太阳能新能源汽车毕业论文.doc

目 录1 绪论42 汽车新能源技术的种类52.1电动汽车53 汽车新能源技术的主要比较63.1 各种新能源汽车技术的特点分析63.1.1 天然气汽车73.1.2 醇类燃料汽车73.1.3 氢燃料汽车73.1.4 混合动力汽车73.1.5 燃料电池汽车83.1.6 纯电动汽车83.2 能量转化效率的比较83.3 减少耗油量的比较93.4 减少碳排放的比较93.5 综合比较103.6 电动汽车的应用缺陷和瓶颈104 电动汽车应用的解决方式104.1 整车充电模式104.1.1 常规充电104.1.2 快速充电114.2 更换电池模式114.2.1 电池租赁114.2.2 电池的快速更换124.2.3 电池的维护125 未来电动汽车充电站的发展方向135.1 整车充电中的慢速充电方式可以充分利用135.2 换电池模式属于能源新物流模式135.3 整车充电中的快充大量发展将使得电网谐波污染问题突出136 结 论14参考文献14致 谢15 太阳能新能源汽车摘 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。新能源汽车包括混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、氢发动机汽车、其它新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品。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；充电站一 前言 目前，各国能源消费依然严重依赖石油，而石油储量有限的事实向全球经济发展提出了严峻的挑战。自2006年起，中国取代日本成为仅次于美国的世界第二大新车消费市场。中国能源问题已经成为国民经济发展的战略问题，并成为中国能源安全战略的核心内容。汽车能源消耗不仅是造成全球石油短缺的主要原因，也是环境污染和全球温室气体排放的重要原因。目前有80以上的一氧化碳、40以上的氮氧化物以及2030的城市颗粒污染物，均来自于机动车尾气的排放。环境污染的问题越来越引起我国的重视，实现交通能源动力系统转型、发展新能源汽车将是未来汽车行业发展的主要方向1。欧、美、日各国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、天燃气汽车、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 二 系统框图及原理简述 电动汽车是以电力作为能源，由电动机驱动的汽车。在外型上电动汽车与传统的汽车并无显著区别，它们的主要区别在于动力源和驱动系统。目前电动汽车的种类主要包括：纯电动汽车、混合动力电动汽车以及燃料电池电动汽车三类。纯电动汽车完全由蓄电池提供电能，经过电动机和驱动系统，驱动汽车行驶，如果一辆电动汽车同时采用电动机和发动机作为动力驱动系统，就构成了所谓混合型电动汽车或称混合动力汽车；如果采用燃料电池作为电源就称为燃料电池汽车。由于电能是二次能源，它可以来源于如风能、水能、核能、热能、太阳能、等多种方式，所以电动汽车是非常有发展前景的替代能源汽车。目前，制约电动汽车发展的主要因素为蓄电池技术。 目前纯电动汽车系统主要由三个子系统组成(图2.2)，即电力驱动子系统，能源子系统和辅助控制子系统。其中，电力驱动子系统由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成；能源子系统由主电源和能量管理系统组成，能量管理系统是实现能源利用监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件；而辅助控制子系统(整车控制器)，它接受驾驶员的踏板信号和其它信号，然后作出相应的判断，控制各个部件作出动作，驱动汽车正常行驶，并尽可能实现比较高的能量使用效率。电动汽车与传统汽车相比结构简单。传统汽车的动力是通过刚性联轴器和传动轴传递的，而电动汽车的能量则基本上是通过柔性的电线传输的，并且其电机及传动系可以有多种不同的选择，因此电动汽车各个部件的选择和布置有很大的灵活性。 制动踏板加速踏板电子控制装置功率转化器电动机机械传动装置车轮车轮能量管理系统能量源能量单元辅助动力源温度控制单元转向动力源电力驱动系统能源辅助控制子系统方向盘能源子系统 三 汽车新能源技术的主要比较3.1 各种新能源汽车技术的特点分析由于目前汽车新能源技术繁多，发展进度又有所不同，并且在使用中也存在着很多问题。因此以下将对各种汽车新能源技术的特点加以分析、总结。3.1.1 天然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。优点：天然气在我国储量丰富，可广泛使用。天然气管道网络建设完善，加气站的建设成本大大降低。普通燃油汽车改装成天然气汽车成本较低且技术成熟。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。 从排放上来说，天然气汽车排放废弃物较少。缺点：天然气的能量密度低，使得随车一次储存的燃料所能维持的续驶里程明显缩短。动力性较差。3.1.2 醇类燃料汽车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。优点：可再生，具有长期使用的价值。废气排放在理论计算上几乎可忽略为零。使用方便，辛烷值高。缺点：具有一定的金属腐蚀性。热值较低。3.1.3 氢燃料汽车氢燃料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，它具有无污染，零排放，制取原料丰富等优势。因此，氢燃料汽车是传统汽车最理想的替代方案。但是与传统动力汽车相比，氢动力汽车成本至少高出20%。优点：排放物是纯水，行驶时不产生任何污染物。氢极易点燃，火焰传播特性较好，容易实现稀薄燃烧。缺点：氢的沸点为很低且常温下为气体，携带性和安全性差。氢气在汽车上的存储相当不便。动力性较差。氢的制取较为复杂且制取成本过高。3.1.4 混合动力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。优点：采用混合动力后可按平均需要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。因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。有了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。可以利用现有的加油站加油，不必再投资。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。缺点：长距离高速行驶基本不能省油。3.1.5 燃料电池汽车氢燃料电池汽车中最重要的技术就是质子交换膜，由于现在质子交换膜造价较高且技术大部分掌握在少数国家里，因此氢燃料电池在应用普及方面受到了很大的限制。优点：运行平稳、无噪声。能源来源广泛，可以是氢气、甲烷、乙醇等。以氢作为燃料的燃料电池，它的能量转化不受卡诺循环规律的限制，热效率较高。