论文新能源汽车的现状与发展趋势[1]

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师文：新能源汽车的现状与发展趋势____________________________________________________________________________________________新能源汽车的现状与发展趋势摘要：在能源危机和环境污染问题的压力下，寻找替代石油的新能源车成了必然的选择。本文对新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等定义、分类及特点进行了总结，综述了各类新能源汽车最新技术进展及其性能，通过分析新能源汽车应用现状，指出纯电动汽车和燃料电池汽车推广应用需解决的问题，对各类新能源汽车的发展前景进行了展望。关键词：混合动力汽车，纯电动汽车，燃料电池，技术，现状，应用前景。1前言1.1寻求新动力源的背景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。《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》已于2009年7月1日正式实施，《规则》强调说明：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。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、二甲醚）汽车等各类别产品。1.2我国发展新能源汽车的重要意义(1)发展新能源汽车是国民经济可持续发展的需要8 师文：新能源汽车的现状与发展趋势____________________________________________________________________________________________我国用于汽车能源的石油资源是有限的，在几十年后必然会出现枯竭，要大量依赖从国外进口石油。届时世界石油资源也会出现匮乏，各国对石油资源的竞争必将更加激烈，石油在国家安全方面的重要性日益上升。所以节制使用石油资源，发展新能源汽车将会促进我国能源结构的调整，有利于国民经济的可持续发展。（2）发展新能源汽车是控制城市污染的需要燃油汽车的尾气排放已给环境带来了破坏，世界各国都己认识到这一点，纷纷制定了相关严格的汽车排放标准，以求减少对环境的污染。因此寻求无污染或低污染的“绿色汽车”成为各国的基本国策，也是人类可持续发展的需要。（3）发展新能源汽车能够缩短我国汽车工业与世界先进汽车工业的差距。2新能源汽车的主要种类及技术状况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，但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。新能源汽车包括有：混合动力汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV)、燃料电池汽车(FCEV)、氢发动机汽车以及燃气汽车、醇醚汽车等等。汽车对新能源的基本要求：（1）能源要储量丰富我国汽车保有量预计2010年将达到3430万辆，汽车对能源的消耗巨大，作为汽车动力的能源必须储量丰富，才能保证汽车的可持续发展。（2）能源的能量密度要高能源的能量密度越高，汽车的燃料箱体积就越小，就会减轻汽车的自重。在同样的条件下，汽车的续驶里程就越长，并且动力性能越好。因此对汽车的能源要求密度越高越好。（3）能源的污染要小目前，大规模使用石油产品的汽车，已造成了环境的严重污染，各国政府都在考虑制定更加严格的汽车尾气排放标准。因此新能源汽车必须要明显减少尾气排放的污染，甚至要达到零排放，才能被人们广泛接受。（4）经济性要好世界汽车工业竞争激烈，新能源汽车要广泛进入市场，必须在价格上占有一定的优势，这就要求车用能源售价低廉，并且使用费用低。（5）使用性能要好8 师文：新能源汽车的现状与发展趋势____________________________________________________________________________________________新能源汽车的能源必须使用储存方便，能够长距离运输，并且运输成本低廉，要有较高的运输安全性，不易燃烧、爆炸。2.1混合动力汽车混合动力是指那些采用传统燃料的，同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。按照燃料种类的不同，主要又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。混合动力汽车的优点：（1）采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。（2）因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。（3）在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。（4）有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。