新能源汽車技術(shù)發(fā)展概況及發(fā)展前景

PAGEPAGE1新能源汽車技術(shù)發(fā)展概況及發(fā)展前景目錄摘要 1一、新能源汽車的種類及其特點 1（一）天然氣汽車和液化石油氣汽車 1（二）醇類汽車 2（三）氫燃料汽車 2（四）二甲醚汽車 2（五）氣動汽車 2（六）電動汽車 3（七）以植物油為燃料的汽車 3二、新能源汽車的優(yōu)點與實用范圍 4（一）優(yōu)點 4（二）適用范圍 41.提高舊能源汽車的效率 52.空氣動力汽車 53.飛輪儲能汽車 54.超級電容汽車 5三、我國新能源汽車的發(fā)展概況 5四、代用燃料汽車的發(fā)展前景 6五、結(jié)束語 7新能源汽車技術(shù)摘要：隨著世界能源危機和環(huán)保問題日益突出，汽車工業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。新能源汽車已經(jīng)成為未來汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。在被列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之后,我國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)步入了快速發(fā)展期。本文介紹了新能源車的種類及特點。關(guān)鍵詞：新能源、種類、發(fā)展現(xiàn)狀隨著世界能源危機和環(huán)保問題日益突出，汽車工業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。一方面，石油資源短缺，汽車是油耗大戶，且目前內(nèi)燃機的熱效率較低，燃料燃燒產(chǎn)生的熱能大約只有35%—40%用于實際汽車行駛，節(jié)節(jié)攀升的汽車保有量加劇了這一矛盾；另一方面，汽車的大量使用加劇了環(huán)境污染，城市大氣中CO的82%、NOx的48%、HC的58%和微粒的8%來自汽車尾氣，此外，汽車排放的大量CO2加劇了溫室效應(yīng)，汽車噪聲是環(huán)境噪聲污染的主要內(nèi)容之一。我國作為石油進口國和第二大石油消費大國，污染嚴重，世行認定的20個污染最嚴重的城市有16個在中國。國內(nèi)汽車產(chǎn)品水平與國外差距很大，平均油耗高出10%—30%，排放約為15—20倍，汽車工業(yè)面臨的壓力更大。上個世紀末以來世界各國和各大汽車公司以及國內(nèi)各大科研機構(gòu)和高等院校紛紛致力于開發(fā)清潔節(jié)能汽車，新能源汽車獲得了長足發(fā)展。汽油和柴油是傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的能源，利用除此以外的能源提供汽動力的汽車均可稱為新能源汽車。目前正在開發(fā)的新能源包括天然氣、液化石油氣、醇類、二甲醚、氫、合成燃料、生物氣、空氣以及電荷燃料電池等。本文介紹新能源汽車技術(shù)的發(fā)展概況，并對其發(fā)展前景提出看法。一、新能源汽車的種類及其特點（一）天然氣汽車和液化石油氣汽車天然氣汽車又被稱為“藍色動力”汽車，主要以壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)、吸附天然氣(ANG)為燃料，常見的是壓縮天然氣汽車(CNGV)。液化石油氣汽車(LPGV)是以液化石油氣(LPG)為燃料。CNG和LPG是理想的點燃式發(fā)動機燃料，燃氣成分單一、純度高，與空氣混合均勻，燃燒完全，CO和微粒的排放量較低，燃燒溫度低因而NOx排放較少，稀燃特性優(yōu)越，低溫起動及低溫運轉(zhuǎn)性能好。其缺點是儲運性能比液體燃料差、發(fā)動機的容積效率較低、著火延遲期較長。