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新能源汽车
新能源汽车
燕京理工学院机电工程学院2012—2013学年第二学期
《新能源汽车》课程结业论文
年级:
2010级专业:
汽车1003班姓名:
肖彬
学号:
1001477成绩:
评分教师:
一、论文要求:
(1)打印字数不少于6000字;
(2)开放性论文试卷形式完成;
(3)内容符合论文中规定范围;
(4)评定成绩为优,良,及格,不及格四个等级;
(5)在2013年7月1日前由班长或学委收齐交给老师。
二、论文内容不得少于以下具体内容中的其中三项:
1.新能源汽车的概述;
2.新能源汽车的特点与类型;
3.电动汽车储能装置类型与特点;
4.电动汽车电机驱动电机类型与结构特点;
5.电动汽车的能量回收和管理系统的功能和类型;
6.电动汽车新技术应用与研究;
7.现代汽车新材料技术;
8.现代与未来的汽车控制技术应用与研究;
9.过去、现在与未来汽车的发展与技术探索;
10.混合动力汽车类型结构原理与应用;
第一章新能源汽车概述论述
前言:
2000年世界人口大约60亿,但2050年人口将增加到100亿,而汽车数量将从7亿增加到25亿。
我国已成为世界第二石油进口大国。
2005年,中国日消费原油约673万桶,其中40%是2700多万辆民用汽车消耗的。
按照现在汽车年耗汽油的平均增长速度,中国汽车到2030年耗油将达2.63亿吨,进口比例将达84%,远远高于30%的安全警戒线。
如果车辆都使用内燃机,石油哪里来?
排气污染如何处理?
迫使人们去寻找可持续发展的交通工具。
面对节能与环保的双重压力,近几年,国内外各国主要将研究方向锁定在替代燃料汽车、电动汽车、混合动力汽车等几个主要方向。
我国政府高度关注节能环保与新能源汽车的研发和产业化。
2005年国务院政府工作报告提出“要鼓励和发展节能环保汽车”。
《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出“增强汽车工业自主创新能力,鼓励开发使用节能环保和新型燃料汽车”。
2006年2月,国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》将“低能耗与新能源汽车”列入优先主题和前沿技术。
国家发展与改革委员会在《节能中长期专项规划》及相应的十大重点节能工程中,强调要“发展混合动力汽车、燃气汽车、醇类燃料汽车、燃料电池汽车、太阳能电池汽车等清洁汽车”。
1.1、新能源汽车几个发展方向
(1)混合动力电动车
混合动力电动汽车使用内燃机和电动机作为动力,由于它有动力源,不需要在能量存储装置中存储大量电能,这克服了电动车行驶距离短的缺点,而且其燃油经济性明显优于常规汽车。
节约了不可再生能源,同时极大的降低了尾气的排放,是目前电动汽车市场的主流。
然而将两套系统同时安装于本来只装一套系统的汽车上,不仅加大了汽车本身的重量,也增加了整体工艺、控制等方面的要求。
因而混合动力车辆的结构复杂,控制技术要求很高,相应的成本与售价也较高。
另外它还是用到了传统的内燃机,其消耗不可再生能源在所难免,在改善能源利用率和保护环境方面的表现还不尽人意。
由内燃机和电力驱动结合的混合驱动是目前唯一受到注竟的混合驱动机构,它有三种布置形式(串联方式、并联方式、混合方式)。
这三种布置的主要差别在于动力源的串联或并联布置,
(2)纯电动车
纯电动整车是以电动机代替燃油的内燃机,使用电动机作为动力,用电化学蓄电池作为能源储存单元,具有不依赖于石油,无噪声和振动、操作性能好、效率高等突出优点。
电力驱动的优点是不使用燃料、零排放且噪声低;同时因使用单一的电能源,电控系统相比混合电动车大为简化,既降低了成本,又可补偿电池的部分价格。
然而电化学蓄电池的能量密度和功率密度相对而言比较小,续航能力低,目前纯电动汽车只能用于旅游观光等短程行驶。
虽然近来高性能电池如锂离子电池的发展取得很大成功,但其成本较高,使得纯电动汽车的进一步推广存在非常大的困难。
(3)燃料电池电动汽车
燃料电池电动汽车以电动机为动力,用燃料电池作为能源转换装置,利用氢气作为燃料。
