汽车新能源技术应用与发展毕业设计.doc

滨州学院本科毕业设计（论文） 滨 州 学 院 毕业设计（论文）开题报告 题 目：汽车新能源技术 系（院）：机电工程系 年级：2013 级 专业：车辆工程 班级：一班 学生姓名： 学号： 指导教师：王 职称：助教 滨州学院教务处 二零一四年五月 滨州学院本科毕业设计（论文） 汽车新能源技术 摘 要 能源危机和环境污染是 21 世纪世界各国面临的两大难题。为缓解 并最终解决能源的供需矛盾，改善日益严峻的环境状况，世界各国和 地区正在积极开展可再生能源的研究与开发。对于这种高消耗能源和 高污染的现代工具来讲，实现生态能源汽车的研发与使用具有重大意 义。 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。 能源危机和环境污染是 21 世纪世界各国面临的两大难题。为缓解 并最终解决能源的供需矛盾，改善日益严峻的环境状况，世界各国和 地区正在积极开展可再生能源的研究与开发。对于这种高消耗能源和 高污染的现代工具来讲，实现生态能源汽车的研发与使用具有重大意 义。 新能源汽车是指除汽油、柴油发动机之外所有其它能源汽车。包 括燃料电池汽车、混合动力汽车、氢能源动力汽车和太阳能汽车等。 其废气排放量比较低。具有很好的发展空间和巨大的利润空间。在 “十二五”规划中，新能源汽车产业被描述成“国民经济的先导产业” ；同时，市场期待已久的节能与新能源汽车产业发展规划 2 0 1 1 2020 年)也将于近期正式对外发布。在政府鼓励新能源汽车发展相关政策 滨州学院本科毕业设计（论文） 的推动下，我国新能源汽车产业正步入发展的快车道。蓄电池是电动 汽车的动力源泉。 目前，制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄 电 池 不 理 想 。 电 动 汽 车 蓄 电 池 的 主 要 性 能 指 标 是 比 能 量 、 比 功 率 和 使 用 寿 命等。要使电动汽车能与内燃机汽车相竞争，关键是开发出比 能量高、比功率大、使用寿命长、成本低的蓄电池。所以新能源汽车 的研发与普及仍需要克服很大困难 关键词：新能源汽车，新技术，发展趋势，充电站 滨州学院本科毕业设计（论文） abstract sources of crises and environmental pollution is the 21st centurys two major challenges facing the countries of the world. to alleviate and ultimately resolve the contradiction between demand and supply of energy, and improve the worsening environment situation, all countries and regions around the world are actively engaged in research and development of renewable energy. this high energy-consuming and highly polluting modern tools to implement eco-automotive research, development and use of energy is of great importance. numerous new energy technologies, development of new energy vehicles. to serve as a starting point for this paper, focusing on the analysis of the current major new energy vehicle technologies as well as the advantages and disadvantages of these technologies and concluded that electric vehicles will be a future trend. and then charging stations for electric vehicles vehicle charging, battery replacement two operating modes in order to work out the future charging station to replace the battery, vehicle charging, supplemented by the mainstream. energy crisis and environmental pollution are two major problems facing the 21st century countries around the world. to alleviate and