汽车新能源技术应用

汽车新能源技术应用 本科毕业论文 汽车新能源技术应用 系 院: 姓 名: 学 号: 专 业: 年 级: 指导教师: 职 称: 完成日期: 摘 要 新能源汽车是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。新能源汽车包括混合动力汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV,包括太阳能汽车)、燃料电池电动汽车(FCEV)、氢发动机汽车、其它新能源(如高效储能器、二甲醚)汽车等各类别产品。 汽车新能源技术繁多,新能源汽车发展方向如何。本课题以此为出发点,着重分析目前主要的新能源汽车技术以及这些技术的优缺点,得出电动汽车将是 未来发展趋势。然后探讨电动汽车充电站整车充电、更换电池两种运营模式,最 终得出未来充电站将以更换电池为主,整车充电为辅的主流模式。 关键词:新能源汽车;新技术;发展趋势;充电站 Abstract New energy vehicles refers to the vehicles of using unconventional vehicle fuels as a power source or the use of conventional motor vehicle fuels but using new-vehicle power unit, integrated with the power control and advanced drive technology, thus forming the kind of vehicles that have the advantages of advanced technical principles, new technology and new structure. New energy vehicles, including hybrid electric vehicles HEV, pure electric vehicles BEV, including solar car, fuel cell electric vehicles FCEV, hydrogen engine vehicles, and other new energy sources such as high energy storage devices, diethyl ether vehicles of all kinds Automobile new energy technology is various and what is the direction of new energy vehicle development. This article is on the basis of what is mentioned above as a starting point, focusing on the analysis of the current main new energy vehicle technologies and the advantages and disadvantages of them to draw the conclusion that electric vehicles will be a trend in the future development; then explores the two operating modes of vehicle charging station ,that is electric vehicle charging station and battery replaced charging station, and ultimately comes to conclusion that the future will be based on the battery replaced charging station, supplemented by the mainstream model of vehicle charging. Keywords: new energy vehicles; new technology; development trends; charging station 目 录 1 绪论 1 2 汽车新能源技术的种类 2 2.1 天然气汽车 2 2.1.1 CNG?