環(huán)保汽車技術(shù)論文(2)
環(huán)保汽車技術(shù)論文篇二
發(fā)展燃料電池汽車技術(shù)途徑研究
目前，地球上的石油資源日益短缺，大氣環(huán)境日益惡化，為此，世界汽車界的許多研究機(jī)構(gòu)在發(fā)展燃料電池作為零排放和超低排放汽車動(dòng)力等方面做了大量的研究工作。用燃料電池做動(dòng)力源應(yīng)該是解決石油資源缺乏的有效途徑之一。本文著重對(duì)燃料電池汽車的動(dòng)力性水平進(jìn)行分析驗(yàn)證，并介紹其能量管理策略，以闡明發(fā)展燃料電池汽車在技術(shù)上的可行性。
能源的匱乏和環(huán)境的污染
能源是人類賴以生存的五大要素之一，根據(jù)國(guó)際上通行的能源預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，石油和天然氣將在40-60年內(nèi)枯竭，煤炭也只能用到2220年。就我國(guó)來(lái)說(shuō)，石油進(jìn)口依存度(凈進(jìn)口與消費(fèi)量之比)也在不斷上升(見(jiàn)表1)。據(jù)專家預(yù)測(cè)，2015年前后可能發(fā)生第三次世界石油危機(jī)，現(xiàn)有的能源資源已經(jīng)很難在長(zhǎng)期內(nèi)滿足人類的需求，尋求新型能源和替代能源已經(jīng)成為人類社會(huì)發(fā)展的必然。
表1 我國(guó)石油進(jìn)口依存度
年份 1995年 2000年 2010年 2015年
石油進(jìn)口依存度 6.6% 20% 23% 25%
汽車在給人類帶來(lái)便捷和文明的同時(shí)，也成為能源的最大消耗者，成為破壞環(huán)境的元兇。汽車排出的一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物和可吸入顆粒物等，已成為破壞城市大氣質(zhì)量的罪魁禍?zhǔn)?排放的二氧化碳?xì)怏w，是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要原因。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，汽車排放污染物已成為我國(guó)許多城市空氣的主要污染源，在世界污染最嚴(yán)重的城市中，北京榜上有名。目前，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，汽車保有量也迅速增加，如果忽視了對(duì)汽車污染物的控制，我國(guó)的自然環(huán)境和生態(tài)平衡將會(huì)受到極大的破壞，從而影響我國(guó)更進(jìn)一步的發(fā)展。
因此，在節(jié)約汽車使用能源的同時(shí)，控制汽車有害物排放、保護(hù)環(huán)境，已成為我國(guó)實(shí)施環(huán)保節(jié)能型社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。
“綠色”汽車
我國(guó)油品質(zhì)量比較差，無(wú)論是國(guó)產(chǎn)車還是進(jìn)口車，在相同的工作條件下汽車排放的有害氣體比發(fā)達(dá)國(guó)家要高出很多。提高燃油品質(zhì)和采取排放控制技術(shù)固然有效，但從目前的發(fā)展趨勢(shì)看，要想徹底解決汽車污染的問(wèn)題，發(fā)展“綠色”汽車是當(dāng)務(wù)之急。發(fā)展“綠色”汽車顯然比對(duì)尾氣進(jìn)行末端處理的傳統(tǒng)觀念更能適應(yīng)人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的強(qiáng)烈要求。
“綠色”汽車主要包括替代能源汽車和電動(dòng)汽車。替代能源汽車，主要是大力開(kāi)發(fā)推廣代用燃料，包括液化石油氣(LPG)、天然氣(CNG)和醇類燃料等。替代能源改變了傳統(tǒng)能源的結(jié)構(gòu)，是降低排放物的重要措施，也是當(dāng)前我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。盡管目前替代能源資源存在著地域限制，但只要能充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，就是解決我國(guó)石油資源短缺的一個(gè)重要措施和途徑。
