燃料電池汽車

       燃料電池汽車也是電動汽車，只不過“電池”是氫氧混合燃料電池。和普通化學電池相比，燃料電池可以補充燃料，通常是補充氫氣。一些燃料電池能使用甲烷和汽油作為燃料，但通常是限制在電廠和叉車等工業(yè)領域使用。　　

概述

       燃料電池汽車( FCV) 是一種用車載燃料電池裝置產生的電力作為動力的汽車。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重整所得到的高含氫重整氣。與通常的電動汽車比較, 其動力方面的不同在于FCV 用的電力來自車載燃料電池裝置, 電動汽車所用的電力來自由電網充電的蓄電池。因此, FCV 的關鍵是燃料電池。

       燃料電池是一種不燃燒燃料而直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。發(fā)電的基本原理是: 電池的陽極( 燃料極) 輸入氫氣( 燃料) , 氫分子( H2) 在陽極催化劑作用下被離解成為氫離子( H+ ) 和電子( e-) , H+ 穿過燃料電池的電解質層向陰極( 氧化極) 方向運動, e-因通不過電解質層而由一個外部電路流向陰極; 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) , 與通過外部電路流向陰極的e-和燃料穿過電解質的H+ 結合生成穩(wěn)定結構的水( H2O) , 完成電化學反應放出熱量。這種電化學反應與氫氣在氧氣中發(fā)生的劇烈燃燒反應是完全不同的, 只要陽極不斷輸入氫氣, 陰極不斷輸入氧氣, 電化學反應就會連續(xù)不斷地進行下去, e-就會不斷通過外部電路流動形成電流, 從而連續(xù)不斷地向汽車提供電力。與傳統(tǒng)的導電體切割磁力線的回轉機械發(fā)電原理也完全不同, 這種電化學反應屬于一種沒有物體運動就獲得電力的靜態(tài)發(fā)電方式。因而, 燃料電池具有效率高、噪音低、無污染物排出等優(yōu)點, 這確保了FCV 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、起動快、無泄漏等特性,在眾多類型的燃料電池中, 質子交換膜燃料電池( PEMFC) 完全具備這些特性, 所以FCV 所使用的燃料電池都是PEMFC。

特點

      與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車與傳統(tǒng)的內燃機驅動汽車在構造及動力傳輸等方面的不同, 為汽車的整體設計提出了新的要求。傳統(tǒng)內燃機汽車的發(fā)動機----變速器動力總成在燃料電池汽車中不復存在, 取而代之的是燃料電池反應堆、蓄電池、氫氣罐、電動機、DC /DC 轉化器等設備。而制動系統(tǒng)和懸架也相應變化。因此, 根據燃料電池汽車自身特點,在設計時, 應作相應的變化和改進。燃料電池汽車具有以下優(yōu)點：

      1、零排放或近似零排放。

      2、減少了機油泄漏帶來的水污染。

      3、降低了溫室氣體的排放。

      4、提高了燃油經濟性。

      5、提高了發(fā)動機燃燒效率。

      6、運行平穩(wěn)、無噪聲。

燃料電池汽車的特點表現在以下方面：

底盤布置

      燃料電池動力總成包括: 氫氣罐總成、蓄電池總成、燃料電池堆總成、動力輸出系統(tǒng)總成等。其中, 儲氫罐一般放置于底盤的中部, 或后排座椅的下方空間(傳統(tǒng)內燃機轎車的油箱位置) , 將氫氣罐分散存儲。除了燃料電池動力總成外, 對汽車制動總成、前后懸架總成及輪胎等方面也應作相應的調整和測試。特別是隨著輪轂電機技術的發(fā)展, 使燃料電池汽車在電動機的放置有了新的選擇, 增大了汽車內部空間。而各電動輪的驅動力也可直接控制, 提高惡劣路面條件下汽車的行使性能。底盤布置應把絕大多數的負載均勻分配在底盤的前后端, 降低車輛的總體重心, 使轎車具有良好的操控性能, 并改善車輛的整體安全性。

管理系統(tǒng)

      燃料電池汽車的動力系統(tǒng)一般由質子交換膜燃料電池、蓄電池、電機和系統(tǒng)控制設備組成。燃料電池所生成的電能經過DC /DC 轉換器、DC /AC逆變器等的變換, 帶動電機的運轉, 將電能轉變?yōu)闄C械能, 為汽車提供動力。在一些關鍵部件, 如質子交換膜燃料電池和蓄電池等, 其熱特性及傳熱性質與傳統(tǒng)汽車有著很大的不同, 為燃料電池汽車的水、熱管理提出了新的目標和要求。