汽油两用燃料汽车 2 2.1.2 电控喷射天然气汽车 3 2.2 液化石油气汽车 4 2.3 醇类汽车 4 2.4 氢燃料汽车 5 2.5电动汽车 5 2.5.1 纯电动汽车 6 2.5.2 混合动力电动汽车 7 2.5.3 燃料电池电动汽车 8 3 汽车新能源技术的主要比较 10 3.1 各种新能源汽车技术的特点分析 10 3.1.1 天然气汽车 10 3.1.2 醇类燃料汽车 10 3.1.3 氢燃料汽车 10 3.1.4 混合动力汽车 11 3.1.5 燃料电池汽车 11 3.1.6 纯电动汽车 11 3.2 能量转化效率的比较 11 3.3 减少耗油量的比较 12 3.4 减少碳排放的比较 12 3.5 综合比较 13 3.6 电动汽车的应用缺陷和瓶颈 13 4 电动汽车应用的解决方式 14 4.1 整车充电模式 14 4.1.1 常规充电 14 4.1.2 快速充电 14 4.2 更换电池模式 15 4.2.1 电池租赁 15 4.2.2 电池的快速更换 15 4.2.3 电池的维护 15 5 未来电动汽车充电站的发展方向 16 5.1 整车充电中的慢速充电方式可以充分利用 16 5.2 换电池模式属于能源新物流模式 16 5.3 整车充电中的快充大量发展将使得电网谐波污染问题突出 16 6 结 论 17 参考文献 18 致 谢 19 1 绪论 目前,各国能源消费依然严重依赖石油,而石油储量有限的事实向全球经济发展提出了严峻的挑战。自2006年起,中国取代日本成为仅次于美国的世界第二大新车消费市场。中国能源问题已经成为国民经济发展的战略问题,并成为中国能源安全战略的核心。汽车能源消耗不仅是造成全球石油短缺的主要原因,也是环境污染和全球温室气体排放的重要原因。目前有80%以上的一氧化碳、40%以上的氮氧化物以及20%~30%的城市颗粒污染物,均来自于机动车尾气的排放。环境污染的问题越来越引起我国的重视,实现交通能源动力系统转型、发展新能源汽车将是未来汽车行业发展的主要方向[1]。 欧、美、日各国把发展新能源汽车作为解决目前能源短缺的重要途径,但在不同时期的新能源汽车技术路径是不同的。总的来看,新能源汽车发展趋势可归纳为:能源逐渐由化石燃料向可再生、低排放甚至零排放的能源形式过渡是基本趋势,电能、生物燃料和氢能将是汽车能源的最终解决方案。但在电能、生物燃料和氢能最终替代化石燃料前,汽车能源呈现多元化局面。新能源汽车技术将出现多种技术共存的的局面,先进汽油车、先进柴油车、混合动力汽车、纯电动汽车、天燃气汽车、醇类燃料汽车、燃料电池汽车都将占据一定的市场份额。 但是由于目前汽车新能源汽车技术繁多,每个国家在新能源汽车领域发展方向有所不同。本课题以此为出发点,着重分析目前新能源汽车技术优缺点,并最终得出电动汽车将是未来发展趋势。然而,电动汽车由于目前在蓄电池技术上存在着续航能力不足,充电时间过长等问题。通过分析本课题最终提出解决这 一问题的主要方案就是加快充电站的建设,并且充电站建设将是以更换电池为主,整车充电为辅的运营模式。 2 汽车新能源技术的种类 2.1 天然气汽车 天然气汽车又被称为“蓝色动力”汽车,由于天然气储量在我国非常可观,加上近几年国家的大力开发以及天然气管道网络建设的完逐步完善,天然气汽车将是未来十几年新能源发展的主要过渡产品。目前按存储天然气的压力和形态可分为:压缩天然气汽车、常压天然气汽车、液化天然气汽车、吸附天然气汽车。按燃料的组成与应用可分为:单燃料汽车、CNG?汽油两用燃料汽车、CNG?柴油双燃料汽车。按燃料供给的控制方式分为:机械控制式天然气汽车、机电联合控制式天然气汽车、电控式天然气汽车。 目前各国天然气加气站基本上没有形成网络,所以,压缩天然气汽车大部分是在汽油机或柴油机的基础上改造的两用燃料汽车。目前广泛使用的就是CNG?汽油两用燃料汽车。 2.1.1 CNG?汽油两用燃料汽车 所谓的CNG?汽油两用燃料汽车,就是将原来的燃料供给系统保留不变,增加一套“车用压缩天然气装置。改装后的汽车油气两种燃料转换非常方便,即可使用原来的汽油工作,也可以用天然气工作,但不能同时使用。“车用压缩天然气装置”由天然气储气系统、天然气供给系统、油气燃料转换系统3个系统组成。天然气储气系统主要由充气阀、高压截止阀、天然气储气瓶、高压管线、高压接头、压力传感器及气量显示器等组成;天然气供给系统主要由天然气滤清器、天然气高压电磁阀、减压调节阀、混合器等组成;油气燃料转换系统主要由油气燃 料转换开关、天然气电磁阀、汽油电磁阀等组成[2]。 目前我国使用的CNG汽车,有机械控制式和机电控制式两大类。机电控制式车用压缩天然气装置工作原理方块图如图2.1所示。充气站将压缩天然气,通过充气阀充入储气瓶至20mpa。当使用天然气作燃料时,手动截止阀打开,安装在驾驶室内的汽油燃料转换开关扳到“气”的位置,此时天燃气电磁阀打开,汽油电磁阀关闭,储气瓶内的20mpa高压天然气通过高压管路进入减压调节器减压,再通过低压管路、动力阀,进入混合器,并与经空气滤清器进入的空气混合,经化油器通道进入发动机气缸燃烧。