发展燃料电池汽车的困难在于氢气燃料的存储,燃料电池的尺寸及其高的生产成本,研制高性能的质子交换膜和复杂的控制系统等,采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车FCE(FuelCellElectricVehicle),早的FCEV是燃料电池大客车FCEB(FuelCellElectricBus)。
早期的FCEV的燃料电池本身和它的附属设备的质量重,体积大,占据了大客车很大部分的装载空间,几乎没有乘客乘坐的空间,给FCEV的总布置带来很大的困难。
与传统内燃机汽车相比,FCEV不通过热机过程,不受卡诺循环的限制,具有能量转化效率高、环境友好等内燃机汽车不可比拟的优点,同时仍然可以保持传统内燃机汽车高速度、长距离行驶和安全、舒适等性能,被认为是21世纪首选的洁净、高效运输工具。
国内外专家普遍认为燃料电池技术将成为21世纪汽车工业核心。
国家863计划中,明确将燃料电池汽车发展放在了我国的电动车计划中。
1.2新能源汽车在我国发展现状
自2001年起,国家就启动了863计划新能源电动汽车重大专项,涉及的新能源电动汽车包括纯电动汽车、混合动力和燃料电池等3种电动汽车。
其中以燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车为“三纵”,多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池为“三横”,建立起“三纵三横”的开发布局。
“谁掌握了新能源谁就能赢得未来。
国产车也许与豪华两字还有相当的距离,但在新能源技术研发方面,自主品牌并不甘人后。
在2008北京国际车展上在奇瑞公司的展台上,一个名为“银海绿洲”的节能环保“车队”吸引了众多观众的目光。
“银海绿洲”是奇瑞近年来节能环保技术的新探索,奇瑞在其多达26款的展示系列中,包括了三款采用新能源技术的汽车,分别采用了灵活燃料(可以采用汽油、柴油、乙醇、压缩天然气任意一种燃料)、混合动力和燃料电池技术。
由柴油车、混合动力车、燃料电池车和灵活燃料车组成,华晨、长城
和华泰都展示了各自的清洁柴油车技术;上汽汽车推出了自主研发的荣威混合动力轿车和“上海”牌的第四代燃料电池轿车;吉利也展示了采用甲醇代用燃料和混合动力的两款新能源轿车。
长安此次车展上则推出了我国新能源汽车的两个第一:
我国第一款自主品牌量产混合动力汽车长安杰勋HEV和国内第一款氢动力概念跑车“氢程”。
以手机电池大王身份进入汽车行业的比亚迪汽车,一直致力于电动汽车的研发,在2008北京国际车展上举行了纯电动汽车e6全球首发仪式。
e6的动力电池和启动电池均采用比亚迪自主生产的铁电池,不会对环境造成任何危害。
丰田的混合动力产品一直处于跨国汽车厂商的前列,从2000年开始,就在北美销售混合动力车普锐斯(PRIUS)。
在2007年上海国际车展上,丰田展出了豪华品牌雷克萨斯系列中的两款环保型混合动力产品;马自达汽车则展出了可以使用汽油和氢气两种燃料的“氢燃料转子发动机”的“RX8”环保运动型跑车。
宝马推出了采用氢动力的7系轿车,本田也推出了FCX氢燃料电池车。
通用汽车此次全球首发的新一款雪佛兰Volt概念车,装备了E-Flex动力推进系统,在仅110伏电源上充电约六小时,即可行驶约64公里。
第二章现代汽车新材料技术应用论述
摘要:
材料技术的进步,降低了车辆质量,改善了燃料经济性,并减少了车辆制造成本。
近年来,现代汽车普遍采用碳纤维增强材料、陶瓷碳素复合材料以及纳米材料等最新技术,介绍纳米汽油、纳米润滑剂、纳米塑料、碳纳米管、纳米界面材料、新型汽车尾气检测装置等应用于汽车的纳米技术。
汽车已从最初的简单代步工具演变成集当代科技精华于一身的高科技产物,越来越多新材料及新工艺的出现,使得人们对汽车轻质化、低成本、智能化、经济性和可靠性的要求成为可能。
因此,材料技术的发展对汽车工业的进步有着巨大的作用。
2.1碳纤维增强材料和陶瓷碳素复合材料
碳纤维增强材料和陶瓷碳素复合材料在汽车上的广泛应用,降低了整车质量,方便复杂形状的成型制造,提高了车辆性能,延长了车辆的使用寿命。
碳纤维增强材料形式多样,保时捷CARRERAGT采用:
