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新能源汽车概述

来源:用户上传      作者: 吴际璋

  本文重点讲述了“新能源汽车”的分类、燃料特性、相关结构原理等内容。以“压缩天然气汽车、液化天然气汽车、醇类汽车、生物燃料汽车、蓄电池电动汽车、燃料电池电动汽车、混合动力汽车”为主体,介绍汽车新能源的发展方向和前景。
  
  1 前言
  
  节能、环保、安全,是汽车发展的主要趋势,随着燃料资源的耗量增大,2001年我国进口石油量已占国内耗油量的32.5%,超过了国际安全警戒线30%的标准。石油危机已成为现实,新能源的利用和开发势在必行。为此,我国提出了“发展清洁汽车、调整能源结构、减小环境污染、改善大气质量”的政策,汽车燃料的多元化新能源将成为汽车工业发展的必然趋势。
  
  多元化新能源包括如下内容:
  (1)代用燃料――压缩天然气CNG、液化天然气LPG已经成熟地推广使用。
  (2)醇类(甲醇、乙醇)、生物燃油――正在推广使用。
  (3)蓄电池电动汽车――零排放、低噪声汽车,即将推广使用。
  (4)燃料电池电动汽车――利用氢、氧化学反应生电。成本太高,还未推广使用。
  (5)混合动力汽车――已经成熟使用,自备充电功能,续驶里程长。但成本较高。
  
  2 发动机使用性能的三个指标
  
  (1)动力性:最高车速Vmax;加速时间t;最大爬坡度Imax。
  (2)经济性:油耗率L/100km或g/kW・h。
  (3)净化性:CO、HC、NOx、Pm排放值。
  汽车技术的开发、创新和新能源的利用都是围绕着这三个指标进行的,正在日新月异地突飞猛进。
  
  3 代用燃料分类
  
  单燃料(纯烧)和双燃料(与汽油、柴油,掺烧)发动机,已进入了机械和电控联合智能控制领域,它分为:
  (1)压缩天然气CNG(甲烷CH4):俗称“沼气”,油气田伴生气体或煤层气体,也可利用秸杆发酵生成。极难液化。为气态燃料,续驶里程较短,需建加气站。
  (2)液化天然气LPG(丙烷C3H8、丁烷C4H10):油井气体,石油或煤炭加工的副产品,可加压液化,能量密度大,续驶里程较长。也需建加气站。
  
  (3)醇类燃料――甲醇(CH3OH),又叫“木精”。有毒。是从煤、木材或天然气中加工的下游产品。乙醇C2H5OH,又叫“酒精”。从植物中产生(甘蔗、甜菜、薯类、粮食)资源丰富。它辛烷值高。含氧量大,低污染,纯烧时压缩比可加大。但热值低,有腐蚀性。可“掺烧”或“纯烧”,目前多和燃油混合使用。
  (4)生物燃料又叫“绿色柴油”,来源丰富,从野生植物中提炼,或垃圾油、动物油脂中提炼。但十六烷值低(30)粘度大,蒸发性差,雾化性差。热值低。可“掺烧”或“纯烧”。目前多和柴油混合使用。
  
  4 乙醇的理化特点
  
  了解理化特性,是为了正确地使用与维护汽车。乙醇C2H5OH为无色的液体,有特殊气味,比水轻(比重为0.79)。易溶于水,很难溶于柴油。乙醇在燃烧时发光、发热,是一种良好的燃料。其理化特点如下:
  (1)冰点低。不易结冰(冰点为-130℃),使用安全,多用于防冻剂中。
  (2)沸点较低。在常温条件下。温度达78℃时,即沸腾汽化。加多了管路中易产生“热汽阻”,供油不畅。
  (3)汽化热大。在环境温度较低的条件下,乙醇为263kcal/kg;而汽油为70~100kcal/kg。如用量过多,当进气管温度低时,不易雾化,冷启动困难。
  (4)热值低。乙醇为6475kcal/kg;汽油为10300kcal/kg。加多了会影响动力性的高低(比例多用E10%)。
  (5)自燃温度高于汽油,抗爆性好。汽油的自燃温度为380℃;乙醇的自燃温度为423℃。压缩比可提高。
  (6)燃烧性能好。乙醇C2H5OH含氧量高,燃烧快,所需的空气少,乙醇汽油的空燃比A/F=14:1即可。补偿了热值低的缺点,可使A/F浓一点,仍能完全燃烧。
  (7)辛烷值高。乙醇的辛烷值(RON)高达110#,抗爆性好。加入10%后,辛烷值可提高3#,点火提前角可加大2°~3°,以改善燃烧条件。
  (8)排放污染小。CO、HC、NOx值减少。特别是CO、HC值明显降低。NOx值略有升高。
  
