太陽能新能源汽車畢業(yè)論文

目錄1緒論 42汽車新能源技術的種類 52.1電動汽車 53汽車新能源技術的主要比較 63.1各種新能源汽車技術的特點分析 63.1.1天然氣汽車 73.1.2醇類燃料汽車 73.1.3氫燃料汽車 73.1.4混合動力汽車 73.1.5燃料電池汽車 83.1.6純電動汽車 83.2能量轉化效率的比較 83.3減少耗油量的比較 93.4減少碳排放的比較 93.5綜合比較 103.6電動汽車的應用缺陷和瓶頸 104電動汽車應用的解決方式 104.1整車充電模式 104.1.1常規(guī)充電 104.1.2快速充電 114.2更換電池模式 114.2.1電池租賃 114.2.2電池的快速更換 124.2.3電池的維護 125未來電動汽車充電站的發(fā)展方向 135.1整車充電中的慢速充電方式可以充分利用 135.2換電池模式屬于能源新物流模式 135.3整車充電中的快充大量發(fā)展將使得電網諧波污染問題突出 136結論 14參考文獻 14致謝 15太陽能新能源汽車摘要新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。新能源汽車包括混合動力汽車（HEV）、純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車（FCEV）、氫發(fā)動機汽車、其它新能源（如高效儲能器、二甲醚）汽車等各類別產品。汽車新能源技術繁多,新能源汽車發(fā)展方向如何。本課題以此為出發(fā)點,著重分析目前主要的新能源汽車技術以及這些技術的優(yōu)缺點,得出電動汽車將是未來發(fā)展趨勢。然后探討電動汽車充電站整車充電、更換電池兩種運營模式,最終得出未來充電站將以更換電池為主，整車充電為輔的主流模式。關鍵詞：新能源汽車；新技術；發(fā)展趨勢；充電站一前言目前，各國能源消費依然嚴重依賴石油，而石油儲量有限的事實向全球經濟發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。自2006年起，中國取代日本成為僅次于美國的世界第二大新車消費市場。中國能源問題已經成為國民經濟發(fā)展的戰(zhàn)略問題，并成為中國能源安全戰(zhàn)略的核心內容。汽車能源消耗不僅是造成全球石油短缺的主要原因，也是環(huán)境污染和全球溫室氣體排放的重要原因。目前有80％以上的一氧化碳、40％以上的氮氧化物以及20％～30％的城市顆粒污染物，均來自于機動車尾氣的排放。環(huán)境污染的問題越來越引起我國的重視，實現交通能源動力系統(tǒng)轉型、發(fā)展新能源汽車將是未來汽車行業(yè)發(fā)展的主要方向[1]。歐、美、日各國把發(fā)展新能源汽車作為解決目前能源短缺的重要途徑，但在不同時期的新能源汽車技術路徑是不同的?？偟膩砜?，新能源汽車發(fā)展趨勢可歸納為：能源逐漸由化石燃料向可再生、低排放甚至零排放的能源形式過渡是基本趨勢，電能、生物燃料和氫能將是汽車能源的最終解決方案。但在電能、生物燃料和氫能最終替代化石燃料前，汽車能源呈現多元化局面。新能源汽車技術將出現多種技術共存的的局面，先進汽油車、先進柴油車、混合動力汽車、純電動汽車、天燃氣汽車、醇類燃料汽車、燃料電池汽車都將占據一定的市場份額。但是由于目前汽車新能源汽車技術繁多，每個國家在新能源汽車領域發(fā)展方向有所不同。本課題以此為出發(fā)點，著重分析目前新能源汽車技術優(yōu)缺點，并最終得出電動汽車將是未來發(fā)展趨勢。然而,電動汽車由于目前在蓄電池技術上存在著續(xù)航能力不足，充電時間過長等問題。通過分析本課題最終提出解決這一問題的主要方案就是加快充電站的建設，并且充電站建設將是以更換電池為主，整車充電為輔的運營模式二系統(tǒng)框圖及原理簡述電動汽車是以電力作為能源，由電動機驅動的汽車。