减压调节器与混合器相匹配,根据发动机的各种不同工况产生不同的真空度,自动调节减压调节器的供气量,并使天然气与空气均匀混合,满足发动机不同工况的使用要求。 图2.1 CNG?汽油两用燃料汽车工作原理方块图 当使用汽油作燃料时,将油气燃料转换开关扳到“油”的位置,此时天然气电磁阀关闭,汽油电磁阀打开,汽油通过汽油电磁阀进入化油器,并吸入气缸燃料。有的CNG汽车用晶体管电动油泵代替汽油电磁阀,其性能基本相同。 2.1.2 电控喷射天然气汽车 由目前市面上大部分汽车使用的汽车都是电控喷射的汽油车,因此汽油电喷两用燃料发动机改装系统应运而生。 电控喷气燃料供给形式有两大类:缸外供气方式和缸内供气方式。缸外供气方式是将气体燃料喷射到进气门之间的进气道或进气管中。缸内喷射是指将气体燃料直接喷到气缸内,喷气阀装在汽缸盖上。 从工作原理来看电控喷气系统由空气供给系统、燃气供给系统和控制系统三大部分组成。空气供给系统主要包括空气滤清器、进气管和进气歧管等。这 些部件与一般发动机的空气供给系统基本相同;燃气供给系统主要包括储气瓶、燃气过滤器、调压器、喷气阀和输气管线等;控制系统主要包括传感器、电控单元和执行元件。在发动机运转过程中,空气自空气滤清器吸入后,经进气管、节流阀体、进气门,进入气缸。气体燃料从储气瓶输出后,经燃气过滤器滤去杂质,再经过减压阀降至所需求的压力,最后电控系统中的电控单元根据各种传感器随时传来的信息,经过分析处理、计算出与发动机运行工况相对应的最佳供气量,并向燃气供给系统中的喷气阀发出控制指令。 2.2 液化石油气汽车 液化石油气简称LPG的主要成分是丙烷C3H8,此外还含有少量的丙烷C4H10,丙烷C3H6和丁烯C4H8,作为车用燃料来说,液化石油气的能量密度比天然气大,在中小型汽车上推广比较容易。 目前,对于LPG加气站不足的地区,还不具备发展纯LPG汽车的条件,大多数国家仍以发展液化石油气?汽油两用燃料汽车为主。 由于液化气和天然气的性质相似决定了它们的结构相似性,故液化石油气汽车的主要专用部件与天然气汽车大部分一致。液化石油气汽车与天然气汽车的主要区别在于液化石油气汽车必须有蒸发调压器。所谓LPG蒸发调压器是集预热、蒸发、减压、调压功能于一体,LPG被发动机冷却水加热后蒸发气化,再经减压达到接近大气压时供发动机使用。 2.3 醇类汽车 醇类汽车就是以甲醇、乙醇等醇类物质为燃料的汽车,使用比较广泛的是乙醇,乙醇来源广泛,制取技术成熟,最新的一种利用纤维素原料生产乙醇的技术其可利用的原料几乎包括了所有的农林废弃物、城市生活有机垃圾和工业有机废 弃物。目前醇类汽车多使用乙醇与汽油或柴油以任意比例掺和的灵活燃料驱动,既不需要改造发动机,又起到良好的节能、降污效果,但这种掺和燃料要获得与汽油或柴油相当的功率,必须加大燃油喷射量,当掺醇率大于15%?20%时,应改变发动机的压缩比和点火提前角。乙醇燃料理论空燃比低,对发动机进气系统要求不高,自燃性能差,辛烷值高,有较高的抗爆性,挥发性好,混合气分布均匀,热效率较高,汽车尾气污染可减少30%以上。 目前醇类燃料在汽车上的燃烧方式可分为掺烧和纯烧两种方式。 1 掺烧是目前醇类汽车使用的主要方式。因为使用方便并且无需对发动机做改动因此受到广泛使用。 2 在纯烧醇类燃料时,应对发动机进行必要的改动:?混合气的形成装置必须与醇较低的热值及较少的空气需要量相适应;?加大输油泵的供油能力,以避免气阻;?采用高压缩比以充分利用醇高辛烷值的特性;?更合适的混合气形成装置;?火花塞和火花塞间隙的选择,压缩比提高后,宜采用冷型火花塞;?解决冷启动不利的因素;?加大燃料箱,以保证必要续航里程;?改善有关零部件的抗腐蚀性和抗溶胀性等。 目前醇类燃料在柴油车上的使用比较复杂。由于醇类易于自然吸水且相对密度小于柴油,故与柴油的互溶性较差。此外,醇类十六烷值很低着火性能很差,使得醇类用作压燃式发动机燃料比用作点燃式发动机燃料困难。因此再将醇类燃料在柴油车上使用时,必须采用预混的,就是在进气管上加装一个醇燃料引入器,将醇燃料引入器进入进气管的醇燃料迅速雾化、蒸发并与空气混合,压缩行程接近终了时,柴油从喷油器喷入气缸,引燃醇燃料空气预混合气。 2.4 氢燃料汽车 氢是清洁燃料,采用氢气作燃料,只需略加改动常规火花塞点火式发动机,就可以使用。其燃烧效率比汽油高,混合气可以较大程度地变稀,所需点火能量小,有利于节约燃料。氢气也可以加入其它燃料如CNG中,用于提高效率和减少N02排放。氢的质量能量密度是各种燃料中最高的一种,但体积能量密度最低,其最大的使用障碍是储存和安全问题[3]。 汽车使用氢燃料较简单的技术是在发动机进气管里进行预混,经过进气道在进气形成送入气缸,由火花塞或电热塞引燃,也可以用柴油引燃。由于氢的分子量很小,在等能量情况下,气态氢比甲烷等其他气体占的体积大,因此机外混合的容积效率低,功率只有原来石油燃料发动机的80%左右;混合气在进气行程进入气缸,又经过压缩行程的作用,氢与空气的混合时间时间较长,又较容易从外界创造条件促进混合气混合均匀,因此混合气的品质容易保证,但这种汽车的动力性较低,易产生回火,综合性能较差。