浅谈中国新能源汽车开发（1）

60-陈文鑫

     [摘要]本文简单回顾了汽车发明初期内燃机汽车和电动汽车同步发展的历史；说明了现在人们再度把注意力放到电动汽车开发上来的原因；分析了电动汽车普及的主要难点；阐述了新能源汽车取代传统内燃机车汽车的基本思路和发展态势预测；对政府和我国汽车工业界提出了新能源汽车开发的三条建议。

     [关键词]一次能源、二次能源、传统内燃机汽车、新能源汽车

     1．历史的选择

     人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。就一次能源而言，人类在能源的利用史上有过三次大的转换：第一次是煤炭取代木材等成为主要能源；第二次是石油取代煤炭而居主导地位；第三次是目前正在出现的向多能源结构的过渡，这一转换现在还没有完成。

     电能是由一次能源转换而得到的二次能源。电能和其它任何能源相比，具有许多优点，电能在能源合理开发、运输、分配和消费中具有特殊的作用，电能可以直接与其他形式的能互相转换，我们可以将机械能、热能、化学能、光能和声能转换成电能，又可以将电能轻易地转换为其他能。

     在工业革命时代，人们一方面在机械、设备和装置如何代替人力和畜力等方面进行探索研究，另一方面又在这些机械、设备和装置采用何种能源、这些能源如何取得进行探索研究。

     在汽车发明的初期，这种不用马拉的“马车”是采用内燃机利用燃烧石油制品、将化学能转换为机械能取得动力源，还是采用蓄电池将化学能转换为电能取得动力源，当时人们并未厚此薄彼，而是从这两个角度同步进行研究、试验的。

     1859年-1860年法国人G.勃兰特发明了蓄电池，1873年英国人R.达维森就制成了世界上第一辆电动汽车。1892年美国在芝加哥展出本国第一辆电动汽车，以后美国的内燃机汽车和电动汽车一直是同步增长的。1900年，美国有汽车8000辆，其中电动汽车有3000余辆；1915年，美国的电动汽车产量达到5000多辆，超过了当年的内燃机汽车的产量。1920年以后，由于人们对汽车的需求越来越大，对其要求也越来越高，蓄电池汽车由于蓄电的能量密度低、重量大、充电时间长、一次充电行驶里程短、使用寿命低和成本高，因而逐渐被内燃机汽车所超越、所取代。

     之后80年，以石油制品为燃料的内燃机汽车以压倒优势在全世界得到空前发展，创造了一个辉煌的汽车时代，汽车改变了世界的面貌，对人类的生活方式产生巨大影响。然而正是这些内燃机汽车的大量普及和使用，造成了对环境的极大破坏，生成酸雨的氮氧化物，引发全球变暖所造成环境破坏的CO2主要来自燃料燃烧排放气体，据估计，约20%的CO2气体来自内燃机汽车的尾气排放，有调查统计表明，城市生活中50%的空气污染问题来自内燃机汽车。

     如果燃料石油制品的内燃机汽车按以往的速度发展下去，50年之后，世界汽车数量将从今天的7亿辆左右剧增到16亿辆以上。恐怕到不了那个时侯，世界的石油资源就要耗尽，更加严重的空气污染会使人类文明化为乌有。

     二十世纪六十年代之后，人们逐渐认识到石油制品燃烧排放对世界环境的严重影响，现实迫使人们回过头来再把注意力放到新能源汽车的开发上来。特别是近十年来，人们从各个角度研究、开发电动汽车，取得了很大进展。

     2．电动汽车普及的主要难点

     尽管近二三十年来，各国政府大力推动，各汽车厂家及研究机构努力探索开发各种类型的电动车以及相关技术，取得了前所未有的进展，但电动汽车近期仍不能大量普及，电动车取代内燃机汽车的路程还相当遥远。

     2.1纯电池电动车

     对于纯电池电动车来说，最大的困难是电池的性能。对于可充电电池来说，不仅要能储存大量的电能，还要能把储存电能以高速释放出来，能反复充电和放电数百次，能长时间地保持电能和在大的温度范围内使用。

     铅酸电池是现在使用最广的电动汽车能源。这种以铅为基材的电池，其有限的电能为推广使用带来了很多困难。当其完全放电后电池的寿命会缩短。因此，电动汽车通常在其电能用掉80%后就需充电。

     虽然高能电池业已问世，如锌氯电池充电次数可达1400次，能量密度达到65-165瓦小时/千克。但高能电池价格昂贵，尚未达到商品化阶段。

     另外，现有电动汽车所使用的电池，都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和重量。例如，现有电动汽车电池的外体积一般要达到550L，把这么大体积的电池用于家庭轿车上时，就必然要挤占轿车的行李厢空间甚至乘客空间。同样，一部重量为2000千克的电动汽车，其电池重量达到了1270千克，这也必然使其性能大打折扣。

