新能源材料在汽车领域的应用

新能源材料在汽车领域的应用材料学院 光电 1202 郑科城 3120707029 综合国内外的一些观点， 新能源材料使之实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料， 它是发展新能源技术的核心和其应用的基础。 从材料学的本质和能源发展的观点看， 能储存和有效利用现有传统能源的新型材料也可以归属于新能源材料。 新能源材料覆盖了镍氢电池材料、 锂离子电池材料、 燃料电池材料、 太阳能电池材料、反应堆核能材料、发展生物质能所需的重点材料、新型相变储能和节能材料等。新能源发展过程中发挥重要作用的新能源材料有锂离子电池关键材料、 镍氢动力电池关键材料、 氢能燃料电池关键材料、 多晶薄膜太阳能电池材料、 LED发光材料、 核用锆合金等。太阳能材料在汽车领域发挥了越发重要的作用 , 而太阳能电池是实现太阳能在汽车上的应用的核心技术， 不断研究开发新材料和新工艺来提高电池的转化效率和降低生产成本是太阳能电池技术发展的大方向。一、太阳能电池在汽车上的应用1、太阳能作为第一驱动能源——太阳能汽车太阳能汽车具有零污染、 能源丰富的特点， 代表了汽车发展的新水平， 因此被人们称为“未来汽车”。太阳能汽车的运行原理如下图所示。太阳照射电池阵列时，产生光生电流。能量通过峰值功率跟踪器驱动电机使车辆行驶。剩余电量由蓄电池储存， 以便太阳电池板电量不足时驱动电机。 当车辆制动时还可以回收制动能量，它已经没有发动机、传动轴、变速箱等构件。据估计， 如果用太阳能汽车替代传统车辆， 二氧化碳排放量可减少 43％～ 54％。 内燃机的能源利用率约为 25％， 而太阳能汽车的能源利用率却能达到 95％。 但由于太阳能汽车普遍采用质轻价贵的航空航天材料来力求达到车体轻、 速度快的目的， 其成本昂贵、 动力稳定性不足及承载能力差等特点使其暂时处于概念化阶段。太阳能汽车的应用技术可以归纳为五个主要方面： 电池技术、 车体技术、 电力驱动技术、蓄电池技术和能量管理系统技术。（ 1）电池技术太阳能电池技术发展趋势是提高转化效率， 降低成本。 为降低电池研制成本， 国内外通过设计模拟光伏电池特性的模拟器来加快光伏发电的研究。 清华大学的周德佳和赵争明等采用 Matlab ／ Simulink 模块建立了光伏电池阵列的仿真模型， 推导出电池阵列在最大功率点以及稳定功率区域内时具有线性关系， 形成了以电流为控制方式的最大功率跟踪控制算法， 理论上优于传统的电压控制方法，易于控制，有利于提高电池的转化效率。（ 2）车体技术太阳能汽车最独特的地方是车身外形新颖而柔顺。 设计车身时， 主要目标是使空气阻力最小， 太阳能吸收能量最大化， 质量最小化和安全最大化。为了得到最佳外形，需要进行大量模拟和测试， 如风洞试验，大多数太阳能汽车的车身呈扁平状。 通常，有三类底盘在太阳太阳能电池板 峰值功率跟踪器 电机控制器 电机 车轮蓄电池能汽车里使用： 空间框架结构通常使用焊接的管状结构来支撑车体， 车身则是不承受载荷的组合式壳体； 半承载式结构使用合成梁和舱壁承受载荷； 承载式结构使用车身部份结构支持负荷。这三类底盘都能形成高强度低重量的车辆。很多太阳能汽车综合使用上述种类底盘。（ 3）电力驱动技术电力驱动技术包括电动机技术、控制器和功率电子器件。