尽管预混技术简单,发动机变动较小,也可以采用一些来提高发动机功率及避免回火,然而汽车的综合性能难以达到较高水平。 理论分析、试验结果及实践经验都表明,采用缸内形成混合气的氢燃料汽车的动力性、热效率及燃料经济性都明显地优于使用石油燃料的汽车。喷氢器是实现缸内直喷的重要条件。压缩行程开始后,气缸内气体压力是逐步上升的,在压缩行程初期、中期或末期喷入缸内氢气压力也必须是不同的,压力高低需要与缸内气体压力相适应。 2.5电动汽车 电动汽车是以电力作为能源,由电动机驱动的汽车。在外型上电动汽车与传统的汽车并无显著区别,它们的主要区别在于动力源和驱动系统。目前电动汽车的种类主要包括:纯电动汽车、混合动力电动汽车以及燃料电 池电动汽车三类。纯电动汽车完全由蓄电池提供电能,经过电动机和驱动系统,驱动汽车行驶,如果一辆电动汽车同时采用电动机和发动机作为动力驱动系统,就构成了所谓混合型电动汽车或称混合动力汽车;如果采用燃料电池作为电源就称为燃料电池汽车。 由于电能是二次能源,它可以来源于如风能、水能、核能、热能、太阳能、等多种方式,所以电动汽车是非常有发展前景的替代能源汽车。目前,制约电动汽车发展的主要因素为蓄电池技术。 2.5.1 纯电动汽车 目前纯电动汽车系统主要由三个子系统组成图2.2,即电力驱动子系统,能源子系统和辅助控制子系统。其中,电力驱动子系统由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成;能源子系统由主电源和能量管理系统组成,能量管理系统是实现能源利用监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件;而辅助控制子系统整车控制器,它接受驾驶员的踏板信号和其它信号,然后作出相应的判断,控制各个部件作出动作,驱动汽车正常行驶,并尽可能实现比较高的能量使用效率。电动汽车与传统汽车相比结构简单。传统汽车的动力是通过刚性联轴器和传动轴传递的,而电动汽车的能量则基本上是通过柔性的电线传输的,并且其电机及传动系可以有多种不同的选择,因此电动汽车各个部件的选择和布置有很大的灵活性。 图2.2 电动汽车的基本结构 1 电力驱动及控制系统是电动汽车的核心,也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电机、电源和电机的调速控制装置等组成。电动汽车的其它装置基本与内燃机汽车相同。电源为电动汽车的驱动电机提供电能,电机将电源的电能转化为机械能,通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。 2 驱动电机的作用是将电源的电能转化为机械能,通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。原来电动汽车上广泛采用直流串激电机,但直流电机由于存在换向火花,比功率较小、效率较低,维护保养工作量大,随着电机技术和电机控制技术的发展,势必逐渐被直流无刷电机BCDM、开关磁阻电机SRM和交流异步电机所取代[4]。 3 电机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的,其作用 是控制电机的电压或电流,完成电机的驱动扭矩和旋转方向的控制。早期的电动汽车上,直流电机的调速采用串接电阻或改变电机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的,且会产生附加的能量消耗或使用电机的结构复杂,现在已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速,通过均匀地改变电机的端电压,控制电机的电流来实现电机的无级调速[5]。在电子电力技术的不断发展中,它也逐渐被其它电力晶体管斩波调速装置所取代。从技术的发展来看,伴随着新型驱动电机的应用,电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用,将成为必然的趋势。在驱动电机的旋向变换控制中,直流电机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向,实现电机的旋向变换,这使得电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电机驱动时,电机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可,可使控制电路简化。此外,采用交流电机及其变频调速控制技术,使电动汽车的制动能量回收控制更加方便,控制电路更加简单。 