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1、第六章 新能源汽车,石油替代能源,电能 氢气 甲醇乙醇 天然气 液化石油气 二甲醚 太阳能 生物质能,第一节 电动汽车,电动汽车的概述 电动汽车的特点 电动汽车的分类 蓄电池电动汽车（EV） 燃料电池电动汽车（FCEV） 混合电动汽车（HEV） 电动汽车的关键技术 电动汽车的结构及工作原理,1 电动汽车的概述 电动汽车是与燃油汽车相对应的，1881年就出现了电动汽车。在20世纪20年代达到了鼎盛时期，然而在燃油汽车出现后电动汽车无论在整车质量、动力性能、行驶里程、机动性和灵活性方面愈来愈落后于燃油汽车。 在全球温室效应与能源问题逐渐受到各国政府的重视下，主要国家之污染法规渐趋严格，因此对低污染

2、车辆之需求势必增加。随着各种高性能蓄电池和高效率电机不断地出项，使人们把目光又转向了零污染或超低污染排放的电动汽车。从20世纪70年代起，新一代电动汽车脱颖而出，出现了各种高性能的电动汽车。,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。它因车载动力系统不同可分为三类：以车载燃料电池为动力的燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle-FCEV） ；以车载蓄电池为动力的蓄电池电动汽车（ Electric Vehicle-EV ），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（ Hybrid Electric Veh

3、icle-HEV），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。,2 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,2 电动汽车的特点,缺点： (1)能源密度低 (2)充电时间长 (3)成本高 应用前景：看好。克服能量密度和充电时间两大技术因素，到21世纪中叶，电动汽车将成为汽车的主要品种之一。,3.1 蓄电池电动汽车（EV）,EV是一种最好的零污染或超低

4、污染的车辆，它没有噪声和振动，操作性能好等，远远地优先于燃油汽车，是当前开发和研制取代燃油汽车的首选车型。EV动力源采用蓄电池-电动机系统。 3.1.1 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 3.1.2 EV的控制策略和控制系统,3. 电动汽车分类,电驱动结构形式,电驱动结构形式,3.1.3蓄电池电动汽车的发展,EV发展的瓶颈在于电池。近年来由于电池技术的制约使得EV发展速度有所缓慢。在车载电源得到解决后，电动汽车必会迅速地发展。 目前EV趋于小型化、个性化和家庭化发展，主要为家

5、庭辅助用车或休闲用车。 3.1.4 几种典型EV 世界各国有各种微型和小型EV在使用。,韩国现代公司推出的蓄电池电动跑车,美国洛杉矶车展法国文图瑞（Venturi）公司推出，集各种高端性能于一身，当今世界上最昂贵的一款电动车。,3.2 燃料电池电动汽车（FCEV） 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Fuel Cell Electric Vehicle (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。3.2.1介绍几种典型的燃料电池电动车 下面分别

6、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。,燃料电池(Fuel Cell) 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。,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

7、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。,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、

8、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。 1 燃料电池组 2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（包括气体输送泵、热交换器、气体分离和净化装置）(4)水和热管理系统,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（proton exchange membrane fuel cell-PEMFC） 2碱性燃料

9、电池（alkaline fuel cell-AFC） 3磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell-PAFC） 4溶化的碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell-MCFC) 5固态氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell-SOFC）,质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell-PEMFC）,质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为：1)电催化剂；2)电极（阴极与阳极）；3）质子交换膜；4）双极板。 工作时，氢在阳极被转变成氢离子的同时释放出电子，电子通过外电路回到电池阴极，与此同时，

10、氢离子则通过电池内部高分子膜电解质到达阴极。在阴极，氧气转变为氧原子，氧原子得到从阳极传过来的电子变成氧离子，和氢离子结合生成水。右图是质子交换膜燃料电池工作原理示意图,在电极上的这些反应如下： 阳极： 阴极： 整体： 质子交换膜燃料电池的工作温度约为80。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的白金进行催化。 每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压，将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存储器。,以氢为燃料的燃料电池发动机系统,氢气储存罐,氢气压力调节器,热交换器,氢气循环泵,5冷

