（设计艺术学专业论文）武汉市节能环保汽车设计发展趋势研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车诞生至今已有一百多年了，在这段时闻里，汽车产业在自身不断发展 的同时为人类社会的繁荣做出了巨大的贡献，同时也带来了一系列的社会问题。 为了解决这些问题，人类也进行了不断的探索。传统燃油汽车已经不能适应现 代社会发展的需要，混合动力、燃料电池、电动汽车等新能源汽车即将拉开新 汽车时代的序幕。 本文的研究目的：目前世界上的能源消耗以煤炭、石油等化石能源为主， 而化石能源具有不可再生性，据资料显示，在本世纪中期，石油就将因开采过 度而失去其利用价值，而传统燃油汽车是石油的最大消费者。在目前世界上汽 车保有量急剧增加的时候，寻找新的替代能源是当务之急。而传统燃油汽车在 消耗大量石油资源的同时，也排放出了对人体有害的气体，污染了我们赖以生 存的环境。除此之夕 ，汽车保有量的增加还导致了大城市中交通状况的急剧恶 化。本文从我国能源安全战略与改善环境质量的角度出发，在介绍混合动力汽 车、燃料电池汽车、电动汽车的相关基本知识和目前国内外相关研究现状与趋 势的基础上，结合武汉市经济、交通状况以及未来发展规划等自身特点，试图 找出一条符合武汉市特色的节能环保汽车产业发展之路。 本文研究方法采用现有数据资料与技术发展趋势相结合，通过理性分析与 推测，对未来一段时期武汉市节能环保汽车产业的发展路线进行了构想和阐述。 并以武汉市未来交通为背景，对未来武汉市节能环保型汽车的设计发展趋势作 了前瞻性的论述。 在论述过程中，本文提出将武汉市节能环保型汽车产业的发展大致分为三 个阶段：近期( 2 0 0 7 - 2 0 1 2 年) 、中期( 2 0 1 2 - 2 0 2 0 年) 、远期( 2 0 2 0 年一) ，并分 别在这三个阶段，从发展重心，政策扶持、法规制订、基础设施建设、产业化 结构调整、对市民的宣传教育等方面出发，针对武汉市自身状况提出了基于不 同技术发展程度的节能环保汽车产业的发展规划。 在前部论述的基础上，本文提出未来武汉市节能环保型汽车的设计应当向 着整体化、小型灵活化、可再生化、安全舒适化、智能化、多功能化的趋势发 展。 关键词：武汉市，节能环保型汽车，发展路线，武汉城市交通，设计趋势 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ew e r eh u n d r e d so fy e a r sf r o ma u t o m o b i l eh a db e e ni n v e n t a d , d u r i n gt h i s p e r i o d , a u t o m o b i l eb r o u g h tg r e a tp r o s p e r o u sf o r t h eh u m a ns o c i e t y b u ta tt h es a m e t i m e ，t h e r ec o m e sm a n ys o c i a lp r o b l e m s p e o p l ea l s om a d eg r e a te f f o r tt or e s o l v e t h e s ep r o b l e m s t r a d i t i o nf u e lo i la u t o m o b i l ei sn ol o n g e rs u i tf o rt h en e e do ft h e m o d e r ns t e l e y ，sd e v e l o p i n g , 唧：f c e v , b e vw i l lt a k ei n s t e a do ft h e m , ab r a n d n e w a u t o a g ei sc o m i n g t h es t u d yp u r p o s eo ft h i sa r t i c l e ：a tp r e s e n t , t h ef o s s i le n e r g ys u c ha sc o a l ， p e t r o l e u mi st h ep r i m a r i l yc o n s u m p t i o ni nt h ew o r l d b u tt h ef o s s i le n e r g yi s n o n r e n e w a b l e ，a c c o r d i n gt ot h em a t e r i a ld e m o n s t r a t e d , i nt h em i d d l eo ft h i sc e n t u r y , t h ep e t r o l e u mw i l ll o s ei t su s i n gv a l u eb e 4 o s eo fm i n i n ge x c e s s i v e l y t h et r a d i t i o n a l f u e lo i la u t o m o b i l ei st h ep e t r o l e u m sb i g g e s tc o n s u m e r t h ea u t o m o b i l en u m b e r m e a s u r e st h es