Los vehículos eléctricos modernos generalmente se pueden dividir en tres categorías: vehículos eléctricos puros (PEV), vehículos eléctricos híbridos (HEV) y vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV). Pero en los últimos años, los vehículos híbridos tradicionales han derivado en un vehículo híbrido enchufable, denominado PHEV. Este artículo presenta y revisa brevemente algunos temas y tendencias en la investigación y el desarrollo de tecnología de vehículos eléctricos.
2. Vehículos eléctricos puros
Los vehículos eléctricos puros se refieren a vehículos eléctricos propulsados íntegramente por baterías. Aunque tiene una larga trayectoria de 134 años, sólo se ha utilizado en algunos campos concretos y el mercado es muy pequeño. La razón principal es que varios tipos de baterías generalmente tienen graves deficiencias, como precio elevado, vida corta, gran tamaño y peso y tiempo de carga prolongado. Los indicadores de rendimiento reales y los precios promedio de mercado de las baterías de plomo-ácido, baterías de hidruro metálico de níquel y baterías de iones de litio que se utilizan actualmente se muestran en la Tabla 1. Con base en el ciclo de vida real y el precio de mercado, podemos estimar el costo de la energía eléctrica generada por varias baterías por cada 1 kWh de vehículos eléctricos. Al calcular, se supone que el estado de carga recargable (SOC) máximo de la batería es 0,9 y el SOC de descarga es 0,2, es decir, la capacidad real disponible de la batería solo representa el 70% de la capacidad total del precio del suministro de energía; de la red eléctrica es de 0,5 yuanes/kWh, y la eficiencia media de carga y descarga de la batería es de 0,75.
Según cálculos aproximados, aunque sólo cuesta 0,5 yuanes/kWh extraer electricidad de la red, el coste de cargar una batería de plomo-ácido para proporcionar 1 kWh de electricidad es de unos 3,05 yuanes, de los cuales 2,38 El yuan es la depreciación de la batería, 0,67 yuanes es la tarifa de suministro de energía para la red y el costo de cada kilovatio-hora de electricidad proporcionada por la batería de níquel-hidruro metálico es de 9,6 yuanes y 65.440 yuanes, respectivamente.
En la actualidad, el precio del uso de motores diésel para generar electricidad en el mercado interno es de aproximadamente 3 yuanes/kWh. Si se utiliza un motor de gasolina para generar electricidad, el precio del suministro de energía se estima en 4 yuanes/kWh, es decir, el precio de la energía eléctrica proporcionada por un motor de plomo-ácido es aproximadamente el mismo que el de un motor diésel. Teniendo en cuenta únicamente el coste de adquisición de energía, las baterías de plomo-ácido tienen una cierta ventaja de precio sobre los motores de gasolina. Sin embargo, debido a que son demasiado voluminosas y requieren largos tiempos de carga, sólo se utilizan ampliamente en diversos vagones, carritos de golf y vehículos con velocidades. por debajo de 50 km/h en los carritos de golf, la práctica ha demostrado que las baterías de plomo-ácido son muy competitivas y prácticas en este mercado de productos de gama baja.
La principal ventaja de las baterías de hidruro metálico de níquel es su vida útil relativamente larga, pero como el níquel metálico representa el 60% de su coste, el precio de las baterías de hidruro metálico de níquel sigue siendo alto. La tecnología de las baterías de iones de litio se está desarrollando rápidamente. En los últimos 10 años, su energía específica ha aumentado de 100 Wh/kg a 180 Wh/kg, su potencia específica puede alcanzar 2000 W/kg, su ciclo de vida puede alcanzar más de 1000 veces y su rango de temperatura de funcionamiento puede alcanzar -40 ~ 55 ℃. .
En los últimos años, debido a importantes avances en la investigación y el desarrollo de baterías de fosfato de hierro y iones de litio, la seguridad de las baterías ha mejorado enormemente. En la actualidad, muchos países desarrollados han adoptado baterías de iones de litio como la dirección principal de las baterías de vehículos eléctricos. China tiene ventajas en materia de recursos de litio. En 2004, la producción de baterías de litio representó el 37,1% del mercado mundial. Se prevé que después de 2015, la rentabilidad de las baterías de iones de litio alcance un nivel que pueda competir con las baterías de plomo-ácido, convirtiéndose en la principal batería de energía para los futuros vehículos eléctricos.
