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新能源技术在汽车工业中的应用
新能源技术在汽车工业中的应用
钱兴海
摘要:
20世纪90年代以来,随着国际能源供应的持续紧张、原油价格的持续上涨以及全球环境保护呼声的日益高涨,新能源汽车的技术研发和产业化发展受到了越来越多的重视。
目前的新能源汽车技术主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、氢能和燃料电池汽车、乙醇燃料汽车、生物柴油汽车、天然气汽车、二甲醚汽车等类型。
基于这一点,本文首先对新能源汽车进行定义,并总结了国际和国内对新能源汽车产业的研究成果。
然后对多种新能源汽车如混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、氢动力汽车、醇醚汽车、天然气汽车的技术特点进行优缺点对比,对新出现的新能源汽车方案进行探讨。
最后对新能源汽车技术的发展趋势和前景做出个人预见。
关键词:
新能源汽车类型发展前景
TheApplicationofNewEnergyTechnologyinAutomotiveIndustry
QianXinghai
Summary:
Sincethe1990s,alongwiththecontinuoustensionofinternationalenergysupplies,theriseofoilpricesandthevoiceofglobalenvironmentalprotection,theR&Doftechnologyofnewenergyvehicleanditsindustrializationaremoreandmoretakenintoaccount.Currentnewenergyvehiclesseparateintocategories,suchasHybridElectricVehicle,BatteryElectricVehicle,HydrogenandFuelCellElectricVehicle,EthanolFuelVehicle,BiodieselFuelVehicle,NaturalGasFueledVehicle,Dimethyl-carbinolFuelVehicle,andsoon.Aboveall,itwilldefine“newenergyvehicle”inthisarticle.Next,itwillsummarizenewenergyresearchbothintheinternationalanddomesticautomotiveindustry.Itwillalsocompareadvantagesanddisadvantagesoftechnologywiththedifferentnewenergyvehicles,suchasHybridElectricVehicle,BatteryElectricVehicle,FuelCellElectricVehicle,HydrogenFuelVehicle,EtherFuelVehicleandNaturalGasFueled.Intheend,therewillbeaforecastonthedevelopmentandprospectoftechnologyofnewenergyvehicles.
Keyword:
NewEnergyVehiclesCategoryProspects
目录
致谢22
第一章绪论
20世纪90年代以来,随着环境保护呼声的提高和近年来国际能源供应尤其是原油供应的持续紧张,主要发达国家的研究机构和汽车厂商纷纷加大了对新能源汽车技术的开发投入,以替代以石油为燃料的传统汽车,形成了多种技术共同发展的局面,部分技术已经在商业化领域取得了重要进展。
以日本、美国和欧盟为代表的主要国家和地区,特别是丰田、宝马、通用、本田、大众等主要汽车厂商根据本国和公司的实际情况,先后采取了不同的新能源汽车技术发展策略,研发成功了多款新能源概念车型和应用车型,其中一些成熟的技术己经成功实现了产业化。
