汽车新能源技术 概述

武汉理工大学汽车学院杨胜兵汽车新能源技术概述能源危机及环境污染问题从全球来看，已探明的石油储量只能用到2040年，天然气也只能延续50-60年左右，即使是储量最丰富的煤炭最多也只能够维持二三百年。就连近代才发展起来的核能发电的原料铀的储量也是有限的，而且还存在安全和污染的难题。石油40年天然气50年煤碳240年风能生物质能太阳能波浪能地热能太阳能的开发和利用当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的不断恶化，传统能源(如煤、石油、天然气等)的供给已出现严重短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源的发展。人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。在未来的一段时间内，可再生能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。可再生能源主要有以下几个方面：①太阳能：据天文物理学家的计算表明，太阳系还能存在45亿年，太阳每年辐射到地球的总能量相当于人类能源消耗的1.2万倍。②氢能源：利用自然界大量存在的水，由电解水产生氢，或者由太阳能光催化水分解氢。③风力发电、小水电与潮汐发电：可提供可观的电力。④生物能：包括城市垃圾的转化、人类粪便的转化等。这些能源原本是人类的废弃物所转化过来的，只要有人类的存在，就会有生物能，所以这种能源也可以说是用之不竭的。⑤核能：与传统能源的发电厂相比，核能的利用率较高，对环境的污染小，并且使用核燃料的成本远远低于传统燃料的成本，而核燃料所释放出来的能量却远远高于传统能源所释放出来的能量。什么是新能源汽车国家发改委《新能源汽车生产准入管理规则》中规定：新能源汽车系指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、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，但不包括采购新能源汽车完整车辆、二类及三类底盘改装形成的汽车。新能源汽车新能源汽车包括燃料电池电动汽车（FCEV）、混合动力电动汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、其他新能源（如超级电容器、飞轮等高效储能器）汽车等。非常规的车用燃料指除汽油、柴油、天然气（NG）、液化石油气（LPG）、乙醇汽油（EG）、甲醇、二甲醚之外的燃料。如何助燃气气汽车“一一臂之力””燃气汽车目前，燃气气仍然是世世界汽车代代用燃料的的主流，在在中国代用用燃料汽车车中占到90%左右右。美国的目标是，，到2010年年，公共汽车领域有7%的汽车使使用天然气，50%的的出租车和班车改为专用天天然气的汽汽车；到2010年年，德国天天然气汽车车数量将达达到10万万至40万万辆，加气气站将由目目前的180座增加加到至少300座。。业内专家指指出，替代代燃料的作作用是减轻轻并最终消消除由于石石油供应紧紧张带来的的各种压力力以及对经经济发展产产生的负面面影响。近近期，中国国仍将主要要用压缩天天然气、液液化气、乙乙醇汽油作作汽车的替替代燃料。。汽车代用用燃料能否否扩大应用用，取决于于中国替代代燃料的资资源、分布布、可利用用情况，替替代燃料生生产与应用用技术的成成熟程度以以及减少对对环境污染染等；替代代燃料的生生产规模、、投资、生生产成本、、价格决定定着其与石石油燃料的的竞争力；；汽车生产产结构与设设计改进必必须与燃料料相适应。。美国奥巴马马政府的新新能源政策策大力发展清清洁能源奥巴马的新新能源计划划在一方面面是向石油油公司收取取利润税收收作为对对于个人和和家庭直接接能源补贴贴另一方方面还将美美国新能源源发展的长长期目标放放在关注气气候变化上上。为减少美国国对于外国国石油的进进口依赖和和应对全球球变暖奥奥巴马决定定实施″总总量控制和和碳排放交交易″计划划对所有有污染额度度进行拍卖卖用市场场机制激励励美国消费费者和企业业开发经济济有效的气气候变化解解决方案。。污染额度拍拍卖得来的的补贴一部部分­每年年约150亿美元将将被用于于支持清洁洁能源的发发展以及投投资能源效效率的改善善并帮助助发展下一一代生物燃燃料和清洁洁能源运输输工具,这这些措施将将提振美国国经济并并帮助美国国实现减排排目标。