第3章新能源與綠色汽車能源領域面臨嚴重問題：一是儲量不足,我國人均能源資源占有量僅為世界平均水平的一半；二是能源利用效率遠低于世界先進水平；三是以煤為主的能源結構導致環境污染嚴重；四是大量進口石油嚴重威脅國家的經濟安全。13.1概述

新能源汽車技術所涉及包括汽車動力能源相關技術和新能源動力機械開發技術和與此類技術相關的其他汽車開發技術。綠色汽車是對環保型一類汽車的統稱，與傳統燃油車輛相比，具有能耗低、污染排放少等典型特征，又因其采用清潔（新）能源而帶來的環保效果，所以也稱清潔汽車、新能源汽車。2目前，已經研制出電能、太陽能、混合動力能源等新能源汽車。由于受技術水平、環境、成本等各方面的因素影響，采用新能源的汽車在某些性能方面與傳統的內燃機汽車相比要差一些，所以還未廣泛應用。隨著汽車工業、科學技術的發展，特別是傳統能源的危機、環保要求的提升，新能源取代傳統能源是社會發展的必然趨勢。3汽車在新能源方面的應用：代用燃料：氣體燃料<天然氣、液化石油氣>、生物燃料<生物柴油>、煤基燃料<醇類燃料、二甲醚>純電動汽車混合動力汽車太陽能汽車43.2代用燃料和能源新技術一.醇類燃料動力技術

醇類燃料主要是指甲醇和乙醇。醇類燃料可以和汽油或柴油按一定的比例配制而成混合燃料，也可以直接采用醇類燃料作為發動機的燃料。5醇類燃料的來源廣，制取方式多。甲醇可以從煤炭、天然氣、煤層氣，可再生生物資源、分類垃圾等物資中制取；乙醇的原料主要是含糖、含淀粉的農作物，如甜菜、甘蔗、玉米、草桿等。甲醇和乙醇都屬有機化合物，是無色透明、易揮發的可燃液體。與汽油相比，熱值低、汽化潛熱大、抗暴性好、含氧量高等，另外，醇類燃料吸水性強、化學活性高、容易發生早燃等。6甲醇的特點：1.汽化潛熱大（汽油3.1倍，柴油3.7倍）2.熱值低3.辛烷值高（106~108）4.親水性強（運輸儲存時防水汽，可做添加燃料）5.潤滑性差和有腐蝕性（與甲醇接觸的密封件等抗腐蝕）7二、天然氣汽車

天然氣作為清潔能源和原料，世界各國把推廣利用天然氣，提高天然氣在一次能源消費的比重，作為優化能源結構，實現經濟、社會和環境協調發展的重要途徑，使天然氣成為僅次于石油的第二大能源.天然氣NGV——天然氣是一種無色、無味的氣體，主要成分是甲烷，另外還含有少量的其它烴類，例如丁烷、乙烷和丙烷。8

天然氣的主要成分是烷烴中的輕組分，基本由甲烷CH4(82%～98%)和不多的乙烷C2H6(6%)、丙烷C3H8(1.5%)和丁烷C4H10(約1%)組成。一般油、氣田的天然氣中的甲烷含量差別相當大。我國四川氣田天然氣中的甲烷含量多在95%以上，而油田的伴生天然氣中的甲烷含量則為70%～80%。有的甲烷含量更低，并且含有較重的烴類，如丁烷、戊烷和已烷等。9按照所使用天然氣燃料狀態的不同，天然氣汽車可以分為：壓縮天然氣（CNG）汽車壓縮天然氣是指壓縮到20.7—24.8

MPa的天然氣，儲存在車載高壓氣瓶中。液化天然氣（LNG）汽車液化天然氣是指常壓下、溫度為-162度的液體天然氣，儲存于車載絕熱氣瓶中。10按照燃料使用狀況的不同，天然氣汽車可分為：

