汽车节能技术

汽车节能技术AutomobileEnergyDensityTechnology第四章电动汽车4.1纯电动汽车上世纪90年代初，纯电动汽车的开发研究曾红火一时，但当时汽车电力电子学尚未建立，既没有完善的科学理论做指导，更缺乏高科技含量的汽车电力电子装置可供采用。特别是，当时仅有铅酸蓄电池可供使用，而铅酸蓄电池体积、重量的能量密度太小，功率密度也太低。由于铅酸蓄电池组体积大、质量重，导致电动汽车的整备质量过大。同时，铅酸蓄电池组充电时间长，而且每次充足电后的续驶里程又太短，加上电力传动系统的制造成本过高等因素困扰，1997年以后，绝大多数公司对纯电动汽车的研发基本处于停滞状态。第二代纯电动汽车第二代纯电动汽车的出现，是以汽车电力电子学的最新发展为基础的，其技术亮点包括高能量密度锂离子蓄电池、锂离子电容器等的发明，以及乘用车电动轮技术的开发和实用化等。虽然，纯电动汽车离真正商业化还有一定的距离，但与第一代纯电动汽车相比，它已经在充电时间、续驶里程、动力性、快速充放电能力等方面取得了可喜的进展。与传统内燃机汽车及混合动力汽车、氢燃料汽车相比，第二代纯电动汽车也显示出了一定的“比较优势”。五大“比较优势”分别对比内燃机汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车，第二代纯电动汽车的“比较优势”主要体现。1.控制精确度高于混合动力车与现在被炒得火热的混合动力汽车相比，第二代纯电动汽车既没有发动机和变速器、主减速器、传动轴等机械传动系统，也没有风扇、水箱散热器以及12伏发电机、起动机等。由于可以通过电控系统对各电动车轮的驱动力、制动力分别进行精确控制，第二代纯电动汽车可轻易地将两轮驱动车改为四轮驱动车，而不需加装中间差速装置。2.风阻系数可降至0.19由于蓄电池组的安装位置可重新布置，第二代纯电动汽车的车身上不必再有特殊补强零件，轴荷分配也可以更适应高速行驶的需要。同时，由于地板下部可加装空气导板和底罩，设计得十分平滑，车身内的乘客舱变得十分宽敞，使整车迎面空气阻力系数降至0.19，而且可对车身进行更高的碰撞安全性和超轻钢制车身（ULSAB/NSB）设计。3.整车质量大大低于燃料电池车与目前正处在研究开发阶段的燃料电池汽车相比，纯电动汽车没有体积非常巨大而且相当沉重的燃料电池、存储氢气的高压储气罐，因此在整备质量上占有很大的优势。随着各先进的元件和总成的采用，纯电动汽车的整备质量将会十分接近同尺寸、同等级的汽油车。当然，由于纯电动汽车的簧下质量增加，接地性和乘坐舒适程度会变差一些。这是设计师必须事先考虑的。4.CO2排放量低于同级别汽油车纯电动汽车在行驶过程中不排放温室气体CO2。即使考虑到火力发电站以煤为燃料发电，在能量转换时会产生有害气体排放和温室气体CO2排放，纯电动汽车也可比汽、柴油车和混合动力汽车清洁得多。日本富士重工公司曾测算过：将于今年上市的斯巴鲁R1微型汽油车的油耗为5.71升/100公里，而每燃烧1升汽油，便会产生2.32千克CO2，所以R1微型汽油车行驶1万公里后，便会产生1.325吨CO2。而与R1微型汽油车同一尺寸的R1e纯电动微型汽车每行驶10公里会消耗1度电。据日本东京电力公司测算，每发1度电会产生0.381千克CO2，所以R1e纯电动微型车行驶1万公里后，相当于火力发电厂排出0.381吨CO2，只相当于汽油车的28.7%。5.使用过程的能耗费用低于汽油车目前，我国沿海地区93#汽油的价格在4元/升上下。