汽车新能源技术应用与发展-毕业设计论文

高 等 教 育 自 学 考 试

毕业设计（论文）说明书

汽车检测与维修专业（本科）

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毕业设计（论文）任务书

二、 本环节自2013年 3月 8 日起至2013年 6 月 7 日 一、 题目： 汽车新能源技术应用与发展

三、 进行地点： 河南职业技术学院

四、 内容要求：毕业设计说明书（论文）要求层次分明、

文理通顺 、数据可靠、文字简练、说明透彻、立论正

确、推理严谨。

汽车新能源技术应用与发展

摘 要

能源危机和环境污染是21世纪世界各国面临的两大难题。为缓解并最终

解决能源的供需矛盾，改善日益严峻的环境状况，世界各国和地区正在积极

开展可再生能源的研究与开发。对于这种高消耗能源和高污染的现代工具来

讲，实现生态能源汽车的研发与使用具有重大意义。

汽车新能源技术繁多,新能源汽车发展方向如何。本课题以此为出发点,着重分析目前主要的新能源汽车技术以及这些技术的优缺点,得出电动汽车将是未来发展趋势。然后探讨电动汽车充电站整车充电、更换电池两种运营模式,最终得出未来充电站将以更换电池为主，整车充电为辅的主流模式。

关键词：新能源汽车，新技术，发展趋势，充电站

AUTOMOTIVE APPLICATION AND

DEVELOPMENT OF NEW ENERGY

TECHNOLOGIES

ABSTRACT

Energy crisis and pollution of the environment are 21th centuries the international community faces of two greatest hard nut to crack. For alleviate to combine end solution energy of supply and demand antinomy, improve rigorous environment condition, international community and region be actively developing day by day can the research and development of renewable energy. Speak for the modern tool of this kind of high depletion energy and high pollution, carry out development and use of ecosystem energy car to have great significance.

Automobile new energy technology is various and what is the direction of new energy vehicle development. This article is on the basis of what is mentioned above as a starting point, focusing on the analysis of the current main new energy vehicle technologies and the advantages and disadvantages of them to draw the conclusion that electric vehicles will be a trend in the future development; then explores the two operating modes of vehicle charging station, that is electric vehicle charging station and battery replaced charging station, and ultimately comes to conclusion that the future will be based on the battery replaced charging station, supplemented by the mainstream model of vehicle charging.

KEYWORDS: new energy vehicles, new technology, development trends,

charging station

目 录

第1章 研究汽车新能源技术的目的与意义 ........................................1 §1.1 研究的目的 ....................................................................................1 §1.2 研究意义 ........................................................................................1

第2章 国内外汽车新能源技术研究现状 ............................................2 §2.1 国外的相关研究 ...........................................................................2

§2.1.1 政府高度重视汽车新能源的开发利用 ..........................2 §2.1.2 政府推动电动汽车研发和推广 .......................................2 §2.2 国内的相关研究 ...........................................................................3 §2.2.1 政府大力支持新能源汽车产业 .......................................3 §2.2.2 国内新能源汽车取得重大发展 .......................................3

第3章 汽车新能源的类型 .......................................................................5 §3.1 纯电动汽车 ....................................................................................5 §3.1.1 纯电动汽车的类型 ..............................................................5 §3.1.2 纯电动汽车的结构原理 .....................................................6 §3.2 混合动力电动汽车 ......................................................................6 §3.2.1 混合动力电动汽车的结构类型 .......................................6 §3.2.2 不同类型的混合动力电动汽车的比较 ..........................8 §3.3 燃料电池电动汽车 ......................................................................9 §3.3.1 燃料电池电动汽车的类型 ................................................9 §3.3.2 燃料电池电动汽车的结构原理 ..................................... 10 §3.4 气体燃料汽车 ............................................................................. 11 §3.4.1 天然气汽车 ......................................................................... 11 §3.4.2 液化石油气汽车 ................................................................ 11 §3.5 生物燃料汽车 ............................................................................. 12 §3.5.1 甲醇燃料汽车 .................................................................... 12 §3.5.2 乙醇燃料汽车 .................................................................... 12 §3.5.3 二甲醚燃料汽车 ................................................................ 12 §3.6 氢燃料汽车 .................................................................................. 12 §3.7 太阳能汽车 .................................................................................. 13

第4章 汽车新能源的主要比较与发展 ............................................... 14 §4.1 各种新能源汽车技术的特点分析与展望 ............................. 14 §4.1.1 纯电动汽车 ......................................................................... 14 §4.1.2 混合动力电动汽车 ............................................................ 14 §4.1.3 燃料电池电动汽车 ............................................................ 15 §4.1.4 气体燃料汽车 .................................................................... 15 §4.1.5 生物燃料汽车 .................................................................... 16

§4.1.6 氢燃料汽车 ......................................................................... 16 §4.1.7 太阳能汽车 ......................................................................... 16 §4.2 能量转换效率的比较 ................................................................ 17 §4.3 减少耗油量的比较 .................................................................... 17 §4.4 减少碳排放的比较 .................................................................... 18 §4.5 各种能源方案优缺点中和分析 .............................................. 18 §4.6 电动汽车的应用缺陷和瓶颈 ................................................... 19

第5章 电动汽车应用的解决方式 ........................................................ 20 §5.1 整车充电模式 ............................................................................. 20 §5.1.1 常规充电 ............................................................................. 20 §5.1.2 快速充电 ............................................................................. 20 §5.2 更换电池模式 ............................................................................. 21 §5.2.1 电池租赁 ............................................................................. 21 §5.2.2 电池的快速更换 ................................................................ 21 §5.2.3 电池的维护 ......................................................................... 21

