搜索
在未来的道路交通中能源来源是哪一个呢？对纯电动汽车，混合动力汽车和燃料电池汽车的比较摘要根据欧洲研究显示，预计在2020至2040年将是氢时代。但是，显然在电力经济（直接使用所生产的电力）和所谓的“氢经济”之间将有一个选择，这将导致在最终使用电力过程之前要采用一个中间过程即：氢生产，运输和分配。本文只考虑轿车和厢式车的应用。在当今的情况下，即在相当短的未来，石油短缺与到2020—2040年这段时间，这个领域将有很大一块空白被补充。当今的中间物解决清楚地可以看到以混合动力汽车和纯电动汽车为基础。本文讨论了目前在研究与发展阶段和开始示范间断，对混合动力汽车和纯电动汽车的性能的比较，哪一个是未来的氢燃料电池的基础系统。关键词：氢；公路运输；纯电动汽车；混合动力汽车；燃料电池汽车1.引言电动车是解决穿梭都市的一个最佳的方案，因为它不排放废气的。特别是在城市和在恶劣气候条件，路上行驶的车辆产生的废气可以把空气质量降低到直接威胁人们的身体健康。已经有几个城市多次申请严厉的交通限制。电动车也非常适合在进入新的交通一体化管理概念，如自动出租的汽车系统和货物配送中心，或小型客车城市中心服务。对于所有这些原因，越来越多的有关城市和环境的公司，在他们车队中引进电动汽车。今天，显然有必要来推广支持欧洲准备组织下一步的氢燃料电动汽车。在初始发展的步伐中，石油危机是显然，并将要采取令人吃惊的规模[1-3]要求引进急需的替代燃料为带有电的公路运输发挥了重要作用。然而，电力存储仍然是一个关键点。替代电池系统的发展与一个重要市场的发展一致显示了一个真正的技术决策和经济突破在性短期或中期的可能。高温新电池的电池类型，如镍氢电池，锂基电池已经在市场或将在未来数年提供。由于其高能量密度（镍氢为70Wh/kg和锂电池为125Wh/kg，相比40Wh/kg铅电池和60Wh/kg镍镉电池[4]），他们将提供前所未有的车速，高达250多公里，甚至通过更引进范围扩充使车速更高。一个强大的民众国家和欧洲的支持仍然是必要的，也是一个有效的要求。远程的的和多任务的电动汽车将通过混合动力驱动列车的发展成为现实。混合动力汽车结合了电和其他驱动器，如内燃发动机，燃气涡轮机和燃料电池系统。这个组合的主要优点是在高效率的电子系统和热发动机或燃料电池之间实现永久性的互动。在此，动力电池或如超级电容等电力助推器也发挥着关键作用。目前市场上将有许多大范围的混合率（从启动和停止的全混合动力系统总成）可靠的车辆。由于内置的双功能混合动力汽车比纯电动车跑的更远。他们可以在城市环境的这段时间内，由电单独提供动力来实现零排放。这些车辆有些可以有效的插入使用传统能源或可再生能源生产的电。重型车辆对于混合动力技术非常受青睐，尤其是当今。如城市公交车的，在能源消耗和相关的排放量都可以减少20-30%。几项研究已经调查了使用带有燃料的汽车或者是传动系统从油井到车轮（从油井到邮箱的能源转化与从邮箱到车辆的能源转化的结合）的能量消耗[5-8]。几个途径来生产氢气和其他燃料，并利用多种内燃机，混合动力系统或燃料电动汽车进行了比较研究。但纯电动车在这些比较研究中大多忽略。本文的目的是比较纯电动汽车和混合动力汽车与传统的汽车和燃料电池电动汽车的能源消耗量。对偶之间的纯电动车和燃料电池电动车将被广泛地体现在以下几个部分。2.与人们和货物的流动性相关的情况让我们突出对人员和货物流动的一些事实。2.1.就业，经济欧洲运输行业是一个重要的经济部门，如下面的数据指出（为15欧盟成员国）：14000万工人或雇员（即经济活动人口的10％），其中在运输服务小于600万，设备部门200万，运输有关的活动部门600万。百分之十四的家庭的收入是用于运输。人口的模态分布流动性公里（p.km）表示如下：79％的汽车，公共汽车8％，7％的飞机，6％的铁路和小于1％电车或地铁。货物运输配送模式制定在吨公里（ton.km）显示出不同的情况：43％通过公路，水路41％，9％地由铁路，4％陆地与水的方法，3％管道途径。