這兩類汽車多采用雙燃料系統(tǒng)，即一個汽油或柴油燃料系統(tǒng)和一個壓縮天然氣或液化石油氣系統(tǒng)，汽車可由其中任意一個系統(tǒng)驅(qū)動，并能容易地由一個系統(tǒng)過渡到另一個系統(tǒng)?？得魉古c美國能源部正合作開發(fā)名為“先進往復(fù)式發(fā)動機系統(tǒng)(ARES)”的新一代天然氣發(fā)動機，根據(jù)開發(fā)目標，該發(fā)動機熱效率達50%(熱電聯(lián)產(chǎn)時達到80%以上)，NOx排放量低于0.1g／km，制造成本為400450美元／kW，維護費用低于0.01美元／kwh，在滿足這些目標的同時，發(fā)動機具有較高的可靠性。（二）醇類汽車醇類汽車就是以甲醇、乙醇等醇類物質(zhì)為燃料的汽車，使用比較廣泛的是乙醇，乙醇來源廣泛，制取技術(shù)成熟，最新的一種利用纖維素原料生產(chǎn)乙醇的技術(shù)其可利用的原料幾乎包括了所有的農(nóng)林廢棄物、城市生活有機垃圾和工業(yè)有機廢棄物。目前醇類汽車多使用乙醇與汽油或柴油以任意比例摻和的靈活燃料驅(qū)動，既不需要改造發(fā)動機，又起到良好的節(jié)能、降污效果，但這種摻和燃料要獲得與汽油或柴油相當?shù)墓β?，必須加大燃油噴射量，當摻醇率大?5%—20%時，應(yīng)改變發(fā)動機的壓縮比和點火提前角。乙醇燃料理論空燃比低，對發(fā)動機進氣系統(tǒng)要求不高，自燃性能差，辛烷值高，有較高的抗爆性，揮發(fā)性好，混合氣分布均勻，熱效率較高，汽車尾氣污染可減少30%以上。這種汽車最早由福特公司在20世紀80年代中期開發(fā)，到2003年底，美國有230多萬輛乙醇汽車，其中多數(shù)是道奇和克萊斯勒廂式車——2003年已賣出233466輛。（三）氫燃料汽車氫是清潔燃料，采用氫氣作燃料，只需略加改動常規(guī)火花塞點火式發(fā)動機，其燃燒效率比汽油高，混合氣可以較大程度地變稀，所需點火能量小，有利于節(jié)約燃料。氫氣也可以加入其它燃料(如CNG)中，用于提高效率和減少N02排放。氫的質(zhì)量能量密度是各種燃料中最高的一種，但體積能量密度最低，其最大的使用障礙是儲存和安全問題。寶馬公司一直致力于氫氣發(fā)動機研制，開發(fā)了多款氫發(fā)動機汽車，其裝有V12氫發(fā)動機的7系列轎車是世界上首批量產(chǎn)的氫發(fā)動機，該發(fā)動機可使用氫氣和汽油兩種燃料。（四）二甲醚汽車二甲醚(DME)是一種無色無味的氣體，具有優(yōu)良的燃燒性能，清潔、十六烷值高、動力性能好、污染少，稍加壓即為液體，非常適合作為壓燃式發(fā)動機的代用能源，使用該燃料的車輛可達到美國加州的超低排放標準。日本NKK公司成功地開發(fā)出用劣質(zhì)煤生產(chǎn)二甲醚的設(shè)備，并且和住友金屬工業(yè)公司于1998年完成了用二甲醚作為汽車燃料的試驗，二甲醚汽車(DMEV)不會排放黑色氣體污染環(huán)境，產(chǎn)生的NOX比柴油少20%。（五）氣動汽車以壓縮空氣、液態(tài)空氣、液氮等為介質(zhì)，通過吸熱膨脹做功供給驅(qū)動能量的汽車稱為氣動汽車，氣動發(fā)動機不發(fā)生燃燒或其他化學反應(yīng)，排放的是無污染物輻射的空氣或氮氣，真正實現(xiàn)了零污染。目前開發(fā)比較成功的是壓縮空氣動力汽車(APV)，工作原理類似于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，只不過驅(qū)動活塞連桿機構(gòu)的能量來源于高壓空氣。APV介質(zhì)來源方便、清潔，社會基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費用不高，較容易建造。無燃料燃燒過程，對發(fā)動機材料要求低，結(jié)構(gòu)簡單，可借鑒現(xiàn)有內(nèi)燃機技術(shù)因而研發(fā)周期短，設(shè)計和制造容易。