新能源汽车,包括纯电动汽车(EV,包括太阳能汽车)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池电动汽车(FCEV)及其他新能源(如超级电容器、飞轮等高效储能器)汽车等。非常规的车用燃料指除汽油、柴油、天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、乙醇汽油(EG)、甲醇、二甲醚之外的燃料。
人类历史经历了两次交通能源动力系统变革,第一次变革发生在18世纪60年代,以蒸汽机技术诞生为主要标志;第二次变革发生在19世纪70年代,石油和内燃机替代了煤和蒸汽机,使世界经济结构由轻工业主导向重工业转变,同时也促成了美国的经济腾飞,并把人类带入了基于石油的经济体系。
第三次变革将是以电力和动力电池(包括燃料电池)替代石油和内燃机,将人类带入清洁能源时代。
新能源汽车根据所用燃料的不同,可以分为:
1、纯电动汽车
就是不使用内燃机而是用电动机作为驱动装置的汽车,其英文缩写为EV,即Electric Vehicle。
2、混合动力汽车
是指拥有至少两种动力源,使用其中一种或多种动力源提供部分或者全部动力的车辆。目前的实际情况,混合动力汽车多采用发动机和电动机作为动力源,通过混合使用热能和电力两套系统开动汽车。
3、燃料电池汽车
是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经化学反应产生电能,并作为主要动力源驱动的汽车。燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种,在车身、动力传动系统、控制系统等方面,燃料电池电动汽车同普通的电动汽车基本相同,主要区别在于动力电池的工作原理不同。
4、气体燃料汽车
主要包括天然气和液化石油气汽车。天然气汽车又称为“蓝色动力”汽车,主要以压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、吸附天然气(ANG)为燃料,常见的是压缩天然气汽车(CNGV)和液化石油气汽车(LPGV)
5、氢燃料汽车
采用氢气作为汽车燃料,只需将常规火花塞点火式发动机略加改动,其燃烧效率比汽油高,混合气可以较大程度地变稀,所需点火能量小,有利于节约燃料。氢气也可以加入其他燃料(如CNG)中,用于提高效率和减少二氧化氮的排放。氢的质量能量密度是各种燃料中最高的一种,但体积能量密度最低,其最大的使用障碍是储存和安全问题。宝马汽车公司开发出多款氢发动机汽车,其装有V12氢发动机的7系轿车是世界上首批量产的氢发动机,该发动机可使用氢气和汽油两种燃料。氢燃料汽车目前在世界上应用的还比较少,氢气的大量制造与储存仍处于研发阶段,但其前景十分的美好,是未来汽车的发展方向。
6、醇类汽车
是以甲醇、乙醇等醇类物质作为燃料的汽车,使用比较广泛的燃料是乙醇。目前醇类汽车多使用乙醇与汽油或柴油以任意比例掺和的灵活燃料驱动,既不需要改动发动机,又起到良好的节能、降污效果,但这种掺和燃料要获得与汽油或柴油机相当的功率,必须加大燃油喷射量。
7、太阳能汽车
每天到达地球表面的太阳能辐射能大约相当于215亿万桶石油,太阳能可以再生,因此太阳能电动车被称为“未来汽车”。但是太阳能能量的大小随着时间的变化、天气情况和地理位置的不同而变化。另外太阳能是一种低密度、间歇性能源,这就对太阳能的收集与应用提出了更高的要求,成本问题也是太阳能推广应用中的重要障碍之一。
车型 | 纯电动汽车 | 混合动力汽车 | 燃料电池汽车 |
驱动方式 | 电动机 | 内燃机+电动机 | 电动机 |
能源系统 | 蓄电池 | 内燃机、蓄电池 | 燃料电池 |
能源和基础设施 | 电网充电设备 | 加油站/电网充电设备 | 氢气 |
排放量 | 零排放 | 低排量 | 超低排量或零排量 |
主要特点 | 续航里程短/初始成本高 | 续航里程长/仍部分依赖汽柴油 | 能源效率高/续航里程长/成本高 |
商业化进程 | 有销售,但未规模化 | 已规模化量产 | 仍处于研发阶段 |
主要问题 | 电池安全及效率/充电网点 | 蓄电池效率/电池管理系统 | 成本高昂/制氢技术有待突破 |
