第6章环保新技术及电动车

1、 汽车工程学院 6.1.2三元催化转化器 三元催化是一种发动机在理论空燃比附近运转时，可以同时净化汽车尾气中的CO、HC和NOx的装置，即在汽车尾气通过三元催化的装置后，使CO、 HC和NOx转化成CO2、H2O、N2 。 三元催化装置必须适应汽车在不同工况下的不同尾气浓度以及其在工作时的高、低温度的热交换冲击，所以要求三元催化装置的工作范围广、热稳定性高。 汽车工程学院 三元催还的主要化学反应：氧化反应还原反应 汽车工程学院 三元催化器的低温启动：三元催化器的低温启动： 发动机低温启动时HC的排放占总排放的60%-80%，此时的尾气温度还没有达到传统催化转化器的工作温度，净化效果很低，采用以

2、下几种方式改进： 1）使用低温起燃催化剂 可降低催化器工作温度，选用合适的贵金属活性组分，可以选用Pd作为活性成分。 2）使用电加热催化剂 启动时加热，使得催化器迅速工作。 3）使用HC化合物吸捕器 可使用吸附材料，在温度较低时吸附HC，高温时释放，达到尾气净化效果。 汽车工程学院6.26.2柴油机排气后处理技术柴油机排气后处理技术 柴油机因为其突出优点，其保有量逐步提高，随着排放法规的进一步严格，柴油机的排放控制仅仅靠机内净化技术是不够的，必须同时采取机外净化技术。目前，国内外研究的微粒机外净化主要是微粒捕集器。 针对柴油机排气中含有的大量微粒，研制开发柴油机微粒捕集器成为柴油机后处理的热点

3、。 汽车工程学院 柴油机微粒捕集器（柴油机微粒捕集器（DPF） 柴油机微粒捕集器（DPF）是一种减少柴油机废气中微粒物的废气处理装置。即首先收集废气中的微粒物质，然后通过对收集的微粒的氧化来清洁捕集器。 技术难点： 1）捕集器的安装使得排气背压增大，导致发动机性能下降。 2）收集的微粒不能及时的处理 3）收集的微粒被点燃后容易造成温度过高，损坏或烧坏收集器。 汽车工程学院 微粒捕集器通常为圆形，直接连在排气管路中，排气流过时，微粒被收集在滤芯中，较清洁的尾气排向大气。滤芯一段时间后会发生堵塞，所以需要再生处理。 微粒捕集器的类型（整体式和非整体式）、结构及设计要求 非整体式的滤芯是有耐高温的金

4、属丝网或是陶瓷纤维杂乱无章的构成，排气从弯曲的微小通道中通过。 整体式滤芯为整体蜂窝状，排气通过细微多孔式，微粒被拦截。 汽车工程学院 微粒捕集器的设计要求： 1）高的过滤效率 2）低得流动阻力 3）耐高温的滤芯材料 4）外形尺寸好，通用性好 5）可靠性好，寿命长。 汽车工程学院 微粒捕集器的再生技术： 根据原理和再生能量来源的不同分为： 主动再生系统是通过外加能量将气流温度提高到微粒的起燃温度使捕集的微粒燃烧，达到再生过滤的目的。 被动再生系统利用柴油机排气自身的能量使微粒燃烧，达到再生微粒捕集的效果。 汽车工程学院 喷油助燃再生系统：喷油助燃再生系统： 用丙烷或柴油作为燃料、用电点火的燃烧

5、器来引发微粒捕集器的再生。 已沉积在过滤体中的微粒的燃烧必须进行得尽可能迅速和完全，但不能使陶瓷过滤体过热而碎裂或熔融。这就要求在燃料流量、助燃气流流量和氧浓度、燃烧器工作时间与已沉积的微粒质量之间进行优化。 燃烧器喷出的火焰温度应尽可能均匀，平均温度至少在500。 汽车工程学院 电加热再生系统：电加热再生系统： 电加热再生在微粒捕集器工作一段时间后，采用电热丝或其它电加热方法，周期性的对微粒捕集器加热使微粒燃烧。 电加热再生系统的功率一般在36kW之间，结构简单，使用方便、安全可靠，但再生时热量利用率和再生速率低，消耗能量较多。 蜂窝陶瓷再生加热电阻丝结构1-回形电阻丝；2-螺旋形电阻丝 汽

6、车工程学院 微波加热再生系统： 利用微波独具的选择加热特性来再生微粒捕集器。微粒可以以60%70%的能量效率吸收频率为210GHz的微波，由于陶瓷的损耗系数很低，所以微波并不会加热陶瓷过滤体。 再生过程中过滤体内部温度梯度小，再生过程易于控制。微波再生效率高，没有二次污染。 汽车工程学院 红外加热再生系统 在柴油机微粒捕集器的再生过程中，加热器的辐射能量主要集中在红外波段。在红外再生过程中，首先由加热器加热具有较强辐射能力的红外涂层，再由红外涂层通过辐射方式加热过滤器中捕捉到的微粒物 汽车工程学院 反吹再生系统 反吹再生过程的最大特点是能将过滤体与微粒燃烧分开，因此该系统不存在过滤体由于与微粒