但目前APV能量密度和能量轉(zhuǎn)換率還不夠高，續(xù)駛里程短。1991年法國工程師GuyNegre獲得了壓縮空氣動力發(fā)動機的專利，并加盟MDI公司，2000年MDI公司推出的名為“進化”(evolution)的APV，質(zhì)量僅700kg，其發(fā)動機質(zhì)量僅為35kg，速度可達120km／h，一次充滿壓縮空氣可行駛200km，充氣費用僅為0.3美元，在城市中約可行駛10h，在壓縮空氣站充氣2min就可完成，用氣泵充氣3h可完成。（六）電動汽車世界上第一輛電動車(EV)由美國人在19世紀90年代制造。EV大致分為蓄電池電動汽車(BEV)、燃料電池電動汽車(FCEV)和混合動力電動汽車(HEV)。電動汽車的一個共同特點是汽車完全或部分由電力通過電機驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)低排放和零排放。蓄電池電動汽車是最早出現(xiàn)的電動汽車。使用鉛酸電池的汽車整車動力性、續(xù)駛里程與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車有較大的差距，而使用高性能鎳氫電池或者鋰電池又會使成本大大增加。而JtBEV都需有一定充電時間及相應(yīng)的充電設(shè)備，使用場合受到了限制。燃料電池具有近65%的能量利用率，能夠?qū)崿F(xiàn)零排放、低噪聲，國外最新開發(fā)的高性能燃料電池已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相當?shù)膭恿π阅?，發(fā)展前景很好，但成本卻是制約其產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。在加拿大進行的示范試驗表明，使用燃料電他的公共汽車制造成本為120萬加元，而使用柴油機的公共汽車僅為27.5萬加元?；旌蟿恿ζ嚾诤狭藗鹘y(tǒng)內(nèi)燃機汽車和電動汽車的優(yōu)點，同時克服了兩者的缺點，近年來獲得了飛速發(fā)展，并已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，PRIUS和INSIGHT兩款混合動力汽車的成功向人們展現(xiàn)了混合動力技術(shù)的魅力和巨大的市場潛力。（七）以植物油為燃料的汽車為了尋找可代替石油的新能源，科學家也將目光投向了植物油，正在研制以植物油如大豆油、玉米油及向日葵油為原料的內(nèi)燃機油?？茖W家們還在研究生物柴油，這是一種以植物油為原料的燃料，將來可作為柴油的替代品大量用于卡車和輪船。生物柴油中不含硫，因此不會對環(huán)境造成酸雨威脅。為生產(chǎn)生物柴油，化學家們正在對植物油進行酯化加工，使之變成甲基酯化合物，燃燒起來更干凈，發(fā)動機內(nèi)殘留物也較少。二、新能源汽車的優(yōu)點與實用范圍（一）優(yōu)點通過對處于磁路中的一段軟磁體迅速加熱并冷卻，使其溫度在其居里點上下周期性地振蕩，引起磁路線圈中的磁通量周期性地增減，從而感應(yīng)出連續(xù)的交流電。能量是通過燃燒產(chǎn)生熱能，再直接轉(zhuǎn)化為電能的。它的技術(shù)原理是物理原理，而通常概念中的電池，均屬化學原理，兩者不是一回事。采用外燃方式，發(fā)電過程高效平穩(wěn)，對燃料性質(zhì)要求不高，甚至可以用固體燃料作能源。能使熱能直接高效地轉(zhuǎn)化為電能，少了一個機械傳動的中間環(huán)節(jié)，計算值在40％以上；運動部件只有一個活塞，省去了機械傳動系統(tǒng)，因此使用壽命長，維護少，實現(xiàn)成本低，技術(shù)難度小。目前的燃料電池是通過低溫化學作用產(chǎn)生電能，因需要催化劑、燃料要求高等，難以商業(yè)轉(zhuǎn)化。