电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电 动 汽 车 技 术 与汽车未来动力系统和能源,汽车安全与节能国家重点试验室 副主任,清华大学 二级教授,宋 健,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第1页,电动汽车技术,概述,发展电动汽车意义,纯电动汽车技术,混合动力电动汽车技术,燃料电池电动汽车技术,汽车未来动力系统能源,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第2页,电动汽车技术,概述,电动汽车定义,汽车能源发展史,电动汽车种类：,纯电动汽车；,混合动力电动汽车；,燃料电池电动汽车,；,其它电动汽车,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第3页,概 述,电动汽车定义,“电动汽车”普通了解为：从,车载电源,上取得电力，以,电机驱动,，满足道路,安全法规,对汽车各项要求，并,获准,在正规道路上,行驶,车辆。,电动汽车普通由以下基本构件组成：,车载电源,驱动电机与控制器,汽车底盘和车身,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第4页,概 述,汽车能源发展史,历史上各种能源汽车,蒸汽汽车-18，英国人史蒂芬孙创造了第一台蒸汽机车，十年后诞了蒸汽汽车,电动汽车-1873年，英国人Robert Davidson 采取铁锌电池将马车改造成了第一辆三轮电动汽车。,燃油汽车-1886年飞驰将内燃机安装在马车上，做成了第一辆燃油汽车。,燃气汽车-最早燃气汽车是意大利人于1931年研制成功，并建成了CNG加气站。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第5页,概 述,汽车能源发展史,电动汽车发展史,1873年，英国人Robert Davidson 采取铁锌电池（一次电池）将马车改造成了第一辆三轮电动车。所以电动车较汽车(1886年)早了。,1881年，法国人Gustav Trouve 第一次采取铅酸电池（二次电池）造成了电动汽车。,1882年法国人制造了可乘50人电动汽车。,1886年伦敦出现了电动公共汽车。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第6页,概 述,汽车能源发展史,电动汽车发展史,1889年，法国人制造电动汽车时速达106公里，创当初汽车时速世界纪录。,19，美国汽车产量4195辆。其中电动汽车1575辆，蒸汽汽车1684辆，燃油汽车936辆。电动汽车较燃油汽车百分比还大。,19，美国公路上已基本见不到电动汽车了。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第7页,概 述,电动汽车种类,纯电动汽车：,英文名称为,Pure Electric Vehicle,，简称：,PEV,，是指以单一车载蓄电池为能源电动汽车。,混合动力电动汽车：,英文名称为,Hybrid Electric Vehicle,，简称：,HEV,，是指以两种或两种以上动力源为能源电动汽车，即除了蓄电池以外，还带有燃烧某种燃料原动机或动力发电机组，如：内燃机、燃汽轮机或燃料电池等。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第8页,概 述,电动汽车种类,燃料电池电动汽车,：,英文名称为,Fuel Cell Electric Vehicle,，简称：,FCEV,，是指以燃料电池为动力发电机混合动力电动汽车。,其它电动汽车,：,最近几年出现电动汽车，如：,Plug-in,混合动力电动汽车,和,低速小型电动汽车,等,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第9页,电动汽车技术,发展电动汽车意义,降低汽车对环境污染,提升能源利用效率,使汽车能源结构多样化,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第10页,发展电动汽车意义,降低汽车对环境污染,汽车对环境污染：,美国：统计：大气污染物42%来自汽车排放，其中CO 66%、HC 31%、NOX 43%、微粒 17%、SO2 3%、CO2 20%、Pb37%。每年大气污染造成损失2290亿美圆。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第11页,发展电动汽车意义,降低汽车对环境污染,我国：，大中城市大气污染物70%来自汽车排放全球污染最严重20个城市中有10个在我国。,年，大气污染造成损失约600亿美圆，占国民生产总值5%；,20，大气污染造成损失约5000亿人民币，占国民生产总值3%。