7、燃烧而产生破裂和烧熔等问题，也解决了不燃物质在过滤器内累积的问题。 当过滤体需要再生时，高压气流从需要再生的微粒捕集器的排气出口端高速喷入，逆向流动的气流将微粒从过滤体表面清除并落入微粒漏斗。收集在漏斗里的微粒由漏斗内的电加热器燃烧。 汽车工程学院 被动再生系统被动再生系统 汽车工程学院 大负荷再生： 柴油机的排气温度是随其工况变化而变化的。在高速大负荷运行时，排气温度可以达到500以上，在此温度下，沉积在过滤器内的微粒可以自行燃烧，从而达到过滤器再生的目的。 汽车工程学院 排气节流再生：排气节流再生： 节流再生是出现较早的技术，也叫强制再生，它实际上是通过某种节流方法控制柴油机的进气量，即进

8、气节流或排气节流，以提高排气温度，使过滤体中的微粒着火燃烧。 汽车工程学院 催化再生： 在过滤体的表面浸渍催化剂，催化器与捕集器是同一整体。使用过程中铂作为催化剂，当排气温度达到400左右微粒开始氧化。催化再生器催化再生器 汽车工程学院 应用催化再生的主要缺点： 固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，很难进行完全再生。 由于柴油机排气中的微粒含量很大，随着时间的推移，催化剂的作用会逐渐减弱甚至完全消失，即催化剂中毒。 汽车工程学院 电动汽车优点： 1）运行成本低（纯电动汽车运行成本大概是燃油汽车1/5） 2）环保（EV是零排放） 3）节能及能源多样化及综合利用 4）可持续发展 5）结构简单，维护

9、方便 汽车工程学院 电动汽车缺点： 1）价格昂贵 一辆续驶里程为150公里的普通轿车为例，大概要装备30千瓦时的电池组。价值10万元。 2）技术有待完善 3）配套建设薄弱 截止2011年底，国家电网和南方电网共建成约1.6万个充电桩，不到2015年目标的5%。 汽车工程学院 4）安全性可靠性不能与燃油汽车相比较 2012年5月26日凌晨，一辆红色GTR跑车在深圳滨海大道与一辆比亚迪电动出租车发生碰撞，飞速的撞击导致这辆出租车瞬间起火，比亚迪内的三个人在大火中丧生；2011年4月发生在杭州街头的电动出租车自燃事故。 汽车工程学院6.4.2纯电动汽车（EV） 纯电动汽车是指完全由动力蓄电池提供电力

10、驱动的电动汽车，虽然它已有130多年的悠久历史，但一直仅限于某些特定范围内应用，市场较小。主要原因是由于各种类别的蓄电池，普遍存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等严重缺点。 目前主要采用的铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。 汽车工程学院 EV的基本组成部分： (1) 车载电源 (2) 电池的管理系统 (3) 驱动电动机和驱动系统 (4) 控制技术 (5) 车身及底盘 (6) 安全保护系统 汽车工程学院 纯电动汽车的能量补充方式为充电，可以在充电站或停车场进行，充电站使用的充电器多为快速充电器。由于电动机被拖动时，即可发电，因此蓄电池电动汽车一般都带有可回收减速和下坡时能量回收（再生

11、）系统。 汽车工程学院 第二类可为无变速器型电动汽车，其动力传递路线如图b所示。这类电动汽车的特点是用电动机和蓄电池系统取代传统的内燃机和燃油系统，并去掉了传统的内燃机汽车的变速器，电动机直接连接到传统轴，通过电动机的变速实现变速功能，虽然减少了车的质量和传动损失，但电动机的尺寸大。 汽车工程学院 第三类为无差速器型电动汽车，其动力传递路线参见图c所示。这类电动汽车的特点是利用电动机直接连接到左右两个驱动半轴上，结构简单，减少整车质量和传动损失，通过电动机的控制实现左右轮的差速和驱动力的分配。 汽车工程学院动力电池动力电池 一、铅酸电池 构成铅酸蓄电池之主要部分如下： 正极板(过氧化铅.PbO

12、2)- 活性物质 负极板(海绵状铅.Pb) - 活性物质 电解液(稀硫酸) - 硫酸H2SO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb - PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放电反应) PbSO4 + 2H2O + PbSO4 - PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充电反应) 汽车工程学院 放电中的化学变化 蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物硫酸铅。经由放电硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。 汽车工程学院 充电中的化学变化

