清洁能源汽车

1、第四章 现代汽车科技,4.4 清洁能源汽车,4.4 清洁能源汽车,代用燃料发动机汽车 汽车是石油产品的主要消耗者，据统计全世界的石油产品约46为汽车所消耗。世界汽车到2020年和2060年，预计可达12亿和25亿辆，而预测石油资源只能供给全世界使用到2040年和2050年左右。因此，降低油耗和开发汽车新能源比过去任何时候都重要、更迫切，已成为近代汽车技术发展的重要课题。人类进入21世纪以来，世界范围内对环保的要求越来越高，针对环境和能源形势的日趋恶化，开发、使用污染小且有一定发展前景的清洁代用燃料已成为世界各大汽车公司竞争热点。由于各国资源分布、科技实力不同，因而开发、使用的“绿色能源”也形色

2、各异。 目前，汽车上使用较为普遍的清洁代用燃料有：天然气、液化石油气、电能、氢、太阳能、醇类、醚类和合成燃料等。它们之所以被称为清洁代用燃料，是由于它们的相对分子质量比汽油、柴油小得多，对燃料和空气的混合、燃烧、抑制炭烟等都有利。采用这类气体或液体代用燃料代替汽油、柴油作为汽车用燃料，其尾气排放CO、HC、CO2等污染比汽油、柴油低得多。此外，醇类燃料含氧，还可促使燃料燃烧更完全，燃烧温度降低，使NOX排放量减少。,4.4 清洁能源汽车,1电动汽车 电动汽车是目前可以达到零排放标准的机动车。电动汽车有下列突出优点： 1）节能首先是不需石油类燃料，其次，在夜间充电可填补用电低谷时发电厂多余的供电

3、量，此外电动机的耗能效率高达75%（而内燃机只有15%）。 2）污染小电动车行驶时不排放有害废气（称为“零排放”）。蓄电池在制造过程中或充电过程中仍会因化学反应而产生污染物，但比内燃机汽车的排气污染物更易控制。 3）特殊环境下的优点内燃机汽车无法在缺氧的条件下工作，而电动车则最适用于月球、太空、海底、真空等环境。 4）其他操作方便（电动车没有离合器、不必换档），起动容易，行驶噪声小。 缺点：1）蓄电池能量密度小，汽车续驶里程短，动力性差；2）电池重量大，寿命短；3）价格高，蓄电池充电时间长；4）电池制造和处理存在污染。 现状及前景：从总体看仍处于试验研究阶段，推广使用还需一定时间，但有希望成为

4、未来汽车主体。,4.4 清洁能源汽车,1电动汽车 缺点：1）蓄电池能量密度小，汽车续驶里程短，动力性差；2）电池重量大，寿命短；3）价格高，蓄电池充电时间长；4）电池制造和处理存在污染。 现状及前景：从总体看仍处于试验研究阶段，推广使用还需一定时间，但有希望成为未来汽车主体。,4.4 清洁能源汽车,2、氢气汽车 氢气作为汽车燃料的优越性与用汽油或柴油作燃料的汽车相比： （1）氢气与空气混合，燃烧完全，效率高，氢4-32.3%低占比混和气体爆炸特性作功，爆炸的膨胀速度威力不但远远超于传统燃烧方式，而且氢气燃料（成本）消耗少。当爆炸的膨胀峰值最高时曲轴的结构力矩也是最大的，发动机运转扭矩大，动力强

5、劲。而且只排放微量的水气，对大气层没有任何的污染。尾气排放一氧化碳可降低到0，氧化氮降低至60ppm，碳氢化合物降为0，铅含量降为0。是真正的环保绿色动力能源 （2）氢气的燃烧热值较高，动力性能较好。 （3）氢气不象汽油（柴油）会进入曲轴箱稀释机油，影响润滑效果。因此，消耗机油量减少，延长了发动机的使用寿命。 （4）由于氢气是现产现用，且在空气中挥发极快，不象汽油（柴油）一样从油箱和化油器中蒸发到大气中，造成污染大气。 （5）因车用氢气是随制随用在钢瓶内储存量较少，而钢瓶较油箱强度高，且耐冲击，万一出现意外事故，氢气不会自行流出。不会造成危害。 （6）由于车用氢气系统具有完善的完全结构，可防止

