燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)

摘要：電動(dòng)汽車是一種高科技、高投入及無(wú)污染的新型交通工具，近些年來(lái)得到了迅猛發(fā)展。文章介紹了國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，從電子技術(shù)、信息技術(shù)以及系統(tǒng)優(yōu)化等角度闡述了燃料電池汽車開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，指出作為一種清潔和高效的發(fā)電動(dòng)力，燃料電池有望成為下一代的車輛動(dòng)力裝置。 　　電動(dòng)汽車是21世紀(jì)清潔、高效和可持續(xù)的交通工具，電動(dòng)汽車包括電池電動(dòng)汽車或者純電動(dòng)汽車（BHE），混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）和燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）。由于石油危機(jī)的出現(xiàn)，節(jié)約燃油被人們普遍關(guān)注，電動(dòng)汽車呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢(shì)，并在過(guò)去的幾十年迅猛發(fā)展。但由于成本方面的因素，混合電動(dòng)車在其后的30年中，并未能實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。 　　1 電動(dòng)汽車的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 　　1.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 　　目前中國(guó)在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化方面已取得了進(jìn)展，一些試點(diǎn)線路已經(jīng)獲得了微利，這個(gè)成就是其他國(guó)家所沒(méi)有的。目前已有10輛電池-電容混合型電動(dòng)汽車在上海825路公交車上線運(yùn)營(yíng)，2009年還將在上海其他公交線路上擴(kuò)大使用。另外，國(guó)家電網(wǎng)公司贈(zèng)送給山東的10輛奧運(yùn)會(huì)用電動(dòng)汽車也采用了電池-電容混合動(dòng)力總成技術(shù)。這種電池-電容混合型電動(dòng)汽車具有續(xù)駛里程長(zhǎng)、充電速度快以及充放電循環(huán)次數(shù)高等主要優(yōu)點(diǎn)，一次完全充電最大行駛距離可達(dá)100～300 km，最高時(shí)速可達(dá)80～100 km，一次完全充電時(shí)間3 h左右，耗電小于1.6（kW·h）/km。有關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，使用該混合純電動(dòng)汽車可減少97%～98%的汽車廢氣排放，同時(shí)可節(jié)省能源費(fèi)用 70%～80%。 　　1.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 　　近20年來(lái)，研制和開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車已經(jīng)成為一種世界新潮流，美國(guó)、法國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)、意大利及瑞士等國(guó)已率先跨入電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的行列。從目前世界的整體形勢(shì)來(lái)看，日本是電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展速度最快的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之一，特別是在混合動(dòng)力汽車的產(chǎn)品發(fā)展方面，日本居世界領(lǐng)先地位。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，豐田汽車公司已占有全球混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)90%的份額，其全球混合動(dòng)力車的銷售量已突破10萬(wàn)輛，達(dá)到了11.5萬(wàn)輛。到2012年，將其所有的車型全部裝上混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。日本為燃料電池汽車設(shè)定的目標(biāo)是2010年之前在日本國(guó)內(nèi)普及5萬(wàn)輛。 　　美國(guó)電動(dòng)汽車的生產(chǎn)和銷售起步較早，但在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化方面和日本相比有一定差距，3大汽車公司只是小批量生產(chǎn)和銷售過(guò)純電動(dòng)汽車，而混合動(dòng)力和燃料電池電動(dòng)汽車目前還未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 　　英國(guó)是50多年來(lái)唯一堅(jiān)持大量使用電動(dòng)汽車的國(guó)家，目前全國(guó)約有電動(dòng)汽車12萬(wàn)輛。其中，僅用于送牛奶的就達(dá)幾萬(wàn)輛，掃地電動(dòng)車1 000輛。同時(shí)，有關(guān)公司繼續(xù)在國(guó)內(nèi)外投資設(shè)廠，以便批量生產(chǎn)電動(dòng)汽車。此外，意大利、丹麥、奧地利、芬蘭、加拿大、瑞典、荷蘭、捷克、匈牙利、挪威、前南斯拉夫、以色列、墨西哥、澳大利亞、印度以及馬來(lái)西亞等國(guó)都在研制和開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車或電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件。 　　