电动汽车技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电动汽车技术,清华汽车工程开发研究院,汽车安全与节能国家重点实验室,1,电动汽车技术,概述,发展电动汽车的意义,纯电动汽车技术,混合动力电动汽车技术,燃料电池电动汽车技术,结论,2,电动汽车技术,概述,电动汽车的定义,电动汽车的发展史,电动汽车的种类：,纯电动汽车；,混合动力电动汽车；,燃料电池电动汽车,；,其他电动汽车,3,概 述,电动汽车的定义,“电动汽车”一般的理解为：从,车载电源,上获得电力，以,电机驱动,，满足道路,安全法规,对汽车的各项要求，并,获准,在正规道路上,行驶,的车辆。,电动汽车一般由以下基本构件组成：,车载电源,驱动电机与控制器,汽车底盘和车身,4,概 述,电动汽车的发展史,1873,年,，英国人,Robert Davidson,采用铁锌电池（一次电池）将马车改造成了第一辆三轮电动车。所以,电动车较汽车,(1886,年,),早了,13,年,。,1881,年,，法国人,Gustav Trouve,第一次采用铅酸电池（,二次电池,）造成了电动汽车。,1882,年法国人制造了可乘,50,人的电动汽车,。,1886,年伦敦出现了,电动公共汽车,。,5,概 述,电动汽车的发展史,1889,年,，法国人制造的电动汽车,时速,达,106,公里,，创当时汽车时速的世界纪录。,1900,年,，美国汽车产量,4195,辆,。其中,电动汽车,1575,辆,，蒸汽汽车,1684,辆，,燃油汽车,936,辆,。电动汽车较燃油汽车比例还大。,1920,年，美国的公路上已基本见不到电动汽车了。,6,概 述,电动汽车的种类,纯电动汽车：,英文名称为,Pure Electric Vehicle,，简称：,PEV,，是指以单一车载蓄电池为能源的电动汽车。,混合动力电动汽车：,英文名称为,Hybrid Electric Vehicle,，简称：,HEV,，是指以两种或两种以上动力源为能源的电动汽车，即除了蓄电池以外，还带有燃烧某种燃料的原动机或动力发电机组，如：内燃机、燃汽轮机或燃料电池等。,7,概 述,电动汽车的种类,燃料电池电动汽车,：,英文名称为,Fuel Cell Electric Vehicle,，简称：,FCEV,，是指以燃料电池为动力发电机的混合动力电动汽车。,其他电动汽车,：,最近几年出现的电动汽车，如：,Plug-in,混合动力电动汽车,和,低速小型电动汽车,等,8,电动汽车技术,发展电动汽车的意义,减少汽车对环境的污染,提高能源利用效率,使汽车的能源结构多样化,9,发展电动汽车的意义,减少汽车对环境的污染,汽车对环境的污染：,美国：,大气污染物的,42%,来自汽车的排放，其中,CO 66%,、,HC 31%,、,NO,X,43%,、微粒,17%,、,SO,2,3%,、,CO,2,20%,、,Pb37%,。每年因大气污染造成损失,2290,亿美圆。,10,发展电动汽车的意义,减少汽车对环境的污染,我国：,大中城市的大气污染物的,70%,来自汽车的排放,全球污染最严重的,20,个城市中有,10,个在我国,2001,年，大气污染造成的损失约,600,亿美圆，占国民生产总值的,5%,；,2005,年，大气污染造成的损失约,5000,亿人民币，占国民生产总值的,3%,。,11,发展电动汽车的意义,减少汽车对环境的污染,电动汽车减少的污染：,纯电动汽车：,行驶中基本无污染,混合动力电动汽车：,可减少污染,80%,。,燃料电池电动汽车：,行驶中基本无污染,12,发展电动汽车的意义,提高能源利用效率,纯电动汽车：,以石油为例，以原油为起点，根据日本能源研究所的研究结论：,传统的,燃油汽车（汽油）,经过石油精练、运输、加油和内燃机转化后传到汽车车轮的有效能量,占原油能量的,12%,；（柴油,15%,）,纯电动汽车,经过原油粗炼、发电厂发电、电力输送、电池充电、经电机将动力传至车轮的有效,能源利用率为,14%,。,电动车的能源利用率较燃油,(,汽油,),汽车高,2,个百分点。,混合动力电动汽车：,混合动力电动汽车,一般比传统的燃油,（汽油）,汽车节油,40%-50%,。若按,40%,计算，有效能源利用率为,20%,，较传统燃油汽车高,8,个百分点。,13,发展电动汽车的意义,提高能源利用效率,燃料电池电动汽车：,燃料电池将氢气和氧气转化为电力的效率,最高为,60%,。若采用重整气体（如：甲烷、甲醇乙醇等），以重整气体为起点，经运输、燃料电池发电、,DC-DC,转换、燃料电池发动机的消耗、电动机将动力传至车轮的有效能源利用率为,20%,。注意，这里未考虑重整气体制备过程的能量损失。