  (9)亲水性好。可与水在任何比例下互溶,这是个缺点。应在生产、储存、运输中防止水分混入,以免影响正常工作(结冰、堵塞、加大磨损)。
  (10)溶胀特性:对进、排气系统的溶解清洗特性好,但对橡胶件、塑料件(密封垫、膜片、浮子、软管等)、树脂处理的微孔纸滤芯等。易溶解变软而胀大或脱胶,易造成油路堵塞,影响安全。应及时发现更换。首次使用乙醇汽油前,应对供油系统彻底清洗。否则,乙醇汽油的溶胀特性,易造成堵塞。
  
  5 车用乙醇汽油的牌号
  
  乙醇汽油是在汽油C8H18中加入10%的无水乙醇C2H5OH调制而成。它的品种与普通汽油一样,前面加“E”,以示区别。即E90#、E93#、E95#、E97#等牌号。
  
  6 压缩天然气CNG(甲烷CH4)、液化天然气LPG(丙烷C3H8、T烷C4H10)的理化特点
  
  中国已探明天然气储量为1.52万亿m3,各类天然气汽车应推广普及。2010年我国天然气汽车已达30万辆,但仅限于城市公交车使用。
  
  6.1 天然气发动机汽车的优点
  (1)净化性好:HC、CO、NOx、Pm少;
  (2)抗爆性好:辛烷值为130,压缩比可达12:1,单燃料发动机,可采用;
  (3)经济性好:费用低,改装容易,热值高于醇类(为8500 kcal/kg乙醇为6475kcal/Kg;汽油为10300 kcal/kg),燃气中无胶质、积炭,不稀释润滑油,机械磨损小,寿命长。
  (4)安全性好:天然气的点燃温度为650℃,汽油的点燃温度为427℃,加之密度小,泄漏气体不易点燃,故安全性好。
  
  6.2 天然气发动机汽车的缺点
  (1)因密度小,充气效率低,动力性差(下降10~15%):
  (2)续驶里程短,需建加气站;
  (3)双燃料汽车的自重加大。
  
  6.3 压缩天然气CNG(甲烷CH4)、液化天然气LPG(丙烷C3H8、丁烷C4H10)的结

构原理
  两种天然气的供气系统类同,由储气罐(储液罐)、蒸发器、调压器、混合器、过滤器、控制阀、气压表组成(图1)。多数调压器都设有加热水道。专用蒸发器即可不用。
  调压器的作用是:减压、蒸发、汽化。它利用容积的逐级加大,与弹簧不断平衡而降压,进行量化控制。
  混合器的作用是:使天然气和空气按一定比例混合,形成可燃混合汽。
  两种气体的机械式调压器和混合器类同,目前为“机械控制”方式,先进的“机电混合控制”方式,双燃料喷射系统。将要推广普及。
  汽油机、柴油机都可使用双燃料工作,柴油机需在压缩终了喷少量柴油,以便引燃天然气。
  
  6.4 电控柴油机双燃料喷射系统简介
  电控柴油机双燃料喷射系统(图2)计量准确、工作可靠、性能稳定、转换方便、配合增压技术,将广泛使用。
  
  7 电动汽车
  
  电动汽车包括:蓄电池电动车、燃料电池电动车、混合动力电动车、太阳能电动车。对驱动轮可单机集中控制或双机分别控制。
  
  7.1蓄电池电动车动力源为电池
  蓄电池电动车的动力源为电池,具有如下的特性:
  (1)蓄电池的评价指标
  ①初期购置成本低;②免维护、质量轻、体积小;③使用寿命长(循环寿命);④比功率大(W/kg);⑤充电恢复快;⑥续驶里程长。
  传统的铅酸电池循环寿命为800~1000次(2~3年);锂电池、镍镉电池的循环寿命为3000次(10年)。
  (2)常用的蓄电池
  常用的蓄电池为镍镉电池、镍氢电池,锌电池、锂电池为碱性电池,成本高,续驶里程为200km,都必须定期充电。其特点是:体积小、机械强度高、容量大、能承担大电流放电、充电速度快,使用寿命长,额定电压多为直流200V。电压愈高。电功率愈高,电机可小型化,转矩大,质量轻。
  (3)燃料电池汽车可单独使用,也可与内燃机混合使用
  燃料电池由多孔渗透的贵重金属“铂”为电极,正电极(氢电极)和负电极(氧电极)及电解质(磷酸)组成,它能加速化学反应速度。在正极侧输入易氧化的氢气,在负极侧输入氧气,通过电解质(磷酸)的催化,产生化学反应,即缓慢的燃烧,化学能即变为电能(电流),在正负极间产生电压,为多格串联升压方式。工作温度为100℃。需要有冷却措施。无污染、寿命长,燃料也可用甲醇、天然气代替。
  
