第七章 汽车新型技术

第八章汽车新型技术汽车保有量持续增加，燃油消耗增加排气污染日益严重（NOx,HC)CO2引起全球温室效应石油资源枯竭石油价格上升，对国外石油的依赖程度增加•各国相继开始新型汽车的研究和开发根据所使用的基本动力能源不同，可分为•蓄电池电动汽车（EV）•混合动力汽车（HEV）•燃料电池汽车（FCEV）一蓄电池电动汽车（EV）70年代石油危机之后，为了减少汽车油耗及全球温室效应，实现汽车零排放，美国以及欧洲一些国家开始对电动汽车（EV）进行研究开发。但高能量蓄电池技术一直没有取得突破性进展，电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡，电动汽车只能用于短途行驶。电动汽车的主要问题：1）铅酸蓄电池比能量低，一次充电的续驶里程短；2）蓄电池比功率小，重量和体积大，导致电动汽车动力性能无法与传统汽车相媲美；3）蓄电池充电时间长，且需要建设地面充电检测等设施；4）蓄电池（尤其镍氢、锂离子、燃料电池）价格昂贵。一蓄电池电动汽车（EV）•主要由电池组、控制系统、驱动系统及安全保护系统等组成电池组转向系统辅助电器电动机控制系统电池管理转向控制汽车辅助电器控制信号处理节气门制动驱动电动机控制系统蓄电池电动汽车结构组成二混合动力电动汽车（HEV）混合动力汽车（HybridElectricVehicle)传统内燃机汽车与纯电动汽车相结合的一种汽车型式，由辅助动力单元（汽油机、柴油机、燃气轮机、燃料电池）、电机和能量储存装置（蓄电池、惯性飞轮、超级电容器）组成。如果辅助动力单元能单独驱动车轮（与电动机并联），称为并联型混合动力系统(PHEV)；如果辅助动力单元的作用是向发电机发电，只能由电动机驱动车轮，称为串联型合混合动力系统(SHEV)。比传统内燃机汽车节约两倍能源，排放降低。据预测，如果全世界所有使用汽油发动机的汽车全部改为混合动力汽车，全球温室效应将减少47%。第一台木制的汽油机-电机混合驱动汽车出现在1916年，这辆车在低速时用电机驱动，高速时用发动机驱动，并向电池充电。60年后，1976年美国能源部开始支持大学生开展混合动力汽车的仿真、设计和试验研究。•串联式动力：串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成•发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车•小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机•串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。•但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。串联式结构•并联式动力：并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统•可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动•当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度•电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。•由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。并联式结构混合动力汽车的优点是：1）再生制动—电动机处于发电机模式使汽车制动，产生的电能储存于电池中，回收了一部分在传统机械制动器中做为热能而消耗掉的能量。2）消除怠速工况（或怠速工况大大减少）—电动机作为起动电机，使得发动机可以在停车期间和减速制动期间关闭，消除了怠速工况，节省了燃油。3）当发动机关闭时，能量储存装置为附属设备（空调，车内照明灯等）提供电能；或者发动机以高于怠速的转速驱动附属设备，剩余的功率则向储存装置充电。4）发动机排量减少—由于电动机的助力作用，使得发动机的额定功率减少，可使发动机运行在具有更高效率的较高负荷区,油耗减少，排放降低。且发动机重量更轻，有利于燃油经济性。5）某些混合动力汽车的发动机还能在最大效率点运行。6）电动机驱动—某些混合动力汽车的电动机可以单独驱动汽车起步加速，避免了发动机在低效区运行。•混合动力汽车燃油经济性的限制因素：1）较高的重量能量储存单元、电机和其他元件增加了混合动力汽车的重量。