科持创新“六个一”工程十大产业现状和发展趋势之三

1、科技创新 “ 六个一 ” 工程十大产业现状和发展趋势之三 清洁汽车及动力电池目录（按住 Ctrl 的同时在页码前单击，立即进入相应页码的页面） TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1、清洁汽车及动力电池概述 - 2 - HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 清洁汽车 -2 -燃气汽车 - 3 -醇类燃料汽车 - 6 -. 生物柴油汽车 - 8 -氢气汽车 -9 -太阳能汽车 -10-电动汽车 -11-动力电池 -16-燃料电池 -16-太阳能电池 -18-锂离子电池 -19-

2、HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 清洁汽车对经济和社会的影响 -21-节能减排 -21-可持续发展 -22-调整电网供电和充分利用电网低峰电力 -23-抢占汽车技术竞争制高点 -23- HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2.清洁汽车与动力电池国内外发展概况 -24- HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 新能源清洁汽车发展概况 -24-纯电动汽车 -24-燃料电池电动汽车 -29-混合动力汽车 -32-新能源清洁汽车的发展预测 -34-动力电池 -36

3、- HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3、清洁汽车与动力电池在江西省的发展情况 -39- HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 4、我省发展清洁汽车与动力电池需要解决的问题 -40- HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 5.促进我省发展清洁汽车与动力电池的思考 -41- HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 参考文献 -43 -汽车工业是国民经济的支柱产业， 是衡量一个国家工业化水平的重要标志。经济发达国家

4、在世界经济中的地位与其在世界汽车工业中的排名顺序是基本吻合的。汽车工业的发展将带动相关产业的技术创新和产业本身的发展。以汽油和柴油为燃料的汽车（ 亦可称为传统汽车） 自 19 世纪 80 年代末诞生至今，已有百余年历史，为人类社会的进步作出了巨大贡献。汽车的广泛使用和普及，不仅大量消耗地球上有限的石油资源，而且还对环境造成了非常严重的污染。汽车尾气是城市大气的主要污染源。研究、推广和使用新能源清洁汽车十分必要和迫切。 据有关研究机构预测，至 21 世纪20 年代，在世界汽车市场上，先进的直喷式汽油机汽车、直喷式柴油机汽车和新能源清洁汽车 （ 包括诸如燃气汽车之类和各种代用燃料汽车等 ） 将“三

5、分天下”。随着科技进步加快、环保要求更为严厉和能源形势的改变，新能源清洁汽车的市场份额将明显扩大，并最终超过传统汽车的市场份额。、清洁汽车及动力电池概述清洁汽车清洁汽车，或称清洁能源汽车、新能源汽车、绿色能源汽车，指能够节约能源、对环境污染极小或是零污染的汽车，它的废气排放指标优于现行排放法规并能满足下一阶段排放法规要求。 清洁汽车采用新能源作为动力来源（ 或使用常规的车用燃料、 采用新型车载动力装置） ， 在车辆的动力控制和驱动方面采用先进的技术，并具有先进的汽车结构。这里所指的新能源是广义上的，即除汽油、柴油之外的可作为汽车燃料或动力的各种洁净（ 或比较洁净） 能源之总称。 实践证明， 如

6、果不采用相应的技术，传统汽车即使改用清洁或比较清洁的燃料，也不一定是清洁汽车，例如各种燃气相对于石油燃料而论，是比较清洁的能源，但若不应用比较合适的喷射技术和控制系统，则污染排放仍然不能减轻，诸如甲醇、乙醇等其他代用燃料更是如此。狭义上的新能源清洁汽车是指其所使用的能源类型与传统汽车的完全不同，动力系统结构也与内燃机的有着本质的区别，排放为零或几乎为零。在某种情况下，这种汽车也特指蓄电池式电动汽车和燃料电池式电动汽车。至于太阳能汽车，虽然所用能源类型对于石化燃料而论，是完全新型的，但就车辆的驱动形式而论，仍是电动的 （ 从太阳能电池里获得电力 ） ，因此，亦可将之归入电动汽车一类。一般认为，清

7、洁能源汽车包括燃气汽车、醇类燃料汽车、生物柴油汽车、电动汽车、太阳能汽车等。电动汽车是目前发展的主要方向，开发和研制电动 汽车是汽车发展的必然趋势，而电动汽车的关键是动力电池。燃气汽车燃气汽车包括天然气汽车和液化石油气汽车两种。从本质上讲。燃气汽车仍属于内燃机汽车，只是为了适应气体燃料而作了一些必要的改动，主要的差 别在于使用比较清洁的能源。天然气汽车天然气汽车是以天然气作为燃料的汽车，按照天然气的化学成分和形态，可分为压缩天然气（CNG汽车、液化天然气（LNG）汽车2种。天然气是一种高效、清洁、 价廉的燃料和化工原料， 是继煤和石油之后的第三大能源， 储藏量丰富。天然气的主要成分是甲烷（CH

8、4） ， 其成本比汽油和柴油均低，燃烧后的主要生成物为二氧化碳和水。由于天然气在车上与空气混合更加均匀，燃烧更完全，使一氧化碳、碳氢化合物和硫化物的排放大大降低，燃烧排放的炭烟也少，尾气较清洁。车用天然气的热值也较高，天然气发动机热效率与柴油机相当。从环保效益、经济效益看，压缩天然气作为汽车燃料的表现都是非常优秀的，尤其适合于城市公共 交通和出租汽车使用。目前的压缩天然气汽车， 技术已经比较成熟， 保有量出现逐渐增加的趋势，是代用燃料汽车中水平较高的车辆。天然气汽车也可以实现“双燃料”供给方式（如图 1 所示 ） ，驾驶员可通过操作转换装置随意选择燃油或天然气，动力性 能基本保持不变。图 1

