需要解決的問題 - 深層講解:電動車輛技術(shù)問題

　　對于純?nèi)剂想姵剀嚮蚧跉淠茉吹钠渌愋蛙?，怎樣合理控制制氫成本和建立社?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)化的儲氫站是一個重要工程;在行駛的汽車?yán)镌鯓颖４鏆淙剂弦彩且粋€重要課題。

　　儲氫技術(shù)基本上有三種，一是在超低溫-253°將氫呈液態(tài)保存，二是用高壓(約5000磅/平方英寸)壓縮氣態(tài)氫，提高能量密度，三是用金屬氫化合物在普通常溫下儲存氫;具體來說，燃料電池電動車普及化道路上尚需攻克的課題主要有：

　　(1)氫氣燃料的供給

　　如前所述，燃料電池電動車以燃料的氫氣與空氣的氧氣反應(yīng)，以其產(chǎn)生的電力推動馬達(dá)而得以行駛。相較于傳統(tǒng)電動車，燃料電池電動車的燃料電池可視為小型發(fā)電廠，且燃料電池電動車可以改善傳統(tǒng)電池過重、電能容量及長時間充電的缺點，燃料電池發(fā)電可視為水電解的逆反應(yīng)，發(fā)電過程中只有水份的排放，是清凈的動力能源。而這些都依賴于氫能源的充足供給。

　　以國外的情形為例：日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省原來預(yù)估2010年底，燃料電池電動車可以達(dá)到5萬臺，2020年達(dá)到500萬臺的目標(biāo)，目前看來似乎有些過熱，各個車廠開始以較務(wù)實的態(tài)度對應(yīng)這件事情。Toyota預(yù)定2003年燃料電池電動車商品化，且希望將價格訂在日幣1000萬元以下才具產(chǎn)品競爭力。但短期內(nèi)，燃料電池價格不易降至數(shù)百萬日元內(nèi)。同期從事研發(fā)工作的Honda、Daimler Chrysler、Ford等車廠都認(rèn)為燃料電池電動車發(fā)展的難題是─氫氣燃料的供給。特別是氫氣供應(yīng)站與氫氣燃料的環(huán)境整備 (infrastructure)。燃料電池電動車可以純氫氣為燃料，抑或以碳?xì)湎等剂先缂状?、天然氣、汽油等?jīng)由重組取得富氫氣燃料，其熱值等性質(zhì)雖各有所長，以儲存性與管理而言，甲醇與高品質(zhì)的汽油經(jīng)由重組似乎較具優(yōu)勢。

　　(2)燃料重組

　　燃料重組，最大的問題在于重組過程中造成的高溫現(xiàn)象，甲醇重組時溫度約300℃，汽油重組時的溫度則高達(dá)800℃(碳與氫分子鍵結(jié)強(qiáng)，不易打斷)，已經(jīng)在道路行駛測試(fleet test)的甲醇重組方式燃料電池電動車，因為高溫而需要配置大型冷卻風(fēng)扇，產(chǎn)生令人不快的噪音問題，雖然靜肅性 (如：馬達(dá)運轉(zhuǎn)等)仍較傳統(tǒng)電動汽車優(yōu)越，但燃料重組時大型冷卻風(fēng)扇噪音問題亦不得不重視。而且大型冷卻風(fēng)扇亦會造成能量消耗，燃料重組方式燃料電池電動車因兼顧能源效率與噪音問題，事實上、較Toyota 的Prius 的復(fù)合動力能源效率相異不大，看不出燃料電池電動車的顯著優(yōu)勢。更何況燃料重組時并非百分之百的零污染，仍有一定量的CO2甚至NOx和SOx排出。以甲醇重組并完成日本道路行駛測試的Mazda認(rèn)為“唯有以純氫氣作為燃料的燃料電池電動車才具有挑戰(zhàn)性!”甲醇與汽油重組衍生的各種問題，特別是高溫，是燃料電池電動車普及化的一大障礙。另外，高效率的重組器開發(fā)亦刻不容緩。

　　(3)純氫氣燃料儲存方式

　　純氫氣燃料，似乎是燃料電池電動車未來可能普及化的燃料供應(yīng)方式，然而氫氣的儲存卻是另一問題點。目前即使是氣密性最佳的燃料容器，充氣后長時間放置很可能即漏失完畢!

