電動車輛相關技術問題系統(tǒng)詳解

當前汽車行業(yè)的技術發(fā)展熱點：安全、節(jié)能、環(huán)保。

其中，為提高節(jié)能和環(huán)保性能，可以采取的技術措施總的來說包括：

1. 重點從整車重量和幾何尺寸入手，降低現(xiàn)有車輛的行駛阻力

2. 提高現(xiàn)有汽/柴油內(nèi)燃機的熱效率

3. 采用替代燃料（能源）

4. 采用以電動車輛為代表的新型動力技術

就目前的技術水平而言，各種方案都具有一定的可行性；但也存在一些問題，而有些目前很難解決的矛盾，是制約該技術發(fā)展的根本因素。

汽車的輕量化設計和低風阻技術，也是近年來的行業(yè)研究重點之一。但不得不承認，對于大多數(shù)車輛來說，由于制造成本的限制（主要是新型高強度、低密度材料）以及運輸任務的要求，大幅度減輕重量和幾何尺寸存在較大困難。（輪胎的新技術可以降低滾動阻力，但滾動阻力對整車的行駛阻力來說往往不是主要的。）

大幅度改進現(xiàn)有內(nèi)燃機的熱效率，無疑是提高燃料利用率、降低單位行程污染物排放的極其有效的手段。但限于熱機循環(huán)的熱力學性質(zhì)，以及內(nèi)燃機研究、制造的水平，想要內(nèi)燃機在整個工作區(qū)間（即不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩/功率）內(nèi)都有較高的熱效率，是不現(xiàn)實的。而單純由常規(guī)內(nèi)燃機驅(qū)動的車輛，隨著行駛環(huán)境和駕駛員意圖的不同，又不得不在相當大的工作區(qū)間工作。

替代能源技術的研究目前發(fā)展很迅速。如各種醇類（添加）燃料、壓縮天然氣、液化石油氣、氫氣以及生物柴油等（比較前瞻性的還有可燃冰等）。

常規(guī)內(nèi)燃機稍加改動，就可以使用這些替代能源，的確可以明顯減少對石油燃料的依賴，而且其排放污染物也比汽油、柴油少得多。

但目前存在的問題主要有：替代燃料車輛的動力性比采用石油燃料要差；替代燃料的產(chǎn)能遠不及石油，有的還需要犧牲大面積的耕地；其制造和儲運環(huán)節(jié)存在安全問題；其補充設施（主要是各類加氣站）目前還不夠普及；氫氣和生物采油等制備成本并不低。

電動車輛技術

電動車輛則是另一個節(jié)能、減排的發(fā)展方向。此處所指的“電動車輛”，是一個廣義概念，大體上包含下列分支：純電動汽車、燃料電池汽車和混合動力汽車。

一、純電動汽車 顧名思義，也就是完全由電力驅(qū)動、而沒有其他動力設備和能源裝置的車輛。其動力系統(tǒng)很簡單：電池組—電動機—車輛傳動系…

電動機的效率遠高于內(nèi)燃機，而且在工作時沒有任何化學污染物的排放，對節(jié)能和環(huán)保都有很大的意義。而且其機械傳動和控制系統(tǒng)也不是非常復雜。

但純電動車輛也存在一些問題：

（1）最主要的，純電動車輛電池組的能量密度偏低。無論采取何種先進電池技術，就目前技術水平而言，單位重量的電池所能儲存的電能，遠低于同樣重量燃油所能釋放出來的機械功。這就意味著，要么犧牲動力性和續(xù)駛歷程、要么極大的增加車載電池的重量。而對于很多運輸任務而言，這兩個選擇都是難以接受的。

（2）另外，純電動車輛的充電場所和充電時間都存在問題。

（3）如果我們深入研究其能量轉(zhuǎn)換鏈，會發(fā)現(xiàn)，純電動車輛最終很可能還是依賴化石燃料（或者水電、核能；單純的太陽能或者風能等完全清潔能源基本上不現(xiàn)實）。