9、双燃料汽车电子燃油喷射系统就燃料供给系统而言，燃油汽车至今已发展了三代，即化油器式、闭环控制式、微处理器控制多点顺序喷射加三元催化尾气净化装置（ 简称电喷汽车） 。燃气汽车燃料供给系统技术也跟着燃油汽车发展了三代。我国现在的改装车全部属于第一代技术，它的燃料供给系统与化油器汽车大同小异，只不过用气化调节器（LPGV 一液化石油气汽车）或调压器（CNGV一压缩天然气汽车）代替了化 油器而已。相对于化油器汽车，第一代燃气汽车属于低污染汽车，CO可降低70% 左右，HC碳氢化合物）和NOx阂氧化物）也有明显下降，但相对于电喷汽车则优势不明显。液化石油气汽车液化石油气(LPG)是世界上使用得最多的传统

10、汽车代用燃料之一，主要成分 是丙烷。它是天然气处理过程或石油炼制过程中的一种副产品，常温常压条件下呈气态，容易与空气混合而形成混合气、点燃后可充分燃烧。止匕外，LPG不溶于水，不会随雨水流入地下而污染土壤和地下水。这些特征使之适合做汽车燃料。LPG汽车总的排污量仅是燃油汽车的四分之一左右，其中，CO非放量不到传统汽车的十分之一。如果采用先进的电喷系，则排放可满足更高标准的要 求。燃气汽车优缺点优点：有较高的经济效益。如果各类发动机的热效率比较近，则天然气汽车的燃料费用大约是汽油车或柴油车的一半。另外，天然气容易扩散，在发动机中容易和空气均匀混合，燃烧比较完全、干净、不容易产生积碳，抗爆性能好，

11、不会稀释润滑油，因而使发动机汽缸内的零件磨损大大减少，使发动机的寿命和润滑油的使用期限大幅度增长。这些都会降低汽车的保养和运行费用，提高汽车使用的经济性。从公交车看，使用天然气比汽油节省40%的费用，维修保养费节约50%。有较好的环保效益。与石油燃料相比，气体燃料在制备过程中能量损失较小， 对大气的有害排放污染物少。 从燃料来源考虑， 对环境保护是更有利的。与汽油汽车相比，天然气汽车它的尾气排放中 CO下降约90% HC下降约50% NOxfF降约30% SO下降约70% CO下降约23%微粒排放可降低约40%铅化 物可降低100%.。比较安全。CNG L,NG和LPG汽车的气瓶或气罐等都很结

12、实可靠。天然气本身比空气轻(LPG 除外 ) ，稍有泄漏，很快就会扩散到大气中。气体燃料系统的各个部件，特别是密封部分，都经过严格的检查。因此，天然气作为汽车燃料是比较安全的。缺点：由于气体燃料的能量密度低，天然气汽车携带的燃料量较少，一般行驶距离较汽油车短。 由于气体燃料在汽缸中的可燃混合气里占有一定的容积（ 汽油机汽缸中流体燃料所占容积忽略不计 ） ， 在同样的汽缸工作容积下， 用天然气作燃料时作的功少。而目前用的天然气发动机大多是由原汽油机改装的，因而汽油汽车在改用天然气后功率往往会下降10%- 20溢右，这就是司机所说的爬坡没劲、加速响应慢等现象。一般柴油汽车如果用“双燃料”方式改装燃

13、用天然气，则不会出现这种现象，但改装件的结构较为复杂。由于目前的天然气汽车是在原来的汽油车或柴油车的基础上改装的，原来汽油机或柴油机的燃料系统大多保留。这样，要在原汽车的增加天然气燃料系统，特别是气瓶使原来的汽车的有效空间减少，本身的自重也增加了。天然气是气态燃料，不容易储存和携带。为此，需要加压或液化以便装瓶，还需要建造比汽油、柴油加油站投资都大的加气站，并形成一定的网络，一次性投资较大。将现有的汽车改用天然气作燃料时，需增加发动机燃料系统的部件，如储气瓶、减压阀、混合器等，需要一定的改车投资。我国天然气汽车的发展概况及对策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

14、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。一汽一大众公司开发了捷达LPG上海交大研制成轿车并和申沃客车联合开发成功改装型城市公共汽车，北京开发了CNGK市公共汽车。发展我国天然气汽车的对策：加快天然气发动机关键技术的研究。应用先进的电控技术对天然气发动机的燃料供给、点火定时等进行精确控制，是实现天然气汽车发动机高效率、低污染燃烧的关键之一。电控系统主要包括电控单元、传感器和执行机构等。空燃比控制技术是协调发动机排放（N0/HC）、气耗率和可靠性（排温）的重要技 术，空燃比在整个燃油特性图上的快速与精

15、细控制是关键。发动机燃烧技术和高能点火技术及其协调优化是实现最佳性能的必要条件。由于欧III 排放法规不仅要求限制天然气发动机的非甲烷碳氢（NMHC而且要求控制总碳氢排放（THC）,先进的后处理技术也很重要。改善供气能力，加快加气站基础设施的建设。各大城市，特别是有条件建设的城市应将天然气汽车加气站的建设列人城市的发展规划中，并尽早建立天然气供气系统。利用“西气东输”和进口天然气的管网建设，在沿线和 周边城市改善供气能力，为大力发展天然气汽车提供必要条件。贮气瓶的研制。研制储存量大、耐高压、轻质的车载复合气瓶已是一个必须解决的重要关键技术。国外已经成功地研制并生产了压力大于25MPaW复合材料