6、、过压、过流，还拥有防泄漏及隔离装置。 （7）相对而言，用发动机自身的动力生产氢气成本比较低，可降低运行成本。,4.4 清洁能源汽车,2、氢气汽车 缺点： 1）氢气生产成本高； 2）气态氢能量密度小且储运不便，液态氢技术难度大，成本高； 3）需要开发专用的发动机。 现状及前景：仍处于基础研究阶段，但有希望成为未来汽车的重要组成部分，前景难以预测。,4.4 清洁能源汽车,3甲醇（乙醇）汽车 醇燃料（主要指甲醇和乙醇）是汽车清洁替代燃料的一种，与汽油和柴油相比，醇类燃料氢碳原子比大、且为含氧燃料（甲醇分子含氧量达50%、乙醇分子含氧量达35%），比汽油和柴油更容易完全燃烧，除了常规的有害排放较低外

7、，CO2的排放量也比燃用汽油和柴油低。此外甲醇和乙醇是可再生资源，可由一些廉价原料，例如家庭垃圾、秸杆、木材、甘蔗、粮食，也可以通过煤、煤层气、液化石油气等制造，所以醇类燃料的供应不会枯竭。美、德、加、法、日、瑞典、新西兰等发达国家政府和汽车公司，都大力推动醇燃料的研究试验和示范推广，并由国家议会列为清洁燃料，予以发展。世界各大汽车厂都在积极研究开发、示范了许多不同方案的醇燃料汽车，如专用优化的醇燃料小轿车（曾是巴西汽车的主流）、全醇燃料的大轿车、大载货汽车等，在醇燃料汽车技术上有很大进展。,4.4 清洁能源汽车,3甲醇（乙醇）汽车 优点： 1）甲醇、乙醇可以利用生物、煤炭制取，来源有长期保障

8、； 2）储运方便； 3）辛烧值较高。 缺点： 1）甲醇毒性较大，而且对金属和橡胶件有腐蚀； 2）污染较大，与汽油相当； 3）成本较高。 现状及前景：目前世界上有相当数量的汽车燃烧甲醇（乙醇）和汽油的混合燃料，发展缓慢，可以作为能源的补充，在某些国家和地区可保持较大的比例。,4.4 清洁能源汽车,3甲醇（乙醇）汽车,上海华普甲醇混合动力汽车,4.4 清洁能源汽车,3甲醇（乙醇）汽车,莲花乙醇燃料跑车,4.4 清洁能源汽车,4然气汽车 自从1872年发明了奥托循环发动机开始就有了天然气发动机。早在第一次世界大战期间天然气就开始用在汽车上，后来由于其储存、携带极不方便才让位于液体燃料中的汽油和柴油。

9、从20世界60年代以来，全世界经历了三次大的能源危机，这就警示人们石油资源也会枯竭。 随着汽车数量的增多，车用汽油和柴油的消耗越来越大。按现在人类消耗石油的速度测算，全球已探明石油资源仅能维持4050余年。但天然气气田不断被发现和探明，其储量也逐年增加。以1000m3天然气相当于1吨石油计，世界天然气的储量与石油储量是在同一个数量级上的，天然气将成为未来的第二大能源。,4.4 清洁能源汽车,4然气汽车 天然气作为汽车燃料于20世界30年代初由意大利人率先采用，到1939年意大利就有1万辆天然气汽车。前苏联早在1938年就研制出两种压缩天然气汽车。但在20世纪5060年代发展缓慢，只在某些特定地