13、 由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸,铅及过氧化铅,因此电池内电解液的浓度逐渐增加, 亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束。过充电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减少，此时应以纯水补充之。 汽车工程学院 技术指标： 比能量可达35wh/kg； 寿命可达400次； 单体电压2V； 比功率120130 W /）； 自放电控制在每个月2% 以下（20）； 温度适应性强： 可在-3050下安全、放心地使用 汽车工程学院 因为铅酸电池的技术成熟

14、，价格便宜，所以在电动车上使用很多，但要解决几个问题： 1）提高功率密度和能量密度； 2）提高使用寿命； 3）快速充电、快速放电能力有待提高。 汽车工程学院 二、锂离子电池 锂离子电池的正极采用锂化合物制造：(LiCoO2 、LiNiO2 、LiMnO2、) 锂离子电池负极采用碳素材料，整个反应过程没有金属锂存在，只有锂离子。锂离子的充电和放电过程就是锂离子的嵌入和脱嵌过程，同时伴随着与锂离子携带电量相同的电子的嵌入和脱嵌。形象的把锂离子电池称为“摇椅电池”。 汽车工程学院 用LiCoO2作为正极的锂离子电池的比能量可高达100Wh/kg，循环寿命500次左右，但是钴的资源太少，有较大毒性。

15、电池充放电时，活性材料中的Li+的迁移过程可用下式表示：（下式为放电） 汽车工程学院 锂离子电池具有以下优点：1） 单体电压高，单体电池的工作电压高达3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍2） 比能量大，目前能达到的实际比能量为100-135Wh/kg和240-300Wh/L（2倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400 Wh/L3）比功率高，高达1500w/kg。 4） 循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以上。 汽车工程学院 5） 安全性能好。 6） 自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为

16、10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。 7)工作温度范围高，工作温度为-2545C，随着电解质和正极的改进，期望能扩宽到-4070C。 汽车工程学院 缺点： 1、电池成本高（锂制取管理困难主要是锂的活性太强） 2、锂电池不能大电流充、放电 3、需要保护线路控制 A、过充保护 B、过放保护 汽车工程学院 三、镍氢电池 镍氢电池正极活性物质为氢氧化镍(称氧化镍电极)，负极活性物质为金属氧化物，也称贮氢合金(电极称贮氢电极)（M表示）。 镍氢电池和同体积的镍镉电池相比，容量增加一倍，充放电循环寿命也较长。电解液采用30%的氢氧化钾溶液。 汽车工程学院 充电时充电时

17、M + Ni(OH)2 （正极） MH + NiOOH 放电时放电时 MH + NiOOH M + Ni(OH)2 从方程式看出：充电时，负极上的水分子分解生成H原子，储存在合金中，正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍（NiOOH）；放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍。 汽车工程学院 Ni-MH电池优点： 1）比能量高，可达7080Wh/kg（对应汽车行驶里程长） 2）比功率高，可达200w/kg 3）快速充放电能力好，短时间可以3C放电，可以随充随放，15分钟内可充电60%,1小时可充满电。(对应汽车起动加速性能良好) 汽车工程学院 4）污染较小、可兔维护、使用安全等特点，被称

18、为绿色电池。 5）寿命长，可达1000次。 6）在-2050C范围能够稳定工作。 汽车工程学院 Ni-MH电池缺点： 1）单体电压低，1.2V。 2）成本较高，大概是相同容量铅酸电池的5-8倍。 3）充电过程中容易发热高温状态下正极板老化加速，电池寿命缩短。 4）充电后期会产生大量的氧气，若果安全阀不及时开启，会有发生爆炸的危险。 汽车工程学院 四、锌空、铝空电池四、锌空、铝空电池 锌空气电池是20世纪90年代发展起来的新型电池，由于它的结构独特，因此与其他类型的电池相比，锌空气电池具有最高的比能量密度、稳定的放电特性等优点。锌空气电池的市场前景是十分光明的。 锌空气电池可以有各种尺寸和形状，

19、结构不尽相同。（需要催化剂） 总反应：2Zn + O2 = 2ZnO（放电生成ZnO） 汽车工程学院 在电池产生电力的过程中，空气必须无阻挡地进入电池，抵达阴极，并释放电荷。因此电池壳体上必须有一个或多个孔。由于在使用前就让空气进入会无谓地消耗反应物质，同时过多的水分会降低电池的性能，因此电池在使用前，孔要用胶带封起来。由于锌空气电池要在接触空气后才开始产生电能，一个新的锌空气电池，只要不撕掉它的密封胶带，它就不会开始工作，因此，锌空气电池保存时间很长。 汽车工程学院 6.4.3混合动力电动汽车混合动力电动汽车 从世界范围内电动汽车的发展过程看，电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车