專用燃料天然氣汽車發動機只使用天然氣作為燃料。兩用燃料天然氣汽車既可以使用天然氣也可以使用汽油作為燃料。雙燃料天然氣汽車可以同時使用液體燃料和天然氣。111.天然氣的資源情況：世界天然氣資源十分豐富。全球常規天然氣儲備量為327萬億立方米。除了常規天然氣之外還有大量非常規天然氣資源，按目前的生產開發水平足夠全世界使用幾個世紀。我國天然氣資源也十分豐富。我國常規天然氣資源量為38萬億立方米，其中陸地為29.9萬億立方米。另外渤海、東海和南海都有天然氣資源。除了常規天然氣資源，我們還有豐富的非常規天然氣資源，如煤層氣和天然氣水合物等。

12中國天然氣探明儲量集中在10個大型盆地,依次為：渤海灣、四川、松遼、準噶爾、鶯歌海-瓊東南、柴達木、吐-哈、塔里木、渤海、鄂爾多斯。

132.天然氣汽車的應用現狀近二十多年來，世界天然氣需求持續穩定增長，平均增長率保持在2%，專家預計2020年其在世界能源組成中的比重將會增加到30%。21世紀天然氣在世界能源結構中的比重將超過石油，成為世界第一大能源，21世紀將是一個天然氣世紀。

14153.天然氣汽車的優缺點：優點：（1）可以替代石油的新燃料（2）減少對大氣的污染。燃用天然氣與汽油相比，CO可降低70%，NOx和非甲烷類可降低80%，CO2可降低30%，HC可降低70%。（3）燃料經濟性好。從熱能含量上看，1立方米的天然氣相當干1.13升汽油的當量。（4）使用壓縮天然氣比石油安全（汽油430°，天然氣530°）（5）使用性能好（6）具有良好的抗爆性（辛烷值130左右）16缺點：（1）天然氣攜帶型差。（2）發動機功率有所下降。（3）改車投資較大。（4）加氣站的建設需一定周期。（5）儲氣瓶占用空間較大，攜帶不便。17184、天然氣汽車技術天然氣技術在汽車的應用包括以下四方面：加氣站技術：氣體燃料在汽車上的充加要比液體燃料復雜。它需要技術含量極高的加氣站設備，且投資也較高。

氣瓶技術：由于汽車的移動性，氣體燃料氣瓶的質量是一重要的技術問題。氣瓶在各種苛刻條件下的安全性問題是氣體燃料汽車技術研究中不可忽視的問題。發動機技術：氣體燃料的性質決定了它不同于汽、柴油，因此在氣體燃料的混合、燃燒方式、發動機燃燒室結構、點火系統等方面都需要研究開發。

19混合與控制技術：汽車的速度和負荷總是變化，且氣體燃料相對于液體燃料又難以控制，因此按照汽車運行工況要求提供合適量、質的混合氣給發動機是混合與控制系統的技術問題。

20（1）壓縮天然氣加氣站CNG天然氣加氣站是指以壓縮天然氣（CNG）形式向天然氣汽車（NGV）和大型CNG子站車提供燃料的場所。天然氣管線中的氣體一般先經過前置凈化處理，除去氣體中的硫份和水份，再由壓縮機組將壓力由0.1-1.0Mpa壓縮到25Mpa，最后通過售氣機給車輛加氣。

21天然氣加氣站一般根據站區規?；蚋浇欠裼泄芫€天然氣，可分為常規站、母站和子站。常規站→常規站是建在有天然氣管線能通過的地方，從天然氣管線直接取氣，天然氣經過脫硫、脫水等工藝，進入壓縮機進行壓縮，然后進入儲氣瓶組儲存或通過售氣機給車輛加氣。通常常規加氣量在600-1000立方米每小時之間。

22母站→母站是建在臨時天然氣氣管線通過的地方，從天然氣線管線直接取氣，經過脫硫、脫水等工藝，進入壓縮機壓縮，然后進入儲氣瓶組儲存或通過售氣機給母站的車輛加氣，加量在2500-4000立方米每小時之間。

子站→子站是建在加氣站周圍沒有天然氣管線的地方，通過子站運轉車從母站運來的天然氣給天然氣汽車加氣，一般還需配小型壓縮機和儲氣瓶組。為提高運轉車的取氣率，用壓縮機將運轉車內的低壓氣體升壓后，轉存在儲氣瓶組內或直接給天然氣車加氣。23常規CNG加氣站的組成：低壓調壓站、天然氣壓縮機、CNG儲氣瓶組、CNG順序控制盤、售氣機五大部分組成。24（2）發動機技術CNG汽車發動機系統分天然氣氣路、汽油油路和控制電路三大部分25

