新能源汽车技术

中心议题：
          *新能源汽车技术

随着世界能源危机和环保问题日益突出，汽车工业面临着严峻的挑战。一 方面，石油资源短缺，汽车是油耗大户，且目前内燃机的热效率较低，燃料燃烧 产生的热能大约只有 35%—40%用于实际汽车行驶，节节攀升的汽车保有量加 剧了这一矛盾；另一方面，汽车的大量使用加剧了环境污染，城市大气中 CO 的 82%、NOx 的 48%、HC 的 58%和微粒的 8%来自汽车尾气，此外，汽车排放 的大量 CO2 加剧了温室效应，汽车噪声是环境噪声污染的主要内容之一。我国 作为石油进口国和第二大石油消费大国，污染严重，世行认定的 20 个污染最严 重的城市有 16 个在中国。国内汽车产品水平与国外差距很大，平均油耗高出 10%—30%，排放约为 15—20 倍，汽车工业面临的压力更大。 上个世纪末以来世界各国和各大汽车公司以及国内各大科研机构和高等院 校纷纷致力于开发清洁节能汽车，新能源汽车获得了长足发展。汽油和柴油是传 统内燃机汽车的能源， 利用除此以外的能源提供汽动力的汽车均可称为新能源汽 车。目前正在开发的新能源包括天然气、液化石油气、醇类、二甲醚、氢、合成 燃料、生物气、空气以及电荷燃料电池等。 本文介绍新能源汽车技术的发展概况，并对其发展前景提出看法。
   
一、 新能源汽车的种类及其特点
   
（一）天然气汽车和液化石油气汽车
   
天然气汽车又被称为“蓝色动力”汽车，主要以压缩天然气(CNG)、液化天然 气(LNG)、吸附天然气(ANG)为燃料，常见的是压缩天然气汽车(CNGV)。液化 石油气汽车(LPGV)是以液化石油气(LPG)为燃料。 CNG 和 LPG 是理想的点燃式 发动机燃料，燃气成分单一、纯度高，与空气混合均匀，燃烧完全，CO 和微粒 的排放量较低，燃烧温度低因而 NOx 排放较少，稀燃特性优越，低温起动及低 温运转性能好。其缺点是储运性能比液体燃料差、发动机的容积效率较低、着火 延迟期较长。这两类汽车多采用双燃料系统，即一个汽油或柴油燃料系统和一个 压缩天然气或液化石油气系统，汽车可由其中任意一个系统驱动，并能容易地由 一个系统过渡到另一个系统。康明斯与美国能源部正合作开发名为“先进往复式
   
1.发动机系统(ARES)”的新一代天然气发动机，根据开发目标，该发动机热效率达 50%(热电联产时达到 80%以上)，NOx 排放量低于 0.1g／km，制造成本为 400450 美元／kW，维护费用低于 0.01 美元／kwh，在满足这些目标的同时， 发动机具有较高的可靠性。
   
（二） 醇类汽车
   
醇类汽车就是以甲醇、乙醇等醇类物质为燃料的汽车，使用比较广泛的是乙 醇，乙醇来源广泛，制取技术成熟，最新的一种利用纤维素原料生产乙醇的技术 其可利用的原料几乎包括了所有的农林废弃物、 城市生活有机垃圾和工业有机废 弃物。目前醇类汽车多使用乙醇与汽油或柴油以任意比例掺和的灵活燃料驱动， 既不需要改造发动机，又起到良好的节能、降污效果，但这种掺和燃料要获得与 汽油或柴油相当的功率，必须加大燃油喷射量，当掺醇率大于 15%—20%时， 应改变发动机的压缩比和点火提前角。乙醇燃料理论空燃比低，对发动机进气系 统要求不高，自燃性能差，辛烷值高，有较高的抗爆性，挥发性好，混合气分布 均匀，热效率较高，汽车尾气污染可减少 30%以上。这种汽车最早由福特公司 在 20 世纪 80 年代中期开发，到 2003 年底，美国有 230 多万辆乙醇汽车，其 中多数是道奇和克莱斯勒厢式车——2003 年已卖出 233466 辆。
   
（三）氢燃料汽车
   
氢是清洁燃料，采用氢气作燃料，只需略加改动常规火花塞点火式发动机， 其燃烧效率比汽油高，混合气可以较大程度地变稀，所需点火能量小，有利于节 约燃料。氢气也可以加入其它燃料(如 CNG)中，用于提高效率和减少 N02 排放。 氢的质量能量密度是各种燃料中最高的一种，但体积能量密度最低，其最大的使 用障碍是储存和安全问题。宝马公司一直致力于氢气发动机研制，开发了多款氢 发动机汽车， 其装有 V12 氢发动机的 7 系列轿车是世界上首批量产的氢发动机， 该发动机可使用氢气和汽油两种燃料。
   