提升能源安安全奥巴马新能能源政策将将在未来10年内投投资1500亿美元元加速插电电式混合动动力汽车的的商业化,促进可再再生能源的的商业规模模扩大,鼓鼓励高能效效,发展下下一代生物物燃料和基基础设施建建设并开开始向新的的数字电网网转换。能源资源多多元化奥巴马的新新能源政策策要求到2012年年美国电量量的10%来自于可可再生能源源;在保证证安全的前前提下发展展核能。目目前核能能占美国非非碳发电的的70%。。提高汽车燃燃料效率奥巴马的新新能源政策策计划每年年将汽车燃燃料经济标标准提高4%。到2015年年将100万辆插插电式混合合动力车投投入使用且2012年前实实现美国联联邦政府购购买的车辆辆中一半是是插电式混混合动力车车或电动汽汽车。另外外创建一一个全国低低碳燃料标标­LCFS加加速引进低低碳非耗油油汽车。节能、节约约成本和高高能耗到2020年将美美国能源部部预测的电电能需求水水平降低15%为为此开展的的节能计划划是,到2030年年将让消费费者节省1300亿亿美元减减少50亿亿吨二氧化化碳的排放放并创造造就业。设立国家建建筑物节能能目标到到2030年所有有新建房屋屋都实现″″碳中和″″或″零碳碳排放″;对目前的的联邦能效效标准进行行大幅修整整。联邦政府在在2008财年能源源消耗达145亿美美元在减减少能源消消耗上联邦邦政府应该该树立榜样样5年之之内将所有有联邦政府府建筑能效效提高40%所有有新修联邦邦政府建筑筑到2025年实现现零排放;实施新刺刺激方案促促进公共事事业公司提提高能效;提高国家家电网的智智能性、可可靠性和安安全性提提高可再生生能源发电电。节能、环保保和安全技技术是汽车车工业“永永恒的三大大主题”，，其中的核核心是新能能源技术。。国际上对汽汽车技术发发展方向基基本已达成成共识：起起点是传统统汽柴油车车，终点是是氢燃料电电池车。从传统的汽汽油燃料技技术发展到到理想的燃燃料技术之之前，必须须经过相当当长的一个个过渡时期期。目前世世界各国对对过渡期的的技术路线线有分歧。。各国根据本本国的不同同资源结构构，形成了了具有本国国特点的不不同见解和和不同技术术路线:欧欧洲是柴油油动力，日日本是混合合动力，美美国是氢动动力。国内内以比亚迪迪等本土车车企为代表表的企业表表示，电动动车才是未未来的方向向。一新能源源汽车是人人类社会持持续发展的的需要二新能源汽汽车是汽车车工业发展展的主要方方向三新能源汽汽车的发展展状况四新能源汽汽车的分类类一电动汽汽车是人类类社会持续续发展的需需要汽车工业在在给人来带带来福祉的的同时也带带来灾害。。如：42%的环境境污染是来来源于燃油油汽车的排排放，80%的城市市噪声是由由交通工具具产生的，，当今世界界石油储量量日趋减少少，燃油汽汽车是消耗耗石油的大大户!在巨大的石石油危机和和环境污染染双重压力力下，汽车车工业发展展势必寻求求替代能源、、低噪声、、零排放一百多年以以前就己产产生且几度度沉浮的电电动汽车，，由于具有有能源利用用率高、能能源多样性性和环境保保护的特点点，在20世纪90年代再次次获得世界界各大汽车车公司的青青睐，纷纷纷投巨资予予以研究与与开发VOCVOC是挥挥发性有机机化合物(volatileorganiccompounds)的的英文缩写写。其定义义有好几种种，例如：：美国ASTMD3960-98标准准将VOC定义为任任何能参加加大气光化化学反应的的有机化合合物。美国联邦环环保署(EPA)的的定义：挥挥发性有机机化合物是是除CO、、CO2、、H2CO3、金属属碳化物、、金属碳酸酸盐和碳酸酸铵外，任任何参加大大气光化学学反应的碳碳化合物。。世界卫生组组织(WHO,1989)对对总挥发性性有机化合合物（TVOC）的的定义为，，熔点低于于室温而沸沸点在50～260℃之间的的挥发性有有机化合物物的总称。。BENZENEBENZENE苯苯及苯系物物为无色或或浅黄色透透明油状液液体,具有有强烈芳香香的气体,易挥发,易燃,有有毒。甲苯、二甲甲苯属于苯苯的同系物物,都是煤煤焦油分馏馏或石油的的裂解产物物。目前,苯及及苯系物已已经被世界界卫生组织织确定为强强烈致癌物物质。二电动汽汽车是汽车车工业发展展的主要方方向电动汽车?