新能源汽车发展分析
论文题目:新能源汽车的现状和发展前景
姓名
班级
学号 2111802024 指导老师
论文编写日期 隋毅 能动A16 胡二江老师
2014.12.18-2014.12.24
目录
摘要
引言
第一章 新能源汽车的简述
第二章 新能源汽车的分类
第三章 电动车性能分析
第四章 新能源汽车的发展预测
总结
参考文献
2 2 3 5 7 9 1212
新能源汽车的现状和发展前景
摘要
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。
本文对新能源汽车,特别是电动汽车的现状进行总结概述,重点对其发展进行分析预测。旨在给以读者关于新能源汽车的全面认识,并让读者重点了解纯电动汽车的发展前景和汽车行业的变革。提升新能源汽车的认知度和认可度,促进新能源汽车事业的发展。
首先,对新能源汽车进行综述。包括发展新能源汽车的基本要求和我国新能源汽车的发展概况以及发展新能源汽车的重要意义。
其次,将新能源汽车归纳分类。本文将新能源汽车分为纯电动汽车(BEV )、混合动力汽车(HEV )、燃料电池汽车(FCEV )、替代燃料汽车等。并分析各类汽车的优缺点。
再次,将不同类型汽车的技术路线的优缺点进行总结,并对比分析各类方案的优劣和各类汽车的发展前景。重点以特斯拉电动汽车为例,从包括功率、转矩、效率、安全性等重要汽车性能指标出发,全面对比与之相似价位普通汽车的性能优劣,直观地分析电动汽车的优势所在。 最后,总结新能源汽车发展的制约条件并分析可能解决方案。针对汽车工业的转型、基础设施的建设、消费者的接受度、以及对电力行业的冲击四个问题,分析可能的解决方案。并以此预测未来十年汽车产业的革命。主要包括汽车电动机行业的变革,电网系统的发展和加油站系统的改进。
引言 目前,全球能源和环境系统面临巨大的挑战,汽车作为石油消耗和二氧化碳排放的大户,需要进行革命性的变革。目前全球新能源汽车发展已经形成了共识,我国更是将其列入到七大战略性新兴产业之中。从长期来看,包括纯电动、燃料电池技术在内的电驱动将是新能源汽车的主要技术方向,在短期内,油电混合、插电式混合动力将是重要的过渡路线。目前来看,全球新能源汽车的发展还面临着一些共同的难题,例如关键技术的突破、汽车工业的转型、基础设施的建设以及消费者的接受度等。
具体到各国,引领新能源汽车发展的主要还是美国、日本以及欧洲的一些国家。美国长期侧重降低石油依赖、确保新能源安全的战略,将发展新能源汽车作为交通领域实现根本上摆脱石油依赖的重要措施,大力发展电动汽车作为实施新能源战略的重要内容,选择了以插电式混合动力电动车为重点。日本长期坚持确
保能源安全和提高产业竞争力的双重战略,通过制订国家目标引导新能源汽车产业的发展,同时高度重视技术创新。正全面发展三类电动汽车。欧洲更加侧重于温室气体减排战略。满足日益严格的二氧化碳排放限制要求已经成为欧洲对新能源汽车发展的主要驱动力。欧洲更加重视发展纯电动汽车。
发展新能源汽车是国民经济可持续发展的需要。我国用于汽车能源的石油资源是有限的,在几十年后必然会出现枯竭,要大量依赖从国外进口石油。届时世界石油资源也会出现匮乏,各国对石油资源的竞争必将更加激烈,石油在国家安全方面的重要性日益上升。所以节制使用石油资源,发展新能源汽车将会促进我国能源结构的调整,有利于国民经济的可持续发展。
发展新能源汽车是控制城市污染的需要。燃油汽车的尾气排放已给环境带来了破坏,世界各国都已经认识到这一点,纷纷制定了相关严格的汽车排放标准,以求减少对环境的污染。因此寻求无污染或低污染的 “绿色汽车”成为各国的基本国策,也是人类可持续发展的需要。
发展新能源汽车能够缩短我国汽车工业与世界先进汽车工业的差距, 打破发达国家对我国的技术垄断,极大降低汽车生产成本,提高人民生活水平
第一章 新能源汽车的简述