h a r pg r o w t ha tp r e s e n t ；t os e e kt h en e ws u b s t i t u t i o ne n e r g yi st h em o s t u r g e n tm a t t e r t r a d i t i o n a lf u e lo i la u t o m o b i l en o to n l yu s el o t so fr e s o u r c e s b u ta l s o d i s c h a r g e st h en o x i o u sg a s o u re n v i r o n m e n tw h i c hk e e p su st ol i v eh a db e e n p o l l u t e ds e r i o u s l y b e s i d e s ，t h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fa u t o m o b i l em a k e st h et r a f f i c c o n d i t i o nw o r s ea n dw o r s ei nb i gc i t i e s t h i sa r t i c l ee m b a r k sf r o mt h ea n g l eo fo u r c o u n t r y se n e r g ys e c u r i t ys t r a t e g ya n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ee n v i r o n m e n tq u a l i t y , i n t r o d u c e st h eb a s i ck n o w l e d g eo fh e v f c e v , b e v , a n da l s oi n t r o d u c e st h ep r e s e n t d o m e s t i ca n df o r e i g nc o r r e l a t e dr e s e a r c h e sa n dt e n d e n c i e s , w i t hw u h a n so w n c h a r a c t e r i s t i cs u c ha se c o n o m y , t r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o n 勰w e l la s t h e f u t u r e d e v e l o p i n gp l a n , a n ds oo n , t om a k ee n e r g y - c o n s e r v a t e & e n v i r o n m e n t a l - p r o t e c t v e h i c l ei n d u s 时d e v e l o pi nw u h a n t h er e s e a r c ht e c h n i q u eo ft h i sa r t i c l ei su b i f i e st h ee x i s t i n gd a t am a t e r i a la n dt h e t e c l m o l o g l c a ld e v e l o p m e n tt e n d e n c y , t h r o u g hr a t i o n a la n a l y s i sa n de x t r a p o l a t i o n , t o m a k eae x p e c t a t i o na n de l a b o r a t i o n , u n d e rt h eb a c k g r o u n do fw n h a n st r a f f i c c o n d i t i o ni nt h ef u t u r e ，t of o r e s e et h e d e v e l o p i n g t r e n do f d e s i g n o f e n e r g y e o n s e r v a t e & e n v i r o n m e n t a l p r o t e c tv e h i c l ei nw u h a n i ne l a b o r a t i o np r o c e s s ，t h e r ea r et h r e es t a g e so ft h ed e v e l o p m e n t ：t h en e a rf u t u r e 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 0 0 7 - 2 0 1 2 ) ，i n t e r m e d i a t es t a g e ( 2 0 1 2 - 2 0 2 0 ) ，f u t u r e ( 2 0 2 0 - ) t h e r ea l ed i f f e r e n t p l a n si nd i f f e r e n ts t a g e si nc o n s i d