汽車新型能源動力系統(tǒng)技術(shù)課件

1、汽車新型能源動力系統(tǒng)技術(shù)面對交通能源與環(huán)境問題的重大挑戰(zhàn)，以汽車排放潔凈化、汽車燃料節(jié)約化、汽車能源多元化為主要特征的節(jié)能與新能源汽車迅速發(fā)展，相互競爭，并引發(fā)了汽車動力電控化和電氣化兩大技術(shù)變革。先進的電控內(nèi)燃機技術(shù)突飛猛進，混合動力技術(shù)進入產(chǎn)業(yè)化，動力電池取得重大突破，車用燃料電池技術(shù)快速進步。我們正在迎來汽車能源動力技術(shù)創(chuàng)新突破的戰(zhàn)略機遇期汽車新型能源動力系統(tǒng)發(fā)展背景能源短缺、大氣污染和氣候變化等問題是全球汽車產(chǎn)業(yè)共同面臨的巨大挑戰(zhàn)。 目前世界汽車保有量約8 億輛，預(yù)計到2020 年全球汽車保有量將達到12億輛，主要增幅來自發(fā)展中國家。國際能源機構(gòu)(IEA)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2001 年全

2、球57%的石油消費在交通領(lǐng)域(其中美國達到67%)。預(yù)計到2020 年交通用油占全球石油總消耗的62%以上。石油供求矛盾的不斷加大，使國際油價屢創(chuàng)新高，且仍將保持高位運行。美國能源部預(yù)測1如圖1 所示，2020 年以后，全球石油需求與常規(guī)石油供給之間將出現(xiàn)凈缺口，2050年的供需缺口幾乎相當于2000 年世界石油總產(chǎn)量的兩倍。與此同時，交通能源消耗也是造成局部環(huán)境污染和全球溫室氣體排放的主要來源之一。為此，全球已達成共識：交通能源轉(zhuǎn)型勢在必行。2007 年，我國汽車產(chǎn)銷量均超過870 萬輛；同年我國汽車保有量超過4,229 萬輛(機動車保有量超過1.5 億輛)，是世界第三大汽車生產(chǎn)國和第二大汽

3、車市場。汽車燃油消耗超過8,000 萬噸，約占我國石油總需求量的1/4。由于汽車保有量的持續(xù)快速增長，車用燃油消耗量以年均12%以上的速度迅速增加，車用能源消耗占整個石油消耗量的比重日益加大。我國汽車保有量今后仍將呈快速增長態(tài)勢。根據(jù)國內(nèi)外多個研究機構(gòu)的預(yù)測結(jié)果，預(yù)計2020 年將達到1.5 億輛左右，2030 年達到2.32.5 億輛。與此同時，我國總體的石油對外依賴度不斷攀升。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計，2007 年我國原油和成品油凈進口量為1.97 億噸，對外依存度達到47。預(yù)計到2020 年，我國石油對外依存度可能會達到60%。同時，車用石油消耗所產(chǎn)生的空氣污染和CO2 排放也正在變成愈來愈嚴重的問題

4、，我國已經(jīng)成為世界上第二大CO2 排放國，由此產(chǎn)生的國際政治和經(jīng)濟爭端將會愈演愈烈。這充分表明，我國所面臨的石油安全與交通能源問題將來勢更猛，影響更大，挑戰(zhàn)更加嚴峻。按傳統(tǒng)交通能源動力系統(tǒng)發(fā)展下去，不可持續(xù)，實現(xiàn)我國交通能源動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型是大勢所趨。21 世紀頭20 年是汽車能源動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略機遇期歷史上，交通能源動力系統(tǒng)變革一直處于技術(shù)革命和經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的核心位置。19 世紀，煤和蒸汽機火車引發(fā)了歐洲的工業(yè)革命，開創(chuàng)了人類的工業(yè)經(jīng)濟和工業(yè)文明；20 世紀，石油和內(nèi)燃機汽車促成了美國的經(jīng)濟騰飛，把人類帶入了基于石油的經(jīng)濟體系與物質(zhì)繁榮，也帶來了能源環(huán)境的巨大挑戰(zhàn)。20 世紀末到21世紀初的交替期

