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新能源汽车来了,我们未来的生活将会怎样改变?

什么是新能源汽车

我国2009年颁布的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》明确规定新能源汽车是指采用非常规车用燃料作为动力来源或是用常规的车用燃料采用新型车载动力装置的汽车,具有新技术新结构的汽车。次年6月我国更进一步明确兴能源汽车的种类。国务院印发《节能与新能源汽车产业发展规划(2012~2020年)》,沿用“新能源汽车”这一名词,将其确定为以下几类:

①插电式混合动力汽车

②纯电动汽车

③燃料电池汽车

主要特征为采用新型动力系统,完全或主要依靠新型能源驱动的汽车。

新能源汽车的运行原理

三类新能源汽车都是将能量输出到电动机,由电动机驱动汽车行驶,不过其动力源与动力输出方式不同,大体分为以下三类:

一、插电式混合动力汽车(PHEV):

该类型动力汽车动力输出系统有以下三类:

①串联式插电混合动力(增程式):发动机带动发电机M1产生交流电由控制器镇流转换为直流电给动力电池充电,再由动力电池输出直流经逆变器转换为交流给电机M2驱动汽车行驶。电池供电全程由外接电源或内燃机提供,动力纯粹由电动机驱动。原理如下:

②并联式:该类型下发动机和电动机均可驱动汽车(根据实际情况可单独发动机驱动、电池供给电动机驱动,也可两者双动力源同时驱动),在纯油模式下能为电池充电,原理如下:

③混联式:此模式可简单概括为怎么方便怎么来,具有所有并联模式优点,可以粗略理解为在并联的基础上再加入一个发电机,一般有两台电动机(发电机与电动机),纯油与混动模式下发动机均能为电池充电。

其一般不含变速箱(变速箱的效果差),为一种“ECVT”的星形齿轮结构的耦合单元替代了变速箱,起到连接、切换两种动力以及减速增扭的作用,在此不加进一步论述。混联模式原理如下:

三种动力模式比较:

无论是燃料电池、纯电动还是插电式混合动力汽车其驱动方式大同小异均为以上三类。

①串联模式只有一台电机驱动(仅有纯电模式),动力性差,百公里加速基本大于7 秒,且其需经二次转换才能为电动机供能,会造成较大能量损失,跑高速时油耗甚 至更大。

并联模式(本田IMA)拥有发动机与电动机双重动力驱动(拥有纯油、纯电、混动 三种模式),中高速时发动机单独驱动(纯油模式)且为电池充能,传动模式多样,动力性好,结构简单,综合油耗低。

混联模式(丰田普锐斯等)拥有并联模式的所有优点,在并联模式基础上加入发 电机,实现了混动模式下对动力电池的充电。意味着当发动机与电动机全力驱动车辆 时再也不用担心动力电池电能不足的情况,对能源效能调节更加合理,节油效果更好

综合比较混联模式自然是最为先进的模式,不过此技术目前被丰田公司所垄断,且工艺较为复杂,制造成本与销售价格都会高不少,随着专利权的到期,未来应有更多采用混联式系统的动力汽车。

二、燃料电池汽车(FCEV)

目前说的燃料电池汽车的燃料主要说的是氢,是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下,在燃料电池中经电化学反应产生电能,并以此作为主要动力源驱动的汽车。可以简单的理解为将混合动力汽车中的发动机代替为燃料储存罐(也就是氢),氢与氧发生化学反应转换成电能驱动汽车并排出尾气(水)。

燃料电池汽车

PS:其实该类新能源汽车我国也将其分类为纯电动汽车,因为氢能源燃烧不造成任何污染。

三、纯电动汽车(BEV)

纯电动汽车是指以车载电源为动力,它是完全由可充电电池(如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池)提供动力源的汽车。

纯电动汽车

而根据2018年12月18日发布的《汽车产业投资管理规定》,目前已经将燃料电池汽车归类为纯电动汽车,也就是说三类新能源汽车仅有混合动力属于燃油汽车其余均属于纯电动汽车。

目前新能源汽车的痛点

新能源车在节能环保方面固然是好,不过时至今日还没得到大规模应用也是有原因的,究其根本还是能源问题,也就是电池问题,目前绝大部分的新能源汽车都是以锂电池作为能量的来源 ,从原来的普通锂电池到如今的磷酸锂电池甚至是即将到来的三元锂电池都无一例外存在以下问题:

①首先就是行驶里程了,号称能行驶500KM实际运行中往往只能行驶200KM,冬天里程更短(受气温影响大,特斯拉为何只卖高端型号,因为可以把电池串联得更多更厚),其能量密度不够高。

