電動汽車在我國的發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)研究

電動汽車在我國的發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)研究1引言在拉閘限電、關(guān)停并轉(zhuǎn)等行政手段的強制作用下,“十一五”節(jié)能減排任務(wù)終于艱難收官。2011年,是“十二五”規(guī)劃的開局之年,也是中國轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式的關(guān)鍵年份。作為國家節(jié)能減排的重要組成部分,新能源汽車被列為加快培育和發(fā)展的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一,而汽車電動化和動力混合化成為新能源汽車的發(fā)展重點。電動汽車在沉睡了100多年后,再一次進入了人們的視野。從海關(guān)總署公布的數(shù)據(jù)顯示,2010年中國進口原油2.39億噸,對外依存度超過50%。而據(jù)國務(wù)院發(fā)展研究中心估計,到2020年,中國石油消耗的76%要依賴進口,汽車的石油消耗將占國內(nèi)石油總需求的57%。能源的緊張使我們不得不為汽車消費的增長找出一條新的思路。另一方面,汽車的大量使用加劇了環(huán)境污染。城市大氣中CO的82%、NOx的48%、HC的58%和微粒的8%來自汽車尾氣。此外,汽車排放的大量CO2加劇了溫室效應(yīng)。而我國國內(nèi)汽車水平與國外差距很大,平均油耗高出10%～30%,排放約為15～20倍,因此,汽車工業(yè)面臨減排的壓力更大。隨著能源危機和環(huán)保問題的日益突出,傳統(tǒng)汽車工業(yè)將面臨越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。電動汽車,作為新能源汽車家族的重要成員之一,將發(fā)揮出不可替代的作用。2電動汽車在我國的發(fā)展現(xiàn)狀2.1純電動汽車我國在純電動汽車方面開展了不少研究,也取得了一批成果。天津清源電動車輛股份有限公司與天汽集團等單位聯(lián)合研發(fā)的純電動轎車示范運行累計行程超過20萬km。通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,北京理工大學(xué)、北京京華客車廠等單位已經(jīng)建成多家純電動客車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化基地,小批量研發(fā)生產(chǎn)的4種車型、近40輛公交車已投入北京奧運會電動示范車隊的運行。2.2燃料電池電動汽車“十五”期間,在“863”電動汽車重大專項以及各地方政府的自主下,我國車用燃料電池技術(shù)取得實質(zhì)性進展,成功開發(fā)出轎車和客車用燃料電池系統(tǒng)。同濟大學(xué)和上海神力科技公司先后共同開發(fā)了3代“超越”系列燃料電池電動汽車,并進行了示范運行,其電控水平已進入國際前列。另外,在電催化劑、復(fù)合膜等關(guān)鍵材料,雙極板、增濕器等關(guān)鍵部件以及系統(tǒng)集成方面,擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系,核心部件性能已接近國際先進水平。2.3混合動力電動汽車我國在混合動力汽車技術(shù)方面取得了重要技術(shù)突破。一汽、東風(fēng)、長安等汽車公司競相開發(fā)出混合動力汽車性能樣車,節(jié)油30%以上,排放減少30%,轎車和客車最高車速分別超過160km/h和80km/h。由東風(fēng)電動車輛股份有限公司自主研發(fā)的東風(fēng)混合動力城市公交車,其整車水平與國際先進技術(shù)相當(dāng),某些關(guān)鍵技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。