4 电动汽车传动装置的作用是将电机的驱动扭矩传给汽车的驱动轴,当采用电力驱动时,传动装置的多数部件常常可以忽略,如无需传统内燃机汽车的离合器,因为电机可以带负载起动。电动汽车也无需内燃机汽车变速器中的倒档。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换。当采用电机无级调速控制时,电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电力驱动时,电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。 2.5.2 混合动力电动汽车 混合动力电动汽车是指包含两种或两种以上动力源并能协调工作的车辆。混合动力电动汽车充分利用各种动力源的优点,通过自动控制形成最优匹配,通常其中一种动力源可以存储另一种动力源的多余能量以及回收存储车辆减速 时的制动能,能将它们传输给传动系统,供附件使用或用于协助驱动车辆[6]。混合动力电动汽车有串联混合动力电动汽车、并联混合动力电动汽车和混联混合动力电动汽车三种类型。 1 串联式混合动力系统:发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能,转化后的电能一部分用来给蓄电池充电,另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。尽管串联式混合动力的结构简单,但它需要三个驱动装置:发动机、发电机和电动机。此外,该种混合方式的车辆的效率通常较低。 2 并联式混合动力系统:采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮。发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮,可以采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或者发动机和电动机混合驱动三种工作模式。当发动机提供的功率大于车辆所需驱动功率时或者当车辆制动时,电动机工作于发电机状态,给蓄电池充电。与串联式混合动力相比,它只需要两个驱动装置,即发动机和电动机。在蓄电池放完电之前,如果要得到相同的性能,并联式比串联式的发动机和电动机的尺寸要小。 3 混联式混合动力系统:在结构上综合了串联式和并联式的特点。与串联式相比,混联混合动力电动汽车增加了机械动力的传递路线;与并联式相比,它增加了电能的传输路线。尽管综合了串、并联的优点,但其结构复杂,成本高。然而,随着控制技术和制造技术的发展,一些现代混合动力电动汽车更倾向于选择这种结构。 2.5.3 燃料电池电动汽车 燃料电池是一种把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”,它能够使用多种燃料,可以是石油燃料也可以是有机燃料,还可以使用包括再生 燃料在内的几乎所有的含氢元素的燃料。燃料经过转化成为氢后,以氢作为燃料的燃料电池,它的能量转换不受卡诺循环规律的限制,热效率要高的多,可达到34%至40%。燃料电池在运行过程中,不需要复杂的机械传动装置,不需要润滑剂且没有振动与噪声。 燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型,每类燃料电池需要特殊的材料和燃料,且使用于其特殊的应用。按电解质划分,燃料电池大致上可分为五类:?质子交换膜燃料电池;?碱性燃料电池;?磷酸燃料电池;?溶化的碳酸盐燃料电池;?固态氧化物燃料电池。 而目前的燃料电池技术多以质子交换膜燃料电池为主。质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为:?电催化剂;?电极(阴极与阳极);?质子交换膜;? 双极板。 氢燃料电池在工作时,氢在阳极被转变成氢离子的同时释放出电子,电子通过外电路回到电池阴极,与此同时,氢离子则通过电池内部高分子膜电解质到达阴极。在阴极,氧气转变为氧原子,氧原子得到从阳极传过来的电子变成氧离子,和氢离子结合生成水。因此电子在外电路行成直流电,只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极提供供给氢气和氧气,就可以向外电路的负载连续的输出电能。 3 汽车新能源技术的主要比较 3.1 各种新能源汽车技术的特点分析 由于目前汽车新能源技术繁多,发展进度又有所不同,并且在使用中也存在着很多问题。因此以下将对各种汽车新能源技术的特点加以分析、总结。 3.1.1 天然气汽车 天然气汽车由于使用的天然气在我国储量非常丰富,加上近几年国家的 大量开发以及天然气管道网络建设的完善性,天然气汽车将得到长足性的发展。 