深层讲解:电动车辆技术问题 - 全文

　一、电动车辆　
       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(fuel cell stack)：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、Daimler Chrysler、Ford等车厂都认为燃料电池电动车发展的难题是─氢气燃料的供给。特别是氢气供应站与氢气燃料的环境整备 (infrastructure)。燃料电池电动车可以纯氢气为燃料，抑或以碳氢系燃料如甲醇、天然气、汽油等经由重组取得富氢气燃料，其热值等性质虽各有所长，以储存性与管理而言，甲醇与高品质的汽油经由重组似乎较具优势。

　　(2)燃料重组

　　燃料重组，最大的问题在于重组过程中造成的高温现象，甲醇重组时温度约300℃，汽油重组时的温度则高达800℃(碳与氢分子键结强，不易打断)，已经在道路行驶测试(fleet test)的甲醇重组方式燃料电池电动车，因为高温而需要配置大型冷却风扇，产生令人不快的噪音问题，虽然静肃性 (如：马达运转等)仍较传统电动汽车优越，但燃料重组时大型冷却风扇噪音问题亦不得不重视。而且大型冷却风扇亦会造成能量消耗，燃料重组方式燃料电池电动车因兼顾能源效率与噪音问题，事实上、较Toyota 的Prius 的复合动力能源效率相异不大，看不出燃料电池电动车的显著优势。更何況燃料重组时并非百分之百的零污染，仍有一定量的CO2甚至NOx和SOx排出。以甲醇重组并完成日本道路行驶测试的Mazda认为“唯有以纯氢气作为燃料的燃料电池电动车才具有挑战性!”甲醇与汽油重组衍生的各种问题，特别是高温，是燃料电池电动车普及化的一大障碍。另外，高效率的重组器开发亦刻不容缓。

　　(3)纯氢气燃料储存方式

　　纯氢气燃料，似乎是燃料电池电动车未来可能普及化的燃料供应方式，然而氢气的储存却是另一问题点。目前即使是气密性最佳的燃料容器，充气后长时间放置很可能即漏失完毕!

　　氢气燃料储存方式有高压储氢(compressed hydrogen gas)，可能引发安全上的顾虑，理论上较高的压力储氢量越多，但高压储氢材料容器的价格昂贵，尤其是燃料电池电动车，这种移动式载具必须考虑碰撞的安全性;低温储氢，要储存氢气燃料于 -273℃环境，其所需低温储存处理的能量消耗亦不容忽视，且应考虑前述漏失问题;较安全且可行的方案是储氢合金(metal hydride，储存效率仍有极大的改善空间。

　　(4)纯氢气燃料的制备

　　依照日本经济产业省预估2020年达到500万台的燃料电池电动车目标，相当于一年需要37亿5000mm3的氢气，这样的消耗量单靠天然气提炼氢气是不可能符合需求，況且在精制氢气时亦会衍生一定数量的CO2排放，与降低CO2排放诉求的燃料电池电动车互为矛盾，其实只是CO2排放只是改变为燃料电池电动车以外发生的场所罢了。

　　为了不增加制造纯氢气燃料时所带来的环境污染，以太阳能发电的电力对水产生电解制造纯氢气似乎可行。实际上，Honda 在美国加州的研发中心即利用太阳能发电制造纯氢气，并由供应站供给氢气进行相关实验，每辆车单以太阳能发电制造纯氢气即可获得一年约7600L，相当于每天20.8L氢气，以目前供给氢气1.0L行驶1.8km的实验车为例，每天可行驶37.4km，一年可累积里程13,680km，基本上可以满足普通行驶要求。不过、配置在每台燃料电池电动车上的太阳电池面积是车辆平面投影面积的4倍，太阳电池的能源利用效率与如何小型化又是另一个课题!

　　(5)燃料电池价格

　　目前燃料电池因需要使用一定量的贵重金属(主要是铂)，燃料电池厂预计短期内不易降至量产化价格。除了膜组合体中贵重金属如何降低使用量之外，开发耐高温(200℃)与耐不纯物的质子交换膜等都是当前重要的课题。

　　现阶段燃料电池电动车普及化最大的课题是，氢气的储存方式与供给体制。如何增加氢气储存效率(开发高效率储氢合金材料)与氢气供应站的普及化都是燃料电池电动车技术能否普及化的因素。而欲促进燃料电池电动车普及化，现阶段与未来应朝下列几个方向发展：

　　1、增加重组过程中富氢气的比例

　　2、改善反应气体供应方式

　　3、改善氢气的使用效率

　　4、改善燃料系统对硫成分的抗性

　　5、缩短启动时间

　　6、动力系统的热管理

　　7、动力系统的最佳化设计

　　8、减少燃料电堆的容积与重量

　　三、混合动力汽车(HEV)

　　1.定义 目前，关于“混合动力”的定义比较多，一般比较通行的是：一辆汽车，同时拥有两种、或两种以上的动力装置(也有的用“能源装置”术语，但不够严谨)，其中有一种必须是电能动力。