总增加值的汽车产业（欧盟15国）大约是290亿欧元。但也有由于我们流动像污染，交通拥堵和安全的重要的外部影响。据估计，总共外部成本与这个的增加值有同样数量级，即225亿欧元。2.2.生长欧洲运输的增长预测如下：在1998至2010年之间，每公里旅客有24％的增长，物品运输（ton.km）有38％的增长。在客运最重要的扩张预计在航空运输（90％）和道路运输（50％）[9]。在世界范围内的汽车数量的增长更令人担忧的（见图1）。在2030年初，经济合作发展组织国家的道路车辆（800万辆）跟世界其他地方一样，其余的意味着比今天的全球汽车数量增加一倍。这也对应着一个以65％增长的经济合作发展组织国家造成了2％的年增长率。2.3.能源由于刑事司法热力学效用，技术和能量水平不同，因此不同运输方式的能源效率是一个强烈的不同。众所周知，一个在城市汽车能源效率低于15％不担心（但80％的汽车在城市驾驶！）。事实上意味着，一个50公升油箱只有7.5升是有用的，其余42.5升在热和污染物的条件下被改变。在今天的燃料当中，在汽油和气体燃料（天然气和液化石油气）之后，柴油是最有效的。对于任何交通能源消耗评价谨慎是必须的。的是，一个空汽车是一种浪费，很有必要来评估其效率方面的功能，即运输旅客或货物。以此为参照以下充填率：35％的汽车（每车1.4人），40％到70％列车，城际客车60％，国家的航班也为60％，获得以下所列的比较结果。这一分析在德国城市之间是基于油井到车轮的能源消耗[12]。•旅客运输（Wh/passenger.kilometer）：-火车将用比汽车多15％到50％的初级能源;-城际客车，比火车更轻，比或者将达到约70％能源消耗和42％的汽车消耗；图.1.机动车辆队，经合组织和世界其他地区，1990年至2030年[10,11]—飞机将是汽车60%，但是快速列车的300%（不包括高速列车），但飞机时间扮演一个重要的经济角色;—在城市，地铁很容易比汽车少50％的消耗；•货物运输质量和体积要考虑（Wh/ton.kilometer）：—内陆运输中，船的使用可以达到铁路的200％，因为它的柴油摩托化;—铁路运输将达到40-50％的公路运输量。无论哪种运输，很有必要考虑运输能源消费的始发地和目的地之间的使用。对于出行的经济评价将是不可忽视的。上述数据仅供参考，因为它们是从一个典型的出行得到的。它们证明了分析每类出行方式以及比较潜在的不同能源的运输效益必要性。在受益于铁路（有轨电车，地铁）是两个重要因素组合的结果：运输能力和使用由电驱动系统的效率（电力电子和电机）提供的电能。比较是基于“油井到车轮”和由此包括相应能量损失的电力生产和运输。长途运输（超过2000公里）是要考虑不同的物品运送，要选择不同的运输方式：90％的贸易出口欧盟（指商品量）是由海上运输，也包括41％欧盟国内货物运输。在今天的能源的运输系统的使用还远远不足，这里仅提供了一个的实例。2.4.欧盟供应能源的演变欧盟的能源依赖已经从1990年的40％下降到2000年的35％。这可能在20-30年内对应80％的石油，70％的天然气和50％的煤达到60％[13]。最近石油公司已经修订了它们的石油储备的预测，与2030至2040年相反，结束廉价石油（或石油作为能源来源）。这也证实了其他独立公布的数据。在谈到国际能源机构，见图.2，一个最大的石油生产在10-15年之内，自然其后生产减少和需求超出要约。图.2.石油需求和供应。资料来源：Fossilfuelimplicationsofclimatechangemitigationresponses,JonathanPershing,InternationalEnergyAgency.其他预测甚至表明时间延迟的更短。因此，价格上涨与地缘政治紧张局势是可以一起预料的。即使是不容易获得或低质量的储量和开采于不能解决这种情况。对于天然气的情况是相同的，但要有延迟较长时间（10—20年的）。2.5.