電動(dòng)汽車分為可充電的蓄電池汽車、燃料電池汽車等，它具有舒適、干凈，無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和振動(dòng)，能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)于燃料電池汽車來(lái)說(shuō)，它的燃料――氫在自然界中有豐富的含量，所以不存在資源短缺的問(wèn)題。在燃料電池汽車的工作過(guò)程中，它的能量轉(zhuǎn)換物是水，所以燃料電池汽車是真正意義上的“綠色”汽車。
燃料電池汽車
1.燃料電池汽車系統(tǒng)組成
目前典型的燃料電池汽車系統(tǒng)有如下幾個(gè)主要部件：儲(chǔ)氣罐，用以儲(chǔ)存氫氣(若燃料是甲醇等氣體還包括相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器);燃料電池;DC/DC轉(zhuǎn)換器，DC/AC逆變器;電動(dòng)機(jī)(MOTOR)及相應(yīng)的減變速器等;電池組作為輔助能源(見(jiàn)圖1)。
圖1 燃料電池汽車系統(tǒng)組成
2.燃料電池的特點(diǎn)
一是能量轉(zhuǎn)換效率高。燃料電池能把在燃料中存儲(chǔ)的能量，以大約90%的效率轉(zhuǎn)化為可以利用的電能和熱能。目前，磷酸型燃料電池(PA燃料電池)的電能轉(zhuǎn)化率為40%-50%，熔融碳酸鹽燃料電池(MC燃料電池)的發(fā)電效率大于50%，而且燃料電池的效率與它的規(guī)模和負(fù)載無(wú)關(guān)。目前汽輪機(jī)或柴油機(jī)的效率最大值為40%-50%，當(dāng)用熱機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，其效率僅為35%-40%，而燃料電池可達(dá)60%-70%，其理論能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%。
二是可靠性好。燃料電池發(fā)電裝置由單個(gè)電池堆疊至所需規(guī)模的電池組構(gòu)成，由于這種電池組是模塊結(jié)構(gòu)，因而維修十分方便。另外，當(dāng)負(fù)載有所變動(dòng)時(shí)，燃料電池會(huì)很快響應(yīng)，故無(wú)論處于額定功率以上過(guò)載運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行，它都能承受，且效率變化不大。這種優(yōu)良性能使燃料電池在用電高峰時(shí)可作為貯能電池使用。
三是清潔低噪聲。燃料電池能提高空氣質(zhì)量，減少水的消耗和廢水的排放，其排放量能滿足目前國(guó)際上最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于氫燃料電池而言，發(fā)電后產(chǎn)物只有水，可實(shí)現(xiàn)零污染排放;對(duì)于醇類燃料電池來(lái)說(shuō)，其排放物中有少量CO、CO2，但NOx為零。另外，由于燃料電池?zé)o熱機(jī)活塞引擎等機(jī)械傳動(dòng)部件，故消除了噪聲。
四是適用性強(qiáng)。燃料電池的燃料來(lái)源更多更廣，可從根本上消除汽車能源短缺甚至枯竭之憂。由于燃料電池使用的直接燃料是氫，而獲取氫的途徑又是多種多樣的，所以，從理論上講，地球上的氫能是取之不盡、用之不竭的。從近期和中期看，用于燃料電池的氫從富含氫的石化燃料(亦可稱之為燃料電池的間接燃料)制取在技術(shù)上比較可行，成本較低。例如，可從天然氣、甲醇、汽油里制取。從長(zhǎng)遠(yuǎn)或更遙遠(yuǎn)看，可從水里提取氫和生物制氫(通過(guò)太陽(yáng)光分解水而獲得)。眾所周知，水和生物(這里不僅指植物，還包括一些具有相似功能的微生物)是自然界最常見(jiàn)、最多的，一旦技術(shù)上取得突破，成本就可降至實(shí)用化。
燃料電池汽車動(dòng)力性技術(shù)分析
燃料電池汽車的動(dòng)力來(lái)源與普通汽車不同。雖然其環(huán)保節(jié)能性具有毫無(wú)疑問(wèn)的優(yōu)勢(shì)，但其動(dòng)力性表現(xiàn)是否能滿足人們正常行駛的要求呢?人們知道，體現(xiàn)汽車動(dòng)力性的三個(gè)主要方面是加速性、最高車速和爬坡度。本章將結(jié)合同濟(jì)大學(xué)超越3號(hào)燃料電池汽車，對(duì)其動(dòng)力性表現(xiàn)的以上三個(gè)主要方面進(jìn)行校核計(jì)算，以驗(yàn)證燃料電池汽車的動(dòng)力性。以下是校核計(jì)算時(shí)所使用的汽車參數(shù)：
m=1817 r=0.29 f=0.015 A=2.02 CDCD=0.3
g=9.8 P=1.226
m――滿載時(shí)汽車的質(zhì)量，單位kg;