目前的新能源汽车技术主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、氢能和燃料电池汽车、乙醇燃料汽车、生物柴油汽车、天然气汽车、二甲醚汽车等类型。
日本在混合动力汽车方面技术最为先进;美国将新能源汽车研发重点放在氢能和燃料电池汽车,同时大力推动生物燃料汽车的产业化;欧洲在混合动力、纯电动汽车、氢能和燃料电池汽车方面都有设计,在产业化领域也大力推广生物燃料汽车。
其他国家也积极加入到新能源汽车的研发与应用领域,巴西在生物燃料汽车应用方面处于世界领先水平,是目前最大的乙醇汽油和生物柴油汽车应用国家之一;挪威和加拿大积极发展氢能源,都提出了建设“氢高速公路”计划,并已经取得了重要进展。
我国新能源汽车总体上起步较晚,与世界先进水平存在较大差距,但在部分领域也处于较为先进的水平。
目前我国在混合动力、氢能和燃料电池汽车方面远远落后与世界先进水平,没有在关键技术研发领域取得重要突破。
在纯电动汽车甲醚汽车方面,我国已经成功研发一系列轿车和客车产品,并进行了示范运行和产业化发展尝试,步入了国际领先行列。
在产业化应用领域,我国己经开始推广乙醇汽油汽车、生物柴油汽车和天然气汽车,其中乙醇汽油汽车和生物柴油汽车逐步扩大了试点范围,但受到非粮食生物能源发展滞后的限制,我国在推广乙醇汽油和生物柴油汽车方面仍相对落后;而天然气汽车发展相对顺利,在部分地区已经进行了大规模的推广,应用规模进入世界前列,但是也存在应用地区和应用范围较窄的问题。
本文首先对新能源汽车进行定义,并总结了国际和国内对新能源汽车产业的研究成果。
然后对多种新能源汽车如混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、氢动力汽车、醇醚汽车、天然气汽车的技术特点进行优缺点对比,对新出现的新能源汽车方案进行探讨。
最后对新能源汽车技术的发展趋势和前景做出个人预见。
第二章新能源汽车技术的相关理论与研究回顾
2.1新能源汽车的定义
新能源汽车是相对于传统燃料汽车而言的,由于新能源汽车发展较晚,目前尚没有被统一认可的定义。
按照定义范围的大小,可以分为广义新能源汽车和狭义新能源汽车两种。
广义新能源汽车,又称代用燃料汽车,是指使用了除汽油和柴油等石油能源作为动力来源的汽车,既包括了全部使用非石油燃料的汽车如纯电动汽车、燃料电池电动汽车,也包括部分使用非石油燃料的汽车如混合动力电动车、乙醇汽油汽车等。
这种定义涵盖了目前新型动力汽车,主要可以分为混合动力电动汽车(HEV,又称混合动力汽车)、纯电动汽车(BEV)、燃料电池电动汽车(FCHV或FCV,又称燃料电池汽车)、氢燃料汽车、二甲醚汽车、甲醇汽车、天然气(包括压缩天然气CNG,液化天然气LNG和液化石油气LPG)汽车、乙醇燃料汽车等。
狭义新能源汽车的定义缩小了汽车动力来源范围。
按照2007年公布的国家《新能源汽车生产准入管理规则》的定义,新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。
非常规的车用燃料指除汽油、柴油、天然气(NG)、液化石油气(LPG)、乙醇汽油(EG)、甲醇、二甲醚之外的燃料。
新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车(BEV,包括太阳能汽车)、燃料电池电动汽车(FCEV)、氢发动机汽车、其他新能源(如高效储能器)汽车等。
按照这个定义,甲醇汽车、天然气(包括压缩天然气CNG,液化天然气LNG和液化石油气LPG)汽车、乙醇汽油汽车等均被排除在外。
狭义新能源汽车代表了新能源汽车中科技含量高、燃料清洁的技术,这样的分类方法有助于国家制定相关产业政策。
但是这样的分类方法也将很多有潜力的代用燃料汽车如乙醇燃料汽车、天然气汽车等排除在外,可能造成公众对这些代用燃料的能量效率和环保效果产生错误的认识,不利于这些代用燃料汽车的推广。