ultimately resolve the contradiction between demand and supply of energy, and improve the worsening environment situation, all countries and regions around the world are actively engaged in research and development of renewable energy. this high energy-consuming and highly polluting modern tools to implement eco-automotive research, development and use of energy is of great importance. new energy vehicles refers to all other energy sources besides gasoline and diesel engines motor. including fuel cell vehicles, hybrid vehicles, hydrogen powered cars and solar cars. its low emissions. has a very good development space and huge profit margins. in the “twelve-five“ plan, new energy automobile industry is described as “the leading industry of the 滨州学院本科毕业设计（论文） national economy“, while the market awaited the energy-saving and new- energy auto industry development plan 2011-2020) will be officially released in the near future. government encourages the development of new energy vehicles fuelled by policies, chinas automobile industry is entering a new energy development fast-track. powerhouses of battery electric vehicles. at present, the key factors of restricting the development of electric vehicles is battery is not ideal. the main performance indicator is the energy density of batteries for electric vehicles, power and life. to make electric cars can compete with internal combustion engine cars, the key is to develop a high energy density, high power, long life, low cost of batteries. the development and popularization of new energy vehicles will still need to overcome great difficulties 滨州学院本科毕业设计（论文） 目 录 第 1 章 研究汽车新能源技术的目的与意义.1 1.1 研究的目的1 1.2 研究意义.1 第 2 章 国内外汽车新能源技术研究现状2 2.1 国外的相关研究.2 2.1.1 政府高度重视汽车新能源的开发利用2 2.1.2 政府推动电动汽车研发和推广2 2.2 国内的相关研究.3 2.2.1 政府大力支持新能源汽车产业3 2.2.2 国内新能源汽车取得重大发展3 第 3 章 汽车新能源的类型5 3.1 纯电动汽车5 3.1.1 纯电动汽车的类型.5 3.1.2 纯电动汽车的结构原理6 3.2 混合动力电动汽车6 3.2.1 混合动力电动汽车的结构类型6 3.2.2 不同类型的混合动力电动汽车的比较8 3.3 燃料电池电动汽车9 3.3.1 燃料电池电动汽车的类型.9 3.3.2 燃料电池电动汽车的结构原理10 3.4 气体燃料汽车.11 3.4.1 天然气汽车.11 3.4.2 液化石油气汽车11 3.5 生物燃料汽车.12 滨州学院本科毕业设计（论文） 3.5.1 甲醇燃料汽车.12 3.5.2 乙醇燃料汽车.12 3.5.3 二甲醚燃料汽车12 3.6 氢燃料汽车12 3.7 太阳能汽车13 第 4 章 汽车新能源的主要比较与发展14 4.1 各种新能源汽车技术的特点分析与展望14 4.1.1 