r――車輪的滾動(dòng)半徑，單位m;
f――滾動(dòng)阻力系數(shù);
A――迎風(fēng)面積，單位m2;
CD――空氣阻力系數(shù);
g――重力加速度，單位m/s2;
P――空氣密度，單位N・s2・m-4。
圖2是使用燃料電池汽車的驅(qū)動(dòng)力矩-車速統(tǒng)計(jì)圖。
圖2 驅(qū)動(dòng)力矩-車速圖
根據(jù)該圖及給定的汽車行駛參數(shù)，可得以下主要特性：
Nmax=1100Nm Pmax=54kw Ve=50km/h
Vmax=110km/hPe=19.2kw
在傳動(dòng)比為10的情況下，相應(yīng)的電機(jī)特性如下：
Nmax=111Nm Pmax=541kw ne=4585r/min
nmax=10123r/min Pe=19.2kw
下面，將根據(jù)上述各數(shù)據(jù)，分別從0-100km/h加速時(shí)間、最高車速、最大爬坡度三個(gè)方面進(jìn)行校核計(jì)算。
1.0-100km/h加速時(shí)間校核計(jì)算
汽車的加速能力可用它在水平良好路面上行駛時(shí)產(chǎn)生的加速度來(lái)評(píng)價(jià)。
根據(jù)汽車行駛方程：
在不考慮坡度阻力的情況下，可得
根據(jù)加速度圖可以進(jìn)一步求得某一車速加速至另一較高車速所需的時(shí)間。
本文為全文原貌 未安裝PDF瀏覽器用戶請(qǐng)先下載安裝 原版全文
故0-100km/h的加速時(shí)間：
把加速度值代入上式，在已知、、、的情況下，即可求得0-100km/h的加速時(shí)間。
小于20s(普桑的0-100km/h加速時(shí)間是14-15s，微型車如QQ等更是達(dá)到19s以上)，故滿足車輛的加速性要求。實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得的0-100km/h加速時(shí)間是19.01s。
2.最高車速的校核計(jì)算
根據(jù)汽車行駛方程：
當(dāng)汽車達(dá)到最高車速時(shí)，可以忽略坡度阻力和加速度阻力，即最高車速
將車輛參數(shù)代入，可求得在最高車速下所需的功率
可見(jiàn)，滿足<，故以最高車速行駛時(shí)功率滿足要求。實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得的最高車速為113km/h。
3.最大爬坡度的校核計(jì)算
一般汽車的爬坡能力，是指汽車在良好路面上克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力后的余力全部用來(lái)(即等速)克服坡度阻力時(shí)能爬上的坡度，所以 。
根據(jù)汽車的行駛方程
不考慮加速阻力
已知最大功率=54kw
由公式
得
當(dāng)汽車在20%的坡度上以50km/h車速行駛時(shí)，根據(jù)上面公式得：
由此可見(jiàn)，在20%坡度上以50km/h勻速行駛時(shí)所需的最大驅(qū)動(dòng)力為3824N，小于按最大功率計(jì)算所得的驅(qū)動(dòng)力3888N，故此時(shí)驅(qū)動(dòng)力可以滿足最大爬坡度要求。實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了20%坡道的爬坡能力。
綜上所述，動(dòng)力性的三個(gè)主要方面都能滿足要求，為發(fā)展燃料電池汽車增添了必勝的信心。雖然在數(shù)據(jù)方面和內(nèi)燃機(jī)汽車還存在一定的差距，但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信燃料電池汽車一定能引發(fā)汽車界的重大革命。
燃料電池汽車能量管理系統(tǒng)及能量管理策略
通常，燃料電池汽車運(yùn)行過(guò)程中，主電路電流變化比較大。主電路電流的大小不僅影響系統(tǒng)的散熱與正常工作，而且還直接影響燃料電池放電性能與使用壽命，同時(shí)也影響燃料電池汽車的續(xù)駛里程。
當(dāng)采用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，燃料電池汽車主電路是指給燃料電池汽車正常行駛所需能量的電路，即燃料電池與壓縮機(jī)之間的電路，燃料電池到控制器或逆變器之間的直流電路和逆變器與交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)之間的交流電路，另外也包括由輔助能源――電池組與逆變器和燃料電池連接的電路，這四條電路稱之為燃料電池汽車的主電路。
