机械工程前沿论文-新能源汽车

研究生课程论文封面课程名称机械工程前沿教师姓名研究生姓名研究生学号研究生专业所在院系机械与电子信息学院类别:B.硕士日期:2012年11月26日评语对课程论文的评语:平时成绩：课程论文成绩：总成绩：评阅人签名：注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。新能源汽车的简介及展望摘要：本文从多方面说明了新能源汽车的发展背景，详细介绍了新能源汽车的定义、类型，分析了各类型新能源汽车的技术特点和优缺点，最后重点阐述了新能源汽车的未来发展趋势。1、新能源汽车发展的背景人类对自然资源没有节制的消耗导致能源危机。进入21世纪以来，全球范围内的能源短缺趋势越发明显。据推测,世界石油产量在2015~2020年前后将达到顶峰,此后便走“下坡路”。IEA预计到2030年全球运输用油将达到每年32亿,为石油消费总量的55%。【1】以现在的消耗速度，到2050年左右，世界上的石油资源将开始枯竭。另外，现有能源结构中各国大量使用碳氢内能源造成碳及有毒有害物质的大量增加，造成严重的生态和环境问题。事实证明现有能源的发展模式是不可持续的，人类需要在新的能源观下建立新的能源结构，即以开发新的能源和新的节能技术想结合的方式，在节约使用传统能源的同时，开发和利用新能源。汽车产业作为全球碳排放的第二大产业，面临严重的能源消费和环境污染问题。根据世界各国和地区地区公布的汽车注册量及历史汽车保有量，截至2011年8月16日，全球处于使用状态的各种汽车，包括轿车、卡车以及公共汽车等的保有量已突破10亿辆。目前，全球的汽车保有量已从2009年的9.8亿量跃升至2010年的10.15亿辆。据估计，到2050年这一数字将升至25亿辆。根据统计部门公布的数字，2009年我国民用汽车保有量约为6300万辆，每千人汽车拥有量约45辆，是世界平均水平的三分之一。【2~4】按照目前的发展速度，预计2020年我国民用汽车保有量将超过2亿辆，每千人汽车拥有量将超过100辆。【5】随着汽车使用量逐步上升，能源紧缺和环境污染问题愈加严重，也成为了制约传统汽车工业发展的瓶颈；不仅全世界范围内的石油价格高企，而且石油燃料的燃烧造成了严重环境污染，给传统汽车工业的发展带来巨大的环境压力。而作为汽车体系的生力军，新能源汽车符合节能减排的要求，是对传统汽车的合适补充。新能源汽车研发开始受到了愈来愈多的关注，开发和使用新能源汽车已经成为未来汽车工业发展的方向。各级政府、各大汽车厂商、消费者和环保组织对新能源汽车的发展前景已经形成了基本共识：新能源汽车将是石油紧缺时代汽车发展的最终方向。2、新能源汽车的分类及技术特点2.1新能源汽车的概念及分类新能源汽车是相对传统燃料汽车而言的，由于系能源汽车发展较晚，目前尚没有被统一认可的定义。按照动力源的不同，主要有三种：混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池电动汽车。按照电池种类的不同，又可以分为镍氢电池动力汽车、锂电池动力汽车和燃料电池动力汽车。按照定义范围的大小，可分为广义新能源汽车和狭义新能源汽车两种。广义新能源汽车，又称代用燃料池车，包括纯电动车、燃料电池电动汽车这类全部使用非石油燃料的汽车，也包括混合动力电动车、乙醇汽油汽车等部分使用非石油燃料的汽车。[6]目前存在的所有新能源汽车都包括在这一概念里，具体分为六大类：混合动力汽车、纯电动车、燃料电池汽车、醇醚燃料汽车、天然气汽车等。狭义新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的具有新技术、新结构、技术原理先进的汽车。【7】按照这个概念，新能源汽车包括：混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车以及燃气汽车、醇醚汽车等。新能源汽车的分类图如下：新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新新图（1）新能源汽车分类图混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车属于电动汽车，其它新能源汽车包括燃气汽车和醇醚类汽车。2.2各类型新能源汽车的技术特点2.1.1混合动力汽车混合动力汽车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。【8】目前主要的混合动力汽车按照动力系统结构，可以主要分为串联式混合动力汽车（SHEV）、并联式混合动力汽车（PHEV）和混联式混合动力汽车（PSHEV）。串联式混合动力汽车（SHEV），其混合动力系统用电动机驱动车轮，电动机的电力来自发动机。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，它们之间用串联的方式组成SHEV的动力单元系统，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。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。并联式混合动力电动汽车，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。混联式(串、并联式)混合动力电动汽车，其混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。混联式混合动力系统包括：发动机、电动机及其控制器、电控离合器、发电机及其控制器、动力电池（超级电容或蓄电池）。其工作原理如下：图（2）车速低于临界状态当汽车的车速低于临界速度时，发动机带动发电机给蓄电池充电，动力电池为电动机提供电力驱动车辆。图（3）车速高于临界状态当汽车的车速高于临界速度时，发动机与电动机同时提供电力，发动机平稳工作，电动机负责加速出力。图（4）减速与制动当汽车减速和制动时，驱动桥带动电动机（再生发电），为动力电池充电（能量回收）。