電動(dòng)車輛相關(guān)技術(shù)問題系統(tǒng)詳解

當(dāng)前汽車行業(yè)的技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)：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(shù)措施總的來說包括：

1. 重點(diǎn)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(jī)的熱效率

3. 采用替代燃料（能源）

4. 采用以電動(dòng)車輛為代表的新型動(dòng)力技術(shù)

就目前的技術(shù)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(shù)發(fā)展的根本因素。

汽車的輕量化設(shè)計(jì)和低風(fēng)阻技術(shù)，也是近年來的行業(yè)研究重點(diǎn)之一。但不得不承認(rèn)，對(duì)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(qiáng)度、低密度材料）以及運(yùn)輸任務(wù)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(shù)可以降低滾動(dòng)阻力，但滾動(dòng)阻力對(duì)整車的行駛阻力來說往往不是主要的。）

大幅度改進(jìn)現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)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(jī)循環(huán)的熱力學(xué)性質(zhì)，以及內(nèi)燃機(jī)研究、制造的水平，想要內(nèi)燃機(jī)在整個(gè)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(shí)的。而單純由常規(guī)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dāng)大的工作區(qū)間工作。

替代能源技術(shù)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(jī)稍加改動(dòng)，就可以使用這些替代能源，的確可以明顯減少對(duì)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(dòng)力性比采用石油燃料要差；替代燃料的產(chǎn)能遠(yuǎn)不及石油，有的還需要犧牲大面積的耕地；其制造和儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)存在安全問題；其補(bǔ)充設(shè)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(dòng)車輛技術(shù)

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

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

電動(dòng)機(jī)的效率遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)，而且在工作時(shí)沒有任何化學(xué)污染物的排放，對(duì)節(jié)能和環(huán)保都有很大的意義。而且其機(jī)械傳動(dòng)和控制系統(tǒng)也不是非常復(fù)雜。

但純電動(dòng)車輛也存在一些問題：

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

（2）另外，純電動(dòng)車輛的充電場(chǎng)所和充電時(shí)間都存在問題。

（3）如果我們深入研究其能量轉(zhuǎn)換鏈，會(huì)發(fā)現(xiàn)，純電動(dòng)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(fēng)能等完全清潔能源基本上不現(xiàn)實(shí)）。

石油或者煤炭經(jīng)過發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)化成電能、經(jīng)過輸變電、給電動(dòng)車的電池充電、再由電池放電給電機(jī)做功。能量轉(zhuǎn)換次數(shù)較多，最終對(duì)化石燃料的利用率并不很高；而且所謂“零排放”只是對(duì)于車輛行駛環(huán)境而言，發(fā)電的過程及其設(shè)備維護(hù)很可能還是存在污染。（對(duì)于發(fā)電行業(yè)來說，雖然采用的技術(shù)在不斷地升級(jí)，如開發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機(jī)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(shù)，但這種努力的結(jié)果是：機(jī)組規(guī)模巨大、超高壓遠(yuǎn)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(hù)較復(fù)雜，其制造和維護(hù)過程中很可能會(huì)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(gè)共識(shí)：電動(dòng)車輛、乃至所有“清潔能源汽車”的終極技術(shù)目標(biāo)，就是燃料電池。

1.基本定義 燃料電池是將所供燃料的化學(xué)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(yīng)多種燃料和環(huán)境特性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來已在積極地進(jìn)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(qiáng)、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(xué)裝置，其基本組成與一般電池相同。

為實(shí)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(fù)兩個(gè)電極(負(fù)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(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)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(gè)反映是電觧水的逆過程。電極應(yīng)為：

負(fù)極： H2 + 2OH- →2H2O + 2e-

正極： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-

電池反應(yīng)：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(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)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(dǎo)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(shí)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(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子（H+）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)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(yīng)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(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e- 經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)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(yīng)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(yīng)，H2 所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上，參與電化學(xué)反應(yīng)的電極存在一定的電阻，電流通過時(shí)會(huì)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(dòng)車的系統(tǒng)組成

組成燃料電池電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)有三個(gè)關(guān)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(yīng)。

②燃料電池（fuel cell stack）：燃料電池是燃料電池電動(dòng)車的動(dòng)力源，其提供氫氣與空氣中的氧氣反應(yīng)并產(chǎn)生電流與電壓，同時(shí)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(shù)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(jī)的動(dòng)力裝置。國際能源界預(yù)測(cè)，燃料電池是21世紀(jì)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