5、，以汽車排放潔凈化、汽車燃料節(jié)約化、汽車能源多元化為主要特征的各種節(jié)能環(huán)保汽車迅猛發(fā)展，相互競爭，并引發(fā)了汽車動力電控化和電氣化技術(shù)變革，預(yù)示著人類將要進入交通能源動力技術(shù)創(chuàng)新突破的機遇期和后石油時代過渡期。我國所處的這一技術(shù)變革時期為我國汽車能源動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展提供了歷史機遇：1）中國的能源與資源狀況和城鄉(xiāng)布局適合發(fā)展交通新型能源動力系統(tǒng)中國缺油、多煤，這一能源結(jié)構(gòu)特點給燃油汽車可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)?；诟鞣N資源特點的多種替代燃料(包括液體、氣體和電)可以充分發(fā)揮我國地域遼闊和資源多樣性的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)汽車能源來源的多樣化。我國鋰資源、稀土資源和鎂資源豐富，可以為電動汽車新型動力系統(tǒng)關(guān)

6、鍵部件提供原材料資源保障。同時，從我國城鄉(xiāng)布局與交通結(jié)構(gòu)看，呈現(xiàn)出明顯的點-線-面特征。在點上，我國城市模式以大城市群為主要特點，汽車燃料基礎(chǔ)設(shè)施比較集中，公共交通比較發(fā)達，家用轎車普及率較高，易于推行新能源城市客車和適合城市工況的混合動力轎車。在聯(lián)接大城市的交通干線上，我國以火車、柴油大客車和大貨車為主要交通工具，轎車十分少見。而火車容易推行電氣化，柴油車替代燃料來源較廣。在面上，我國廣大城鎮(zhèn)和農(nóng)村已經(jīng)普及了具有中國特色的電動自行車和柴油農(nóng)用車，而且不同地區(qū)的一次能源資源特點也不同，比較適合發(fā)展一次能源來源多元化、燃料制取和消費當?shù)鼗娜剂瞎?yīng)體系。2）我國具有實現(xiàn)交通能源動力系統(tǒng)變革的后發(fā)

7、優(yōu)勢從我國汽車發(fā)展階段看，具有后發(fā)優(yōu)勢。盡管發(fā)達國家政府均大力推動節(jié)能與新能源汽車發(fā)展，但是其傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)龐大，石油基礎(chǔ)設(shè)施完善，消費習(xí)慣難以轉(zhuǎn)變，實施轉(zhuǎn)型社會成本高昂，轉(zhuǎn)型難度很大。而我國汽車工業(yè)剛剛發(fā)展起來，汽車普及率低，因而在汽車動力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略選擇上，有更大的自由度。同時，我國在電腦、電機、電池等與汽車電控化和電氣化密切相關(guān)的領(lǐng)域具有較好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，相對傳統(tǒng)汽車而言，我國在節(jié)能與新能源汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面具有比較優(yōu)勢。如果政策得當，有可能實現(xiàn)跨越式發(fā)展。汽車新型能源動力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略選擇發(fā)展可持續(xù)交通、保障能源安全與保護環(huán)境已成為國際社會關(guān)注的焦點。世界主要發(fā)達國家和地區(qū)，紛紛研究制定了