缺点：质子交换膜成本过高。氢的制取成本过高。加氢站建设成本过高。3.1.6 纯电动汽车纯电动汽车通过车辆自身携带的高效储能电池向电动机供电，由电动机直接向驱动轴输出扭矩，汽车取消了传统的内燃机、离合器、等一些复杂的传动装置。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。优点：废气排放为零。几乎无机械噪声，且运行平稳。使用成本较低。结构简单，省去很多机械装置。缺点：蓄电池使用寿命较短且续航能力不足。充电设施建设不完善3.2 能量转化效率的比较图3.1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。025100125123456.0速度（km/h）7550 能耗（MJ/km）燃油汽车电动汽车图3.1 燃油汽车与电动汽车能耗曲线图3.3 减少耗油量的比较 表3.1为同一车型利用不同技术路线而减少耗油量的比较，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。通过比较可以得出结论，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表3.1 不同技术路线的耗油量技术方式醇类汽车天然气汽车混合动力汽车纯电动汽车消减耗油量(%)415030501003.4 减少碳排放的比较 从表3.2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3.2不同技术路线对减少碳排放的比较技术方式液化石油气汽车醇类汽车天然气汽车混合动力汽车纯电动汽车减碳排放比（%）505355560303.5 综合比较 从环保性、全寿命成本、安全性、续驶里程等方面的全面比较可以看出，各类技术都有其优缺点，相比较而言，目前电动汽车的技术更趋成熟。 3.6 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：续驶里程有限；蓄电池使用寿命太短；电池价格昂贵；充电时间和充电网点短期内不能得到有效解决等问题。四 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。4.1 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7，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。 4.1.1 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58h，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8。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，仅仅利用晚问停运时间充电。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。4.1.2 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150400A。充电时问短；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7080的电；由于充电在短时问内(约为1015min)就能使电池储电量达到8090，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、平时段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9。 4.2 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。4.2.1 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。 4.2.2 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。4.2.3 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10。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。五 未来电动汽车充电站的发展方向电动汽车充电站的运营究竞选取哪种模式，应围绕“快速、健康、高效地推动电动汽车产业的发展及普及”这一核心目标，结合技术发展趋势和现实条件进行综合考量。最主要包括以下三个方面：5.1 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11。5.2 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。5.3 整车充电中的快充大量发展将使得电网谐波污染问题突出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12。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。 六 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。结束语： 在写论文的这几个月以来，我学到了许多书上所学不到的，也体验到了许多以前未体会过的辛苦。总的来说，受益良多！ 参考文献 1边耀璋.汽车新能源技术M.北京:人民交通出版社,2003: 1-2.2上海市石油学会.天然气和液化液化石油气M.北京:中国石化出版社,2001: 18-22.3姜立平.氢燃料汽车的技术和性能J.轻型汽车技术,2002(9): 47-51.4陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术M.北京理工大学出版社,2002: 55-60.5胡骅,宋慧.电动汽车M.北京:人民交通出版社,2002: 16-18.6钱伯章.新能源汽车与新型蓄能电池及热电转换技术M.科学出版社,2010: 33-367王健,姜久春.电动汽车充电站信息管理系统的设计与实现J.微计算机信息,2006(5): 16-178黄李,张维戈,姜久春.2008年奥运会电动车充电站规划及运营模式方案J.现代交通技术，2007(4): 102-103.9康继光,卫振林,程丹明.电动汽车充电模式与充电站建设研究J.电力需求侧管理,2009,(5): 69-7110腾乐天,何维国,杜成刚.电动汽车能源供给模式及其对电网运营的影响J.华东电力,2009(10): 89-91.11雷芳芳.我国新能源汽车的发展J.汽车工程师,2009(5): 13-15.12汪传敬.汽车工程手册M.北京:人民交通出版社，2001: 96-99,400-402.致 谢 感谢三年来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，也感谢电子信息系给我提供了学习和实验平台，使我初步具备了科研能力。