（四） 二甲醚汽车
   
二甲醚(DME)是一种无色无味的气体，具有优良的燃烧性能，清洁、十六烷 值高、动力性能好、污染少，稍加压即为液体，非常适合作为压燃式发动机的代 用能源，使用该燃料的车辆可达到美国加州的超低排放标准。日本 NKK 公司成 功地开发出用劣质煤生产二甲醚的设备，并且和住友金属工业公司于 1998 年完 成了用二甲醚作为汽车燃料的试验，二甲醚汽车(DMEV)不会排放黑色气体污染 环境，产生的 NOX 比柴油少 20%。

2.   
（五） 气动汽车
   
以压缩空气、液态空气、液氮等为介质，通过吸热膨胀做功供给驱动能量的 汽车称为气动汽车，气动发动机不发生燃烧或其他化学反应，排放的是无污染物 辐射的空气或氮气，真正实现了零污染。目前开发比较成功的是压缩空气动力汽 车(APV)，工作原理类似于传统内燃机汽车，只不过驱动活塞连杆机构的能量来 源于高压空气。APV 介质来源方便、清洁，社会基础设施建设费用不高，较容 易建造。无燃料燃烧过程，对发动机材料要求低，结构简单，可借鉴现有内燃机 技术因而研发周期短，设计和制造容易。但目前 APV 能量密度和能量转换率还 不够高，续驶里程短。1991 年法国工程师 Guy Negre 获得了压缩空气动力发动 机的专利，并加盟 MDI 公司，2000 年 MDI 公司推出的名为“进化”(evolution)的 APV，质量仅 700kg，其发动机质量仅为 35kg，速度可达 120km／h，一次充 满压缩空气可行驶 200km，充气费用仅为 0.3 美元，在城市中约可行驶 10h，在 压缩空气站充气 2min 就可完成，用气泵充气 3h 可完成。
   
（六） 电动汽车
   
世界上第一辆电动车(EV)由美国人在 19 世纪 90 年代制造。EV 大致分为蓄 电池电动汽车(BEV)、燃料电池电动汽车(FCEV)和混合动力电动汽车(HEV)。电 动汽车的一个共同特点是汽车完全或部分由电力通过电机驱动， 能够实现低排放 和零排放。 蓄电池电动汽车是最早出现的电动汽车。使用铅酸电池的汽车整车动力性、 续驶里程与传统内燃机汽车有较大的差距， 而使用高性能镍氢电池或者锂电池又 会使成本大大增加。而 JtBEV 都需有一定充电时间及相应的充电设备，使用场 合受到了限制。燃料电池具有近 65%的能量利用率，能够实现零排放、低噪声， 国外最新开发的高性能燃料电池已经能够实现几乎与传统内燃机汽车相当的动 力性能，发展前景很好，但成本却是制约其产业化的瓶颈。在加拿大进行的示范 试验表明，使用燃料电他的公共汽车制造成本为 120 万加元，而使用柴油机的 公共汽车仅为 27.5 万加元。 混合动力汽车融合了传统内燃机汽车和电动汽车的优点， 同时克服了两者的 缺点，近年来获得了飞速发展，并已经实现了产业化和商业化，PRIUS 和 INSIGHT 两款混合动力汽车的成功向人们展现了混合动力技术的魅力和巨大的 市场潜力。
   
（七）以植物油为燃料的汽车 以植物油为燃料的汽车
   
为了寻找可代替石油的新能源，科学家也将目光投向了植物油，正在研制以 植物油如大豆油、玉米油及向日葵油为原料的内燃机油。科学家们还在研究生物
   
3.柴油，这是一种以植物油为原料的燃料，将来可作为柴油的替代品大量用于卡车 和轮船。生物柴油中不含硫，因此不会对环境造成酸雨威胁。为生产生物柴油， 化学家们正在对植物油进行酯化加工， 使之变成甲基酯化合物， 燃烧起来更干净， 发动机内残留物也较少。
   
二、新能源汽车的优点与实用范围
   
（一）优点
   
通过对处于磁路中的一段软磁体迅速加热并冷却， 使其温度在其居里点上下 周期性地振荡，引起磁路线圈中的磁通量周期性地增减，从而感应出连续的交流 电。 能量是通过燃烧产生热能， 再直接转化为电能的。 它的技术原理是物理原理， 而通常概念中的电池，均属化学原理，两者不是一回事。 采用外燃方式，发电过程高效平稳，对燃料性质要求不高，甚至可以用固体 燃料作能源。能使热能直接高效地转化为电能，少了一个机械传动的中间环节， 计算值在 40％以上；运动部件只有一个活塞，省去了机械传动系统，因此使用 寿命长，维护少，实现成本低，技术难度小。 目前的燃料电池是通过低温化学作用产生电能，因需要催化剂、燃料要求高 等，难以商业转化。这项技术完全克服了化学燃料电池的上述弱点。

