燃料電池汽車

       燃料電池汽車也是電動(dòng)汽車，只不過(guò)“電池”是氫氧混合燃料電池。和普通化學(xué)電池相比，燃料電池可以補(bǔ)充燃料，通常是補(bǔ)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(lǐng)域使用?！　?/p>

概述

       燃料電池汽車( FCV) 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FCV 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, FCV 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(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FCV 所使用的燃料電池都是PEMFC。

特點(diǎn)

      與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車與傳統(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)。燃料電池汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)：

      1、零排放或近似零排放。

      2、減少了機(jī)油泄漏帶來(lái)的水污染。

      3、降低了溫室氣體的排放。

      4、提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

      5、提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率。

      6、運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)噪聲。

燃料電池汽車的特點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面：

底盤(pán)布置

      燃料電池動(dòng)力總成包括: 氫氣罐總成、蓄電池總成、燃料電池堆總成、動(dòng)力輸出系統(tǒng)總成等。其中, 儲(chǔ)氫罐一般放置于底盤(pán)的中部, 或后排座椅的下方空間(傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)轎車的油箱位置) , 將氫氣罐分散存儲(chǔ)。除了燃料電池動(dòng)力總成外, 對(duì)汽車制動(dòng)總成、前后懸架總成及輪胎等方面也應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整和測(cè)試。特別是隨著輪轂電機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 使燃料電池汽車在電動(dòng)機(jī)的放置有了新的選擇, 增大了汽車內(nèi)部空間。而各電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)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(pán)布置應(yīng)把絕大多數(shù)的負(fù)載均勻分配在底盤(pán)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(dòng)力系統(tǒng)一般由質(zhì)子交換膜燃料電池、蓄電池、電機(jī)和系統(tǒng)控制設(shè)備組成。燃料電池所生成的電能經(jīng)過(guò)DC /DC 轉(zhuǎn)換器、DC /AC逆變器等的變換, 帶動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn), 將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能, 為汽車提供動(dòng)力。在一些關(guān)鍵部件, 如質(zhì)子交換膜燃料電池和蓄電池等, 其熱特性及傳熱性質(zhì)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(biāo)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(lái)越重要的作用。汽車的各種操縱系統(tǒng)都會(huì)向著電子化和電動(dòng)化的方向發(fā)展, 實(shí)現(xiàn)“線操控”, 即用導(dǎo)線代替機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),如“導(dǎo)線制動(dòng)”、“導(dǎo)線轉(zhuǎn)向”等; 現(xiàn)有的12V 動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施, 將會(huì)使汽車電器零

      部件的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生重大的變革, 機(jī)械式繼電器、熔絲式保護(hù)電路也將隨之淘汰。同時(shí), 燃料電池的特性有其自身的特點(diǎn):

      a.電壓低, 電流大;

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

      c.從開(kāi)始輸出電壓、電流到逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài), 停留在過(guò)渡帶范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。正是由于以上特點(diǎn), 大多數(shù)電器和電機(jī)難以適應(yīng)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(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行大量的功率調(diào)節(jié)以保證電壓的穩(wěn)定。

      (1)當(dāng)燃料電池的輸出功率大于汽車的需要時(shí), 多余的功率可對(duì)蓄電池進(jìn)行充電, 在動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)蓄電池可以給輔助系統(tǒng)提供電源;

      (2)當(dāng)燃料電池的功率不能滿足汽車加速、爬坡時(shí), 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(dú)立地為各種電子、電氣設(shè)備提供電能。由于燃料電池汽車較之傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車在驅(qū)動(dòng)方式上有著本質(zhì)的區(qū)別, 所以在底盤(pán)布置、水熱管理、電子控制等諸多方面的設(shè)計(jì)也有著很大的不同。

關(guān)鍵技術(shù)

      電動(dòng)汽車的關(guān)鍵能源動(dòng)力技術(shù)包括電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、控制器技術(shù)。電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和控制器技術(shù)是電動(dòng)汽車所特有的技術(shù)，這3項(xiàng)技術(shù)也是一直制約電動(dòng)汽車大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。

電池技術(shù)

      電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉，也是一直制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車用電池的主要性能指標(biāo)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(dòng)汽車能與燃油汽車相競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵就是要開(kāi)發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)的高效電池。

      電動(dòng)汽車用電池經(jīng)過(guò)了3代的發(fā)展，已經(jīng)取得了突破性進(jìn)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(jià)格低和能高倍率放電， 因此是目前惟一能大批量生產(chǎn)的電動(dòng)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(dòng)汽車的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程，但其價(jià)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(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽芰哭D(zhuǎn)變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應(yīng)過(guò)程，能量轉(zhuǎn)化過(guò)程可以連續(xù)進(jìn)行，因此是理想的汽車用電池還處于研制階段，一些關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。

      廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的燃料電池是一種稱為質(zhì)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(jīng)歷熱機(jī)過(guò)程，不受熱力循環(huán)限制，因此能量的轉(zhuǎn)換效率高，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的2～3倍。同時(shí)，它還具有噪音低、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)迅速、比功率大和輸出功率可隨時(shí)調(diào)整等特性，使得PEMFC非常適合用作交通工具的動(dòng)力源。