电力驱动（（或机电混混合）道路路车辆蓄能系统（（发电装置置）、能量量管理、能能量回收系统优化、、最优控制制技术机电一体化化、以信息息技术为基基础、电子子化、智能能化、数字字化与人类社会会持续发展展要求（节节能、低排排放）相协协调三电动汽汽车的发展展状况电动汽车历历史电动汽车发发展现状电动汽车历历史Inthelate1890selectricvehicles(EVs)outsoldgasolinecarstentoone.EVsdominatedtheroadsanddealershowrooms.Someautomobilecompanies,likeOldsmobileandStudebakeractuallystartedoutassuccessfulEVcompanies,onlylatertransitioningtogasoline-poweredvehicles.Infact,thefirstcardealershipswereexclusivelyforEVs.电动汽汽车历历史EarlyproductionofEVs,likeallcars,wasaccomplishedbyhandassembly.In1910,volumeproductionofgasolinepoweredcarswasachievedwiththemotorizedassemblyline.Thisbreakthroughmanufacturingprocesskilledoffallbutthemostwell-financedcarbuilders.Independents,unabletobuycomponentsinvolumediedoff.Theinfrastructureforelectricitywasalmostnon-existentoutsideofcityboundaries––limitingEVstocity-onlytravel.电动汽汽车历历史AnothercontributingfactortothedeclineofEVswastheadditionofanelectricmotor(calledthestarter)togasolinepoweredcars––finallyremovingtheneedforthedifficultanddangerouscranktostarttheengine.Duetothesefactors,bytheendofWorldWarI,productionofelectriccarsstoppedandEVsbecamenichevehicles––servingastaxis,trucks,deliveryvans,andfreighthandlers.电动汽汽车历历史ThoseEVswereproducedinverylowvolumes––essentiallyhand-builtliketheirearlypredecessors.However,astheZEVmandatewasweakenedovertheyears,theautomakersstoppedmakingEVs––ToyotawasthelastmajorautomakertostopEVproductionin2003.电动汽汽车历历史Inthelate1960sandearly1970s,therewasarebirthofEVspromptedbyconcernsaboutairpollutionandtheOPECoilembargo.Intheearly1990s,afewmajorautomakersresumedproductionofEVs––promptedbyCalifornia’’slandmarkZeroEmissionVehicle(ZEV)Mandate.电动汽汽车历历史几点事事实：：1834年年，ThomasDavenport发明明（不不可充充电））蓄电电池电电动车车1859年年，GastonPlante发明明可充充电铅铅酸蓄蓄电池池电动动车1895年年，第第一次次机动动车辆辆比赛赛，电电动车车获胜胜1896年年第一一次销销售电电动车车电动汽汽车历历史1900年年，33%蒸蒸汽汽车,33%电电动车车,33%汽汽油车车1960年年代，，第一一次石石油危危机，，小型型电动动车1990年年，California（（加州州）establishestheZeroEmissionVehicle(ZEV零排排放)Mandate;requires2%ofvehiclestobeZEVsby1998,10%ZEVsby2003.1990年年，ＧＧＭEV１（（Impact）；；1997年，，ToyotaPriushybridgas-electricvehicle电动汽汽车发发展现现状USABC,PNGV,FREEDUMCAREuropeonTomorrowcars中国八八.