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大客車節(jié)能環(huán)保技術的發(fā)展

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Aspose.PDF. Copyright 2002- 2019 Aspose Pty Ltd
中國客車新技術應用國際研討會
 CBT lint'L Forum 2005
口
上柴動力
大客車節(jié)能環(huán)保技術的發(fā)展
上柴動力
清華大學教授陳全世
>>>
上
上柴動力
上柴動力
上柴動力
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截止到上世紀末,隨著汽車技術的發(fā)展和市場需求的推動,大客車的
基本性能,例如,動力性、經(jīng)濟性、可靠性等方面的技術指標已經(jīng)達到了人們較
為滿意的水平。近幾年來,大客車的研發(fā)與創(chuàng)新則更集中于通過電子化等新技術
手段,進一步提高客車的舒適性、安全性及節(jié)能環(huán)保性能諸方面。在今天強調(diào)以
人為本,即系心于人,用心于車的理念來說,在這3個方面的創(chuàng)新則是年年不斷。
尤其是在節(jié)能環(huán)保技術方面更是研發(fā)的熱點和競爭的關鍵。
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、背景材料:
1.1、經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加速必然帶來城市公交車輛的大量需求。我
國的城市化進程在黨的十六大報告和國民經(jīng)濟中長期發(fā)展規(guī)劃中都有詳細的描述。
鄉(xiāng)村變?yōu)槌擎?zhèn),城鎮(zhèn)變?yōu)樾〕鞘?小城市變?yōu)橹械瘸鞘?中等城市變?yōu)榇蟪鞘?
大城市變?yōu)槌^1000萬人口的特大城市。有城市必然要有公交車輛,我國近幾
年公交大客車的迅猛發(fā)展,就是在這一背景下取得的。
1.2、大城市的交通和車輛排放污染形勢嚴峻:大城市,尤其是象北京、上海這
樣的超大城市,高樓林立、人口密集、交通擁擠、環(huán)境惡化,工作效率和居民生
活質(zhì)量嚴重下降,這不但是正在走向工業(yè)化的國家面臨的重大問題,也是發(fā)達國
家超大城市同樣面臨的重大挑戰(zhàn)。
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1.3、北京2008奧運會和我國加入WTO為解決這些問題提供了重大機遇:政府
的重視(公交車輛是城市的形象),會有大量資金的投入,加入WO打開國門
后國際資本和技術的涌入帶來激烈的市場競爭。
1.4、認準方向、作好規(guī)劃、抓住機遇、迎接挑戰(zhàn)。國內(nèi)大客車企業(yè)要利用這些
機遇,主動迎接國內(nèi)外的挑戰(zhàn)。
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二、汽車節(jié)能環(huán)保技術的發(fā)展大趨勢
2.1、我國汽車近幾年產(chǎn)量的增長情況和今后的增長數(shù)據(jù)預測見表1和表2:
表:中國汽車產(chǎn)量的增長情況統(tǒng)計
年代
產(chǎn)量
單位:萬輛
1996
147.5
1997
158.3
1998
162.9
1999
183.2
2000
206.8
2001
234.2
2002325.1
2003444
2004
507.5
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表2:中國汽車的需求增長預測
單位:萬輛
研究機構
2005
2010
2020
中國汽車技術研究中心
510~535781~850
1100~1300
國務院發(fā)展研究室
518
859
1673
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2.2、能源短缺、未雨綢繆:
國際市場石油價格一路飆升,從200年(美國伊拉克戰(zhàn)爭前)的20美
元/桶上升到2005年6月的60美元/桶,而且還有繼續(xù)上升的趨勢。世界石油產(chǎn)量
已趨峰值,歐佩克已經(jīng)拿不出產(chǎn)油能力來平抑油價。
我國的能源,尤其是石油資源的形勢非常嚴峻。我國石油消耗已位居世界第二,
而交通用油呈快速上升勢頭,年平均增長超過10%(1995-2000)我國進口石