e r i n go ft h ed e v e l o p m e n tk e y , p o l i c ys u p p o r t ，l a w s a n dr e g u l a t i o n sm a k i n g , i n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n , i n d n s t r ys t r u c t u r ea d j u s t m e n t , r e s i d e n t sp r o p a g a n d ae d u c a t i o n t h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h ee n e r g y - c o n s e r v a t e & e n v i r o n m e n t a l - p r o t e c tv e h i c l e i nw u h a ni s ：s y s t e m a t i cd e s i g n , s m a l la n dn i m b l e ，r e n e w a b l e ，s a f ea n dc o m f o r t a b l e ， i n t e l l i g e n ta n dm u l t i f u n c t i o n k e y w o r d s ：w u h a n ，e n e r g y - c o n s e r v a t i v e e n v i r o n m e n t a l p r o t e c tv e h i c l e ， d e v e l o p i n gr o u t e ，w u h a nu r b a nt r a f f i c ，t r e n do l 。d e s i g n m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 日期：幽：三：垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 酶竹名趟 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 “汽车的出现已经一百多年，它的出现改变了世界。经历了从欧洲的手工生 产，到美国的自动化生产，再到日本的精益生产。它促进了经济的发展，改善 了人们的生活。川但科学技术从来都是一把双刃剑，汽车产业在给人类带来极大 的方便与福利的同时，也随之带来了一系列深刻的社会问题，这一系列的社会 问题可以归纳在三个方面，即能源、环境与交通。 能源问题是伴随着近一两个世纪以来人类工业技术文明的发展而随之产生 的。“人类工业社会运转所消耗的能源主要是化石能源煤炭、石油和天然气。 这三种能源占了全球使用能源总量的8 6 9 。”2 化石能源是经历了亿万年的矿物 质沉淀而生成的，具有不可再生性。据世界能源委员会( w e c ) 在1 9 9 4 年的调 查：煤炭可采储量1 0 4 3 8 6 亿吨，可开采2 1 5 年；石油可采储量1 3 7 3 亿吨，可 开采4 0 年：“天然气探明可采储量1 4 1 万亿立方米，可开采5 5 年；铀矿探明可 采储量2 0 8 万吨，可开采6 5 年。们以上的数据是按照当年的发展水平来统计的， 但随着人口的增加和世界经济的迅猛发展，1 0 年后( 2 0 0 4 年) 各种化石能源的 可采储量及可供采储的年限都将大幅度下降，一个我们不得不面对的事实是， “石油等现代工业所依赖的资源最终要在本世纪5 0 年代面临枯竭。”4 根据有关 资料显示，目前石油总量的4 0 被各类交通工具占据，汽车则是现代社会最重 要的交通工具。因此，汽车节能对于目前的能源危机问题具有举足轻重的作用。 5 汽车在消耗大量的石油资源的同时，还排出了大量的尾气，并由此引发出了另 一个全球性的社会问题环境污染。 环境污染现在已经成为社会各界普遍关注的一个问题，越是交通发达的地 方，由汽车尾气排放的所造成的污染就越严重。“机动车排放出的废气主要污染 物为一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、苯并( a ) 芘和含铅化合物。这些物质， 对人体有直接的危害。“科学测试显示，当空气中的一氧化碳浓度超过百分之一 1c c c h a a e l e c t r i c v e h i c l e d e v e l o p m e n t s t r a t e g ya n d k e y t e c h n o l o g y n o v c r 咖唧i e e e l l a l l s a e t i o n l ；o f t h e h o n g k o a g i n s t i t u t i o n s o f e n g i n e e r s , 1 9 9 7 , 4 ( 2 - 3 ) ：6 0 - 7 0 2 王宇渡我国在构建和谐社会条件下的能源危机与应对策略m 技术交流 饱p a m o c o s t a t i s t i c a l r e v i e w o f w o r l d e n e r g y 【m 1 2 0 0 1 4 张岳峰能源危机及其对策【j 1 经济师，2 0 0 2 ，( 3 ) ：2 4 6 2 4 7 5 张铁柱，张洪信汽车安全节能与环保【m 1 北京：国防工业出版社，2 0 0 4 ：1 5 6 - 1 5 7 6 董雷汽车尾气与环境污染【j 1 华夏新火，2 0 0 5 7 武汉理工大学硕士学位论文 时，可使人眩晕、头疼、胸闷、咳嗽、失眠，乃至记忆力减退，当浓度超过百 分之十时，人脑中的细胞就会受到永久性的损伤，连续两分钟吸入这样的气体， 就会有生命危险。