第6章 未来电动汽车充电技术的发展方向 ...................................... 23 §6.1 整车充电中的慢速充电方式可以充分利用 ........................ 23 §6.2 换电池模式属于能源新物流模式 .......................................... 23 §6.3 无线快速充电将成为最理想充电方式 ................................. 23 §6.4 快速充电大量发展将带来电网谐波污染 ............................. 23 结 论 ............................................................................................................. 24 参考文献 ........................................................................................................ 25 致 谢 ............................................................................................................. 27

前 言

石油短缺、环境污染、气候变暖是全球汽车产业面对的共同挑战，各国政府及产业界纷纷提出各自的发展战略，积极应对，以保持其汽车产业的可持续发展，并提高未来的国际竞争力。新能源汽车已成为21世纪汽车工业的发展热点。据统计，一辆汽车年平均消耗石油约5吨。截止到2008年，世界汽车保有量已突破9亿辆，其中中国约为6467万辆，除此之外中国的摩托车

保有量已达到8954万辆，挂车101万辆，上路行驶的拖拉机1464万辆。并且世界汽车保有量正以每年3000万辆的速度增长，预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆（其中中国将达到1.3～1.5亿辆)，届时汽车所消耗的石油每年55亿吨，交通用油将占全球石油总消耗的62%以上。可见汽车是消耗石油的大户[1]。

德国、美国、日本等国家把发展新能源汽车作为解决目前能源短缺的重要途径，但在不同时期的新能源汽车技术路径是不同的。总的来看，新能源汽车发展趋势可归纳为：能源逐渐由化石燃料向可再生、低排放甚至零排放的能源形式过渡是基本趋势，电能、生物燃料和氢能将是汽车能源的最终解决方案。但在电能、生物燃料和氢能最终替代化石燃料前，汽车能源呈现多元化局面。新能源汽车技术将出现多种技术共存的局面，先进汽油车、先进柴油车、混合动力汽车、纯电动汽车、天然气汽车、醇类燃料汽车、燃料电池汽车都将占据一定的市场份额。

但是由于目前汽车新能源汽车技术繁多，每个国家在新能源汽车领域发展方向有所不同。本课题以此为出发点，着重分析目前新能源汽车技术优缺点，并最终得出电动汽车将是未来发展趋势。然而,电动汽车由于目前在蓄电池技术上存在着续航能力不足，充电时间过长等问题。通过分析本课题最终提出解决这一问题的主要方案就是加快充电站的建设，并且充电站建设将是以更换电池为主，整车充电为辅的运营模式。

第1章 研究汽车新能源技术的目的与意义

1.1 研究的目的

依据我国资源条件和产业技术状况，通过制定国家交通能源发展战略、组织开展国家重大科技开发计划、实施鼓励性政策等措施，推动新能源汽车的发展：从而友好的替代或部分替代以石油为燃料的汽车。减少对石油的依赖性，降低能源消耗，减轻环境污染，缓解气候变暖压力，以实现汽车工业的可持续发展。尽管在现阶段国家汽车节能技术发展方向不尽相同、各具特色，但在长期发展纯电动汽车和燃料电池汽车，实现交通能源转型的总体趋势上基本相同。

1.2 研究意义

大力发展节能与新能源汽车是国际社会应对能源短缺、环境污染和气候变暖问题在交通领域采取的共同措施。新能源汽车是中国乃至世界汽车业跨越发展难得的机遇；近年来新能源汽车产业受到空前的关注，包括我国在内的世界主要汽车生产国都加大了新能源的研发力度，以提高自身产业的竞争力；汽车工业可持续发展得以迎战能源和环境的巨大挑战；进而促进新能源的发展，为低碳经济发展做出贡献。所以，研究汽车新能源技术对我国乃至世界经济与环境的可持续发展具有非常大的现实意义和理论意义。

第2章 国内外汽车新能源技术研究现状

2.1 国外的相关研究

2.1.1 政府高度重视汽车新能源的开发利用

2007年1月24日，时任美国总统小布什发表国文咨文，宣布了替代能源和节能政策，提出美国努力在未来10年之内将汽油使用量降低20%。奥巴马2009年4月曾表示，联邦政府将购买又美国3大汽车厂商制造的1.76万辆包括新能源汽车在内的节能汽车。尽管这一措施并不能改变美国汽车业衰退的现状，但他具有明显的象征意义，也是奥巴马鼓励发展新能源汽车的具体表现[2]。

日本政府在2009年6月启动了“新一代汽车”计划，该计划力争在2050年，是环保汽车占据汽车市场的一半左右，为了实现这一计划，日本政府通过援建电动汽车基础设施、减税和发放补贴等促进环保汽车发展。近年来，日本政府陆续出台了《关于促进新能源利用等特别措施法》、《有关电力企业利用新能源的特别措施法》、《可再生能源配额制法》等一系列政策法规，明确了日本新能源的发展目标和各方责任。

德国政府表示，到2020年，可再生能源要占全部能源消耗的47%，因此，2020年德国境内的新能源汽车要超过100万辆。法国在20世纪90年代中期，开始推广电动汽车和天然汽车。1999年，政府要求所有市政部门的电动汽车及天然气汽车比例必须占市政部门拥有车辆总数的20%以上，以此带动整个社会选择环保车型。