在外型上電動汽車與傳統(tǒng)的汽車并無顯著區(qū)別，它們的主要區(qū)別在于動力源和驅動系統(tǒng)。目前電動汽車的種類主要包括：純電動汽車、混合動力電動汽車以及燃料電池電動汽車三類。純電動汽車完全由蓄電池提供電能，經過電動機和驅動系統(tǒng)，驅動汽車行駛，如果一輛電動汽車同時采用電動機和發(fā)動機作為動力驅動系統(tǒng)，就構成了所謂混合型電動汽車或稱混合動力汽車；如果采用燃料電池作為電源就稱為燃料電池汽車。由于電能是二次能源，它可以來源于如風能、水能、核能、熱能、太陽能、等多種方式，所以電動汽車是非常有發(fā)展前景的替代能源汽車。目前，制約電動汽車發(fā)展的主要因素為蓄電池技術。目前純電動汽車系統(tǒng)主要由三個子系統(tǒng)組成(圖2.2)，即電力驅動子系統(tǒng)，能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)。其中，電力驅動子系統(tǒng)由電控系統(tǒng)、電機、機械傳動系統(tǒng)和驅動車輪等部分組成；能源子系統(tǒng)由主電源和能量管理系統(tǒng)組成，能量管理系統(tǒng)是實現能源利用監(jiān)控、能量再生、協(xié)調控制等功能的關鍵部件；而輔助控制子系統(tǒng)(整車控制器)，它接受駕駛員的踏板信號和其它信號，然后作出相應的判斷，控制各個部件作出動作，驅動汽車正常行駛，并盡可能實現比較高的能量使用效率。電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比結構簡單。傳統(tǒng)汽車的動力是通過剛性聯軸器和傳動軸傳遞的，而電動汽車的能量則基本上是通過柔性的電線傳輸的，并且其電機及傳動系可以有多種不同的選擇，因此電動汽車各個部件的選擇和布置有很大的靈活性。制動踏板制動踏板加速踏板電子控制裝置功率轉化器電動機機械傳動裝置車輪車輪能量管理系統(tǒng)能量源能量單元輔助動力源溫度控制單元轉向動力源電力驅動系統(tǒng)能源輔助控制子系統(tǒng)方向盤能源子系統(tǒng)三汽車新能源技術的主要比較3.1各種新能源汽車技術的特點分析由于目前汽車新能源技術繁多，發(fā)展進度又有所不同，并且在使用中也存在著很多問題。因此以下將對各種汽車新能源技術的特點加以分析、總結。3.1.1天然氣汽車天然氣汽車由于使用的天然氣在我國儲量非常豐富,加上近幾年國家的大量開發(fā)以及天然氣管道網絡建設的完善性，天然氣汽車將得到長足性的發(fā)展。優(yōu)點：①天然氣在我國儲量豐富，可廣泛使用。②天然氣管道網絡建設完善，加氣站的建設成本大大降低。③普通燃油汽車改裝成天然氣汽車成本較低且技術成熟。④天然氣汽車與普通燃油汽車百公里使用成本相比，天然氣汽車較低。⑤從排放上來說，天然氣汽車排放廢棄物較少。缺點：①天然氣的能量密度低，使得隨車一次儲存的燃料所能維持的續(xù)駛里程明顯縮短。②動力性較差。3.1.2醇類燃料汽車由于醇類燃料是可再生資源，它的制取可以通過生物發(fā)酵制取，從而得到很多國家的廣泛應用。由于乙醇再運用中可將其摻入汽油使用，所以可以大大減少石油的使用。優(yōu)點：①可再生，具有長期使用的價值。②廢氣排放在理論計算上幾乎可忽略為零。③使用方便，辛烷值高。缺點：①具有一定的金屬腐蝕性。②熱值較低。3.1.3氫燃料汽車氫燃料汽車是一種真正實現零排放的交通工具，排放出的是純凈水，它具有無污染，零排放，制取原料豐富等優(yōu)勢。因此，氫燃料汽車是傳統(tǒng)汽車最理想的替代方案。但是與傳統(tǒng)動力汽車相比，氫動力汽車成本至少高出20%。優(yōu)點：①排放物是純水，行駛時不產生任何污染物。②氫極易點燃，火焰?zhèn)鞑ヌ匦暂^好，容易實現稀薄燃燒。缺點：①氫的沸點為很低且常溫下為氣體，攜帶性和安全性差。②氫氣在汽車上的存儲相當不便。③動力性較差。