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          新能源汽車來了,我們未來的生活將會怎樣改變?

          什么是新能源汽車

          我國2009年頒布的《新能源汽車生產企業及產品準入管理規則》明確規定新能源汽車是指采用非常規車用燃料作為動力來源或是用常規的車用燃料采用新型車載動力裝置的汽車,具有新技術新結構的汽車。次年6月我國更進一步明確興能源汽車的種類。國務院印發《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012~2020年)》,沿用“新能源汽車”這一名詞,將其確定為以下幾類:

          ①插電式混合動力汽車

          ②純電動汽車

          ③燃料電池汽車

          主要特征為采用新型動力系統,完全或主要依靠新型能源驅動的汽車。

          新能源汽車的運行原理

          三類新能源汽車都是將能量輸出到電動機,由電動機驅動汽車行駛,不過其動力源與動力輸出方式不同,大體分為以下三類:

          一、插電式混合動力汽車(PHEV):

          該類型動力汽車動力輸出系統有以下三類:

          ①串聯式插電混合動力(增程式):發動機帶動發電機M1產生交流電由控制器鎮流轉換為直流電給動力電池充電,再由動力電池輸出直流經逆變器轉換為交流給電機M2驅動汽車行駛。電池供電全程由外接電源或內燃機提供,動力純粹由電動機驅動。原理如下:

          ②并聯式:該類型下發動機和電動機均可驅動汽車(根據實際情況可單獨發動機驅動、電池供給電動機驅動,也可兩者雙動力源同時驅動),在純油模式下能為電池充電,原理如下:

          ③混聯式:此模式可簡單概括為怎么方便怎么來,具有所有并聯模式優點,可以粗略理解為在并聯的基礎上再加入一個發電機,一般有兩臺電動機(發電機與電動機),純油與混動模式下發動機均能為電池充電。

          其一般不含變速箱(變速箱的效果差),為一種“ECVT”的星形齒輪結構的耦合單元替代了變速箱,起到連接、切換兩種動力以及減速增扭的作用,在此不加進一步論述。混聯模式原理如下:

          三種動力模式比較:

          無論是燃料電池、純電動還是插電式混合動力汽車其驅動方式大同小異均為以上三類。

          ①串聯模式只有一臺電機驅動(僅有純電模式),動力性差,百公里加速基本大于7 秒,且其需經二次轉換才能為電動機供能,會造成較大能量損失,跑高速時油耗甚 至更大。

          并聯模式(本田IMA)擁有發動機與電動機雙重動力驅動(擁有純油、純電、混動 三種模式),中高速時發動機單獨驅動(純油模式)且為電池充能,傳動模式多樣,動力性好,結構簡單,綜合油耗低。

          混聯模式(豐田普銳斯等)擁有并聯模式的所有優點,在并聯模式基礎上加入發 電機,實現了混動模式下對動力電池的充電。意味著當發動機與電動機全力驅動車輛 時再也不用擔心動力電池電能不足的情況,對能源效能調節更加合理,節油效果更好

          綜合比較混聯模式自然是最為先進的模式,不過此技術目前被豐田公司所壟斷,且工藝較為復雜,制造成本與銷售價格都會高不少,隨著專利權的到期,未來應有更多采用混聯式系統的動力汽車。

          二、燃料電池汽車(FCEV)

          目前說的燃料電池汽車的燃料主要說的是氫,是利用氫氣和空氣中的氧在催化劑的作用下,在燃料電池中經電化學反應產生電能,并以此作為主要動力源驅動的汽車。可以簡單的理解為將混合動力汽車中的發動機代替為燃料儲存罐(也就是氫),氫與氧發生化學反應轉換成電能驅動汽車并排出尾氣(水)。

          燃料電池汽車

          PS:其實該類新能源汽車我國也將其分類為純電動汽車,因為氫能源燃燒不造成任何污染。

          三、純電動汽車(BEV)

          純電動汽車是指以車載電源為動力,它是完全由可充電電池(如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池)提供動力源的汽車。