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第12页,发展电动汽车意义,降低汽车对环境污染,电动汽车降低污染：,纯电动汽车：,行驶中基本无污染,混合动力电动汽车：,可降低污染,80%,。,燃料电池电动汽车：,行驶中基本无污染,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第13页,发展电动汽车意义,提升能源利用效率,纯电动汽车：以石油为例，以原油为起点，依据日本能源研究所研究结论：,传统燃油汽车（汽油）经过石油精练、运输、加油和内燃机转化后传到汽车车轮有效能量占原油能量12%；（柴油车为15%）。,纯电动汽车经过原油粗炼、发电厂发电、电力输送、电池充电、经电机将动力传至车轮有效能源利用率为14%。,电动车能源利用率较汽油车高2个、较柴油车低1个百分点。,混合动力电动汽车：混合动力电动汽车普通比传统燃油（汽油）汽车节油40%-50%。若按40%计算，有效能源利用率为20%，较传统燃油汽车高8个百分点。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第14页,发展电动汽车意义,提升能源利用效率,燃料电池电动汽车：,燃料电池将氢气和氧气转化为电力效率,最高为,60%,。若采取重整气体（如：甲烷、甲醇乙醇等），以重整气体为起点，经运输、燃料电池发电、,DC-DC,转换、燃料电池发动机消耗、电动机将动力传至车轮有效能源利用率为,20%,。注意，这里未考虑重整气体制备过程能量损失。若将这部分能量损失考虑在内，燃料电池有效能源利用率为,15%,左右。,总而言之：,混合动力电动汽车,有效,能源利用率最高,。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第15页,发展电动汽车意义,使汽车能源结构多样化,发展电动汽车主要意义之一,(,我认为最主要原因,),是为了处理能源安全问题，处理对石油能源依赖程度，使耗能大户,-,汽车能源结构多样化。比如：电能可来自水能、核能、煤、,风能,、,太阳能,等。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第16页,电动汽车技术,纯电动汽车技术,国外纯电动汽车应用：法国、美国、日 本、德国等,我国纯电动汽车发展,纯电动汽车产业化困难,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第17页,纯电动汽车技术,国外纯电动汽车应用,法国：,全球最主动研制、推广纯电动汽车国家之一。电力,75%,来自核能，,15%,来自水电；石油基本依赖进口，油价是美国,4,倍；国家对购置电动汽车给予补助。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第18页,纯电动汽车技术,国外纯电动汽车应用,美国：1973年将开发研制电动汽车列入国家研究计划；1991年美国三大汽车（通用、福特、克莱斯勒）企业与政府合作联合攻关研制电动汽车关键部件-电池，至今镍氢电池性能已基本达标，但价格仍较贵，已投入小批量商业化生产。其它电池（锂离子和锂聚合物等）虽取得很大进展，但尚缺乏商业化生产基础。,1998年2%和5%电动汽车化要求已放弃，年8%电动汽车百分比未能实现。当前基本放弃了纯电动汽车产业开发计划，改做PLUG-IN混合动力电动汽车。,特斯拉现象。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第19页,纯电动汽车技术,国外纯电动汽车应用,日本：,石油基本依赖进口，油价很贵；,1971,年将电动汽车列入政府研究计划，,1976,年在通产省下设置电动车辆协会；,1991,年东京电力企业采取镍镉电池研制出时速达,176,公里，续驶里程,548,公里（,40Km/h,等速）电动汽车。,1996,年丰田、本田汽车企业研制电动汽车进入小批量生产，销售到美国加州。,德国,：,1992,年在吕根岛（,Rugen,）对,64,辆电动车进行了,4,年应用试验；,1995,年电动车保有量为,4400,台，是当初世界上电动汽车保有量最多国家。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第20页,纯电动汽车技术,我国纯电动汽车发展,90,年代初，我国将电动汽车研究开发首次列入国家“八五”科技攻关计划，国家计委、科委、经贸委、国防科工委都对电动汽车研究给予支持。在电动汽车及其电池、电机与控制器、充电系统、电子监控系统等方面取得了阶段性结果。,“九五”期间，国家科委将电动汽车列入国家重大科技产业工程项目，包含：电动概念车开发；电动改装车研制；电动汽车运行示范区建设；电池、电机、充电技术等关键技术研究和相关电动汽车政策、法规、标准制订等。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第21页,纯电动汽车技术,我国纯电动汽车发展,1999,年,4,月，李岚清副总理强调汽车产业要实现跨越式发展，要发展电动汽车。