电动车辆技术问题详解

电动车辆技术问题详解概况当前汽车行业的技术发展热点：安全、节能、环保。其中，为提高节能和环保性能，可以采取的技术措施总的来说包括：1.重点从整车重量和几何尺寸入手，降低现有车辆的行驶阻力2.提高现有汽/柴油内燃机的热效率3.采用替代燃料（能源）4.采用以电动车辆为代表的新型动力技术就目前的技术水平而言，各种方案都具有一定的可行性；但也存在一些问题，而有些目前很难解决的矛盾，是制约该技术发展的根本因素。汽车的轻量化设计和低风阻技术，也是近年来的行业研究重点之一。但不得不承认，对于大多数车辆来说，由于制造成本的限制（主要是新型高强度、低密度材料）以及运输任务的要求，大幅度减轻重量和几何尺寸存在较大困难。（轮胎的新技术可以降低滚动阻力，但滚动阻力对整车的行驶阻力来说往往不是主要的。）大幅度改进现有内燃机的热效率，无疑是提高燃料利用率、降低单位行程污染物排放的极其有效的手段。但限于热机循环的热力学性质，以及内燃机研究、制造的水平，想要内燃机在整个工作区间（即不同的转速和转矩/功率）内都有较高的热效率，是不现实的。而单纯由常规内燃机驱动的车辆，随着行驶环境和驾驶员意图的不同，又不得不在相当大的工作区间工作。替代能源技术的研究目前发展很迅速。如各种醇类（添加）燃料、压缩天然气、液化石油气、氢气以及生物柴油等（比较前瞻性的还有可燃冰等）。常规内燃机稍加改动，就可以使用这些替代能源，的确可以明显减少对石油燃料的依赖，而且其排放污染物也比汽油、柴油少得多。但目前存在的问题主要有：替代燃料车辆的动力性比采用石油燃料要差；替代燃料的产能远不及石油，有的还需要牺牲大面积的耕地；其制造和储运环节存在安全问题；其补充设施（主要是各类加气站）目前还不够普及；氢气和生物采油等制备成本并不低。电动车辆技术电动车辆则是另一个节能、减排的发展方向。此处所指的“电动车辆”，是一个广义概念，大体上包含下列分支：纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车。一、纯电动汽车顾名思义，也就是完全由电力驱动、而没有其他动力设备和能源装置的车辆。其动力系统很简单：电池组—电动机—车辆传动系…电动机的效率远高于内燃机，而且在工作时没有任何化学污染物的排放，对节能和环保都有很大的意义。而且其机械传动和控制系统也不是非常复杂。但纯电动车辆也存在一些问题：（1）最主要的，纯电动车辆电池组的能量密度偏低。无论采取何种先进电池技术，就目前技术水平而言，单位重量的电池所能储存的电能，远低于同样重量燃油所能释放出来的机械功。这就意味着，要么牺牲动力性和续驶历程、要么极大的增加车载电池的重量。而对于很多运输任务而言，这两个选择都是难以接受的。（2）另外，纯电动车辆的充电场所和充电时间都存在问题。（3）如果我们深入研究其能量转换链，会发现，纯电动车辆最终很可能还是依赖化石燃料（或者水电、核能；单纯的太阳能或者风能等完全清洁能源基本上不现实）。石油或者煤炭经过发电设备转化成电能、经过输变电、给电动车的电池充电、再由电池放电给电机做功。能量转换次数较多，最终对化石燃料的利用率并不很高；而且所谓“零排放”只是对于车辆行驶环境而言，发电的过程及其设备维护很可能还是存在污染。（对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。）（4）大容量电池组的成本较高，维护较复杂，其制造和维护过程中很可能会产生大量污染物。二、燃料电池车辆目前车辆行业界的一个共识：电动车辆、乃至所有“清洁能源汽车”的终极技术目标，就是燃料电池。1.基本定义燃料电池是将所供燃料的化学能直接变换为电能的一种能量转换装置，是通过连续供给燃料从而能连续获得电力的发电装置。由于其具有发电效率高，适应多种燃料和环境特性好等优点，近年来已在积极地进行开发。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。2.基本结构与工作原理（1）燃料电池燃料电池从本质上说是一种电化学装置，其基本组成与一般电池相同。为实现较大功率的输出，燃料电池通常由若干“单体电池”组成。与普通电池类似，单体燃料电池是由正负两个电极(负极即燃料电极，正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。氢-氧燃料电池反应原理这个反映是电觧水的逆过程。电极应为：负极：H2+2OH-→2H2O+2e-正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-电池反应：H2+1/2O2==H2O另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：燃料极：H2=2H++2e-（1）空气极：2H++1/2O2+2e-=H2O（2）全体：H2+1/2O2=H2O（3）氢氧燃料电池组成和反应循环图在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上，参与电化学反应的电极存在一定的电阻，电流通过时会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。