可持續(xù)道路交通的挑戰(zhàn)_電動汽車_混合動力汽車和燃料電池汽車的技術路線和產(chǎn)業(yè)化路線_圖文

1、【編者按】當前,不可再生能源日漸枯竭,人類居住環(huán)境不斷惡化,某些產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不合理性,給社會可持續(xù)發(fā)展造成了危害,引起人們的憂慮,并尋求有效的解決辦法。針對上述情況,本刊特約世界電動車創(chuàng)始人、香港大學名譽教授陳清泉院士撰寫了可持續(xù)道路交通的挑戰(zhàn):電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的技術路線和產(chǎn)業(yè)化路線的論文,意在引起廣大科技工作者,尤其是新能源汽車探索者的關注,期望以本刊為交流平臺,發(fā)表真知灼見,開展學術交流,為開發(fā)清潔、高效、智能的新能源汽車作出有益的貢獻。作者簡介:陳清泉(1937,男,福建漳州人,中國工程院院士(Acade m ician,Chinese Acade my of Engi

2、neering ,英國皇家工程院院士(Fel 2l o w,Royal Acade my of Engineering U.K .,香港大學榮譽教授,武漢大學校長特別顧問,哈爾濱工業(yè)大學電磁電子研究所名譽所長,香港工程師學會前任會長,國內外著名大學客座教授,國內外政府和著名企業(yè)高級顧問,國際著名的電動汽車和電氣工程專家,世界電動車協(xié)會創(chuàng)始人(Founder,World Electric Vehicle A ss ociati on 和輪值主席,亞太電動車協(xié)會主席(President,ElectricVehicle A ss ociati on of A sia Pacific ,被遠見雜志譽為

3、亞洲電動車之父,在印度獲頒授電動車技術之祖稱號?？沙掷m(xù)道路交通的挑戰(zhàn):電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的技術路線和產(chǎn)業(yè)化路線陳清泉(香港大學,中國香港摘要:可持續(xù)道路交通的關鍵在于開發(fā)清潔、高效、智能的新能源汽車,包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車等。要成功開發(fā)這些新能源汽車有賴于正確的技術路線和產(chǎn)業(yè)化路線。根據(jù)作者30多年從事電動汽車研發(fā)的經(jīng)驗,指出研發(fā)電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的正確技術路線和產(chǎn)業(yè)化路線,供讀者參考討論。關鍵詞:電動汽車;混合動力汽車;燃料電池汽車中圖分類號:U469.7文獻標識碼:A 文章編號:167125276(2009022*Cha llenge

4、s of Sust a i n able M ob ility:The Techn i ca l Road map and Comm erc i a l Roadmap of Electr i c,Hybr i d and Fuel Cell Veh i clesCHE N Q ing 2quan(The U n i ve rs ity o f Ho ng Ko ng,Ho ng Ko ng,C h i na Abstract:The ke y of sus ta i nab l e mo b ility is t o de ve l o p new e ne rgy ve hi c l e

5、s tha t a re c l e a n,e ffe c ti ve a nd i nte lli gen t .The succe s s o fthis deve l o pm en t re li e s o n the app r op ri a te d te chn i ca l r oa dm ap a nd comm e rc i a l r oa dm ap.Th is pap e r discu s se s the te chn i ca l r o ad 2m ap a nd comm e rc i a l r o adm ap of the de ve l o p

6、m e nt o f e l ec tri c,hybri d a nd fue l ce ll ve h i c l e s ba sed o n the a utho rs o ve r 30yea rs e xp e ri 2e nce i n the de ve l o pm en t of e l ec tri c ve hi c l e s.Key words:e l ec tri c ve hi c l e s;hyb ri d e l ec tri c ve hi c l e s;fue l ce ll ve h i c l e s0前言一百多年前,汽車的出現(xiàn)改變了世界,促進了