　　氫氣燃料儲存方式有高壓儲氫(compressed hydrogen gas)，可能引發(fā)安全上的顧慮，理論上較高的壓力儲氫量越多，但高壓儲氫材料容器的價格昂貴，尤其是燃料電池電動車，這種移動式載具必須考慮碰撞的安全性;低溫儲氫，要儲存氫氣燃料于 -273℃環(huán)境，其所需低溫儲存處理的能量消耗亦不容忽視，且應(yīng)考慮前述漏失問題;較安全且可行的方案是儲氫合金(metal hydride，儲存效率仍有極大的改善空間。

　　(4)純氫氣燃料的制備

　　依照日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省預(yù)估2020年達(dá)到500萬臺的燃料電池電動車目標(biāo)，相當(dāng)于一年需要37億5000mm3的氫氣，這樣的消耗量單靠天然氣提煉氫氣是不可能符合需求，況且在精制氫氣時亦會衍生一定數(shù)量的CO2排放，與降低CO2排放訴求的燃料電池電動車互為矛盾，其實只是CO2排放只是改變?yōu)槿剂想姵仉妱榆囈酝獍l(fā)生的場所罷了。

　　為了不增加制造純氫氣燃料時所帶來的環(huán)境污染，以太陽能發(fā)電的電力對水產(chǎn)生電解制造純氫氣似乎可行。實際上，Honda 在美國加州的研發(fā)中心即利用太陽能發(fā)電制造純氫氣，并由供應(yīng)站供給氫氣進(jìn)行相關(guān)實驗，每輛車單以太陽能發(fā)電制造純氫氣即可獲得一年約7600L，相當(dāng)于每天20.8L氫氣，以目前供給氫氣1.0L行駛1.8km的實驗車為例，每天可行駛37.4km，一年可累積里程13,680km，基本上可以滿足普通行駛要求。不過、配置在每臺燃料電池電動車上的太陽電池面積是車輛平面投影面積的4倍，太陽電池的能源利用效率與如何小型化又是另一個課題!

　　(5)燃料電池價格

　　目前燃料電池因需要使用一定量的貴重金屬(主要是鉑)，燃料電池廠預(yù)計短期內(nèi)不易降至量產(chǎn)化價格。除了膜組合體中貴重金屬如何降低使用量之外，開發(fā)耐高溫(200℃)與耐不純物的質(zhì)子交換膜等都是當(dāng)前重要的課題。

　　現(xiàn)階段燃料電池電動車普及化最大的課題是，氫氣的儲存方式與供給體制。如何增加氫氣儲存效率(開發(fā)高效率儲氫合金材料)與氫氣供應(yīng)站的普及化都是燃料電池電動車技術(shù)能否普及化的因素。而欲促進(jìn)燃料電池電動車普及化，現(xiàn)階段與未來應(yīng)朝下列幾個方向發(fā)展：

　　1、增加重組過程中富氫氣的比例

　　2、改善反應(yīng)氣體供應(yīng)方式

　　3、改善氫氣的使用效率

　　4、改善燃料系統(tǒng)對硫成分的抗性

　　5、縮短啟動時間

　　6、動力系統(tǒng)的熱管理

　　7、動力系統(tǒng)的最佳化設(shè)計

　　8、減少燃料電堆的容積與重量

　　三、混合動力汽車(HEV)

　　1.定義 目前，關(guān)于“混合動力”的定義比較多，一般比較通行的是：一輛汽車，同時擁有兩種、或兩種以上的動力裝置(也有的用“能源裝置”術(shù)語，但不夠嚴(yán)謹(jǐn))，其中有一種必須是電能動力。

　　而一般來說，除了電力之外的動力，另一種都是車用內(nèi)燃機(jī)。所以“混合動力”又常被稱作“油電混合”。

　　2.基本工作原理

　　與純電動車和燃料電池車(以及單純太陽能汽車等)方案相比，可以說混合動力采用的是一種不那么激進(jìn)的“中庸之道”。

　　其全部能源歸根結(jié)底還是來自車載燃油，燃油還是通過傳統(tǒng)熱力學(xué)過程由熱機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。

　　也就是說，混合動力整車的能源利用率不會高于車載內(nèi)燃機(jī)的最佳熱效率。

　　其節(jié)能減排的基本出發(fā)點是：優(yōu)化發(fā)動機(jī)的工作區(qū)間。

　　(可以類比無級變速器。無級變速器可以在某功率下尋求燃油消耗率最小的工作點，而混合動力可以將發(fā)動機(jī)控制在整個萬有特性圖中的最經(jīng)濟(jì)點。)

　　例如，發(fā)動機(jī)的最經(jīng)濟(jì)工作點是：n=2000rpm，Pe=40Kw。

　　當(dāng)車輛負(fù)荷較輕時，比如，僅需要20Kw的功率。此時，發(fā)動機(jī)仍工作在最經(jīng)濟(jì)點，輸出40Kw功率;多余的20Kw由電系統(tǒng)回收，儲存在電池中。(或者發(fā)動機(jī)完全關(guān)閉，單純由電系工作。)