①用被浸透的树脂2张碳片状材料(CarbonSheet)(预成型材料),把碳蜂窝状材料与铝蜂窝状作为夹层,在高压力锅中进行加热加压部材,使用于主承载式车身等高负荷部位。
②采用相同的预成型材料,形成蜂窝状结构,包覆数张碳素片状材料,并在压力锅中加以处理,用于后翼子板。
③用铝制模具进行碳片状材料的成型加工,用于车身后保护板。
④用2副模具夹紧碳素片状材料,在加热加压的同时,采用树脂浸透的树脂传输模制法(ResinTransferMoulding,RTM)成型工艺,使用于侧向面板等轻负荷的外覆盖件。
保时捷CARRERAGT陶瓷-碳材料离合器(PCCC)将2片离合器盘夹紧的后挡板(共有3块后挡板,其中间一块的两面都设有衬垫)衬垫采用与PCCB(保时捷陶瓷复合材料制造的制动器)相同的材质,离合器直径仅为169mm,而911Turbo为240mm,从而降低了发动机的搭载位置,而且质量降低为原来的1/10,其质量为315kg,而911Turbo为7kg,使用寿命是跑车用碳材料离合器的10倍。
PCCC在23000r/min转速下具有1000N·m的转矩,耐热性高达1400℃,能充分考虑到变速器等其他组件耐热性的安全系数等边界条件。
奔驰CL55AMG跑车的超高性能陶制制动系统,采用碳素纤维增强型陶制材料制成的新一代前制动盘比传统的由铸铁制成的制动盘片约轻60%,每个制动盘的质量减轻6kg,有效地降低了非悬挂物的总质量,提高了车辆空气动力性,转向也更精确,响应性更好。
汽车制造商一直在研究质量更轻、强度更高的新材料,宝马的非金属材料应用技术在业内一直处于领先地位,1998年,Z1概念车采用了塑料车身,2002年Z22不仅有碳纤维增强塑料的车身,还包括电子操纵的制动和转向系统。
其车身采用铝合金骨架,上面覆盖碳纤维增强塑料,整车质量只有1100kg,比传统钢车身的528i减轻了1/3,百公里油耗仅为5188L。
碳纤维增强塑料技术不仅减轻了车身自重,还将车身结构件的数量从80个减少到20个,从而大大减少了加工费用。
2.2纳米材料
(1)纳米技术将会带来一场技术革命,从而引起21世纪又一场产业革命。
纳米技术在未来的应用将远远超过计算机工业,并成为未来信息时代的核心。
纳米技术纳米是一种度量单位,1nm为百万分之一毫米,即10亿分之一米。
纳米机构是指尺寸在100nm以下的微小结构,在该水平上对物质和材料进行研究和处理的技术,称为纳米技术。
纳米技术或称毫微米技术是用单个原子、分子层次上对物质存在的种类、数量和结构形态等进行精确的观测、识别与控制技术(包括极细微尺寸的组装)的研究与应用。
纳米材料是纳米技术研究的热点,各国科学家都在进行研究。
(2)采用纳米技术开发的智能催化剂
日本大发汽车公司在确保车用发动机后处理装置尾气催化转化器的高效净化性能的同时,采用纳米技术使贵金属催化剂的使用量与原来相比减少了70%。
这种车用汽油机用新型催化剂由于采用纳米材料具有“自再生”的功能,所以又称为智能催化剂,并且应用在超低排放车(ULEV)及2002年日本市场销售的微型轿车上。
目前,为了实现超低排放车的普及应用目标,降低三效催化转化器的贵金属使用量有利于降低制造成本。
催化剂贵金属用于催化净化高温排出的尾气。
随着汽车行驶距离的增加,使用时间增长,其性能呈下降趋势。
因此,为了保证催化剂净化能力,一般在设计过程中采用增加贵金属量予以解决。
新开发的智能催化剂则是采用纳米技术,对催化剂的成分组成从原子水平进行控制,通过对排放气体的“氧化”与“还原”的不断循环反应,保持了贵金属本身的催化性能
智能催化剂是应用最新的纳米技术,在“钙钛矿型结晶”的特殊结晶结构中从原子尺度上配置贵金属钯、铑、铂,以实现催化净化性能,在使用中保持“自再生功能”。
该技术在1997年~1998年由大发汽车公司与丰田中央研究所合作,发现在钙钛矿(provskite)这种特殊陶瓷的结晶结构中,当加入钯超微粒子后存在着“自再生功能”,然后经过努力并研制成功。
2.3其他技术
(1)纳米汽油。
纳米汽油采用最新纳米技术研制开发的汽油乳化剂,能对汽油品质进行改造,最大限度地促进汽油燃烧。
使用时,只要将微乳化剂以适当的比例加入汽油即可,可降低车辆油耗10%~20%,动力性提高25%,并使排放降低50%~80%,还可清除积碳,提高汽油的综合性能。
