新能源汽车的种类及特点课件.ppt

1 新能源汽车的种类及特点 江苏汽车技师学院汽车科教师华磊 2 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 1 新能源汽车的定义 3 2 汽车能源细类 传统替代燃料汽车新能源 4 1 混合动力车的定义 混合动力汽车 HybridElectricalVehicle 简称HEV 是指同时装备两种动力来源 热动力源 由传统的汽油机或者柴油机产生 与电动力源 电池与电动机 的汽车 通过在混合动力汽车上使用电机 使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控 而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作 从而降低油耗与排放 3 各种新能源汽车并存 3 1 新能源汽车 混合动力汽车 5 2 HEV的主要技术组成 1 发动机采用四冲程内燃机 包括汽油机和柴油机 二冲程内燃机 包括汽油机和柴油机 转子发动机 燃气轮机和斯特林发动机等 2 电动机采用直流电动机 交流感应电动机 永磁电动机和开关磁阻电动机等 3 电池采用不同的蓄电池 燃料电池 储能器和超级电容器等 6 低油耗 工作原理电动机和发动机分担各自的优势领域 3 混合动力车的工作原理 以TOYOTA为例 TOYOTA油电混合动力系统可完美地分别使用电动机和发动机来行驶 油耗与低一等级排量 车体尺寸的车辆相当 功率却与高一等级车辆相当 与同等排量的车辆相比 其低油耗性能居世界最高水平 7 为了实现最高水准的低油耗 TOYOTA油电混合动力系统分别发挥电动机和发动机各自的特长来行驶 1 在启动及低速行驶时 TOYOTA油电混合动力系统仅利用电动机的动力来行驶 因为这时发动机的效率不高 2 在一般行驶时发动机效率很高 发动机产生的动力不仅是车轮的驱动力 同时也用来发电带动电动机 并给HV蓄电池充电 3 在减速或制动时 TOYOTA油电混合动力系统以车轮的旋转力驱动电动机发电 将能量回收到HV蓄电池中 8 当汽车启动时 TOYOTA油电混合动力系统仅使用由HV蓄电池提供能量的电动机的动力启动 这时发动机并不运转 因为发动机不能在低旋转带输出大扭矩 而电动机可以灵敏 顺畅 高效地进行启动 点火起动时 发动机将进行运转 直至充分预热 启动时充分利用电动机启动时的低速扭矩 9 对于发动机而言 在低速 中速带的效率并不理想 而另一面 电动机在低速 中速带性能优越 因此 在用低速 中速行驶时 油电混合动力系统使用HV蓄电池的电力 驱动电动机行驶 HV蓄电池的电量少时 利用发动机来带动发电机发电 为电动机提供动力 低速 中速行驶时由高效利用能量的电动机驱动行驶 10 一般行驶时 TOYOTA油电混合动力系统采用发动机 使它在能产生最高效功率的速度带驱动 由发动机产生的动力直接驱动车轮 依照驾驶状况部分动力被分配给发电机 由发电机产生的动力用来驱动电动机和辅助发动机 利用发动机和电动机这一双重传动系统 发动机产生的动力以最小消耗被传向地面 HV蓄电池的电量少时 发动机输出功率会被提高以加大发电量 来给HV蓄电池充电 一般行驶时低油耗的驾驶 使用发动机作为主要动力源 11 在需要强劲加速力 如爬陡坡及超车 时 HV蓄电池也提供电力 来加大电动机的驱动力 通过发动机和电动机双动力的结合使用 TOYOTA油电混合动力系统得以实现与高一级发动机同等水平的强劲而流畅的加速性能 全速开进 行驶 时利用双动力来获得更高一级的加速 12 用于再利用在踩制动器和松油门时 TOYOTA油电混合动力系统使车轮的旋转力带动电动机运转 将其作为发电机使用 减速时通常作为摩擦热散失掉的能量 在此被转换成电能 回收到HV蓄电池中进行再利用 减速 能量再生时将减速时能量回收到HV蓄电池中 13 在停车时 发动机 电动机 发电机全部自动停止运转 不会因怠速而浪费能量 当HV蓄电池的充电量较低时 发动机将继续运转 以给HV蓄电池充电 另外有时因与空调开关连动 发动机会仍保持运转 停车时动力系统全部停止 14 优点不需要特别的燃料 续航里程长 技术成熟 缺点 弱混 以及长距离高速行驶基本不能省油 