优点:?天然气在我国储量丰富,可广泛使用。?天然气管道网络建设完善,加气站的建设成本大大降低。?普通燃油汽车改装成天然气汽车成本较低且技术成熟。?天然气汽车与普通燃油汽车百公里使用成本相比,天然气汽车较低。? 从排放上来说,天然气汽车排放废弃物较少。 缺点:?天然气的能量密度低,使得随车一次储存的燃料所能维持的续驶里程明显缩短。?动力性较差。 3.1.2 醇类燃料汽车 由于醇类燃料是可再生资源,它的制取可以通过生物发酵制取,从而得到很多国家的广泛应用。由于乙醇再运用中可将其掺入汽油使用,所以可以大大减少石油的使用。 优点:?可再生,具有长期使用的价值。?废气排放在理论计算上几乎可忽略为零。?使用方便,辛烷值高。 缺点:?具有一定的金属腐蚀性。?热值较低。 3.1.3 氢燃料汽车 氢燃料汽车是一种真正实现零排放的交通工具,排放出的是纯净水,它具有无污染,零排放,制取原料丰富等优势。因此,氢燃料汽车是传统汽车最理想的替代方案。但是与传统动力汽车相比,氢动力汽车成本至少高出20%。 优点:?排放物是纯水,行驶时不产生任何污染物。?氢极易点燃,火焰传播特性较好,容易实现稀薄燃烧。 缺点:?氢的沸点为很低且常温下为气体,携带性和安全性差。?氢气在汽车上的存储相当不便。?动力性较差。?氢的制取较为复杂且制取成本过高。 3.1.4 混合动力汽车 由于目前纯电动汽车在使用中受到电池续航能力以及充电设施建设不完善,因此在传统能源汽车向纯电动汽车过渡这段时期,混合动力汽车起着关键的作用。 优点:?采用混合动力后可按平均需要的功率来确定内燃机的最大功率,此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时,由电池来补充;负荷少时,富余的功率可发电给电池充电,由于内燃机可持续工作,电池又可以不断得到充电,故其行程和普通汽车一样。?因为有了电池,可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。?在繁华市区,可关停内燃机,由电池单独驱动,实现“零”排放。?有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。?可以利用现有的加油站加油,不必再投资。?可让电池保持在良好的工作状态,不发生过充、过放,延长其使用寿命,降低成本。 缺点:长距离高速行驶基本不能省油。 3.1.5 燃料电池汽车 氢燃料电池汽车中最重要的技术就是质子交换膜,由于现在质子交换膜造价较高且技术大部分掌握在少数国家里,因此氢燃料电池在应用普及方面受到了很大的限制。 优点:?运行平稳、无噪声。?能源来源广泛,可以是氢气、甲烷、乙醇等。?以氢作为燃料的燃料电池,它的能量转化不受卡诺循环规律的限制,热效率较高。 缺点:?质子交换膜成本过高。?氢的制取成本过高。?加氢站建设成本 过高。 3.1.6 纯电动汽车 纯电动汽车通过车辆自身携带的高效储能电池向电动机供电,由电动机直接向驱动轴输出扭矩,汽车取消了传统的内燃机、离合器、等一些复杂的传动装置。因此很多人认为纯电动汽车将是未来新能源汽车发展的主要方向。 优点:?废气排放为零。?几乎无机械噪声,且运行平稳。?使用成本较低。?结构简单,省去很多机械装置。 缺点:?蓄电池使用寿命较短且续航能力不足。?充电设施建设不完善 3.2 能量转化效率的比较 图3.1是不同车速下燃油汽车与电动汽车的能量输出曲线图。内燃机汽车在同样工况下的能耗远远大于纯电动汽车的能耗,据统计,内燃机在低速区域的能量转化效率最低仅为12%。应用混合动力技术,汽车在低速行驶时切换到电能驱动模式,可大幅度降低能量损耗,减少排放。尽管混合动力汽车在启动和低速运行工况下,避免了高能耗和排放,但在高速行驶时若仍然采用燃油驱动,其能耗和排放还是明显大于纯电动汽车。 图3.1 燃油汽车与电动汽车能耗曲线图 3.3 减少耗油量的比较 表3.1为同一车型利用不同技术路线而减少耗油量的比较,在对多种动力汽车技术计算其整体拥有成本时,按照5年的平均拥有期将车辆的起初成本、再销售价值以及预计节油量纳入考量范围。通过比较可以得出结论,纯电动汽车可以最有效地减少对石油的依赖,是解决能源安全问题的最佳方案 表3.1 不同技术路线的耗油量 技术方式 醇类汽车 天然气汽车 混合动力汽车 纯电动汽车 消减耗油量% 41 50 30 50~100 3.4 减少碳排放的比较 从表3.2可以看出,对比其它的汽车动力技术,混合动力技术的减碳排放比可达56%;电动汽车利用太阳能发电以及风力发电,因此纯电动汽车碳排放为零,考虑到目前的火力发电,故而纯电动汽车平均碳排放比可以达到30%。所以采用清洁能源发电配合纯电动车技术是解决机动车环境污染问题的最佳方案。 