新能源汽車的技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)

1、新能源汽車的技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)摘要：通過對(duì)比分析，研究了常規(guī)汽車、代用燃料汽車、電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的排放特性，發(fā)現(xiàn)以傳統(tǒng)的汽油機(jī)和柴油機(jī)為動(dòng)力的汽車對(duì)環(huán)境造成了日益嚴(yán)重的污染，為了環(huán)境保護(hù)和汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，代用燃料汽車技術(shù)，電動(dòng)汽車技術(shù)和混合動(dòng)力汽車技術(shù)是解放汽車排放、噪聲和能源結(jié)構(gòu)問題的有效手段，結(jié)果表明：采用第二代技術(shù)的壓縮天然氣汽車和液化石油氣汽車，可充分發(fā)揮氣體燃料的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到滿意的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和低的排放指標(biāo)，混合動(dòng)力汽車把燃油汽車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來，是近期較理想的汽車發(fā)展模式，燃料電池汽車是未來零排放的理想汽車，關(guān)鍵詞 ：汽車，環(huán)境保護(hù)，代用燃料，電動(dòng)汽車，混合

2、動(dòng)力汽車technology progress and trends of electric vehicle abstract: this paperstudied the exhaust emission performance of conventional vehicle, alternative fuel vehicle ,electric vehicle and hybrid vehicle. it is point that the vehicle powered by conventional gasoline engine or diesel engine brought se

3、rious environment pollution .in order to protect the environment and realize the sustainable development of automobile industry ,alternative fuel vehicle ,electric vehicle ,and hybrid vehicle technologies are the effective methods for solving the emission and noise .the result indicate that the comp

4、ressed natural gas vehicle and liquefied pertoleum gas vehicle using second ，generation technology can realize excel lent performance ,and the hybrid vehicle is more perfect at present ,and the fuel vehicle cell vehicle of zero exhaust emission is the best one in future .key words: vehicles ; enviro

5、nment protection; alternative fuel ;electric vehicle ;hybrid vehicle 自1886年發(fā)明了汽車以來，汽車就成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚拇胶瓦\(yùn)輸工具，因此縮短了人們之間的距離，改變了人們的生活方式，提高了人們的生活質(zhì)量，由于汽車要消耗大量的石油資源、排放大量的廢氣、制造噪音和嚴(yán)重污染環(huán)境，因此也帶來了無法回避的負(fù)面影響，我國(guó)2000年進(jìn)口石油 7000 萬噸， 2005 年將超過 1 億噸， 給國(guó)家造成了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，更嚴(yán)重的是目前世界上空氣污染最嚴(yán)重的 10個(gè)城市中我國(guó)就占了7個(gè)，國(guó)家環(huán)保中心預(yù)測(cè)，到2010年汽車尾氣的排放

6、量將占空氣污染源的 64% ，面對(duì)如此嚴(yán)峻的形勢(shì), 電動(dòng)汽車（ ev ）的研究與開發(fā)引起了世界各國(guó)的關(guān)注。汽車上投入了較大的資金， 并研制出多種電動(dòng)汽車及電動(dòng)汽車概念車，如ford的thin city,gm 的ev1,toyota 的 rav4 ，prius 和fcev ， honda的 evplus 、insight和fcx_v3 等，國(guó)內(nèi)隨著國(guó)家十五計(jì)劃“八六三”電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)的正式啟動(dòng)，全國(guó)各地也掀起了一股研制和開發(fā)電動(dòng)汽車的熱潮。電動(dòng)汽車除了在能源、環(huán)保和節(jié)能方面顯示出優(yōu)越性和具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力外，在車輛性能方面也顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì)，電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速、加速快、 比燃油汽車高出