此外，碳氢化合物能破坏人体的造血功能；苯并( a ) 芘和含 铅化合物都是致癌物。而且有研究表明，“由于汽车废气的排放主要在0 3 米至 2 米之间，正好是人体的呼吸范围，而大部分的尾气排放在一点五米以下，因此， 儿童吸入量往往是成人的两倍之多。”7 而儿童的免疫系统却不如成人完善，所以 汽车尾气对儿童所造成的伤害要更加严重，这种伤害甚至会陪伴他们一生。 随着城市能源结构的调整，城市燃煤污染已经退居后位，而汽车尾气对空气 污染所占的比重越来越大，这是汽车产业的迅猛发展，汽车保有量日益增加的 缘故，而汽车的增加，又不可避免的带来了另外一个社会问题大城市的交 通拥挤。 在我国一些大型城市中，交通问题非常严重，严重堵车路段逐年上升。市区 内的汽车平均时速逐渐下降。交通堵塞也带来了一系列的诸如噪声污染，大气 污染加剧等社会问题。城市交通就如同一个城市的血液，只有血液循环流动正 常，城市才有可能健康持续的发展。 为了解决能源危机与环境污染，人类已经开始了积极的探索。从上个世纪以 来，纯电力驱动汽车，混合动力汽车，氢燃料电池汽车，甚至太阳能汽车等使 用新能源的节能环保型汽车进入了人类的研究领域( 其实从严格意义上来讲纯 电力驱动汽车并不算新能源汽车，因为电力是早在汽车发明之前就已经投入应 用的能源，并且在燃油汽车发明之前，纯电力汽车就已经发明并且投入了使用， 但就应用而言，电力驱动相比于燃油驱动，也算是新型能源，所以本文将上述 几种节能环保型车都称为新能源车) ，并取得了很大的进展，但至今还没有一种 新能源汽车能够取代目前传统燃油发动机汽车的地位，都或多或少的存在着缺 陷。但新能源车取代传统燃油汽车是历史发展的必然，随着技术的发展，这些 障碍终将被克服。从大的方面来讲这关系到人类未来的生存，从小的方面来讲 新技术的发明意味着巨大的经济效益。因此，不论是政府机构还是大型的集团 公司，都在投入巨额资金或单独或联合的进行相关的技术研究与开发。这就象 是场竞赛，在通往使新能源汽车最终达到市场接受标准的这个目标的过程中， 谁能够率先冲过终点，谁就能在未来的能源市场上占据先机，赢得主动。 中国的汽车保有量在迅速增加，我国现今人均汽车保有量是每1 0 0 0 人1 0 7 解美君净化汽车尾气减少环境污染川安徽冶金科技职业学院学报2 0 0 7 1 武汉理工大学硕士学位论文 辆汽车，“随着经济的发展，假如我国人均汽车保有量达到现在全球水平一每 1 0 0 0 人有1 1 0 辆汽车，我国汽车保有量将成1 0 倍的增加，能源与交通就将成为 大问题。”8 那么在新的背景形势下，汽车产业将如何面对，是一个值得我们去思 考的问题。笔者认为，通过1 、以分析未来汽车产业发展背景为前提：2 、以结 合现阶段新能源汽车研究的相关技术及未来技术发展趋势和未来可能达到的程 度为出发点；3 、以未来新型的城市化交通系统来进行综合分析为依托；4 、以 新能源汽车的设计趋势为结合点，将会找到一条新能源汽车产业与武汉市和谐 发展的路子。 。张翔电动汽车前景看好机遇展现册汽车工业研究嘶5 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章节能环保型汽车的相关分类与介绍 开发节能环保型汽车，需要从根本上改变汽车的驱动动力和燃料，使用清 洁的电能来取代或者部分取代燃油。“目前具有广泛前景的几种类型的节能环保 汽车是混合动力汽车( 脏v ) ，氢燃料电池( f c e v ) 和纯电动汽车( b e v ) ，”9 我 国的“十五”计划中确定了我国以纯电动汽车( 以下简称电动汽车) 、混合动力 汽车、燃料电池汽车为“三横”；以电池、电机和控制系统为“三纵”的“三纵 三横”布局。在本文中也将以这三种汽车为重点进行展开。这几种类型汽车的 特点如表2 - 0 1 所示。另外还有几种使用压缩天然气、液化石油气以及醇类燃料 的清洁能源汽车，还有一种在未来具有广阔前景的太阳能汽车。 e v 种类b e vh e vf c e v 驱动方式电机电机、内燃机电机 蓄电池 蓄电池 能源系统 超大电容器燃科电池 超，1 吨容器 i c eg w w a 衄t m i i e 氢气 能量来源电网 加油站、电网( 可选)甲醇或汽油 乙醇 零捧放废气撵敦少 零排放或超低捧放 不依赖汽油 续航里程长 能量效率高 特点 1 0 0 2 0 0 1 锄短行程依籁石油 不依赖汽油 成本高结构复杂 续航里程较长 成本高 已小批量生产销售已1 批量生产销售 研发中 蓄电；l n 及翼管理维护 多能源管理、优化控制 蠛科电池 主要问题燃料系统 充电设施蓄电池评估和管理成本 燃科处理器 图2 1 c c c h a r t m o d e m n e c t r c v e h l c l e , m o t o r d r i v e , a n d e l e c t r i c a l a n d e l c c t r o l f i c t e , c h a o l o g y m b c i j i n g ：c m p b o o k s ，2 0 0 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 纯电动汽车( b e v ) 纯电动汽车的驱动由蓄电池作为能量储存单元，电机驱动行驶，它的优点 在于：本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算成为发电厂的排 放，除硫和微粒外，其他污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集 的地区，对人类造成的影响较小。