1、青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计1引言汽车工业产生一百多年以来，一直被当成工业发达国家的经济指标，在国家实力成长中发挥着极为重要的作用。但是，传统汽车产业的发展始终伴随着石油消耗和大气环境污染的双重危机。目前，全球能源和环境系统面临着巨大的挑战，汽车作为石油消耗和二氧化碳排放的大户，需要进行革命性的变革。新能源汽车的发展已经在全球形成了共识，欧美日这些国家，都把新能源汽车作为战略制高点来考虑，国家投入力量加强产业的发展，我国传统汽车领域和国外相比还比较落后，但在新能源汽车方面，我们和发达国家的差距并不大，我们有机会在新能源汽车领域与西方发达国家在一个平衡的层面上创新。如今，环境污染是社会
2、热点话题，发展新能源汽车是必然趋势，但汽车绿色新能源技术繁多,绿色新能源汽车发展方向如何？本课题以此为出发点,着重分析目前主要的几种电动汽车技术以及这些技术的优缺点,结合近几年各大汽车公司推出的各种电动汽车实例，得出驱动电动机将呈现多样化发展；混合动力汽车将率先投放市场；燃料电池汽车将成为世界各大汽车公司 21 世纪激烈竞争的焦点。从而得出电动汽车将是未来发展的趋势。绿色新能源技术在现代汽车上的应用2正文1.新能源汽车的概述1.1 新能源汽车的定义根据我国汽车产业发展政策的有关规定，2007 年，国家发展和改革委员会制订了新能源汽车生产准入管理规则 ， 新能源汽车生产准入规则对新能源汽车做出了
3、明确的定义：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而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、新结构的汽车。1.2 新能源汽车的发展必要性1.2.1 能源短缺世界能源包括石油、天然气、煤炭和核能等。据预测，目前全球已探明石油储量为12000.7 亿桶，可开采 40.6 年；天然气已探明储量 179.83 万亿立方米，可开采 65.1 年。我国是一个能源短缺的国家，但却是一个能源消费大国。按照当前的能源资源开采速度，各种以此能源可供应的年限，石油为 11.3 年，天然气为 27.2 年，煤炭为 45 年。我国的能源资源状况如表 1-1 所示：
4、表 1-1 能源资源状况表能源能源总量/亿吨标准煤原煤/亿吨原油/亿吨天然气/亿立方米水能/亿千瓦小时剩余开采储量 1391.9 1145.0 32.7 13668.9 12600.0结构 100 58.8 3.4 1.3 36.5世界总量 13832.9 9842.1 1402.8 1493811.0 73053.0中国所占比例 10.1 11.6 2.3 0.9 17.2青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计31.2.2 环境污染燃料汽车在行驶过程中会产生大量的有害气体，不但污染环境，还大大的影响人类健康。燃油汽车排放的污染物主要包括以下几种。(1) 碳氢化合物。它能刺激眼结膜，引起流泪并
5、导致红眼症，同时对鼻、咽、喉、器官积肥不均有刺激作用，能引起急性喘息症。光化学烟雾还具有损害植物、降低大气能见度、损坏橡胶制品等危害。(2) 二氧化硫。二氧化硫是一种无色具有强烈刺激性气味的气体，易溶解于人体的血液和其他黏性液。大气中的二氧化硫会导致户籍到炎症、支气管炎、肺气肿、眼结膜炎症等。同时还会使青少年的免疫力降低，抗病能力变弱。 二氧化硫在氧化剂、光的作用下，能生成硫酸盐气溶胶，硫酸盐气溶胶能使人致病，增加病人死亡率。(3) 臭氧。臭氧对人体的器官和肺部均有损害作用，对心脏、肝等器官有不良影响。臭氧的浓度过高会危及人的身体健康1.2.3 气候变暖能源大量消耗带来温室气体排放问题。二氧化
6、碳已经是全球最重要的温室气体，是造成气候变化的主要原因，而它主要是来自石化燃料的燃烧。据世界许多科学预测，未来50100 年人类将完全进入一二变暖的世界，由于人类活动的影响，大气中的温室气体和硫化物气溶胶的含量增加的过快，未来 100 年全球平均地表温度将上升 1.45.8 摄氏度，但2050 年上升 2.2 度。越来越多的证据证明，人类活动是造成气候变暖的主要原因，而气体变暖又是由于大气中聚集了大量的温室气体，其中主要成分是二氧化碳，气候变化加剧，交通领域的二氧化碳成为关注焦点。据 IEA 估计，汽车二氧化碳总排放量将从 1990 年的 29 亿吨增长到 2020 年的 60 亿吨。然而我国
7、的二氧化碳排放仅次于美国，下图为世界主要国家排放二氧化碳的比例。绿色新能源技术在现代汽车上的应用4图 1-1 世界主要国家排放二氧化碳比例图1.3 发展新能源汽车的意义众所周知，汽车工业是综合性工业，反映了一个国家的综合工业水平。从历史上看，从工业化中期到最后完成工业化和现代化，没有一个大国强国不是靠汽车工业的高速发展来完成这一过程与历史使命的。汽车工业在国家经济成长和社会进步中的重要作用，可以从创造巨大国民生产总值、带动交通运输、军事等相关产业发展、促进新技术发展、创造出口和外汇储备、增加就业和财政收入等多方面体现。然而，从发展汽车工业的目的来看，发展汽车工业并不在于汽车工业本身，而是不断改
8、善人类的生活水平和推动社会进步，更重要的是只有建立一个强大的汽车工业体系，一个国家才能成为大国强国。1.4 新能源汽车的分类新能源汽车包括的范围广泛，大致可分为电动汽车、气体燃料汽车、两用燃料汽车和双燃料汽车等类型。1.4.1 气体燃料汽车定义：气体燃料汽车是指以液化石油气、天然气或煤气等气体为燃料的发动机的汽车。工作原理：根据汽车使用可燃气体的形态不同可分为三种：压缩天然气 CNG（compressed natural gas） ，主要成分为甲烷；液化天然气 LND（liquefied natural gas） ，甲烷经深度冷冻液化；液青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计5化石油气 LPG