表3.2不同技术路线对减少碳排放的比较 技术方式 液化石油气汽车 醇类汽车 天然气汽车 混合动力汽车 纯电动汽车 减碳排放比(%) 50 53 55 56 0~30 3.5 综合比较 从环保性、全寿命成本、安全性、续驶里程等方面的全面比较可以看出,各类技术都有其优缺点,相比较而言,目前电动汽车的技术更趋成熟。3.6 电动汽车的应用缺陷和瓶颈 目前,电动汽车技术趋于成熟,但在续驶里程、制造成本等方面还无法与传统燃油汽车相比。作为动力源的各类型蓄电池不同程度地存在着成本高、功率小、体积和重量大、充电时间长等问题,是电动汽车发展和普及应用的瓶颈。归纳起来存在:?续驶里程有限;?蓄电池使用寿命太短;?电池价格昂贵;?充电时间和充电网点短期内不能得到有效解决等问题。4 电动汽车应用的解决方式 目前解决电动汽车电池续航时间短的方法是加快充电站以及换电站的建设,只有将这些基础设施建设完善才能弥补目前蓄电池技术的不足。 在我国,电动汽车充电站的业务才刚刚起步,运营模式还没形成,各个相关的利益群体对产业发展的倾向也不尽相同。根据技术与充电方式的不同,电动汽车充电站的运营模式基本上可以分为“整车充电”与“电池更换”两种模式。 4.1 整车充电模式 整车充电模式是很多国家研究试验的重点,这种模式把电池与车辆作为一个整体来考虑,其规模化发展的关键是能够研制生产出“容量大、成本低、充电快、寿命长”的电池产品[7],在便捷性上满足用户的需求,具体又包括常规充电和快速充电两种类型。 4.1.1 常规充电 蓄电池在放电终止后,应立即充电,充电电流相当低,大小约为15A,这种充电叫做常规充电普通充电。常规蓄电池的充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电,一般充电时问为5~8h,甚至长达10至20多个小时。尽管充电时间较长,但因为所用功率和电流的额定值并不关键,因此充电器和安装成本比较低;可充分利用电力低谷时段进行充电,降低充电成本;可提高充电效率和延长电池的使用寿命[8]。 这种充电方式通常适用于:电动汽车的续驶里程尽可能大,需满足车辆一天运营需要,仅仅利用晚问停运时间充电。现阶段技术条件下,电池的续驶里程大约为200km,像私家车、市内环卫车、企业商务车等车辆日均行驶里程都在电池的续驶里程范围之内,均可采用常规充电的方式。 4.1.2 快速充电 快速充电又称应急充电,是以较大电流短时间在电动汽车停车的20min 至2h内具体的充电时间由电动汽车动力电池的接收能力而定,为其提供短时充电服务,一般充电电流为150~400A。充电时问短;充电电池寿命长可充电2000次以上;没有记忆性,可以大容量充电及放电,在几分钟内就可充70%~80%的电;由于充电在短时问内约为10~15min就能使电池储电量达到80%~90%,与加油时间相仿,使电动汽车使用起来非常方便。这种充电方式适用情况为:电动汽车的日平均里程大于电池的续驶里程即200km,即在车辆运行的间隙进行快速补充电,来满足运营需要;比如公交车、出租车等车辆它们的日平均行驶里程在300km左右,则还有100km左右的电量需要在峰、平时段通过快速充电的方式进行补充。当然也可以采用更换电池的方式来进行能量的补给[9]。4.2 更换电池模式 更换电池模式也称租赁电池模式,是一种把车辆与电池分开考虑的思路。用户只购买汽车,由专门的电池租赁公司负责电池的购买、租赁、充电、快速更换及管理。可以让用户像“汽车加油”一样方便地得到能源供给。它的运营模式是通过各个电池更换站集中对标准化的电池充电,电动汽车用户需要补充能源时,可以非常方便地到任意一个更换站更换充好的电池。电池更换站的运用模式可以分为以下几点。 4.2.1 电池租赁 能源供给企业购买电池后通过向中间运营商建站企业支付一定的建站费用来进行更换站的建设。电动汽车用户在购买“裸车”后,去电池更换站办理相应的“租赁手续”及交一定的租金就能使电动汽车投入使用。租赁的手续及租金由相关部门协商而定,对于租金可以肯定的是,因为换给消费者的是一块充满电的电池,加上一些其它成本,租赁电池的价格肯定要比消费者自己在家充电贵,但是绝对远远低于燃油的费用。用户在电池的使用过程中不仅要交租金,每次更换 电池时根据电池电量的消耗情况用户还要向电池更换站交纳相应的所用电费。 4.2.2 电池的快速更换 为了使得更换更加快捷,需要更换电池的车辆进站之前应向站台提出电池更换请求,以便站台调度安排停车位置、电池更换库准备整车更换电池并运至更换电池区、准备卸载设备。当车辆进站后,根据调度指令将车开到更换电池区准确位置,准备更换电池。 4.2.3 电池的维护 当电池在使用过程中,个体电池的容量会出现严重不均衡的现象。这样在电池串联充电时,只要有一只电池的充电电压达到最高限制电压,就要立即停止充电,而此时电压较低的个体电池还处于欠充状态;反过来在电动汽车行驶过程中,只要有一只电池的电压下降到最低限制电压,就要断开动力电池停止放电,而此时电压较高的个体电池容量不能充分利用[10]。