2 能量源 　　電動(dòng)汽車的能量源被認(rèn)為是電動(dòng)汽車商業(yè)化的主 要問(wèn)題。因此，在目前和不遠(yuǎn)的將來(lái)，如何發(fā)展能源裝置將會(huì)是電動(dòng)汽車發(fā)展的主要問(wèn)題。能源裝置發(fā)展的準(zhǔn)則：1）高比例能量和能量密度；2）高比功率和功率密度；3）快速充電和深度放電的能力；4）循環(huán)和使用壽命長(zhǎng)；5）高充電和放電效率；6）安全和低成本；7）免維護(hù)；8）環(huán)保，可回收。 　　3 燃料電池汽車開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù) 　　電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括電動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)及化學(xué)技術(shù)，雖然能源是最首要的問(wèn)題，但是車身結(jié)構(gòu)、電力驅(qū)動(dòng)以及能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化同樣至關(guān)重要。 　　與內(nèi)燃機(jī)車相比，電動(dòng)汽車的行駛里程較短，因此為了盡可能地利用車載的儲(chǔ)存能量，必須選用合適的能量管理系統(tǒng)?？梢栽谄嚨母鱾€(gè)子系統(tǒng)安裝傳感器，包括車內(nèi)外溫度傳感器、充放電時(shí)間的電流電壓傳感器、電動(dòng)機(jī)的電流電壓傳感器、車速傳感器、加速度傳感器及外部氣候和環(huán)境傳感器。能量管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)9個(gè)功能： 　　1）優(yōu)化系統(tǒng)能量流； 　　2）預(yù)計(jì)所生的能量來(lái)估計(jì)還能行駛的路程； 　　3）提供參考以便進(jìn)行有效操作； 　　4）直接從制動(dòng)中獲取能量存入儲(chǔ)能元件，例如：蓄電池； 　　5）根據(jù)外界的氣候調(diào)節(jié)溫度控制； 　　6）根據(jù)外界環(huán)境調(diào)節(jié)燈光亮度； 　　7）估計(jì)合適的充電算法； 　　8）分析能源，尤其是蓄電池的工作記錄； 　　9）診斷能源的任何不恰當(dāng)或者無(wú)效的操作。 　　把能源管理系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，就可以規(guī)劃能源效率的路徑，鎖定充電站的位置并可以根據(jù)交通狀態(tài)預(yù)測(cè)可行駛里程?？傊?，能源管理系統(tǒng)綜合了多功能、靈活和可變的顯著優(yōu)點(diǎn)，從而可以合理利用有限的車載能源。 　　3.1 燃料電池 　　同電化學(xué)電池相比，燃料電池的顯著優(yōu)點(diǎn)在于燃料電池電動(dòng)汽車可達(dá)到與燃油車一樣的續(xù)駛里程，這是因?yàn)槿剂想姵仉妱?dòng)汽車的行駛里程僅與燃料箱中的燃料多少有關(guān)，而與燃料電池的尺寸無(wú)關(guān)。實(shí)際上， 燃料電池的尺寸僅與電動(dòng)汽車的功率需求水平有關(guān)。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)：1）反應(yīng)物加料時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于電化學(xué)電池的充電時(shí)間（機(jī)械充電式電池除外）；2）使用壽命長(zhǎng)于電化學(xué)電池并且電池維護(hù)工作量更小。 　　同普通電池相比， 燃料電池是一個(gè)能量生成裝置，并且一直產(chǎn)生能量直至燃料用盡。燃料電池的優(yōu)越性有：1）高效率地把燃料轉(zhuǎn)化為電能；2）工作安靜；3）零排放或者低排放工作；4）產(chǎn)生的剩余熱量可以再利用；5）燃料補(bǔ)充迅速，燃料易于獲得；6）工作持久可靠。 　　燃料電池電動(dòng)汽車是汽車、電力拖動(dòng)、功率電子、自動(dòng)控制、化學(xué)電源、計(jì)算機(jī)、新能源及新材料等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。因此，燃料電池電動(dòng)汽車的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化需要解決諸多關(guān)鍵技術(shù)，如燃料電池、電動(dòng)機(jī)控制、車身和底盤(pán)設(shè)計(jì)、測(cè)試技術(shù)及系統(tǒng)優(yōu)化等。 　　3.2 燃料電池新技術(shù) 　　燃料電池是利用氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生清潔能源的，它不會(huì)產(chǎn)生CO2。但是，由于受到氫儲(chǔ)存技術(shù)的限制，目前由燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車樣機(jī)和示范模型最高行駛距離僅能達(dá)到322 km。在標(biāo)準(zhǔn)的溫度和壓力下，如要存儲(chǔ)足夠的氫達(dá)到483 km的行駛距離，就需要一個(gè)體積相當(dāng)于雙層巴士大小的機(jī)載燃料電池；而其他方法如將氫氣壓縮儲(chǔ)存在鋼瓶里或?qū)⒁夯臍錃獯鎯?chǔ)在罐里等，均因質(zhì)量和體積問(wèn)題無(wú)法實(shí)用。 　　英國(guó)UK-SHEC項(xiàng)目組的研究人員，嘗試將氫以更高的密度儲(chǔ)存，使電池質(zhì)量控制在可接受的范圍內(nèi)。他們采用“化學(xué)吸附”方法，將氣體分子吸入固體化合物的晶格間，在需要時(shí)再將其釋放出來(lái)?，F(xiàn)在，研究人員已研制出一系列氫化鋰化合物，能很好地滿足上述要求。