          純電動汽車

          而根據2018年12月18日發布的《汽車產業投資管理規定》,目前已經將燃料電池汽車歸類為純電動汽車,也就是說三類新能源汽車僅有混合動力屬于燃油汽車其余均屬于純電動汽車。

          目前新能源汽車的痛點

          新能源車在節能環保方面固然是好,不過時至今日還沒得到大規模應用也是有原因的,究其根本還是能源問題,也就是電池問題,目前絕大部分的新能源汽車都是以鋰電池作為能量的來源 ,從原來的普通鋰電池到如今的磷酸鋰電池甚至是即將到來的三元鋰電池都無一例外存在以下問題:

          ①首先就是行駛里程了,號稱能行駛500KM實際運行中往往只能行駛200KM,冬天里程更短(受氣溫影響大,特斯拉為何只賣高端型號,因為可以把電池串聯得更多更厚),其能量密度不夠高。

          ②充電速率問題,家用220V正常充電往往需要將近10小時,如快充電流將明顯增大一般電線不能承受,只有在專用充電站使用高壓電進行快速充電,對基礎設施要求高。即使擁有快充技術,不過用過的人都知道其對電池壽命的損耗是相當大的,一旦電池損耗過多,里程數將進一步減少。

          ③電池昂貴,一般新能源汽車電池使用壽命也就在5年左右就需更換,而其成本在幾萬至十幾萬不等,更換一次鋰電池,其成本甚至接近一輛小型車。

          ④電池組管理落后,電池組過充過放不均衡,導致降低容量,甚至有個別電池失效導致整組報廢的情況,此為世界性難題。所以純粹用動力電池提供能源不穩定且壽命低。

          ⑤報廢電池處理困難,動力電池當中含有大量的鎳、鈷、錳等重金屬,而且電解液當中還有氟等有機物,對環境造成的危害非常大,而且其中含有少量電量,如若處理不當易發生爆燃,造成二次環境污染。

          全球新能源汽車現狀

          目前在三類新能源汽車中大多數發達國家優先發展純電動汽車,在國際競爭市場上銷量較高的也是純電動汽車。實事求是就汽車行業來說,我國與世界先進水平存在差距,畢竟技術的積累有先后也是需要時間的。而說到新能源汽車大家一般都會第一時間想到埃隆馬斯克的特斯拉電動汽車(不可否認目前特斯拉純電動最受歡迎,而日產大力發展氫能源汽車并掌握著汽車電池與電機的多項核心技術),不過我國在新能源汽車這一嶄新的領域也是十分重視并走在世界前沿(畢竟是難得一遇的彎道超車機會)。

          中國是最大的新能源汽車市場。截至2018年底,全球新能源汽車累計銷售突破550萬輛。其中中國新能源汽車銷售占全球新能源汽車銷量的53%(以比亞迪公司為龍頭);其次是美國,大約占12.7%;另外,挪威(2.8%)、德國(2.7%)、英國(2.3%)、法國(1.9%)、日本(1.9%)、韓國(1.3%)。

          2018全球新能源汽車銷量

          雖然我國非常重視新能源汽車的發展,不過上文提到其發展瓶頸主要集中在驅動能源方面,也就是電池技術,在這些瓶頸未解決前,除了鋰電池,是否還有更好的能源呢?這就不得不提到燃料電池汽車了。

          氫能源燃料電池汽車,未來的寵兒?

