电动汽车在我国的发展现状及其关键技术研究

电动汽车在我国的发展现状及其关键技术研究1引言在拉闸限电、关停并转等行政手段的强制作用下,“十一五”节能减排任务终于艰难收官。2011年,是“十二五”规划的开局之年,也是中国转变经济发展方式的关键年份。作为国家节能减排的重要组成部分,新能源汽车被列为加快培育和发展的七大战略性新兴产业之一,而汽车电动化和动力混合化成为新能源汽车的发展重点。电动汽车在沉睡了100多年后,再一次进入了人们的视野。从海关总署公布的数据显示,2010年中国进口原油2.39亿吨,对外依存度超过50%。而据国务院发展研究中心估计,到2020年,中国石油消耗的76%要依赖进口,汽车的石油消耗将占国内石油总需求的57%。能源的紧张使我们不得不为汽车消费的增长找出一条新的思路。另一方面,汽车的大量使用加剧了环境污染。城市大气中CO的82%、NOx的48%、HC的58%和微粒的8%来自汽车尾气。此外,汽车排放的大量CO2加剧了温室效应。而我国国内汽车水平与国外差距很大,平均油耗高出10%～30%,排放约为15～20倍,因此,汽车工业面临减排的压力更大。随着能源危机和环保问题的日益突出,传统汽车工业将面临越来越严峻的挑战。电动汽车,作为新能源汽车家族的重要成员之一,将发挥出不可替代的作用。2电动汽车在我国的发展现状2.1纯电动汽车我国在纯电动汽车方面开展了不少研究,也取得了一批成果。天津清源电动车辆股份有限公司与天汽集团等单位联合研发的纯电动轿车示范运行累计行程超过20万km。通过产学研结合,北京理工大学、北京京华客车厂等单位已经建成多家纯电动客车的研发和产业化基地,小批量研发生产的4种车型、近40辆公交车已投入北京奥运会电动示范车队的运行。2.2燃料电池电动汽车“十五”期间,在“863”电动汽车重大专项以及各地方政府的自主下,我国车用燃料电池技术取得实质性进展,成功开发出轿车和客车用燃料电池系统。同济大学和上海神力科技公司先后共同开发了3代“超越”系列燃料电池电动汽车,并进行了示范运行,其电控水平已进入国际前列。另外,在电催化剂、复合膜等关键材料,双极板、增湿器等关键部件以及系统集成方面,拥有了自主知识产权的技术体系,核心部件性能已接近国际先进水平。2.3混合动力电动汽车我国在混合动力汽车技术方面取得了重要技术突破。一汽、东风、长安等汽车公司竞相开发出混合动力汽车性能样车,节油30%以上,排放减少30%,轿车和客车最高车速分别超过160km/h和80km/h。由东风电动车辆股份有限公司自主研发的东风混合动力城市公交车,其整车水平与国际先进技术相当,某些关键技术处于国际领先水平。虽然成果颇丰,但与国外电动汽车的研究技术相比,国内的技术仍有不少差距。具体说来,对于纯电动汽车,最大的困难是电池的性能、重量、尺寸以及对充放电的要求等难以满足当代汽车的需求;对于燃料电池电动汽车,氢气的制取、储备是一个十分关键又不易解决的问题;对于混合动力电动汽车,由于仍需起动内燃机,因此也达不到零排放的要求并且也无法摆脱对石油的依赖。而且,国内很多电动汽车仍然停留在大学或科研机构的实验室阶段,真正要进入规模化生产和制造,尚需时日。3电动汽车关键技术及其研究3.1纯电动汽车3.1.1动力电池技术镍氢蓄电池是碱性电池,其基本特性与镍镉电池相似。但不含重金属,回收一般不构成问题,故有“绿色电池”之称。近年来受到国际上的普遍关注。镍氢蓄电池的技术关键是确立一种可以无数次反复使用的能够储存氢的合金材料。目前,有两种材料可用于镍氢电池:一种是基于斓镍的稀土合金,称为AB5类合金;另一种是由钛镐等构成的稀土合金,称为AB2类合金。前者的容量比后者小,但它的充电特性和稳定性比后者优,故在镍氢电池上应用较多。我国的稀土资源丰富,开发此类材料具有很大的前景。