電機(jī)技術(shù)

      電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)是所有電動(dòng)汽車必不可少的關(guān)鍵部件。使用較多的有直流有刷、永磁無(wú)刷、交流感應(yīng)和開(kāi)關(guān)磁阻4種電機(jī)。

      直流有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，具有交流電機(jī)所不可比擬的優(yōu)良電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，所以直到20世紀(jì)80年代中期，仍是國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車用電機(jī)的主要研發(fā)對(duì)象。但是，由于直流電機(jī)價(jià)格高，體積和質(zhì)量大，因此在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用受到了限制。

      永磁無(wú)刷電機(jī)可以分為由方波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)(BLD— CM)和由正弦波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)(PMSM) ，它們都具有較高的功率密度，其控制方式與感應(yīng)電機(jī)基本相同，其主要優(yōu)點(diǎn)是效率可以比交流感應(yīng)電機(jī)高6個(gè)百分點(diǎn)，因此在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)前電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)的研發(fā)熱點(diǎn)。這類電機(jī)具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性低、響應(yīng)快，非常適應(yīng)于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有極好的應(yīng)用前景。但價(jià)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(dòng)汽車主要采用這種電機(jī)。

      交流感應(yīng)電機(jī)也是較早用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的一種電機(jī)，它的調(diào)速控制技術(shù)比較成熟，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量小、成本低、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、轉(zhuǎn)速極限高和不用位置傳感器等優(yōu)點(diǎn)，但因轉(zhuǎn)速控制范圍小、轉(zhuǎn)矩特性不理想，因此不適合頻繁啟動(dòng)、頻繁加減速的電動(dòng)汽車。美國(guó)以及歐洲研制的電動(dòng)汽車多采用這種電機(jī)。

      開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)具有簡(jiǎn)單可靠、可在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行，控制靈活、4象限運(yùn)行、響應(yīng)速度快和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，SRM存在著轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、需要位置檢測(cè)器等缺點(diǎn)，所以應(yīng)用受到了限制。

      4種電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是對(duì)于電動(dòng)汽車而言，由于電能是由各類電池提供的，價(jià)格昂貴而彌足珍貴，所以使用相對(duì)效率最高的永磁無(wú)刷電機(jī)是較為合理的，它已被廣泛應(yīng)用于功率小于100kW 的現(xiàn)代電動(dòng)汽車上。

      在國(guó)外已有越來(lái)越多的電動(dòng)汽車采用性能先進(jìn)的電動(dòng)輪(又稱輪轂電機(jī))，它用電機(jī)(多為永磁無(wú)刷式)直接驅(qū)動(dòng)車輪，因此無(wú)傳統(tǒng)汽車的變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋等復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)部件，汽車結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。但是它要求電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下有很大的扭矩， 特別是對(duì)于軍用越野車，要求電機(jī)基點(diǎn)轉(zhuǎn)速：最高轉(zhuǎn)速=1：10。近幾年，美、英、法、德等國(guó)紛紛將電動(dòng)輪技術(shù)應(yīng)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(shù)

      控制器技術(shù)的變速和方向變換是靠電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制裝置來(lái)完成的，其原理是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的電壓和電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向的控制。目前電動(dòng)汽車上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波調(diào)速，通過(guò)均勻改變電機(jī)的端電壓，控制電機(jī)的電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。在電子電力技術(shù)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(diào)速裝置所取代。從技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，伴隨著新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用，電動(dòng)汽車的調(diào)速控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂孀兗夹g(shù)的應(yīng)用將成為必然的趨勢(shì)。

      在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋向變換控制中，直流電機(jī)依靠接觸器改變電樞或磁場(chǎng)的電流方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋向變換，這使得控制電路復(fù)雜、可靠性降低。當(dāng)采用交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)向的改變只需變換磁場(chǎng)三相電流的相序即可，可使控制電路簡(jiǎn)化。此外，采用交流電機(jī)及其變頻調(diào)速控制技術(shù)，使電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收控制更加方便，控制電路更加簡(jiǎn)單。

      二十一世紀(jì)以來(lái)，由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車幾乎都采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制又有最大效率控制和無(wú)速度傳感器矢量控制，前者是使勵(lì)磁電流隨著電動(dòng)機(jī)參數(shù)和負(fù)載條件的變化，從而使電動(dòng)機(jī)的損耗最小、效率最大；后者是利用電機(jī)電壓、電流和電機(jī)參數(shù)來(lái)估算出速度，不用速度傳感器，從而達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低成本、提高可靠性的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制克服了矢量控制中解耦的問(wèn)題，把轉(zhuǎn)子磁通定向變換為定子磁通定向，通過(guò)控制定子磁鏈的幅值以及該矢量相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。由于直接轉(zhuǎn)矩的控制手段直接、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制性能優(yōu)良和動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，因此非常適合電動(dòng)汽車的控制。

      隨著電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展， 控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化。變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法等非線性智能控制技術(shù)，都將各自或結(jié)合應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電機(jī)控制系統(tǒng)。它們的應(yīng)用將使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)迅速，抗干擾能力強(qiáng)，參數(shù)變化具有魯棒性，可大大提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能。