排放地球的环境状况，是由所有地方排放的叠加。有些是可控的（运输，电力生产，工业等），其他完全不能控制（火山，太阳辐射等）。限制运输的污染只能通过地方和区域进行行动，这些行动的成功与人们强烈的意识有关。地球的环境状况是由强制性的逐步引入欧洲排放标准确定，欧I，欧Ⅱ，欧III，欧IV（2005）和欧盟V（货车及其他重型车辆，2008年）来控制一氧化碳，氮氧化物，碳氢化合物和颗粒排放。尽管可预见汽车车队和距离的增加，他们在欧盟和其他经合组织国家将被减少。对于世界的其他地区预计不同的污染物将从45％增长至55％。电力生产部门的排放量显然越来越多受到控制，对于最公众运输系统（火车，电车，地铁，无轨电车和电动微型巴士），这是一个非常良好的情况。CO2的情况是完全不同的，因为它的比例与人员流动（p.km）和货物运输（ton.km）是连接在一起的。在未来十年（但要昂贵的投资），内燃机（ICE）内部效率的仍可略有增加，但改善将受越来越多限制，因此越来越多的渐近值被做。这种情况也有效的改善车辆的重量和外形。在任何情况下，值得注意的是平均每年汽车排放的二氧化碳是4至5吨，对应四到五个1000公斤的车辆。汽车工业（ACEA）一直致力于将二氧化碳排放量从1995年的190克/公里减少到2012年的120克/公里来平衡每公里旅客人数的增加。比利时的IFEU研究（即对于除欧盟的其他地方也有效）预测，在2000年和2020年内，二氧化碳排放量将有6-10％增加，相应的每年增加0.3-0.55％，造成车辆和跑的公里数更好的结合[14]。在1998年至2010年间，在欧盟15国预计二氧化碳排放量的增加27％[9]。在欧盟，28％的排放量来自运输，而据预测，90％的总排放量的增加原因是相同。在世界范围内，预测升幅更是显著：不小于110-120％。OECD提到，汽车排放的二氧化碳从1990年的4亿吨到2020年的8亿吨[10]。3.陆地运输的技术演进方式（不包括货车）能源技术和环境状况影响未来运输方式的两个重要因素是[15-17]。3.1.简短的技术分析传统的汽车能源链是由一个燃料箱（汽油，柴油或天然气），电子控制器，传输（也称电控），差速器，车轮。一个耦合解耦系统能够停止或者需要足够的扭矩来实现启动或换档。纯电动汽车能源链是由一个电池，电力电子转换器，电动机（或车轮电机），一个差速器和车轮。燃料电池系统（氢气罐或制氢装置的燃料电池）替代电池，是一个可能在未来的解决方案。无耦合系统是必要的，在启动的时候有最大扭矩。制动能量回收是电驱动系统的主要功能。此外，电池的出现意味着有必要使用板上或板外的电池充电器。由于ICE和电动机协会，混合动力系统被列举的四个基本结构是：串联式混合动力只有推进系统（电力电子变流器，电动机和差速器，车轮）由一个、两个或三个并联的来源（见图.3）。串混合动力的来源之一，是由一个油箱（柴油，汽油和天然气），一个内燃机或燃气机驱动交流发电机，功率电子转换器（转换器如图.3中所示）。并行连接在这个源，一个电池（和或像飞轮系统或超级电容）提供车加辆速的电源，也可以回收车辆的制动能量。当然这些都不是我们目前常用的“电传动内燃机车”结构。发动机、发电机这种结构也可以换成燃料电池系统。在这种情况下，我们有一个燃料电池混合动力系统。并联式混合动力系统由电力和内燃机结合驱动（见图.4）。该系统“油箱—内燃机”是把输出的机械能与由电池提供的转换器电动马达系统结合起来驱动车轮。同时制动能量回收也该系统的主要功能。“起止”和“轻度混合”系统目前不适合再生制动。混联式混合动力结构有并联结构来所谓的实现“合并”或“系列平行”'（见图5）。图.3.串联式混合动力驱动系统1：燃油箱2：发动机3：车轮4：电池5：转换器6：电机7：减速器8：差速器图.4.并联式混合动力驱动系统1.：油箱2：发动机3：车轮4：电池5：转换器6：电机7：电源分割设备（行星齿轮）8：差速器9：发电机图.5.混联式混合动力驱动系统通过引入一个行星齿轮连