8、符合各自國情的車用能源發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)發(fā)展路線圖。1）日本發(fā)展戰(zhàn)略2006 年5 月，日本公布了新國家能源戰(zhàn)略。明確提出：通過提高汽車燃油經(jīng)濟性標準促使企業(yè)采用高效發(fā)動機等各種汽車節(jié)能技術(shù)，大幅度提高汽車燃油經(jīng)濟性，使2015 年與2004 相比中級轎車油耗平均降低約25%；通過推進生物質(zhì)燃料應(yīng)用(生物乙醇、生物甲醇等)，促進電動汽車和燃料電池汽車發(fā)展等途徑，大幅度降低汽車能源對石油的依賴度，使日本運輸領(lǐng)域在2030 年對石油的依賴程度從100%降至80%。在日本汽車廠商已經(jīng)取得混合動力汽車商業(yè)化領(lǐng)先地位的基礎(chǔ)上，為配合新國家能源戰(zhàn)略的實施，日本政府與2007 年又發(fā)布了“下一代汽車及燃料計劃”

9、。該計劃將提高動力電池和燃料電池的性能及壽命、降低成本作為工作重點，力爭在2010 年左右使小型純電動汽車商業(yè)化，2015 年將可充電式(plug-in)混合動力商業(yè)化，2030 年左右使燃料電池汽車商業(yè)化。另外，該計劃還將大力支持環(huán)保柴油機和生物燃料的發(fā)展。2）歐洲發(fā)展戰(zhàn)略溫室氣體排放問題在歐盟受到高度重視，是歐盟先進汽車技術(shù)發(fā)展的主要推動力。根據(jù)歐洲汽車產(chǎn)業(yè)協(xié)會和歐盟委員會制定的限制二氧化碳排放協(xié)議，從1995 年到2008 年，轎車新車的平均排放量應(yīng)當減少25，到2008 年機動車二氧化碳平均排放值降至140 g/km。目前，歐盟正在與歐洲主要汽車廠商協(xié)商進一步降低機動車二氧化碳平均排放

10、量法規(guī)。歐盟的車用能源動力技術(shù)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在兩個方面：第一，繼續(xù)推進以環(huán)保柴油機為代表的各種先進內(nèi)燃機技術(shù)，同時加強各種混合動力汽車和純電動汽車研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化；第二，積極推進車用能源多元化，重視發(fā)展天然氣、氫和生物燃料。隨著二氧化碳排放法規(guī)的不斷嚴格，同時配合經(jīng)濟激勵政策和政府計劃(如清潔能源伙伴計劃、Hyfleet CUTE 計劃等)的有效實施，將大大促進歐盟車用能源戰(zhàn)略的貫徹實施和戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。3）美國發(fā)展戰(zhàn)略美國在發(fā)展車用能源的戰(zhàn)略選擇上，已從以往重點進行燃料電池技術(shù)研發(fā)的單一化發(fā)展格局向氫燃料電池、混合動力、先進內(nèi)燃機、生物燃料等多種技術(shù)路線共同發(fā)展的多元化格局轉(zhuǎn)變。2000 年以

11、來，在美國逐漸興起了促進可充電式(plug-in)混合動力研發(fā)和商業(yè)化的熱潮，在全球產(chǎn)生了廣泛影響。2007 年，美國總統(tǒng)布什提出“20/10”計劃，要求在10 年內(nèi)減少20%的汽油消耗。其中，乙醇、生物柴油等代用燃料將實現(xiàn)15%的汽油替代，另外的5%將通過提高燃油經(jīng)濟性標準實現(xiàn)。該計劃的推出，進一步表明了美國發(fā)展以生物燃料為代表的各種代用燃料技術(shù)，擺脫對石油燃料依賴的車用能源的政策取向。我國汽車新型能源動力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略選擇1）目標定位汽車能源動力系統(tǒng)技術(shù)變革的遠景目標是建立全球21 世紀可持續(xù)發(fā)展的交通能源動力系統(tǒng)。我國交通能源環(huán)境面臨挑戰(zhàn)與機遇更大，我們必須順應(yīng)世界潮流，大力推進我國汽車新

