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大客车节能环保技术的发展

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中国客车新技术应用国际研讨会
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口
上柴动力
大客车节能环保技术的发展
上柴动力
清华大学教授陈全世
>>>
上
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截止到上世纪末,随着汽车技术的发展和市场需求的推动,大客车的
基本性能,例如,动力性、经济性、可靠性等方面的技术指标已经达到了人们较
为满意的水平。近几年来,大客车的研发与创新则更集中于通过电子化等新技术
手段,进一步提高客车的舒适性、安全性及节能环保性能诸方面。在今天强调以
人为本,即系心于人,用心于车的理念来说,在这3个方面的创新则是年年不断。
尤其是在节能环保技术方面更是研发的热点和竞争的关键。
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、背景材料:
1.1、经济的发展和城市化进程的加速必然带来城市公交车辆的大量需求。我
国的城市化进程在党的十六大报告和国民经济中长期发展规划中都有详细的描述。
乡村变为城镇,城镇变为小城市,小城市变为中等城市,中等城市变为大城市,
大城市变为超过1000万人口的特大城市。有城市必然要有公交车辆,我国近几
年公交大客车的迅猛发展,就是在这一背景下取得的。
1.2、大城市的交通和车辆排放污染形势严峻:大城市,尤其是象北京、上海这
样的超大城市,高楼林立、人口密集、交通拥挤、环境恶化,工作效率和居民生
活质量严重下降,这不但是正在走向工业化的国家面临的重大问题,也是发达国
家超大城市同样面临的重大挑战。
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1.3、北京2008奥运会和我国加入WTO为解决这些问题提供了重大机遇:政府
的重视(公交车辆是城市的形象),会有大量资金的投入,加入WO打开国门
后国际资本和技术的涌入带来激烈的市场竞争。
1.4、认准方向、作好规划、抓住机遇、迎接挑战。国内大客车企业要利用这些
机遇,主动迎接国内外的挑战。
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二、汽车节能环保技术的发展大趋势
2.1、我国汽车近几年产量的增长情况和今后的增长数据预测见表1和表2:
表:中国汽车产量的增长情况统计
年代
产量
单位:万辆
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:中国汽车的需求增长预测
单位:万辆
研究机构
2005
2010
2020
中国汽车技术研究中心
510~535781~850
1100~1300
国务院发展研究室
518
859
1673
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2.2、能源短缺、未雨绸缪:
国际市场石油价格一路飙升,从200年(美国伊拉克战争前)的20美
元/桶上升到2005年6月的60美元/桶,而且还有继续上升的趋势。世界石油产量
已趋峰值,欧佩克已经拿不出产油能力来平抑油价。
我国的能源,尤其是石油资源的形势非常严峻。我国石油消耗已位居世界第二,
而交通用油呈快速上升势头,年平均增长超过10%(1995-2000)我国进口石
油迅速增长,2000年进口7000万吨,2003年超过一亿吨,预计2010年进口将超
过1.4亿吨,国家能源安全面临严峻挑战。节约能源,尤其是节约石油资源,不
但是经济问题,而是关系国家能源安全的政治问题
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2.3、环境污染和二氧化碳排放问题:
由于经济的快速发展和粗放式的发展模式,我国的资源和环境与经济发
展的矛盾异常突出,大气污染非常严重,尤其是大城市。2002年在全世界污染
最严重的10个城市中中国占5个;而在城市中交通工具,尤其是汽车,造成的
CO和噪声污染分别占各自污染物总量的70~90%以上。为此,我国也颁布了较
为严格的机动车辆排放法规,2003年已经全面实施了欧排放标准,明年可能
会实施欧Ⅲ标准。2010年以后与国际接轨。
我国CO2排放量已排在美国之后,位居世界第二。我国已经正式加入了关于减
少全球CO2排放量的“京都议定书”。汽车O2排放即将成为全球关注的重大环保
问题
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2.4、基于节能和环保问题的汽车动力系统发展方向:
据国内外专家、学者和企业界的研究结论,从节能和环保两个方面综合
考虑,汽车动力系统将从今天的燃油的内燃机(汽油机、柴油机、代用燃料发动
机)过渡到内燃机与电动机的混合动力系统,再过渡到使用蓄电池的纯电动汽车
和燃料电池电动汽车。
汽车动力系统的发展方向如图1所示。
本文主要介绍电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的研发情况。
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汽车动力系统的发展方向