10、区、特定用途的车辆上小规模地使用。直到1973年第一次石油危机之后，人们才认识到使用天然气代替传统的石油产品作为汽车燃料具有经济、清洁的突出优点，于是纷纷加快了天然气汽车的发展。在天然气资源丰富的俄罗斯、意大利、阿根廷、新西兰、巴西等国家和地区，以及受到环保法规和国家政策制约的美国、日本等国，天然气汽车的发展非常迅速。许多国家都制定了研究与发展计划。,4.4 清洁能源汽车,4然气汽车 从1993年起，我国已成为石油净进口国，年进口石油2000万吨3000万吨，而天然气资源比较丰富，为推广天然气汽车提供了良好的资源条件。在20世界50年代，我国就开展天然气汽车研究。80年代中期，为解决燃油供需矛

11、盾，四川省率先提出“以气代油”发展天然气汽车，加快了天然气汽车的发展步伐。1988年中国石油天然气总公司从新西兰引进了一套天然气汽车充气设备及汽车改装配件，在四川省南充市建成了我国第一座CNGV充气站。1994年上海组织开发LPG燃气汽车，为LPG清洁汽车的推广应用工作提供了技术基础保障。到1999年底，由于国家重视，成立了国家清洁燃料汽车领导小组，确定北京、重庆等12个城市、地区为燃气汽车试点示范城市。各地方政府纷纷出台优惠政策给予鼓励支持，使全国清洁燃料汽车的发展步伐大大加快。截止2000年10月，12个示范城市燃气汽车保有量约为71200辆，CNG和LPG加气站约240个。,4.4 清洁

12、能源汽车,4然气汽车 根据燃气汽车使用燃料不同、燃料的使用形态不同和使用方法不同，燃气汽车有如下几种： 压缩天然气汽车（CNGV）是指以多级加压压缩经到20MPa左右并储存在车载高压气中的气态天然气作为燃料的汽车。 液化天然气汽车（LNGV）是指以1620C左右低温液化并储存在车载绝热气瓶中的天然气作为燃料的汽车。 吸附天然气汽车（ANGV）是指利用以中压状态储存在吸附罐内活性碳中的天然气作为燃料的汽车。 液化石油气汽车（LPGV）是指以储存在车载气瓶中的液化石油气作为燃料的汽车。 单燃料燃气汽车是指仅使用CNG或LPG中的一种作为发动机的燃料，发动机的燃料供给系、配气机构等针对CNG或LPG

13、的物化特性进行专门设计，因此燃烧热效率高、经济性好。 双燃料气汽车是指具有两套燃料供给系统，使用中可以在两种燃料之间灵活切换的车辆。此类车在燃用汽油时，不能同时使用CNG或LPG作为发动机燃料；反之，燃用CNG或LPG时，也不能混烧汽油。此类汽车与单燃料燃气汽车相比，由于要兼顾两种燃料的物化特性，发动机的结构参数几乎不做改造，因此燃烧热效率不高、经济性较差。,4.4 清洁能源汽车,4然气汽车,爱丽舍压缩天然气汽车,4.4 清洁能源汽车,4然气汽车,长沙液化天然气公交车,4.4 清洁能源汽车,4然气汽车,别克液化石油气试验车,4.4 清洁能源汽车,4然气汽车,现代液化石油气汽车,4.4 清洁能源

14、汽车,4然气汽车,奥迪单燃料燃气汽车,4.4 清洁能源汽车,4然气汽车,爱丽舍双燃料燃气汽车,4.4 清洁能源汽车,纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池车 现代电动汽车一般可分为三类： 纯电动汽车（PEV） 混合动力汽车（HEV） 燃料电池电动汽车（FCEV） 电动汽车的一个共同特点是汽车完全或部分由电力通过电机驱动，能够实现低排放和零排放。,4.4 清洁能源汽车,电动汽车发展概况 1881年就出现了电动汽车，它比内燃机汽车还早一些。但内燃机汽车后来居上，在性能、机动性、车辆重量等指标远远超过了电动汽车。电动汽车在20世纪20年代达到鼎盛时期后就一撅不振，成为“电瓶车”式的辅助车辆。,1899年