太阳能汽车通常有 3个车轮，采用轮边驱动系统， 后轮驱动。 永磁无刷直流电动机具有优越的起动性能和调速性能、 寿命长、运行可靠、易控制等一系列优点，且其功率密度高，转矩与比重量大，因此目前它最适合于在太阳能汽车上应用。（ 4）蓄电池技术考虑到天气和特殊工况的要求， 蓄电池通常作为辅助能源在太阳能汽车上应用。 若按比功率、 比能量、 充放电循环寿命等各项指标综合比较的结果， 镍氢和锂电池最为适合太阳能汽车使用。 储能电池的发展趋势是要提高比功率、 比能源、 循环寿命等技术指标， 降低成本，完善电池的能量管理系统，增强稳定性和环保性能。（ 5）能量管理系统太阳电池在一定的温度和日照强度下具有唯一的最大功率点， 使电池在最大功率点工作将最大限度地利用太阳能。 常用的最大功率跟踪的控制算法有恒定电压法、 扰动观察法、 等。Hardik · P等人对各种控制算法的优缺点进行了对比研究。目前最大功率点跟踪在控制理论方面的研究主要集中在优化控制、模糊逻辑、 人工神经网络控制、 自适应控制等。 最大功率点跟踪在电力电子技术应用的研究进展有采用单片机控制直流变换器的占空比来调节光伏阵列的输出、给逆变器输入小正弦信号改变其开关频率来调节光伏阵列端电压和通过 DSP控制输出电流、 电压来使输功率达到最大等。 对蓄电池及其能量系统的有效管理、 合理匹配及正确使用将大大提高太阳能汽车的续驶里程，提高电池的使用寿命并降低成本。2、太阳能混合驱动汽车太阳能辐射能量密度低， 光伏电池造价昂贵、 蓄电池容量有限， 使得完全靠太阳能驱动的汽车的实用性受到极大的限制，因此将太阳能和其它能源混合驱动汽车就成为必然选择。祁俊荣等设计了一种太阳能电机和内燃机混合驱动系统， 提出了基于太阳能混合动力电动汽车运行状态的变结构模糊控制系统。此太阳能混合动力驱动系统主要由内燃机、 太阳能电池组、 太阳能电动机等组成， 太阳能电池产生直流电， 对负荷和蓄电池供电， 电机控制器控制电机的运行。 发动机和电动机是独立的动力系统， 由控制单元进行控制。 系统根据道路和天气情况选择车辆的驱动模式： 当控制系统检测到蓄电池的 SOC值较低时，进入纯发动机工作模式；在城市道路低速行驶和蓄电池电量充足时，进入太阳能驱动模式；在车辆加速或爬坡时，及时控制电动机驱动系统，提供辅助动力， 进入混合驱动模式； 当车辆制动时，驱动电动机给蓄电池充电，进入再生制动能量网收模式；当车辆静止时，进入蓄电池充电模式。氢能具有高效、 清洁和易于产生的特点， 利用太阳能制取氢气可以用于燃料电池车和氢发动机车， 日本本田汽车公司已设有示范性的太阳能加氢站。 到目前为止， 太阳能制氢的方法研究主要集中在： 直接热分解法、 热化学循环法、光催化法以及光电化学分解法。直接热分解法、 热化学循环法反应温度高， 对反应器材料的要求非常苛刻， 限制了其进一步的实用化。 光催化法以及光电化学分解法所需装置简单， 反应条件温和， 是最具吸引力的制氢方法。3、太阳能作为汽车辅助能源传统汽车的功率有几十千瓦， 而太阳辐射功率约为 lkW／ m2， 目前的光电转换效率小于30％，因此全部用太阳能驱动传统汽车的话， 需要几十平方米的接收面积才能驱动汽车，对于传统的车身布置是不现实的。但在传统汽车上可以用太阳能作为辅助动力， 以减少常规燃料的消耗。