电动汽车及汽车未来动力系统及能源课件.ppt

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1、电 动 汽 车 技 术 与汽车未来动力系统和能源,汽车安全与节能国家重点实验室 副主任清华大学 二级教授宋 健,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汽车未来动力系统能源,电动汽车技术,概述电动汽车的定义汽车能源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,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,概 述,汽车能源的发展史历史

2、上的各种能源汽车蒸汽汽车-1814年，英国人史蒂芬孙发明了第一台蒸汽机车，十年后诞了蒸汽汽车电动汽车-1873年，英国人Robert Davidson 采用铁锌电池将马车改造成了第一辆三轮电动汽车。燃油汽车-1886年奔驰将内燃机安装在马车上，做成了第一辆燃油汽车。燃气汽车-最早的燃气汽车是意大利人于1931年研制成功的，并建成了CNG加气站。,概 述,汽车能源的发展史电动汽车的发展史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

3、（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。,概 述,汽车能源的发展史电动汽车发展史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。,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 V

4、ehicle，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。,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,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,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：2000年统计：

5、大气污染物的42%来自汽车的排放，其中CO 66%、HC 31%、NOX 43%、微粒 17%、SO2 3%、CO2 20%、Pb37%。每年大气污染造成损失2290亿美圆。,发展电动汽车的意义,减少汽车对环境的污染我国：2000年，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%。,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

6、车：行驶中基本无污染,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2001年的研究结论：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%；（柴油车为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汽油车高2个、较柴油车低1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。,发展电动汽车的意义,提高能源利用

7、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。,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

8、、煤、风能、太阳能等。,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,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。,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

9、（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。特斯拉现象。,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

10、（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。,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。,纯电动汽车技术,我

11、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。,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。,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

12、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。,纯电动汽车技术,我国纯电动汽车的发展2012年10月我国提出了节能与新能源汽车发展战略：2015年新能源汽车保有量50万辆，对纯电动轿车补贴（3000元/千瓦时电池，限额6万/车），对插电式电动轿车补贴（3000元/千瓦时电池，限额5万/车）；2020年新能源汽车保有量500万辆；2015年燃油汽车油耗限值6.9升/百公里；2020年燃油汽车油耗限值5.0升/百公里。2013年9月国家国家公布了对

13、新能源汽车新的补贴标准。,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。,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。电池的突破口：锂硫（Li-S

14、）电池，比容量1-2.5KWH/Kg；基于石墨烯的锂离子电池，比功率可达100KW/Kg，比容量750WH/Kg；锂空气电池。小型低速电动汽车具有应用前景,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,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

15、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2.83.0 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。,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

16、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。,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5-20%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。,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

17、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%。,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

18、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。,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。,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统串联式：串联式

19、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。,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；,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

20、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。,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。,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统、plug-in混合动力

21、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。,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10%-20%），有可能通过节约燃料费收回，在目前情况下是最有

22、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。,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,燃料电池电动汽车技术,燃料电池的工作原理,燃料电池电动汽车技术,燃料电池的种类（五种）,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,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

23、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/2000美元基础设施缺乏：加氢站几乎没有。,电动汽车技术,汽车未来动力系统与能源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。尤其是并联式燃油或燃气混合动力汽车与plug-in混合动力汽车优势最为明显。,电动汽车技术,汽车未来动力系统与能源3、燃料电池电动汽车（氢燃料）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安全储运，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。4、燃气（LNG、CNG、LPG)汽车随着页岩气革命，具有成本低、排放少的特点，具有很好的发展前景。尤其是商用车由于气罐布置灵活，前景更好。,电动汽车技术,汽车未来动力系统与能源5、氢燃料汽车尽管存在基本零污染等优点；但在解决其燃料-氢气的低成本制备、储运和氢气燃料的安全问题前，应用前景不明。6、蒸汽汽车由于体积大、重量太重、效率太低和污染严重，在汽车上不会再有应用前景。,