而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除 各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。而且由于电力可以从多种其他方 式获得，如煤炭、核能、水力等。若电动车普及后还有一个优点就是：可以充 分利用夜间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备能够充分利用，大大的提 高经济效益。“有相关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至发电厂发电，经充 入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变成汽油，再经汽油 驱动汽车要高很多，因此更有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。”m 纯电动 汽车的核心部件就是蓄电池及其管理系统。“目前已经获得应用的蓄电池有； 先进铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池，正处于研究阶段的电池还有：镍锌、锌 空气、钠二氯化镍、锂离子和锂聚合物电池。( 如图2 2 所示) ”儿 忧缺点备注 先进铅酸电、他技术成熟、成本低、充电快、比功率高、比能量低已广泛应用 镍镉电池按术成熟、成本低、充电快、比功率高、比能量 氐近期应用性高 镍氢电涟 成本高、充电快、比功率高、比能量高已广泛应用 镍锌电池 成本低、比功率高、比能量高、循环寿命短实用性高、待应用 锌座气 成本低、比功率i 医、比能量非常高、机饭式充电、实用性很高、待应 不能再生充电用 钠，二氯化镊 成本高、比能量高、需控制温度实用性高、待应用 锂离子价格高、比功率高，此能量非常高 实用性很高、待应 用 锂聚台物电池比功率高、此能量非常高、低温眭能差实用性高、待应用 图2 2 理想的蓄电池应该是：容量大、功率比重高、低的制造成本和使用成本、 长的周期寿命和短的充电时间。容量大就意味着每充一次电，汽车就可以长距 离的行驶；功率比重大( 重量轻和体积小) ，就意味着汽车可以有更大的空间来 1 0 李兴虎电动汽车概论，【m l 北京：北京理工大学出版社，2 0 晒8 1 1 万沛霖电动汽车的关键技术【m 刊匕京；北京理工大学出版社，1 9 9 8 1 2 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 多乘人或多装货物，使汽车速度高、动力性好；周期寿命长，就意味着可以成 千上万次向蓄电池充电，实现电池寿命与汽车寿命一样长，从而降低汽车的使 用费用；充电时间短，意味着电动汽车能够像传统汽车加油一样节省时间。 可惜的是，现在的蓄电池基本上都无法达到上述理想蓄电池的要求。现在 广泛应用于电动汽车上的铅酸电池，其比能量( 即每1 k g 重量所能储存的能量) 只有约4 0 w h k g ，而l k g 汽油是1 2 0 0 0 w h k g ，两者相差3 0 0 倍，即使把电机效 率高于内燃机这一因素考虑在内，两者仍相差几十倍。”1 2 可以通过一个简单的 计算来比较电动汽车与传统燃油汽车的差别：一辆自重1 0 0 0 k g 的轿车，乘坐5 人，再带上行李，总重为1 5 0 0 k g 时，它的油箱灌满5 0 k g 的汽油( 占自重3 ) 后可行驶7 0 0 k i n ，而同一车型改为纯电动汽车后携带4 0 0 k g 铅酸电池，只乘坐4 人不带行李，充满电后只能走约1 0 0 k i n 。其次由于车载的能量少，只能用小功 率电机，使其最高车速、最大加速能力、最大爬坡能力也受到影响。再则由于 蓄电池可重复寿命短，往往使用一段时间后就需要更换，而价格又很高，造成 纯电动汽车购置成本及使用成本高。以上的缺点使得纯电动汽车在近段时间内 难以普及，但各国对电池的研究却从未停止，另外根据现有电池技术水平下的 小型、低速、特种用途的纯电动汽车也在不断发展。一旦电池技术有了关键性 的突破，纯电动汽车的普及将是大势所趋。 2 2 混合动力汽车( h e v ) 虽然人们普遍认为未来将是电动汽车的天下，但由于现有电池技术的能量密 度无法与汽油相比，这个因素阻碍了电动汽车在现阶段的大规模应用。“专家估 计在1 0 年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车。而越来越大的节能和环保 压力迫使汽车厂商不得不在现阶段开发新类型的节能环保汽车，这就是混合动 力汽车。”1 3 “国际电工委员会( i e c ) 电动汽车技术委员会将混合动力汽车定义 为有一种以上能量提供驱动动力的电动汽车。