淺析如何用車載甲醇發(fā)電給動(dòng)力電池充電

中國(guó)新能源汽車分為三類，純電動(dòng)汽車、插電式(含程式)混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車。目前動(dòng)力電池技術(shù)水平明顯提升，但其瓶頸還沒有真正突破。正如交通運(yùn)輸部有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)在電動(dòng)汽車百人會(huì)2016年度會(huì)議上抱怨的那樣：目前的新能源汽車整車的技術(shù)水平離終端用戶的要求距離較遠(yuǎn)，是在折騰基層的駕駛員。新能源汽車必須滿足用戶的基本要求，讓以交通運(yùn)輸部為代表的客戶滿意是必須的，要完成這一任務(wù)十分很艱巨。唯一可以做的是不斷地創(chuàng)新，加快創(chuàng)新速度。本文對(duì)電動(dòng)汽車用富氫增程器予以介紹與研究，其基本意圖，對(duì)破解目前新能源汽車破解瓶頸有較大的幫助。

一、程器的概念

增程器只是個(gè)廣義的名稱。純電動(dòng)汽車對(duì)用戶而言一次充電后續(xù)駛里程短的瓶頸。為了增加純電動(dòng)汽車行一次性行駛駛里程，業(yè)界已經(jīng)提出較大的方案，其中在純電動(dòng)汽車上加裝一個(gè)附加儲(chǔ)能部件的技術(shù)方案，這比混合動(dòng)力方案有了明顯的優(yōu)化。確保了“純電驅(qū)動(dòng)”技術(shù)路線得到貫徹執(zhí)行，在純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上增加一個(gè)增程器，國(guó)家是有補(bǔ)貼的。

增程器的形式通常有：小型發(fā)電機(jī)、蓄電池和燃料電池等。普遍的做法是用小型發(fā)電機(jī)，來(lái)做程器。技術(shù)上，程器是小型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，來(lái)給動(dòng)力電池補(bǔ)充電能。

二、程器汽車能量傳遞路徑

程器(小型發(fā)電機(jī))發(fā)的電，是給車載動(dòng)力電池進(jìn)行充電用的，不直接給電機(jī)供電。從整車上來(lái)講，是在純電動(dòng)汽車基礎(chǔ)上，加了一個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)而已，其能量專遞路徑邏輯如圖1所示。

圖1 程器汽車能量傳遞路徑

能量傳遞路徑是串聯(lián)的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。程器(小型發(fā)電機(jī))可以高度集成一個(gè)總成，安裝位置較為靈活。程器(小型發(fā)電機(jī))電能輸入動(dòng)力電池的接口按照國(guó)家有關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)即可。

程器汽車是以純電動(dòng)汽車為基礎(chǔ)的，不同的地方是，比純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池容量要低得多，一次續(xù)駛里程比純電動(dòng)汽車要長(zhǎng)許多，與傳統(tǒng)燃料車基本相同。目前一些的電動(dòng)汽車?yán)锍潭蹋脩羰遣粷M意的，即使高頻次充電也是不得已的辦法。這個(gè)水平的電動(dòng)汽車是無(wú)法取代傳統(tǒng)汽車的。

三、程器電動(dòng)汽車動(dòng)力總成邏輯關(guān)系圖

程器電動(dòng)汽車動(dòng)力總成邏輯關(guān)系如圖2所示：

圖2 電動(dòng)汽車程器動(dòng)力總成邏輯關(guān)系

從圖2的邏輯關(guān)系上可以看出：

程器是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的總成，由發(fā)動(dòng)機(jī)+發(fā)電機(jī)組成。程器不工作時(shí)，此車就是一臺(tái)純電動(dòng)汽車，從功能上看，程器是一個(gè)載充電機(jī)裝置。

配程器的電動(dòng)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)(內(nèi)燃機(jī))僅為發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，可以采用電機(jī)直驅(qū)，無(wú)需變速箱離合器等機(jī)械結(jié)構(gòu)，與車輛無(wú)機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力解耦，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，車輛性能更加穩(wěn)定可靠。

配程器的電動(dòng)汽車，全工況范圍內(nèi)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)，具有純電動(dòng)車輛同等的平順性及舒適性，為駕乘帶來(lái)最佳體驗(yàn);低速時(shí)自動(dòng)切換到純電動(dòng)模式，在堵車、低速工況，更加安靜、節(jié)能。

四、市面目前程器產(chǎn)品基本情況

1)市面目前不同品牌程器產(chǎn)品有汽油、柴油的兩大類：

(1)汽油程器產(chǎn)品及參數(shù)如圖3、圖4所示：

圖3 市面不同品牌的程器產(chǎn)品外形圖

圖4 汽油程器基本參數(shù)