油迅速增長,2000年進口7000萬噸,2003年超過一億噸,預計2010年進口將超
過1.4億噸,國家能源安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。節(jié)約能源,尤其是節(jié)約石油資源,不
但是經(jīng)濟問題,而是關系國家能源安全的政治問題
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2.3、環(huán)境污染和二氧化碳排放問題:
由于經(jīng)濟的快速發(fā)展和粗放式的發(fā)展模式,我國的資源和環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)
展的矛盾異常突出,大氣污染非常嚴重,尤其是大城市。2002年在全世界污染
最嚴重的10個城市中中國占5個;而在城市中交通工具,尤其是汽車,造成的
CO和噪聲污染分別占各自污染物總量的70~90%以上。為此,我國也頒布了較
為嚴格的機動車輛排放法規(guī),2003年已經(jīng)全面實施了歐排放標準,明年可能
會實施歐Ⅲ標準。2010年以后與國際接軌。
我國CO2排放量已排在美國之后,位居世界第二。我國已經(jīng)正式加入了關于減
少全球CO2排放量的“京都議定書”。汽車O2排放即將成為全球關注的重大環(huán)保
問題
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2.4、基于節(jié)能和環(huán)保問題的汽車動力系統(tǒng)發(fā)展方向:
據(jù)國內(nèi)外專家、學者和企業(yè)界的研究結論,從節(jié)能和環(huán)保兩個方面綜合
考慮,汽車動力系統(tǒng)將從今天的燃油的內(nèi)燃機(汽油機、柴油機、代用燃料發(fā)動
機)過渡到內(nèi)燃機與電動機的混合動力系統(tǒng),再過渡到使用蓄電池的純電動汽車
和燃料電池電動汽車。
汽車動力系統(tǒng)的發(fā)展方向如圖1所示。
本文主要介紹電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車的研發(fā)情況。
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汽車動力系統(tǒng)的發(fā)展方向
與大氣當
E燃料池率(FC
混合動力
發(fā)動機
混合動力車
 CNG
控
式
工
式
 for/er-C ars
 current
 basolinetAT
標準
2倍
3倍燃科率
1
2
cO排出量
圖1汽車動力系統(tǒng)的發(fā)展方向
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3.1、電動汽車的優(yōu)點:
1)“零排放”:電動汽車在運行中無廢氣排放,即使將發(fā)電廠的排放進行等效換
算,也是超低排放。此外,電廠可以遠離市區(qū)建設,對城市污染較小。
2)解除汽車對石油資源的依賴:電是二次能源,可以從多種途徑獲得,例如,
煤、水、風、太陽能、潮汐、生物質(zhì)、核能等,其中許多為可再生能源。
3)系統(tǒng)效率高:燃油汽車的能量循環(huán):從原油-精煉-加油站-燃油汽車。電
動汽車的能量循環(huán):從原油-粗煉-發(fā)電廠充電站一電動汽車。據(jù)日本學者的
研究結果,后者比前者能量效率高12~17%此外,電動汽車可以利用晚間電
網(wǎng)的低谷電充電,以提高電網(wǎng)總的能量效率。
4)電動汽車的噪聲低、振動小。
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基于以上原因,從上世紀80年代,國內(nèi)外掀起了電動汽車的研發(fā)熱潮,
法國、日本、美國、德國等都經(jīng)過試驗和示范運行,開發(fā)出具有商品化水平的純
電動汽車,如法國PSA公司的標志P106和雪鐵龍AX電動轎車,日本豐田汽車公
司的RAV-4EV電動轎車,美國通用汽車公司的EV1電動轎車等。我國也將電動汽
車的研究開發(fā)列入“八五”、“九五”國家科技攻關項目,并于1996年6月建成廣東汕
頭國家電動汽車試驗示范基地?！笆濉逼陂g,國家科技部將電動汽車項目列入國
家“863重大專項。成了資助電池、電機及其控制系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)以外,重
點資助北京市(北京理工大學牽頭)進行純電動大客車的研發(fā)和示范運行。
2005年6月21日由國家發(fā)改委正式批準,14輛鉛酸電池純電動公交大客車在北京
公交121路線投入商業(yè)化運行。另一個課題資助天津清源動力公司(中國汽車技