電子控制

      與傳統(tǒng)汽車相同, 電子控制在燃料電池汽車的發(fā)展中也將起著越來越重要的作用。汽車的各種操縱系統(tǒng)都會向著電子化和電動化的方向發(fā)展, 實現“線操控”, 即用導線代替機械傳動機構,如“導線制動”、“導線轉向”等; 現有的12V 動力電源已滿足不了汽車上所有電氣系統(tǒng)的需要, 42V汽車電氣系統(tǒng)新標準的實施, 將會使汽車電器零

      部件的設計和結構發(fā)生重大的變革, 機械式繼電器、熔絲式保護電路也將隨之淘汰。同時, 燃料電池的特性有其自身的特點:

      a.電壓低, 電流大;

      b.輸出電流會隨溫度的升高而升高, 輸出電壓會隨輸出電流的增大而下降;

      c.從開始輸出電壓、電流到逐漸進入穩(wěn)定狀態(tài), 停留在過渡帶范圍內的動態(tài)反應時間較長。正是由于以上特點, 大多數電器和電機難以適應其電壓特性, 所以必須和DC /DC 變換器和DC /AC 逆變器配合使用, 需要對燃料電池系統(tǒng)進行大量的功率調節(jié)以保證電壓的穩(wěn)定。

      (1)當燃料電池的輸出功率大于汽車的需要時, 多余的功率可對蓄電池進行充電, 在動力系統(tǒng)起動時蓄電池可以給輔助系統(tǒng)提供電源;

      (2)當燃料電池的功率不能滿足汽車加速、爬坡時, 蓄電池可提供附加功率, 配合燃料電池共同使用。

      所以, 車輛可采用42V 的輔助電源獨立地為各種電子、電氣設備提供電能。由于燃料電池汽車較之傳統(tǒng)內燃機汽車在驅動方式上有著本質的區(qū)別, 所以在底盤布置、水熱管理、電子控制等諸多方面的設計也有著很大的不同。

關鍵技術

      電動汽車的關鍵能源動力技術包括電池技術、電機技術、控制器技術。電池技術、電機技術和控制器技術是電動汽車所特有的技術，這3項技術也是一直制約電動汽車大規(guī)模進入市場的關鍵因素。

電池技術

      電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發(fā)展的關鍵因素。電動汽車用電池的主要性能指標是比能量(E) 、能量密度(Ed)、比功率(P)、循環(huán)壽命(L)和成本(C)等。要使電動汽車能與燃油汽車相競爭，關鍵就是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。

      電動汽車用電池經過了3代的發(fā)展，已經取得了突破性進展。

      第1代是鉛酸電池，目前主要是閥控鉛酸電池(VRLA) ，由于其比能量較高、價格低和能高倍率放電， 因此是目前惟一能大批量生產的電動汽車用電池。

      第2代是堿性電池，主要有鎳鎘、鎳氫、鈉硫、鋰離子和鋰聚合物等多種電池，其比能量和比功率都比鉛酸電池高，因此大大提高了電動汽車的動力性能和續(xù)駛里程，但其價格卻比鉛酸電池高。

      第3代是以燃料電池為主的電池，燃料電池直接將燃料的化學能轉變?yōu)殡娔?，能量轉變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應過程，能量轉化過程可以連續(xù)進行，因此是理想的汽車用電池還處于研制階段，一些關鍵技術還有待突破。

      廣泛應用于電動汽車的燃料電池是一種稱為質子交換膜的燃料電池(PEMFC) ，它以純氫為燃料，以空氣為氧化劑，不經歷熱機過程，不受熱力循環(huán)限制，因此能量的轉換效率高，是普通內燃機熱效率的2～3倍。同時，它還具有噪音低、無污染、壽命長、啟動迅速、比功率大和輸出功率可隨時調整等特性，使得PEMFC非常適合用作交通工具的動力源。

電機技術

      電動汽車驅動電機是所有電動汽車必不可少的關鍵部件。使用較多的有直流有刷、永磁無刷、交流感應和開關磁阻4種電機。

      直流有刷電機結構簡單，技術成熟，具有交流電機所不可比擬的優(yōu)良電磁轉矩控制特性，所以直到20世紀80年代中期，仍是國內外電動汽車用電機的主要研發(fā)對象。但是，由于直流電機價格高，體積和質量大，因此在電動汽車上的應用受到了限制。