若将这部分能量损失考虑在内，燃料电池的有效能源利用率为,15%,左右。,综上所述：混合动力电动汽车的有效能源利用率最高。,14,发展电动汽车的意义,使汽车的能源结构多样化,发展电动汽车的主要意义之一,(,我认为最重要的因素,),是为了解决能源的安全问题，解决对石油能源的依赖程度，使耗能大户,-,汽车的能源结构多样化。例如：电能可来自水能、核能、煤、,风能,、,太阳能,等。,15,电动汽车技术,纯电动汽车技术,国外纯电动汽车的应用：法国、美国、日 本、德国等,我国纯电动汽车的发展,纯电动汽车产业化的困难,16,纯电动汽车技术,国外纯电动汽车的应用,法国：,全球最积极研制、推广纯电动汽车的国家之一。电力的,75%,来自核能，,15%,来自水电；石油基本依赖进口，油价是美国的,4,倍；国家对购买电动汽车给予补贴。,17,纯电动汽车技术,国外纯电动汽车的应用,美国,：,1973,年将开发研制电动汽车列入国家研究计划；,1991,年美国三大汽车（通用、福特、克莱斯勒）公司与政府合作联合攻关研制电动汽车的关键部件,-,电池，至今,镍氢电池性能已基本达标，但价格仍较贵,，已投入小批量商业化生产。其他电池（,锂离子和锂聚合物等,）虽取得很大进展，但尚缺乏商业化生产的基础。,1998,年,2%,和,2001,年,5%,电动汽车化的规定已放弃，,2003,年,8%,电动汽车的比例未能实现。目前基本放弃了纯电动汽车的产业开发计划，改做,PLUG-IN,混合动力电动汽车。,对电动汽车的购买者给予,10%,的补贴，,2000,年美国加州销售,3750,台电动汽车。,18,纯电动汽车技术,国外纯电动汽车的应用,日本：,石油基本依赖进口，油价很贵；,1971,年将电动汽车列入政府研究计划，,1976,年在通产省下设立电动车辆协会；,1991,年东京电力公司采用镍镉电池研制出时速达,176,公里，续驶里程,548,公里（,40Km/h,等速）的电动汽车。,1996,年丰田、本田汽车公司研制的电动汽车进入小批量生产，销售到美国加州。,德国,：,1992,年在吕根岛（,Rugen,）对,64,辆电动车进行了,4,年的应用试验；,1995,年电动车保有量为,4400,台，是当时世界上电动汽车保有量最多的国家。,19,纯电动汽车技术,我国纯电动汽车的发展,90,年代初，我国将电动汽车的研究开发首次列入国家“八五”科技攻关计划，国家计委、科委、经贸委、国防科工委都对电动汽车研究给予支持。在电动汽车及其电池、电机与控制器、充电系统、电子监控系统等方面取得了阶段性成果。,“九五”期间，国家科委将电动汽车列入国家重大科技产业工程项目，包括：电动概念车的开发；电动改装车的研制；电动汽车运行示范区的建设；电池、电机、充电技术等关键技术的研究和有关电动汽车的政策、法规、标准的制定等。,20,纯电动汽车技术,我国纯电动汽车的发展,1999,年,4,月，李岚清副总理强调汽车产业要实现跨越式发展，要发展电动汽车。,1999,年,10,月，吴邦国副总理强调：为解决环境污染和能源问题，中国政府将大力支持电动汽车的研究开发和生产。,21,纯电动汽车技术,我国纯电动汽车的发展,2001,年,10,月我国将电动汽车项目列入国家“十五,863”,重大专项计划。投入,8,亿元人民币，对纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车的关键技术进行了研究，取得了某些关键技术的突破。,22,纯电动汽车技术,我国纯电动汽车的发展,2006,年,10,月我国再一次将电动汽车项目列入国家“十一五,863”,重大专项计划。投入,11,亿元人民币，重点对混合动力电动汽车的产业化技术和燃料电池电动汽车技术进行研究，力求对关键技术的突破。,2008,年,6,月国家“十一五,863”,计划将,plug-in,混合动力电动汽车,和混合动力系统的关键部件,动力耦合装置,列入发展计划，进一步推动电动汽车技术的深入发展。,23,纯电动汽车技术,纯电动汽车产业化的困难,电池性能差 ：,电池比能量低、寿命短、充电速度慢和价格贵是纯电动汽车不能推广应用的主要原因，此外电池还存在安全性问题。,动力性能差、运输效率低,：,由于电池存电量小，一般电机功率也小，导致纯电动汽车最高车速、加速能力、爬坡能力均较燃油汽车差，续驶里程短，运输效率也低。,24,纯电动汽车技术,纯电动汽车产业化的困难,成本高、价格贵：,一般纯电动汽车的制造成本是同级别燃油车的,2-3,倍（主要是电池贵）；使用成本综合了电池的使用成本后，在目前的油价下较燃油汽车贵。,基础设施缺乏：,社会上缺乏电动汽车充电站和电动汽车的维修、培训人员等。,全世界纯电动汽车保有量只有,15000,台左右（不包括小型低速电动车）。