特别是对中国这样的发展中国家来说,由于狭义新能源汽车都属于新兴技术、技术要求和成本都比较高,短期内很难进行产业化,而代用燃料汽车如天然气汽车、生物燃料汽车等在能量效率和环保方面存在积极作用,尤其是对于中国这样一个发展中的汽车新兴市场来说,这些代用燃料汽车具有成本较低、技术过渡相对容易的优点,完全可以成为我国汽车技术革新的过渡性技术。
因此,本文所定义的新能源汽车采用的是广义新能源汽车定义,即包括天然气汽车、乙醇燃料汽车、二甲醚汽车等在内的所有使用非石油燃料的汽车。
2.2国内外关于新能源汽车产业研究回顾
2.2.1国际相关研究
由于除少数领域外新能源汽车技术属于新兴汽车技术,目前针对新能源汽车的研究主要集中在技术研发和产业化理论和实践探索方面。
美国、欧洲和日本是新能源汽车技术和产业化探索的领先者,在技术研发领域,美国、欧洲和日本都不同程度的采用了政府、企业和研究机构相结合的研发体系。
在研究重点方面,日本偏重混合动力技术,已经开发出了可以大规模应用的油-电混合动力技术;美国在油-电混合动力技术方面落后于日本,技术研发的重点在氢燃料电池汽车和可充电式混合动力汽车,在应用领域美国已经开始大规模推广乙醇燃料汽车;欧洲在混合动力技术、纯电动汽车技术和氢燃料汽车领域都有涉及,氢燃料汽车是欧洲研发的重点,其中既有氢燃料电池汽车也包括氢内燃机汽车,此外欧洲在生物柴油汽车产业化应用领域处于世界领先地位。
在理论研究领域,由于新能源汽车技术和产业化尚处于初级阶段,并且通常都是由政府主导、企业和研究机构共同参与的研究和推广项目,因此目前对新能源汽车相关理论研究主要表现为政府、企业和研究机构所的产业分析、技术分析、项目成果与评估报告等形式,其成果一般发表在新能源汽车相关的国际会议上,如2007年北京清洁能源技术研讨会。
美国在新能源相关理论研究方面,主要集中在氢能源和燃料电池汽车产业化领域。
JohnR.Wilson&GriffinBurgh(2003)在氢能源研究报告中通过对氢能源的制取、运输、氢能来源等内容的研究,分析了氢能源在美国能源独立方面的作用,认为尽管氢能源是不会直接造成有害气体和温室气体排放的清洁能源,具有很大的潜力成为石油燃料替代品,但是大规模应用氢能源将会面临技术、热动力损失、规模和安全等多方面的问题,而且氢能源配套技术和基础设施的发展严重滞后于氢燃料汽车技术,因此美国发展氢能源还需要克服许多技术和经济上的困难。
JosephRomm(2004)在对FreedomCAR项目的评估中认为氢能和燃料电池汽车最早也只能在2030年开始普及,美国能源部应当氢能源研究的重点放在开创性技术突破研究方面。
美国国家氢能协会(NHA)(2007)认为氢能源能够带来能源安全、环境改善和经济成长,在未来5-15年内氢能源技术将会加速发展,氢能来源也可以实现多样化,政府需要在关键技术研发和基础设施领域为氢能源的发展提供支持。
此外,美国乙醇协会(ACE)还发布了《2007美国各州乙醇燃料发展报告》,总结了美国乙醇燃料发展的现状和政策。
美国能源基金会(2006)启动了混合动力汽车科研及产业化促进政策研究,对促进混合动力汽车产业的政策进行了总结和评估。
欧盟委员会(2003)公布了1999-2002年欧洲燃料电池和氢能项目发展情况,从燃料电池网络、氢能生产与存储、可再生氢能、氢能基础设施网络等多方面欧洲在氢能与燃料电池方面的进展。
在2007年10月欧洲氢能协会慕尼黑会议上,AndreMartin发布了关于欧洲企业集团建立燃料电池和氢能共同技术计划(JTI)的研究。
JohannesTopler,JozsefMargitfalvi和AntonioGonzalez分别总结了德国、西班牙与匈牙利氢能与燃料电池研发、应用及相关组织的发展情况。
在2008年1月欧洲可持续发展周(EUSEW)布鲁塞尔会议上,VolkerBlandow与LudwigBoelkow总结了欧洲氢能源交通示范项目的发展情况,既包括了欧盟委员会支持的示范项目也包括欧盟成员国进行的示范项目。
LindeGas公司总结了氢能生产的主要技术,包括传统制氢方法和可再生制氢方法,并预测了未来氢能产量发展趋势。
