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第3章新能源与绿色汽车能源领域面临严重问题：一是储量不足,我国人均能源资源占有量仅为世界平均水平的一半；二是能源利用效率远低于世界先进水平；三是以煤为主的能源结构导致环境污染严重；四是大量进口石油严重威胁国家的经济安全。13.1概述新能源汽车技术所涉及包括汽车动力能源相关技术和

新能源动力机械开发技术和与此类技术相关的其他汽车开发技术。绿色汽车是对环保型一类汽车的统称，与传统燃油车辆相比，具有能耗低、污染排放少等典型特征，又因其采用清洁（新）能源而带来的环保效果，所以也称清洁汽车、新能源汽车。2目前，已经研制出电能、太阳能、混合动力能源等新能源汽车。由于受

技术水平、环境、成本等各方面的因素影响，采用新能源的汽车在某些性能方面与传统的内燃机汽车相比要差一些，所以还未广泛应用。随着汽车工业、科学技术的发展，特别是传统能源的危机、环保要求的提升，新能源取代传统能源是社会

发展的必然趋势。3汽车在新能源方面的应用：代用燃料：气体燃料<天然气、液化石油气>、生物燃料<生物柴油>、煤基燃料<醇类燃料、二甲醚>纯电动汽车混合动力汽车太阳能汽车43.2代用燃料和能源新技术一.醇

类燃料动力技术醇类燃料主要是指甲醇和乙醇。醇类燃料可以和汽油或柴油按一定的比例配制而成混合燃料，也可以直接采用醇类燃料作为发动机的燃料。5醇类燃料的来源广，制取方式多。甲醇可以从煤炭、天然气、煤层气，可再生生物资源、分类垃圾等物资中制取

；乙醇的原料主要是含糖、含淀粉的农作物，如甜菜、甘蔗、玉米、草杆等。甲醇和乙醇都属有机化合物，是无色透明、易挥发的可燃液体。与汽油相比，热值低、汽化潜热大、抗暴性好、含氧量高等，另外，醇类燃料吸水性强、化学活性高、容易发生早燃等。6甲醇的特点：1.汽化

潜热大（汽油3.1倍，柴油3.7倍）2.热值低3.辛烷值高（106~108）4.亲水性强（运输储存时防水汽，可做添加燃料）5.润滑性差和有腐蚀性（与甲醇接触的密封件等抗腐蚀）7二、天然气汽车天然气作为清洁能源和原料，世界各国把推广利用天然气，提高天然气在一次能源消费的比重，作为

优化能源结构，实现经济、社会和环境协调发展的重要途径，使天然气成为仅次于石油的第二大能源.天然气NGV——天然气是一种无色、无味的气体，主要成分是甲烷，另外还含有少量的其它烃类，例如丁烷、乙烷和丙烷。8天然气的主要成分是烷

烃中的轻组分，基本由甲烷CH4(82%～98%)和不多的乙烷C2H6(6%)、丙烷C3H8(1.5%)和丁烷C4H10(约1%)组成。一般油、气田的天然气中的甲烷含量差别相当大。我国四川气田天然气中的甲烷含量多在95%以上，而油田的伴生天然气中的

甲烷含量则为70%～80%。有的甲烷含量更低，并且含有较重的烃类，如丁烷、戊烷和已烷等。9按照所使用天然气燃料状态的不同，天然气汽车可以分为：压缩天然气（CNG）汽车压缩天然气是指压缩到20.7—24.

8MPa的天然气，储存在车载高压气瓶中。液化天然气（LNG）汽车液化天然气是指常压下、温度为-162度的液体天然气，储存于车载绝热气瓶中。10按照燃料使用状况的不同，天然气汽车可分为：专用燃料天然气汽车发动机只使用天然气作为燃料。两用燃料天然气汽车既可以使用天然气

也可以使用汽油作为燃料。双燃料天然气汽车可以同时使用液体燃料和天然气。111.天然气的资源情况：世界天然气资源十分丰富。全球常规天然气储备量为327万亿立方米。除了常规天然气之外还有大量非常规天然气资源，按目前的生产开发水平足够全世界使用几个世纪。我国

天然气资源也十分丰富。我国常规天然气资源量为38万亿立方米，其中陆地为29.9万亿立方米。另外渤海、东海和南海都有天然气资源。除了常规天然气资源，我们还有丰富的非常规天然气资源，如煤层气和天然气水合物