9、（liqyefied petroleum gas） ，主要成分是丙烷和丁烷的混合物。1.4.2 两用燃料汽车两用燃料汽车是指具有两套相对独立供给系统，一套供给天然气或液化石油气，另一套供给天然气或液化石油气之外的燃料，两套燃料供给系统可分别但不可共同向气缸供给燃料的汽车，如汽油压缩天然气两用燃料汽车、汽油液化石油气两用燃料汽车等。1.4.3 双燃料汽车双燃料汽车是指具有两套燃料供给系统，一套供给天然气或液化石油气，另一套供给天然气或液化石油气之外的燃料，两套燃料供给系统按预定的配比向气缸供给燃料，在气缸混合燃料的汽车，如柴油压缩天然气两燃料汽车、柴油液化石油气双燃料汽车等。另外，现有利用太阳能
10、、原子能等其他能量形式驱动的汽车。按照燃料的来源划分，新能源汽车可分为以下五类：（1）基于传统石油燃料的节能环保汽车，如先进柴油汽车和混合动力汽车；（2）基于天然气和石油伴生品的燃料汽车；（3）基于实话燃料化工的替代燃料汽车，如煤制油；（4）生物燃料汽车，包括燃料乙醇和生物柴油汽车；（5）燃料电池汽车和纯电动汽车。1.4.4 电动汽车电动汽车的定义：电动汽车是指以电能为动力的汽车，一般采用高效率充电电池、或燃料电池为动力源。电动汽车无需内燃机，因此，电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的邮箱。由于电能是二次能源，它可以来源于风能、水能、核能、热能、太阳能等多种方式，所以它是
11、非常有前景的能源汽车，它属于零排放汽车。电动汽车的优点它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量为发电厂的排放，除硫和微粒之外，其他污染物也显著减少。由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害比较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，解除人们对石油资源日渐枯竭的担心。电绿色新能源技术在现代汽车上的应用6动汽车还可以利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。2电动汽车的研究2.1 纯电动汽车纯电动汽车是以电池为储能单元，以电动机为驱动系统的车辆。通常地，容
12、量型动力电池即可满足使用要求。纯电动汽车的结构相对简单，生产工艺相对成熟，缺点是充电速度慢，持续行驶里程段。以此适合行驶路线相对固定、有条件进行较长时间充电的车辆。2.1.1 纯电动汽车的组成原理纯电动汽车主要有电力驱动系统、电源系统和辅助系统三部分组成。纯电动汽车组成如图 2-1 所示。图 2-1 典型电动汽车组成框图当汽车行驶时，有蓄电池输出电能通过控制器驱动电动机运转，电动机输出的转矩经传动系统带动车轮前进和后退。电动车持续里程与蓄电池容量有关，蓄电池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里程，必须尽可能地节省电池容量。1. 驱动系统电力驱动系统主要包括电子控制器、功率转换器、电动机、机
13、械传动装置和车轮等。它青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计7的功用是将存储在蓄电池中的电能高效的转化成车轮的动能，并能够在汽车减速制动时，将车轮的动能转化成电能冲入蓄电池。2. 电源系统：电源系统主要包括电源、能量管理和充电机等。它的功用是向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。纯电动车和混合动力电动车的能量管理不同，纯电动车主要是指电池管理系统，它的主要功用是对电动汽车用电池单体及整组进行实时监控、充放电、巡检、温度监测等。3. 辅助系统：辅助系统包括辅助动力源、空调器、动力转向系统、导航系统、刮水器、收音机以及照明和除霜装置等。辅助系统除动力源外，其余的依据车型
14、不同而不同。2.1.2 纯电动车的特点1. 无污染，无噪音：电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，有“零污染”的美称；电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。但是，使用电动汽车并非绝对无污染，例如使用铅酸蓄电池作动力源，制造、使用中要接触到铅，充电时产生酸气，会造成一定的污染；蓄电池充电所用的电力，在用煤炭作为燃料时会产生二氧化碳、二氧化硫、粉尘等；随着技术的发展，可以用其他电池做电动汽车的电源，如发展水电、核能、太阳能等。2. 能源效率高，多样化：电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运行，汽车走走停停，
15、行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停车时不消耗电能，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动加速时能量再利用。3. 结构简单，使用维修方便：电动汽车比较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件减少，维修保养工作量小；当采用交流感应电动机时，电动机无需保养维护；更重要的是要电动汽车易操控。2.1.3 纯电动汽车的关键技术1. 电动机及控制技术：绿色新能源技术在现代汽车上的应用8电动汽车的驱动电机属于特种电动机，是电动汽车的关键部件。要电动汽车有良好的使用性能，驱动电动机应具有较宽的调速范围及其极高的转速，足够大的启动转矩，体积小、质量轻、效率高和小型化方向发展。2. 电池及管理技术：电动