(2)柴油程器產(chǎn)品外形、基本配置、參數(shù)如圖5、6、7所示：

圖5 柴油程器產(chǎn)品外形圖(1000*1000*700)

(2)柴油程器基本配置示意圖

圖6 柴油程器基本配置示意圖

表1 柴油程器基本參數(shù)

2)市面目前程器產(chǎn)品基本特點(diǎn)

①無(wú)論汽油還是柴油的程器都是2缸機(jī)，而發(fā)動(dòng)機(jī)基本上4缸機(jī)，也有6缸以上的機(jī)器。這一點(diǎn)與目前插電式混合動(dòng)力是本質(zhì)區(qū)別的。插電式混合動(dòng)力是配發(fā)動(dòng)機(jī)的，而程器陪的小功率內(nèi)燃機(jī)，其已經(jīng)沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的功能了。

②技術(shù)特點(diǎn)：以斯太爾增程器為例。斯太爾增程器的核心部件主要由三個(gè)部分構(gòu)成， M12發(fā)動(dòng)機(jī)、TFM電機(jī)，以及電機(jī)控制系統(tǒng)。 M12 Rex增程器采用臥式2缸柴油機(jī)設(shè)計(jì)，結(jié)合高壓共軌、渦輪增壓、內(nèi)置中冷器等技術(shù)，特別是采用博世最新一代電控高壓共軌噴射系統(tǒng)及SCR尾氣后處理技術(shù)，具有體積小、重量輕、油耗低等特點(diǎn)。其柴油機(jī)輸出功率為40kW，采用一體式設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)，凈功率輸出為37kW。基于這些獨(dú)特高超的性能，M12 REX增程器應(yīng)用范圍廣泛，可應(yīng)用于新能源專用車、物流車、6-12米客車以及港口碼頭專用車領(lǐng)域等。

③無(wú)論汽油還是柴油的程器都是燃油內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，這一點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)沒有區(qū)別，尤其要必須要應(yīng)用尾氣環(huán)保技術(shù)。

④目前市面上，無(wú)論汽油還是柴油的程器都是國(guó)外品牌，或者是外資企業(yè)的產(chǎn)品，核心技術(shù)被國(guó)外品牌控制。

五、目前市面上燃油程器的不足

中國(guó)發(fā)展新能源汽車，有“彎道超車”的初衷，如何“彎”道?筆者理解，“純電驅(qū)動(dòng)”基本找到彎道超車的落腳點(diǎn)，已經(jīng)具有“中國(guó)特色”。驅(qū)動(dòng)模式已經(jīng)明確，但是驅(qū)動(dòng)車載電機(jī)的“電”如何上車，基本是2種，一是動(dòng)力電池接受電網(wǎng)充電;二是車載燃料發(fā)電。

接受電網(wǎng)充電技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是動(dòng)力電池比能量太低，純電動(dòng)汽車一次續(xù)駛里程與燃油汽車、CNG汽車相比，相差太遠(yuǎn)，充電時(shí)間與加燃油、加天然氣相比，時(shí)間太長(zhǎng)。

車載發(fā)電機(jī)發(fā)電基本途徑有：內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、燃料電池2種。燃料電池發(fā)電目前已經(jīng)列于國(guó)家級(jí)示范推廣項(xiàng)目。

而燃油內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)已經(jīng)很成熟了。但是車載燃油內(nèi)燃機(jī)(程器)發(fā)電，依然燒的是油，與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)燒油的基本原理是相同的，沒有區(qū)別，不直接驅(qū)動(dòng)，但是在轉(zhuǎn)成電以后，效率變得更低了。

目前基本有天然氣、氫氣供給車載載燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電。這個(gè)技術(shù)方案又面臨氣體如何上車及安全如何保障?如果程器使用的內(nèi)燃機(jī)使用燃料依然是汽(柴)油，必須要用三元催化技術(shù)，進(jìn)行尾氣處理。目前程器汽車對(duì)燃油的依賴是客觀存在的，達(dá)不到零排放的要求，離發(fā)展新能源汽車的初衷還有相當(dāng)一段的距離。

六、在燃油燃油程器上的再創(chuàng)新

主要思路是借用甲醇裂解富氫技術(shù)(華中科技大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院《甲醇裂解醇?xì)淇蒲许?xiàng)目組》蔣炎坤教授團(tuán)隊(duì)的專利)，對(duì)目前市面上的程器進(jìn)行優(yōu)化。具體思路如下：