15、的电动汽车,4.4 清洁能源汽车,电动汽车发展概况 早期电动汽车不仅有电动轿车，还有电动货车和电动大客车等多种形式的电动车辆。在20世纪初蒸汽汽车、电动汽车和内燃机汽车基本是三足鼎立，在汽车保有量中，蒸汽汽车占40%，电动汽车占38%，而内燃机汽车仅占22%。在内燃机的性能还不高的时期，电动车十分盛行。后来，由于石油的发现及大量开采，内燃机的性能迅速提高，电动车在速度和续驶里程等方面愈来愈无法与内燃机汽车竞争，逐渐衰落。从1953年到1955年，电动汽车完全从公路上消失，进入一个“沉睡时期”。,4.4 清洁能源汽车,电动汽车发展概况 1966和1967年，美国通用、福特和美洲虎汽车公司分别开发

16、了新型电动车，并成立了美国电动车协会，从此电动车进入了现代发展时期。同时，石油短缺对燃油汽车来说是致命的，石油危机是20世纪70年代电动车迅速发展的主要推动力。福特汽车公司开始研究先进的蓄电池，通用和克莱斯勒汽车公司合作开发了电动车。除了三大汽车公司外，许多独立的专业电动车公司也纷纷成立。到20世纪90年代初，以美国为代表的一些国家开始制定并执行严格的汽车尾气排放标准。美国加利福尼亚州政府1996年颁布了零排放车的法令，该法令规定1998年在加利福尼亚州销售的汽车中必须有2 %零排放车，到2003年则必须有10%零排放车。随后，其他一些州也相继立法规定了零排放车的份额。这一行动极大地刺激并加速

17、了现代电动车的研究和开发，同时，由于新技术和新材料的迅速发展，使电动车发展被注入了新的活力。,4.4 清洁能源汽车,电动汽车 电动车是目前可以达到零排放标准的机动车，有下列突出优点： （1）节能首先是不需石油类燃料，其次，在夜间充电可填补用电低谷时发电厂多余的供电量，此外电动机的耗能效率高达75%（而内燃机只有15%）。 （2）污染小电动车行驶时不排放有害废气（称为“零排放”）。蓄电池在制造过程中或充电过程中仍会因化学反应而产生污染物，但比内燃机汽车的排放污染物更易控制。 （3）特殊环境下的优点内燃机汽车无法在缺养的条件下工作，而电动车则最适用与月球、太空、海底、真空等环境。 其他操作方便（电

18、动车没有离合器、不必换挡），起动容易，行驶噪声小。,4.4 清洁能源汽车,通用雪弗兰电动汽车,4.4 清洁能源汽车,福特电动汽车,4.4 清洁能源汽车,克莱斯勒电动汽车,4.4 清洁能源汽车,纯电动汽车 纯电动汽车是指完全由动力蓄电池提供电力驱动的电动汽车，虽然它已有134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。目前采用的铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池，它们已达到的实际性能指标和市场平均价格，如表1所示。根据实际装车时的循环寿命和市场价格，可估算出电动汽车从各种动力电池上每取出1kW

19、h电能所必须付出的费用。计算时，假设电池最高可充电荷电状态（SOC）为0.9，放电SOC为0.2，即实际可用的电池容量仅占总容量的70%;由电网供电价为0.5元/kWh，电池的平均充放电效率为0.75。,4.4 清洁能源汽车,纯电动汽车,比亚迪纯电动汽车,4.4 清洁能源汽车,纯电动汽车,东风朝阳系列电动游览车,4.4 清洁能源汽车,混合动力电动汽车 由于当前电动汽车用的电池性能还不理想，一次充电后汽车续驶里程尚未达到传统汽车的水平，同时充电、维修等基础设施的建设需要资金，于是出现了混合动力电动汽车，即利用两种不同动力驱动的汽车。其组成包括电动机、辅助动力及蓄能装置等。电动机可以是交流的或直流