AndreMartin总结了目前氢能和燃料电池汽车技术的主要进展和欧盟委员会主导下的联合技术计划(JTI)的发展战略、组织结构、实施阶段与时间表等内容。
HeinrichKlingenberg总结了欧洲氢燃料电池公共交通系统示范运行中的主要经验和教训,并对未来市场导入进行了计划。
日本方面,YoichiKaya(2006)在评估了氢能和燃料电池的环保效果、能量效率后认为,未来随着全球变暖问题的加剧,世界对于氢能源的需求将会更加迫切,氢能作为清洁能源在未来具有很大的发展潜力,关键问题是要提高初级能源转化为氢能的效率和加强氢能源基础设施建设。
MasonoriMonde(2007)总结了日本JHFC氢能加气站的建设运营情况,证实了氢能的环保性能,并提出了下一阶段日本发展氢能和燃料电池基础设施的建议。
HasishiIshitani(2007)总结了日本在混合动力汽车特别是可充电式混合动力汽车和纯电动汽车研发和产业化方面的政策体系、企业组织关系、总体战略和未来政策目标等方面内容,强调建议全社会参与的新能源汽车发展体系。
2007年10月在北京召开的国际清洁能源技术研讨会是一次大型的综合性新能源与替代燃料会议,讨论了包括政策法规与示范推广、纯电动与混合动力汽车、燃料电池汽车、代用燃料、车用驱动电机、代用燃料汽车等在内的7个专项议题。
在政策法规与示范推广专题方面,美国能源部代表FredJoseck总结了美国在氢能与燃料电池汽车专项计划的政策体系、研究计划、主要进展和面临的主要问题。
戴姆勒公司代表MonikaKentzler总结了欧洲清洁城市交通计划示范项目的主要情况和经验。
AnneMaritHansen介绍了挪威、瑞典和丹麦等北欧国家在氢能应用方面的进展,特别是挪威“氢能高速公路”计划的详细内容与进展。
此外,通用汽车介绍了其在混合动力、纯电动汽车己经燃料电池汽车发展方面的战略布局、主要成果和示范运行项目中的实证分析。
RobertK.Dixon和MingYang总结了全球在氢能研发、基础设施方面的投入情况,并根据条件不同预测了未来新能源汽车发展的走势。
此外,2008年在美国举办的国际纯电动汽车会议上,丰田汽车、通用汽车、伊顿公司、日本JHFC、摩纳哥政府等参与者共同讨论了混合动力汽车(包括可充电式混合动力汽车)的技术发展与展望、纯电动汽车普及的政策措施等内容。
2008年泰国举办的代用燃料汽车会议主要讨论了天然气汽车和双燃料汽车的发展现状、技术评估、研究和产业化进展、产业政策体系等内容。
2.2.2国内相关研究
由于我国新能源汽车产业起步较晚,除技术领域的研究外,我国在新能源汽车产业化方面的研究主要可以分为两个部分,即对国际经验的总结和对我国新能源汽车研发和产业化战略的分析。
在总结国际经验方面,863电动汽车重大科技专项办公室(2004)发布了《全球氢能研发及相关政策调查报告》,总结了世界各国在氢能研发现状和政策体系,报告认为尽管氢能发展受到了广泛重视,氢能和燃料电池汽车产业化还需要较长时间,欧洲、日本和美国以及巴西和东亚,将存在使用氢和燃料电池轿车和公交车的非常大的市场。
井志忠(2007)对日本新能源产业的发展模式进行研究,总结了日本新能源产业发展的动因、政策扶持体系和官产学一体化的研发与应用格局。
黄振邦和吴森(2007)总结了混合动力电动汽车不同种类车型的特点和研究开发现状,并对其前景进行了展望。
姚宾玉和任香蝶(1996)通过对国内外发展电动汽车现状和经验的分析,探讨了我国发展实用电动汽车的可行性并提出建议。
李宏志(1997)总结了国外电动汽车推广发展策略,并对中国电动汽车的发展提出了政策建议。
在我国新能源汽车研发和产业化发展战略方面,在国家发改委、科技部和交通部等部门主导下联合通用汽车、大众汽车等企业和美国能源基金会、德国科技部等海外组织进行了新能源汽车相关产业的资源和样本调查、技术评估、市场前景、发展战略等各方面的研究。
在资源和运行样本调查方面,大众汽车进行了中国车用能源的研究(2003-2007),本田对中国四个城市天然气汽车运行进行了调查(2007),科技部启动了清洁汽车发展模式及多元化车用能源研究(2006)。