五五、九九.五五、十十.五五电动动汽车车研究究开发发与产产业化化计划划PNGV（（ThePartnershipforaNewGenerationofVehicles“开开发新新一代代汽车车合作作计划划”））,是是1993年由由克林林顿政政府与与美国国汽车车研究究理事事会（（USCAR））所设设立的的旨在在提高高美国国汽车车工业业在国国际上上的综综合竞竞争力力，减减少美美国对对进口口国外外石油油的依依赖程程度的的一项项汽车车研究究与开开发计计划。。研究究的目目标是是要开开发燃燃料经经济性性相当当于1994年年家庭庭轿车车（如如concord/Taurus/lumina等等）的的三倍倍（长长期目目标））,同同时价价格相相当、、燃料料效率率有革革命性性的提提高，，没有有环境境污染染，满满足和和超过过安全全和排排放要要求的的经济济可行行的汽汽车。。PNGV计划划在2000年年生产产出概概念车车（concept），，在2004年年生产产出原原型车车（prototype）。。参加PNGV计计划的的联邦邦政府府成员员包括括商业业部（（DOC作作为领领导部部门））、国国防部部(DOD)、、能源源部(DOE)、内内务部部(DOI)、、交通通部（（DOT））、环环境保保护署署（EPA）及及国家家航空空航天天管理理局（（NASA），，还有有国家家科学学基金金会（（NSF））。其其他的的参与与者包包括当当时的的美国国三大大家汽汽车公公司（（通用用、福福特和和克莱莱斯特特），，以及及一些些工业业供应应商、、大学学、商商业研研究开开发院院等。。三大大汽车车公司司与商商业部部组成成领导导委员员会，，三大大汽车车公司司与七七个政政府部部门的的代表表组成成下设设的技技术委委员会会，技技术委委员会会有十十个技技术工工作组组，分分别负负责一一个技技术子子系统统。每每个技技术工工作组组的成成员来来自工工业界界和国国家实实验室室，一一般都都是由由工业业界代代表任任主席席。在项目目实施施的早早期几几年里里，美美国政政府每每年资资助了了2.93亿美美元。。1997年，，研究究计划划紧缩缩了起起初的的一些些研究究项目目，三三大家家汽车车公司司均将将柴油与与电的的混合合动力力汽车车开发作作为新新的实实现PNGV目目标的的车型型。2000年年，三三大汽汽车公公司都都展出出了他他们采采用轻质材材料车车身的混合合动力力概念念车，，通用用汽车车公司司的Precept，福福特的的Prodigy，，戴姆姆勒克克莱斯斯勒公公司的的ESX3。它们基基本都都达到到了燃燃料经经济性性目标标，但但没有有实现现成本本目标标。实实践认认为，，PNGV在初初期的的时间间安排排和研研究内内容上上存在在不足足，它它是针针对一一些比比较具具体的的研究究与开开发目目标（（如燃燃料经经济性性）而而制定定的一一个宏宏大计计划，，技术术指标标的商商业化化成分分太重重，实实施过过程中中导致致各方方面在在技术术上均均采取取了保保守手手段，，三大大公司司的概概念车车都不不约而而同地地采用用了比比较成成熟的的柴油油与电电混合合的驱驱动技技术。。另外外，计计划也也引起起欧洲洲与日日本等等国家家的高高度关关注和和效仿仿。2002年年1月月，美美国政政府代代表在在底特特律汽汽车展展上宣宣布了了替代代PNGV的新新的计计划，，重新新命名名为FreedomCooperativeAutomotiveResearch(FreedomCAR)。该该计划划补充充和修修正了了PNGV计划划，定定下了了四个个主要要研究究与开开发目目标：：1）实实质性性地降降低成成本并并使电电驱动动系统统具有有15年的的寿命命；2）与与现有有燃料料车比比较，，应有有两到到三倍倍燃料料效率率的先先进内内燃燃机技技术且且较低低的成成本和和排放放；3）提高电能能储存系统的的寿命和降低低价格；4）提高材料料及制造技术术，保证承载载能力下使车车身结构重量量减少50%，并提高材材料再利用率率。该计划划的重重点是是降低低各种种技术术应用用成本本，开开发车车型不不仅面面向原原所指指的中中型私私家轿轿车，，而且且要面面向所所有轿轿车和和轻型型卡车车，开开发时时间也也向后后延伸伸了10年年。2003年年1月月布什什总统统又发发布了了一个个氢燃燃料开开发计计划（（President’’sHydrogenFuelinitiative）），增增加7.2亿美美元资资金，，用以以资助助氢作作为运运输能能源的的研究究与开开发。。