7、2個(gè)數(shù)量級(jí)， 電機(jī)可分散配置，通過線傳電子控制技術(shù)直接控制車輪轉(zhuǎn)速，易實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和四輪轉(zhuǎn)向，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和線控技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使智能交通系統(tǒng)（its）的實(shí)現(xiàn)也變得非常簡(jiǎn)單，還可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)和能量回收，因此提高了電動(dòng)汽車制動(dòng)的安全性和可靠性。隨著汽車逐步進(jìn)入家庭和公路運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)的汽車保有量逐年快速增加，汽車的排放污染已成為一個(gè)不可忽視的嚴(yán)重的環(huán)境問題。為了滿足排放法規(guī)和改善能源結(jié)構(gòu)，各種低排放和零排放的汽車技術(shù)得到了廣泛重視，比較有代表性的是代用燃料汽車、電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車。 代用燃料汽車除了傳統(tǒng)汽車燃料之外的燃料均可稱為代用燃料，使用這些燃料的汽車可稱為代用燃

8、料汽車，如壓縮天然氣汽車（cngv ） 、液化天然氣汽車(lngv) 、液化石油氣汽車 (lpgv) 以及使用乙醇、甲醇、氫氣等作為燃料的汽車，其中以 cngv 和lpgv 的燃料來源較廣和應(yīng)用較多，常用液體燃料和氣體燃料的理化性質(zhì)如表 1所示。表1 常用液體燃料和氣體燃料的理化性質(zhì)項(xiàng)目汽油柴油天然氣，ng ，液化石油氣， ，pg ，甲醇乙醇主要成分含520的hc 含c15c23的hc 含c1c3 的hc ，主要是ch4 含c3c4 的hc ，主要是質(zhì)量成分gc 0.855 0.870 0.750 0.414 0.375 0.552 gh 0.145 0.126 0.250 0.142 0.1

9、25 0.130 ge - 0.004 - - 0.500 0.348 相對(duì)分子質(zhì)量114 170 16 44 42 46 理論空氣量kg/kg 14.90 14.60 17.40 15.40 6.52 9.05 11.54 11.22 13.33 12.12 5.00 6.95 kmol/kg 0.515 0.50 0.595 0.511 0.223 0.310 自然溫度 / 260250 - 632 504 500 420 燃料低熱值 /kg j/kg 4400 42500 50050 46390 60260 27000 辛烷值rom 90606 - 130 96111 160 606 m

10、on 8189 - 120130 8996 92 ，9 1.1 壓縮天然氣汽車 (cngv ）作為汽車燃料的天然氣(ng)，通常以 20mpa 壓縮儲(chǔ)存于高壓氣瓶中，簡(jiǎn)稱壓縮天然氣(cng)，由表 1中的 ng 的理化性質(zhì)可見， ng 的主要成分是甲烷，分子中只含一個(gè)碳原子，從理論上講，co 排放量少；未燃 hc 成分引起的光化學(xué)反應(yīng)低，燃料中幾乎不含硫，造成酸雨的二氧化硫排放會(huì)大幅度下降ng 的熱值比汽油高， 可減少造成溫室效應(yīng)的二氧化碳排放； ng 的稀燃下限寬，在廣泛運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)有利于降低nox 生成 ，同時(shí)也可提高熱效率；ng 的辛烷值高達(dá) 130 ，可采用高壓縮比，獲得高的熱效率，ng

11、 是氣體燃料，低溫起動(dòng)和低溫運(yùn)轉(zhuǎn)性能好，應(yīng)用到柴油機(jī)的壓燃工作方式時(shí)，固體顆粒物的排放幾乎為零，ng 燃料的適用性好，可與汽油同時(shí)使用，采用油氣雙燃料供應(yīng)方式，有氣時(shí)用氣，無氣時(shí)用汽油，或在中小功率時(shí)用氣，大功率時(shí)用油，解決ngv 功率下降問題，作為汽車的燃料也存在一些缺點(diǎn)，使用純發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降約10% ；ng 儲(chǔ)氣壓力高達(dá) 20mpa ，使燃料容器加重；一次充氣的行駛里程較短，僅適合于城市內(nèi)使用，不利于遠(yuǎn)郊、長(zhǎng)途車用；燃料的儲(chǔ)運(yùn)、添加裝備復(fù)雜，需要一次性投資較高的設(shè)備，燃料添加不方便，1.2液化石油氣汽車（ lpgv ）液化石油氣（lpg ）的主要成分是丙烷和丁烷，由表1可知 lpg 的特點(diǎn)