1.1 新能源汽车的简单介绍
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。
具体发展路线如图1-1所示:
图1-1 电动汽车发展技术路线示意图
目前,我国电动汽车整车已经进入规模化应用阶段,包括动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已经达到国际水平,前期是城市公交,现在乘用车产品也越来越多,比如比亚迪、郑州日产、奇瑞、长安等都有混合动力性汽车生产上市。
1.2 发展新能源汽车的基本要求
1.2.1 能源要储量丰富
我国汽车保有量预计2010年将达到3430万辆,汽车对能源的消耗巨大,作为汽车动力的能源必须储量丰富,才能保证汽车的可持续发展。
1.2.2 能源的能量密度要高
能源的能量密度越高,汽车的燃料箱体积就越小,就会减轻汽车的自重。在同样的条件下,汽车的续驶里程就越长,并且动力性能越好。因此对汽车的能源要求密度越高越好。
1.2.3 对环境的污染要小
目前,大规模使用石油产品的汽车,已造成了环境的严重污染,各国政府都在考虑制定更加严格的汽车尾气排放标准。因此新能源汽车必须要明显减少尾气排放的污染,甚至要达到零排放,才能被人们广泛接受。
1.2.4 经济性要好
世界汽车工业竞争激烈,新能源汽车要广泛进入市场,必须在价格上占有一定的优势,这就要求车用能源售价低廉,并且使用费用低。
1.2.5 使用性能要好
新能源汽车的能源必须使用储存方便,能够长距离运输,并且运输成本低廉,要有较高的运输安全性,不易燃烧、爆炸。
1.3我国新能源汽车发展历程
1.3.1第一阶段:新能源汽车研发启动阶段(1991-2000 年)
早在“八五”期间,国家计委的科技重点攻关项目中, 就有“电动汽车关键技术研究”这一项。此后,科技部开始 力推新能源汽车,“九五”期间,我国就将燃料电池技术列 为国家重大科技攻关项目。
1.3.2第二阶段:新能源汽车研发布局阶段(2000-2008年10月) 2001年 9月 30日 , 科技部将电动汽车研究开发列入了“十五”国家“863”计划重大专项,专项确立了“三纵三横”的国家新能源汽车研发布局:燃料电池汽车、混合动力 汽车、纯电动汽车3种整车技术为“三纵”,多能源动力总成 系统、驱动电机、动力电池3种关键技术为“三横”。
1.3.3 第三阶段:新能源汽车产业化转化阶段(2008年11月至今)
2008年11月,国家工业和信息化部将比亚迪双模电动车F3DM 列入第179批车辆生产企业及产品名单中,标志着我国首款电动车获得量产和上市的批准,也标志着我国新能源汽车产业化阶段的到来。“十一五”期间,新能源汽车的政策重点已经从过去支持科研开发转向支持其产业化发展。
第二章 新能源汽车的分类
新能源主要有纯电动汽车(BEV )、混合动力汽车(HEV )、燃料电池汽车(FCEV)、替代燃料汽车等。这里主要介绍电动汽车。
图2-1 发展不同类型汽车的作用关系框图
2.1 新能源汽车的分类
2.1.1 混合动力汽车
混合动力是指那些采用传统燃料的,同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。按照燃料种类的不同,主要又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。
混合动力汽车的优点:
(1)采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率,此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时,由电池来补充;负荷少时,富余的功率可发电给电池充电,由于内燃机可持续工作,电池又可以不断得到充电,故其行程和普通汽车一样。