12、型能源動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展。根據(jù)國家中長期科技規(guī)劃能源領(lǐng)域戰(zhàn)略研究結(jié)果，2020 年我國汽車節(jié)能目標為：在汽車保有量調(diào)節(jié)在1.5 億輛左右的前提下，平均單車年油耗量控制在1,t 左右。與目前相比，節(jié)約1/3 左右，節(jié)油潛力為7,000 萬噸左右。我國車用能源轉(zhuǎn)型的方向?qū)氖?、天然?煤層氣、煤基燃料向生物質(zhì)燃料和化石能、核能及可再生能源制氫和發(fā)電過渡。中長期車用石油替代燃料的主體將主要來自3 方面：煤基燃料、生物燃料、天然氣燃料。到2020 年，總量將可達到3 000 萬噸以上，占車用燃料總消費的15%20。綜合兩個方面，應(yīng)以2020 年節(jié)約和替代車用燃料總量達到1 億噸(節(jié)約6,0007,00

13、0 萬噸，替代3,0004,000 萬噸)作為我國中長期奮斗目標。與此同時，應(yīng)當把建立起我國汽車新型能源動力系統(tǒng)技術(shù)平臺，成為世界汽車技術(shù)強國之一作為技術(shù)發(fā)展目標。2）戰(zhàn)略選擇要實現(xiàn)上述目標，必須進行戰(zhàn)略選擇。應(yīng)當看到，國汽車能源動力面臨的挑戰(zhàn)是雙重的。首先，隨著排放法規(guī)不斷加嚴，我們經(jīng)歷著發(fā)動機的電控化、汽柴油的清潔化技術(shù)變革。與此同時，面對石油短缺、二氧化碳減排的挑戰(zhàn)，我們面臨著動力電氣化，能源多元化的技術(shù)變革。我國面臨的是并行雙重挑戰(zhàn)。面臨這樣的雙重挑戰(zhàn)，中國汽車能源動力系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)該是一個雙重戰(zhàn)略，一方面要優(yōu)化現(xiàn)有以石油和內(nèi)燃機為基礎(chǔ)的車用能源動力系統(tǒng)，發(fā)展節(jié)能汽車。另一方面要開發(fā)

14、新一代車用能源動力系統(tǒng)，發(fā)展新能源汽車：通過這種“過渡”與“轉(zhuǎn)型”的雙重戰(zhàn)略促進汽車動力電控化和電氣化雙重技術(shù)變革，最終達到可持續(xù)發(fā)展的汽車能源動力系統(tǒng)。為此，要推進節(jié)能與新能源汽車并行互動與協(xié)調(diào)發(fā)展。在市場方面，要以節(jié)能汽車為主體，大力發(fā)展小型化和微型化的節(jié)能環(huán)保國民車，盡快實施燃油稅，加大油耗法規(guī)推進力度。在研發(fā)方面，要以新能源汽車為戰(zhàn)略重點，深入開展新型動力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，尤其是要掌握動力電池和電機驅(qū)動系統(tǒng)、先進內(nèi)燃機及其混合動力系統(tǒng)、燃料電池發(fā)動機及其混合動力系統(tǒng)，整車系統(tǒng)集成與優(yōu)化控制等核心關(guān)鍵技術(shù)，建立我國汽車新型能源動力系統(tǒng)技術(shù)平臺。要以輕度混合動力轎車產(chǎn)業(yè)化為先導(dǎo)，帶動各種混

15、合動力轎車的研發(fā)與規(guī)模商業(yè)化，實現(xiàn)自主品牌轎車的跨越式發(fā)展；以我國在世界上獨一無二的年產(chǎn)銷量超過千萬輛的電動自行車產(chǎn)業(yè)為基，改變傳統(tǒng)的汽車文化習(xí)慣并修定相關(guān)的標準法規(guī)，以微型車為主體，發(fā)展適合我國國情、具有我國特色的純電動車輛；要緊緊抓住未來20 年汽車能源動力系統(tǒng)技術(shù)變革的戰(zhàn)略機遇期，官產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，實現(xiàn)中國汽車產(chǎn)業(yè)由產(chǎn)量大國到技術(shù)強國的跨越發(fā)展。汽車新型動力系統(tǒng)研發(fā)進展我國從上世紀90 年代起相繼開始了汽車動力電子控制和新能源汽車動力系統(tǒng)國家科技行動計劃?！熬盼濉蹦?，科技部聯(lián)合相關(guān)部委發(fā)起“空氣凈化工程-清潔汽車行動”計劃，“十五”期間啟動實施了電動汽車重大科技專項和清潔汽車行動關(guān)鍵技術(shù)