12、與 ng 相似、具有熱值高、抗爆性好、自燃溫度高、易與空氣混合、排放低等優(yōu)點(diǎn)。由表 2 cngy 和lpgv 與汽油車排放污染物對(duì)比可知cngv 和lpgv 均比汽油車排放低，cngv 比lpgv 的排放更優(yōu)。表2 汽油車與 cpgn 和lpgv 排放污染物對(duì)比污染物汽油車 cngv lpgv h （除 ch4 以外）1 0.1 0.5 0.7 ch4 1 60.0 - co 1 0.20.8 0.8 1.0 nox 1 0.21.0 1.0 cpgn 和lpgv 應(yīng)用在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上，一般只能采用雙燃料的形式，即必須用少量的柴油引燃，主要燃料是ng 或pg ，這樣就必須有兩套燃料供應(yīng)系統(tǒng)，結(jié)

13、構(gòu)稍復(fù)雜。采用柴油ng或柴油 pg雙燃料的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，調(diào)整良好時(shí)的排放比汽油機(jī)和火花點(diǎn)燃式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)明顯下降，與柴油機(jī)相比，nox和顆粒物排放降低 ， o和h大幅升高，但 o 和h還是低于汽油機(jī)；柴油pg 雙燃料的排放略高于柴油ng 。因此采用ng和pg 可以降低 nox和顆粒物，但會(huì)引起o和h排放升高。隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步cngy 和lpgv技術(shù)也經(jīng)歷了不斷發(fā)展的兩個(gè)階段；第一代技術(shù)的從cngv 和lpgv是在原有的化油器或汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上加裝汽油/ng或lpg轉(zhuǎn)換開關(guān)，其工作原理對(duì)應(yīng)于化油器式或汽油噴射式汽油機(jī)的工作方式，第二代技術(shù)的cngv和lpgv則是專為氣體燃料設(shè)計(jì)的電控

14、噴射閉環(huán)系統(tǒng)，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)氣體燃料量和點(diǎn)火提前角進(jìn)行精確控制，再加上排氣后處理裝置和壓縮比的提高，可在獲得滿意的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)達(dá)到較低的排放指標(biāo)。第一代技術(shù)顯然不能完全發(fā)揮氣體燃料的優(yōu)點(diǎn)，而且功率還會(huì)有所下降；第二代技術(shù)是pgv和lpgv技術(shù)發(fā)展方向，目前中國(guó)處在兩種技術(shù)并存的狀況，而且以第一代技術(shù)為主。 電動(dòng)汽車（）電動(dòng)汽車自 19世紀(jì)90年代發(fā)明以來經(jīng)歷了三次大起大落。20世紀(jì)初經(jīng)歷了第一次高峰，后因其動(dòng)力性差而被燃油汽車的發(fā)展取代； 20世紀(jì) 60年代末由于石油危機(jī)的影響，人們又把注意力轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車的發(fā)展上，形成第二次發(fā)展高峰；第三次發(fā)展高峰是從 20世紀(jì)90年代末至今，