雖然成果頗豐,但與國外電動汽車的研究技術(shù)相比,國內(nèi)的技術(shù)仍有不少差距。具體說來,對于純電動汽車,最大的困難是電池的性能、重量、尺寸以及對充放電的要求等難以滿足當(dāng)代汽車的需求;對于燃料電池電動汽車,氫氣的制取、儲備是一個十分關(guān)鍵又不易解決的問題;對于混合動力電動汽車,由于仍需起動內(nèi)燃機,因此也達不到零排放的要求并且也無法擺脫對石油的依賴。而且,國內(nèi)很多電動汽車仍然停留在大學(xué)或科研機構(gòu)的實驗室階段,真正要進入規(guī)?；a(chǎn)和制造,尚需時日。3電動汽車關(guān)鍵技術(shù)及其研究3.1純電動汽車3.1.1動力電池技術(shù)鎳氫蓄電池是堿性電池,其基本特性與鎳鎘電池相似。但不含重金屬,回收一般不構(gòu)成問題,故有“綠色電池”之稱。近年來受到國際上的普遍關(guān)注。鎳氫蓄電池的技術(shù)關(guān)鍵是確立一種可以無數(shù)次反復(fù)使用的能夠儲存氫的合金材料。目前,有兩種材料可用于鎳氫電池:一種是基于斕鎳的稀土合金,稱為AB5類合金;另一種是由鈦鎬等構(gòu)成的稀土合金,稱為AB2類合金。前者的容量比后者小,但它的充電特性和穩(wěn)定性比后者優(yōu),故在鎳氫電池上應(yīng)用較多。我國的稀土資源豐富,開發(fā)此類材料具有很大的前景。相對于傳統(tǒng)的鎳氫電池,鋰離子電池的歷史很短,但它號稱“終極電池”,受到市場的廣泛青睞。首先,作為電池材料的鋰,便具有質(zhì)輕、電極產(chǎn)生電子的能力強等先天優(yōu)勢,這使得鋰離子電池比能量、比功率均較高,循環(huán)壽命長,充電時間較短,并且原材料豐富,使用安全。但目前價格較高,相信隨著技術(shù)的提升和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展,鋰離子電池將成為電動汽車動力電池的主要方向。3.1.2充電技術(shù)傳統(tǒng)的恒流恒壓充電方式充電速度慢、時間長,可考慮采用脈沖充電方式。這種方式的最大特點是利用脈沖充電截止時,為電池提供了休息時間,讓電池的電化學(xué)反應(yīng)能獲得充分的中和,延長了電池的使用壽命。由于電池有了充電休息時間,使得充電時可以提供接近電池可接受的最大脈沖峰值電流,從而加快了充電速度,縮短了充電時間。此外,還可考慮在汽車行駛時充電,即所謂的移動式充電(MAC)。MAC系統(tǒng)埋設(shè)在一段路面之下、即充電區(qū),不需要額外的空間,汽車在行駛過程中可以通過道路或護欄進行充電。關(guān)于這方面的應(yīng)用,我們可以向國外借鑒。比如在美國洛杉磯,科學(xué)家在一條公路上鋪設(shè)了一段300m的充電公路,電動汽車在進入這段公路時,只要放下一塊帶有連線的金屬板在路面上滑行,就會吸取埋在路面上高壓電纜中的電力,為汽車上的蓄電池充電,速度很快,只需幾分鐘。這為充電站提供了一種新的思路,即通過沿公路鋪設(shè)充電線路對行駛中的電動汽車隨時提供電能補充。無線快速充電技術(shù),可以隨時隨地利用各種新的清潔能源進行充電,例如風(fēng)能、太陽能等。這種充電站裝有太陽能發(fā)電系統(tǒng)或風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)和蓄電設(shè)備,可與商用電力連接。能將清潔能源所發(fā)的電儲存在蓄電設(shè)備中,然后利用蓄電設(shè)備的電力為車輛充電。蓄電設(shè)備的電力用完時,可用商用電力為車輛充電,因此能夠不受天氣和時間的影響穩(wěn)定充電。除了對充電技術(shù)進行改進以外,還可以采用在電池更換站更換電池組的方式。電池更換站同時具備正常充電站和快速充電站的優(yōu)點,它可以用低谷電給蓄電池充電,同時又能在很短的時間內(nèi)完成充電過程。