充氣站將壓縮天然氣，通過充氣閥充入貯氣瓶至20MPa。當使用天然氣作燃料時，手動截止閥打開，安裝在駕駛室內的油氣燃料轉換電開關，扳到“氣”的位置，此時天然氣電磁閥打開，汽油電磁閥關閉，貯氣瓶內的20MPa高壓天然氣通過高壓管路進入減壓調節器減壓，再通過低壓管路、動力閥進入混合器，并與經空氣濾清器進入的空氣混合，經油路通道進入發動機氣缸燃燒。減壓調節器與混合器相匹配，根據發動機的各種不同工況產生不同的真空度，自動調節減壓調節器的供氣量，并使天然氣與空氣均勻混合，滿足發動機不同工況的使用要求。動力閥是一個調節天然氣管道截面積的裝置，可調節混合氣的空燃比，使空燃比達到最佳狀態。

26油路中安裝一個汽油電磁閥，其余部件均保留不變。當使用汽油作燃料時，司機將油氣燃料轉換開關扳到“油”的位置，此時天然氣電磁閥關閉，汽油電磁閥打開，汽油通過汽油電磁閥進入氣缸燃燒。燃料轉換開關有三個位置，當撥到中位時，油、氣電磁閥均關閉，該功能是專門用來由汽油轉換到天然氣時，燒完殘存汽油而設置的，以免發生油氣混燒現象。27三、電動汽車電動汽車是以電力作為能源、由電動機驅動的汽車。在外形上，電動汽車與傳統的汽車并無顯著區別，他們的主要區別在于動力和驅動系統。1、電動汽車的概述28第二次機遇20世紀70年代。上世紀70年代石油危機的爆發，世界各國開始考慮替代石油的其他能源，包括風能、太陽能、電能等可再生能源。因此從政治經濟方面考慮，才又給了電動汽車第二次機遇，又一次被人矚目。第三次機遇開始20世紀90年代。能源問題和環境保護問題。（1）發展歷史三次重大機遇第一次19世紀80年代到20世紀初。第一輛電動汽車（3輪）由法國人古斯塔夫·土維（GustaveTrouve）在1881年制造出來，此后三四十年間，電動汽車在當時的汽車發展中占據著重要位置。但在1924年左右因續航里程短而銷聲匿跡。29（2）電動汽車的發展優勢結構簡單，使用方便零排放提高能源使用效率，減少空氣污染噪聲小專門設計制造，能滿足使用要求制動能量可回收

30（3）普及電動車所面臨的困難電動汽車價格昂貴續駛里程有限蓄電池使用壽命太短蓄電池尺寸和質量的制約間接污染嚴重充電基礎設施不完善312、電動汽車基本結構及其工作原理基本結構可分為三個子系統：電力驅動子系統（電控系統、電動機、機械傳動系統和驅動車輪等）、主能源子系統（主電源、能量管理系統）和輔助控制子系統（輔助電源的控制、動力轉向、溫度控制和輔助動力供給等）。32純電動汽車原理純電動汽車主要由蓄電池、電動/發電機等部件組成。蓄電池向電動機提供電能來驅動汽車。在制動或減速時，電機作為發電機來回收能量。33343、電動汽車核心技術發展電動汽車必須解決好4個方面的關鍵技術：