          氫能源汽車分為兩類,一類是氫內燃汽車,第二類是氫燃料電池汽車。前者直接燃燒驅動后通過化學反應發電再用電動機驅動。

          ①氫內燃汽車其實還是傳統內燃機原理雖然燃燒氫氣(其實是混合氣體)能大大降低污染不過還遠遠達不到零排放,而且氫氣燃燒過快續航里程低。所以各大廠家往往都將重心轉為研究氫能源燃料電池汽車

          ②氫燃料電池汽車一般是將氫氣高壓液化后存儲在氫瓶里,運行時使氫經過燃料電池里的催化劑催化作用與從外界吸進來的氧氣發生化學反應(氫與氧的合成裝置也就是燃料電池,氫氧的反應堆)產生電流驅動電動機使車行駛(也可同時為電池充電,就如前文提到的混聯模式動力系統)。

          在這一過程中其產生的唯一廢物只有水,而能量轉化效率是傳統內燃機的2~3倍達到60%~80%。目前豐田的未來汽車充3分鐘左右的氫燃料(5Kg)便能能行駛650Km。而5kg的氫燃料僅需4600日元(約合280元人民幣),比汽油還便宜。由于沒有發動機,車蓋與車尾不會發熱車內也沒有任何異味。

          隨著李克強總理訪日視察豐田公司的氫能源汽車,氫能源已成為我們中國社會特別是產業界關注的熱點,那么日本的氫能源開發利用達到什么樣的階段了呢?讓我們看一看日本氫能源燃料電池汽車領域的佼佼者豐田公司。

          豐田氫能源汽車

          1、日本的氫能源是從上世紀90年代開始研發的,而最初考慮將氫能源作為汽車能源的研究是1992年由豐田汽車公司的4名研究人員以興趣研究小組的形式開始的,在公司的資金支持下最終發展壯大變為新能源研發部并于2014年研發出第一代氫能源試驗車。該車在極寒的加拿大北部、高溫的非洲大陸等地經過反復的耐寒耐高溫的沖撞試驗,在獲得一系列數據之后于2016年正式推出其第一代氫能源汽車“mirai”(未來)。在日本與美國已經銷售18000多輛。

          第一代氫能源汽車“mirai”(未來)

          miral

          其后蓋箱有一電源輸出插口,可以連接家庭插座以供家庭電源的使用,其能源可保證一戶家庭一星期的照明、空調、冰箱、做飯、洗澡等等的電力所需。試想當城市停電時其可長時間支持家庭能源的正常使用甚至電量周圍的信號燈與路燈。將其定義由原來的耗能交通工具變為供能的移動平臺。

          2、而如今豐田公司已經推出第二代氫能源汽車(FCV PLUS)

          第二代氫能源汽車(FCV PLUS)

          該車可謂匯聚了豐田公司最為先進的技術為一體,具體體現在如下幾方面:

          ①自動駕駛:與AI融為一體的全自動駕駛技術(日本預計在2030年完全進入自動駕駛的時代)。

          ②車窗玻璃液晶顯示:車內寬敞,無任何儀表與顯示屏,所有的控制數據都顯示在擋風玻璃下端,顯示屏幕能顯示各種APP,甚至你都不需要觸摸,僅需語音便能操控(類似hi siri,不過會更加智能,接電話、郵件、回復信息等功能都不在話下)。

          ③人工智能與物聯網:汽車左右車窗其實是是兩個巨大的顯示器,人們在車內可以做任何電腦上能做的事(看電影、辦公、學習、投資、視頻會議等等),特別是當自動駕駛成熟之后,人們可以騰出手來做更多的事,汽車將變成一全面而舒適的移動辦公平臺。

          ④成熟的氫能源動力系統:該燃料電池汽車的核心技術在于燃料電池中分離氫原子電子的質子交換膜,該材料技術屬于核心技術,經過十幾年的發展隨著材料學的進步,其動能轉換效率進一步提高,其續航里程更是達到了恐怖的800km。

          ⑤非接觸式輸電:還記得一代汽車后蓋的有線電源輸出接口么?二代豐田汽車已經變成了無線供電系統(由車后輪的兩個無線供電裝置實現)。像不像劉慈欣小說《三體》中所描述人們生活中所用的各種設備都由無線能源傳輸的場景。其實在燃料電池汽車的運行原理上是不需要堆砌電池的,不過豐田公司還是這樣做了,也許是日本地理條件時長遇到地震臺風之類的災害。其設計的電池與氫能源系統能為無論是家庭還是公共設施(醫院、避難所、信號燈等)提供電力。而日本對氫能源的利用不僅僅止步于新能源汽車,還將開發氫能源住宅區構建能源多樣化的社會(這一計劃首先在東京灣實現,也就是在即將到來的奧運會期間)。