2.1.2 政府推动电动汽车研发和推广

2009年，美国电动汽车产业链上的各方面发起成立了美国电动汽车联盟，美国电动汽车联盟主要致力于从政策和行动上推动大规模实施电动汽车计划，最终改变美国经济、环境和化石能源严重以来的现状，实现美国电动汽车运输的革命性变化。美国总统奥巴马提出在2015年以前推广100万辆环保汽车，为鼓励美国消费者购买，他还宣布将给予购买插电式电动汽车的人每辆车7500美元抵税额。

为推进新能源汽车及环保汽车的发展，日本从2009年4月1日起实施“绿

色税制”，日本实行“绿色税制”可使混合动力电动汽车税减免2万日元，和车辆购置税减免4万日元。在日本政府的积极扶持下，日本主要汽车生产厂家无一例外的提出了自己的新能源汽车战略。丰田公司宣布在未来几年里，将混合动力电动汽车车型增加到10种；日产公司于2012年批量生产纯电动汽车，投放日本和欧洲市场。

在2009年年初德国政府通过的500亿欧元的经济刺激计划中，很大一部分用于电动汽车研发，汽车从电站网络建设和可再生能源研发。法国政府从1995年7月1日开始，给购买电动汽车的用户提供5000法郎补贴，法国电力公司从自身利益考虑，想电动汽车制厂生产的电动汽车每辆提供10000法郎补助。这些措施给电动汽车在法国发展创造了良好的环境。

2.2 国内的相关研究

2.2.1 政府大力支持新能源汽车产业

国内新能源汽车产业始于21世纪初。2001年，新能源汽车研究项目被列入国家“十五”期间的“836”重大科技问题，并规划了以汽油车为起点，向氢动力车目标挺进的战略。“十一五”以来，我国提出“节能和新能源汽车”战略，政府高度关注新能源汽车的研发和产业化[3]。2010年8月18日国务院国有资产监督管理委员会（以下简称国资委）在北京召开中央企业电动汽车产业联盟成立大会。国务院国资委推动有关中央企业成立“中央企业电动汽车产业联盟”，旨在有效发挥中央企业在我国经济结构调整，产业转型中的带头和领导作用，形成合力加快推动我国电动汽车产业发展，以联盟的方式，促进企业间的合作与协同发展，快速、有效地突破电动汽车产业核心技术，尽快形成规模化发展姿态。

中国汽车业“十二五”规划初稿已定，新能源汽车被列为中国汽车行业今后五年发展的重中之重。中国汽车业“十二五”规划中，将提出到2015年，中国国内新能源汽车的年销售量达到百万辆的目标。新能源汽车的发展重点将以汽车电动化和动力混合化两大技术结合为标志，进行换代与产业升级[4]。

2.2.2 国内新能源汽车取得重大发展

2006-2007年，我国自主研制的纯电动、混合动力和燃料电池三类新能源汽车整车产品相继问世；混合动力和纯电动客车实现了规模示范；纯电动

汽车实现批量出口；燃料电池轿车研发进入世界先进行列。2008年，新能源汽车在国内已成全面出击之势。比亚迪、奇瑞、吉利、长安、哈飞等汽车生产企业，纷纷在各大国际车展上频频亮相，展出了自行研发的燃料电池汽车及混合动力汽车，从而在这场新能源的竞技中，取得了首发权。

国产新能源汽车如雨后春笋，纷纷崭露头角，如长安的CV9、杰勋混合动力版，奇瑞的A5、东方之子燃料电池动力汽车，海马的H12电动汽车、华普海域甲醇动力轿车和海尚油电动力混合汽车，力帆520混合动力汽车等。在美国汽车城底特律举行的2009北美国际汽车展上，比亚迪展示了插电式混合动力汽车F3DM.这款汽车已于2008年12月15日在中国市场开始销售，于2011年在北美市场上市。

第3章 汽车新能源的类型

3.1 纯电动汽车

3.1.1 纯电动汽车的类型

纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆，一般采用高效率充电蓄电池为动力源。纯电动汽车可分为2种类型，即用蓄电池作动力源的纯电动汽车和装有辅助动力源的纯电动汽车。

一、 用蓄电池作为动力源的纯电动汽车

用单一蓄电池作为动力源的纯电动汽车，只装置了蓄电池组，它的电力和动力传输系统如图3-1所示。

图3-1 用单一蓄电池作为动力源的纯电动汽车的电力和动力传输系统

二、 装有辅助动力源的纯电动车

用单一蓄电池作为动力源的纯电动汽车，蓄电池的比能量和比功率较低，蓄电池组的质量和体积比较大。因此，在某些纯电动汽车上增加辅助动力源，如超级电容器、发电机组、太阳能等，由此改善纯电动汽车的启动性能和增加续驶里程。装有辅助动力源的纯电动汽车的电力和动力传输系统如图3-2所示。

图3-2 装有辅助动力源的纯电动汽车的电力和动力传输系统

3.1.2 纯电动汽车的结构原理

燃油汽车主要由发动机、地盘、车身和电器4大部分组成，纯电动汽车的结构与燃油汽车相比，主要增加了电力驱动控制系统，而取消了发动机，电力驱动控制系统的组成与工作原理如图3-3所示，它由电力驱动模块、车载电源模块和辅助模块3大部分组成[5]。

图3-3 电力驱动控制系统的组成与工作原理

当汽车行驶时，由蓄电池输出电能（电流）通过控制驱动电动机运转，电动机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。电动汽车行驶里程与蓄电池容量有关，蓄电池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里程，必须尽可能的节省蓄电池能量。