等。12中国天然气探明储量集中在10个大型盆地,依次为：渤海湾、四川、松辽、准噶尔、莺歌海-琼东南、柴达木、吐-哈、塔里木、渤海、鄂尔多斯。132.天然气汽车的应用现状近二十多年来，世界天然气需求持续稳定增长，平均增长率保持在2%，专家预计2020年其在世界能源组成中

的比重将会增加到30%。21世纪天然气在世界能源结构中的比重将超过石油，成为世界第一大能源，21世纪将是一个天然气世纪。14153.天然气汽车的优缺点：优点：（1）可以替代石油的新燃料（2）减少对大气的污染。燃用天然气与汽油相比，CO可降低70%，NO

x和非甲烷类可降低80%，CO2可降低30%，HC可降低70%。（3）燃料经济性好。从热能含量上看，1立方米的天然气相当干1.13升汽油的当量。（4）使用压缩天然气比石油安全（汽油430°，天然气530°）（5）使用性能好（6）具有良好的抗爆性（辛烷值130左右）16缺点：（1）天

然气携带型差。（2）发动机功率有所下降。（3）改车投资较大。（4）加气站的建设需一定周期。（5）储气瓶占用空间较大，携带不便。17184、天然气汽车技术天然气技术在汽车的应用包括以下四方面：加气站技术：气体燃料在汽车上的充加要比液体燃料

复杂。它需要技术含量极高的加气站设备，且投资也较高。气瓶技术：由于汽车的移动性，气体燃料气瓶的质量是一重要的技术问题。气瓶在各种苛刻条件下的安全性问题是气体燃料汽车技术研究中不可忽视的问题。发动机技术：气体燃料的性质决定了它不同于汽、柴油，因此

在气体燃料的混合、燃烧方式、发动机燃烧室结构、点火系统等方面都需要研究开发。19混合与控制技术：汽车的速度和负荷总是变化，且气体燃料相对于液体燃料又难以控制，因此按照汽车运行工况要求提供合适量、质的混合气给

发动机是混合与控制系统的技术问题。20（1）压缩天然气加气站CNG天然气加气站是指以压缩天然气（CNG）形式向天然气汽车（NGV）和大型CNG子站车提供燃料的场所。天然气管线中的气体一般先经过前置净化处理，除去气体中的硫份和水份，再

由压缩机组将压力由0.1-1.0Mpa压缩到25Mpa，最后通过售气机给车辆加气。21天然气加气站一般根据站区规模或附近是否有管线天然气，可分为常规站、母站和子站。常规站→常规站是建在有天然气管线能通过的地方，从天

然气管线直接取气，天然气经过脱硫、脱水等工艺，进入压缩机进行压缩，然后进入储气瓶组储存或通过售气机给车辆加气。通常常规加气量在600-1000立方米每小时之间。22母站→母站是建在临时天然气气管线通过的地方，从天然气线管线直接取气，经过脱硫、脱水等工艺，进入压

缩机压缩，然后进入储气瓶组储存或通过售气机给母站的车辆加气，加量在2500-4000立方米每小时之间。子站→子站是建在加气站周围没有天然气管线的地方，通过子站运转车从母站运来的天然气给天然气汽车加气，一般还需配小型压缩

机和储气瓶组。为提高运转车的取气率，用压缩机将运转车内的低压气体升压后，转存在储气瓶组内或直接给天然气车加气。23常规CNG加气站的组成：低压调压站、天然气压缩机、CNG储气瓶组、CNG顺序控制盘、售气机五大部分

组成。24（2）发动机技术CNG汽车发动机系统分天然气气路、汽油油路和控制电路三大部分25充气站将压缩天然气，通过充气阀充入贮气瓶至20MPa。当使用天然气作燃料时，手动截止阀打开，安装在驾驶室内的油气燃料转换电开关，扳到“气”的位置，此时天然气电磁阀打开，汽油电

磁阀关闭，贮气瓶内的20MPa高压天然气通过高压管路进入减压调节器减压，再通过低压管路、动力阀进入混合器，并与经空气滤清器进入的空气混合，经油路通道进入发动机气缸燃烧。减压调节器与混合器相匹配，根据发动机的各种不同工况产生不同的真空度，自动调节减压调节器的供气量，并