20、的，辅助动力可以是内燃机、外燃机、其它形式的热机以及燃料电池。蓄能装置可以是蓄电池、超级电容、液压、气动或飞轮等储能装置。 辅助动力可以直接驱动汽车，也可以带动发动机发电，或者如燃料电池直接发电，将电能储存在蓄能装置中。汽车在减速或制动时，可以将回收的能量储存在蓄能装置中，蓄能装置是能量汇集处。通过电控制单元进行自动控制就可以使汽车有更好的性能及更大的灵活性。既可以提高功率水平，最大限度地减少汽车对环境的污染，又可以提高燃油经济性，延长续驶里程。目前混合动力电动汽车主要由内燃机、电动机、蓄电池、电控单元控制部件及车用辅助设备等构成。,4.4 清洁能源汽车,奔驰混合动力电动汽车,4.4 清洁能源

21、汽车,武汉理工大学开发的混合动力电动汽车,4.4 清洁能源汽车,东风电动车辆股份有限公司生产的混合动力电动汽车,4.4 清洁能源汽车,燃料电池车 采用燃料电池作为电源的汽车称为燃料电池汽车。燃料电池是通过电化学反应将燃料的化学能直接转变为电能的高效率发电装置。燃料可以是氢气、甲醇、石油气、甲烷及其它能分解出氢的烃类化合物。目前大多数燃料电池电动汽车使用压缩氢气或液化氢气作为燃料。 燃料电池发动机是燃料电池电动汽车的核心，它一般由多个单体燃料电池组成。燃料电池单体电池电压一般在1V以下，即使采用串联方法来提高输出电压，需要串联大量的单体燃料电池才能达到，因此用燃料电池管理系统模块进行电源管理，对

22、燃料电池状态进行监控和检查。燃料电池的电流需要经过专用的大功率动力DC/DC转换器，将燃料电池产生的直流电转换为稳压的直流电流，然后经过逆变器转换为交流电输送给驱动电机。除此以外，在装有空调系统和装有电动油泵转向系统的燃料电池电动汽车上，燃料电池组还要向它们提供电能。 通常在燃料电池电动汽车上还要装配一个普通蓄电池组作为辅助电源，其作用：用于燃料电池电动汽车快速起动；用于储存燃料电池电动汽车制动时再生能量；为控制系统、照明系统、信号系统、仪表板、车载电子电器设备（包括刮水器、喷淋器、电动门窗、音响、电视、安全气囊、防撞系统、导航系统和车载电话等）提供低压电源。,4.4 清洁能源汽车,本田燃料电

23、池车,4.4 清洁能源汽车,本田燃料电池车,4.4 清洁能源汽车,神力燃料电池车,4.4 清洁能源汽车,太阳能汽车,太阳能汽车是利用太阳能产生动力的汽车，能量来源是太阳的辐射能转变为机械能或电能（太阳能电池）。,4.4 清洁能源汽车,太阳能汽车 太阳能是一种新能源，它取之不尽，用之不竭。太阳能汽车是靠太阳电池作电源的。当太阳照射到车身上的太阳电池板时，根据光电转换原理，立即能产生直流电，供给直流电动机运转，驱动汽车行驶。但这种只装有太阳电池板的汽车，在无光照射时，就会马上停止。如果要汽车在阴天或夜间也能继续行驶，还要把太阳电池板和蓄电池配合使用。当阳光照射时，太阳电池板就产生电能，一部分提供给电动机，汽车便可奔跑；另一部分供给蓄电池充电。这样，等到没有阳光时，使蓄电池放电供电动机运转，让汽车行驶。因此可以