通過使用機械設(shè)備,整個電池更換過程可以在10min內(nèi)完成,與現(xiàn)有的燃油車加油時間大致相當(dāng)。3.2燃料電池電動汽車就燃料電池車的應(yīng)用而言,將燃料供應(yīng)給車載燃料電池是其主要的難題。氫,是應(yīng)用于燃料電池車的理想燃料。因此,制氫及其儲存技術(shù)是十分關(guān)鍵的。目前,有兩種途徑向燃料電池供應(yīng)氫:一是在地面供應(yīng)站生產(chǎn)氫氣,而在車上儲存純氫;另一是在車上,從易于含氫的承載裝置中生產(chǎn)氫,并直接供給燃料電池。3.2.1儲氫技術(shù)純氫可用車載方式在加壓狀態(tài)下儲存在罐內(nèi)。但是,在幾百標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下儲存氣體要求有很高強度的儲氣罐。為了使得罐的重量盡可能輕,而其容積合理,目前應(yīng)用于汽車的儲氫罐的制造采用了復(fù)合材料如碳纖維材料。因而,壓縮儲氫罐的成本可能會較高。此外,由于氫氣屬于易燃性氣體并且容易滲透和擴散,在罐體的制作上,還必須考慮車載壓縮氫的易燃性。另一可供選擇的儲氫方法是在低溫(-259.2℃)條件下使之液化,如此儲存的氫被稱為“LH2”。通常的方法是構(gòu)造一個高度絕熱的儲罐,且使之堅固地足以承受因液氫氣化所產(chǎn)生的相當(dāng)?shù)膲毫?而過量的壓力則通過安全閥釋放至大氣中。但這一儲罐的絕熱、高強度和安全設(shè)置也顯著地增加了LH2儲存的重量和成本。但假如能將液態(tài)作為氫氣的運輸手段,那么就能充分利用目前加油站的基礎(chǔ)設(shè)施,順利實現(xiàn)向氫氣社會的過渡。作為固體的氫氣儲藏技術(shù),新型儲氫合金的開發(fā)如今進行得如火如荼。在標(biāo)準(zhǔn)的溫度和壓力條件下,金屬氫化物是穩(wěn)定的,而僅當(dāng)需要時,可以釋放氫。堿金屬氫化物是可供選擇的金屬氫化吸收材料。這類氫化物劇烈地與水反應(yīng),釋放氫氣和氫氧化物。其主要缺點是在同一車輛中必須承載高活性的氫化物和腐蝕性的氫氧化物溶液,但相比于其他許多儲氫技術(shù),其儲氫密度是合適的。在1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管因其潛在的對氫的高吸收容量,以及重量輕等優(yōu)點,是儲氫系統(tǒng)中很有前景的方法。3.2.2制氫技術(shù)目前,氫大部分由碳氫化合物燃料通過重整生成。重整是一種由碳氫化合物提取氫的化學(xué)反應(yīng)。在這一反應(yīng)期間,燃料的能量值從碳—氫鍵被轉(zhuǎn)換成氫氣。如汽油、甲烷或甲醇這類的碳氫化合物,由于很容易予以重整,故為最有希望的選擇對象,但是在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生部分CO2。通過加熱氨,可避免這個問題:2NH3N2+3H2。由于反應(yīng)是可逆的,故它的能量需求是極小的。并且氨在低壓(約10個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)或輕度低溫(-33℃)時就能液化,因此就儲存而論,氨呈現(xiàn)了巨大的優(yōu)越性。但是氨有一個缺點即其毒性,這使得將其作為燃料有一定的困難。3.3混合動力電動汽車由于電動汽車在價格和技術(shù)等方面存在一定問題,使其尚未普及,但內(nèi)燃機汽車技術(shù)經(jīng)過100多年來的發(fā)展已經(jīng)很成熟,而且隨著電子控制燃油噴射、多氣門進/排氣等技術(shù)的發(fā)展,內(nèi)燃機汽車的性能也有了很大的提高。在這種情況下,混合動力汽車作為一個折中的方案應(yīng)運而生。目前,內(nèi)燃機/蓄電池混合動力汽車應(yīng)用前景較廣,其中又以串/并聯(lián)混合式較為優(yōu)先。3．