為了合理有效的使用能量，確保燃料電池汽車各系統(tǒng)在各種工況下安全、高效的工作，增加汽車的續(xù)駛里程，延長(zhǎng)電池等電器部件的使用壽命，對(duì)燃料電池汽車的動(dòng)力源燃料電池和電池組進(jìn)行能量管理是十分必要的。
燃料電池汽車能量管理系統(tǒng)主要由傳感器組(電流、電壓、溫度、壓力)，計(jì)算機(jī)信號(hào)采集、處理和分析模塊，多功能顯示器和控制執(zhí)行單元構(gòu)成。先進(jìn)的能量管理系統(tǒng)構(gòu)造及其復(fù)雜的傳感器對(duì)單個(gè)燃料電池和蓄電池的電壓、電流、溫度等信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，將這些數(shù)據(jù)送入控制中心――計(jì)算機(jī)，根據(jù)電池充放電和壽命指數(shù)模型對(duì)每個(gè)單體電池進(jìn)行分析，以確定其狀態(tài)，并能通過(guò)多功能顯示器告訴駕駛員或通過(guò)系統(tǒng)控制器直接控制各種參數(shù)和控制汽車的運(yùn)行。多功能顯示器主要告訴操作人員以下信息：系統(tǒng)電壓、燃料儲(chǔ)備或消耗量、已運(yùn)行里程、還能運(yùn)行多少里程、系統(tǒng)充電警告、是否有已損壞的電池、電池壽命估算等。具有先進(jìn)的能量管理系統(tǒng)的燃料電池汽車，可以顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命。
電池能量管理系統(tǒng)要完成的基本任務(wù)有如下幾條：
一是對(duì)電池組中每塊電池的端電壓和溫度進(jìn)行采集，對(duì)每組電池充放電電能進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，建立每塊電池的使用檔案。
二是隨時(shí)預(yù)報(bào)燃料電池汽車儲(chǔ)氫量和儲(chǔ)能電池的剩余能量，使司機(jī)心中有數(shù)。
三是電池需要放電時(shí)及時(shí)報(bào)警，以防止電池放電過(guò)度而影響其使用壽命。
四是當(dāng)給電池充電時(shí)，能量管理系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)的有關(guān)數(shù)據(jù)確定每塊電池的充電狀態(tài)，彌補(bǔ)電池組在充電過(guò)程中由于各電池的不均衡性而造成某些電池過(guò)充電或欠充電的問(wèn)題，有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命。
五是合理分配電池能量在燃料電池汽車上的使用，有利于節(jié)能。例如，在燃料電池汽車起動(dòng)、爬坡和加速過(guò)程中，應(yīng)暫時(shí)關(guān)閉空調(diào)等耗電量大的電器，并使蓄電池配合燃料電池供電，控制電池放電電流。
由于燃料電池的電化學(xué)副產(chǎn)物是含有熱能的熱水和低溫蒸汽，因此對(duì)水和熱的有效管理和利用也是能量管理系統(tǒng)的一個(gè)方面。
考慮到充滿電的電池組可以行駛大約300多公里，而載備更多的電池會(huì)對(duì)車重產(chǎn)生影響，所以在不斷完善能量管理系統(tǒng)的同時(shí)，如何使燃料電池汽車快捷便利的充電續(xù)駛，是下一個(gè)更實(shí)際的努力目標(biāo)。
結(jié)束語(yǔ)
綜上分析，燃料電池汽車在動(dòng)力性方面完全可以滿足一般需求。而在排放方面，由于只有水和二氧化碳，所以除了考慮解決溫室效應(yīng)的問(wèn)題，污染物幾乎為零，是很理想的環(huán)保產(chǎn)品。燃料電池具有內(nèi)燃機(jī)不可比的特性和發(fā)展趨勢(shì)：燃料電池所用的燃料具有通用性，燃料電池幾乎適用于所有燃料，即使將來(lái)石油等燃料用盡，也不威脅它的生存;燃料電池具有包容性，除不用內(nèi)燃機(jī)和相關(guān)的傳動(dòng)部件外，現(xiàn)有汽車所有的部件和技術(shù)都可直接用在燃料電池汽車上;在能量管理方面也十分科學(xué)和人性化，因而易被市場(chǎng)接受。燃料電池的基本技術(shù)已相當(dāng)堅(jiān)實(shí)，而部分專家也已在著手研究充電續(xù)駛管理方面的更有效方案。目前，國(guó)家和相關(guān)部門對(duì)燃料電池汽車的大力支持將使其在今后取得飛速發(fā)展。據(jù)專家預(yù)測(cè)，燃料電池將是挑戰(zhàn)21世紀(jì)、改變未來(lái)世界的新能源，燃料電池汽車將是21世紀(jì)汽車工業(yè)的新希望。
看了“環(huán)保汽車技術(shù)論文”的人還看：