3.2 混合动力电动汽车

3.2.1 混合动力电动汽车的结构类型

一、 串联式结构类型

如图3-4所示串联式结构的最大特点是：能量的产生和使用完全独立，发动机的功能只是驱动发电机工作，由发电机向蓄电池充电。汽车完全由电动机驱动，发动机只需在某一转速下工作，避免在怠速或其他不经济工况下工作可明显减少排气污染和提高燃油经济性、节约费用。

图3-4 串联式混合动力系统 图3-5 并联式混合动力系统

二、并联式结构形式

并联式结构（如图3-5）的混合动力汽车可由发动机与电动机饭别独立的驱动，采用异步交流电动机，既可作电动机，又可作发电机使用。

汽车在不同行驶工况下工作如下:

1.正常行驶工况。在一般路面上驾驶员以发动机作为动力行驶。 2.启动及小负荷行驶工况。当汽车在启动、小负荷和下坡行驶及汽车需要通过对排放要求严格限制的地区，可通过离合器是发动机熄火，汽车由电动机从蓄电池中获得电能来驱动。

3.加速行驶工况。当汽车加速或高速行驶需要大功率时发动机和电动机可联合工作，以获得所需得峰值功率。

4.蓄电池充电工况。大汽车在低负荷工作时异步交流电动机作为发电机自动接通为蓄电池充电，使蓄电池电能获得补充，这有利于提高发动机工作效率。

5.减速和制动工况。由汽车驱动电动机，此时电动机为蓄电池充电，汽车制动时能量回收部分转变为电能而储存。

三、混联式结构形式

混联式结构（如图3-6）的混合动力系统利用动力分配装置将动力一分为二：一部分直接驱动汽车；另一部分驱动交流发电机，而交流发电机驱动电动机并为蓄电池充电。

图3-6 混联式混合动力系统

汽车在不同行驶工况下工作如下:

1.正常行驶工况。发动机输出动力一路直接驱动车轮；另一路经交流发电机、变流器、电动机驱动车轮。

2.启动及小负荷行驶工况。此时，发动机效率不高而停止工作，由蓄电池带动电动机驱动车轮。

3.加速行驶工况。在正常行驶工况基础上增加功率输出，这部分增加的动力由蓄电池供给，由电能转化成机械能传给车轮。

4.减速和制动工况。由汽车车轮驱动电动机，此时电动机作为发电机使用，电动机发出的电能为蓄电池充电，将汽车的制动能回收为电能[6]。 3.2.2 不同类型的混合动力电动汽车的比较

表3-1对不同类型的混合动力电动汽车在燃油经济性、尾气排放和控制难易程度等方面作了比较。表3-2对不同类型的混合动力电动汽车在驱动模式、传动效率、整车布置、使用条件等方面作了比较。

表3-1 不同类型的混合动力电动汽车类型的比较

表3-2 不同类型的混合动力电动汽车特点的比较

3.3 燃料电池电动汽车

3.3.1 燃料电池电动汽车的类型

采用燃料电池作为电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车(Fuel Cell

Electric Vehicle, FCEV)。FCEV一般以质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为车载能源.PCEV按“多电源”的配置不同，可分为以下几种：

一、纯燃料电池驱动（PFC）的FCEV

纯燃料电池驱动的电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。纯燃料电池驱动系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传给传动系，从而驱动汽车行驶。

二、燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV

燃料电池+辅助蓄电池联合驱动的燃料电池电动汽车的动力系统结构是一个典型的串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽车行驶。在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池将储存回馈的能量。

三、燃料电池与超级电容联合驱动(FC+C)的FCEV

燃料电池+超级电容与燃料电池+辅助蓄电池的结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。相对于蓄电池，超级电容充放电效率较高，能量损失小，功率密度大，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长但是超级电容的能量密度较小随着超级电容技术的不断进化，这种结构将成为一种新的研究方向。

四、燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV 燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动的电动汽车的动力系统结构也为串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽车行驶。在汽车制动时驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。

3.3.2 燃料电池电动汽车的结构原理

目前燃料电池电动汽车绝大多数采用的是混合式燃料当电池驱动系统，将燃料电池与辅助动力源相结合，燃料电池可以只满足持续功率需求，借助辅助动力源提供加速、爬坡等所需的峰值功率，而且在制动时可以将回馈的能量储存在辅助动力源中，混合式燃料电池驱动系统有并联式和串联式两种，如图3-7[7]。

（a）串联式 （b）并联式 图3-7 混合式燃料电池电动汽车驱动系统框图

混合式燃料电池电动汽车的动力系统主要由燃料电池发动机、辅助动力源、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、电动机和动力控制系统等组成。

3.4 气体燃料汽车

3.4.1 天然气汽车

天然气是指以天然气作为燃料的汽车。按照所使用天然气燃料状态的不同，天然气汽车可分为压缩天然气汽车（CNGV）和液化天然气汽车（LNGV）。

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。它是一种无色透明、无味、高热量、比空气轻的气体，主要成分是甲烷，由于组分简单，易于完全燃烧，加上燃料含碳少、抗爆性好、不稀释润滑油，能够延长发动机使用寿命。

液化天然气是指常压下、温度为－162℃的液体天然气，储存于车载绝热气瓶中。液化天然气燃点高、安全性能强，适于长途运输和储存。目前世界上使用较多的是压缩天然气汽车。 3.4.2 液化石油气汽车

液化石油气(简称LPG)的主要成分是丙烷C3H8，此外还含有少量的丙烷C4H10，丙烷C3H6和丁烯C4H8，作为车用燃料来说，液化石油气的能量密度比天然气大，在中小型汽车上推广比较容易。