,1999,年,10,月，吴邦国副总理强调：为处理环境污染和能源问题，中国政府将大力支持电动汽车研究开发和生产。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第22页,纯电动汽车技术,我国纯电动汽车发展,10月我国将电动汽车项目列入国家“十五863”重大专题计划。投入8亿元人民币，对纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车关键技术进行了研究，取得了一些关键技术突破。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第23页,纯电动汽车技术,我国纯电动汽车发展,10月我国再一次将电动汽车项目列入国家“十一五863”重大专题计划。投入11亿元人民币，重点对混合动力电动汽车产业化技术和燃料电池电动汽车技术进行研究，力争对关键技术突破。,年6月国家“十一五863”计划将plug-in混合动力电动汽车和混合动力系统关键部件动力耦合装置列入发展计划，深入推进电动汽车技术深入发展。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第24页,纯电动汽车技术,我国纯电动汽车发展,10月我国提出了节能与新能源汽车发展战略：20新能源汽车保有量50万辆，对纯电动轿车补助（3000元/千瓦时电池，限额6万/车），对插电式电动轿车补助（3000元/千瓦时电池，限额5万/车）；20新能源汽车保有量500万辆；20燃油汽车油耗限值6.9升/百公里；20燃油汽车油耗限值5.0升/百公里。,年9月国家国家公布了对新能源汽车新补助标准。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第25页,纯电动汽车技术,纯电动汽车产业化困难,电池性能差 ：,电池比能量低、寿命短、充电速度慢和价格贵是纯电动汽车不能推广应用主要原因，另外电池还存在安全性问题。,动力性能差、运输效率低,：,因为电池存电量小，普通电机功率也小，造成纯电动汽车最高车速、加速能力、爬坡能力均较燃油汽车差，续驶里程短，运输效率也低。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第26页,纯电动汽车技术,纯电动汽车产业化困难,成本高、价格贵：,普通纯电动汽车制造成本是同级别燃油车,2-3,倍（主要是电池贵）；使用成本综合了电池使用成本后，在当前油价下较燃油汽车贵。,基础设施缺乏：,社会上缺乏电动汽车充电站和电动汽车维修、培训人员等。,电池突破口：锂硫（,Li-S,）电池，比容量,1-2.5KWH/Kg,；基于石墨烯锂离子电池，比功率可达,100KW/Kg,，比容量,750WH/Kg,；,锂空气电池。,小型低速电动汽车含有应用前景,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第27页,电动汽车技术,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车介绍,混合动力电动汽车技术特点,四种混合动力系统,混合动力电动汽车发展前景,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第28页,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车介绍,混合动力电动汽车是在纯电动汽车碰到巨大技术障碍时产物。,混合动力电动汽车源自于美国总统克林顿亲自提倡和支持,“,新一代汽车合作搭档,”,计划,(Partnership for a New Generation of Vehicles,，简称,PNGV),，开始于,1993,年,9,月，参加该项目标有,8,个美国联邦政府机构，众多国家试验室、大学研究机构、通用、福特、克莱斯勤三大汽车企业，上千个汽车零部件供给商等企业部门。该计划目标是到,年研制并投产一个性能与现在传统发动机排量在,2.8,3.0 L,左右中级轿车相同，而排放水平到达超低排放水平，燃料消耗量,到达百公里,3 L(,即,1,加仑汽油行驶,80mile),。而能到达此目标唯一选择就是混合动力电动汽车。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第29页,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车技术特点,混合动力电动汽车,(Hybrid Electric Vehicle,，简称,HEV),是将,电动单元,与,附加动力单元,(Auxiliary Power Unit,，简称,APU),适用到一辆车上。这个附加动力单元能够是一个燃烧,(,或消耗,),某种燃料发动机或动力发电机组。燃料能够是汽油、柴油等汽车传统燃料，也能够是甲醇、乙醇、液化石油气、天然气、氢气等代用燃料。