新能源汽车秦卫东

辽宁工业大学 第 1 页 共 7 页 新能源汽车新能源汽车 作者 秦卫东 班级 物流工程 102 班 学号 101204037 辽宁工业大学 汽车与交通工程学院 辽宁 锦州 121001 引言引言 随着世界能源危机和环保问题日益突出 汽车工业面临着严峻的挑战 一 方面 石油资源短缺 汽车是油耗大户 且目前内燃机的热效率较低 燃料燃 烧产生的热能大约只有 35 40 用于实际汽车行驶 节节攀升的汽车保有量加 剧了这一矛盾 另一方面 汽车的大量使用加剧了环境污染 城市大气中 CO 的 82 NOx 的 48 HC 的 58 和微粒的 8 来自汽车尾气 此外 汽车排放的大 量 CO2 加剧了温室效应 汽车噪声是环境噪声污染的主要内容之一 我国作为 石油进口国和第二大石油消费大国 污染严重 世行认定的 20 个污染最严重的 城市有 16 个在中国 国内汽车产品水平与国外差距很大 平均油耗高出 10 30 排放约为 15 20 倍 汽车工业面临的压力更大 上个世纪末以来世界各国和各大汽车公司以及国内各大科研机构和高等院 校纷纷致力于开发清洁节能汽车 新能源汽车获得了长足发展 汽油和柴油是 传统内燃机汽车的能源 利用除此以外的能源提供汽动力的汽车均可称为新能 源汽车 目前正在开发的新能源包括天然气 液化石油气 醇类 二甲醚 氢 合成燃料 生物气 空气以及电荷燃料电池等 本文介绍新能源汽车技术的发展概况 并对其发展前景提出看法 一 一 新能源汽车的种类及其特点新能源汽车的种类及其特点 一 混合动力汽车 一 混合动力汽车 混合动力是指那些采用传统燃料的 同时配以电动机 发动机来改善低 速动力输出和燃油消耗的车型 按照燃料种类的不同 主要又可以分为汽油 混合动力和柴油混合动力两种 混合动力汽车的优点 1 采用混合动力后可按平均需用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 辽宁工业大学 第 2 页 共 7 页 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 2 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 3 在繁华市区 可关停内燃机 由电池单独驱动 实现 零 排放 4 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 5 可以利用现有的加油站加油 不必再投资 6 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 混合动力汽车的缺点 长距离高速行驶基本不能省油 二 二 醇类汽车醇类汽车 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 这种汽 车最早由福特公司在 20 世纪 80 年代中期开发 到 2003 年底 美国有 230 多万 辆乙醇汽车 其中多数是道奇和克莱斯勒厢式车 2003 年已卖出 233466 辆 三 氢燃料汽车 三 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 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 宝马公司一直致力于氢气发动机研制 开发 了多款氢发动机汽车 其装有 V12 氢发动机的 7 系列轿车是世界上首批量产的 氢发动机 该发动机可使用氢气和汽油两种燃料 辽宁工业大学 第 3 页 共 7 页 四 四 二甲醚汽车二甲醚汽车 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 五 五 气动汽车气动汽车 以压缩空气 液态空气 液氮等为介质 通过吸热膨胀做功供给驱动能量 的汽车称为气动汽车 气动发动机不发生燃烧或其他化学反应 排放的是无污 染物辐射的空气或氮气 真正实现了零污染 目前开发比较成功的是压缩空气 