這項技術(shù)完全克服了化學燃料電池的上述弱點。各種能源方案優(yōu)缺點綜合分析表類別能源來源能源效率排放制造成本使用成本維護成本補充燃料功率重量行駛里程配套設(shè)備普通內(nèi)燃機受限低差一般一般一般方便大輕>400完善純電池力一般最高無高最低高不方便小重<300不完善混合動力受限較高一般較高一般最高方便一般較重>500完善氫燃料電池困難高無高最高高不方便小一般<300不完善物理燃料電池豐富一般一般低低低方便大輕>600可擴展上表中，能源來源、能源效率、排放三項指標確定了方案的新能源特征，即政府的政策支持力度；制造成本、使用成本、維護成本三項指標確定了方案的市場成本，補充燃料、功率、重量、行駛里程、配套設(shè)備四項指標確定了方案的競爭力，即用戶接受程度。從上表中可以看出，純電池力、氫燃料電池雖然具有較優(yōu)的新能源特征，但市場競爭力弱，混合動力則具有微弱的優(yōu)勢。因此，混合動力屬于過渡方案，純電池力屬于輔助方案，而氫燃料電池屬于難以實施的方案。物理燃料電池則兼顧了新能源特征、市場及用戶的諸多優(yōu)點，所以具有廣闊的開發(fā)前景。（二）適用范圍新能源汽車、船等動力設(shè)備，分布式發(fā)電領(lǐng)域。1.提高舊能源汽車的效率目前的汽柴油內(nèi)燃機熱效率小于30%，如果算上機械效率以及其他的能量傳遞損失，則總效率僅占燃料放出熱能的15%左右。毫無疑問，如果能夠提高熱機的效率，則可在一定程度上緩解目前的石油危機。2.空氣動力汽車利用空氣作為能量載體，使用空氣壓縮機將空氣壓縮到30MP以上，然后儲存在儲氣罐中。需要開動汽車時將壓縮空氣釋放出來驅(qū)動啟動馬達行駛。優(yōu)點是無排放、維護少，缺點是需要電源、空氣壓力（能量輸出）隨著行駛里程加長而衰減、高壓氣體的安全性。3.飛輪儲能汽車利用飛輪的慣性儲能，儲存非滿負載時發(fā)動機的余能以及車輛長大下坡、減速行駛時的能量，反饋到一個發(fā)電機上發(fā)電，再而驅(qū)動或加速飛輪旋轉(zhuǎn)。飛輪使用磁懸浮方式，在70000r/min的高速下旋轉(zhuǎn)。在混合動力汽車上作為輔助，優(yōu)點是可提高能源使用效率、重量輕儲能高、能量進出反應(yīng)快、維護少壽命長，缺點是成本高、機動車轉(zhuǎn)向會受飛輪陀螺效應(yīng)的影響。4.超級電容汽車超級電容器是利用雙電層原理的電容器。在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。優(yōu)點是充電時間短、功率密度大、容量大、使用壽命長、免維護、經(jīng)濟環(huán)保等，缺點是功率輸出隨著行駛里程加長而衰減，受環(huán)境溫度影響大等。三、我國新能源汽車的發(fā)展概況我國天然氣資源豐富，分布廣泛，海南、北京、上海、重慶等省市被列為國家燃氣汽車重點示范城市，各地均在燃油汽車基礎(chǔ)上研制開發(fā)改裝了壓縮天然氣汽車和液化石油氣汽車，主要用于出租車、公交客車、大型車輛和工程設(shè)施等。一汽—大眾公司開發(fā)了捷達LPG，上海交大研制成LPG轎車并和申沃客車聯(lián)合開發(fā)成功改裝型LPG城市bus，北京開發(fā)了CNG城市bus。山西是產(chǎn)煤大省，甲醇汽車項目已進行多年，目前已達到商業(yè)運行階段，所用甲醇汽車采用靈活燃料系統(tǒng)，既可用甲醇，也可用汽油，將乙醇當作有氧燃料使用，現(xiàn)在在河北和黑龍江等地推廣。同時國家制定了乙醇汽油燃料相關(guān)標準。我國云崗汽車公司大同汽車制造廠開發(fā)了甲醇中巴車。我國煤炭資源豐富，政府支持以煤炭為原料制造車用燃料項目。煤直接液化和間接液化制取車用燃料的項目正在積極進行?！笆濉逼陂g在云南和陜西建立了煤直接液化示范廠，以煤為原料合成石油或二甲醚等車用燃料。