          而真正要實現成熟的全產業鏈氫能源汽車的應用還需得在制氫、加工、存儲、高壓氣瓶、運氫車、加氫站方面下功夫。為了更好的推進氫能源汽車,豐田公司正在建新的生產線并擴大燃料電池(氫氧合成裝置)與高壓氫氣泵的生產能力,預計在明年(2020年)正式投產,將生產能力提高10倍,實現年產36萬輛的目標以此大幅降低成本,并預計在2025年將氫能源汽車與混合動力汽車的售價保持在同一水平300萬日元左右(約合人民幣20萬元),2030年時氫能源汽車年生產量將達到100萬輛,開啟氫能源普及的時代。

          氫能源汽車的運行原理

          說完了豐田氫能源汽車如此多的新技術與優點后,讓我們回到其根本的技術與原理上。

          我們將壓縮后的液態氫充入儲能電池中,該車經過氫燃料電池堆的化學反應直接將化學能轉換為電能(省卻了內燃機通過熱能與機械能的轉換,轉換效能為普通內燃機的2~3倍)給儲能電池與驅動電機供電。

          就氫能源燃料電池車的運行原理來說大部分與純電動汽車相同,核心技術在于燃料電池。氫燃料電池嚴格地說算是一種發電裝置,如發電廠一樣輸出電能。

          氫燃料電池電動汽車是由一組單獨的燃料電池提供動力(燃料電池堆),由燃料產生動力,類似于內燃機,燃料電池堆產生的電能為電動機供電進而驅動車輛,每個電池是由陽極、陰極與其間的質子交換膜(關鍵材料技術)組成。

          燃料電池運行原理

          氫從儲氫罐進入陽極,從空氣中抽離出氧氣進入陰極。氫分子經過質子交換膜其中的催化劑將其分裂為電子與質子,質子穿過燃料電池堆,電子經過外部電路將電流輸送到電動機與其他用電元器件。同時陰極側電子與質子再次結合并與氧氣反應,最終產出唯一的廢棄物水。

          同時豐田所用的是700Mpa的高壓儲氣罐,兩個儲氫罐的容量是122.4升,也只能容納約5公斤的氫氣。而5Kg的燃料并不重,重的是儲氫罐,至于為什么這么重,當然是為了安全。而在保證安全的前提下其里程達到了恐怖的800Km。

          其實上文有所論述,現稍加總結讓我們看下氫燃料電池汽車的優點

          安全:安全永遠是人們所重視的,而設計者也使出了渾身解數。儲氫罐內部采用塑料內膽,再用炭纖維加強保護配合玻璃纖維減震,最后才是外層的鋁合金,而且層與層之間的纖維紋路都根據壓力的不同做了額外優化。

          環保:這個自不必說,氫與氧的產物只能是水,沒有任何污染。

          續航里程長加氫塊:如上文所敘述,一輛氫能源汽車加滿僅需3分鐘,便能行駛650Km(新款能達到800Km),且受溫度影響不大(可以靠氫燃料電池直接供能)。

          加油站改建成本:遠低于改造成快速充電站的成本,眾所周知就算讓動力鋰電池在220V條件下做慢速充電(10小時充滿)電流也有將近30A,多來幾臺車小區電源系統就需整體改造,更不用說220V的快充了(電流達到287A)沒有什么線路能承受,所以必須用到高壓,也就是專用的充電站。由此可知改裝新建高壓充電站的成本高(電氣系統、線路),而加氫站則增設高壓氣罐,專用運輸車即可,相比充電站更加簡單低成本。


          加氫站

          燃料電池的處理:即氫能源合成裝置,該裝置能永久使用,不會像鋰電池那樣幾年后使用效率便大大降低,即使汽車使用若干年后需要報廢,該燃料電池也可拆卸并安裝在新的汽車里繼續使用,為可循環設備。更可貴的是該燃料電池的報廢處理也不會如鋰電池報廢那樣產生各種對環境有污染的廢液,屬于真正的可循環無污染環保電池,其技術與理念可謂當今最為先進。

          氫能源汽車的氫怎么來?