纯电动汽车.14 4.1.2 混合动力电动汽车.14 4.1.3 燃料电池电动汽车.15 4.1.4 气体燃料汽车.15 4.1.5 生物燃料汽车.16 4.1.6 氢燃料汽车.16 4.1.7 太阳能汽车.16 4.2 能量转换效率的比较.17 4.3 减少耗油量的比较17 4.4 减少碳排放的比较18 4.5 各种能源方案优缺点中和分析.18 4.6 电动汽车的应用缺陷和瓶颈.19 第 5 章 电动汽车应用的解决方式20 5.1 整车充电模式.20 5.1.1 常规充电20 5.1.2 快速充电20 5.2 更换电池模式.21 5.2.1 电池租赁21 5.2.2 电池的快速更换21 5.2.3 电池的维护.21 第 6 章 未来电动汽车充电技术的发展方向.23 滨州学院本科毕业设计（论文） 6.1 整车充电中的慢速充电方式可以充分利用.23 6.2 换电池模式属于能源新物流模式23 6.3 无线快速充电将成为最理想充电方式.23 6.4 快速充电大量发展将带来电网谐波污染23 结 论24 参考文献.25 致 谢27 滨州学院本科毕业设计（论文） 前 言 石油短缺、环境污染、气候变暖是全球汽车产业面对的共同挑战，各国政府及 产业界纷纷提出各自的发展战略，积极应对，以保持其汽车产业的可持续发展，并 提高未来的国际竞争力。新能源汽车已成为 21 世纪汽车工业的发展热点。据统计， 一辆汽车年平均消耗石油约 5 吨。截止到 2008 年，世界汽车保有量已突破 9 亿辆， 其中中国约为 6467 万辆，除此之外中国的摩托车保有量已达到 8954 万辆，挂车 101 万辆，上路行驶的拖拉机 1464 万辆。并且世界汽车保有量正以每年 3000 万辆 的速度增长，预计到 2020 年全球汽车保有量将达到 12 亿辆（其中中国将达到 1.31.5 亿辆)，届时汽车所消耗的石油每年 55 亿吨，交通用油将占全球石油总 消耗的 62%以上。可见汽车是消耗石油的大户1。 德国、美国、日本等国家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 种技术共存的局面，先进汽油车、先进柴油车、混合动力汽车、纯电动汽车、天然 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. 滨州学院本科毕业设计（论文） 1 第 1 章 研究汽车新能源技术的目的与意义 1.1 研究的目的研究的目的 依据我国资源条件和产业技术状况，通过制定国家交通能源发展战略、组织 开展国家重大科技开发计划、实施鼓励性政策等措施，推动新能源汽车的发展： 从而友好的替代或部分替代以石油为燃料的汽车。减少对石油的依赖性，降低能 源消耗，减轻环境污染，缓解气候变暖压力，以实现汽车工业的可持续发展。尽 管在现阶段国家汽车节能技术发展方向不尽相同、各具特色，但在长期发展纯电 动汽车和燃料电池汽车，实现交通能源转型的总体趋势上基本相同。 1.2 研究意义研究意义 大力发展节能与新能源汽车是国际社会应对能源短缺、环境污染和气候变暖 问题在交通领域采取的共同措施。新能源汽车是中国乃至世界汽车业跨越发展难 得的机遇；近年来新能源汽车产业受到空前的关注，包括我国在内的世界主要汽 车生产国都加大了新能源的研发力度，以提高自身产业的竞争力；汽车工业可持 续发展得以迎战能源和环境的巨大挑战；进而促进新能源的发展，为低碳经济发 展做出贡献。所以，研究汽车新能源技术对我国乃至世界经济与环境的可持续发 展具有非常大的现实意义和理论意义。 滨州学院本科毕业设计（论文） 2 第 2 章 国内外汽车新能源技术研究现状 2.1 国外的相关研究国外的相关研究 2.1.1 政府高度重视汽车新能源的开发利用政府高度重视汽车新能源的开发利用 2007 年 1 月 24 日，时任美国总统小布什发表国文咨文，宣布了替代能源和 节能政策，提出美国努力在未来 10 年之内将汽油使用量降低 20%。奥巴马 2009 年 4 月曾表示，联邦政府将购买又美国 3 大汽车厂商制造的 1.76 万辆包括新能源 汽车在内的节能汽车。尽管这一措施并不能改变美国汽车业衰退的现状，但他具 有明显的象征意义，也是奥巴马鼓励发展新能源汽车的具体表现2。 日本政府在 2009 年 6 月启动了“新一代汽车”计划，该计划力争在 2050 年， 是环保汽车占据汽车市场的一半左右，为了实现这一计划，日本政府通过援建电 动汽车基础设施、减税和发放补贴等促进环保汽车发展。近年来，日本政府陆续 出台了关于促进新能源利用等特别措施法 、 有关电力企业利用新能源的特别 措施法 、 可再生能源配额制法等一系列政策法规，明确了日本新能源的发展 目标和各方责任。 德国政府表示，到 2020 年，可再生能源要占全部能源消耗的 47%，因此， 2020 年德国境内的新能源汽车要超过 100 万辆。法国在 20 世纪 90 年代中期，开 始推广电动汽车和天然汽车。1999 年，政府要求所有市政部门的电动汽车及天然 气汽车比例必须占市政部门拥有车辆总数的 20%以上，以此带动整个社会选择环 保车型。 