金属合金,一次可吸收 氢气约 3 公斤,加热即可释放出来,可反复使用几百次。氢动力汽车发展的另一个 关键问题就是氢的制备,目前,主要通过水电解制氢,生物质气化制氢等方法获 得氢气。水电解方法获取氢需要消耗大量的电能将氢和氧进行分离(制备 1 升液 氢约需消耗电能 3kwh);而直接从天然气中获取氢,需耗汽油,每公里要排放约 16 克二氧化碳(普通汽油车每公里排放 260 克二氧化碳),能耗过高。 因此欲获得大量 廉价的氢能,将取决于是否能实现低能耗低成本的规模制氢方法。 3.5 醇、醚和生物燃料汽车 除了上述新能源汽车外 ,目前还有以其他有机燃料作为能源来源的新型汽 车,主要代表是醇、 醚和生物燃料汽车"使用醇类作为能源的汽车主要是乙醇汽车, 乙醇汽车使用的燃料是乙醇汽油。乙醇汽油可有效地改善油品的性能和质量 ,降 低一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等主要污染物的排放,而且它对机动车的行 驶性能也没有影响。目前乙醇汽车己由过去的 E10 或者是 E20 的乙醇汽油替代, 开始大量使用 E85 乙醇汽油作为燃,而且这些车可以称之为灵活燃料汽车,既可以 加纯汽油,也可以加 E10 乙醇汽油,更可以加 E85 乙醇汽油。乙醇汽车技术已经相 对成熟, 对传统内燃机发动机进行改动即可适应不同的乙醇汽油燃料 "目前乙醇 的大规模制取方法主要从玉米,甘蔗等农产品中获得,因此乙醇汽车在美国,巴 西等乙醇资源丰富的国家己经展开了大规模应用。 二甲醚(DME) 在汽车上应用的主要要渠道是用作压燃式发动机的燃料 , 使 用方式有以 (1) 二甲醚 (DME) 作为点火促进物质。 (2) 直接燃烧纯液态二甲醚 (DME)。在柴油机上,加装一套储气装置和加压设备,即相当于把柴油机改造成二 甲醚发动机,另外还需配备一定压力的储气瓶。发动机工作时,在压缩冲程终了时, 液态二甲醚经过高压泵和喷油器喷入气缸,经过与空气混合在高温作用下自燃!燃 烧膨胀"研究表明 , 燃用二甲醚的发动机在保持原柴油机高热效率和动力性的前 提下,不用任何废气再循环系统和废气处理装置 , 氮氧化物就能大幅降低 ,碳烟排 放几乎为零"工业上二甲醚(DME)可以通过煤炭或天然气转化得到,对于煤炭和天 然气资源丰富的国家 ,二甲醚(DME)也不失为降低有害气体污染、减少温室气体 排放的一种替代方案。

五、总结

通过对新技术讲座课程的学习和自己在做新能源汽车这方面的论文时的了 解,我真心的感觉到,新能源汽车在未来具有广阔的发展前景。当前我国在传统 汽车领域和发达国家差距很大, 而且技术壁垒严重,所以我们应当在新能源汽车 领域多下功夫,因为, 1)新能源汽车可使中国实现从汽车大国到汽车强国的转变。 虽然当前世界各主要发达国家和有关汽车公司均在加紧研发此种新型汽车技 术并取得长足进展,但总体而言,中国仍基本上与之处在同一个起跑线上,差距 不过只有 3—5 年,并不像传统内燃机技术一样存在 20 年的巨大差距。在商用 化和产业化方面更是如此,某些方面我们还有一定优势。 2)新能源汽车可继续开辟中国的汽车市场。 中国的汽车产业刚刚发展起来,汽车普及率低,因而在汽车动力系统发展战 略选择上有更大的自由度, 在新能源汽车研发和产业化方面具有比较优势,推广 应用新能源汽车的阻力也会小得多。 我认为我国应该从以下方面入手来支持新能源汽车的发展, 1.1、 完善新能源汽车产业相关的法律法规体系,制定明确的发展战略和目标。 2、在政府主导下积极推动企业、研究机构共同参与的关键技术研发。3、积极 发展新能源汽车产业相关的财政税收等配套政策体系,加强基础设施的建设。4、 在自主研发的基础上大力发展国际技术和产业化合作。5、加强消费者宣传和教 育,扩大新能源汽车用户基础。 2.当前美国、欧洲和日本在新能源汽车技术和产业化方面积累了丰富的技术 和经验。在推动新能源汽车产业发展方面,美国、欧洲和日本也需要国际合作来 推动技术进步和新能源汽车及替代燃料的普及。因此,我国在新能源汽车产业发 展中可以积极借鉴发达国家的经验,通过开展跨国技术和产业化合作,提高我国的 技术水平,促进新源汽车及替代燃料的普及。具体措施可以包括,与跨国公司在华 建立合作研发机构,共享研究成果;充分利用国际研发成果,引导跨国公司参与中 国新能源汽车产业化发展;积极参与国际新能源汽车产业化组织,借鉴发达国家经 验和成果等。 3.另外,我觉得作为当代大学生,我们有义务为国家新能源汽车的发展做出 自己的努力和贡献。 作为工程技术人员,我们应当努力做好自己的工作并且积极 进取新的突破; 作为普通消费者,我们应当尽量购买新能源汽车来帮助国家政策 的推广;作为普通人,我们应当多宣传新能源汽车的好处,建议周围人购买新能 源汽车。 我相信在不久的将来, 我们的道路上行驶的汽车将都是新能源汽车,我国也 必将在这一轮新的汽车强国洗牌中夺得一席之地。而且,作为个人,在将来购车 时,我也会购买新能源汽车!

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