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1、 汽车新能源技术应用方案 1 绪论目前，各国能源消费依然严重依赖石油，而石油储量有限的事实向全球经济发展提出了严峻的挑战。自2006年起，中国取代日本成为仅次于美国的世界第二大新车消费市场。中国能源问题已经成为国民经济发展的战略问题，并成为中国能源安全战略的核心内容。汽车能源消耗不仅是造成全球石油短缺的主要原因，也是环境污染和全球温室气体排放的重要原因。目前有80以上的一氧化碳、40以上的氮氧化物以及2030的城市颗粒污染物，均来自于机动车尾气的排放。环境污染的问题越来越引起我国的重视，实现交通能源动力系统转型、发展新能源汽车将是未来汽车行业发展的主要方向1。欧、美、日各国把发展新能源汽车作为
2、解决目前能源短缺的重要途径，但在不同时期的新能源汽车技术路径是不同的。总的来看，新能源汽车发展趋势可归纳为：能源逐渐由化石燃料向可再生、低排放甚至零排放的能源形式过渡是基本趋势，电能、生物燃料和氢能将是汽车能源的最终解决方案。但在电能、生物燃料和氢能最终替代化石燃料前，汽车能源呈现多元化局面。新能源汽车技术将出现多种技术共存的的局面，先进汽油车、先进柴油车、混合动力汽车、纯电动汽车、天燃气汽车、醇类燃料汽车、燃料电池汽车都将占据一定的市场份额。但是由于目前汽车新能源汽车技术繁多，每个国家在新能源汽车领域发展方向有所不同。本课题以此为出发点，着重分析目前新能源汽车技术优缺点，并最终得出电动汽车将
3、是未来发展趋势。然而,电动汽车由于目前在蓄电池技术上存在着续航能力不足，充电时间过长等问题。通过分析本课题最终提出解决这一问题的主要方案就是加快充电站的建设，并且充电站建设将是以更换电池为主，整车充电为辅的运营模式。电动汽车 电动汽车是以电力作为能源，由电动机驱动的汽车。在外型上电动汽车与传统的汽车并无显著区别，它们的主要区别在于动力源和驱动系统。目前电动汽车的种类主要包括：纯电动汽车、混合动力电动汽车以及燃料电池电动汽车三类。纯电动汽车完全由蓄电池提供电能，经过电动机和驱动系统，驱动汽车行驶，如果一辆电动汽车同时采用电动机和发动机作为动力驱动系统，就构成了所谓混合型电动汽车或称混合动力汽车；
4、如果采用燃料电池作为电源就称为燃料电池汽车。由于电能是二次能源，它可以来源于如风能、水能、核能、热能、太阳能、等多种方式，所以电动汽车是非常有发展前景的替代能源汽车。目前，制约电动汽车发展的主要因素为蓄电池技术。纯电动汽车目前纯电动汽车系统主要由三个子系统组成(图2.2)，即电力驱动子系统，能源子系统和辅助控制子系统。其中，电力驱动子系统由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成；能源子系统由主电源和能量管理系统组成，能量管理系统是实现能源利用监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件；而辅助控制子系统(整车控制器)，它接受驾驶员的踏板信号和其它信号，然后作出相应的判断，控制各个部件作出
5、动作，驱动汽车正常行驶，并尽可能实现比较高的能量使用效率。电动汽车与传统汽车相比结构简单。传统汽车的动力是通过刚性联轴器和传动轴传递的，而电动汽车的能量则基本上是通过柔性的电线传输的，并且其电机及传动系可以有多种不同的选择，因此电动汽车各个部件的选择和布置有很大的灵活性。(1) 电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电机、电源和电机的调速控制装置等组成。电动汽车的其它装置基本与内燃机汽车相同。电源为电动汽车的驱动电机提供电能，电机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。(2) 驱动电机的作用是将电源的电能转化为机械
6、能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。原来电动汽车上广泛采用直流串激电机，但直流电机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电机(BCDM)、开关磁阻电机(SRM)和交流异步电机所取代4。 (3) 电机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电机的电压或电流，完成电机的驱动扭矩和旋转方向的控制。早期的电动汽车上，直流电机的调速采用串接电阻或改变电机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地
7、改变电机的端电压，控制电机的电流来实现电机的无级调速5。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其它电力晶体管斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。在驱动电机的旋向变换控制中，直流电机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电机的旋向变换，这使得电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电机驱动时，电机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。(4) 电动汽车传动装置的作用是将电机的驱动扭矩传给汽车的驱