,磷酸铁锂电池或许是突破口？,物理电池,小型低速电动汽车具有应用前景,25,电动汽车技术,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车简介,混合动力电动汽车的技术特点,四种混合动力系统,混合动力电动汽车的发展前景,26,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车简介,混合动力电动汽车是在纯电动汽车遇到巨大技术障碍时的产物。,混合动力电动汽车源自于美国总统克林顿亲自倡导和支持的,“,新一代汽车合作伙伴,”,计划,(Partnership for a New Generation of Vehicles,，简称,PNGV),，开始于,1993,年,9,月，参加该项目的有,8,个美国联邦政府机构，众多的国家实验室、大学研究机构、通用、福特、克莱斯勤三大汽车公司，上千个汽车零部件供应商等企业部门。该计划的目标是到,2004,年研制并投产一种性能与现在传统的发动机排量在,2.8,3.0 L,左右的中级轿车相同，而排放的水平达到超低排放水平，燃料消耗量,达到百公里,3 L(,即,1,加仑汽油行驶,80mile),。而能达到此目标的唯一选择就是混合动力电动汽车。,27,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车的技术特点,混合动力电动汽车,(Hybrid Electric Vehicle,，简称,HEV),是将,电动单元,与,附加动力单元,(Auxiliary Power Unit,，简称,APU),合用到一辆车上。这个附加动力单元可以是一个燃烧,(,或消耗,),某种燃料的发动机或动力发电机组。燃料可以是汽油、柴油等汽车的传统燃料，也可以是甲醇、乙醇、液化石油气、天然气、氢气等代用燃料。发动机可以是内燃机、燃气轮机、斯特林发动机等热机，也可以是燃料电池。,28,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车的技术特点,与传统的燃油汽车和电动汽车相比具有的特点：,电池容量减小（纯电动汽车的,10-20%,左右），降低了电动汽车的自重和成本。,附加动力单元,(APU),的选用，使混合动力电动汽车的续驶里程与动力性能可以达到燃油汽车的水平。,29,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车的技术特点,与传统的燃油汽车和电动汽车相比具有的特点：,、附加动力单元主要工作在最佳工况点附近，比传统内燃机汽车需在低速、高速、怠速和高负荷变工况运行时的废气排放相比，可达到超低排放水平，一般，较传统内燃机汽车,降低排放,80%,左右。同时，由于附加动力单元主要工作在最佳工况点附近，,降低了油耗,30%,（汽油机）,左右。,专用发动机节能可达,40%,。,30,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车的技术特点,与传统的燃油汽车和电动汽车相比具有的特点：,制动能量回收,系统进一步节省了能源，根据工况不同，,可降低油耗,10%-20%,；并提高制动系统的可靠性和延长制动器的使用寿命。,由于电池处于浅冲浅放状态，提高了电池使用寿命，降低了使用成本。,6.,大大增加了技术难度，主要是电动机、发电机、附加动力单元、动力耦合装置、电池与管理系统和制动能量回收的协调控制难度。,31,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,串联式：,该系统由发动机、发电机、电池组、能量管理系统,(Energy Management System,简称,EMS),、驱动电机及其控制器、汽车传动系等部分组成。,发动机与发电机组成附加动力单元,(APU),。发动机控制在最佳工况区,(,油耗和排放最低,),相对稳定运行，带动发电机所发出的电能可直接供电动机驱动汽车。,当汽车在起步、加速、爬坡或高速行驶等高负荷运行时，电池组可以提供额外的电能。当汽车中低速运行时，发电机发出的动力除了驱动汽车外，多余的电能向电池组充电。,32,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,串联式：,串联式的特点是：,动力系统需要三套（发动机、发电机、电动机），动力系统效率低，成本较高，节油率低；但控制难度较低，排放性能好。,33,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,并联式：,该系统由发动机、电池组、能量管理系统、发电,/,电动机及其控制器、汽车传动系等部分组成。