　　轉(zhuǎn)速和車速的協(xié)調(diào)由傳動系的傳動比實現(xiàn)，所以很多HEV配置無級變速器。

　　當(dāng)車輛負(fù)荷較大時，比如，需要60Kw的功率。此時，發(fā)動機(jī)仍工作在最經(jīng)濟(jì)點，輸出40Kw功率;不足的20Kw由電系統(tǒng)提供，電池對外放電。(或者發(fā)動機(jī)完全關(guān)閉，單純由電系工作。)

　　混合動力技術(shù)能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性的具體原因，可參閱《汽車?yán)碚摗返诙?第五節(jié)。

　　就目前技術(shù)水平而言，與常規(guī)動力車輛相比，混合動力車輛的油耗可以降低一半左右，排放污染物水平減少的幅度更大。

　　3.技術(shù)類型

　　混合動力車輛，根據(jù)“油”與“電”的不同組合方式，有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)之分。較常見的是前兩者。

　　(1)所謂“串聯(lián)”，就是發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)-電動機(jī)-車輛傳動裝置…成線形串成一列。在發(fā)電機(jī)和電動機(jī)之間是蓄電池端口，由控制器控制。能量基本流程：

　　①發(fā)動機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)點，燃油的化學(xué)能由內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能(或者關(guān)閉發(fā)動機(jī)，完全由電池提供能源);

　?、趲影l(fā)電機(jī)全部轉(zhuǎn)化成電能;

　?、廴绻l(fā)電量不足，則由電池補(bǔ)充;如果發(fā)電量超過需求，則將多余的部分儲存在電池中;

　?、茈娔芙?jīng)過電池的調(diào)節(jié)后傳遞給電動機(jī)，再次轉(zhuǎn)化成機(jī)械能;

　　⑤機(jī)械能帶動車輛傳動系統(tǒng)，提供驅(qū)動輪驅(qū)動力…

　　由于所有能量都要經(jīng)過發(fā)電-電動的反復(fù)轉(zhuǎn)換，效率較差;而且由于串行布置，所有動力總成都要滿足車輛最大功率的需求，體積和質(zhì)量都難以控制。

　　但串聯(lián)式方案由于發(fā)動機(jī)和驅(qū)動輪之間沒有直接的聯(lián)接，發(fā)動機(jī)工作不受行駛環(huán)境和駕駛員意圖的影響，容易控制在理想工作點，整套控制系統(tǒng)也較簡單(相對并聯(lián)和混聯(lián))。

　　目前，如果選用效率較高的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，串聯(lián)式混合動力車輛的效能還是可以接受的。

　　(2)所謂“并聯(lián)”，指的是“油”和“電”都可以單獨驅(qū)動汽車行駛。它的核心電系是一個在控制器控制下的電機(jī)，可以適時的充當(dāng)電動機(jī)或者發(fā)電機(jī)。

　?、侔l(fā)動機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)點，燃油的化學(xué)能由內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能(或者關(guān)閉發(fā)動機(jī)，完全由電池提供能源);

　?、谌绻摴β什蛔悖瑒t電池放電，電機(jī)對外輸出機(jī)械功，在動力合成裝置的協(xié)調(diào)下該機(jī)械功與來自內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械功匯合，共同驅(qū)動車輛;如果發(fā)動機(jī)功率過剩，那么動力合成裝置將一部分功率分配給電機(jī)，電機(jī)發(fā)電，將剩余的能量儲存起來;

　?、蹚膭恿铣裳b置輸出的機(jī)械功驅(qū)動車輛…

　　很顯然，并聯(lián)式方案更復(fù)雜，而且發(fā)動機(jī)與驅(qū)動輪存在機(jī)械連接，對控制器的要求更高。

　　但其最大的優(yōu)點是效率高。驅(qū)動輪輸出功率中的很大一部分直接來自發(fā)動機(jī)，而不需要發(fā)電-電動的轉(zhuǎn)換。另外，由于內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)的功率是相加后共同滿足行駛需求，它們各自的額定功率都可以遠(yuǎn)小于整車的功率需求，可以做到小型化、輕量化，這對于許多小型車輛而言是必須的。

　　(3)還有一種“混聯(lián)”。從理論上說，其綜合性能最佳;但系統(tǒng)組成非常龐大，傳動布置非常困難，對控制系統(tǒng)的要求也非常高。在此不多介紹。