2）电力损失混合动力汽车排放减少的原因：1）发动机燃油经济性的提高将使CO2排放减少；2）采用较小排量的发动机使HC和NOx降低。车辆工作模式启动加速巡航减速停车发动机模式发动机启动驱动汽车停止供油自动怠速停电动机模式辅助驱动发电/停机再生制动停机电池荷电状态充满IMA电机带动发动机启动部分负荷和全负荷时助力停止发电停止充电自动怠速停系统启动高为12伏系统供电回收再生制动能量↑全负荷时助力低为电池系统充电零启动电机带动发动机不助力充电IMA对燃油效率的贡献启动时的最佳燃油控制通过电机助力降低发动机负荷和燃油消耗通过有效的电池控制减少不必要的供电量和负荷回收和储存制动能量，无燃油消耗无燃油消耗日本：本田汽车公司，1999年12月在美国市场推出混合动力汽车INSIGHT。INSIGHT以平均68英里/加仑的成绩连续四年被评为美国最省油的车。2001年12月在日本国内市场推出了Civic，Civic油耗为29.5km/L，超过了Prius的29km/L。日产汽车公司，2000年在日本市场销售了一定数量的TinoHybrid。市区使用电动驱动系统，在高速及公路上使用内燃机驱动系统。它与与同级别的汽油车相比油耗减少一半，百公里油耗仅为4升，CO2排放量减少一半。•丰田是全世界第一台正式批量生产的混合动力车的制造者，自从1997年开始，Prius就开始在日本销售•该车自重1515kg，装用顶置凸轮轴四缸，1500cc排量汽油机，最大功率42．6kW／4600r／min，带永磁无刷发电机，驱动电机亦为永磁无刷的额定功率30kW，采用氢镍电池，实现串并联控制方式，百公里油耗为3．4L，比原汽油车减少了一半，CO2排量也相应减少了一半，CO、HC、NOX仅为现行法规允许值的10％，售价每辆216万日元（约15000美元）美国：福特汽车公司已开发出两款混合动力汽车。福特爱仕(Escape)混合动力电动汽车于2003年推出。克莱斯勒汽车公司在1998年就推出了第二代混合动力电动汽车ESX2。通用汽车公司宣布2004年将生产7000辆混合动力汽车，并计划在未来5年内至少推出12款混合动力电动汽车。已开发并投入营运的并联型混合动力bus，2004年生产GMCSierra皮卡（FlywheelAlternatorStarter,有怠速起停，燃料切断和再生制动，无助力功能，经济性提高10%），2006年推出轻度混合动力汽车SaturnVUE（BeltAlternatorStarter,有怠速起停，燃料切断和再生制动，无助力功能，EPA经济性提高12%）。并计划采用汽缸关闭技术开发经济性能提高30%的重度并联混合动力汽车（SUV和皮卡）。•我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制，在此基础上也进行了混台动力电动汽车的若干技术领域的开发•清华大学在混合动力电动汽车关键技术和系统及理论方面作了许多工作，1995年就开始这方面的研究•到目前为止国内已有几个单位试制出了混合动力电动汽车的样车，如长安，奇瑞，一汽，上汽等国内混合动力汽车的发展：1）最高车速≥160km/h，加速性能优于同类内燃机汽车；2）最大爬坡度35%；3）燃油经济性：≤6.8L/100km（与同级别车型相比，降低油耗20%以上）4）排放限值满足国IV要求；5）车外噪声(加速时最大)不大于74dB6）长安杰勋HEV的售价将在18万元-20万元左右长安杰勋HEV混合动力车三燃料电池电动汽车（FCEV）•利用氢和氧在燃料电池中的反应发电作为动力的电动汽车称为燃料电池电动汽车•优点：1.产生电能的过程不生产任何污染物2.氢作为一种能源，尽管是以水这样的化合物存在，但其之不尽3.节约矿物资源并减少二氧化碳的排放燃气汽车•以燃气为燃料的汽车称为燃气汽车•目前常用的燃气汽车有：1.压缩天然气汽车（CNGV）2.液化石油气汽车（LPGV）1.有害气体排放低其都为气态，容易与空气混合形成均匀的可燃混合气，燃烧完全，可以大幅度减低CO、HC和微粒的排放，而且由于CNG和LPG的火焰温度低，NOx的排放也相应减少2.热效率高CNG辛烷值高达130，LPG也在100左右，燃用CNG和LPG可提高发动机的压缩比，获得较高的发动机热效率3.冷启动性能和低温运转性能良好4.可以延长润滑油更换周期CNGV和LPGV的优点：1.储运性能差常温下其为气态，体积大，目前采用将CNG压缩到20MPa高压或将LPG压缩到1.6MPa，充入车用气瓶内储运，这些既增加了汽车自重，又减少了载货空间2.一次充气的续驶里程短3.动力性下降其均呈气态进入气缸，使发动机充气系数降低CNGV和LPGV的缺点：其它新型清洁燃料汽车