2.1.2 政府推动电动汽车研发和推广政府推动电动汽车研发和推广 2009 年，美国电动汽车产业链上的各方面发起成立了美国电动汽车联盟，美 国电动汽车联盟主要致力于从政策和行动上推动大规模实施电动汽车计划，最终 改变美国经济、环境和化石能源严重以来的现状，实现美国电动汽车运输的革命 性变化。美国总统奥巴马提出在 2015 年以前推广 100 万辆环保汽车，为鼓励美 国消费者购买，他还宣布将给予购买插电式电动汽车的人每辆车 7500 美元抵税 额。 为推进新能源汽车及环保汽车的发展，日本从 2009 年 4 月 1 日起实施“绿 滨州学院本科毕业设计（论文） 3 色税制” ，日本实行“绿色税制”可使混合动力电动汽车税减免 2 万日元，和车 辆购置税减免 4 万日元。在日本政府的积极扶持下，日本主要汽车生产厂家无一 例外的提出了自己的新能源汽车战略。丰田公司宣布在未来几年里，将混合动力 电动汽车车型增加到 10 种；日产公司于 2012 年批量生产纯电动汽车，投放日本 和欧洲市场。 在 2009 年年初德国政府通过的 500 亿欧元的经济刺激计划中，很大一部分 用于电动汽车研发，汽车从电站网络建设和可再生能源研发。法国政府从 1995 年 7 月 1 日开始，给购买电动汽车的用户提供 5000 法郎补贴，法国电力公司从 自身利益考虑，想电动汽车制厂生产的电动汽车每辆提供 10000 法郎补助。这些 措施给电动汽车在法国发展创造了良好的环境。 2.2 国内的相关研究国内的相关研究 2.2.1 政府大力支持新能源汽车产业政府大力支持新能源汽车产业 国内新能源汽车产业始于 21 世纪初。2001 年，新能源汽车研究项目被列入 国家“十五”期间的“836”重大科技问题，并规划了以汽油车为起点，向氢动 力车目标挺进的战略。 “十一五”以来，我国提出“节能和新能源汽车”战略， 政府高度关注新能源汽车的研发和产业化3。2010 年 8 月 18 日国务院国有资产 监督管理委员会（以下简称国资委）在北京召开中央企业电动汽车产业联盟成立 大会。国务院国资委推动有关中央企业成立“中央企业电动汽车产业联盟” ，旨 在有效发挥中央企业在我国经济结构调整，产业转型中的带头和领导作用，形成 合力加快推动我国电动汽车产业发展，以联盟的方式，促进企业间的合作与协同 发展，快速、有效地突破电动汽车产业核心技术，尽快形成规模化发展姿态。 中国汽车业“十二五”规划初稿已定，新能源汽车被列为中国汽车行业今后 五年发展的重中之重。中国汽车业“十二五”规划中，将提出到 2015 年，中国 国内新能源汽车的年销售量达到百万辆的目标。新能源汽车的发展重点将以汽车 电动化和动力混合化两大技术结合为标志，进行换代与产业升级4。 2.2.2 国内新能源汽车取得重大发展国内新能源汽车取得重大发展 2006-2007 年，我国自主研制的纯电动、混合动力和燃料电池三类新能源汽 滨州学院本科毕业设计（论文） 4 车整车产品相继问世；混合动力和纯电动客车实现了规模示范；纯电动汽车实现 批量出口；燃料电池轿车研发进入世界先进行列。2008 年，新能源汽车在国内已 成全面出击之势。比亚迪、奇瑞、吉利、长安、哈飞等汽车生产企业，纷纷在各 大国际车展上频频亮相，展出了自行研发的燃料电池汽车及混合动力汽车，从而 在这场新能源的竞技中，取得了首发权。 国产新能源汽车如雨后春笋，纷纷崭露头角，如长安的 cv9、杰勋混合动力 版，奇瑞的 a5、东方之子燃料电池动力汽车，海马的 h12 电动汽车、华普海域 甲醇动力轿车和海尚油电动力混合汽车，力帆 520 混合动力汽车等。在美国汽车 城底特律举行的 2009 北美国际汽车展上，比亚迪展示了插电式混合动力汽车 f3dm.这款汽车已于 2008 年 12 月 15 日在中国市场开始销售，于 2011 年在北美 市场上市。 滨州学院本科毕业设计（论文） 5 第 3 章 汽车新能源的类型 3.1 纯电动汽车纯电动汽车 3.1.1 纯电动汽车的类型纯电动汽车的类型 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，一般采用高效率充电蓄电池为动力源。纯电动汽车可 分为 2 种类型，即用蓄电池作动力源的纯电动汽车和装有辅助动力源的纯电动汽 车。 用蓄电池作为动力源的纯电动汽车 用单一蓄电池作为动力源的纯电动汽车，只装置了蓄电池组，它的电力和动 力传输系统 装有辅助动力源的纯电动车 用单一蓄电池作为动力源的纯电动汽车，蓄电池的比能量和比功率较低，蓄 电池组的质量和体积比较大。因此，在某些纯电动汽车上增加辅助动力源，如超 级电容器、发电机组、太阳能等，由此改善纯电动汽车的启动性能和增加续驶里 程。装有辅助动力源的纯电动汽车的电力和动力传输系统如图 3-2 所示。 图 3-2 装有辅助动力源的纯电动汽车的电力和动力传输系统 3.1.2 纯电动汽车的结构原理纯电动汽车的结构原理 燃油汽车主要由发动机、地盘、车身和电器 4 大部分组成，纯电动汽车的结 构与燃油汽车相比，主要增加了电力驱动控制系统，而取消了发动机，电力驱动 控制系统的组成与工作原理如图 3-3 所示，它由电力驱动模块、车载电源模块和 滨州学院本科毕业设计（论文） 6 辅助模块 3 大部分组成5。 