1)車載甲醇裂解制富氫的機(jī)理介紹

在車載甲醇裂解制富氫裝置中，熱力學(xué)上的甲醇裂解是一個(gè)吸熱反應(yīng)過程，甲醇(CH3OH)在催化劑和一定溫度作用下(吸熱過程反應(yīng))產(chǎn)生C-H和C-O鍵的催化活性及C-C鍵的偶聯(lián)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)甲醇裂解變成為氫氣(H2)和一氧化碳(CO)(反應(yīng)式：CH3OH→CO+2H2)。

眾所周知，車載內(nèi)燃機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī))所產(chǎn)生的熱量的1/3在做功、1/3在制冷降溫、1/3因燃燒不充分而通過廢氣排放到外部浪費(fèi)。這個(gè)外排能量是可用起來(lái)的。

2)車載甲醇裂解制富氫裝置原理介紹

在車輛上把原來(lái)的消聲器，用甲醇制氫裝置換即可。利用發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣余熱，產(chǎn)生約400℃的高溫，使一定純度的甲醇(75%)在隔絕空氣的封閉容器內(nèi)，經(jīng)催化，裂解為氫氣和一氧化碳?xì)狻；境煞钟校?4%的氫氣、32%的一氧化碳?xì)狻⑹Ｓ嗉淄榈鹊幕旌蠚怏w。

七、富氫程器與燃油程器相比的優(yōu)點(diǎn)

1)可以利用尾氣的自身熱量裂解甲醇，無(wú)需在車輛上專設(shè)供熱裝置。既利用了尾氣余熱，又節(jié)省了裂解甲醇所需的能耗。

2)車輛中無(wú)需裝設(shè)高壓氣瓶?jī)?chǔ)氫，也無(wú)需到加氫站去加氫續(xù)行。排除了運(yùn)氫和儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)中的各項(xiàng)難題。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和怠速時(shí)、尾氣溫度很低，不能完成甲醇裂解的化學(xué)反應(yīng)。但是可利用電動(dòng)汽車蓄電池的能量，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)沒有啟動(dòng)和怠速。

4)無(wú)需高純高純度(90%以上)的精甲醇，用75%純度的粗甲醇即可，具有普遍推廣的的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

八、當(dāng)前車載甲醇裂解制氣體主要與汽(柴)油參燒

主要原因是：氣態(tài)氫本身的燃燒熱值較高，加上強(qiáng)勁的火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒛艽龠M(jìn)其他燃料加速燃燒。但是氣態(tài)氫質(zhì)量密度小，無(wú)法滿足大型發(fā)動(dòng)機(jī)做功要求，于是參燒是一個(gè)比較靠譜的方案。

不同燃料參燒方案的不足：車上必須要求有兩套不同的燃料供給燃料系統(tǒng)，這也是用戶不能接受的。這說(shuō)明，即使參燒方案，原理科學(xué)，技術(shù)可行，但是市場(chǎng)上也是行不通的。

九、車載甲醇裂解制氣用于改裝現(xiàn)有的程器，市場(chǎng)上是完全是可行的

目前市面上程器基本上是汽油、柴油的2缸內(nèi)燃機(jī)，功率在30Kw-40Kw之間。用甲醇裂解富氫技術(shù)(華中科技大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院《甲醇裂解醇?xì)淇蒲许?xiàng)目組》蔣炎坤教授團(tuán)隊(duì)專利)來(lái)改裝目前市面上程器，不用兩種以上燃料的進(jìn)行參燒了。

一般情況下甲醇熱值較低(汽油的40%)，但是在車載式甲醇裂解制氣的幫助下，其熱值較低可以提高到(汽油的90%)以上，再加上程器功率較小，甲醇與富氫(由甲醇裂解而來(lái))兩種燃料參燒比例由目前的2：8會(huì)更高。由于甲醇與富氫參燒過程，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是透明的，市場(chǎng)上完全可以接受的。

①甲醇熱值較裂解前提高了27%以上。

②甲醇裂解氣含H2、CO、CH4可燃混合氣體，其產(chǎn)氣率高達(dá)95%及以上。

④汽油摻燒甲醇裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力保持在95%以上;