術研究中心)進行純電動轎車的研究開發(fā)和示范運行。其中有5輛純電動轎車于
2005年初首次出口到美國。
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3.2、目前電動汽車推廣應用中的困難
1)電池的性能低、價格貴、壽命短;使得電動汽車一次充電行駛里程短(鉛酸電池在100
km左右,ni-mh電池在150km左右),尚不能滿足人們對汽車機動性的要求;電池的價
格昂貴,一套整車使用的NiMH電池或鋰離子電池的價格比汽車(不含電池)還高,且2~
3年必須全部更換,使用費用大。目前尚未研制出性能價格比能與內(nèi)燃機相比的電池。
2)電動汽車的充電時間長,充滿一次需要~8小時。充電設施投資大、建設周期長。
3)當前世界石油供應相對充分,石油資源枯竭的問題尚不明顯。而各級政府對電動汽車應
該采用的優(yōu)惠政策,如峰谷電價差別、排放補貼等并未實施。
因此,從全世界范圍看,由于受電池技術和價格的制約,純電動車目前只能在特殊地區(qū)
如大城市市區(qū)、商貿(mào)、旅游、體育、娛樂中心、居民小區(qū)等作為短途公共交通車,以及特
殊地點、特殊用途一如機場、碼頭、車站倉庫、商場等作為特殊運輸工具而使用。
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3.3、混合動力電動汽車的優(yōu)勢:
混合動力電動汽車(Hybrid Electric Vehicle,簡稱H是將電力驅動與輔助
動力(APU)結合起來,充分發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢及二者相結合產(chǎn)生的優(yōu)勢的車
輛。輔助動力可以采用燃燒某種燃料的原動機,如內(nèi)燃機、燃氣輪機等或其它動
力發(fā)電機組
 HV Configurations
混合動力汽車的布置型式
 n |IC Enp
 Serios
 Motdr Mstor Conbia
 More Like an EV
電
更卓電物汽車
 paralle
 More Like a
 Convertianal
 Powortrain
 Motor Control
 Betery
更統(tǒng)
生控制
電池
圖2混合動力電動汽車的結構原理和布置方式
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項目
單位
技術參數(shù)
混合動力系統(tǒng)的結構原理和布置方式如
圖2所示東風電動汽車公司開發(fā)的并聯(lián)式
車長
混合動力大客車的結構參數(shù)如表3所示。
m人g
表3東風電動汽車公司開發(fā)的并聯(lián)式混
載客
85
合動力電動大客車的結構參數(shù)
一車重
(空載滿載
10050/16500
)
總電壓蓄電336/鎳氫高功率型28個
池
加速時間
16(040kmh)
最高車速
 km/h
>72
電機
開關磁阻電機:最大功率:27kW:
發(fā)動機
進口康明斯6BTA發(fā)動機(電控、高
壓共軌、達到歐3排放標準)
發(fā)動機和電機混合驅動:制動空壓機、
其它說明液壓助力轉向系統(tǒng)和空調(diào)壓縮機均由
發(fā)動機直接驅動。
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混合動力電動汽車的優(yōu)勢:
與純電動汽車比較:
(1).由于電池的容量大大減小,而使整車自重減小、成本降低。
(2).汽車的續(xù)駛里程和動力性可達到內(nèi)燃機的水平。不必要重新建設龐大的充電設施和取
消每天的充電維護工作;
(3).保證駕車和乘坐的舒適性(保證空調(diào)、暖風、動力轉向等的使用)。
與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車比較:
(1).可使原動機在最佳的工況區(qū)域穩(wěn)定運行,從而降低發(fā)動機的排放污染、噪聲和油耗。
(2)在人口密集的商業(yè)區(qū)、居民區(qū)或其它對環(huán)保要求特別嚴格的地區(qū),可關閉發(fā)動機,采
用純電動方式驅動車輛,實現(xiàn)“零排放”。
(3)通過電動機回收汽車減速和制動時的能量,進一步降低汽車的能量消耗和排放污染。
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混合動力電動汽車的商業(yè)化已經(jīng)在日本和美國逐漸推廣。豐田汽車公司
的 Prius混合動力轎車已經(jīng)在日本和美國銷售了39萬輛以上?；旌蟿恿淮罂?