  7.2 电动汽车的驱动为电动机
  (1)电动机的评价指标
  ①功率和转矩大;②体积小、质量轻;③调速范围宽(0-10000r/min);④无接触式工作,使用寿命长;⑤有制动再生发电的功能。
  因此,三相交流永磁无刷同步电动机,发电机最为理想,但需加装变频、变压器。
  (2)变频、变压后的500V交流电驱动三相交流永磁无刷同步电动机,发电机工作。它体积小、功率高、转矩大、调速范围宽、驱动转矩可变。其又一特点:感应式电动机又能随机快速切换,变为交流发电机。具有再生制动发电功能(减速、制动、下坡时,能变为发电机),给电池充电。
  
  8 混合动力汽车
  
  内燃机和电动机混合动力源汽车,两者“取长补短,并肩战斗”,为新兴的车种。英文简称:HEV汽车。现以丰El-Prius-THS-车型(图3)为例介绍。
  
  8.1 混合动力汽车的优点
  从两种动力源的特性曲线(图4)看出,对道路的适应性各有不同:
  (1)发动机峰值转矩M1出现在中速区;峰值功率P1出现在高速区。
  (2)电动机峰值转矩M2出现在低速区;峰值功率P2出现在低中速区,且下降不很明显。
  (3)两种动力源功率和转矩特性可以搭配,转换工作模式,优势互补:
  城市内行驶,为低中速区工况,以电动机为主的驱动车轮,对道路的适应性好。发动机不参加工作,做到“零排放”、“零油耗”、“低噪声”。
  坏路、上坡、加速等需要大动力时,为中高速区工况,发动机与电动机同时驱动车轮。此时,可得到与大排量发动机相当的动打性,内燃机可小型化,省油。
  (4)随机抽空发电,自我补偿,能量再生功能好,尽力做到收支平衡。实现了“热能、电能、动能”三结合的能量回收补偿良性循环。这是汽车发展的新概念。
  例如:①放松加速踏板时―-发电、充电;②踩下制动踏板时-发电、充电;③下长坡滑行时-发电、充电。
  
  8.2 混联式混合动力汽车的组成
  混联式混合动力汽车由小排气量发动机、大功率高电压HV蓄电池、高压蓄电池电脑(HV-ECU)、变频器、变速驱动桥、电动机/发电机MG1和MG2、行星排等组成。
  8.2.1 小排气量发动机
  因是“双动力源”驱动,具有能量互补作用,可用小排量1.5L,它由12V辅助蓄电池提供工作电源。
  8.2.2 大功率高电压HV蓄电池
  该蓄电池为碱性电池,电极为多孔镍氢氧化物合金组成,电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。连续充电1h。即可100%恢复容量,额定电压为直流200V,
  8.2.3 变频器
  变频器具有变频、升压、变流、充电功能。将高压直流电,变为三相500V交流电。以不同的控制电流。驱动“电动机/发电机”MG1、MG2运转,并能将500V交流电变为200V直流电,给蓄电池充电。
  8.2.4 HV-ECU
  HV-ECu是高压蓄电池的电脑,汽车能量的控制中心。和发动机ECU、变频器、MG1和MG2联网,它有“四大功能”。内有电压转换器,输出高压电,并向发动机ECU系统的辅助蓄电池提供12V低电压。
  8.2.5 变速驱动桥
  变速驱动桥为动力分配机构和变速增扭机构。是无离合器式的电控无级变速器,由电动机/发电机MG1和MG2、转速/转角传感S1、S2、行星排、无声传动链、主减速器、差速器、润滑油泵组成(图5)。
  (1)电动机,发电机MG1(小)在行星排之前。和太阳轮连接,以发电为主。它有如下三个功能:①发动机驱动时,为小发电机;②通电驱动太阳轮,成为发动机的启动机;③发动机不工作,通电驱动,为倒挡。
  (2)电动机/发电机MG2(大)以驱动为主,在行星架之后。驱动齿圈和传动链。也是动力的输入端。转速和扭矩可变。它有如下三个功能:①通电后驱动齿圈。输出动力;②转速和扭矩可变,传动比无级变化;③滑行和制动时。反拖启动再生功能,