发动机能够是内燃机、燃气轮机、斯特林发动机等热机，也能够是燃料电池。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第30页,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车技术特点,与传统燃油汽车和电动汽车相比含有特点：,电池容量减小（纯电动汽车,5-20%,左右），降低了电动汽车自重和成本。,附加动力单元,(APU),选取，使混合动力电动汽车续驶里程与动力性能能够到达燃油汽车水平。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第31页,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车技术特点,与传统燃油汽车和电动汽车相比含有特点：,、附加动力单元主要工作在最正确工况点附近，比传统内燃机汽车需在低速、高速、怠速和高负荷变工况运行时废气排放相比，可到达超低排放水平，普通，较传统内燃机汽车,降低排放,80%,左右。同时，因为附加动力单元主要工作在最正确工况点附近，,降低了油耗,30%,（汽油机）,左右。,专用发动机节能可达,40%,。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第32页,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车技术特点,与传统燃油汽车和电动汽车相比含有特点：,制动能量回收,系统深入节约了能源，依据工况不一样，,可降低油耗,10%-20%,；并提升制动系统可靠性和延长制动器使用寿命。,因为电池处于浅冲浅放状态，提升了电池使用寿命，降低了使用成本。,6.,大大增加了技术难度，主要是电动机、发电机、附加动力单元、动力耦合装置、电池与管理系统和制动能量回收协调控制难度。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第33页,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,串联式：,该系统由发动机、发电机、电池组、能量管理系统,(Energy Management System,简称,EMS),、驱动电机及其控制器、汽车传动系等部分组成。,发动机与发电机组成附加动力单元,(APU),。发动机控制在最正确工况区,(,油耗和排放最低,),相对稳定运行，带动发电机所发出电能可直接供电动机驱动汽车。,当汽车在起步、加速、爬坡或高速行驶等高负荷运行时，电池组能够提供额外电能。当汽车中低速运行时，发电机发出动力除了驱动汽车外，多出电能向电池组充电。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第34页,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,串联式：,串联式特点是：,动力系统需要三套（发动机、发电机、电动机），动力系统效率低，成本较高，节油率低；但控制难度较低，排放性能好。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第35页,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,并联式：,该系统由发动机、电池组、能量管理系统、发电,/,电动机及其控制器、汽车传动系等部分组成。,该系统,发动机,与,电动机,以机械能,迭加,方式驱动汽车。发动机与电动机既能够独立地驱动汽车，在需要大功率时也能够共同提供动力。,汽车低负荷运行时，由电机单独驱动汽车；,汽车中等负荷运行时，由发动机驱动汽车，发动机控制在最正确工况区附近稳定运行，富裕动力经过电机（发电状态）给电池充电；,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第36页,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,并联式：,当汽车高负荷运行时，发动机与电动机同时驱动汽车；,汽车滑行或制动时，经过制动能量回收系统控制，由电机向电池组充电,。,并联式特点是,：动力系统效率高，成本较低，油耗较低；但控制难度较大，排放性能较串联式稍差。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第37页,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,混联式：,该系统将串联络统与并联络统利用一个由行星齿轮系统组成动力分配装置，经过能量管理系统结合到一起，方便依据行驶工况及对能量需求，灵活采取不一样驱动方式。从而到达最高效率、最低燃油消耗和废气排放。,混联式特点是,：结合了串联式和并联式优点，动力系统效率高，油耗低，排放好，成本介于串联和并联之间；控制难度最大。