如在我国使用斯巴鲁R1微型汽油车，每行驶1万公里，耗用的汽油费应在人民币2300元左右（R1的油耗为5.71升/100公里）。由于我国的电价远较各工业化国家便宜，白天和高峰负荷时间区段每度电的价格为0.46元，夜间谷底时段电价只有白天的一半，所以如在我国使用R1e纯电动微型车，假如始终是白天充电，每年的总电费约合460元人民币，相当于汽油车的20%；如果始终是夜间充电，则每年的总电费只需230元人民币，为汽油车燃料费用的10%，与乘公交车相当。根据日本富士重工公司的测算，在日本，上述费用分别为汽油车所需燃油费的1/3（白天充电）和1/8（夜间充电）。三大关键技术纯电动汽车所需要的蓄电装置，必须既能满足高能量密度、高功率密度要求，又能进行急速充电，而且还可在各种气候条件下长时间地反复充、放电。2005年春夏之交，东芝、NEC等日本公司拿出了可满足上述要求的各类锂离子蓄电池、锂离子电容器，三菱、富士重工两公司分别研发出几种不同型号的第二代纯电动汽车，经过道路试验后，也达到了设计要求。东芝锂离子电池充满电只需7分钟可急速充电的东芝锂离子蓄电池组，能在一分钟之内充电至其容量的80%，再经6分钟便可充满电。这是由于东芝采用了能使纳米级微粒均一化固定技术（来自于半导体技术），可使锂离子均匀地吸附在蓄电池负极上的缘故。这样，初次充电就能电极化，即使急速充电，也不会使有机电解液分解。东芝新开发的这种锂离子蓄电池，还具有小型、大容量的特点。按体积计算，其能量密度相当于电容器的数十倍，并在-40℃～+45℃的环境下具有“出色”的循环寿命。锰锂离子蓄电池可与整车寿命相当富士重工和日本电子（NEC）合作开发的锰锂离子蓄电池，具有高安全性、低制造成本的特点。这种蓄电池使用锰系金属作为正极，单体电池为片状，叠层装配后成为电池组，工艺简单且结构紧凑，既降低了制造成本，又实现了小型化。由于散热性良好，这种锰锂离子蓄电池在车载环境下的寿命高达12年、10万公里，与纯电动汽车的整车寿命相当。2005年五六月间，这种蓄电池已装在富士重工斯巴鲁R1e微型纯电动汽车上进行了道路试验。据预计，富士重工2007年将把这种电池装在主力产品“力狮（Legacy）”的混合动力车上。富士重工和NEC合作开发的锰锂离子蓄电池电动轮：有多少车轮就有多少动力装置电动轮亦称轮内电动机（In-WheelMotor）。目前大部分重型矿用自卸汽车所采用的电动轮是直流电动机，而第二代纯电动汽车所采用的是交流传动系统。其工作原理如下：交流传动系统中的永磁式三相同步伺服交流电动机紧凑地收藏于车轮内，电动机的转子通过转子托架与车轮轮毂相联，而轮毂支撑于转向节上，轮胎随同电动机的转子一同旋转；而电动机的定子则通过定子托板、轮毂、转向节连接于车身上。该电动机的转子为永久磁铁，当向电动机的定子线圈中通以交流电流时，定子便会产生旋转磁场，使永磁式转子连同轮胎一起旋转，即整个车轮旋转起来。电动轮主要部件图三菱公司与东洋公司合作开发了用于蓝瑟（Lancer）四轮驱动纯电动轿车的电动轮。每个电动轮的最大功率为50千瓦，最大扭矩为518牛·米，最高转速为1500转/分，一次充电的行驶里程可达250公里，最高车速可达到150公里/小时。商业化的要点降低大型锂离子电池价格艾利卡纯电动车的总造价为2亿日元，其中锂离子蓄电池就占了3000万日元。要想使艾利卡项目实用化，显然必须使大型锂离子电池的价格降下来。目前，单体锂离子电池的使用已相当普及，适用于汽车上的大型锂离子电池和特殊订购的小型蓄电池却尚未大量使用。大型单体电池的需求相当有限，而特殊订购品又要求适应多种规格的主机，因此应通过标准化途径将大型锂离子电池的单体电池规格整合起来。