目前，对于LPG加气站不足的地区，还不具备发展纯LPG汽车的条件，大多数国家仍以发展液化石油气—汽油两用燃料汽车为主。

由于液化气和天然气的性质相似决定了它们的结构相似性，故液化石油

气汽车的主要专用部件与天然气汽车大部分一致。液化石油气汽车与天然气汽车的主要区别在于液化石油气汽车必须有蒸发调压器。所谓LPG蒸发调压器是集预热、蒸发、减压、调压功能于一体，LPG被发动机冷却水加热后蒸发气化，再经减压达到接近大气压时供发动机使用[8]。

3.5 生物燃料汽车

3.5.1 甲醇燃料汽车

甲醇燃料汽车是指利用甲醇燃料作为能源驱动的汽车。甲醇作为燃料在汽车上的应用主要有掺烧和纯甲醇替代两种。掺烧是指将甲醇以不同的比例（如M10、M15、M30等）掺入汽油中，作为发动机的燃料，一般称为甲醇汽油；纯甲醇替代是指将高比例甲醇（如M185、M100）直接用作汽车燃料。 3.5.2 乙醇燃料汽车

乙醇汽车是使用车用乙醇汽油作为主要动力燃料的汽车。一直以来，生物乙醇备受争议，因为有人批评大规模使用乙醇作为燃料，会导致食品价格上涨，此外，传统制造乙醇过程中会消耗很多能源，因此，从“从油井到车轮”的全过程来看，乙醇燃料并不环保。但是通用汽车打算结束这种争论，在2008年北美车展上，通用汽车大打“E85牌”，推出了多款E85乙醇燃料车，同时，推动车用能源多样化的战略手段，正式宣布与美国Coskata能源公司携手，在乙醇燃料技术领域内开展合作。 3.5.3 二甲醚燃料汽车

二甲醚作为环保、清洁、安全的新型替代能源，已得到国际社会的公认。二甲醚是汽车发动机，特别是柴油发动机燃料的理想替代品。

由于二甲醚具有低沸点、高饱和蒸汽压、低黏性、优良的压缩性、高十六烷值、含氧24.8%、较低热值等特点，二甲醚燃料发动机技术以引起西方发达国家政府和专家的高度重视。近年来，欧美、日韩、俄罗斯等国家十分看好二甲醚燃料汽车的市场前景和环保效益，纷纷开展二甲醚燃料发动机与汽车的研发。我国与国际二甲醚燃料发动机研究几乎同步。

3.6 氢燃料汽车

氢是清洁燃料，采用氢气作燃料，只需略加改动常规火花塞点火式发动机，就可以使用。其燃烧效率比汽油高，混合气可以较大程度地变稀，所需点火能量小，有利于节约燃料。氢气也可以加入其它燃料(如CNG)中，用于

提高效率和减少N02排放。氢的质量能量密度是各种燃料中最高的一种，但体积能量密度最低，其最大的使用障碍是储存和安全问题[9]。

汽车使用氢燃料较简单的技术是在发动机进气管里进行预混，经过进气道在进气形成送入气缸，由火花塞或电热塞引燃，也可以用柴油引燃。由于氢的分子量很小，在等能量情况下，气态氢比甲烷等其他气体占的体积大，因此机外混合的容积效率低，功率只有原来石油燃料发动机的80%左右；混合气在进气行程进入气缸，又经过压缩行程的作用，氢与空气的混合时间时间较长，又较容易从外界创造条件促进混合气混合均匀，因此混合气的品质容易保证，但这种汽车的动力性较低，易产生回火，综合性能较差。尽管预混技术简单，发动机变动较小，也可以采用一些措施来提高发动机功率及避免回火，然而汽车的综合性能难以达到较高水平。

3.7 太阳能汽车

太阳能汽车是利用太阳能电池将太阳能转化为电能，并利用该电能作为能源驱动行驶的汽车。太阳能主要由太阳能电池组、自动阳光跟踪系统、驱动系统、控制器、机械系统等组成。

太阳能汽车由太阳能电池板在向日自动跟踪器的控制下始终正对太阳，接收太阳光，并转化成电能，向电动机供电，再由电动机驱动汽车行驶，它实际上是一种电动汽车，其工作原理与串联式混合动力汽车（SHEV）基本相同。

第4章 汽车新能源的主要比较与发展

4.1 各种新能源汽车技术的特点分析与展望

4.1.1 纯电动汽车

纯电动汽车不需要再用内燃机，因此，纯电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱，电能是二次能源,可以来源于风能、水能、热能、太阳能等多种方式。因此很多人认为纯电动汽车将是未来新能源汽车发展的主要方向。纯电动汽车主要特点如下：

优点：1.无污染，废气排放为零。2.噪声低，且运行平稳。3.能源效率高、多样化。4.结构简单、使用维修方便[10]。

缺点：1.动力电源使用成本高，续驶里程短。2.充电设施建设不完善。

3.蓄电池重量大，寿命短，充电时间长。

现状与前景：从总体看仍处于实验研究阶段，要完全解决技术上的难题并降低成本，还需要一定的时间；但随着电动汽车技术的发展，存在的缺点会逐步得到解决，电动汽车将成为未来汽车发展的主体。

4.1.2 混合动力电动汽车

由于目前纯电动汽车在使用中受到电池续航能力以及充电设施建设不完善，因此在传统能源汽车向纯电动汽车过渡这段时期，混合动力汽车起着关键的作用。混合动力电动汽车主要特点如下：

优点：1.由于有原动机作为辅助动力，蓄电池的数量和质量可减少，因此汽车自身中重量可减小。2.汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平。