7、全球經(jīng)濟和社會的發(fā)展,但也帶來了一系列嚴重的問題,諸如能源、環(huán)保和交通安全,這些問題就是可持續(xù)道路交通迫切需要解決的問題。電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車是21世紀清潔、節(jié)能和智能的道路交通工具,它具有高效率、零排放或低污染、并可實現(xiàn)初始能源多樣化等顯著優(yōu)點。自1973年石油危機以來,世界開始關注石油的供應和消耗的平衡問題?；剂腺Y源是有限的,然而石油的需求大大增加。交通部門是消耗能源較多的部門之一。在最近的幾十年里,交通部門石油消耗的增長率是最高的。這一增長主要來自于新的需求,即個人車輛的增多,尤其是在中國,而這些車輛大都采用傳統(tǒng)的內燃機(inter 2nal combusti on

8、engine,I CE 作為動力。1992年,全球擁有超過5億輛汽車。到2050年,這個數(shù)字將超過25億。如果這些汽車都采用汽油或柴油作為動力,那么我們的世界將根本無法承受。因此,我們這個時代最緊迫的任務之一就是開發(fā)采用可替代燃料的汽車。我們一定要開發(fā)這種新技術。石油和天然氣需要數(shù)百萬年才能形成,在未來4060年可能會用盡。如果使用傳統(tǒng)燃料汽車的迅速增長趨勢繼續(xù)下去,天空將變成灰色。我們應該熬過這段黑暗尋找新的曙光?，F(xiàn)在正是思考我們的現(xiàn)狀和該朝哪個方向發(fā)展的時候了。近來,各國政府和有關組織對汽車的能耗效率和排放制訂了更嚴格的標準。純電動汽車(battery electric vehicle,B

9、E V ,由于它們不消耗石油和零排放,對于解決能源危機和全球變暖問題是理想的方案。然而,初期成本高、行駛路程短和充電時間長是它們的缺點?；旌蟿恿ζ?hybrid electric vehicle,HE V 克服了內燃機汽車和純電動汽車的缺點。圖1所示是一種混合動力汽車的外形。可持續(xù)道路交通的關鍵在于推行新能源汽車,包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車(fuel cell vehi 2cle,FC V 。而要成功推行這些新能源汽車的關鍵有賴于正確的技術路線和產(chǎn)業(yè)化路線。本文的目的就是討論這兩條路線,供有關部門參考。 圖1一種混合動力汽車的外形1技術路線混合動力汽車在傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)的基礎上引

10、進了電力驅動系統(tǒng),與純電動汽車相比,它有較長的行駛里程;與傳統(tǒng)的內燃機汽車相比,它改善了燃油的經(jīng)濟性。如果車輛停止,內燃機也可以停止運轉?；旌蟿恿ζ囍械碾娏︱寗酉到y(tǒng)可以使內燃機只運行在一定的功率和轉速范圍內,例如汽車在低速啟動時,采用電動機啟動,而當汽車的載荷不大時,內燃機通過發(fā)電機給電池充電,從而優(yōu)化內燃機的效率,減少石油消耗量和廢氣的排放量。當汽車制動和下坡時,采用電機再生制動,實現(xiàn)能量反饋。在混合動力汽車驅動的純電動模式下,一定范圍內的無噪聲運行和零排放是可能的。如果采用更大容量的電池,并且采用充電插頭連接電力網(wǎng)來進行充電,其純電動運行模式的里程還可以延長,這種混合動力汽車被稱為充電式

11、混合動力汽車(p lug 2in hybrid electric vehicle,PHE V 。雖然混合動力汽車有助于解決道路交通中的能源危機和污染的挑戰(zhàn),但有些購買者仍然有些顧慮。新車買主存在的3個主要顧慮是:1購買價格較高;2可靠性和維修的問題;3由于引入較高電壓,存在高頻率、大電流可能造成的電磁干擾問題。除了純電動汽車和混合動力汽車之外,另外一種是燃料電池汽車。燃料電池是利用氫和氧的結合產(chǎn)生電能來驅動車輛。燃料電池產(chǎn)生的電能除了用于驅動車輛外,還可以儲存在一個能源存儲設備(如電池或超級電容器內,可實現(xiàn)高的系統(tǒng)效率。燃料電池汽車基本上是零排放,它們只排放水蒸汽。燃料電池汽車也具有發(fā)展?jié)摿?