相对于传统的镍氢电池,锂离子电池的历史很短,但它号称“终极电池”,受到市场的广泛青睐。首先,作为电池材料的锂,便具有质轻、电极产生电子的能力强等先天优势,这使得锂离子电池比能量、比功率均较高,循环寿命长,充电时间较短,并且原材料丰富,使用安全。但目前价格较高,相信随着技术的提升和产业化的发展,锂离子电池将成为电动汽车动力电池的主要方向。3.1.2充电技术传统的恒流恒压充电方式充电速度慢、时间长,可考虑采用脉冲充电方式。这种方式的最大特点是利用脉冲充电截止时,为电池提供了休息时间,让电池的电化学反应能获得充分的中和,延长了电池的使用寿命。由于电池有了充电休息时间,使得充电时可以提供接近电池可接受的最大脉冲峰值电流,从而加快了充电速度,缩短了充电时间。此外,还可考虑在汽车行驶时充电,即所谓的移动式充电(MAC)。MAC系统埋设在一段路面之下、即充电区,不需要额外的空间,汽车在行驶过程中可以通过道路或护栏进行充电。关于这方面的应用,我们可以向国外借鉴。比如在美国洛杉矶,科学家在一条公路上铺设了一段300m的充电公路,电动汽车在进入这段公路时,只要放下一块带有连线的金属板在路面上滑行,就会吸取埋在路面上高压电缆中的电力,为汽车上的蓄电池充电,速度很快,只需几分钟。这为充电站提供了一种新的思路,即通过沿公路铺设充电线路对行驶中的电动汽车随时提供电能补充。无线快速充电技术,可以随时随地利用各种新的清洁能源进行充电,例如风能、太阳能等。这种充电站装有太阳能发电系统或风能发电系统和蓄电设备,可与商用电力连接。能将清洁能源所发的电储存在蓄电设备中,然后利用蓄电设备的电力为车辆充电。蓄电设备的电力用完时,可用商用电力为车辆充电,因此能够不受天气和时间的影响稳定充电。除了对充电技术进行改进以外,还可以采用在电池更换站更换电池组的方式。电池更换站同时具备正常充电站和快速充电站的优点,它可以用低谷电给蓄电池充电,同时又能在很短的时间内完成充电过程。通过使用机械设备,整个电池更换过程可以在10min内完成,与现有的燃油车加油时间大致相当。3.2燃料电池电动汽车就燃料电池车的应用而言,将燃料供应给车载燃料电池是其主要的难题。氢,是应用于燃料电池车的理想燃料。因此,制氢及其储存技术是十分关键的。目前,有两种途径向燃料电池供应氢:一是在地面供应站生产氢气,而在车上储存纯氢;另一是在车上,从易于含氢的承载装置中生产氢,并直接供给燃料电池。3.2.1储氢技术纯氢可用车载方式在加压状态下储存在罐内。但是,在几百标准大气压力下储存气体要求有很高强度的储气罐。为了使得罐的重量尽可能轻,而其容积合理,目前应用于汽车的储氢罐的制造采用了复合材料如碳纤维材料。因而,压缩储氢罐的成本可能会较高。此外,由于氢气属于易燃性气体并且容易渗透和扩散,在罐体的制作上,还必须考虑车载压缩氢的易燃性。另一可供选择的储氢方法是在低温(-259.2℃)条件下使之液化,如此储存的氢被称为“LH2”。通常的方法是构造一个高度绝热的储罐,且使之坚固地足以承受因液氢气化所产生的相当的压力,而过量的压力则通过安全阀释放至大气中。但这一储罐的绝热、高强度和安全设置也显着地增加了LH2储存的重量和成本。但假如能将液态作为氢气的运输手段,那么就能充分利用目前加油站的基础设施,顺利实现向氢气社会的过渡。作为固体的氢气储藏技术,新型储氢合金的开发如今进行得如火如荼。在标准的温度和压力条件下,金属氢化物是稳定的,而仅当需要时,可以释放氢。碱金属氢化物是可供选择的金属氢化吸收材料。这类氢化物剧烈地与水反应,释放氢气和氢氧化物。其主要缺点是在同一车辆中必须承载高活性的氢化物和腐蚀性的氢氧化物溶液,但相比于其他许多储氢技术,其储氢密度是合适的。