②充电速率问题,家用220V正常充电往往需要将近10小时,如快充电流将明显增大一般电线不能承受,只有在专用充电站使用高压电进行快速充电,对基础设施要求高。即使拥有快充技术,不过用过的人都知道其对电池寿命的损耗是相当大的,一旦电池损耗过多,里程数将进一步减少。

③电池昂贵,一般新能源汽车电池使用寿命也就在5年左右就需更换,而其成本在几万至十几万不等,更换一次锂电池,其成本甚至接近一辆小型车。

④电池组管理落后,电池组过充过放不均衡,导致降低容量,甚至有个别电池失效导致整组报废的情况,此为世界性难题。所以纯粹用动力电池提供能源不稳定且寿命低。

⑤报废电池处理困难,动力电池当中含有大量的镍、钴、锰等重金属,而且电解液当中还有氟等有机物,对环境造成的危害非常大,而且其中含有少量电量,如若处理不当易发生爆燃,造成二次环境污染。

全球新能源汽车现状

目前在三类新能源汽车中大多数发达国家优先发展纯电动汽车,在国际竞争市场上销量较高的也是纯电动汽车。实事求是就汽车行业来说,我国与世界先进水平存在差距,毕竟技术的积累有先后也是需要时间的。而说到新能源汽车大家一般都会第一时间想到埃隆马斯克的特斯拉电动汽车(不可否认目前特斯拉纯电动最受欢迎,而日产大力发展氢能源汽车并掌握着汽车电池与电机的多项核心技术),不过我国在新能源汽车这一崭新的领域也是十分重视并走在世界前沿(毕竟是难得一遇的弯道超车机会)。

中国是最大的新能源汽车市场。截至2018年底,全球新能源汽车累计销售突破550万辆。其中中国新能源汽车销售占全球新能源汽车销量的53%(以比亚迪公司为龙头);其次是美国,大约占12.7%;另外,挪威(2.8%)、德国(2.7%)、英国(2.3%)、法国(1.9%)、日本(1.9%)、韩国(1.3%)。

2018全球新能源汽车销量

虽然我国非常重视新能源汽车的发展,不过上文提到其发展瓶颈主要集中在驱动能源方面,也就是电池技术,在这些瓶颈未解决前,除了锂电池,是否还有更好的能源呢?这就不得不提到燃料电池汽车了。

氢能源燃料电池汽车,未来的宠儿?

氢能源汽车分为两类,一类是氢内燃汽车,第二类是氢燃料电池汽车。前者直接燃烧驱动后通过化学反应发电再用电动机驱动。

①氢内燃汽车其实还是传统内燃机原理虽然燃烧氢气(其实是混合气体)能大大降低污染不过还远远达不到零排放,而且氢气燃烧过快续航里程低。所以各大厂家往往都将重心转为研究氢能源燃料电池汽车

②氢燃料电池汽车一般是将氢气高压液化后存储在氢瓶里,运行时使氢经过燃料电池里的催化剂催化作用与从外界吸进来的氧气发生化学反应(氢与氧的合成装置也就是燃料电池,氢氧的反应堆)产生电流驱动电动机使车行驶(也可同时为电池充电,就如前文提到的混联模式动力系统)。

在这一过程中其产生的唯一废物只有水,而能量转化效率是传统内燃机的2~3倍达到60%~80%。目前丰田的未来汽车充3分钟左右的氢燃料(5Kg)便能能行驶650Km。而5kg的氢燃料仅需4600日元(约合280元人民币),比汽油还便宜。由于没有发动机,车盖与车尾不会发热车内也没有任何异味。

随着李克强总理访日视察丰田公司的氢能源汽车,氢能源已成为我们中国社会特别是产业界关注的热点,那么日本的氢能源开发利用达到什么样的阶段了呢?让我们看一看日本氢能源燃料电池汽车领域的佼佼者丰田公司。

丰田氢能源汽车

1、日本的氢能源是从上世纪90年代开始研发的,而最初考虑将氢能源作为汽车能源的研究是1992年由丰田汽车公司的4名研究人员以兴趣研究小组的形式开始的,在公司的资金支持下最终发展壮大变为新能源研发部并于2014年研发出第一代氢能源试验车。该车在极寒的加拿大北部、高温的非洲大陆等地经过反复的耐寒耐高温的冲撞试验,在获得一系列数据之后于2016年正式推出其第一代氢能源汽车“mirai”(未来)。在日本与美国已经销售18000多辆。

第一代氢能源汽车“mirai”(未来)

miral

其后盖箱有一电源输出插口,可以连接家庭插座以供家庭电源的使用,其能源可保证一户家庭一星期的照明、空调、冰箱、做饭、洗澡等等的电力所需。试想当城市停电时其可长时间支持家庭能源的正常使用甚至电量周围的信号灯与路灯。将其定义由原来的耗能交通工具变为供能的移动平台。