2007年,国务院新闻办公室发布了《中国的能源状况与政策》白皮书,分析了我国能源发展现状、战略和目标,确定了全面推进能源节约、促进能源技术进步的发展战略。
在对新能源汽车技术的环保性、经济等的研究方面,科技部(2003)进行了清洁汽车发展战略研究及清洁汽车技术评价专项研究,美国能源基金会(2003)对中国代用燃料汽车进行了3E评价研究,此外通用汽车(2006-2007)、丰田汽车(2003)和国家发改委(2007)也分别对中国各种车用燃料的能量消耗和温室气体排放,和清洁汽车技术的经济性、安全性和环保性评估以及未来中国交通能耗及节能技术进行了研究和评价。
在新能源汽车产业发展战略和政策方面,国家科技部联合德国交通部(2005)对中国道路交通能源发展战略和中国可再生车用能源发展战略进行了研究,科技部(2005)对中国电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车的公告管理制度进行了研究,美国能源基金会(2006)研究了中国混合动力汽车科研及产业化促进政策,大众汽车(2006)研究了混合动力汽车在国内的市场前景,丰田汽车对替代燃料汽车普及的优惠税制的政策效果进行了研究并提出了政策建议。
此外,国内研究机构对新能源汽车产业化战略特别是电动汽车产业发展战略也进行研究。
胡斌祥(2001)对我国电动汽车产业发展战略进行了研究,提出我国电动汽车产业发展的创新体系和政策体系。
胡树华和杨威(2004)对我国电动汽车产业化战略进行了分析,并提出了发展战略建议。
白木和周洁(2003)总结了我国电动汽车产业化发展概况,并提出了相应的政策建议。
熊建和管华(2002)研究了我国混合动力电动客车的发展及其产业化。
陈松辉和孙兆棋(2004)总结了广东发展电动汽车产业政策并对其进行了评价。
第三章新能源汽车的技术分析
目前,新能源汽车技术主要可以分为混合动力、纯电动、氢动力、乙醇动力、燃料电池、燃气(主要是CNG,LPG,LNG)动力、二甲醚动力和其他类型等类别。
其中混合动力汽车以丰田、本田为代表,技术最为成熟,已经在北美、日本和欧洲成功实现了商业化。
纯电动、燃气动力、氢动力、乙醇动力和二甲醚动力汽车在技术上己经取得了重要突破,分别在不同的国家进行了部分商业化运营的尝试,己经取得了主要的进展。
燃料电池汽车目前仍处于实验阶段,距离商业化生产还有很长的时间。
3.1混合动力汽车技术
混合动力汽车英文缩写为HEV,即HybridElectricVehicle。
2003年,联合国将“混合动力车”的定义规定如下:
所谓混合动力车是“为了推动车辆的革新,至少拥有两个能量变换器和两个能量储存系统(车载状态)”的车辆。
由于目前混合动力汽车广泛采用电动作为辅助或者主要动力,如果更严格的定义,根据国际电工委员会电动汽车技术委员会的建议,对混合动力汽车的定义为:
有多于一种的能量转换器能提供驱动动力的混合型电动汽车,即使用蓄电池和副能量单元(AuxiliaryPowerUnit。
简称APU)的电动汽车。
这个辅助动力单元实际上是一部燃烧某种燃料的原动机或动力发电机组。
燃料可以是汽油,柴油,也可以是甲醇,酒精,液化石油气,天然气等代用燃料。
选用的原动机可以是内燃机,也可以是燃气轮机等其它热机。
它主要包括内燃机,电动机,发电机,蓄电池以及控制系统等,根据汽车运行情况的要求,内燃机与电动机进行优化耦合,以实现汽车的良好的动力性,燃油经济性,排放性能,可靠性,安全性和适用性等指标。
混合动力汽车的关键是混合动力系统,它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。
经过十多年的发展,混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展,即集成化混合动力总成系统。