难点成本降低需要时间 4 混合动力车优 缺点 虽然混合动力车在能源利用上具有环保 节约等优势 但其最大的障碍是难以降低的生产成本和由此导致的高昂售价 国内混合动力汽车的发展瓶颈主要集中在消费理念 成本控制 价格定位 技术 以及相关的配套设施等 15 电动汽车是至少以一种动力源为车载电源 全部或部分由电机驱动 符合道路交通安全法规的汽车 1 定义 3 2 新能源汽车 电动汽车 2 电动汽车的分类 以车载燃料电池为动力的燃料电池电动汽车 以车载蓄电池为动力的蓄电池电动汽车 亦称之为纯电动汽车 以车载多能源为动力的混合动力电动汽车 其动力来自2个或2个以上能源 如蓄电池 超级电容 飞轮电池 太阳能 内燃机 燃气轮机 斯特林发动机等 16 3 电动汽车的特点 随着能源危机和环境污染的全球两大突出问题日益严重 特别是随电动汽车自身难点不断解决 使电动汽车具有更多突出特点 优点 1 来源丰富 2 运行零污染而且噪声小 3 结构简单 维修方便 4 能源效率高 缺点 1 能源密度低 2 充电时间长 3 成本高 17 1 纯电动汽车 EV 电动汽车由底盘 车身 蓄电池组 电动机 控制器和辅助设施蓄电池六部分组成 由于电动机具有良好的牵引特性 因此蓄电池汽车的传动系统不需要离合器和变速器 车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现 蓄电池向电动机提供电能来驱动汽车 在制动或减速时 电机作为发电机来回收能量 4 电动汽车分类 18 19 20 电驱动结构形式 21 电驱动结构形式 22 采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车即FuelCellElectricVehicle FCEV 其动力源是用燃料电池发动机 电动机系统 燃料电池驱动系统是FCEV的核心部分 不同燃料作为动力源 发电机系统组成是有差别的 目前 多以压缩氢气或液化氢气及作为基本燃料 2 燃料电池电动汽车 FCEV 23 a 燃料电池 FuelCell 的基本原理 燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电 燃料电池的基本组成有 电极 电解质 燃料和催化剂 二个电极被一个位于这它们之间的 携带有充电电荷的固态或液态电解质分开 在电极上 催化剂 例如白金 常用来加速电化学反应 下图为燃料电池基本原理示意图 24 燃料可以是H2 CH4 CH3OH CO等 氧化剂一般是氧气或空气 电解质可为水溶液 H2SO4 H3PO4 NaOH等 熔融盐 NaCO3 K2CO3 固体聚合物 固体氧化物等 发电时 燃料和氧化剂由电池外部分别供给电池的阳极和阴极 阳极发生燃料的氧化反应 阴极发生氧化剂的还原反应 电解质将两电极隔开 导电离子在电解质内移动 电子通过外电路做功并构成电的回路 与普通电池不同的是 只要能保证燃料和氧化剂的供给 燃料电池就可以连续不断地产生电能 它的燃料和氧化剂不是储存在电池内 而是储存在电池外的储罐中 当电池发电时 要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂 排出反应产物 同时也要排除一定的废热 以维持电池工作温度的恒定 FC本身只决定输出功率的大小 其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定 25 b 燃料电池系统组成 单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的 它必需和燃料供给与循环系统 氧化剂供给系统 水 热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统 简称燃料电池系统 燃料电池组辅助装置和关键设备 1 燃料和燃料储存器 包括碳氢化合物转化的重整器 2 氧化剂和氧化剂存储器 3 供给管道系统和调节系统 4 水和热管理系统 2019 12 20 26 可编辑 27 c 燃料电池的分类 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 