也可简单定义为将电力驱动和辅 助动力单元( a u x i l i a r yp o w e ru n i t , a p u ) 合用到一辆车上。”1 4 其中辅助动力单 元a p u 是燃烧某种燃料( 一般为汽油或柴油) 的原动机或由原动机驱动的发电 机组。 ”c c c i - i a n k t c h a u m o d e m e l e c t r i c v e h i c l e t e c h n o l o g y m o x f o r d ：o x f o r d u n i v e r s i t y p r e m , 2 0 0 1 玎陈清泉，孙逢春，祝嘉光现代电动汽车技术【m 】北京；北京理工大学出版社 松本廉平汽车环保新技术嗍曹秉刚，等译西安：西安交通大学出版社，2 瞄 武汉理工大学硕士学位论文 简单的说，混合动力汽车装有电池驱动和内燃机驱动两套系统，根据不同的 路面行驶情况，通过自动控制寻找最佳的驱动比，使燃料转换、储能和电机在 各种工况下尽可能的工作在高效率、低排放区域。“同时在汽车制动的时候，将 汽车的动能回收，使其逆向存储进蓄电池，从而大大改善汽车行驶时的燃油经 济性能、尾气排放性能及其他使用性能。” 传统燃油汽车在起动和低速行驶时是处于非常耗油的状态，而混合动力汽车 在这种情况下可以由电池提供动力，超过一定速度后，转由内燃机驱动；加速 和高速行驶时，传统汽车也是处于非常耗油的状态下，而混合动力汽车在这种 状态下由内燃机和电动机联合驱动，较传统燃油汽车更省油且排放量小，较纯 电动汽车又具有更强的动力优势；在正常行驶或减速刹车的时候，可以对电池 充电，所以在正常情况下，混合动力汽车不需要通过外部电源充电或只需较短 的外部充电时间。在方便性上是远远的超过了纯电动汽车。从推广普及方面来 看，混合动力汽车不需要改变使用者到加油站加油的习惯，政府不需要对燃料 供应系统作额外的投资。“而且混合动力汽车的内燃机还可以采用压缩天然气、 甲醇、液化石油气等代用燃料，不仅降低车辆对石油的依赖，而且能有效减少 尾气中的有害物质。”1 6 “现在市场上已经出现了比较成熟的混合动力车型，如丰田公司的p r i u s 和 德国奥迪的d u o ，在性价比上能够与燃油汽车竞争。” ， 2 2 1 按驱动系统组合方式的分类 目前世界各国研究开发的混合动力汽车有着许多结构型式，按照其驱动系统 的配置和组合方式的不同可分为串联式、并联式和混联式3 种： 1 、串联式混合动力驱动系统 ”h e a n g k d ，t z e n g s c d e v e l o p m e n t o f a h y b r i d p n e u m a t i c - p o w e r v e h i c l ej a p p l i e d e n e r g y , 2 0 0 5 , 8 0 ( 1 1 j 6 王志新，韩秀芹解析混合动力汽车棚公路与汽运，2 0 0 7 1 1 7 孙逢春，程夕明电动汽车动力驱动系统现状及发展岍汽车工程2 0 0 0 4 武汉理工大学硕士学位论文 串联式驱动系统的原理如图2 - 3 所示。原动机直接带动发电机发电，电能通 过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车，将电池作为 原动机输出和电动机需 求功率间的中转装置。串 联式结构适用于市内常 见的频繁起步、加速和低 速运行工况，可使原动机 在最佳工况点附近稳定 运转。虽然串联式结构使 整个驱动系统排放教低， 但是燃油经济性还有待提高，这主要是因为在电能与机械能的转化过程中存在 效率损失，这种系统主要应用于城市大客车，在轿车中运用较少。 2 、并联式混合动力驱动系统 并联式混合动力驱 动系统原理如图2 - 4 所 示。发电机和电动机可以 分别独立地向汽车提供 动力，不需要先把发动机 动力转化为电力，因此更 像传统的汽车动力传动 系。由于发动机的机械能可以直接输出到汽车驱动桥，中间也没有能量的转化， 所以系统效率较高，燃油消耗也较少。但由于发动机与车辆驱动轮之间有直接 的机械连接，发动机运行工况不可避免的要受到汽车具体行驶工况的影响。 3 、混联式混合动力驱动系统 混联式驱动系统是 串联式和并联式的综合， 其原理如图2 - 5 所示。发 动机发出的一部分功率 通过机械传动输送给驱 动桥，而另一部分则驱动 发电机发电。发电机发出 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的电能输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给 驱动桥。在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；汽车高速稳定行 驶时，则以并联方式工作为主。它充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使 发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在 更复杂的工况下仍能使系统在最优状态下工作，所以更容易达到控制排放和油 耗的目的，因此是最具实用价值的混合动力驱动类型。