④氫的制取較為復雜且制取成本過高。3.1.4混合動力汽車由于目前純電動汽車在使用中受到電池續(xù)航能力以及充電設施建設不完善，因此在傳統(tǒng)能源汽車向純電動汽車過渡這段時期，混合動力汽車起著關鍵的作用。優(yōu)點：①采用混合動力后可按平均需要的功率來確定內燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內燃機功率不足時，由電池來補充；負荷少時，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。②因為有了電池，可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量。③在繁華市區(qū)，可關停內燃機，由電池單獨驅動，實現“零”排放。④有了內燃機可以十分方便地解決耗能大的空調、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。⑤可以利用現有的加油站加油，不必再投資。⑥可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過充、過放，延長其使用壽命，降低成本。缺點：長距離高速行駛基本不能省油。3.1.5燃料電池汽車氫燃料電池汽車中最重要的技術就是質子交換膜，由于現在質子交換膜造價較高且技術大部分掌握在少數國家里，因此氫燃料電池在應用普及方面受到了很大的限制。優(yōu)點：①運行平穩(wěn)、無噪聲。②能源來源廣泛，可以是氫氣、甲烷、乙醇等。③以氫作為燃料的燃料電池，它的能量轉化不受卡諾循環(huán)規(guī)律的限制，熱效率較高。缺點：①質子交換膜成本過高。②氫的制取成本過高。③加氫站建設成本過高。3.1.6純電動汽車純電動汽車通過車輛自身攜帶的高效儲能電池向電動機供電，由電動機直接向驅動軸輸出扭矩，汽車取消了傳統(tǒng)的內燃機、離合器、等一些復雜的傳動裝置。因此很多人認為純電動汽車將是未來新能源汽車發(fā)展的主要方向。優(yōu)點：①廢氣排放為零。②幾乎無機械噪聲，且運行平穩(wěn)。③使用成本較低。④結構簡單，省去很多機械裝置。缺點：①蓄電池使用壽命較短且續(xù)航能力不足。②充電設施建設不完善3.2能量轉化效率的比較圖3.1是不同車速下燃油汽車與電動汽車的能量輸出曲線圖。內燃機汽車在同樣工況下的能耗遠遠大于純電動汽車的能耗，據統(tǒng)計，內燃機在低速區(qū)域的能量轉化效率最低(僅為12％)。應用混合動力技術，汽車在低速行駛時切換到電能驅動模式，可大幅度降低能量損耗，減少排放。盡管混合動力汽車在啟動和低速運行工況下，避免了高能耗和排放，但在高速行駛時若仍然采用燃油驅動，其能耗和排放還是明顯大于純電動汽車。0025100125123456..0速度（km/h）7550能耗（MJ/km）燃油汽車電動汽車圖3.1燃油汽車與電動汽車能耗曲線圖3.3減少耗油量的比較表3.1為同一車型利用不同技術路線而減少耗油量的比較，在對多種動力汽車技術計算其整體擁有成本時，按照5年的平均擁有期將車輛的起初成本、再銷售價值以及預計節(jié)油量納入考量范圍。通過比較可以得出結論，純電動汽車可以最有效地減少對石油的依賴，是解決能源安全問題的最佳方案表3.1不同技術路線的耗油量技術方式醇類汽車天然氣汽車混合動力汽車純電動汽車消減耗油量(%)41503050~1003.4減少碳排放的比較從表3.2可以看出，對比其它的汽車動力技術，混合動力技術的減碳排放比可達56％；電動汽車利用太陽能發(fā)電以及風力發(fā)電，因此純電動汽車碳排放為零，考慮到目前的火力發(fā)電，故而純電動汽車平均碳排放比可以達到30％。所以采用清潔能源發(fā)電配合純電動車技術是解決機動車環(huán)境污染問題的最佳方案。