美国在2012年启动了电动汽车国家创新计划《EV Everywhere》,通过提高对高性能锂离子电池材料、插电式车辆技术、轻量化技术等关键技术的支持。德国2012年也发布《国家电动汽车平台计划第3次评估报告》,进一步要求建立以用户为中心,基础设施技术、动力系统技术、先进制造技术等关键技术全方位的研发体系,实现称为世界电动汽车领先国。日本于2010年发布了《下一代汽车计划》,重点支持先进锂离子动力电池研发。
为定义未来新能源汽车标准,大众汽车推出全新的MEB平台。MEB平台的电动汽车将以350km续航里程为基础,最高续航里程达600km。I.D.CROZZ是大众I.D.家族的第三款汽车,也是I.D.家族首款SUV车型。I.D.CROZZ续航里程达500km,并采用四轮驱动,提供225kW的功率输出,最高时速达180km/h。
丰田汽车公司作为新能源车型的积极倡导者,早在1993年就开始在公司内部商讨发展混合动力技术,一年后制定项目计划,1995年开始研发,1997年推出第一代混合动力汽车,2005年推出第二代车型上市。目前丰田汽车公司将混合动力的许多技术都申请了专利技术,是这一领域内名副其实的领军者。
美国通用汽车公司全面开展氢燃料电池、混合动力、生物燃料、柴油机、天然气等新型汽车的研发。
宝马汽车公司从1978年便开始氢动力的研究工作,是目前在这领域内做得最成熟的厂家。
2017年日内瓦车展上,韩国现代发布了一款新能源概念车FE Fuel Cell。该车以氢燃料电池为能源,最大续航里程可达800km。
国家新能源汽车产业规划2015~2020从数量上给出了未来新能源汽车销量增长的明确目标,制定了一系列补贴优惠的扶持政策。
1、纯电动汽车
目前已批量生产和应用。
2、混合动力汽车
目前,国内主要汽车企业均已进入混合动力领域。
3、燃料电池汽车
燃料电池有多种类型,用于汽车的主要是质子交换膜燃料电池。
4、气体燃料汽车
气体燃料汽车的燃料包括CNG、LPG和氢气。CNG汽车和LPG汽车也是我国清洁汽车行动计划的主角,2008年在21个城市和地区推广,保有量超过24.3万辆,其中,CNG汽车占52%。中国目前在用的CNG和LPG汽车多数为双燃料骑车。
5、醇燃料汽车
我国对甲醇燃料的研究起步于20世纪70年代初期,近几年,我国甲醇汽油研究突飞猛进。2009年11月1日,我国首个《车用燃料甲醇》国家标准颁布实施;2009年12月1日起,《车用甲醇汽油(M85)》标准正式实施。当前,我国生物燃料乙醇产业按照“定点生产、定向流通、封闭运行”的原则布点发展,乙醇汽油的消费量已占全国汽油消费量的20%左右,称为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和消费国。
6、太阳能汽车
1984年9月,中国首次研制的“太阳号”太阳能汽车试验成功,并开进了北京中南海的勤政殿,表明了中国在研制新型汽车方面已达到世界先进水平。
近几年我国主要新能源汽车厂商和主要车型
生产企业 | 产品简介 | 产品类型 |
上海通用 | 别克君威 | HEV轿车 |
比亚迪 | E6 | 纯电动轿车 |
F3DM | 双模混合动力轿车 | |
天津清源电动车公司 | 哈飞纯电动微客 | 纯电动 |
重庆长安 | CV11 | 混合动力轿车 |
奇瑞 | 奇瑞eQ | 纯电动微型轿车 |
艾瑞泽7e | 混合动力,油耗100km/1.9L | |
E85 | 甲醇灵活燃料汽车 | |
上汽集团 | 荣威550 | HEV轿车 |
帕萨特 | 燃料电池汽车 | |
一汽轿车 | B70HEV | HEV奔腾轿车 |
一汽海马 | 福仕达 | 纯电动轿车 |
北汽集团 | EU260 | 纯电动汽车 |
勇士 | 混合动力 | |
北汽福田 | BS6123C7B4D | 混合动力客车 |
东风电动车公司 | EQ6100 | HEV客车 |
M85 | 乙醇汽油灵活燃料汽车 | |
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纯电动汽车主要由电力驱动控制系统、汽车底盘、车身以及各种辅助装置等部分组成。