3.1動力切換系統(tǒng)動力切換系統(tǒng)用于在串聯(lián)驅(qū)動和并聯(lián)驅(qū)動間切換。當(dāng)在市區(qū)低負(fù)荷行駛時,放開離合器采用串聯(lián)方式驅(qū)動;在高速行駛時,由于發(fā)動機需要持續(xù)工作在大功率區(qū)域,而驅(qū)動負(fù)荷較大時串聯(lián)系統(tǒng)的工作效率比較低,因此離合器接合,汽車采用并聯(lián)方式驅(qū)動。3.3.2動力分配系統(tǒng)該系統(tǒng)通過一種行星齒輪機構(gòu)組成的動力分配裝置,將整個系統(tǒng)耦合在一起,根據(jù)行駛工況靈活采取各種工作方式,以達到熱效率最高、排放污染最低的效果:起步或低速、低負(fù)荷工況時,關(guān)閉發(fā)動機由蓄電池電能驅(qū)動;一般行駛工況時,動力系統(tǒng)以串/并聯(lián)混合方式工作;大節(jié)氣門加速或重負(fù)荷工況時,蓄電池也提供能量參與驅(qū)動;制動和減速時,通過能量回收系統(tǒng)向蓄電池充電;停車時,發(fā)動機自動關(guān)機;蓄電池充電時,由計算機控制其維持在一個穩(wěn)定的充電狀態(tài)。4我國電動汽車發(fā)展的政策性建議電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,除了技術(shù)上的突破外,還需要國家政策上的支持。4.1對企業(yè)的生產(chǎn)、研發(fā)和市場化進行政策性的指導(dǎo)和推動國家應(yīng)制定明確的電動汽車發(fā)展目標(biāo),讓企業(yè)真正看到政府長期發(fā)展電動汽車的決心,真正看到市場。電動汽車過去沒有規(guī)模,相關(guān)零部件配套體系不健全。要建立完善的配套體系,我國可以采取以市場為導(dǎo)向,整車和零部件企業(yè)緊密合作,政府積極扶持的三位一體方式予以推動,盡快實現(xiàn)電動汽車的產(chǎn)業(yè)化。另外,政府還可以建立一套綜合的、可操作的經(jīng)濟獎勵與懲罰制度,對企業(yè)生產(chǎn)電動汽車給予財政補貼,在交通領(lǐng)域給電動汽車一定特權(quán)等。4.2采用稅收優(yōu)惠、財政補貼等措施調(diào)節(jié)消費者的消費行為對于一個普通消費者來說,價格是決定是否購買電動汽車的關(guān)鍵因素。在這種情況下,就需要發(fā)揮政府行為的主導(dǎo)作用,引導(dǎo)和鼓勵電動汽車的消費。對于購買電動汽車者,我國政府可以在車輛購置稅等方面有所減免。地方政府和環(huán)保局可按照車輛大小,給每輛電動汽車實施一定的獎勵。此外,實施差異化的燃油稅,降低車輛的使用成本,也能刺激消費者購買和使用電動汽車。4.3對制定的政策進行監(jiān)督和反饋我國電動汽車產(chǎn)業(yè)化的政策相對滯后,一些部門之間工作的協(xié)調(diào)和銜接上不夠順暢,導(dǎo)致了政策沒有連續(xù)性。因此,政府有必要對相關(guān)政策的實施情況進行監(jiān)督,并對結(jié)果進行及時的反饋。5制訂切實可行的國家電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略我國的電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略,必須要著眼于解決實際問題,力求取得實效。既要有利于能源安全和環(huán)境友好,還要在經(jīng)濟上有競爭力?？煞殖上率鋈齻€戰(zhàn)略階段。第一階段(2015年前):實現(xiàn)混合動力電動汽車規(guī)模商業(yè)化,形成氫能燃料電池和蓄電池動力系統(tǒng)成熟成套技術(shù)。第二階段(2020年前):燃料電池電動汽車和純電動汽車具備商業(yè)競爭力,開始規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用。第三階段(2020