变为大发电机,对蓄电池充电。
  因此,发动机、电动机,发电机MG1、MG2和行星排巧妙地配合。实现了四个功能:
  A、实现了双动力联合或交替驱动;
  B、实现了大幅度的可变无级传动比:
  C、实现了不中断的能源再生补偿;
  D、实现了空挡、启动和前进、倒车驱动。
  (3)转速/转角传感器S1、S2(图6)
  转速/转角传感器在电机MG1和MG2中各安装1个。由椭圆形永磁转子和3个定子线圈组成。在不同的相位产生交流电压信号输出,即两个电机转子的“转速/转角转速”信号。也是确定驱动电机转子“准确位置”的极性信号。并能转换为车速信号VSS。
  
  8.3 混联式混合动力汽车的五种工作模式
  (1)启动发动机运转和热启(图7)。电机MG1通电运转。带动太阳轮转动,因行星排的齿圈为制动状态,行星架被驱动运转,而使发动机着火工作。发动机着火后需短暂热起,行星架又反过来驱动电机MG1发电,给HV蓄电池充电。
  (2)发动机不工作,由MG2电机驱动车轮。MG1变为发电机,向MG2供电,并向HV蓄电池充电。多在汽车起步时,平路、等速行驶时使用。此工况使用时间占有率较多,发挥电动机优势,实现“零油耗”、“零排放”。此时,行星架为制动状态。MG2通过齿圈驱动车轮。为中速挡行驶状态。同时驱动太阳轮高速旋转,使MG1快速发电补偿。
  (3)发动机和MG2同时驱动车轮。MG1通过行星排驱动发电,给MG2供电,并给HV蓄电池充电。多在汽车加速、上坡、坏路、大负荷时使用。此工况使用时间占有率较少。此时,发动机通过行星架驱动齿圈,MG2也同时驱动齿圈,为“双动力源”。
  (4)发动机单独驱动车轮,并通过行星架高速驱动MG1给HV蓄电池快速充电。此工况多在HV蓄电池亏电时,自动转换使用。此时,MG1快速旋转发电补亏,MG2断电,成为应急动力源。
  (5)再生制动发电。减速或制动、下坡滑行时,发动机停止工作。并自动关闭电动力源,利用汽车的动能反拖,回收电能量。MG2变为发电机,产生大电能,向HV蓄电池快速充电。
  因为它是“无离合器传动系统”,反拖时发动机不能投入制动。为了加大制动效果,变速手柄设有“B挡位”开关,下长坡滑行时使用。导通后给MG1通电。通过太阳轮,行星排形成闭锁状态,反拖发动机转动,利用发动机的压缩阻力,提高制动效果(再生制动=气阻+磁阻)。
  再生制动效应:由于发电时的“电枢反应”,也会产生反转矩,形成“额外负荷”。所以,再生制动=气阻+磁阻。
  
  8.4 变速驱动挡位转换开关说明
  混合动力汽车的变速驱动挡位为:P、R、N、D、B:E个位置(图8),用挡位电开关信号通讯控制方式,各挡位都有指示灯。在仪表盘上显示。各挡位的作用如下:
  P挡:停车挡,停车时用,司机离车时用,坡道起步时也用。在此挡位可启动发动机。它是空挡N外加机械锁止件,锁止中间减速器,并用电磁开关控制。
  R挡:倒车挡,车停稳后挂入倒挡。此时发动机熄火,发动机及行星架即制动,电机MG1通电转动,太阳轮输出动力。齿圈反转而倒车。
  N挡:空挡,此时电机MG1和MG2被断电关闭,太阳轮z1和齿圈z2自由状态,只是发动机带着行星架空转。行驶中,如果发动机熄火。在此挡位可启动发动机。
  D挡:前进挡,混合动力搭配自动控制,由蓄电池电脑HV-ECU,根据工况的需要,在大范围控制区。自动变速行驶。
  B挡:发动机制动挡,下长坡滑行时使用,能产生再生大电能,向HV蓄电池快速充电。此时,电机MG1通电运转。行星排形成闭锁状态,连接曲轴和车轮。车轮反拖曲轴和电机MG2运转,大电机MG2发出大电流,给HV蓄电池快速充电并反拖发动机转动,利用发动机的压缩阻力提高制动效果。


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