表1燃料电池的分类（2）燃料电池电动车的系统组成组成燃料电池电动车的动力系统有三个关键零组件，即①重组器（reformer）：将甲醇、汽油等液体燃料重组为富氢气（hydrogen-rich）气体燃料，提供予燃料电池反应。②燃料电池（fuelcellstack）：燃料电池是燃料电池电动车的动力源，其提供氢气与空气中的氧气反应并产生电流与电压，同时产生废热（水）等副产物。③电力转换器（inverter／converter）：将燃料电池产生的电力转换为直流电或交流电，或具备升压或降压以调整电力输出。3.技术特色及发展现状燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。根据工作温度的不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。燃料电池最大的优点在于能量转换次数少，燃料利用率高。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。此外，燃料电池还具有以下优点：（1）部分负荷时也能保持高的效率；（2）通过与燃料供给装置的组合，可适用较大范围的不同燃料；（3）输出功率可按“积木式”灵活调节；（4）电池本体的负荷响应性好；（5）NOX及SOX等的排出量少，有利环保。近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。AFC已在宇航领域广泛应用，PEMFC已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用，PAFC作为中型电源应用进入了商业化阶段，MCFC也已完成工业试验阶段，起步较晚的作为发电最有应用前景的SOFC已有几十千瓦的装置完成了数千小时的工作考核，相信随着研究的深入还会有新的燃料电池出现。美、日等国已相继建立了一些磷酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范。日本已开发了数种燃料电池发电装置供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池（PAFC）已达到电站阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验，已就其效率、可运行性和寿命进行了评估，期望应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造的小型燃料电池发电装置，已广泛应用于医院、饭店、宾馆等。在车辆工程领域，目前比较普遍的方案是氢动力质子交换膜燃料电池（PEMFC）图通用汽车公司燃料电池轿车氢动三号在燃料电池发动机方面突破大功率氢燃料电池组制备的关键技术，轿车用净输出30KW、客车用净输出60KW和100KW的燃料电池发动机，已在同济大学和清华大学燃料电池发动机测试基地通过严格的测试并装车运行，燃料电池轿车已累计运行4000多km，燃料电池客车累计运行超过8000km。由于氢气里没有腐蚀性的杂质，也没有碳阻塞燃烧室，燃料电池车很少需要维修。此外，氢燃料车比汽油车安全。即使在失火的情况下也便于逃生。汽油车发生事故或遇火，油箱会爆炸，油产生的热和毒气都会致命。而氢燃料车在猛烈的撞击下，甚至储氢罐破裂都不会引起大火，在逃生时不会被大火烧伤。即使氢采用压缩储存，也仅易燃。若撞击后氢燃料外溢没有着火，它会蒸发到空气中，不产生污染。即使失火也不会爆炸，因为氢气只有与氧气或空气在密闭的空间里混合才会爆炸。氢燃料电池车的尾气排放物是水，对环境的污染为零。4.需要解决的问题对于纯燃料电池车或基于氢能源的其他类型车，怎样合理控制制氢成本和建立社会网络化的储氢站是一个重要工程；在行驶的汽车里怎样保存氢燃料也是一个重要课题。储氢技术基本上有三种，一是在超低温-253°将氢呈液态保存，二是用高压（约5000磅/平方英寸）压缩气态氢，提高能量密度，三是用金属氢化合物在普通常温下储存氢；具体来说，燃料电池电动车普及化道路上尚需攻克的课题主要有：（1）氢气燃料的供给如前所述，燃料电池电动车以燃料的氢气与空气的氧气反应，以其产生的电力推动马达而得以行驶。相较于传统电动车，燃料电池电动车的燃料电池可视为小型发电厂，且燃料电池电动车可以改善传统电池过重、电能容量及长时间充电的缺点，燃料电池发电可视为水电解的逆反应，发电过程中只有水份的排放，是清净的动力能源。而这些都依赖于氢能源的充足供给。以国外的情形为例：日本经济产业省原来预估2010年底，燃料电池电动车可以达到5万台，2020年达到500万台的目标，目前看来似乎有些过热，各个车厂开始以较务实的态度对应这件事情。Toyota预定2003年燃料电池电动车商品化，且希望将价格訂在日币1000万元以下才具产品竞争力。但短期内，燃料电池价格不易降至数百万日元内。同期从事研发工作的Honda、DaimlerChrysler、Ford等车厂都认为燃料电池电动车发展的难