1 质子交换膜燃料电池 protonexchangemembranefuelcell PEMFC 2 碱性燃料电池 alkalinefuelcell AFC 3 磷酸燃料电池 phosphoricacidfuelcell PAFC 4 溶化的碳酸盐燃料电池 moltencarbonatefuelcell MCFC 5 固态氧化物燃料电池 solidoxidefuelcell SOFC 下面我们分别介绍以氢为燃料和以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统 并介绍通用的一款用氢气作为燃料的燃料电池电动汽车 28 以氢为燃料的燃料电池发动机系统 1氢气储存罐 2氢气压力调节器 3热交换器 4氢气循环泵 6水箱 7水泵 8空气压缩机 9空气加湿 去离子过滤器 10燃料电池组 11电源开关 13逆变器 14驱动电机 12DC DC转换器 5冷凝器 汽水分离器 29 以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统 甲醇储存罐 重整器带燃烧气 H净化器 氢气净化泵 30 通用Hy wire氢动三号由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力 通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气 电池组所产生的电能输入电动机后 通过功率为60千瓦 82马力三相异步电机驱动车辆行驶 并几乎不产生任何噪音 氢储存罐分为两种 一种罐内储存的是温度为 253 C的液态氢 另一种罐内储存的是承受最高压力可达700Pa的高压氢气 一次充气行驶里程分别可达400公里和270公里 31 通用Hy wire氢动三号的电池组 32 3 3 新能源汽车 天然气汽车 天然气汽车又被称为 蓝色动力 汽车 主要以压缩天然气 CNG 液化天然气 LNG 吸附天然气 ANG 为燃料 常见的是压缩天然气汽车 CNGV 1 定义 2 天然气汽车的发展 目前 燃气仍然是世界汽车代用燃料的主流 美国的目标是 到 年 公共汽车领域有 的汽车使用天然气 的出租车和班车改为专用天然气的汽车 到 年 德国天然气汽车数量将达到 万至 万辆 加气站将由目前的 座增加到至少 座 33 a 按所用气体燃料的种类液化天然气汽车 以液化石油气LNG作为燃料压缩天然气汽车 以天然气CNG作为燃料吸附天然气汽车 以天然气ANG作为燃料注 目前世界上使用较多的是压缩天然气汽车 b 按所用燃料的数量和形式单燃料燃气汽车两用燃料燃气汽车混合燃料燃气汽车 3 燃气汽车的划分 34 天然气汽车的基本原理与汽油动力汽车的原理一样 也就是说 燃料 本例中为天然气 在四冲程发动机的气缸中与空气混合 通过火花塞点火 推动活塞上下移动 尽管天然气与汽油相比 可燃性和点火温度存在一些差别 参见下表 但NGV采用的是与汽油动力汽车基本理念一致的运行方式 4 天然气汽车的原理 35 36 a 燃料存储大多数NGV使用压缩天然气来运行 以便燃料占据更小的空间 在加油站 天然气被压缩为20 25MPa 然后再泵入连接至汽车后部 上部或支架的高压筒形气瓶 早期NGV的储罐体积很大 占据了大量的车载空间 但是现在已开发出新一代轻量级气瓶 这些全复合的气瓶又称为集成存储系统 ISS 直径较小 这样可以将三个气瓶放置在一起 组成传统汽油箱大小的形状 尽管如此 还需要进行一些改进 以使NGV更有效地工作 改进主要针对燃料储罐 发动机和底盘进行 b 改进发动机当NGV的发动机启动后 天然气便从储气瓶流入燃料软管中 在发动机附近 天然气将进入压力调节器从而实现降压 然后 天然气将进入多点气体燃料喷射系统 该系统会将其引入气缸中 传感器和计算机将对燃料和空气的混合气体进行调节 以便火花塞点燃天然气时 燃烧更有效 c 改进底盘可能需要对NGV的悬架系统进行一些改进 以便为燃料存储罐腾出更多空间 有时 在汽车的后部 会采用半拖臂悬架系统替换许多汽油动力汽车通常采用的横向稳定杆悬架系统 NGV还去除了备用轮胎和千斤顶 实现了平底板式设计 为弥补没有备用轮胎和千斤顶的不足 