　　而一般来说，除了电力之外的动力，另一种都是车用内燃机。所以“混合动力”又常被称作“油电混合”。

　　2.基本工作原理

　　与纯电动车和燃料电池车(以及单纯太阳能汽车等)方案相比，可以说混合动力采用的是一种不那么激进的“中庸之道”。

　　其全部能源归根结底还是来自车载燃油，燃油还是通过传统热力学过程由热机转化成机械能。

　　也就是说，混合动力整车的能源利用率不会高于车载内燃机的最佳热效率。

　　其节能减排的基本出发点是：优化发动机的工作区间。

　　(可以类比无级变速器。无级变速器可以在某功率下寻求燃油消耗率最小的工作点，而混合动力可以将发动机控制在整个万有特性图中的最经济点。)

　　例如，发动机的最经济工作点是：n=2000rpm，Pe=40Kw。

　　当车辆负荷较轻时，比如，仅需要20Kw的功率。此时，发动机仍工作在最经济点，输出40Kw功率;多余的20Kw由电系统回收，储存在电池中。(或者发动机完全关闭，单纯由电系工作。)

　　转速和车速的协调由传动系的传动比实现，所以很多HEV配置无级变速器。

　　当车辆负荷较大时，比如，需要60Kw的功率。此时，发动机仍工作在最经济点，输出40Kw功率;不足的20Kw由电系统提供，电池对外放电。(或者发动机完全关闭，单纯由电系工作。)

　　混合动力技术能够提高燃油经济性和排放性的具体原因，可参阅《汽车理论》第二章 第五节。

　　就目前技术水平而言，与常规动力车辆相比，混合动力车辆的油耗可以降低一半左右，排放污染物水平减少的幅度更大。

　　3.技术类型

　　混合动力车辆，根据“油”与“电”的不同组合方式，有串联、并联和混联之分。较常见的是前两者。

　　(1)所谓“串联”，就是发动机-发电机-电动机-车辆传动装置…成线形串成一列。在发电机和电动机之间是蓄电池端口，由控制器控制。能量基本流程：

　　①发动机工作在最经济点，燃油的化学能由内燃机转化成机械能(或者关闭发动机，完全由电池提供能源);

　　②带动发电机全部转化成电能;

　　③如果发电量不足，则由电池补充;如果发电量超过需求，则将多余的部分储存在电池中;

　　④电能经过电池的调节后传递给电动机，再次转化成机械能;

　　⑤机械能带动车辆传动系统，提供驱动轮驱动力…

　　由于所有能量都要经过发电-电动的反复转换，效率较差;而且由于串行布置，所有动力总成都要满足车辆最大功率的需求，体积和质量都难以控制。

　　但串联式方案由于发动机和驱动轮之间没有直接的联接，发动机工作不受行驶环境和驾驶员意图的影响，容易控制在理想工作点，整套控制系统也较简单(相对并联和混联)。

　　目前，如果选用效率较高的发电机和电动机，串联式混合动力车辆的效能还是可以接受的。

　　(2)所谓“并联”，指的是“油”和“电”都可以单独驱动汽车行驶。它的核心电系是一个在控制器控制下的电机，可以适时的充当电动机或者发电机。

　　①发动机工作在最经济点，燃油的化学能由内燃机转化成机械能(或者关闭发动机，完全由电池提供能源);

　　②如果该功率不足，则电池放电，电机对外输出机械功，在动力合成装置的协调下该机械功与来自内燃机的机械功汇合，共同驱动车辆;如果发动机功率过剩，那么动力合成装置将一部分功率分配给电机，电机发电，将剩余的能量储存起来;

　　③从动力合成装置输出的机械功驱动车辆…

　　很显然，并联式方案更复杂，而且发动机与驱动轮存在机械连接，对控制器的要求更高。

　　但其最大的优点是效率高。驱动轮输出功率中的很大一部分直接来自发动机，而不需要发电-电动的转换。另外，由于内燃机和电机的功率是相加后共同满足行驶需求，它们各自的额定功率都可以远小于整车的功率需求，可以做到小型化、轻量化，这对于许多小型车辆而言是必须的。

　　(3)还有一种“混联”。从理论上说，其综合性能最佳;但系统组成非常庞大，传动布置非常困难，对控制系统的要求也非常高。在此不多介绍。

　　4.特点总结

　　总之，混合动力技术的优点包括：

　　(1) 所采用的动力总成都是对已有技术的继承，需要完全重新研制的设备不多。

　　(2) 由于所有能源从本质上还是来自车载燃油，能够比较准确的定量评价对燃油经济性和排放性的贡献。

　　(3) 是目前唯一可以回收制动能量(部分)的技术。

　　(4) 对蓄电池技术要求相对不高。

　　(5) 利用普通加油站。

　　而存在的问题主要有：

　　(1) 没有完全摆脱对化石燃料的依赖。这是最致命的缺陷，所以一般认为混合动力技术只是燃料电池车辆普及之前的一个过渡。

　　(2) 在所有电动车辆技术中，其控制系统最为复杂。对控制器软硬件水平以及车上信号通信的要求非常高。(因此，实际混合动力车辆的效能与仿真计算相比，存在一定差异。)

　　(3) 由于各动力装置的工作状况切换比较频繁，其寿命存在问题。而且大量的瞬态工作过程对油耗和排放都带来一定负面影响。

　　(4) 专门用于混合动力车辆的高效率、低排放内燃机的研发还需加快进度。

　　(5) 研发和制造成本较高。

　　这是所有电动车辆(乃至所有新型节能车辆)的共性。如果没有政策性倾斜，单凭其技术优势和消费者对环境问题的自觉认知，市场竞争力不佳。因为其初始购车费用和日程养护、维修费用的增加，远远超过节能所带来的收益。