(2)纳米润滑剂。
纳米润滑剂是采用纳米技术改善原润滑油分子结构,其分子非常微小,它针对金属表面,而不是润滑油本身。
它不对任何润滑油添加剂、处理剂、稳定剂、发动机增润剂或减磨剂等产生作用,只是在零件金属表面自动形成纯烃类单原子厚的一层保护膜。
由于这些极微小的烃类分子间的相互吸附作用,能完全充填金属表面的微孔,这些如液态的小滚珠,最大可能地减少金属与金属间微孔的摩擦。
与高级润滑油或固态添加剂相比,其极压可增加3~4倍,磨损面减少16倍。
减少了摩擦磨损,降低耗能,寿命提高,且无任何副作用。
专家指出:
这种全新概念的单分子纳米润滑技术,将给磨损部件的设计与性能带来深刻的变革。
第三章电动汽车的新型储能装置论述
摘要:
文章重点介绍超级电容器的结构特点、性能优势、研究进展及应用领域。
以期在倡导建设节约型社会中,使更多的新能源汽车生产厂家,对这一新型储能装置有更深的了解和认识。
3.1引言
超级电容器也称电化学电容器,具有良好的脉冲性能和大容量储能性能,质量轻、循环性能好,是一种新型绿色环保的储能装置,近年来受到科研人员的广泛重视及应用市场的关注。
在现代高科技产业发展领域中,由于大量大型装备配套动力电源系统既要求具备高比能量,又要求电源系统具备高比功率,而就化学电源本身的特性而言,两者很难兼顾。
特别是在需要高功率脉冲输出的场合,常规的化学电源很难满足要求,如军用特种车辆在全天候条件下的快速启动、卫星通讯、爬坡等等。
上述场合现在通常使用铅酸、镉镍等电池产品作为电源时,其比功率往往在100~300W/kg,不仅笨重、维护复杂而且充电速度低、使用寿命短。
而超级电容器组合的比功率可以达到1500~5000W/kg。
同时,不含充电电池组的超级电容器组合的比功率更可以达到1500~10000W/kg,其特性更适于未来艰苦环境工作以及相关电子技术进步对电源系统提出的技术要求。
3.2超级电容器的技术优点
目前,在能源领域主要有三种类型的储能器件:
电池、物理电容器和超级电容器。
超级电容器是介于传统物理电容器和电池特性之间的一种新型能源器件,其所具备的巨大优越性主要体现为:
1.充电时间短,方便用户。
超级电容器与铅酸等二次电池一样,可以多次反复使用。
当储存在超级电容器中的电能耗尽时,需要重新充电。
与传统的二次电池相比,它的充电时间非常短,用户只需等待片刻,这一优点与现代快节奏的工作、生活合拍;而铅酸、镍氢等二次电池的充电,需要等待的时间一般超过数个小时(甚至十余个小时),对使用者来说长时间的充电等待不仅显得非常不便利,而且也容易因此降低其使用兴趣。
2.循环寿命长,一次购买,终身使用。
超级电容器与蓄电池完全不同,超级电容器充电/放电时不像蓄电池那样对电极有破坏作用,其反复充电使用的寿命超过1万次,极限寿命可以达到10万~50万次。
可以说是:
一次购买,终身使用。
3.使用温度范围宽。
一般说来,超级电容器可以正常工作的温度范围在-40℃~75℃之间。
在极限温度(临界高温与低温),其抗恶劣环境温度的能力远远大于传统的蓄电池。
因此,在军事上、航天航空以及在环境恶劣的地区,超级电容器可以发挥电池不能发挥的优势。
4.健康绿色环保型能源。
超级电容器还是一种绿色环保型产品,节能、环保,对使用者和环境都不会产生负面影响,是健康的能源。
图4为超级电容与铅酸电池、镍氢电池、锂电池的性能比较。
蓄电池的性能通常由活性物质的热力学与动力学性质所决定。
一般情况下,在充放电时,电极电位的变化不大,其储存的能量E为:
电池放电时活性物质发生氧化还原反应所通过的电量Q,乘以电池两极电位差V,即E=QV;对于超级电容器,电极上活性物质的化学位和电极电位是电极荷电量的连续函数,具体表现为:
(1)电极电压和电极中充入电荷的量成线性关系;
(2)如果电极电位随时间作线性变化,可以得到一个大体恒定的充电电流。
由于其储能时电极电位随充入的电荷量的增加而升高,所以,它所储存的能量为相同电量和电压下蓄电池能量的一半,即E=1/2QV。
如果升高电容器的电压,则可提高电容器的比能量。