20、开始的。但由于纯电动汽车是从单独依靠蓄电池供电的，而目前动力电池的性能和价格还没有取得重大突破，因此，纯电动汽车的发展没有达到预期的目的。目前燃料电池研究还没有取得重大突破，燃料电池电动汽车的发展也受到了限制。 汽车工程学院 在此情况下，混合动力汽车成为电动汽车开发过程中最有可能和最先市场化的一种新车型（丰田的普锐斯），它将现有内燃机与一定容量的储能器件通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注。 汽车工程学院 HEV采用发动机-发电机和电动驱动系统。发动

21、机的动力保证HEV正常行驶时所需要的基本动力。 HEV以电动机驱动作为辅助动力。一般在HEV发动机启动、车辆启动、加速和爬坡时起作用。还起发电机的作用，使发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。 汽车工程学院 串联式混合动力汽车工作过程： 汽车正常行驶时，发动机始终在热效率高而排放低的单一最佳工况下运转，发动机带动发电机发电，在控制器的调节下供给电动机电能，使电动机运转，电动机通过变速器或减速器驱动汽车运行； 在汽车低负荷运转时，发动机发出的功率超过驱动车辆的功率需要，控制器就会控制发电机产生的电能在驱动汽车的同时将多余的能量储存在蓄电池中； 汽车工程学院 在汽车高负荷运转时，电能来自两部分

22、，即发动机的发电机和蓄电池。 可见，串联式结构可使发动机不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区稳定运行，因此，可使汽车的油耗和排污降低。 汽车工程学院 串联式混合动力电动汽车的不足有： 1）发动机的输出需要全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，由于机电能量转换和电池充放电的效率较低，使得燃油能量的利用率比较低。 2）没有摆脱对石油资源的依赖。 串联式混合动力电动汽车优越性能主要表现在低速、加速等工况，在高速时，由于电传动的效率低，抵消了发动机油耗低的优点，所以串联式市内低速的工况。 汽车工程学院 串联式混合动力电动汽车的优点： 1）发动机工作状态不受汽车行驶工况影响，始终在最佳的工作区域

23、内稳定运行，发动机具有良好的燃油经济性和低的排放。 2）因为存在电池的蓄能，可以选择较小的发动机。 3）发动机和发电机之间没有机械连接，整车的布置具有较大的自由性。 4）在城市中行驶或汽车起步和低速行驶时，还可以关闭发动机，只利用动力电池组的电能驱动，能实现“零污染”状态的行驶； 汽车工程学院 2并联式（PHEV，Parallel Hybrid Electric Vehicle） 与串联式混合动力电动汽车不同的是，并联式混合动力电动汽车采用发电机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮。 在工作过程中并联式混合动力电动汽车可以采用发动机单独驱动、电力单独驱动或者发动机和发电机混合驱动三种工作模式驱动

24、。 汽车工程学院 从概念上讲，它是电力辅助型的燃油车，目的是为了降低排放和燃油消耗。当发动机提供的功率大于驱动电动汽车所需功率或者制动能量回收时，电动机工作在发电状态，将多余的能量充入电池。 汽车工程学院 由于并联式混合动力电动汽车发动机工况要受到汽车行驶工况的影响，因此不适合汽车行驶工况变化较多、较大的路况，比较适合经常在郊区和高速公路上行驶。当汽车进入市区时，可以只使用蓄电池，避免发动机的排气污染。 汽车工程学院 并联式混合动力电动汽车的优点有两个方面： 1）具有发动机和驱动电动机两个动力总成，每个动力总成的功率设计为车辆驱动功率50100%即可。因此质量和体积要比串联式混合动力电动汽车要

25、小很多。 汽车工程学院 2）基本驱动模式是发动机驱动模式，没有机械能电能机械能的转换过程，能量转换总的综合效率比串联式的高。由于车辆在需要最大输出功率时，驱动电动机可以向汽车提供额外的功率，因此发动机功率可以选择得比较小，使汽车的燃油经济性提高。 在发动机运行在最佳工况下时，经济性优于串联式。（中高速工况较好） 汽车工程学院 并联式混合动力电动汽车的缺点有： 1）由于基本驱动模式是发动机驱动，故需要配备与内燃机汽车相同的传动系统，在总布置上基本与内燃机汽车相同，动力性能接近内燃机汽车。 汽车工程学院 2）发动机驱动模式需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动器等动力总成，另外还有驱动电动机、动力电

26、池组，以及动力混合器等装置，因此是动力系统结构复杂，布置和控制也更加困难。 汽车工程学院 3混联式(串、并联)（PSHEV，Parallel Series Hybrid Electric Vehicle） 混联式混合动力驱动系统是串联式和并联式的总和，其结构如下图所示： 发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出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混合装置传送给驱动桥。 汽车工程学院混联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作，这样有利于降低排放，提高燃油经济性；当汽车高速稳定行驶时，则以并联方式工作，由于发动机在高速工况下经济性提高，同时避免了机械能-电能