12、但實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需要一段時間。燃料電池汽車目前存在的主要問題是:1生產(chǎn)成本高;2燃料電池的生命周期較短。未來研究的目的是降低鉑催化劑的用量,或能取代鉑催化劑的新材料,改進電解質膜,以改善燃料電池的耐久性,使其使用壽命超過10年。3氫氣的制造、輸送等基礎設施。此外,應提高燃料電池的能量密度,使行駛里程超過500k m,即相當于汽油車或柴油車的行駛里程。汽車動力系統(tǒng)的技術路線可用圖2表示。第一種路線(縱坐標是著眼于研發(fā)先進的內燃機,即借助汽車電子改善內燃機的燃燒效率和研究新的替代燃料。第二種路線(橫坐標是著眼于研發(fā)先進的電力驅動?？偟穆肪€應該是第一路圖2汽車動力系統(tǒng)的技術路線線和第二路線的結合,也就

13、是研發(fā)先進的混合動力系統(tǒng),其關鍵就是內燃機和電動機的優(yōu)化集成。表1表示各種混合動力和純電動技術的特點。根據(jù)所采用的電力驅動功率的大小,混合動力汽車可分為微度混合、輕度混合和全(強度混合。根據(jù)混合動力驅動的拓撲結構,混合動力汽車可分為串聯(lián),并聯(lián)和串并聯(lián)結構。根據(jù)能源補充的種類,混合動力汽車可分為加油站加油和充電站充電。根據(jù)汽車制造商的規(guī)模和能力,有的汽車制造商可能生產(chǎn)從微度混合到強度混合的各種不同車型的混合動力汽車。而有的汽車制造商可能只重點生產(chǎn)微度或輕度混合的某些車型。表1混合動力和純電動技術的特點微度混合輕度混合全(強度混合充電式混合動力擴大行駛里程的充電式混合動力純電動汽車功能內燃機可啟可

14、停;汽車停止時,內燃機關閉;取消急速減速時內燃機關閉充分再生制動插入電網(wǎng)充電采用專用發(fā)電機給電池充電,全功能電驅動只用插入電網(wǎng)充電輕度再生制動內燃機效率優(yōu)化更大的電池容量,更多的電力驅動純電動運行模式擴大100%純電動模式電力輔助驅動電力啟動加油減少加油大大地減少不需加油一定程度的純電動模式運行純電動驅動內燃機功率減少燃油經(jīng)濟性+2%+4%+10%+20%+30%+50%乘用車汽車的運行盡量為純電動運行模式,大大降低耗油量汽車的運行主要為純電動運行模式,大大降低耗油量全部用電力,不消耗油+20%+40% 商用車圖3各種拓撲結構的特征和相互關系11純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車發(fā)展的3個

15、重要的問題是:動力系統(tǒng)的拓撲結構、能源管理和有效的能源存儲設備。拓撲結構是第一個問題?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的拓撲結構基本上有3種類型,即串聯(lián),并聯(lián)和串并聯(lián)。其中,帶有行星齒輪的串并聯(lián)結構可以按串聯(lián)結構或并聯(lián)結構運行。因此它有一個“最大”的架構,可以最大限度地優(yōu)化燃料的消耗量,廢氣的排放量和性能。由于帶有行星齒輪的串并聯(lián)結構復雜,最近正在研究一種叫電氣無極變速器(electric variable trans m issi on,E VT,其功能就像串并聯(lián)結構的行星齒輪一樣,這意味著它可以按串聯(lián)結構或并聯(lián)結構運行,實現(xiàn)最大程度的優(yōu)化。在這種混合動力電動汽車中,無級變速是通過電機而不是機械傳動實現(xiàn)的,其功

16、率的傳遞一部分是通過機械傳遞,另一部分是通過電磁傳遞。因此,它能更靈活地控制轉矩和速度,以達到最好的效果。串聯(lián)式混合動力裝置主要用于重型車輛,軍用車輛和公共汽車。而并聯(lián)和串并聯(lián)大多使用在的小型和中型汽車,如轎車和一些公共汽車。圖3表示各種拓撲結構特征和相互關系11。電氣無極變速器的原理結構圖如圖4所示。 圖4采用電氣無極變速器的混合動力汽車動力系統(tǒng)混合動力汽車的工程哲學是1+1>2。這意味著由內燃機動力和電動機動力相結合而產(chǎn)生附加值,充分體現(xiàn)了電力、電子和控制技術的優(yōu)勢和靈活性,不僅提高了能源效率和減少廢氣排放,而且也更加智能化、舒適、安全。就像騾子是馬和驢子結合的結果,騾子擁有馬和驢子