(2)因为有了电池,可以十分方便地回收制动下坡时的能量。
(3)在繁华市区,可关停内燃机,由电池单独驱动,实现“零”排放。
(4)保留内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。
(6)可让电池保持在良好的工作状态,不发生过充、过放,延长其使用寿命,降低成本。
混合动力汽车的缺点:长距离高速行驶基本不能省油。
2.1.2纯电动汽车
电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车,大部分车辆直接采用电机驱动,有一部分车辆把电动机装在发动机舱内,也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子,其难点在于电力储存技术。
纯电动汽车的优点:技术相对简单成熟,只要有电力供应的地方都能够充电。
纯电动汽车的缺点:
(1)目前蓄电池单位重量储存的能量太少,还因电动车的电池较贵,又没形成经济规模,故购买价格较贵。
(2)使用成本较高,有些试用结果比汽车贵,有些结果仅为汽车的1/3,这主要取决于电池的寿命及当地的油电价格。
2.1.3 燃料电池汽车
燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料,通过化学反应产生电流,依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用,而不是经过燃烧,直接变成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物,因此燃料电池车辆是无污染汽车,燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2~3倍,因此从能源的利用和环境保护方面,燃料电池汽车是一种理想的车辆。
单个的燃料电池必须结合成燃料电池组,以便获得必需的动力,满足车辆使用的要求。
燃料电池汽车具有以下优点:
(1)零排放或近似零排放; (2)减少了机油泄露带来的水污染;
(3)降低了温室气体的排放;(4)提高了燃油经济性;
(5)提高了发动机燃烧效率;(6)运行平稳、无噪声。
2.1.4 氢动力汽车(替代燃料汽车)
氢动力汽车是一种真正实现零排放的交通工具,排放出的是纯净水,其具有无污染,零排放,储量丰富等优势,因此,氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。
氢动力汽车的优点:排放物是纯水,行驶时不产生任何污染物。 氢动力汽车缺点:
(1)氢燃料电池成本过高,而且氢燃料的存储和运输按照目前的技术条件来说非常困难,因为氢分子非常小,极易透过储藏装置的外壳逃逸。
(2)氢气燃料的提取需要通过电解水或者利用天然气,如此一来同样需要消耗大量能源,除非使用核电来提取,否则无法从根本上降低二氧化碳排放。
第三章 电动汽车性能
3.1 各类电动汽车的比较
上一节介绍了有关常见的新能源汽车的分类和能源方面的优缺点,下面对其进行总结,如表3-1、表3-2、表3-3。
表3-1各种能源方案优缺点综合分析表
类别 能源
效率
普通内燃机
纯电池力
混合动力
氢燃料电池 低 最高 差 无 排放 制造使用维护补充燃料 功率 行驶里程 方便 不方便 方便 不方便 大 小 >400
配套设备 成本 成本 成本 一般 一般 一般 高 最低 高 较高 一般 较高 一般 最高 高 无 高 最高
高 一般 >500 小
纯电动车
混合动力汽车 结构简单 电源来源多样化 续驶历程短 依赖充电设施 成本较使用过程零排放 高 能有效降低能量消耗 能有结构比较复杂、技术难度大 对传统
效降低排放 车技术依赖性强