該項(xiàng)目協(xié)調(diào)人、英國(guó)牛津大學(xué)的彼得·愛(ài)德華茲教授說(shuō)，“這是燃料電池行業(yè)和交通運(yùn)輸部門期待已久的突破，這項(xiàng)關(guān)鍵性的突破將使燃料汽車在 未來(lái)10年內(nèi)大量生產(chǎn)和應(yīng)用成為可能。” 　　3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù) 　　為了使車輛一次加夠燃料后行駛更多里程，以及最大限度地利用氫能源以及盡可能減小車輛改裝后的整備質(zhì)量，這就要求電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有高的效率和功率質(zhì)量比。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)向著大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。 　　當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（IM）和磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（PMBLM），特別是永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有較高的功率密度和效率、體積小、慣性低和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車方面有著廣闊地應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)和選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)應(yīng)保證電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性與整車負(fù)載特性匹配良好，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)性能好，以及恒速、恒功率和變工況都應(yīng)當(dāng)有較高的效率。 　　3.4 電子控制技術(shù) 　　與傳統(tǒng)汽車相同，電子控制在燃料電池汽車的發(fā)展中也將起著越來(lái)越重要的作用。汽車的各種操縱系統(tǒng)都會(huì)向著電子化和電動(dòng)化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“線操控”即用導(dǎo)線代替機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如“導(dǎo)線制動(dòng)”和“導(dǎo)線轉(zhuǎn)向”等。 　　現(xiàn)有的12 V動(dòng)力電源已滿足不了汽車上所有電氣系統(tǒng)的需要，而42 V汽車電氣系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，將會(huì)使汽車電器零部件的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生重大的變革；同時(shí)，機(jī)械式繼電器和熔絲式保護(hù)電路也將隨之淘汰。燃料電池的特性有其自身的特點(diǎn)：1）電壓低，電流大；2）輸出電流會(huì)隨溫度的升高而升高，輸出電壓會(huì)隨輸出電流的增大而下降；3）從開(kāi)始輸出電壓、電流到逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，停留在過(guò)渡帶范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。正是由于以上特點(diǎn)，大多數(shù)電器和電機(jī)難以適應(yīng)其電壓特性，所以必須和DC/DC變換器和DC/AC逆變器配合使用，需要對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行大量的功率調(diào)節(jié)以保證電壓的穩(wěn)定。 　　3.5 整車系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù) 　　燃料電池電動(dòng)汽車的整車系統(tǒng)是涉及多學(xué)科技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，其性能受到多學(xué)科相關(guān)因素的影響，因此，必須在充分考慮各影響因素的基礎(chǔ)上，對(duì)整車系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可以改進(jìn)燃料電池電動(dòng)汽車性能和降低整車的設(shè)計(jì)和制造成本。 　　整體化設(shè)計(jì)理念中，材料的輕量化和空氣動(dòng)力學(xué)的充分利用被放在了最重要的位置。因?yàn)槠囋谛旭傔^(guò)程中，燃料消耗所產(chǎn)生的能量中，只有小部分是真正被用來(lái)推動(dòng)汽車和乘客，而大部分的能量都通過(guò)熱量的損失、滾動(dòng)阻力、空氣阻力及控制系統(tǒng)的低效率等被消耗掉，其間，汽車本身的質(zhì)量和空氣動(dòng)力學(xué)因素起著很重要的作用。在整體化設(shè)計(jì)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)質(zhì)量的減輕，即輕量化的車身需要更輕的底盤(pán)組件和更小的動(dòng)力總成，而此組件的相互聯(lián)系和組合小，但可以減小體積和減輕質(zhì)量，甚至可以摒棄原先組件，進(jìn) 一步減輕系統(tǒng)的質(zhì)量。 　　4 結(jié)語(yǔ) 　　作為一種清潔、高效的發(fā)電動(dòng)力，燃料電池有望 成為下一代的車輛動(dòng)力裝置。燃料電池的廣泛應(yīng)用有助于節(jié)約燃料以及減少大氣污染。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在短期之內(nèi)尚無(wú)法取代內(nèi)燃機(jī)的地位，要達(dá)到燃料電池車輛的實(shí)用化還需要完善一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。（崔淑娟 武漢理工大學(xué)）