電池技術電機驅動及其控制技術電動汽車整車技術能量管理技術35（1）電池技術電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發展的關鍵因素。電動汽車用電池的主要性能指標是比能量(E)(單位質量電極材料釋放電能)、能量密度(Ed)（平均單位體積釋放的電能）、比功率(P)（功率與質量的比值）、循環壽命(L)和成本(C)等。要使電動汽車能與燃油汽車相競爭，關鍵就是要開發出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。36到目前為止，電動汽車用電池經過了3代的發展，已取得了突破性的進展。第1代是鉛酸電池，目前主要是閥控鉛酸電池(VRLA)，由于其比能量較高、價格低和能高倍率放電，因此是目前惟一能大批量生產的電動汽車用電池。第2代是堿性電池，主要有鎳鎘(NJ-Cd)、鎳氫(Ni-MH)、鈉硫(Na/S)、鋰離子(Li-ion)和鋅空氣(Zn/Air)等多種電池，其比能量和比功率都比鉛酸電池高，因此大大提高了電動汽車的動力性能和續駛里程，但其價格卻比鉛酸電池高。37第3代是以燃料電池為主的電池。燃料電池直接將燃料的化學能轉變為電能，能量轉變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應過程，能量轉化過程可以連續進行，因此是理想的汽車用電池，但目前還處于研制階段，一些關鍵技術還有待突破問。38（2）電力驅動及其控制技術電動機與驅動系統是電動汽車的關鍵部件，要使電動汽車有良好的使用性能，驅動電機應具有調速范圍寬、轉速高、啟動轉矩大、體積小、質量小、效率高且有動態制動強和能量回饋等特性。目前，電動汽車用電動機主要有直流電動機(DCM)、感應電動機(IM)（美國及歐洲常用）、永磁無刷電動機(PMBLM)（日本）和開關磁阻電動機(SRM)4類。39隨著電動機及驅動系統的發展，控制系統趨于智能化和數字化。變結構控制、模糊控制、神經網絡、自適應控制、專家控制、遺傳算法等非線性智能控制技術，都將各自或結合應用于電動汽車的電動機控制系統。40（3）電動汽車整車技術電動汽車是高科技綜合性產品，除電池、電動機外，車體本身也包含很多高新技術，有些節能措施比提高電池儲能能力還易于實現。采用輕質材料如鎂、鋁、優質鋼材及復合材料，優化結構，可使汽車自身質量減輕30%-50%；實現制動、下坡和怠速時的能量回收；采用高彈滯材料制成的高氣壓子午線輪胎，可使汽車的滾動阻力減少50%；汽車車身特別是汽車底部更加流線型化，可使汽車的空氣阻力減少50%。41（4）能量管理技術能量管理系統是電動汽車的智能核心。一輛設計優良的電動汽車，除了有良好的機械性能、電驅動性能、選擇適當的能量源(即電池)外，還應該有一套協調各個功能部分工作的能量管理系統。它的作用是檢測單個電池或電池組的荷電狀態，并根據各種傳感信息（力、加減速命令、行駛路況、蓄電池工況、環境溫度等），合理地調配和使用有限的車載能量；它還能夠根據電池組的使用情況和充放電歷史選擇最佳充電方式，以盡可能延長電池的壽命。4243長:3600mm寬:1600mm高:1500mm最高車速:60km/h整車重量:850kg充電時間:6-8小時新車一次充電最大續航里程:180km電機功率:3kw44三、混合動力汽車HEV混合動力電動汽車是指包含兩種或兩種以上動力源并能協調工作的車輛。混合動力電動汽車充分利用各種動力源的優點，通過自動控制形成最優匹配，通常其中一種動力源可以存儲另一種動力源的多余能量并回收儲存車輛減速時的制動能（通常在摩擦制動片處發熱散失），并能將它傳輸給傳動系統、供附件使用或用于協助驅動車輛。451、混合動力汽車的發展概況國外：1991年大眾推出濟科牌（chico）混合動力電動微型車2009年5月豐田公司推出的混合動力Prius的全新改版車型，燃油效率比舊款提高10%，即38KM/L合2.7L/百公里46我國：國內從20世紀90年代末期開始混合動力汽車的研制工作。1999年，清華大學與廈門金龍合作研制成功國內第一輛混合動力輕型客車。2005年一汽小批量生產解放牌混合動力城市客車。上汽、東汽等都開展了混合動力汽車的研制。472、混合動力汽車的分類按汽車驅動橋的多少分：單軸驅動、雙軸驅動、多軸驅動按混合汽車動力系統特點分：串聯式并聯式分割式（并混合式）48串聯式混合動力電動汽車串聯式混合動力電動汽車主要由發動機、發電機、驅動電機和蓄電池組等部件組成。