使用可再生氢能源 使用过燃料电池技术需突破需要氢气制程零排放 结构简单、排放备、储运和加氢设施,成本高 低
主要使用可再生能源 在代燃料来源受资源和技术限制 用燃料充足的地区易于推广
燃料电池汽车 替代燃料汽车
3.2 特斯拉与其他汽车的对比例证
电动汽车从实验室走向市场需要克服很多的问题(下一节具体介绍),首先就是与市场中现有车型的竞争问题。电动汽车的广泛应用,首先要在与同等价位的普通汽车的竞争中获得较强优势。下面以特斯拉MODEL-S 为例, 做出电车与普通常用汽车的对比。
但是,由于特斯拉尚未大面积发售,70-90万人民币的价格也显得较高,据市场一般规律计算,当特斯拉在中国大面积投产之后,预测售价在30-40万人民币左右,所以将特斯拉与此价位的汽车进行对比。(以下数据摘自特斯拉官网)
下面着重介绍一下进行对比的参数配置表中电动机部分的相关四个参数。
3.2.1 电动机最大功率(单位:kW)
电动机是一种能量转换效率很高的机器,相比内燃机30%多的工作效率,电动机通常都在85%以上,而且功率越大,工作效率也越高,而大型电机的效率甚至可以达到98%。简单来说,我们完全可以将电动机看作常规的内燃机,最大功率是指一台电动机所能实现的最大动力输出。
特斯拉MODEL-S 的电动机最大功率达到508kW, 而宝马3系328-Li 的发动机最大功率只有120-180kW, 奔驰C 系最大功率135-180kW 。特斯拉在动力输出方面
3.2.2 电动机最大扭矩(单位:N·m)
扭矩是发动机性能的一个重要参数,扭矩越大,发动机输出的“劲”越大,曲轴转速的变化也越快,汽车的爬坡能力、起步速度和加速性也越好。但是扭矩随发动机转速的变化而不同,转速太高或太低,扭矩都不是最大,只在某个转速时或某个转速区间内才有最大扭矩,这个区间就是在标出最大扭矩时给出的转速或转速区间。最大扭矩一般出现在发动机的中、低转速的范围,随着转速的提高,扭矩反而会下降。
这个概念也与发动机的最大扭矩相近,电动机的最大扭矩不仅与电动机的转速有关还和功率有关。而电动机最大的特点就是低转速下的扭矩强劲,正是基于这一点,在混合动力系统中,当车辆起步或急加速时,电动机可以起到辅助和弥补发动机动力特性的作用,从而提升车辆的加速性能。
特斯拉MODEL-S 的电动机最大功率达到600 N·m, 而宝马3系328-Li 的电机最大功率只有350 N·m, 奔驰C 系250-350 N·m。特斯拉在此项参数优势显著。
3.2.3电池容量(单位:kW ·h)
电池容量也就是一块电池组中究竟蕴藏了多少能量,衡量它的单位我们用kWh ,1kWh 也就是我们常说的1度电的能量。目前,像特斯拉MODEL-S 的85和P85版车型的电池组容量则达到了85kW ·h ,而宝马3系油箱容量60L, 奔驰C 系油箱容量66L 。
3.2.4 电池支持最高续航里程(单位:km)
对于纯电动汽车、中度及重度混合动力汽车以及增程式汽车来说,它们都涉及到一个在纯电力驱动模式下的续航里程问题,这个续航里程的多少主要与
电池的容量相关,电池容量越大,续航里程就远。不过在实际情况中,由于受到外界环境的影响(特别是气温) 以及空调和电器设备的使用,续航里程通常都低于工信部或者厂家所标注的最大续航里程。目前,像特斯拉MODEL-S 的85和P85版车型的电池组容量则达到了85kW ·h ,所以其续航里程最大可以达到502公里,略逊于其他两种超过650km 的极限最大航程。不过,估计一般在长距离行驶的时候,司机都会在油量或电量小于10%之前选择加油或充电,所以此类指标不造成太大的影响。
3.2.5 其他指标
最高速度,特斯拉MODEL-S 最高速度在200-250 km/h,宝马3系最高速度210-235 km/h,奔驰C 系最高速度220-240 km/h,相差不大,不过特斯拉的加速度要快的多(5s 加速至96km/h)。由于重心较低, 稳定性也较好。