3.借助原动机的动力，可带动空调、真空助力、转向助力及其他辅助电器。

4.可使原动机在最佳的工矿区域稳定运行，避免或减少了发动机变工况下的不良运行，是发动机的排污和油耗大为降低。5.在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动汽车，实现零排放。6.可通过电动机提供动力，因此可配备功率较小的发动机，并可通过电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低了汽车的能量消耗和排污[11]。

缺点：1.长距离高速行驶基本不能省油。2.结构较复杂。

现状与前景：混合动力电动汽车是当今最具有实际开发意义的低排放和低油耗汽车，未来将继续被各厂家升级更新，达到理想状态。

4.1.3 燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车用的驱动电机主要由直流电动机、交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。燃料电池汽车驱动电机的选型必须结合整车开发目标，所以受到一定限制。燃料电池电动汽车具有以下特点：

优点：1.能源转化效率较高，可以达到30%以上。2.续驶里程长，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。3.绿色环保，燃料电池没有燃烧过程，接近零排放。4.过载能力强，其短时过载能力可达额定功率的200%或更大。5.噪声低，燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运行部件，因此运行过程中噪声和振动都较小。6.设计方便灵活，可以在空间和重量等问题上进行灵活的配置。

缺点：1.燃料电池汽车的制造成本和使用成本高。2.辅助设备复杂，且质量和体积较大。3.起动时间长，系统抗震能力有待进一步提高。

现状与前景：燃料电池汽车近些年来取得了很大进展，但从目前各大汽车公司推出的制造成本上百万美元的燃料电池概念汽车来看，现阶段燃料电池电动汽车的推广还面临很大的困难。最乐观的预测，以纯氢为燃料的燃料电池汽车商业化生产至少还需十年以上的时间，即使在一定的程度上实现了商业化，也会是以一种高成本的方式[12]。

4.1.4 气体燃料汽车

气体燃料汽车主要包括天然气汽车和液化石油气汽车。天然气汽车由于使用的天然气在我国储量非常丰富,加上近几年国家的大量开发以及天然气管道网络建设的完善性，天然气汽车将得到长足性的发展。气体燃料汽车主要特点如下：

优点：1.天然气在我国储量丰富，可广泛使用。2.普通燃油汽车改装成天然气汽车成本较低且技术成熟。3.辛烷值较高，污染小。4.天然气汽车与普通燃油汽车百公里使用成本相比，天然气汽车较低[13]。

缺点：1.建加气站网络要求投资强度大。2.气体天然气能量密度小，影响续驶里程等性能。3.与汽油车比动力性低。4.储带有所不便。

现状与前景：天然气汽车在许多国家获得广泛使用并被大力推广，已有约100多万辆；目前世界上液化石油气汽车的保有量大400多万辆。气体燃

料汽车是21世纪汽车的重要品种。

4.1.5 生物燃料汽车

生物燃料是指生物资源生产的醇类燃料和生物才有等。由于醇类燃料是可再生资源，它的制取可以通过生物发酵制取，从而得到很多国家的广泛应用。由于乙醇再运用中可将其掺入汽油使用，所以可以大大减少石油的使用。生物燃料汽车主要特点如下：

优点：1.资源较为丰富。2.可再生，具有长期使用的价值。3.污染小，废气排放几乎为零。4.使用方便，辛烷值高。

缺点：1.甲醇的毒性较大，不安全。2.需要解决分成问题。3.对金属及橡胶件有腐蚀性。4.冷起动性能较差。5.二甲醚在储运方面存在问题[14]。

现状与前景：甲醇、乙醇燃料汽车以获得一定程度上的应用；可以作为能源的一种补充，在某些国家和地区可能保持较大的比例。二甲醚目前正在研究中。

4.1.6 氢燃料汽车

氢燃料汽车是在传统内燃机的基础上加以修改后可以直接用氢为燃料燃烧，产生动力的汽车。是一种真正实现零排放的交通工具，因此氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。氢燃料汽车主要特点如下：

优点：1.排放物是纯净水，无污染、零排放。2.氢气来源丰富。3.辛烷值高，热值高。4.氢极易点燃，火焰传播特性较好，容易实现稀薄燃烧。

缺点：1.氢气生产复杂且成本高。2.气态氢能量密度小且储存不便，液态氢技术难度大，成本高。3.需要开发专用发动机。

现状与前景：仍处于基础研究阶段，制氢及储带技术有待突破；有希望成为未来汽车的重要组成部分，但前景尚难估量[15]。

4.1.7 太阳能汽车

太阳能汽车的能源来自太阳，是真正的绿色能源汽车。太阳能汽车与电动汽车有许多相似之处，从广义讲，也是电动汽车的一个类型。太阳能汽车主要特点如下：

优点：1.太阳能属于可再生能源，来源非常丰富。2.运行无污染而且噪声很小。3.太阳能电池实际上是一个半导体元件，易于制造。

缺点：1.成本高。2.效率低，目前太阳能电池的最高效率约为20%。

3.能量密度低。4.受时令影响大。

现状与前景：目前正在研究，近年来已有少数国家有了太阳能实验车型，达到实用阶段上需要一段较长的时间。预期在缺乏其他能源、日照充足的沙漠干旱地区，太阳能汽车会有用武之地。