Li-ion、Ni-MH、Lead-acid等化学电池是通过电化学反应,产生法拉第电荷转移来储存电荷的,充电时间长,使用寿命较短,并且受温度影响较大;大电流充放电会直接影响这些电池的使用寿命。
因此,对于要求长寿命、高可靠性的电动汽车领域的应用,这些基于化学反应的电池就显出种种不足。
3.3超级电容器的分类
按电极材料,超级电容器可分为以下3种:
(1)碳电极电容器;
(2)贵金属氧化物电极电容器;(3)导电聚合物电容器。
按机理,超级电容器可分为两种类型:
(1)“双电层电容器”,其电容的产生主要基于电极/电解液上电荷分离所产生的双电层电容,如碳电极电容器;
(2)“法拉第准电容”,由贵金属和贵金属氧化物电极等组成,其电容的产生是基于电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积,或在贵金属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容,该类电容的产生机制与双电层电容不同,并伴随电荷传递过程的发生,通常具有更大的比电容。
根据超级电容器的结构及电极上所发生反应的不同,又可分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器。
如果两个电极的组成相同且电极反应相同,但反应方向相反,则被称为对称型——碳电极双电层电容器,贵金属氧化物电容器即为对称型电容器。
如果两电极组成不同或反应不同,则被称为非对称型,由可以进行n型和p型掺杂的导电聚合物作电极的电容器即为非对称型电容器,其性能表现形式更接近于蓄电池,可表现出更高的比能量和比功率。
按电解液不同,超级电容器可分为水溶液体系超级电容器、有机体系超级电容器、固体物电解质超级电容器。
用水溶液体系可获得高容量及高比功率;选用有机溶液体系则可获得高电压从而也可获得高的比能量。
碳电极电容器的研究历史较长。
1962年,标准石油公司(SOHIo)认识到燃料电池中石墨电极表面双层电容的巨大利用价值,生产出了工作电压为6V的以碳材料作为电极的电容器。
近年来研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布,并开发出许多不同类型的碳材料,主要有:
活性碳粉、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管等。
对贵金属氧化物电极电容器的研究,主要采用Ru02、IRO2等贵金属氧化物作为电极材料。
由于Ru02电极的导电性比碳电极好,电极在硫酸中稳定,可以获得更高的比能量,制备的电容器比碳电极电容器具有更好的性能,因此具有很好的发展前景。
但是,由于贵金属的资源有限、价格昂贵限制了它的应用。
导电聚合物电极电容器作为一种新型的电化学电容器,具有高性能和比贵金属超级电容器更优越的电性能。
可通过设计选择相应聚合物的结构,进一步优选提高聚合物的性能,从而提高电容器的性能。
导电聚合物电极电容器可分为三种类型:
(1)对称结构——电容器中两电极为相同的可p型掺杂的导电聚合物(如聚噻酚);
(2)不对称结构——两电极为不同的可进行p型掺杂的聚合物材料(如聚吡咯和聚噻吩);(3)导电聚合物可以进行p型和n型掺杂,充电时电容器的一个电极是n型掺杂状态而另一个电极是P型掺杂状态,放电后都是去掺杂状态,这种导电聚合物电极电容器可提高电容电压到3V,而两电极的聚合物分别为n型掺杂和P型掺杂时,电容器在充放电时能充分利用溶液中的阴阳离子,其放电特征与蓄电池非常相似,被认为是最有发展前景的电化学电容器。
结束语:
新能源让国内外汽车厂家几乎站在了同一起跑线上,而谁都不想落在后面。
新能源之所以受到关注,是因为传统燃料,如汽油、柴油等的日趋紧张,人们对汽车排放标准、环保要求的提高。
发展新能源汽车成为解决这些问题的主要希望,而这也注定了是一场和时间的赛跑,也是一场关乎人类未来生存环境的竞赛。
有业内人士指出,在没有明确技术路线指引的前提下,各大汽车厂商只有在技术上相互贯通,促进产业群体的发展,通过多种途径发展新能源汽车,才能在逐步发展中找到适合市场的新能源汽车发展道路。
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