外观方面,显然高跑车型带有鹰翼门的特斯拉明显要比普通轿车要显得高档的多,如图3-1:
图3-1 特斯拉MODEL-X 示意图
环保方面,零排放的特斯拉肯定比内燃机汽车优越的多。
使用性方面,前后双后备箱将为车主提供前所未有大空间储物体验。
第四章 新能源汽车发展的制约条件和解决方法
4.1新能源汽车发展主要障碍
新能源汽车虽然可以有效减少市区有害气体的排放和烟雾浓度, 同时也减少CO 2 的排放。许多国家和厂商都积极开发纯电动汽车(PEV)、混合动力电动汽车(HEV) (包括插电式混合动力电动汽车PHEV) 和燃料电池汽车(FCV) 。但是诸多障碍和困难限制了新能源汽车的发展和普及, 从全球范围来看, 一场打破约束、冲出困境的行动已经开展。
我国新能源汽车存在的问题 我国新能源汽车存在的问题主要有4个方面
1. 配套设施建设滞后,如充电桩等充电设施的建设;
2. 消费环境的差距,大众消费意识与发达国家还有所差距;
3. 配套产业发展滞后,电动电池、电容、驱动电机和电动附件新能源汽车的三大核心技术产业发展滞后;
4. 纯电动汽车的普及使得用电量急剧增加,对电网和相关电力系统的冲击和影响。
4.2 新能源汽车的发展预测
4.2.1 充电基础设施
推广PEV 和PHEV 的主要困难就是缺少全面的电池充电基础设施。然而, 目前全球许多厂商和政府已经启动了电动汽车基础设施项目, 来评估建立充电基础设施的方法, 并正着手进行实际应用。
当前,解决电动汽车充电问题的途径主要有两种,第一种是高电能充电。120kW ·h 的高压充电桩能在30分钟内让车拥有320公里的续航里程。特斯拉充电站的技术升级是从端口提高电压而非更换设备。长期来说产生的费用很小。预计今后将实现充电时间缩减到前所未有的“5-10分钟”计划。
另一种就是更换充电电池,类似手机电池的标准化生产,让汽车在充电站直接进行电池更换,而且将在短时间内实现。特斯拉公司将于2014年12月22日开始在美国加州启动其电池组更换服务试点计划。电池的更换并不是免费的,价格“略低于给豪华轿车加满一箱汽油”。这一情况未来可能会改变,但电池的更换需要人工和设施成本,所以还是会需要一些费用的。更换的流程目前需
3分钟时间。不过,特斯拉官方表示,耗费的时间未来将减少至1分钟甚至更少。原理如下图4-1所示:
图4-1 特斯拉电池更换原理
笔者大胆预测,相信不久的将来加油站将全面改革为电油双充,甚至纯充电站,而随着电动汽车的普及,不进行改革的加油站将像柯达公司一样无法顺应时
- 10 -
代潮流而被淘汰。相信充电5分钟充满,或者1分钟以内更换电池完毕,未来充满无限可能。
4.2.2 大众消费意识的改观
其实我国从现阶段来看,由于消费主体的逐渐改变,大众消费意识已经得到了很大改观。很多新鲜事物被更加广泛的接受。比如新发布的苹果系列产品之类的新鲜电子产品,都在中国获得极大的销量。所以,性能优越,环保的车辆自然很受欢迎。但是由于现阶段纯电动汽车价格较高,超出普通大众的消费水平,所以很难普及。所以仅是在高消费群体中,同高档跑车进行竞争。只有在广泛产业化生产之后才能提高市场竞争力。
4.2.3 核心部件产业的发展
我国新能源汽车研究起步较早,但电动汽车关键零部件的产业链尚未形成,产业化能力亟待提高;动力电池在性能和成本方面离整车要求还存在很大差距,成为纯电动汽车产业化发展的平静;动力电池基础原材料、电机及电控系统用电力电子元器件依赖进口,成本难以降低;新能源汽车有关配套鼓励政策措施及标准体系建设有待完善。
作为新能源汽车核心部件,电机及其控制系统的性能至关重要。在国内随着“十城千辆”新能源汽车示范工程的推进,国内一些车用电机产品已经进行小批量生产并通过装车考核,能够很好地满足整车需求。
4.2.4 电力系统及电网的发展