La Figura 1 muestra las curvas de volumen/rendimiento y rentabilidad de varios vehículos eléctricos puros nacionales y extranjeros. Debido a su bajo costo y vehículos de bajo rendimiento, como las bicicletas eléctricas, la producción anual de China alcanzó los 20 millones de unidades sólo en 2006. Aunque el deportivo eléctrico Impact 1 producido por General Motors de Estados Unidos ha alcanzado gran potencia, solo se produjeron 50 unidades debido a su elevado precio. La producción anual de vagones de bajo rendimiento en mi país es de aproximadamente 7.000 a 8.000 unidades; los microvehículos eléctricos producidos por Tianjin Qingyuan Electric Vehicle Company tienen una velocidad máxima de sólo 50 km/h y una producción anual de más de 1.000 unidades. Pueden ser vehículos eléctricos puros aceptables en el mercado actual. Todos los vehículos eléctricos mencionados anteriormente funcionan con baterías de plomo-ácido. A medida que las baterías de iones de litio de alto rendimiento se vuelven más rentables, en los próximos 5 a 10 años pueden aparecer en el mercado vehículos eléctricos puros de alto rendimiento con una velocidad máxima de ≥100 km/h y una autonomía de conducción de ≥250 km.
3. Vehículos eléctricos híbridos
Dado que la rentabilidad de los vehículos eléctricos puros impulsados por baterías ha sido durante mucho tiempo mucho menor que la de los vehículos tradicionales con motor de combustión interna, es difícil competir. con vehículos tradicionales. Desde la década de 1990, las principales empresas automovilísticas han comenzado a desarrollar vehículos híbridos. La japonesa Toyota tomó la delantera en el lanzamiento del automóvil híbrido Prius al mercado en 1997 y logró un gran éxito en Japón, Estados Unidos y los mercados europeos, con una producción y ventas acumuladas que superaron los 600.000 vehículos. Posteriormente, la japonesa Honda, la estadounidense Ford, General Motors y algunas grandes empresas europeas también introdujeron en el mercado varios tipos de vehículos híbridos.
3.1 La necesidad de desarrollar vehículos eléctricos totalmente híbridos
Los vehículos híbridos se refieren a vehículos con más de dos fuentes de energía, una de las cuales puede liberar energía eléctrica. Según los diferentes modos de potencia híbrida, los vehículos híbridos se pueden dividir en serie, paralelo e híbridos. Según el grado de mezcla (la relación entre la potencia del motor y la potencia del motor de combustión interna), se puede dividir en tres tipos: microhíbrido, híbrido ligero y híbrido completo. Entre ellos, el arrancador/generador con transmisión por correa externa (BSG) es una estructura típica de los vehículos microhíbridos. Su potencia de motor es generalmente de sólo 2 a 3 kW. Puede ahorrar de 5 a 7 combustibles confiando en las funciones de parada y corte de combustible del motor. . Agregar un motor de disco eléctrico/generador (ISG) al extremo trasero del cigüeñal del motor es una estructura típica de los vehículos eléctricos híbridos suaves. Tiene función de propulsión puramente eléctrica y puede considerarse como un típico vehículo híbrido completo o híbrido. El Toyota Prius es uno de esos vehículos totalmente híbridos. En la actualidad, los vehículos híbridos desarrollados por varias empresas automotrices nacionales utilizan principalmente soluciones híbridas suaves ISG o híbridas suaves BSG, principalmente porque la dificultad técnica y el costo de producción de estas dos soluciones son relativamente bajos. Pero según las investigaciones, la tasa de ahorro de combustible de los vehículos híbridos es casi directamente proporcional al grado de combinación de potencia y producción de vehículos. Por tanto, a largo plazo, el desarrollo de vehículos eléctricos totalmente híbridos es una tendencia inevitable.
4. Vehículos híbridos enchufables externos
Los vehículos híbridos enchufables externos son la última generación de vehículos híbridos que en los últimos años han sido favorecidos por gobiernos, empresas automovilísticas y. instituciones de investigación. Los expertos nacionales y extranjeros creen que se espera que el PHEV se utilice ampliamente en unos pocos años.