与大气当
E燃料池率(FC
混合动力
发动机
混合动力车
 CNG
控
式
工
式
 for/er-C ars
 current
 basolinetAT
标准
2倍
3倍燃科率
1
2
cO排出量
图1汽车动力系统的发展方向
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3.1、电动汽车的优点:
1)“零排放”:电动汽车在运行中无废气排放,即使将发电厂的排放进行等效换
算,也是超低排放。此外,电厂可以远离市区建设,对城市污染较小。
2)解除汽车对石油资源的依赖:电是二次能源,可以从多种途径获得,例如,
煤、水、风、太阳能、潮汐、生物质、核能等,其中许多为可再生能源。
3)系统效率高:燃油汽车的能量循环:从原油-精炼-加油站-燃油汽车。电
动汽车的能量循环:从原油-粗炼-发电厂充电站一电动汽车。据日本学者的
研究结果,后者比前者能量效率高12~17%此外,电动汽车可以利用晚间电
网的低谷电充电,以提高电网总的能量效率。
4)电动汽车的噪声低、振动小。
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基于以上原因,从上世纪80年代,国内外掀起了电动汽车的研发热潮,
法国、日本、美国、德国等都经过试验和示范运行,开发出具有商品化水平的纯
电动汽车,如法国PSA公司的标志P106和雪铁龙AX电动轿车,日本丰田汽车公
司的RAV-4EV电动轿车,美国通用汽车公司的EV1电动轿车等。我国也将电动汽
车的研究开发列入“八五”、“九五”国家科技攻关项目,并于1996年6月建成广东汕
头国家电动汽车试验示范基地。“十五”期间,国家科技部将电动汽车项目列入国
家“863重大专项。成了资助电池、电机及其控制系统、整车控制系统以外,重
点资助北京市(北京理工大学牵头)进行纯电动大客车的研发和示范运行。
2005年6月21日由国家发改委正式批准,14辆铅酸电池纯电动公交大客车在北京
公交121路线投入商业化运行。另一个课题资助天津清源动力公司(中国汽车技
术研究中心)进行纯电动轿车的研究开发和示范运行。其中有5辆纯电动轿车于
2005年初首次出口到美国。
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3.2、目前电动汽车推广应用中的困难
1)电池的性能低、价格贵、寿命短;使得电动汽车一次充电行驶里程短(铅酸电池在100
km左右,ni-mh电池在150km左右),尚不能满足人们对汽车机动性的要求;电池的价
格昂贵,一套整车使用的NiMH电池或锂离子电池的价格比汽车(不含电池)还高,且2~
3年必须全部更换,使用费用大。目前尚未研制出性能价格比能与内燃机相比的电池。
2)电动汽车的充电时间长,充满一次需要~8小时。充电设施投资大、建设周期长。
3)当前世界石油供应相对充分,石油资源枯竭的问题尚不明显。而各级政府对电动汽车应
该采用的优惠政策,如峰谷电价差别、排放补贴等并未实施。
因此,从全世界范围看,由于受电池技术和价格的制约,纯电动车目前只能在特殊地区
如大城市市区、商贸、旅游、体育、娱乐中心、居民小区等作为短途公共交通车,以及特
殊地点、特殊用途一如机场、码头、车站仓库、商场等作为特殊运输工具而使用。
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3.3、混合动力电动汽车的优势:
混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle,简称H是将电力驱动与辅助
动力(APU)结合起来,充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生的优势的车
辆。辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机,如内燃机、燃气轮机等或其它动
力发电机组
 HV Configurations
混合动力汽车的布置型式
 n |IC Enp
 Serios
 Motdr Mstor Conbia
 More Like an EV
电
更卓电物汽车
 paralle
 More Like a
 Convertianal
 Powortrain
 Motor Control
 Betery
更统
生控制
电池
图2混合动力电动汽车的结构原理和布置方式
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项目
单位
技术参数
混合动力系统的结构原理和布置方式如
图2所示东风电动汽车公司开发的并联式
车长
混合动力大客车的结构参数如表3所示。
m人g
表3东风电动汽车公司开发的并联式混
载客
85
合动力电动大客车的结构参数
一车重
(空载满载
10050/16500
)
总电压蓄电336/镍氢高功率型28个
池
加速时间
16(040kmh)
最高车速
 km/h
>72
电机
开关磁阻电机:最大功率:27kW:
发动机
进口康明斯6BTA发动机(电控、高
压共轨、达到欧3排放标准)
发动机和电机混合驱动:制动空压机、
其它说明液压助力转向系统和空调压缩机均由
发动机直接驱动。
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混合动力电动汽车的优势:
与纯电动汽车比较:
