燃料電池電動(dòng)汽車

圖示：一種燃料電池電動(dòng)汽車剖面圖

　　燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動(dòng)力的汽車。車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣或含氫燃料經(jīng)重整所得到的高含氫重整氣。與通常的電動(dòng)汽車比較，其動(dòng)力方面的不同在于FCEV用的電力來(lái)自車載燃料電池裝置，電動(dòng)汽車所用的電力來(lái)自由電網(wǎng)充電的蓄電池。因此，F(xiàn)CEV的關(guān)鍵是燃料電池。

　　燃料電池是一種不燃燒燃料而直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。發(fā)電的基本原理是：電池的陽(yáng)極(燃料極)輸入氫氣(燃料，氫分子(H2)在陽(yáng)極催化劑作用下被離解成為氫離子(H+)和電子(e-)，H+穿過(guò)燃料電池的電解質(zhì)層向陰極(氧化極)方向運(yùn)動(dòng)，e-因通不過(guò)電解質(zhì)層而由一個(gè)外部電路流向陰極;在電池陰極輸入氧氣(O2)，氧氣在陰極催化劑作用下離解成為氧原子(O)，與通過(guò)外部電路流向陰極的e-和燃料穿過(guò)電解質(zhì)的H+結(jié)合生成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的水(H2O)，完成電化學(xué)反應(yīng)放出熱量。這種電化學(xué)反應(yīng)與氫氣在氧氣中發(fā)生的劇烈燃燒反應(yīng)是完全不同的，只要陽(yáng)極不斷輸入氫氣，陰極不斷輸入氧氣，電化學(xué)反應(yīng)就會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，e-就會(huì)不斷通過(guò)外部電路流動(dòng)形成電流，從而連續(xù)不斷地向汽車提供電力。與傳統(tǒng)的導(dǎo)電體切割磁力線的回轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)電原理也完全不同，這種電化學(xué)反應(yīng)屬于一種沒(méi)有物體運(yùn)動(dòng)就獲得電力的靜態(tài)發(fā)電方式。因而，燃料電池具有效率高、噪音低、無(wú)污染物排出等優(yōu)點(diǎn)，這確保了FCEV成為真正意義上的高效、清潔汽車。

　　為滿足汽車的使用要求，車用燃料電池還必須具有高比能量、低工作溫度、起動(dòng)快、無(wú)泄漏等特性，在眾多類型的燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)完全具備這些特性，所以目前FCEV所使用的燃料電池都是PEMFC。

01按主要燃料種類可分為

　　1、 以純氫氣為燃料的FCEV；

　　2、 經(jīng)過(guò)重整后產(chǎn)生的氫氣為燃料的FCEV。

02按“多電源”的配置不同，可分為以下四類

　　1、純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)的FCEV

　　純?nèi)剂想姵仉妱?dòng)汽車只有燃料電池一個(gè)動(dòng)力源，汽車的所有功率負(fù)荷都由燃料電池承擔(dān)。

　　純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)的FCEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和整體布置；系統(tǒng)部件少，有少于整車的輕量化；較少的部件使得整體的能量傳遞效率較高，提高了整車的燃料經(jīng)濟(jì)性。

　　但是，燃料電池功率大、成本高；對(duì)燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求；不能進(jìn)行能量回收。

　　2、燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC+B)的FCEV

　　燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC+B)的FCEV系統(tǒng)對(duì)燃料電池的功率要求較純?nèi)剂想姵亟Y(jié)構(gòu)形式大大降低，從而降低了整車的成本；工作時(shí)燃料電池的效率較高;汽車的冷啟動(dòng)性能較好；可以回收汽車制動(dòng)時(shí)部分能量，使整車的能量效率提高。

　　但是，蓄電池的使用使得整車的質(zhì)量增加，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性受到影響；蓄電池充放電過(guò)程會(huì)有能量損耗;控制和整體布置難度增加。

　　3、燃料電池與超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC+C)的FCEV

　　這種結(jié)構(gòu)形式與燃料電池+蓄電池結(jié)構(gòu)相似，只是把蓄電池?fù)Q成超級(jí)電容。相對(duì)于蓄電池，超級(jí)電容充放電效率高，能量損失小，比蓄電池功率密度大，在回收制動(dòng)能量方面比蓄電池有優(yōu)勢(shì)，循環(huán)壽命長(zhǎng)，但是超級(jí)電容的能量密度較小。隨著超級(jí)電容技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種結(jié)構(gòu)將成為一種新的重要研究方向。

　　4、燃料電池與輔助蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC+B+C)的FCEV

　　與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車在構(gòu)造及動(dòng)力傳輸?shù)确矫娴牟煌?，為汽車的整體設(shè)計(jì)提出了新的要求。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)——變速器動(dòng)力總成在燃料電池電動(dòng)汽車中不復(fù)存在，取而代之的是燃料電池反應(yīng)堆、蓄電池、氫氣罐、電動(dòng)機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)化器等設(shè)備，而制動(dòng)系統(tǒng)和懸架也相應(yīng)變化。因此，根據(jù)燃料電池電動(dòng)汽車自身特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)作相應(yīng)的變化和改進(jìn)。