动力汽车 APV 工作原理类似于传统内燃机汽车 只不过驱动活塞连杆机构的 能量来源于高压空气 APV 介质来源方便 清洁 社会基础设施建设费用不高 较容易建造 无燃料燃烧过程 对发动机材料要求低 结构简单 可借鉴现有 内燃机技术因而研发周期短 设计和制造容易 但目前 APV 能量密度和能量转 换率还不够高 续驶里程短 1991 年法国工程师 Guy Negre 获得了压缩空气动 力发动机的专利 并加盟 MDI 公司 2000 年 MDI 公司推出的名为 进化 evolution 的 APV 质量仅 700kg 其发动机质量仅为 35kg 速度可达 120km h 一次充满压缩空气可行驶 200km 充气费用仅为 0 3 美元 在城市 中约可行驶 10h 在压缩空气站充气 2min 就可完成 用气泵充气 3h 可完成 六 以植物油为燃料的汽车 六 以植物油为燃料的汽车 为了寻找可代替石油的新能源 科学家也将目光投向了植物油 正在研制 以植物油如大豆油 玉米油及向日葵油为原料的内燃机油 科学家们还在研究 生物柴油 这是一种以植物油为原料的燃料 将来可作为柴油的替代品大量用 于卡车和轮船 生物柴油中不含硫 因此不会对环境造成酸雨威胁 为生产生 物柴油 化学家们正在对植物油进行酯化加工 使之变成甲基酯化合物 燃烧 起来更干净 发动机内残留物也较少 二 新能源汽车的优点与实用范围二 新能源汽车的优点与实用范围 辽宁工业大学 第 4 页 共 7 页 一 优点 一 优点 通过对处于磁路中的一段软磁体迅速加热并冷却 使其温度在其居里点上 下周期性地振荡 引起磁路线圈中的磁通量周期性地增减 从而感应出连续的 交流电 能量是通过燃烧产生热能 再直接转化为电能的 它的技术原理是物 理原理 而通常概念中的电池 均属化学原理 两者不是一回事 采用外燃方式 发电过程高效平稳 对燃料性质要求不高 甚至可以用固 体燃料作能源 能使热能直接高效地转化为电能 少了一个机械传动的中间环 节 计算值在 40 以上 运动部件只有一个活塞 省去了机械传动系统 因此 使用寿命长 维护少 实现成本低 技术难度小 目前的燃料电池是通过低温化学作用产生电能 因需要催化剂 燃料要求 高等 难以商业转化 这项技术完全克服了化学燃料电池的上述弱点 从上表中可以看出 纯电池力 氢燃料电池虽然具有较优的新能源特征 但市场竞争力弱 混合动力则具有微弱的优势 因此 混合动力属于过渡方案 纯电池力属于辅助方案 而氢燃料电池属于难以实施的方案 物理燃料电池则 兼顾了新能源特征 市场及用户的诸多优点 所以具有广阔的开发前景 二 适用范围 二 适用范围 新能源汽车 船等动力设备 分布式发电领域 1 1 提高旧能源汽车的效率提高旧能源汽车的效率 目前的汽柴油内燃机热效率小于 30 如果算上机械效率以及其他的能量 传递损失 则总效率仅占燃料放出热能的 15 左右 毫无疑问 如果能够提高 热机的效率 则可在一定程度上缓解目前的石油危机 2 2 空气动力汽车空气动力汽车 利用空气作为能量载体 使用空气压缩机将空气压缩到 30MP 以上 然后储 存在储气罐中 需要开动汽车时将压缩空气释放出来驱动启动马达行驶 优点 是无排放 维护少 缺点是需要电源 空气压力 能量输出 随着行驶里程加 长而衰减 高压气体的安全性 3 3 飞轮储能汽车飞轮储能汽车 利用飞轮的惯性储能 储存非满负载时发动机的余能以及车辆长大下坡 减速行驶时的能量 反馈到一个发电机上发电 再而驱动或加速飞轮旋转 飞 轮使用磁悬浮方式 在 70000r min 的高速下旋转 在混合动力汽车上作为辅助 优点是可提高能源使用效率 重量轻储能高 能量进出反应快 维护少寿命长 缺点是成本高 机动车转向会受飞轮陀螺效应的影响 辽宁工业大学 第 5 页 共 7 页 4 4 超级电容汽车超级电容汽车 超级电容器是利用双电层原理的电容器 在超级电容器的两极板上电荷产 生的电场作用下 在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷 以平衡电解液 