4.2 能量转换效率的比较

图4-1是不同车速下燃油汽车与电动汽车的能量输出曲线图。内燃机汽车在同样工况下的能耗远远大于纯电动汽车的能耗，据统计，内燃机在低速区域的能量转化效率最低(仅为12％)。应用混合动力技术，汽车在低速行驶时切换到电能驱动模式，可大幅度降低能量损耗，减少排放。尽管混合动力汽车在启动和低速运行工况下，避免了高能耗和排放，但在高速行驶时若仍然采用燃油驱动，其能耗和排放还是明显大于纯电动汽车。

图4-1 燃油汽车与电动汽车能耗曲线图

4.3 减少耗油量的比较

表4-1对同一车型利用不同新能源技术路线在消减油量上作乱比较。在对多种动力汽车技术计算其整体拥有成本时，按照5年的平均拥有期将车辆的起初成本、再销售价值以及预计节油量纳入考量范围。

表4-1 不同新能技术源路线的消减耗油量

技术方式 醇类汽车 气体燃料汽车 混合动力汽车 纯电动汽车

消减耗油量(%) 41 50 30 50 ~100

有表4-1可以看出，纯电动汽车可以最有效地减少对石油的依赖，是解决能源安全问题的最佳方案。

4.4 减少碳排放的比较

表4-2对不同新能源技术路线在碳排放上作了比较。由表可以看出，对比其它的汽车动力技术，混合动力技术的减碳排放比可达56％；电动汽车利用太阳能发电以及风力发电，因此纯电动汽车碳排放为零，考虑到目前的火力发电，故而纯电动汽车平均碳排放比可以达到30％。所以采用清洁能源发电配合纯电动车技术是解决机动车环境污染问题的最佳方案。

表4-2 不同新能源技术路线对减少碳排放的比较

液化石油气汽

技术方式

车 车 车 车 车 醇类汽天然气汽混合动力汽纯电动汽

减碳排放比（%） 50 53 55 56 0 ~30

4.5 各种能源方案优缺点中和分析

表4-3对普通内燃机、纯电动、混合动力和氢燃料电池汽车能源的优缺点进行了综合比较。

表4-3 各种能源方案优缺点综合分析表

从表中可以看出混合动力汽车发展比较成熟，但从长远来看，纯电动汽车技术更节能环保，更能解决将来能源紧张问题。因此纯电动汽车将是未来汽车发展方向。

4.6 电动汽车的应用缺陷和瓶颈

目前，电动汽车技术趋于成熟，但在续驶里程、制造成本等方面还无法与传统燃油汽车相比。作为动力源的各类型蓄电池不同程度地存在着成本高、功率小、体积和重量大、充电时间长等问题，是电动汽车发展和普及应用的瓶颈。归纳起来存在：1.续驶里程有限；2.蓄电池使用寿命太短；3.电池价格昂贵；4.充电时间和充电网点短期内不能得到有效解决等问题。但随着电动车技术的发展，

步得到解决。

电动汽车存在的缺陷和瓶颈会逐

第5章 电动汽车应用的解决方式

目前解决电动汽车电池续航时间短的方法是加快充电站以及换电站的建设,只有将这些基础设施建设完善才能弥补目前蓄电池技术的不足。

在我国，电动汽车充电站的业务才刚刚起步，运营模式还没形成，各个相关的利益群体对产业发展的倾向也不尽相同。根据技术与充电方式的不同，电动汽车充电站的运营模式基本上可以分为“整车充电”与“电池更换”两种模式。

5.1 整车充电模式

整车充电模式是很多国家研究试验的重点，这种模式把电池与车辆作为一个整体来考虑，其规模化发展的关键是能够研制生产出“容量大、成本低、充电快、寿命长”的电池产品[16]，在便捷性上满足用户的需求，具体又包括常规充电和快速充电两种类型。

5.1.1 常规充电

蓄电池在放电终止后，应立即充电，充电电流相当低，大小约为15A，这种充电叫做常规充电(普通充电)。常规蓄电池的充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，一般充电时问为5～8h，甚至长达10至20多个小时。尽管充电时间较长，但因为所用功率和电流的额定值并不关键，因此充电器和安装成本比较低；可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本；可提高充电效率和延长电池的使用寿命[17]。

这种充电方式通常适用于：设计电动汽车的续驶里程尽可能大，需满足车辆一天运营需要，仅仅利用晚间停运时间充电。现阶段技术条件下，电池的续驶里程大约为200km，像私家车、市内环卫车、企业商务车等车辆日均行驶里程都在电池的续驶里程范围之内，均可采用常规充电的方式。

5.1.2 快速充电

快速充电又称应急充电，是以较大电流短时间在电动汽车停车的20min至2h内(具体的充电时间由电动汽车动力电池的接收能力而定)，为其提供短时充电服务，一般充电电流为150~400A。充电时间短；充电电池寿命长(可充电2000次以上)；没有记忆性，可以大容量充电及放电，在几分钟内就可充70％~80％的电；由于充电在短时间内(约为10~15min)就能使电池储电量达到80％~90％，与加油时间相仿，使电动汽车使用起来非常方便。这种充

电方式适用情况为：电动汽车的日平均里程大于电池的续驶里程即200km，即在车辆运行的间隙进行快速补充电，来满足运营需要；比如公交车、出租车等车辆它们的日平均行驶里程在300km左右，则还有100km左右的电量需要在峰、平时通过快速充电的方式进行补充。当然也可以采用更换电池的方式来进行能量的补给[18]。

5.2 更换电池模式

更换电池模式也称租赁电池模式，是一种把车辆与电池分开考虑的思路。用户只购买汽车，由专门的电池租赁公司负责电池的购买、租赁、充电、快速更换及管理。可以让用户像“汽车加油”一样方便地得到能源供给。它的运营模式是通过各个电池更换站集中对标准化的电池充电，电动汽车用户需要补充能源时，可以非常方便地到任意一个更换站更换充好的电池。电池更换站的运用模式可以分为以下几点。