（ 1）太阳能用作汽车蓄电池的辅助充电能源在轿车上加装太阳能电池以后， 可在车辆停止使用时， 继续为蓄电池充电， 从而避免电池过度放电， 既节约了能源， 又延长了蓄电池的寿命。 日本应庆大学设计了一款叫做 Luciole的概念车， 这款车车顶上贴有近 1m2的转换效率较高的光伏板， 作用是给 12V的电池充电， 光伏电池发出的电量相当于汽车行驶 800km所消耗的电力。（ 2）太阳能天窗太阳能天窗的结构是在天窗玻璃下方安装太阳能电池， 其与控制单元输入端相连接， 输入端连接空调系统的温度传感器， 同时还和蓄电池、 点火器相连接。 太阳能电池吸收太阳能，经汽车天窗控制单元可对蓄电池充电， 保证蓄电池的电量充足， 同时延长蓄电池的使用寿命。利用天窗内部的太阳能集电板产生的电力， 经过控制系统驱动鼓风机， 将车厢外的冷空气导人车内，驱除车内热气达到降温的目的。 根据资料显示， 与没有通风降温的车型相比， 安装了太阳能天窗的汽车驾驶室内的温度最高降低 20℃。 太阳能天窗降低了空调的使用频率， 为驾驶员提供舒适的乘车环境，也有利于节省燃油， 更加环保。 目前，太阳能天窗只是在部分高档车型中得到应用， 随着太阳能科技的不断进步， 太阳能天窗将从豪华轿车逐步走向普通轿车。（ 3）太阳能在汽车辅助空调系统中的应用由于车身面积有限与太阳能电池板转化效率低的限制， 用太阳能来驱动常规汽车空调系统是不现实的， 但是可以充分利用太阳能来驱动车内的辅助空调系统。 葛晓宏对太阳能在汽车辅助空调系统中的应用进行了研究， 包括太阳能驱动的汽车室内气流管理系统和车载太阳能半导体制冷空调二、国内外太阳能汽车的发展现状1、国外太阳能汽车的发展从 20世纪 70年代后半期到 80年代前半期 , 太阳能汽车在实验室诞生。 1984年 , 世界首届电动汽车与太阳能车比赛在瑞士举行 , 成为了太阳能汽车赛事的始创者。世界太阳能汽车挑战赛是至今为止影响较大的太阳能汽车赛事之一。其规则最严格、距离最长。它始于 1987年 ,每隔 3年举办一次 , 赛段从达尔文 ( 澳大利亚北部城市 ) 到阿德莱德 ( 澳大利亚南部城市 ), 全程3028km。在 90年代初期 , 诸如“太阳能旅行”等赛事也逐步在美国蓬勃发展。日本的太阳能车赛事起步较晚 , 但后来居上 , 层出不穷 , 如 :1989 年的“朝日太阳能车拉赛” ,1991 年的“北海道太阳能车赛” ,1992 年的“铃鹿太阳能车赛”和“能登太阳能车拉力赛”等 , 都在世界范围内产生了一定的影响。针对各类太阳能车赛都有一定的规范和标准 , 对参赛车的定义、装备、电器、安全性等都有严格的规定 , 如 : 太阳能电池的类型、覆盖面积、蓄电池容量、辅助能源、车身尺寸、驱动器、驱动型式、制动性能、赛事时段等。众多汽车公司、科研院所及相关大学是参赛队伍的主要组成部分。 赛事一般使用公路作为比赛线路。 比赛用太阳能电池几乎全是晶体硅 , 并以单晶硅太阳能电池为主。学生参赛队使用的太阳能电池的转换效率一般在 14%～ 18%,企业参赛队则在 19%～ 23%。 技术和资金充裕的队伍几乎全部使用了 MPPT装置。这些太阳能赛事为太阳能汽车的发展提供了良好契机 , 同时也为各种新技术的开发和应用提供了一个良好的载体。在瑞士兰根布鲁卡生态中心区 , 详细拟定的未来交通设想中规定有：公共交通应优先发展、增加太阳能汽车的数量和利用再生能源分散生产能量。这种设想 , 显示出了对最重要研究的成果获得非常迫切。