表3.2不同技術路線對減少碳排放的比較技術方式液化石油氣汽車醇類汽車天然氣汽車混合動力汽車純電動汽車減碳排放比（%）505355560~303.5綜合比較從環(huán)保性、全壽命成本、安全性、續(xù)駛里程等方面的全面比較可以看出，各類技術都有其優(yōu)缺點，相比較而言，目前電動汽車的技術更趨成熟。3.6電動汽車的應用缺陷和瓶頸目前，電動汽車技術趨于成熟，但在續(xù)駛里程、制造成本等方面還無法與傳統(tǒng)燃油汽車相比。作為動力源的各類型蓄電池不同程度地存在著成本高、功率小、體積和重量大、充電時間長等問題，是電動汽車發(fā)展和普及應用的瓶頸。歸納起來存在：①續(xù)駛里程有限；②蓄電池使用壽命太短；③電池價格昂貴；④充電時間和充電網點短期內不能得到有效解決等問題。四電動汽車應用的解決方式目前解決電動汽車電池續(xù)航時間短的方法是加快充電站以及換電站的建設,只有將這些基礎設施建設完善才能彌補目前蓄電池技術的不足。在我國，電動汽車充電站的業(yè)務才剛剛起步，運營模式還沒形成，各個相關的利益群體對產業(yè)發(fā)展的傾向也不盡相同。根據技術與充電方式的不同，電動汽車充電站的運營模式基本上可以分為“整車充電”與“電池更換”兩種模式。4.1整車充電模式整車充電模式是很多國家研究試驗的重點，這種模式把電池與車輛作為一個整體來考慮，其規(guī)?；l(fā)展的關鍵是能夠研制生產出“容量大、成本低、充電快、壽命長”的電池產品[7]，在便捷性上滿足用戶的需求，具體又包括常規(guī)充電和快速充電兩種類型。4.1.1常規(guī)充電蓄電池在放電終止后，應立即充電，充電電流相當低，大小約為15A，這種充電叫做常規(guī)充電(普通充電)。常規(guī)蓄電池的充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，一般充電時問為5～8h，甚至長達10至20多個小時。盡管充電時間較長，但因為所用功率和電流的額定值并不關鍵，因此充電器和安裝成本比較低；可充分利用電力低谷時段進行充電，降低充電成本；可提高充電效率和延長電池的使用壽命[8]。這種充電方式通常適用于：設計電動汽車的續(xù)駛里程盡可能大，需滿足車輛一天運營需要，僅僅利用晚問停運時間充電。現階段技術條件下，電池的續(xù)駛里程大約為200km，像私家車、市內環(huán)衛(wèi)車、企業(yè)商務車等車輛日均行駛里程都在電池的續(xù)駛里程范圍之內，均可采用常規(guī)充電的方式。4.1.2快速充電快速充電又稱應急充電，是以較大電流短時間在電動汽車停車的20min至2h內(具體的充電時間由電動汽車動力電池的接收能力而定)，為其提供短時充電服務，一般充電電流為150~400A。充電時問短；充電電池壽命長(可充電2000次以上)；沒有記憶性，可以大容量充電及放電，在幾分鐘內就可充70％~80％的電；由于充電在短時問內(約為10～15min)就能使電池儲電量達到80％~90％，與加油時間相仿，使電動汽車使用起來非常方便。這種充電方式適用情況為：電動汽車的日平均里程大于電池的續(xù)駛里程即200km，即在車輛運行的間隙進行快速補充電，來滿足運營需要；比如公交車、出租車等車輛它們的日平均行駛里程在300km左右，則還有100km左右的電量需要在峰、平時段通過快速充電的方式進行補充。當然也可以采用更換電池的方式來進行能量的補給[9]。4.2更換電池模式更換電池模式也稱租賃電池模式，是一種把車輛與電池分開考慮的思路。用戶只購買汽車，由專門的電池租賃公司負責電池的購買、租賃、充電、快速更換及管理。可以讓用戶像“汽車加油”一樣方便地得到能源供給。它的運營模式是通過各個電池更換站集中對標準化的電池充電，電動汽車用戶需要補充能源時，可以非常方便地到任意一個更換站更換充好的電池。電池更換站的運用模式可以分為以下幾點。4.2.1電池租賃能源供給企業(yè)購買電池后通過向中間運營商(建站企業(yè))支付一定的建站費用來進行更換站的建設。