图 3-3 电力驱动控制系统的组成与工作原理 当汽车行驶时，由蓄电池输出电能（电流）通过控制驱动电动机运转，电动 机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。电动汽车行驶里程与蓄电池容量 有关，蓄电池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里程，必须尽可能的节 省蓄电池能量。 3.2 混合动力电动汽车混合动力电动汽车 3.2.1 混合动力电动汽车的结构类型混合动力电动汽车的结构类型 一、串联式结构类型 如图 3-4 所示串联式结构的最大特点是：能量的产生和使用完全独立，发动 机的功能只是驱动发电机工作，由发电机向蓄电池充电。汽车完全由电动机驱动， 发动机只需在某一转速下工作，避免在怠速或其他不经济工况下工作可明显减少 排气污染和提高燃油经济性、节约费用。 滨州学院本科毕业设计（论文） 7 图 3-4 串联式混合动力系统 图 3-5 并联式混合动力系统 二、并联式结构形式 并联式结构（如图 3-5）的混合动力汽车可由发动机与电动机饭别独立的驱 动，采用异步交流电动机，既可作电动机，又可作发电机使用。 汽车在不同行驶工况下工作如下: 1.正常行驶工况。在一般路面上驾驶员以发动机作为动力行驶。 2.启动及小负荷行驶工况。当汽车在启动、小负荷和下坡行驶及汽车需要通 过对排放要求严格限制的地区，可通过离合器是发动机熄火，汽车由电动机从蓄 电池中获得电能来驱动。 3.加速行驶工况。当汽车加速或高速行驶需要大功率时发动机和电动机可联 合工作，以获得所需得峰值功率。 4.蓄电池充电工况。大汽车在低负荷工作时异步交流电动机作为发电机自动 接通为蓄电池充电，使蓄电池电能获得补充，这有利于提高发动机工作效率。 5.减速和制动工况。由汽车驱动电动机，此时电动机为蓄电池充电，汽车制 动时能量回收部分转变为电能而储存。 三、混联式结构形式 滨州学院本科毕业设计（论文） 8 混联式结构（如图 3-6）的混合动力系统利用动力分配装置将动力一分为二： 一部分直接驱动汽车；另一部分驱动交流发电机，而交流发电机驱动电动机并为 蓄电池充电。 图 3-6 混联式混合动力系统 汽车在不同行驶工况下工作如下: 1.正常行驶工况。发动机输出动力一路直接驱动车轮；另一路经交流发电机、 变流器、电动机驱动车轮。 2.启动及小负荷行驶工况。此时，发动机效率不高而停止工作，由蓄电池带 动电动机驱动车轮。 3.加速行驶工况。在正常行驶工况基础上增加功率输出，这部分增加的动力 由蓄电池供给，由电能转化成机械能传给车轮。 4.减速和制动工况。由汽车车轮驱动电动机，此时电动机作为发电机使用， 电动机发出的电能为蓄电池充电，将汽车的制动能回收为电能6。 3.2.2 不同类型的混合动力电动汽车的比较不同类型的混合动力电动汽车的比较 表 3-1 对不同类型的混合动力电动汽车在燃油经济性、尾气排放和控制难易 程度等方面作了比较。表 3-2 对不同类型的混合动力电动汽车在驱动模式、传动 效率、整车布置、使用条件等方面作了比较。 表 3-1 不同类型的混合动力电动汽车类型的比较 项目串联式并联式混联式 公路行驶燃油经济性较优优优 城市行驶燃油经济性优较优优 无路行驶燃油经济性较优优优 低排放性能优较优较优 滨州学院本科毕业设计（论文） 9 成本低较低较低 复杂程度简单较复杂复杂 控制难易程度简单较复杂复杂 表 3-2 不同类型的混合动力电动汽车特点的比较 结构模型串联式并联式混联式 动力总成 发动机、发电机、 驱动电动机等三大动 力总成 发动机、电动/发电机 或电动机两大动力总成 发动机、电动/发 电机、电动机等三大 动力总成 驱动模式电动机是唯一的 驱动模式 发动机驱动模式、电动 机驱动模式、发动机-电动 机混合驱动模式 发动机驱动模式、 电动机驱动模式、发 动机-电动机混合驱动 模式、电动机-电动机 混合驱动模式 传动效率能量转换效率较 低 传动效率较高传动效率较高 制动能量 回收 能够回收制动能 量 能够回收制动能量能够回收制动能 量 整车总布 局 三大动力总成之 间没有机械式连接装 置，结构布置的自由 度较大，但三大动力 总成的质量、尺寸都 比较大，一般在大型 车辆上采用 发动机驱动系统保持 机械式传动系统，发动机 与电动机两大动力总成之 间被不同的机械装置连接 起来，结构复杂，是布局 受到一定的限制 三大动力总成之 间采用机械装置连接， 三大动力总成的质量、 尺寸都较小，能够在 小型车辆上布置，但 结构更加紧凑 适用条件 适用于大型客车 或货车，适应在路况 较复杂的城市道路和 普通公路上行驶，更 适用于中小型汽车，适 应在城市道路和高速公路 上行驶，接近普通的内燃 机汽车性能 适用于各种类型的 汽车，适应在各种道 路上行驶，更加接近 普通得内燃机汽车性 滨州学院本科毕业设计（论文） 10 加接近电动汽车的性 能 能 3.3 燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车 3.3.1 燃料电池电动汽车的类型燃料电池电动汽车的类型 采用燃料电池作为电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车(fuel cell electric vehicle, fcev)。