16、汽车车用动力蓄电池经过 3 代的发展，已取得了突破性的进展。第一代是铅酸电池，由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前唯一能大批量生产的电动汽车用电池。第二代是碱性电池，其能量和功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。只能采用廉价材料，电动汽车用锂离子电池将获得长足的发展，目前关键是要降低批量化生产的成本，提高电池的可靠性、一致性及寿命。第三代以燃料电池为主的电池。燃料电池能量转变效率、比能量和比功率提高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以持续进行，因此是理想的汽车用电池。3. 整车控制技术：新型纯电动轿车整车控制系统是两条总线的网格
17、结构，即驱动系统的高速 CAN 总线和车身 系统的低速总线。高速 CAN 总线每个节点为各子系统的 ECU。低速总线按物理位置设置节点，基本原则是基于空间为指导区域自治。4. 整车轻量化技术：(1) 整车轻量化始终是汽车技术的重要研究内容。纯电动汽车由于不知饿电池组，整车重量增加较多，轻量化问题更加突出。但可以采用以下措施减轻汽车质量。(2) 通过对整车实际使用工况和使用要求的分析，对电池和电压、容量、驱动电动机功率、转速和转矩、整车性能等车辆餐宿的整车优化，合理选择电池和电动机参数。2.2 燃料电池电动车采用燃料电池作为电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric
18、 Vehicle , FCEV） 。FCEV 一般以质子交换膜燃料电池（ PEMFC）作为车载能量源。2.2.1 燃料电池电动汽车的类型1纯燃料电池驱动的 FCEV纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。纯燃料电池电动汽车的动力系统如图 2-2 所示。青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计9图 2-2 纯燃料电磁驱动形式系统结构图燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电动机，驱动电动机将电能转化为机械能在传递传动系，从而驱动汽车前进。1.燃料电池系统的优点： 系统结构简单，便于实现系统控制和整体布局； 系统件少，有利于整车的轻便化；2.燃料
19、短促与辅助蓄电池联合驱动：燃料电池和辅助蓄电池联合驱动的结构为一典型的串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电动机提供能量，驱动电动机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽车前进。在汽车制动中，驱动电动机变成了发电机，蓄电池将储存回馈的能量。燃料和辅助蓄电池联合驱动的燃料电池电动汽车的动力系统如图 2-3 所示。图 2-3 燃料电池辅助蓄电池形式动力结构图3.燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动：燃料电池与蓄电池和超级电容联合驱动的结构也为串联式混合动力结构。在该动力系统中，燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，
20、从而驱动汽车前进；在汽车制动中，驱动电动机变成发电机，蓄电池和超级电驱动电动机燃料电池系统传动系蓄电池燃料电池系统驱动电动机 传动系绿色新能源技术在现代汽车上的应用10容将储存回馈的能量。在采用燃料电池、蓄电池和超级电容联合功能时，燃料电池的能量较为平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的低频部分由蓄电池承担，能量需求变化的高频部分由超级电容承担。在这个结构中，各动力源的分工更加明细，因此它的优势也得到了更好的发挥。燃料电池与蓄电池超级电容联合驱动的电动汽车的动力系统如图 2-4 所示。图 2-4 燃料电池蓄电池超级电容形式动力系统结构图2.2.2 燃料电池电动汽车的特点1. 燃料电池电动汽
21、车的优点：(1)效率高。燃料电池的工作过程是化学能转化为电能的过程，不受卡诺循环的限制，能量转换效率较高。（2）绿色环保。燃料电池没有燃烧的过程，以纯氢作燃料，生成物只有水，属于零排放。(3)低噪声。燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和制冷系统以外无其他运动部件。2. 燃料电池电动汽车的缺点：（1）燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高。燃料电池发动机的制造成本居高不下，国内估计 3 万元/千瓦，国外成本约 3000 美元/ 千瓦，与传统内燃机仅 200 到 350 元/千瓦相比，差距巨大。（2）辅助设备复杂，且质量和体制较大。目前普遍采用的氢气燃料 FCEV，因需要高压、低温、和防护的特种储存罐，导致体积庞大，也给 FCEV 的使用带来了不便。超级电容燃料电池系统蓄电池驱动电动机 传动系
