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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