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第38页,混合动力电动汽车技术,四种混合动力系统,、,plug-in,混合动力汽车：,该系统是纯电动汽车与混合动力电动汽车融合。正常行驶时以纯电动为主，为了降低电池使用量（从而减轻重量，降低成本）、提升续驶里程、提升汽车动力性和经济性，融合了混合动力汽车优点，从而到达最高效率、最低成本和废气排放。,plug-in,混合动力汽车特点是：结合了纯电动汽车和混合动力电动汽车优点，动力系统效率高，油耗低，排放好，成本较纯电动汽车有了大幅度降低。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第39页,混合动力电动汽车技术,混合动力电动汽车发展前景,鉴于混合动力电动汽车含有节能和环境保护优点，技术上不存在克服不了困难，成本（并联式）较传统燃油汽车增加不多（约,10%-20%,），有可能经过节约燃料费收回，在当前情况下是最有发展前景电动汽车。其中，,并联式混合动力电动汽车前景最为光明,。,plug-in,电动汽车,在,特定条件,下及在,油价与电价不平衡,时有较大优势。,假如,EVT,技术发展成熟，串联与混联技术也较有前途。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第40页,电动汽车技术,燃料电池电动汽车技术,燃料电池工作原理,燃料电池种类,燃料电池电动汽车,制约燃料电池电动汽车应用原因,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第41页,燃料电池电动汽车技术,燃料电池工作原理,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第42页,燃料电池电动汽车技术,燃料电池种类（五种）,燃料,电池,电解质,工作温度,(,o,C),优点,缺点,效率,(,),碱性燃料电池,KOH-H,2,O,80,开启快；,室温常压下工作。,需以纯氧作氧化剂；成本高。,70,磷酸燃料电池,H,3,PO,4,200,对,CO,2,不敏感,工作温度高；对,CO,敏感；效率低。,40,固体氧化物燃料电池,ZrO,2,-Y,2,O,3,1000,可用空气作氧化剂；,可用天然气或甲烷作燃料。,工作温度高,60,熔融碳酸盐燃料电池,Na,2,CO,3,650,可用空气作氧化剂；,可用天然气或甲烷作燃料,工作温度高,60,质子交换膜燃料电池,含氟质子交换膜,80,100,工作温度低；,可用空气作氧化剂；,比功率大，起动快速。,对,CO,非常敏感,反应物需要加湿,60,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第43页,燃料电池电动汽车技术,燃料电池电动汽车：,混合动力电动汽车一个，包含燃料电池发动机、电机及其控制系统、电能存放系统等,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第44页,燃料电池电动汽车技术,制约燃料电池电动汽车应用原因,氢气制备和储运：,制备成本，运输安全性，车载安全性,燃料电池价格昂贵：,质子交换膜成本高（,120180,美元,/,平米），电催化剂需用铂金（,5,克,/,平米），,kw/,美元,基础设施缺乏：,加氢站几乎没有。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第45页,电动汽车技术,汽车未来动力系统与能源,纯电动汽车因为能源利用率较低，且电池比能量低、充电慢、成本高，应用前景不乐观。不过，在电价与油价不均衡情况下，,低速小型电动汽车含有使用成本低优势,。,混合动力电动汽车因为能源利用率高，可实现超低污染，价格增加有限，当前最有应用前景。尤其是,并联式燃油或燃气混合动力汽车,与,plug-in,混合动力汽车优势最为显著。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第46页,电动汽车技术,汽车未来动力系统与能源,3,、燃料电池电动汽车（氢燃料）尽管存在能源利用率较高，工作时噪音小，基本零污染等优点；但在处理其燃料,-,氢气低成本制备和安全储运，燃料电池本身成本以及电催化剂材料问题前，应用前景不明。,4,、燃气（,LNG,、,CNG,、,LPG),汽车伴随页岩气革命，含有成本低、排放少特点，含有很好发展前景。尤其是商用车因为气罐布置灵活，前景更加好。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第47页,电动汽车技术,汽车未来动力系统与能源,5,、氢燃料汽车尽管存在基本零污染等优点；但在处理其燃料,-,氢气低成本制备、储运和氢气燃料安全问题前，应用前景不明。,6,、蒸汽汽车因为体积大、重量太重、效率太低和污染严重，在汽车上不会再有应用前景。,电动汽车技术与汽车未来动力系统和能源培训课件,第48页,