5.2.1 电池租赁

能源供给企业购买电池后通过向中间运营商(建站企业)支付一定的建站费用来进行更换站的建设。电动汽车用户在购买“裸车”后，去电池更换站办理相应的“租赁手续”及交一定的租金就能使电动汽车投入使用。租赁的手续及租金由相关部门协商而定，对于租金可以肯定的是，因为换给消费者的是一块充满电的电池，加上一些其它成本，租赁电池的价格肯定要比消费者自己在家充电贵，但是绝对远远低于燃油的费用。用户在电池的使用过程中不仅要交租金，每次更换电池时根据电池电量的消耗情况用户还要向电池更换站交纳相应的所用电费。

5.2.2 电池的快速更换

为了使得更换更加快捷，需要更换电池的车辆进站之前应向站台提出电池更换请求，以便站台调度安排停车位置、通知电池更换库准备整车更换电池并运至更换电池区、准备卸载设备。当车辆进站后，根据调度指令将车开到更换电池区准确位置，准备更换电池。

5.2.3 电池的维护

当电池在使用过程中，个体电池的容量会出现严重不均衡的现象。这样在电池串联充电时，只要有一只电池的充电电压达到最高限制电压，就要立即停止充电，而此时电压较低的个体电池还处于欠充状态；反过来在电动汽车行驶过程中，只要有一只电池的电压下降到最低限制电压，就要断开动力

电池停止放电，而此时电压较高的个体电池容量不能充分利用[19]。这样长期循环使用下去，电动汽车动力电池的容量会越来越不均衡，一次充满电的行驶里程会大大降低。为充分利用锂离子动力电池的储能效率，降低使用成本，充电站建设需要设置电池容量测试与充放电维护设备，当电动汽车动力电池的容量明显出现下降时，利用该设备可以对单个电池进行容量测试，并对容量落后的电池进行多次的充放电操作，使其活性物质充分激活，容量得到恢复。

第6章 未来电动汽车充电技术的发展方向

6.1 整车充电中的慢速充电方式可以充分利用

低谷电力充电，电费相对降低，但是充电时间过长使车辆的使用十分不便；快速充电方式下充电时间短易于车辆的使用，但是充电费用较高，且会大大缩短电池的使用寿命。换电池模式单纯的租赁费和电费支出可能比整车充电模式有一定幅度增加，但是由于节省购买电池的费用，如果政策和管理到位，理论上车辆整个生命时期的运营费用会显著低于整车充电模式，且换电池模式的灵活性、方便性都相对较好[20]。

6.2 换电池模式属于能源新物流模式

换电池模式有利于电池生产企业规模化、标准化生产，有利于能源供给企业的规模化采购与集约化管理，能够显著降低总运营成本。能源供给企业作为一个相对独立的中间运营商，有利于政府施加更具针对性的扶持和优惠政策，如电价政策、购买电池补贴政策等，容易建立起清晰的财务盈利模式，比单纯提供充电服务可获得更高的经济回报，具有更大的发展空间。

6.3 无线快速充电将成为最理想充电方式

无线快速充电技术将会为电动汽车提供便捷的充电方式，随时随地利用各种新的清洁能源进行充电，例如风能、太阳能等。这种充电站装有太阳能发电系统或风能发电系统和蓄电设备，可与商用电力连接。能将太阳能发的电储存在蓄电设备中，然后利用太阳能发电和蓄电设备的电力为车辆充电。蓄电设备储存的电力用完时，可用商用电力为车辆充电，因此能够不受天气和时间的影响稳定充电[21]。

6.4 快速充电大量发展将带来电网谐波污染

换电池模式集中充电便于统一调度、管理和监控，能够最大程度发挥削峰填谷作用，提高电力系统负荷率，最大限度减少谐波污染等对电网的不利影响，有利于电网的安全稳定运行和电力资源的优化利用[22]。

综上所述，换电池模式具有更突出的优势和更广阔的发展前景。考虑到差异化需求和特殊情况下电能补给的需要，以更换电池为主、整车充电为辅的运营模式将成为我国电动汽车充电站未来发展的主流模式。

结 论

在未来的20年内，汽油和柴油仍是汽车主要的能量来源，但汽油和柴油的质量要求越来越高，发动机技术将快速发展以提高能量利用率。代用燃料会得到迅速运用，天然气汽车和乙醇汽车会率先大规模投入使用，纯电动汽车和燃料电池汽车将会逐步扩大应用。其中混合动力汽车将会得到快速发展和应用，混合动力汽车将至少在30年内都是汽车工业最切实可行的解决能源问题和污染问题的途径。

而纯电动汽车将是未来新能源汽车发展的最终方向。但是由于目前电动汽车电池续航能力不足，以及充电站网点建设的不足等，制约其在短时期内的运用。但随着充电站以及换电站的建立，纯电动汽车技术将会逐步取代目前的任何新能源汽车技术，最终发挥其在零排放、动力性强、经济性、使用成本低方面的优势。

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致 谢

感谢所有老师对我的精心培养，不仅使我学到了很多知识，也培养了我做事认真，脚踏实地的优良作风，非常感谢房老师老师在繁忙的事务中还抽出时间给予我指导，使我从中学到了很多知识，锻炼了我综合运用所学知识分析问题，解决问题的能力，也感谢汽车工程系给我提供了学习和实验平台，使我初步具备了科研能力。