車在美國紐約、西雅圖和加州等地也已經(jīng)銷售和示范運行數(shù)百輛。巴西在里約熱
內(nèi)盧用混合動力方式改造了幾條公交路線,采用柴油機和鉛酸電池串連式混合動
力結構,取得了節(jié)油和降低排放的良好效果。
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四、燃料電池電動汽車的研究開發(fā)進展
類工作
應用
型溫度范圍
優(yōu)點
缺點
4.1燃料電池的種類和特點:
到目前為止,人們研究開發(fā)出的燃料電池的種類、
子60~
運輸業(yè)工作溫度低、
需用貴金屬作
、攜起動快
催化劑、成本
工作溫度、可應用范圍、優(yōu)缺點等見表4。
質(zhì)子交換膜
交100
式電源結構緊湊
重量小
高、對燃料的
純度要求較高
表4燃料電池的種類和特點
需要除去燃料、
堿90航空中陰極反應較質(zhì)氣體,例如:
性100
軍事、在堿性電解液氧化劑中的雜
航
快
 co2
磷175~電力
工作特性好鉑作催化劑
酸20工業(yè)、效豐較高、
體積和重量較
型
運輸業(yè)對燃料的純度大、輸出的電
要求不高
流、功率較低
效較高、
培融碳酸鹽體氧化物
600~電力
成本較低
有腐蝕性,高
1000
工業(yè)可使用多種材濕加速燃料電
料作催化劑
池部件的損壞
效率高,可用
600~電力多種燃料、催
高溫加速燃料
100工業(yè)化劑成本任、電池部件的損
便于維護
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4.2、質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理
質(zhì)子交換膜燃料電池的結構和原理如圖3所示。電池單體主要由膜電極
(陽極、陰極)質(zhì)子交換膜和集流板組成。
其具體反應步驟為:經(jīng)增濕后的H2和O2分別進入陽極室和陰極室,經(jīng)電極擴散
層擴散到達催化層和質(zhì)子交換膜的界面,分別在催化劑作用下發(fā)生氧化和還原反
應:
陽極:H2→2H+2e
陰極:H2+2O→H2
電池總反應:2+2h+2c→H2
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陽極
陰極
集流板
h2->2h+2e
 120++26->HO
膜
圖3質(zhì)子交換膜燃料電池的反應原理
陽極反應生成的質(zhì)子(H+)通過質(zhì)子交換膜傳導到達陰極,
陽極反應產(chǎn)生的電子通過外電路到達陰極。生成的水以水蒸汽或
冷凝水的形式由過剩的陰極反應氣體從陰極室排出。
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4.3、燃料電池的優(yōu)勢:
(1)效率高,燃料電池的化學反應不受卡諾循環(huán)的限制,理論上能量效率可接
近80%,實際效率已達50~70%。
(2)清潔無污染,氫/氧燃料電池的產(chǎn)物只有水,屬于零排放或接近零排放(考
慮到燃料重整時)。
(3)效率隨輸出功率變化的特性好,燃料電池的效率在額定功率附近可達60
%,部分功率下運行時效率會高于額定功率下的效率,可達約70%,過載功率下
運行時效率略低于額定功率的效率,可達0~55%燃料電池的效率隨輸出功
率變化的特性比內(nèi)燃機更適合于汽車的實際運行。
(4)過載能力強,燃料電池的短時過載能力可達200%的額定功率,更適合于
汽車的加速、爬坡等工況。
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4.4、國外燃料電池汽車的研發(fā)進展
由于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)同時兼?zhèn)錈o污染、高效率、適用
廣、低噪聲、可快速補充能量、具有模塊化結構等特點,被公認為是替代傳統(tǒng)內(nèi)
燃機的最理想的動力裝置。全世界各發(fā)達國家及各大汽車公司都非常重視燃料電
池的研究開發(fā)。美國能源部的最新報告指出,燃料電池的研制和開發(fā)“已接近歷
史性突破的邊緣”,“歐美日的激烈競爭已進入沖刺階段”,燃料電池技術將成為21
世紀汽車工業(yè)競爭的焦點”。美國前礦物能源部長助理克西格爾說:“燃料電池
技術在21世紀上半葉在技術上的沖擊影響,會類似于20世紀上半葉內(nèi)燃機所起
的作用”。福特汽車公司主管PNGV項目的經(jīng)理鮑伯默爾稱:燃料電池必定給汽
車動力帶來一場革命。
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(1)美國政府非常重視燃料電池技術及燃料電池汽車的研發(fā):
美國現(xiàn)任喬治布什政府對燃料電池汽車的研制開發(fā)和推廣應用非常重視,美國
聯(lián)邦政府能源部于2002年1月9日 Freedom提出 CAR(Freedom Cooperative
 Automotive Research)計劃,支持新能源汽車的研究開發(fā),該計劃在2003年
由美國聯(lián)邦政府投資15029.6萬美元,其中燃料電池5000萬美元(占33.27
%),氫源設施2582萬美元(占17.18%),兩者之和占總投資的50%以上。