混合动力汽车是传统内燃机汽车与电动汽车相结合的产物,它继承了电动汽车低排放的优点,又发挥了石油燃料高的比能量和比功率的有点,显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性,增加了电动汽车的续驶里程,在由内燃机汽车向电动汽车的转变过程中扮演着重要的角色。
目前主要的混合动力汽车按照动力系统结构,可以主要分为串联式混合动力汽车(SHEV)、并联式混合动力汽车(PHEV)和混联式混合动力汽车(PSHEV)。
串联式混合动力汽车(SeriesHybridElectricVehicle,SHEV),其混合动力系统用电动机驱动车轮,电动机的电力来自发动机。
串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成,它们之间用串联的方式组成SHEV的动力单元系统。
负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动,负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。
当电动车处如启动、加速、爬坡的工况时,发动机一电动机组和电池组共同向电动机提供电能;当电动车处低速、滑行、怠速的工况时,则由电池组驱动电动机,由发动机一发电机组向电池组充电。
这种串联式电动车不管在什么工况下,最终都要由电动机来驱动车轮。
由于内燃发动机的动力是以串联的方式供应到电动机,所以称为“串联式混合动力系统”。
并联式混合动力电动汽车(ParallelHybridElectricVehicle,PHEV),混合动力系统使用电动机和发动机两种电力来驱动车轮用发动机来给HV蓄电池充电,并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车,发动机与电动机分属两套系统,可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩,在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。
电动机既可以作电动机又可以作发电机使用,又称为电动一发电机组。
由于没有单独的发电机,发动机可以直接通过传动机构驱动车轮,因此该装置更接近传统的汽车驱动系统,得到比较广泛的应用。
混联式(串、并联式)混合动力电动汽车(SplitHybridElectricVehicle,PSHEV),混合动力利用电动机和发动机来驱动车轮,并可用发电机来发电及自行充电。
混联式混合动力利用电动机和发动机这两个动力来驱动车轮,同时电动机在行驶当中还可以发电。
根据行驶条件的不同,可以仅靠电动机驱动力来行驶,或者利用发动机和电动机驱动行驶。
另外还安装有发电机,所以可以一边行驶,一边给HV蓄电池充电。
基本结构由电动机、发动机、HV蓄电池、发电机、动力分离装置、电子控制单元(变压器、转换器)组成。
利用动力分离装置将发动机的动力分成两份,一部分用来直接驱动车轮,另一部分用来发电,给电动机供应电力和HV蓄电池充电。
电池是混合动力汽车的关键部件之一。
目前HEV电池的主流产品是镍氢(Ni-MH)电池,主要的生产厂商是日本三洋和松下公司,美国的生产厂商Cobasys,JohnsonControlSAFT等公司也先后加入到镍氢电池的研发和销售。
镍氢电池具有高能量、高功率、长寿命、较好的高低温性能、比较容易进行串并联组合等特点,目前大部分商业化的HEV基本都是采用镍氢电池。
锂电池(Li-ion)目前尚处于研究改进和使用阶段,其主要优势在于具有较高的比能量,可以使电池做得更小、更轻;具有较好的充放电效率和低的自放电率,可以提高电池的能量效率,具有较大的潜在降价空间。
但是锂电池仍然存在一定的缺陷,目前的锂电池技术存在的问题主要是价格太高,高温下使用寿命较短,低温时放电率下降,没有耐过充、过放机制,串并联需要严格挑选等。
HEV锂电池技术的缺陷有待于进一步研究和开发来解决。
混合动力汽车与传统汽车相比,最突出的特点就是其燃油经济性,一般比传统汽车节
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