纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的特点

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燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等,氧化剂一般是氧气或空 气,电解质可为水溶液(H2SO4、H3PO4、NaOH等)、熔融盐( NaCO3、K2CO3)、固体聚合物、固体氧化物等。
发电时,燃料和氧化剂由电池外部分别供给电池的阳极和阴 极,阳极发生燃料的氧化反应,阴极发生氧化剂的还原反应,电 解质将两电极隔开,导电离子在电解质内移动,电子通过外电路 做功并构成电的回路。与普通电池不同的是,只要能保证燃料和 氧化剂的供给,燃料电池就可以连续不断地产生电能。
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c. 燃料电池的分类
燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型,每类燃料 电池需要特殊的材料和燃料,且使用于其特殊的应用。按电解质划 分,燃料电池大致上可分为五类:
1) 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell--PEMFC)
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电驱动结构形式
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电驱动结构形式
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(2) 燃料电池电动汽车(FCEV)
采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料 电池电动汽车即Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)。其动力源是用燃料电池发动机-电动机 系统。燃料电池驱动系统是FCEV的核心部分, 不同燃料作为动力源,发电机系统组成是有差 别的。目前,多以压缩氢气或液化氢气及作为 基本燃料。
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通用Hy-wire氢动三号的电池组
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3.3、新能源汽车——天然气汽车
1)、定义
天然气汽车又被称为“蓝色动力”汽车,主要以压缩天然 气(CNG)、液化天然气(LNG)、吸附天然气(ANG)为燃料,常见的 是压缩天然气汽车(CNGV)。
2)、天然气汽车的发展
5冷凝器、汽水分离器
6水箱
7水泵
以氢为燃料的燃料电池发动机系统
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甲醇储存罐
H净化器
重整器带燃烧气
氢气净化泵
以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统
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*通用Hy-wire 氢动三号由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生
电力,通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。电池组所产生 的电能输入电动机后,通过功率为60千瓦/82马力三相异步电机驱动车 辆行驶,并几乎不产生任何噪音。氢储存罐分为两种,一种罐内储存 的是温度为-253°C的液态氢,另一种罐内储存的是承受最高压力可达 700Pa的高压氢气。一次充气行驶里程分别可达400公里和270公里。
(1) 纯电动汽车(EV)
电动汽车由底盘、车身、蓄电池组、电动机、控制器 和辅助设施蓄电池六部分组成。由于电动机具有良好的牵 引特性,因此蓄电池汽车的传动系统不需要离合器和变速 器。车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即 可实现。
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。
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2) HEV的主要技术组成
(1)发动机 采用四冲程内燃机(包括汽油机和柴 油机)、二冲程内燃机(包括汽油机和柴油机)、 转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。
(2)电动机 采用直流电动机、交流感应电动机、 永磁电动机和开关磁阻电动机等。
(3)电池 采用不同的蓄电池、燃料电池、储能 器和超级电容器等。
它的燃料和氧化剂不是储存在电池内,而是储存在电池外的 储罐中。当电池发电时,要连续不断地向电池内送入燃料和氧化 剂,排出反应产物,同时也要排除一定的废热,以维持电池工作 温度的恒定。FC本身只决定输出功率的大小,其储存能量则由储 存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。
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b. 燃料电池系统组成
虽然混合动力车在能源利用上具有环保、节约等优势,但 其最大的障碍是难以降低的生产成本和由此导致的高昂售价。
*国内混合动力汽车的发展瓶颈主要集中在消费理念、成本 控制、价格定位、技术,以及相关的配套设施等。
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3.2、新能源汽车——电动汽车
1)、定义
电动汽车是至少以一种动力源为车载电源,全部或部分由电机 驱动,符合道路交通安全法规的汽车。
a.按所用气体燃料的种类 液化天然气汽车。以液化石油气LNG作为燃料 压缩天然气汽车。以天然气CNG作为燃料 吸附天然气汽车。以天然气ANG作为燃料 注:目前世界上使用较多的是压缩天然气汽车。
b.按所用燃料的数量和形式
单燃料燃气汽车 两用燃料燃气汽车 混合燃料燃气汽车
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4)、天然气汽车的原理
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为了实现最高水准的低油耗,TOYOTA油电混合 动力系统分别发挥电动机和发动机各自的特长来行 驶。
1.在启动及低速行驶时,TOYOTA油电混合动力系统 仅利用电动机的动力来行驶,因为这时发动机的效 率不高。
2.在一般行驶时发动机效率很高,发动机产生的动 力不仅是车轮的驱动力,同时也用来发电带动电动 机,并给HV蓄电池充电。
下面我们分别介绍以氢为燃料和以甲醇为燃料的燃料电池发 动机系统。并介绍通用的一款用氢气作为燃料的燃料电池电动 汽车。
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14驱动电机 1氢气储存罐
13逆变器 12 DC/DC转换器
2氢气压力调节器 3热交换器
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4氢气循环泵
11电源开关
9空气加湿、去离子过滤器
8 空 气 压 缩 机
*HV蓄电池的电量少时,发动机输出功率会被提高以加大发电 量,来给HV蓄电池充电。
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全速开进(行驶)时利用双动力来获得更高一级的加速