fcev 一般以质子交换膜燃料电池（pemfc）作为车载能源. pcev 按“多电源”的配置不同，可分为以下几种： 一、纯燃料电池驱动（pfc）的 fcev 纯燃料电池驱动的电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷 都由燃料电池承担。纯燃料电池驱动系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线 传给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传给传动系，从而驱动汽车行驶。 二、燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（fc+b）的 fcev 燃料电池+辅助蓄电池联合驱动的燃料电池电动汽车的动力系统结构是一个 典型的串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱 动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽车行驶。 在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池将储存回馈的能量。 三、燃料电池与超级电容联合驱动(fc+c)的 fcev 燃料电池+超级电容与燃料电池+辅助蓄电池的结构相似，只是把蓄电池换成 超级电容。相对于蓄电池，超级电容充放电效率较高，能量损失小，功率密度大， 在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长但是超级电容的能量密度较小 随着超级电容技术的不断进化，这种结构将成为一种新的研究方向。 四、燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（fc+b+c）的 fcev 燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动的电动汽车的动力系统结构也为 串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池、蓄电池和超级电容一起 为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽车 行驶。在汽车制动时驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。 滨州学院本科毕业设计（论文） 11 3.3.2 燃料电池电动汽车的结构原理燃料电池电动汽车的结构原理 目前燃料电池电动汽车绝大多数采用的是混合式燃料当电池驱动系统，将燃 料电池与辅助动力源相结合，燃料电池可以只满足持续功率需求，借助辅助动力 源提供加速、爬坡等所需的峰值功率，而且在制动时可以将回馈的能量储存在辅 助动力源中，混合式燃料电池驱动系统有并联式和串联式两种，如图 3-77。 （a）串联式 （b）并联 式 图 3-7 混合式燃料电池电动汽车驱动系统框图 混合式燃料电池电动汽车的动力系统主要由燃料电池发动机、辅助动力源、 dc/dc 变换器、dc/ac 逆变器、电动机和动力控制系统等组成。 3.4 气体燃料汽车气体燃料汽车 3.4.1 天然气汽车天然气汽车 天然气是指以天然气作为燃料的汽车。按照所使用天然气燃料状态的不同， 天然气汽车可分为压缩天然气汽车（cngv）和液化天然气汽车（lngv） 。 压缩天然气是指压缩到 20.724.8mpa 的天然气，储存在车载高压气瓶中。 它是一种无色透明、无味、高热量、比空气轻的气体，主要成分是甲烷，由于组 分简单，易于完全燃烧，加上燃料含碳少、抗爆性好、不稀释润滑油，能够延长 发动机使用寿命。 液化天然气是指常压下、温度为162的液体天然气，储存于车载绝热气 瓶中。液化天然气燃点高、安全性能强，适于长途运输和储存。目前世界上使用 滨州学院本科毕业设计（论文） 12 较多的是压缩天然气汽车。 3.4.2 液化石油气汽车液化石油气汽车 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8。 3.5 生物燃料汽车生物燃料汽车 3.5.1 甲醇燃料汽车甲醇燃料汽车 甲醇燃料汽车是指利用甲醇燃料作为能源驱动的汽车。甲醇作为燃料在汽车 上的应用主要有掺烧和纯甲醇替代两种。掺烧是指将甲醇以不同的比例（如 m10、m15、m30 等）掺入汽油中，作为发动机的燃料，一般称为甲醇汽油；纯 甲醇替代是指将高比例甲醇（如 m185、m100）直接用作汽车燃料。 3.5.2 乙醇燃料汽车乙醇燃料汽车 乙醇汽车是使用车用乙醇汽油作为主要动力燃料的汽车。一直以来，生物乙 醇备受争议，因为有人批评大规模使用乙醇作为燃料，会导致食品价格上涨，此 外，传统制造乙醇过程中会消耗很多能源，因此，从“从油井到车轮”的全过程 来看，乙醇燃料并不环保。