石油或者煤炭經(jīng)過發(fā)電設備轉(zhuǎn)化成電能、經(jīng)過輸變電、給電動車的電池充電、再由電池放電給電機做功。能量轉(zhuǎn)換次數(shù)較多，最終對化石燃料的利用率并不很高；而且所謂“零排放”只是對于車輛行駛環(huán)境而言，發(fā)電的過程及其設備維護很可能還是存在污染。（對于發(fā)電行業(yè)來說，雖然采用的技術在不斷地升級，如開發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機組，開發(fā)出了流化床燃燒和整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術，但這種努力的結(jié)果是：機組規(guī)模巨大、超高壓遠距離輸電、投資上升，到用戶的綜合能源效率仍然只有35%左右，大規(guī)模的污染仍然沒有得到根本解決。）

（4）大容量電池組的成本較高，維護較復雜，其制造和維護過程中很可能會產(chǎn)生大量污染物。

二、燃料電池車輛

目前車輛行業(yè)界的一個共識：電動車輛、乃至所有“清潔能源汽車”的終極技術目標，就是燃料電池。

1.基本定義 燃料電池是將所供燃料的化學能直接變換為電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，是通過連續(xù)供給燃料從而能連續(xù)獲得電力的發(fā)電裝置。由于其具有發(fā)電效率高，適應多種燃料和環(huán)境特性好等優(yōu)點，近年來已在積極地進行開發(fā)。

依據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。

燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。

2.基本結(jié)構(gòu)與工作原理

（1）燃料電池

燃料電池從本質(zhì)上說是一種電化學裝置，其基本組成與一般電池相同。

為實現(xiàn)較大功率的輸出，燃料電池通常由若干“單體電池”組成。與普通電池類似，單體燃料電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極，正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。

不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。

這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池的基本工作原理。

氫-氧燃料電池原理圖

這個反映是電觧水的逆過程。電極應為：

負極： H2 + 2OH- →2H2O + 2e-

正極： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-

電池反應：H2 + 1/2O2==H2O

另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統(tǒng)，包括反應劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

燃料電池通常由形成離子導電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。

在實用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過電解質(zhì)與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子（H+）相關，發(fā)生的反應為：

燃料極：H2 =2H+ + 2e- （1）

空氣極：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2）

全體：H2+1/2O2 = H2O （3）

氫氧燃料電池組成和反應循環(huán)圖

在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移動到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應。e- 經(jīng)由外部的負荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應。一系例的反應促成了e- 不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應式（3）可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外沒有其他的反應，H2 所具有的化學能轉(zhuǎn)變成了電能。但實際上，參與電化學反應的電極存在一定的電阻，電流通過時會引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。

表1 燃料電池的分類

（2）燃料電池電動車的系統(tǒng)組成

組成燃料電池電動車的動力系統(tǒng)有三個關鍵零組件，即

①重組器（reformer）：將甲醇、汽油等液體燃料重組為富氫氣（hydrogen-rich）氣體燃料，提供予燃料電池反應。

②燃料電池（fuel cell stack）：燃料電池是燃料電池電動車的動力源，其提供氫氣與空氣中的氧氣反應并產(chǎn)生電流與電壓，同時產(chǎn)生廢熱（水）等副產(chǎn)物。

③電力轉(zhuǎn)換器（inverter／converter）：將燃料電池產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)換為直流電或交流電，或具備升壓或降壓以調(diào)整電力輸出。

3.技術特色及發(fā)展現(xiàn)狀

燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機的動力裝置。國際能源界預測，燃料電池是21世紀最有吸引力的發(fā)電方法之一。

根據(jù)工作溫度的不同，把堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC，也稱為質(zhì)子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內(nèi)）和磷酸型燃料電池（PAFC，工作溫度為200℃）稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型