在需要强劲加速力(如爬陡坡及超车)时,HV蓄电池也提供电 力,来加大电动机的驱动力。通过发动机和电动机双动力的结合使 用,TOYOTA油电混合动力系统得以实现与高一级发动机同等水平的 强劲而流畅的加速性能。
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1、新能源汽车的定义
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。
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2、汽车能源细类
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一般行驶时低油耗的驾驶,使用发动机作为主要动力源
一般行驶时,TOYOTA油电混合动力系统采用发动机,使它在能 产生最高效功率的速度带驱动。由发动机产生的动力直接驱动车 轮,依照驾驶状况部分动力被分配给发电机。由发电机产生的动 力用来驱动电动机和辅助发动机。利用发动机和电动机这一双重 传动系统,发动机产生的动力以最小消耗被传向地面。
2)、电动汽车的分类
以车载燃料电池为动力的燃料电池电动汽车; 以车载蓄电池为动力的蓄电池电动汽车,亦称之为纯电动汽车; 以车载多能源为动力的混合动力电动汽车,其动力来自2个或2 个以上能源,如蓄电池、超级电容、飞轮电池、太阳能、内燃机、 燃气轮机、斯特林发动机等。
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3)、电动汽车的特点
随着能源危机和环境污染的全球两大突出问题日益严重 ,特别是随电动汽车自身难点不断解决,使电动汽车具有 更多突出特点。
优点:
缺点:
(1)来源丰富
(1)能源密度低
(2)运行零污染而且噪声小 (2)充电时间长
(3)结构简单,维修方便
(3)成本高
(4)能源效率高
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4).电动汽车分类
停车时动力系统全部停止
在停车时,发动机、电动机、发电机全部自动停止运转。不会 因怠速而浪费能量。
*当HV蓄电池的充电量较低时,发动机将继续运转,以给HV蓄电 池充电。另外有时因与空调开关连动,发动机会仍保持运转。
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4)、混合动力车优、缺点
优点 缺点 难点
不需要特别的燃料,续航里程长,技术成熟。 “弱混”以及长距离高速行驶基本不能省油。 成本降低需要时间。
单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的,它 必需和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热 管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统 组成燃料电池发电系统,简称燃料电池系统。
燃料电池组 辅助装置和关键设备:
(1)燃料和燃料储存器(包括碳氢化合物转化的 重整器)
(2)氧化剂和氧化剂存储器 (3)供给管道系统和调节系统 (4)水和热管理系统
传统 替代燃料汽车 新能源
汽油、柴油
天然气、液化石油气、甲醇、 乙醇、二甲醚、生物柴油
混合动力、纯电动、燃料电池、 氢动力
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3、各种新能源汽车并存
3.1、新能源汽车——混合动力汽车
1)、混合动力车的定义
混合动力汽车(Hybrid Electrical Vehicle, 简称 HEV) 是指同时装备两种动力来源——热动力源(由传统的 汽油机或者柴油机产生)与电动力源(电池与电动机)的 汽车。通过在混合动力汽车上使用电机,使得动力系统可 以按照整车的实际运行工况要求灵活调控,而发动机保持 在综合性能最佳的区域内工作,从而降低油耗与排放。
*点火起动时,发动机将进行运转,直至充分预热
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低速-中速行驶时由高效利用源自文库量的电动机驱动行驶
对于发动机而言,在低速-中速带的效率并不理想,而另一面, 电动机在低速-中速带性能优越。因此,在用低速-中速行驶时,油电 混合动力系统使用HV蓄电池的电力,驱动电动机行驶。
*HV蓄电池的电量少时,利用发动机来带动发电机发电,为电动 机提供动力。
天然气汽车的基本原理与汽油动力汽车的原理一样。 也就是说,燃料(本例 中为天然气)在四冲程发动机的气缸中与空气混合,通过火花塞点火,推动活塞 上下移动。 尽管天然气与汽油相比,可燃性和点火温度存在一些差别(参见下表 ),但NGV采用的是与汽油动力汽车基本理念一致的运行方式。
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a. 燃料电池(Fuel Cell) 的基本原理
燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。燃 料电池的基本组成有:电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极 被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质 分开。在电极上,催化剂,例如白金,常用来加速电化学反应。 下图为燃料电池基本原理示意图。
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减速/能量再生时将减速时能量回收到HV蓄电池中
用于再利用在踩制动器和松油门时,TOYOTA油电混合 动力系统使车轮的旋转力带动电动机运转,将其作为发电 机使用。
*减速时通常作为摩擦热散失掉的能量,在此被转换 成电能,回收到HV蓄电池中进行再利用。
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2) 碱性燃料电池(alkaline fuel cell--AFC)
3) 磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell--PAFC) 4) 溶化的碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell--MCFC) 5) 固态氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell--SOFC)
3.在减速或制动时,TOYOTA油电混合动力系统以车 轮的旋转力驱动电动机发电,将能量回收到HV蓄电 池中。
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启动时充分利用电动机启动时的低速扭矩
当汽车启动时,TOYOTA油电混合动力系统仅使用由HV蓄电池提 供能量的电动机的动力启动,这时发动机并不运转。因为发动机不 能在低旋转带输出大扭矩,而电动机可以灵敏、顺畅、高效地进行 启动。
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3)、混合动力车的工作原理(以TOYOTA为例)
TOYOTA油电混合动力系统可完美地分别使用电动机和发动机来 行驶,油耗与低一等级排量/车体尺寸的车辆相当,功率却与高一 等级车辆相当。与同等排量的车辆相比,其低油耗性能居世界最高 水平。
低油耗:工作原理 电动机和发动机分担各自的优势领域
目前,燃气仍然是世界汽车代用燃料的主流。美国的目标是, 到2010年,公共汽车领域有7%的汽车使用天然气,50%的 出租车和班车改为专用天然气的汽车;到2010年,德国天然气 汽车数量将达到10万至40万辆,加气站将由目前的180座增 加到至少300座。
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3)、燃气汽车的划分
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