11、凝器、汽水分离器,水箱,水泵,空气压缩机,空气加湿、去离子过滤器,燃料电池组,11电源开关,12 DC/DC转换器,13逆变器,驱动电机,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,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-253C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4

12、00公里和270公里。,通用Hy-wire氢动三号的电池组,3.2.2 FCEV的发展现状,燃料电池技术被认为是21 世纪首选的洁净、高效的发电技术，其具有能量转化效率高、不污染环境、使用寿命长等不可比拟的优势。但是由于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。,3.3 混合电动汽车（HEV）,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

13、发展也受到了限制。 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市场化的一种新车型，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。,混合动力电动汽车的工作原理,3.3.1 HEV的工作过程,HEV采用发动机-发电机和电动驱动系统。发动机的动力保证HEV正常行驶时所需要的基本动力。然后采用控制发动机转速范围、降低发动机的最高转速、保持发动机的稳定均衡地运转和“开关”的控制方式，使发动机避开启动、怠速和转速突然变化时，

14、燃料燃烧不完全而引起的燃料经济性降低和增加有害气体的排放。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。,3.3.1 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。,3.3.2按发动机和电动机的不同形式的组合可分为：,(1)串联式混合动力电动汽车（SH

15、EV） (2)并联式混合动力电动汽车（PHEV） (a) 发动机轴动力组合式 (b) 动力组合器组合式 (c) 驱动轮动力组合式 (3)混联式混合动力电动汽车（PSHEV） (a) 动力组合器动力组合式 (b) 驱动轮动力组合式 日本、美国开展了混合动力电动汽车的研究。混合动力电动轿车多采用并联和混联的结构型式不同，混合动力电动公共汽车的结构型式以串联为主。,在1998 年，通用公司研制出的Gen2 斯特灵混和动力车，使用斯特灵发动机,通用公司Gen2 混合动力样车,标致雪铁龙集团推出基于“柴油-电力”混合动力的两款展示车标致307和雪铁龙C4。这种混合动力车平均百公里能耗为3.4升柴油，二氧

16、化碳的排放量为每公里90克。在高速行驶模式下为80g/km，与307及C4的柴油发动机车型相比，分别减少了28和45。柴油混合动力车的燃效为29.4km/L，比汽油混合动力车提高25，每100km可节省1L左右的燃料。 混合动力系统由最大输出功率为66kW的1.6L柴油发动机、柴油颗粒过滤器（DPF）、起动器兼交流发电机、“Stop Start”系统、DC无刷马达、逆变器及镍氢充电电池构成。该系统配套使用6速手自一体变速箱。,3.3.3 柴油混合动力车,混合动力系统采用以发动机为主动力、利用马达进行辅助的并联驱动方式。当车速降到60km/h以下时，Stop Start系统就会停止发动机工作。马

17、达可通过减速时回收能量来向电池蓄电，当车速在50km/h以下时仅凭马达行驶。在加速及电池没电时，便会自动切换至发动机驱动。为了停止发动机工作后仍可凭借马达行驶，在发动机与马达之间采用了干式离合器。 马达在连续使用时的额定功率为16kW，可产生80Nm的扭矩。在超车等情况下进行暂时辅助时，最大输出功率为23kW，最大扭矩为130Nm。马达与逆变器连接，以210380V的电压驱动。在车辆后部通常用于配备备用轮的位置上配备了由240个电池单元构成的镍氢充电电池。充电电池的容量为6.5Ah，普通电压为288V。仅凭马达可持续行驶5km。,配备柴油混合动力系统的展示车,左为“标致307混合动力HDi，右

18、为“雪铁龙C4混合动力HDi。,雪铁龙C4柴油混合动力系统的构成示意图,柴油混合动力系统 1-1.6升Hdi柴油发动机(最大输出功率为66kW) 2-柴油机微粒过滤器(DPF) 3-”停车-启动”系统 4-电动机(额定功率为16kW) 5- 6速手自一体变速箱 6-逆变器 7-低压电池 8-动力传输管理单元 9-高压电缆 10-高压镍氢充电电池(288V),柴油混合动力系统的驱动系统构成示意图,“雪铁龙C4混合动力HDi”发动机室,4 电动汽车的关键技术,(1)多能源总成控制系统 (2)超级电容器 (3)电机及其控制系统 (4)燃料电池发动机 (5) 动力蓄电池,4.1 多能源总成控制系统,一