     2.2燃料电池电动车

     对于燃料电池电动车来说，最主要的原因是燃料电池价格太昂贵，每千瓦电能约需2700-5400美元，光是一个30千瓦的燃料电池就要十几万美元。另一个问题是氢气在汽车上的贮存问题，如燃料电池直接使用氢气，由于氢气能量密度很小，一次充装的行驶里程有限，为获得足够的行程，大约需要利用车身空间的25%-30%来存放氢气。如燃料电池由汽油或甲醇来提供氢气，则车上需装备重整器，由于起动时，制取氢气和电化学反应速度缓慢，又要增加一个辅助动力源（如蓄电池、电容器）。这样一来，一辆燃料电池汽车要比相同尺寸的内燃机汽车增加400千克质量。

     储存氢有几种方法，目前，最有效的方法是将液态氢储放在合适的储蓄罐内安放在车上，美国通用的“氢动一号“使用的就是这种处理方式，将氢液化的方法是其冷却到零下253摄氏度。

     液氢的储蓄罐系统比普通汽油储箱要复杂，必须避免外界的传热，以尽量减少氢的蒸发损失。主要的装备是一个真空绝热双层壁不锈钢容器。此外，在两层壁之间还有许多层铝箔，以防止由于辐射造成的传热。

     除了以液态的方式进行车载储存外，我们也可以在合适的压力容器内以气态方式储存氢，但是该方法有一定缺点。例如，即便氢气已经过高度压缩，其比容量能量密度仍然偏低，因此气缸或气罐的体积都必须比液氢系统所用的大很多。

     还有两种氢的储存方法也在研讨中。

     第一种方法称为金属氢化物，合金充当氢的载体，氢被储放在金属原子间的空隙中。这种方法有很高的比体积储存容量，在使用过程中也非常安全。但是在发挥这些优点之前，首先必须克服这种方法存在的一个基本缺陷：载体重量同其储氢量相比实在是太高了。未来的另一个方法，就是我们称作“纳米碳存储”的技术。在该方案中，氢原子存放在显微水平细小的碳结构内。前缀“纳”代表毫微，意即毫米的百分之一，它指的是碳结构的直径。从长远的观点看，研究员和工程师们都对这种方法应用于机动车寄予厚望。

     如果解决了氢气在汽车的贮存问题，人们一般宁愿选择燃料电池直接使用氢气，而不希望增加一个重整装置再从汽油或甲醇中制取氢气。如果这样，则又存在一个大问题，人类社会必须寻找到一个廉价方便的制取氢的方法，建立若干大的氢气制造工厂，建立一整套加氢站。

     我们应该摒除从化石燃料中制氢的方案，因为这不符合我们寻找新能源的初衷。现在人们正在尝试利用太阳能或风力发电，再将水电解制氢，或从某些细菌、海藻的新陈代谢中制氢，等等。但氢气能象汽油那样大量、廉价提供给人们的日子还未到来。

     2.3混合动力电动车

     正因为纯电池电动车和燃料电池电动车走向商业化还存在巨大障碍，迫使人们寻找一个由内燃机汽车向电动汽车过渡的方案—混合动力电动车。混合动力电动车将传统汽车的内燃机与电动车的蓄电池结合起来，即由发动机、发电机和驱动电机等动力总成构成。这种结合使这类车同时具有电动汽车能源及环保方面相当多的优点以及顾客所期望的传统汽车续驶里程长、燃料补充快的特点。混合动力电动车的实际好处包括比传统汽车更好的燃油经济性和更低的排放。

     另一种混合动力电动车被称作混合电池电动车，即在燃料电池车上加装二次电池，以解决燃料电池车普遍存在的起动性能较差的问题。日本丰田的FCHV-3就是这样一种混合电池电动车，加装的镍氢电池除可提高电动车的起动性外，还能回收制动能量，可进一步提高电动车的能量利用效率。

     而本田的FCX-V3电动车加装的不是镍氢电池类蓄电池，而是能瞬间进行大电流放电的电容器，使电动车具有更好的起动性。现在世界各国在混合动力车的研究和试验表明，混合动力车可能是一个较佳的过渡方案，混合动力车因其能够实现制动能量有效回收和车辆动力性优化匹配，有可能使传统汽车获得新的技术进步。

     但是，只要蓄电池、燃料电池尚未解决上述技术问题和成本问题，混合动力车也必将受其影响，难以做到大规模应用。同时，混合动力车仍需起动内燃机，尽管石油制品消耗量有所减少，排放有害物质也大大降低，但它毕竟达不到零排放，仍然摆脱不了对石油的依赖。