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1、GL4,第五章 新能源汽车,第一节 电 动 汽 车 第二节 燃 气 汽 车 第三节 醇 类 汽 车 第四节 氢燃料汽车 第五节 生物柴油汽车,GL4,第一节 电 动 汽 车,一、蓄电池电动汽车 二、燃料电池电动汽车 三、混合动力电动汽车 四、电能用作汽车能源的主要优点 五、电能用作汽车能源的主要问题 六、电能在汽车上的应用前景,GL4,一、蓄电池电动汽车,1.蓄电池 2.驱动电动机 3.电驱动的结构形式,GL4,一、蓄电池电动汽车,图5-1蓄电池电动汽车 a)比亚迪蓄电池电动汽车 b)斯巴鲁蓄电池电动汽车,GL4,1.蓄电池,表5-1 美国先进蓄电池的中长期发展目标,GL4,2.驱动电动机,电
2、动汽车用电动机的主要性能要求是：使用寿命长、输出转矩与转动惯量之比大、过载系数高、高速操纵性能好、少维修或不维修、外形尺寸小、自身质量轻、容易控制以及成本低廉。 电动汽车使用的几种典型电动机是：它励电刷式直流电动机、永磁式同步电动机、三相感应式电动机和开关式磁阻电动机。 20世纪80年代前，几乎所有的车辆牵引电动机均为直流电动机，这是因为直流电动机具有起步加速牵引力大，控制系统较简单等优点。直流电动机的缺点是有机械换向器，当在高速大负载下运行时，换向器表面会产生火花，所以电动机的转速不能太高。近10多年来，主要发展交流感应电动机和无刷永磁电动机系统。与原有的直流电动机系统相比，具有明显优势。其
3、突出优点是体积小、质量轻、效率高、基本免维护和调速范围广。,GL4,3.电驱动的结构形式,图5-2 电驱动的结构形式 C离合器 D差速器 FG固定速比减速器 GB变速器 M电动机,GL4,二、燃料电池电动汽车,1.燃料电池的基本工作原理 2.燃料电池的燃料 3.燃料电池电动汽车的工作原理,GL4,二、燃料电池电动汽车,图5-3燃料电池电动汽车 a)北汽福田燃料电池电动汽车 b)日本丰田燃料电池电动汽车,GL4,1.燃料电池的基本工作原理,图5-4 燃料电池的工作原理,GL4,2.燃料电池的燃料,燃料电池的燃料主要有氢气(H2)、甲醇(CH3OH)、汽油和其他类型的碳氢化合物。 氢气(H2)是燃
4、料电池最佳燃料，直接使用氢可以使燃料电池辅助系统大大简化，效率提高，无排放污染。但目前氢的制取工艺较复杂，成本也较高。若将氢气储存在车载压缩罐内，则压缩罐的体积大，续驶里程短；若将氢气低温液化，采用液态储带，则难度大、费用高。 甲醇和汽油都是碳氢化合物，通过重整器可将甲醇和汽油中的氢转化出来，再送入燃料电池转换成电能，这比直接携带氢气更为方便和经济。 天然气是生产甲醇最常用的原料。天然气的储存、保管、充加、携带和运输都很不方便，然而将其转化为液体甲醇后，储存、保管、充加、携带和运输则很方便。,GL4,3.燃料电池电动汽车的工作原理,图5-5 燃料电池电动汽车的组成,GL4,三、混合动力电动汽车
5、,1.串联式混合动力电动汽车 2.并联式混合动力电动汽车 3.混联式混合动力电动汽车,GL4,三、混合动力电动汽车,图5-6 混合动力电动汽车 a)吉利混合动力电动汽车 b)奥迪混合动力电动汽车,GL4,1.串联式混合动力电动汽车,图5-7 串联式驱动系统示意图,GL4,2.并联式混合动力电动汽车,图5-8 并联式驱动系统示意图,GL4,3.混联式混合动力电动汽车,图5-9 混联式驱动系统示意图,GL4,四、电能用作汽车能源的主要优点,1.来源非常丰富 电能是二次能源，从原理上讲，它可以来源于任何一种其他的能源。例如水能、地热能、海洋能和核能等不可能直接用于汽车，但将其转化为电能后便可应用在汽