Según las estadísticas, los residentes urbanos franceses mayores de 80 años conducen menos de 50 km. En Estados Unidos, los conductores de automóviles mayores de 60 años conducen menos de 50 km, y los mayores de 80 años conducen menos de 90 km. PHEV es particularmente adecuado para trabajadores asalariados que solo conducen hacia y desde el trabajo 5 días a la semana con un kilometraje de 50 ~ 90 km. PHEV agrega condiciones de conducción puramente eléctricas a los vehículos híbridos y aumenta la capacidad de la batería, lo que permite que PHEV viaje de 50 a 90 km en condiciones de conducción puramente eléctrica. Si se excede este kilometraje, se debe arrancar el motor de combustión interna y adoptar el modo de conducción híbrido. Por lo tanto, la capacidad de la batería de los PHEV es generalmente de 5 ~ 10 kW·h, que es aproximadamente de 30 a 50 veces la de los vehículos eléctricos puros y de 3 a 5 veces la de los vehículos híbridos generales. Se puede decir que PHEV es un producto de transición entre los vehículos híbridos y los vehículos eléctricos puros. En comparación con los vehículos tradicionales con motor de combustión interna y los vehículos eléctricos híbridos (HEV) ordinarios (ver Tabla 5), los PHEV dependen más de baterías para impulsar el vehículo, por lo que su economía de combustible mejora aún más y las emisiones de dióxido de carbono y óxidos de nitrógeno son menores. Debido al aumento en la capacidad de la batería, el precio de cada vehículo es al menos $2,000 más alto que el de un HEV general.
La Figura 3 muestra cuatro tipos diferentes de turismos y la capacidad de su batería se compara con el precio del coche, el consumo de combustible y las emisiones de escape. Se puede ver que a medida que aumenta la capacidad de la batería, el precio del automóvil aumentará, pero el consumo de combustible y las emisiones de escape disminuirán. Por lo tanto, se puede creer que los vehículos eléctricos ahorran combustible y reducen las emisiones a expensas del uso y desgaste de la batería. La mejora sustancial en el rendimiento de costos de las baterías eléctricas será la clave para la rápida popularización y uso de los vehículos eléctricos.
Generalmente, el SOC de las baterías HEV solo fluctúa dentro de un rango pequeño (como 2 ~ 3), por lo que el ciclo de vida es muy largo, mientras que el SOC de las baterías PHEV debe fluctuar dentro de un rango grande. (como 40), que pertenece a la carga y descarga profunda, por lo que el ciclo de vida es mucho más corto, similar a los vehículos eléctricos puros (PEV).
Actualmente, los PHEV utilizan baterías avanzadas de iones de litio. Como puede verse en la Tabla 1, por cada 1kWh de energía eléctrica liberada por una batería de iones de litio, el consumo de energía es de 10,2 yuanes, lo que equivale a tres veces el consumo de energía por kilovatio hora de combustión interna. A medida que aumentan los precios mundiales del petróleo, el consumo de energía de los motores de combustión interna también aumentará, mientras que el consumo de energía de las baterías de iones de litio disminuirá con el avance tecnológico y la expansión de la producción.
5. Vehículo eléctrico de pila de combustible
Ya en 1839, el británico Grover propuso el principio de la reacción hidrógeno-oxígeno para generar electricidad. Las pilas de combustible de hidrógeno líquido y oxígeno líquido se desarrollaron en la década de 1960 y fueron utilizadas por primera vez con fines aeroespaciales y militares por la empresa estadounidense UTC. En los últimos 20 años, debido a la crisis del petróleo y a la cada vez más grave contaminación del aire, la tecnología de pilas de combustible representada por una membrana de intercambio de protones ha atraído una amplia atención de países de todo el mundo. Las principales empresas automovilísticas multinacionales han invertido mucho en el desarrollo de diversos tipos de vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV).
5.1 Principales ventajas de la pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC)
(1) Sus productos de emisión son agua y vapor, cero contaminación;
(2) La eficiencia de conversión de energía puede llegar a 60-70;
(3) Sin vibración mecánica, bajo nivel de ruido, baja radiación térmica
(4) 75% de la masa de; El universo es hidrógeno, casi en todas partes de la Tierra. Todo es hidrógeno. El hidrógeno es también el elemento químico más ligero, tiene la mejor conductividad térmica y es inflamable.
(5) El poder calorífico del hidrógeno es muy alto. El poder calorífico de 1kg de hidrógeno equivale a 3,8L de gasolina.