使天然气与空气均匀混合，满足发动机不同工况的使用要求。动力阀是一个调节天然气管道截面积的装置，可调节混合气的空燃比，使空燃比达到最佳状态。26油路中安装一个汽油电磁阀，其余部件均保留不变。当使用汽油作燃料时，司机将油气燃料转换开关扳到“油”的位置，此时天然气电磁阀关闭，汽油电磁阀打开，汽油通过汽油

电磁阀进入气缸燃烧。燃料转换开关有三个位置，当拨到中位时，油、气电磁阀均关闭，该功能是专门用来由汽油转换到天然气时，烧完残存汽油而设置的，以免发生油气混烧现象。27三、电动汽车电动汽车是以电力作为能源、由电动机驱动的汽车。在外形上，电动汽车

与传统的汽车并无显著区别，他们的主要区别在于动力和驱动系统。1、电动汽车的概述28第二次机遇20世纪70年代。上世纪70年代石油危机的爆发，世界各国开始考虑替代石油的其他能源，包括风能、太阳能、电能等可再生能源。因此从政治经济方面考虑，才又给了电

动汽车第二次机遇，又一次被人瞩目。第三次机遇开始20世纪90年代。能源问题和环境保护问题。（1）发展历史三次重大机遇第一次19世纪80年代到20世纪初。第一辆电动汽车（3轮）由法国人古斯塔夫·土维（GustaveTrouve）在1881

年制造出来，此后三四十年间，电动汽车在当时的汽车发展中占据着重要位置。但在1924年左右因续航里程短而销声匿迹。29（2）电动汽车的发展优势结构简单，使用方便零排放提高能源使用效率，减少空气污染噪声小专门设计制造，能满足使用要求制动能量可回收30（3）普及电动车所面临的

困难电动汽车价格昂贵续驶里程有限蓄电池使用寿命太短蓄电池尺寸和质量的制约间接污染严重充电基础设施不完善312、电动汽车基本结构及其工作原理基本结构可分为三个子系统：电力驱动子系统（电控系统、电动机、机械传动系统和驱动车轮等）、主能源子系统（主电源、能量管理系统）和辅助控制子系统（辅助电源的控制、动

力转向、温度控制和辅助动力供给等）。32纯电动汽车原理纯电动汽车主要由蓄电池、电动/发电机等部件组成。蓄电池向电动机提供电能来驱动汽车。在制动或减速时，电机作为发电机来回收能量。33343、电动汽车核心技术发展电动汽车必须解决好4个方面的关键技术：电池技术电机驱动及其控制技术电动

汽车整车技术能量管理技术35（1）电池技术电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)(单位质量电极材料释放电能)、能量密度(Ed)（平均单位体积释放的电能）、比功率(P)（功率与质量的比值）、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽

车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。36到目前为止，电动汽车用电池经过了3代的发展，已取得了突破性的进展。第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池(VRLA)，由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前惟一能大

批量生产的电动汽车用电池。第2代是碱性电池，主要有镍镉(NJ-Cd)、镍氢(Ni-MH)、钠硫(Na/S)、锂离子(Li-ion)和锌空气(Zn/Air)等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程

，但其价格却比铅酸电池高。37第3代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，但目前还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破问。38（2）电力驱动及其控制技术电动

机与驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性。目前，电动汽车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)（美国及欧洲常用）、永磁无刷电动机(PMBLM)（日本）

和开关磁阻电动机(SRM)4类。39随着电动机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电动机控制系统。40（3）电动汽车整车技术电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外

，车体本身也包含很多高新技术，有些节能措施比提高电池储能能力还易于实现。采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽车自身质量减轻30%-50%；实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减少50%；汽车车身特

别是汽车底部更加流线型化，可使汽车的空气阻力减少50%。41（4）能量管理技术能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、选择适当的能量源(即电池)外，还应该有一套协调各个功能部分工作

的能量管理系统。它的作用是检测单个电池或电池组的荷电状态，并根据各种传感信息（力、加减速命令、行驶路况、蓄电池工况、环境温度等），合理地调配和使用有限的车载能量；它还能够根据电池组的使用情况和充放电历史选择最佳充电方式，以尽可能延长电池的寿命。4243长:3600mm宽:1600mm高:15

00mm最高车速:60km/h整车重量:850kg充电时间:6-8小时新车一次充电最大续航里程:180km电机功率:3kw44三、混合动力汽车HEV混合动力电动汽车是指包含两种或两种以上动力源并能协调工作的车辆。混合动力电动汽车充分利用各种动力源的优点，通过自动