17、的最好的DNA,因此它更有力量和更耐性?；旌蟿恿ζ嚨年P鍵技術主要是動力總成的控制優(yōu)化、電力驅動、能源管理和高效的能源存儲子系統(tǒng)。2產(chǎn)業(yè)化路線降低成本、減小體積和減輕質量、提高性能和加強各有關方面的聯(lián)盟是純電動汽車和混合動力汽車成功打入市場的關鍵。汽車制造商必需和政府、關鍵零部件商、能源公司、院校、用戶等形成戰(zhàn)略聯(lián)盟,互相支持。需要解決的主要問題是:用戶可以得到什么經(jīng)濟優(yōu)惠或其他好處?社會可以有什么環(huán)境效益?與傳統(tǒng)車輛驅動相比,沒有任何負面而更具有駕駛樂趣。為了有效地減少C O 2排放和降低對石油的依賴,適當?shù)牧⒎ù胧┖酮剟畲胧┦潜夭豢缮俚?。影響純電動汽車和混合動力汽車打入市場的主要因素包括?/p>

18、料價格、法規(guī)和稅收、地方立法、購買動機、提高駕駛者的環(huán)保形象以及公共教育等?；旌蟿恿ζ嚭腿剂想姵仄嚨纳虡I(yè)化路線圖列于表2,僅供參考。3結語在當前環(huán)境保護和能源節(jié)約受到日益關注的世界,純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的發(fā)展速度加快。擁有商業(yè)上可行的純電動汽車和混合動力汽車的理想正在成為一個現(xiàn)實。其中成功的關鍵有賴于正確的技術路線和產(chǎn)業(yè)化路線。汽車制造商的首席執(zhí)行官(CE O 必需帶頭策劃戰(zhàn)略目標,包括近期、中期和遠期的規(guī)劃。這項任務不應該僅僅交給研發(fā)部門或銷售部門,因為這是一個重大的革新項目,將對整個公司和整個社會產(chǎn)生重大的影響。除了有明確的目標以外,高級管理人員還應具有整體性和創(chuàng)造性

19、思維,以監(jiān)督該項目的進展情況。以下是一個主要汽車制造商開發(fā)混合動力汽車及其商業(yè)化的成功經(jīng)驗:a 有正確的戰(zhàn)略計劃,包括短期、中期和長期的計劃;表2混合電動汽車和燃料電池電動汽車的商業(yè)化的路線年份商業(yè)化路線2007更多的汽車制造商推出自己的混合動力系統(tǒng)2007美國采用了更嚴格的柴油標準2007柴油混合動力面世2007先進的汽油內燃機面世2008豐田公司推出第三代Prius,創(chuàng)造了新的標準2008全混合動力汽車在美國形成標準2008采用鋰電池的混合動力汽車面世2008歐洲采用更嚴格的柴油標準2009推出使用大功率電池的充電式混合動力汽車2010推出超過50種混合動力汽車2010豐田在所有車型中,推

20、出混合動力汽車2010在全球,混合動力汽車占10%的銷售份額2011充電式混合動力汽車商業(yè)化,其純電動運行模式為8.0516.09km (510英里2012豐田公司推出第四代Prius2012由于氣候變化的關注,更嚴格的排放控制2013充電式混合動力汽車的純電動運行模式提高為32.1948.28km (2030英里2013引入先進的材料2013在眾多車型中,混合動力汽車作為最好選擇2014鎳氫電池被替代2015在全球,混合動力汽車占50%的銷售份額20202025充電式混合電動汽車的純電動運行模式提高為80.466km (50英里20202025燃料電池電動汽車商業(yè)化2030在全球,混合動力汽