新能源汽车的发展从社会上来说是一个系统工程,不仅仅是驱动方式的改变,同时对能源基础设施、能源结构的调整也有它的需求。从能源,尤其是电网来说,现在发展智能电网也是一个方向,全球各个国家,包括中国,都在大力推进。智能电网很重要的一个方面就是适应了新能源以及新能源汽车发展趋势的变化。
新能源汽车有充电的需求,但是可以利用峰谷的方式充电。比如家庭用的新能源汽车,可以在夜间采用慢充的方式,用7到8个小时完成充电,这个时间正好是电网负荷比较低的时候,这种方式本身可以起到调峰的作用,利用峰谷电来完成新能源汽车的充电对整个电网的稳定是有好处的。另外,新能源汽车可以加强对电网分布式的利用,比如在一个区域,一个局部的城市或者一个社区使用新能源汽车,就形成了一个分布式的储能系统。新能源汽车的电池起到储能的作用,每辆车都是一个小的储能单位,整个车辆汇总起来,就变成一个储能系统,这个储能系统和电网配合就能实现一些功能上的互补。就目前的情况和未来的发展趋势来看,新能源汽车对电网运行不会造成大的冲击。
再者,由于电动汽车的普及,使得原油、天然气的需求量大量减少,将会使国际原油价格下降。可以通过增加进口,来促进我国燃气轮机联合循环发电,相对减少燃煤电站的发电量。此举极大的提高发电效率并缓解环境压力,甚至可以弥补增加的电力缺口。
- 11 -
第五章 论文总结
新能源汽车由于其能源丰富, 污染少, 而受到人们的高度重视。发展新能源汽车是对百年来汽车动力技术最重要的变革,是对汽车工业长足发展的巨大驱动力,在发展和前进的道路上所遇到各种各样的困难在所难免,也不足为怪。对新能源汽车的研发,汽车企业不仅面临着巨大的资金投入,还有很大的技术风险、大规模的业务重整、巨大的建设投资、服务体系的重建,更使企业困惑的是:价格不菲的新能源汽车的市场将会如何?凡此种种,都会对新能源汽车的发展带来不小的负面影响。但无论遇到什么样的困难和问题,我们都必须要想明白,都必须要看清楚,这些困难是发展中的困难,这些问题是前进中的问题,发展新能源汽车是汽车工业发展的必由之路,还需要政策上的引擎、技术上的突破、成本上的降低、市场上的拓展,只要我们坚定信念,就一定能够克服各种困难和破解各种难题,就会抢占发展新能源汽车的先机,就会走在全球新能源汽车工业的前列,我国的新能源汽车工业就会不断地发展壮大,就会迎来美好的明天。总之, “因地制宜, 统筹规划”, 不断开发研究符合我国国情的污染程度更低或完全无污染的新能源汽车是未来汽车工业的必走之路。
参考文献
[1] 黄安华 清洁汽车——中国未来汽车发展的主流[J].世界汽车,2014
(5):12~14
[2] 杨妙梁 世界燃料电池车发展动向(三)[J].汽车与配件,2013,(5):34-
37
[3] 徐汉章, 罗慧超 混合动力技术进展及相关建议[J].交通节能与环
保,2007,1:15-17
[4] 中国汽车工业协会 1992 年~2002 年中国汽车工业发展最好的10年,经济
日报,2002年10月23日
[5] Jeff Oestmann Ethanol & Fuel Cells: Converging Path of Opportunity,
The 14 ISAF,2014,Thailand
[6] Pearse Lyonset all The US Fuel Ethanol Industry from 1980 to
2002:Lesson for other Markets the 14 ISAF,2002,Thailand
[7] Alan Rae. An Immediate & Practical Air Quality and Energy
Security Solution. AAE Technology Inc. USA,The 14 ISAF,2012
- 12 -