16、攻關(guān)項目，對汽車新型能源動力系統(tǒng)研發(fā)加大規(guī)模和支持力度。“十一五”期間，按照國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要部署，結(jié)合汽車技術(shù)發(fā)展趨勢，又啟動實施了863 計劃“節(jié)能與新能源汽車”重大項目，全面推進代用燃料汽車、純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車以及燃油汽車動力系統(tǒng)核心技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用示范和產(chǎn)業(yè)化。我國汽車新型能源動力系統(tǒng)發(fā)展前景展望汽車動力系統(tǒng)是一個完整的體系，包括燃料、發(fā)動機、動力傳動系統(tǒng)3 個主要層次。根據(jù)生命周期循環(huán)分析，從油井到車輪的效率來看，源于石油的最佳組合是：汽油/柴油-內(nèi)燃機-混合動力；源于天然氣、煤的燃氣動力和氫能燃料電池動力可與合成液體燃料內(nèi)燃機動力競爭；源于煤、核及可再生能

17、源發(fā)電，采用電池/電機驅(qū)動系統(tǒng)的純電動車也是最佳組合之一。要繼續(xù)發(fā)展燃油、燃氣、電3 種燃料/能源的基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)交通能源載體盡可能的兼容性和一體化。尤其是要重視電氣化交通基礎(chǔ)設(shè)施和電能加注服務(wù)模式的開發(fā)與建設(shè)。開發(fā)醇/ 醚/酯含氧燃料、TL/CTL/GTL 合成油、天然氣/煤層氣/合成氣/氫氣氣體燃料3 大類代用燃料技術(shù)及其車輛應(yīng)用技術(shù)，推進汽車燃料因時、因地、有序、有限的多元化。采用“置換”(間接替代)、“摻混”(部分替代)、“代替”(全部替代)三管齊下，先易后難、穩(wěn)步發(fā)展汽車替代能源；在此基礎(chǔ)上，要全面推進汽車3 類新型能源動力系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用：基于各種液體燃料的先進電控內(nèi)燃機和燃油混合

18、動力；基于氣體燃料的電控燃氣內(nèi)燃機與氫能燃料電池及其混合動力；基于電能的動力電池/電機驅(qū)動純電動車動力系統(tǒng)。(1) 當前的液體燃料主要是汽柴油，逐步摻混各種替代液體燃料，其未來目標是生物燃料。在液體燃料中最好的發(fā)動機仍然是內(nèi)燃機，還要繼續(xù)發(fā)展先進的電控內(nèi)燃機。從整車角度看，基于液體燃料的車輛主體目前是燃油車，要逐步發(fā)展混合動力車，最終過渡到可以外部充電的混合動力車(插入式混合動力)。我國燃油與內(nèi)燃機汽車將從目前處于世界前列的制造大國發(fā)展到節(jié)能汽車技術(shù)的強國。(2) 當前的氣體燃料主要是天然氣，逐步摻混各種替代氣體燃料(煤層氣、合成氣等)，其未來目標是氫氣。對于氣體發(fā)動機，當前主要是燃氣內(nèi)燃機，氫能燃料電池發(fā)動機是研究重點。對于燃氣汽車，當前主要是天然氣汽車，逐步發(fā)展燃氣混合動力，最終發(fā)展到氫能燃料電池電動汽車。我國燃氣與燃料電池車將從目前世界上規(guī)模最大的天然氣城市客車發(fā)展出獨具中國特色的氫能燃料電池混合動力城市客車產(chǎn)業(yè)。(3) 當前的電能主要是煤