16、气瓶，且其P/V(质量/容积)仅为0.6。我国应尽快开展这方面的研制工 作。政府政策的支持。许多发达国家的政府为了保护环境，在价格，税收，投资，补贴等方面制定优惠措施，积极鼓励燃气汽车的发展。我国政府应结合实际情况，积极发挥引导、支撑和排障的作用，如在法律方面予以保障，在燃气汽车生产、改装、零部件生产、加气站建设、燃气汽车购买和使用等环节给予税收、资金等方面的优惠政策。例如上海市政府对新增天然气公交车进行补贴，政府投资进行加气站建设，由委托企业经营等，都是行之有效的措施。目前我国正在进行燃油税改革，实行税改后，燃油价格将上升；对燃气汽车的发 展具有重要的促进作用。醇类燃料汽车概况醇类燃料汽车是

17、指以甲醇或乙醇为燃料的汽车。醇类作为液体燃料，其储运、携带、使用都和传统的汽油、柴油差不多。生产乙醇燃料的原料主要来自农作物，属可再生能源，用生物技术路线取代化学技术路线进行生物燃料的生产，已成为各国能源规划的重要内容。燃用乙醇燃料可以减少大气中CO2 的排放，因此为履行京都议定书的承诺，许多国家如日本规定在汽油中掺杂部分乙醇。乙醇作为车用燃料在美国和巴西的应用已经由来已久。巴西盛产甘蔗，大部分汽车燃用纯乙醇或掺兑20%的乙醇。在美国，相当一部分汽车燃用掺兑10%乙醇的汽油。我国在河南等省利用陈化粮食等发酵、蒸馏、脱水制作乙醇，与汽油按1： 9混合使用。作为由生物质制得的燃料， 从长远来讲乙醇

18、是最有利于实现可持续发展的。但是由于目前仅依靠粮食做原料，其产量难以满足数量巨大的机动车需求。另外，由粮食生产的燃料乙醇价格居高不下，也成为推广燃料乙醇的巨大障碍。变性燃料乙醇和车用乙醇汽油是我国推广使用的汽车燃料。变性燃料乙醇是以玉米、小麦；薯类、甘蔗、甜菜等为原料，经发酵、蒸馏制得乙醇，脱水后再添加变性剂。 把一定量的变性燃料乙醇加入不添加含氧化合物的液体烃中，再添加改善使用性能的添加剂，便成为车用乙醇汽油。车用乙醇汽油对缓解我国石油紧缺、促进农业生产良性循环以及保护环境等方面起到积极作用。由我国国家质量监督检验检疫总局负责制定的GB183502001变性燃料乙醇和GB18351 2001

19、车用乙醇汽油两项强制性国家标准已经发布。甲醇是汽油良好的替代燃料，甲醇辛烷值远高于汽油，抗爆性能良好，汽油机压缩比可相应增大。同时甲醇的汽化潜热大于汽油，可以吸收部分燃烧室壁和进气系统的热量，这些都有利于提高汽油机热效率。甲醇的黏度及其随温度变化趋势与汽油非常接近；甲醇的密度与汽油也非常接近，其在汽油中的溶解度很大；甲醇燃料的挥发性较好，火焰传播速度快，有利于混合气的着火燃 烧，降低有害气体的排放。我国发展醇类汽车的优势与概况山西是产煤大省，甲醇汽车项目已进行多年，目前己达到商业运行阶段，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。上海华普甲醇汽车研发工作从2

20、005 年开始， 2006 年完成了功能样车的试制， 2007 年完成了工装样车的开发， 2008年年底完成了包括产业化在内的全部工作。在国内首家按照新型整车开发流程和国家现行汽车行业标准，进行了M100甲醇轿车技术研发，也是国内最早实现M100甲醇轿车产业化的汽车企业。其研发的甲醇轿车多项技术处于世界领先水平，已经取得了很好的成绩，攻克了冷启动困难、对部分金属材料的腐蚀和对橡胶塑料材料的溶胀影响以及润滑技术、集成控制技术等技术难题，并取得多项创新成果。奇瑞灵活燃料甲醇汽车发动机部件针对甲醇特性重新开发，动力性、经济性均高于原汽油机水平。我国部分省份已成功地开发了加醇的汽油混合燃料，含甲醇比例

21、为3%-15%，甚至已有含甲醇比例高达50%的甲醇汽油在车辆上成功使用。需要指出的是，对于是否推广甲醇汽车国内存在争论，国家对甲醇汽车的政策尚不明朗，甲醇汽车会影响到一些集团的利益。一部分人对甲醇燃料不太了解，导致一些认识的误区。山西、内蒙古两省区对甲醇车大力推广，有些地方则持相反意见。甲醇汽车大范围推广后，会对人体和环境造成怎样的危害，目前国内外缺乏权威定论。一些专家指出，开发甲醇汽车是从国家能源安全的角度来考虑的，不让甲醇汽车准入市场没有充分理由。我国发展甲醇汽车的优势：甲醇的国内供应量非其他替代能源可比。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

22、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。我国现有甲醇生产企业200 多家，以煤炭为主要原料的生产厂家占到70%，其他以天然气、焦炉气、渣油等为原料，原料来源丰富，摆脱了对石油资源的依赖。据了解， 到 2008 年年底， 我国甲醇年产能已达2083 万吨， 产量 1061 万吨。而其他替代燃料远远达不到这么大供应能力。甲醇的价格已十分低廉。在全球金融危机的大背景下，甲醇价格跌入低 谷。据了解，目前山西甲醇的价格是每吨16801750元，其他地区的价格也都 很低。而成品油价格每吨为 7000 多元。这使得煤炭开采、 甲醇生产、汽