在1991年发现的碳纳米管因其潜在的对氢的高吸收容量,以及重量轻等优点,是储氢系统中很有前景的方法。3.2.2制氢技术目前,氢大部分由碳氢化合物燃料通过重整生成。重整是一种由碳氢化合物提取氢的化学反应。在这一反应期间,燃料的能量值从碳—氢键被转换成氢气。如汽油、甲烷或甲醇这类的碳氢化合物,由于很容易予以重整,故为最有希望的选择对象,但是在反应过程中会产生部分CO2。通过加热氨,可避免这个问题:2NH3N2+3H2。由于反应是可逆的,故它的能量需求是极小的。并且氨在低压(约10个标准大气压)或轻度低温(-33℃)时就能液化,因此就储存而论,氨呈现了巨大的优越性。但是氨有一个缺点即其毒性,这使得将其作为燃料有一定的困难。3.3混合动力电动汽车由于电动汽车在价格和技术等方面存在一定问题,使其尚未普及,但内燃机汽车技术经过100多年来的发展已经很成熟,而且随着电子控制燃油喷射、多气门进/排气等技术的发展,内燃机汽车的性能也有了很大的提高。在这种情况下,混合动力汽车作为一个折中的方案应运而生。目前,内燃机/蓄电池混合动力汽车应用前景较广,其中又以串/并联混合式较为优先。3．3.1动力切换系统动力切换系统用于在串联驱动和并联驱动间切换。当在市区低负荷行驶时,放开离合器采用串联方式驱动;在高速行驶时,由于发动机需要持续工作在大功率区域,而驱动负荷较大时串联系统的工作效率比较低,因此离合器接合,汽车采用并联方式驱动。3.3.2动力分配系统该系统通过一种行星齿轮机构组成的动力分配装置,将整个系统耦合在一起,根据行驶工况灵活采取各种工作方式,以达到热效率最高、排放污染最低的效果:起步或低速、低负荷工况时,关闭发动机由蓄电池电能驱动;一般行驶工况时,动力系统以串/并联混合方式工作;大节气门加速或重负荷工况时,蓄电池也提供能量参与驱动;制动和减速时,通过能量回收系统向蓄电池充电;停车时,发动机自动关机;蓄电池充电时,由计算机控制其维持在一个稳定的充电状态。4我国电动汽车发展的政策性建议电动汽车产业的发展,除了技术上的突破外,还需要国家政策上的支持。4.1对企业的生产、研发和市场化进行政策性的指导和推动国家应制定明确的电动汽车发展目标,让企业真正看到政府长期发展电动汽车的决心,真正看到市场。电动汽车过去没有规模,相关零部件配套体系不健全。要建立完善的配套体系,我国可以采取以市场为导向,整车和零部件企业紧密合作,政府积极扶持的三位一体方式予以推动,尽快实现电动汽车的产业化。另外,政府还可以建立一套综合的、可操作的经济奖励与惩罚制度,对企业生产电动汽车给予财政补贴,在交通领域给电动汽车一定特权等。4.2采用税收优惠、财政补贴等措施调节消费者的消费行为对于一个普通消费者来说,价格是决定是否购买电动汽车的关键因素。在这种情况下,就需要发挥政府行为的主导作用,引导和鼓励电动汽车的消费。对于购买电动汽车者,我国政府可以在车辆购置税等方面有所减免。地方政府和环保局可按照车辆大小,给每辆电动汽车实施一定的奖励。此外,实施差异化的燃油税,降低车辆的使用成本,也能刺激消费者购买和使用电动汽车。4.3对制定的政策进行监督和反馈我国电动汽车产业化的政策相对滞后,一些部门之间工作的协调和衔接上不够顺畅,导致了政策没有连续性。因此,政府有必要对相关政策的实施情况进行监督,并对结果进行及时的反馈。5制订切实可行的国家电动汽车发展战略我国的电动汽车发展战略,必须要着眼于解决实际问题,力求取得实效。既要有利于能源安全和环境友好,还要在经济上有竞争力。可分成下述三个战略阶段。第一阶段(2015年前):实现混合动力电动汽车规模商业化,形成氢能燃料电池和蓄电池动力系统成熟成套技术。第二阶段(2020年前):燃料电池电动汽车和纯电动汽车具备商业竞争力,开始规模化商业应用。第三阶段(2020