      永磁無刷電機可以分為由方波驅動的無刷直流電機系統(tǒng)(BLD— CM)和由正弦波驅動的無刷直流電機系統(tǒng)(PMSM) ，它們都具有較高的功率密度，其控制方式與感應電機基本相同，其主要優(yōu)點是效率可以比交流感應電機高6個百分點，因此在電動汽車上得到了廣泛的應用，是當前電動汽車用電動機的研發(fā)熱點。這類電機具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性低、響應快，非常適應于電動汽車的驅動系統(tǒng)，有極好的應用前景。但價格較貴，永磁材料一般僅耐熱12c=0I以下。目前，由日本研制的電動汽車主要采用這種電機。

      交流感應電機也是較早用于電動汽車驅動的一種電機，它的調速控制技術比較成熟，具有結構簡單、體積小、質量小、成本低、運行可靠、轉矩脈動小、噪聲低、轉速極限高和不用位置傳感器等優(yōu)點，但因轉速控制范圍小、轉矩特性不理想，因此不適合頻繁啟動、頻繁加減速的電動汽車。美國以及歐洲研制的電動汽車多采用這種電機。

      開關磁阻電機(SRM)具有簡單可靠、可在較寬轉速和轉矩范圍內高效運行，控制靈活、4象限運行、響應速度快和成本較低等優(yōu)點。但實際應用發(fā)現，SRM存在著轉矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器等缺點，所以應用受到了限制。

      4種電機各有優(yōu)缺點，但是對于電動汽車而言，由于電能是由各類電池提供的，價格昂貴而彌足珍貴，所以使用相對效率最高的永磁無刷電機是較為合理的，它已被廣泛應用于功率小于100kW 的現代電動汽車上。

      在國外已有越來越多的電動汽車采用性能先進的電動輪(又稱輪轂電機)，它用電機(多為永磁無刷式)直接驅動車輪，因此無傳統(tǒng)汽車的變速器、傳動軸、驅動橋等復雜的機械傳動部件，汽車結構大大簡化。但是它要求電機在低轉速下有很大的扭矩， 特別是對于軍用越野車，要求電機基點轉速：最高轉速=1：10。近幾年，美、英、法、德等國紛紛將電動輪技術應用于軍用越野車和輕型坦克上，并取得了重大成果。

控制器技術

      控制器技術的變速和方向變換是靠電動機調速控制裝置來完成的，其原理是通過控制電動機的電壓和電流來實現電動機的驅動轉矩和旋轉方向的控制。目前電動汽車上應用較廣泛的是晶閘管斬波調速，通過均勻改變電機的端電壓，控制電機的電流，來實現電機的無級調速。在電子電力技術的不斷發(fā)展中，它也逐漸被其他電力晶體管(如GTO、MOSFET、BTR及IGBT 等)斬波調速裝置所取代。從技術的發(fā)展來看，伴隨著新型驅動電機的應用，電動汽車的調速控制轉變?yōu)橹绷髂孀兗夹g的應用將成為必然的趨勢。

      在驅動電機的旋向變換控制中，直流電機依靠接觸器改變電樞或磁場的電流方向，實現電機的旋向變換，這使得控制電路復雜、可靠性降低。當采用交流異步電機驅動時，電機轉向的改變只需變換磁場三相電流的相序即可，可使控制電路簡化。此外，采用交流電機及其變頻調速控制技術，使電動汽車的制動能量回收控制更加方便，控制電路更加簡單。

      二十一世紀以來，由感應電動機驅動的電動汽車幾乎都采用矢量控制和直接轉矩控制。矢量控制又有最大效率控制和無速度傳感器矢量控制，前者是使勵磁電流隨著電動機參數和負載條件的變化，從而使電動機的損耗最小、效率最大；后者是利用電機電壓、電流和電機參數來估算出速度，不用速度傳感器，從而達到簡化系統(tǒng)、降低成本、提高可靠性的目的。直接轉矩控制克服了矢量控制中解耦的問題，把轉子磁通定向變換為定子磁通定向，通過控制定子磁鏈的幅值以及該矢量相對于轉子磁鏈的夾角，從而達到控制轉矩的目的。由于直接轉矩的控制手段直接、結構簡單、控制性能優(yōu)良和動態(tài)響應迅速，因此非常適合電動汽車的控制。

      隨著電機及驅動系統(tǒng)的發(fā)展， 控制系統(tǒng)趨于智能化和數字化。變結構控制、模糊控制、神經網絡、自適應控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法等非線性智能控制技術，都將各自或結合應用于電動汽車的電機控制系統(tǒng)。它們的應用將使系統(tǒng)結構簡單，響應迅速，抗干擾能力強，參數變化具有魯棒性，可大大提高整個系統(tǒng)的綜合性能。