23、车制造 和汽车使用的终端用户都能获得较好的经济效益和社会效益。与燃料电池汽车、纯电动汽车等新能源汽车相比，甲醇汽车除了上面提到的资源优势、经济性优势外，研发成本和销售价格也相对要低，更重要的是国内的部分汽车企业已经全部或者部分攻克了甲醇汽车的技术瓶颈。现阶段发展甲醇汽车比起电动汽车、混合动力汽车等条件更为成熟。.生物柴油汽车所谓生物柴油， 是指含油植物或动物油脂与低分子量醇类（ 主要包括甲醇及乙醇 ）进行酯交换反应制造的脂肪酸酪类， 是一种洁净的生物燃料。 生物柴油具有以下特点：无毒，生物降解率达98%其降解速率是柴油的两倍，有益于保护生态环境。利用可再生的植物资源生产，可降低对进口石油的依赖

24、性。与石油和柴油相比，可大大减少二氧化碳、二氧化硫、多环苯类致癌物质和 “黑烟”等污染物排放。生物柴油生产过程中使用的植物还可将二氧化碳转化为有机物固化在土壤中，从而减少大气中的温室气体浓度。生物柴油还可 直接应用于现有的柴油发动机。生物柴油相对普通柴油有更高的十六烷值， 并且不含芳香化合物，不含硫以及含氧量达10%-11%生物柴油的这些特性使CO HC以及颗粒排放（PM）相对于普通柴油大大降低。生物柴油具有可再生性和 低污染物排放，因此可以作为优质的柴油代用品，目前世界上许多国家正大力开发这种技术并推进其产业化进程。乙醇和生物柴油统称为生物燃油，在制造过程中需要大量的再生植物，或者说需要大量

25、的原生物为其原料，功利主义不可避免地会介人生物燃油这一黑金产业，于是在很多地区，特别是贫困地区，出现了大量砍伐森林和破坏植被来榨取生物燃料的行为，很多地区甚至出现了将耕地改为生物燃油植物产地的政策。从长远来讲，这样的行为会为世界粮食产量带来隐患。正因如此，人们现在开始以批判的态度谨慎对待生物燃油，各国也逐渐意识到生物燃油并非当年人们所认为的那样，可以成为世界石油危机的终极解决方案。 Fl（ 一级方程式赛车世界锦标赛） 曾经有意识地推广生物燃料以提升整个运动的环保形象，但是随着联合国环境大会上的争吵，不仅仅是 Fl ，连厂商们 对于生物燃油也开始谨慎起来。氢气汽车氢气遇氧燃烧之后只会产生水，而不

26、是其他任何的环境污染物，另外，氢能源是地球上最为丰富的资源，完全可以通过对水的分解得到这种能源，这就 形成了良好的无污染良性再循环。氢气汽车指用氢气直接作为燃料的汽车， 在车辆上使用氢能的途径有两种：液态氢在内燃机或涡轮发动机中燃烧。用于燃料电池，燃料电池是一种将 氢和氧发生化学反应产生的能量化学能直接转化成电能的装置，装备燃料电池的车型正在试验和研究之中。氢气汽车仍处于基础研究阶段，有希望成为未来汽车的重要组成部分，但前景尚难估量。戴姆勒一克莱斯勒是燃料电池车型领域投人较大的企业，包括轿车、公交车和卡车在内， 总共开发出了 12款燃料电车车型。 其中较有影响力的是基于梅塞德斯一奔驰A 级开发

27、的F Cell 燃料电池车型，该车型在必比登挑战赛上表现良好。第一代FCell 车型是在 2002 年生产出来，而基于 B 级车开发的F Cell 车型将会搭载功率更高的电动马达，同时行驶里程会更长，该车型计划于 2010 年小规模投产。在氢气发动机方面取得重要突破的是宝马， 于 2007年向外界推出了 7 系氢动力车型，该车型搭载一台6.0升V12氢动力发动机，按照双模式驱动的要求在汽油模式下燃油通过直接喷射供应，同时在发动机进气系统中集成了氢供应管路。这台发动机的关键技术是喷射阀体需要提供相应的燃料空气混合气体，在很短的时间内将适量的氢气送人进气当中。在解决这一难题的过程中，宝马发动机所具

28、有的Valvetronie电子气门和DoubleVANO双凸轮轴可变气门正时系统起到至关重要的作用。氢能源车型过高的开发费用以及氢能源并没有达到大量生产的能力，使这类车型的市场推广受到一定阻碍。但这并不代表各家厂商放弃对这一类车型的研发投入，宝马公司 20 年来已经投入了将近10 亿美金用于氢动力的研发。太阳能汽车太阳内部不断发生核聚变反应，释放出巨大的能量。科学研究证明，太阳的总辐射功率达3.73X 1023kw,大名有20亿分之一到达大气层，其中约 23喊大气层吸收，约30%被大气层反射回宇宙空间，穿过大气层到达地球表面的约47%数量为8. 1X1013kW其中被陆地接收的，约为1.7X1

29、013kW比目前全世界能源的总消耗量还多 l 万倍。太阳能是一切能源中最丰富、最清洁、可再生的取之不尽用之不竭的绿色能源。太阳能汽车用电池组来储存能量，用充满电的电池组起动，起动后由电池板产生的能量对电池组再充电。电池组能储存能量的最大值受每一种电池类型的重量限制。太阳能汽车最复杂的组成部分是电子执行器件，它们包括具有峰值功率的阳光跟踪器，电机控制器和数据获取系统。电子执行器件的主要功能是监视和控制整个系统的电设备。太阳能汽车的传动装置与传统汽车有很大的不同，它由电机和能把电机的电能传送到车轮而使汽车行驶的装置组成，由于产生的功率小，常在汽车的一个后轮上装有电动机。在太阳能汽车上最常用的电机是