当有机燃料燃烧时 , 形成的气体使空气过饱和并引起了全球气候的突变。由于燃料燃烧时 , 排放出的二氧化碳浓度几乎增大了 50%,使得地球继续升温。根据计算 , 如果排出的二氧化碳由目前的水平减少到 40%时， 气候的变化是可以预先防止的。 个体交通对二氧化碳气体在大气中含量的降低的可能性是不大的。 目前 , 在生态学方面 , 只有两个方向是有前途的： 自行车交通的发展和太阳能汽车的推行。 瑞士第一家太阳能汽车租赁服务站是在 1989年 5月开辟的 , 它靠近里斯达尔铁路车站。实践证明 , 乘坐太阳能汽车沿城市做短途游览 , 能够和铁路长距离的旅行配合。 靠近车站的专门维修站 , 在太阳能汽车的主人不在场时 ,可为太阳能汽车的蓄电池充电。在有利的条件下 , 太阳能利用装置产生出的剩余电能送向电网 , 在不利的条件下 , 相反是由电网取得电能。 太阳能利用装置 , 在一年的时间产生出的电能为 2600kW· h， 基本上能满足车站的电能需要。 在运行的第一年中 , 剩余的太阳能大于 200kW· h， 在必要的情况下 , 太阳能利用装置的功率可以增加到 3kW。 车站装备有为 8辆太阳能汽车蓄电池充电和技术保养的停车场。2、我国太阳能汽车发展我国的太阳能汽车事业起步较晚 , 多数太阳能汽车的研制工作主要由各院校和科研院所进行。在我国国家知识产权局与太阳能相关的专利中 , 有很大一部分是与太阳能并网发电和太阳能热水器相关 , 直接与太阳能汽车相关的专利不多。总体来说 , 有以下特点 : 一是太阳能在汽车上应用一般只涉及汽车的辅助电源系统。 太阳能电池所提供的能量只能用于车辆的电器、仪表等 , 或是对车载蓄电池进行充电。现今有部分量产车在其天窗顶部添加了太阳能电池 , 经控制器、逆变器驱动车载空调工作。二是所有以太阳能作为驱动能源的专利产品中 , 太阳能所占的能源比例份额太少。国内有把太阳能用于电动自行车 , 也有用于微型车的例子 , 但太阳能所能提供的能量只占到所需驱动能量的 30%以下。 1996年 , 清华大学参照日本能登竞赛规范 , 研制了“追日”号太阳能汽车。该车使用转换效率为 14%的矩形单晶硅电池阵列 , 在光照条件良好的状况下 ( 地面日照强度为 1000W/㎡ ), 向直流永磁无刷电机提供 800W的动力。结构上采用前二后一的三轮式布置 ,后轮驱动。最高车速达 80km/h。 “追日”号是我国第一代参加国际大赛的太阳能赛车。 2001年 , 上海交通大学设计制造了 “思源” 号太阳能电动车。 该车长、 宽、 高分别为 2100mm、 860mm、800mm,满载质量 400kg。其结构、动力系统与“追日”号相仿。但由于使用的是串联电阻的调速方式 , 其能量利用率低 , 车速仅 20～ 36km/h, 续航能力也有限。在 2005年举办的第九届全国大学生“挑战杯”赛上 , 上海交通大学的又一太阳能车参加了比赛。这些尝试都预示着太阳能汽车正逐渐走向成熟。随着不可再生资源的枯竭 , 世界范围内亟待解决的问题是新能源的开发和利用。汽车主要消耗的是石油产品 , 其排放物造成严重的环境污染。因此新能源汽车的开发和研制备受世人瞩目，而新能源材料是推动燃料电池快速发展的重要保障。 提高能效、降低成本、节约资源和环境友好将成为新能源发展的永恒主题，新能源材料将发挥越来越重要的作用。