(1).由于电池的容量大大减小,而使整车自重减小、成本降低。
(2).汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平。不必要重新建设庞大的充电设施和取
消每天的充电维护工作;
(3).保证驾车和乘坐的舒适性(保证空调、暖风、动力转向等的使用)。
与传统内燃机汽车比较:
(1).可使原动机在最佳的工况区域稳定运行,从而降低发动机的排放污染、噪声和油耗。
(2)在人口密集的商业区、居民区或其它对环保要求特别严格的地区,可关闭发动机,采
用纯电动方式驱动车辆,实现“零排放”。
(3)通过电动机回收汽车减速和制动时的能量,进一步降低汽车的能量消耗和排放污染。
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混合动力电动汽车的商业化已经在日本和美国逐渐推广。丰田汽车公司
的 Prius混合动力轿车已经在日本和美国销售了39万辆以上。混合动力公交大客
车在美国纽约、西雅图和加州等地也已经销售和示范运行数百辆。巴西在里约热
内卢用混合动力方式改造了几条公交路线,采用柴油机和铅酸电池串连式混合动
力结构,取得了节油和降低排放的良好效果。
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四、燃料电池电动汽车的研究开发进展
类工作
应用
型温度范围
优点
缺点
4.1燃料电池的种类和特点:
到目前为止,人们研究开发出的燃料电池的种类、
子60~
运输业工作温度低、
需用贵金属作
、携起动快
催化剂、成本
工作温度、可应用范围、优缺点等见表4。
质子交换膜
交100
式电源结构紧凑
重量小
高、对燃料的
纯度要求较高
表4燃料电池的种类和特点
需要除去燃料、
碱90航空中阴极反应较质气体,例如:
性100
军事、在碱性电解液氧化剂中的杂
航
快
 co2
磷175~电力
工作特性好铂作催化剂
酸20工业、效丰较高、
体积和重量较
型
运输业对燃料的纯度大、输出的电
要求不高
流、功率较低
效较高、
培融碳酸盐体氧化物
600~电力
成本较低
有腐蚀性,高
1000
工业可使用多种材湿加速燃料电
料作催化剂
池部件的损坏
效率高,可用
600~电力多种燃料、催
高温加速燃料
100工业化剂成本任、电池部件的损
便于维护
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4.2、质子交换膜燃料电池的工作原理
质子交换膜燃料电池的结构和原理如图3所示。电池单体主要由膜电极
(阳极、阴极)质子交换膜和集流板组成。
其具体反应步骤为:经增湿后的H2和O2分别进入阳极室和阴极室,经电极扩散
层扩散到达催化层和质子交换膜的界面,分别在催化剂作用下发生氧化和还原反
应:
阳极:H2→2H+2e
阴极:H2+2O→H2
电池总反应:2+2h+2c→H2
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阳极
阴极
集流板
h2->2h+2e
 120++26->HO
膜
图3质子交换膜燃料电池的反应原理
阳极反应生成的质子(H+)通过质子交换膜传导到达阴极,
阳极反应产生的电子通过外电路到达阴极。生成的水以水蒸汽或
冷凝水的形式由过剩的阴极反应气体从阴极室排出。
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4.3、燃料电池的优势:
(1)效率高,燃料电池的化学反应不受卡诺循环的限制,理论上能量效率可接
近80%,实际效率已达50~70%。
(2)清洁无污染,氢/氧燃料电池的产物只有水,属于零排放或接近零排放(考
虑到燃料重整时)。
(3)效率随输出功率变化的特性好,燃料电池的效率在额定功率附近可达60
%,部分功率下运行时效率会高于额定功率下的效率,可达约70%,过载功率下
运行时效率略低于额定功率的效率,可达0~55%燃料电池的效率随输出功
率变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行。
(4)过载能力强,燃料电池的短时过载能力可达200%的额定功率,更适合于
汽车的加速、爬坡等工况。
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4.4、国外燃料电池汽车的研发进展
由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)同时兼备无污染、高效率、适用
广、低噪声、可快速补充能量、具有模块化结构等特点,被公认为是替代传统内
燃机的最理想的动力装置。全世界各发达国家及各大汽车公司都非常重视燃料电
池的研究开发。美国能源部的最新报告指出,燃料电池的研制和开发“已接近历
史性突破的边缘”,“欧美日的激烈竞争已进入冲刺阶段”,燃料电池技术将成为21
世纪汽车工业竞争的焦点”。美国前矿物能源部长助理克西格尔说:“燃料电池
技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响,会类似于20世纪上半叶内燃机所起
的作用”。福特汽车公司主管PNGV项目的经理鲍伯默尔称:燃料电池必定给汽
车动力带来一场革命。
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(1)美国政府非常重视燃料电池技术及燃料电池汽车的研发:
美国现任乔治布什政府对燃料电池汽车的研制开发和推广应用非常重视,美国
联邦政府能源部于2002年1月9日 Freedom提出 CAR(Freedom Cooperative
 Automotive Research)计划,支持新能源汽车的研究开发,该计划在2003年
由美国联邦政府投资15029.6万美元,其中燃料电池5000万美元(占33.27
%),氢源设施2582万美元(占17.18%),两者之和占总投资的50%以上。
2003年2月美国现任总统乔治布什向国会提出自由燃料(FreedomFuel)计
划,在对此计划发表的公开讲话中指出,“我要国会花费12亿美元的新国家投
资,给氢燃料电池小客车项目,使它能从实验室走向售车展示室。我们希望看
到,今天诞生的小客车将属于今天诞生的儿童,他(或她)所开的第一辆车,这
将是一辆由氢驱动而无污染的车;”“使用氢动力的最大结果,是实现我国的能源
独立”,“使我们伟大国家的未来公民,极少地依靠外国能源”。
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(2)、日本的燃料电池汽车计划:
日本政府对燃料电池汽车的研究开发和推广应用也表示了极大的关注,为了促进
燃料电池汽车的商业化,由中央和地方政府共同资助在大阪、京都、东京等城市
建立加氢站。2002年年底日本首相小泉纯一郎以政府的名义采购了5辆燃料电池
轿车(丰田公司3辆,本田公司2辆)租给政府各部门使用。在2005年名古屋
世界博览会上日本丰田汽车公司展示了多款燃料电池汽车,其中包括5辆以上的
燃料电池大客车。
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(3)、全球环境基金会(GEF)、联合国开发计划署(UNDP)燃料电池大客车示范项目:
为了使发展中国家的大城市公共交通车辆改变能源结构、降低有害物排放污染和温室气体
(cO2)排放,全球环境基金(eF-Global Environmental Facilities和联合国发展
计划署(und- United Nations Development Programme资助巴西圣保罗、墨西
哥城、中国的北京和上海等大城市开展燃料电池公交客车的运行示范工程。其目的在于促
进燃料电池大客车的尽快商业化。中国燃料电池公共汽车商用化示范项目于2003年3月27
日在北京召开启动会,该示范项目总投入为3236万美元,其中GEF投入1158万美元,
UNDP投入40万美元,国家科技部、北京市和上海市共投入1458万美元,企业等其他投入
约580万美元。中国燃料电池公共汽车商用化示范项目为期5年,项目组于2003年12月18
日在北京向外界发布了第一期6辆(北京上海各3辆)燃料电池大客车的招标书,经过专
家评审和谈判,最后于2004年5月17日在北京与戴姆勒-可莱斯勒中国(投资)有限公司
签署采购3辆燃料电池大客车的合同,合同规定2005年10月将有3辆戴姆勒-可莱斯勒公司
的燃料电池大客车在北京市投入示范运营。
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(4)、我国的燃料电池汽车技术研究进展
我国政府也非常重视燃料电池汽车关键技术的研究,“九五期间,国家科技部将
燃料电池关键技术研究列入国家攻关计划“十五期间,燃料电池汽车及其关键
技术的研究和样车的研制开发,被列入国家863电动汽车重大专项中,予以重
点资助。由清华大学牵头研制的11米燃料电池城市客车于2004年5月经过长安街
驶入天安门广场,并参加了2004年10月在上海举办的比毕登国际清洁汽车大奖
赛。3辆样车已经累计试验行驶了8000km,顺利通过了国家863项目组的验收。
将国家863项目和GEFUNDP燃料电池大客车中国示范项目结合起来,由清华
大学和北京清能华通技术公司牵头成立了北京氢能交通示范园,并与美国能源部
(DOE)和欧盟开展燃料电池汽车和氢能交通项目的合作研究。
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五、结束语
1)2008北京奥运会和加入WTO为我国公交客车的发展提供了重要的机遇和挑
战;
2)节能和降低排放污染是公交客车最关键的技术;
3)代用燃料技术、电动汽车技术以及混合动力汽车技术的发展是解决节能、环
保问题重要的途径;混合动力汽车将成熟的内燃机技术和电驱动技术,按照最优
化的方式组合起来,达到高效、节能、低排放的目标,是目前开发研制和推广的
重点。
4)燃料电池汽车是今后的目标,现在应该积极进行关键技术攻关、样品研制
以及示范运行。
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参考文献:
1、陈全世、仇斌、谢起成.燃料电池电动汽车清华大学出版社2005.06.
2、国家高技术研究发展计划(863计划)课题申请指南,2001—2005年度(能
源技术领域,电动汽车专项),国家科技部。
3、全球环境基金/联合国开发计划署/国家科学技术部合作项目,中国燃料电池
公共汽车商业化示范项目,简报,200年第1-3期,2003年6-11月。
4、国家“十五863《电动汽车》重大专项燃料电池城市客车项目-研究简
报,2003年1-2期,清华大学燃料电池城市客车项目总体组,2003年4月。
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