　　燃料電池電動(dòng)汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1. 效率高。燃料電池的工作過(guò)程是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率較高，可以達(dá)到30%以上。

　　2. 續(xù)駛里程長(zhǎng)。采用燃料電池系統(tǒng)作為能量源，克服了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺點(diǎn)，其長(zhǎng)途行駛能力及動(dòng)力性已經(jīng)接近于傳統(tǒng)汽車。

　　3. 綠色環(huán)保。燃料電池沒(méi)有燃燒過(guò)程，以純氫作燃料，生成物只有水，屬于零排放。采用其它富氫有機(jī)化合物用車載重整器制氫作為燃料電池的燃料，生產(chǎn)物除水之外還可能有少量的CO2，接近零排放。

　　4. 過(guò)載能力強(qiáng)。燃料電池除了在較寬的工作范圍內(nèi)具有較高的工作效率外，其短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)額定功率的200%或更大。

　　5. 低噪音。燃料電池屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，除了空氣壓縮機(jī)和冷卻系統(tǒng)以外無(wú)其它運(yùn)動(dòng)部件，因此與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，運(yùn)行過(guò)程中噪音和振動(dòng)都較小。

　　6. 設(shè)計(jì)方便靈活。燃料電池電動(dòng)汽車可以按照X-By-Wire的思路進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)，改變傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)概念，可以在空間和重量等問(wèn)題上進(jìn)行靈活的配置。

　　燃料電池電動(dòng)汽車的主要缺點(diǎn)有：

　　1. 燃料電池電動(dòng)汽車的制造成本和使用成本過(guò)高。

　　2. 輔助設(shè)備復(fù)雜，且質(zhì)量和體積較大。

　　3. 起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)抗振能力有待進(jìn)一步提高。

01燃料電池系統(tǒng)

　　燃料電池是燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展的最關(guān)鍵技術(shù)之一。車用燃料電池系統(tǒng)的核心是燃料電池電堆。燃料電池電堆技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可用耐久性、低溫啟動(dòng)溫度、凈輸出比功率及制造成本。

02車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)

　　儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能利用走向規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵。目前，常見(jiàn)的車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)有高壓儲(chǔ)氫、低溫儲(chǔ)氫和金屬氰化物儲(chǔ)氫3種基本方法。

03車載蓄電池系統(tǒng)

　　車載蓄電池系統(tǒng)包括鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等蓄電池及化學(xué)超級(jí)電容器。

04電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)

　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)是燃料電池電動(dòng)汽車的心臟，它正向大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向的發(fā)展。當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)有感應(yīng)電機(jī)和永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。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)汽車方面有著廣闊的應(yīng)用前景。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)非常適合電動(dòng)汽車的控制。

05整車熱管理

　　燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)自身的運(yùn)行溫度為60~70度。與環(huán)境溫度相比，溫差不大，造成燃料電池電動(dòng)汽車無(wú)法像傳統(tǒng)汽車一樣依賴環(huán)境溫差散熱。轉(zhuǎn)而必須依靠整車動(dòng)力系統(tǒng)提供額外的冷卻動(dòng)力為系統(tǒng)散熱。

06整車與動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　隨著國(guó)內(nèi)汽車保有量持續(xù)快速增長(zhǎng)，公路交通所消耗的石油資源占全國(guó)石油消耗總量的份額不斷攀升。提供給用戶低油耗并具備良好動(dòng)力性能的汽車產(chǎn)品成為目前汽車追求的主要目標(biāo)之一。

　　對(duì)汽車的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性影響最大的是發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性以及傳動(dòng)系統(tǒng)的速比和效率。整車性能匹配通常是先確定發(fā)動(dòng)機(jī)資源，然后合理匹配傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)整車綜合性能的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這是典型的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，必須通過(guò)專業(yè)的汽車性能仿真軟件和專業(yè)的優(yōu)化軟件相結(jié)合來(lái)完成這個(gè)過(guò)程。

07多能源動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略

　　能量管理策略對(duì)燃料電池經(jīng)濟(jì)性影響很大，且受到動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)和行駛工況的雙重影響。一般借助仿真技術(shù)建立一個(gè)虛擬開(kāi)發(fā)環(huán)境，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，從理論分析的角度得到最優(yōu)功率分配策略與能量源參數(shù)和工況特征之間的解析關(guān)系，并從該關(guān)系出發(fā)定量地分析功率緩沖器特性參數(shù)對(duì)最優(yōu)功率分配策略的影響，為功率緩沖器的參數(shù)選擇提供理論依據(jù)，從而完成功率分配策略的工況適應(yīng)性研究。