30、双重绕组的无刷直流电动机，这种电动机质量轻，而且在允许的转速内能达到98%的功效。一些太阳能汽车用可变比率的传送带把能量传给车轮。当电动机的速度升高时，齿轮齿数比改变。这样在低速时能够给电动机更大的起动转矩，直到汽车以稳定的高速行驶。可变比率的传送带需要精确的辅助设备和装置配合有效的工作。太阳能汽车要真正走进大众生活还有很多难题需要解决。首先是太阳能电池板造价普遍过高，其次是太阳能转化为电能的效率太低。目前太阳能电池的光电转换率一般只能达到20%左右。为满足汽车高速行驶所需要的足够动力，通常需要78m的太阳能电池板，因而导致车身过大、转动不够灵活和内部空 间过于狭小等。电动汽车电动汽车是指以电

31、能为动力的汽车，是清洁汽车发展的主要方向。电动汽车应用形式主要有三种：纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车。纯电动汽车纯电动车的结构原理其实很简单，除了驱动系统和控制系统与普通汽车有本质差别外，电动车其他装置和内燃机车大同小异。电动车的动力来源是一组高性能可充电电池。与其他新能源汽车相比， 纯电动汽车具有明显的优势。 与内燃机汽车相比，纯电动汽车效率更高、更加环保。首先，比较原油转化成汽油和原油转化成电的能量效率，现在的内燃机效率约为38%，因汽车在市内行驶需频繁停车、低速行驶、 等待信号灯等， 其最终效率不过12%； 而纯电动汽车电池80%以上的能量可由电动机转为汽车的动力，即使考虑原

32、油的发电效率、送配电效率、充放电效率等，其最终可达到19%左右的能量效率。其次，纯电动汽车在行驶中无废气排出，即使以火力发电来计算，相对于内燃机汽车其图 2 纯电动车的基本结构废气排出量也大幅度减少。此外，相比内燃机汽车，纯电动汽车具有更舒适平稳的运行环境，更低噪音且没有活塞式引擎的震动，如图 2 所示，电动汽车系统可以分为 3 个子系统， 即电力驱动子系统、 主能源子系统和辅助控制子系统。其中电力驱动子系统又由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成。主能源子系统由蓄电池、能量管理系统及充电系统组成。辅助子系统由空调、动力转向及其它系统组成。对于纯电动汽车来说，电池性能至关重

33、要。目前常用的电池形式有阀控铅 酸电池、镍氢电池、锂离子电池。电池的主要影响因素有：能量密度、功率密度、效率、充放电次数及电池组的体积和重量等。以锂离子电池为动力的纯电动汽车已成为国际竞争的热点。国际上主流汽车公司，如福特、通用、日产、三菱、奔驰和雪佛兰等，均已推出或即将推出基于锂离子电池的电动汽车。很多专家认为，锂离子动力电池就如同今天的石油一样具有重要战略意义。纯电动汽车在使用过程中是零污染，非常适合在人口密集区、旅游地等特殊要求的场合使用，而且也非常安静。但是有学者认为，从全局的观点来看，除非使用自然能源如太阳能、水力、势能或风能来发电，否则使用电动汽车不会降低排气污染物对整个环境的压力

34、。目前，纯电动汽车已经取得了技术上的若干突破，随着世界各国研发力度的加大，纯电动汽车的电池、电机等技术难关将会被一一攻克。纯电动汽车终 究会取代内燃机汽车。燃料电池汽车燃料电池汽车（Fuel Cell Electric Vehicle , FCEV采用燃料电池作为动 力源。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。与传统的内燃机驱动车辆相比，燃料电池驱动的汽车具有很多优点：零排放， 无污染； 由于没有机械传动部件， 噪声很小； 启动快， 8s 即可达到全负荷；热效率高，其效率大约为内燃机系统的23 倍。虽然燃料电池汽车的历史并不长，但由于燃料电池汽车具有突出

35、的环保、节能优势，各种各样结构的燃料电池汽车不断问世。可以按照以下三种方法对燃料电池汽车进行分类。一是根据汽车是否带有储能设备（ 如蓄电池、超级电容和飞轮等）分类，据此可把燃料电池汽车分为纯燃料电池汽车和混合（ 复合 ） 式燃料电池汽车，由于纯燃料电池汽车无法回收能量，并且要求燃料电池的功率大，因此复合式燃料电池汽车居多。根据复合式燃料电池汽车中燃料电池和蓄电池的关系，又可进一步把燃料电池汽车的动力系统归纳为并联式和串联式两种 （ 图 3） 。根据燃料电池汽车有无蓄电池和蓄电池的结构特点可归纳为三类，即大燃料电池无蓄电池型、中等燃料电池小蓄电池型、小燃料电池大蓄电池型，如图 4 所示。图 4

36、燃料电池汽车动力系统分类一燃料； 2 一燃料电池； 3 一控制器； 4 一电动机； 5 一轮胎； 6 一蓄电池。(a) 大燃料电池无蓄电池型； (b) 中等燃料电池小蓄电池型； (c) 小燃料电池大蓄电池型。二是根据燃料特点把燃料电池汽车分为直接燃料电池汽车和重整燃料电池汽车等。直接燃料电池汽车的燃料主要有氢气和甲醇等，重整燃料电池汽车的燃料主要有汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等。氢燃料电池汽车由于其零有害排放，因此被认为是最理想的，但存在氢的制取及运输困难、续驶里程短、需要建设储存及其他基础设施不足等问题；甲醇重整燃料电池汽车则需要对甲醇进行200左右的加热以分解出氢，另外还要建设储存