一、电力驱动控制系统
该系统按工作原理的不同可划分为车载电源模块、电力驱动主模块和辅助模块三大部分。
(一)车载电源模块
车载电源模块主要由蓄电池电源、能源管理系统和充电控制器三部分组成。
1、蓄电池电源
蓄电池是纯电动汽车的唯一能源,除了供给汽车驱动行驶所需要的电能外,也供应汽车上各种辅助装置的工作电能。蓄电池在车上安装前需要通过串并联的方式组合成所要求的电压等级。由于电动机驱动所需的等级电压往往与辅助装置的电压要求不一致,辅助装置所要求的一般为12V和24V的低压电源。而电动机驱动一般要求为高压电源,并且所采用的电动机类型不同,其要求的电压等级也不同。为满足该要求,可以用多个12V或24V的蓄电池串联成96~384V高压直流电池组,再通过DC/DC转换器供给所需的不同电压。也可按所需要求的电压等级,直接由蓄电池组合成不同电压等级的电池组。
2、能源管理系统
能源管理系统与电力驱动主模块的中央控制单元配合一起控制发电回馈,使电动汽车在降速制动和下坡滑行时进行能量回收,从而有效地利用能源,提高电动汽车的续驶能力。能源管理系统还需与充电控制器一同控制充电。
3、充电控制器 (简称“充电器”)把电网供电的方式转换为对蓄电池充电要求的方式,即把交流电转换为相应电压的直流电,并按要求控制其充电电流。充电器开始时为恒流充电阶段,当电池电压上升到一定值时,充电器进入恒压充电阶段,输出电压维持在响应值,充电器进入恒压充电阶段后,电流逐渐减小;当充电电流减小到一定值时,充电器进入涓流充电阶段;还有采用脉冲式电流进行快速充电。
(二)电力驱动主模块
电力驱动主模块主要由中央控制单元、驱动控制器、电动机和机械传动装置等组成。
1、中央控制单元
2、驱动控制器
3、电动机
4、机械传动装置
(三)辅助模块
1、辅助动力源 辅助动力源是供给电动汽车各种辅助装置所需的动力电源,一般为12V或24V的直流低压电源,它主要给动力转向、制动力调节控制、照明、空调、电动窗门等辅助装置提供所需的电能。
2、动力转向单元 由转向盘、转向器、转向机构和转向轮等组成。
3、驾驶室显示操纵台 类同于传统汽车驾驶室的仪表盘,其功能根据电动汽车驱动的控制特点有所增减
4、辅助装置 电动汽车的辅助装置主要有照明设备、各种声光信号装置、车载音响设备、空调、刮水器、风窗除霜清洗器、电动门窗、电控玻璃升降器、电控后视镜调节器、电动座椅调节器、车身安全防护装置控制器等。
二、纯电动汽车底盘
按传统汽车的归类或叙述习惯,汽车底盘应包括传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统四大系统。
铅酸蓄电池
1859年法国科学家普兰特(G.Plante)发明,1881年法国人发明的电动汽车就是以铅酸蓄电池作为动力,铅酸蓄电池广泛用于燃油(气)汽车的启动。铅酸蓄电池按其工作环境的不同可分为移动式和固定式两大类。固定型铅酸蓄电池按电池槽结构的不同可分为半密封式和密封式,半密封式又分为防酸式和消氢式。根据排气方式不同,密封式铅酸蓄电池可分为排气式和非排气式两种。
铅酸蓄电池的特点是开路电压高、放电电压平稳,充电效率高,能够在常温下正常工作,生产技术成熟,价格便宜,规格齐全。因此,近十年来,国内外开发的称之为第一代的电动汽车也广泛使用了铅酸蓄电池。
电动汽车牵引用动力铅酸蓄电池(简称动力铅酸蓄电池)的性能与启动用铅酸蓄电池的要求是不同的。
铅酸蓄电池放电和充电的反应过程是铅酸蓄电池活性物质进行的可逆化学变化过程。
EV启动困难的故障主要在电池组、电动机及其管理控制装置。EV主要故障一般在驾驶室仪表板显示器上显示,可以直接读取。
行驶无力、电动机发热故障
如果纯电动汽车行驶无力、且电动机明显过热,可以分析出故障可能发生在EV的直流电动机上面。可能的原因有:电动机电枢绕组有局部短路或接地、励磁线圈局部短路或接地,引起电磁转矩减弱,使汽车行驶缓慢。也可能是转向器部分烧蚀,电刷磨损严重或弹簧弹力不足、控制器失效、电枢轴变形卡滞等引起。
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