          說完了氫燃料電池的這么多好處,那燃料氫又怎么來呢?如果僅僅是使用氫能完全環保而制氫不是,那么環保的效果將大打折扣。豐田公司所提倡實現的是制氫、用氫與燃料電池的回收處理全程無害化。

          普通的制氫工藝都是由電解水產生,但是我們不禁要問電又從哪里來,不能否認的是不少部分的電能依然是靠化石能源發電,且電解水制氫的效率不是很高(當然還有其他幾種方式,不過都會用到能源)。不過時代是發展的未來隨著核能發電(尤其是核聚變技術的成熟)以及可再生資源發電(太陽能、風能、水電)完善后完全有能力實現大規模的電解水制氫,完全滿足所有氫能源汽車甚至新型氫能源住宅的用氫需求。這樣今后人們出行短途用純電動長途就用氫燃料電池車。

          在日本福島的一家制氫公司整個工廠分為四大體系:制氫車間、儲氣管區、壓縮與出貨運輸站、綜合管理中心。其工藝為傳統的水電解,不過其電力來源為太陽能發電,每小時產量為2000m3,一年900噸,能滿足10000輛氫能源汽車一年所需。隨著工業體系的完善,發電技術的進步,氫能源將在我們生活中越來越普及。

          而在即將到來的東京奧運會中,不僅所有的奧運會官方用車都是氫能源汽車,東京灣所采用的新能源住宅(氫能源)也首次實現氫氣輸送管道的搭建完成與使用,實現家庭中所有的耗能(電視、電冰箱、熱水器、地熱、照明等所有耗能設備)設備都由氫能源提供,無需外部電力。可以預見在不遠的將來氫能源將代替直接用電融入我們的生活。

          今年李克強總理赴日考察,期間特意在豐田汽車廠區停留半小時了解氫能源汽車,回國后便將發展氫能源汽車與氫能源基礎設施寫入政府工作報告,可看出國家對發展氫能源的重視。

          未來的交通工具會是怎么樣的?

          說完了氫能源燃料電池汽車,讓我們發散下思路展望下未來想象一下未來的交通工具會是怎么樣的?

          其實往簡單想交通工具不外乎就是能源的提供與類似電機(未來可能有更好的驅動方式,反重力啊什么的)的動力系統的驅動,而無線能源的傳輸會為我們的生活提供更方便快捷的應用場景(猶如《三體》中邏輯一覺醒來發現人們所有的生活用品都擁有無線供能的功能)。所以無論未來出現外形多么怪異的交通工具也無需奇怪了(第五元素中的各類交通工具)。

          結語

          無論未來的新能源汽車是什么樣的,相信一定會朝著更經濟環保、便捷、能源更易獲取、發動機比沖更高(單位質量的推進劑可以產生的沖量)的方向發展,加上材料學與基礎物理的進步,科幻世界中的場景都將一一實現。氫能源或許不是終極能源的解決方案不過卻是人類在探索環保新能源道路上的偉大嘗試。

          興許將來的可控核聚變(科學家預計在未來10~20年成為現實,其幾克的氫聚變后產生的能量相當于幾百噸的煤炭燃燒,質能轉換效率達到1%)、反物質(與物質帶電量相反與普通物質相遇發生湮滅現象,其質能轉換效率達到100%)。先不說反物質技術產生的能量,僅僅是在不遠的將來人類掌握可控核聚變其能源問題也將得到解決,進而研發的側重點便是怎樣將能源經濟環保且有效率的輸送到千家萬戶了,而如今的氫能源輸送與燃料電池技術提供了一個很好的解決方案。

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