15、由于環(huán)境保護(hù)的原因人們又把注意力放在開發(fā)電動(dòng)汽車、尋找低噪聲或無噪聲、低排放或零排放的汽車上。電動(dòng)汽車的發(fā)展之所以經(jīng)歷多次大起大落主要原因是受其動(dòng)力源電池的性能的制約，電池的比能量、比功率、充電問題，價(jià)格均不如燃油汽車。隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車采用的電機(jī)由早期的直流電機(jī)發(fā)展到越來越多地使用性能更佳的交流電機(jī)、永磁無刷電機(jī)等新型電機(jī)。驅(qū)動(dòng)方式也由用電機(jī)直接替代原燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、保留原傳動(dòng)系統(tǒng)的低傳動(dòng)效率的方式轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃?dòng)效率高、控制靈活、節(jié)省空間的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，可充分發(fā)揮電動(dòng)汽車的優(yōu)越性。.1 蓄電池電動(dòng)汽車（ bev ）用蓄電池作為動(dòng)力源的bev 可稱為第一代電動(dòng)汽車，其蓄電池主要

16、有鉛酸電池、鉛布電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，主要性能參數(shù)見表，鉛酸電池的生產(chǎn)技術(shù)成熟、價(jià)格低，是最早用在bev 上的電池，但由于其比能量和比功率低、充電時(shí)間長(zhǎng)， 導(dǎo)致使用鉛酸電池的bev各方面性能較差。 鉛布電池的工作原理和鉛酸電池相同，只是極板變薄做成布狀，增大極板上活性物質(zhì)參加反應(yīng)的比例，比能量和比功率有所提高，充電時(shí)間縮短，但生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，鎳鎘電池的性能比鉛酸電池好，但含有對(duì)環(huán)境和人類有害的鎘元素，在使用中受到限制。 鎳氫電池和鋰離子電池的比能量和比功率高，特別是鋰離子電池性能更為優(yōu)越，一次充滿電后可行駛200300km以上，具有和燃油汽車相近的動(dòng)力性，是今后bev電池發(fā)

17、展的主要方向。目前，鋰離子電池的主要缺點(diǎn)是價(jià)格太高，大約是鉛酸電池的20倍，用鋰離子電池的bev的售價(jià)是同類型汽油車的23倍，離實(shí)用的要求還有一定的距離， 相信經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)， 形成規(guī)?；a(chǎn)， 降低生產(chǎn)成本， 鋰離子電池是 bev 最有前途的電池， 另外，bev不論用何種電池，都需有一定時(shí)間充電的過程及相應(yīng)的充電設(shè)備，從而限制了bev 的使用場(chǎng)合。表3 常用蓄電池的主要性能參數(shù)電池項(xiàng)目比能量 /wh/kg ，比功率 / w/kg 充電時(shí)間 /h 循環(huán)壽命(80%dod) 效率/% 對(duì)比價(jià)格/100% 鉛酸電池2838 7080 8.0 16.0 700 80 1.0 鉛布電池4555 8595

18、 2.0 900 80 1.3 鎳鎘電池3545 95105 4.0 8.0 800 70 3.0 4.0 鎳氫電池6575 145155 4.0 8.0 800 70 4.0 6.0 鋰離子電池95105 280300 2.5 1200 80 20.0 2.2燃料電池電動(dòng)汽車， fcv，fcv用燃料電池作為動(dòng)力源。燃料電池由燃料（氫、煤氣、天然氣等）、氧化劑 (氧氣，空氣等 )、電解質(zhì)或催化劑和電極等組成， 利用燃料的氧化反應(yīng)， 把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。它與一般的蓄電池不同， 不需要充電，只要不斷地加入燃料和氧化劑，就會(huì)不斷地產(chǎn)生電能，所以稱為燃料電池。燃料電池的種類很多，可分為堿性燃料電池

19、、磷酸型燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。燃料電池的比能量大，可達(dá) 200350wh/kg，為鉛酸電池的 58倍，鋰離子電池的倍，能量轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)60%80%是汽油機(jī)或柴油機(jī)的1.52倍；低排放或無排放污染物，如氫氧燃料電池的排出物只是水，只要不斷供應(yīng)燃料就可連續(xù)使用， 不需要充電， 因此非常適合作為汽車的動(dòng)力源。目前燃料電池作為汽車動(dòng)力源還存在一些問題，滿足車用要求的燃料電池系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸過大，直接用氫的氫氧燃料電池的氫氣儲(chǔ)存困難，行駛里程有限，用汽油、天然氣等其它燃料按氫，氧燃料電池方式工作需要較為復(fù)雜和體積較大的轉(zhuǎn)換器，作為車用最有前途的質(zhì)子交