2003年2月美國現(xiàn)任總統(tǒng)喬治布什向國會提出自由燃料(FreedomFuel)計
劃,在對此計劃發(fā)表的公開講話中指出,“我要國會花費12億美元的新國家投
資,給氫燃料電池小客車項目,使它能從實驗室走向售車展示室。我們希望看
到,今天誕生的小客車將屬于今天誕生的兒童,他(或她)所開的第一輛車,這
將是一輛由氫驅動而無污染的車;”“使用氫動力的最大結果,是實現(xiàn)我國的能源
獨立”,“使我們偉大國家的未來公民,極少地依靠外國能源”。
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(2)、日本的燃料電池汽車計劃:
日本政府對燃料電池汽車的研究開發(fā)和推廣應用也表示了極大的關注,為了促進
燃料電池汽車的商業(yè)化,由中央和地方政府共同資助在大阪、京都、東京等城市
建立加氫站。2002年年底日本首相小泉純一郎以政府的名義采購了5輛燃料電池
轎車(豐田公司3輛,本田公司2輛)租給政府各部門使用。在2005年名古屋
世界博覽會上日本豐田汽車公司展示了多款燃料電池汽車,其中包括5輛以上的
燃料電池大客車。
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(3)、全球環(huán)境基金會(GEF)、聯(lián)合國開發(fā)計劃署(UNDP)燃料電池大客車示范項目:
為了使發(fā)展中國家的大城市公共交通車輛改變能源結構、降低有害物排放污染和溫室氣體
(cO2)排放,全球環(huán)境基金(eF-Global Environmental Facilities和聯(lián)合國發(fā)展
計劃署(und- United Nations Development Programme資助巴西圣保羅、墨西
哥城、中國的北京和上海等大城市開展燃料電池公交客車的運行示范工程。其目的在于促
進燃料電池大客車的盡快商業(yè)化。中國燃料電池公共汽車商用化示范項目于2003年3月27
日在北京召開啟動會,該示范項目總投入為3236萬美元,其中GEF投入1158萬美元,
UNDP投入40萬美元,國家科技部、北京市和上海市共投入1458萬美元,企業(yè)等其他投入
約580萬美元。中國燃料電池公共汽車商用化示范項目為期5年,項目組于2003年12月18
日在北京向外界發(fā)布了第一期6輛(北京上海各3輛)燃料電池大客車的招標書,經(jīng)過專
家評審和談判,最后于2004年5月17日在北京與戴姆勒-可萊斯勒中國(投資)有限公司
簽署采購3輛燃料電池大客車的合同,合同規(guī)定2005年10月將有3輛戴姆勒-可萊斯勒公司
的燃料電池大客車在北京市投入示范運營。
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(4)、我國的燃料電池汽車技術研究進展
我國政府也非常重視燃料電池汽車關鍵技術的研究,“九五期間,國家科技部將
燃料電池關鍵技術研究列入國家攻關計劃“十五期間,燃料電池汽車及其關鍵
技術的研究和樣車的研制開發(fā),被列入國家863電動汽車重大專項中,予以重
點資助。由清華大學牽頭研制的11米燃料電池城市客車于2004年5月經(jīng)過長安街
駛入天安門廣場,并參加了2004年10月在上海舉辦的比畢登國際清潔汽車大獎
賽。3輛樣車已經(jīng)累計試驗行駛了8000km,順利通過了國家863項目組的驗收。
將國家863項目和GEFUNDP燃料電池大客車中國示范項目結合起來,由清華
大學和北京清能華通技術公司牽頭成立了北京氫能交通示范園,并與美國能源部
(DOE)和歐盟開展燃料電池汽車和氫能交通項目的合作研究。
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五、結束語
1)2008北京奧運會和加入WTO為我國公交客車的發(fā)展提供了重要的機遇和挑
戰(zhàn);
2)節(jié)能和降低排放污染是公交客車最關鍵的技術;
3)代用燃料技術、電動汽車技術以及混合動力汽車技術的發(fā)展是解決節(jié)能、環(huán)
保問題重要的途徑;混合動力汽車將成熟的內(nèi)燃機技術和電驅動技術,按照最優(yōu)
化的方式組合起來,達到高效、節(jié)能、低排放的目標,是目前開發(fā)研制和推廣的
重點。
4)燃料電池汽車是今后的目標,現(xiàn)在應該積極進行關鍵技術攻關、樣品研制
以及示范運行。
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 019 Asposa Pty Ltd.
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參考文獻:
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源技術領域,電動汽車專項),國家科技部。
3、全球環(huán)境基金/聯(lián)合國開發(fā)計劃署/國家科學技術部合作項目,中國燃料電池
公共汽車商業(yè)化示范項目,簡報,200年第1-3期,2003年6-11月。
4、國家“十五863《電動汽車》重大專項燃料電池城市客車項目-研究簡
報,2003年1-2期,清華大學燃料電池城市客車項目總體組,2003年4月。
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