上表中，能源来源、能源效率、排放三项指标确定了方案的新能源特征，即 政府的政策支持力度；制造成本、使用成本、维护成本三项指标确定了方案的市 场成本，补充燃料、功率、重量、行驶里程、配套设备四项指标确定了方案的竞 争力，即用户接受程度。 从上表中可以看出，纯电池力、氢燃料电池虽然具有较优的新能源特征，但 市场竞争力弱，混合动力则具有微弱的优势。因此，混合动力属于过渡方案，纯 电池力属于辅助方案，而氢燃料电池属于难以实施的方案。物理燃料电池则兼顾 了新能源特征、市场及用户的诸多优点，所以具有广阔的开发前景。
  
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（二）适用范围
   
新能源汽车、船等动力设备，分布式发电领域。 1. 提高旧能源汽车的效率 目前的汽柴油内燃机热效率小于 30%，如果算上机械效率以及其他的能量传 递损失，则总效率仅占燃料放出热能的 15%左右。毫无疑问，如果能够提高热机 的效率，则可在一定程度上缓解目前的石油危机。 2. 空气动力汽车 利用空气作为能量载体，使用空气压缩机将空气压缩到 30MP 以上，然后储 存在储气罐中。需要开动汽车时将压缩空气释放出来驱动启动马达行驶。优点是 无排放、维护少，缺点是需要电源、空气压力（能量输出）随着行驶里程加长而 衰减、高压气体的安全性。 3. 飞轮储能汽车 利用飞轮的惯性储能，储存非满负载时发动机的余能以及车辆长大下坡、减 速行驶时的能量，反馈到一个发电机上发电，再而驱动或加速飞轮旋转。飞轮使 用磁悬浮方式，在 70000r/min 的高速下旋转。在混合动力汽车上作为辅助，优 点是可提高能源使用效率、重量轻储能高、能量进出反应快、维护少寿命长，缺 点是成本高、机动车转向会受飞轮陀螺效应的影响。 4. 超级电容汽车 超级电容器是利用双电层原理的电容器。 在超级电容器的两极板上电荷产生 的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内 电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短 间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。 优点是充电时间短、功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保 等，缺点是功率输出随着行驶里程加长而衰减，受环境温度影响大等。
   
三、 我国新能源汽车的发展概况
   
我国天然气资源丰富，分布广泛，海南、北京、上海、重庆等省市被列为国 家燃气汽车重点示范城市， 各地均在燃油汽车基础上研制开发改装了压缩天然气 汽车和液化石油气汽车，主要用于出租车、公交客车、大型车辆和工程设施等。 一汽—大众公司开发了捷达 LPG，上海交大研制成 LPG 轿车并和申沃客车联合 开发成功改装型 LPG 城市 bus，北京开发了 CNG 城市 bus。 山西是产煤大省，甲醇汽车项目已进行多年，目前已达到商业运行阶段，所 用甲醇汽车采用灵活燃料系统，既可用甲醇，也可用汽油，将乙醇当作有氧燃料
   
5.使用，现在在河北和黑龙江等地推广。同时国家制定了乙醇汽油燃料相关标准。 我国云岗汽车公司大同汽车制造厂开发了甲醇中巴车。 我国煤炭资源丰富，政府支持以煤炭为原料制造车用燃料项目。煤直接液化 和间接液化制取车用燃料的项目正在积极进行。“十五”期间在云南和陕西建立了 煤直接液化示范厂，以煤为原料合成石油或二甲醚等车用燃料。西安交通大学与 中国科学院煤化工研究所经过 5 年协同攻关，于 2000 年研制出了“超低排放二 甲醚汽车”，通过在 TYll00 单缸柴油机及装备有大连柴油机厂生产的 CA498 柴 油机的面包车上燃用二甲醚的试验，发现发动机的功率可提高 10%-15%，热效 率提高 2—3 个百分点，噪声降低 10%-15%。 我国从事燃料电池研究的单位有 20 余家，质子交换膜(PEM)燃料电池技术 已取得较大进展， 但与国外还有不小差距， 例如， 国外将功率 50—80kW 的 PEM 燃料电池用于轿车，而我国最大的 PEM 燃料电池单堆功率为 5kW，离轿车使用 相距甚远。我国的金属燃料电池技术已经达到世界先进水平。 我国的镍氢电池和锂电池技术水平也已经达到国际先进水平，比亚迪在 2005 年上海车展展出的 E1 电动车已经具备了很好的整车动力性能。 目前国内对压缩空气动力汽车的研究报道最多的是浙江大学， 他们已经开发 出压缩空气动力摩托车研究平台， 探索出不少有益的结论， 正在进一步深入研究， 此外重庆大学和同济大学也做过一些探索性研究。应当说 APV 在国内的发展才 刚刚起步。
   