2、而如今丰田公司已经推出第二代氢能源汽车(FCV PLUS)

第二代氢能源汽车(FCV PLUS)

该车可谓汇聚了丰田公司最为先进的技术为一体,具体体现在如下几方面:

①自动驾驶:与AI融为一体的全自动驾驶技术(日本预计在2030年完全进入自动驾驶的时代)。

②车窗玻璃液晶显示:车内宽敞,无任何仪表与显示屏,所有的控制数据都显示在挡风玻璃下端,显示屏幕能显示各种APP,甚至你都不需要触摸,仅需语音便能操控(类似hi siri,不过会更加智能,接电话、邮件、回复信息等功能都不在话下)。

③人工智能与物联网:汽车左右车窗其实是是两个巨大的显示器,人们在车内可以做任何电脑上能做的事(看电影、办公、学习、投资、视频会议等等),特别是当自动驾驶成熟之后,人们可以腾出手来做更多的事,汽车将变成一全面而舒适的移动办公平台。

④成熟的氢能源动力系统:该燃料电池汽车的核心技术在于燃料电池中分离氢原子电子的质子交换膜,该材料技术属于核心技术,经过十几年的发展随着材料学的进步,其动能转换效率进一步提高,其续航里程更是达到了恐怖的800km。

⑤非接触式输电:还记得一代汽车后盖的有线电源输出接口么?二代丰田汽车已经变成了无线供电系统(由车后轮的两个无线供电装置实现)。像不像刘慈欣小说《三体》中所描述人们生活中所用的各种设备都由无线能源传输的场景。其实在燃料电池汽车的运行原理上是不需要堆砌电池的,不过丰田公司还是这样做了,也许是日本地理条件时长遇到地震台风之类的灾害。其设计的电池与氢能源系统能为无论是家庭还是公共设施(医院、避难所、信号灯等)提供电力。而日本对氢能源的利用不仅仅止步于新能源汽车,还将开发氢能源住宅区构建能源多样化的社会(这一计划首先在东京湾实现,也就是在即将到来的奥运会期间)。

而真正要实现成熟的全产业链氢能源汽车的应用还需得在制氢、加工、存储、高压气瓶、运氢车、加氢站方面下功夫。为了更好的推进氢能源汽车,丰田公司正在建新的生产线并扩大燃料电池(氢氧合成装置)与高压氢气泵的生产能力,预计在明年(2020年)正式投产,将生产能力提高10倍,实现年产36万辆的目标以此大幅降低成本,并预计在2025年将氢能源汽车与混合动力汽车的售价保持在同一水平300万日元左右(约合人民币20万元),2030年时氢能源汽车年生产量将达到100万辆,开启氢能源普及的时代。

氢能源汽车的运行原理

说完了丰田氢能源汽车如此多的新技术与优点后,让我们回到其根本的技术与原理上。

我们将压缩后的液态氢充入储能电池中,该车经过氢燃料电池堆的化学反应直接将化学能转换为电能(省却了内燃机通过热能与机械能的转换,转换效能为普通内燃机的2~3倍)给储能电池与驱动电机供电。

就氢能源燃料电池车的运行原理来说大部分与纯电动汽车相同,核心技术在于燃料电池。氢燃料电池严格地说算是一种发电装置,如发电厂一样输出电能。

氢燃料电池电动汽车是由一组单独的燃料电池提供动力(燃料电池堆),由燃料产生动力,类似于内燃机,燃料电池堆产生的电能为电动机供电进而驱动车辆,每个电池是由阳极、阴极与其间的质子交换膜(关键材料技术)组成。

燃料电池运行原理

氢从储氢罐进入阳极,从空气中抽离出氧气进入阴极。氢分子经过质子交换膜其中的催化剂将其分裂为电子与质子,质子穿过燃料电池堆,电子经过外部电路将电流输送到电动机与其他用电元器件。同时阴极侧电子与质子再次结合并与氧气反应,最终产出唯一的废弃物水。

同时丰田所用的是700Mpa的高压储气罐,两个储氢罐的容量是122.4升,也只能容纳约5公斤的氢气。而5Kg的燃料并不重,重的是储氢罐,至于为什么这么重,当然是为了安全。而在保证安全的前提下其里程达到了恐怖的800Km。

其实上文有所论述,现稍加总结让我们看下氢燃料电池汽车的优点

安全:安全永远是人们所重视的,而设计者也使出了浑身解数。储氢罐内部采用塑料内胆,再用炭纤维加强保护配合玻璃纤维减震,最后才是外层的铝合金,而且层与层之间的纤维纹路都根据压力的不同做了额外优化。