车上安装了 低压安全胎 例如固特异轮胎公司生产的高机动性轮胎 37 5 天然气汽车还具有以下优势 更安全 NGV的燃料储罐比汽油或柴油罐更厚 更结实 2 天然气的费用比汽油低 平均来说 费用低三分之一 3 天然气易于使用 且储量丰富 4 与汽油价格相比 天然气的价格非常稳定 5 NGV的维护成本较低 38 6 天然气汽车的劣势 1 与汽油动力汽车相比 NGV的空间不足 这是因为NGV必须放弃宝贵的载货和车厢空间 以便容纳燃料储气瓶 不止如此 这些气瓶的设计和制造成本可能都很高 这是天然气汽车与汽油动力汽车相比 总体成本较高的原因 2 NGV的行驶里程有限 通常只能行驶汽油动力汽车的一半路程 3 不可再生资源 尽管美国的天然气储量相当大 但它们也不是取之不尽的 有人曾经预测 假设按照2003年的消耗水平 天然气储量还能持续开采67 1年 39 乙醇俗称酒精 通俗些说 使用乙醇为燃料的汽车 也可叫酒精汽车 用乙醇代替石油燃料的活动历史已经很长 无论是从生产上和应用上的技术都已经很成熟 近来由于石油资源紧张 汽车能源多元化趋向加剧 乙醇汽车又提到议事日程 目前世界上已有40多个国家 不同程度应用乙醇汽车 有的已达到较大规模的推广 乙醇汽车的地位日益提升 在汽车上使用乙醇 可以提高燃料的辛烷值 增加氧含量 使汽车缸内燃烧更完全 可以降低尾气的害物的排放 3 4 新能源汽车 生物乙醇汽车 1 定义 40 2 乙醇汽车的燃料应用方式 1 掺烧 指乙醇和汽油掺合应用 在混合燃料中 乙醇和容积比例以 E 表示 如乙醇占10 15 则用E10 E15来表示 目前 掺烧占乙醇汽车占主要地位 2 纯烧 即单烧乙醇 可用E100 表示 目前应用并不多 属于试行阶段 3 变性燃料乙醇 指乙醇脱水后 再添加变性剂而生成乙醇 这也是属于试验应用阶步 4 灵活燃料 指燃料既可用汽油 又可以使用乙醇或甲醇与汽油比例混合的燃料 还可以用氢气 并随时可以切换 如福特 丰田汽车均在试验灵活燃料汽车 FFV 41 作为生物燃料的一种 乙醇具备诸多优势 首先生产乙醇的原材料都是可再生的植物和农作物 很容易在自然界或通过种植而获得 其次 使用乙醇燃料还可以减少对石油的依赖 但是乙醇燃料还不能取代汽油或柴油 而只能作为补充 由于乙醇的能量密度比较低 因而使用E85的车型在理论上要比使用普通汽油的车型油耗高出30 这样与汽油相比 使用E85 的优势就被平衡掉了 3 乙醇汽车的优 劣势 42 在目前已经上市的车型中 福特福克斯Flexifuel和萨博9 5Biopower都可以使用E85 在瑞典使用E85的福克斯占这一车型的80 发动机配气机构通过传感器测量进入汽缸的燃料成分 并使点火时间和喷射量与之匹配 使用这种燃料的福克斯依然具有出色的行驶性能 大众汽车和奔驰的车型都采用在汽油中加入少量乙醇的方法 因为在德国只允许在汽油中加入5 的乙醇 这是一个所有汽油发动机都可以承受的比例 因为乙醇具有一定的腐蚀性 因此发动机的配气机构需要随着燃料的改变而作出相应的调整 4 乙醇汽车的市场应用 43 二甲醚 DME 是一种无色无味的气体 具有优良的燃烧性能 清洁 十六烷值高 动力性能好 污染少 稍加压即为液体 非常适合作为压燃式发动机的代用能源 使用该燃料的车辆可达到美国加州的超低排放标准 日本NKK公司成功地开发出用劣质煤生产二甲醚的设备 并且和住友金属工业公司于1998年完成了用二甲醚作为汽车燃料的试验 二甲醚汽车 DMEV 不会排放黑色气体污染环境 产生的NOX比柴油少20 3 5 新能源汽车 二甲醚汽车 1 定义 44 二甲醚的推广还需迈过两道坎 一是经济性 据介绍 二甲醚与柴油的热值比只有 在目前的油价下 行驶相同里程二甲醚汽车的燃料成本是柴油汽车燃油成本的约 倍 不过 随着油价的走高 二甲醚汽车的经济性将越高 二是目前各城市的二甲醚加注点几乎没有 而现有的加油 加气站对新型能源不感兴趣 这对二甲醚汽车产业化非常不利 二甲醚用作车用燃料可以很好地替代柴油工作于压燃式发动机 研究表明 与柴油发动机相比 二甲醚发动机优势明显 其功率比柴油机高 至 热效率比柴油机高 到 个百分点 噪音比柴油机低 至 分贝 更大的优势是 它能实现无烟燃烧 超低排放 能满足