8、动轴，当采用电力驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略，如无需传统内燃机汽车的离合器，因为电机可以带负载起动。电动汽车也无需内燃机汽车变速器中的倒档。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换。当采用电机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电力驱动时，电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。混合动力电动汽车混合动力电动汽车是指包含两种或两种以上动力源并能协调工作的车辆。混合动力电动汽车充分利用各种动力源的优点，通过自动控制形成最优匹配，通常其中一种动力源可以存储另一种动力源的多余能量以及回收存储车辆减速时的制动能，能将它们传输给传动系统，供附件使用或用于协助驱动车
9、辆6。混合动力电动汽车有串联混合动力电动汽车、并联混合动力电动汽车和混联混合动力电动汽车三种类型。(1) 串联式混合动力系统：发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。尽管串联式混合动力的结构简单，但它需要三个驱动装置：发动机、发电机和电动机。此外，该种混合方式的车辆的效率通常较低。(2) 并联式混合动力系统：采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮。发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮，可以采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或者发动机和电动机混合驱动三种工作模式。当发动机提供的功率大于车辆所需驱动功率时或
10、者当车辆制动时，电动机工作于发电机状态，给蓄电池充电。与串联式混合动力相比，它只需要两个驱动装置，即发动机和电动机。在蓄电池放完电之前，如果要得到相同的性能，并联式比串联式的发动机和电动机的尺寸要小。(3) 混联式混合动力系统：在结构上综合了串联式和并联式的特点。与串联式相比，混联混合动力电动汽车增加了机械动力的传递路线；与并联式相比，它增加了电能的传输路线。尽管综合了串、并联的优点，但其结构复杂，成本高。然而，随着控制技术和制造技术的发展，一些现代混合动力电动汽车更倾向于选择这种结构。 汽车新能源技术的主要比较混合动力汽车由于目前纯电动汽车在使用中受到电池续航能力以及充电设施建设不完善，因此
11、在传统能源汽车向纯电动汽车过渡这段时期，混合动力汽车起着关键的作用。优点：采用混合动力后可按平均需要的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。可以利用现有的加油站加油，不必再投资。可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放
12、，延长其使用寿命，降低成本。缺点：长距离高速行驶基本不能省油。燃料电池汽车氢燃料电池汽车中最重要的技术就是质子交换膜，由于现在质子交换膜造价较高且技术大部分掌握在少数国家里，因此氢燃料电池在应用普及方面受到了很大的限制。优点：运行平稳、无噪声。能源来源广泛，可以是氢气、甲烷、乙醇等。以氢作为燃料的燃料电池，它的能量转化不受卡诺循环规律的限制，热效率较高。缺点：质子交换膜成本过高。氢的制取成本过高。加氢站建设成本过高。纯电动汽车纯电动汽车通过车辆自身携带的高效储能电池向电动机供电，由电动机直接向驱动轴输出扭矩，汽车取消了传统的内燃机、离合器、等一些复杂的传动装置。因此很多人认为纯电动汽车将是未来
13、新能源汽车发展的主要方向。优点：废气排放为零。几乎无机械噪声，且运行平稳。使用成本较低。结构简单，省去很多机械装置。缺点：蓄电池使用寿命较短且续航能力不足。充电设施建设不完善综合比较 从环保性、全寿命成本、安全性、续驶里程等方面的全面比较可以看出，各类技术都有其优缺点，相比较而言，目前电动汽车的技术更趋成熟。电动汽车的应用缺陷和瓶颈 目前，电动汽车技术趋于成熟，但在续驶里程、制造成本等方面还无法与传统燃油汽车相比。作为动力源的各类型蓄电池不同程度地存在着成本高、功率小、体积和重量大、充电时间长等问题，是电动汽车发展和普及应用的瓶颈。归纳起来存在：续驶里程有限；蓄电池使用寿命太短；电池价格昂贵；