,该系统的,发动机,与,电动机,以机械能,迭加,的方式驱动汽车。发动机与电动机既可以独立地驱动汽车，在需要大功率时也可以共同提供动力。,汽车低负荷运行时，由电机单独驱动汽车；,汽车中等负荷运行时，由发动机驱动汽车，发动机控制在最佳工况区附近稳定运行，富裕的动力通过电机（发电状态）给电池充电；,34,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,并联式：,当汽车高负荷运行时，发动机与电动机同时驱动汽车；,汽车滑行或制动时，通过制动能量回收系统的控制，由电机向电池组充电,。,并联式的特点是,：动力系统效率高，成本较低，油耗较低；但控制难度较大，排放性能较串联式稍差。,35,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,混联式：,该系统将串联系统与并联系统利用一种由行星齿轮系统组成的动力分配装置，通过能量管理系统结合到一起，以便根据行驶工况及对能量的需求，灵活采取不同的驱动方式。从而达到最高的效率、最低的燃油消耗和废气排放。,混联式的特点是,：结合了串联式和并联式的优点，动力系统效率高，油耗低，排放好，成本介于串联和并联之间；控制难度最大。,36,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,、,plug-in,混合动力汽车：,该系统是纯电动汽车与混合动力电动汽车的融合。正常行驶时以纯电动为主，为了减少电池的使用量（从而减轻重量，降低成本）、提高续驶里程、提高汽车的动力性和经济性，融合了混合动力汽车的优点，从而达到最高的效率、最低的成本和废气排放。,plug-in,混合动力汽车特点是：结合了纯电动汽车和混合动力电动汽车的优点，动力系统效率高，油耗低，排放好，成本较纯电动汽车有了大幅度的降低。,37,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车的发展前景,鉴于混合动力电动汽车具有节能和环保的优点，技术上不存在克服不了的困难，成本（并联式）较传统的燃油汽车增加的不多（约,20%-40%,），有可能通过节约燃料费收回，在目前情况下是最有发展前景的电动汽车。其中，,并联式混合动力电动汽车前景最为光明,。,plug-in,电动汽车,在,特定条件,下及在,油价与电价不平衡,时有较大优势。,如果,EVT,技术发展成熟，串联与混联技术也较有前途,38,电动汽车技术,燃料电池电动汽车技术,燃料电池的工作原理,燃料电池的种类,燃料电池电动汽车,制约燃料电池电动汽车应用的因素,39,燃料电池电动汽车技术,燃料电池的工作原理,40,燃料电池电动汽车技术,燃料电池的种类（五种）,燃料,电池,电解质,工作温度,(,o,C),优点,缺点,效率,(,),碱性燃料电池,KOH-H,2,O,80,启动快；,室温常压下工作。,需以纯氧作氧化剂；成本高。,70,磷酸燃料电池,H,3,PO,4,200,对,CO,2,不敏感,工作温度高；对,CO,敏感；效率低。,40,固体氧化物燃料电池,ZrO,2,-Y,2,O,3,1000,可用空气作氧化剂；,可用天然气或甲烷作燃料。,工作温度高,60,熔融碳酸盐燃料电池,Na,2,CO,3,650,可用空气作氧化剂；,可用天然气或甲烷作燃料,工作温度高,60,质子交换膜燃料电池,含氟质子交换膜,80,100,工作温度低；,可用空气作氧化剂；,比功率大，起动迅速。,对,CO,非常敏感,反应物需要加湿,60,41,燃料电池电动汽车技术,燃料电池电动汽车：,混合动力电动汽车的一种，包括燃料电池发动机、电机及其控制系统、电能存储系统等,42,燃料电池电动汽车技术,制约燃料电池电动汽车应用的因素,氢气的制备和储运：,制备成本，运输安全性，车载的安全性,燃料电池价格昂贵：,质子交换膜成本高（,120180,美元,/,平米），电催化剂需用铂金（,5,克,/,平米），,kw/1,万美元,基础设施缺乏：,加氢站几乎没有。,43,电动汽车技术,结论,纯电动汽车由于能源利用率较低，且电池比能量低、充电慢、成本高，应用前景不乐观。但是，在电价与油价不均衡的情况下，,低速小型电动汽车具有使用成本低的优势,。,混合动力电动汽车由于能源利用率高，可实现超低污染，价格增加有限，目前最有应用前景。尤其是,并联式,与,plug-in,混合动力汽车优势最为明显。,44,电动汽车技术,结论,3,、燃料电池电动汽车尽管存在能源利用率较高，工作时噪音小，基本零污染等优点；但在解决其燃料,-,氢气的低成本制备和储运，燃料电池本身的成本以及电催化剂的材料问题前，应用前景不明。,45,