控制形成最优匹配，通常其中一种动力源可以存储另一种动力源的多余能量并回收储存车辆减速时的制动能（通常在摩擦制动片处发热散失），并能将它传输给传动系统、供附件使用或用于协助驱动车辆。451、混合动力汽车的发展概况国外：1991年大众推出济

科牌（chico）混合动力电动微型车2009年5月丰田公司推出的混合动力Prius的全新改版车型，燃油效率比旧款提高10%，即38KM/L合2.7L/百公里46我国：国内从20世纪90年代末期开始混合动力汽车的研制工

作。1999年，清华大学与厦门金龙合作研制成功国内第一辆混合动力轻型客车。2005年一汽小批量生产解放牌混合动力城市客车。上汽、东汽等都开展了混合动力汽车的研制。472、混合动力汽车的分类按汽车驱动桥的多少分：单轴驱动、双轴驱动、多轴驱动按混合汽车动力系统特

点分：串联式并联式分割式（并混合式）48串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、驱动电机和蓄电池组等部件组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向

电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。但是大功率不足。495051并联式混合动力电动汽车并联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电/电动机和蓄电池组等部件组成。并联式驱动系统可以单独使用发动机或电动

机做为动力源，也可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车。5253543．串联式驱动系统与并联式驱动系统的比较驱动形式串联形式并联形式排放控制原动机工况相对稳定，排放很低原动机工况变化较大，排放相对较高用途更适于路况复杂的城市内道路和山区公路行驶更适于路况简单的

城市间公路及高速公路行驶整车布置辅助动力单元APU与电动机无机械连接，汽车结构布置的自由度较大APU与电动机以机械方式连接，机械装置较复杂，增加了整车布置的难度．价格增加了发电机，电池数量较多，电机功率较大，整车价格高可以利

用现有汽车制造技术，电池数量较少，电机的功率较小，整车价格低原动机选择原动机范围较宽原动机选择范围较窄，多采用传统汽车用内燃机554混合动力电动汽车发展所需解决的问题(1)电池(2)电池管理系统(3)电机及控制系统(4

)辅助动力单元(APU)(5)载荷均衡装置56根据混合动力电动汽车发动机的实际工作状况对APU进行优化设计。比如，串联混合方式的发动机，其冷却系统、润滑系统等的优化设计就必须考虑其长期稳定在满负荷工况下工作的特点；可以采用柴油机、汽油机

以外的性能优良的动力装置，比如，串联主动力传递因无直接机械传动，可选用燃油经济性好、体积小、重量轻、排气噪声小的高速燃气轮机。辅助动力单元(APU)57电动机、APU及电池参数的最佳匹配就是要达到这样的目标：原动机始终在最佳的工作范

围内(排污和油耗最低)，并尽可制分利用APU的能量(最大限度地发挥电动机的做功，电池保持在最高充放电效率状态），最大限度地吸收制动能量，尽量减少电池的能量消耗。工作中，实现电动机、APU和电池之间状态的协调控制就是载荷均衡控制装置的任务。一个智能化的，能根据汽车的布状况、

原动机的运行情况、电池的充放电状态等进行实时分析和控制的载荷均衡控带统，对混合动力电动汽车的成功起到了关键的作用。载荷均衡装置58四、燃料电池电动汽车化学能-热能-机械能-电能（33%~35%）燃料电池是把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”，它能够使用多种燃料。燃料可以是氢气、碳气化合

物、天然气、甲醇甚至汽油等，在催化剂的作用下，燃料慢慢地与空气或氧气之类的氧化剂结合，可以不断地产生电流。59燃料电池和普通电池的区别：燃料电池在原理和结构上与普通电池完全不同。燃料电池的活性物质是储存在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化剂就可以

一直发电，因而容量是无限的；而电池的容量是有限的，活性物质一旦消耗光，电池寿命即告终止、或者必须充电后才能使用。6061燃料料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：（1

）能量转化效率高它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡洛循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在60%～80%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%.62（2）有害气体SOX、NOX及噪音排放都很低CO2排放因能量转

换效率高而大幅度降低，无机械振动。（3）燃料适用范围广63（5）负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。（4）积木化强规模及安装地点灵活，燃

料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适6465