（5）可以利用现有的加油站加油，不必再投资。（6）可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。混合动力汽车的缺点:长距离高速行驶基本不能省油。2.2纯电动汽车电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车，大部分车辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。纯电动汽车的优点:技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。纯电动汽车的缺点:目前蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本，有些试用结果比汽车贵，有些结果仅为汽车的1／3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。8 师文：新能源汽车的现状与发展趋势____________________________________________________________________________________________2.3燃料电池汽车燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。燃料电池汽车具有以下优点：（1）零排放或近似零排放；（2）减少了机油泄露带来的水污染；（3）降低了温室气体的排放；（4）提高了燃油经济性；（5）提高了发动机燃烧效率；（6）运行平稳、无噪声。2.4氢动力汽车氢动力汽车是一种真正实现零排放的交通工具，排放出的是纯净水，其具有无污染，零排放，储量丰富等优势，因此，氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。氢动力汽车的优点：排放物是纯水，行驶时不产生任何污染物。氢动力汽车缺点：氢燃料电池成本过高，而且氢燃料的存储和运输按照目前的技术条件来说非常困难，因为氢分子非常小，极易透过储藏装置的外壳逃逸。另外最致命的问题，氢气的提取需要通过电解水或者利用天然气，如此一来同样需要消耗大量能源，除非使用核电来提取，否则无法从根本上降低二氧化碳排放。2.5燃气汽车燃气汽车是指用压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)和液化天然气(LNG)作为燃料的汽车。燃气汽车由于其排放性能好，可调正汽车燃料结构，运行成本低、技术成熟、安全可靠，所以被世界各国公认为当前最理想的替代燃料汽车。2.6生物乙醇汽车乙醇俗称酒精，通俗些说，使用乙醇为燃料的汽车，也可叫酒精汽车。在汽车上使用乙醇，可以提高燃料的辛烷值，增加氧含量，使汽车缸内燃烧更完全，可以降低尾气的害物的排放。8 师文：新能源汽车的现状与发展趋势____________________________________________________________________________________________乙醇汽车的燃料应用方式：一、掺烧，指乙醇和汽油掺合应用。在混合燃料中，乙醇和容积比例以“E”表示，如乙醇占10%，15%，则用E10，E15来表示，目前，掺烧占乙醇汽车占主要地位。二、纯烧，即单烧乙醇，可用E100%表示，目前应用并不多，属于试行阶段；三、变性燃料乙醇，指乙醇脱水后，再添加变性剂而生成的乙醇，这也是属于试验应用阶步；四、灵活燃料，指燃料既可用汽油，又可以使用乙醇或甲醇与汽油比例混合的燃料，还可以用氢气，并随时可以切换。如福特，丰田汽车均在试验灵活燃料汽车（FFV）。2.7各种能源方案优缺点综合分析表类别能源来源能源效率排放制造成本使用成本维护成本补充燃料功率重量行驶里程配套设备普通内燃机受限低差一般一般一般方便大轻>400完善纯电池力一般最高无高最低高不方便小重<300不完善混合动力受限较高一般较高一般最高方便一般较重>500完善氢燃料电池困难高无高最高高不方便小一般<300不完善从上表中可以看出，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。8 师文：新能源汽车的现状与发展趋势____________________________________________________________________________________________3新能源汽车的其他方案3.1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。3.2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。3.3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。3.4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。其优点是充电时间短、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。