電動汽車用戶在購買“裸車”后，去電池更換站辦理相應的“租賃手續(xù)”及交一定的租金就能使電動汽車投入使用。租賃的手續(xù)及租金由相關部門協(xié)商而定，對于租金可以肯定的是，因為換給消費者的是一塊充滿電的電池，加上一些其它成本，租賃電池的價格肯定要比消費者自己在家充電貴，但是絕對遠遠低于燃油的費用。用戶在電池的使用過程中不僅要交租金，每次更換電池時根據電池電量的消耗情況用戶還要向電池更換站交納相應的所用電費。4.2.2電池的快速更換為了使得更換更加快捷，需要更換電池的車輛進站之前應向站臺提出電池更換請求，以便站臺調度安排停車位置、通知電池更換庫準備整車更換電池并運至更換電池區(qū)、準備卸載設備。當車輛進站后，根據調度指令將車開到更換電池區(qū)準確位置，準備更換電池。4.2.3電池的維護當電池在使用過程中，個體電池的容量會出現嚴重不均衡的現象。這樣在電池串聯充電時，只要有一只電池的充電電壓達到最高限制電壓，就要立即停止充電，而此時電壓較低的個體電池還處于欠充狀態(tài)；反過來在電動汽車行駛過程中，只要有一只電池的電壓下降到最低限制電壓，就要斷開動力電池停止放電，而此時電壓較高的個體電池容量不能充分利用[10]。這樣長期循環(huán)使用下去，電動汽車動力電池的容量會越來越不均衡，一次充滿電的行駛里程會大大降低。為充分利用鋰離子動力電池的儲能效率，降低使用成本，充電站建設需要設置電池容量測試與充放電維護設備，當電動汽車動力電池的容量明顯出現下降時，利用該設備可以對單個電池進行容量測試，并對容量落后的電池進行多次的充放電操作，使其活性物質充分激活，容量得到恢復。

五未來電動汽車充電站的發(fā)展方向電動汽車充電站的運營究競選取哪種模式，應圍繞“快速、健康、高效地推動電動汽車產業(yè)的發(fā)展及普及”這一核心目標，結合技術發(fā)展趨勢和現實條件進行綜合考量。最主要包括以下三個方面：5.1整車充電中的慢速充電方式可以充分利用低谷電力充電，電費相對降低，但是充電時間過長使車輛的使用十分不便；快速充電方式下充電時間短易于車輛的使用，但是充電費用較高，且會大大縮短電池的使用壽命。換電池模式單純的租賃費和電費支出可能比整車充電模式有一定幅度增加，但是由于節(jié)省購買電池的費用，如果政策和管理到位，理論上車輛整個生命時期的運營費用會顯著低于整車充電模式，且換電池模式的靈活性、方便性都相對較好[11]。5.2換電池模式屬于能源新物流模式換電池模式有利于電池生產企業(yè)規(guī)模化、標準化生產，有利于能源供給企業(yè)的規(guī)?；少徟c集約化管理，能夠顯著降低總運營成本。能源供給企業(yè)作為一個相對獨立的中間運營商，有利于政府施加更具針對性的扶持和優(yōu)惠政策，如電價政策、購買電池補貼政策等，容易建立起清晰的財務盈利模式，比單純提供充電服務可獲得更高的經濟回報，具有更大的發(fā)展空間。5.3整車充電中的快充大量發(fā)展將使得電網諧波污染問題突出換電池模式集中充電便于統(tǒng)一調度、管理和監(jiān)控，能夠最大程度發(fā)揮削峰填谷作用，提高電力系統(tǒng)負荷率，最大限度減少諧波污染等對電網的不利影響，有利于電網的安全穩(wěn)定運行和電力資源的優(yōu)化利用[12]。綜上所述，換電池模式具有更突出的優(yōu)勢和更廣闊的發(fā)展前景?？紤]到差異化需求和特殊情況下電能補給的需要，以更換電池為主、整車充電為輔的運營模式將成為我國電動汽車充電站未來發(fā)展的主流模式。六結論在未來的20年內，汽油和柴油仍是汽車主要的能量來源，但汽油和柴油的質量要求越來越高，發(fā)動機技術將快速發(fā)展以提高能量利用率。代用燃料會得到迅速運用，天然氣汽車和乙醇汽車會率先大規(guī)模投入使用，純電動汽車和燃料電池汽車將會逐步擴大應用。其中混合動力汽車將會得到快速發(fā)展和應用，混合動力汽車將