新的的研究究计划划补充充了FreedomCAR计计划，，瞄准准了更更为长长期的的目标标：1）强强调氢氢燃料料系统统的耐耐久性性、能能源效效率和和使用用成本本；2）强强调氢氢能对对汽车车工业业和对对环境境（低低排放放标准准）的的影响响，3）强强调燃燃料的的高效效和等等同于于汽油油的价价格，，以及及氢燃燃料在在车上上贮存存的能能量密密度及及成本本。构成新新的FreedomCAR计计划的的战略略重点点为：：1）发发展可可负担担得起起的氢氢燃料料电池池汽车车技术术及相相应的的氢基基础设设施；；2）继继续支支持可可降低低燃油油消耗耗率和和减少少环境境污染染技术术的开开发；；3）发发展可可用于于多种种车辆辆的燃燃料电电池技技术，，而不不只是是限于于某一一种汽汽车。。美国福福特汽汽车公公司和和通用用电气气公司司联合合开发发了ETX-IEV,ETX-IIEV。。戴姆勒勒一克克莱斯斯勒公公司开开发的的“新新电力力车四四代””续驶驶里程程达到到450km.1990年年通用用公司司批量量生产产所推推出的的Impact电动动汽车车选用用27个12V.42.5Ah的铅铅酸电电池，，比能能量为为34.4Wh/kg，，总质质量为为395kg;驱动动电机机为交交流感感应式式电机机，效效率达达90%一一94%，，在6600r/min时发发出的的功率率为41.7kW，，电机机的最最大扭扭矩为为65Nm，最最高转转速可可达12000r/min，，无变变速器器、传传动轴轴和差差速器器，控控制电电路是是MOSFET。采采用复复合材材料车车身和和轻铝铝合金金构件件，使使整车车的整整备质质量降降到998kg(电电池为为395kg，，其余余部分分为603kg)，，满载载质量量为1100kg，，风阻阻系数数为0.19，，低弹弹滞橡橡胶、、薄胎胎面的的高气气压子子午线线轮胎胎使滚滚动阻阻力系系数仅仅为0.0048，，最高高车速速120km/h，，一次次充电电的最最大续续驶里里程196km，加加速性性能为为8s(0-96.6km/h)，对对于220V和和110V的电电池充充电时时间方方分别别为2-3h和和8-l0h.日本丰丰田公公司生生产的的RAV4-EV，，已由由铅酸酸电池池改为为镍氢氢电池池，一一次充充电可可行驶驶200km，，最高高车速速可达达125km/h。。尼桑汽汽车公公司1998年年在日日本和和美国国销售售的Altra-EV采采用尼尼桑公公司自自己开开发的的锂离离子动动力电电池(LIB)，，循环环寿命命长，，可反反复充充电1200次次，使使用寿寿命约约为10年年，一一次充充电行行驶124km，充充电5小时时，最最高车车速可可达75km/h。。三菱公公司在在1999年底底展出出的FTO-EV上上，装装备了了新开开发大大容量量、高高输出出的锂锂离子子电池池和大大功率率、高高效率率的永永磁同同步电电动机机。东京电电力公公司研研制的的Iza电电动汽汽车采采用24个个12V,100Ah的的镍镉镉电池池，比比能量量54.2Wh/kg，，总质质量为为531kg。。选用用4个个25kW的稀稀土永永磁无无刷电电机，，最大大扭矩矩425Nm，，四个个电机机直接接装在在4个个驱动动轮的的内部部，轮轮毂直直接贴贴在转转子上上。车车身采采用碳碳纤维维复合合材料料并大大量使使用轻轻铝、、镁合合金构构件，，整车车的整整备质质量1573kg，，满载载质量量为1973kg，，低滚滚动阻阻力轮轮胎使使滚动动阻力力系数数仅为为0.006，，最高高车速速176km/h，，一次次充电电的最最大续续驶里里程548km，加加速性性能为为3.47s(0-40km/h)，每每次充充电时时间小小于8h.四电动动汽车车分类类纯电动动汽车车（蓄蓄电池池电动动汽车车）BatteryElectricVehicles(BEV)混合动动力电电动汽汽车HybridElectricVehicles(HEV)燃料电电池电电动汽汽车FuelCellsElectricVehicles(FCEV)纯电动动汽车车的优优点1、纯纯电动动汽车车最大大的优优点是是无排排放污污染(零排排放汽汽车ZEV)。。它本本身不不排放放污染染大气气的有有害气气体，，即使使按所所耗电电量换换算为为发电电厂的的排放放，除除硫和和微粒粒外，，其它它污染染物也也显著著减少少，由由于电电厂大大多建建于远远离人人口密密集的的城市市，对对人类类伤害害较少少，而而且电电厂是是固定定不动动的，，排放放集中中，且且已有有了相相关技技术来来清除除各种种有害害排放放物。。2、由由于电电力可可以从从多