④用100%甲醇替代汽油，滿足節(jié)約汽油100%的要求。

十、公交車上《車載甲醇裂解制氣裝置系統(tǒng)》介紹

1) 車載甲醇裂解制氣系統(tǒng)組成

圖7 車載甲醇裂解制氣系統(tǒng)組成示意圖

注：(1.電源(蓄電池) 2.點(diǎn)火開關(guān) 3.電磁開關(guān) 4.甲醇泵 5.甲醇箱 6.溫度傳感器 7.甲醇裂解裝置 8.甲醇噴射器 9.發(fā)動(dòng)機(jī) 10.燃油箱 11.電磁閥 12.氫氣、一氧化碳儲(chǔ)罐 13.壓力傳感器 14.顯示屏 15.電加熱器 16.控制器ECU)

2)甲醇裂解制氣系統(tǒng)工作過程

①點(diǎn)火開關(guān)開啟，甲醇泵4開始工作，甲醇泵4 將甲醇箱5的甲醇導(dǎo)入進(jìn)入預(yù)熱管;

②預(yù)熱后的甲醇經(jīng)尾氣再加熱，由裝置下部的4個(gè)甲醇霧化噴入口進(jìn)入甲醇裂解裝置7內(nèi)部;

③甲醇裂解裝置7內(nèi)部的甲醇在耐高溫、耐氧化催化劑和約400℃溫度作用下、分解成氫氣(H2)和一氧化碳(CO)。氫氣(H2)和一氧化碳(CO);

④進(jìn)入儲(chǔ)氣罐12冷卻、儲(chǔ)存;

⑤依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變化，控制器ECU16發(fā)出指令，在進(jìn)氣門打開時(shí)、打開電磁閥11，氫氣(H2)和一氧化碳(CO)噴入進(jìn)氣歧管進(jìn)氣門處，和新鮮空氣(可燃混合氣)一同進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，參與燃燒;

⑥溫度傳感器6將溫度信號(hào)傳輸給控制器ECU16，按甲醇裂解裝置7內(nèi)的溫度高低，控制電磁閥8的開、閉，調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的甲醇供給量和電加熱器15的通斷;

⑦當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的尾氣不能保證甲醇裂解需要的溫度時(shí)，控制器ECU16發(fā)出指令，電加熱裝置導(dǎo)通工作，保證甲醇裂解的正常溫度，使裂解持續(xù)進(jìn)行;

⑧當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣足夠供給裂解裝置所需的熱量時(shí)，溫度傳感器輸出信號(hào)給控制器ECU16發(fā)出指令，電加熱器15斷電，仍由發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣獨(dú)立供熱。

⑨在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的溫度太低，控制器ECU16發(fā)出指令，電加熱器15導(dǎo)通，由蓄電池供電，保證裂解裝置7的正常裂解溫度，使裂解反應(yīng)正常進(jìn)行。裂解產(chǎn)生的低壓氫氣(H2)和一氧化碳(CO)進(jìn)入不銹鋼的氣體儲(chǔ)罐12;

⑩在控制器ECU16的指令，控制電磁閥11的關(guān)閉，按發(fā)動(dòng)機(jī)工況、供給不同定量的低壓氫氣(H2)和一氧化碳(CO)，和空氣混合，(可燃混合氣)一起進(jìn)入氣缸參與燃燒。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣通過裂解器的路徑分析

①甲醇裂解裝置7內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成示意圖

圖8 甲醇裂解裝置7內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成

注(1.催化劑 2.氫氣(一氧化碳)出口 3.外殼與保溫層; 4.低溫廢氣出口 5.高溫廢氣入口 6.甲醇噴口 7.甲醇預(yù)熱管 8.甲醇入口 9.電加熱器 10.溫度傳感器)

②催化劑布置結(jié)構(gòu)

催化劑布置結(jié)構(gòu)原則，要能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的熱能，從發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中吸收熱量，催化劑分成三部分、發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣分成4部分，進(jìn)行熱交換，以加大接觸傳熱面積，見圖10。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣通過裂解器的路線示意圖

注：(1.發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)口 2.尾氣4個(gè)通道 3.裂解器外殼與保溫層 4.催化劑 5.發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣出口)

十二、富氫程器推廣的意義

富氫程器推廣的意義，實(shí)現(xiàn)了發(fā)展新能源汽車的初衷：

1.實(shí)現(xiàn)能完成節(jié)能減排的目標(biāo)，用100%甲醇替代汽油，滿足節(jié)約汽油100%的要求，滿足國(guó)五排放要求;

2.鞏固了“純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)”的技術(shù)路線，彎道突破了目前動(dòng)力電池比能量瓶頸;

3.為用戶帶來(lái)新的價(jià)值，75%的甲醇價(jià)格是汽油價(jià)格五分之一，用戶使用費(fèi)用降低80%;

4.降低新能源汽車制造成本，電動(dòng)汽車車載動(dòng)力電池少裝四分之三以上。