四、 代用燃料汽车的发展前景
   
在各种汽车代用燃料中，LPG 和 CNG 最方便投入使用，而且目前已经具有 好的配套基础设施。 在排放和经济性能要求较高而动力性能要求一般的公共交通 领域具有很好的应用前景， 美国近年来新型公交客车中天然气汽车就占据了较大 比例。在中国这样的农业大国特别是一些农业大省，乙醇资源丰富，乙醇汽车有 良好的应用前景。二甲醚等合成燃料具有很好的排放特性，也将具有很好的应用 前景，特别是作为代用柴油应用于混合动力汽车。混合动力汽车毫无疑问是下一 代汽车动力系统的主要形式。 蓄电池电动汽车的使用性能不如混合动力汽车和燃料电池汽车，且成本高。 氢燃料发动机的能量利用率不如氢氧燃料电池。 因而蓄电池电动汽车和氢发动机 汽车的发展前景不是十分乐观。当然随着太阳能电池技术的发展和突破，也许纯 电动汽车能迎来一个不错的发展局面。压缩空气动力汽车虽然实现了零污染，但 其整车性能与传统汽车相差太远，只能在较小的范围内应用于特定场合。
   
6. 燃料电池是目前技术条件下能量利用率最高的车用能源。 燃料电池的比能量 可达 200—350Wh／kg，为锂离子电池的 2—3 倍；能量转换效率高达 60%～ 80%，是汽油机或柴油机的 1.5～2 倍，能实现超低污染甚至零污染，而且燃料 电池使用的氢能源是可再生的。目前以甲醇燃料电池技术最为成熟。国外各大石 油公司和汽车均在致力于燃料电池汽车的研发以抢占在未来汽车发展中的滩头。 戴姆勒—奔驰汽车公司从 1993 年到 2000 年先后推出了 NecarI—NecarⅣ和 Nebas 等系列 FCEV，2001 年 5 月 Necar4 在美国试车，功率 55kW，最高车 速 145km／h，装载行程 450km，最新推出的 Necar V-FCEV 采用甲醇燃料电 池。 1997 年 Ballard 动力公司和福特汽车公司组建了 Xcellsis 公司开发燃料电池 轿车，美国 AR—CO、壳牌、德士古等石油公司和加州 CARB 先后加盟，组成 世界上最强大的燃料电池车开发联盟。 日本电力中央研究所正在开发一种全面使 用耐热陶瓷的燃料电池，电池在发电效率非常高的 1000℃的高温下工作，电解 质的输出功率达到 1W／cm2，相当于传统燃料电池的 5 倍。EvomR 公司致力 于开发铝和锌燃料电池，已具有相当水平。 总之对代用燃料的综合评价应考虑以下因素：燃料成本；车辆成本；对进口 石油的依赖程度；有效能源利用率；温室效应；排放污染；生产、储运、分销、 加注设施；装载行驶里程和加注时间；安全性。基于这些因素，目前最容易投入 使用的代用燃料是 CNG 和 LPG。电、甲醇和乙醇的综合评价指数都低于汽油。 可以预计 LPG 和 CNG 以及乙醇的市场份额将会不断增加。二甲醚和合成柴油 在十年后其市场份额会快速稳定增长。混合动力汽车会进一步发展，迅速增加市 场份额。而燃料电池汽车会在 20 年之后开始实现产业化逐渐增加市场份额。传 统汽油机汽车的市场份额会在 20 年之后开始出现明显的下降，但柴油车会在重 型车辆领域继续保持很高的市场份额。
   
五、结束语
   
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，二甲醚和合成燃料会 逐步扩大应用。 混合动力系统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。 因此应当整合资源加速 混合动力汽车的开发，抢占汽车技术发展的新高地。
   
7.燃料电池是最有前途的车用能量，也是未来汽车的主要能量源，国内石油工 业应该与汽车工业联手开发先进的燃料电池技术， 抢占未来先进汽车技术的前沿 阵地! 虽然在未来 20 年内，汽油和柴油是汽车的主要能源，但随着经济发展和国 际竞争局势的变化，中国需在汽车待用能源的开发上进一步提高，才能使中国的 汽车工业水平得到一个迅猛的提高！
   
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