燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)

     電動(dòng)汽車的關(guān)鍵能源動(dòng)力技術(shù)包括電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、控制器技術(shù)。電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和控制器技術(shù)是電動(dòng)汽車所特有的技術(shù)，這3項(xiàng)技術(shù)也是一直制約電動(dòng)汽車大規(guī)模進(jìn)入市場的關(guān)鍵因素。

電池技術(shù)

電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉，也是一直制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車用電池的主要性能指標(biāo)是比能量(E) 、能量密度(Ed)、比功率(P)、循環(huán)壽命(L)和成本(C)等。要使電動(dòng)汽車能與燃油汽車相競爭，關(guān)鍵就是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。 電動(dòng)汽車用電池經(jīng)過了3代的發(fā)展，已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。 第1代是鉛酸電池，目前主要是閥控鉛酸電池(VRLA) ，由于其比能量較高、價(jià)格低和能高倍率放電， 因此是目前惟一能大批量生產(chǎn)的電動(dòng)汽車用電池。 第2代是堿性電池，主要有鎳鎘、鎳氫、鈉硫、鋰離子和鋰聚合物等多種電池，其比能量和比功率都比鉛酸電池高，因此大大提高了電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程，但其價(jià)格卻比鉛酸電池高。 第3代是以燃料電池為主的電池，燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能量轉(zhuǎn)變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應(yīng)過程，能量轉(zhuǎn)化過程可以連續(xù)進(jìn)行，因此是理想的汽車用電池還處于研制階段，一些關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。 廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的燃料電池是一種稱為質(zhì)子交換膜的燃料電池(PEMFC) ，它以純氫為燃料，以空氣為氧化劑，不經(jīng)歷熱機(jī)過程，不受熱力循環(huán)限制，因此能量的轉(zhuǎn)換效率高，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的2～3倍。同時(shí)，它還具有噪音低、無污染、壽命長、啟動(dòng)迅速、比功率大和輸出功率可隨時(shí)調(diào)整等特性，使得PEMFC非常適合用作交通工具的動(dòng)力源。

電機(jī)技術(shù)

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)是所有電動(dòng)汽車必不可少的關(guān)鍵部件。使用較多的有直流有刷、永磁無刷、交流感應(yīng)和開關(guān)磁阻4種電機(jī)。
直流有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，具有交流電機(jī)所不可比擬的優(yōu)良電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，所以直到20世紀(jì)80年代中期，仍是國內(nèi)外電動(dòng)汽車用電機(jī)的主要研發(fā)對象。但是，由于直流電機(jī)價(jià)格高，體積和質(zhì)量大，因此在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用受到了限制。
永磁無刷電機(jī)可以分為由方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)系統(tǒng)(BLD— CM)和由正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)系統(tǒng)(PMSM) ，它們都具有較高的功率密度，其控制方式與感應(yīng)電機(jī)基本相同，其主要優(yōu)點(diǎn)是效率可以比交流感應(yīng)電機(jī)高6個(gè)百分點(diǎn)，因此在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)前電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)的研發(fā)熱點(diǎn)。這類電機(jī)具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性低、響應(yīng)快，非常適應(yīng)于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有極好的應(yīng)用前景。但價(jià)格較貴，永磁材料一般僅耐熱12c=0I以下。目前，由日本研制的電動(dòng)汽車主要采用這種電機(jī)。
交流感應(yīng)電機(jī)也是較早用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的一種電機(jī)，它的調(diào)速控制技術(shù)比較成熟，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量小、成本低、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、轉(zhuǎn)速極限高和不用位置傳感器等優(yōu)點(diǎn)，但因轉(zhuǎn)速控制范圍小、轉(zhuǎn)矩特性不理想，因此不適合頻繁啟動(dòng)、頻繁加減速的電動(dòng)汽車。美國以及歐洲研制的電動(dòng)汽車多采用這種電機(jī)。
開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)具有簡單可靠、可在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行，控制靈活、4象限運(yùn)行、響應(yīng)速度快和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，SRM存在著轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、需要位置檢測器等缺點(diǎn)，所以應(yīng)用受到了限制。
4種電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是對于電動(dòng)汽車而言，由于電能是由各類電池提供的，價(jià)格昂貴而彌足珍貴，所以使用相對效率最高的永磁無刷電機(jī)是較為合理的，它已被廣泛應(yīng)用于功率小于100kW 的現(xiàn)代電動(dòng)汽車上。
在國外已有越來越多的電動(dòng)汽車采用性能先進(jìn)的電動(dòng)輪(又稱輪轂電機(jī))，它用電機(jī)(多為永磁無刷式)直接驅(qū)動(dòng)車輪，因此無傳統(tǒng)汽車的變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋等復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)部件，汽車結(jié)構(gòu)大大簡化。但是它要求電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下有很大的扭矩， 特別是對于軍用越野車，要求電機(jī)基點(diǎn)轉(zhuǎn)速：最高轉(zhuǎn)速=1：10。近幾年，美、英、法、德等國紛紛將電動(dòng)輪技術(shù)應(yīng)用于軍用越野車和輕型坦克上，并取得了重大成果。

控制器技術(shù)

控制器技術(shù)的變速和方向變換是靠電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制裝置來完成的，其原理是通過控制電動(dòng)機(jī)的電壓和電流來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向的控制。目前電動(dòng)汽車上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波調(diào)速，通過均勻改變電機(jī)的端電壓，控制電機(jī)的電流，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。在電子電力技術(shù)的不斷發(fā)展中，它也逐漸被其他電力晶體管(如GTO、MOSFET、BTR及IGBT 等)斬波調(diào)速裝置所取代。從技術(shù)的發(fā)展來看，伴隨著新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用，電動(dòng)汽車的調(diào)速控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂孀兗夹g(shù)的應(yīng)用將成為必然的趨勢。
在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋向變換控制中，直流電機(jī)依靠接觸器改變電樞或磁場的電流方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋向變換，這使得控制電路復(fù)雜、可靠性降低。當(dāng)采用交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)向的改變只需變換磁場三相電流的相序即可，可使控制電路簡化。此外，采用交流電機(jī)及其變頻調(diào)速控制技術(shù)，使電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收控制更加方便，控制電路更加簡單。
二十一世紀(jì)以來，由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車幾乎都采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制又有最大效率控制和無速度傳感器矢量控制，前者是使勵(lì)磁電流隨著電動(dòng)機(jī)參數(shù)和負(fù)載條件的變化，從而使電動(dòng)機(jī)的損耗最小、效率最大；后者是利用電機(jī)電壓、電流和電機(jī)參數(shù)來估算出速度，不用速度傳感器，從而達(dá)到簡化系統(tǒng)、降低成本、提高可靠性的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制克服了矢量控制中解耦的問題，把轉(zhuǎn)子磁通定向變換為定子磁通定向，通過控制定子磁鏈的幅值以及該矢量相對于轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。由于直接轉(zhuǎn)矩的控制手段直接、結(jié)構(gòu)簡單、控制性能優(yōu)良和動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，因此非常適合電動(dòng)汽車的控制。
隨著電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展， 控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化。變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法等非線性智能控制技術(shù)，都將各自或結(jié)合應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電機(jī)控制系統(tǒng)。它們的應(yīng)用將使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)迅速，抗干擾能力強(qiáng)，參數(shù)變化具有魯棒性，可大大提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能。