19、般都采用嵌入式计算机或高性能单片机作为主控计算机。就控制器的结构而言，国外主要经历了两代。第一代为集中式控制系统。说，用一台计算机采集电动汽车所有的输入信号，通过处理、计算然后输出控制信号。第二代为分布式控制系统。这种方式是根据汽车的布局，在相对输入输出比较集中的某一部位，用一个高性能单片机，组成一个相对独立的模块，完成这一部位的信号采集和控制。,4.2 超级电容器,超级电容器具在混合动力汽车和电动车停车时，由外接电源箱超级电容器充电时电容器积聚大量的电荷。然后在车辆行驶时，其释放电能放电来向驱动电动机提供电能。在这个过程中没有热和化学反应，不需要高速旋转的飞轮，不存在对周边环境的污染，也没有

20、任何噪声，结构简单，质量轻，体积小，是一种更加理想的储能器。,4.3 电机及其控制系统,电动汽车的电机驱动系统目前主要有3 种类型： （1）异步电机驱动系统由于转子十分坚固，适合于高速运转。 （2）永磁同步电机驱动系统由于运行效率高，控制相对容易而被广泛应用。 （3）开关磁阻电机驱动系统具有一些很有特色的优点：电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，起动及低速时转矩大电流小，高速恒功率区范围宽、性能好，使系统总调速范围宽，在宽广的转速及功率范围内均有高效率（在汽车运行工况下的总体效率高）,4.3 动力蓄电池,目前已在电动汽车上应用的动力蓄电池主要包括：阀控铅酸电池（VRLA）、镍-镉电池（Ni

21、-Cd）、镍-锌电池（Ni-Zn）、镍基电池（Ni-MH）、锌空气电池（Zn/Air）、铝空气电池、钠硫电池、钠镍氯化物电池（Na-NiCl2）、锂聚合物电池（Li-Polymer）和锂离子电池。,5 电动汽车结构与工作原理,电动汽车与普通燃油汽车相比，结构差异较大，工作原理也有明显的区别。电动汽车与普通汽车的主要区别是动力源的改变。,6 电动汽车与内燃机汽车的比较,第二节 燃气汽车,燃气汽车的发展 1、燃气汽车的发展历程 1872年天然气发动机问世；30年代初由意大利人率先采用天然气作为汽车燃料。 70年代燃气汽车技术逐渐快速发展。 90年代后天然气汽车数量迅速增加 。,燃气汽车的发展,2、

22、我国燃气汽车的发展现状 20世纪50时年代开始天然气汽车的研究； 80年代中期开始发展天然气汽车； 1994年起上海组织开展液化石油气燃气汽车样车的适用及研究； 2001年底我国燃气汽车保有量已超过11万辆,预计到2005年，我国燃气汽车的保有量将达到100万辆，到2001年将达到150万量。 3、燃气汽车的发展趋势 目前，两用燃料单点喷射系统和单一燃料（天然气或液化石油气）闭环多点顺序喷射系统相继问世，而闭环多点顺序喷射系统是当今燃气发动机电控技术发展的主流和方向。,燃气汽车的类型,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

23、天然气汽车。以天然气ANG作为燃料 液化石油气汽车。以液化石油气LPG作为燃料 LNG=Liquefied Natural Gas CNG=Compressed Natural Gas ANG=Adsorbed Natural Gas LPG=Liquid Petrel Gas 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 单燃料燃气汽车只使用天然气或液化石油气中的一种作为发动机燃料。,二、燃气的特性,天然气（natural gas）又称油田气、石油气、石油伴生气。开采石油时，只有气体称为天然气；石油和石油气，这个石油气称为油田气或称石油伴生气。天然气的化学组成及

24、其理化特性因地而异，主要成分是甲烷，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等。无硫化氢时为无色无臭易燃易爆气体，密度多在0.60.8g/cm3，比空气轻。通常将含甲烷高于90%的称为干气，含甲烷低于90%的称为湿气。 液化石油气的主要成分是含有三个碳原子和四个碳原子的碳氢化合物，行业上习惯分别称为碳三和碳四。液化石油气主要组成有丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等四种。除上述主要成分外，有的还含有少量的戊烷（为通常俗称为残液的主要成份）、硫化物和水等。通常在民用液化石油气中，加入微量的甲硫醇、甲硫醚等硫化物作加臭剂。液化石油气主要来源是从炼油厂获取。其含量约占原油总量的5%15%。通常所说