發動機僅僅用于發電，發電機所發出的電能供給電動機，電動機驅動汽車行駛。發電機發出的部分電能向電池充電，來延長混合動力電動汽車的行駛里程。另外電池還可以單獨向電動機提供電能來驅動電動汽車，使混合動力電動汽車在零污染狀態下行駛。但是大功率不足。495051并聯式混合動力電動汽車并聯式混合動力電動汽車主要由發動機、發電/電動機和蓄電池組等部件組成。并聯式驅動系統可以單獨使用發動機或電動機做為動力源，也可以同時使用電動機和發動機作為動力源來驅動汽車。5253543．串聯式驅動系統與并聯式驅動系統的比較驅動形式串聯形式并聯形式排放控制原動機工況相對穩定，排放很低原動機工況變化較大，排放相對較高用途更適于路況復雜的城市內道路和山區公路行駛更適于路況簡單的城市間公路及高速公路行駛整車布置輔助動力單元APU與電動機無機械連接，汽車結構布置的自由度較大APU與電動機以機械方式連接，機械裝置較復雜，增加了整車布置的難度．價格增加了發電機，電池數量較多，電機功率較大，整車價格高可以利用現有汽車制造技術，電池數量較少，電機的功率較小，整車價格低原動機選擇原動機范圍較寬原動機選擇范圍較窄，多采用傳統汽車用內燃機554混合動力電動汽車發展所需解決的問題(1)電池(2)電池管理系統(3)電機及控制系統(4)輔助動力單元(APU)(5)載荷均衡裝置56根據混合動力電動汽車發動機的實際工作狀況對APU進行優化設計。比如，串聯混合方式的發動機，其冷卻系統、潤滑系統等的優化設計就必須考慮其長期穩定在滿負荷工況下工作的特點；可以采用柴油機、汽油機以外的性能優良的動力裝置，比如，串聯主動力傳遞因無直接機械傳動，可選用燃油經濟性好、體積小、重量輕、排氣噪聲小的高速燃氣輪機。輔助動力單元(APU)57電動機、APU及電池參數的最佳匹配就是要達到這樣的目標：原動機始終在最佳的工作范圍內(排污和油耗最低)，并盡可制分利用APU的能量(最大限度地發揮電動機的做功，電池保持在最高充放電效率狀態），最大限度地吸收制動能量，盡量減少電池的能量消耗。工作中，實現電動機、APU和電池之間狀態的協調控制就是載荷均衡控制裝置的任務。一個智能化的，能根據汽車的布狀況、原動機的運行情況、電池的充放電狀態等進行實時分析和控制的載荷均衡控帶統，對混合動力電動汽車的成功起到了關鍵的作用。載荷均衡裝置58四、燃料電池電動汽車化學能-熱能-機械能-電能（33%~35%）燃料電池是把燃料氧化的化學能直接轉換為電能的“發電裝置”，它能夠使用多種燃料。燃料可以是氫氣、碳氣化合物、天然氣、甲醇甚至汽油等，在催化劑的作用下，燃料慢慢地與空氣或氧氣之類的氧化劑結合，可以不斷地產生電流。59燃料電池和普通電池的區別：燃料電池在原理和結構上與普通電池完全不同。燃料電池的活性物質是儲存在電池之外，只要不斷地供給燃料和氧化劑就可以一直發電，因而容量是無限的；而電池的容量是有限的，活性物質一旦消耗光，電池壽命即告終止、或者必須充電后才能使用。6061燃料料電池十分復雜，涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統及自動控制等學科的有關理論，具有發電效率高、環境污染少等優點?？偟膩碚f，燃料電池具有以下特點：（1）能量轉化效率高它直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經過燃燒過程，因而不受卡洛循環的限制。目前燃料電池系統的燃料—電能轉換效率在60%～80%，而火力發電和核電的效率大約在30%～40%.62（2）有害氣體SOX、NOX及噪音排放都很低CO2排放因能量轉換效率高而大幅度降低，無機械振動。（3）燃料適用范圍廣

63（5）負荷響應快，運行質量高燃料電池在數秒鐘內就可以從最低功率變換到額定功率，而且電廠離負荷可以很近，從而改善了地區頻率偏移和電壓波動，降低了現有變電設備和電流載波容量，減少了輸變線路投資和線路損失。（4）積木化強規模及安裝地點靈活，燃料電池電站占地面積小，建設周期短，電站功率可根據需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池無論作為集中電站還是分布式電，或是作為小區、工廠、大型建筑的獨立電站都非常合適6465