但是通用汽车打算结束这种争论，在 2008 年北美车 展上，通用汽车大打“e85 牌” ，推出了多款 e85 乙醇燃料车，同时，推动车用 能源多样化的战略手段，正式宣布与美国 coskata 能源公司携手，在乙醇燃料技 术领域内开展合作。 滨州学院本科毕业设计（论文） 13 3.5.3 二甲醚燃料汽车二甲醚燃料汽车 二甲醚作为环保、清洁、安全的新型替代能源，已得到国际社会的公认。二 甲醚是汽车发动机，特别是柴油发动机燃料的理想替代品。 由于二甲醚具有低沸点、高饱和蒸汽压、低黏性、优良的压缩性、高十六烷 值、含氧 24.8%、较低热值等特点，二甲醚燃料发动机技术以引起西方发达国家 政府和专家的高度重视。近年来，欧美、日韩、俄罗斯等国家十分看好二甲醚燃 料汽车的市场前景和环保效益，纷纷开展二甲醚燃料发动机与汽车的研发。我国 与国际二甲醚燃料发动机研究几乎同步。 3.6 氢燃料汽车氢燃料汽车 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9。 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， 也可以采用一些措施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。 3.7 太阳能汽车太阳能汽车 太阳能汽车是利用太阳能电池将太阳能转化为电能，并利用该电能作为能源 驱动行驶的汽车。太阳能主要由太阳能电池组、自动阳光跟踪系统、驱动系统、 控制器、机械系统等组成。 太阳能汽车由太阳能电池板在向日自动跟踪器的控制下始终正对太阳，接收 滨州学院本科毕业设计（论文） 14 太阳光，并转化成电能，向电动机供电，再由电动机驱动汽车行驶，它实际上是 一种电动汽车，其工作原理与串联式混合动力汽车（shev）基本相同。 滨州学院本科毕业设计（论文） 15 第 4 章 汽车新能源的主要比较与发展 4.1 各种新能源汽车技术的特点分析与展望各种新能源汽车技术的特点分析与展望 4.1.1 纯电动汽车纯电动汽车 纯电动汽车不需要再用内燃机，因此，纯电动汽车的电动机相当于传统汽车 的发动机，蓄电池相当于原来的油箱，电能是二次能源,可以来源于风能、水能、 热能、太阳能等多种方式。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。纯电动汽车主要特点如下： 优点：1.无污染，废气排放为零。2.噪声低，且运行平稳。3.能源效率高、多 样化。4.结构简单、使用维修方便10。 缺点：1.动力电源使用成本高，续驶里程短。2.充电设施建设不完善。3.蓄电 池重量大，寿命短，充电时间长。 现状与前景：从总体看仍处于实验研究阶段，要完全解决技术上的难题并降 低成本，还需要一定的时间；但随着电动汽车技术的发展，存在的缺点会逐步得 到解决，电动汽车将成为未来汽车发展的主体。 4.1.2 混合动力电动汽车混合动力电动汽车 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。 混合动力电动汽车主要特点如下： 优点：1.由于有原动机作为辅助动力，蓄电池的数量和质量可减少，因此汽 车自身中重量可减小。2.汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平。3.借助 原动机的动力，可带动空调、真空助力、转向助力及其他辅助电器。4.可使原动 机在最佳的工矿区域稳定运行，避免或减少了发动机变工况下的不良运行，是发 动机的排污和油耗大为降低。5.在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方 式驱动汽车，实现零排放。6.可通过电动机提供动力，因此可配备功率较小的发 动机，并可通过电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低了汽车的能量 消耗和排污11。 滨州学院本科毕业设计（论文） 16 缺点：1.长距离高速行驶基本不能省油。2.结构较复杂。 现状与前景：混合动力电动汽车是当今最具有实际开发意义的低排放和低油 耗汽车，未来将继续被各厂家升级更新，达到理想状态。 4.1.3 燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车 燃料电池电动汽车用的驱动电机主要由直流电动机、交流电动机、永磁电动 机和开关磁阻电动机等。燃料电池汽车驱动电机的选型必须结合整车开发目标， 所以受到一定限制。燃料电池电动汽车具有以下特点： 优点：1.能源转化效率较高，可以达到 30%以上。2.续驶里程长，其长途行 驶能力及动力性已经接近于传统汽车。3.绿色环保，燃料电池没有燃烧过程，接 近零排放。4.过载能力强，其短时过载能力可达额定功率的 200%或更大。5.噪声 低，燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运 行部件，因此运行过程中噪声和振动都较小。6.