20、換膜燃料電池需要大量昂貴的金屬鉑，成本太高。液體循環(huán)式鋅空氣電池從是否需要充電的角度來看是和燃料電池類似的另一種電池。鋅空氣電池正極板由金屬網(wǎng)集電器、活性物質(zhì)等組成一個(gè)薄空氣電極，負(fù)極板是純鋅，電解液為氫氧化鉀水溶液。電池工作時(shí)消耗鋅和空氣中的氧氣，生成氧化鋅。只要不斷地提供鋅和空氣，就可不斷地向外輸出電能。液體循環(huán)式鋅空氣電池的鋅的提供采用自動(dòng)添加鋅粒的方式，電解液靠循環(huán)泵更換，不需充電，使用方便，鋅空氣電池的比能量大，可達(dá) 200400wh/kg，為鉛酸電池的 510倍；工作時(shí)沒有污染，因此也非常適合作為汽車的動(dòng)力源目前，液體循環(huán)式鋅空氣電池還處于試驗(yàn)研究階段，還有一些技術(shù)上的問題亟待解決

21、，但前途非常光明。燃料電池和鋅空氣電池都具有比能量大，不需充電可連續(xù)使用，無排放、無噪聲污染的優(yōu)點(diǎn)，若解決現(xiàn)存的一些問題后，是新一代電動(dòng)汽車的理想電源，具有不可估量的發(fā)展前途。3 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (hev ）電動(dòng)汽車盡管經(jīng)過百余年的發(fā)展還是受其電池技術(shù)的制約，從性能、價(jià)格、使用方便上還達(dá)不到理想的要求，傳統(tǒng)的燃油汽車動(dòng)力性好、使用方便，但又存在常用工況熱效率不高和較嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，20世紀(jì)末發(fā)展起來 hev在目前的狀況下可在一定程度上較有效地解決上述問題，hev的動(dòng)力由兩部分組成： 一部分是蓄電池電動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元，另一部分是比傳統(tǒng)的汽車功率小的汽油機(jī)或柴油機(jī)的燃油驅(qū)動(dòng)單元，稱為輔助驅(qū)動(dòng)單元。

22、從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的型式上可分為串聯(lián)式，并聯(lián)式和串并聯(lián)混合式，串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本工作原理是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒有機(jī)械聯(lián)系，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在熱效率較高的中高負(fù)荷，當(dāng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能大于汽車行駛所需的能量時(shí)，把多余的電能向電池充電， 當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能不足時(shí)，由蓄電池提供電能補(bǔ)足，蓄電池起一個(gè)調(diào)節(jié)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出和驅(qū)動(dòng)汽車所需能量的，能庫9的作用，當(dāng)汽車低速，小負(fù)荷或在城區(qū)運(yùn)行時(shí)，可關(guān)閉燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，由蓄電池供電采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式行駛，變成一個(gè)臨時(shí)的，無排放污染的bev，另外，通過控制器還可在汽車減速或制動(dòng)時(shí)回收動(dòng)能，提高效率，并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可單獨(dú)工作也可聯(lián)合工作，滿足不同的驅(qū)動(dòng)需求， 串并聯(lián)混合式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的一部分能量通過機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)汽車，另一部分驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電能由控制器決定是送到電動(dòng)機(jī)還是到蓄電池，由上述分析可見， hev中的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)一旦工作就穩(wěn)定工作在高效區(qū)，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性， 蓄電池的電能可由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)充電，也可利用電網(wǎng)夜間