4新能源汽车发展主要障碍及其解决方案新能源汽车虽然可以有效减少市区有害气体的排放和烟雾浓度,同时也减少CO2的排放。许多国家和厂商都积极开发纯电动汽车(PEV)、混合动力电动汽车(HEV)(包括插电式混合动力电动汽车PHEV)和燃料电池汽车(FCV)。但是诸多障碍和困难限制了新能源汽车的发展和普及,从全球范围来看,一场打破约束、冲出困境的行动已经开展。8 师文：新能源汽车的现状与发展趋势____________________________________________________________________________________________（1）充电基础设施推广PEV和PHEV的主要困难就是缺少全面的电池充电基础设施。然而,目前全球许多厂商和政府已经启动了电动汽车基础设施项目,来评估建立充电基础设施的方法,并正着手进行实际应用。（2）氢燃料补给基础设施开发氢燃料补给设施是一个巨大工程。目前,为汽车研究提供支持的汽车用氢燃料补给站已基本建立。在补给站内储存氢燃料仍然是一个难题。（3）氢燃料的生产氢的生产是一项重要的全球性业务。目前绝大多数氢的生产是采用蒸气甲烷重整法,这意味着该方法产生CO2。其他生产方法包括煤(产生CO2)或生物质气化、高温水裂解和一些新兴技术,如利用阳光从水中分出氢的光解方法。用化石燃料发电,再用电使水分解的方法也产生CO2,水解的效率只有大约70%,氢气压缩的效率大约为90%,在电动机输出阶段,燃料电池将燃料能量转化为直流电的效率最大为65%,因此,电能输出到电动机输出的效率大约为41%。相比之下,直接向纯电动汽车的锂离子电池充电时,AC-DC蓄电池的充电效率大约为89%,电池效率为94%,DC-AC转化效率为95%,因此,最终效率为79%。（4）续驶里程充电电池的续航能力有限和充电时间较长一直是阻滞纯电动汽车普及的主要障碍，对许多消费者来说,在电动模式时,PEV和PHEV行驶距离有限仍是个问题。尤其是PEV,它没有装载续驶里程较大的内燃机(ICE),再充电时也需要很长时间。尽管如此,戴姆勒克莱斯勒的研究指出大多数欧洲人每天行驶距离约50km,而PEV的续驶里程是其2倍为97km,对于这些消费者来说已足够。类似的雪佛兰Volt车每次再充电的续驶里程目标约为64km,对于美国大约78%的上班族来说已足够。目前所选用制造商的23辆PEV的续驶里程,平均值为185km,行驶里程范围64～402km。仅使用电动模式的10辆PHEV平均续驶里程为68km,行驶里程范围26～97km。（5）成本目前HEV和PEV所使用的蓄电池组的价格依然昂贵,首批大规模销售的PEV和PHEV所需的研发成本将由消费者承担。通用汽车公司认为PHEV的电动续驶里程每增加16km其成本将增加约1500美元,但丰田的Prius续驶里程增加16km的成本为5000美元。（6）核心部件作为新能源汽车核心部件，电机及其控制系统的性能至关重要。在国内随着“8 师文：新能源汽车的现状与发展趋势____________________________________________________________________________________________十城千辆”新能源汽车示范工程的推进，国内一些车用电机产品已经进行小批量生产并通过装车考核，能够很好地满足整车需求。“5结束语发展新能源汽车是对百年来汽车动力技术最重要的变革，是对汽车工业长足发展的巨大驱动力，在发展和前进的道路上所遇到各种各样的困难在所难免，也不足为怪。对新能源汽车的研发，车企不仅面临着巨大的资金投入，还有很大的技术风险、大规模的业务重整、巨大的建设投资、服务体系的重建，更使企业困惑的是，价格不菲的新能源汽车的市场将会如何？消费者对新能源汽车除了费用偏高之外，对其技术的可靠性还存有诸多的疑虑，同时对维修保养费用是否昂贵、维修保养点是否普及、基础设施是否完善以及电源保障有无问题等也表示担忧。凡此种种，都会对新能源汽车发展带来不小的负面影响。但无论遇到什么样的困难和问题，我们都必须要想明白，都必须要看清楚，这些困难是发展中的困难，这些问题是前进中的问题，发展新能源汽车是汽车工业发展的必由之路，还需要政策上的引擎、技术上的突破、成本上的降低、市场上的拓展，只要我们坚定信念，就一定能够克服各种困难和破解各种难题，就会抢占发展新能源汽车的先机，就会走在全球新能源汽车工业的前列，我国的新能源汽车工业就会不断地发展壮大，就会迎来美好的明天。8 师文：新能源汽车的现状与发展趋势____________________________________________________________________________________________参考文献[1]黄安华:清洁汽车-中国未来汽车发展的主流[J].世界汽车，2005（5）:12～14。[2]国家发展和改革委员会.新能源汽车生产准入管理规则[S].2007,72号文件。[3]杨妙梁.世界燃料电池车发展动向（三）[J].汽车与配件，2005，（5）：34-37。[4]徐汉章,罗慧超.混合动力技术进展及相关建议[J].交通节能与环保,2007,1:15-17。[5]陈全世,信继欣.中国电动车辆研究与开发[M].北京理工大学出版社,2005。8