设计方便灵活，可以在空间和重 量等问题上进行灵活的配置。 缺点：1.燃料电池汽车的制造成本和使用成本高。2.辅助设备复杂，且质量 和体积较大。3.起动时间长，系统抗震能力有待进一步提高。 现状与前景：燃料电池汽车近些年来取得了很大进展，但从目前各大汽车公 司推出的制造成本上百万美元的燃料电池概念汽车来看，现阶段燃料电池电动汽 车的推广还面临很大的困难。最乐观的预测，以纯氢为燃料的燃料电池汽车商业 化生产至少还需十年以上的时间，即使在一定的程度上实现了商业化，也会是以 一种高成本的方式12。 4.1.4 气体燃料汽车气体燃料汽车 气体燃料汽车主要包括天然气汽车和液化石油气汽车。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。气体燃料汽车主要特点如下： 优点：1.天然气在我国储量丰富，可广泛使用。2.普通燃油汽车改装成天然 气汽车成本较低且技术成熟。3.辛烷值较高，污染小。4.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13。 缺点：1.建加气站网络要求投资强度大。2.气体天然气能量密度小，影响续 驶里程等性能。3.与汽油车比动力性低。4.储带有所不便。 滨州学院本科毕业设计（论文） 17 现状与前景：天然气汽车在许多国家获得广泛使用并被大力推广，已有约 100 多万辆；目前世界上液化石油气汽车的保有量大 400 多万辆。气体燃料汽车 是 21 世纪汽车的重要品种。 4.1.5 生物燃料汽车生物燃料汽车 生物燃料是指生物资源生产的醇类燃料和生物才有等。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。生物燃料汽 车主要特点如下： 优点：1.资源较为丰富。2.可再生，具有长期使用的价值。3.污染小，废气 排放几乎为零。4.使用方便，辛烷值高。 缺点：1.甲醇的毒性较大，不安全。2.需要解决分成问题。3.对金属及橡胶 件有腐蚀性。4.冷起动性能较差。5.二甲醚在储运方面存在问题14。 现状与前景：甲醇、乙醇燃料汽车以获得一定程度上的应用；可以作为能源 的一种补充，在某些国家和地区可能保持较大的比例。二甲醚目前正在研究中。 4.1.6 氢燃料汽车氢燃料汽车 氢燃料汽车是在传统内燃机的基础上加以修改后可以直接用氢为燃料燃烧， 产生动力的汽车。是一种真正实现零排放的交通工具，因此氢动力汽车是传统汽 车最理想的替代方案。氢燃料汽车主要特点如下： 优点：1.排放物是纯净水，无污染、零排放。2.氢气来源丰富。3.辛烷值高， 热值高。4.氢极易点燃，火焰传播特性较好，容易实现稀薄燃烧。 缺点：1.氢气生产复杂且成本高。2.气态氢能量密度小且储存不便，液态氢 技术难度大，成本高。3.需要开发专用发动机。 现状与前景：仍处于基础研究阶段，制氢及储带技术有待突破；有希望成为 未来汽车的重要组成部分，但前景尚难估量15。 4.1.7 太阳能汽车太阳能汽车 太阳能汽车的能源来自太阳，是真正的绿色能源汽车。太阳能汽车与电动汽 车有许多相似之处，从广义讲，也是电动汽车的一个类型。太阳能汽车主要特点 如下： 滨州学院本科毕业设计（论文） 18 优点：1.太阳能属于可再生能源，来源非常丰富。2.运行无污染而且噪声很 小。3.太阳能电池实际上是一个半导体元件，易于制造。 缺点：1.成本高。2.效率低，目前太阳能电池的最高效率约为 20%。3.能量密 度低。4.受时令影响大。 现状与前景：目前正在研究，近年来已有少数国家有了太阳能实验车型，达 到实用阶段上需要一段较长的时间。预期在缺乏其他能源、日照充足的沙漠干旱 地区，太阳能汽车会有用武之地。 4.2 能量转换效率的比较能量转换效率的比较 图 4-1 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 4-1 燃油汽车与电动汽车能耗曲线图 4.3 减少耗油量的比较减少耗油量的比较 表 4-1 对同一车型利用不同新能源技术路线在消减油量上作乱比较。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。 表 4-1 不同新能技术源路线的消减耗油量 滨州学院本科毕业设计（论文） 19 技术方式 醇类 汽车 气体燃料 汽车 混合动力 汽车 纯电动 汽车 消减耗油量 (%) 415030 50 100 有表 4-1 可以看出，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。 4.4 减少碳排放的比较减少碳排放的比较 表 4-2 对不同新能源技术路线在碳排放上作了比较。由 表可以看出，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 4-2 不同新能源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 （%） 505355560 30 4.5 各种能源方案优缺点中和分析各种能源方案优缺点中和分析 表 4-3 对普通内燃机、纯电动、混合动力和氢燃