25、的液化石油气都存在液、气两种形态，液、气态处于动态平衡中。液化石油气从液态变为气态时，体积膨胀非常大，约增大250300倍。,三、燃气钢瓶和储罐,压缩天然气钢瓶（20MPa） 液化石油气钢瓶（2.2MPa） 液化天然气钢瓶 （略高于1MPa）,燃气发动机供给系统,1、燃气发动机供给系统类型,2、机械控制式燃气供给系统,单燃料发动机燃气供给系统 一般利用节气门根据工况要求实现对混合气量的控制，而可燃混合气一般利用火花塞点燃。 两用燃料发动机供气系统 汽油/CNG两用燃料：在原汽油机上加装一套CNG燃气供给系统，包括高压钢瓶、高压管路、滤清器、调节器、混合器等，在燃用天然气时，替代原汽油机供给系统

26、向发动机提供天然气空气混合气。 汽油/LPG两用燃料：由燃料转换开关控制两个电磁阀实现燃用汽油与LPG的切换，LPG经过滤清器过滤后，进入调节器进行减压并蒸发，气态的LPG流入混合器与空气混合形成可燃混合气进入气缸。 燃料发动机供给系统 柴油/CNG混合燃料发动机供给系统组成：燃料供给系统、发动机控制保护系统、天然气供给和调节系统、天然气储存系统。,二、两用燃料混合器供气电控系统,电控燃气供给系统的功能 模拟汽油喷射信号 发动机在燃用燃气时必须在切断汽油喷射的同时，由电控燃气供给系统向汽油ECU输入模拟的汽油喷射信号。 模拟氧传感器信号 电控燃气供给系统必须向汽油ECU输入一个理想的模拟氧传感

27、器信号，以便切换到燃用汽油时汽油ECU能够正常工作。,混合器供气电控系统的组成,基本组成 除与电控汽油喷射系统共用的元件外，增加的主要电控元件有：转换开关、模拟器、燃气ECU、步进电机功率阀等。 主要元件位置 燃气供给系统中的调节器、混合器、步进电动机功率阀等均安装在发动机室内，燃料转换开关安装在驾驶室内仪表盘附近，不同车型高压气瓶安装位置不同，手动供气阀、电磁阀等安装位置不同。,混合器供气电控系统工作原理,开环控制系统 电控汽油喷射发动机改装的汽油/CNG两用燃料发动机开环控制供气系统，在进气管前，该系统的燃气供给和汽油供给两个燃料供给系统是并列的。在发动机工作时由油气转换开关控制燃气电磁阀

28、和电动燃油泵，同一时刻，只允许发动机燃用汽油或燃气一种燃料。 发动机燃用天然气时，将燃料转换开关转到“气”位置，此时燃气电磁阀开启、电动燃油泵停止工作，天然气经减压调节器减压后，在经动力调节阀进入混合器，并与来自空气滤清器的清洁空气混合后供往气缸。 闭环控制系统 闭环控制系统，在减压调节器和混合器之间安装由ECU控制的功率阀，并加装氧传感器实现空燃比闭环控制，则可使发动机在各种工况下都能获得最佳的空燃比。,三、混合燃料混合器供气电控系统,混合燃料发动机混和供气电控系统是纯混合器供气电控系统与第一代柴油机电控燃油喷射系统的结合，混合燃料发动机采用压缩自然式的点火方式，没有点火系统，而引燃柴油的喷射量和喷射正时由柴油机电控燃油喷射系统控制。 CNG/柴油混和燃料非增压发动机混和器供气系统组成：天然气供气系统、引燃柴油供给系统、电子控制单元。 天然气供气系统主要由高压气瓶、电磁阀、调节器、功率阀、混和器组成。 电子控制单元的主要功能是根据各传感器信号来确定供油齿条和功率阀的位置，并根据燃料转换开关等控制天燃气电磁阀的通断，同时燃气ECU也具有失效保护功能。,四、电控燃气