5.2 Problemas técnicos y económicos de los vehículos eléctricos de pila de combustible
En China, el Ministerio de Ciencia y Tecnología incluyó las pilas de combustible como vehículo público en los planes quinquenales décimo y undécimo. La investigación y el desarrollo de automóviles y vehículos de pila de combustible figuran como un importante proyecto científico y tecnológico "863". Y ha logrado una serie de importantes logros científicos y tecnológicos, pero en muchos años de práctica de investigación científica, también han quedado expuestos algunos problemas técnicos y económicos:
(1) El motor de pila de combustible tiene una durabilidad corta.
Generalmente, sólo se necesitan entre 1.000 y 1.200 horas (hasta 2.200 horas en el extranjero). Cuando un vehículo de pila de combustible recorre entre 40.000 y 50.000 kilómetros, su potencia disminuirá ~40, lo que es muy diferente de un motor de combustión interna tradicional que generalmente puede recorrer más de 500.000 kilómetros.
(2) El coste de fabricación de los motores de pila de combustible sigue siendo elevado.
En general, se estima en 30.000 yuanes/kW (el costo en el extranjero es de aproximadamente 3.000 dólares estadounidenses/kW), lo que representa una enorme diferencia en comparación con los motores de combustión interna tradicionales, que sólo cuestan entre 200 y 350 yuanes/kW. . Debido a que los componentes clave como las membranas de intercambio de protones, el papel carbón, los catalizadores de metal de platino, el polvo de grafito de alta pureza, las bombas de recuperación de hidrógeno y las bombas de aire presurizado son todos importados, no hay ninguna ventaja de costos en comparación con los países extranjeros;
(3) Los motores de pila de combustible tienen poca adaptabilidad al entorno de trabajo.
Los productos domésticos pueden funcionar a temperaturas de 0 ~ 40 ℃. Hay problemas de congelación por debajo de 0 ℃ y no pueden funcionar correctamente cuando se sobrecalientan por encima de 40 ℃, además, son muy resistentes al polvo y al monóxido de carbono; y sulfuros en el aire, los catalizadores de platino sensibles se contaminan y envenenan fácilmente.
(4) El coste del uso de vehículos de pila de combustible es demasiado alto.
Por ejemplo, hidrógeno de alta pureza (99,999) y alta presión (>: el precio de 200 autobuses es de aproximadamente 80 ~ 100 yuanes/kg. Calculado en base al hecho de que 1 kg de hidrógeno puede generar 10 kW h de electricidad, el costo del combustible por sí solo es de aproximadamente 10 yuanes/kg kWh, según la vida útil del motor de pila de combustible de 1000 horas, el costo de depreciación es de 30 yuanes/kWh, por lo que el costo total de energía llega a 40 yuanes por kWh Comparando la Tabla 1, se puede ver que, al menos en la actualidad, el costo de proporcionar 1 kWh de energía eléctrica mediante el motor de pila de combustible es muy superior al de varias baterías de potencia, lo que refleja desde un aspecto que los vehículos de pila de combustible todavía tienen. Un largo camino por recorrer como fuente de energía para los automóviles.
5. Investigar los puntos críticos de los vehículos eléctricos de pila de combustible
Aunque existen tantos problemas, las pilas de combustible siguen siendo las más limpias. La fuente de energía más silenciosa e infinitamente renovable inventada por la humanidad hasta el momento. Es digno de nuestros mayores esfuerzos para lograr la industrialización de los vehículos eléctricos de pila de combustible.
6. El motor de propulsión del vehículo eléctrico es un componente esencial y clave de todos los vehículos eléctricos.
Actualmente, existen cuatro motores ampliamente utilizados: motores sin escobillas de CC, motores sin escobillas de imanes permanentes, motores de inducción de CA y motores de reluctancia conmutada. La mayoría de los vehículos eléctricos desarrollados en Estados Unidos y Alemania utilizan motores de inducción de CA. Las principales ventajas son el bajo precio, la alta eficiencia, el peso ligero pero el bajo par de arranque. Casi todos los vehículos eléctricos desarrollados en Japón utilizan motores sin escobillas de imanes permanentes. Su principal ventaja es que su eficiencia puede ser 6 puntos porcentuales mayor que la de los motores de inducción de CA, pero es más caro. Generalmente, los materiales magnéticos permanentes sólo pueden soportar calor por debajo de 120°C. El motor de reluctancia conmutada tiene una estructura relativamente nueva y tiene las ventajas de una estructura simple, confiabilidad, bajo costo, buen rendimiento de arranque y sin gran corriente de entrada. Tiene las ventajas de la regulación de velocidad de conversión de frecuencia del motor de inducción de CA y la regulación de velocidad del motor de CC. La desventaja es que es ruidoso, pero aún hay margen de mejora.