6、车上。因此电动汽车的能源来源是极其丰富的。 2.运行零污染而且噪声小 电动汽车在行驶中无废气排出，因此不污染环境。从这个意义上讲，电动汽车可以称为“零污染汽车”。电动汽车的电动机只作回转运动，振动和机械噪声都很小，同时没有内燃机令人讨厌的燃烧噪声和进排气噪声。 3.结构简单，维修方便 电动机相对于内燃机而言，结构较为简单，工作条件较好(不承受内燃机所承受的高温、高压和交变载荷)，零件故障少，维修较为方便。 4.能源效率高 图5-10所示为电动汽车与汽油机汽车能源利用总效率的比较。除此之外，电动汽车还具有制动能量易于回收，可利用夜间剩余电力充电，使发电设备的利用率提高。 以上主要优点针对的是蓄电
7、池电动汽车。,GL4,图5-10 电动汽车与汽油机汽车能源利用总效率的比较,GL4,五、电能用作汽车能源的主要问题,1.能量密度低 由于蓄电池能量密度低，为了保证必要的续驶里程，就要装备庞大、笨重的蓄电池组，既占空间，又影响有效装载。若减少蓄电池组，必然会使续驶里程缩短，同时又影响动力性。为此，常常采用折中的方案，结果几方面都不理想。总的说来，高能量密度蓄电池技术尚有待突破。 2.充电时间长 蓄电池充电一般需要610h，上班族可以利用下班后夜里不用车的空闲时间给电动汽车充电，这虽不失为解决问题的一个办法，但毕竟是一种无奈的选择。根本方法是研究出一种实用的快速充电技术。可喜的是已有多起快速充电蓄
8、电池研制成功的报道，但有待进一步商业化。 3.成本高 蓄电池及电动机控制器价格昂贵是电动汽车成本高的主要原因。另外，蓄电池寿命短，折旧费高。 以上主要问题针对的是蓄电池电动汽车。,GL4,六、电能在汽车上的应用前景,电能作为汽车的能源，有许多突出的优点，也存在一些无法回避的突出缺点。制约电动汽车发展的主要因素是能量密度和充电时间这两大技术因素。燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车的发展使电动汽车的主要缺点得到一定程度的缓解。预计在1020年内，电动汽车将从实验车型成长为真正的商品并成为汽车市场上的一个活跃品种。到21世纪中叶，电动汽车将成为汽车的主要品种之一。,GL4,第二节 燃 气 汽 车,一
9、、燃气汽车分类 二、燃气的特性 三、储气瓶和储气罐 四、天然气和液化石油气用作汽车能源的主要优点 五、天然气和液化石油气用作汽车能源的主要问题 六、天然气和液化石油气在汽车上的应用前景,GL4,一、燃气汽车分类,1.压缩天然气汽车 2.液化天然气汽车 3.吸附天然气汽车 4.液化石油气汽车,GL4,一、燃气汽车分类,图5-11 燃气汽车的分类,GL4,1.压缩天然气汽车,图5-12 燃气汽车 a)大众压缩天燃气汽车 b)宝马液化石油气汽车,GL4,2.液化天然气汽车,液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)是指经低温液化后，可供车辆发动机作为燃料使用的液态天然气。一般以
10、12MPa的低压，-125-162的低温将天然气以液态储存在储气罐内。将天然气低温液化并储存在车载绝热储气罐中作为燃料的汽车称为液化天然气汽车。,GL4,3.吸附天然气汽车,吸附天然气(Adsorbed Natural Gas，ANG)是指利用某些物质对天然气的吸附效应，以常压或低压状态储存在其载体中的天然气。某些物质在不太高的压力下(3.56MPa)，可吸附100180倍体积的天然气，理论上可达到20MPa时压缩天然气的储气量。将天然气以中压状态储存在吸附罐中作为燃料的汽车称为吸附天然气汽车。,GL4,4.液化石油气汽车,液化石油气(Liquid Petrol Gas，LPG)是一种在大气温
11、度条件下，只要稍加压力(1.6MPa左右)便成为液态的碳氢化合物的混合物(主要成分为丙烷和丁烷)。将石油气在低压状态以液态储存在车载储气瓶中作为燃料的汽车称为液化石油气汽车。图5-12b所示是宝马的液化石油气汽车。 燃气汽车分为单燃料燃气汽车、两用燃料燃气汽车和双燃料燃气汽车。 单燃料燃气汽车仅使用CNG或LPG中的一种作为发动机的燃料。 两用燃料燃气汽车具有两套燃料供应系统(汽油/CNG或汽油/LPG)，使用中可以在两种燃料之间进行灵活切换，但两种燃料不能混用。 双燃料燃气汽车燃用CNG(或LPG)与柴油混合燃料。CNG(或LPG)为主燃料，柴油起引燃作用。发动机工作时，燃气与空气的混合气由