37、甲醇的基础设施；汽油重整燃料电池汽车仅需要对汽油进行1000左右的加热以分解出氢。重整燃料电池汽车的结构要比氢燃料电池汽车复杂得多。三是根据燃料氢的储存方式可把燃料电池汽车分为压缩氢燃料电池汽车、液氢燃料电池汽车和合金( 碳纳米管 ) 吸附氢燃料电池汽车三类。混合动力电动汽车混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle , HEV层指既有内燃机又有电动机驱动的车辆。 早在 1905年就有人提出类似的思想， 但是直到近些年才发展起来。HEVet是一种过渡型车型，又是一种3立型车型。本世纪上半叶，HEV有可能成为汽车工业的主导产品。混合动力电动汽车的优点是把电动汽车的行驶里程延

38、长了24倍,而且能快速添加燃油。和传统燃油车相比，在相同行驶里程的条件下，混合动力电动汽车的燃油消耗和废气排放要少得多。这是因为对于普通的内燃机汽车而言，汽车在行驶过程中随着车速及路面的变化，内燃机工况不断变化，这使得内燃机不能工作在最优状态。而混合动力汽车中的内燃机消除了怠速以及低负荷运行的工况，使得内燃机运行在高效区域，也即混合动力电动汽车中的内燃机总是以最有效的模式工作。并且，混合动力汽车还可将汽车下坡、减速的能量转换为电池中的电能，所以燃油消耗少，排放物也少得多。混合动力汽车的缺点是结构比较复杂，排放特性不如纯电动汽车好。按照混合动力驱动模式分类，混合动力电动汽车可分为串联式混合动力(

39、SHEV)、并联式M合动力(PHEVK口混联式M合动力(PSHEV广类，如图5所示。图 5 混合动力电动汽车的分类(a) 串联式； (b) 串联式； (c) 并联式； (d) 混联式。串联式混合动力（SHEV膜式由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成驱动系统。 SHEV用发动机一发电机组均衡地发电， 电能供应驱动电动机或动力电池组。 发动机、发电机组只能看作一种电能供应系统，发动机并不直接参与SHEV勺驱动。串联式混合动力汽车适用于大型客车或货车，适合在路况较复杂的城市道路和普通公路上行驶。并联式混合动力（PHEV）由发动机、电动/发电机

40、或驱动电动机两大动力总成组成。 发动机、 电动发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成驱动系统。驱动模式有发动机驱动模式、驱动电动机驱动模式和发动机一驱动电动机混合驱动模式。在混合驱动时发动机与驱动电动机的动力有在发动机输出轴处进行组合、在变速器（ 或驱动桥 ） 处进行组合和在驱动轮处进行组合三种组合方式。并联式混合动力电动汽车适用于小型汽车、在城市道路和高速公路上行驶。混联式混合动力电动汽车（PSHEV绿合SHEVF口 PHEV吉构特点，由发动机、电动一发电机和驱动电动机三大动力总成组成。驱动模式有发动机驱动模式、驱动电动机驱动模式和发动机一驱动电动机混合驱动模式。电动发电机必须装在发动机的

41、输出轴上才能起到发动机飞轮和起动机的作用，也才能保持发动机稳定运转并进行发电。因此，在混合驱动时发动机与驱动电动机的动力组合方式有在变速器（ 或驱动桥 ） 处进行组合和在驱动轮处进行组合两种组合方式。混联式混合动力电动汽车适用于各种类型的汽车，适应在各种道路上行驶。混合动力电动汽车也可分为轻度混合、辅助混合和全面混合三类。从技术角度来看，轻度混合不算是真正的混合动力车辆，其特点是采用低电压低功率的电动机，并且电动机不会推动车轮，只会使用很大的启动电动机，在内燃机启动时，把内燃机转到较高的转数，这样可以使内燃机的启动更有效以节省汽油。车辆可以在减速、刹车时把内燃机关掉，电动机亦可通过再生制动把制

42、动能量储存起来。这种车可节省10%左右的汽油，与一般真正的混合动力车辆相比，性能较差。辅助混合动力电动汽车的特点是采用高电压低功率的电动机。 在车辆加速时， 电动机作为辅助动力使用， 本田的 Insight 属于这类车辆。全面混合动力亦称强混合动力， 特点是可以只使用内燃机、 或电池电动机推动，亦可二者同时使用。这类组合需要较大体积、较高电压的电池。丰田的 Prius和福特的Escape属于这一类。下面以丰田 THS（Toyota Hybrid System） 系统为例说明混合动力汽车的的 工作过程。图 6 起步与小负荷时THs 的动力传递路线l 一发动机； 2 一发电机； 3 一交流一直流变

43、换器4 一蓄电池； 5 一电动机； 6 一动力传递； 7 一电力传递。车辆起步、极低速运行或在下陡坡时，发动机将在低效率区域中工作，故此时控制系统将切断燃油，使发动机停止。此时，可以根据发动机发生空转与否进行燃油切断，利用电动机向车辆提供输出动力功率（ 图 6） 。电动机驱动车辆的路径如图中线条A 所示。正常行驶时，发动机的动力通过动力分配机构分为两条输出通路，一条 通路（路径B）为直接驱动车轮，另一条通路（路彳全C）为发动机驱动发电机使之发 电，并用所发电能驱动电动机5 ，从而增加车轮的驱动力。这两条动力输出路径的关系是由计算机控制的，以使之达到最优效率 （ 参见图 7） 。图 7 正常行驶