西安交通大學與中國科學院煤化工研究所經(jīng)過5年協(xié)同攻關(guān)，于2000年研制出了“超低排放二甲醚汽車”，通過在TYll00單缸柴油機及裝備有大連柴油機廠生產(chǎn)的CA498柴油機的面包車上燃用二甲醚的試驗，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機的功率可提高10%-15%，熱效率提高2—3個百分點，噪聲降低10%-15%。我國從事燃料電池研究的單位有20余家，質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池技術(shù)已取得較大進展，但與國外還有不小差距，例如，國外將功率50—80kW的PEM燃料電池用于轎車，而我國最大的PEM燃料電池單堆功率為5kW，離轎車使用相距甚遠。我國的金屬燃料電池技術(shù)已經(jīng)達到世界先進水平。我國的鎳氫電池和鋰電池技術(shù)水平也已經(jīng)達到國際先進水平，比亞迪在2005年上海車展展出的E1電動車已經(jīng)具備了很好的整車動力性能。目前國內(nèi)對壓縮空氣動力汽車的研究報道最多的是浙江大學，他們已經(jīng)開發(fā)出壓縮空氣動力摩托車研究平臺，探索出不少有益的結(jié)論，正在進一步深入研究，此外重慶大學和同濟大學也做過一些探索性研究。應(yīng)當說APV在國內(nèi)的發(fā)展才剛剛起步。四、代用燃料汽車的發(fā)展前景在各種汽車代用燃料中，LPG和CNG最方便投入使用，而且目前已經(jīng)具有好的配套基礎(chǔ)設(shè)施。在排放和經(jīng)濟性能要求較高而動力性能要求一般的公共交通領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，美國近年來新型公交客車中天然氣汽車就占據(jù)了較大比例。在中國這樣的農(nóng)業(yè)大國特別是一些農(nóng)業(yè)大省，乙醇資源豐富，乙醇汽車有良好的應(yīng)用前景。二甲醚等合成燃料具有很好的排放特性，也將具有很好的應(yīng)用前景，特別是作為代用柴油應(yīng)用于混合動力汽車。混合動力汽車毫無疑問是下一代汽車動力系統(tǒng)的主要形式。蓄電池電動汽車的使用性能不如混合動力汽車和燃料電池汽車，且成本高。氫燃料發(fā)動機的能量利用率不如氫氧燃料電池。因而蓄電池電動汽車和氫發(fā)動機汽車的發(fā)展前景不是十分樂觀。當然隨著太陽能電池技術(shù)的發(fā)展和突破，也許純電動汽車能迎來一個不錯的發(fā)展局面。壓縮空氣動力汽車雖然實現(xiàn)了零污染，但其整車性能與傳統(tǒng)汽車相差太遠，只能在較小的范圍內(nèi)應(yīng)用于特定場合。燃料電池是目前技術(shù)條件下能量利用率最高的車用能源。燃料電池的比能量可達200—350Wh／kg，為鋰離子電池的2—3倍；能量轉(zhuǎn)換效率高達60%～80%，是汽油機或柴油機的1.5～2倍，能實現(xiàn)超低污染甚至零污染，而且燃料電池使用的氫能源是可再生的。目前以甲醇燃料電池技術(shù)最為成熟。國外各大石油公司和汽車均在致力于燃料電池汽車的研發(fā)以搶占在未來汽車發(fā)展中的灘頭。戴姆勒—奔馳汽車公司從1993年到2000年先后推出了NecarI—NecarⅣ和Nebas等系列FCEV，2001年5月Necar4在美國試車，功率55kW，最高車速145km／h，裝載行程450km，最新推出的NecarV-FCEV采用甲醇燃料電池。1997年Ballard動力公司和福特汽車公司組建了Xcellsis公司開發(fā)燃料電池轎車，美國AR—CO、殼牌、德士古等石油公司和加州CARB先后加盟，組成世界上最強大的燃料電池車開發(fā)聯(lián)盟。日本電力中央研究所正在開發(fā)一種全面使用耐熱陶瓷的燃料電池，電池在發(fā)電效率非常高的1