环保:这个自不必说,氢与氧的产物只能是水,没有任何污染。

续航里程长加氢块:如上文所叙述,一辆氢能源汽车加满仅需3分钟,便能行驶650Km(新款能达到800Km),且受温度影响不大(可以靠氢燃料电池直接供能)。

加油站改建成本:远低于改造成快速充电站的成本,众所周知就算让动力锂电池在220V条件下做慢速充电(10小时充满)电流也有将近30A,多来几台车小区电源系统就需整体改造,更不用说220V的快充了(电流达到287A)没有什么线路能承受,所以必须用到高压,也就是专用的充电站。由此可知改装新建高压充电站的成本高(电气系统、线路),而加氢站则增设高压气罐,专用运输车即可,相比充电站更加简单低成本。


加氢站

燃料电池的处理:即氢能源合成装置,该装置能永久使用,不会像锂电池那样几年后使用效率便大大降低,即使汽车使用若干年后需要报废,该燃料电池也可拆卸并安装在新的汽车里继续使用,为可循环设备。更可贵的是该燃料电池的报废处理也不会如锂电池报废那样产生各种对环境有污染的废液,属于真正的可循环无污染环保电池,其技术与理念可谓当今最为先进。

氢能源汽车的氢怎么来?

说完了氢燃料电池的这么多好处,那燃料氢又怎么来呢?如果仅仅是使用氢能完全环保而制氢不是,那么环保的效果将大打折扣。丰田公司所提倡实现的是制氢、用氢与燃料电池的回收处理全程无害化。

普通的制氢工艺都是由电解水产生,但是我们不禁要问电又从哪里来,不能否认的是不少部分的电能依然是靠化石能源发电,且电解水制氢的效率不是很高(当然还有其他几种方式,不过都会用到能源)。不过时代是发展的未来随着核能发电(尤其是核聚变技术的成熟)以及可再生资源发电(太阳能、风能、水电)完善后完全有能力实现大规模的电解水制氢,完全满足所有氢能源汽车甚至新型氢能源住宅的用氢需求。这样今后人们出行短途用纯电动长途就用氢燃料电池车。

在日本福岛的一家制氢公司整个工厂分为四大体系:制氢车间、储气管区、压缩与出货运输站、综合管理中心。其工艺为传统的水电解,不过其电力来源为太阳能发电,每小时产量为2000m,一年900吨,能满足10000辆氢能源汽车一年所需。随着工业体系的完善,发电技术的进步,氢能源将在我们生活中越来越普及。

而在即将到来的东京奥运会中,不仅所有的奥运会官方用车都是氢能源汽车,东京湾所采用的新能源住宅(氢能源)也首次实现氢气输送管道的搭建完成与使用,实现家庭中所有的耗能(电视、电冰箱、热水器、地热、照明等所有耗能设备)设备都由氢能源提供,无需外部电力。可以预见在不远的将来氢能源将代替直接用电融入我们的生活。

今年李克强总理赴日考察,期间特意在丰田汽车厂区停留半小时了解氢能源汽车,回国后便将发展氢能源汽车与氢能源基础设施写入政府工作报告,可看出国家对发展氢能源的重视。

未来的交通工具会是怎么样的?

说完了氢能源燃料电池汽车,让我们发散下思路展望下未来想象一下未来的交通工具会是怎么样的?

其实往简单想交通工具不外乎就是能源的提供与类似电机(未来可能有更好的驱动方式,反重力啊什么的)的动力系统的驱动,而无线能源的传输会为我们的生活提供更方便快捷的应用场景(犹如《三体》中逻辑一觉醒来发现人们所有的生活用品都拥有无线供能的功能)。所以无论未来出现外形多么怪异的交通工具也无需奇怪了(第五元素中的各类交通工具)。

结语

无论未来的新能源汽车是什么样的,相信一定会朝着更经济环保、便捷、能源更易获取、发动机比冲更高(单位质量的推进剂可以产生的冲量)的方向发展,加上材料学与基础物理的进步,科幻世界中的场景都将一一实现。氢能源或许不是终极能源的解决方案不过却是人类在探索环保新能源道路上的伟大尝试。

兴许将来的可控核聚变(科学家预计在未来10~20年成为现实,其几克的氢聚变后产生的能量相当于几百吨的煤炭燃烧,质能转换效率达到1%)、反物质(与物质带电量相反与普通物质相遇发生湮灭现象,其质能转换效率达到100%)。先不说反物质技术产生的能量,仅仅是在不远的将来人类掌握可控核聚变其能源问题也将得到解决,进而研发的侧重点便是怎样将能源经济环保且有效率的输送到千家万户了,而如今的氢能源输送与燃料电池技术提供了一个很好的解决方案。

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