汽車技術(shù)論文(2)
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
摘要：
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力等方面做了大量的研究工作。用燃料電池做動力源應(yīng)該是解決石油資源缺乏的有效途徑之一。本文著重對燃料電池汽車的動力性水平進(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)國際上通行的能源預(yù)測數(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。就我國來說，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(見表1)。據(jù)專家預(yù)測，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)成為人類社會發(fā)展的必然。
表1 我國石油進(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)浠衔铩⒌趸衔锖涂晌腩w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，如果忽視了對汽車污染物的控制，我國的自然環(huán)境和生態(tài)平衡將會受到極大的破壞，從而影響我國更進(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，已成為我國實(shí)施環(huán)保節(jié)能型社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。
“綠色”汽車
我國油品質(zhì)量比較差，無論是國產(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)展趨勢看，要想徹底解決汽車污染的問題，發(fā)展“綠色”汽車是當(dāng)務(wù)之急。發(fā)展“綠色”汽車顯然比對尾氣進(jìn)行末端處理的傳統(tǒng)觀念更能適應(yīng)人類對環(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汽車。替代能源汽車，主要是大力開發(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，就是解決我國石油資源短缺的一個(gè)重要措施和途徑。
電動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，無發(fā)動機(jī)噪聲和振動，能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)。
對于燃料電池汽車來說，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題。在燃料電池汽車的工作過程中，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：儲氣罐，用以儲存氫氣(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;電動機(jī)(MOTOR)及相應(yīng)的減變速器等;電池組作為輔助能源(見圖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)載有所變動時(shí)，燃料電池會很快響應(yīng)，故無論處于額定功率以上過載運(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際上最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。對于氫燃料電池而言，發(fā)電后產(chǎn)物只有水，可實(shí)現(xiàn)零污染排放;對于醇類燃料電池來說，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)械傳動部件，故消除了噪聲。
四是適用性強(qiáng)。燃料電池的燃料來源更多更廣，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。從長遠(yuǎn)或更遙遠(yuǎn)看，可從水里提取氫和生物制氫(通過太陽光分解水而獲得)。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、最多的，一旦技術(shù)上取得突破，成本就可降至實(shí)用化。
燃料電池汽車動力性技術(shù)分析
燃料電池汽車的動力來源與普通汽車不同。雖然其環(huán)保節(jié)能性具有毫無疑問的優(yōu)勢，但其動力性表現(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號燃料電池汽車，對其動力性表現(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――車輪的滾動半徑，單位m;
f――滾動阻力系數(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)動力矩-車速統(tǒng)計(jì)圖。
圖2 驅(qū)動力矩-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)生的加速度來評價(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。
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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，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阻力和空氣阻力后的余力全部用來(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，在20%坡度上以50km/h勻速行駛時(shí)所需的最大驅(qū)動力為3824N，小于按最大功率計(jì)算所得的驅(qū)動力3888N，故此時(shí)驅(qū)動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，延長電池等電器部件的使用壽命，對燃料電池汽車的動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)雜的傳感器對單個(gè)燃料電池和蓄電池的電壓、電流、溫度等信號進(jìn)行測試，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)模型對每個(gè)單體電池進(jìn)行分析，以確定其狀態(tài)，并能通過多功能顯示器告訴駕駛員或通過系統(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：
一是對電池組中每塊電池的端電壓和溫度進(jìn)行采集，對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)燃料電池汽車儲氫量和儲能電池的剩余能量，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)電池組在充電過程中由于各電池的不均衡性而造成某些電池過充電或欠充電的問題，有利于延長電池的使用壽命。
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、爬坡和加速過程中，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對車重產(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
綜上分析，燃料電池汽車在動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：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，國家和相關(guān)部門對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，燃料電池將是挑戰(zhàn)21世紀(jì)、改變未來世界的新能源，燃料電池汽車將是21世紀(jì)汽車工業(yè)的新希望。
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