同时，纯电动汽车所用大型锂离子蓄电池的单体电池应不仅适用于车辆，而且还能适用于其他领域。纯电动汽车是民用项目，如将其与其他领域的需求合起来，必将促进大型锂离子蓄电池降低价格。4.2混合动力电动汽车串联式混合动力系统利用发动机动力发电，从而带动电动机驱动车轮。其基本结构是由电动机、发动机、发电机、HV蓄电池、变压器组成。由一个小输出功率的发动机进行准稳恒性运转来带动发电机，直接向电动机供应电力，或一边给HV蓄电池充电一边行驶。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”。混合动力车的三种类型当今世界上的混合动力车主要有三种类型，包括串联式、并联式以及混联式。串联式是指发动机驱动发电机发电，电能通过电动机驱动车轮。并联式是指发动机和电动机共同驱动车轮。并联式的两种驱动力可根据驾驶状况分开使用。由于不能关闭发动机行驶，电动机只是被用于辅助引擎。而混联式能够更有效地组合串联式和并联式，使两者的优势发挥到极致，怠速时自动停止引擎，减少能量浪费。并且能够更有效地控制汽油发动机和电动机，使其工效最大化。PRIUS普锐斯PRIUS普锐斯搭载的正是THS-II系统，它是经过改进的混联式混合动力系统。其特征在于，在动力控制单元中除了加入原有的变换器外，还加入了升压转化器。具体地说，就是在使蓄电池小型化的同时，把现有的最高274V驱动的系统提高到500V加以驱动，由此使电动机实现高性能化。通过这种汽油发动机和电动机的完美协同，PRIUS普锐斯发挥出单纯从车辆等级看难以想象的出色加速性能和油耗性能——1.5升的排量却相当于传统2.0升以上排量车型的行驶性能以及相当于传统1.0升以下排量车型的油耗和世界最高水平的超低尾气排放。动力系统工作方式4.3燃料电池汽车理论计算表明，燃料电池所能提供的能量是同样重量锂离子电池所能提供能量的3倍，最大极限值是30倍。因此，激发了开发商加快开发和研究燃料电池的步伐。虽然目前还存在燃料电池的成本、体积、标准化和安全认证等问题，但开发商们普遍认为在未来的3～5年，这些问题完全可以得到解决，并批量投入生产。燃料电池的工作原理燃料电池是用一种特定的燃料，通过一种质子交换膜（PEMProtonExchangeMembrane）和催化层（CLCatalystLayer）而产生电流的一种装置，这种电池只要外界源源不断地供应燃料（例如氢气或甲醇），就可以提供持续电能。它的工作原理，是利用一种叫质子交换膜的技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下，在阳极将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到阴极，这样就产生了电能。在阳极经过质子交换膜和催化剂的作用，其化学过程为：在阴极质子与氧和电子相结合产生水：燃料电池在阳极除供应氢气外，同时还收集氢质子（H＋），释放电子；在阴极通过负载捕获电子产生电能。质子交换膜的功能只是允许质子H＋通过，并与阴极中的氧结合产生水。这种水在反应过程中的温度作用下，以水蒸气的形式散发在空气中（对汽车用的大功率燃料电池就要设置水的回收装置）。注意，用氢作燃料电池所生成的是纯净水可以饮用，而用甲醇作燃料生成的水溶液中可能产生甲醛之类有毒物质不能饮用。图1为燃料电池工作原理的示意图。在日前于菲律宾举行的电力能源大会上，UltraCell公司正式推出了UltraCellXX25燃料电池，通过使用该燃料电池，笔记本电脑可进行三个工作日的续航。