問題1 汽車能源的發展歷程是怎樣的？

汽車能源發展隨著能源時代而變遷，歷經燃煤（碳含量90%～98%）、石油（碳含量83%～87%，氫含量11%～14%）、天然氣（碳含量75%，氫含量25%），發展到現在提倡的新型能源氫燃料（氫含量100%），整體上是汽車燃料“脫碳加氫”的過程，如圖1-1所示。

1.蒸汽機汽車

1765年，英國的詹姆斯·瓦特（James Watt）改良了蒸汽機，并成功地應用于工廠，成為當時幾乎所有機器的動力，改變了人們的工作生產方式，極大地推動了技術進步，拉開了工業革命的序幕。

1769年法國陸軍工程師、炮兵大尉尼古拉斯·古諾研制出了世界上第一輛蒸汽機驅動的三輪車。如圖1-2所示,這輛汽車被命名為“卡布奧雷”，利用裝在車前部的一個鍋爐產生的蒸汽推動氣缸中的活塞來驅動前輪行駛，前進時靠前輪控制方向，行駛速度為3.5～3.9km/h。由于試車時轉向系統失靈，后來在試車途中撞到石墻上損壞。

1801 年，英國工程師里查德·特雷蒂克制成了能夠乘8 人、車速為9.6 km/h 的蒸汽汽車。這是世界上第一輛載客蒸汽汽車，但試車時鍋爐被燒毀。

1825年，英國哥爾斯瓦底·嘉內公爵制成了一輛蒸汽公共汽車，18座，車速為19km/h。這是世界上第一輛具有營業性質的公共汽車。

1838年，英國發明家亨納特發明了世界第一臺內燃機點火裝置，該項發明被世人稱為“世界汽車發展史上的一場革命”。蒸汽機汽車從此漸漸退出歷史的舞臺。

2.早期電動汽車

電動汽車最早出現在英國。1834年，英國的布蘭頓演示了托馬斯·戴文波特（Thomas Davenport）發明的動力電池車。該車采用的是不可充電的玻璃封裝動力電池，它比世界上第一部內燃機汽車早了半個世紀。

1881年，法國工程師古斯塔夫·特魯夫（Gustave Trouve）裝配的以鉛酸電池為動力的三輪車，是世界上第一輛以可充電電池為動力的電動汽車，如圖1-3所示。

1899年，法國人設計制造的子彈頭型電動汽車的續駛里程約為290km，并創下了98km/h的速度紀錄，這使得法國的電動汽車一直保持著世界電動汽車續駛里程和車速的最高紀錄，如圖1-4所示。

1912年，美國有34000輛電動汽車注冊。貝克電氣公司（Baker）是美國最重要的電動汽車制造商。底特律電氣公司（Detroit Electric）生產的電動汽車的最高車速可達40km/h，續駛里程可達129km。

1920年，英國倫敦電動汽車公司生產了后輪輪轂電機、后輪驅動、前輪轉向和充氣輪胎的電動汽車。

隨著科學技術的發展，內燃機汽車關鍵技術的相繼出現，以及經濟的發展對長途客貨運輸的需求，電動汽車續駛里程短、充電時間長等缺陷更加明顯。隨著內燃機汽車批量化、低成本化的生產，電動汽車遭到市場的淘汰。到20世紀30年代，電動汽車幾乎消失了。

3.內燃機汽車

1876年，德國工程師尼古拉斯·奧托試制成功了第一臺實用的活塞式四沖程煤氣內燃機，這臺內燃機被稱為奧托內燃機。這是一臺單缸臥式、功率為2.9kW的煤氣機，壓縮比為2.5，轉速為250r/min。

1885年，“世界汽車之父”卡爾·本茨在德國曼海姆制成了世界上第一輛汽車。這輛汽車在德國注冊的汽車專利證，日期是1886年1月29日，專利人為本茨。這一日期，被確認為汽車的誕生日。

1885年，德國人戈特利布·戴姆勒發明了世界上第一輛四輪汽車，該車由馬車改裝而成，安裝0.8kW的汽油機，并增加了轉向、傳動裝置等，最高車速14.4km/h。所以，有人將本茨和戴姆勒都譽為“現代汽車之父”。

1895年，法國科學院正式把汽車定名為“Automobile”，該詞源自希臘文的“Auto”（自動）和拉丁文的“mobile”（運動）。

1908年，美國福特公司推出T型車，標志著世界汽車工業革命就此開始。1913年，福特公司在底特律建成了世界上第一條汽車裝配流水線，使T型車成為大批量生產的開端，汽車裝配時間也從12.5小時縮短到1.5小時。

20世紀60年代中期，日本進入轎車普及時期。豐田汽車公司推出了獨特的、令世界耳目一新的“豐田生產方式”。它是將生產過程的各個環節聯系在一起，組成一個完整體系。這一體系從產品計劃開始，通過制造的全過程、協作系統的協調一直延伸到用戶，被稱為“精益生產方式”。

傳統內燃機汽車以汽油和柴油為發動機的驅動力，燃料能耗高，汽車尾氣排放有氮氧化物、硫化物和二氧化碳等，是造成城市霧霾的主要原因之一。同時，隨著全球經濟發展，石油在一次能源結構中的比例逐年降低，能源供應呈現多元化和多源化，從而使汽車燃料發展進入替代燃料汽車（以混合動力型汽車為代表）階段。這是一個比較長的發展時期，燃料種類多，車型也多，可再生能源如生物乙醇、生物柴油、生物丙醇、一次電力等開始進入汽車燃料領域。

汽車燃料的發展不但改變了汽車的運行性能，更重要的是節省了能量，減少了能耗。目前的電動汽車是汽車發展的中間階段，最終目標是以燃料電池為動力的現代純電動汽車。

4.現代電動汽車

現代電動汽車是指主要以動力電池或超級電容為能量源、全部或部分由電機驅動的汽車。通常分為純電動汽車、插電式（增程式）混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車等幾類。

2011年，由特斯拉（Tesla）汽車公司制造的全尺寸高性能純電動轎車Tesla Model S正式進入量產階段，在2013年度全球銷售量達到22300輛，是現代純電動汽車的典型代表。旗下的Roadster純電動跑車大量采用鋁合金制造車身組件，配備有高性能的磷酸鐵鋰電池和電機，0～100km/h的加速時間只要3.9s，每次充電可行駛400km。

2011年12月，豐田汽車公司推出了第三代插電式的普銳斯混合動力電動汽車，在200V電源下，充電時間為100min。在純電動模式下，能行駛20km，最高車速為100km/h。在混動模式下，汽油機將起動提供額外動力。其100km的加速時間為11.4s，100km油耗僅為2.2L。

2013年2月，世界上第一輛量產版氫燃料電池電動汽車ix35在現代汽車韓國蔚山工廠正式下線。該車采用了100kW的燃料電池堆為一臺功率為100kW的電機提供能量，電機可提供的峰值轉矩達到300N·m，百公里加速時間為12.5s，最高車速可達151km/h，續駛里程達594km。儲氫罐中可存放5.6kg氫氣，也就是每千克氫燃料可支持汽車行駛106km，該車的燃效約為28.6kg/L。

由于電池、電機、電控及其他重要技術的發展，使得現代電動汽車技術發展取得了很大進步，在整車的動力性、續駛里程等方面都完勝于早期的電動汽車?，F在電動汽車各方面的性能已能夠滿足人們的日常需求，具有一定的商業化規模。

目前，新能源汽車是世界各國研究的方向，逐步地在進行能源的“脫碳加氫”。

燃料電池直接將化學能轉化為電能，不經過熱能這一中間環節，因而效率高。