21、車占85%的銷售份額b 有足夠的資金,以支持發(fā)展計劃;c 有創(chuàng)新的核心技術,特別是汽車技術、電力驅動技術和能源儲存技術的集成創(chuàng)新;d 有正確的技術路線和產(chǎn)業(yè)化路線;e 汽車制造商和政府、關鍵零部件商、能源公司、院校、用戶等形成戰(zhàn)略聯(lián)盟;f 了解最先進技術的情況,權衡技術、成本和市場。了解微度混合動力汽車、輕度混合動力汽車、全(強度混合動力汽車、充電式混合動力汽車和燃料電池汽車的性能優(yōu)勢與成本效益;g 徹底了解市場的需求和必需的基礎設施和售后服務。參考文獻:1Chan C C .The state of the art of electric,hybrid,and fuel cellvehicl

22、esJ .Pr oc of the I EEE,2007,95(4:7042718.2Chan C C and Chau K T .Modern electric vehicle technol ogyM .Oxford University Press,I S BN 0-19-8504160,2001.3M icky B ly .Hybrid technol ogies,Presentati on at Challenge B i 2bendum HEV Round TableC .Shanghai,Nove mber 14,2007.4Onomura .Hybrid vehicles:Ma

23、rket visi on and seg mentati on C .Presentati on at Challenge B ibendum HEV Round Table,Shang 2hai,Nove mber 14,2007.5A lliance Bernstein:The e mergence of hybrid vehiclesC .Pres 2entati on at Challenge B ibendum HEV Round Table,Shanghai,Nove mber 14,2007.(下轉第11頁機械制造與研究王京波,等液壓機上橫梁的結構優(yōu)化的總質量由原來的23t減小到

24、19.9t,節(jié)約材料3.08t,將近13.4%。由于筋板的布置更加合理,最高應力降為149M Pa,在許用范圍之內,而橫梁的總體變形不大。表3所列出的即是優(yōu)化前后設計變量、狀態(tài)變量以及目標函數(shù)的變化情況。表3優(yōu)化前后參數(shù)對照表優(yōu)化前優(yōu)化后降低%x1502550x2502060x3503040x4504020max/MPa19414923.20max4結語運用有限元分析和優(yōu)化技術對某型號液壓機機身上橫梁的強度、剛度進行校核。在此基礎上,修改了結構上的不合理之處,并且對內部主要筋板厚度進行了優(yōu)化,在滿足強度和剛度的條件下使應力應變分布更加合理,亦降低了橫梁質量,從而為企業(yè)節(jié)省了原材料,取得了很好的

25、經(jīng)濟效益。參考文獻:1余新陸.液壓機的設計與應用M.北京:機械工業(yè)出版社,2007.2劉鴻文.材料力學M.北京:高等教育出版社,1998.華大學出版社,2003.4曾攀.有限元分析及應用M.北京:清華大學出版社,2004.5湯文成,易紅.工程結構的優(yōu)化設計的策略J.計算機輔助設計與制造,1997(5:10212.6秦東晨,祁建中,張明成,等.液壓機橫梁結構的優(yōu)化設計J.鍛壓技術,2004(2:49252.收稿日期:2008212216(上接第4頁6Douglas Nels on.Backgr ound inf or mati on of hybrid electric vehi2clesC.P

26、resentati on at Challenge B ibendum HEV Round Ta2 ble,Shanghai,November14,2007.7Bob Larsen,Douglas Nels on,Paul Crehan.Executive summaryC.Presentati on at Challenge B ibendum HEV Round Table,Shanghai,November14,2007.8Japan M inistry of Economy,Trade and I ndustry.Cool earth-in2novative energy p r og

27、ra mZ.March2008.9Chan C C,Wong Y S,Bouscayr olA,et al.Powering sustainablemobility:r oadmap s of electric,hybrid,and fuel cell vehiclesC.Pr oceedings of I EEE,Ap ril,2009.10Chan C C,A lain Bouscayr ol and Keyu Chen.Electric,hybridand fuel cell vehicles:architectures,modeling,energy manage2 ment and

28、commercializati on r oad mapC.I nvited Paper,I EEE Transacti ons on Vehicular Technol ogy,t o appear.11Chen K,Bouscayr ol A,Berthon A,et al.Gl obal modeling ofdifferent vehicles:using energetic macr oscop ic rep resentati on t of ocus on syste m fucncti on and syste m energy p r opertiesJ.I EEE Vehicular Technol ogy Magazine,acce