混合动力汽车的优点是：（1）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。（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）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。其缺点是长距离高速行驶基本不能省油。混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。由于构造复杂，成本较高，在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是一种过渡产品。2.2.2纯电动汽车纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。与混合动力最大的不同在于，纯电动汽车完全不使用内燃机作为发动装置，也不使用汽油、柴油等燃料，而是完全采用可充电式电池驱动，其基本结构非常简单，电动发电机和车载电池是其中的关键部件，其中又以电池最为关键。其本身不排放污染大气的有害气体。纯电动汽车研究取得较大进展，已进入产业化阶段。【9】纯电动汽车的优点是:(1)无污染，噪声低，不采用任何有机燃料作为直接能源来源，纯电动汽车本身不排放污染大气的有害气体。（2）能源效率高，来源多样化。（3）技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。但是由于技术和成本上的问题，纯电动汽车目前仍存在一些缺陷。最主要的问题在于，目前蓄电池单位重量储存的能量太少，一次充电后行驶里程不理想;高储量的电池使用寿命较短，使用成本高，纯电动汽车总体成本比较高。2.2.3燃料电池汽车燃料电池汽车就是利用燃料电池，将燃料中的化学能直接转化为电能来进行动力驱动的新型汽车。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。近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒－克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布，计划在2004年以前将燃料电池汽车投向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：（1）零排放或近似零排放，运行平稳、无噪声。(2)能量转化效率高。燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而可以大大提高能量转化效率。（3）良好的动力系统与操控系统：燃料电池汽车负荷响应快，运行质量高。2.2.4氢动力汽车氢动力汽车就是在现有的引擎基础上加以改造，从氢气(或其他辅助燃料)和空气的混合燃烧产生能量从而获得动力的汽车。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，零排放等优势，因此，氢动力汽车是最理想的替代方案。优点：（1）氢燃烧热值高，燃烧性能好，排放物是纯水，行驶时不产生任何污染物。（2）内燃机技术成熟，具有较好的稳定性，使用寿命长。缺点：氢燃料电池成本过高，其能量转化效率不如燃料电池。2.2.5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。汽车发动机所根据燃料不同，可分为煤气机、汽油机、柴油机和天然气机等，它们的工作过程是一样的，完成一个工作循环都要经过进气过程、压缩过程、燃烧过程、膨胀做功过程和排气过程。由于它们所用燃料不同，因此又有各自特殊之处，在化油器式汽油机中，通过化油器将汽油汽化同空气混合形成混合气，然后将混合气吸入气缸，在压缩过程快结束时，用电火花将混合气点燃；在柴油机中，通过进气管吸入气缸的是新鲜空气，在压缩过程快结束时，由喷油器将柴油成雾状喷入燃烧室，并与运动着的高温高压空气混合自行着火燃烧；在天然气发动机中，先将天然气通过减压调节器减压，再通过混合气将低压天然气和空气混合形成混合气，然后将混合气吸入气缸，在压缩过程快结束时用电火花将混合气点燃。燃气汽车的主要优点是:(1)低污染，天然气对环境造成的污染远远小于石油和煤炭。(2)成本较低，经济效益好。(3)安全性较好。气体燃料系统的各个部件，特别是密封部分，都经过严格的检查。因此，天然气作为汽车燃料是比较安全的。缺点是：动力性较低，续驶里程短。同时由于气体燃料的能量密度低，天然气汽车携带的燃料量较少，一般行驶距离较汽油车短。2.2.6生物乙醇汽车生物乙醇汽车是使用乙醇为燃料的汽车，也可叫酒精汽车。目前世界上已有40多个国家，不同程度应用乙醇汽车，有的已达到较大规模的推广，乙醇汽车的地位日益提升。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。3、新能源汽车展望进入本世纪后，美国率先制定“2002～2011年汽车轻量化、节能化和环保化计划”，带动了欧亚主要汽车生产国及生产厂家纷纷效仿，制定出应对的政府优惠政策及发展规划。【10~11】我国确立了整车以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车和零部件以多能源动力总成控制、驱动电机及控制单元、动力蓄电池及管理系统为主的研发布局。各大汽车厂商围绕汽车的节能环保，对汽车进行不断优化。汽油发动机继续进化，排放减少、油耗降低，但人们也意识到汽油发动机的改良是有极限的。从长远的发展来看，“零排放”是最终的发展趋势。当然，要实现零排放，必须有取而代之的最有力的动力源，人们首先想到的是利用电能的电动机。为了与汽油发动机同样行驶,必须装载大而重的电池,动力蓄电池就成了问题。目前,电动汽车也正向着电—电混合动力方向发展,如:超级电容作为唯一动力源的电动汽车驱动结构较简单,但是目前技术还不成熟。另外一方面，燃料电池车开始受到注目,燃料电池车一般以质子交换膜燃料电池作为车载能源。质子交换膜燃料电池是一种通过氢和氧的电化学反应直接产生电能的装置,反应过程不涉及燃烧,因此不受“卡诺循环”