14、充电时间和充电网点短期内不能得到有效解决等问题。 电动汽车应用的解决方式目前解决电动汽车电池续航时间短的方法是加快充电站以及换电站的建设,只有将这些基础设施建设完善才能弥补目前蓄电池技术的不足。在我国，电动汽车充电站的业务才刚刚起步，运营模式还没形成，各个相关的利益群体对产业发展的倾向也不尽相同。根据技术与充电方式的不同，电动汽车充电站的运营模式基本上可以分为“整车充电”与“电池更换”两种模式。整车充电模式 整车充电模式是很多国家研究试验的重点，这种模式把电池与车辆作为一个整体来考虑，其规模化发展的关键是能够研制生产出“容量大、成本低、充电快、寿命长”的电池产品7，在便捷性上满足用户的需求，具
15、体又包括常规充电和快速充电两种类型。 常规充电 蓄电池在放电终止后，应立即充电，充电电流相当低，大小约为15A，这种充电叫做常规充电(普通充电)。常规蓄电池的充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，一般充电时问为58h，甚至长达10至20多个小时。尽管充电时间较长，但因为所用功率和电流的额定值并不关键，因此充电器和安装成本比较低；可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本；可提高充电效率和延长电池的使用寿命8。这种充电方式通常适用于：设计电动汽车的续驶里程尽可能大，需满足车辆一天运营需要，仅仅利用晚问停运时间充电。现阶段技术条件下，电池的续驶里程大约为200km，像私家车、市内环卫车、企业商务
16、车等车辆日均行驶里程都在电池的续驶里程范围之内，均可采用常规充电的方式。快速充电 快速充电又称应急充电，是以较大电流短时间在电动汽车停车的20min至2h内(具体的充电时间由电动汽车动力电池的接收能力而定)，为其提供短时充电服务，一般充电电流为150400A。充电时问短；充电电池寿命长(可充电2000次以上)；没有记忆性，可以大容量充电及放电，在几分钟内就可充7080的电；由于充电在短时问内(约为1015min)就能使电池储电量达到8090，与加油时间相仿，使电动汽车使用起来非常方便。这种充电方式适用情况为：电动汽车的日平均里程大于电池的续驶里程即200km，即在车辆运行的间隙进行快速补充电，
17、来满足运营需要；比如公交车、出租车等车辆它们的日平均行驶里程在300km左右，则还有100km左右的电量需要在峰、平时段通过快速充电的方式进行补充。当然也可以采用更换电池的方式来进行能量的补给9。 更换电池模式 更换电池模式也称租赁电池模式，是一种把车辆与电池分开考虑的思路。用户只购买汽车，由专门的电池租赁公司负责电池的购买、租赁、充电、快速更换及管理。可以让用户像“汽车加油”一样方便地得到能源供给。它的运营模式是通过各个电池更换站集中对标准化的电池充电，电动汽车用户需要补充能源时，可以非常方便地到任意一个更换站更换充好的电池。电池更换站的运用模式可以分为以下几点。电池租赁能源供给企业购买电池
18、后通过向中间运营商(建站企业)支付一定的建站费用来进行更换站的建设。电动汽车用户在购买“裸车”后，去电池更换站办理相应的“租赁手续”及交一定的租金就能使电动汽车投入使用。租赁的手续及租金由相关部门协商而定，对于租金可以肯定的是，因为换给消费者的是一块充满电的电池，加上一些其它成本，租赁电池的价格肯定要比消费者自己在家充电贵，但是绝对远远低于燃油的费用。用户在电池的使用过程中不仅要交租金，每次更换电池时根据电池电量的消耗情况用户还要向电池更换站交纳相应的所用电费。 电池的快速更换 为了使得更换更加快捷，需要更换电池的车辆进站之前应向站台提出电池更换请求，以便站台调度安排停车位置、通知电池更换库准
19、备整车更换电池并运至更换电池区、准备卸载设备。当车辆进站后，根据调度指令将车开到更换电池区准确位置，准备更换电池。电池的维护 当电池在使用过程中，个体电池的容量会出现严重不均衡的现象。这样在电池串联充电时，只要有一只电池的充电电压达到最高限制电压，就要立即停止充电，而此时电压较低的个体电池还处于欠充状态；反过来在电动汽车行驶过程中，只要有一只电池的电压下降到最低限制电压，就要断开动力电池停止放电，而此时电压较高的个体电池容量不能充分利用10。这样长期循环使用下去，电动汽车动力电池的容量会越来越不均衡，一次充满电的行驶里程会大大降低。为充分利用锂离子动力电池的储能效率，降低使用成本，充电站建设需
20、要设置电池容量测试与充放电维护设备，当电动汽车动力电池的容量明显出现下降时，利用该设备可以对单个电池进行容量测试，并对容量落后的电池进行多次的充放电操作，使其活性物质充分激活，容量得到恢复。 结 论在未来的20年内，汽油和柴油仍是汽车主要的能量来源，但汽油和柴油的质量要求越来越高，发动机技术将快速发展以提高能量利用率。代用燃料会得到迅速运用，天然气汽车和乙醇汽车会率先大规模投入使用，纯电动汽车和燃料电池汽车将会逐步扩大应用。其中混合动力汽车将会得到快速发展和应用，混合动力汽车将至少在30年内都是汽车工业最切实可行的解决能源问题和污染问题的途径。而纯电动汽车将是未来新能源汽车发展的最终方向。但是由于目前电动汽车电池续航能力不足，以及充电站网点建设的不足等，制约其在短时期内的运用。但随着充电站以及换电站的建立，纯电动汽车技术将会逐步取代目前的任何新能源汽车技术，最终发挥其在零排放、动力性强、经济性、使用成本低方面的优势。