这样长期循环使用下去,电动汽车动力电池的容量会越来越不均衡,一次充满电的行驶里程会大大降低。为充分利用锂离子动力电池的储能效率,降低使用成本,充电站建设需要设置电池容量测试与充放电维护设备,当电动汽车动力电池的容量明显出现下降时,利用该设备可以对单个电池进行容量测试,并对容量落后的电池进行多次的充放电操作,使其活性物质充分激活,容量得到恢复。 5 未来电动汽车充电站的发展方向 电动汽车充电站的运营究竞选取哪种模式,应围绕“快速、健康、高效地推动电动汽车产业的发展及普及”这一核心目标,结合技术发展趋势和现实条件进行综合考量。最主要包括以下三个方面: 5.1 整车充电中的慢速充电方式可以充分利用 低谷电力充电,电费相对降低,但是充电时间过长使车辆的使用十分不便;快速充电方式下充电时间短易于车辆的使用,但是充电费用较高,且会大大缩短电池的使用寿命。换电池模式单纯的租赁费和电费支出可能比整车充电模式有一定幅度增加,但是由于节省购买电池的费用,如果政策和管理到位,理论上车辆整个生命时期的运营费用会显著低于整车充电模式,且换电池模式的灵活性、方便性都相对较好[11]。 5.2 换电池模式属于能源新物流模式 换电池模式有利于电池生产企业规模化、标准化生产,有利于能源供给企业的规模化采购与集约化管理,能够显著降低总运营成本。能源供给企业作为一个相对独立的中间运营商,有利于政府施加更具针对性的扶持和优惠政策,如电价政策、购买电池补贴政策等,容易建立起清晰的财务盈利模式,比单纯提供充电服务可获得更高的经济回报,具有更大的发展空间。 5.3 整车充电中的快充大量发展将使得电网谐波污染问题突出 换电池模式集中充电便于统一调度、管理和监控,能够最大程度发挥削峰填谷作用,提高电力系统负荷率,最大限度减少谐波污染等对电网的不利影响,有利于电网的安全稳定运行和电力资源的优化利用[12]。 综上所述,换电池模式具有更突出的优势和更广阔的发展前景。考虑到差异化需求和特殊情况下电能补给的需要,以更换电池为主、整车充电为辅的运营模式将成为我国电动汽车充电站未来发展的主流模式。6 结 论 在未来的20年内,汽油和柴油仍是汽车主要的能量来源,但汽油和柴油的质量要求越来越高,发动机技术将快速发展以提高能量利用率。代用燃料会得到迅速运用,天然气汽车和乙醇汽车会率先大规模投入使用,纯电动汽车和燃料 电池汽车将会逐步扩大应用。其中混合动力汽车将会得到快速发展和应用,混合动力汽车将至少在30年内都是汽车工业最切实可行的解决能源问题和污染问题的途径。 而纯电动汽车将是未来新能源汽车发展的最终方向。但是由于目前电动汽车电池续航能力不足,以及充电站网点建设的不足等,制约其在短时期内的运用。但随着充电站以及换电站的建立,纯电动汽车技术将会逐步取代目前的任何新能源汽车技术,最终发挥其在零排放、动力性强、经济性、使用成本低方面的优势。 参考文献 [1]边耀璋.汽车新能源技术[M].北京:人民交通出版社,2003: 1-2. [2]上海市石油学会.天然气和液化液化石油气[M].北京:中国石化出版社,2001: 18-22. [3]姜立平.氢燃料汽车的技术和性能[J].轻型汽车技术,20029: 47-51. [4]陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京理工大学出版社,2002: 55-60. [5]胡骅,宋慧.电动汽车[M].北京:人民交通出版社,2002: 16-18. [6]钱伯章.新能源汽车与新型蓄能电池及热电转换技术[M].科学出版社,2010: 33-36 [7]王健,姜久春.电动汽车充电站信息管理系统的设计与实现[J].微计算机信息,20065: 16-17. [8]黄李,张维戈,姜久春.2008年奥运会电动车充电站规划及运营模式方案[J].现代交通技术,20074: 102-103. [9]康继光,卫振林,程丹明.电动汽车充电模式与充电站建设研究[J].电力需求侧管理,2009,5: 69-71. [10]腾乐天,何维国,杜成刚.电动汽车能源供给模式及其对电网运营的影响[J].华东电力,200910: 89-91. [11]雷芳芳.我国新能源汽车的发展[J].汽车工程师,20095: 13-15. [12]汪传敬.汽车工程手册[M].北京:人民交通出版社,2001: 96-99,400-402. 致 谢 感谢四年来所有老师对我的精心培养,不仅使我学到了很多知识,也培养了我做事认真,脚踏实地的优良作风,非常感谢尹老师在繁忙的事务中还抽出时间给予我指导,使我从中学到了很多知识,锻炼了我综合运用所学知识分析问题,解决问题的能力,也感谢电子科学与工程系给我提供了学习和实验平台,使我初步具备了科研能力。