的内电场 这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上 以正负电荷之 间极短间隙排列在相反的位置上 这个电荷分布层叫做双电层 因此电容量非 常大 优点是充电时间短 功率密度大 容量大 使用寿命长 免维护 经济环 保等 缺点是功率输出随着行驶里程加长而衰减 受环境温度影响大等 三 三 我国新能源汽车的发展概况我国新能源汽车的发展概况 我国天然气资源丰富 分布广泛 海南 北京 上海 重庆等省市被列为 国家燃气汽车重点示范城市 各地均在燃油汽车基础上研制开发改装了压缩天 然气汽车和液化石油气汽车 主要用于出租车 公交客车 大型车辆和工程设 施等 一汽 大众公司开发了捷达 LPG 上海交大研制成 LPG 轿车并和申沃客 车联合开发成功改装型 LPG 城市 bus 北京开发了 CNG 城市 bus 山西是产煤大省 甲醇汽车项目已进行多年 目前已达到商业运行阶段 所用甲醇汽车采用灵活燃料系统 既可用甲醇 也可用汽油 将乙醇当作有氧 燃料使用 现在在河北和黑龙江等地推广 同时国家制定了乙醇汽油燃料相关 标准 我国云岗汽车公司大同汽车制造厂开发了甲醇中巴车 我国煤炭资源丰富 政府支持以煤炭为原料制造车用燃料项目 煤直接液 化和间接液化制取车用燃料的项目正在积极进行 十五 期间在云南和陕西 建立了煤直接液化示范厂 以煤为原料合成石油或二甲醚等车用燃料 西安交 通大学与中国科学院煤化工研究所经过 5 年协同攻关 于 2000 年研制出了 超 低排放二甲醚汽车 通过在 TYll00 单缸柴油机及装备有大连柴油机厂生产的 CA498 柴油机的面包车上燃用二甲醚的试验 发现发动机的功率可提高 10 15 热效率提高 2 3 个百分点 噪声降低 10 15 我国从事燃料电池研究的单位有 20 余家 质子交换膜 PEM 燃料电池技术 已取得较大进展 但与国外还有不小差距 例如 国外将功率 50 80kW 的 PEM 燃料电池用于轿车 而我国最大的 PEM 燃料电池单堆功率为 5kW 离轿车使用 相距甚远 我国的金属燃料电池技术已经达到世界先进水平 我国的镍氢电池和锂电池技术水平也已经达到国际先进水平 比亚迪在 2005 年上海车展展出的 E1 电动车已经具备了很好的整车动力性能 辽宁工业大学 第 6 页 共 7 页 目前国内对压缩空气动力汽车的研究报道最多的是浙江大学 他们已经开 发出压缩空气动力摩托车研究平台 探索出不少有益的结论 正在进一步深入 研究 此外重庆大学和同济大学也做过一些探索性研究 应当说 APV 在国内的 发展才刚刚起步 四 四 代用燃料汽车的发展前景代用燃料汽车的发展前景 在各种汽车代用燃料中 LPG 和 CNG 最方便投入使用 而且目前已经具有 好的配套基础设施 在排放和经济性能要求较高而动力性能要求一般的公共交 通领域具有很好的应用前景 美国近年来新型公交客车中天然气汽车就占据了 较大比例 在中国这样的农业大国特别是一些农业大省 乙醇资源丰富 乙醇 汽车有良好的应用前景 二甲醚等合成燃料具有很好的排放特性 也将具有很 好的应用前景 特别是作为代用柴油应用于混合动力汽车 混合动力汽车毫无 疑问是下一代汽车动力系统的主要形式 蓄电池电动汽车的使用性能不如混合动力汽车和燃料电池汽车 且成本高 氢燃料发动机的能量利用率不如氢氧燃料电池 因而蓄电池电动汽车和氢发动 机汽车的发展前景不是十分乐观 当然随着太阳能电池技术的发展和突破 也 许纯电动汽车能迎来一个不错的发展局面 压缩空气动力汽车虽然实现了零污 染 但其整车性能与传统汽车相差太远 只能在较小的范围内应用于特定场合 总之对代用燃料的综合评价应考虑以下因素 燃料成本 车辆成本 对进口石油的依赖程度 有效能源利用率 温室效应 排放污染 生产 储运 分销 加注设施 装载行驶里程和加注时间 安全性 基于这些因素 目前最 容易投入使用的代用燃料是 CNG 和 LPG 电 甲醇和乙醇的综合评价指数都低 于汽油 可以预计 LPG 和 CNG 以及乙醇的市场份额将会不断增加