44、时THs 的动力传递路线1 一发动机； 2 一发电机； 3 一交流一直流变换器；4 一蓄电池； 5 一电动机。全负荷加速时，除了上述正常行驶工况中所需的动力外，还要从蓄电池中输出电流， 增加车轮的驱动力 （ 参见图 8） 。 车辆的动力来自图中的路径A、 B、C三条。图8全负荷加速时THS的动力传递路线1 一发动机； 2 一发电机； 3 一交流一直流变换器； 4 一蓄电池； 5 一电动机。在减速与制动时，车轮驱动电动机。这时，电动机变成了发电机，利用减速或制动的能量进行再生发电。利用这一工作过程，把回收的能量存储在蓄电池中 （ 参见图 9） 。图9减速与制动时THS的动力传递路线1 一发动机；

45、 2 一发电机； 3 一交流一直流变换器； 4 一蓄电池； 5 一电动机。对蓄电池进行控制， 使之保持一定的充电状态。 所以， 当蓄电池的充电量减少时， 通过发动机驱动发电机进行充电， 使之达到规定的充电状态（ 见图 10） 。当充电量降低时，则驱动发电机，开始充电 （ 路径D）。图10蓄电池充电时THs的动力传递路线1 一发动机； 2 一发电机； 3 一交流一直流变换器； 4 一蓄电池； 5 一电动机。车辆停止时，发动机一般自动停止。没有常规发动机那样的怠速，无有 害物和cO:排放，同时也节约了能源。但当蓄电池没达到规定的充电状态时， 即使停车，发动机也会驱动发电机，通过路径D给蓄电池充电。

46、当接通点火电源，汽车尚未行驶时，如果发动机达到规定的热状态后也会自动停止运转。如果和空调开关联动的话，停车后发动机也会运转。1.2 动力电池从目前国内外电动汽车发展水平来看，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。目前正在使用和开发的动力电池主要有以下几种：镍镉蓄电池、铅酸蓄电池、 镍氢蓄电池、 锂离子电池、飞轮电池（ 把电能转化为飞轮的动能，使用时再将动能转化为电能） 、燃料电池、太阳能电池。需要重点关注的是燃料电池、 太阳能电池和锂离子电池。燃料电池燃料电池 （Fuel cell） 是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料

47、和氧化剂的化学能转变为电能的高效发电装置。燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，它是继水力、火力和核能发电之后的又一重要发电技术。自从 1839 年英国人 G.R.Grove 制作出世界上第一个燃料电池以来， 燃料电池已经历了 160余年的发展。然而，直到 20世纪 50年代，由于F.T.Bacon 型燃料电池研究的进展，燃料电池才真正引起了科学家的广泛关注。燃料电池的首次实际应用是在1960 年作为宇宙飞船的空间电源， 此后燃料电池技术开始迅速发展。20世纪6070代燃料电池的研究主要集中在航空、航天方面的应用，从 80 年代后期开始主要集中于

48、地面动力用燃料电池的开和研究。 迄今为止， 美国、俄罗斯、加拿大、日本等国家已研制成了从几瓦的小功率燃料电池到兆瓦级发电站的燃料电池样机和燃料电池概念车。我国在国家科技部的支持下也已研制成功了燃料电池轿车和公共汽车概念车。按燃料的来源可把燃料电池分为图 11 所示的三大类。 第一大类是直接式燃料电池，其燃料直接用氢或甲醇等；第二大类是间接式燃料电池，其燃料不是直接用氢或甲醇，而是通过某种方法 （ 如蒸气、部分氧化和自热重整） 把某种化合物转变成氢（ 或含氢的混合气体） 后再供给燃料电池来发电；第三大类是再生式燃料电池，所谓再生式是指把燃料电池反应生成的水，经某种方法分解成氢和氧，再使氢和氧重新

49、通入燃料电池组中。第一、二大类的燃料电池有较为广泛的应用，第三大类较少见到。11 燃料电池分类直接式燃料电池按工作温度的高低，分成高温、中温、低温三种类型，工作温度在750c以上的为高温燃料电池，200750c之间为中温燃料电池，低于 200的为低温燃料电池。在不同的工作温度下可以使用不同的燃料，但氧化剂大都使用氧( 可以是纯氧，也可以用空气中的氧) ，在少量燃料电池中，还采用卤素或过氧化氢作氧化剂。除了上述的分类方法外，目前最常用的分类方法是按电池所采用的电解质分类。据此可将燃料电池分为：碱水溶液型 AFC(Alkaline Fuel Cell) ，一般以氢氧化钾为电解质；磷酸电解质型 PA

50、FC(Ihosphofic Acid Fuel Cell) ，以浓磷酸为电解质；熔融碳酸盐型 MCFC(Molten Carbonate FueI Cell) ，以熔融的锂 -钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐为电解质； 固体氧化物型SOFC(Solid Oxide FuelCell) ， 以固体氧化物为氧离子导体， 如以氧化钇稳定的氧化锆膜为电解质； 质子交换膜燃料电池PEMFC(froton Exchange Mem brane Fuel Cell) ，以质子交换膜作为电解质；直接甲醇型DMFC(Direct Methanol Fuel Cell) ，以磷酸载体离子交换膜作为电解质，也属于PEMFC勺

