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從複合引擎至鋰電池

2018-4-21 21:36| 发布者: dymodel| 查看: 191| 评论: 0|原作者: dymodel

摘要: 从複合引擎至锂电池(一)  科技明星-从複合引擎至锂电池  方笃雍 2006.12.1  当今市场上希望接替传统汽油引擎的竞争者除了複合引擎外,还有也已量产并使用「超级柴油」的改良型柴油引擎,与「氢燃料电池」,还 ...
从複合引擎至锂电池(一)

  科技明星-从複合引擎至锂电池 

  方笃雍 2006.12.1

  当今市场上希望接替传统汽油引擎的竞争者除了複合引擎外,还有也已量产并使用「超级柴油」的改良型柴油引擎,与「氢燃料电池」,还可加上直接燃烧氢的内燃机引擎。目前的柴油车是以柴油较汽油便宜,加上柴油引擎耗油率较低而受到欢迎。严格说来,柴油引擎不是广义複合引擎真正的竞争者,只因为它已相当省油了,所以目前汽车製造业研发「烧柴油的複合引擎」的动机不强。

  至于複合引擎与氢燃料电池(hydrogen fuelcell),其实各大汽车製造业,包括Toyota在内,都是两头下注但优先度不同。当氢燃料电池的发展还在蹒跚学步,複合引擎却已开花结果大出风头时,许多研发氢燃料电池的人却还坚持「氢是最后的解决,氢时代终将来临」。 

  

  Toyota Prius引擎与马达等电动元件结合方式的解剖图

  

  Toyota Prius的Hybrid系统示意图之一

  

  Toyota Prius的Hybrid系统示意图之二

  许多相信「结合锂电池的複合引擎」的人一样,对这种说法嗤之以鼻;因为不论分解甲烷或电解水分子来製造氢燃料都非常耗能,何况氢的储存、配送远比瓦斯、汽油、柴油既困难又危险;再加上目前氢燃料电池仍然依靠贵又稀有的白金(铂)製作触媒反应器,有人估算,若硬要用它来驱动未来的车辆,全世界的白金根本不足以应付这麽大的需求。就算找到白金的替代品,除非氢燃料电池的储能密度远胜于即将成功的大型锂电池,否则它就得继续待在实验室或充当某些富豪的玩具。在某些特定的领域上,氢燃料电池绝对有它的价值,但用在汽车上则没多大的指望。一篇不久前出版的ScientificAmerican(那一期忘了)分析各种替代能源之淨效率的文章指出,目前的氢燃料电池远逊于油电複合引擎。欲进一步了解氢燃料电池可参考。

  为何複合动力汽车会崛起?

  首先得谈目前遍佈全球的内燃机引擎(汽油/柴油引擎)的优缺点:

  优点:马力大,技术成熟,拥有遍佈全球的燃料供应及车辆维修体系。

  缺点:噪音大,污染空气,低速运转时汽油/柴油燃烧不完全,燃料利用率很差,暖车及怠速时则纯粹是浪费燃料。在走走停停的市区裡,交通越拥挤,平均能量利用率越低而且排气污染越严重。

  虽然内燃机效率不佳,但因汽油及柴油的能量密度远高于当今最佳的蓄电池及氢燃料电池,所以传统汽车的续航力大致令人满意,并风行于全世界。问题是传统汽车风行才一个世纪,地球的石油蕴藏量就已亮起了红灯。近年来油价节节高升,汽车又是空气污染及温室效应气体的主要来源之一,儘量儘快地减少耗油已是势在必行。一旦省油又省钱的新世代汽车普及后,不但届时汽车製造业将缺乏意愿生产豪华又耗油的传统汽车,各国政府还可能会立法「严惩」坚持浪费燃料的车主们。〔注:本来我想写十年,但据 报导,全世界第2大的科威特BurganGreater油田产能已经开始下跌,而最大的沙乌地阿拉伯的油田已经开始灌水「挤」石油后,就改为五年。换句话说,当初某些专家预测2005年左右全球石油产量将达到顶峰,从此开始下跌并最终枯竭的可怕预言已经实现了。根据全世界最大石油公司Saudi Aramco的一位前副总裁SadadAl-Husseini推测,如果情况不改善的话,到了2030年,得有10个全新的沙乌地阿拉伯的油田才能应付全球的需求。〕

  相对地,以电动马达驱动的汽车有如下优点:

  (1)车辆静止时马达可以完全静止,不浪费能量。

  (2)以电流大小来调节马达出力,控制机构简单,而且没有汽油/柴油低速运转时燃烧不完全而效率低落的情形。

  (3)整体结构比汽油/柴油简单,活动零件较少,使用寿命较长。

  (4)操作时可以非常安静。 

  複合动力汽车可利用现有的燃料供应及车辆维修体系,又可显着地提高燃料利用率,遂成为取代传统内燃机引擎的热门替代方桉。

  完全式複合与辅助式複合引擎的比较

  複合引擎有完全式与辅助式两种。两者最大的区别就是前者可只靠马达驱动车辆,在起步时后加速至某一速限前,完全不须起动内燃机引擎,相当于电动车;而后者的马达只是当助推动力装置而已,马力较弱,蓄电池的蓄电量较小,省油效果较差。不过Toyota Prius能够击败与其同期竞争的HondaInsight与Civic,不光靠较强的马达与电池而已,较先进的变速箱、车控电脑软体,再加上细心的车体设计,以及高明的行销策略也都是成功的因素。市场已经显示,消费者对辅助式複合引擎兴趣缺缺,甚至有些刻薄的人还謯称它为FakeHybrid。奇怪的是,原本不理会Hybrid的通用汽车终于也加入竞争,但首先推出的竟然是使用AssistHybrid系统改装的Saturn小型车。

  现阶段HEV(Hybrid Engine Vehicle)市场的竞争

  HEV第一回合的竞争的大赢家毫无疑问是Toyota,单单Prius一款车就囊括了全体HEV市场的三分之二,儘管目前全体HEV的销售量仅约佔全球家用汽车市场的千分之一。

  Toyota在Hybrid领域的最强的竞争者恐怕是美国福特汽车(Ford MotorCompany)。当今每谈複合引擎,大家都先想到ToyotaPrius,其实两家企业的技术非常类似而且技术层次接近,只因福特推出时间落后于Toyota,即使自己拥有核心技术,仍被迫向Toyota购买十数项专利(相关专利共超过300项)使用权来製造并销售自己的複合动力汽车。所以福特的Escape HybridSUV儘管运作方式与电脑萤幕画面都类似Toyota的hybrid,但是车控电脑软体及相当硬体完全是自家的版本。

  福特为了增加市场竞争力,正大力研发可使用E85燃料(85%酒精+15%无铅汽车)的複合动力汽车,称之为弹性燃料车(FFV, flexible-fuelvehicles)。目前,E85已普及于美国中西部。使用E85的目的是提高使用燃料的弹性,并进一步降低空气污染与温室气体的排放。困难在于,酒精比汽油更易挥发,应用在複合动力汽车时,因为汽车经常处于只靠马达驱动,酒精挥发的问题若不加以克服会更严重,易造成燃料的无谓损失。

  根据2006年11月20日出版的TIME週刊上Toyota的宣言式广告,其总裁Katsuaki Watanabe声称将于2007年春季推出FFV,而且正致力于研发下一代更省油的PHEV(Plug-in Hybrid Engine Vehicle)。

  外充电式複合动力汽车的先驱

  更省油的方法应该是提高蓄电池的蓄电量,以增加马达驱动汽车的里程比率。此乃基于简单的能量平衡原理:对同一部车而言,在同一路线上行驶一定距离,所需的能源大致上是固定的,如果目前的HEV的蓄电池只用来回收汽车原本在刹车、滑行、下坡时会浪费的能量当中的一部份,并在起步、低速行驶、加速时释放出来,电池蓄电量并不够大,甚至当蓄电量降得太低时,还要靠引擎带动发电机去充电(烧油去充电)。当时没注意到其实早已有人想到加强蓄电池的主意,并已实地试验很长的一段时间了。

  ToyotaPrius进入美国市场不久,一些极富创造力的美国工程师买主们,便开始研究它的结构,并测试它的极限,很快地了解Toyota实在太「保守」了*,Prius应该可以更省油的,开始「改良」,于是产生一批号称\"PRIUS+\"可接外部电源充电的複合动力汽车。这裡的外部电源指的是车库裡的一般电源插座。〔注:Toyota原装的镍氢电池蓄电量不够高,而且透过软体控制,限制它充电不充过80%,放电不低于40%(另一说法是30%),纯电力驱动只限时速50公里以下(一方面也是马达力量还不够强)。〕

  在\"PRIUS+\"内部,玩家们冒着原厂汽车保固失效的风险,拆掉了Toyota原装的镍氢电池,取代以更先进更强的锂电池,并为锂电池加装了110伏特交流转直流的充电器(详情请参考照片)。他们可没有,不能也不须改造Prius的车控软体喔!。根据照片中的车主自述,他的Prius于2003年10月由EnergyCS公司改装完成;改装前行驶了36000英里,耗油率平均为48.5 MPG(miles pergallon),相当于20.6公里/升;改装后头两天,在日常作息路线上,其中含以105公里时速行驶40英里长往返机场的高速公路上,获得50.2公里/升的耗油率;有一天在旧金山湾区走了64英里,其中55英里为高速公路,获得34.6公里/升的耗油率。他们的结论是,达到100+MPG的耗油率是可能的,如果由Toyota自己来做应该会更好。

  〔注:1英里=1.609344公里;1美制加仑=3.785公升。有人尝试用一般的铅蓄电池凑合在PHEV上,结果累积工作了11小时后它们就报销了,根本经不起大电流的反覆充电、放电。



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