埔 2 2 2 按任务类型的分类 按照任务类型来分，又可将混合动力汽车分成三类：轻度混合型( m i l dh y b 珊 v e h i c l e ，m h v ) 、功率混合型( p o w e rh y b r i dv e h i d e ，p h v ) 和能量混合型( e n e r g y h y b r i dv e h i c l e ，e h v ) 。 1 、轻度混合型( m h v ) 轻度混合方式混合动力汽车选用较小功率的驱动电机，主要依靠内燃机运 行，电动机辅助动力的范围有限，因此，所需电池的能量也较低。在所有混合 动力汽车中，轻度混合方式成本最低，增加的成本 也最少，当然也只能适当地提高燃油经济性和改善 排放。使用轻度混合方式的代表车型有本田公司的 i n s i g h t ( 如图2 6 ) 。 它包括一台作为主动力源的1 0 l 稀薄燃烧汽油 机( 空燃比为2 6 ：1 ) 和作为辅助动力的1 0 k w 一体 化起动机发电机( i n t e g r a t e ds t a r t e r a l t e m a t o r , i s a ) 。 i s a 能实现怠速自动停机和自动起动功能，在加速时提供辅助动力，或者以发电 机状态运行，将减速或制动时的动能转换成电能。 2 ：功率混合型( p h v ) 功率混合方式所采用驱动电机的功率比轻度混 合方式大，虽然电池的能量仍然较低，但电池组提 供的电功率可以高达2 0 4 0 k w ，制造成本要比轻度 混合方式高，与轻度混合方式相比，功率混合方式 在改善燃油经济性和排放方面的潜力更大。丰田公 司的p r i u s ( 如图2 - 7 ) 是世界上第一个进行批 1 8 张卫青混合动力汽车的发展现状及其关键技术m 重庆工学院学报2 0 0 6 5 武汉理工大学硕士学位论文 量生产的混合动力汽车品牌，它采用的混合动力系统属于功率混合型。p r i u s 的动力性达到了同类汽油机的水平，而百公里燃油消耗只是同类汽车的一半， 尾气排放平均只有日本运输省规定值的十分之一左右。 3 、能量混合型( 阴v ) 能量混合型的混合程度是三种混合方式中最高 的，不仅要求车载电池有较大的功率，而且要有较 高的能量，而轻度混合型和功率混合型中电池的能 量都较低。能量混合型中的驱动电机是主要原动力， 因此，需要车载电池提供足够的电能( 最高至7 0 k w ) 独立驱动汽车行驶大约4 3 5 k m ( 据统计，美国私人 轿车每天平均行驶2 1 4 k m ，达到或者超过4 3 5 k m 的 概率为1 0 ) 。内燃机主要在高速公路上行驶时驱动汽车运行( 内燃机处于高效 率区) ，增加续航里程。 与轻度混合型和功率混合型相比，能量混合型可明显 改善燃油消耗和尾气排放，但能量混合型的制造成本高很多，这主要是由于高 能量电池组的成本较高。由于大功率电机及高能量电池组在轿车上的布置都十 分困难，这类方式更适合于大中型客车。如图2 8 所示的丰田c o a s t e r ，它使用 的是中型客车底盘，驱动电机为7 0 k w 交流感应电机，以总重5 0 k g 的铅酸电池 组为能量混合型动力系统。 在节能方面，德国大众高尔夫( g o l f ) 轿车采用传统内燃机驱动系统和混合 驱动系统的燃油经济性来相比较，如图2 - 9 所示，结果表明，后者比前者的燃油 消耗降低了5 6 7 。理论分析和现有混合动力汽车的运行结果证明，混合动力汽 车与传统燃油汽车相比，其燃油消耗可降低3 0 - 4 0 。 在环保方面，美国新一代机动车伙伴关系计划( p n g v ) 报告日本本田公司 的i n s i g h t 和丰田公司的p r i e s 混合动力轿车已分别达到美国环保署( e p a ) i i e r 2 、 美国加州u l e v 、加州s u l e v 规定的氮氧化物排放标准( 见图2 - 1 0 ) 而目前 排放性能较好的传统内燃机汽车仅能达到欧洲标准。“理论研究以及丰田 p r i u s 、本田i n s i g h t 等混合动力轿车的运行结果证明，与传统内燃机汽车相比， 混合动力汽车能降低尾气排放量5 0 6 0 。除此之外，还通过降低发动机负荷 达到了降低噪音的目的。”2 1 挣a n t o n is z n t n a n o w s k i ：陈清泉，孙逢春编译。混合电动车辆基础【嗍。北京：北京理工大学出版杜，2 0 0 1 1 1 王志新，韩秀芹解析混合动力汽车闭公路与汽运，2 0 0 7 1 2 1 麻友良，程全世混台动力电动汽车的发展i j l 公路交通科技，2 0 0 1 ，1 8 ( 1 ) ：7 8 - 8 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 9 图2 - 1 0 注：e p a 美国环保署( e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na g e n c y ) t l e v 过渡性低排放车 辆( t r a n s i t i o n a ll o we m i s s i o nv e h i c l e s ) u l e v 超低排放汽车( u l t r al o we m i s s i o n v e h i c l e s ) s u l e v 极低排放汽车( s u p e r u l t r al o wm i s s i o nv e h i c l e s ) 2 3 氢燃料电池汽车 混合动力汽车虽然能够满足现阶段人们对汽车节省能源、降低排放的要求， 但是混合动力汽车先天性的局限使它仍然摆脱不了对化石能源的依赖，专家们 普遍认为，氢燃料电池汽车才是代表汽车最终发展的一个方向。 