Pero para los vehículos eléctricos, dado que la energía eléctrica la proporcionan varias baterías, lo cual es caro y valioso, es más razonable utilizar el motor sin escobillas de imán permanente más eficiente, que se ha utilizado ampliamente en los vehículos eléctricos modernos. con potencia inferior a 100kW.
Además, cada vez más coches eléctricos en el extranjero utilizan ruedas eléctricas avanzadas (también conocidas como motores de cubo de rueda), que utilizan motores (en su mayoría de imanes permanentes sin escobillas) para impulsar directamente las ruedas, por lo que no hay cambio de velocidad. de los automóviles tradicionales. Se eliminan los complejos componentes de transmisión mecánica, como cajas, ejes de transmisión y ejes motrices, y se simplifica enormemente la estructura del automóvil. Sin embargo, se requiere que el motor tenga un par elevado a baja velocidad, especialmente para vehículos militares todoterreno, que requieren una velocidad base del motor: velocidad máxima = 1:10. En los últimos años, Estados Unidos, Gran Bretaña, Francia, Alemania y otros países han aplicado la tecnología de ruedas eléctricas a vehículos militares todoterreno y tanques ligeros, y han logrado grandes resultados. Por ejemplo, el Cuerpo de Marines de Estados Unidos desarrolló un nuevo vehículo todoterreno híbrido llamado "Shadow" basado en el "Hummer" y utiliza tecnología de ruedas eléctricas. En comparación con el tradicional "Hummer", en las mismas condiciones de prueba de reconocimiento, el "Hummer" consume 472 kg de combustible, mientras que el "Shadow" sólo consume 200 kg de combustible. En el mismo tramo de cross-country, el Hummer corrió durante 32 minutos, mientras que el Shadow sólo tardó 13 minutos y 50 segundos. Además, también tiene las ventajas de ser silencioso y sin "huellas de calor" en modo puramente eléctrico. Con un rendimiento tan excelente, se informa que el ejército estadounidense ha decidido dejar de producir el Humvee tradicional y reemplazarlo con un nuevo vehículo militar híbrido eléctrico de ruedas "Shadow". Esta importante tendencia de desarrollo debería atraer gran atención.
7. Conclusión
(1) Dado que el costo del suministro de energía de las baterías de plomo-ácido es aproximadamente el mismo que el de los motores diésel, sigue siendo la batería de energía principal en el nivel bajo. -Fin del mercado de vehículos eléctricos. La tecnología de las baterías de fosfato de litio está avanzando rápidamente y es muy probable que se convierta en un competidor de las baterías de plomo-ácido y tome la delantera para convertirse en la principal batería de energía en el mercado de vehículos eléctricos de alta gama.
(2) Dado que los vehículos híbridos solo necesitan estar equipados con una batería con 1/10 de la capacidad de los vehículos eléctricos puros, la rentabilidad de todo el vehículo está cerca del mercado y seguirá siendo el principal tipo de vehículo eléctrico para la industrialización en el futuro próximo. Teniendo en cuenta las condiciones nacionales de mi país, aún se debe promover enérgicamente el uso de autobuses eléctricos híbridos para reducir aún más los costos de fabricación, reducir el consumo de combustible y las emisiones;
(3) Después del desempeño de costos de las baterías de iones de litio Si se mejora aún más, se espera que los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) se conviertan en un vehículo de pasajeros ideal para los trabajadores de oficina, lo que puede reducir significativamente el consumo de combustible y las emisiones. Sin embargo, debido a su alto precio, puede promoverse y aplicarse en los países desarrollados. los países primero;
(4) Aunque las pilas de combustible son una fuente de energía limpia ideal, su relación rendimiento-precio es actualmente demasiado baja. Queda un largo camino por recorrer para lograr una relación precio-rendimiento que pueda ingresar al mercado. Se deben lograr avances importantes en materiales básicos y teorías básicas antes de ingresar al mercado del automóvil.