51、一种。汽车用燃料电池的要求为能够在常温下工作，电流密度高，免维护性好，耐振性与耐冲击性好，能够从低负荷到高负荷进行高效率运转，可以放置在冰点以下。 能够满足这些性能要求的燃料电池类型为质子交换膜燃料电池PEMF，C其次是DMFC但其它燃料电池作为电动汽车后备电源的可能性仍然是存在的。质子交换膜燃料电池具有比低、能耗少、寿命长、体积小、工作温度低、能耗少、能量转换效率高(理论上可达到80%目前已达到50%-60%)、设计制造容易等优点，已为电动汽车燃料电池的重要发展方向。质子交换膜燃料电池单体由氧电极、燃料电极和质子交换膜、功率调节系统等组成。辅助系统由燃料循环系统、氧化剂循环系统、热交换器、系

52、统温度、湿度、压力自动控制系统和燃料电池系统的安装装置等组成。质子交换膜燃料电池内部化学反应如图12所示。图 12 质子交换膜燃料电池化学反应燃料电池中氢离子(H+) ， 从负极以“水合物”作为载体向正极移动。因此，在质子交换膜燃料电池的正负极间，必须保持有400mmHg)压力水蒸气，并在工作过程中不断地补充水分，使得燃料气体流和氧化剂 ( 空气等 ) 气体流湿润。在氢离子流过质子交换膜时，将水分附着在质子交换膜上，保持质子交换膜处于湿润状态。多余的水从质子交换燃料电池下部放出。质子交换膜燃料电池需要用钳等贵金属做催化剂，在催化剂的催化作用下，促成氢离子(H+)从负极向正极移动并与O2 发生化

53、学反应生成电能和水。质子交换膜燃料电池的氢燃料， 可以是气态也可以是液态， 可以从天然气、甲醇、丙烷、石油、或碳氢化合物等“重整”来产生氢。氢气储存方式目前主要采用高压钢瓶来储存液态氢，压缩氢气装在可靠的高压密封容器中。还可采用高压 - 超低温技术来保持氢气呈液态，或采用储氢合金或纳米材料储存氢气。燃料电池具有以下特点：(1) 能量转化效率高。 直接将燃料的化学能转化为电能， 中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料- 电能转换效率在45%-60%而火力发电和核电的效率大约在30%- 40%(2)有害气体SQ NO及噪音排放都很低。CO排放因能量转换效率高而大幅 度降

54、低，无机械振动。燃料适用范围广。氢氢、甲醇、乙醇、天然气，甚至于现在运用最广泛的汽油， 都可以做为燃料电池的燃料。 这是目前其他所有动力来源无法做到的。积木化强，规模及安装地点灵活。 燃料电池电站占地面积小， 建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。负荷响应快， 运行质量高。 燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率， 而且电厂离负荷可以很近， 从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。太阳能电池太阳能电动汽车的关键技术装备是太阳

55、能电池板，一般在太阳能电动汽车的顶棚上装置转换能力较强的单晶硅电池板组。太阳能电池是把光能直接转换成电能的一种半导体器件。依据所用半导体材料不同，太阳能电池通常分为硅电池、硫化镉电池和砷化镓电池等，其中最常用的是硅太阳能电池。太阳能电池的原理和太阳能电池板结构如图 13 所示， 在 n 型半导体的表面形成P型半导体，构成p-n结即形成太阳能电池，形成的p型层仅仅有1-3 wm） 太阳光照射到它的表面，透过P型层达到n型层p-n结处，就能够产生电动势， 产生的电压约0.5V 。 太阳能电池的电流大小与太阳光照射强度的大小和太阳能电池面积的大小成正比。图 13 太阳能电池的原理和太阳能电池板结构电

56、池板组光电转换率可达到14.9%厂15.2%,可产生166175v的电压、2.32.5A左右的电流和360380W勺功率。近年美国己研制成光电转换率达 35%的高性能太阳能电池。澳大利亚用激光技术制成的太阳能电池， 其光电转换率达 24.2%，由太阳能电池板将太阳能转换为电能后，通过充电器向动力电池 组充电，也可以由太阳能电池板直接提供电能，然后通过电流变换器将电流输 送到驱动电动机，带动驱动系统驱动太阳能混合动力电动汽车行驶，其驱动模 式相当于串联式混合动力电动汽车。 每天按 8h 的日照， 太阳能电动汽车可获得 2.5-3kWh的电能，可供太阳能电动汽车行驶4060km,最高车速可达至60

57、-80km/h 。锂离子电池锂离子电池（Li ion Batteries） 由锂电池发展而来。 锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压，不需充电。 这种电池也可能充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中，容易形成锂枝晶，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电 . 池是禁止充电的。后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池 进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负 极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌人到 碳层的微孔

58、中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电 时（即使用电池的过程） ，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多， 放电容量越高。 我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。 在 Li-ion 的充放电过程中，锂离子处于从正极一负极一正极的运动状态。 Li-ion 电池就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极， 而锂离子就象运动员一 样在摇椅来回奔跑。所以 Li ion Batteries 又叫摇椅式电池。在锂离子的嵌 人和脱嵌过程中， 同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（ 习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示 ） 。正极材料：可选的正极材料很多

59、，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照如表1 所示。表 1 锂离子电池正极材料性能对照正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。充电时：LiFePdLi 1-xFePO+xLi +xe放电时：Li 1-xFePG+xLi +xeL,iFeP0 4负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。充电时：xLi+xe +68LixG放电时：Li xG+xLi +xe 一+6C电解质溶液：溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO 4) 、六氟磷酸锂(LiPF 6) 、四氟硼酸锂(LiBF 4)。溶剂：由于电池的工作电压远高于水的

60、分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构， 导致其剥脱， 并在其表面形成固体电解质膜(solidelectrolyte interphase ， SEI) 导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。锂离子电池具有以下优点：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。比能量大，目前能达到的实际比能量为100125Wh/kg和240300WhL(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150WIh/kg 和 4