12、进气道吸入，在压缩行程接近上止点时刻，将少量柴油喷入缸内，柴油在高温高压下自燃，并引燃缸内的混合气，不需要火花塞点火。,GL4,二、燃气的特性,1.天然气 2.液化石油气 3.辛烷值和自燃点 4.体积膨胀系数 5.临界状态,GL4,1.天然气,天然气是地表下岩石储集层中自然存在的以轻质碳氢化合物为主体的气体混合物的统称。其主要成分甲烷(CH4)约占8595，还含有少量的乙烷、丙烷和丁烷等，天然气的密度约为空气的60。天然气按其来源有气田气、油田伴生气和煤成气之分。天然气在20MPa压缩状态下的体积约为标准状态下的1/200。天然气的液化温度为-162，液化天然气的体积为标准状态下的1/625。
13、,GL4,2.液化石油气,液化石油气是指以丙烷(C3H8)及丁烷(C4H10)为主体的碳氢化合物的混合物，来源于油井气、石油加工的副产品等。液化石油气在常温、常压下为气态，而在-0.5的常压下，或在常温(15)及0.8MPa的压力下为液态。很显然液化石油气的液化较之天然气液化要容易得多，因此，石油气一般均以液态储运。液化石油气气态时的密度约为空气的130，液态时的体积约为标准气体状态下的1/250。,GL4,3.辛烷值和自燃点,表5-2 燃料的辛烷值和自燃点,GL4,4.体积膨胀系数,体积膨胀系数是指温度每升高1，液体增加的体积与原来体积的比值。液化石油气为液体状态时，其体积膨胀系数比水大得多
14、，约相当于水的1016倍，且膨胀系数随温度升高而增大。据计算，家用液化石油气钢瓶在满液的情况下，温度每升高1，钢瓶内的压力就会上升23MPa，只要温度升高35，内压就会超过普通液化石油气钢瓶8MPa的实际胀裂限度。因此，液化石油气充装时必须限制充装量，液态石油气不能超过容器体积的80。在这种情况下，温度每升高1，钢瓶内的压力约上升0.02MPa左右。在液化石油气钢瓶允许的工作温度范围内，液态石油气体积的膨胀量不会充满钢瓶，只要钢瓶上部存在气体，钢瓶就是安全的。,GL4,5.临界状态,表5-3 液化石油气和天然气的临界压力和临界温度,GL4,三、储气瓶和储气罐,1.压缩天然气储气瓶 2.液化石油
15、气储气瓶 3.液化天然气储气罐,GL4,1.压缩天然气储气瓶,图5-13 车用压缩天然气储气瓶,GL4,2.液化石油气储气瓶,图5-14 车用液化石油气储气瓶,GL4,3.液化天然气储气罐,图5-15 车用液化天然气储气罐,GL4,四、天然气和液化石油气用作汽车能源的主要优点,1.来源丰富 世界天然气的探明储量与石油大体相当，由于在开发程度上天然气赶不上石油，因此，目前天然气的储量比石油的大，也就是说，天然气将伴随人类更多的岁月。按近年的勘探情况，世界上的天然气大约可以开采60年，石油大约可以开采40年。而在我国天然气可以开采上百年，石油只够开采20多年。 液化石油气的来源没有天然气丰富，但也
16、属于较为丰富之列。 2.经济性好 天然气和液化石油气的辛烷值和自燃点比汽油高，燃烧时的许用压缩比高，因此热效率高；天然气(或液化石油气)与空气的可燃混合气质量比汽油与空气的好，燃烧的完全度高，热效率高；而且天然气和液化石油气的价格比汽油低。 3.排放污染少 与汽油相比，天然气的燃烧比较完全，故其排放物中CO低90左右，HC低50左右，微粒低40左右；天然气的燃烧温度较汽油低，故其NOx排放浓度低30左右；天然气中含硫量极少；天然气成分中含碳元素较少，故在发热量相同时排气中的CO2低23左右。 液化石油气的排放污染也比汽油低得多。 4.发动机使用寿命长 天然气和液化石油气含硫极少，故燃烧产物中硫化物极少，使制约发动机使用寿命的腐蚀性磨损大为减轻，大修周期延长。此外，天然气或液化石油气都是以气态供入气缸，对气缸壁的冲刷作用小，对润滑油的污染轻，也会使磨损减轻。,GL4,五、天然气和液化石油气用作汽车能源的主要问题,1.动力性较低 天然气与空气的混合气热值比汽油与空气混合气热值低，且进气(空气)量少，发动机的动力性约下降