2 0 世纪6 0 年代，美国为阿波罗登月计划而开发出了一种新型的以氢为燃料 的电池，2 0 年后，国际上开始出现了各种燃料电池的开发狂潮，各种小功率的 燃料电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。“到了2 0 世纪9 0 年代， 各国政府和专家及大型汽车企业均看好燃料电池电动车，除各国政府投入巨资 支持这一研究外，世界各大汽车集团和石油公司也纷纷投入巨资进行各种形式 的联合开发。”“ 2 3 1 燃料电池工作原理 燃料电池的基本工作原理很简单，与普通电池相似。它是一种不经过燃烧而 通过化学反应，把富氢燃料的化学能直接转变成电能的发电装置。“如图2 1 1 所 示为燃料电池的基本工作原理：阳极( a ) 为燃料和电解液( e ) 提供了一个接 触面，在催化剂作用下发生氧化反应并输出电子至外电路。另一方面。阴极( c ) 芷石井宏毅白彦华。等译燃料电池原理及应用【 叼北京；北京化学工业出版社，2 0 0 4 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 为氧气和电解液提供了一个接触面，在催化剂作用下发生还原反应并从外电路 接受电子。在阳极和阴极之间电解液用于传递燃料反应的离子，并和氧气电极 反应，而且还用于传递电子。”驾 氧气 图2 1 1i “从汽车的动力源上看，燃料电 池电动汽车与普通的蓄电池电动汽 车是一样的，均由电动机驱动，直接 供给的动能也是电能。但若是从电动 机获取电能的途径上观察，则燃料电 池汽车与普通电动汽车有着很大的 不同，即其电池所产生的电能是靠外 界不断供给氢( 气) 而与( 空气中的) 氧发生化学反应的过程( 实质是电解 水生成氢和氧的逆反应而产生电) ， 在这里，氢实质上很像一种燃料，电池也不是普通意义上的电池，从功能上讲， 相当于一台( 气体) 发电机，它不能像普通电动汽车的蓄电池那样进行反复充 电使用( 不能存储电能) 。因此，从此角度看，燃料电池的叫法并不确切( 此外， 氢燃料也并未燃烧) 。本质而论，燃料电池汽车是一种氢能汽车。”2 2 3 2 各类型燃料电池相关特性 燃料电池技术的研究现在还处于起步阶段，目前已研发出几种类型的燃料电 池的各种相关特性见图2 1 2 。 酸燃科电碱燃科电熔态碳化固体氧化固态聚合直接甲醇 孢池燃料电池燃料电池燃料电池燃科电；电 工作目谴， 1 3 1 5 0 - - 2 1 06 驴v i 6 8 0 ，7 0 09 0 0 ，一l c 5 驴v i o o5 0 1 0 0 功率密度， ( w c r ) 0 、一0 2 50 2 - 0 a0 i - 0 202 p 叼30 3 5 - m 0 60 0 4 - - - 0 2 3 寿命怂4 01 04 04 04 01 0 价格，( u s 1 0 0 02 0 01 0 0 0 1 5 0 0 2 0 02 0 0 $ 【t ) 图2 1 2 各种燃料电池相关特性 衣宝廉燃料电池原理技术应用【m 】北京：北京化学工业出版杜，2 0 0 3 “张扬军，李希号，黄海燕，卢青春燃料电池汽车动力系统热管理1 邛气车工程，2 0 0 3 2 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 其中，碱性电池是最先出现的燃料电池，之后的酸燃料电池是目前技术最成 熟、商业化应用最广泛的燃料电池，但它要用贵重的铂系金属做催化剂，不利 于这种电池的普及；后来出现的熔态碳化燃料电池和固体氧化燃料电池，从表 中可以看出它要求的工作温度高达近1 0 0 0 摄氏度，虽然寿命长，但是也不大适 合汽车使用。再后来的固态聚合燃料电池，也称为质子交换膜燃料电池，采用 高分子聚合物膜作为电解质，构造简单，工作温度低，启动快，使用寿命长且 效率高。它的特点使其在电动汽车上有更大的发展空间。笛 由于燃料电池是通过氢与氧的反应产生能量，因此，它的排放物只有热量和 真正意义上的纯水。而氢又是地球上储量最丰富的元素之一，可以从很多途径 获得燃料电池所需的燃料，彻底解除了能源短缺对人类的威胁。因此，燃料电 池汽车将是未来汽车的主流。 2 4 其他类型节能环保汽车 除了以上三种在节能环保方面具有很大优势的电动汽车外，还有目前技术与 市场比较成熟的清洁燃料汽车，分别使用以下的能源作为燃料压缩天然气 ( c n g ) 、液化石油气( l p g ) 、醇类( 甲醇和乙醇) 。上述种类的汽车全球保有 量以达到4 8 0 多万辆。” 通常将使用c n g 和i j p g 为燃料的汽车都称为天然气汽车，天然气的主要成 分是甲烷，燃烧后的主要生成物为二氧化碳和水，其产生的温室气体只有煤炭 的1 2 ，是石油的2 3 。与汽油汽车相比，它的尾气排放中c o 下降约9 0 ，h c 下降约5 0 ，n o x 下降约3 0 ，s 0 2 下降约7 0 ，c 0 2 下降约2 3 ，微粒排放 可降低约4 0 ，铅化物可降低1 0 0 。因此天然气对环境造成的污染远远小于石 油和煤炭，是一种优良的汽车发动机绿色代用燃料。同时，天然气汽车的使用 成本较低，比燃油汽车节约燃料费约5 0 。此外，与电动汽车相比，天然气汽 车的续驶里程长。天然气汽车是目前最具有推广价值的低污染汽车，尤其适合 于城